不同秸秆还田量对上海地区稻田甲烷排放的影响

朱雅婷,倪远之,张 敏,王振旗,沈根祥,*,黄 娜,3

(1.华东理工大学 资源与环境工程学院,上海 200237; 2.上海市环境科学研究院 国家环境保护新型污染物环境健康影响评价重点实验室,国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室,上海 200233; 3.东华大学 环境科学与工程学院,上海 200051)

人为源温室气体的大量排放是引起当前全球气候变化的重要原因。在我国提出“力争在2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和”“双碳”目标的背景下,如何减少人为源温室气体排放,成为当前研究的热点。农业生产活动是重要的温室气体排放源,约占我国人为源温室气体排放总量的13.5%[1]。人为排放的甲烷(CH4)中,有40%来自农业生产活动[2],其中,稻田CH4排放量占农业源CH4排放总量的54.96%[3],这与秸秆还田利用情况密切相关。Samoura[4]研究发现,受淹水厌氧条件影响,秸秆全量还田与秸秆不还田相比,早稻和晚稻的CH4排放量分别可增加13.9%和20.3%;郭子艳[5]研究了不同秸秆还田条件下稻田的CH4排放,指出秸秆全量还田下CH4累积排放量较不还田增加了12.5%～23.1%。

长江三角洲是我国重要的水稻生产区,水稻产量约占全国粮食总产的22%[6],近年来逐步形成了机械化还田和离田化利用并举的秸秆利用格局,但在本研究检索范围内,还鲜见基于长三角一体化示范区气候背景下有关秸秆离田利用对稻田CH4排放影响的报道。

针对稻田生态系统的CH4排放和种植业CH4减排效果,国内外学者普遍采用静态箱-气相色谱法开展监测研究工作。黄明蔚[7]研究发现,施肥下稻田CH4排放量为不施肥的1.4倍左右;张鲜鲜[8]针对氮肥减量下CH4排放的田间监测结果表明,稻田CH4累积排放量为5.37～5.90 kg·hm-2;侯玉兰[9]监测稻麦轮作模式下水稻生长季和休耕期的CH4排放发现,不同光照条件下,稻田CH4排放量为85.6～128.6 kg·hm-2。但是,这种手工监测方法的气样采集频率较低,测得的气体浓度仅代表采样时间段的数值,不具有连续性,在一定程度上影响了稻田CH4排放值的精准估算。

考虑到秸秆离田利用具备的稻田生态系统温室气体减排潜力,以及在减缓气候变化和实现“双碳”目标方面的意义,本研究针对传统手工监测CH4浓度不具连续性的问题,以上海市青浦区稻田为研究对象,利用PICARRO G2508温室气体在线监测系统(美国PICARRO),对不同秸秆还田量下的稻田CH4排放规律进行监测,明确上海市稻田CH4本地化排放系数,以期为科学评估长三角整体的稻田CH4减排潜力和进一步完善稻田CH4减排技术体系提供数据参考和技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

监测田位于上海市环境科学研究院与上海市青浦现代农业园区合作共建的农业生态环境保护综合试验基地(30°57′48″N,121°01′35″E),地处长江下游平原河网地区,属于典型的亚热带季风气候区,气候湿润,日照充足,四季分明,雨水充沛,年均气温约为17.9 ℃,年均降水量约1 554.6 mm。试验周期为2021年5—10月。供试水稻品种为青香软粳,采用传统的“淹水—中期烤田—复水”水分管理模式,于2021年5月18日播种,6月30日移栽,7月28日开始烤田处理,8月7日后进行浅水灌溉,11月5日收割,全生育期153 d。监测田土壤为青紫泥,试验前各小区土壤理化性状无明显差异,pH值8.17,有机质含量19.25 g·kg-1,全氮含量1.21 g·kg-1,全磷含量0.67 g·kg-1,全钾含量18.4 g·kg-1,铵态氮含量2.11 mg·kg-1,硝态氮含量0.42 mg·kg-1,阳离子交换量9.82 cmol·kg-1。

1.2 试验设计

本研究采用大田小区试验方式,共设置4种处理:空白对照(CK),不施肥+秸秆不还田;处理1(C1),施肥+秸秆不还田;处理2(C2),施肥+秸秆半量还田;处理3(C3),施肥+秸秆全量还田。每种处理设置2个重复,每个重复对应于1个小区。除CK外,其他处理的氮、磷、钾肥施用总量(折纯,分别以N、P2O5、K2O计)分别为240、45、45 kg·hm-2。氮肥分基肥、分蘖肥和穗肥3次施用,其中,基肥为缓释肥(N、P2O5、K2O质量分数分别为30%、6%、6%),氮、磷、钾施用量(折纯)分别为225、45、45 kg·hm-2,分蘖肥和穗肥均为尿素(N质量分数46%),氮施用量(折纯)均为7.5 kg·hm-2。为减少试验小区边际效应对试验结果的影响,将其面积设置为7 m×8 m。为确保各小区间不发生侧渗和田面水串流,将小区田埂筑高至40 cm,宽度扩大至50 cm,并采用1.2 mm高密度聚乙烯(HDPE)包裹田埂插入两侧地下各80 cm进行防渗处理。按照当地秸秆还田机械化作业习惯,在前茬水稻收割时将秸秆粉碎至5～10 cm后置于田间,在当季水稻种植前1个月翻耕时将秸秆翻入土中0～20 cm。C2、C3处理的秸秆还田量分别为2.5、5.0 t·hm-2。

1.3 样品采集方法

本研究采用PICARRO G2508温室气体在线监测系统连接呼吸叶室对稻田CH4排放进行连续采集和分析,并同步获取对应处理下5 cm深度土壤温度。在8个试验小区内各安放1台规格为0.5 m×0.5 m×1.5 m的呼吸叶室,箱室四周距田埂2.0 m以上。试验期间,每个小区连续采样2次,每个气样的采集时间为6 min,此时呼吸叶室上窗和侧窗为闭合状态,采集结束后自动开启上窗和侧窗,间隔4 min后进行下一次气体采集。将2次采样作为单个小区的平行样,在完成上个小区样品的2次采集后,按设定程序对其他小区气体样品进行采集。每个小区样品的采集时间需要20 min,8个小区气样的采集周期为160 min。

1.4 数据分析

基于光腔衰荡光谱法由在线监测系统直接获取稻田CH4瞬时排放量,参照徐祥玉[10]的方法,根据呼吸叶室内气体浓度随时间的线性变化测得的温度计算稻田CH4排放通量,采用插值法测算1 d内总的CH4排放通量和水稻全生育期的稻田CH4累积排放量,其中,在测算水稻全生育期的稻田CH4累积排放量时,两次采样日期的时间间隔为4 d。

采用Excel 2019软件汇总、整理数据。利用SPSS 26.0软件进行方差分析,对有显著(P<0.05)差异的,采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较。采用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田量下稻田CH4排放特征

2.1.1 水稻生长期CH4排放通量的变化规律

各处理小区因秸秆还田量不同,水稻不同生长期的CH4排放通量表现出明显的差异性(图1)。在水稻生长初期,各处理的CH4排放通量均呈递增趋势,在分蘖期出现第一个排放峰值(31.55～392.91 mg·m-2·d-1)。分蘖期时,稻田处于淹水条件下,土壤氧化还原电位的降低有利于产CH4菌分解有机物产生CH4,且该时期植株通气组织发达,CH4传输效率较高,原先在土壤中以闭蓄态形式存在的CH4得以释放[11]。分蘖期后,各处理的CH4排放通量逐渐下降到4.66～12.97 mg·m-2·d-1,仅为排放峰值的3.30%～14.77%。这可能是因为中期的烤田处理改变了土壤的通透性,提高了土壤的氧化还原电位,破坏了产CH4菌的生存环境,影响了其在土壤中的数量或活性,从而抑制了CH4的产生与排放[12-14]。烤田处理后田间恢复灌水,CH4排放通量又逐渐增长,于拔节抽穗期出现第二个排放峰值(6.31～78.58 mg·m-2·d-1)。田间复水使得稻田土壤由好氧环境转变为厌氧环境,产CH4菌的活性增强,稻田CH4排放量相应增加[15]。在水稻生长后期,由于土壤中可被利用的有机质含量降低,CH4排放通量恢复至生长初期水平。

图1 不同秸秆还田量下水稻不同生长期的CH4排放通量变化Fig.1 Changes of CH4 emission flux at different growth stages of rice under different straw returning amounts

从各处理的CH4日排放通量来看,C1的CH4日平均排放通量为10.00 mg·m-2·d-1,较CK降低了16.11%,说明秸秆不还田时,施加氮肥对稻田CH4排放有一定的抑制作用,这与焦燕等[16]和王明星[17]的研究结论一致。C2、C3的CH4日平均排放通量分别为47.05、127.58 mg·m-2·d-1,较C1分别增加了3.7倍和11.8倍,说明秸秆还田可显著增加稻田的CH4排放。这可能与秸秆还田增加了土壤中的可溶性有机碳、微生物量碳和易氧化态碳的含量,进而影响稻田CH4的排放通量有关。此外,秸秆还田会大量消耗土壤中的O2,土壤厌氧环境的形成也会促进CH4的产生[18]。

2.1.2 分蘖期稻田CH4日排放通量的变化规律

以CH4排放高峰期,即水稻分蘖期内5 d对应时段的加权平均值为例,分析不同秸秆还田量下5 cm深度土壤温度和CH4排放通量的日变化(图2)。各处理的CH4日排放通量均呈现单峰曲线特征,CH4排放通量在00:00—06:00维持在0.33～8.92 mg·m-2·h-1,变化相对稳定;在06:00—14:00逐渐由0.49～8.51 mg·m-2·h-1上升至最大值1.13～23.60 mg·m-2·h-1;在14:00—22:00不断降低,至22:00排放通量下降至0.53～13.06 mg·m-2·h-1。4组处理的CH4日排放通量变化趋势与5 cm深度土壤温度变化动态大体一致。各处理5 cm深度的土壤温度在26.35～33.33 ℃,土壤温度在06:00—14:00逐渐上升,最高温和最低温分别出现在14:00和06:00。有研究表明,水稻在长期淹水的环境中会形成一定的通气组织,约90%的CH4被水稻的根系吸收,根系在输送养分的同时将CH4通过通气组织输送到大气中[19]。在06:00—14:00时段,随着土壤温度不断升高,植物光合作用逐渐增强,植物的气孔阻力逐渐减小,CH4排放通量通过根系的传输作用不断增加[20]。

图2 不同秸秆还田量下5 cm深度土壤温度(A)和CH4排放通量(B)的日变化Fig.2 Daily variation of soil temperature at 5 cm depth (A) and CH4 emission flux (B) under different straw returning amounts

2.1.3 水稻生长期CH4累积排放量分析

不同处理水稻各生长期的CH4累积排放量均表现为分蘖期>灌浆成熟期>拔节抽穗期(表1)。

表1 不同秸秆还田量下水稻各生长期的CH4累积排放量

CK、C1、C2和C3处理在分蘖期(约30 d)的CH4累积排放量分别占全生育期CH4累积排放量的55.81%、49.40%、49.70%和52.11%,而拔节抽穗期(约30 d)和灌浆成熟期(约60 d)的CH4累积排放量分别占全生育期CH4累积排放量的12.86%～23.10%和26.53%～37.44%。各处理的稻田CH4排放均主要集中在水稻分蘖期,可能是因为该时期水稻的营养生长和光合作用最为旺盛,传输至植物根系的有机碳化合物多,这样的环境有利于土壤微生物数量和活性的增长,为产CH4菌的代谢活动提供了充足的碳源和能源[24]。

各处理在水稻全生育期的CH4累积排放量以C3最高,显著高于其他处理,其次为C2处理,显著高于C1和CK,而C1与CK之间无显著差异。这说明,氮肥施用对稻田CH4排放的影响并不显著,但与秸秆不还田相比,秸秆还田显著增加了水稻全生育期的稻田CH4累积排放量,且秸秆还田量越大,水稻全生育期的稻田CH4累积排放量越高。

一般地,稻田CH4排放系数为一年内稻田CH4的累积排放量,即水稻全生育期的CH4排放总量。本研究所测得的不同秸秆还田量下水稻全生育期的CH4累积排放量与该处理下稻田的CH4排放系数在数值上一致,其值即可视为该处理下的稻田CH4排放系数。

2.2 不同秸秆还田量下单位水稻产量CH4排放量

为评估不同秸秆还田量对稻田CH4排放的综合效应,引入单位水稻产量CH4排放量(水稻全生育期CH4累积排放量与单位面积水稻产量之比)作为评价指标(图4)。CK、C1、C2、C3处理的水稻产量分别为(5 968±96)、(7 050±75)、(7 359±1734)、(7 659±158) kg·hm-2,C3与C2处理的水稻产量无显著差异,二者均显著高于CK和C1处理,C1处理的水稻产量显著高于CK。这说明施肥或秸秆还田能显著提高水稻产量,但在半量秸秆还田的条件下,进一步增加秸秆还田量对水稻增产的效果并不显著。这与Jawson等[25]和严奉君等[26]的研究结论相符。

柱(点)上无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。Bars (dots) marked without the same letters indicate significant difference at P<0.05.图4 不同秸秆还田量下的水稻产量与单位水稻产量CH4排放量Fig.4 Rice yield and CH4 emission per unit rice yield under different straw returning amounts

经测算,CK、C1、C2、C3处理的单位水稻产量CH4排放量分别为(1.95±0.05)、(1.42±0.19)、(7.24±0.52)、(16.52±0.64) g·kg-1,其中,CK和C1处理的单位水稻产量CH4排放量无显著差异,在各处理中最低,显著低于C2和C3处理,C3处理的单位水稻产量CH4排放量最高,且显著高于其他处理。与C1相比,C2处理下水稻产量显著增加了4.38%,但其单位水稻产量CH4排放量显著增加了4.1倍;C3处理下水稻产量显著增加了8.64%,但其单位水稻产量CH4排放量显著增加了10.6倍。相比于秸秆全量还田的C3处理,秸秆半量还田的C2处理在产量无显著变化的前提下,单位水稻产量CH4排放量显著降低56.17%。

3 讨论

现有研究报道的上海市稻田CH4排放系数多获取于2012年及以前[7-9,27-28],自秸秆禁烧政策执行以来,关于秸秆还田对稻田CH4排放影响的试验研究多集中于江苏、湖南等地,缺乏上海本地化系数;为此,本研究特以上海青浦区稻田为研究对象,利用PICARRO G2508温室气体在线监测系统探索不同秸秆还田量下稻田CH4的排放特征,以期明确当前时期秸秆还田与不还田条件下上海市稻田CH4本地化排放系数。

试验发现,不同秸秆还田量下稻田CH4日排放均呈现单峰曲线特征,一天中CH4排放通量的最大值出现在14:00,稻田CH4排放通量与5 cm深度土壤温度呈显著正相关关系,且两者的相关性随着秸秆还田量的增加而增强。常规施肥条件下,稻田的CH4排放主要集中在水稻分蘖期,其贡献率达49.40%～52.11%,秸秆不还田、半量还田和全量还田的稻田CH4累积排放量分别为(10.00±0.06)、(53.26±0.06)、(121.55±0.03) kg·hm-2,随秸秆还田量的增加而增加。秸秆半量还田较全量还田在不影响水稻产量的前提下,单位水稻产量CH4排放量显著降低56.17%。在本试验条件下,为减少稻田CH4排放,建议采用秸秆半量还田。

戴洁[27]利用CH4MOD模型对不同轮作模式(水稻+冬二麦、水稻+冬油菜、水稻+绿肥等)下的上海市稻田CH4排放进行模拟,得出全市层面的稻田CH4排放系数为277.15 kg·hm-2·a-1,较试验条件下测算的最大值高出155.60 kg·hm-2·a-1。本研究为水稻-旱休闲轮作模式,而前述研究中轮作模式多样,不同轮作模式能通过影响稻田田面水和土壤性质来影响稻田的CH4排放[29]。另外,前述研究中还施入了秸秆和粪肥,相较于单纯的秸秆还田,粪肥的施入可进一步加强产CH4菌的活性,从而提高稻田CH4排放量[30]。张鲜鲜[8]在崇明岛监测了秸秆不还田下不同氮肥施用量的稻田CH4排放情况,获得的CH4排放系数为5.45～5.83 kg·hm-2·a-1,本研究中,秸秆不还田+施肥条件下获得的CH4排放系数是前述数值的1.7～1.8倍。本研究与张鲜鲜[8]的研究相比,氮用量相差不大,但本研究的土壤有机质含量是其1.2倍左右,推测可能是由于土壤有机质含量高,可供产CH4菌利用的底物多,因而导致稻田CH4排放增加[31]。另外,本研究中CH4排放高峰期的淹水时间也较张鲜鲜[8]的研究更长,长期淹水的厌氧环境也有利于产CH4菌的代谢活动,导致稻田CH4排放增多[13]。赵峥等[28]在青浦区对不同肥料施用下的稻田CH4排放展开监测,结果表明,稻田CH4排放系数为65～324 kg·hm-2·a-1。与本试验中秸秆半量还田下CH4排放系数相比增加了22%～508%。赵峥等[28]试验中的土壤pH值为7.05～7.18,而本研究为8.17。研究表明,稻田CH4排放与土壤pH值呈负相关关系,土壤pH值提高在一定程度上能降低稻田CH4排放[8]。此外,其试验中的初始土壤有机质含量是文献[7]、[8]和本研究初始土壤有机质含量的1.2～2.1倍,CH4排放系数是上述研究的1.1～59.5倍。已有研究表明,在土壤初始有机质含量较高的情况下,额外添加有机肥或秸秆等可降解有机质可明显增加稻田CH4排放[22,31]。综合上述研究及其数据对比,推测土壤有机质含量是影响稻田CH4排放的关键因素之一,在土壤初始有机质含量较高的前提下,减少有机肥或秸秆等可降解有机质的施用量能达到稻田CH4减排的目的。