大气CO2浓度缓增、骤增和不同施氮水平对稻田CH4排放的影响

2024-03-02武熳秋商东耀帅斯樑曹琰梅柯浩楠胡正华

生态与农村环境学报 2024年2期

武熳秋,商东耀,帅斯樑,曹琰梅,柯浩楠,胡正华①,李琪②

(1.南京信息工程大学应用气象学院,江苏南京 210044;2.河南省气象科学研究所/ 中国气象局农业气象保障与应用技术重点实验室,河南郑州 450003)

随着人类活动的加剧,大气中二氧化碳(CO2)等温室气体浓度不断增加。在高排放情境(SSP5-8.5)下,21世纪末全球大气CO2浓度很有可能达到848～1 045 μmol·mol-1[1]。甲烷(CH4)作为重要的温室气体之一,其增温效应仅次于CO2,其在百年尺度的增温潜势是CO2的28～34倍[2],且每年以1.1%的速度增长。水稻(Oryzasativa)是我国三大粮食作物之一,其种植面积居世界第2[3],产量居世界第1,65%的中国人以稻米为主食,2030年我国稻米需求量预计将增加30%～40%。稻田是大气CH4的重要排放源[4],约17.9%的CH4排放来源于稻田。因此,未来气候变化情境下,持续稳定的稻田CH4减排是我国发展绿色农业和保障粮食安全的重大需求。

研究表明,CO2浓度升高会促进水稻的光合作用,提高水稻产量,同时也会影响水稻根系分泌物和产甲烷菌等,进而直接或间接影响CH4排放[5]。ZISKA等[6]研究表明,CO2浓度升高300 μmol·mol-1会使得稻田CH4通量显著增加49%～60%,并且发现CH4排放增加与CO2对水稻根系的持续刺激有关。周超等[7]开展FACE观测试验,结果表明CO2浓度升高到500 μmol·mol-1并未改变稻田CH4排放的季节动态模式,但会使CH4季节排放量显著增加27%。INUBUSHI等[8]研究表明,CO2浓度升高到550 μmol·mol-1会使CH4排放量显著增加38%～51%。然而,也有学者发现,CO2浓度升高可能会改善植物在地下部分的O2供应,导致根部CH4生产受阻,进而降低稻田CH4排放[9]。

随着粮食需求增加,未来农业需要进一步增加氮肥的投入,统计表明,全球氮肥的施用量已达1.09亿t且在持续增长。氮素作为植物体内最基本的化学元素[10],施氮水平对水稻CH4产生与排放具有重要的调控作用。一方面,氮肥会促进水稻根系的生长,增加根系分泌物;另一方面,施用氮肥会在一定程度上提高植株向大气传输CH4的效率,所以整体上施用氮肥会显著促进稻田CH4排放[11]。

现有CO2浓度升高对稻田CH4的影响研究大多在CO2浓度骤然增加条件下进行,然而实际上大气CO2浓度升高是一个缓慢增加的过程[12],CO2浓度缓增与骤增对CH4排放的影响可能不同,且不同的氮肥水平可能通过影响植物生长对CH4排放产生不同的影响。因此,关于CO2浓度缓增、骤增与氮肥水平对CH4排放的影响值得进一步关注与研究。笔者以“南粳9108”为试验材料,基于CO2浓度自动调控平台开展田间原位观测试验,在背景大气CO2浓度和常规氮肥水平的基础上分别设置了CO2浓度缓增、骤增和氮肥减施处理,从稻田CH4排放的季节排放动态、单位产量CH4累积排放等方面研究CO2浓度缓增、骤增与不同施氮水平及其交互作用对稻田CH4排放的影响,为全球气候变化和碳达峰碳中和国家战略背景下开展稻田温室气体减排提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域与材料

试验于2018年在南京信息工程大学农业气象与生态试验站(32°12′36″ N,118°43′12″ E)进行,试验地属于亚热带季风气候区,平均温度为15.6 ℃,年平均日照时数为1 900 h,年平均降水量约为1 102 mm,年无霜期237 d。土壤类型为潴育型水稻土,灰马肝土属,耕作层土壤质地为壤质黏土。黏粒含量w为26.1%,土壤pH值为6.3,有机碳和全氮含量分别为11.95和1.45 g·kg-1。供试水稻品种为“南粳9108”,属迟熟中粳稻品种,生育期约152 d,水分管理方式为持续淹水,成熟后期排水。肥料主要使用复合肥(含N 15%)和尿素(含N 46.6%),全生育期常规氮肥施用总量为25 g·m-2,分3次施肥,氮肥分期施用比例为基肥∶分蘖肥∶拔节肥=60%∶20%∶20%。水稻的主要生育期与肥料管理如表1所示。

表1 水稻主要生育期与肥料管理

1.2 试验设计

试验依托开顶式气室(OTC)组成的CO2浓度自动调控平台模拟大气CO2浓度升高,该系统由12个OTC、12套CO2传感器(GMM222传感器,Vaisala公司,芬兰)、空气温湿度记录仪、CO2浓度中控系统和供气装置组成。OTC为正八边形棱柱体,对边直径3.75 m,高3 m,底面积10 m2,框架为铝合金材料,四周覆盖高透光性的普通玻璃,为降低气体散失速率,顶部开口向内倾斜45°。CO2浓度自动控制系统主要包括CO2感应模块、阀控制模块、流量控制模块、加压模块、主控板、数据采集模块等[13-14]。CO2气源采用杜瓦罐装高压液态CO2(纯度w=99%)。

试验主处理为CO2浓度缓增和骤增。设置3个CO2浓度:背景大气CO2浓度(CK)、CO2浓度缓增(C1)和CO2浓度骤增(C2)。CO2缓增处理是在CK基础上,从2016年开始逐年增加40 μmol·mol-1,2018年是第3个水稻试验季,其CO2缓增处理的浓度为CK+120 μmol·mol-1;CO2骤增处理是在CK基础上每年均增加200 μmol·mol-1。各处理均设4个重复OTC。CO2浓度缓增和骤增处理从秧苗移栽开始,至水稻成熟结束。

表2 CO2浓度缓增、骤增和不同施氮量对稻田单位产量CH4排放量的影响

表3 CO2浓度和施氮量对稻田CH4通量的影响

试验副处理为不同施氮水平。每个OTC内设置2个氮肥水平区:常规施氮量(N1,25 g·m-2)和低施氮量(N2,15 g·m-2)。主副处理组合后,共计6种处理:CKN1、C1N1、C2N1、CKN2、C1N2、C2N2。

1.3 观测指标与方法

采用静态箱-气相色谱法观测CH4通量。水稻移栽后,在每个OTC放置内径20 cm、外径25 cm、凹槽深度2 cm的陶瓷采样底座。静态箱为高1.0 m、横切面直径与底座一致的PVC圆柱筒,圆筒顶部有2个开口用于放置温度计和抽气管。采集气样前,将静态箱放置在圆形盆钵底座上,向底座凹槽内加水密封。在静态箱密封后的0、10、20 min使用50 mL医用注射器分别抽取3次气体,并在采样的同时记录箱内温度。每周选择晴好天气的上午观测1～2次。

使用气相色谱仪(Agilent-7890B)分析气样,通过3组样品的气体混合比与相应的采样时间间隔进行线性回归,得到CH4通量,计算公式为

(1)

式(1)中,F为CH4通量,mg·m-2·h-1;H为采样箱高度,cm;m为CH4的摩尔质量,g·mol-1;R为普适气体常数,8.314 J·mol-1·K-1;θ为采样时箱内平均气温,℃;P为标准大气压,hPa;dN/dt为CH4浓度随时间变化的斜率;C为t时刻箱内CH4的质量浓度,μg·L-1;t为时间,s。

以每对相邻测量间隔之间的排放量按顺序累加,计算CH4累积排放量,计算公式为

(2)

式(2)中,E为CH4累积排放量,g·m-2;FT和FT-1分别为第T次和T-1次采样CH4通量,mg·m-2·h-1;DT-DT-1为第T次和第T-1次采样的时间间隔,d;n为采样总次数。

1.4 数据分析

采用 Excel 2016软件对原始数据进行预处理。以单位产量CH4累积排放量(CH4累积排放量/水稻产量)来表征生育期内CH4排放的变化。运用SPSS 22.0软件对数据进行方差分析,使用LSD法对不同处理下的CH4通量进行多重比较(α=0.05),采用双因素方差分析研究CO2浓度缓增、骤增与氮肥水平的交互作用对CH4排放的影响,使用Origin 2019软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 CO2浓度缓增、骤增和不同施氮水平对稻田CH4季节排放动态的影响

2.1.1CO2浓度缓增、骤增下CH4通量的生长季变化

如图1所示,2种施氮水平下,不同CO2浓度的稻田CH4通量变化趋势一致,呈现先增加后减小的趋势。N1处理下约在孕穗期CH4通量达到峰值,N2处理下约在水稻抽穗期CH4通量达到峰值。N1处理下,CK、C1和C2处理峰值分别为(21.42±3.36)、(25.23±1.50)和(19.27±2.32) mg·m-2·h-1。N2处理下,CK、C1和C2处理峰值分别为(26.21±1.74)、(24.24±4.17)和(22.15±3.16)mg·m-2·h-1。方差分析显示,CH4通量随生育期变化显著(P<0.01),但CO2浓度升高(缓增和骤增)没有显著改变CH4通量的季节变化特征。

C1—CO2浓度缓增;C2—CO2浓度骤增;N1—常规施氮量(25 g·m-2);N2—低施氮量(15 g·m-2)。

2.1.2不同施氮水平下CH4通量的生长季变化

如图2所示,同一CO2浓度处理下,2种氮肥水平的稻田CH4通量变化规律基本一致,均呈先增加后减小的趋势。在水稻生长前期,CH4通量不断增加,在灌浆期达到峰值,在生长后期随着水稻成熟逐渐降低。方差分析表示,CH4通量随生育期变化显著(P<0.01),但不同施氮水平没有显著改变水稻CH4通量的季节变化特征。

2.2 CO2浓度缓增、骤增和不同施氮水平对稻田单位产量CH4排放量的影响

CO2浓度缓增、骤增和不同施氮量对稻田单位产量CH4排放量的影响如表2所示。整体看来,CO2浓度升高均在一定程度上促进了水稻产量的增加,氮肥减施降低了水稻产量。双因素方差分析表明,氮肥水平显著影响水稻产量(P=0.010)和稻田单位产量CH4排放量(P<0.001),CO2浓度对水稻产量和稻田单位产量CH4排放量均无显著影响,且两者无显著交互作用。在CK条件下,与N1处理相比,N2处理水稻产量降低28.3%(P=0.008),同时稻田单位产量CH4排放量增加34.8%(P=0.037)。在C2条件下,N2处理的水稻产量较N1处理降低45.2%(P=0.037),并且N2处理的稻田单位产量CH4排放量较N1处理提高63.3%(P=0.008)。N1处理条件下,与CK相比,C1和C2处理对单位产量CH4排放量均无显著影响(P>0.05),但C1处理的单位产量CH4排放量较C2处理提高19.3%(P=0.017);N2处理条件下,与CK相比,C1和C2处理的单位产量CH4排放量分别增加6.4%和11.1%,但变化未达显著水平。

2.3 CO2浓度缓增、骤增和不同施氮水平对稻田CH4通量的复合影响

不同CO2浓度和施氮水平对稻田CH4通量的复合影响如表3所示。稻田CH4通量对大气CO2浓度缓增、骤增和不同施氮水平的响应因水稻生育期的不同而不同。在分蘖期,与CKN1处理相比,C1N1和C2N1处理分别使CH4通量增加55.1%(P=0.001)和43.2%(P=0.001)。在拔节-孕穗期,CKN1和C1N1处理的CH4通量分别较C2N1增加26.4%(P=0.024)和39.5%(P=0.008);C1N1处理的CH4通量较C1N2增加15.7%(P=0.035)。在抽穗-灌浆期,C1N1处理的CH4通量较C2N1增加19.9%(P=0.008)。在乳熟-成熟期,C2N2处理的CH4通量较C2N1增加4.7%(P=0.020)。方差分析结果显示,仅分蘖期施氮量对稻田CH4通量影响显著(P<0.05),不同CO2浓度(缓增、骤增)及双因素交互作用对稻田CH4通量的影响未达显著水平。

3 讨论

3.1 CO2浓度升高对稻田CH4排放的影响

该研究发现,在持续淹水管理方式下,CO2浓度缓增、骤增处理的CH4通量变化趋势基本一致,均表现为先增加后减小。在分蘖期施用氮肥会在一定程度上促进水稻生长,导致根系分泌物增加,从而为产甲烷菌提供更多底物,增加CH4通量。随着水稻的生长成熟,土壤中有机质被消耗,CH4通量逐渐降低,这与周玲红等[15]的研究结果一致。同时,笔者研究发现,CO2浓度处理与季节没有显著的交互作用,这说明CO2浓度升高并没有改变季节变化规律。

目前大部分研究表明,CO2浓度升高会促进植物生长及其根系发育,产甲烷菌可从根系分泌物中获取更多底物,进而促进CH4排放。马红亮等[16]的FACE田间试验研究了大气CO2浓度升高对稻田CH4排放的影响,结果显示CO2浓度升高导致CH4累积排放总量显著增加。然而,笔者研究发现,CO2浓度升高对单位产量CH4排放无显著影响,在低氮水平下单位产量CH4排放仅整体表现出增加趋势,但这种效应并无统计学意义,可能是因为稻田CH4排放对CO2浓度升高的响应是一个长期效应。TOKIDA等[17]开展的多年FACE试验表明,CO2浓度升高对稻田CH4排放影响并不显著。LIU等[18]开展连续4 a的水稻生长季试验,发现CO2浓度升高200 μmol·mol-1使CH4累积排放量平均升高15%,但没有达到显著水平。于海洋等[19]研究也表明,只有连续多年的高浓度CO2熏蒸才会显著影响甲烷氧化菌的生长,进而促进CH4排放。因此,未来需要进一步结合氮肥水平对稻田CH4排放进行长期观测。

另外,笔者发现,在正常氮水平下,CO2浓度缓增和骤增对单位产量CH4排放的影响存在显著差异,与CO2浓度升高120 μmol·mol-1相比,CO2浓度升高200 μmol·mol-1抑制了单位产量CH4排放。这可能是因为CO2浓度升高促进了水稻的呼吸作用,改变了植物根部的氧气供应,提高了CH4氧化能力,从而使CH4排放减少[20]。SCHROPE等[21]研究也表明,CO2浓度瞬时升高到700 μmol·mol-1后,稻田土壤的CH4排放被显著抑制。这在一定程度上说明CO2浓度升高至某一高浓度常值的过程中,稻田CH4排放变化趋势可能不同。因此,今后的研究应更多地考虑CO2浓度逐渐增加至某一高浓度的状态,从而更真实地模拟大气CO2浓度升高情境。

3.2 施氮水平对稻田CH4排放的影响

氮素是植物体内叶绿素的重要组成成分,也是影响稻田CH4排放且能人为控制的因素之一[22]。不同的施氮水平会通过影响水稻的生长发育,进而对稻田CH4排放产生影响。该研究在持续淹水的条件下,发现不同氮肥水平均未改变稻田CH4通量的季节排放规律,在水稻生长前期CH4通量呈上升趋势,在抽穗期达到峰值后下降,在灌浆期再次出现峰值,之后在水稻成熟期CH4通量逐渐降低。对比孙丽英等[23]和WANG等[24]在前期淹水—中期烤田—后期淹水条件下的CH4通量观测结果发现,不同氮肥水平下CH4通量的季节变化规律无明显差异,CH4通量会在水稻分蘖期达到峰值,中期排水后逐渐下降,重新复水后CH4通量又有所回升。笔者的研究结果与其有一定的差异,说明不同氮肥水平下,水分管理方式也是影响稻田CH4通量季节变化的重要因子。

笔者发现,在分蘖期减施氮会显著增加稻田CH4通量。一方面,降低施氮量限制了水稻对氮的吸收,影响根系生长,减少土壤中O2含量,从而影响CH4氧化还原过程,促进CH4排放[25];另一方面,持续淹水的条件增强了产甲烷菌的活性,从而使CH4通量增加。SCHIMEL[26]从微生物群落方面分析,认为氮会促进甲烷氧化菌的活性,从而减少CH4排放,而NH4+竞争CH4氧化过程又会促进CH4排放,氮肥对CH4排放既有促进也有抑制作用。

孙斌峰等[27]研究发现,CH4排放对稻田施氮量的响应差异很大,低施氮量会刺激CH4排放。笔者为消除随机误差,将CH4排放量除以水稻产量得到单位产量的CH4排放量,结果发现,低氮处理下的单位产量CH4排放量显著高于正常施氮处理,这与上述研究结果基本一致,即淹水状态下低氮水平会限制植物的生长,大大降低作物产量,从而使低氮处理下的单位产量CH4排放量不减反增。产量数据也表明,正常氮水平下的水稻产量高于低氮水平下的水稻产量(表2)。值得注意的是,减氮处理下单位产量CH4排放量的增加在一定程度上说明施氮水平为15 g·m-2时对水稻减产的负面影响超过其对稻田CH4的减排作用。PITTELKOW等[28]研究发现,从低施氮量转向最佳施氮量时,稻谷产量的增幅大于温室效应的增幅,且在最佳施氮量下温室气体排放强度达最低。因此,未来需要进一步结合水稻产量研究不同施氮水平对稻田CH4排放的影响,以探讨稻田CH4减排的最佳氮肥水平。

3.3 CO2浓度升高和施氮量对稻田CH4排放的复合影响

研究结果显示,CO2浓度升高和施氮量双因素作用对CH4排放的影响不显著。MA等[29]的稻田观测结果显示,氮肥施用会显著影响稻田CH4排放,CO2浓度和施氮量2种因素对CH4排放量的交互作用未达显著水平。马娉[30]研究也显示,CO2浓度和施氮量双因素作用对稻田CH4排放的影响不显著。XIE等[31]利用自由空气CO2富集技术进行了多因素实验,结果表明氮肥施用会减弱CO2浓度升高对CH4排放的促进作用。目前关于不同CO2浓度和施氮量对稻田CH4排放的复合研究还较少,CO2浓度升高和施氮对稻田CH4排放的影响是一个复杂的过程,它与土壤微生物群落等多个方面有关,两者不是简单的叠加作用,具体影响机制仍需要进一步研究。