張忠學(xué) 薛 里 李鐵成 齊智娟 王忠波 周 欣

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院, 哈爾濱 150030;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150030)

0 引言

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在全球碳收支中占有重要地位。一方面,區(qū)域內(nèi)植物通過光合作用固定大氣中的CO2;另一方面,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向空氣中釋放一定量的CO2和CH4,是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳輸入和碳排放的主要過程[1]。與此同時(shí),受到自然因素和人類活動(dòng)的影響[2],農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)將朝著碳“源”或“匯”的方向發(fā)展。因此,在倡導(dǎo)低碳農(nóng)業(yè)的環(huán)境下,深入探究黑土區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯問題具有重要意義。

據(jù)統(tǒng)計(jì),每年植物通過光合作用固定的CO2約占大氣CO2總量的10%[3],而土壤通過呼吸作用向大氣中排放的CO2占全球溫室氣體排放總量的10%～12%[4]。已有研究表明,土壤水分條件與肥料供應(yīng)狀況是影響植物固碳量與農(nóng)田碳排放量的重要因素[5],適宜的水肥管理模式有利于提升農(nóng)田固碳減排的能力。陳紹民等[6]指出,在不同施肥水平下,增加灌水量使植物周年總固碳量增加2.48%～5.96%。鄭恩楠等[7]研究表明,不同水分管理模式會(huì)影響水稻干物質(zhì)量積累和轉(zhuǎn)運(yùn),進(jìn)而影響水稻的固碳能力。孫瀟等[8]研究表明,相較于控制灌溉,常規(guī)灌溉降低了土壤呼吸速率。但王建林等[9]研究表明,在水分虧缺的情況下,隨著灌溉量的增加,會(huì)使土壤呼吸速率增強(qiáng),但灌溉量達(dá)到臨界值后繼續(xù)增加反而會(huì)抑制土壤呼吸。江原等[10]研究表明氮肥的施入會(huì)抑制土壤呼吸。而張超等[11]認(rèn)為隨著施氮量的增加,土壤呼吸速率會(huì)呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。綜上所述,不同的水氮管理方式對(duì)農(nóng)田碳排放與碳固定的影響結(jié)論不一致。

近年來,學(xué)者多采用凈土壤碳收支(NSCB)、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)和凈生態(tài)系統(tǒng)碳收支(NECB)3種評(píng)價(jià)體系對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳固定量與碳排放量進(jìn)行估算與分析。其中NSCB評(píng)價(jià)體系是以土壤系統(tǒng)為邊界,相較于NECB未考慮地上部植株固碳量;而NEP評(píng)價(jià)體系雖然是以整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)為邊界,但該體系相較于NECB未將農(nóng)田土壤的CH4排放造成的碳損失考慮在內(nèi)。NECB作為一種更加準(zhǔn)確評(píng)價(jià)短時(shí)間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)碳固定量與碳排放量的評(píng)價(jià)體系被研究者采納。目前,NECB研究主要集中在森林[12]、草地[13]等,對(duì)東北黑土區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道,而東北黑土區(qū)在保障我國糧食安全及實(shí)現(xiàn)區(qū)域“碳中和”具有重要地位。因此,使用NECB評(píng)價(jià)體系對(duì)東北黑土區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要意義。

本文通過2022年田間試驗(yàn),對(duì)比不同水氮耦合方式下水稻收獲后各器官干物質(zhì)量、碳含量,分析生育期內(nèi)土壤呼吸CO2排放通量、CH4排放通量及兩者排放總量,計(jì)算不同水氮耦合方式下水稻各器官凈初級(jí)生產(chǎn)力、凋落物及根際沉積物凈初級(jí)生產(chǎn)力,采用NECB對(duì)黑土區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排能力進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為探尋節(jié)水減排固碳的水肥管理模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2022年5—9月在黑龍江省水稻灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行,該試驗(yàn)站位于黑龍江省綏化市慶安縣平安鎮(zhèn)(46°57′28″N,127°40′45″E),是典型的寒地黑土分布區(qū)。試驗(yàn)地多年平均降雨量為550 mm,多年平均水面蒸發(fā)量750 mm,無霜期128 d,有效積溫2 532℃,作物水熱生長時(shí)期為156～171 d。氣候特征屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,水稻生育期內(nèi)空氣溫度和降雨量變化如圖1所示。土壤pH值為6.44,耕層土壤(0～20 cm)基礎(chǔ)肥力為:有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比 44.9 g/kg、全氮質(zhì)量比1.52 g/kg、全磷質(zhì)量比147.26 g/kg、全鉀質(zhì)量比18.86 g/kg。

圖1 水稻生育期內(nèi)空氣溫度和降雨量的日變化曲線Fig.1 Daily variation curves of air temperature and rainfall during rice growth period

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)施氮量設(shè)置3個(gè)水平:常規(guī)施氮水平(N,110 kg/hm2)、減氮10%水平(N1,99 kg/hm2)、減氮20%水平(N2,88 kg/hm2);兩種灌溉模式分別為稻作控制灌溉(C)和常規(guī)灌溉模式(F),水分管理標(biāo)準(zhǔn)見表1。當(dāng)田面無水層后,稻作控制灌溉模式各小區(qū)采用土壤水分測(cè)定儀(TPIME-PICO64/32型)測(cè)定土壤含水率,若土壤含水率低于灌水下限,開始灌水至水量上限,同時(shí)記錄灌水量。試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),共計(jì)18個(gè)試驗(yàn)小區(qū),每個(gè)小區(qū)隨機(jī)排列,每個(gè)小區(qū)面積為100 m2(10 m×10 m)。各小區(qū)之間田埂向地下內(nèi)嵌深40 cm的塑料板,以防止各小區(qū)的水肥交換。供試水稻品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N“龍慶稻8”,種植密度為24穴/m2。氮肥按照基肥、蘗肥、穗肥比例為4.5∶2∶3.5施用;鉀肥(K2O)施入量80 kg/hm2,在水稻移栽前與水稻8.5葉齡分兩次施入,前后比例為1∶1;磷肥(P2O5)施入量45 kg/hm2,作為基肥一次性施入。

表1 不同灌水模式水分管理標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Water management of different irrigation modes

1.3 水稻收獲后各器官干物質(zhì)量、碳含量、凈初級(jí)生產(chǎn)力測(cè)定

在水稻成熟期于各小區(qū)隨機(jī)選取具有代表性的3穴水稻,將水稻葉、莖鞘、穗、根分開后,用去離子水沖洗干凈,放入105℃干燥箱中、鼓風(fēng)條件下殺青30 min,隨后85℃干燥48 h至恒定質(zhì)量,并稱量。干燥后的樣品使用球磨機(jī)粉碎處理,過80目篩后混勻,于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用總有機(jī)碳分析儀(Elementar vario TOC)測(cè)定水稻各器官碳含量。

水稻凈初級(jí)生產(chǎn)力計(jì)算公式為[14]

NPP=NPPgrain+NPPstem+NPPleaf+NPProot+
NPPlitter+NPPrhizodeposit

(1)

式中NPP——水稻凈初級(jí)生產(chǎn)力,kg/hm2

NPPgrain——水稻穗凈初級(jí)生產(chǎn)力,kg/hm2NPPstem——水稻莖初凈級(jí)生產(chǎn)力,kg/hm2NPPleaf——水稻葉鞘凈初級(jí)生產(chǎn)力,kg/hm2NPProot——水稻根凈初級(jí)生產(chǎn)力,kg/hm2

NPPlitter——水稻生育期內(nèi)凋落物凈初級(jí)生產(chǎn)力,kg/hm2

NPPrhizodeposit——水稻根際沉積物凈初級(jí)生產(chǎn)力,kg/hm2

其中NPPlitter依據(jù)水稻干物質(zhì)量5%乘以水稻葉的碳含量進(jìn)行估算[15],NPPrhizodeposit按照作物總固碳量的11%進(jìn)行估算[16]。

1.4 排放量測(cè)定方法

采用人工靜態(tài)暗箱法原位采集氣樣,觀測(cè)不同處理下各生育期內(nèi)CH4與CO2的排放量。靜態(tài)室由有機(jī)玻璃制成的密閉性無底箱體和不銹鋼底座組成,透明有機(jī)玻璃箱體外包裹一層鋁箔,以減小太陽照射引起箱內(nèi)溫度變化,箱體內(nèi)配備空氣溫度計(jì)和電風(fēng)扇。在水稻移植前,將不銹鋼基座嵌入每個(gè)地塊中,頂部留有密封槽。在進(jìn)行測(cè)量時(shí),注入水以密封凹槽,以避免箱體內(nèi)的氣體和外部空氣交換,每隔10 min(0、10、20、30 min)抽取箱內(nèi)氣體進(jìn)行濃度測(cè)量,并使用50mL E-Switch氣袋通過橡膠管收集4個(gè)氣體樣品,用于每次CH4濃度測(cè)量,并且記錄箱內(nèi)溫度變化。依據(jù)水稻實(shí)際生長情況,將采樣箱設(shè)計(jì)成分節(jié)組合式標(biāo)準(zhǔn)箱,由頂箱、中段箱和地箱組成。中段箱和頂箱容積相同,幾何尺寸為25 cm×25 cm×50 cm,當(dāng)水稻植株生長較高時(shí)可適時(shí)加中段箱。水稻自移栽后第1天起每7 d采氣1次,氣體采集時(shí)間為10:00—12:00,如遇降雨天氣延后進(jìn)行樣本采集,隨后帶回實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜儀(GC-2010PLUS型,日本島津)進(jìn)行檢測(cè)分析CH4濃度。土壤呼吸速率的測(cè)定同樣采用上述方法,在每個(gè)小區(qū)內(nèi)嵌入不銹鋼底座,且底座周圍是無植株生長的裸地,并且在試驗(yàn)期間不定期清理底座內(nèi)的活體植物,以保證測(cè)定的準(zhǔn)確。

CH4與CO2的排放通量計(jì)算公式為

F=(273ρhdc/dt)/(273+T)

(2)

式中F——CH4、CO2排放通量,mg/(m2·h)

ρ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)CH4、CO2的密度,其中CH4為0.717 kg/m3,CO2為1.997 kg/m3

h——靜態(tài)箱內(nèi)有效高度,m

dc/dt——?dú)怏w濃度差值,mL/(m3·h)

T——采樣時(shí)靜態(tài)箱內(nèi)平均空氣溫度,℃

CH4與CO2的排放總量計(jì)算公式為

(3)

式中E——CH4、CO2排放總量,kg/hm2

Fi——第i次采樣時(shí)CH4、CO2排放通量,mg/(m2·h)

Fi+1——第i+1次采樣時(shí)CH4、CO2排放通量,mg/(m2·h)

Di——第i次采樣時(shí)間,d

Di+1——第i+1次采樣時(shí)間,d

1.5 稻田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡估算

采用凈生態(tài)系統(tǒng)碳收支(NECB)對(duì)短時(shí)間內(nèi)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡進(jìn)行估算,計(jì)算公式為[17]

NECB=NPP-RH-c-Harvest-c-CH4-c

(4)

式中NPP——凈初級(jí)生產(chǎn)力,kg/hm2

RH-c——土壤呼吸碳排放量,kg/hm2

CH4-c——甲烷碳排放量,kg/hm2

Harvest-c——水稻成熟期收獲后離田碳量,kg/hm2

其中RH-c按照CO2排放總量的12/44進(jìn)行計(jì)算,CH4-c按照CH4排放總量的12/16進(jìn)行計(jì)算。

NECB正值表示稻田生態(tài)系統(tǒng)凈碳吸收,負(fù)值表示稻田生態(tài)系統(tǒng)凈碳損失。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,Origin 9.0軟件進(jìn)行作圖,并利用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用Duncan法進(jìn)行多組樣本間差異顯著性分析,統(tǒng)計(jì)顯著性假設(shè)為P=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮耦合方式對(duì)收獲后水稻各器官干物質(zhì)量、碳含量的影響

不同水氮耦合方式下水稻收獲后各器官干物質(zhì)量、碳含量如圖2(圖中不同小寫字母表示同種器官不同處理間差異顯著(P<0.05))所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,常規(guī)灌溉模式下,水稻各器官干物質(zhì)量均隨施氮量的減少而減少;稻作控制灌溉模式下,CN處理各器官干物質(zhì)量均大于CN2處理;CN1處理葉、莖、根的干物質(zhì)量均大于其他施氮處理。當(dāng)施氮量相同時(shí),除CN1處理穗干物質(zhì)量低于FN1處理外,稻作控制灌溉模式下各處理不同器官干物質(zhì)量均大于常規(guī)灌溉模式。稻作控制灌溉模式下,各處理水稻各器官碳含量均隨氮量的減小呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì),其中CN1處理葉、莖、根、穗碳含量較CN2處理分別增加15.83%、4.8%、12.46%、39.94%;常規(guī)灌溉模式下,各處理水稻各器官碳含量均隨施氮量的減小而減小,除FN處理穗碳含量顯著高于FN2處理外(P<0.05),其余處理各器官含碳量不存在顯著性差異(P>0.05)。相同施氮量下,除CN處理莖碳含量低于FN處理外,稻作控制灌溉模式下各器官碳含量均高于常規(guī)灌溉模式,其中CN、CN1處理葉碳含量顯著高于FN、FN1處理(P<0.05)。

圖2 不同水氮耦合方式下水稻各器官干物質(zhì)量和碳含量Fig.2 Dry matter mass and carbon content of rice organs under different water and nitrogen coupling modes

2.2 不同水氮耦合方式對(duì)稻田土壤呼吸CO2排放通量及排放總量的影響

不同水氮耦合方式下稻田土壤呼吸CO2排放通量如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,不同水氮耦合方式對(duì)土壤呼吸CO2排放通量及排放總量均有影響。兩種灌溉模式下,水稻各生育期土壤呼吸CO2排放通量呈先增大后減小的趨勢(shì)。自返青期開始,由于水稻根系不發(fā)達(dá),導(dǎo)致土壤呼吸速率較弱,隨著肥料的施入與土壤溫度的升高的影響,各處理土壤CO2排放通量速率逐漸增加。到分蘗期,各處理土壤呼吸CO2排放通量均達(dá)到最大值,其中CN處理較CN1、CN2處理分別增加44.13%、100.01%;FN處理較FN1、FN2處理分別增加15.95%、43.45%。相同灌溉模式下,隨著施氮量的減少,微生物活性降低,進(jìn)而導(dǎo)致土壤呼吸CO2排放通量隨施氮量的減少而降低;相同施氮量下,因稻作控制灌溉模式為土壤微生物提供了良好的氧氣環(huán)境,微生物代謝較快,使得稻作控制灌溉模式下各處理土壤呼吸CO2排放通量均大于常規(guī)灌溉模式。

圖3 不同水氮耦合方式下土壤呼吸CO2排放通量Fig.3 Soil respiration CO2 fluxes under different water and nitrogen coupling modes

不同水稻耦合方式下稻田土壤呼吸CO2排放總量見表2。結(jié)果表明,稻作控制灌溉模式下CN處理土壤呼吸CO2排放總量顯著高于其他各處理(P<0.05);當(dāng)施氮量相同時(shí),稻作控制灌溉模式下各處理土壤呼吸CO2排放總量均大于常規(guī)灌溉模式;相同灌溉模式下,各處理土壤呼吸CO2排放總量均隨施氮量的減少而降低,其中CN處理較CN1、CN2處理分別增加51.00%、116.36%,FN處理較FN1、FN2處理分別增加30.24%、59.55%。

表2 不同水氮耦合方式下CH4排放總量和CO2排放總量Tab.2 Total CH4 and CO2 emissions under different water and nitrogen coupling modes kg/hm2

2.3 不同水氮耦合方式對(duì)稻田CH4排放通量及排放總量的影響

不同水氮耦合方式下稻田CH4排放通量如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,不同水氮耦合下各處理CH4排放通量變化規(guī)律相似,在整個(gè)生育期呈現(xiàn)兩個(gè)峰值,且在曬田期出現(xiàn)最低值。在返青期由于兩種灌溉模式都處于淹水狀態(tài),且土壤溫度較低,各處理CH4排放通量都處于較低水平,隨著蘗肥施入,稻田土壤溫度逐漸升高,水稻根系迅速生長且釋放出大量根系分泌物,進(jìn)而為產(chǎn)甲烷菌提供豐富的底物,在分蘗期出現(xiàn)第1個(gè)峰值,其中FN處理較FN1、FN2處理分別增加20.13%、37.12%;CN、CN1、CN2各處理較FN處理分別減少70.87%、140.33%、242.51%。由于曬田期改變了稻田土壤的水分含量與氧氣環(huán)境,進(jìn)而為甲烷氧化菌提供較好的條件,各處理CH4排放通量又降至同一較低水平。曬田期結(jié)束后,復(fù)水施入穗肥,進(jìn)而使得各處理CH4排放通量再次達(dá)到峰值,其中FN處理較FN1、FN2處理分別增加20.66%、25.82%;CN、CN1、CN2各處理較FN處理分別減少14.59%、23.32%、37.93%。相同施氮量下,除返青期外,稻作控制灌溉模式下各處理CH4排放通量均小于常規(guī)灌溉;相同灌溉模式下,隨著施氮量的減少,各處理稻田CH4排放通量逐漸降低。

圖4 不同水氮耦合方式下CH4排放通量Fig.4 CH4 emission fluxes under different water and nitrogen coupling modes

不同水氮耦合方式下稻田CH4排放總量如表2所示。結(jié)果表明,常規(guī)灌溉模式中FN處理CH4排放總量顯著高于其他各處理(P<0.05);相同施氮量下,常規(guī)灌溉模式各處理CH4排放總量均顯著高于稻作控制灌溉模式(P<0.05);相同灌溉模式下,各處理CH4排放總量均隨施氮量的減少而降低,其中CN處理較CN1、CN2處理分別增加20.14%、46.59%,FN處理較FN1、FN2處理分別增加17.16%、32.59%。

2.4 不同水氮耦合方式對(duì)收獲后水稻凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響

不同水稻耦合方式下水稻收獲后不同器官、凋落物、根際沉積物凈初級(jí)生產(chǎn)力如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,各處理水稻凈初級(jí)生產(chǎn)力范圍為4 245.82～6 958.19 kg/hm2。常規(guī)灌溉模式下,水稻收獲后不同器官、凋落物、根際沉積物凈初級(jí)生產(chǎn)力均隨施氮量的減小而減小,其中FN、FN1處理穗的凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著大于FN2處理(P<0.05);稻作控制灌溉模式下,除穗的凈初級(jí)生產(chǎn)力隨施氮量的減少而降低外,水稻收獲后不同器官、凋落物、根際沉積物凈初級(jí)生產(chǎn)力均隨施氮量的減小呈先增大后減小變化,其中CN1處理莖、葉、根、凋落物凈初級(jí)生產(chǎn)力均顯著大于其他各處理(P<0.05)。相同施氮量下,稻作控制灌溉模式下各處理凈初級(jí)生產(chǎn)力均大于常規(guī)灌溉模式,其中CN、CN1、CN2各處理凈初級(jí)生產(chǎn)力較FN、FN1、FN2各處理分別增加11.17%、31.92%、2.98%。綜合來看,穗凈初級(jí)生產(chǎn)力最高、凋落物凈初級(jí)生產(chǎn)力最低,分別占其水稻凈初級(jí)生產(chǎn)力的42.88%～51.82%、3.19%～3.90%。

表3 不同水氮耦合方式下收獲后水稻凈初級(jí)生產(chǎn)力Tab.3 Net primary productivity of rice after harvest under different water and nitrogen coupling modes kg/hm2

2.5 不同水氮耦合方式對(duì)稻田凈生態(tài)系統(tǒng)碳收支的影響

不同水氮耦合方式下稻田生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,各處理稻田凈生態(tài)系統(tǒng)碳收支均為正值,表示該黑土區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)為凈碳匯,其中CN1處理凈碳收支顯著高于其他各處理(P<0.05)。常規(guī)灌溉模式下,NECB均隨施氮量減小而降低,其中FN1、FN2處理較FN處理分別降低23.97%、6.28%;稻作控制灌溉模式下,NECB隨著施氮量的減小呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。各處

表4 不同水氮耦合方式下稻田凈生態(tài)系統(tǒng)碳收支Tab.4 Net ecosystem carbon budget of paddy field under different water and nitrogen coupling modes kg/hm2

理土壤呼吸排放的碳占碳排放總量的63.16%～83.84%,這表明在稻田生態(tài)系統(tǒng)中土壤呼吸是碳損失的主導(dǎo)因素。綜合來看,不同水氮耦合方式下該黑土區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的碳“匯”能力,其中CN1處理最高,為1 082.87 kg/hm2。

3 討論

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳庫是受人類活動(dòng)干擾最頻繁的碳庫,對(duì)維持全球碳平衡具有重要作用[18]。稻田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡包括碳輸入和碳輸出兩個(gè)過程,增強(qiáng)水稻固碳能力與減少溫室氣體碳排放,是實(shí)現(xiàn)稻田固碳減排的重要途徑。本研究結(jié)果表明,相同施氮量下,稻作控制灌溉模式下各處理不同器官干物質(zhì)量和碳含量均大于常規(guī)灌溉模式,原因可能是稻作控制灌溉模式相比于常規(guī)灌溉模式而言,稻田土壤含水率較低且通氣性較好,氧氣含量高,進(jìn)而促進(jìn)了水稻根系呼吸,改善了水稻根際環(huán)境[19],有利于延緩水稻后期根系衰老,促進(jìn)水稻后期生長。稻作控制灌溉模式下各施氮處理土壤呼吸CO2排放通量與CH4排放通量均大于常規(guī)灌溉模式,一方面,稻作控制灌溉頻繁的復(fù)水和退水過程會(huì)促進(jìn)土壤進(jìn)行呼吸作用[20],與此同時(shí),稻作控制灌溉可以增加土壤通氣性,提高土壤氧化還原電位,減少還原性物質(zhì)的積累,從而減少CH4排放[21],另一方面,也可能是稻作控制灌溉模式下水稻將部分氣孔關(guān)閉以保持水分減少蒸騰,減少稻田植株CH4氣體排放[22]。同時(shí),本研究還表明,相同灌溉模式下,土壤呼吸CO2排放通量與CH4排放通量均隨施氮量的增加而增大,原因可能是一方面由于增加氮肥輸入會(huì)促進(jìn)有土壤有機(jī)質(zhì)的氧化分解[23],另一方面氮肥輸入量增加也會(huì)提高土壤微生物活性與產(chǎn)甲烷菌群豐度,促進(jìn)二者的活動(dòng)和生長,從而提高土壤呼吸CO2排放通量與CH4排放通量[24-25]。但王毅勇等[26]認(rèn)為,氮肥施用會(huì)使土壤呼吸作用增強(qiáng),改善了根系的氧氣供應(yīng),進(jìn)而使產(chǎn)甲烷菌活性減弱,從而降低CH4排放,這可能與稻田理化性質(zhì)有關(guān),高氮的輸入增加了土壤酸度進(jìn)而抑制了微生物活性,從而減小CH4的排放[27]。

不同水氮耦合方式下各處理NECB均為正值,表明東北黑土區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)為凈碳吸收,表現(xiàn)出較強(qiáng)的碳“匯”功能。而KIM等[28]在溫帶稻田研究表明該地區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出弱碳“匯”,這可能是由于黑土區(qū)土地肥沃,天然有機(jī)質(zhì)含量高,微生物種類多及活性高[29],促進(jìn)作物生長,進(jìn)而提高稻田生態(tài)系統(tǒng)的碳輸入量,且本研究將水稻留田殘茬凈初級(jí)生產(chǎn)力考慮在內(nèi),殘茬凈初級(jí)生產(chǎn)力占總初級(jí)生產(chǎn)力的26.52%～32.16%,如果未將水稻殘茬凈初級(jí)生產(chǎn)力考慮在內(nèi),本研究各處理NECB將呈現(xiàn)負(fù)值,黑土區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)由碳“匯”變成碳“源”,由此可見,水稻殘茬凈初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)稻田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡具有重要作用。常規(guī)灌溉模式下,NECB隨著施氮量的減小而減小,而稻作控制灌溉模式下,隨著施氮量的減小NECB則呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì),并在減氮10%時(shí)達(dá)到最大值,原因在于,在稻田生態(tài)系統(tǒng)碳輸入上,在一定范圍內(nèi)減施氮肥會(huì)提高作物的固碳能力,過度減氮會(huì)抑制植株光合,并且地上部各器官有機(jī)質(zhì)累積量下降,進(jìn)而影響干物質(zhì)量與碳含量[30],同時(shí),稻作控制灌溉模式相較于常規(guī)灌溉模式,其能夠節(jié)水保肥,提高水稻各器官的氮素累積量與氮肥利用效率[31],且降低氮素淋溶量[32],所以稻作控制灌溉模式下相較于常規(guī)施氮量減少10%仍能滿足水稻生長需求,在稻田生態(tài)系統(tǒng)碳輸出上,相同灌水模式下,各處理的碳排放量損失均隨施氮量的減小而減小,且CN處理的碳排放量損失較CN1、CN2處理分別高44.99%、100.91%,因此,在常規(guī)淹灌和稻作控制灌溉兩種不同灌溉制度下NECB隨著施氮量的減小呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。此外,NECB作為生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的評(píng)價(jià)體系也存在一些不足,該體系只準(zhǔn)確評(píng)估短時(shí)間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)碳收支,對(duì)于長期觀測(cè)生態(tài)系統(tǒng)碳收支時(shí)往往會(huì)忽視土壤碳庫的變化,因此還需進(jìn)一步完善NECB評(píng)價(jià)體系,提出能夠長期觀測(cè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支的計(jì)算方法。

4 結(jié)論

(1)稻作控制灌溉模式下水稻根、莖、葉碳含量均隨施氮量的減小而呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì);常規(guī)灌溉模式下,不同處理水稻根、莖、葉、穗碳含量均隨施氮量的減小而減小。相同施氮量下,稻作控制灌溉模式下各處理不同器官干物質(zhì)量和碳含量均大于常規(guī)灌溉模式。

(2)從返青期開始,不同處理土壤呼吸CO2排放通量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì);各處理CH4排放通量在整個(gè)生育期內(nèi)呈現(xiàn)兩個(gè)峰值,并在曬田期出現(xiàn)最低值。相同灌溉模式下,土壤呼吸CO2排放總量與CH4排放總量均隨著施氮量的減小而降低。相同施氮量下,稻作控制灌溉下各處理土壤呼吸CO2排放總量均大于常規(guī)灌溉模式,而CH4排放總量小于常規(guī)灌溉模式。

(3)不同處理下黑土區(qū)稻田NECB均為正值,表示該黑土區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)為凈碳“匯”,其中CN1處理最高,為1 082.87 kg/hm2。常規(guī)灌溉模式下,NECB和NPP均隨著施氮量的減小而減小,而稻作控制灌溉模式下,隨著施氮量的減小二者則呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì),并均在減氮10%時(shí)達(dá)到最大值。