武熳秋,商?hào)|耀,帥斯樑,曹琰梅,柯浩楠,胡正華①,李 琪②

(1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.河南省氣象科學(xué)研究所/ 中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450003)

隨著人類活動(dòng)的加劇,大氣中二氧化碳(CO2)等溫室氣體濃度不斷增加。在高排放情境(SSP5-8.5)下,21世紀(jì)末全球大氣CO2濃度很有可能達(dá)到848～1 045 μmol·mol-1[1]。甲烷(CH4)作為重要的溫室氣體之一,其增溫效應(yīng)僅次于CO2,其在百年尺度的增溫潛勢(shì)是CO2的28～34倍[2],且每年以1.1%的速度增長。水稻(Oryzasativa)是我國三大糧食作物之一,其種植面積居世界第2[3],產(chǎn)量居世界第1,65%的中國人以稻米為主食,2030年我國稻米需求量預(yù)計(jì)將增加30%～40%。稻田是大氣CH4的重要排放源[4],約17.9%的CH4排放來源于稻田。因此,未來氣候變化情境下,持續(xù)穩(wěn)定的稻田CH4減排是我國發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)和保障糧食安全的重大需求。

研究表明,CO2濃度升高會(huì)促進(jìn)水稻的光合作用,提高水稻產(chǎn)量,同時(shí)也會(huì)影響水稻根系分泌物和產(chǎn)甲烷菌等,進(jìn)而直接或間接影響CH4排放[5]。ZISKA等[6]研究表明,CO2濃度升高300 μmol·mol-1會(huì)使得稻田CH4通量顯著增加49%～60%,并且發(fā)現(xiàn)CH4排放增加與CO2對(duì)水稻根系的持續(xù)刺激有關(guān)。周超等[7]開展FACE觀測(cè)試驗(yàn),結(jié)果表明CO2濃度升高到500 μmol·mol-1并未改變稻田CH4排放的季節(jié)動(dòng)態(tài)模式,但會(huì)使CH4季節(jié)排放量顯著增加27%。INUBUSHI等[8]研究表明,CO2濃度升高到550 μmol·mol-1會(huì)使CH4排放量顯著增加38%～51%。然而,也有學(xué)者發(fā)現(xiàn),CO2濃度升高可能會(huì)改善植物在地下部分的O2供應(yīng),導(dǎo)致根部CH4生產(chǎn)受阻,進(jìn)而降低稻田CH4排放[9]。

隨著糧食需求增加,未來農(nóng)業(yè)需要進(jìn)一步增加氮肥的投入,統(tǒng)計(jì)表明,全球氮肥的施用量已達(dá)1.09億t且在持續(xù)增長。氮素作為植物體內(nèi)最基本的化學(xué)元素[10],施氮水平對(duì)水稻CH4產(chǎn)生與排放具有重要的調(diào)控作用。一方面,氮肥會(huì)促進(jìn)水稻根系的生長,增加根系分泌物;另一方面,施用氮肥會(huì)在一定程度上提高植株向大氣傳輸CH4的效率,所以整體上施用氮肥會(huì)顯著促進(jìn)稻田CH4排放[11]。

現(xiàn)有CO2濃度升高對(duì)稻田CH4的影響研究大多在CO2濃度驟然增加條件下進(jìn)行,然而實(shí)際上大氣CO2濃度升高是一個(gè)緩慢增加的過程[12],CO2濃度緩增與驟增對(duì)CH4排放的影響可能不同,且不同的氮肥水平可能通過影響植物生長對(duì)CH4排放產(chǎn)生不同的影響。因此,關(guān)于CO2濃度緩增、驟增與氮肥水平對(duì)CH4排放的影響值得進(jìn)一步關(guān)注與研究。筆者以“南粳9108”為試驗(yàn)材料,基于CO2濃度自動(dòng)調(diào)控平臺(tái)開展田間原位觀測(cè)試驗(yàn),在背景大氣CO2濃度和常規(guī)氮肥水平的基礎(chǔ)上分別設(shè)置了CO2濃度緩增、驟增和氮肥減施處理,從稻田CH4排放的季節(jié)排放動(dòng)態(tài)、單位產(chǎn)量CH4累積排放等方面研究CO2濃度緩增、驟增與不同施氮水平及其交互作用對(duì)稻田CH4排放的影響,為全球氣候變化和碳達(dá)峰碳中和國家戰(zhàn)略背景下開展稻田溫室氣體減排提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與材料

試驗(yàn)于2018年在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象與生態(tài)試驗(yàn)站(32°12′36″ N,118°43′12″ E)進(jìn)行,試驗(yàn)地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),平均溫度為15.6 ℃,年平均日照時(shí)數(shù)為1 900 h,年平均降水量約為1 102 mm,年無霜期237 d。土壤類型為潴育型水稻土,灰馬肝土屬,耕作層土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土。黏粒含量w為26.1%,土壤pH值為6.3,有機(jī)碳和全氮含量分別為11.95和1.45 g·kg-1。供試水稻品種為“南粳9108”,屬遲熟中粳稻品種,生育期約152 d,水分管理方式為持續(xù)淹水,成熟后期排水。肥料主要使用復(fù)合肥(含N 15%)和尿素(含N 46.6%),全生育期常規(guī)氮肥施用總量為25 g·m-2,分3次施肥,氮肥分期施用比例為基肥∶分蘗肥∶拔節(jié)肥=60%∶20%∶20%。水稻的主要生育期與肥料管理如表1所示。

表1 水稻主要生育期與肥料管理

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)依托開頂式氣室(OTC)組成的CO2濃度自動(dòng)調(diào)控平臺(tái)模擬大氣CO2濃度升高,該系統(tǒng)由12個(gè)OTC、12套CO2傳感器(GMM222傳感器,Vaisala公司,芬蘭)、空氣溫濕度記錄儀、CO2濃度中控系統(tǒng)和供氣裝置組成。OTC為正八邊形棱柱體,對(duì)邊直徑3.75 m,高3 m,底面積10 m2,框架為鋁合金材料,四周覆蓋高透光性的普通玻璃,為降低氣體散失速率,頂部開口向內(nèi)傾斜45°。CO2濃度自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括CO2感應(yīng)模塊、閥控制模塊、流量控制模塊、加壓模塊、主控板、數(shù)據(jù)采集模塊等[13-14]。CO2氣源采用杜瓦罐裝高壓液態(tài)CO2(純度w=99%)。

試驗(yàn)主處理為CO2濃度緩增和驟增。設(shè)置3個(gè)CO2濃度:背景大氣CO2濃度(CK)、CO2濃度緩增(C1)和CO2濃度驟增(C2)。CO2緩增處理是在CK基礎(chǔ)上,從2016年開始逐年增加40 μmol·mol-1,2018年是第3個(gè)水稻試驗(yàn)季,其CO2緩增處理的濃度為CK+120 μmol·mol-1;CO2驟增處理是在CK基礎(chǔ)上每年均增加200 μmol·mol-1。各處理均設(shè)4個(gè)重復(fù)OTC。CO2濃度緩增和驟增處理從秧苗移栽開始,至水稻成熟結(jié)束。

表2 CO2濃度緩增、驟增和不同施氮量對(duì)稻田單位產(chǎn)量CH4排放量的影響

表3 CO2濃度和施氮量對(duì)稻田CH4通量的影響

試驗(yàn)副處理為不同施氮水平。每個(gè)OTC內(nèi)設(shè)置2個(gè)氮肥水平區(qū):常規(guī)施氮量(N1,25 g·m-2)和低施氮量(N2,15 g·m-2)。主副處理組合后,共計(jì)6種處理:CKN1、C1N1、C2N1、CKN2、C1N2、C2N2。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)與方法

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法觀測(cè)CH4通量。水稻移栽后,在每個(gè)OTC放置內(nèi)徑20 cm、外徑25 cm、凹槽深度2 cm的陶瓷采樣底座。靜態(tài)箱為高1.0 m、橫切面直徑與底座一致的PVC圓柱筒,圓筒頂部有2個(gè)開口用于放置溫度計(jì)和抽氣管。采集氣樣前,將靜態(tài)箱放置在圓形盆缽底座上,向底座凹槽內(nèi)加水密封。在靜態(tài)箱密封后的0、10、20 min使用50 mL醫(yī)用注射器分別抽取3次氣體,并在采樣的同時(shí)記錄箱內(nèi)溫度。每周選擇晴好天氣的上午觀測(cè)1～2次。

使用氣相色譜儀(Agilent-7890B)分析氣樣,通過3組樣品的氣體混合比與相應(yīng)的采樣時(shí)間間隔進(jìn)行線性回歸,得到CH4通量,計(jì)算公式為

(1)

式(1)中,F為CH4通量,mg·m-2·h-1;H為采樣箱高度,cm;m為CH4的摩爾質(zhì)量,g·mol-1;R為普適氣體常數(shù),8.314 J·mol-1·K-1;θ為采樣時(shí)箱內(nèi)平均氣溫,℃;P為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,hPa;dN/dt為CH4濃度隨時(shí)間變化的斜率;C為t時(shí)刻箱內(nèi)CH4的質(zhì)量濃度,μg·L-1;t為時(shí)間,s。

以每對(duì)相鄰測(cè)量間隔之間的排放量按順序累加,計(jì)算CH4累積排放量,計(jì)算公式為

(2)

式(2)中,E為CH4累積排放量,g·m-2;FT和FT-1分別為第T次和T-1次采樣CH4通量,mg·m-2·h-1;DT-DT-1為第T次和第T-1次采樣的時(shí)間間隔,d;n為采樣總次數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Excel 2016軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。以單位產(chǎn)量CH4累積排放量(CH4累積排放量/水稻產(chǎn)量)來表征生育期內(nèi)CH4排放的變化。運(yùn)用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,使用LSD法對(duì)不同處理下的CH4通量進(jìn)行多重比較(α=0.05),采用雙因素方差分析研究CO2濃度緩增、驟增與氮肥水平的交互作用對(duì)CH4排放的影響,使用Origin 2019軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2濃度緩增、驟增和不同施氮水平對(duì)稻田CH4季節(jié)排放動(dòng)態(tài)的影響

2.1.1CO2濃度緩增、驟增下CH4通量的生長季變化

如圖1所示,2種施氮水平下,不同CO2濃度的稻田CH4通量變化趨勢(shì)一致,呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。N1處理下約在孕穗期CH4通量達(dá)到峰值,N2處理下約在水稻抽穗期CH4通量達(dá)到峰值。N1處理下,CK、C1和C2處理峰值分別為(21.42±3.36)、(25.23±1.50)和(19.27±2.32) mg·m-2·h-1。N2處理下,CK、C1和C2處理峰值分別為(26.21±1.74)、(24.24±4.17)和(22.15±3.16)mg·m-2·h-1。方差分析顯示,CH4通量隨生育期變化顯著(P<0.01),但CO2濃度升高(緩增和驟增)沒有顯著改變CH4通量的季節(jié)變化特征。

C1—CO2濃度緩增;C2—CO2濃度驟增;N1—常規(guī)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通量的生長季變化

如圖2所示,同一CO2濃度處理下,2種氮肥水平的稻田CH4通量變化規(guī)律基本一致,均呈先增加后減小的趨勢(shì)。在水稻生長前期,CH4通量不斷增加,在灌漿期達(dá)到峰值,在生長后期隨著水稻成熟逐漸降低。方差分析表示,CH4通量隨生育期變化顯著(P<0.01),但不同施氮水平?jīng)]有顯著改變水稻CH4通量的季節(jié)變化特征。

2.2 CO2濃度緩增、驟增和不同施氮水平對(duì)稻田單位產(chǎn)量CH4排放量的影響

CO2濃度緩增、驟增和不同施氮量對(duì)稻田單位產(chǎn)量CH4排放量的影響如表2所示。整體看來,CO2濃度升高均在一定程度上促進(jìn)了水稻產(chǎn)量的增加,氮肥減施降低了水稻產(chǎn)量。雙因素方差分析表明,氮肥水平顯著影響水稻產(chǎn)量(P=0.010)和稻田單位產(chǎn)量CH4排放量(P<0.001),CO2濃度對(duì)水稻產(chǎn)量和稻田單位產(chǎn)量CH4排放量均無顯著影響,且兩者無顯著交互作用。在CK條件下,與N1處理相比,N2處理水稻產(chǎn)量降低28.3%(P=0.008),同時(shí)稻田單位產(chǎn)量CH4排放量增加34.8%(P=0.037)。在C2條件下,N2處理的水稻產(chǎn)量較N1處理降低45.2%(P=0.037),并且N2處理的稻田單位產(chǎn)量CH4排放量較N1處理提高63.3%(P=0.008)。N1處理?xiàng)l件下,與CK相比,C1和C2處理對(duì)單位產(chǎn)量CH4排放量均無顯著影響(P>0.05),但C1處理的單位產(chǎn)量CH4排放量較C2處理提高19.3%(P=0.017);N2處理?xiàng)l件下,與CK相比,C1和C2處理的單位產(chǎn)量CH4排放量分別增加6.4%和11.1%,但變化未達(dá)顯著水平。

2.3 CO2濃度緩增、驟增和不同施氮水平對(duì)稻田CH4通量的復(fù)合影響

不同CO2濃度和施氮水平對(duì)稻田CH4通量的復(fù)合影響如表3所示。稻田CH4通量對(duì)大氣CO2濃度緩增、驟增和不同施氮水平的響應(yīng)因水稻生育期的不同而不同。在分蘗期,與CKN1處理相比,C1N1和C2N1處理分別使CH4通量增加55.1%(P=0.001)和43.2%(P=0.001)。在拔節(jié)-孕穗期,CKN1和C1N1處理的CH4通量分別較C2N1增加26.4%(P=0.024)和39.5%(P=0.008);C1N1處理的CH4通量較C1N2增加15.7%(P=0.035)。在抽穗-灌漿期,C1N1處理的CH4通量較C2N1增加19.9%(P=0.008)。在乳熟-成熟期,C2N2處理的CH4通量較C2N1增加4.7%(P=0.020)。方差分析結(jié)果顯示,僅分蘗期施氮量對(duì)稻田CH4通量影響顯著(P<0.05),不同CO2濃度(緩增、驟增)及雙因素交互作用對(duì)稻田CH4通量的影響未達(dá)顯著水平。

3 討論

3.1 CO2濃度升高對(duì)稻田CH4排放的影響

該研究發(fā)現(xiàn),在持續(xù)淹水管理方式下,CO2濃度緩增、驟增處理的CH4通量變化趨勢(shì)基本一致,均表現(xiàn)為先增加后減小。在分蘗期施用氮肥會(huì)在一定程度上促進(jìn)水稻生長,導(dǎo)致根系分泌物增加,從而為產(chǎn)甲烷菌提供更多底物,增加CH4通量。隨著水稻的生長成熟,土壤中有機(jī)質(zhì)被消耗,CH4通量逐漸降低,這與周玲紅等[15]的研究結(jié)果一致。同時(shí),筆者研究發(fā)現(xiàn),CO2濃度處理與季節(jié)沒有顯著的交互作用,這說明CO2濃度升高并沒有改變季節(jié)變化規(guī)律。

目前大部分研究表明,CO2濃度升高會(huì)促進(jìn)植物生長及其根系發(fā)育,產(chǎn)甲烷菌可從根系分泌物中獲取更多底物,進(jìn)而促進(jìn)CH4排放。馬紅亮等[16]的FACE田間試驗(yàn)研究了大氣CO2濃度升高對(duì)稻田CH4排放的影響,結(jié)果顯示CO2濃度升高導(dǎo)致CH4累積排放總量顯著增加。然而,筆者研究發(fā)現(xiàn),CO2濃度升高對(duì)單位產(chǎn)量CH4排放無顯著影響,在低氮水平下單位產(chǎn)量CH4排放僅整體表現(xiàn)出增加趨勢(shì),但這種效應(yīng)并無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,可能是因?yàn)榈咎顲H4排放對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)是一個(gè)長期效應(yīng)。TOKIDA等[17]開展的多年FACE試驗(yàn)表明,CO2濃度升高對(duì)稻田CH4排放影響并不顯著。LIU等[18]開展連續(xù)4 a的水稻生長季試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高200 μmol·mol-1使CH4累積排放量平均升高15%,但沒有達(dá)到顯著水平。于海洋等[19]研究也表明,只有連續(xù)多年的高濃度CO2熏蒸才會(huì)顯著影響甲烷氧化菌的生長,進(jìn)而促進(jìn)CH4排放。因此,未來需要進(jìn)一步結(jié)合氮肥水平對(duì)稻田CH4排放進(jìn)行長期觀測(cè)。

另外,筆者發(fā)現(xiàn),在正常氮水平下,CO2濃度緩增和驟增對(duì)單位產(chǎn)量CH4排放的影響存在顯著差異,與CO2濃度升高120 μmol·mol-1相比,CO2濃度升高200 μmol·mol-1抑制了單位產(chǎn)量CH4排放。這可能是因?yàn)镃O2濃度升高促進(jìn)了水稻的呼吸作用,改變了植物根部的氧氣供應(yīng),提高了CH4氧化能力,從而使CH4排放減少[20]。SCHROPE等[21]研究也表明,CO2濃度瞬時(shí)升高到700 μmol·mol-1后,稻田土壤的CH4排放被顯著抑制。這在一定程度上說明CO2濃度升高至某一高濃度常值的過程中,稻田CH4排放變化趨勢(shì)可能不同。因此,今后的研究應(yīng)更多地考慮CO2濃度逐漸增加至某一高濃度的狀態(tài),從而更真實(shí)地模擬大氣CO2濃度升高情境。

3.2 施氮水平對(duì)稻田CH4排放的影響

氮素是植物體內(nèi)葉綠素的重要組成成分,也是影響稻田CH4排放且能人為控制的因素之一[22]。不同的施氮水平會(huì)通過影響水稻的生長發(fā)育,進(jìn)而對(duì)稻田CH4排放產(chǎn)生影響。該研究在持續(xù)淹水的條件下,發(fā)現(xiàn)不同氮肥水平均未改變稻田CH4通量的季節(jié)排放規(guī)律,在水稻生長前期CH4通量呈上升趨勢(shì),在抽穗期達(dá)到峰值后下降,在灌漿期再次出現(xiàn)峰值,之后在水稻成熟期CH4通量逐漸降低。對(duì)比孫麗英等[23]和WANG等[24]在前期淹水—中期烤田—后期淹水條件下的CH4通量觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同氮肥水平下CH4通量的季節(jié)變化規(guī)律無明顯差異,CH4通量會(huì)在水稻分蘗期達(dá)到峰值,中期排水后逐漸下降,重新復(fù)水后CH4通量又有所回升。筆者的研究結(jié)果與其有一定的差異,說明不同氮肥水平下,水分管理方式也是影響稻田CH4通量季節(jié)變化的重要因子。

筆者發(fā)現(xiàn),在分蘗期減施氮會(huì)顯著增加稻田CH4通量。一方面,降低施氮量限制了水稻對(duì)氮的吸收,影響根系生長,減少土壤中O2含量,從而影響CH4氧化還原過程,促進(jìn)CH4排放[25];另一方面,持續(xù)淹水的條件增強(qiáng)了產(chǎn)甲烷菌的活性,從而使CH4通量增加。SCHIMEL[26]從微生物群落方面分析,認(rèn)為氮會(huì)促進(jìn)甲烷氧化菌的活性,從而減少CH4排放,而NH4+競(jìng)爭(zhēng)CH4氧化過程又會(huì)促進(jìn)CH4排放,氮肥對(duì)CH4排放既有促進(jìn)也有抑制作用。

孫斌峰等[27]研究發(fā)現(xiàn),CH4排放對(duì)稻田施氮量的響應(yīng)差異很大,低施氮量會(huì)刺激CH4排放。筆者為消除隨機(jī)誤差,將CH4排放量除以水稻產(chǎn)量得到單位產(chǎn)量的CH4排放量,結(jié)果發(fā)現(xiàn),低氮處理下的單位產(chǎn)量CH4排放量顯著高于正常施氮處理,這與上述研究結(jié)果基本一致,即淹水狀態(tài)下低氮水平會(huì)限制植物的生長,大大降低作物產(chǎn)量,從而使低氮處理下的單位產(chǎn)量CH4排放量不減反增。產(chǎn)量數(shù)據(jù)也表明,正常氮水平下的水稻產(chǎn)量高于低氮水平下的水稻產(chǎn)量(表2)。值得注意的是,減氮處理下單位產(chǎn)量CH4排放量的增加在一定程度上說明施氮水平為15 g·m-2時(shí)對(duì)水稻減產(chǎn)的負(fù)面影響超過其對(duì)稻田CH4的減排作用。PITTELKOW等[28]研究發(fā)現(xiàn),從低施氮量轉(zhuǎn)向最佳施氮量時(shí),稻谷產(chǎn)量的增幅大于溫室效應(yīng)的增幅,且在最佳施氮量下溫室氣體排放強(qiáng)度達(dá)最低。因此,未來需要進(jìn)一步結(jié)合水稻產(chǎn)量研究不同施氮水平對(duì)稻田CH4排放的影響,以探討稻田CH4減排的最佳氮肥水平。

3.3 CO2濃度升高和施氮量對(duì)稻田CH4排放的復(fù)合影響

研究結(jié)果顯示,CO2濃度升高和施氮量雙因素作用對(duì)CH4排放的影響不顯著。MA等[29]的稻田觀測(cè)結(jié)果顯示,氮肥施用會(huì)顯著影響稻田CH4排放,CO2濃度和施氮量2種因素對(duì)CH4排放量的交互作用未達(dá)顯著水平。馬娉[30]研究也顯示,CO2濃度和施氮量雙因素作用對(duì)稻田CH4排放的影響不顯著。XIE等[31]利用自由空氣CO2富集技術(shù)進(jìn)行了多因素實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明氮肥施用會(huì)減弱CO2濃度升高對(duì)CH4排放的促進(jìn)作用。目前關(guān)于不同CO2濃度和施氮量對(duì)稻田CH4排放的復(fù)合研究還較少,CO2濃度升高和施氮對(duì)稻田CH4排放的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程,它與土壤微生物群落等多個(gè)方面有關(guān),兩者不是簡(jiǎn)單的疊加作用,具體影響機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)CO2濃度緩增、驟增和不同施氮水平均沒有改變稻田CH4通量的季節(jié)變化規(guī)律,CH4通量總體上呈先增加后減少的趨勢(shì)。在整個(gè)生育期,CO2濃度升高與施氮量對(duì)稻田CH4通量的交互作用不明顯。

(2)氮肥水平顯著影響水稻產(chǎn)量和稻田單位產(chǎn)量CH4排放量,在CO2濃度升高200 μmol·mol-1條件下,低氮處理的水稻產(chǎn)量較常規(guī)氮處理顯著降低,且低氮處理使稻田單位產(chǎn)量CH4排放量顯著增加。