水稻是我国最主要的谷类作物之一, 种植面积约占全世界的17.8%[1]。稻田系统是重要的温室气体排放源, 我国稻田每年向大气排放约6.9 Tg CH4, 占全球稻田CH4总排放的6%~22%[2]。稻田也被认为是大气CO2的汇[3], 一方面通过水稻植株光合作用固定大气中的CO2，另一方面通过植株和土壤的呼吸作用释放CO2至大气中。因此研究减少稻田CH4排放量及增加稻田CO2固定量对我国稻田温室气体减排有重要意义。
稻田CH4和CO2的排放很大程度上受水分管理和肥料的影响。研究发现, 施用有机肥比等量氮肥导致更多CH4排放[4], 主要是因为有机肥的施用为稻田产甲烷菌提供了充足养分, 且降低了稻田土壤Eh值, 为产甲烷菌提供了适宜的生存环境。而不同有机肥种类及用量也可导致不同的CH4排放量[5]。研究表明施肥会使根系周围微生物活性降低, 导致土壤CO2通量下降[6], 但也有研究表明施肥对农田土壤CO2排放无明显影响[7]。
冬闲田种植绿肥具有改善土壤理化性状[8]、提高后作物产量[3]和抑制杂草生长[9]等作用。作为一种土壤生态保育模式, 冬闲田种植绿肥已越来越受到政府和科研工作者的重视。冬闲稻田种植绿肥结合养鸡能使绿肥通过过腹还田的形式部分转化为畜禽粪便腐解, 提高其转化为土壤活性有效碳氮的效率[10], 是一种兼顾环境效益和经济效益的高值化循环农业模式, 但目前冬闲稻田种植绿肥结合养鸡模式对双季稻生长季节内CH4和CO2排放的影响鲜有研究。为此, 笔者尝试将冬闲田种植绿肥与田间原位养鸡相结合, 通过鸡粪腐解和绿肥还田培肥地力, 减少双季稻种植化肥用量, 研究土壤CH4和CO2的动态变化, 探讨季节碳交换动态特征及其主要环境控制因子, 为提高冬闲稻田绿肥利用价值并合理评价该种养模式对稻田温室气体排放通量的影响提供科技支撑。
1 材料与方法 1.1 试验设计试验于2014—2015年在湖南农业大学耘园试验基地进行, 试验田块常年为稻-稻-冬闲种植模式, 供试土壤质地为潮泥土, 土壤w(有机质)为20.02 g·kg-1, w(有机碳)为11.61 g·kg-1, w(全氮)为6.67 g·kg-1, w(全磷)为0.45 g·kg-1, w(全钾)为4.89 g·kg-1, w(碱解氮)为160.01 mg·kg-1, w(速效钾)为77.61 mg·kg-1, w(速效磷)为53.71 mg·kg-1, pH值为6.15。
试验采用随机区组设计, 各小区面积为10 m×14 m。在冬季稻田设置5个处理:(1)休闲, 对照(F); (2)种植黑麦草(Lolium perenne)(R); (3)种植紫云英(Astragalus sinicus)(M); (4)种植黑麦草与养鸡结合(RC); (5)种植紫云英与养鸡结合(MC)。每个处理设3次重复, 各小区间起垄覆膜隔开, 单灌单排, 各处理冬季均为粗放管理, 不施肥。
于2014年10月中旬播种紫云英和黑麦草, 播种量分别为40和23 kg·hm-2。2014年11月25日将苗龄30 d的闽南黄鸡放入稻田, 用笼子养鸡, 笼子大小为3 m×3 m, 笼内饲喂30只鸡, 各养鸡小区内每7 d挪动1次鸡笼。适量补充玉米粉作为鸡饲料, 2015年2月2日结束养鸡, 黑麦草和紫云英继续生长并还田用作绿肥, 翻压时间为2015年3月27日(成鸡出栏后53 d), RC、MC、R和M处理还田量分别为14.88、8.55、13.23和15.61 t·hm-2, 新鲜鸡粪原位还田量约为94.3 t·hm-2。RC处理黑麦草N、P和K养分还田量约为372.00、40.18和306.53 kg·hm-2, R处理分别为330.75、35.72和272.54 kg·hm-2[11], MC处理紫云英N、P和K还田量分别为235.13、56.43和163.31 kg·hm-2, M处理分别为429.28、103.03和298.15 kg·hm-2[12], 新鲜鸡粪原位还田量约为94.3 t·hm-2, 还田的鸡粪肥N、P2O5和K2O含量分别约为463.19、422.72和391.24 kg·hm-2[13]。
于2015年4月开始种植双季稻, 早稻供试品种为中嘉早17, 于2015年4月18日播种, 5月5日移栽, 7月12日收获; 晚稻供试品种为湘晚籼12号, 播种期为2015年6月27日, 7月25日移栽, 11月6日收获。早、晚稻分别在5月28日和8月19日达分蘖盛期并开始晒田, 晒田持续7 d; 为利于收割机收割, 收割前晒田5~7 d。
各处理施肥量一致, 均减少肥料施用, 基肥不施氮肥。早稻施纯N 74.25 kg·hm-2, P2O5 60 kg·hm-2, K2O 60 kg·hm-2, 晚稻纯N 102 kg·hm-2, P2O5 60 kg·hm-2, K2O 60 kg·hm-2。磷肥做基肥一次性施用; 钾肥按m(基肥): m(穗肥)=1: 1施用; 早稻氮肥按m(分蘖肥): m(穗肥)=7: 3施用; 晚稻氮肥按m(分蘖肥): m(穗肥): m(粒肥)=5: 3: 2施用。其中早稻的基肥、分蘖肥和穗肥施用时间分别为5月4日、5月17日和6月16日, 晚稻基肥、分蘖肥、穗肥和粒肥施用时间分别为7月24日、8月3日、8月30日和9月12日。
1.2 测定项目与方法 1.2.1 气体测定方法采用温室气体自动分析仪(美国LGR公司)田间原位测定稻田CH4和CO2排放通量。LGR温室气体自动分析仪对特定波长的红外线有强吸收的特征, 利用红外线发射器、红外线接收器以及红外线吸收强度与CO2和CH4等浓度的相关性, 可以实时、连续、同时测量单位面积植株和土壤CH4和CO2浓度。
静态箱采用有机玻璃板制成的循环采气透明箱, 长、宽、高分别为50、50和120 cm, 早稻返青期在各试验小区分别安装静态透明箱底座, 底座入土5 cm左右, 透明凹槽中注水以保证箱内密封。各小区底座内早晚稻各栽6株水稻, 整个生育期底座不再移动。采样之前将箱体2个侧面1/2处安装的小风扇打开, 使箱内气体混和均匀。透明箱通过2根PE管连通温室气体分析仪, 仪器根据流经PE管的CO2和CH4的吸收光谱实时输出CO2和CH4排放通量。为防止采样时土壤扰动对测定结果造成影响, 测定前在田埂与采样点之间搭建木桥。
1.2.2 气体测定时期及排放通量相关指标计算在水稻每个生育期中期测定CH4和CO2排放通量：早稻苗期(5月13日)、分蘖盛期(5月28日)、孕穗期(6月11日)、齐穗期(6月27日)、成熟期(7月12日); 晚稻苗期(8月3日)、分蘖盛期(8月19日)、孕穗期(9月11日)、齐穗期(9月24日)、灌浆期(10月12日)和成熟期(11月6日)。早稻5次, 晚稻6次, 共测定11次。
各时期测定当天分为3个时间段, 即每个小区测定3次·d-1, 每个处理9次·d-1, 每次5 min。其中第1次在06:00—09:00采用遮阳布覆盖透明箱, 模拟夜间无光照条件测定CO2和CH4排放浓度[14]; 第2次为09:00—12:00, 第3次在15:00—18:00, 均用透明箱测定。第1次测定结果表征为测定当天夜间CO2和CH4排放浓度; 第2次和第3次测定结果表征白天CO2和CH4的排放浓度。同时记录各小区测定时间, 并计算其排放通量。气体通量计算公式为
| $ F = \frac{{{\rm{d}}\;c}}{{{\rm{d}}\;t}} \times \frac{{P \times V}}{{R \times A \times \left( {T + 273.15} \right)}}。$ | (1) |
式(1)中, F为CO2和CH4排放通量, μmol·m-2·s-1; c为采样箱内CO2和CH4浓度, mg·L-1; t为时间, s; P为标准状态下大气压力, 为101.223 7×103 Pa; V为箱体内有效体积, 即透明箱体积减去底座内植株总体积和透明箱体内壁风扇和温度记录仪体积, m3; R为气体常数, 8.314 4 J·mol-1·K-1; A为透明箱覆盖面积, m2; T为测定时透明箱内平均气温, ℃。
为了有效估算双季稻田CO2和CH4排放通量, 将各生育时期测定的3次气体通量换算成日排放通量。
| $ {F_{白天}} = {S_{白天}} \times M \times \frac{{{F_2} + {F_3}}}{2}, $ | (2) |
| $ {F_{夜间}} = {S_{夜间}} \times M \times {F_1}, $ | (3) |
| $ {F_天} = {F_{白天}} + {F_{夜间}}。$ | (4) |
式(2)~(4)中, F白天和F夜间分别为白天和夜间CO2和CH4排放通量, g·m-2；F1、F2和F3分别为模拟夜间、上午和下午气体排放通量，g·m-2; S白天和S夜间分别为白天和夜间光照时间, s·d-1; M为CO2和CH4相对分子质量, g·mol-1; F天为1 d中CO2和CH4排放通量, g·m-2。其中F白天和F夜间根据测定当天实际白天和夜间时间计算。
1.2.3 早、晚稻季累积排放量CO2和CH4累积排放量(Ec)计算公式[15]为
| $ \begin{array}{l} {E_{\rm{c}}} = a \times 10 \times \\ \;\;\;\;\left\{ {\sum\limits_{i = 1}^n {\left[{\frac{{{F_i} + {F_{i{\rm{ + }}1}}}}{2}\left( {{t_{i + 1}}-{t_i}} \right)} \right] + \frac{{{F_1} + {F_n}}}{2}} } \right\}。\end{array} $ | (5) |
式(5)中, Ec为CO2和CH4累积排放量，kg·hm-2；n为水稻生育期观测次数; Fi和Fi+1分别为第i、i+1次测定时CO2和CH4排放通量, g·m-2·d-1; ti和ti+1分别为第i、i+1次测定的时间间隔, d; a为水稻生育期转换系数，由于测定期间天数少于水稻生育期(播种到收获)天数, 此系数将转换为水稻生育期天数, 此处早稻为86/61, 晚稻为132/96。双季稻总累积排放量为早稻和晚稻2季累积排放量之和。
1.2.4 环境因子及生物量测定测定早、晚稻各生育时期CO2和CH4排放通量的同时, 采用温度自动记录仪测定箱内温度和5 cm土层温度, 利用光合有效辐射记录仪测定光合有效辐射(photosynthetically active radiation, PAR)。于早稻和晚稻苗期、分蘖期、孕穗期、齐穗期、灌浆期和成熟期分别取样(取样前在每个小区连续数计20蔸计算各时期的平均数, 根据平均数取样), 分别测定干物重、体积和叶面积系数。
1.3 统计分析用Excel 2007整理数据后, 采用SPSS 12.5软件进行单因素方差分析和相关分析, 不同处理之间采用Duncan新复极差法进行多重比较。
2 结果与分析 2.1 稻田CH4排放通量的动态变化由图 1可知, 整个双季稻生育期不同处理稻田CH4排放规律基本一致, 早稻和晚稻分别呈双峰型和多峰型。早稻CH4各时期排放通量均高于晚稻, 早稻各处理CH4排放集中于分蘖期和齐穗期, 分蘖期排放通量以M处理为最大, RC处理次之, F处理最小; 齐穗期达最大值, 表现为M＞RC＞F＞R＞MC处理, 排放量分别为2.09、0.10、1.23、2.26和1.65 g·m-2·d-1, 成熟期甲烷排放几乎为0。
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图 1 双季稻不同生育时期CH4排放通量动态变化 Figure 1 The dynamics of CH4 emission flux of double cropping rice in different growth stages F为休闲对照，R为种植黑麦草，M为种植紫云英，RC为种植黑麦草与养鸡结合，MC为种植紫云英与养鸡结合。 |
与早稻稍有不同, 晚稻除了分蘖期和齐穗期外, 苗期同样是CH4排放的集中时期, 其中F处理苗期排放量最大, 达1.03 g·m-2·d-1; R、MC和M处理在分蘖期达最大值, 分别为0.34、0.20和0.58 g·m-2·d-1。各处理在晚稻灌浆期和成熟期CH4排放几乎为0。
2.2 稻田CO2排放通量的动态变化从CO2排放动态(图 2)来看, 整个双季稻生育期不同处理早、晚稻CO2排放通量的季节变化趋势基本一致。早稻CO2排放通量总体趋势表现为苗期和齐穗期为正值(CO2排放), 分蘖期至孕穗期和成熟期表现为负值(CO2的吸收固定)。晚稻全生育期基本表现为正值, 且苗期至灌浆期基本上排放量较小且较为平稳, 至成熟期剧烈上升。
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图 2 双季稻不同生育时期CO2排放量的动态变化 Figure 2 The dynamics of CO2 emission flux of double cropping rice in different growth stages F为休闲对照，R为种植黑麦草，M为种植紫云英，RC为种植黑麦草与养鸡结合，MC为种植紫云英与养鸡结合。 |
早稻孕穗期CO2固定量最大, 各处理大小排序为RC＞MC＞R＞M＞F, CO2固定量分别为-30.35、-29.18、-28.60、-28.02和-24.09 g·m-2·d-1, 孕穗期除R处理为负值外, 其他处理均为CO2排放, RC处理排放通量最大, 为17.39 g·m-2·d-1, MC和M处理次之, 分别为16.24和16.66 g·m-2·d-1。晚稻成熟期排放量以M处理为最大, 为28.03 g·m-2·d-1; F处理最小, 为21.34 g·m-2·d-1。不同处理成熟期排放通量分别占整个晚稻生育期的52.10%~70.66%。
2.3 早、晚稻季CH4和CO2累积排放量如表 1所示, RC和M处理早稻季CH4累积排放量显著高于MC处理, 其中M处理较MC处理高153.62%。晚稻季F处理CH4累积排放量显著高于RC和M处理(P＜0.05)。综合2个稻季, MC处理早、晚稻累积排放总量均显著低于其他处理(P＜0.05), 分别较RC、R、M和F处理低52.77%、40.26%、61.41%和42.67%。
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表 1 不同处理早、晚稻及2季CH4和CO2总累积排放量 Table 1 Cumulative emissions of CH4 and CO2 in early and late rice season and double cropping season total cumulative emissions |
早稻季CO2累积排放量均表现为CO2固定, 其中R处理固定量显著高于RC、MC、M和F处理。晚稻季均表现为CO2排放, MC处理晚稻CO2累积排放量显著高于RC、R、M和F处理。与对照F相比, M处理降低了26.00%的CO2排放。综合2个稻季CO2累积排放通量, MC处理显著高于RC、R、M和F处理, 分别高98.68%、2 034.43%、102.08%和150.23%。R处理早、晚稻2季CO2累积排放通量均表现为负值, 即为CO2固定, 并与其他处理差异显著(P＜0.05)。
2.4 CH4和CO2排放通量与主要环境因子的相关性由表 2可知, CH4排放通量与气温呈极显著正相关, 与植株地上部干物重和体积呈极显著负相关。CO2排放通量与植株地上部干物重和体积呈极显著正相关, 与土温呈极显著负相关, 相关系数为-0.519, 与PAR呈显著负相关。
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表 2 CH4和CO2排放通量与主要环境因子的相关性 Table 2 The correlations between CH4 and CO2 emission flux and major environmental factors |
笔者研究中早、晚稻季CH4排放均主要集中在分蘖盛期和齐穗期, 分蘖盛期晒田后甲烷排放下降。易琼等[16]研究也得出早稻CH4排放峰出现在水稻移栽30 d之后, 而晚稻CH4排放峰出现在水稻移栽16~23 d(分蘖期)。这可能是因为移栽前泡田使得土壤氧化还原电位低, 为产甲烷菌的生存提供适宜的环境[17]。孕穗期由于追肥原因, 土壤中甲烷菌基质较多, 故甲烷排放量仍处于较高状态[18]。晒田期间田间土壤处于较强的氧化状态, 产CH4菌活性受到抑制, 导致土壤中CH4产生较少[19]。
笔者研究中早稻季CH4排放量远大于晚稻季, 这与MA等[20]研究结果相反, 可能是因为早、晚稻各处理均减少肥料施用, 晚稻生育期间易分解有机质供应不充足, 导致晚稻生长后期CH4排放量较低。同时早稻采用翻耕移栽, 晚稻为抢农时采用免耕移栽也可能是原因之一。翻耕破坏了土壤原有结构, 降低了土壤对CH4氧化能力[21]; 有研究表明稻田免耕使土壤更多的毛孔连贯在一起, 有利于甲烷氧化菌繁殖的生态位存在, 使得免耕稻田对CH4氧化强于常规翻耕稻田[22]。早稻成熟期和晚稻灌浆期至成熟期稻田CH4排放量最低或为负排放, 这与唐海明等[23]研究结果相似, 原因可能是在生长后期水稻生理活动减弱, 对CH4的传输能力下降, 导致CH4排放较少[19]。
郭腾飞等[24]研究表明有机肥无机肥配施和秸秆还田均促进CO2的排放。这可能是因为有机无机肥配施增加土壤有机质, 促进植物根系的生长及土壤微生物活性[25], 土壤有机质矿化增加, 进而使土壤呼吸量增大[26], CO2排放增加。同时施用有机肥可以促进作物生长, 使光合作用增强, 从而增加水稻CO2固定量。有研究表明土壤呼吸排放的碳量约占水稻植株净固定碳量的30%[27]。李波等[28]从整个稻田系统角度计算稻田系统CO2净通量得出有机无机肥配施能有效促进稻田系统对CO2的固定, 对减缓温室效应具有重要意义。
笔者研究表明早稻分蘖期至孕穗期CO2的吸收固定较高, 晚稻成熟期不同处理均表现为CO2排放, 分别占整个晚稻生育期的52.10%~70.66%。笔者研究结论与周卫军等[29]的结果相似, 稻田系统CO2日净固定量在移栽初期较小, 仅为1.69 g·m-2·d-1; 随着水稻的生长发育而逐渐增高, 至移栽后60 d左右达最高, 为10.35 g·m-2·d-1; 随后又逐渐降低, 至水稻腊熟期后变为负值。这可能是因为水稻生育前期地上部和地下部快速生长, 叶面积系数逐渐增大, 叶片通过光合作用固定的碳逐渐增加; 而在成熟期水稻营养生长停止, 叶片光合能力下降, 通过光合作用固定的碳减少, 且前茬稻荘腐解以及植株器官呼吸作用增加, 促进了CO2排放。
3.2 稻田CH4和CO2累积排放量比较与F处理相比, RC和MC处理均增加CO2排放, 这可能与植株生物量有关。RC、MC、R、M和F处理双季稻总地上生物量分别为2 905.93、2 967.11、2 752.16、2 787.47和2 284.23 g·m-2, RC和MC处理水稻植株生物量在早稻分蘖期、孕穗期、成熟期和晚稻齐穗期均显著高于F处理(P＜0.05)。这与李波等[28]研究结果相似, 李波等采用干物质积累法[29]计算得出各施肥处理稻田系统CO2净交换量均表现为对CO2的固定, 有机无机配施处理CO2净交换量均极显著性高于纯化肥和不施肥处理。
商庆银[30]研究表明有机无机配施条件下, 化肥全量秸秆和紫云英(FOM)处理和化肥减量、1/2秸秆全量绿肥(ROM)处理早稻季3 a平均CH4累积排放通量分别较对照增加95.7%和82.9%。但是VAN DER GON DENIER等[31]综合中国、菲律宾、日本、美国和意大利在1989—1993年的相关研究结果, 采用高斯-牛顿迭代法拟合得出CH4排放量与有机肥施用量的关系是非线性的。YAGI等[32]和CORTON等[33]的研究表明, 施用秸秆堆肥仅略微增加稻田CH4的排放, 因为堆肥经长时间发酵后其中易分解有机碳已经被分解, 施入土壤中后CH4产生量不会显著升高。
与F处理相比, R和M处理CH4排放量并未显著增加, 可能是因为2015年2月2日养鸡结束, 5月5日移栽水稻, 鸡粪肥在田中经过＞90 d的原位腐解, 产甲烷前体有所减少。且CH4排放受施入有机肥的C/N比影响较大, 其产生量随C含量和C/N比的降低而降低[33]。鸡粪肥的C/N比较小[34]，也可能是冬闲田养鸡处理CH4排放量未显著高于冬闲对照的原因之一。
3.3 主要环境因子对CH4和CO2排放通量的影响光合有效辐射和气温是影响植物光合作用的主要环境影响因子。笔者研究得出CO2排放通量与PAR呈显著负相关关系, 说明PAR越大, 通过光合作用固定的CO2越多。CHEN等[35]利用涡度相关测定2008—2010年水稻和小麦轮作生态系统碳净交换量主要受PAR影响, 相关性达87%。
CH4排放通量与气温呈极显著正相关, 气温升高会促进CH4排放, 可能是因为温度升高提高了土壤有机质的分解速率和微生物活性, 从而增加了气体排放[36]。周超[37]通过模拟实验也得出随着自由大气温度升高，水稻生长季CH4排放显著增加。CO2排放通量均与土温呈极显著负相关, 可能是因为随着一天中光照强度逐渐增加, 气温升高, 土壤温度逐渐增加, 植株通过光合作用固定的碳逐渐增加。周卫军等[29]也得出随着植物生长，同化大气中CO2的作用增强, 但同时引起植株自养呼吸作用加大。笔者研究结果与之相似, 水稻植株地上部干物重越大, CO2排放越高。
4 结论(1) 与冬闲-双季稻相比, 冬季种植黑麦草能减少CO2和CH4排放, 冬季种植紫云英结合养鸡增加了CO2排放, 但是降低了CH4排放。冬季种植紫云英结合养鸡处理能增加农民单位面积稻田的收入(稻谷产量和成鸡出售), 是提升稻田生态系统碳汇效应的节本增效增收的生态种养模式。
(2) 稻田CH4和CO2与温度(气温/土壤温度)以及植株地上部生长势(干物重和体积)呈极显著相关。
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