不同冬季覆盖作物对稻田CH4和CO2排放的影响

周艳飞, 刘念, 刘章勇, 金涛*



不同冬季覆盖作物对稻田CH4和CO2排放的影响

周艳飞, 刘念, 刘章勇, 金涛*

长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心, 荆州 434025

冬季稻田排放的甲烷( CH4)和二氧化碳(CO2)是影响稻田温室气体排放的重要因素。为探求种植适宜的冬季覆盖作物并减少稻田冬季CH4和CO2排放, 试验采用静态暗箱法对播种油菜的稻田(YC)、播种小麦的稻田(XM)及冬闲田(CK)三个处理下稻田的CH4和CO2排放进行了观测, 分析了不同冬季覆盖作物对稻田CH4和CO2的排放影响。结果表明, 不同处理CH4排放通量为YC＞XM＞CK, CO2排放通量为XM＞YC＞CK。不同冬季作物覆盖下, 各处理CH4和CO2的累计排放量表现同其平均排放通量相同。YC处理的CH4累计排放量与冬闲田(CK)处理的相比较达到显著水平(<0.05), XM处理CO2的累计排放量与YC和CK相比都有显著性差异(p<0.05)。根据稻田CH4和 CO2季节排放量以及在 100 年尺度上的 CO2当量计算, 不同处理温室气体全球增温潜势(GWP)大小顺序为XM＞YC＞CK, 在YC、XM和CK中, 小麦(L.)处理的增温潜势最大, 且最大值达到6442.58 (kg·hm–2)。小麦处理的CO2和CH4的总温室效应最大, 机耕直播油菜(L.)次之, 冬闲田最小。研究水稻(L.)收获后稻田种植不同冬季作物, 观察在其生长季节内CH4和 CO2和的排放特征, 为合理利用冬闲稻田控制温室效应提供理论依据。

油菜; 冬稻田; 冬小麦; 温室气体

1 前言

全球变暖是人类面临的重要生态环境问题之一, 引起全球气候变暖是因为大气中温室气体持续增长[1-16]。CO2是最主要的温室气体, CH4是一种重要的温室气体, 尽管其绝对量显著小于 CO2, 但是单位质量的CH4的全球增温潜势(global warming potential, GWP) 是 CO2的 25倍[7], 近年研究表明CH4气体浓度以每年约1%的速度增长[8]。中国农业生态系统每年的 CO2净排放量约 9500 万 t C、CH4约 920 万 t C[9]为CH4重要的排放源, 其排放量约占全球CH4排放总量的8.85%—18.79%[10], 稻田耕作释放的CH4约占大气CH4总来源的8%—13%, 全球稻田CH4年总排放量达30 Tg(20—40 Tg)[11-12], 大气中有 20%的 CO2来源于农业活动及其相关过程[13]。

农业活动对CH4和CO2的排放有着重要的影响作用, 研究表明农田温室气体减排的潜力巨大[14-15]。目前, 为了减少稻田温室气体的排放, 不少学者探索研究了不同方法。近来一系列的农业管理措施被提出来, 比如以发展新的品种、实施恰当的水分管理制度、调整施肥计划等方法来提高作物产量并同时减缓温室气体的排放速度[16-19]。也有学者研究施用生物炭、堆肥、硅酸盐炉渣及某些特定品种的除草剂来改善提高稻田土壤质量和其生产力[20-23]。有关稻田CH4和CO2排放的研究大多集中在水稻生长期内[24-25], 但是研究冬季稻田温室气体排放的相对较少, 系统研究不同冬季覆盖作物对稻田CH4和CO2排放的更少。农田冬季覆盖作物是农业可持续发展的重要组成部分, 有利于提高土壤质量、土壤养分利用和作物产量、减少土壤侵蚀和化学径流, 并且能抑制杂草生长[26]。合理的利用稻田冬、春自然资源, 可增加冬季稻田绿色作物覆盖度, 增加单位面积生物产量和土壤有机碳, 抑制硝态氮淋溶, 增加碳氮蓄积, 有利于确保粮油作物生产安全。

目前, 江汉平原水稻主产区主要实行单季水稻—小麦、双季水稻—油菜、双季水稻—休闲 3种种植制度, 其中水旱轮作体系占 86%[27]。为此, 本文以冬闲田为对照, 初步探讨了直播油菜、直播小麦2种冬季覆盖作物下稻田的CH4排放特征及排放量, 评估两种冬季覆盖作物对全球增温潜势(GWP)的影响, 旨在合理利用冬闲稻田, 为发展冬季覆盖作物生产及合理评价不同种植模式提供科学依据, 同时为有效控制温室效应提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 试验地概况

试验于2013年9月-2014年6月在湖北省荆州市三红村(30°22′ N、112°07′ E)进行。该地区位于长江中下游平原, 属于典型的亚热带季风气候区。年均日照 1970.5 h, 年平均气温为17.1 ℃, 无霜期 250 d, 年均降雨量1059.9 mm, 且降雨时间主要集中在6月份和9月份。土壤为潴育型水稻土(Hydromorphic paddy soils), 土壤(0—20 cm)有机质为29.89 (g·kg–1), 全钾含量为2.47 (g·kg–1), pH为6.20。

2.2 试验设计及田间管理

试验设3个处理：油菜(YC)、小麦(XM)、冬闲田(CK), 油菜和小麦是在中稻收割后直播的, 每个处理设置3个重复, 总共9个小区, 单个小区面积为25 m2, 随机区组设计。油菜和小麦处理施肥情况完全相同(冬闲田不施肥), 氮肥(尿素)折算成纯氮为每公顷150 kg, 以尿素为肥源分3次施入; 磷肥(P2O5)为每公顷40 kg, 以过磷酸钙作肥源一次施入; 钾肥(K2O)为每公顷100 kg, 采用氯化钾作肥源一次施入。冬季作物的肥料用量及病虫害防治等田间管理条件都完全相同, 灌溉依靠自然降水。

2.3 样品的采集及测定方法

土壤气体采用静态暗箱法采集[28]。采气装置分为上下两部分, 底座常年埋于土壤中, 采集气体时将采样箱放置于底座上。分别在冬季作物播种后, 于各处理稻田安装静态箱底座, 底座入土5 cm, 底座内含生长的冬季作物, 整个作物生育期底座不再移动。采样箱由5 mm厚PVC板制成, 规格为桶底直径为49 cm, 桶高46 cm, 外部包有海绵和锡箔纸, 以防止太阳照射导致的箱内气温变化过大。在冬季作物播种后的第2天开始进行土壤气体采集, 以后每隔14 d采集1次(春节期间除外), 施肥前后采样次数增加。每次采样时间为9: 00—11: 00(在上午9点左右采集的空气样品中的温室气体流量被认定为等于日均温室气体流量, 该时间段对气体通量日平均值的估算有较好的代表性[29-30])。取样时采样桶垂直安放在底座凹槽内, 保证桶内气体与大气不进行气体交换。在盖桶之后的6 min、20 min时刻用50 ml注射器从箱中抽取气体, 通过旋转三通阀转移到1 L气体采样袋, 备测。

气体测定在长江大学湿地中心温室气体分析室进行, 测定使用的仪器为PICARRO G2301CO2/ CH4/H2O分析仪。稻田温室气体排放通量F计算公式如下[31]：

=××d/d×273/(273+) (1)

式中为气体排放通量(mg·m–2·h–1);为密度, CH4标准状态下的密度0.714 (kg·m–3), CO2标准状态下的密度1.96 (kg·m–3);是采样箱的净高度(m); d/d为单位时间内采样箱内气体的体积分数变化率; 273为气态方程常数;为采样过程中采样箱内的平均温度(°C)。根据气样浓度与时间的关系曲线计算CH4和CO2的排放通量, 然后估算CH4和CO2的排放量[32](平均通量值与整个作物生长期总小时数的乘积), CH4和CO2排放总量为冬季作物整个生长期排放量的总和。

用Microsoft Excel 2010对试验原始数据进行处理, 用Origin9.2作图, SPSS19.0软件进方差分析和相关性分析。

3 结果与分析

3.1 冬季作物生长期气温、土温、土壤含水量、铵态氮和硝态氮的季节变化

图1显示不同冬季作物生长期内农田土壤温度、地表气温、土壤含水量、pH及铵态氮硝态氮含量的季节变化。作物生长期间土温和气温的变化范围分别为2—23 ℃ 和1—31 ℃, 最低温都在12月22日; 土壤含水量最大值出现在作物成熟期, 最大值为37.94%, 最低含水量为9.76%; pH变化幅度不大, 保持在5.5—7.5之间; 铵态氮含量大于硝态氮含量, 铵态氮和硝态氮含量范围分别为2.22—23.88 (mg·kg–1)和5.12—1.01 (mg·kg–1)。

图1 冬季覆盖作物生长期内温度(土温和气温)、土壤含水量、pH和氮平均含量的季节变化

3.2 冬季作物生长期稻田CH4和CO2平均排放通量的动态

图1a显示, 冬季作物生长期内CH4平均排放通量的动态变化。刚播种时三个处理CH4的排放通量均出现最大值, YC、XM、CK的最大值分别为0.3189、0.2715、0.2393 (mg·m–2·h–1)。在播种后随着温度不断降低CH4平均排放通量显著下降, 在播种17天后稻田CH4排放通量趋近零, 播种后30天冬闲田处理(CK)CH4平均排放通量为负值。1月4日XM处理CH4的平均排放通量出现小的波动, 2天后恢复到0左右; 在作物生长后期即4月4日后即冬季作物生长后期, 三个处理的CH4平均排放通都出现较大的波动; 整个冬季覆盖作物生长期内稻田表现为对大气CH4微弱的吸收, 表现为弱的CH4汇。

图1b显示在冬季覆盖作物生长期内CO2平均排放通量的动态变化。作物生长期内三个处理的CO2平均排放通量都处于不断变化的过程中, 且作物生长前期和中期变化趋势大致相同, 处于缓慢的上升过程, YC和XM处理的CO2平均排放通量大于CK处理。从11月开始气温不断降低, 在11月至次年1月之间各处理CO2平均排放通量趋势相同, 均保持为冬季覆盖作物CO2排放的最低水平; 2月开始, 随着气温的回升, 各处理的CO2平均排放通量增加, 增加幅度最大的是XM处理, YC处理次之; 三个处理的CO2平均排放通量均在2月后出现最大值, 且YC、XM和CK处理的最大值分别为155.39 (mg·m–2·h–1)、173.42 (mg·m–2·h–1)和119.20 (mg·m–2·h–1); 在冬季覆盖作物生长期内冬季稻田表现为CO2源。

图2A显示冬季覆盖作物生长期内CH4累计排放量的比较。YC处理的CH4累计排放量最大。YC处理的CH4累计排放量与XM和冬闲田CK处理的相比较达到显著水平; XM和CK处理相比较有差异, 但没达到显著水平。且YC和XM处理的CH4累积排放通量均高于冬闲田处理。图2B显示冬季覆盖作物生长期内CH4累计排放量的比较。XM处理的CO2累计排放量最高, 且与YC和CK处理相比均有显著性差异; XM和CK处理相比无显著差异。

3.3 冬季作物覆盖下稻田CH4和CO2排放的影响因素

表1分析土壤温度(5 cm和10 cm)、土壤含水量、pH、气温、铵态氮及硝态氮与CH4和CO2排放通量的关系。由表1可知, YC处理的CH4平均排放通量与土温和土壤含水量呈显著正相关关系(P < 0.05), 且相关系数分别为0.52*、0.53*、0.57*; YC处理的CO2平均排放通量与土温和气温呈极显著正相关关系(P < 0.01), 且相关系数分别为0.82*、0.81**、0.75**; XM处理的CH4平均排放通量与土温、土壤含水量、pH有负相关关系, 但不显著; XM处理的CH4排放通量与已测的影响因素未表现出显著的相关性, CO2排放通量与土温、土壤含水量及气温分别0.01和0.05水平上有显著正相关关系, 且相关系数分别为0.66**、0.63**、0.57*、0.58*, 与pH呈显著负相关, 且相关系数为–0.72**; CK的CH4和CO2排放通量与其影响因素未表现出明显的相关性。

图2 不同冬季覆盖作物下CH4和CO2排放通量的季节变化

图3 不同冬季覆盖作物下CH4和CO2的累积排放量

3.4 油菜、小麦和冬闲田的CH4和CO2综合温室效应评价

表2显示的是不同冬季覆盖作物稻田CH4和CO2的综合温室效应。三个处理的CH4增温潜势小于CO2增温潜势; CH4和CO2的总增温潜势表现为XM>YC>CK, 且XM、YC和CK的总增温潜势分别为611552.5 (kg·hm–2)、3460644.37 (kg·hm–2)和296493.98 (kg·hm–2)。CO2对总增温潜势的贡献率分别为99.02%、99.58%和99.71%, CH4对总增温潜势的贡献率分别为0.98%、0.42%和0.29%。

稻田生态系统CH4气体排放对全球变暖具有重要影响, 通常用增温潜势(GWP)来表示相同质量的不同温室气体对温室效应增强的相对辐射效应。根据CH4在100年尺度上相对CO2的增温潜势(GWP)[33]：CO2为1, CH4为单位分子的增温潜能是CO2的25倍, 将CH4的排放量乘以25, 转化为CO2的排放量, 得出CH4排放量的二氧化碳当量(E-CO2), 从而计算出各处理CH4排放量的二氧化碳当量。

PGWP=RCH4×25+RCO2(2)

PGWP为综合增温潜势, kg·hm–2, 以CO2计; RCO2为CO2季节累积排放量, kg·hm–2; RCH4为CH4季节累积排放量, kg·hm–2。

表1 不同处理CH4和CO2排放通量与土壤性质之间的相关系数

注：**表示 P < 0.01, *表示 P < 0.05; SWC为土壤含水量。

表2 不同冬季覆盖作物下CH4和CO2排放的增温潜势

注：YC为油菜处理, XM为冬小麦处理, CK为冬闲田。

4 讨论

4.1 冬季覆盖作物对稻田 CH4和CO2排放通量的影响

冬季覆盖油菜和小麦生长期内稻田的CH4的排放通量从刚播种有最大值并且不断减小到零, 在冬季作物生长中期各处理CH4的排放通量均很稳定, 稳定值基本保持为零, 冬季稻田CH4排放极少, 各处理CH4排放均接近于零, 甚至表现为大气CH4的弱汇, 这与白小琳等[34]和李建政等[35]的研究结果一致。刚播种时三个处理CH4平均排放通量均出现最大值, 试验田的前期作物为中稻, 并且实施试验时是采用机耕方式后直播, 在翻耕时埋入了部分秸秆, 同时由于翻耕改善了土壤的通气状况促进了微生物的生命活动; 中期, 外界温度处于一年中最低, 土温和气温均低于10 °C(图1), 研究表明[36], 低温降低产CH4菌活性, 同时减少由温度主导的气泡迸裂的 CH4传输; 后期CH4排放主要受温度影响, 在冬季作物生长后期, 作物都成长到一定阶段由于对土壤的影响不尽相同, 植株代谢较强, 呼吸旺盛, 促进了稻田CH4的排放。本试验中, 冬季稻田CH4排放通量较低, 随着翻压有机物的逐渐腐解及水稻生长发育的加快, CH4排放通量呈先高后低的变化趋势。各处理稻田的CH4平均排放通量和总排放量均明显高于冬闲, 与唐海明等[37]研究结果一致, 但与韩广轩等[38]研究表明, 在水稻油菜轮作条件下, 稻田 CH4排放有明显的季节变化, 呈现出前低后高的变化趋势的结论不一致。这可能是不同冬季作物还田后, 由于大量新鲜冬季作物秸秆的加入, 为微生物活动提供了大量的碳源和能源, 促进了微生物生长, 使土壤氧消耗加速, 土壤氧化还原电位(Eh) 迅速下降。从而使得油菜、小麦和冬闲田这三个处理的CH4平均排放通量出现差异。

油菜和小麦覆盖下稻田CO2排放通量的大小与宋利娜等[39]的研究结果一致, 与袁野[40]等研究结果不一致, 原因可能是覆盖作物种类及管理和测定方式不同。冬季稻田CO2平均排放通量在冬季覆盖作物生长期内都处于较高的水平, 2 月开始随着温度的升高CO2平均排放通量缓慢升高, 在冬季覆盖作物生长期内冬季稻田表现为CO2源。稻田排放的CO2主要源于稻田覆盖作物及杂草的呼吸与土壤呼吸。农田CO2排放除了受土壤温度、土壤通气状况及反应底物浓度等因素制约, 还受土壤生物碳、微生物、酶活性、度等因素的影响。由于试验设计失误未能对影响土壤碳排放的关键因子土壤有机碳测定分析和进一步对土壤CH4和CO2排放的影响因素进行测定分析, 所以在油菜和小麦冬季覆盖作物下稻田土壤碳排放的影响因素尚需在以后的研究中进一步验证。

4.2 冬季覆盖作物对稻田N2O排放的影响

氧化亚氮(N2O)是大气中一种重要的温室气体, 其增温潜势是CO2的298倍, 农田生态系统为重要的N2O排放源[7, 41]。土壤硝化反硝化过程中会产生N2O, 土壤N2O的排放量随作物种类不同而不同。研究表明种植作物能促进土壤N2O排放, 其排放受到作物类型的显著影响[42]。稻田N2O是在好气和厌氧过程中产生的, 所以土壤通气状况、温度、施肥类型、耕作制度及田间水分管理等因素均能影响稻田N2O的排放[43]。李虎等[44]研究认为耕作土壤产生的N2O的排放量大于免耕土壤产生的, 且免耕法能减少5.2%的N2O排放量。唐海明等[37]通过对翻耕移栽油菜、免耕直播黑麦草、免耕直播油菜和免耕直播紫云英进行研究(冬闲稻田为对照), 结果表明翻耕移栽油菜处理的N2O平均排放通量和总排放量均大于其它处理。直播黑麦草N2O平均排放通量和总排放量大于直播油菜、直播紫云英及冬闲。还发现油菜、黑麦草和紫云英生长后期的N2O的排放通量大于前期, 与O’Hara 等[45]的研究结果一致。本试验由于仪器限制原因并没能对油菜和小麦覆盖下稻田排放的N2O进行测定分析。

本文仅考虑了两种冬季覆盖作物, 只讨论了冬季稻田CH4和CO2在油菜和小麦两种覆盖作物下的排放规律。由于试验条件限制只有一年的数据并未综合考虑当地的实际生产情况, 特别是同冬季覆盖作物收割后对水稻的生物学和经济学产量等方面的影响。此文只是在相同田间管理措施的条件下仅针对2种不同冬季覆盖作物在其生长季节内稻田CH4和CO2的温室效应总和进行了初步分析比较, 对影响稻田CH4和CO2排放的相关因素尚需深入研究。

5 结论

油菜和小麦这两种冬季作物覆盖作物对冬闲期稻田CH4和CO2具有明显影响, 与冬闲田相比冬季覆盖物整体上促进了CH4和CO2的排放。在整个冬季覆盖作物生长期内稻田表现为对大气CH4微弱的吸收, 表现为弱的CH4汇; 三个处理CO2平均排放通量都处于不断变化的过程中, 均呈现出缓慢的上升过程, 在冬季覆盖作物生长期内冬季稻田表现为CO2源。各处理CH4累计排放通量表现为油菜>小麦>冬闲, CO2累计排放通量表现为小麦>油菜>冬闲。综合温室效应受种植作物种类、植物生长、稻田利用方式及肥料等因素共同影响, 直播小麦处理的 CH4和 CO2综合温室效应最大, 冬闲田次之, 直播油菜最低。

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Effects of winter cover crop on methane and carbon dioxide emissions from paddy field

ZHOU Yanfei, LIU Nian, LIU Zhangyong, JING Tao*

Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland China Ministry of Education, Yangtze University, Jingzhou 434025, China

Methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) emissions from winter paddy fields are believed to produce great influence on greenhouses gas emissions from paddy field. Thus, it is necessary to explore suitable winter cover crops for reducing CH4and CO2emissions from paddy filed. Static chamber technique was employed to observe CH4and CO2emissions under three different treatments (tillage and directly sowing rape, YC; tillage and directly sowing winter wheat, XM; fallow was set as control, CK). Effects of different winter cover crops on emissions of CH4and CO2from paddy filed were analyzed during growth period. The results showed that CH4emission flux decreased in order of YC＞XM＞CK; instead, CO2emission flux decreased in order of XM＞YC＞CK. At the same time, cumulative emissions of CH4and CO2were observed keeping at the same decreased trends with their emission flux, respectively. CH4emission in YC treatments was significantly higher than that in CK( P＜0.05), However, CO2cumulative emission in YC treatment was significantly lower than XM and CK(＜0.05).Global warming potential (GWP)(Calculated as the CO2-equivalents on the scale over 100 years) from CH4and CO2emissions in different treatments was decreased in order of XM＞YC＞CK; XM treatment had the largest GWP, with a value of 6442.58 (kg·hm–2). Abovementioned results revealed that XM treatment had the largest total greenhouse effect; however, CK treatment had lowest total greenhouse effect when compared with XM and YC treatment. Object of this study is to seek a reasonable using way for winter paddy field, and expect to provide theoretical basis for effective control of greenhouse gas emissions from paddy field.

rape, fallow, winter wheat, greenhouse gases

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.013

A

1008-8873(2018)05-094-08

2017-12-22;

2018-09-03

国家自然科学基金(31501274);湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项目(T201404);湖北省重大科技创新计划(2016AHB023)

周艳飞(1991—), 女, 湖北恩施人, 在读硕士, 主要从事农业生态, E-mail: yanfeizhou-vanessa@hotmail.com

通信作者:金涛, 男, 讲师, 长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心, 研究方向为土壤碳氮循环, E-mail：jintao@yangtzeu.edu.cn

周艳飞, 刘念, 刘章勇, 等. 不同冬季覆盖作物对稻田CH4和CO2排放的影响[J]. 生态科学, 2018, 37(5): 94-101.

ZHOU Yanfei, LIU Nian, LIU Zhangyong, et al. Effects of winter cover crop on methane and carbon dioxide emissions from paddy field[J]. Ecological Science, 2018, 37(5): 94-101.