1 引言(Introduction)

气候变化与人为因素引发的大气中温室气体浓度增加密切相关(IPCC, 2006).甲烷(CH₄)作为一种重要的温室气体, 其引起的温室效应仅次于二氧化碳(逯非等, 2010).稻田是CH₄的重要排放源之一, 全球稻田每年CH₄排放量为25~50 Tg, 约占全球人为总排放的12%~26%, 是大气中CH₄浓度增加的重要因子(李道西等, 2010).中国是世界上第二大水稻生产国, 其稻田面积占全球的20%(Frolking et al., 2002).有研究表明, 中国稻田CH₄排放总量为9.26 Tg·a^-1(张小敏等, 2016), 对全球大气CH₄浓度的升高也起着重要的作用(霍连杰, 2013).

稻田甲烷排放因气候类型、土壤性质、水肥管理和耕作方式等因素的不同而表现出明显的时空差异性.冬水田作为一类特殊的稻田, 广泛分布在我国西南地区, 其面积达2.7×10⁶~4×10⁶ hm²(李庆逵, 1992).冬水田在水稻生长季为淹水厌氧环境, 土壤温度高, 有机碳丰富, 是CH₄产生的理想环境(陈苇等, 2002).而水稻收获后直到次年水稻移栽前一直处于淹水无耕作状态, 也有CH₄的排放(孔萍等, 2015).不仅如此, 徐华等(1997)指出, 冬季持续淹水的稻田在次年水稻生育期CH₄排放量是冬季自然干燥搁田的5.74倍, 这表明在水稻种植前的土壤水分条件也是影响水稻生长季稻田CH₄排放重要的因素(张稳等, 2006).一般认为, 土壤水分通过影响有氧和无氧区域的多寡和分配, 调节土壤的氧化还原电位, 从而影响CH₄的产生、氧化和排放过程(王玲等, 2002).另有研究指出, 化学氮肥、水溶性有机碳含量等都与稻田甲烷排放有关(丁维新等, 2003a；焦燕等, 2003), 但这些研究都是基于单一因素的考虑, 而不同因素间的相互作用也能影响到稻田CH₄的排放.例如, 水稻植株是稻田CH₄排放的主要途径(徐渭渭等, 2015), 但在水稻生长期, 淹水环境也能抑制CH₄的排放；无机氮肥的施用可促进CH₄氧化菌的生长而减少CH₄的排放(易琼等, 2013), 但氮肥能促进水稻生长为CH₄产生提供前体基质而促进CH₄的排放(周文鳞等, 2014)等.明确这些因素间的相互作用有助于我们进一步明确稻田CH₄的排放过程, 使稻田CH₄排放量的估算更加准确.此外, 在冬水田CH₄排放的研究中, 对水稻种植期的研究报道较多, 对水稻收割后超过半年的休闲期内CH₄的排放缺乏系统的观测数据.为此, 本文以川中丘陵地区冬水田为研究对象, 对冬水田CH₄年排放的变化规律、影响CH₄排放的关键因子等进行田间原位观测, 以探讨各因子对稻田CH₄排放的影响, 明确其排放规律, 以期为中国稻田CH₄排放量的估算和减排提供数据支持, 为相关研究提供参考.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域概况

试验点位于四川盆地中北部的盐亭县林山乡(31°16.2′ N, 105°16.8′ E, 海拔约420 m)中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站.该区域为典型的丘陵地貌, 属中亚热带季风气候, 年均气温17.3 ℃, 年均降雨量826 mm.土壤是典型紫色土, 由白垩纪和侏罗纪的紫色砂页岩发育而成.该地区稻田土地利用方式中, 冬水田占的比例较大.耕作层土壤的基本理化性质如下：有机碳22.2 g·kg^-1(重铬酸钾氧化), 全氮2.0 g·kg^-1(半微量开氏法), 速效磷5.8 mg·kg^-1(0.5 mol·L^-1 NaHCO₃), 全钾9.3 g·kg^-1(NaOH熔融), 速效钾77.3 mg·kg^-1(NH₄OAc浸提), pH值8.20(水土比为5:1, 体积质量比, mg·L^-1), 粘粒:粉粒:砂粒=39.7%:59.5%:0.8%.

2.2 实验设计

实验选择3块典型的冬水田, 每块田地分别设置有水稻常规施肥小区(RF)、无水稻常规施肥小区(NP)、有水稻无氮肥小区(NN).常规施肥施加N、P、K 3种肥料(分别是NH₄HCO₃ 130 kg·hm^-2, 过磷酸钙90 kg·hm^-2(以P₂O₅计), 氯化钾36 kg·hm^-2(以K₂O计), 均一次施用).无氮肥小区P、K肥同常规小区一样, 只是不施氮肥.追肥为尿素, RF和NP处理的追肥施用量为70 kg·hm^-2, NN处理则无追肥.除了施肥不同外, 所有其他管理措施都相同.每个处理小区的大小为2 m×2 m, 以便留出足够的土壤、植物破坏性采样空间.水稻品种为内香8518.2013年5月18日翻耕、施肥、移栽水稻, 2013年6月21日施追肥, 2013年8月28日收获水稻, 观测了所有处理全年的甲烷排放.同时, 还选取相邻种植冬小麦的水旱轮作田块作为对比, 该地块于2012年11月6日翻耕、施肥、播种冬小麦, 2013年5月2日收获小麦.

2.3 数据采集与分析方法

本研究采用静态暗箱-气相色谱法采集和分析CH₄气体.采样箱为不锈钢材料, 表面覆盖有防止温度剧烈变化的绝热材料.采样箱的尺寸为50 cm×50 cm×50 cm(长×宽×高), 箱顶有气压平衡管, 箱侧面装有温度探头以测定箱内温度.底座尺寸为50 cm×50 cm×20 cm(长×宽×高), 整个观测期间都固定在采样点上.中段箱尺寸为50 cm×50 cm×50 cm(长×宽×高), 顶部有密封水槽, 中段箱在作物长高后配合采样箱使用.采样点呈品字形排列, 小区距田边2 m.气体采集频率通常为每周2次, 施肥、降雨、排水等特殊时期加密采集.在采样前向底座凹槽注水并扣上箱子, 用60 mL塑料注射器分别于密封后每隔10 min采一次, 共采集5个气体样品.3个处理之间为平行采样, 采样时间为上午8：30-11：30, 采样结束后移开采样箱.将采集的样品带回实验室于24 h内用气相色谱仪(Agilent 7890A)测定样品中CH₄含量.气体排放通量的计算见式(1).

(1)

式中, F为气体排放通量(mg·m^-2·h^-1), V为采样箱体积(m³), A为采样箱底面积(m²), M为气体摩尔质量(g·mol^-1), V₀为标准状况下气体的摩尔体积(L·mol^-1), T和P分别为采样时的温度(K)和气压(Pa), T₀和P₀为标准状况下的气温(273 K)、气压(1.013×10⁵ Pa), dc/dt为箱内气体浓度随时间变化的回归曲线斜率(μL·L^-1·h^-1).采用通量线性外推法插补缺失值, 用通量和时间的乘积计算气体的累积排放量.

在采样开始和结束时用便携式温度计(JM624) 测定箱内温度和5 cm深土壤温度.水深在采样结束后直接用直尺量得.气温、气压和降水等数据由试验站上的气象场自动记录, 气象场与实验地的直线距离大约为1 km.

2.4 土壤可溶性有机碳(DOC)的测定

称取土样, 加入0.5 mol·L^-1 K₂SO₄(液土比为5 mL:1 g), 振荡、离心、过滤, 取滤液用AA3流动分析仪测定(SEAL Auto Analyzer 3, 德国).

2.5 数据处理

数据经Excel 2010整理后, 用Origin 8.0进行绘图分析, 用统计软件SPSS 19.0进行处理间差异显著性检验和CH₄排放通量与土壤温度、田间水深和可溶态有机碳的双变量相关性分析.

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 气温和降水变化

自2012年10月开展田间实验以来，试验地点气温和日降雨量见图 1.由图 1可知, 气温为0.42~30.46 ℃, 日平均值为17.87 ℃；年降水量为716.0 mm, 降雨主要集中在5-9月.

3.2 冬水田CH₄排放

由图 2可以看出, 在整个观测期内CH₄排放表现出夏秋高、冬春低的季节变化规律.RF处理的CH₄排放通量为-0.0042~18.29 mg·m^-2·h^-1, 平均排放通量为10.22 mg·m^-2·h^-1(图 2a、2b).NP处理的CH₄排放通量为0.03~16.78 mg·m^-2·h^-1, 平均排放通量为4.25 mg·m^-2·h^-1(图 2b), 显著低于RF处理(p＜0.01), 表明水稻种植能促进土壤CH₄的排放.NN处理的CH₄排放通量为0.10~26.76 mg·m^-2·h^-1, 平均排放通量为14.15 mg·m^-2·h^-1(图 2b), 显著高于RF处理(p＜0.01), 表明氮肥施用对CH₄排放起到抑制作用.在水稻生长季, RF处理的CH₄累积排放量为225.44 kg·hm^-2, 而NN和NP处理的CH₄累积排放量分别为524.70和148.78 kg·hm^-2, 在休闲季的RF处理CH₄累积排放量为36.70 kg·hm^-2.

尽管休闲时间较种植期长, CH₄排放量只占全年CH₄总排放量的14%, 但也是不可忽视的.在休闲季的10月、11月CH₄的排放通量较高, 而12月到2月间的CH₄排放通量较低, 主要是因为冬季土壤温度降到了10 ℃以下, 低的温度抑制了产CH₄菌的活动, 也减缓了有机质的降解.进入3月, 气温开始回升, CH₄排放慢慢增加.在图 2b中, 在水稻移栽初期, NP处理的CH₄排放通量变化趋势和RF处理一样, 是逐渐增加的；而后出现了明显的不同, 特别是在水稻生长后期, RF处理的CH₄排放通量先增加后减少, 而NP处理的CH₄排放通量始终呈上下波动.NN处理在分蘖盛期也出现CH₄排放峰值, 追施尿素3 d后NN处理的CH₄排放通量增加, 而RF处理CH₄排放通量逐渐降低.

3.3 土壤温度与CH₄排放通量的关系

图 3给出了RF处理CH₄排放通量和5 cm深土壤温度的关系曲线.相关分析表明, RF处理的CH₄排放通量与5 cm深土壤温度呈显著正相关(p＜0.01, r=0.78), 说明在一定的环境温度下, 随着温度的升高, CH₄排放通量增大.当温度低于15 ℃时, CH₄排放通量较少.

3.4 田间水深与CH₄排放通量的关系

RF处理的CH₄排放通量与田面水深的关系如图 4所示, 由图可知, 当田面水深为1~4 cm时, CH₄排放通量较高.特别是CH₄排放通量大于10 mg·m^-2·h^-1都出现在稻田水深为1~3 cm的范围内, 当水深超过4 cm以上时, CH₄排放通量处在平均水平以下, 这说明水层对CH₄排放有影响, 过深的水层不利于稻田CH₄向大气中排放.回归分析发现, 随着水深的增加, CH₄的排放通量呈指数迅速下降；而田面水深在4~8 cm区间时, CH₄的排放通量与水深间的变化缓慢.

3.5 可溶态有机碳与CH₄排放通量的关系

图 5是RF处理的CH₄排放通量与DOC含量随时间变化的关系图.从图中可以看到, 整个观测期, RF处理的DOC含量为8.96~120.37 mg·kg^-1, 平均值为57.33 mg·kg^-1.在RF处理休闲期, DOC含量相对稳定, 都在60 mg·kg^-1上下波动.进入水稻季, 在水稻移栽初期DOC含量先下降后上升并达到最大值120.37 mg·kg^-1；在水稻生长后期, DOC的变化规律不明显.通过相关性分析发现, RF处理的CH₄排放通量与DOC含量间的相关性不显著(p=0.09, r= -0.19).

3.6 冬水田休闲季与同期小麦田CH₄排放的比较

由表 1可以看出, 与同期水旱轮作的小麦田相比, 冬水田在休闲期CH₄无论是平均排放通量还是累积排放量都高于稻麦轮作系统小麦田的CH₄排放.因此, 冬水田若转为水旱轮作, 既可减少CH₄排放量, 又可增加一季的小麦产出, 无论从环境效益还是从经济效益上来说都是有利的.

4 讨论(Discussion)

在川中丘陵地区, 冬水田甲烷排放具有明显的季节规律, 夏秋季的排放通量大于冬春季, 水稻生长季大于休闲期.在水稻生长季, RF处理在分蘖盛期、拔节孕穗期和抽穗扬花期都出现CH₄排放通量的峰值, 这一研究结果与闫晓君等(2013)对长江中上游稻田CH₄排放通量的动态特征的研究结果相一致.CH₄排放通量变化的变异系数为117.83%, 说明冬水田CH₄排放通量受环境因子影响较大.水稻季累积排放的CH₄占全年CH₄总排放量的86%, 由此说明全年CH₄的排放主要集中在水稻生长季, 这一结果与江长胜(2005)在四川的研究结果(86.7%)相近.尽管休闲时间较种植期长, CH₄排放量只占全年CH₄总排放量的14%, 但也是不可忽视的.此外, 这一结果也高于张晓艳等(2012)在江苏的长期稻田淹水休闲期CH₄排放量占比(8.9%).研究结果显示, 土壤温度高时稻田CH₄排放通量也较高, CH₄排放通量与温度呈显著正相关, 刘芳等(2013)也发现CH₄排放与5 cm深土壤温度有显著的正相关关系, 说明温度对CH₄排放通量有重要的控制作用.周超等(2013)研究表明, CH₄排放变化与温度变化密切相关, 35 ℃时的产CH₄量显著高于25 ℃.此外, 图 1的结果表明不同季节间温度差别大, 水稻生长季温度在16.43~30.46 ℃之间, 平均温度为26 ℃, 而休闲期则在0.42~30.30 ℃之间, 平均为14.65 ℃.故在冬季稻田休闲期, 尽管DOC含量高, 但土壤温度降到了10 ℃以下, 低的温度不仅抑制了产CH₄菌的活动, 也减缓了有机质的降解, 导致CH₄排放通量较低；开春后, 随着温度的升高CH₄排放量也慢慢升高；在4月中旬, 土壤温度逐渐高于15 ℃, CH₄排放通量也迅速增加.有研究报道, 当温度高于15 ℃时, CH₄排放增加, 本研究结果与其相近(Bruhn et al., 2009).温度主要是制约有机质的分解, 调节参与CH₄形成的微生物活性, 同时对CH₄的再氧化起着至关重要的作用.

在水稻种植季, 没有水稻的(NP)处理的CH₄排放通量显著低于RF处理(图 2b), 表明水稻种植能促进土壤CH₄的排放.在淹水的稻田中, 水稻植株是传输CH₄排放的主要途径, 其释放CH₄的速率是水相扩散的10⁴倍(Chanton et al., 1992), 排放的CH₄可达总排放量的80%以上(Hosono et al., 2000), 而无植株处理只能通过气泡扩散释放CH₄(Bhullar et al., 2013), 导致二者的甲烷排放差异较大.其次, 在水稻生长旺盛期, 植物通气组织发达, 使CH₄通过植株通气组织排放到大气中的比例增加(丁维新等, 2003b), 这也使得RF处理CH₄排放增加.此外, 水稻根系分泌物可刺激稻田CH₄的产生和排放(韩广轩等, 2005), 所以, 随着水稻植株的生长, 根系分泌物增多(Wang et al., 1997), 产CH₄细菌群生长基质也逐渐增加, 也会使CH₄释放量增大.另有研究表明, 温度升高能加快土壤中CH₄气体通过水层的扩散, 减少了稻田CH₄的再氧化, 利于CH₄的排放(王玲等, 2003), 增加了NP处理CH₄的排放量.尽管水稻植株能向下输送O₂, 且在根际形成有氧微区, 进而加强稻田土壤中CH₄的氧化, 但水稻种植区CH₄的产生与氧化综合作用的结果仍然高于无植株处理CH₄的排放.由此可见, 水稻种植不仅能影响CH₄的产生, 而且起到了促进CH₄排放的作用.

对比图 2b中NN处理和RF处理, 不难发现氮肥的施用降低了CH₄排放, 特别在追施尿素3 d后RF处理的CH₄排放逐渐减弱, 而NN处理的CH₄排放通量呈增加趋势.有报道指出, 氮肥施用会抑制稻田CH₄排放(Ma et al., 2007), 且氮肥的施用量越大, 对CH₄的抑制作用越明显(焦燕等, 2005).原因可能是：高浓度CH₄和NH₄⁺-N的存在促进了CH₄氧化菌的生长, 随着时间的延长和NH₄⁺-N的逐渐消失, 被促进的CH₄氧化菌氧化更多的CH₄, 从而降低CH₄排放量.另一方面, 氮肥也可通过植株间接影响CH₄排放(马静等, 2010).有研究(Banger et al., 2012)指出, 高氮能抑制CH₄的排放, 其临界值为140 kg·hm^-2.本实验的施肥量按照当地农户的肥料用量来撒施, 底肥和追肥共施入氮肥200 kg·hm^-2, 高于报道的临界值, 抑制了CH₄排放, 最终使得RF处理的CH₄排放通量低于NN处理.

相关分析发现, 田间水深也是甲烷排放的重要影响因素.田间水深主要通过影响CH₄的氧化与扩散来影响CH₄的排放.秦晓波等(2013)研究发现, 田间水深为1~5 cm时与稻田CH₄排放通量呈显著相关, 本研究结果与其一致.稻田淹水层直接控制着土壤的氧化还原电位, 影响有氧和无氧区域的多寡和分配, 进而影响厌氧的产CH₄菌和好氧的嗜CH₄菌的活性, 从而影响CH₄的排放(王玲等, 2002).当水深在1~3 cm之间时, CH₄排放通量较大, 主要因为稻田此时处于淹水状态, 进入土壤内的O₂大量减少, 土壤氧化还原电位降低, 产甲烷菌的数量增多、活性增强, 导致CH₄生成量越大.当水深大于4 cm时, 过深的水层大大降低了CH₄通过气泡和以扩散作用的传输效率(蔡祖聪等, 1998).因为CH₄从土壤中的产生位点向大气扩散的过程受到抑制, 深水层会阻碍产生的CH₄向大气的传输, 含CH₄的气泡在上升过程中容易破裂, 在扩散到表层水中时可能部分已被氧化, 致使CH₄的排放量反而减少(尉海东, 2013).只有当水层深度合适才有利于CH₄的产生和排放, 因此, 通过控制稻田水层深度能达到减少CH₄排放的目的.在川中丘陵地区, 冬水田蓄深水, 既有利于来年春耕, 也有利于抑制CH₄排放.

在休闲季, 稻田处于无耕作状态, 因此, DOC含量变化相对稳定.而在水稻季, 人为干扰(如翻耕、施肥、灌水等)因素增多, DOC也出现了无规律变化.整个观测期, DOC含量平均值为57.33 mg·kg^-1, 这一结果与汤宏等(2013)的研究结果(62.8~92.8 mg·kg^-1)相近.稻田淹水翻耕后可溶性有机质大量溶出, DOC含量增高(图 5), 这与展茗等(2010)的研究结果相一致.土壤可溶态碳氮是产生CH₄的物质基础, 加入碳素和氮素会影响产CH₄菌活性, 从而影响CH₄的排放.川中丘陵地区的冬水田长期处于淹水状态, 可溶态碳较丰富, 可能不再是限制性因素, 排放通量更多的是随温度或水深的变化.在水稻生长季, 5 cm深土壤温度和气温都较高, 而Cookson等(2007)的研究表明, 较高培养温度下微生物数量的增加及土壤呼吸的增强能导致DOC含量降低, 这也影响了DOC含量变化.有研究表明, 不同土壤类型DOC含量与产CH₄量表现出相反的关系(Chanton et al., 1995).此外, 水稻植株凋落物的降解和根系分泌物也能增加土壤中的DOC含量(马静菲等, 2011), 而水田灌排水可能导致碳循环过程的显著变化, 进而影响土壤有机碳转化和养分供应(焦坤等, 2005).因此, 对于土壤DOC源库转化对CH₄的产生和排放及环境变化的响应机制, 仍有待进一步深入研究.

5 结论(Conclusions)

1) 川中丘陵地区冬水田年间CH₄排放主要集中在水稻生长季, 休闲期CH₄排放通量明显低于水稻生长季, 休闲季CH₄排放量仍占全年CH₄总排放量的14%.

2) 没有种植水稻处理的CH₄排放量显著低于有水稻处理, 而不施氮肥处理的CH₄排放量显著高于施肥处理.

3) 在一定的环境温度下, 随着温度升高, CH₄排放通量增大.过深的水层不利于稻田CH₄向大气中排放, 当田面水深在4~8 cm时, 甲烷的排放与水深间的变化缓慢.在川中丘陵地区, 将冬水田休闲期改为旱作可减少CH₄排放, 对环境有利.

致谢: 感谢中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站的罗有才实验员、研究生同学和工人师傅在采样和分析过程中提供的帮助.