有機無機肥配施對雙季稻田ch

有機無機肥配施對雙季稻田ch

目前，全球氣候變化是人類最受關注的全球問題，也是人類面臨的最困難的挑戰(zhàn)。農(nóng)業(yè)被認為是一個重要的人為溫室氣體排放源,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對溫室氣體排放的總貢獻在20%左右。中國是一個超級農(nóng)業(yè)大國,同時又是水稻種植大國,稻田面積達28.6×106hm2。這些農(nóng)田的種植、翻耕、施肥、灌溉等管理措施不僅長期改變著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán),而且對溫室氣體的交換具有重要意義。農(nóng)田土壤有機質(zhì)經(jīng)微生物分解,以CO2形式排放進入大氣,全球一半以上的N2O是由土壤硝化反硝化作用產(chǎn)生的,CH4在長期淹水的條件下經(jīng)微生物作用產(chǎn)生,稻田CH4排放量占大氣總來源的8%~13%左右。近年來有機肥的施用受到重視,來自不同動植物的有機肥料成分不同,其施用到農(nóng)田后對溫室氣體排放的影響也存在著較大差異。已有許多研究表明有機無機肥配施能有效提高土壤碳庫水平、促進作物生長發(fā)育,但同時也會促進土壤呼吸,增加CO2、CH4和N2O的排放。還有學者認為有機肥施入稻田后引起的土壤固碳減排效應會被增加的CH4排放所抵消。目前有機肥施用對土壤CO2排放的研究大多是通過實驗室培養(yǎng)模擬試驗來揭示碳的轉(zhuǎn)化,而對于有機肥施用到農(nóng)田后土壤CO2排放的研究較少。不同有機無機肥配施條件下農(nóng)田系統(tǒng)3種主要溫室氣體的綜合溫室效應研究較少,很少考慮有機肥組分對溫室氣體排放的影響,目前溫室氣體減排已經(jīng)引起人們的廣泛關注,減少有機肥施用后溫室氣體排放的前提是理解其排放過程與差異機制。因此,研究不同有機無機肥配施條件下稻田CO2、CH4及N2O排放規(guī)律及其綜合溫室效應大小,了解其差異機制為科學評價有機無機肥配施對水稻生產(chǎn)及稻田溫室氣體減排提供理論依據(jù),并為尋求具有良好經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的施肥方式提供試驗依據(jù)。1材料和方法1.1土壤、肥料和養(yǎng)老工藝(1)水稻品種:早稻為常規(guī)稻早秈43號,晚稻為雜交秈稻天優(yōu)華占。(2)供試土樣:試驗在湖南省湘陰縣興隆村水稻試驗基地進行,供試土壤為河流沖積物發(fā)育而成的水稻土-紫潮泥。本試驗為定位試驗第2年重復試驗,各處理小區(qū)土壤理化性質(zhì)見表1。(3)供試肥料:豬糞、沼渣沼液由試驗區(qū)農(nóng)戶家收集;豬糞堆肥自制;化肥施用尿素、氯化鉀和鈣鎂磷肥。供試有機肥養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)見表2。1.2化肥處理和除草采用田間小區(qū)試驗,共設6個處理,3次重復,隨機區(qū)組排列。各處理如下:(1)WF:不施肥處理;(2)WN:不施氮肥處理;(3)CF:純化肥處理;(4)ZF:豬糞肥代替20%化學氮肥處理;(5)DF:豬糞堆肥代替20%化學氮肥處理;(6)ZYF:沼渣沼液肥代替20%化學氮肥處理。小區(qū)面積21m2(7m×3m),早稻N、P2O5、K2O施用量分別為127.5,75,75kg/hm2,種植密度16.7cm×20cm;晚稻N、P2O5、K2O施用量分別為150,75,75kg/hm2,種植密度16.7cm×20cm。各處理施肥量相同,以水稻施氮量的20%計算有機肥的施用量,磷鉀折算,有機肥作基肥一次施用;氮肥用尿素,按施氮總量的50%作基肥,30%作分蘗肥,20%作穗肥施用;磷肥用過磷酸鈣全作基肥施用;鉀肥用氯化鉀,按施鉀總量的60%作基肥,20%作分蘗肥,20%作穗肥施用。早稻3月19日播種,4月21日移栽,7月9日收獲;晚稻6月21日播種,7月11日移栽,11月27收獲。插秧后適當保持幾天淺水,以后保持灌溉,促進分蘗,達到所需有效穗苗數(shù)的90%時開始曬田,培育壯稈。本文將水稻移栽到曬田這段時間因田間長期淹水而稱為淹水期,從曬田開始到收獲這段時間因田間呈無水層狀態(tài)或淹水時間很短促而統(tǒng)稱為曬田期。1.3ch4、no排放通量及增溫效應計算采用暗箱―氣相色譜法觀測CH4、N2O的排放通量。每周定時定點進行暗箱觀測,采樣時間為早上9:00-10:00,分別為罩箱后0,10,20min,每次抽取80ml氣體樣品。施肥后連續(xù)觀測4次,樣品采集好后迅速送回實驗室,用氣相色譜儀分析測定,氣體排放通量由3個氣樣濃度經(jīng)線性回歸分析得出。(1)CH4、N2O排放通量計算公式:F=273/(273+T)dC/dt×ρ×h式中:F為CH4、N2O排放通量(mg/(m2·h));ρ為CH4、N2O標準狀態(tài)下的密度(0.714,1.98kg/m3);h為采樣箱高度(m);dC/dt為采樣箱內(nèi)被測氣體的濃度變化率;T為采樣過程中靜態(tài)箱內(nèi)的平均溫度(℃)。式中:Fi為各時期內(nèi)CH4、N2O平均排放通量;Dn為各時期的天數(shù)。(3)整個稻田生態(tài)系統(tǒng)CO2的凈通量為土壤呼吸排放量與地上植株的凈吸收量之差,即:式中:為稻田系統(tǒng)在整個生育期間凈通量(g/m2);fSR為土壤呼吸排放量;fRC為地上植株凈吸收量。(4)綜合增溫潛勢(GWP)的計算:以100a影響尺度計,1kg的CH4的增溫效應是1kg的CO2的25倍,而1kg的N2O的增溫效應是1kg的CO2的298倍。在此基礎上,全球增溫潛勢(GWP)的計算如下:式中:f為不同稻田生態(tài)系統(tǒng)在水稻全生育期間內(nèi)不同溫室氣體的排放量。2結果與分析2.1ch4累積排放量從表3可看出,早晚稻稻田CH4排放主要集中在淹水期,該時段CH4排放量占總生育期排放量的78%以上,而曬田期各處理的CH4排放量均較少且總體無顯著性差異。早稻淹水期各處理CH4排放量大小依次為ZF>ZYF>DF>WF>CF>WN,ZF處理排放量最大,與其它處理的差異達顯著或極顯著性水平,其它處理之間的差異不顯著。早稻全生育期CH4累計排放總量大小依次為ZF>ZYF>DF>WN>WF>CF,添加有機肥處理的CH4累計排放量均大于對照和純化肥處理。ZF、ZYF和DF處理CH4排放量相對CF(純化肥)處理分別增加了247.3%,49.4%和122.2%,ZF處理CH4排放量最大,并與WF、WN、CF、DF之間的差異達到極顯著水平,與ZYF之間的差異達顯著水平;其它處理之間的差異不顯著。晚稻淹水期各處理CH4累積排放量大小為ZF>DF>ZYF>CF>WF>WN,其中以ZF處理最大,與其它處理間的差異達顯著或極顯著水平;DF處理次之,該處理與ZYF、CF處理之間的差異不顯著,但與WF、WN處理間的差異達顯著性水平;其它處理之間差異不顯著。晚稻全生育期CH4累積排放量大小依次為ZF>DF>ZYF>CF>WN>WF,其中ZF處理與DF、ZYF處理之間差異不顯著,與其它3個處理之間的差異達顯著或極顯著性水平;其余5個處理之間的差異不顯著。從全年稻季CH4累積排放總量來看,添加有機肥處理明顯高于對照和化肥處理。以ZF處理CH4排放量最大,并與其它處理間的差異達極顯著性水平。ZF、DF和ZYF處理較CF處理增加了207.3%,67.4%和75.7%,較WF(無肥)處理增加了256.8%,94.4%和104.0%;而純化肥處理CF較WF處理僅增加了16.1%。ZF(添加鮮豬糞)處理較DF(添加豬糞堆肥)和ZYF(添加沼渣沼液)分別增加了83.6%,75.0%?？梢?有機肥的施用對稻田CH4排放影響很大,特別是未經(jīng)腐熟的新鮮豬糞的促進作用最大。這可能與其有機碳含量有一定關系,新鮮豬糞的C/N要高于豬糞堆肥和沼渣沼液肥,而本試驗中用機肥代替等量N肥(代替20%化學氮肥),從而使得ZF處理輸入外源有機碳最多,ZF處理的CH4排放量也相對增加。2.2維火炬對nao的累積排放量的影響如表4所示,稻田N2O與CH4的排放存在明顯的消長關系,稻田N2O的排放主要集中在曬田期,早、晚稻曬田期N2O累積排放量分別占其全生育期總排放量的89.4%,89.1%。而淹水期的N2O排放量很少。晚稻全生育期N2O累積排放量要明顯高于早稻,其N2O累積排放量約為早稻的1.5倍左右。這可能與晚稻水稻生育期長,平均氣溫高有關,此外,晚稻各處理施肥量的增加可能在一定程度上促進了稻田N2O的排放。早稻淹水期各處理N2O累積排放量均處于較低水平,除WN、ZF處理表現(xiàn)為N2O的匯外,其它各處理均為N2O的源,以ZYF處理排放量最大,WF處理次之,除ZYF與WN處理間差異達顯著水平,其它處理間無顯著性差異;曬田期,各處理N2O排放量顯著增加,排放量變幅在99.54~454.47g/hm2。各處理N2O累積排放量大小依次為DF>ZF>CF>ZYF>WN>WF,DF處理排放量最大,較CF處理增加了41.23%,顯著高于WN處理且極顯著高于WF處理,其它各處理間無顯著性差異。早稻全生育期各處理N2O累積排放量表現(xiàn)為DF>CF>ZYF>ZF>WF>WN,DF處理早稻N2O累積排放量較CF處理增加34.49%,ZYF、ZF較CF處理降低了9.48%,13.98%。晚稻淹水期,除WN處理表現(xiàn)為N2O匯外,其它各處理均表現(xiàn)為N2O的源,以DF處理N2O累積排放量最大,明顯高于其他各處理,并與WN處理間差異達顯著水平,WF、CF、ZF和ZYF4個處理N2O累積排放量基本相當,大小在40.50~59.85g/hm2之間;曬田期,各處理N2O排放量顯著增加(WF處理除外),由大到小為DF>ZF>CF>ZYF>WN>WF,DF、ZF、CF和ZYF4個處理間差異不顯著,但均顯著高于WF處理。晚稻全生育期累積排放量以ZF處理最大,而ZYF、DF處理與CF基本相當。從全年稻季來看,各施肥處理N2O累積排放量大小為DF>CF>ZF>ZYF>WN>WF,DF處理的累積排放量最大,較CF處理增加了40.65%,而ZF和ZYF處理較CF處理降低了4.35%和5.44%,但4個均衡施肥處理間無顯著性差異?？梢?豬糞堆肥可明顯增加稻田N2O的排放量,而新鮮豬糞和沼渣沼液的施用(較化肥)可降低稻田N2O的排放,但有機無機肥配施并沒有對稻田N2O排放造成顯著性影響。2.3對土壤co凈交換量的影響本文主要研究了耕層土壤的CO2凈交換量。由表5可知,早晚稻稻田土壤均表現(xiàn)為CO2凈排放作用,且施肥對稻田土壤CO2排放量大小有較大影響。早晚稻均表現(xiàn)為CF>ZYF>DF>ZF>WN>WF,以CF處理最高,全年稻季土壤CO2累積排放量達33288.6kg/hm2,有機無機肥配施和純化肥4個處理之間無顯著性差異,但均極顯著高于WN和WF處理。這是由于均衡施肥可有效促進水稻和土壤微生物的生長、改善土壤通氣狀況,促進了土壤呼吸作用。地上部植株CO2凈交換量主要取決于水稻干物質(zhì)累積量(生物量)的大小。有機無機肥配施和純化肥處理的植株CO2凈固定量均極顯著性高于WN和WF處理,以ZYF處理植株CO2凈固定量最大,全年稻季植株CO2凈固定量達37121.5kg/hm2,有機無機肥配施和純化肥4個處理之間并無顯著性差異。各施肥處理稻田系統(tǒng)CO2凈交換量均表現(xiàn)為對CO2的固定作用,其大小取決于土壤CO2的排放量和植株對CO2的固定量兩個方面。早晚稻各處理稻田系統(tǒng)CO2凈交換量大小規(guī)律較為一致,全年稻季稻田系統(tǒng)CO2凈通量大小為ZF>DF>ZYF>WN>CF>WF,有機無機配施處理均極顯著性高于純化肥和不施肥處理,以ZF處理CO2凈通量最大,達13618.3kg/hm2,與其他各處理間差異達極顯著性水平。DF和ZYF處理次之,分別為11686.0,11395.2kg/hm2。可見,施用有機肥能有效促進稻田系統(tǒng)對大氣CO2的固定,對減緩溫室效應具有重要意義。2.4不同處理對稻田氣體總量的影響由表6可看出,早稻稻田溫室氣體排放以CH4占主導地位,早稻CH4排放量(以CO2當量計)占總溫室氣體凈排放量的97%以上,而稻田N2O排放所占份額不到3%。稻田生態(tài)系統(tǒng)CO2的排放表現(xiàn)為負效應,主要是因為稻田中水稻光合作用吸收大氣中CO2比土壤呼吸排放量要高,表現(xiàn)為對CO2的凈固定作用。綜合3種溫室氣體的吸收和排放來看,以CF處理的綜合增溫潛勢最好,表現(xiàn)為對溫室氣體的凈吸收,吸收量(以CO2計)達1044.5kg/hm2,DF處理次之,吸收量(以CO2計)為273.6kg/hm2,其它各處理均表現(xiàn)為對CO2凈排放,排放量大小依次為ZF>ZYF>WF>WN。單位產(chǎn)量的GWP是指某一處理排放各溫室氣體的GWP與經(jīng)濟產(chǎn)量的比值,在此基礎上計算各處理單位產(chǎn)量的GWP(以CO2排放量計),得出早稻單位產(chǎn)量的GWP大小順序為ZF>WF>WN>ZYF>DF>CF。其中CF最小,DF處理次之,二者均表現(xiàn)為對大氣CO2的凈固定,而其他處理均為正值,表現(xiàn)為CO2的凈排放。如表7所示,晚稻稻田CH4的排放量占總溫室氣體凈排放的95%以上,而稻田N2O排放量所占份額不到5%,各處理稻田生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)為對CO2的凈固定?？梢钥闯?CH4是稻田最主要的排放溫室氣體,控制稻田CH4的排放對減緩溫室效應的意義重大。各處理的綜合增溫潛勢均表現(xiàn)為負值,大小順序為CF>ZF>DF>WF>ZYF>WN。4個均衡施肥處理中ZYF綜合固定溫室氣體量(以CO2計)最多,DF處理次之,ZYF、DF和ZF處理的溫室氣體凈固定量較CF處理增加了54.47%,44.09%和15.92%,ZYF、DF較ZF處理增加了33.26%,24.30%。晚稻各處理單位產(chǎn)量的GWP為CF>ZF>DF>ZYF>WN>WF?？梢钥闯?有機無機肥配施處理單位產(chǎn)量的GWP均低于CF處理,但高于WF和WN處理。ZYF、DF處理單位產(chǎn)量的GWP較CF處理降低了51.83%,26.55%,較ZF處理降低了33.29%,11.09%。綜合溫室氣體排放和產(chǎn)量因子,晚稻以ZYF和DF處理表現(xiàn)較好,既可以確保水稻增產(chǎn)又可以相對促進稻田對溫室氣體的固定。從全年稻季來看,綜合溫室增溫潛勢由大到小依次為ZF、CF、ZYF、WF、DF、WN,分別為-2118.8,-4450.8,-4713.1,-4764.0,-5181.8,-5549.8kg/hm2,WN處理對溫室氣體的吸收量最大,DF處理次之。全年各處理單位產(chǎn)量的GWP大小順序為ZF>ZYF>DF>CF>WF>WN,分別為-0.14,-0.36,-0.37,-0.38,-0.50,-0.57kg/kg,ZF處理單位產(chǎn)量的GWP最大,而DF、ZYF處理與CF處理大小相當。結果表明,添加豬糞堆肥和沼渣沼液肥既可以促進作物增產(chǎn),又可以相對增加稻田生態(tài)系統(tǒng)對溫室氣體的固定量,對減緩溫室氣體排放潛力巨大,值得推薦。3結論3.1施肥對稻田ch4的影響稻田CH4和N2O的排放之間存在著此消彼長的關系,CH4排放主要集中在淹水期,該時段CH4排放量占全生育期總排放量的78.0%以上,而N2O的排放主要集中在曬田期,其間排放量占全生育期總排放量的89.3%。這與秦曉波等人的研究結果一致,受水分狀況影響,兩者排放通量之間呈負相關關系,CH4是稻田主要排放的溫室氣體,稻田CH4對全球變暖的貢獻遠大于N2O。本研究中CH4所占稻田系統(tǒng)凈溫室氣體排放總份額的96%以上,控制CH4的排放是降低農(nóng)田溫室氣體排放的關鍵。水分是影響稻田溫室氣體排放的一個重要因素,在水資源匱乏的當今,尋求一種既可以滿足作物生長需水又可以有效控制溫室氣體排放的田間水分管理模式值得深入研究。就不同施肥處理來說,有機無機肥配施能明顯促進稻田CH4的排放,以添加豬糞處理的稻田CH4排放量最大,并與其它處理之間的差異達極顯著性水平;ZF、DF和ZYF處理全年CH4累積排放量較CF處理增加了207.3%,67.4%和75.7%。一般認為,有機肥的施用為產(chǎn)甲烷菌提供極為豐富的產(chǎn)CH4基質(zhì),同時還會降低土壤Eh,導致產(chǎn)甲烷細菌活躍,產(chǎn)生更多的CH4,從而增加其排放量,而純化肥對稻田CH4排放量影響相對較小。試驗結果也表明,有機肥經(jīng)堆漚后再還田,并不顯著增加稻田CH4排放量,并相對于新鮮有機肥直接施用可以達到稻田CH4減排的目的。這也為我們合理施用有機肥提供了另一依據(jù)。稻田N2O的產(chǎn)生是硝化和反硝化過程相互作用的結果,NO3--N是土壤水分相對充足條件下反硝化作用產(chǎn)生N2O的重要基質(zhì)。由于新鮮豬糞肥的氮主要以有機態(tài)形式存在,而豬糞堆肥在腐解過程中會產(chǎn)生一定數(shù)量的NO3--N,使得DF處理的N2O累積排放量最大,較CF處理增加了40.65%,而ZF、ZYF處理較CF處理降低了4.35%,5.44%。由于施入氮肥總量相同,有機無機肥配施對稻田N2O排放沒有造成顯著性影響,這也證實了已有的研究。本研究利用土壤碳庫的變化來估算土壤礦化呼吸排放的CO2量,其中忽略了土壤有機碳在厭氧條件下礦化排放CH4的量及流失的有機碳量,因此估算數(shù)值比實際稍大