有机无机肥配施对双季稻田ch

有机无机肥配施对双季稻田ch

目前，全球气候变化是人类最受关注的全球问题，也是人类面临的最困难的挑战。农业被认为是一个重要的人为温室气体排放源,农业生产对温室气体排放的总贡献在20%左右。中国是一个超级农业大国,同时又是水稻种植大国,稻田面积达28.6×106hm2。这些农田的种植、翻耕、施肥、灌溉等管理措施不仅长期改变着农田生态系统中的养分循环,而且对温室气体的交换具有重要意义。农田土壤有机质经微生物分解,以CO2形式排放进入大气,全球一半以上的N2O是由土壤硝化反硝化作用产生的,CH4在长期淹水的条件下经微生物作用产生,稻田CH4排放量占大气总来源的8%~13%左右。近年来有机肥的施用受到重视,来自不同动植物的有机肥料成分不同,其施用到农田后对温室气体排放的影响也存在着较大差异。已有许多研究表明有机无机肥配施能有效提高土壤碳库水平、促进作物生长发育,但同时也会促进土壤呼吸,增加CO2、CH4和N2O的排放。还有学者认为有机肥施入稻田后引起的土壤固碳减排效应会被增加的CH4排放所抵消。目前有机肥施用对土壤CO2排放的研究大多是通过实验室培养模拟试验来揭示碳的转化,而对于有机肥施用到农田后土壤CO2排放的研究较少。不同有机无机肥配施条件下农田系统3种主要温室气体的综合温室效应研究较少,很少考虑有机肥组分对温室气体排放的影响,目前温室气体减排已经引起人们的广泛关注,减少有机肥施用后温室气体排放的前提是理解其排放过程与差异机制。因此,研究不同有机无机肥配施条件下稻田CO2、CH4及N2O排放规律及其综合温室效应大小,了解其差异机制为科学评价有机无机肥配施对水稻生产及稻田温室气体减排提供理论依据,并为寻求具有良好经济效益与环境效益的施肥方式提供试验依据。1材料和方法1.1土壤、肥料和养老工艺(1)水稻品种:早稻为常规稻早籼43号,晚稻为杂交籼稻天优华占。(2)供试土样:试验在湖南省湘阴县兴隆村水稻试验基地进行,供试土壤为河流冲积物发育而成的水稻土-紫潮泥。本试验为定位试验第2年重复试验,各处理小区土壤理化性质见表1。(3)供试肥料:猪粪、沼渣沼液由试验区农户家收集;猪粪堆肥自制;化肥施用尿素、氯化钾和钙镁磷肥。供试有机肥养分质量分数见表2。1.2化肥处理和除草采用田间小区试验,共设6个处理,3次重复,随机区组排列。各处理如下:(1)WF:不施肥处理;(2)WN:不施氮肥处理;(3)CF:纯化肥处理;(4)ZF:猪粪肥代替20%化学氮肥处理;(5)DF:猪粪堆肥代替20%化学氮肥处理;(6)ZYF:沼渣沼液肥代替20%化学氮肥处理。小区面积21m2(7m×3m),早稻N、P2O5、K2O施用量分别为127.5,75,75kg/hm2,种植密度16.7cm×20cm;晚稻N、P2O5、K2O施用量分别为150,75,75kg/hm2,种植密度16.7cm×20cm。各处理施肥量相同,以水稻施氮量的20%计算有机肥的施用量,磷钾折算,有机肥作基肥一次施用;氮肥用尿素,按施氮总量的50%作基肥,30%作分蘖肥,20%作穗肥施用;磷肥用过磷酸钙全作基肥施用;钾肥用氯化钾,按施钾总量的60%作基肥,20%作分蘖肥,20%作穗肥施用。早稻3月19日播种,4月21日移栽,7月9日收获;晚稻6月21日播种,7月11日移栽,11月27收获。插秧后适当保持几天浅水,以后保持灌溉,促进分蘖,达到所需有效穗苗数的90%时开始晒田,培育壮秆。本文将水稻移栽到晒田这段时间因田间长期淹水而称为淹水期,从晒田开始到收获这段时间因田间呈无水层状态或淹水时间很短促而统称为晒田期。1.3ch4、no排放通量及增温效应计算采用暗箱―气相色谱法观测CH4、N2O的排放通量。每周定时定点进行暗箱观测,采样时间为早上9:00-10:00,分别为罩箱后0,10,20min,每次抽取80ml气体样品。施肥后连续观测4次,样品采集好后迅速送回实验室,用气相色谱仪分析测定,气体排放通量由3个气样浓度经线性回归分析得出。(1)CH4、N2O排放通量计算公式:F=273/(273+T)dC/dt×ρ×h式中:F为CH4、N2O排放通量(mg/(m2·h));ρ为CH4、N2O标准状态下的密度(0.714,1.98kg/m3);h为采样箱高度(m);dC/dt为采样箱内被测气体的浓度变化率;T为采样过程中静态箱内的平均温度(℃)。式中:Fi为各时期内CH4、N2O平均排放通量;Dn为各时期的天数。(3)整个稻田生态系统CO2的净通量为土壤呼吸排放量与地上植株的净吸收量之差,即:式中:为稻田系统在整个生育期间净通量(g/m2);fSR为土壤呼吸排放量;fRC为地上植株净吸收量。(4)综合增温潜势(GWP)的计算:以100a影响尺度计,1kg的CH4的增温效应是1kg的CO2的25倍,而1kg的N2O的增温效应是1kg的CO2的298倍。在此基础上,全球增温潜势(GWP)的计算如下:式中:f为不同稻田生态系统在水稻全生育期间内不同温室气体的排放量。2结果与分析2.1ch4累积排放量从表3可看出,早晚稻稻田CH4排放主要集中在淹水期,该时段CH4排放量占总生育期排放量的78%以上,而晒田期各处理的CH4排放量均较少且总体无显著性差异。早稻淹水期各处理CH4排放量大小依次为ZF>ZYF>DF>WF>CF>WN,ZF处理排放量最大,与其它处理的差异达显著或极显著性水平,其它处理之间的差异不显著。早稻全生育期CH4累计排放总量大小依次为ZF>ZYF>DF>WN>WF>CF,添加有机肥处理的CH4累计排放量均大于对照和纯化肥处理。ZF、ZYF和DF处理CH4排放量相对CF(纯化肥)处理分别增加了247.3%,49.4%和122.2%,ZF处理CH4排放量最大,并与WF、WN、CF、DF之间的差异达到极显著水平,与ZYF之间的差异达显著水平;其它处理之间的差异不显著。晚稻淹水期各处理CH4累积排放量大小为ZF>DF>ZYF>CF>WF>WN,其中以ZF处理最大,与其它处理间的差异达显著或极显著水平;DF处理次之,该处理与ZYF、CF处理之间的差异不显著,但与WF、WN处理间的差异达显著性水平;其它处理之间差异不显著。晚稻全生育期CH4累积排放量大小依次为ZF>DF>ZYF>CF>WN>WF,其中ZF处理与DF、ZYF处理之间差异不显著,与其它3个处理之间的差异达显著或极显著性水平;其余5个处理之间的差异不显著。从全年稻季CH4累积排放总量来看,添加有机肥处理明显高于对照和化肥处理。以ZF处理CH4排放量最大,并与其它处理间的差异达极显著性水平。ZF、DF和ZYF处理较CF处理增加了207.3%,67.4%和75.7%,较WF(无肥)处理增加了256.8%,94.4%和104.0%;而纯化肥处理CF较WF处理仅增加了16.1%。ZF(添加鲜猪粪)处理较DF(添加猪粪堆肥)和ZYF(添加沼渣沼液)分别增加了83.6%,75.0%。可见,有机肥的施用对稻田CH4排放影响很大,特别是未经腐熟的新鲜猪粪的促进作用最大。这可能与其有机碳含量有一定关系,新鲜猪粪的C/N要高于猪粪堆肥和沼渣沼液肥,而本试验中用机肥代替等量N肥(代替20%化学氮肥),从而使得ZF处理输入外源有机碳最多,ZF处理的CH4排放量也相对增加。2.2维火炬对nao的累积排放量的影响如表4所示,稻田N2O与CH4的排放存在明显的消长关系,稻田N2O的排放主要集中在晒田期,早、晚稻晒田期N2O累积排放量分别占其全生育期总排放量的89.4%,89.1%。而淹水期的N2O排放量很少。晚稻全生育期N2O累积排放量要明显高于早稻,其N2O累积排放量约为早稻的1.5倍左右。这可能与晚稻水稻生育期长,平均气温高有关,此外,晚稻各处理施肥量的增加可能在一定程度上促进了稻田N2O的排放。早稻淹水期各处理N2O累积排放量均处于较低水平,除WN、ZF处理表现为N2O的汇外,其它各处理均为N2O的源,以ZYF处理排放量最大,WF处理次之,除ZYF与WN处理间差异达显著水平,其它处理间无显著性差异;晒田期,各处理N2O排放量显著增加,排放量变幅在99.54~454.47g/hm2。各处理N2O累积排放量大小依次为DF>ZF>CF>ZYF>WN>WF,DF处理排放量最大,较CF处理增加了41.23%,显著高于WN处理且极显著高于WF处理,其它各处理间无显著性差异。早稻全生育期各处理N2O累积排放量表现为DF>CF>ZYF>ZF>WF>WN,DF处理早稻N2O累积排放量较CF处理增加34.49%,ZYF、ZF较CF处理降低了9.48%,13.98%。晚稻淹水期,除WN处理表现为N2O汇外,其它各处理均表现为N2O的源,以DF处理N2O累积排放量最大,明显高于其他各处理,并与WN处理间差异达显著水平,WF、CF、ZF和ZYF4个处理N2O累积排放量基本相当,大小在40.50~59.85g/hm2之间;晒田期,各处理N2O排放量显著增加(WF处理除外),由大到小为DF>ZF>CF>ZYF>WN>WF,DF、ZF、CF和ZYF4个处理间差异不显著,但均显著高于WF处理。晚稻全生育期累积排放量以ZF处理最大,而ZYF、DF处理与CF基本相当。从全年稻季来看,各施肥处理N2O累积排放量大小为DF>CF>ZF>ZYF>WN>WF,DF处理的累积排放量最大,较CF处理增加了40.65%,而ZF和ZYF处理较CF处理降低了4.35%和5.44%,但4个均衡施肥处理间无显著性差异。可见,猪粪堆肥可明显增加稻田N2O的排放量,而新鲜猪粪和沼渣沼液的施用(较化肥)可降低稻田N2O的排放,但有机无机肥配施并没有对稻田N2O排放造成显著性影响。2.3对土壤co净交换量的影响本文主要研究了耕层土壤的CO2净交换量。由表5可知,早晚稻稻田土壤均表现为CO2净排放作用,且施肥对稻田土壤CO2排放量大小有较大影响。早晚稻均表现为CF>ZYF>DF>ZF>WN>WF,以CF处理最高,全年稻季土壤CO2累积排放量达33288.6kg/hm2,有机无机肥配施和纯化肥4个处理之间无显著性差异,但均极显著高于WN和WF处理。这是由于均衡施肥可有效促进水稻和土壤微生物的生长、改善土壤通气状况,促进了土壤呼吸作用。地上部植株CO2净交换量主要取决于水稻干物质累积量(生物量)的大小。有机无机肥配施和纯化肥处理的植株CO2净固定量均极显著性高于WN和WF处理,以ZYF处理植株CO2净固定量最大,全年稻季植株CO2净固定量达37121.5kg/hm2,有机无机肥配施和纯化肥4个处理之间并无显著性差异。各施肥处理稻田系统CO2净交换量均表现为对CO2的固定作用,其大小取决于土壤CO2的排放量和植株对CO2的固定量两个方面。早晚稻各处理稻田系统CO2净交换量大小规律较为一致,全年稻季稻田系统CO2净通量大小为ZF>DF>ZYF>WN>CF>WF,有机无机配施处理均极显著性高于纯化肥和不施肥处理,以ZF处理CO2净通量最大,达13618.3kg/hm2,与其他各处理间差异达极显著性水平。DF和ZYF处理次之,分别为11686.0,11395.2kg/hm2。可见,施用有机肥能有效促进稻田系统对大气CO2的固定,对减缓温室效应具有重要意义。2.4不同处理对稻田气体总量的影响由表6可看出,早稻稻田温室气体排放以CH4占主导地位,早稻CH4排放量(以CO2当量计)占总温室气体净排放量的97%以上,而稻田N2O排放所占份额不到3%。稻田生态系统CO2的排放表现为负效应,主要是因为稻田中水稻光合作用吸收大气中CO2比土壤呼吸排放量要高,表现为对CO2的净固定作用。综合3种温室气体的吸收和排放来看,以CF处理的综合增温潜势最好,表现为对温室气体的净吸收,吸收量(以CO2计)达1044.5kg/hm2,DF处理次之,吸收量(以CO2计)为273.6kg/hm2,其它各处理均表现为对CO2净排放,排放量大小依次为ZF>ZYF>WF>WN。单位产量的GWP是指某一处理排放各温室气体的GWP与经济产量的比值,在此基础上计算各处理单位产量的GWP(以CO2排放量计),得出早稻单位产量的GWP大小顺序为ZF>WF>WN>ZYF>DF>CF。其中CF最小,DF处理次之,二者均表现为对大气CO2的净固定,而其他处理均为正值,表现为CO2的净排放。如表7所示,晚稻稻田CH4的排放量占总温室气体净排放的95%以上,而稻田N2O排放量所占份额不到5%,各处理稻田生态系统均表现为对CO2的净固定。可以看出,CH4是稻田最主要的排放温室气体,控制稻田CH4的排放对减缓温室效应的意义重大。各处理的综合增温潜势均表现为负值,大小顺序为CF>ZF>DF>WF>ZYF>WN。4个均衡施肥处理中ZYF综合固定温室气体量(以CO2计)最多,DF处理次之,ZYF、DF和ZF处理的温室气体净固定量较CF处理增加了54.47%,44.09%和15.92%,ZYF、DF较ZF处理增加了33.26%,24.30%。晚稻各处理单位产量的GWP为CF>ZF>DF>ZYF>WN>WF。可以看出,有机无机肥配施处理单位产量的GWP均低于CF处理,但高于WF和WN处理。ZYF、DF处理单位产量的GWP较CF处理降低了51.83%,26.55%,较ZF处理降低了33.29%,11.09%。综合温室气体排放和产量因子,晚稻以ZYF和DF处理表现较好,既可以确保水稻增产又可以相对促进稻田对温室气体的固定。从全年稻季来看,综合温室增温潜势由大到小依次为ZF、CF、ZYF、WF、DF、WN,分别为-2118.8,-4450.8,-4713.1,-4764.0,-5181.8,-5549.8kg/hm2,WN处理对温室气体的吸收量最大,DF处理次之。全年各处理单位产量的GWP大小顺序为ZF>ZYF>DF>CF>WF>WN,分别为-0.14,-0.36,-0.37,-0.38,-0.50,-0.57kg/kg,ZF处理单位产量的GWP最大,而DF、ZYF处理与CF处理大小相当。结果表明,添加猪粪堆肥和沼渣沼液肥既可以促进作物增产,又可以相对增加稻田生态系统对温室气体的固定量,对减缓温室气体排放潜力巨大,值得推荐。3结论3.1施肥对稻田ch4的影响稻田CH4和N2O的排放之间存在着此消彼长的关系,CH4排放主要集中在淹水期,该时段CH4排放量占全生育期总排放量的78.0%以上,而N2O的排放主要集中在晒田期,其间排放量占全生育期总排放量的89.3%。这与秦晓波等人的研究结果一致,受水分状况影响,两者排放通量之间呈负相关关系,CH4是稻田主要排放的温室气体,稻田CH4对全球变暖的贡献远大于N2O。本研究中CH4所占稻田系统净温室气体排放总份额的96%以上,控制CH4的排放是降低农田温室气体排放的关键。水分是影响稻田温室气体排放的一个重要因素,在水资源匮乏的当今,寻求一种既可以满足作物生长需水又可以有效控制温室气体排放的田间水分管理模式值得深入研究。就不同施肥处理来说,有机无机肥配施能明显促进稻田CH4的排放,以添加猪粪处理的稻田CH4排放量最大,并与其它处理之间的差异达极显著性水平;ZF、DF和ZYF处理全年CH4累积排放量较CF处理增加了207.3%,67.4%和75.7%。一般认为,有机肥的施用为产甲烷菌提供极为丰富的产CH4基质,同时还会降低土壤Eh,导致产甲烷细菌活跃,产生更多的CH4,从而增加其排放量,而纯化肥对稻田CH4排放量影响相对较小。试验结果也表明,有机肥经堆沤后再还田,并不显著增加稻田CH4排放量,并相对于新鲜有机肥直接施用可以达到稻田CH4减排的目的。这也为我们合理施用有机肥提供了另一依据。稻田N2O的产生是硝化和反硝化过程相互作用的结果,NO3--N是土壤水分相对充足条件下反硝化作用产生N2O的重要基质。由于新鲜猪粪肥的氮主要以有机态形式存在,而猪粪堆肥在腐解过程中会产生一定数量的NO3--N,使得DF处理的N2O累积排放量最大,较CF处理增加了40.65%,而ZF、ZYF处理较CF处理降低了4.35%,5.44%。由于施入氮肥总量相同,有机无机肥配施对稻田N2O排放没有造成显著性影响,这也证实了已有的研究。本研究利用土壤碳库的变化来估算土壤矿化呼吸排放的CO2量,其中忽略了土壤有机碳在厌氧条件下矿化排放CH4的量及流失的有机碳量,因此估算数值比实际稍大