于笑天，袁鶴龍，李濤，李江，繳錫云,2

秸稈還田與加氣灌溉對水稻泡田期溫室氣體排放的影響

于笑天1,3，袁鶴龍1，李濤1，李江1*，繳錫云1,2

（1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098；3.遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心，沈陽 110003）

【目的】探討秸稈還田與加氣灌溉對水稻泡田期溫室氣體排放的影響。【方法】基于土箱模擬試驗，設(shè)置3個處理（秸稈不還田+常規(guī)水灌溉，CK；秸稈還田+常規(guī)水灌溉，ST；秸稈還田+微納米加氣灌溉，SO），采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對土箱中的溫室氣體排放濃度進行監(jiān)測，分析CH4、N2O、CO2的排放通量以及全球增溫潛勢的變化趨勢，探討溫室氣體排放對秸稈還田和微納米加氣灌溉的響應(yīng)規(guī)律?！窘Y(jié)果】秸稈還田可顯著提高水稻泡田期N2O、CH4、CO2累積排放通量，ST處理下3種氣體排放通量分別可提高30.67%、167.08%、76.95%；秸稈還田條件下，微納米加氣灌溉下的CO2累積排放通量相比常規(guī)水灌溉略有提高，而N2O和CH4的累積排放通量分別降低10.11%、32.63%；CK、ST、SO處理下的稻田溫室氣體全球增溫潛勢（）分別為7.53、14.14、12.14 g/m2?！窘Y(jié)論】秸稈還田會促進稻田泡田期土壤溫室氣體排放，微納米加氣灌溉可以緩解這一負面效應(yīng)，對秸稈還田背景下稻田土壤溫室氣體減排具有一定的積極作用。

泡田期；秸稈還田；加氣灌溉；溫室氣體；全球增溫潛勢

0 引 言

【研究意義】稻田為溫室氣體的重要排放源，據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織報道，中國水稻種植區(qū)每年產(chǎn)生的溫室氣體排放量約占全球稻田土壤溫室氣體排放量的1/5[1]。長江流域水稻種植區(qū)占我國稻區(qū)總面積的2/3以上[2]，且以小麥秸稈還田為背景的稻麥輪作制度在該地區(qū)得到了普遍推廣，秸稈還田對農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟效益提高具有重要作用。然而，伴隨著秸稈還田的普及，稻田水土環(huán)境發(fā)生了顯著變化，顯著改變了溫室氣體的排放條件。因此，研究秸稈還田對稻田土壤溫室氣體排放的影響并探索溫室氣體排放控制新技術(shù)，對于進一步認識秸稈還田的環(huán)境效益、緩解農(nóng)業(yè)溫室效應(yīng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！狙芯窟M展】秸稈還田會對稻田水土環(huán)境產(chǎn)生消極影響，如提高土壤還原性，導(dǎo)致水稻僵苗問題；秸稈腐解會提高周邊水體氮、磷等污染物濃度，引起氮、磷流失和農(nóng)業(yè)面源污染等一系列生態(tài)問題[3-4]。秸稈還田會對溫室氣體的排放產(chǎn)生一定影響。Yu等[5]研究表明，秸稈還田提高了土壤還原性物質(zhì)量，從而改變土壤中產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量，促進了CH4的排放；秸稈還田釋放的氮促使稻田水土環(huán)境中的微生物氮循環(huán)過程發(fā)生變化，改變了稻田土壤硝化-反硝化過程，從而影響N2O的產(chǎn)生與排放[6]。然而，目前學(xué)者對秸稈還田后N2O的排放規(guī)律存在爭議，仍有待于進一步的試驗論證。稻田中的CO2的排放主要由水稻和土壤微生物呼吸決定，土壤中99%的CO2來源于微生物對有機質(zhì)的分解[7]。朱曉晴等[8]研究表明，秸稈還田能夠促進土壤微生物呼吸和礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化。近年來，微納米加氣灌溉技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉方面的研究逐漸成為熱點；有研究表明，微納米加氣灌溉對于提高灌溉水的溶解氧（DO）量、調(diào)節(jié)微生物活性、改善土壤還原性狀況均有顯著作用[9-10]。在旱作物溫室氣體排放方面，林婭丹等[11]研究表明，加氣灌溉會促進土壤N2O的排放；陳慧等[12]研究也得出相似的結(jié)論，即加氣灌溉增加了土壤N2O的排放通量。在稻田土壤溫室氣體排放方面，由于微納米加氣灌溉技術(shù)可以改變農(nóng)田水土環(huán)境，在理論上存在改善稻田溫室氣體排放條件的潛力?！厩腥朦c】目前，關(guān)于微納米加氣灌溉對稻田土壤溫室氣體排放的影響鮮有研究。同時，針對長江流域水稻種植區(qū)，秸稈還田后稻田溫室氣體排放的相關(guān)研究較少，泡田期作為秸稈腐解的重要時期，對該階段的稻田溫室氣體排放研究尤為重要?！緮M解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究基于土箱模擬試驗，以水稻泡田期為研究期，探討秸稈還田和微納米加氣灌溉對稻田土壤溫室氣體排放的影響，以期為秸稈還田背景下稻田溫室氣體排放與控制提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2021年8月9日—8月25日在江蘇省南京市河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)內(nèi)（31°54'57"N，118°46'37"E）開展，該地區(qū)的水稻種植方式以稻麥輪作為主。試驗用土箱為硬質(zhì)塑料圓桶，直徑和深度分別為47 cm和52 cm。供試土壤取自節(jié)水園區(qū)內(nèi)0～20 cm耕層，土壤類型為粉砂壤土。供試土壤和小麥秸稈理化指標見表1。

表1 土壤及秸稈理化指標

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置3個處理（表2），分別為：不添加秸稈+常規(guī)灌溉（CK）、小麥秸稈還田+常規(guī)灌溉（ST）、秸稈還田+微納米加氣灌溉（SO），每個處理設(shè)置3個重復(fù)，土箱示意見圖1。

圖1 土箱示意

表2 試驗處理

根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗確定秸稈還田量為7 t/hm2；泡田期水位為5 cm，當(dāng)水位低于2 cm時灌水至5 cm；在土箱底部5.5 cm側(cè)壁處安裝閥門，用于模擬滲漏，滲漏量為3 mm/d。試驗采用訂制靜態(tài)箱作為取氣裝置，每隔1 d采集1次氣體，共采樣9次；采集時間為每日的09:00—12:00，每10 min采集1次，每個土箱共采集4次。

1.3 測定項目與方法

試驗測定與分析的指標分別為：CO2、CH4、N2O質(zhì)量濃度、靜態(tài)箱溫度、各氣體排放通量、累計排放通量及全球增溫潛勢。測定溫室氣體質(zhì)量濃度的方法為氣相色譜法，根據(jù)各氣體質(zhì)量濃度變化率計算其排放通量，排放通量計算式[13]為：

式中：為CO2、CH4或N2O排放通量（μg/（m2·h））；為標準狀態(tài)下的氣體密度（g/cm3）；為箱體高度（m）；為箱內(nèi)溫度（℃）；d/d為單位時間內(nèi)氣體質(zhì)量濃度變化率（μg/（m3·h））。

累排放通量計算式為：

本研究中，全球增溫潛勢以（global warming potential）表示，其含義為溫室氣體對氣候變化影響的相對能力，以CO2、CH4、N2O這3種溫室氣體凈交換量的CO2當(dāng)量代數(shù)和來計算。在100 a的時間尺度上，單位質(zhì)量的CH4和N2O的全球增溫潛勢分別為CO2的28倍和265倍[14]。計算式為：

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)整理，采用Microsoft Excel 2019和Microsoft PowerPoint 2019進行繪圖。利用SPSS 22軟件進行統(tǒng)計分析，采用Duncan法進行處理間差異顯著性比較（<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 N2O排放通量

各處理N2O排放通量的動態(tài)變化如圖2所示。不同處理N2O排放通量在14.53～45.64 μg/（m2·h）之間變化，且變化趨勢總體一致，呈倒V型規(guī)律。CK條件下的N2O排放通量于泡田后第7天達到峰值，峰值為33.53 μg/（m2·h），ST、SO處理于泡田后的第9天達到峰值，分別為45.64 μg/（m2·h）和41.15 μg/（m2·h）。ST處理相比CK的N2O排放通量峰值提高了36.14%，且處理間排放峰值存在顯著差異（<0.05）；SO處理相比ST處理的N2O排放通量峰值降低了9.84%。ST處理下的N2O排放通量顯著高于CK下的N2O排放通量（<0.05），可見秸稈還田可以促進N2O排放；SO處理下的N2O排放通量總體低于ST處理，可見微納米加氣灌溉對于秸稈還田后稻田土壤的N2O排放具有一定的抑制作用。

圖2 N2O排放通量動態(tài)變化

2.2 CH4排放通量

各處理CH4排放通量變化趨勢如圖3所示。CK、ST、SO處理下的CH4排放通量均隨著泡田時間的延長而增加，各處理最大排放通量分別為521.85、1 205.94 μg/（m2·h）和861.55 μg/（m2·h）。ST處理下的CH4排放通量峰值相比CK提高了131.09%（<0.05），可見秸稈還田會促進稻田土壤的CH4排放。SO處理下的CH4排放通量峰值相比ST處理降低了28.56%（<0.05），表明微納米加氣灌溉可以改善秸稈還田后CH4的排放狀況。

圖3 CH4排放通量動態(tài)變化

2.3 CO2排放通量

CO2排放通量變化趨勢如圖4所示，各處理的CO2排放通量在0.002 6～23.48 mg/（m2·h）之間變化。ST處理和SO處理下的CO2排放通量均于泡田后第9天達到峰值，其峰值出現(xiàn)時間相比CK延遲2 d。ST處理下的CO2排放通量峰值相比CK處理的CO2排放通量峰值提高91.58%（<0.05）；SO處理下的CO2排放通量峰值相比ST處理CO2排放通量峰值增加6.64%，但處理間差異未達到顯著水平。3個處理的CO2排放通量總體上表現(xiàn)為SO處理>ST處理>CK，可見秸稈還田和微納米加氣灌溉均會促進水稻泡田期CO2排放。

圖4 CO2排放通量動態(tài)變化

2.4 累計排放通量及GWP

表3為不同處理下溫室氣體累計排放通量及。ST處理相比CK的N2O累計排放通量顯著增加30.67%；SO處理下的N2O累計排放通量相比ST處理顯著降低10.11%。ST處理相比CK的CH4累計排放通量增加167.08%（<0.05），可見秸稈還田會極大地促進土壤CH4排放。SO處理的CH4累計排放通量相比ST處理顯著減少32.63%（<0.05），說明微納米加氣灌溉可有效減少CH4的產(chǎn)生與排放。CK、ST、SO處理下的CO2累計排放通量分別為2 704.45、4 785.40、5 070.62 mg/m2，ST處理下的CO2累計排放通量相比CK增加了76.95%（<0.05）；SO處理的CO2累計排放通量相比ST處理僅增加了5.96%。ST處理下的相比CK提高87.69%，可見秸稈還田可使稻田土壤的全球增溫潛勢進一步提高；SO處理的相比ST處理降低了14.17%（<0.05），可見微納米加氣灌溉在一定程度上可降低全球增溫潛勢，從溫室氣體排放的角度肯定了微納米加氣灌溉技術(shù)長江流域稻麥輪作區(qū)秸稈還田處理下引進的必要性。

表3 不同處理下溫室氣體累計排放通量及GWP

注 同列不同字母表示差異達到顯著性水平，<0.05。

3 討 論

稻田土壤是N2O的重要排放源[14]，減少稻田土壤N2O排放對于降低全球增溫潛勢具有重要意義。本試驗結(jié)果表明，秸稈還田會促進N2O排放，這與唐占明等[15]研究結(jié)果一致。首先，秸稈作為基質(zhì)直接參與土壤硝化過程，改變了參與N2O排放的土壤微生物群落組成，促進了土壤硝化作用，從而促進了N2O的產(chǎn)生和排放。其次，秸稈的腐解增加了土壤中的碳源，不僅使土壤硝化－反硝化作用的底物增加，而且改變了土壤性質(zhì)，導(dǎo)致受碳源限制的土壤硝化－反硝化細菌的活性增強[6]。最后，秸稈還田能增強土壤的團聚體特征，大團聚體較微團聚體有更強的N2O排放能力[16]，從而提高了N2O的排放通量。在試驗后期，N2O排放通量呈下降趨勢，原因可能是隨著泡田時間的延長，秸稈中可被微生物利用的養(yǎng)分逐漸減少，氧化還原電位降低，N2O還原酶活性上升，提高了N2O還原細菌的豐度，從而使部分N2O還原為N2[17]。

在秸稈還田條件下，微納米加氣灌溉對于N2O的排放有明顯的抑制效果，原因可能是氧氣量與N2O排放量呈負相關(guān)[18]，微納米加氣灌溉技術(shù)是以氣泡水的形式向土壤中大量注入氧氣，緩解了由秸稈還田引起的厭氧環(huán)境，抑制了厭氧反硝化菌的活性，從而通過抑制反硝化作用使稻田土壤中N2O的排放減少。

CH4是主要的溫室氣體之一，雖然其濃度遠低于CO2，但其吸收熱量的效率是CO2的20倍[19]，對全球氣候變暖的貢獻率達到15%，僅次于CO2。稻田是農(nóng)業(yè)活動中CH4的主要排放源，控制稻田CH4排放對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域碳中和具有重要意義。本試驗結(jié)果表明，秸稈還田提高了泡田期稻田環(huán)境中CH4的累積排放通量，這是因為CH4是有機物經(jīng)產(chǎn)甲烷菌降解的最終產(chǎn)物[20]，而秸稈的腐解為甲烷產(chǎn)生提供了豐富的反應(yīng)底物。另外，淹水形成的厭氧條件有利于產(chǎn)甲烷菌繁殖，秸稈還田又進一步促進了土壤厭氧環(huán)境形成，使土壤減低，從而提高了產(chǎn)甲烷菌的活性[21]。加氣灌溉可有效降低CH4的產(chǎn)生與排放，考慮到高DO的微納米加氣灌溉水進入土壤后，改善了土壤的厭氧環(huán)境，提高了土壤，產(chǎn)甲烷菌活性被抑制而甲烷氧化菌的活性得到提高，使CH4在排放至大氣之前被氧化。因此，泡田期秸稈還田會明顯提高CH4的排放通量和累計排放通量，微納米加氣灌溉技術(shù)的應(yīng)用可在一定程度上抑制稻田土壤CH4排放，有效降低了泡田期秸稈還田對大氣環(huán)境產(chǎn)生的不良影響。

在各種溫室氣體中，CO2的量級占半數(shù)以上[22]。稻田排放的CO2主要來自水稻和微生物的呼吸作用，絕大多數(shù)CO2是由土壤中的微生物分解有機質(zhì)產(chǎn)生的[23]。本試驗條件下，秸稈還田后CO2排放通量顯著增加，這與馮曉赟等[24]研究結(jié)論一致。原因可能是秸稈的添加為微生物提供了豐富的碳源物質(zhì)和充足的能量以及適宜的生長繁殖條件，如秸稈中可溶性糖類和脂肪等易分解物質(zhì)可以供土壤中的微生物快速分解利用，使微生物數(shù)量及活性得到提高，促進了微生物呼吸。其次，土壤的濕度和溫度被認為是影響土壤CO2排放的重要因素之一，秸稈還田會增強土保溫、保濕效果，更易使秸稈礦化，對CO2排放有一定促進作用[8]。最后，秸稈還田不僅可增加微生物數(shù)量，也會提高酶活性，酶活性的提高勢必加快了土壤有機碳的分解，從而提高CO2排放通量，這與游璟等[25]研究結(jié)果一致。ST處理與SO處理CO2排放通量與N2O排放通量變化趨勢相似，后期均呈下降趨勢，原因可能是土壤中易分解的成分被逐漸消耗，微生物不得不轉(zhuǎn)而利用難以分解的大分子物質(zhì)，使后期CO2排放通量呈下降趨勢。微納米加氣灌溉會在一定程度上促進泡田期稻田土壤CO2排放，這是由于微納米加氣灌溉水為土壤補充了充足的氧氣，增強了好氧微生物的活性，提高了微生物的繁殖速度和代謝能力，促進了微生物的呼吸[26]。同時，在充分灌溉條件下，土壤深層的CO2也會因為高灌水量向土壤上層聚集，隨后釋放到大氣中[13]。

微納米加氣灌溉技術(shù)在地下滴灌、蔬菜與花卉水培、灌溉水體修復(fù)等方面應(yīng)用較多，但該技術(shù)存在的短板有待研究和解決，例如氣泡生成效率較低，氣泡觀測儀器設(shè)備精度不高等。生產(chǎn)和研發(fā)相應(yīng)配套設(shè)施，適應(yīng)灌溉方式的多樣與灌水器的更新，才能充分發(fā)揮該技術(shù)的綠色、節(jié)能、環(huán)保特點。值得注意的是，秸稈腐解是一個漫長的過程，本研究只研究水稻泡田期加氣以及秸稈還田對水稻泡田期溫室氣體排放的影響，后續(xù)還應(yīng)繼續(xù)開展長時間序列的研究。

4 結(jié) 論

1）秸稈還田可促進水稻泡田期N2O和CH4的排放通量和累積排放通量，累積排放通量分別增加30.67%和167.08%。微納米加氣灌溉可明顯抑制秸稈還田條件下稻田的N2O和CH4的排放，累積排放通量減少了9.84%和28.56%。

2）秸稈還田會增加水稻泡田期CO2的排放，累積排放通量提高91.58%，而微納米加氣灌溉技術(shù)對于CO2的控排作用并不明顯。

3）微納米加氣灌溉后減少14.17%，緩解了由秸稈還田引起的稻田土壤全球增溫潛勢升高的現(xiàn)象。

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Effect of Aerated Irrigation and Straw Incorporation on Greenhouse Gas Emissions from Paddy Field during Soaking Period

YU Xiaotian1,3, YUAN Helong1, LI Tao1, LI Jiang1*, JIAO Xiyun1,2

(1. College of Agricultural Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China;2. State Key Laboratory of Hydrology-water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;3. Liaoning Province Water Conservancy Affairs Service Center, Shenyang 110003, China)

【Objective】Soil stores more organic carbon than the atmosphere and biomass combined, and its change depends on a myriad of biotic and abiotic factors. This paper investigates the effect of aerated irrigation and straw incorporation on greenhouse emissions from paddy fields during soaking period.【Method】The experiments were carried out for rice grown in repacked soil pots. There were two irrigation treatments: conventional irrigation and aerated irrigation by mixing the irrigation water with micro-nano bubbles. For each irrigation, there were a straw incorporation treatment and a no-straw incorporation treatment. Emissions of CH4, N2O, CO2from the soils in all pots were measured using the static closed chamber method.【Result】Straw incorporation combined with aerated irrigation increased the cumulative emissions of N2O, CH4and CO2by 30.67%, 167.08% and 76.95%, respectively, compared with the control without straw incorporation and aeration. Combination of straw incorporation and aerated irrigation slightly increased CO2emission, but reduced N2O and CH4emission by 10.11% and 32.63%, respectively, compared to straw incorporation without aeration. In terms of potential of global warming, conventional irrigation with and without aeration, and aerated irrigation combined with straw incorporation resulted in 7.53 g/m2, 14.14 g/m2and 12.14 g/m2of emission, respectively.【Conclusion】Straw incorporation under conventional irrigation during soaking period of the paddy field led to an increase in greenhouse gas emissions, and mixing the irrigation water with micro-nano bubbles can attenuate the emissions, especially N2O and CH4.

soaking period; straw returning; aerated irrigation; greenhouse gas; global warming potential ()

1672 - 3317（2023）02 - 0060 - 06

S2763

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022406

于笑天, 袁鶴龍, 李濤, 等. 秸稈還田與加氣灌溉對水稻泡田期溫室氣體排放的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2023, 42(2): 60-65.

YU Xiaotian, YUAN Helong, LI Tao, et al. Effect of Aerated Irrigation and Straw Incorporation on Greenhouse Gas Emissions from Paddy Field during Soaking Period[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(2): 60-65.

2022-07-21

國家重點研發(fā)計劃子課題（2021YFD1700803-02）；江蘇省自然科學(xué)基金青年項目（BK20200524）

于笑天（1992-），男。碩士，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail: 2442851144@qq.com

李江（1989-），女。教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)高效用水研究。E-mail: lijiang@hhu.edu.cn

責(zé)任編輯：韓 洋