東北寒地稻作水氮互作的溫室氣體排放特征研究.pdf

1、稻田是農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的主要來源，在全球溫室效應(yīng)中起著很大作用。東北寒地稻作區(qū)冬季寒冷漫長(zhǎng)、農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)相對(duì)較高、水肥管理模式等方面都與南方水稻區(qū)有較大的差異。因此，有必要對(duì)東北寒地稻田CO2、 CH4和N2O排放進(jìn)行試驗(yàn)研究，為精確估算中國(guó)稻田土壤排放的CO2、 CH4和N2O總量提供科學(xué)依據(jù)。本試驗(yàn)利用田間試驗(yàn)和室內(nèi)分析相結(jié)合的研究方法，設(shè)置控制灌溉、間歇灌溉及淹灌3種水分管理模式及4個(gè)供氮水平（0、75、105、135 k·hm

2、-2），以龍慶稻2號(hào)為材料，以不同水氮管理模式下的溫室氣體排放實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討稻田CO2、 CH4和N2O排放規(guī)律，闡明稻田環(huán)境因子變化及與溫室氣體排放之間的關(guān)系，分析水稻生長(zhǎng)變化對(duì)CO2、 CH4和N2O溫室氣體排放的影響機(jī)理，初步明確提升水稻水氮利用效率，減少總體增溫潛勢(shì)的環(huán)境友好型節(jié)水灌溉施肥模式。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)無(wú)論哪種水氮管理模式，CH4排放通量的峰值均出現(xiàn)在分蘗期、拔孕期和抽開期三個(gè)階段;控制灌溉

3、處理和間歇灌溉處理的CH4排放通量變化幅度均小于淹灌模式;在水稻生育前期及后期CH4排放通量很小，返青期及收獲期后沒有檢測(cè)出CH4排放通量。在控制灌溉和間歇灌溉模式下，各處理的CH4的累積排放量變化較小;淹灌模式下各處理的CH4的累積排放量差異顯著(p＜0.05)，變化幅度在284.34～419.27kg·hm-2;相同肥力水平下，淹灌處理的CH4的累積排放量均高于控制灌溉和間歇灌溉處理。CH4的季節(jié)累積排放量與土壤pH之間相關(guān)性較小，

4、除了淹灌狀態(tài)下不施肥處理的CH4通量與土壤pH值呈現(xiàn)顯著相關(guān)，其他處理相關(guān)關(guān)系不顯著;除了C1N1、C1N3、C1N4三個(gè)處理的CH4排放通量與土壤硝態(tài)氮含量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，其余9個(gè)處理的CH4通量與土壤NH4+-N含量具有顯著或極顯著相關(guān)性。稻田CH4排放與環(huán)境因子關(guān)系密切，受氣象因素影響較強(qiáng)，日均溫較高的時(shí)段也是CH4排放最為集中的時(shí)段;CH4排放與土壤Eh呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與5cm深土壤溫度及稻田水層深度均呈極顯著相關(guān)關(guān)系。

5、r>　　(2)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)N2O排放的高峰均出現(xiàn)在分蘗、曬田～拔節(jié)孕穗期兩個(gè)階段，而返青～分蘗初期及后期曬田階段的排放量相對(duì)較低;在水稻生育階段前期，各處理N2O排放都處于較低水平，泡田期幾乎無(wú)N2O排放;穗肥施用后N2O排放略有增加;從分蘗期開始， N2O排放均有小幅上升，并在曬田之后的復(fù)水期又迅速上升至最高峰。控制灌溉與間歇模式下各處理的N2O季節(jié)累積排放量明顯高于淹灌模式下各處理;C2N1處理的全生育期N2O累積排放量最大，為0.

6、41 kg·hm-2;C3N2和C3N4處理的全生育期N2O累積排放量最小，為0.14 kg·hm-2。間歇灌溉模式增加了稻田N2O的排放;水分管理及氮肥用量分別對(duì)水稻生長(zhǎng)季節(jié)N2O排放平均通量和季節(jié)累積排放量影響極顯著(p＜0.01)。氣溫升高，N2O排放呈上升趨勢(shì);不同水肥處理的稻田N2O排放通量通量與土壤NH4+-N含量、NO3--N含量之間沒有發(fā)現(xiàn)明顯的相關(guān)性;C1N2處理的N2O通量與土壤pH值呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，C3N1處理的N

7、2O通量與土壤pH值顯著正相關(guān)，其他處理均無(wú)相關(guān)性;N2O排放與土壤EH呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與5cm深土壤溫度呈極顯著相關(guān)關(guān)系，與水層深度間的相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著性水平。
　　(3)稻田CO2排放通量在分蘗期與拔節(jié)孕穗期出現(xiàn)排放高峰，而在其他生育階段排放較小，在水稻收獲期有小幅上升。水分管理模式對(duì)水稻全生育期CO2通量均值及累計(jì)排放量沒有產(chǎn)生規(guī)律性的影響;相同的施肥水平下，控制灌溉及間歇灌溉模式下的CO2累積排放量相對(duì)淹灌狀態(tài)有所下

8、降;水分管理和氮肥用量?jī)梢蛩貙?duì)水稻生長(zhǎng)季節(jié)CO2排放平均通量和季節(jié)累積排放量均具有交互作用。氣象因子也是影響稻田CO2排放的重要因素。各處理土壤銨態(tài)氮含量與CO2排放通量之間沒有明顯的相關(guān)性，除C1N2處理的CO2排放通量與土壤銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)顯著性差異(p＜0.05)，其他處理無(wú)相關(guān)關(guān)系。各處理土壤硝態(tài)氮含量與CO2排放通量之間也沒有明顯的相關(guān)性，控制灌溉條件下各處理土壤硝態(tài)氮含量與CO2排放通量之間呈正相關(guān)關(guān)系，間歇灌溉模式和淹灌模式

9、下呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但均沒有達(dá)到顯著性水平?？刂乒喔葪l件下，不同處理CO2排放通量與土壤pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中C1N1處理達(dá)到極顯著水平(p＜0.01)，C1N2處理達(dá)到顯著水平(p＜0.05)。CO2排放通量與5cm深土壤溫度呈極顯著相關(guān)關(guān)系，與水層深度相關(guān)性不大。受水稻生物因素影響較強(qiáng)，與水稻地上部分生物量呈極顯著相關(guān)性。
　　(4)節(jié)水灌溉模式配合氮肥施用能顯著增加水稻產(chǎn)量，單從灌溉模式來看，對(duì)水稻產(chǎn)量的影響不顯著。控制灌溉模式

10、下，高施氮量處理(C1N1)比不施氮處理平均增產(chǎn)62.9％，中施氮量處理(C1N2)比不施氮處理平均增產(chǎn)64.7％;間歇灌溉模式下，高施氮量也具有明顯的增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。淹灌模式下，氮肥施用量增加，增產(chǎn)幅度在51.2～61.5％之間。水肥互作主要通過影響有效穗數(shù)來影響產(chǎn)量。灌溉模式相同，氮肥施用量的增加，既促進(jìn)水稻籽粒形成，同時(shí)也增加了水稻秸稈的產(chǎn)量，使總的生物產(chǎn)量增加。
　　(5)不同水氮處理單位產(chǎn)量CO2排放量變化沒有發(fā)現(xiàn)規(guī)律性特征;

11、相同灌溉模式下，隨施肥量的增加，單位產(chǎn)量CH4排放量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);淹灌模式下的單位產(chǎn)量CH4排放量相比控制灌溉模式和間歇灌溉模式下的有所增加，最大值出現(xiàn)在C3N4處理，為48.66g·kg-1。不同水氮處理單位產(chǎn)量N2O排放量沒有表現(xiàn)出較大差異性，而灌溉模式對(duì)單位產(chǎn)量N2O排放量產(chǎn)生一定影響。
　　(6)水氮互作對(duì)水稻水氮利用效率產(chǎn)生一定影響。在氮肥用量相同時(shí)，水分利用效率從高到低依次為:控制灌溉＞間歇灌溉＞淹灌;相同水分管理

12、條件下水稻水分利用效率隨著氮肥施用量的增加呈上升的趨勢(shì);在一定范圍內(nèi)，氮肥施用量增加，水分利用效率提升，但當(dāng)?shù)视昧康揭欢ㄋ胶?，不再提高產(chǎn)量和水分利用效率。同一灌溉模式下，施肥量的變化對(duì)水稻氮肥利用率影響較大;水氮因素對(duì)水稻的氮肥生理利用率的影響沒有發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律性特征;水稻農(nóng)學(xué)利用效率的變化特征與氮肥利用率的特征相似;相同灌溉模式下，氮肥用量的增加，水稻的氮肥偏生產(chǎn)力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。水分管理和氮肥用量?jī)梢蛩貙?duì)水稻氮素利用率各項(xiàng)指標(biāo)均

13、具有交互作用，均達(dá)到極顯著性水平(p＜0.01)。
　　(7)稻田排放的CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)高于排放CO2和N2O兩種氣體產(chǎn)生的溫室效應(yīng)。CO2和產(chǎn)生的溫室效應(yīng)在1824.22～2187.7 kgCO2·hm-2范圍內(nèi)，而CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)在4545.96～8804.75kgCO2·hm-2之間;CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)在總體增溫潛勢(shì)中占得貢獻(xiàn)率在71％以上，CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2和產(chǎn)生的溫室效應(yīng)的3.28倍，是N2O氣體產(chǎn)生

14、的溫室效應(yīng)的76.4倍。從總體增溫潛勢(shì)分析，不同水氮處理的變化范圍為5850.91～10581.95kgCO2·hm-2。相同灌溉模式下，不同氮肥用量處理的總體溫室效應(yīng)差異很小。灌溉模式對(duì)總體增溫潛勢(shì)具有一定的影響，淹灌模式下GWP相對(duì)于控制灌溉模式和間歇灌溉模式的有所上升。
　　(8)針對(duì)黑龍江寒地稻作區(qū)的氣候特點(diǎn)，建立了控制灌溉、間歇灌溉及淹灌模式下的稻田生長(zhǎng)季N2O和CH4排放通量的模型。模型可以根據(jù)土壤硝態(tài)氮含量和溫度單因