稻田節(jié)水灌溉對稻-油輪作溫室氣體排放及土壤有機(jī)碳的影響機(jī)制.pdf

1、稻田水分管理不僅事關(guān)糧食安全和水資源節(jié)約，而且影響著固碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。目前關(guān)于水稻高產(chǎn)節(jié)水技術(shù)的研究和應(yīng)用較多，而水分管理的改變對稻田土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon，SOC)庫及其穩(wěn)定性的影響及機(jī)制研究仍不充分。因此，探明節(jié)水灌溉技術(shù)對稻田溫室氣體(Greenhouse gases, GHGs)排放、SOC庫的影響，綜合評價(jià)其減排固碳、節(jié)水和水稻產(chǎn)量安全的協(xié)同效應(yīng)具有重要意義。本研究于2012-2014年在湖北省武

2、穴市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范中心試驗(yàn)基地進(jìn)行，以我國長江中游平原區(qū)典型的稻-油輪作生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，在水稻生長季采用常規(guī)淹灌(Continuousflooding，CF)、濕潤式間歇灌溉(Flooded and wet intermittent irrigation, FWI)、干旱式間歇灌溉(Flooded and dry intermittent irrigation，F(xiàn)DI)和旱作栽培(Rain-fed withlimited irriga

3、tion，RFL)4種水分管理方式，研究稻-油系統(tǒng)土壤理化因子和作物生產(chǎn)、周年GHGs[甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)和二氧化碳(CO2)]排放、土壤活性有機(jī)碳組分[土壤可溶性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon，DOC)和土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)]及不同穩(wěn)定態(tài)SOC庫[未受保護(hù)輕組顆粒有機(jī)質(zhì)(Unprotected free light particulate

4、organic matter，fPOM)、微團(tuán)聚體內(nèi)物理-化學(xué)保護(hù)顆粒有機(jī)質(zhì)(Physico-chemically protected particulate organic matter in microaggregates，iPOM)、微團(tuán)聚體內(nèi)受保護(hù)粉黏粒(Silt and clay protected in microaggregates，intra-SC)和非閉蓄態(tài)粉黏粒(Silt and clay non-occluded

5、in microaggregates，free-SC)]對不同灌溉模式的響應(yīng)。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)與CF處理相比，F(xiàn)WI、FDI和RFL灌溉模式能夠分別減少1％～78％，21％～82％和54％～82％的灌溉水量。在干旱年份(2013年)，相對于CF處理，F(xiàn)WI、FDI和RFL3節(jié)水灌溉處理的水稻產(chǎn)量分別減少了1％、10％和18％，其中由于RFL處理受到干旱脅迫，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量顯著下降;而在降水正常年份(2012年)和多雨年

6、份(2014年)，3種節(jié)水灌溉模式與CF處理之間水稻產(chǎn)量相當(dāng)。此外，研究結(jié)果顯示RFL處理顯著的提高了2013年的油菜籽粒產(chǎn)量;而在2014年，稻田不同水分管理模式對油菜籽粒產(chǎn)量沒有顯著影響。整個(gè)稻-油輪作周期的作物產(chǎn)量，在2012-2013年，不同水分灌溉模式之間無顯著影響;而在2013-2014年，CF、FWI和FDI處理作物產(chǎn)量較RFL處理分別增加了16％、15％和7％。
　　(2)稻-油輪作系統(tǒng)中，水稻生長季的不同水分管理

7、模式顯著影響整個(gè)稻-油輪作周期的GHGs排放。與CF水分管理方式相比，各節(jié)水灌溉模式極顯著減少了水稻生長季的CH4排放，但卻明顯增加N2O和土壤CO2的排放。水稻生長季的節(jié)水灌溉模式并沒有對隨后油菜生長季的土壤CO2排放產(chǎn)生影響;然而卻減少了隨后油菜生長季的CH4和N2O排放。就全輪作周期而言，F(xiàn)WI、FDI和RFL處理較CF處理全年輪作周期內(nèi)油-稻生長季CH4累積排放量平均分別減少了62％、80％和90％;而CO2累積排放量平均分別增

8、加了8％、28％和29％。稻田不同水分管理模式下的油-稻系統(tǒng)N2O累積排放總量相當(dāng)。從各處理CH4、N2O和CO2排放的綜合增溫潛勢(Global warming potential，GWP)來看，稻田節(jié)水灌溉模式能顯著降低油-稻系統(tǒng)的GWP，與CF處理相比，F(xiàn)WI、FDI和RFL的GWP依次減少了20％，17％和21％。由于3種GHGs排放間的消長制衡關(guān)系，進(jìn)一步減少灌溉用水并沒有明顯降低GWP。稻田不同水分管理模式對2012-201

9、3年油-稻系統(tǒng)的單位產(chǎn)量綜合增溫潛勢(Yield-scaled Global warming potential，Yield-scaled GWP)產(chǎn)生顯著影響，F(xiàn)WI灌溉模式的Yield-scaled GWP最小，較CF處理減少了25％，而與FDI和RFL處理之間差異不顯著。與節(jié)水灌溉方式相比，雖然CF處理對GWP有促進(jìn)作用，但由于作物產(chǎn)量增加，導(dǎo)致2013-2014年油-稻系統(tǒng)的Yield-scaled GWP，不同水分管理模式之間

10、均無顯著差異。
　　節(jié)水灌溉改變了土壤理化性狀而導(dǎo)致GHGs排放的差異，最突出的貢獻(xiàn)因子是土壤含水量(Soil water content，SWC)和土壤DOC。
　　(3)3年稻田節(jié)水灌溉對稻-油系統(tǒng)不同穩(wěn)定態(tài)SOC庫的影響表現(xiàn)出組分及空間的差異性。在所有土層(0-5，5-10，10-20和0-20 cm)，各水分處理SOC主要儲存在iPOM組分之中，其占總SOC儲量的35％～52％。與CF處理相比，F(xiàn)WI灌溉模式5-10

11、 cm土層iPOM組分碳的濃度無顯著差異，然而由于其iPOM組分含量明顯增加，故FWI灌溉模式iPOM組分碳的儲量顯著高于CF處理。大量減少灌水量后，10-20 cm土層，RFL處理iPOM組分碳的濃度及其百分比含量顯著下降，從而進(jìn)一步導(dǎo)致iPOM組分碳的儲量下降。不同水分管理模式對fPOM和intra-SC組分碳的儲量無顯著影響。然而，當(dāng)整體考慮0-20 cm土層時(shí)，與FWI處理相比，RFL處理顯著減少了全土有機(jī)碳儲量，且CF與兩間歇

12、灌溉模式(FWI和FDI)，或與RFL處理之間無顯著差異。稻田FWI灌溉模式下稻-油系統(tǒng)SOC向較為穩(wěn)定的iPOM組分的聚集有利于增強(qiáng)SOC的穩(wěn)定性和碳的長期保存。
　　綜上所述，稻田3年節(jié)水灌溉模式能夠維持稻-油系統(tǒng)作物生產(chǎn)力。與常規(guī)淹灌相比，各節(jié)水灌溉模式能顯著降低油-稻系統(tǒng)的綜合增溫潛勢，但由于3種溫室氣體排放間的消長制衡關(guān)系，進(jìn)一步減少稻田灌溉用水并沒有明顯降低稻-油系統(tǒng)的綜合增溫潛勢。在2013年水稻旱季，由于濕潤式間歇

13、灌溉較干旱式間歇灌溉表現(xiàn)出了一定程度上的水稻產(chǎn)量優(yōu)勢，2012-2013年油-稻系統(tǒng)的單位產(chǎn)量綜合增溫潛勢最低。間歇灌溉模式在周期性干-濕交替循環(huán)條件下，刺激微團(tuán)聚體的形成，導(dǎo)致不同土層微團(tuán)聚體內(nèi)物理-化學(xué)保護(hù)顆粒有機(jī)質(zhì)含量及碳濃度不同程度的增加，從而最終導(dǎo)致0-20 cm土層總土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性增強(qiáng)以及增加了土壤有機(jī)碳的積累。然而在0-20cm土層，由于濕潤式間歇灌溉模式較干旱式間歇灌溉具有更高的土壤碳儲量以及具有更高的固碳潛力，同時(shí)