氢化钙对稻田甲烷和氧化亚氮排放及温室效应的影响
Effects of Calcium Hydride on Methane and Nitrous Oxide Emissions and Greenhouse Effect from Rice Fields
DOI: 10.12677/HJSS.2022.104021, PDF, HTML, XML, 下载: 59  浏览: 308 
作者: 刘丹丹*:邵东市农业农村局,湖南 邵阳;张 林:魏家桥镇农业综合服务中心,湖南 邵阳;王光辉:砂石镇农业综合服务中心,湖南 邵阳;邓 凯#:湖南省农业环境生态研究所,湖南 长沙
关键词: 甲烷稻田温室气体排放氧化亚氮Methane Paddy Field Greenhouse Gas Emissions Nitrous Oxide
摘要: 为了减少稻田甲烷和氧化亚氮的排放,采用有机肥配施并添加Ca(CN)2,并通过7组施肥试验测定不同处理早稻产量情况及产量构成因子差异、不同处理早稻分蘖期分蘖数情况、早稻分蘖期不同处理叶绿素SPAD值及早稻CH4、N2O季节排放通量情况、早稻各生育期CH4累积排放量等。通过对比试验证明,肥料添加Ca(CN)2不仅能够为水稻提供充足的后续氮素营养,还能够减排CH4气体,添加Ca(CN)2处理较牛粪处理减排7.54%~34.58%的CH4,对早期CH4排放的抑制效果较为明显,对减少稻田温室效应提供一些理论基础。
Abstract: Organic fertilizers were combined with Ca(CN)2 to reduce the emission of methane and nitrous oxide in paddy fields with 7 sets of fertilization experiments conducted to determine the yield of early rice in different treatments and their differences of yield components, the number of tillers in early rice in different treatments, the chlorophyll SPAD value of different treatments at the tillering stage of early rice, the seasonal emission flux of CH4 and N2O of early rice, and the cumulative emission of CH4 during each growth period of early rice. Comparative experiments have shown that the addition of Ca(CN)2 in fertilizer can not only provide sufficient nitrogen nutrition for rice, but also reduce CH4 gas. Adding Ca(CN)2 treatment reduces CH4 by 7.54%~34.58% compared with cow manure treatment. In the early stage, the effect of suppressing CH4 emission was obvious, providing some theoretical bases for reducing the greenhouse effect of rice fields.
文章引用:刘丹丹, 张林, 王光辉, 邓凯. 氢化钙对稻田甲烷和氧化亚氮排放及温室效应的影响[J]. 土壤科学, 2022, 10(4): 158-164. https://doi.org/10.12677/HJSS.2022.104021

1. 引言

人类活动下温室气体排放引起大气温室气体浓度不断攀高,进而导致温室效应加剧及全球气候持续变暖,自然生态系统平衡和人类的生存发展受到严重威胁,我国是水稻生产大国,水稻种植面积占国土面积的3%,影响稻田温室气体排放的因素很多,可以通过改变土壤理化性质及呼吸底物来影响温室气体的排放,尤其是针对CH4和N2O的排放。添加生物质炭可以增进土壤养分离子的吸附和保持,特别是对NH4+有很强的吸附作用 [1]。稻田N2O排放是由N2O产生、转化和传输三个过程共同作用的结果,在酸性土壤中添加DCD能提高土壤PH值,减少对CH4和N2O的排放 [2]。生物质炭添加对水稻土N2O排放的影响也有不一致的效果。有研究表明,在水稻土中添加生物质炭,可增加N2O排放 [3]。本文采用有机肥配施并添加Ca(CN)2试验CH4、N2O稻田排放情况,为农业生产及温室气体减排提供科学依据。

2. 排山村试验点介绍

试验点位于湖南省邵东市魏家桥镇排山村(111.642668˚E, 27.189447˚N),海拔42 m,年平均温度为17.1℃,年降水量在1500 mm左右,年大于10℃积温5300℃~6500℃,属于亚热带季风性气候。

3. 试验开展情况

3.1. 早稻Ca(CN)2减排温室气体试验

试验方案

供试土壤为第四纪红壤母质发育的红黄泥,试验田土壤理化特性为:pH(H20)值6.1;有机碳15.4 g/kg;全氮1.55 g/kg;全磷0.61 g/kg;全钾8.80 g/kg;碱解氮147 mg/kg;有效磷7.1 mg/kg,速效钾53 mg/kg。牛粪养分含量:全N 2.59%,全P 2.03%,全K 1.92%,有机质67.2%。

试验设7个处理,3次重复。小区面积20 m2。供试早稻品种为中早嘉17号,3月24日播种,4月20日移栽,7月15日收割。田间管理同当地农民习惯保持一致。

施肥情况如下表1

Table 1. 2020 early rice Ca(CN)2 greenhouse gas emission reduction test fertilization scheme

表1. 2020年早稻Ca(CN)2减排温室气体试验施肥方案

注:小区面积20 m2

3.2. 结果分析

3.2.1. 早稻产量及其产量构成因子情况

不同处理早稻产量情况及产量构成因子差异见表2。与常规施肥处理实际产量相比,施牛粪处理、牛粪CN1和牛粪CN4处理产量显著增加5.34%,4.86%和7.83% (P < 0.05),主要是通过增加水稻的千粒重而达到水稻增产,由于配施有机肥牛粪较单施化肥能改善土壤氮素供应过程,使土壤养分平稳释放,保障了水稻灌浆结实所需养分,从而增加了千粒重以提高水稻产量。而其余添加Ca(CN)2的牛粪CN2和牛粪CN3处理有减产趋势,分别减产1.07%和3.92% (P < 0.05),主要是因为减少了水稻的有效分蘖,总粒数和实粒数,从而导致减产。添加Ca(CN)2各处理产量大小关系为:牛粪CN4 > 牛粪CN1 > 牛粪CN2 > 牛粪CN3,添加Ca(CN)2量为300 kg/hm2的牛粪CN4处理产量反而最高,可能由于前期Ca(CN)2过量,遇水形成氰胺,对水稻毒性过大,造成死苗现象严重,而后补插秧苗时Ca(CN)2浓度很小,毒性减弱,同时氰胺转化为氨,既降低水稻安全生长风险,又在水稻生长前期提供充足的N素,增加了水稻有效分蘖,导致水稻产量增加。表明添加Ca(CN)2 300 kg/hm2超过了水稻前期安全生长阈值,Ca(CN)2用量及施肥后插秧天数有待进一步研究。而添加Ca(CN)2用量在0~225 kg/hm2时,通过回归分析得出添加Ca(CN)2用量与早稻产量呈显著负相关(P < 0.05)。

Table 2. Analysis of early rice yield and its constituent factors

表2. 早稻产量及其构成因子情况分析

注:表中大小写字母分别表示1%和5%差异性。

3.2.2. 各处理早稻分蘖数

不同处理早稻分蘖期分蘖数情况如图1。常规施肥处理分蘖数显著高于其他各施肥处理,可能因为单施化肥处理肥料释放较快,化肥遇水随即转化为硝态氮、铵态氮供水稻直接吸收利用,而添加有机肥牛粪处理有利于土壤自身调节养分平稳释放,在水稻前期提供适量的无机氮,而在水稻生长中后期能持续稳定的供应充足的矿质态氮,能使水稻一直处于较好的供氮状态下,而添加Ca(CN)2早期对水稻有一定的毒害作用,影响了水稻的分蘖。

Figure 1. Tiller number of early rice with different treatments

图1. 不同处理早稻分蘖数情况

3.2.3. 早稻叶绿素SPAD值

早稻分蘖期不同处理叶绿素SPAD值情况如图2。与常规施肥处理相比,施牛粪和牛粪 + Ca(CN)2处理叶绿素SPAD值差异不显著,其中牛粪CN4处理叶绿素SPAD值最高,表明该处理有较丰富的无机氮供水稻生长前期吸收利用,这与Ca(CN)2能够转化成氨并提供无机氮素营养关系密切。

3.2.4. CH4排放通量季节变化

早稻CH4季节排放通量情况如图3。总体而言,早稻CH4排放主要是出现在水稻生长中后期。插秧前三天,稻田CH4排放相对较小,而水稻插秧后稻田CH4排放出现两个较明显的高峰,第一个排放峰出现在插秧后第12天,排放通量处在7.05~21.49 mg/m2/h之间,其中排放通量最大为牛粪处理,因为有机肥与化肥配合施入土壤,经过一个营养平衡期,同时,牛粪的施入为产CH4底物提供了充足的碳素养分,并且在淹水环境下,产CH4菌活性较强,有利用CH4的排放;随着水稻的生长,CH4排放逐渐降低,插秧后第17天,达到一个排放低谷,随后排放又继续增加,CH4排放第二个高峰除牛粪处理有所延迟出现在54天外,其余各处理排放高峰均出现在插秧后第51天,即第一次落干结束后的覆水期,排放通量达到10.76~21.82 mg/m2/h,随后CH4排放又逐渐减少。水稻生长季添加Ca(CN)2各排放通量较牛粪处理小,但较常规施肥和CK施肥增大。

Figure 2. Chlorophyll SPAD at tillering stage with different treatments

图2. 不同处理分蘖期叶绿素SPAD值

Figure 3. CH4 emission flux in rice growing season

图3. 水稻生长季CH4排放通量情况

3.2.5. N2O排放通量季节变化

早稻N2O季节排放通量情况如图4,水稻生长前期N2O排放较少,但在插秧后第51天出现一小排放高峰,即水稻第二次覆水开始时,排放通量范围在2.69~22.07 ug/m2/h,随后排放逐渐减少。

3.2.6. 早稻各生育期CH4累积排放量的贡献率

早稻各生育期CH4累积排放量的贡献率见表3。在各生育期中,分蘖期与孕穗乳熟期CH4累积排放量较大,占整个生育期排放的68.29%~80.88%,其中分蘖期牛粪CN3处理排放量达到了整个排放量的一半以上,而成熟期CH4累积排放量相对较小,仅占整个生育期排放总量的1.95%~5.55%。可能因为分蘖期与灌浆乳熟期水稻生长较快,对养分需求多,根系发达,根系泌氧能力较强,土壤微生物相当活跃,同时水稻植株通气系统良好,CH4容易经水稻植株向外界排放,所以排放量较大,而成熟期稻田无淹水,影响了产甲烷细菌生长、繁殖,所以排放量较小。移栽返青期与分蘖期时期排放量大小顺序一致为:牛粪 > 牛粪CN1 > 牛粪CN2 > 牛粪CN3 > 常规 > CK,同时排放量与添加Ca(CN)2量呈显著负相关(P < 0.05),而孕穗乳熟期累积排放量大小顺序为:牛粪 > 牛粪CN1 > 牛粪CN3 > 牛粪CN2 > 常规 > CK,表明添加Ca(CN)2主要是对早稻移栽返青期和分蘖期CH4排放有一定的抑制作用,而随着水稻的生长Ca(CN)2自身的分解和转化,降低了Ca(CN)2的抑制作用,对孕穗乳熟期和成熟期CH4排放抑制效果不明显。

Figure 4. N2O emission flux in rice growing season

图4. 水稻生长季N2O排放通量情况

Table 3. Contribution rate of cumulative CH4 emissions in each growth period of early rice

表3. 早稻各生育期CH4累积排放量的贡献率

3.2.7. 水稻生长季CH4排放量及增温潜势

本试验各处理N2O排放通量平均值均为负数,即忽略N2O排放及增温潜势。由表4看出,添加Ca(CN)2处理CH4排放量较牛粪处理减少,减排幅度为7.54%~34.58%,可能由于添加Ca(CN)2对土壤微生物、细菌生长繁育有一定的毒害作用,减少了产甲烷细菌的数量并影响其活性,导致CH4排放减少。而添加Ca(CN)2的处理较施牛粪的增温潜势降低−34.58%~−7.54%。

Table 4. CH4 emissions and warming potential in rice growing season

表4. 水稻生长季CH4排放量及增温潜势情况

注:1) 根据100年尺度上CH4气体相对CO2的增温潜势:CH4为21;2) 单位产量的GWP是指某一处理的CH4和N2O的综合GWP与经济产量的比值。

4. 小结

有机肥配施并添加Ca(CN)2量为75 kg/hm2较常规施肥显著增加早稻产量5.34%,过量的Ca(CN)2会导致水稻减产,并且Ca(CN)2添加用量与早稻产量呈显著负相关;早稻分蘖期和孕穗乳熟期CH4累积排放量较大,占整个生育期排放总量的68.29%~80.88%,表明早稻CH4排放主要集中在水稻生长中期;添加Ca(CN)2处理较牛粪处理减排7.54%~34.58%的CH4,对早期CH4排放的抑制效果较为明显。肥料添加Ca(CN)2不仅能够为水稻提供充足的后续氮素营养,还能够减排CH4气体,但Ca(CN)2用量及施用方式有待进一步研究。

参考文献

NOTES

*第一作者。

#通讯作者。

参考文献

[1] 刘玉学. 生物质炭输入对土壤氮素流失和温室气体排放特性的影响[D]: [博士学位论文]. 杭州: 浙江大学, 2011.
[2] 王国强, 常玉妍, 宋星星, 等. 稻草还田下添加DCD对稻田CH4、N2O和CO2排放的影响[J]. 农业环境科学学报, 2016, 35(12): 2431-2439.
[3] 刘杰云, 沈健林, 邱虎森, 等. 生物质炭添加对农田温室气体净排放的影响综述[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(2): 205-212.