李清海,謝青蕓,葉 佩
(1.荊州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站,湖北荊州 434025;2.長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院,湖北荊州 434025)
氣候變暖主要?dú)w因于人類活動(dòng),氣候變化是人類21 世紀(jì)面臨的較為嚴(yán)峻的全球環(huán)境問題。來自聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)的研究表明,CH4和N2O 的增溫潛勢(shì)分別是CO2的25 倍和298 倍[1],對(duì)全球氣候變化有著重要的影響。中國作為水稻總產(chǎn)量最高的國家,其產(chǎn)量達(dá)到了全球總量的31%[2],水稻的碳吸收量較高,占農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量的44.01%[3]。因此,減少稻田CH4和N2O的排放量對(duì)中國環(huán)境保護(hù)有著重要的意義,更受到國際社會(huì)的普遍關(guān)注。中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議將“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”作為2021 年的重點(diǎn)任務(wù)之一,稻田固碳減排已作為中國減排目標(biāo)的一部分被納入實(shí)施范圍,稻田CH4和N2O 減排技術(shù)對(duì)發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)和應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要意義。
稻蝦生態(tài)種養(yǎng)作為可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式近年來發(fā)展迅速,2019 年小龍蝦產(chǎn)量達(dá)177.25萬t,養(yǎng)殖面積達(dá)110.53 萬hm2[4]。稻蝦種養(yǎng)由于在稻田生態(tài)系統(tǒng)中有添加生態(tài)位、延長食物鏈的增環(huán)作用,產(chǎn)生出一系列諸如具有明顯的減肥減藥、減蟲減害和提高土壤肥力的生態(tài)效應(yīng),并通過“一地兩用、一水兩收”的方式提高了單位面積經(jīng)濟(jì)效益。稻蝦種養(yǎng)模式下田間水肥管理與常規(guī)中稻有較大差異。一般稻蝦田稻作期田間水位較高,施肥量偏少,田間水分可影響土壤的硝化和反硝化作用,成為影響稻田CH4和N2O 排放的重要因子,使稻田溫室氣體排放特征以及全球增溫潛勢(shì)有一定變化[5]。另外,溫度也是溫室氣體排放的重要影響因素,其可通過影響土壤微生物和水稻根系的活性來影響CH4和N2O 的排放。
關(guān)于稻田溫室氣體的排放,現(xiàn)有研究主要從品種、水分管理、施肥方式和耕作制度等方面展開了探討[6-13],針對(duì)稻蝦種養(yǎng)模式下稻田溫室氣體排放規(guī)律研究較少。因此,本研究采用增溫潛勢(shì)等評(píng)價(jià)指標(biāo)研究稻蝦輪作模式下稻田溫室氣體CH4和N2O 的排放規(guī)律,探究田間水深和氣溫條件對(duì)稻蝦田溫室氣體排放的影響,評(píng)估稻蝦田的溫室效應(yīng)強(qiáng)度,定量綜合評(píng)價(jià)稻蝦種養(yǎng)模式對(duì)稻田溫室氣體排放的貢獻(xiàn),以期為稻田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排、提質(zhì)增效提供參考,使其服務(wù)于中國的“雙碳”戰(zhàn)略。
試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖北省荊州市國家農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(30°21′N,112°09′E),屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)型氣候,水熱條件良好,年降雨量在1 000~1 200 mm,年均日照時(shí)數(shù)約為1 800 h,年均溫度為16.9 ℃,全年無霜期約為251 d。稻蝦輪作稻田連片,規(guī)模較大,稻田田埂外側(cè)有環(huán)形蝦溝,蝦溝具有儲(chǔ)水能力,蝦溝在夏季水稻種植期間由于水位較高部分區(qū)域可相通,稻蝦輪作稻田長期淹水,且常年種植水稻。試驗(yàn)點(diǎn)土壤為潴育型水稻土,是由內(nèi)陸河湖交替沉積形成的,土壤質(zhì)地為粉質(zhì)中壤土。
水稻品種均采用黃華占,栽培方式為直播。常規(guī)中稻模式和稻蝦種養(yǎng)模式N 用量均為180 kg/hm2,P2O5用量為90 kg/hm2,K2O 用量為120 kg/hm2。磷肥和鉀肥全部作為基肥使用,氮肥按5∶2∶3 的比例分別在水稻直播前(基肥)、分蘗期和孕穗期施入。稻蝦種養(yǎng)模式田間水分管理長期處于淹水狀態(tài),成熟期田間水分落干;中稻模式在分蘗期保持淹水灌溉,分蘗中末期排水曬田,幼穗分化期再次灌水,抽穗后保持干濕交替直至收獲前7~14 d 斷水。田間病、蟲、草害等管理與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田措施保持一致。不同稻作模式下的水稻生育進(jìn)程見表1。
表1 不同稻作模式下的水稻生育進(jìn)程
采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法進(jìn)行測(cè)定。采樣箱箱壁用PVC 管制成(直徑為55 cm,高為120 cm),箱外包有反光錫箔紙和發(fā)泡隔熱材料,采氣管線使用可彎折的軟硅膠管,升入箱內(nèi)15 cm 左右,采樣時(shí)用注射器抽取箱內(nèi)氣體,基座由不銹鋼制成,有4 cm深水槽,底座入土15 cm,固定底座確定試驗(yàn)地點(diǎn)。在水稻幼苗期后開始采樣,采樣時(shí)間為上午9:00—11:00,采樣頻率為抽穗前2~3 d 1 次,抽穗到成熟5~7 d 1 次。采氣時(shí),先將采集箱搖晃2~3 次,保證箱內(nèi)原來的氣體與空氣混合均勻,避免對(duì)后續(xù)采樣氣體濃度產(chǎn)生影響,再往基座水槽加水密封,分別在0、10、20、30 min 用30 mL 注射器從箱中抽取氣體,注射器帶有三通閥門,取樣之前,通過多次抽動(dòng)注射器來混勻箱內(nèi)氣體,氣體混勻后再旋轉(zhuǎn)三通閥將氣體轉(zhuǎn)移到12 mL 的真空瓶,備測(cè),同時(shí)記錄0 min 和30 min 時(shí)箱內(nèi)的溫度以及田間表層水深度。采樣后24 h 內(nèi)采用氣相色譜儀(Agilent 7890A 型)和自動(dòng)進(jìn)樣器測(cè)定CH4和N2O 濃度。CH4和N2O 檢測(cè)器分別為氫火焰離子檢測(cè)器和微電子捕獲檢測(cè)器,進(jìn)樣口溫度分別為200 ℃和330 ℃,分析柱為PQ 填充柱,柱溫為55 ℃。水稻成熟后收獲,并對(duì)整個(gè)水稻試驗(yàn)田進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。
稻田CH4和N2O 排放通量計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[14],計(jì)算式如式(1)所示。
式中,F(xiàn)為CH4或N2O 的排放通量;ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4或N2O 的密度(CH4為0.714 kg/m3,N2O 為1.964 kg/m3);h為采樣箱的有效高度;dc/dt為CH4或N2O 濃度的變化速率;T為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度。
稻田CH4和N2O 累積排放量是基于排放通量,通過內(nèi)插加權(quán)法累積得到水稻生長生育期的排放總量。CH4和N2O 的增溫潛勢(shì)分別為CO2的25 倍和298 倍[1],求取總增溫潛勢(shì)(GWP)的計(jì)算式如式(2)所示。
式中,RCH4為稻田監(jiān)測(cè)期CH4排放通量總量;RN2O為稻田監(jiān)測(cè)期N2O 排放通量總量。
溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)是一個(gè)綜合評(píng)估環(huán)境效益和作物經(jīng)濟(jì)效益的指標(biāo),按式(3)計(jì)算。
式中,Y為水稻產(chǎn)量。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)以同一處理的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示,數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和SPSS 軟件完成處理分析。
稻蝦種養(yǎng)田的田間表層水深明顯高于常規(guī)中稻田,在二者的淹水時(shí)期稻蝦種養(yǎng)田的田間表層水深度明顯高于常規(guī)中稻田(圖1)。常規(guī)中稻田在曬田期間幾乎處于無水層狀態(tài),在后期斷水后水位下降迅速至完全落干,無水層狀態(tài)時(shí)期長達(dá)37 d(圖1a),而稻蝦種養(yǎng)田完全落干時(shí)間只有13 d(圖1b)。盛夏箱內(nèi)溫度波動(dòng)變化但都處于較高水平,采樣箱內(nèi)溫度在監(jiān)測(cè)期間均超過20 ℃,稻蝦種養(yǎng)田在8 月31 達(dá)到峰值,為36.9 ℃,8 月14 日箱內(nèi)溫度最低,為24.4 ℃,常規(guī)中稻田在9 月26 日達(dá)到最高值42 ℃,在8 月26 日出現(xiàn)最低值21.6 ℃,常規(guī)中稻田相對(duì)于稻蝦種養(yǎng)田的溫度變化范圍更大。
圖1 試驗(yàn)點(diǎn)田間表層水深與箱內(nèi)溫度的變化
由圖2 可知,稻蝦種養(yǎng)田CH4排放通量變化范圍為-14.56~90.61 mg/(m2·h),其整個(gè)生育期排放通量出現(xiàn)多次峰值,但整個(gè)生育期仍呈下降趨勢(shì),整個(gè)生育期幾乎所有時(shí)間都處于淹水狀態(tài),下降趨勢(shì)與水稻生育過程密切相關(guān);CH4排放集中在分蘗期、穗分化期以及抽穗開花期,排放最高峰值出現(xiàn)在播種后34 d,最低值出現(xiàn)在收獲前25 d,水稻分蘗期之后出現(xiàn)多次峰值且波動(dòng)幅度較大,但其相對(duì)于分蘗期排放動(dòng)態(tài)變化較平緩,與稻蝦種養(yǎng)田的水分管理和溫度有關(guān);CH4排放通量在乳熟期后明顯降低,遠(yuǎn)小于分蘗期,稻蝦種養(yǎng)田至成熟落干仍能觀測(cè)到少量CH4排放,但其值接近于零。常規(guī)中稻田CH4排放通量具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律,其范圍在-0.33~49.89 mg/(m2·h);在播種至烤田前的淹水階段CH4排放較高,并且在播種后42 d 出現(xiàn)CH4排放通量的最高峰值,分蘗末期烤田CH4的排放通量大幅降低,幼穗分化復(fù)水后CH4排放通量有所回升,抽穗后間歇灌溉CH4波動(dòng)變化,出現(xiàn)2 次峰值,2 次峰值與最高峰值存在差異,斷水后CH4排放通量隨之降低,至落干期CH4排放幾乎為零,這種變化規(guī)律與田間水分有著密切的關(guān)系。
圖2 稻蝦種養(yǎng)田和常規(guī)中稻田生長季CH4排放通量季節(jié)變化
由圖3 可知,稻蝦種養(yǎng)田N2O 季節(jié)排放通量變化范圍為-4.13~146.77 μg/(m2·h),其整個(gè)生育期排放通量均較低;N2O 排放受水肥管理的影響較大,稻蝦種養(yǎng)田長期淹水且水深波動(dòng)較大,生育期N2O 排放通量呈波動(dòng)式變化,排放最高峰值出現(xiàn)在播種后31 d,最低值出現(xiàn)在收獲前的35 d,淹水時(shí)期出現(xiàn)多次峰值,但其相對(duì)于分蘗期出現(xiàn)的峰變化幅度更為平緩,N2O 排放通量在落干時(shí)出現(xiàn)1 次小峰值,稻蝦種養(yǎng)田落干完全后仍能觀測(cè)到少量N2O 排放。常規(guī)中稻田N2O 季節(jié)平均排放通量波動(dòng)變化,其范圍在-4.31~145.75 mg/(m2·h);在淹水階段N2O 季節(jié)平均排放通量較低,并且在播種后的30 d 出現(xiàn)N2O 排放通量最高峰值,之后排放通量又急劇下降,開始曬田時(shí)N2O 排放通量呈上升趨勢(shì),分蘗末期烤田期的N2O 排放通量呈波動(dòng)式變化,復(fù)水后N2O 排放通量隨之下降,干濕交替時(shí)期產(chǎn)生大量的N2O,呈波動(dòng)變化,出現(xiàn)多次小峰值,峰值較前期出現(xiàn)的峰值明顯偏低,一部分受水稻生育期的影響,一部分受分蘗肥的影響,斷水之后N2O 排放通量隨水分慢慢落干而上升,此次出現(xiàn)的N2O 峰值較干濕交替期間出現(xiàn)的峰值更高。稻蝦種養(yǎng)田、常規(guī)中稻田的N2O 排放通量波動(dòng)范圍幾乎一致,最高值與最低值相差較小,峰值均出現(xiàn)在分蘗期,2 種稻田在分蘗期和成熟期都出現(xiàn)了峰值且相對(duì)于其他峰值較高。二者最明顯的區(qū)別在于常規(guī)中稻田曬田期N2O 排放通量較高而淹水的蝦稻田排放通量幾乎為0 甚至出現(xiàn)負(fù)值,N2O 與CH4呈此消彼長的趨勢(shì)。
圖3 稻蝦種養(yǎng)田和常規(guī)中稻田生長季N2O 排放通量的季節(jié)變化
相關(guān)性分析表明,稻蝦種養(yǎng)田CH4排放通量與田間表層水深度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與箱內(nèi)溫度呈顯著正相關(guān)(P<0.05),其N2O 排放通量與箱內(nèi)溫度和田間表層水深無顯著相關(guān)性(表2,圖4a);常規(guī)中稻田箱內(nèi)溫度和田間表層水深均與CH4和N2O 排放通量無顯著相關(guān)性(表3,圖4b)。
圖4 稻蝦種養(yǎng)田(a)和常規(guī)中稻田(b)生長季CH4排放通量和田間表層水深的變化
表2 稻蝦種養(yǎng)田CH4、N2O 排放通量與箱內(nèi)溫度和田間表層水深的相關(guān)性
表3 常規(guī)中稻田CH4、N2O 排放通量與箱內(nèi)溫度和田間表層水深的相關(guān)性
摒棄田間水層深度對(duì)溫室氣體排放的影響,分析溫室氣體對(duì)箱內(nèi)溫度的響應(yīng),因常規(guī)中稻田非淹水階段CH4排放幾乎為0,分析其烤田和落干期N2O排放與箱內(nèi)溫度的相關(guān)性,結(jié)果顯示,常規(guī)中稻田的N2O 排放通量與箱內(nèi)溫度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.67,P<0.05)。
由表4 可知,稻蝦種養(yǎng)田CH4累積排放量比常規(guī)中稻田高369.2%(P<0.05),常規(guī)中稻田的N2O 累積排放量顯著高于稻蝦種養(yǎng)田(P<0.05),對(duì)稻田綜合增溫潛勢(shì)貢獻(xiàn)主要來源于CH4,二者CH4的排放占比均超過99%,實(shí)現(xiàn)稻田溫室氣體減排的關(guān)鍵在于減少CH4排放。稻蝦種養(yǎng)模式的水稻產(chǎn)量為9 745.1 kg/hm2,相比于常規(guī)中稻,其產(chǎn)量增加了7.6%。稻蝦種養(yǎng)田的GWP為13 657.7 kg CO2-e/hm2,比常規(guī)中稻田顯著偏高347.2%(P<0.05)。稻蝦種養(yǎng)田的溫室效應(yīng)強(qiáng)度為1.40 kg CO2-e/hm2,常規(guī)中稻田為0.34 kg CO2-e/hm2,稻蝦種養(yǎng)田的溫室效應(yīng)強(qiáng)度顯著大于常規(guī)中稻田(P<0.05),主要是由于淹水條件產(chǎn)生的CH4排放占比高,即使單位數(shù)量的N2O 增溫潛勢(shì)遠(yuǎn)大于CH4,稻蝦種養(yǎng)田的總增溫潛勢(shì)也是明顯大于常規(guī)中稻田的增溫潛勢(shì)。
1)與常規(guī)中稻模式相比,稻蝦種養(yǎng)模式下的水稻產(chǎn)量增加7.6%,且顯著提高了稻田CH4排放量(P<0.05),其累積排放量增加了369.2%,CH4的排放對(duì)溫室氣體強(qiáng)度的增加效應(yīng)可抑制N2O 排放;此外,稻蝦種養(yǎng)田的N2O 累積排放量比常規(guī)中稻田顯著偏低33.3%(P<0.05);增溫潛勢(shì)主要貢獻(xiàn)來源于CH4排放,稻蝦種養(yǎng)田增溫潛勢(shì)比常規(guī)中稻田偏高347.2%,溫室氣體排放強(qiáng)度顯著增加1.06 kg CO2-e/hm2(P<0.05)。
2)田間表層水深和箱內(nèi)溫度都是稻田CH4和N2O 排放通量的重要影響因子,稻田田間表層水較深時(shí),CH4排放通量增加、N2O 排放通量減少,當(dāng)?shù)咎锾幱跓o水層狀態(tài)或者薄水層狀態(tài)時(shí),CH4排放通量幾乎為0,常規(guī)中稻田非淹水期N2O 排放與箱內(nèi)溫度呈顯著的正相關(guān)(P<0.05)。
3)稻蝦種養(yǎng)田溫室氣體高排放主要由持續(xù)淹水厭氧狀態(tài)導(dǎo)致,探究該模式CH4減排舉措最為關(guān)鍵;中稻由于水旱輪作,稻田溫室氣體排放最低,可作為低碳減排的主要稻作類型。
3.2.1 稻蝦種養(yǎng)模式對(duì)CH4排放的影響 稻蝦種養(yǎng)長期淹水形成厭氧環(huán)境,有利于土壤產(chǎn)甲烷菌生存繁殖,長期淹水對(duì)CH4排放具有強(qiáng)烈的激發(fā)作用,同時(shí)因生長后期直播水稻生長旺盛,光合作用強(qiáng),大量根系分泌物被土壤發(fā)酵型細(xì)菌分解,產(chǎn)生了大量CH4。目前各類稻鴨[15,16]、稻漁[17,18]、稻蛙[19]、稻蟹[20]、稻蝦[21]等種養(yǎng)模式對(duì)稻田CH4排放的影響已有相關(guān)研究。Sun 等[15]進(jìn)行的meta 分析發(fā)現(xiàn),稻鴨共作模式與傳統(tǒng)水稻單作系統(tǒng)相比,CH4排放量降低24.9%。稻鴨模式下,鴨子活動(dòng)降低了稻田CH4排放高峰期甲烷功能菌的數(shù)量[16]。戴然欣等[17]認(rèn)為稻漁種養(yǎng)系統(tǒng)中CH4排放主要受動(dòng)物類群、水稻品種和稻田環(huán)境等因素的影響。丁維新等[18]的試驗(yàn)得出,稻漁共作在深水層(>11.5 cm)促進(jìn)CH4排放,在淺水層(<11.5 cm)卻降低了稻田CH4的排放。Fang 等[19]的田間試驗(yàn)得出,稻蛙系統(tǒng)在2018 年和2019 年水稻生長季期間,CH4排放量由于稻蛙模式降低的比例分別高達(dá)41.75%和51.21%,CH4排放量對(duì)稻蛙系統(tǒng)的響應(yīng)十分顯著;Hu 等[20]的試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn),稻田養(yǎng)蟹與水稻單作相比,CH4排放量明顯降低了38.7%。徐祥玉等[21]的研究表明,稻蝦種養(yǎng)模式下深度淹水使土壤氧化還原電位降低,但小龍蝦的覓食活動(dòng)會(huì)使得稻田水土界面含氧量增加,降低CH4排放。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,稻蝦種養(yǎng)模式CH4排放明顯高于中稻單作模式,與以往研究不一致的原因可能是本試驗(yàn)稻蝦種養(yǎng)模式采用秸稈還田,在土壤持續(xù)淹水條件下,大量外源碳投入對(duì)CH4排放有強(qiáng)烈的激發(fā)作用。由此表明,優(yōu)化稻蝦種養(yǎng)模式水肥管理、飼料投喂、秸稈還田等方面對(duì)CH4減排至關(guān)重要。
3.2.2 稻蝦種養(yǎng)模式對(duì)N2O 排放的影響 土壤環(huán)境中進(jìn)行的硝化和反硝化作用是稻田N2O 的主要來源[22]。水分管理影響稻田土壤的通氣狀況,從而影響硝化和反硝化作用。稻蝦種養(yǎng)田長期淹水形成厭氧環(huán)境,過深的田間表層水可阻礙土壤中產(chǎn)生的N2O 的擴(kuò)散作用,因此在淹水期N2O 排放量很低。在曬田落干期間,土壤通氣狀況良好,硝化細(xì)菌活性增強(qiáng),N2O 排放增加,本試驗(yàn)稻蝦種養(yǎng)田N2O 累積排放量比常規(guī)中稻田降低了33.3%,二者在水稻各生育期N2O 排放特征、排放通量出現(xiàn)峰值的時(shí)間都是相似的,且排放通量和占比均較低。郭佳等[23]認(rèn)為水溫變化對(duì)N2O 排放通量的影響不顯著。N2O 排放對(duì)不同稻田種養(yǎng)模式的響應(yīng)存在差異。王強(qiáng)盛[5]認(rèn)為在稻鴨種養(yǎng)模式當(dāng)中,鴨的活動(dòng)可使水體溶解氧上升,提高土壤氧化還原電位,從而促進(jìn)硝化過程,導(dǎo)致N2O 排放通量上升。國外學(xué)者Bhattacharyya等[24]對(duì)稻-鯪魚共作的溫室氣體排放進(jìn)行了詳細(xì)的研究,發(fā)現(xiàn)其比水稻單作可降低9%的N2O 排放通量。Liu 等[25]的研究發(fā)現(xiàn),稻田養(yǎng)蟹較水稻單作可降低56%的N2O 排放量。
3.2.3 稻蝦種養(yǎng)模式對(duì)產(chǎn)量和溫室效應(yīng)強(qiáng)度的影響 本試驗(yàn)結(jié)果表明,與常規(guī)中稻田相比,稻蝦種養(yǎng)田水稻產(chǎn)量增加7.6%,總增溫潛勢(shì)升高347.2%,二者存在顯著差異(P<0.05)。由于稻蝦種養(yǎng)田長期淹水產(chǎn)生的CH4排放量極高,導(dǎo)致溫室效應(yīng)增加遠(yuǎn)高于N2O 引起的效應(yīng),最終導(dǎo)致稻蝦種養(yǎng)田的溫室效應(yīng)強(qiáng)度顯著大于常規(guī)中稻田(P<0.05)。展茗等[26]的研究發(fā)現(xiàn),稻鴨復(fù)合系統(tǒng)總增溫潛勢(shì)比常規(guī)水稻單作降低了7.2%,CH4對(duì)稻田溫室氣體綜合溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率高達(dá)60%。從全球增溫潛勢(shì)來看,稻田養(yǎng)魚模式也能減緩溫室效應(yīng)[27]。本研究中稻蝦種養(yǎng)田有較高CH4排放的主要原因?yàn)槌掷m(xù)淹水時(shí)間長、秸稈還田和飼料投入,探究該模式CH4減排措施最為關(guān)鍵。