甲烷(CH₄)具有很强的红外线吸收潜力, 单位质量CH₄的全球增温潜势(GWP)为CO₂的25倍(100年尺度内), 对全球变暖的贡献率达15%^[1]。水稻(Oryza sativa)是重要的粮食作物, 其种植面积占全球粮食作物种植面积的22%~25%左右, 全球近一半的人口以稻米作为主食, 其经济价值和战略地位非常重要^[2]。然而, 稻田是CH₄等温室气体的重要排放源, 据估计全球生态系统中约30%的温室气体来自水稻生产^[3]。我国作为世界上最大的水稻种植和稻米生产国之一, 每年稻田土壤CH₄的累积排放量达7.7 Tg, 占农业活动CH₄累积排放量的23%^[4]。此外, 不合理的施肥制度进一步加剧了稻田CH₄的排放, 特别是单一无机氮肥的输入。因此, 为落实碳达峰、碳中和目标, 亟待采取适宜的施肥制度以有效管控稻田温室气体排放, 应对气候变化。

生物炭因其表面具有疏松多孔结构, 可降低淹水稻田土壤中产甲烷古菌的丰度以及CH₄排放量^[5]。与生物炭相似, 硅藻土同样具备疏松多孔的结构, 在不同剂量的硅藻土与猪粪和锯末混合后进行好氧堆肥的试验中, 硅藻土能够降低畜粪厌氧发酵过程中的CH₄排放^[6]。但关于硅藻土对稻田CH₄排放影响的研究相对较少。气候变暖是全球变化的主要特征之一, 大量研究证实温度升高会促进土壤碳循环, 加剧农田CH₄排放^[7]。土壤CH₄排放对温度变化的响应以温度敏感性指数(Q₁₀)表示, 即温度每上升10 ℃土壤CH₄排放速率增加的倍数^[8]。Chadburn等^[9]证实, 全球每变暖1 ℃, CH₄的排放量增加约12%。水稻不同生育阶段CH₄排放的Q₁₀不同, 如贾庆宇等^[10]指出, 三江平原水稻孕穗—排水前夜间CH₄排放对温度变化最敏感, 而辽河平原泡田—返青夜间CH₄排放对温度变化最敏感。

近年来, 再生稻由于其生育期短、降本省工、节水省肥和收益较高等特点, 迅速在长江中游地区被广泛推广, 但该模式下氮肥和硅藻土配施对稻田CH₄排放及其土壤呼吸Q₁₀等指标影响的研究尚显不足。因此, 我们展开了为期2年的田间试验, 主要研究: 1)硅藻土对再生稻产量的影响; 2)硅藻土对稻田CH₄排放的影响; 3)硅藻土对CH₄排放Q₁₀的影响, 以期探明硅藻土配施氮肥在提高稻田土壤可持续生产能力方面的潜在贡献。

1.   材料与方法

1.1   试验地概况

试验于2022—2023年在湖北省荆州市梅槐桥农场(112°01′26.12″E, 30°24′09.25″N)进行。该区域属亚热带季风气候, 试验期间年平均气温为20.3 ℃, 年平均降水量为892.8 mm。供试土壤为长江冲积物形成的潴育型水稻土。表层土壤(0~20 cm)基本性状: pH 6.97, 全氮含量2.10 g∙kg⁻¹, 全磷含量0.65 g∙kg⁻¹, 全钾含量16.53 g∙kg⁻¹, 有机质含量42.41 g∙kg⁻¹。

本试验供试水稻品种为‘天两优616’。供试硅藻土由中国科学院广州地球化学研究所提供, 经700 ℃以上煅烧提纯。供试硅藻土的养分含量如下: 二氧化硅(SiO₂)含量为62.50%, 三氧化二铝(Al₂O₃)含量为15.30%, 三氧化二铁(Fe₂O₃)含量为4.60%, 氧化钙(CaO)含量为0.50%, 氧化镁(MgO)含量为0.69%, 氧化钾(K₂O)含量为1.20%, 氧化钠(Na₂O)含量为0.34%, 氧化锰(MnO)含量为0.02%, 二氧化钛(TiO₂)含量为0.20%, 五氧化二磷(P₂O₅)含量为0.10%, 烧失量为14.55%。

1.2   试验设计与管理

试验采用随机区组设计, 共设3个处理, 分别为不施肥(CK)、施用氮肥(N)和氮肥与硅藻土配施(N+Si)。 N处理: 头季氮肥按照5∶2∶3分别以基肥、蘖肥和穗肥的形式施入, 磷肥以基肥形式一次性施入, 钾肥以基肥和穗肥形式按照5∶5施入; 头季稻收割后, 再生稻生长过程中氮肥再按照5∶5的比例分别以促芽肥和提苗肥的形式施入。N+Si处理: 氮、磷和钾肥施用与N处理相同; 在头季硅藻土按照5∶2∶3分别以基肥、蘖肥和穗肥的形式施入, 再生稻生长过程中硅藻土再按照5∶5分别以促芽肥和提苗肥的形式施入。CK处理: 除不施氮肥外, 磷钾肥施用方式与其他处理保持一致。各处理的施肥时期和施肥量详见表1。

表  1  再生稻不同处理的施肥量

Table  1.  Fertilization rates of ratooning rice under different treatments

kg·hm−2
处理 Treatment	头季 Main rice season												再生季 Ratoon rice season
	基肥 Base fertilizer					蘖肥 Fertilizer for tillering			穗肥 Fertilizer for heading				促芽肥 Bud fertilizer			提苗肥 Seedling cultivation fertilizer
	N	P2O5	K2O	Si		N	Si		N	K2O	Si		N	Si		N	Si
CK	0	75	90	0		0	0		0	90	0		0	0		0	0
N	90	75	90	0		36	0		54	90	0		75	0		75	0
N+Si	90	75	90	75		36	30		54	90	45		75	60		75	60
CK: 不施氮肥; N: 施用氮肥; N+Si: 氮肥与硅藻土配施。氮肥为尿素(含N≥46%), 磷肥为过磷酸钙(含P2O5≥12%), 钾肥为氯化钾(含K2O≥60%), Si为硅藻土。CK: no nitrogen fertilizer; N: nitrogen fertilizer application; N+Si: combined application of nitrogen fertilizer and diatomite. Nitrogen fertilizer is urea (N≥46%), phosphorus fertilizer is calcium superphosphate (P2O5≥12%), potassium fertilizer is potassium chloride (K2O≥60%), and Si fertilizer is diatomite.

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每个处理设置4个随机小区, 各小区面积为91 m²。为了防止水肥互串, 试验前对区块内田埂进行加宽培高和覆膜处理, 各小区设单独排灌系统。2022年与2023年, 再生稻在3月24日育苗, 4月24日移栽。头季分别于8月12日和8月17日收获, 再生季则分别于10月18日和10月19日收获。头季留茬高度为30 cm, 株行距均为25 cm × 25 cm。三叶一心期过后, 田面水位应始终保持在3~5 cm。在头季晒田之后, 实行干湿交替的灌溉^[11]方式。其他田间管理同当地。

1.3   样品采集与分析

1.3.1   CH₄气样采集与排放通量分析

CH₄排放通量通过人工静态箱采集, 并使用气相色谱法进行测定。该静态箱主要由PVC材料制成, 包括箱体和底座。箱体尺寸为45 cm×45 cm×100 cm, 底座尺寸为45 cm×45 cm×20 cm, 底座上端设有2 cm深的凹槽, 在采气时, 通过向凹槽注水实现静态箱的密封。为了防止箱内升温过快, 箱体外层用锡箔纸包裹。箱体内安装一个小电扇, 用于混匀箱内气体。箱体顶部设置3个接口, 分别为风扇电池接口、温度计插口以及采气孔。每个处理设4个重复(静态箱)。在施肥后, 每2 d采集一次气体, 持续采集5次, 随后每7 d采集一次。每日上午8:00—11:00取样, 在箱体密封后, 分别在0、10、20和30 min时采集气体样品。最后, 将采集到的气体带回实验室, 使用Agilent 7890B气相色谱仪测定样品中的CH₄浓度。

1.3.2   土壤温度和土壤氧化还原电位(Eh)分析

在气样采集的同时, 使用土壤ORP仪(ORP-30-1-D, 荷兰)测定土壤氧化还原电位(Eh)和土壤温度。该仪器通过将电极探头插入植株根部周围土壤5~8 cm深度处测定。每个小区采集4个点, 结果取均值。

1.3.3   田面水和土壤铵态氮含量和pH分析

在气样采集的同时, 按照五点采样法采集0~10 cm深度的土壤。采集完成后, 立即将土壤带回实验室, 并去除其中的根系。随后, 用2 mol∙L⁻¹ KCl溶液对土样进行浸提(水∶土＝5∶1), 采用靛酚蓝比色法测定土壤铵态氮浓度; 田面水铵态氮浓度也通过靛酚蓝比色法测定^[12]。最后, 使用雷磁pH计测定土壤pH。

1.3.4   水稻产量分析

各小区分别于头季和再生季成熟期随机取3 m²测产, 脱粒后风干计算水稻籽粒产量。

1.4   数据分析

CH₄排放通量的计算公式^[13]如下:

式中: F为CH₄排放速率, mg∙m⁻²∙h⁻¹; ρ为CH₄标准状态下气体密度, 0.714 kg∙m⁻³; H为采样箱高度, m; ΔC/Δt为单位时间静态箱内气体浓度变化; T为静态箱内温度, ℃; 273为气态方程常数。

CH₄累积排放量的计算公式^[13]如下:

式中: E为CH₄总排放量, kg∙hm⁻²; F_n和F_n+1分别为第n次和第n+1次采样时CH₄的排放通量, mg∙m⁻²·h⁻¹; t_n和t_n+1分别为第n次和第n+1次的采样时间, d。

CH₄排放强度计算公式^[14]如下:

式中: $ {\mathrm{Y}\mathrm{D}}_{{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{4}} $为单位水稻产量对应CH₄排放, 即CH₄ (CO₂-eq)排放强度, kg·kg⁻¹; $ {E}_{{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{4}} $为CH₄累积排放量, kg·hm⁻²; 28为CH₄在100年时间尺度上相当于CO₂增温潜势的倍数; Y为水稻产量, kg·hm⁻²。

CH₄排放和土壤温度的关系用指数模型拟合^[8,10,15], 公式如下:

式中: R为在t ℃时CH₄排放速率, mg∙m⁻²·h⁻¹; a为0 ℃时的土壤呼吸速率(CH₄), mg∙m⁻²·h⁻¹; b为温度反应系数。

用Q₁₀值表示CH₄排放对温度变化的敏感程度^[8,10,15], 即:

采用Microsoft Excel 2010、DPS 7.05和SPSS 19.00 (LSD法, P<0.05)对试验处理进行多重比较分析, 利用Origin 2022进行绘图。

2.   结果与分析

2.1   硅藻土对再生稻田CH₄排放通量的影响

稻田CH₄排放通量的季节变化情况如图1所示。与CK处理相比, N和N+Si处理下稻田CH₄排放通量季节性变化趋势基本一致, 且CH₄排放峰值较为明显。其中, 头季稻种植期间, 稻田CH₄排放峰值主要出现在水稻分蘖期(5月下旬和6月中旬)、抽穗期(7月下旬)以及成熟期(8月中旬)。此外, 与头季稻相比, 再生季稻田土壤CH₄排放通量整体波动幅度较小。

图  1  2022年和2023年不同处理下再生稻田CH₄排放通量变化

CK: 不施氮肥; N: 施用氮肥; N+Si: 氮肥与硅藻土配施。黑色箭头从左到右依次表示再生稻基肥、分蘖肥、穗肥、 促芽肥、提苗肥。CK: no nitrogen fertilizer; N: nitrogen fertilizer application; N+Si: combined application of nitrogen fertilizer and diatomite. Black arrows indicate regeneration rice basal fertilizer, tillering fertilizer, spike fertilizer, sprouting fertilizer, seedling lifting fertilizer from left to right.

Figure  1.  Changes of CH₄ emission flux from ratooning rice fields under different treatments in 2022 and 2023

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2022年和2023年, CK处理头季CH₄排放通量的变化范围分别为−1.46~4.92 mg·m⁻²·h⁻¹和−0.36~8.60 mg·m⁻²·h⁻¹, 再生季分别为−0.03~4.64 mg·m⁻²·h⁻¹和0.55~6.09 mg·m⁻²·h⁻¹。N处理的头季CH₄排放通量分别为−3.31~46.49 mg·m⁻²·h⁻¹和−0.77~51.38 mg·m⁻²·h⁻¹, 再生季分别为−1.69~16.15 mg·m⁻²·h⁻¹和−0.68~8.93 mg·m⁻²·h⁻¹。N+Si处理的头季CH₄排放通量分别为−8.32~33.07 mg·m⁻²·h⁻¹和0.27~39.06 mg·m⁻²·h⁻¹, 再生季分别为−2.05~8.08 mg·m⁻²·h⁻¹和0.62~7.12 mg·m⁻²·h⁻¹。

2022年和2023年, 头季CH₄平均排放通量由低到高依次为: CK (2.09 mg·m⁻²·h⁻¹和2.45 mg·m⁻²·h⁻¹)<N+Si (6.53 mg·m⁻²·h⁻¹和8.99 mg·m⁻²·h⁻¹)<N (11.36 mg·m⁻²·h⁻¹和11.42 mg·m⁻²·h⁻¹); 再生季由低到高依次为: CK (2.01 mg·m⁻²·h⁻¹和2.07 mg·m⁻²·h⁻¹)<N+Si (4.72 mg·m⁻²·h⁻¹和3.71 mg·m⁻²·h⁻¹)<N (7.19 mg·m⁻²·h⁻¹和6.08 mg·m⁻²·h⁻¹)。

2.2   硅藻土对再生稻CH₄累积排放量的影响

由图2可知, 在2022年和2023年, 头季各处理的CH₄平均累积排放量与再生季相比分别高543.39%和388.06%。

图  2  2022年和2023年不同处理下再生稻田CH₄累积排放量

同季不同小写字母代表同季不同处理间差异显著(P<0.05)。CK: 不施氮肥; N: 施用氮肥; N+Si: 氮肥与硅藻土配施。Different lowercase letters in the same season represent significant differences among different treatments in the same season (P<0.05). CK: no nitrogen fertilizer; N: nitrogen fertilizer application; N+Si: combined application of nitrogen fertilizer and diatomite.

Figure  2.  Cumulative CH₄ emission from ratooning rice fields under different treatments in 2022 and 2023

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由图2可知, 在2022年和2023年, 头季N和N+Si处理的CH₄累积排放量显著高于CK处理(P<0.05), N+Si处理较N处理分别显著降低41.36%和23.73% (P<0.05)。在再生季, CK处理的CH₄累积排放量在2022年显著低于N和N+Si处理(P<0.05), 在2023年显著低于N处理(P<0.05), 与N+Si处理差异不显著; 2022年的CH₄累积排放量在N与N+Si处理之间无显著差异, 2023年Si+N处理的CH₄累积排放量比N处理显著降低37.49% (P<0.05)。在全生育期, CK处理的CH₄累积排放量显著低于其他处理(P<0.05), 2022年和2023年N+Si处理比N处理分别显著降低38.66%和25.99% (P<0.05)。

2.3   硅藻土对再生稻产量和CH₄排放强度的影响

由图3A可知, 氮肥和硅藻土对再生稻产量影响显著。2022年和2023年水稻产量均以N+Si处理最高, 头季分别为8 758.33 kg·hm⁻²和8 775.00 kg·hm⁻², 再生季分别为4 212.50 kg·hm⁻²和4 375.00 kg·hm⁻²; 其次是N处理, 头季分别为8 441.67 kg·hm⁻²和8 450.00 kg·hm⁻², 再生季分别为4 175.00 kg·hm⁻²和4 150.00 kg·hm⁻²。N+Si处理较N处理头季分别显著提高3.75%~3.85% (P<0.05), 但再生季产量在两个处理间无显著差异。由图3B可知, 头季、再生季和全生育期的两年CH₄排放强度均以N处理最高, 其次为N+Si处理, CK处理最低, 2022年和2023年N+Si处理的CH₄排放强度比N处理头季分别降低43.51%和26.52% (P<0.05), 再生季分别降低18.65%和41.14% (P<0.05)。除2022年再生季N与N+Si处理间差异不显著, 其他季两个处理间差异均显著(P<0.05)。

图  3  2022年和2023年不同处理下再生稻产量(A)和CH₄排放强度(B)

同季不同小写字母代表同季不同处理间差异显著(P<0.05)。CK: 不施氮肥; N: 施用氮肥; N+Si: 氮肥与硅藻土配施。Different lowercase letters in the same season represent significant differences among different treatments in the same season (P<0.05). CK: no nitrogen fertilizer; N: nitrogen fertilizer application; N+Si: combined application of nitrogen fertilizer and diatomite.

Figure  3.  Yield (A) and CH₄ emission intensity (B) of ratooning rice under different treatments in 2022 and 2023

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2.4   硅藻土对再生稻田土壤温度的影响

2022年和2023年的土壤温度数据显示(图4), 各处理在不同日期的土壤温度均有波动。2022年4月28日至10月1日, CK处理土壤温度在4月30日最低(14.33 ℃), 8月4日最高(31.15 ℃); 6月至8月温度相对较高, 8月后逐渐下降。N处理土壤温度变化趋势与CK处理相似, 4月30日最低(14.70 ℃), 8月4日最高(30.75 ℃)。N+Si处理土壤温度4月30日最低(15.55 ℃), 8月4日最高(31.25 ℃)。2023年4月25日至8月30日, CK处理土壤温度在4月25日较低(15.51 ℃), 5月18日相对较高(25.95 ℃); 5月中旬至8月中旬温度较高, 8月下旬后下降。N处理土壤温度在4月25日较低(16.13 ℃), 8月1日最高(28.93 ℃)。N+Si处理4月25日温度最低(15.57 ℃), 8月1日最高(28.96 ℃)。

图  4  2022年和2023年不同处理下再生稻田土壤温度的变化

CK: 不施氮肥; N: 施用氮肥; N+Si: 氮肥与硅藻土配施。CK: no nitrogen fertilizer; N: nitrogen fertilizer application; N+Si: combined application of nitrogen fertilizer and diatomite.

Figure  4.  Changes of soil temperature during ratooning rice growth period under different treatments in 2022 and 2023

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综上所述, 两年中各处理的土壤温度变化趋势较为一致, 夏季温度较高, 随后逐渐下降, 整体温度条件基本相同。不同处理之间的温度在某些日期存在差异, 但相对较小。以上结果表明季节对土壤温度有显著影响, 硅藻和氮肥施用对土壤温度的影响不大。

2.5   硅藻土对再生稻田土壤和田面水铵态氮、pH和Eh的影响

如图5A所示, 2022年和2023年再生稻整个生育期内, N处理和N+Si处理的田面水NH₄⁺-N浓度在施肥后呈现上升趋势, 随后迅速下降并趋近于CK处理, 最高值为57.77 mg∙L⁻¹。N处理和N+Si处理在每次施肥后的1~3 d内达到峰值, 峰值的NH₄⁺-N浓度为10.78~57.77 mg∙L⁻¹。CK处理的田面水NH₄⁺-N浓度在整个生育期内无明显波动。N+Si处理的田面水NH₄⁺-N浓度峰值总体低于N处理。

图  5  2022年和2023年不同处理下再生稻土壤和田面水铵态氮、pH和土壤氧化还原电位(Eh)的变化

CK: 不施氮肥; N: 施用氮肥; N+Si: 氮肥与硅藻土配施。黑色箭头从左到右依次表示施用再生稻基肥、分蘖肥、穗肥、 促芽肥和提苗肥。CK: no nitrogen fertilizer; N: nitrogen fertilizer application; N+Si: combined application of nitrogen fertilizer and diatomite. Black arrows from left to right indicate ratooning rice basal fertilizer, tillering fertilizer, spike fertilizer, sprouting fertilizer and seedling lifting fertilizer, respectively.

Figure  5.  NH₄⁺-N, pH and soil redox potential (Eh) of soil and surface water of ratooning rice in 2022 and 2023

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由图5B可知, 2022年和2023年土壤NH₄⁺-N浓度的变化规律较为相似。在全生育期内, CK处理的土壤NH₄⁺-N浓度始终保持在较低水平; 施肥对土壤NH₄⁺-N浓度产生了较大影响, 施肥后9 d N处理和N+Si处理降至CK水平, 整个生育后期保持稳定, 无较大变化, 且每次施肥后的1~3 d土壤NH₄⁺-N浓度均会出现峰值。

由图5C可知, 2022年和2023年各处理田面水pH均呈波动变化趋势。2022年CK、N和N+Si处理的pH平均值分别为7.07、7.14和7.11, 2023年的pH平均值分别为7.55、7.60和7.57。

由图5D可知, 2022年和2023年各处理土壤pH变化趋势基本一致, 均呈现出先升高后降低的趋势, 两年的结果均显示, pH最高值出现在5月, pH最低值出现在7月。

由图5E可知, 整个再生稻生育期内各处理的土壤氧化还原电位(Eh)变化趋势相同。头季的Eh平均值由低到高依次为: N (−59.72)<N+Si (−47.93)<CK (−34.78), 再生季的Eh平均值由低到高依次为: N (−40.31)<N+Si (−26.50)<CK (−6.76)。

2.6   硅藻土对再生稻田CH₄排放温度敏感性(Q₁₀)的影响

由于水稻不同生育阶段CH₄排放对土壤温度的敏感性存在差异, 因此本研究将CH₄排放温度敏感性分为前期持续淹水期(水稻移栽至头季稻分蘖晒田期)和后期干湿交替期(头季稻分蘖晒田期至头季收获)进行分析。CH₄排放与土壤温度在持续淹水期呈明显的正相关关系, 这种关系可以用指数函数进行解释, 并且拟合方程均达显著水平(P<0.05), CK、N和N+Si处理的回归系数分别为0.11、0.22和0.08 (图6A)。在干湿交替期稻田CH₄排放与土壤温度的拟合方程均未达显著水平(图6B)。

图  6  2022年和2023年不同处理下再生稻CH₄排放土壤温度敏感性(A: 头季持续淹水期; B: 头季干湿交替期; C: 头季; D: 再生季)

CK: 不施氮肥; N: 施用氮肥; N+Si: 氮肥与硅藻土配施。CK: no nitrogen fertilizer; N: nitrogen fertilizer application; N+Si: combined application of nitrogen fertilizer and diatomite.

Figure  6.  Soil temperature sensitivity of CH₄ emission of ratooning rice in 2022 and 2023 (A: continuous flooding period of main season; B: dry and wet alternate period of main season; C: main season; D: ratoon season)

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在持续淹水期, CK、N以及N+Si处理的Q₁₀值依次为4.70、6.78和8.86, 其中N+Si处理的Q₁₀值最高(图6A)。在干湿交替期, 3个处理的Q₁₀值分别为1.32、2.29和4.39, 相较于CK和N处理, N+Si处理的Q₁₀值分别增加了231.69%和91.94% (图6B)。此外, 头季持续淹水期各处理Q₁₀值均高于干湿交替期。对于再生稻而言, 头季和再生季的Q₁₀值均以N处理最高, 分别达1.47和23.95, 其中再生季N处理的Q₁₀值远高于N+Si处理的Q₁₀值(图6C, D)。

2.7   CH₄排放通量与土壤和田面水铵态氮、pH和Eh的关系

相关性分析结果显示, 头季整个生育期CH₄排放通量与土壤Eh均呈显著负相关(P<0.05), 与温度、pH和NH₄⁺-N无显著相关关系(图7A)。再生季整个生育期, CH₄排放通量与土壤NH₄⁺-N和土壤温度呈显著正相关关系(P<0.05) (图7B)。在头季持续淹水期, CH₄排放通量与土壤Eh呈显著负相关(P<0.05), 与土壤温度呈显著正相关(P<0.05) (图7C)。在头季干湿交替期, CH₄排放通量与土壤Eh均呈显著负相关(P<0.05), 与温度、pH和NH₄⁺-N无显著相关关系(图7D)。

图  7  再生稻田CH₄排放通量与田面水和土壤铵态氮、pH、Eh及土壤温度的相关性分析 (A: 头季; B: 再生季; C: 头季持续淹水期; D: 头季干湿交替期)

CH₄: CH₄排放通量; W-NH₄⁺-N: 田面水铵态氮; S-NH₄⁺-N: 土壤铵态氮; W-pH: 田面水pH; S-pH: 土壤pH; S-T: 土壤温度; Eh: 氧化还原电位。*: P<0.05。CH₄: CH₄ emission flux; W-NH₄⁺-N: ammonium nitrogen in surface water; S-NH₄⁺-N: ammonium nitrogen in soil; W-pH: surface water pH; S-pH: soil pH; S-T: soil temperature; Eh: soil redox potential; *: P<0.05.

Figure  7.  Correlation of CH₄ emission flux with ammonium nitrogen, pH and Eh of surface water and soil, and soil temperature of ratooning rice (A: main season; B: ratoon season; C: continuous flooding period of main season; D: dry and wet alternate period of main season)

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3.   讨论

3.1   硅藻土对再生稻产量的影响

本研究发现, 相比单独施用氮肥, 硅藻土配合氮肥施用可显著增加再生稻头季产量。一方面, 硅藻土中含有大量硅元素, 施硅有助于提高水稻产量, 改善生物量、每穗粒数、有效穗数和千粒重等指标^[16]。前人也有研究表明, 施硅肥可显著增加单位面积水稻群体总颖花量和实粒数, 同时也可显著提高水稻花后生物量的生产积累能力^[17], 这一时期水稻生物量的积累量越高, 越有利于高产。另一方面, 由于硅藻土含有多种2∶1型和1∶1型层状硅酸盐黏土矿物, 对多种离子具有良好的吸附和缓释效果^[18]。此外, 硅藻土表面含有大量羟基和氢键, 羟基可增加硅藻土表面活性, 解离氢离子, 使硅藻土带有负电荷, 具有吸附阳离子作用^[19], 从而更好地吸附稻田水体和土壤中的铵根离子, 增加对氮肥的利用, 进而增加作物产量^[20]。

3.2   硅藻土对再生稻田CH₄排放的影响

本试验中, 再生稻头季出现2~3次CH₄排放峰值, 分别是分蘖盛期、抽穗期和成熟期。分蘖盛期CH₄出现排放峰值原因是: 第一, 在这一时期, 植株生长极为旺盛, 其根系代谢也十分活跃, 从而分泌更多有机物, 这便为产甲烷菌提供了充裕的底物, 进而促进了CH₄的生成与排放^[21]。第二, 分蘖盛期时植株的群体较为庞大, 通气组织也相对发达, 能够为CH₄的传输和排放营造出更为有利的条件^[22]。第三, 此阶段稻田中的微生物活动比较活跃, 产甲烷菌的活性增强, 最终导致CH₄的产生和排放出现增加。头季抽穗期出现CH₄排放峰值可能是因为在抽穗期, 植株生长繁茂, 光合作用强烈, 会产生大量有机物质并输入到土壤中, 为产甲烷菌提供了充足的底物, 从而导致CH₄生成量增加^[23]。此外, 抽穗期水稻的根系结构和生理活动发生变化, 根系分泌物增多, 这为产甲烷菌的活动提供了更多支持, 进而导致CH₄排放增多^[23]。再生稻头季成熟期CH₄出现排放峰可能是因为在淹水时期, 稻田土壤中的有机残体和根系分泌物等有机物会被产甲烷细菌分解, 从而产生大量CH₄^[24]。

本试验中, 头季CH₄排放量显著高于再生季, 前人研究结果也表明再生稻CH₄排放主要集中在头季^[25]。究其原因可能是: 1)头季生育期长^[25]; 2)头季气温与土壤温度高于再生季; 3)头季水稻收获后, 稻桩上的休眠芽会再次萌发, 进而形成再生稻, 通常情况下, 再生稻再萌发所形成的生物量低于头季稻^[26], 而植株生物量明显减少时会阻碍CH₄向大气的传输过程^[27-28]; 4)头季氮肥施用量大, 较高的土壤NH₄⁺-N会抑制甲烷氧化菌的活性, 进而导致了较高的CH₄排放^[29]。由于再生稻头季分蘖期对CH₄排放的影响较大, 且头季CH₄排放量显著高于再生季, 因此稻田的减排应重点关注再生稻头季分蘖期。

与单施氮肥相比, 氮肥和硅藻土配施显著降低了再生稻田CH₄排放。CH₄的产生和氧化对CH₄排放量起了关键作用, 这两个过程对土壤氧化还原电位的变化比较敏感^[30]。由于硅藻土具有疏松多孔结构, 将其与氮肥配合施入后改善了土壤的通气状况, 显著增加了稻田土壤氧化还原电位, 一方面抑制了产甲烷菌的增殖, 减少CH₄的产生, 另一方面较高的土壤氧化还原电位也会增加土壤甲烷氧化菌对CH₄的氧化量^[30]。此外, 硅藻土中含有长石、石英、黏土类(绿泥石、蒙脱石、伊利石)和少量磷酸盐非金属矿物颗粒^[31], 具有吸附阳离子的作用, 如氢离子(H⁺), 从而导致土壤pH升高, 间接地影响氧化还原反应的速率和平衡, 最终降低CH₄的产生。硅藻土是理想的天然吸附材料, 因为硅藻土的多孔结构和大比表面积赋予其丰富的自由和缔合羟基, 这些羟基能与CH₄反应, 生成甲基和水, 进而降低CH₄的排放量^[32]。

3.3   硅藻土对再生稻田CH₄排放温度敏感性(Q₁₀)的影响

本研究结果显示, 再生稻头季持续淹水期, CH₄排放与土壤温度存在显著的指数关系, 然而头季干湿交替期, 两者之间的指数关系不再显著, 表明再生稻田CH₄排放与土壤温度的关系受水稻生育期的影响, 这与贾庆宇等^[10]研究结果相一致。在头季晒田前氮肥和硅藻土配施的Q₁₀值高于单施氮肥处理, 表明硅藻土添加下稻田CH₄排放更易受到土壤温度的影响。出现以上现象的原因可能是施加硅藻土能够增加土壤养分和氧气含量, 从而导致土壤微生物活性增强, 进而影响与CH₄生成相关的生物化学过程, 致使CH₄排放量更容易出现明显的温度波动^[33]。然而, 由于本研究为2年的短期研究, 试验结果可能受到当时的环境和气候条件影响, 例如天气突变和季节性变化等, 这些因素可能掩盖或夸大了试验结果的影响, 将来应进行长期的观测以评估硅藻土在稻田CH₄减排中的长效机制。

4.   结论

与单施氮肥相比, 氮肥与硅藻土配施显著增加了再生稻头季产量, 但对再生季和两季总产量无显著影响。氮肥与硅藻土配施显著降低了再生稻田头季CH₄排放, 主要是因为施用硅藻土增加了稻田土壤氧化还原电位。稻田CH₄排放与土壤温度在头季持续淹水期存在显著指数关系, 在干湿交替期稻田CH₄排放与土壤温度之间的指数关系不再显著, 表明再生稻田CH₄排放与土壤温度的关系受水稻生育期的影响; 在头季的持续淹水期和干湿交替期氮肥与硅藻土配施的CH₄排放温度敏感性高于氮肥处理, 表明硅藻土添加下再生稻田CH₄排放更易受到土壤温度的影响。这些研究结果表明氮肥配施硅藻土能够在保障再生稻水稻产量的同时, 有效降低稻田CH₄排放, 因此氮肥配施硅藻土是一种适宜在长江中游地区推广应用的施肥管理措施。未来应持续关注硅藻土与氮肥配施条件下稻田的CH₄减排效应。