生态学报  2017, Vol. 37 Issue (14): 4715-4724

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肇思迪, 娄运生, 张祎玮, 朱怀卫, 石一凡
ZHAO Sidi, LOU Yunsheng, ZHANG Yiwei, ZHU Huaiwei, SHI Yifan.
UV-B增强下施硅对稻田CH4和N2O排放及其增温潜势的影响
Effect of silicate supply on CH4 and N2O emissions and their global warming potentials in a Chinese paddy soil under enhanced UV-B radiation
生态学报. 2017, 37(14): 4715-4724
Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(14): 4715-4724
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201604110661

文章历史

收稿日期: 2016-04-11
网络出版日期: 2017-03-02
UV-B增强下施硅对稻田CH4和N2O排放及其增温潜势的影响
肇思迪 , 娄运生 , 张祎玮 , 朱怀卫 , 石一凡     
南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/江苏省农业气象重点实验室, 南京 210044
摘要: 大气平流层臭氧损耗导致的地表紫外辐射增强作为全球变化重要问题之一,受到广泛关注。硅是水稻生长有益元素,但施硅是否影响稻田CH4和N2O排放,迄今相关报道尚不多见。通过大田试验,研究UV-B增强下施硅对水稻生长、稻田甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)排放及其增温潜势的影响。UV-B辐照设2水平,即对照(A,自然光)和增强20%(E);施硅量设2水平,即对照(Si0,0 kg SiO2/hm2)和施硅(Si1,200 kg SiO2/hm2)。结果表明,UV-B增强降低了成熟期水稻地上部和地下部生物量,而施硅能缓解UV-B增强对水稻生长的抑制作用,使水稻地上部和地下部生物量增加。UV-B增强可显著提高稻田CH4和N2O排放通量和累积排放量,增加稻田CH4和N2O排放的综合增温潜势。施硅能明显降低稻田CH4排放,促进N2O排放,降低稻田CH4和N2O排放的综合增温潜势。研究表明,施硅显著降低稻田CH4和N2O的全球增温潜势,缓解UV-B增强对稻田CH4和N2O的全球增温潜势的促进作用。
关键词: UV-B辐射     施硅     水稻     甲烷     氧化亚氮    
Effect of silicate supply on CH4 and N2O emissions and their global warming potentials in a Chinese paddy soil under enhanced UV-B radiation
ZHAO Sidi , LOU Yunsheng , ZHANG Yiwei , ZHU Huaiwei , SHI Yifan     
Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing 210044, China
Abstract: Enhanced ultraviolet-B (UV-B) radiation, one of the most important problems caused by global climate change, is induced by the depletion of the stratospheric ozone layer and has received considerable attention worldwide. It has resulted in damage to various plant processes, including growth inhibition, photosynthetic depression, lipid peroxidation, and ultra-structural change, and this has led to crop yield reductions. Methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) are two potent greenhouse gases, and have 21 and 310 times higher global warming potentials (GWP), respectively, than CO2 on a 100-year time scale. N2O is the most important ozone-depleting substance in the 21st century, and paddy fields are regarded as one of the most important biological sources of N2O and CH4. Silicate is beneficial to rice growth, but so far there have been few reports on whether silicate application can reduce CH4 and N2O emissions from paddy soils. A field experiment was conducted to investigate the effects of silicate application on CH4 and N2O emissions and their GWPs in a Chinese paddy soil under enhanced UV-B radiation. The experiment had two UV-B radiation levels, i.e. ambient UV-B (A, ambient) and enhanced UV-B radiation (E, enhanced by 20%); and two silicate application levels, i.e. a control (Si0, 0 kg SiO2/hm2) and added silicate (Si1, 200 kg SiO2/hm2). The experiment was undertaken at the Station of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing, China. The emission fluxes for CH4 and N2O were determined by the closed chamber method at one-week intervals during the rice growing period. The results showed that, compared to ambient UV-B radiation, enhanced UV-B radiation decreased the shoot, root, and whole rice plant dry matter weights at the maturity stage by 13.12%, 53.31%, and 25.85%, respectively, in the no silicate treatment; and by 1.47%, 34.49%, and 11.12%, respectively, in the added silicate treatments. Therefore, enhanced UV-B radiation clearly depressed rice growth, but supplying silicate could significantly alleviate the depressive effect of enhanced UV-B radiation on rice growth. Enhanced UV-B radiation significantly increased CH4 flux and its accumulated emissions, whereas supplying silicate significantly reduced CH4 flux and its accumulated emissions. In the treatments without adding silicate, enhanced UV-B radiation significantly increased CH4 accumulated emissions at the tillering stage, jointing-booting stage, heading-flowering stage, grain filling-maturity stage, and over the whole growth period by 101.65%, 63.12%, 13.96%, 3.94%, and 89.43%, respectively, over that under the ambient UV-B radiation. Under enhanced UV-B radiation, adding silicate significantly decreased CH4 accumulated emissions by 35.83%, 45.96%, 39.84%, 10.29%, and 38.41%, respectively. Enhanced UV-B radiation also significantly increased N2O flux and its accumulated emission levels. In the treatments with no additional silicate, enhanced UV-B radiation significantly increased N2O accumulated emission levels at the tillering stage, jointing-booting stage, heading-flowering stage, grain filling-maturity stage and over the whole growth period by 69.89%, 41.62%, 134.57%, 84.46%, and 73.69%, respectively, over those under the ambient UV-B radiation. The effects of silicate supply on N2O emissions from the paddy soil changed depending on the rice growth stage. Under enhanced UV-B radiation, supplying silicate significantly reduced N2O accumulated emissions at the tillering stage and heading-flowering stage by 16.57% and 32.97%, respectively, but increased N2O accumulated emissions at the jointing-booting stage, grain filling-maturity stage, and over the whole growth period by 68.06%, 23.09%, and 29.53%, respectively. It also significantly increased the global warming potentials (GWPs) of CH4 and N2O by 51.92% to 83.31%, respectively. Supplying silicate significantly reduced the GWPs of CH4 and N2O by 1.19% to 18.10%, respectively. In conclusion, enhanced UV-B radiation significantly increased N2O flux and its accumulated emissions, and stimulated the GWPs of CH4 and N2O. Silicate application significantly reduced CH4 flux and its accumulated emissions, promoted N2O flux and accumulated emissions, and reduced the GWPs of CH4 and N2O. This study suggests that silicate application can reduce CH4 and N2O emissions and subsequent GWPs, and reduce the contribution of enhanced UV-B radiation to global warming potentials.
Key words: UV-B radiation     silicate supply     rice     methane     nitrous oxide    

紫外辐射增强和全球变暖是当今两大重要的全球环境问题。近年来, 由于氟氯烷烃和氮氧化物的大量排放, 大气平流层臭氧不断损耗变薄, 导致到达地表的UV-B辐射增强[1]。全球变暖源于温室气体的大量排放, 而CH4和N2O是两种重要的温室气体。以百年尺度计, CH4和N2O的全球增温潜势(global warming potential, GWP)分别是CO2的21倍和310倍[2]。据报道, 2005年全球的CH4和N2O农业排放总量比1990年增加了17%[3]。因此, 稻田作为CH4和N2O的重要排放源已受到国内外普遍关注[4-6]

近年来, 关于UV-B辐射增强对农田温室气体排放的研究主要集中在CH4或N2O单一温室气体, UV-B增强可显著增加水稻CH4排放[7], 降低大豆和冬小麦的N2O排放[8-9], 但UV-B辐射增强对CH4和N2O综合排放及其增温潜势的影响研究较少。硅是水稻生长的有益营养元素, 施硅可促进水稻植株地上部和根系生长, 提高水稻对病虫害、重金属和UV-B辐射等生物和非生物胁迫的抵抗能力[10]。水稻生长状况对稻田CH4和N2O排放有一定影响。但是, 迄今有关UV-B辐射增强下施硅对稻田CH4和N2O综合排放影响的研究尚不多见。本研究通过田间试验模拟UV-B辐射增强, 研究UV-B辐射增强下施硅对稻田CH4和N2O排放及其增温潜势的影响, 为进一步研发减缓稻田温室气体排放的新措施提供依据。

1 材料与方法 1.1 试验设计

田间试验于2015年5月至11月在南京信息工程大学农业气象试验站(32.16°N, 118.86°E)进行。该站地处北亚热带湿润气候区, 年均降水量1000—1100 mm, 年均气温15.6℃。供试水稻为南粳46。供试硅肥为硅酸钠。供试土壤为潴育型水稻土, 土壤质地为壤质粘土。供试土壤基本理化性质为, 全碳、全氮的含量分别为19.4 g/kg和1.45 g/kg;粘粒含量为261 g/kg;pH为6.2 (1:1土水比)。本试验设UV-B辐照和施硅量两个因素, UV-B辐照设2水平, 即对照(A, 自然光)和增强20%(E)。采用可升降灯架, UV-B灯管(光谱为280—320 nm)置于水稻冠层上方, 用于模拟UV-B辐射增强。施硅量设2水平, 即对照(Si0, 0 kg SiO2/hm2)和施硅(Si1, 200 kg SiO2/hm2)。试验共设4个处理, 即(1) UV-B增强+施硅(E+Si1), (2) UV-B增强+不施硅(E+Si0), (3) 自然光+施硅(A+Si1), (4) 自然光+不施硅(A+Si0)。重复3次, 随机排列, 共12个小区, 小区面积为2 m×2 m=4 m2

水稻于2015年5月10日育苗, 6月13日移栽, 株行距为16 cm×23 cm。移栽前1天施肥, 每小区施用复合肥料(15-15-15)315 g, 相当于氮磷钾(N-P2O5-K2O)施用量均为200 kg/hm2, 施硅处理的每小区(Si1) 施硅酸钠183 g, 相当于施硅量为200 kg/hm2。在每小区内挖4条施肥沟(深20 cm), 根据施肥处理要求将肥料均匀撒入施肥沟中, 覆土掩埋。幼苗移栽前将静态采样箱底座置于土内, 每底座内移入长势一致的幼苗1丛(2株)。从水稻分蘖期(移栽25 d后)开始进行UV-B辐照处理, 光源与水稻冠层之间距离始终保持约0.8 m, 每天辐照时间为8:00—16:00, 共计8 h, 阴雨天停止照射, 直至水稻成熟。在2015年8月15日至9月1日进行排水晒田, 大田常规管理, 病虫害防治依据实际情况进行。水稻生长期水层厚度保持约5 cm, 根据水层变化及降雨情况进行合理灌溉。

1.2 气体采集与分析

采用静态箱法从田间采集CH4和N2O气样。自水稻分蘖期至成熟期, 每周采样一次, 采样时间为8:00—11:00, 同时记录箱内温度。采样时将PVC静态箱底部置于事先固定于土壤的底座上, 盖箱后通过淹水层密封保证箱体气密性。抽气前接通采样箱顶内置小风扇电源20 s, 使采样箱内气体混合均匀, 分别于0、15、30 min用带有三通阀的注射器抽取气样, 将所采气样注入事先抽成真空的采样瓶(50 mL)中, 用气相色谱仪检测气样中CH4和N2O的浓度。

CH4和N2O排放通量计算公式[11]

式中, F为气体排放通量(mg m-2 h-1 );ρ为标准状态下气体密度, CH4和N2O气体密度分别为0.714 kg/m3和1.25 kg/m3H为采样箱气室高度(m), 箱高0.7 m, 8月20日加箱, 加箱后箱高1.3 m;T为采样时箱内平均温度(℃);为箱内目标气体浓度随时间变化的回归曲线斜率。

水稻各生育期CH4和N2O累积排放量计算公式:

式中, T为气体累积排放总量(mg/m2);FiFi+1分别为第i次和i+1次采样时气体平均排放通量(mg m-2 h-1);DiDi+1分别是第i次和i+1次采样时的采样时间(d)。

1.3 生物量测定

在水稻成熟期进行采样, 每小区随机选取有代表性的3株植株, 采集地上部, 同时将根系从土壤中挖出(注意根的完整性)并用自来水洗净。置入105℃烘箱内杀青20 min, 随后在70℃下烘干至恒重。

1.4 全球增温潜势估算

全球增温潜势(global warming potential, GWP)是用来评价各种温室气体对气候变化影响相对能力的一个参数。以百年尺度计, CH4和N2O气体的GWP分别是CO2的21倍和310倍[2]。因此, 稻田CH4和N2O排放的全球增温潜势计算方法, 是将全生育期的CH4和N2O累积排放量分别乘以21和310, 即为CH4和N2O累积排放量的CO2当量。稻田CH4和N2O排放的综合增温潜势是将CH4和N2O累积排放量的CO2当量相加得到。

1.5 数据处理与分析

试验数据用Excel 2010软件进行处理与绘图, 用SPSS 21.0统计分析软件进行统计分析。各处理平均数采用最小显著差数法(LSD法)进行多重比较, 得到处理间差异显著性。表中同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05), 相同字母表示处理间差异未达到显著水平。图中*表示达到0.05的显著水平, 未标明的表示未达到0.05显著水平。

2 结果与分析 2.1 UV-B辐射增强下施硅对水稻单株生物量的影响

表 1表明, 无论施硅与否, UV-B辐射增强降低了水稻地上部与地下部干物质积累。施硅条件下, UV-B辐射增强使地上部和地下部干重分别减少了1.47%和34.49%, 总干物量减少了11.12%。不施硅条件下, UV-B辐射增强使地上部和地下部干重分别减少了13.12%和53.31%, 总干物量减少了25.85%。无论施硅与否, UV-B辐射增强下水稻地下部干重降幅均大于自然光条件下水稻地下部干重降幅, 说明UV-B辐射增强对水稻根系影响更强烈。UV-B增强条件下, 施硅处理水稻地上部和地下部干重比不施硅处理分别增加61.30%和43.74%, 总干物量增加了55.74%。自然光条件下, 施硅处理水稻地上部和地下部干重比不施硅处理分别增加44.69%和26.11%, 总干物量增加了37.52%。可见, UV-B辐射增强明显降低水稻地上部与地下部干物质积累, 而施硅明显促进水稻地上部与地下部干物质积累, 有利于缓解UV-B辐射增强对水稻干物质积累的不利影响。

表 1 UV-B增强下施硅对水稻地上部和地下部干物质量的影响 Table1 Effects of silicate supply on shoot and root dry matter of rice under enhanced UV-B radiation (mean±SE)
处理
Treatment
地上部干重
Shoot dry weight/g
地下部干重
Root dry weight/g
全株干重
Whole plant dry weight/g
E+Si1 16.19±1.07a 6.69±2.03b 22.88±2.79b
E+Si0 10.04±2.43b 4.65±0.55c 14.69±3.96d
A+Si1 16.42±2.81a 8.99±3.07a 25.41±3.39a
A+Si0 11.35±1.24b 7.13±2.68b 18.48±2.96c
 A:自然光Ambient UV-B; E:UV-B增强Enhanced UV-B; Si0:对照Control; Si1:施硅Silicate supply; 同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)
2.2 UV-B辐射增强下施硅对CH4排放通量的影响

图 1看出, 不同处理下水稻CH4排放的季节性变化趋势基本一致, 均呈单峰型变化。在分蘖前期, CH4排放通量较低, 随后逐渐升高, 在移栽后第55天(分蘖期)达到峰值, 之后急剧降低, 到移栽76d(拔节孕穗期)后维持较低水平直到水稻成熟。在分蘖前期, 稻田土壤虽已淹水但可能因闭蓄氧存在, 土壤尚未形成厌氧环境, 水稻苗期植株生物量较低, CH4排放也较低。随淹水时间的延长, 极端厌氧环境形成, 水稻分蘖加快, 根系分泌物增加, 促进了产甲烷菌活动, CH4排放随之升高, 在移栽后第55天达到峰值。在移栽后第58天开始晒田, 水层落干改善了土壤供氧状况, CH4排放通量急剧下降, 这与甲烷产生需要极端厌氧条件相一致[12]。自水稻移栽后76d至成熟, CH4排放通量一直处于较低水平, 原因可能在于, 一是晒田改善了土壤通气性, 提高了土壤氧化还原电位, 覆水后闭蓄氧的存在抑制了CH4的产生;二是供试稻田质地粘重, 粘粒的物理保护减少了有机质分解, 粘质土壤中气体扩散作用较弱不利于甲烷扩散, 此外, 粘质土壤的缓冲性强, 有助于维持较高的氧化还原电位[13]

图 1 UV-B增强下施硅对稻田CH4排放通量季节性变化的影响 Fig. 1 Effect of silicate supply on seasonal variation of CH4 emission flux from paddy soil under enhanced UV-B radiation A:自然光Ambient UV-B; E:UV-B增强Enhanced UV-B; Si0:对照Control; Si1:施硅Silicate supply;*表示处理间差异显著(P<0.05)

在整个生育期内, 无论施硅与否, UV-B增强均使稻田CH4排放通量增加。水稻在移栽后的第27天至55天(分蘖期), 施硅条件下, UV-B增强处理的水稻CH4排放通量高于对照467.41%、510.31%、183.95%、30.77%和36.55%。不施硅条件下, UV-B增强处理的水稻CH4排放通量高于对照279.86%、212.67%、200.33%、72.08%和64.41%。无论UV-B辐射增强与否, 施硅均显著降低稻田CH4排放通量。在分蘖期, 施硅处理的水稻CH4排放通量均低于对照。自然光条件下, 施硅处理水稻CH4排放通量低于对照75.33%、65.88%、39.82%、9.91%和14.47%。UV-B辐射增强条件下, 施硅处理水稻CH4排放通量低于对照63.15%、33.41%、43.09%、31.53%和28.96%。上述结果说明, UV-B增强明显增加稻田CH4排放, 而施硅能明显减轻UV-B增强对稻田CH4排放的促进作用。

2.3 UV-B辐射增强下施硅对CH4累积排放量的影响

表 2表明, 在水稻4个生育期中, 分蘖期CH4累积排放量最高, 占总排放量的80%左右, 拔节孕穗期次之, 占总排放量的18%左右, 抽穗扬花期和灌浆成熟期最少, 仅各占总排放量的1%左右。施硅条件下, UV-B增强使稻田CH4累积排放量在分蘖期、拔节孕穗期、抽穗扬花期和灌浆成熟期分别增加了44.86%、18.71%、10.11%和4.23%, 全生育期CH4累积排放量增加了38.62%。不施硅条件下, UV-B增强使水稻CH4累积排放量在上述4个生育期分别增加了101.65%、63.12%、13.96%和3.94%, 全生育期的CH4累积排放量提高了89.43%。无论UV-B增强与否, 施硅能明显降低稻田CH4累积排放量。自然光条件下, 施硅处理的稻田CH4累积排放累积量在上述4个生育期分别低于对照10.68%、25.74%、37.74%和10.54%, 在全生育期低于对照48.32%。UV-B辐射增强下, 施硅处理的稻田CH4累积排放量在上述4个生育期分别低于对照35.83%、45.96%、39.84%和10.29%, 在全生育期低于对照38.41%。可见, UV-B增强可显著促进稻田CH4排放, 在分蘖期和拔节孕穗期处理间差异均达显著水平(P<0.05), 而施硅能显著降低稻田CH4排放, 除灌浆成熟期外各处理间差异均达显著水平(P<0.05)。上述结果说明, 在整个生育期内, 在UV-B增强条件下施硅对稻田CH4排放有明显的抑制作用。

表 2 UV-B增强下施硅对水稻不同生育期CH4累积排放量的影响 Table2 Effects of silicate supply on CH4 accumulated emission from paddy soil at different rice growth stages under enhanced UV-B radiation (mean±SE)
处理
Treatment
分蘖期
Tillering stage
拔节孕穗期
Jointing-booting stage
抽穗扬花期
Heading-flowering stage
灌浆成熟期
Grain filling-maturity stage
全生育期
Whole growth period
排放量
Emission/(mg/m2)
占比
Percent/%
排放量
Emission/(mg/m2)
占比
Percent/%
排放量
Emission/(mg/m2)
占比
Percent/%
排放量
Emission/(mg/m2)
占比
Percent/%
排放量
Emission/(mg/m2)
E+Si1 2255.98±23.61b 81.53 424.31±9.33c 15.33 38.54±7.95b 1.39 48.16±4.72a 1.74 2767.01±23.04b
E+Si0 3516.04±37.52a 79.57 785.24±7.19a 17.77 64.08±8.57a 1.45 53.68±1.67a 1.21 4419.06±37.40a
A+Si1 1557.35±25.34d 78.02 357.46±11.61d 17.91 35.01±4.40b 1.75 46.20±2.99a 2.32 1996.03±26.46d
A+Si0 1743.58±33.02c 74.74 481.36±17.22b 20.63 56.23±8.05a 2.41 51.65±13.75a 2.21 2332.83±51.20c
2.4 UV-B辐射增强下施硅对N2O排放通量的影响

图 2看出, 不同处理下稻田N2O排放的季节性变化趋势基本一致, 均呈现多峰变化。在水稻分蘖期N2O排放通量较低, 呈无规则变化, 移栽后第55天(分蘖期)开始逐渐升高, 第69天(拔节孕穗期)达第1个峰值, 随后降低, 在移栽后第90天(拔节孕穗期)降至最低, 之后在第97天(抽穗扬花期)达到第2个峰值, 随后急剧降低, 在移栽后第132天至139天(灌浆成熟期)N2O排放通量再次升高。在移栽后第58天开始晒田, 水层落干改善了土壤通气性, 促进了N2O的产生, N2O排放出现峰值。移栽后第73天晒田结束并灌溉覆水, N2O排放逐渐降低至最低值, 在第97天(抽穗扬花期)出现第2个峰值, 原因在于此时处于阴雨季节, 气温下降适于硝化及反硝化微生物活动有助于N2O产生排放。在生育后期, N2O排放通量开始升高, 原因在于临近收割时停止灌水, 土壤表面干涸, 破坏了淹水厌氧环境, 从而导致了N2O排放通量再次升高[14]

图 2 UV-B增强下施硅对稻田N2O排放通量季节性变化的影响 Fig. 2 Effect of silicate supply on seasonal variation of N2O emission flux from paddy soil under enhanced UV-B radiation

在整个生育期内, UV-B增强下水稻N2O排放通量增加。在移栽后第62天至83天(拔节孕穗期), 施硅条件下, UV-B增强处理的水稻N2O排放通量高于对照30.89%、53.35%、109.04%和137.48%;不施硅条件下, UV-B增强处理的水稻N2O排放通量高于对照83.01%、0.91%、171.51%和89.03%。在水稻移栽后第97天(抽穗扬花期), 施硅条件下, UV-B增强处理的水稻N2O排放通量高于对照102.92%;不施硅条件下, UV-B增强处理的水稻N2O排放通量高于对照151.31%。在水稻移栽后第132天至139天(灌浆成熟期), 施硅条件下, UV-B增强处理的水稻N2O排放通量高于对照165.79%、22.98%;不施硅条件下, UV-B增强处理的水稻N2O排放通量高于对照143.63%、93.99%。

施硅对稻田N2O排放通量的影响在各个生育期有所不同。在移栽后第62天至83天(拔节孕穗期), 施硅使稻田N2O排放通量增加。自然光条件下, 施硅处理的稻田N2O排放通量高于对照159.41%、11.15%、100.83%和59.17%;UV-B增强条件下, 施硅处理的稻田N2O排放通量高于对照85.55%、68.92%、54.62%和99.97%。在移栽后第97天(抽穗扬花期), 施硅使稻田N2O排放通量降低。自然光条件下, 施硅处理的稻田N2O排放通量低于对照19.45%;UV-B增强条件下, 施硅处理的稻田N2O排放通量低于对照35.01%。在水稻移栽后第132天至139天(灌浆成熟期), 施硅使稻田N2O排放通量增加。自然光条件下, 施硅处理的稻田N2O排放通量高于对照30.78%、126.81%;UV-B增强条件下, 施硅处理的稻田N2O排放通量高于对照42.68%、43.79%。上述结果说明, UV-B增强提高稻田N2O排放, 而施硅在水稻拔节孕穗期和灌浆成熟期促进稻田N2O排放, 在抽穗扬花期则降低稻田N2O排放。

2.5 UV-B辐射增强下施硅对N2O累积排放量的影响

表 3来看, 4个生育期中, 拔节孕穗期N2O累积排放量最高, 占总排放量的50%左右, 抽穗扬花期次之, 占总排放量的24%左右, 分蘖期占总排放量的15%左右, 灌浆成熟期最少, 仅占总排放量的11%左右。N2O累积排放量主要集中在拔节孕穗期, 可能原因是这一时期进行了晒田, 土壤通气性改善, 促进了稻田N2O产生和排放[14]

表 3 UV-B增强下施硅对水稻不同生育期N2O累积排放量的影响 Table3 Effects of silicate supply on N2O accumulated emission from paddy soil at different rice growth stages under enhanced UV-B radiation (mean±SE)
处理
Treatment
分蘖期
Tillering stage
拔节孕穗期
Jointing-booting stage
抽穗扬花期
Heading-flowering stage
灌浆成熟期
Grain filling-maturity stage
全生育期
Whole growth period
排放量
Emission/ (mg/m2)
占比
Percent/%
排放量
Emission/ (mg/m2)
占比
Percent/%
排放量
Emission /(mg/m2)
占比
Percent/%
排放量
Emission/(mg/m2)
占比
Percent/%
排放量
Emission/(mg/m2)
E+Si1 26.45±3.60ab 13.16 112.77±12.75a 56.11 38.17±4.90b 18.99 23.60±4.58a 11.74 200.99±6.13a
E+Si0 31.70±2.63a 18.12 67.10±3.20b 38.36 56.95±5.52a 32.56 19.17±2.98ab 10.96 174.92±13.62b
A+Si1 18.26±3.58b 14.00 70.96±6.76b 54.40 26.49±4.25c 20.31 14.74±6.54bc 11.30 130.45±19.79c
A+Si0 18.66±9.46b 18.53 47.38±2.77c 47.04 24.28±0.24c 24.11 10.39±1.56c 10.32 100.71±9.19d

在整个生育期内, 无论施硅与否, UV-B增强显著提高了稻田N2O的累积排放量。施硅条件下, 与对照(自然光)相比, UV-B增强使水稻N2O累积排放量在不同生育期分别增加了44.86%、58.91%、44.09%和60.08%, 全生育期N2O累积排放量增加了54.07%。不施硅条件下, 与对照(自然光)相比, UV-B增强使水稻N2O累积排放量在不同生育期分别增加了69.89%、41.62%、134.57%和84.46%, 全生育期的N2O累积排放量提高了73.69%。可见, UV-B增强促进了稻田N2O排放。施硅对不同生育期稻田N2O累积排放量的影响存在差异。在自然光条件下, 施硅处理的稻田N2O累积排放量在分蘖期低于对照2.15%, 在拔节孕穗期、抽穗扬花期和灌浆成熟期分别高于对照49.78%、9.11%、41.84%, 在全生育期内高于对照14.90%。UV-B增强下, 施硅处理的稻田N2O累积排放量在分蘖期和抽穗扬花期分别低于对照16.57%、32.97%, 在拔节孕穗期和灌浆成熟期分别高于对照68.06%、23.09%, 在全生育期内高于对照29.53%。在各生育期内, 施硅对稻田N2O影响是不同的, 但在整个生育期内, 施硅可促进稻田N2O排放。

2.6 UV-B辐射增强下施硅对水稻全生育期温室效应的影响

以百年时间尺度计算, CH4和N2O气体的全球增温潜势(GWPs)相当于CO2的21倍和310倍[2]表 4表明, UV-B增强显著增加稻田全球增温潜势, 无论施硅与否, UV-B增强下全球增温潜势与对照相比增加51.92%—83.31%。施硅可显著降低稻田全球增温潜势, 无论UV-B增强与否, 施硅与对照相比, GWPs减少1.19%—18.10%, 处理间差异均达显著水平。可见, UV-B增强显著提高CH4和N2O综合排放的全球增温趋势, 而施硅显著降低UV-B增强对全球温室效应的贡献。

表 4 UV-B增强下施硅对稻田CH4和N2O综合增温潜势影响 Table4 Effects of silicate supply on GWPs of CH4 and N2O from paddy soil under enhanced UV-B radiation (mean±SE)
处理
Treatment
CH4 N2O 总增温潜势
GWPs of CH4 andN2O /(kg/hm2)
GWPs/
(kg/hm2)
占比
Percent/%
GWPs/
(kg/hm2)
占比
Percent/%
E+Si1 581.07±4.83b 48.26 623.06±19.01a 51.74 1204.13±23.67b
E+Si0 928.01±7.85a 63.12 542.26±42.21b 36.88 1470.26±36.67a
A+Si1 419.17±5.56d 52.88 373.41±25.19c 47.12 792.57±30.06d
A+Si0 489.89±10.75c 61.07 312.19±28.47d 38.93 802.09±38.55c
 GWPs:全球增温潜势Global warming potentials
3 讨论与结论

植株生物量反映外界环境因子对植株生长影响。本研究表明, UV-B辐射增强导致水稻地上部和地下部生物量降低, 抑制水稻生长发育(表 1)。原因在于UV-B辐射会损害光合系统Ⅱ, 使其活性降低, 抑制水稻光合作用, 从而影响水稻生长发育。此外, UV-B辐射会抑制水稻内源物质的合成, 不利于地上部和根系生长发育[15]。施硅使水稻地上部和地下部生物量增加, 促进水稻生长发育, 减轻UV-B辐射增强的不利影响。一方面施硅有利于水稻形成“角质双硅层”, 使水稻茎秆粗壮, 叶片增厚, 从形态上抵御UV-B辐射的伤害;另一方面施硅可调节水稻体内的酚类代谢, 促进叶片酚类物质的合成以吸收UV-B辐射, 进而增强其抵御UV-B辐射的能力[16]。因此, 施硅可有效缓解UV-B辐射对水稻生长的抑制作用。

UV-B辐射增强增加水稻CH4排放通量及累积排放量, 促进稻田CH4排放(图 1, 表 2), 这与前人的研究结果一致[7, 17]。也有研究表明, UV-B辐射增强对稻田CH4排放无显著影响[18], 原因可能是稻田CH4排放受土壤理化性质、水肥管理措施、耕作措施等因素影响[19-21], 因此, 试验条件的差异性可能带来不同的试验结果, 需要进一步研究。施硅明显减弱UV-B辐射增强对稻田CH4排放的促进作用, 降低稻田CH4排放通量及累积排放量, 这与孟艳等人的研究结果一致[22]。施硅促进了水稻植株地上部和根系生长(表 1), 改善通气组织和根系氧化能力, 增加根际氧气供应量, 抑制产甲烷菌活性, 从而减少CH4排放[23]。本试验所施硅肥为硅酸钠, 施入酸性土壤短期内会使pH升高, 而后趋于中性, 大多数产甲烷菌活性以中性和偏碱性环境较佳[24-25], pH升高可能促进产甲烷菌活性。因此, 施硅引起的稻田土壤pH升高是否影响甲烷产生还需进一步研究。

UV-B辐射增强显著提高稻田N2O排放通量及累积排放量(图 2, 表 3)。水稻N2O排放主要来源于土壤硝化-反硝化微生物过程[26], UV-B辐射增强显著增加了水稻根际土壤有效氮和土壤微生物碳、氮的量, 提高碳氮比[27], 为硝化-反硝化反应提供底物和能量, 从而促进水稻N2O排放。有研究表明, 在拔节至抽穗期, UV-B辐射增强对冬小麦N2O排放通量没有显著影响[28]。UV-B辐射增强显著降低了大豆的生物量, 影响植株的氮代谢, 最终导致农田N2O排放量降低[9]。也有研究表明, UV-B辐射增强20%对稻田N2O排放通量无显著影响[18]。还有研究表明, 不同种类作物对UV-B辐射的敏感性不同, 且同类作物的不同品种对UV-B辐射的敏感性也不相同[29-31]。另外, 水肥管理的差异对N2O排放也有着重要的影响[32-33]。这些不同的研究结果可能是由于作物类型、土壤理化性质和水肥管理措施等因素不同造成的。从稻田N2O排放季节性变化及不同生育期累积排放量来看, 施硅促进了水稻N2O排放, 其原因可能在于, 施硅促进了水稻通气组织刚性, 提高了植株输氧能力和根系氧化力, 施硅还可激活水稻根际过氧化物酶, 引起土壤氧化还原电位(Eh)升高, 促进了硝化作用[24]。稻田N2O和CH4排放存在一定的消长关系[34]。本研究也证明了这一点, 施硅减少了稻田CH4排放, 却促进了N2O排放。

UV-B辐射增强显著提高水稻CH4和N2O排放通量和累积排放量, 施硅可减少稻田CH4排放, 但可促进稻田N2O排放。因此, 可借用全球增温潜势(GWPs)来探究施硅是否能减轻稻田CH4和N2O排放的综合温室效应。结果表明, UV-B增强显著增加了稻田CH4和N2O排放的综合增温潜势, 而施硅则明显减轻了UV-B增强对全球增温潜势的贡献(表 4)。未来将继续进行相关研究, 以进一步探究不同硅肥类型、施硅量、施硅方法对UV-B辐射下稻田CH4和N2O排放及温室效应的影响。

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