2020, Vol. 40文章信息
- 刘燕, 娄运生, 杨蕙琳, 周东雪
- LIU Yan, LOU Yunsheng, YANG Huilin, ZHOU Dongxue
- 施硅对增温稻田CH4和N2O排放的影响
- Effects of silicate supply on the emissions of methane and nitrous oxide in paddy field under nighttime warming
- 生态学报. 2020, 40(18): 6621-6631
- Acta Ecologica Sinica. 2020, 40(18): 6621-6631
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201907151495
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文章历史
- 收稿日期: 2019-07-15
- 网络出版日期: 2020-07-11
2. 南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室, 南京 210044
2. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
气候变暖是气候变化的主要特征之一。IPCC第五次评估报告显示, 1880—2012年全球地表平均温度升高了0.85℃, 1951—2012年全球平均地表温度的升温速率(0.12℃/10a)几乎是1880年以来升温速率的两倍, 未来仍将持续变暖[1]。在气温上升的同时, 其增幅还呈现明显的季节和昼夜不对称性, 即冬春季增幅显著高于夏秋季, 夜间增幅显著高于白天[2]。大气中温室气体浓度的持续增长是引起全球气候变暖的主要原因[3-5]。甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是两种主要温室气体, 稻田是CH4和N2O的重要排放源[6-8]。据估算, 稻田CH4排放约占全球CH4总排放的17%[9], 稻田N2O排放约占农田N2O总排放的10%[10]。我国是水稻种植大国, 种植面积占全球的20%, 总产量占全球30% [4]。因此, 在稳定粮食生产的情况下, 减少稻田温室气体排放已成为水稻生产应对气候变化的研究热点。
夜间增温对水稻生产及CH4和N2O的排放的影响日益受到人们关注。夜间增温导致热带、亚热带地区水稻分蘖数减少, 生育期缩短, 叶片衰老加快, 净光合速率下降, 有效穗数和穗粒数减少, 导致籽粒产量下降[11-13]。温度不仅影响CH4产生及其向大气的传输效率, 还影响产甲烷菌的数量和活性。培养试验发现, 在25—35℃内CH4产生量随温度升高而增加。温度升高有利于有机物分解, 提高产甲烷菌活性, 促进CH4产生排放[14]。田间模拟试验表明, 温度升高显著增加稻田土层CH4和N2O浓度, 提高稻田CH4和N2O排放通量和累计排放量[15-17]。硅是植物生长有益元素, 施硅可促进水稻植株生长, 提高产量, 增强对重金属毒害、高温、病虫害等逆境胁迫的抗性[18-20]。同时, 施硅可显著减少稻田CH4的排放[21-22], 但对N2O排放影响研究结果不一[23-24]。培养试验发现, 施用钢渣硅肥可抑制稻田N2O产生[22], 也有发现可促进N2O排放[25], 也有认为对N2O排放没有影响[24, 26]。
有关增温或施硅单因子对水稻生产及稻田土壤CH4、N2O排放影响的已有报道, 但二者耦合对水稻生产、增温潜势及温室气体强度的影响, 目前尚不清楚。而且, 以往的报道大多基于盆栽或培养试验, 不能代表大田试验的情况, 在盆栽或培养试验基础上开展大田试验是必要的。因此, 通过田间模拟试验阐明施硅能否缓解夜间增温对水稻生产的不利影响, 实现环境和经济效益的统一, 以提高水稻生产应对和适应气候变化的能力有积极意义。
1 材料与方法 1.1 试验区概况田间模拟试验于2018年6月到2018年11月在南京信息工程大学农业气象试验站(32.0°N, 118.8°E)进行。该站地处亚热带湿润气候区, 年均降水量为1100 mm, 年均气温为15.6℃。供试水稻品种为超级稻南粳9108。供试土壤为潴育型水稻土, 灰马肝土属, 质地为壤质粘土, 有机碳、全氮的含量分别为19.4、1.45 g/kg, 粘粒含量为26.1%, pH为6.2(土水比1 : 1)。供试氮磷钾肥料为高浓度复合肥(15-15-15)。供试硅肥为钢渣硅肥, 含有效硅(SiO2)为13.8%, 含铁16.4%(总铁, Fe), 含锰2.8%(MnO), 含磷(P2O5)2.1%。
1.2 试验设计采用两因素2水平随机区组试验设计, 夜间增温设2水平, 即常温对照(CK)和夜间增温(NW)；施硅量设2水平, 即不施硅(Si0, 0 kgSiO2/hm2)和施硅(Si1, 200 kgSiO2/hm2)。试验共设4个处理, 即常温对照+不施硅(CK+Si0)、增温+不施硅(NW+Si0)、增温+施硅(NW+Si1)及常温对照+施硅(CK+Si1)。夜间增温处理从水稻分蘖期开始, 在小区四周搭设不锈钢管支架, 将铝箔反光膜固定于支架顶端, 夜间(19：00—6：00)用铝箔反光膜覆盖水稻冠层, 白天将铝箔反光膜揭开。随水稻生长发育进程, 及时调整不锈钢管支架, 使铝箔反光膜与水稻冠层保持0.3 m左右。每处理重复3次。小区面积为2 m×2 m。
水稻种子经消毒、浸种, 在35℃培养箱中催芽, 于2018年5月10日育苗, 6月9日移栽, 株行距为20 cm×20 cm。试验田经耕作、整地, 幼苗移栽前1d施肥, 每小区施入复合肥料(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)施钢渣硅肥818 g, 相当于施硅量为200 kg/hm2。为减少肥料损失, 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, 氮磷钾复合肥和硅肥均作为基肥一次性施入。水稻生长期保持水层厚度5 cm, 根据水层变化及降雨情况进行合理灌溉。7月27日至8月10日晒田, 而后灌溉复水, 9月22日停止灌溉直到收获。大田常规管理, 病虫害防治依据田间实际情况进行。
1.3 测定方法 1.3.1 根系活力在水稻分蘖期(1—43 d)、拔节期(44—63 d)、抽穗-扬花期(64—76 d)及灌浆-成熟期(77—142 d), 分别采集预先移植于尼龙根袋(300目)中的植株, 连同根袋将完整植株从稻田土壤中拔出, 用剪刀剪开尼龙根袋, 先用自来水而后用去离子水, 将待测水稻根系冲洗干净, 用吸水纸吸干水分。而后, 称取0.5 g根系鲜样, 放入25mL三角瓶中, 加入5mL的0.4% TTC和5mL 0.1mol/L的磷酸缓冲液(pH=7.0)混合均匀, 放入水浴锅(37℃暗保温)浸泡3 h至红色, 之后加入1mol/L硫酸2mL终止反应。擦干水分后, 加入3—5mL的乙酸乙酯和少量石英砂研磨, 补充乙酸乙酯定容至10mL, 用分光光度计于485nm处比色, 记录吸光度值, 查标准曲线, 求出TTC的还原量。
根系活力计算公式如下：
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(1) |
式中, C为四氮唑还原量(μg)；m为根质量(g)；t为保温时间(h)；根系活力单位为mg/(g·h)。
1.3.2 生物量及产量在水稻成熟期采样测定生物量, 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, 用自来水洗净。将根、茎、叶、穗分别放入牛皮纸袋中, 置入105℃烘箱内, 杀青20 min, 而后在70℃下烘干至恒重并称量。在水稻成熟收获期, 每小区中部选取0.5 m×0.5 m的长势均一的稻株采集稻穗, 用常规方法进行脱粒、风干、称重, 计算单位产量。
1.3.3 气体采集、分析与计算用静态箱-气相色谱法测定稻田土壤CH4和N2O的排放通量。水稻移栽后幼苗植株较小, 采样会干扰幼苗生长, 因而在移栽4周左右开始采样[14, 23]。每周采样1次, 时间为上午8：00—11：00。幼苗移栽前将采样箱底座固定于小区中间土壤内, 而后将长势一致的一丛幼苗(2株)移入底座内。采样时, 将圆柱状PVC静态箱(H × D=130 cm × 17cm)下端置于预先固定于土壤中的底座上, 通过水层密封保证箱体的气密性。密封后, 接通电源驱动固定于静态箱顶部的小风扇转动15s以混匀箱内气体, 而后分别于封箱后0、15、30 min用带有三通阀的PVC注射器采集箱内气体, 采集的气样转入预先抽成真空的玻璃采样瓶中, 带回实验室, 用气相色谱仪(Agilent 7890B)测定气样中CH4和N2O浓度。色谱测定条件为：FID检测器温度200℃, 柱箱温度50℃, 载气N2(流量校正不会影响尾吹气或燃气流量), 空气和H2流量分别为400 mL/min和45 mL/min；测定一个气样需要4.5 min, 至3.8 min时注入下一管待测样品。在气样采集的同时, 记录静态箱内气温。
CH4和N2O的排放通量计算如下：
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(2) |
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(kg/m3), H为采样箱的高度, T为采样箱内的温度(℃), dc/dt为采样箱内气体随时间的变化率。
水稻各生育期累计排放量根据公式(3)计算：
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(3) |
式中, Q为水稻生育期累计排放量(mg/m2), Fi+1、Fi分别为第i+1次和i次采样时气体平均排放通量(mg m-2 h-1), Di+1和Di分别时第i+1次和i次的采样时间(d)。
全球增温潜势的计算, 以CO2作为参考气体(CO2的GWP值为1), 以百年尺度计算, CH4和N2O的GWP值分别是CO2的28倍和265倍[1], 其综合增温潜势的计算如公式(4)所示：
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(4) |
式中, SGWP为CH4和N2O的综合增温潜势(CO2 kg/hm2), TC和TN分别为CH4和N2O的累计排放量(mg/m2)。
CH4和N2O的排放强度(即产量尺度下的全球增温潜势)计算如公式(5)所示：
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(5) |
式中, GHGI为气体排放强度(CO2 kg/t), SGWP为气体综合增温潜势(CO2 kg/hm2), p为水稻产量(t/hm2)。
1.4 数据处理与分析试验数据用Microsoft Excel 2016进行整理, 以平均值±标准差表示, 用统计软件(SPSS 21.0)进行方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(Duncan法)。
2 结果与分析 2.1 夜间增温下施硅对水稻生长及产量的影响由图 1可知, 随水稻生长进程, 植株根系活力呈现逐渐降低趋势, 即：分蘖期>拔节期>抽穗期>灌浆-成熟期。在分蘖期, 无论施硅与否, 夜间增温对水稻根系活力均无显著影响；但无论是否进行夜间增温, 施硅均能显著促进根系活力；在常温对照下, 施硅的水稻植株根系活力比不施硅升高31.25%, 在夜间增温下, 施硅的根系活力比不施硅升高39.47%。在拔节期, 无论是否进行夜间增温, 施硅对水稻根系活力均无显著影响。在不施硅情况下, 夜间增温显著降低水稻的根系活力, 比常温对照降低40.51%；但施硅情况下, 夜间增温对根系活力无显著影响。在抽穗期, 各处理间水稻根系活力均无显著差异, 数值也较低(0.18—0.22 mg g-1 h-1)。在灌浆-成熟期, 夜间增温引起水稻根系活力下降, 但未达显著水平(P>0.05), 而施硅可显著提高根系活力, 比不施硅升高149.10%, 在夜间增温情况下, 施硅处理水稻根系活力比不施硅升高70.40%。可见, 在水稻拔节期和灌浆-成熟期, 施硅能有效缓解夜间增温对水稻根系活力的抑制作用。
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| 图 1 夜间增温下施硅对水稻根系活力的影响 Fig. 1 Effect of silicate application on rice root activity under nighttime warming CK：常温对照normal temperature control; NW：夜间增温nighttime warming; Si0：不施硅no silicate application; Si1：施硅silicate application; 同一生育期间不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05) |
施硅可提高水稻地下部干重、地上部干重和全株干重(表 1)。常温对照下施硅水稻上述干重指标依次比不施硅提高134.05%、13.87%和19.92%；夜间增温下施硅水稻上述干重指标比不施硅提高38.35%、64.19%和60.61%。
| 处理 Treatment |
地下部干重 Root dry weight/g |
地上部干重 Shoot dry weight/g |
全株干重 Total plant dry weight/g |
产量 Rice yield/(t/hm2) |
| CK+Si0 | 3.32±0.97b | 25.93±6.09ab | 29.25±5.93ab | 10.89±1.74a |
| NW+Si0 | 3.04±1.06b | 18.95±5.24b | 21.99±6.15b | 10.43±1.56a |
| NW+Si1 | 4.21±1.49b | 31.11±5.93a | 35.32±5.05a | 11.17±1.64a |
| CK+Si1 | 7.76±2.46a | 29.53±2.22a | 35.07±6.78a | 12.48±0.46a |
| 同一列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05);CK：常温对照normal temperature control; NW：夜间增温nighttime warming; Si0：不施硅no silicate application; Si1：施硅silicate application | ||||
夜间增温引起水稻地下部干重下降(表 1)。在不施硅情况时, 夜间增温处理的水稻植株地下部、地上部干重及全株干重比常温对照分别降低8.23%、26.94%和24.81%；在施硅情况下, 夜间增温处理的水稻地下部干重比常温对照降低45.75%。
夜间增温导致水稻产量下降, 而施硅可提高水稻产量, 但处理间差异未达显著水平。可见, 施硅可有效缓解夜间增温对水稻干物质积累和产量的抑制作用。
2.2 夜间增温下施硅对稻田CH4和N2O排放通量的影响由图 2可看出, 不同处理的稻田土壤CH4排放通量变化趋势基本一致, 即：在分蘖期(1—43 d)呈稳步上升趋势, 在第43 d(分蘖末期或拔节初期)CH4排放通量达峰值；而后从拔节期(44—63 d)开始, 呈逐渐下降趋势；移栽后第49 d至第64 d为晒田阶段, 晒田开始后, CH4排放通量急剧下降直到晒田结束；灌溉覆水后, CH4排放通量逐渐升高, 在抽穗-灌浆期(64—114 d), 呈小幅度波动, 在第77 d和106 d时出现两次的排放峰值；在成熟期(115—142 d)停止灌水后, CH4排放通量接近0值。
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| 图 2 夜间增温下施硅对稻田CH4排放通量的影响 Fig. 2 Effect of silicate application on CH4 emission flux in paddy field under nighttime warming *表示处理间差异显著(P＜0.05) |
四种处理的CH4排放通量高低顺序依次是：NW+Si0>CK+Si0>NW+Si1>CK+Si1。无论夜间增温与否, 施硅均降低CH4排放。在常温对照条件下, 施硅稻田平均CH4排放通量在分蘖期、拔节期、抽穗期和灌浆-成熟期分别比不施硅低27.85%、52.86%、60.41%和10.79%；在夜间增温条件下, 施硅稻田的CH4排放通量在上述生育期比不施硅分别低41.87%、47.28%、57.15%和37.08%。
无论施硅与否, 夜间增温均提高CH4排放通量。在不施硅情况下, 夜间增温处理稻田的方法CH4排放通量比常温对照在上述生育期分别升高36.36%、46.48%、22.40%和123.80%。而在施硅条件下, 上述生育期夜间增温处理比常温对照处理的CH4排放通量分别升高9.87%、63.83%、32.49%和57.85%。可见, 施硅可抑制CH4排放通量, 而夜间增温则促进CH4排放通量, 施硅能缓解夜间增温对CH4排放通量的促进作用。
由图 3可知, 四种处理的N2O排放通量的变化趋势相似。在水稻分蘖期(1—43 d), N2O的排放较低；晒田后, N2O排放通量急速上升, 在第63 d, 四种处理的N2O排放通量均达到峰值；晒田结束覆水后, N2O排放通量迅速下降, 之后在抽穗-灌浆期(64—114 d)呈波动变化, 除对照在第72天和第92天出现接近0的负值之外, 其他处理的变化幅度均在0—0.15 mg m-2 h-1之间；停止灌水后, N2O排放通量开始有所波动回升, 但数值要远低于晒田期间, 约在0.1—0.2 mg m-2 h-1间波动。
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| 图 3 夜间增温下施硅对稻田N2O排放通量的影响 Fig. 3 Effect of silicate application on N2O emission flux in paddy field under nighttime warming |
从整个生育期来看, 与对照相比, 其他三种处理均能促进N2O的排放。在分蘖期, 增温、增温+施硅及施硅处理的N2O排放通量分别比对照增加50.79%、32.98%和102.04%；在拔节期, 这三种处理分别比对照升高100. 33%、46. 82%和39. 49%；在灌浆成熟期, 三种处理分别比对照升高9.98%、24.96%和21.20%。从全生育期N2O平均排放通量来看, 夜间增温处理的稻田对N2O排放通量的促进最高, 比对照高出59.31%, 夜间增温+施硅处理的次之, 比对照高出39.64%；只进行施硅处理相比对照高出39.41%。可见, 施硅和夜间增温均促进N2O的排放, 两者耦合也促进N2O的排放, 三种处理对N2O的促进程度依次是NW+Si0> NW+Si1>CK+Si1。
2.3 夜间增温下施硅对稻田CH4和N2O各生育期累计排放量的影响由表 2可看出, 在水稻四个生育期中, 不同处理的CH4累计排放量均在分蘖期最高, 约占全生育期排放量的50%左右；其次是拔节孕穗期和灌浆成熟期, 约占20%—30%；抽穗-扬花期最低, 只占整个生育期排放量的1%—2%。无论施硅与否, 夜间增温下CH4的累计排放量均较高。在不施硅条件下, 夜间增温处理的CH4累计排放量, 在分蘖期、拔节期、抽穗-扬花期和灌浆成熟期及全生育期, 分别比对照增加47.07%、48.41%、53.66%、120.75%和59.71%, 各处理与对照间差异均达显著水平；在施硅条件下, 夜间增温处理的CH4累计排放量在上述生育期及全生育期, 分别比对照处理升高6.40%、95.79%、60.82%、55.91%和36.51%, 除分蘖期外, 各处理与对照间差异均达显著水平(P < 0.05)。
| 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P ercent/% |
排放量 Emission/(mg/m2) |
|||||
| CK+Si0 | 1715.71±110.84b | 48.49 | 1169.31±56.02b | 33.05 | 73.84±3.37b | 2.09 | 579.24±12.51c | 16.37 | 3538.09±168.73b | ||||
| NW+Si0 | 2523.33±43.85a | 44.65 | 1735.38±34.85a | 30.71 | 113.4±10.63a | 2.01 | 1278.68±166.58a | 22.63 | 5650.86±156.45a | ||||
| NW+Si1 | 1309.18±58.23c | 43.45 | 882.30±4.62c | 29.28 | 43.58±1.50c | 1.45 | 778.35±45.24b | 25.83 | 3013.41±99.19c | ||||
| CK+Si1 | 1230.48±92.90c | 55.74 | 450.63±2.84d | 20.41 | 27.10±1.06d | 1.23 | 499.22±14.25c | 22.62 | 2207.43±80.37d | ||||
| 同一列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05) | |||||||||||||
无论增温与否, 施硅均降低CH4的累计排放量。在常温对照条件下, 施硅处理的CH4累计排放量在上述生育期及全生育期, 分别比对照降低28.28%、61.46%、63.30%、13.81%和37.61%, 除灌浆-成熟期外, 各处理与对照间差异均达显著水平(P < 0.05)；在夜间增温条件下, 施硅处理的CH4累计排放量在上述生育期, 分别比不施硅处理的降低48.12%、49.16%、61.59%和39.13%, 全生育期的CH4累计排放量比不施硅的降低46.67%, 差异均达显著水平。可见, 夜间增温提高CH4累计排放量, 施硅则降低CH4累计排放量, 施硅可缓解夜间增温对CH4排放的促进作用。
由表 3可看出, 在水稻四个生育期, 各处理均在灌浆-成熟期N2O排放量最高, 占全生育期的35%—50%, 拔节-孕穗期和抽穗-扬花期次之, 约占20%—30%, 分蘖期最低, 仅全生育期的5%—15%。夜间增温或施硅均能促进稻田N2O在各生育期的累计排放量, 只施硅的稻田N2O累计排放量, 在上述生育期及全生育期分别比对照升高237.25%、50.73%、37.50%、29.80%和48.44%, 且与对照间差异均达显著水平；只进行夜间增温处理的N2O累计排放量, 分别比对照高121.64%、93.43%、118.28%、12.81%和60.97%, 除灌浆-成熟期外, 各处理与对照间差异均达显著水平。夜间增温下施硅促进稻田N2O累计排放量, 在上述生育期和全生育期分别比对照升高78.17%、51.45%、52.01%、26.14%和40.70%, 且除分蘖期外, 均和对照间达显著差异。可见, 施硅或夜间增温均提高N2O累计排放量, 夜间增温下施硅可增加稻田N2O累计排放量。从全生育期来看, 三种处理对稻田N2O累计排放量的促进程度, 依次为NW+Si0>CK+Si1>NW+Si1>CK+Si0。
| 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) |
|||||
| CK+Si0 | 11.71±2.40c | 5.87 | 45.41±2.17c | 22.76 | 44.29±2.72c | 22.20 | 98.08±5.98c | 49.16 | 199.49±9.84c | ||||
| NW+Si0 | 25.95±7.89b | 8.08 | 87.84±10.13a | 27.35 | 96.68±13.09a | 30.11 | 110.64±3.08bc | 34.46 | 321.11±25.89a | ||||
| NW+Si1 | 20.86±3.21bc | 7.43 | 68.77±1.69b | 24.50 | 67.33±4.22b | 23.99 | 123.71±11.67ab | 44.08 | 280.67±18.05b | ||||
| CK+Si1 | 39.48±8.85a | 13.33 | 68.44±11.85b | 23.11 | 60.90±8.05b | 20.57 | 127.30±9.48a | 42.99 | 296.13±22.82ab | ||||
| 同一列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05) | |||||||||||||
从表 4看出, 常温对照(CK+Si0), 只进行夜间增温(NW+Si0)和夜间增温下施硅(NW+Si1)处理的稻田CH4的增温潜势和排放强度占比较高, 约占53%—65%, 而只进行施硅处理(CK+Si1)的稻田, N2O则占比较高, 为55.94%。无论增温与否, 施硅均显著降低CH4的增温潜势和排放强度。常温对照条件下, 施硅处理(Si1)稻田CH4增温潜势和排放强度比不施硅(Si0)低37.61%和45.56%；夜间增温条件下, Si1处理的CH4增温潜势和排放强度比Si0处理的低46.67%和50.22%。无论施硅与否, 夜间增温均显著提高CH4的增温潜势和排放强度。在Si0条件下, NW处理的稻田增温潜势和排放强度比常温对照(CK)高59.71%和66.83%；在Si1条件下, NW处理的增温潜势和排放强度比常温对照(CK)的高36.51%和52.55%。
| 处理 Treatment |
全球增温潜势 GWP/(kg CO2 eq/hm2) |
温室气体排放强度 GHGI/(kg CO2 eq/t) |
占比Percent/% | ||||||
| CH4 | N2O | 合计Total | CH4 | N2O | 合计Total | CH4 | N2O | ||
| CK+Si0 | 990.67±47.24b | 528.64±26.08 c | 1519.31±26.80bc | 90.96±4.34b | 48.54±2.39c | 139.50±2.46b | 65.21 | 34.79 | |
| NW+Si0 | 1582.24±43.81a | 850.93±68.61a | 2433.17±59.41a | 151.74±4.20a | 81.61±6.58a | 233.35±5.70a | 65.03 | 34.97 | |
| NW+Si1 | 843.75±27.77c | 743.78±47.82b | 1587.53±75.12b | 75.53±2.49c | 66.58±4.28b | 142.12±6.73b | 53.15 | 46.85 | |
| CK+Si1 | 618.08±22.50d | 784.74±60.48ab | 1402.82±48.50c | 49.52±1.80d | 62.87±4.84b | 112.38±3.89c | 44.06 | 55.94 | |
| 同一列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05); GWP：全球增温潜势Global warming potential；GHGI：温室气体排放强度Greenhouse gas intensity | |||||||||
与不施硅常温对照处理相比(CK+Si0), 其他三种处理均显著促进N2O的增温潜势和排放强度。Si1处理稻田增温潜势和排放强度, 分别比Si0处理高60.97%和68.13%, 而NW处理的增温潜势和排放强度, 分别比常温对照高48.44%和29.52%；夜间增温下施硅处理(NW+Si1)的增温潜势和排放强度, 比不施硅常温对照(CK+Si0)高40.70%和37.18%。
总体上, 夜间增温可显著促进CH4和N2O的综合增温潜势和排放强度, 施硅可降低CH4和N2O的综合增温潜势和排放强度, 施硅可有效缓解夜间增温对CH4和N2O综合增温潜势和排放强度的促进作用。
3 讨论 3.1 夜间增温下施硅对稻田CH4和N2O排放的影响CH4排放主要受土壤中产甲烷菌和甲烷氧化菌的影响[27]。稻田CH4产生必须在严格厌氧环境下进行[28], 但CH4氧化在有氧和厌氧环境下均可进行, 其中有氧氧化较强, 厌氧氧化较弱[29]。有氧氧化主要是植株通气组织传输大气氧进入根际环境氧化甲烷[30], 厌氧氧化则是在氧气缺乏的条件下, 以NO3-、Mn4+、Fe3+和SO42-作为主要电子受体, 对电子供体甲烷进行氧化[31]。当稻田处于淹水厌氧环境时, 有利于产CH4菌活动[32], 而排水晒田引起土壤含氧量增加, 氧化还原电位(Eh)升高, 产CH4菌活性受抑制, 甲烷氧化菌活性增强, 导致CH4排放明显降低(图 2)。夜间增温明显促进稻田CH4排放(图 2、表 2), 原因在于：(1)夜间增温降低水稻根系活力(图 1), 使根际土壤甲烷氧化减弱, 温度升高使较多根系分泌物释放到土壤中, 为产CH4菌提供较多可利用性碳源[33], 从而促进CH4排放；(2)稻田CH4排放量与水稻生物量成反比[34], 夜间增温降低水稻地下部生物量和产量(表 1), 降低植株对碳的固定, 为CH4产生提供较多碳源。施硅抑制CH4排放, 原因可能在于：(1)CH4氧化菌生长的最适pH值为6.6—6.8, 供试稻田土壤pH为6.2, 施入的钢渣硅肥为碱性肥料, 引起土壤pH升高趋于中性, 有助于甲烷氧化[35]；且施硅提高了土壤盐度, 盐度的增加会抑制产CH4菌的活性, 从而抑制CH4的产生[36]；(2)钢渣硅肥中含铁、锰等元素, 铁锰在淹水环境下作为电子受体, 促进甲烷厌氧氧化, 从而降低CH4排放[37]；(3)施硅可促进水稻根系生长, 提高根系活力(表 1、图 1), 改善根系通气性和氧化力, 提高根际甲烷氧化菌活性, 促进CH4氧化, 从而抑制CH4排放[38-39]。
田间土壤含水量是影响N2O排放的主要因素。稻田处于淹水条件下, N2O排放相对较低, 与厌氧环境有利于NO3-完全脱氮形成氮气(N2)有关[40-41]；而稻田排水晒田期间, 土壤通气良好, 土壤中NH4+-N和NO3--N含量较高, 有利于N2O产生和排放[42]。因此, N2O的排放峰值主要在晒田期间, 淹水条件下N2O排放量较低, 接近于0(图 3)。本试验N2O累计排放量高于一般稻田, 原因可能在于：(1)本试验采用淹水-中期晒田-淹水的水分管理方式, 干湿交替改善根系活性, 促进有机碳分解转化, 为土壤硝化反硝化微生物提供较多有效碳氮[43], 从而促进N2O产生排放；(2)本试验田间观测采样时间较长, 水稻进入成熟期, 停止灌水后继续观测4周才收获, 停止灌水有利于N2O排放, 因此, 观测时间延长增加N2O累计排放量。稻田N2O主要来自于土壤微生物硝化和反硝化过程[44]。夜间增温可显著促进N2O排放(表 3), 原因在于：(1)稻田N2O排放与气温、土温呈正相关[45], 温度升高有利于土壤微生物活动, 促进硝化和反硝化作用, 从而增加N2O产生排放；(2)夜间增温降低水稻生物量和产量(表 1), 生物量和产量下降, 植株吸收氮素减少, 土壤残留氮素较多[46], 为N2O产生提供了较多氮源。施硅可明显促进稻田N2O排放, 原因可能在于：(1)施硅可促进植株地上部和地下部干物质量形成(表 1), 为硝化和反硝化微生物提供丰富的含碳有机物, 同时含碳有机物分解不仅可提供电子, 还消耗氧气, 促进厌氧环境的形成, 进一步促进反硝化作用, 从而促进N2O排放[47]；(2)水稻植株对N2O排放起重要作用[48], 淹水条件下, 稻田排放的N2O有80%以上是通过水稻植株排放进入大气的[49], 而施硅可提高水稻根系活力, 从而提高水稻植株输送N2O能力(图 1)。
3.2 夜间增温下施硅对稻田CH4和N2O增温潜势和排放强度的影响本研究结果表明, 夜间增温下施硅稻田CH4和N2O对增温潜势和排放强度的贡献基本相当, 各占50%左右(表 4), 原因可能在于, 虽然CH4的累计排放量要远大于N2O, 但单位质量的N2O所产生的温室效应却是CH4的20倍。农田生态系统净GHGI的大小与土壤固碳量、作物产量、农田向大气释放CH4和N2O量有直接的关系[50]。夜间增温可显著促进CH4和N2O的增温潜势和排放强度, 原因可能在于：(1)夜间增温能直接促进CH4和N2O的排放量, 从而促进增温潜势和排放强度；(2)GHGI是指单位产量的GWP, 夜间增温降低了水稻产量, 减少了土壤固碳量, 从而提高CH4和N2O的排放强度。施硅可显著降低CH4的增温潜势和排放强度, 却增加N2O的增温潜势和排放强度(表 4), 原因可能在于：施硅虽然可提高水稻产量, 但处理间差异并不显著, 因而CH4和N2O的增温潜势和排放强度受CH4和N2O排放量的影响更大, 施硅对CH4排放的抑制和对N2O排放的促进作用, 直接反映到其增温潜势和排放强度上。但是, 前人研究发现, 施入铁炉渣、钢渣硅钙肥对CH4和N2O的增温潜势均起降低作用[51], 原因可能在于：(1)本试验施入的钢渣硅肥含有效硅(SiO2)13.8%, 而后者施入的铁炉渣和钢渣硅钙肥中有效硅(SiO2)含量分别是40.7%和27.72%, 且富含钙、磷、钾等营养物质；(2)稻田土壤的速效钙、速效硅会提高CH4的氧化量[37], 但对不同途径N2O通量的影响并不一致, 对扩散途径的N2O通量表现为抑制作用, 对气泡与植物体途径的N2O通量表现为促进作用[52]。
从稻田综合增温潜势和排放强度来看, 施硅有效缓解夜间增温对稻田CH4和N2O综合增温潜势和排放强度的促进作用(表 4), 但施硅对CH4和N2O综合增温潜势和排放强度的影响, 与前人研究有所不同。未来研究需进一步关注硅肥种类、有效含量及施用量, 是否对CH4和N2O综合增温潜势和排放强度产生不同的影响(促进或抑制), 进一步确定如何施硅、施何种硅肥, 才能更有效地缓解夜间增温对稻田温室效应的促进作用。
4 结论在拔节期和灌浆成熟期, 施硅可缓解夜间增温对水稻根系活力的抑制作用, 其他生育期缓解作用不明显。夜间增温可降低水稻的地上部、地下部以及全株干重和产量；而施硅可提高水稻地上部、地下部及全株干重和产量；施硅可有效缓解夜间增温对水稻的干重及产量的抑制作用。
在水稻生长季, 从排放通量的变化看, 4种处理的稻田CH4排放通量排序为：NW+Si0>CK+Si0>NW+Si1>CK+Si1。相反, 4种处理间N2O排放通量的差异大多不明显, 仅在中期晒田时N2O排放达峰值, 其余淹水时期的排放值均较低, 接近于0。从累计排放量看, CH4的贡献远大于N2O, 夜间增温可明显促进CH4排放, 施硅可明显降低CH4排放, 施硅可有效缓解夜间增温对CH4排放的促进作用；与CH4不同的是, 与对照相比, 其他处理均促进N2O的排放。从全球增温潜势和排放强度看, 夜间增温下施硅稻田CH4和N2O的贡献基本相当, 大约各占50%左右；总体上, 夜间增温可显著促进CH4和N2O的综合增温潜势和排放强度, 而施硅可降低其综合增温潜势和排放强度, 施硅可缓解夜间增温对综合增温潜势和排放强度的促进作用。
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