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Effect of azolla on CH4 and N2O emissions in Fuzhou Plain paddy fields

浮萍对福州平原稻田CH4和N2O排放的影响分析



全 文 :中国生态农业学报 2012年 6月 第 20卷 第 6期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jun. 2012, 20(6): 723−727


* 国家自然科学基金项目(31000209)、福建省公益类研究所专项(2011R1037-5)和福建省教育厅项目(JB11030)资助
** 通讯作者: 仝川(1964—), 男, 博士, 教授, 主要从事生态系统生物地球化学循环研究。E-mail: tongch@fjnu.edu.cn
马永跃(1986—), 男, 硕士研究生, 主要从事稻作环境研究。E-mail:yongyuema@163.com
收稿日期: 2012-02-21 接受日期: 2012-03-26
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.00723
浮萍对福州平原稻田 CH4和 N2O排放的影响分析*
马永跃 1 仝 川1,2** 王维奇 1,2 曾从盛 1,2
(1. 福建师范大学亚热带湿地研究中心 福州 350007; 2. 福建师范大学地理研究所 福州 350007)
摘 要 浮萍是稻田中常见的漂浮在水面的水生植物, 具有固氮作用。但是, 浮萍对稻田温室气体排放的影响
尚不明确。以位于湿润亚热带的福州平原稻田为研究对象, 探讨浮萍对该区域稻田 CH4 和 N2O 排放的影响, 为
科学评价、准确编制我国水稻田温室气体排放清单提供基础数据。研究结果表明, 观测期内, 有萍小区和无萍
小区 CH4 排放范围分别为 0.19~26.50 mg·m−2·h−1 和 1.02~28.02 mg·m−2·h−1, 平均值分别为 9.28 mg·m−2·h−1 和
11.66 mg·m−2·h−1, 有萍小区 CH4 排放低于无萍小区(P<0.01), 有萍小区 CH4 排放高峰比无萍小区约提前 1 周,
高峰期后排放迅速降低; 有萍小区和无萍小区 N2O 排放范围分别为−50.11~201.82 µg·m−2·h−1 和−28.93~54.42
µg·m−2·h−1, 平均值分别为 40.29 µg·m−2·h−1 和 11.93 µg·m−2·h−1, 有萍小区 N2O 排放高于无萍小区(P<0.05)。稻
田排干后, N2O 排放迅速上升, 2 个小区 N2O 排放呈现出相似的规律。有萍小区和无萍小区的 CH4 与 N2O 排放
的影响因子有所不同。综合考虑 CH4 和 N2O 两种温室气体, CH4 仍是稻田温室效应产生的主要贡献者, 浮萍可
降低位于沿海区域的福州平原稻田综合温室效应的 17.3 %。
关键词 浮萍 稻田 甲烷 氧化亚氮 综合温室效应
中图分类号: Q143 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)06-0723-05
Effect of azolla on CH4 and N2O emissions in Fuzhou Plain paddy fields
MA Yong-Yue1, TONG Chuan1,2, WANG Wei-Qi1,2, ZENG Cong-Sheng1,2
(1. Center for Subtropical Wetland Research, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China;
2. Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China)
Abstract Azolla is a common aquatic fern that floats in paddy fields. It grows rapidly and has the ability to fix N2 into the soil.
However, the effects of azolla growth on emissions of greenhouse gases are yet uncertain. This study measured CH4 and N2O emis-
sions in two paddy fields in Fuzhou Plain, one with floating azolla and the other with non-floating azolla. The purpose of the study
was to draw on the benefits of scientific evaluation of emissions of greenhouse gases in China’s paddy fields. The results showed that
CH4 emissions were in the range of 0.19~26.50 mg·m−2·h−1 and 1.02~28.02 mg·m−2·h−1 and with average values of 9.28 mg·m−2·h−1
and 11.66 mg·m−2·h−1 in the azolla treatment and non-azolla treatment, respectively. CH4 emission in azolla plots was significantly
lower than that in non-azolla plots at P < 0.01. Peak CH4 emission in azolla plots was early by about one week compared with
non-azolla plots, after which period it decreased rapidly. N2O emissions were in the range of −50.11~201.82 µg·m−2·h−1 and
−28.93~54.42 µg·m−2·h−1 with average values of 40.29 µg·m−2·h−1 and 11.93 µg·m−2·h−1 in azolla plots and non-azolla plots, respec-
tively. N2O emission in azolla plots was significantly higher than that in non-azolla plots at P < 0.05. N2O emission increased rapidly
after paddy fields drainage and both plots followed similar trends. Different driving factors of CH4 and N2O emissions were noted in
azolla and non-azolla plots. A comprehensive consideration of CH4 and N2O greenhouse gases showed that CH4 was the key con-
tributor to greenhouse effects in paddy fields. Azolla reduced integrated greenhouse effects by 17.3% in the humid sub-tropical
Fuzhou Plain region.
Key words Azolla, Paddy field, CH4, N2O, Greenhouse effect
(Received Feb. 21, 2012; accepted Mar. 26, 2012)
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甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是大气中重要的 2
种痕量气体, 其对全球温室效应的贡献仅次于二氧
化碳(CO2)。据政府间气候变化专门委员会(IPCC)[1]
估算, 截止到 2005 年, 大气中的 CH4浓度已从工业
革命前的 0.715 µmol·mol−1 急剧增加到 1.774
µmol·mol−1, 大气中的 N2O浓度则从 270 nmol·mol−1
增加到 319 nmol·mol−1, 100 a 时间尺度上, CH4和
N2O 单位分子增温潜能分别是 CO2的 25 倍和 298
倍。农业生产对全球温室气体排放的贡献约为 20%,
其中, 稻田是农业系统的主要类型, 在我国分布广、
面积大, 占世界水稻种植面积的 20%[2]。研究我国稻
田 CH4和 N2O 的排放规律, 对于减缓全球气候变暖
具有重要的现实意义。
浮萍是稻田常见的水生植物, 针对浮萍的研究
主要集中在其对污水和富营养化水体治理以及作为
肥料施用等方面 [3−5], 对于其生长过程中对温室气
体排放的影响研究较少。黄毅斌等[4]对“稻−萍−鱼耕
作制”稻田的研究表明, 稻田 CH4 的排放量为 1.71
mg·m−2·h−1, 比常规稻田减少 3.02 mg·m−2·h−1; Bha-
rati 等[6]研究也表明, 浮萍可降低稻田 CH4排放; 但
陈冠雄等[7]、Chen 等[8]和 Ying 等[9]研究则显示稻田
养萍明显增加了 CH4排放。可见浮萍对稻田 CH4排
放的影响可能会因研究地点的不同而有所差异。浮
萍对稻田 N2O排放的影响研究仅见对较高纬度地区
稻田的研究 [7−8]。针对国内外关于浮萍对稻田 CH4
排放影响的不确定性, 以及对于 N2O 影响的研究集
中在纬度较高地区, 而对于湿润亚热带沿海地区稻
田的研究成果匮乏。本研究以我国湿润亚热带沿海
平原稻田为研究对象, 开展浮萍对稻田 CH4和 N2O
排放的影响研究, 对进一步明确浮萍对稻田 CH4 和
N2O排放的影响具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 研究区概况与采样点
研究区位于闽江河口区福州平原的南分支——
乌龙江的北岸 , 属亚热带季风气候 , 年均气温为
19.6 , ℃ 年均降水量为 1 392.5 mm, 蒸发量为 1 413.7
mm, 相对湿度为 77.6%。地貌主要为冲海积平原, 地
表平坦, 海拔 3~5 m, 零星分布剥蚀丘陵地貌[10]。采样
点位于福建省农业科学院水稻研究所吴凤综合实验
基地(26.1°N, 119.3°E)内[11], 该实验基地共有稻田 7
hm2[12]。土壤类型为红壤, 土壤耕作层有机碳含量为
18.1 g·kg−1, 全氮 1.28 g·kg−1, 全磷 1.07g·kg−1, pH为
6.5, 容重为 1.05 g·cm−3。整个观测期内研究区气温
为 22~35 , ℃ 空气湿度波动范围较大, 为 32.7%~
77.4%。本研究选取早稻生长季稻田, 水稻栽培品种
为江西省农业科学院研发的“和盛 10号”, 4月 16日
移栽, 株行距 14 cm×28 cm, 7月 10日为稻田排干晒
田观测日, 至 7月 16日收获。水分管理为移栽初期
淹水水深约 5~7 cm, 分蘖后期采取间歇性排干, 水
稻成熟后稻田排干。施肥管理为底肥采用复合肥和
尿素, 施用底肥为复合肥(N、P2O5 和 K2O 均为 70
kg·hm−2)和尿素(25 kg·hm−2); 蘖肥在约 1 周后施加,
为复合肥(N、P2O5和 K2O均为 20 kg·hm−2)和尿素(15
kg·hm−2); 穗肥约在 8 周后施加, 为复合肥(N、P2O5
和 K2O均为 10 kg·hm−2)和尿素(8 kg·hm−2)。
1.2 气体样品的采集和测定分析
试验于田间水面开始大量出现浮萍后(约秧苗
移栽后 3 周)进行, 设置有萍小区和无萍小区两种处
理方式, 面积分别约 10 m2, 2个处理小区间隔约 1 m,
以保证选取样地的均质性, 并用 30 cm高的 PVC板
进行隔离, 以免相互干扰。采用静态箱法进行气体
采集, 静态箱由底座和顶箱两部分构成, 由厚 5 mm
的透明有机玻璃制成 , 底座长宽高分别为 0.3 m×
0.3 m×0.3 m, 顶箱长宽高分别为 0.3 m×0.3 m×1.0 m,
顶部装有小风扇, 以保证箱内气体的均匀性, 侧部装
有温度计和气体采样孔, 抽气时同步记录箱内温度。
为保证箱内气体不外泄, 每次采样时将顶箱扣在底
座的凹槽里, 并加水密封。每个处理设置 3 个重复,
每个底座小框内保证有 2丛长势大小一致的秧苗。每
周采样 1次, 采样时间为 9:30~11:30, 用 100 mL医用
注射器抽取箱内气体70 mL, 每隔15 min抽取1次, 共
抽取 3 次, 抽取的气体立即注入到已抽真空的铝箔复
合气袋(大连徳霖气体包装有限公司生产, 100 mL),
带回实验室待测。CH4 和 N2O 气样分别由岛津
GC-2014气相色谱仪测定。CH4测定检测器为 FID(氢
离子火焰化检测器), 检测条件为柱温 70 , ℃ 检测
器温度 200 , ℃ 载气流速 30 mL·min−1; N2O测定检
测器为电子捕获检测器, N2O 的检测条件为: 柱温
70 , ℃ 检测器温度 320 , ℃ 载气流速 70 mL·min−1。
CH4和 N2O排放通量计算公式为:
273
273
M dcF H
V dt T
⎛ ⎞= × × ×⎜ ⎟+⎝ ⎠ (1)
式中, F为气体排放通量(mg·m−2·h−1或 μg·m−2·h−1), M
为气体摩尔质量 , V 为标准状态下气体摩尔体积
(22.4 L·mol−1), dc/dt为气体浓度变化率(μmol−1·h−1),
T为静态箱内温度( ), ℃ H为静态箱箱高(m)。
1.3 环境因子测定
在有萍与无萍处理样地分别将土壤孔隙水取样
器(由 PVC 管制成, 底部打孔, 顶部有盖)插入到距
离地面 10 cm处, 设置 3个重复。采用 2265FS电导
盐分/温度计原位同步测定表层覆水(2~3 cm)、10 cm
第 6期 马永跃等: 浮萍对福州平原稻田 CH4和 N2O排放的影响分析 725


深度土壤及 10 cm土壤孔隙水的温度, 用 IQ150测定
表层覆水(2~3 cm)、10 cm深度土壤及 10 cm土壤孔
隙水的氧化还原电位(Eh)和 pH, 同时用 Kestrel 3500
微型气象计记录采样时的气温(距地面 1.5 m高度)。
1.4 数据处理
数据处理主要采用 EXCEL 2003 和 SPSS 17.0
统计分析软件。用 EXCEL 2003 对原始数据进行均
值及标准偏差的计算 , 以 SPSS 17.0 软件中的
Pearson 相关分析来分析 CH4和 N2O 排放和环境影
响因子间的关系, 采用成对样本 T 检验对两种处理
方式的 CH4和 N2O排放进行差异性检验。
2 结果与分析
2.1 浮萍对稻田 CH4排放的影响
有萍小区和无萍小区 CH4排放均具有明显的时
间变化, 总体上呈现先升高然后迅速降低的趋势(图
1)。有萍小区 CH4排放在 6月 11日测定日出现最高
峰, 峰值为 26.50 mg·m−2·h−1, 之后迅速下降, 直至
水稻成熟一直保持在较低的排放范围内。无萍小区
呈现的趋势与有萍小区相似, 但无萍小区内的排放
高峰期比有萍小区约推迟 1 周 , 峰值为 28.02
mg·m−2·h−1。在整个观测期间, 有萍小区和无萍小区
CH4排放的变化范围分别是 0.19~26.50 mg·m−2·h−1和
1.02~28.02 mg·m−2·h−1, 平均值分别为 9.28 mg·m−2·h−1
和 11.66 mg·m−2·h−1, 有萍小区较无萍小区 CH4排放
量降低 2.38 mg·m−2·h−1, 且二者具有极显著差异
(P<0.01)。
2.2 浮萍对稻田 N2O排放的影响
有萍小区和无萍小区 N2O排放呈现出与 CH4相
似的规律(图 1)。从观测日开始到 5月底, 有 2次较
为明显的波动, 整个 6 月份, 两种处理稻田 N2O 排
放始终维持在一个较为平稳的状态, 并且在此阶段,
有萍小区 N2O排放始终高于无萍小区。7月 10日稻
田排干晒田, 两种处理 N2O 排放分别达到最高值
(201.82 µg·m−2·h−1和 54.42 µg·m−2·h−1)。在整个观测
期间, 有萍小区和无萍小区 N2O 排放范围分别为
−50.11~201.82 µg·m−2·h−1和−28.93~54.42 µg·m−2·h−1,
平均值分别为 40.29 µg·m−2·h−1和 11.93 µg ·m−2·h−1,
有萍小区 N2O排放显著高于无萍小区(P<0.05)。
2.3 环境因子对稻田 CH4和 N2O排放的影响
不同环境因子与 CH4和 N2O排放之间的相关关
系见表 1。气温和土温对两个小区 CH4和 N2O 排放
影响均不显著, 表层覆水、土壤孔隙水和土壤的 pH
和 Eh 均显著影响有萍小区 CH4排放, pH 与 CH4排
放呈显著正相关, Eh 与 CH4排放呈显著负相关。土
壤孔隙水 pH 和 Eh 对有萍小区 N2O 排放影响显著
(P<0.05), 表层覆水和土壤 pH 和 Eh 对 N2O 排放影
响不显著。表层覆水的 pH 与无萍小区 CH4排放呈
现极显著的正相关关系(P<0.01), Eh对无萍小区CH4
排放呈现极显著的负相关关系(P<0.01), 而土壤孔



图 1 有萍处理和无萍处理稻田 CH4和 N2O排放随时间的变化
Fig. 1 Temporal variation of CH4 and N2O emissions in the paddy fields with and without azolla

表 1 有萍处理和无萍处理方式下稻田 CH4和 N2O排放与环境因子的相关关系
Table 1 Correlation of CH4 and N2O emissions with environmental factors in the paddy fields with and without azolla
表层覆水 Surface water 土壤孔隙水 Soil pore water 土壤 Soil 指标
Index
处理
Treatment
气温
Temperature
土温
Soil temperature pH Eh pH Eh pH Eh
有萍 Azolla −0.253 −0.496 0.911* −0.869* 0.951* −0.961** 0.863* −0.853*CH4
无萍 Non azolla 0.194 −0.304 0.963** −0.975** −0.471 0.451 0.519 −0.513
有萍 Azolla 0.451 0.647 −0.351 0.344 0.949* −0.953* −0.262 0.270 N2O
无萍 Non azolla −0.109 −0.011 0.018 0.015 −0.028 0.029 0.208 −0.207
*和**分别表示在 0.05和 0.01水平上显著相关 * and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

726 中国生态农业学报 2012 第 20卷


隙水和土壤的 pH和 Eh对无萍小区 CH4和 N2O排放
影响均不显著。
2.4 浮萍对稻田 CH4和 N2O 综合温室效应影响的
净效应分析
针对本研究中稻田浮萍可降低 CH4 排放, 但同
时却增加 N2O 排放, 为了更好地评价浮萍对稻田温
室效应的影响, 运用温室效应潜势综合估算 CH4 和
N2O 两种温室气体对大气的潜在增温效应, 以进一
步阐明浮萍对稻田温室效应是促进还是抑制。以
CO2为参照气体, 100 a时间尺度的综合温室效应计
算公式[1]为:
PGW = RN2O×298 + R CH4×25 (2)
式中, PGW为综合增温潜势(kg·hm−2, 以CO2计), RN2O
为观测期 60 d的N2O累积排放量(mg·m−2), RCH4为观
测期 60 d的 CH4累积排放量(g·m−2)。
表 2 为两种不同处理稻田在观测期内的 CH4和
N2O 累积排放量及其温室效应。从表 2 可以看出,
CH4 是稻田温室效应产生的主要贡献者, 有萍小区
CH4 累计排放量和产生的温室效应分别比无萍小区
低 3.37 g·m−2和 857.5 kg(CO2)·hm−2, 而 N2O累计排
放量和产生的温室效应分别比无萍小区高 40.83 m
g·m−2和 121.7 kg(CO2)·hm−2。从综合温室效应来看, 有
萍小区产生的综合温室效应为 3 513.2 kg(CO2)·hm−2,
无萍小区为 4 247.0 kg(CO2)·hm−2, 前者比后者低
17.3 %。因此, 相对于无萍稻田, 有萍稻田释放 CH4
和 N2O所产生的综合温室效应较低。

表2 有萍处理和无萍处理方式下稻田CH4和N2O的累积排放量及其温室效应
Table 2 Accumulation of CH4 and N2O emissions and greenhouse effects of the paddy fields with and without azolla
CH4 N2O
处理
Treatment
累计排放量
Accumulation emission
(g·m−2)
温室效应
Greenhouse effect
[kg(CO2)·hm−2]
累计排放量
Accumulation emission
(g·m−2)
温室效应
Greenhouse effect
[kg(CO2)·hm−2]
综合温室效应
Integrated greenhouse effect
[kg(CO2)·hm−2]
有萍 Azolla 13.36 3 340.3 58.02 172.9 3 513.2
无萍 Non azolla 16.78 4 195.8 17.19 51.2 4 247.0

3 讨论与结论
浮萍对稻田 CH4 排放的影响研究十分有限, 且
存在着不确定性。本研究表明, 浮萍可显著降低稻
田 CH4 排放, 这一结论与黄毅斌等[4]、Bharati 等[6]
的研究结论一致 , 却与陈冠雄等 [7−9]的研究结论相
反。为了分析导致这一差异的原因, 针对浮萍对 CH4
排放的影响及其相应区域特征进行比较, 本研究与
黄毅斌等[4]、Bharati 等[6]研究的区域均为低纬度地
区 , 如本研究中水稻生长季的气温变化范围为
22~35 , ℃ 与 Bharati 等[6]在印度喀塔克进行的研究
观测温度变化(26.5~37.7 ℃)较为吻合, 陈冠雄等[7−9]
的研究区处于纬度较高地区, 气温明显低于本研究
区。这一温度的差异将会影响浮萍生长特征, 特别
是与 CH4 排放密切相关的浮萍生物量因子, 适量的
养萍可为 CH4 传输与释放过程提供重要的通道, 可
能有利于 CH4 排放[9], 但当浮萍密度过高时, 占据
整个稻田水面将阻碍稻田土壤产生的 CH4通过分子
扩散和气泡扩散途径向大气的传输, 同时浮萍的光
合作用生成的 O2 可提高稻田水环境的氧化还原电
位, 促进了扩散过程中的 CH4氧化[6], 综合来看, 可
能限制 CH4排放。可见, 在纬度不同的稻田, 浮萍的
出现对稻田 CH4 排放的影响可能不同, 具体原因还
需要深入研究。此外, 浮萍小区稻田 CH4 排放峰值
出现时间较无浮萍稻田提前约 1 周, 可能与新生的
浮萍易降解和腐烂, 所产生的碳底物激发了土壤产
甲烷菌的活性, 从而加快了稻田 CH4 排放高峰期的
提前到来有关, 这一结论与 Bharati 等 [6]的结论一
致。从有萍和无萍两种处理看, 水稻生长发育后期,
由于大田排干晒田, 长期处于淹水厌氧状态的稻田
土壤重新暴露于大气中 , 厌氧环境遭到严重破坏 ,
产甲烷菌活性受到抑制[13], 从而导致 CH4排放急剧
减少。
此外, 本研究中浮萍的生长促进了稻田 N2O 排
放, 这一结论与在较高纬度的研究结论一致[7−8], 主
要是由于浮萍具有固氮功能, 在生长过程中可以不
断凋落分解, 从而增加 N2O 产生的底物来源。在整
个观测期, 有萍和无萍小区的 N2O 排放一直维持在
较低水平, 且变化范围不大, 甚至出现了几次吸收
现象, 这是由于稻田长期淹水, 土壤处于极端还原
状态使得土壤生成的 N2O进一步还原为 N2, 抑制了
N2O产生排放[14−15]。与此同时, 本研究中, 浮萍生长
后期对稻田 N2O 排放的影响更为明显, 这与其生长
前期将大量的铵态氮(NH4+-N)吸收同化后储存于体
内, 生长后期将储存的氮释放出来, 导致田面水中
NH4+-N浓度逐步回升, 同时硝态氮(NO3−-N )浓度也
明显增加有关[16]。在 7月 10日稻田排干时, 有萍和
无萍小区均具有较高 N2O 排放, 这与徐华等[17]研究
结论一致, 主要是由于水稻成熟前稻田长期处于淹
第 6期 马永跃等: 浮萍对福州平原稻田 CH4和 N2O排放的影响分析 727


水状态, 土壤缺氧, 氧化还原电位较低, N2O排放较
少, 由于水稻成熟大田排干晒田, 具备了有氧环境
条件, 提高了氧化还原电位, 有利于土壤硝化反硝
化反应同时进行, 从而导致观测后期 N2O 排放量急
剧上升[18]。

致谢 在稻田观测点的选择过程中得到福建水稻研
究所郑家团研究员、张林研究员的帮助, 在野外试
验采样过程中得到福建师范大学何清华、杨平、章
文龙、张永勋、张子川等同学的帮助, 特在此表示
感谢。
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