稻田灌溉河流CH4和N2O排放特征及影响因素

随着农业氮肥大量施用,大量碳氮营养物质以淋溶或径流形式进入周边灌溉水体,使其成为甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的重要排放源.以我国东南部地区典型稻田灌溉河流为研究对象,于2014年9月至2016年9月连续两年原位观测表层水体CH4和N2O溶存浓度及其排放通量,旨在明确稻田灌溉河流CH4和N2O的排放特征、排放强度及其主要驱动因子.结果表明,观测期内c(CH4溶存)的年平均值为(390.57±43.95)nmol·L-1(92.80～1 577.54 nmol·L-1),c(N2O溶存)的年平均值为(40.23±3.20)nmol·L-1(10.05～75.40 nmol·L-1).CH4和N2O的排放通量(年平均)分别为(20.73±6.08)mg·(m2·h)-1和(34.30±7.12)μg·(m2·h)-1.CH4和N2O溶存浓度和排放通量整体上均呈现出春夏排放高,秋冬排放低的季节变化趋势.两年CH4累计排放总量为(3 876.30±1 153.96)kg·hm-2,N2O累计排放总量为(5.74±0.98)kg·hm-2.两者持续性全球增温潜势(SGWP,以CO2-eq计)平均为(87.99±15.73)t·(hm2·a)-1.CH4排放通量与水温、底泥可溶性有机碳(DOC)显著正相关,而与水体溶解氧(DO)显著负相关;N2O排放通量与水温、水中铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)显著正相关,而与水体DO显著负相关.该研究可为科学估算我国农业灌溉流域CH4和N2O排放总量提供数据支撑和重要参考.     

湖南地区不同集约化栽培模式下双季稻稻田CH4和N2O的排放规律

采用静态暗箱-气相色谱法研究了湖南双季稻稻田不施氮(NN)、当地常规(FP)、高产高效(YE)、再高产(HY)、再高效(HE)5种不同栽培模式下温室气体(CH4、N2O)的排放规律.结果表明:水稻生长季CH4累积排放量变化为(206.5±37.5) kg· hm-2(FP,早稻)～(490.5±65.7) kg·hm-2(HE,晚稻),N2O-N累积排放量变化为(0.08±0.05) kg·hm-2(NN,早稻)～(0.326±0.15) kg·hm-2(HY,晚稻).不同栽培模式对CH4和N2O的排放都有显著影响(p＜0.05).HE模式CH4排放显著高于其他模式62％～ 87％(p＜0.05),尤其是晚稻季节;除NN模式外,其他4种模式间N2O排放差异不显著.冬季休闲期也是CH4和N2O排放的重要时期,分别占全年排放量的9.7％～19.7％和42％～ 62％.CH4主导了稻田不同栽培模式下的综合温室效应,在各模式中均占95％以上.施氮肥提高了作物产量,降低了温室气体强度(GHGI).在5种模式中,YE和HY模式温室气体强度较小,HY模式下仅为(0.97±0.16) kg·kg-1(以每kg产量排放的CO2当量计).因此,与FP模式相比,YE和HY模式既能提高产量和氮肥利用率,也能减缓温室效应;但HE模式排放的温室气体较高,在实际应用前尚需进一步研究.     

沼泽湿地CO2、CH4、N2O排放对氮输入的响应

利用静态暗箱-气象色谱法，选取小叶章沼泽化草甸进行野外原位试验，研究氮输入对沼泽湿地CO2、CH4和N2O等3种温室气体排放的影响,结果表明：氮输入对沼泽湿地CO2和CH4排放有明显影响，其季节排放总量分别是对照处理的1.3和2.5倍，但对CO2和CH4的季节变化模式无明显影响；氮输入对N2O的排放强度和季节变化模式均有显著影响,CO2排放通量与5cm深土壤温度存在显著的正相关关系，与地表温度和1.5m气温存在指数关系，而CH4和N2O排放与温度之间没有显著的相关性．在20、100和500年时间尺度上氮输入处理的CH4和N2O全球增温潜势（GWP）分别比对照处理增加了150％、150％和80％，表明氮输入在长、短时间尺度上都是增强CH4和N2O的温室效应的。     

水氮组合模式对双季稻甲烷和氧化亚氮排放的影响

为给双季稻水肥高效利用调控技术提供理论基础,设置间歇灌溉和淹水灌溉两种灌溉方式,高氮、中氮、低氮和不施氮这4种施肥方式,开展大田小区试验,探讨了水氮组合模式对双季稻CH4和N2O排放的影响.结果表明,间歇灌溉显著降低了CH4积累排放量,与淹水灌溉相比,早晚稻分别降低13.18~87.90 kg·hm-2和74.48~131.07 kg·hm-2,分别减排了24.4%~67.4%和42.5%~66.5%;但促进了N2O排放,早晚稻的增排量分别为0.03~0.24 kg·hm-2和0.35~1.53 kg·hm-2,分别比淹水灌溉增加6.2%~18.3%和40.2%~80.9%.总体上,间歇灌溉降低了稻田温室气体的增温潜势,其中早稻降低了18.8%~58.6%,晚稻降低34.4%~60.1%,两季综合降低2 388~4 151 kg·hm-2(以CO2eq计),下降41%~54%.通过相关分析发现,土壤CH4排放和土壤溶液Eh显著负相关,和溶液CH4浓度显著正相关.与淹水灌溉相比间歇灌溉模式有利于减排CH4,虽增排了N2O,但增温潜势显著减少.综合来看,间歇灌溉配施中氮更有利于双季稻种植.     

耕作方式对紫色水稻土农田生态系统CH4和N2O排放的影响

以位于西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站内1990年设立的长期免耕试验田为研究对象,采用静态暗箱/气相色谱法,对传统的冬水田平作（CT）及由其改良而成的水旱轮作（CTR）、厢作免耕（NTP）和垄作免耕（NTR）等农田生态系统CH4和N2O的排放进行了连续1 a的田间原位观测研究.结果表明,传统的CT处理中,CH4和N2O主要排放时期为水稻种植季,该时期的持续时间仅占全年的27.1%,但2种温室气体的总排放量分别占全年的77.6%和55.0%;耕作制度改良后,CH4排放降低而N2O排放增加.不同耕作方式下CH4的年平均排放通量[以CH4计,mg.（m2.h）-1]为CT（2.96±0.04）〉NTR（1.83±0.21）〉NTP（1.42±0.01）〉CTR（0.96±0.09）,CT处理的CH4排放极显著高于CTR和NTP处理（P〈0.01）,显著高于NTR处理（P〈0.05）;N2O的年平均排放通量[以N2O计,μg.（m2.h）-1]依次为CTR（123.6±47.1）〉NTR（115.2±22.1）〉NTP（100.5±25.8）〉CT（81.3±13.5）,CTR处理N2O的排放显著高于CT（P〈0.05）.通过对不同时间尺度（20、100及500 a）2种温室气体综合全球增温潜势（global warming potential,GWP）的计算,可以发现,改良后的3种耕作方式对CH4和N2O的综合GWP有一定的减排作用,无论时间尺度长短,4种耕作处理全年所排放的CH4和N2O所产生的综合GWP均为CT〉NTR〉NTP〉CTR.因此,耕作方式的改良对紫色水稻土农田生态系统中CH4和N2O综合GWP减排有着明显的效果.     

双季稻品种根际特征与甲烷排放差异及其关系

为探讨不同水稻品种间甲烷排放差异形成的机制,选取早晚稻各6个品种为供试材料进行大田试验,采用静态暗箱-气相色谱法测定CH4气体.结果表明,早晚稻甲烷排放通量品种间差异显著,全生育甲烷排放通量均值湘早籼24号最高,株两优819最低,相差34. 6%;晚稻种,T优15最高,资优299最低,相差33. 9%.不同双季稻品种间甲烷排放量、单位产量温室效应差异显著.早稻品种的CH4累计排放量介于198. 3～303. 44 kg·hm-2之间,排放量最低是株两优819;单位产量温室效应介于0. 67～1. 40 kg·kg~(-1)之间,陆两优996最低.晚稻品种的CH4累计排放量明显高于早稻,介于291. 93～388. 28kg·hm-2之间,资优299最低;单位产量温室效应介于0. 94～1. 68 kg·kg~(-1)之间,Y两优1号最低.稻田甲烷排放与水稻产量、根冠比、根系孔隙度、土壤溶液Eh值、甲烷浓度、可溶性碳浓度及铵态氮浓度的相关性均达到显著或极显著水平.双季稻品种甲烷排放与水稻根冠比及根孔隙度关系密切,降低早稻品种根系孔隙度或者根冠比可减排甲烷,而晚稻品种则与早稻相反;根际土壤溶液碳氮浓度的降低和Eh值的提高也可减少甲烷的排放.     

黄河上游灌区连作稻田N2O排放特征及影响因素

黄河上游灌区高产连作稻田氮肥的过量施用引起土壤氮素盈余,进而导致稻田N2O排放量增大.为了探明水稻连作模式下稻田N2O排放特征及影响因素,采用静态箱-气相色谱法,开展了为期2年的连作水稻田试验研究.试验共设置3个施氮处理,包括常规氮肥300kg.hm-2(N300)、优化氮肥240kg.hm-2(N240)和对照不施氮肥(N0),并在稻田连作的第2年,对N240处理灌溉节水30%.2年连作试验结果表明,水稻生长季稻田N2O排放主要发生在水稻施基肥后及水稻生长的中后期,在稻田灌水泡田后N2O排放速率达最大值.稻田高氮肥(300kg.hm-2)施用显著增加N2O的排放量,优化氮肥(240kg.hm-2)处理可有效降低土壤N2O排放量(p<0.01).水稻生长季稻田淹水状态时N2O排放量极低,稻田灌溉节水会相应增加土壤N2O排放量.土壤温度变化对稻田N2O的生成和排放会产生较大影响,但受稻田肥水管理等因素的影响,温度与N2O排放量相关性不显著.灌区稻田土壤N2O排放通量与田面水NO3--N含量变化及耕层0～40cm土壤NO3--N积累量变化有显著的相关性.稻田连作显著增加了耕层土壤剖面0～40cm土层NO3--N的积累量,耕层土壤NO3--N积累量的增加进而加大了土壤N2O排放的风险.在宁夏黄灌区稻田常规灌水和高氮肥(300kg.hm-2)水平下,2年连作稻田水稻生长季土壤N2O总排放量分别达55.98×104kg.a-1和51.48×104kg.a-1,在100a时间尺度上的全球增温潜势(GWPs)均值为16.02×107kg.hm-2(以CO2计),表明黄灌上游灌区高氮肥施用导致稻田N2O排放量增大,由此引起的增温潜势严重.     

冬水田转稻麦轮作对小麦生长季温室气体排放的影响

用静态暗箱-气相色谱法测定了川中丘陵地区典型冬水田(RF)及冬水田转稻麦轮作处理(RW)在小麦生长季的温室气体排放通量,并同步测定了土壤温度、水分和可溶态碳氮含量.结果表明,RW在小麦生长季的CH4、生态系统呼吸CO2和N2O平均排放通量分别为0.05、117.01 mg·m-2·h-1(以C计)和77.19μg·m-2·h-1(以N计),而RF相应通量分别为1.43、7.85 mg·m-2·h-1和-0.61μg·m-2·h-1.RW施氮肥后出现N2O的排放峰,其N2O直接排放系数为1.28%.土壤可溶态有机碳含量与CO2通量之间呈显著正相关关系(r=0.342,p0.01),与CH4、N2O的相关关系不显著;硝态氮、可溶态总氮含量与N2O通量的关系为显著正相关,但与CH4通量呈显著负相关.RF的综合增温潜势(以CO2-eq计,下同)为3.03 Mg·hm-2,大于RW(-1.66 Mg·hm-2),暗示冬水田转稻麦轮作会降低生态系统的综合增温效应.     

猪粪化肥配施对双季稻田CH4和N2O排放及其全球增温潜势的影响

以湖南典型红壤双季稻田系统为研究对象,采用静态箱-气相色谱法研究了水稻生长季基肥配施猪粪条件下CH4和N2O的排放特征,并估算了排放的CH4和N2O的全球增温潜势(GWP).结果表明,与施用化肥处理相比,猪粪化肥配施对稻田CH4和N2O排放的季节变化模式无明显影响,但影响其排放量大小.两个稻季,猪粪替代50%化学氮肥处理(1/2N+PM)CH4累积排放量较不施氮肥处理(0N)、50%化学氮肥处理(1/2N)、100%化学氮肥处理(N)分别提高54.83%、33.85%和43.30%(P<0.05);1/2N+PM处理N2O累积排放量较N处理显著降低67.50%,较0N处理、1/2N处理分别提高129.43%、119.23%(P<0.05).水稻生长季CH4是GWP的主要贡献者,占CH4和N2O综合GWP的99%以上.1/2N+PM处理的GWP显著高于其他处理(P<0.05),且1/2N+PM处理单位产量GWP最高,较N处理、1/2N处理、0N处理分别提高58.21%、26.82%、20.63%.因此,双季稻田猪粪替代部分化学氮肥较全部施用化学氮肥增加了双季稻田CH4和N2O排放的综合温室效应,其对温室气体排放的影响需在区域温室气体排放清单中加以考虑.     

模拟酸雨对福州平原水稻田温室气体排放的影响

农田生态系统是温室气体的重要排放源,研究酸雨对水稻田温室气体排放及其综合增温潜势的影响,对我国酸雨背景下农田生态系统固碳减排具有重要的现实意义.本文以福州平原水稻田为研究区,通过模拟酸雨探讨其对水稻田CO_2、CH_4和N_2O排放通量及其综合增温潜势的影响.结果表明:模拟酸雨并未显著改变早、晚稻田CO_2、CH_4和N_2O排放的季节变化规律,但降低了其排放通量.与对照组相比,pH=4.5酸雨作用下,早稻田CO_2、CH_4和N_2O平均排放通量依次降低11.54%、133.33%和22.22%,晚稻田CO_2和N_2O平均排放通量依次降低39.53%、156.00%,而CH_4平均排放通量与对照组差异不显著;pH=3.5酸雨作用下,早稻田CO_2、CH_4和N_2O平均排放通量分别降低10.82%、75.00%、54.00%,晚稻田平均排放通量分别降低17.32%、20.00%和197.67%.综合增温潜势表明,CO_2的增温潜势显著高于CH_4和N_2O,是稻田生态系统中温室效应的主要温室气体,在pH=4.5和pH=3.5的酸雨作用下,早、晚稻田生态系统温室气体综合增温潜势均降低.     

大气CO2摩尔分数升高对高、低应答水稻稻田N2O排放的影响

依托稻田大气CO₂摩尔分数（x［CO₂］）升高平台FACE （free-air CO₂ enrichment）,采用静态透明箱-气相色谱法研究x［CO₂］升高（正常x［CO₂］+200 μmol·mol^-1）对高、低应答水稻（产量对x［CO₂］升高的响应分别为>30%和10%~15%）稻田N₂O排放的影响.本试验设置4个处理：A-W （正常x［CO₂］+低应答水稻）、F-W （x［CO₂］升高+低应答水稻）、A-S （正常x［CO₂］+高应答水稻）和F-S （x［CO₂］升高+高应答水稻）.结果表明,对比正常x［CO₂］处理（A-S和A-W）,x［CO₂］升高条件下高、低应答水稻（F-S和F-W）稻田N₂O排放分别降低52.54%（P<0.05）和38.40%（P<0.05）,水稻产量分别增加22.96%（P<0.05）和12.11%（P>0.05）,稻田N₂O排放强度分别降低61.68%（P<0.05）和45.13%（P<0.05）.另外,高、低应答水稻稻田N₂O排放与稻田土壤NH₄⁺-N含量呈显著相关关系,而与NO₂^--N含量无显著相关.x［CO₂］升高条件下,土壤温度是影响高应答水稻稻田N₂O排放的重要因素.综合考虑,未来x［CO₂］升高条件下,高应答水稻品种的"增产减排"效果最佳.     

稻秸对Pb2+的吸附特性

为探讨稻秸对废水中Pb2+的吸附特性,通过静态试验研究了吸附时间、离子浓度、吸附剂用量、初始pH和温度对稻秸吸附Pb2+的影响,并分析了其吸附动力学、等温吸附平衡及热力学特征.结果表明:稻秸吸附Pb2+的过程进行得很快,60 min时去除率达到85.64%,其吸附动力学过程以准二级动力学方程拟合效果最好;吸附等温线符合Langmuir和Freundlich等温吸附模型,其中以Freundlich模型为最优,与吸附强度有关的常数在2～10之间,吸附容易发生,而使用Langmuir模型拟合最大吸附量的理论值可达13.67 mg/g;随着稻秸投加量的增加,Pb2+的去除率逐渐增加,单位吸附量逐渐减小;溶液初始pH对稻秸吸附Pb2+的影响较大,pH在4～6时去除率可达92%以上;稻秸对Pb2+的吸附受温度影响较小,吸附过程具有自发性、放热性和熵增特性.     

不同种类有机肥施用对稻田CH4和N2O排放的综合影响

以麦茬稻田为对象,研究基肥施用不同有机肥对稻田CH₄和N₂O排放的综合影响.结果表明:有机肥施用对稻田CH₄和N₂O排放的季节变化模式无明显影响,但影响其排放量.与施用化肥(化肥处理)相比,施用菜饼+化肥(菜饼处理)促进CH₄和N₂O的排放,其季节排放总量分别增加了252%和22%;施用小麦秸秆+化肥(秸秆处理)和牛厩肥+化肥(牛厩肥处理)明显增加CH₄排放,增加量分别为250%和45%,同时却减少N₂O排放,分别减少18%和21%;施用猪厩肥+化肥(猪厩肥处理)降低CH₄和N₂O的排放,分别降低4%和18%.对CH4和N₂O排放的综合温室效应分析表明,菜饼和秸秆处理的全球增温潜势(GWP)约为化肥处理的2.5倍,牛厩肥和化肥处理基本持平,但施用猪厩肥可减少10%～15%.各处理的GWP从高到低依次为菜饼、秸秆、牛厩肥、化肥和猪厩肥.单位产量的GWP以秸秆处理最高,菜饼次之,牛厩肥比化肥处理略高,猪厩肥处理最低.从本生长季来看,猪厩肥的施用对于实现环境效益与生产效益的协调发展具有一定作用.     

开放式空气CO2增高条件下稻田磷化氢气体的释放研究

磷化氢(PH3)已被证实是大气中普遍存在的痕量气体.采用FACE(free air carbon dioxide enrichment)平台,研究了不同氮施肥水平(常氮250 kg/hm2和低氮125 kg/hm2)下,CO2浓度升高对水稻田磷化氢释放通量的影响.结果表明,水稻生长旺盛期(分蘖,拔节)磷化氢通量和浓度高于生长缓慢期,FACE圈常氮区分蘖期磷化氢释放通量最大,为(155.2±22.71)ng/(m2.h).整个水稻生长期磷化氢平均释放通量最大值在FACE圈常氮区观察到,为(41.72±7.06)ng/(m2.h),最小值(-1.485±6.229)ng/(m2.h)出现在对照圈低氮区.FACE处理显著促进磷化氢的排放,不同氮素水平对磷化氢释放影响差异不显著.磷化氢的净通量和浓度与温度均呈显著正相关.对水稻成熟期全天释放通量及浓度测试表明,光照是影响白天磷化氢浓度的主要因素.     

气相色谱法测定稻田甲烷排放通量

介绍了用碳分子筛作为固定相的气相色谱法测定甲烷排放通量。其方法简便、快速、准确,并且大气样品不必经过冷冻干燥脱水等处理步骤。应用该方法,1994年在华南农业大学晚稻田水稻生长期内,采样测定计算的甲烷平均日排放通量为8.34 mg(m2·h),基本代表了广州地区稻田的甲烷排放通量。      

稻草生物炭对土壤中Cd2+和Pb2+的吸附特性

为了探究稻草生物炭对土壤中重金属Cd2+和Pb2+的吸附机制,采用水稻秸秆在500℃下热解制备稻草生物炭,设置不同吸附时间、Na+和Ca2+离子强度、pH等影响因素,拟合稻草生物炭对重金属的吸附动力学、吸附等温线;在此基础上,采用黄沙模拟土柱试验得出稻草生物炭固定Cd2+和Pb2+的穿透曲线,着重分析比较pH和Na+离子强度对稻草生物炭吸附固定重金属的影响.结果表明:在高pH、低离子强度下,稻草生物炭对重金属的吸附效果较好;当pH为6时,稻草生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附效率分别为92.58%、63.36%;当离子强度为10 mmol/L时,稻草生物炭对Pb2+、Cd2+的最高吸附效率分别为97.58%、68.35%;准二级动力学模型能很好地拟合稻草生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附规律,拟合系数（R2）均大于0.995 8,表明稻草生物炭吸附速率主要由化学吸附机制决定;此外,稻草生物炭对Pb2+的吸附规律适合采用Langmuir等温吸附模型进行描述,而对Cd2+的吸附规律采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型均能进行很好的模拟,表明稻草生物炭对Pb2+的吸附是近似单分子层吸附,而对Cd2+的吸附存在多分子层吸附.由黄沙土柱模拟试验结果得出,稻草生物炭对Pb2+和Cd2+的滞留率随着pH的升高和离子强度的降低而增强.在Pb2+和Cd2+同时存在条件下,当pH为6、离子强度为1 mmol/L、稻草生物炭按黄沙质量的0.5%投加时,稻草生物炭对土柱中Pb2+、Cd2+的滞留效果最好.研究显示,高pH对稻草生物炭吸附固定重金属起到促进作用,而高离子强度对稻草生物炭吸附固定重金属起到抑制作用.      

UV-B增强对稻田呼吸速率、CH4和N2O排放的影响

于水稻生长季进行室外盆栽试验,人工模拟UV-B辐射增强20%,采用静态箱-气相色谱法测定稻田生态系统的呼吸速率、CH4和N2O排放通量,研究UV-B辐射增强对稻田生态系统呼吸速率、CH4和N2O排放通量的影响.结果表明,UV-B辐射增强没有改变稻田呼吸速率、CH4和N2O排放通量的季节变化规律;与对照相比,平均呼吸速率...     

叶面喷施纳米MnO2对水稻富集镉的影响机制

镉（Cd）容易被水稻富集,从而造成稻米中Cd含量超标,严重威胁人类健康.锰（Mn）是植物必需元素,为了探究叶面喷施纳米MnO₂对水稻富集Cd的影响机制,本研究在酸性Cd污染土壤上进行田间小区试验,在水稻抽穗早期叶面喷施0.1%、0.3%和0.5%的纳米MnO₂溶液.结果表明与对照组相比,叶面喷施不同浓度的纳米MnO₂可以有效降低水稻叶、壳和糙米中的Cd含量,增加所有部位的Mn含量,但对水稻的产量影响不大.叶面喷施纳米MnO₂后,提高了叶片光合作用效果,抑制了叶片脂质过氧化,增加了氧化应激酶的含量,从而缓解Cd对水稻的胁迫.此外,叶面喷施纳米MnO₂增加了水稻根表铁锰胶膜的含量,强化了铁锰胶膜对Cd的吸附/共沉淀作用,从而限制水稻根系吸收Cd.因此,在水稻抽穗早期叶面喷施纳米MnO₂是一种增加糙米中Mn含量和减少Cd含量的有效措施.     

透明箱法监测稻田生态系统CO2通量的研究

采用透明箱法对稻田生态系统CO₂通量进行了田间定位观测,并对透明箱内CO₂浓度的变化规律及拟合方法进行了探讨.结果表明,在水稻生长旺盛期的晴天(白天),箱内CO₂浓度随测定时间呈非线性变化,因此用常规的线性拟合法(LR)计算的CO₂净吸收通量明显低于指数一级动力学拟合法(ER).在水稻生长旺盛期的阴天、成熟期以及夜间,箱内CO₂浓度随测定时间表现为线性变化,LR法与ER法的CO₂净吸收通量计算结果无显著差异.在水稻生长期间,基于LR法的稻田生态系统碳累积吸收量结果明显低于ER法,而后者与常用方法(植物净固定碳量减去土壤异氧呼吸排放碳量)的计算结果比较接近.证实了当植被同化速率较强时,采用ER法对透明箱内CO₂浓度随时间的变化进行拟合并计算CO₂净吸收通量较为适宜.同时表明采用透明箱法观测农田生态系统CO₂通量是可行的.