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稻田是大气甲烷(CH4)的重要排放源之一,探索稻田CH4的排放规律及其减排途径具有重要的科学和实践意义。稻田土壤具有氧化CH4的能力,但受到土壤性质、水肥管理、耕作制度、气候条件、CH4浓度等多种因素的影响。为了明确稻田CH4氧化的时空变异规律及其关键控制因素,本文以江苏省句容市稻田土壤为研究对象,通过原位观测以及室内培养的方法,测定了稻田的CH4排放通量、土壤和水稻根的CH4氧化潜力及其同位素分馏系数αox值,研究了水肥管理措施对稻田CH4排放和氧化的影响,并探讨了同位素分馏系数αox与土壤CH4氧化潜力、土壤Eh、土壤温度等因素之间的关系。另外,以全国范围内典型水稻土和一种旱地土壤为对象,通过设置不同初始浓度、土壤水分、土壤温度等条件进行室内培养,研究了土壤环境条件对土壤CH4氧化能力及其αox的影响,阐明了我国稻田土壤CH4氧化和同位素分馏系数αox的变化规律和影响机制。主要研究结果如下:
与冬季淹水相比,冬季排水显著降低水稻根的CH4氧化潜力(P<0.05),但对土壤CH4氧化潜力、土壤和水稻根的αox值无明显影响。土壤CH4氧化潜力和CH4排放通量均与土壤温度呈显著正相关关系(P<0.01)。稻季CH4平均排放通量与平均土壤Eh显著负相关(r=-0.761,P<0.01),排水可显著降低稻田CH4排放通量(P<0.05),使全年CH4排放总量降低44%~57%。全观测期内土壤αox值与CH4氧化潜力、土壤温度和土壤Eh之间均无明显相关性。
在不同时期施用尿素对土壤CH4氧化潜力有不同的影响,而对水稻根的CH4氧化潜力则无明显影响。与CK相比,以尿素做为基肥和穗肥时会抑制土壤CH4氧化,而做为分蘖肥施用时则表现为先促进后抑制。总体上,施用尿素可分别使间歇灌溉和持续淹水稻田CH4排放量减少8.6%和11.5%。间歇灌溉条件下,不施N(NO)处理中αox值与土壤温度显著正相关(r=0.762,P<0.05),而与CH4氧化潜力无显著相关性。在N300处理下,αox值与CH4氧化潜力和土壤温度密切相关。偏相关结果显示,当以土壤CH4氧化潜力为控制变量时,αox值与土壤温度显著正相关(r=0.783,P<0.05);同理,当以土壤温度作为控制变量时,αox值与土壤CH4氧化潜力显著正相关(r=0.860,P<0.05)。而在持续淹水稻田中,αox值与以上因素均无显著相关性。
土壤温度、CH4初始浓度、土壤水分条件和培养方式均对土壤CH4的氧化能力和αox值产生一定的影响。温度的影响表现为:温度越高,CH4氧化能力越大,土壤αox值也越高;提高CH4初始浓度有利于提高土壤CH4氧化能力,但αox值则在10000μL L-1左右时最高;土壤水分过高和过低均不利于土壤CH4氧化,其最佳土壤含水率为70%~85%WHC左右,相应αox值也较大;振荡处理的CH4氧化能力高于静置处理,αox值则低于静置处理。值得说明的是,通过比较可知,土壤CH4氧化能力随水稻生育期的延后有所变化,水稻生长前期时的新鲜土壤CH4氧化能力远高于中后期土壤,而其风干土的CH4氧化能力大幅下降,远小于中期和后期土壤。
不同地区土壤CH4氧化能力和αox值有较大的差异(文中水稻土分别采自四川资阳、湖南桃源、江西鹰潭、浙江嘉兴、辽宁沈阳和广东雷州,不同植被类型土壤采自云南)。结果表明,不同地区水稻土CH4的氧化能力变化较大,对土壤水分的响应也有差异。土壤水分是影响土壤αox值的重要因素,升高土壤含水量会使得αox值下降,但不同土壤条件下降幅度有一定差异,其中四川资阳两种土壤降幅最大。相关分析结果表明,水稻土的土壤αox值与土壤的CH4氧化速率无显著相关性。总体上,旱地土壤的CH4氧化能力显著低于水稻土,其CH4氧化速率和αox值存在良好的相关性,且均随培养时间的延长而升高。CH4氧化能力与土壤中活性铁呈显著的正相关关系(r>0.89,P<0.01),而αox值则与土壤全碳呈显著性相关(r=0.89,P<0.05),其具体的影响机制尚待于进一步深入研究。
另外,在本文中得出的土壤与水稻根的αox值变化范围为与许多文献相似,但总体上大部分αox值低于文献采用值。