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为了阐明稻季和冬季水分管理、冬季水分管理和秸秆还田、稻季秸秆还田及氮肥施用对稻田CH4产生、氧化和排放的影响,本文通过3年大田及室内培养试验,测定了稻田CH4排放通量、土壤溶液和表层水中CH4浓度、新鲜土壤和水稻根的CH4产生潜力和氧化潜力以及相应的δ13CH4,并结合稳定性碳同位素方法首次报道了中国稻田CH4产生途径(乙酸产CH4的贡献率fac)、氧化比率(fox)及其季节变化规律。
与稻季持续淹水相比,间隙灌溉明显减小土壤CH4产生潜力并降低fac值8%～10%;间隙灌溉增强土壤CH4氧化潜力并提高其氧化CH4的比率;间隙灌溉显著减少稻田CH4排放通量,且使得其排放δ13CH4值偏高12‰～22‰。间隙灌溉较持续淹水减少稻季CH4产生45%,却提高foc值45%～63%,从而降低稻田CH4排放量71%。
与冬季淹水相比,排水显著减小稻季土壤和水稻根的平均CH4产生潜力并降低稻季土壤的平均fac值5%～8%。水稻根产生的CH4绝大部分由H2/CO2还原而来,且排水对水稻根CH4产生途径的影响较小;排水显著降低水稻根的CH4氧化潜力并减少其氧化CH4的比率;排水对土壤CU4氧化潜力无明显影响,但提高其稻季平均foc值。土壤中铵氮含量和土温可能是较冬季水分管理更为重要的影响土壤CH4氧化的因素。相关分析表明,土温和土壤CH4氧化潜力显著正相关(P＜0.01);排水显著减少稻田CH4排放通量,但对排放δ13CH4影响不大。稻季CH4平均排放通量与平均土壤Eh、土壤的平均CH4产生潜力显著相关(P＜0.01)。冬季排水较淹水减少稻季土壤和水稻根的平均CH4产生42%～61%和56%,提高土壤的平均fox值10%～22%,却降低水稻根的平均fox值6%,最终减少稻季CH4排放量39%～52%,进而减少全年稻田CH4排放总量44%～57%。
全年淹水稻田土壤的CH4产生主要源于乙酸发酵。冬季平均fac值高达82%～87%,稻季则明显减小,为53%～64%。冬季的平均fox值在70%以上,显著高于后续稻季的21%～31%。稻田低CH4产生潜力高fox值导致冬季CH4排放很少,高CH4产生潜力低fox值导致稻季CH4大量排放。
与稻季秸秆不还田相比,秸秆还田显著增加土壤和水稻根的CH4产生潜力并提高土壤的fac值12%～28%,却降低水稻根的fac值3%～21%;秸秆还田提高土壤和水稻根的CH4氧化潜力以及水稻根的fox值,但降低土壤的fox值;秸秆还田显著增加稻田CH4排放通量,但对排放δ13CH4影响较小。土壤溶液中CH4浓度和稻田CH4排放通量显著正相关(P＜0.01)。秸秆还田较不还田增加稻季土壤和水稻根的平均CH4产生分别为95%和134%,降低土壤的平均fox值23%,却提高水稻根的平均fox值14%,最终增加稻田CH4放量168%。
冬季淹水条件下秸秆还田(FS)较不还田(F)显著增加冬季和后续稻季土壤的CH4产生潜力、土壤溶液中CH4浓度和稻田CH4排放通量,而冬季排水条件下秸秆还田(DS)较不还田(D)对它们无明显影响。稻季CH4平均排放通量与平均土壤Eh、平均CH4产生潜力、溶液中平均CH4浓度显著相关(P＜0.01)。各处理之间的CH4氧化潜力无明显差异,说明冬季水分管理和秸秆还田对CH4氧化影响不大,而土壤中铵氮含量和土温对其影响可能更加明显。相关分析表明,土温和土壤CH4氧化潜力显著正相关(P＜0.05)。冬季FS稻田排放δ13CH4值较F稻田相对偏低7‰,稻季各处理间差异较小。
在冬季,乙酸发酵产CH4处于主导地位,土壤的平均fac值在70%以上,但FS较F降低平均fac值11%。土壤溶液中的平均fac值(约为55%)明显比土壤的小,这可能与它们的产甲烷优势菌不同有关;FS较F土壤的平均fox值低10%,但它们都在60%以上。在稻季,FS土壤的平均fac值最大(65%),随后依次是F(64%)、DS(61%)和D(56%);恰好相反,FS土壤的平均fox值最小(24%),随后依次是F(32%)、DS(50%)和D(54%)。与冬季秸秆不还田相比,淹水条件下秸秆还田显著增加CH4产生并降低fox值,从而显著提高稻田CH4排放;排水条件下秸秆还田对CH4产生和fox值均无明显影响,于是对稻田CH4排放影响不大。
与不施尿素相比,施用尿素降低土壤CH4产生潜力,并推迟其达到最大值的时间;尿素做为基肥和穗肥施用抑制土壤CH4氧化,而做为分蘖肥施用短暂地促进然后抑制土壤CH4氧化;施用尿素减少稻田CH4排放量8.6%。施用尿素通过同时影响CH4产生潜力和氧化潜力来影响稻田CH4排放。