稻田养萍对甲烷和氧化亚氮排放的影响及其机理研究

萍是固氮蓝藻与蕨类植物的共生体，广泛分布于稻田、湖泊及沼泽等水生生态系统。稻田养萍是亚洲、非洲的许多发展中国家广泛采用的一项肥田改土的农业耕作措施。稻田是温室气体甲烷（CH_4）和氧化亚氮（N_2O）的重要排放源。本文采用田间试验、盆栽试验及实验室模拟相结合的研究方法，首次系统地研究了稻田养萍对CH_4和N_2O排放的影响及其机理，得到下述主要结果：1、田间观测结果表明，稻田全年累计（5月28日-11月7日）CH_4排放量为：139.1kgCH_4·ha~(-1)（不放萍处理）、247.4kgCH_4·ha~(-1)（放萍处理）。全年累计（3月1日到11月7日）N_2O排放总量为：1.76kgN_2Oha~(-1)（不放萍处理）、2.42kgN_2Oha~(-1)（放萍处理）。稻田养萍使CH_4排放量增加约80%，N_2O排放量增加约40%，当年放萍与连年放萍无显著差别。稻田的CH_4排放只发生在淹水期，而N_2O的排放主要发生在非淹水期。淹水期不放萍处理的N_2O排放为-1.6gN_2Oha~(-1)，而放萍处理为170gN_2Oha~(-1)，只占全年总排放量的7%。2、稻田释放的CH_4和N_2O来自于土壤的微生物过程，而CH_4和N_2O的排放量是受产生、氧化和传输等多种过程影响的综合结果。机理研究表明：1）稻田养萍对参与CH_4、N_2O排放的相关微生物菌群数量影响较水，对CH_4、N_2O排放的促进主要来自于对相关微生物活性的影响和使气体从土壤向大气传输效率提高。2）虽然稻田养萍使全年CH_4产生量减少，但由于放萍使土壤铵态氮浓度增加、N_2O浓度下降以及甲烷供应减少，使土壤表层甲烷氧化菌活性受性抑制，导致甲烷氧化数量减少，排放量增多。不放萍稻田产生的甲烷，70%在释放到大气前被氧化掉了，而放萍稻田产生的甲烷只有32%被氧化。3）放萍提高了甲烷从土壤向大气的传输效率：一方面，萍在旺盛生长期通过蒸腾作用将水层中溶解的甲烷向大气输送；另一方面，通过改变土壤的理化性质，使水稻的通气组织发达，提高了气体的传输效率。4）放萍对淹水期N_2O排放的促进来自于土壤铵态氮浓度提高而导致的N_2O产生量的增加，以及萍的蒸腾作用促进了溶解在水中的N_2O向大气的排放。对非淹水期N_2O排放的促进作用主要来自土壤结构的改善使土壤中产生的N_2O易于向大气扩散。5）盆栽试验和模拟试验还表明，养萍对不施肥的淹水土壤的CH_4和N_2O排放影响不同：放萍无论是在种稻土壤还是不种稻土壤都降低N_2O的排放，甚至表现为吸收；对不种稻土壤的甲烷排放起促进作用，而对种稻土壤的甲烷排放无明显影响。萍的输导作用受光照强度和水中CH_4和N_2O的溶解量的影响。新鲜经萍施入土壤中后，极大提高土壤的N_2O排放，而风干后在土壤含水量较大时施入，则可明显减少N_2O的排放。萍在水生生态系统温室气体排放中的作用应给予充分考虑。