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通过结合土壤改良剂的应用来减轻温室气体排放规模：温带和亚热带水稻田土壤之间的比较研究

Muhammad Alam Ali,P.J.Kim,K.Inubushi

要点

• 水稻土壤中含有有机和无机改良剂的蓝藻能够有效地控制产量和温室气体排放。
• 硅酸盐渣和磷石膏修正剂以及蓝藻固氮菌显著减少季节性CH₄浓度
• 生物炭应用显著减少了N₂O排放，并最终通过蓝藻接种降低了8.0-12.0%的全球变暖潜力。.
• 使用蓝藻固氮菌加硅酸盐渣修正剂后，GWP的最大下降幅度为22.0-30.0%。.
• NPK处理的单位粮食产量温室气体的演变最高，在硅酸盐渣和磷石膏修正剂以及接种了蓝藻的水稻种植土壤中减少了43-50%。

A R T I C L E I N F O

Article history:

Received 8 January 2015

Received in revised form 8 April 2015 Accepted 24 April 2015

Available online 23 May 2015 Editor: D. Barcelo

Keywords:

Azolla-cyanobacteria

Biochar

Phosphogypsum

Silicate slag

CH4

N2O

GWPs

Paddy soils

摘要

研究了不同土壤改良剂对韩国、日本和孟加拉国稻田土壤甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）排放、全球变暖潜能（GWP）和产量标度GWPs的影响。实验处理分别为：NPK、NPK 粉煤灰、NPK 硅酸盐渣、NPK 磷石膏（PG）、NPK 高炉渣（BFS）、NPK 回转炉渣（RFS）、NPK 硅酸盐渣（50%） RFS（50%）、NPK 生物炭、NPK 生物炭 偶氮蓝藻、NPK 硅酸盐渣 偶氮蓝藻、NPK 磷石膏（PG） 偶氮蓝藻。日本和孟加拉国水田土壤中蓝藻和磷石膏改良剂的累积季节性CH₄排放量分别减少了29.7%和32.6%，其次是硅酸盐渣和蓝藻的施用分别减少了22.4%和26.8%。日本和孟加拉国稻田土壤中的生物炭改良剂使季节性累积N₂O排放量分别减少了31.8%和20.0%，随后生物炭加偶氮蓝藻改良剂减少了26.3%和25.0%。尽管使用生物炭修正剂时，季节性累积CH₄排放量显著增加了9.5-14.0%，但是使用蓝藻接种加生物炭修正剂后，全球变暖潜能降低了8.0-12.0%。用蓝藻固氮菌加硅酸盐渣修正剂计算的最大GWP下降率为22.0-30.0%。NPK处理的单产温室气体（产量标度GWP）的排放量最高，硅酸盐渣和磷石膏改良剂与蓝藻接种水稻土相比，降低了43-50%。最后，建议在温带和亚热带国家水稻种植土壤中加入蓝藻和无机和有机改良剂，以降低GWP和产量。

copy; 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

* Correspondence to: M.A. Ali, Dept. of Environmental Science, Bangladesh Agricultural University, Mymensingh 2202, Bangladesh.

⁎⁎ Corresponding author.

E-mail addresses: litonaslam@yahoo.com (M.A. Ali), pjkim@nongae.gsnu.ac.kr (P.J. Kim)

http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.04.090

0048-9697/copy;2015 Elsevier B.V.All rights reserved

1.介绍

由于人为活动，大气中二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）的浓度显著增加。CH4占总辐射力的15-20%，GWP是二氧化碳（CO₂）的25倍，而一氧化二氮（N₂O）的蓄热能力是二氧化碳的298倍，占当前全球变暖的6-8%（IPCC，2007年）。在2005年全球温室气体（GHG）排放量估计的主要贡献者中，氮输入和水稻种植是农业土壤温室气体排放的主要原因（Mosier等人，2006年；Smith等人，2007年）。根据水稻耕作制度、土壤有机质含量、土壤湿度、土壤氧化还原状态、土壤微生物活性、氮肥和有机材料的外源施用（Doran和Smith，1987年；Balesdent等人，2000年；Akiyama等人，2006年；Synder等人，2000年；Akiyama等人，2006年；Synder等人，2009年）。一氧化二氮是通过硝化和反硝化作用在土壤中自然产生的（Davidson等人，1986年），这明显受氮（N）施肥的影响。

硅酸盐渣是钢铁工业的副产品，用于生产硅酸盐肥料，其中含有大量的可用硅酸盐、游离铁和锰氧化物，可作为电子受体。韩国稻田土壤的平均pH值一般为5.6，可用二氧化硅（SiO2）含量分别为72 mg kg-1（低于pH6.0–6.5的最佳范围）和130–180 mg kg-1（RDA，1999年）。磷石膏是磷肥制造业的副产品，是一种很好的土壤改良剂，主要补充水稻种植所需的钙和硫。磷石膏中硫酸盐的高含量可能会阻止甲烷的形成以及CH₄的排放，这是由于基质（氢或乙酸盐）的竞争对手比产甲烷菌更强（Hori等人，1990年、1993年；Lindau等人，1994年）。另一种可行的土壤改良剂是生物炭，一种

Fig. 1. Trends of CH4 flux and soil redox potentials (soil Eh) during rice cultivation under different amendments (note: error bars indicate standard deviation among the mean values).

含有高浓度有机碳、高孔隙（Liang等人，2006年）和对土壤中微生物降解的更强抵抗力（Cheng等人，2008年）的木炭。除了提高土壤肥力和水稻生产力的潜力外，生物炭还可能有助于减少温室气体排放，并增加土壤中的碳封存（LEhmann和Rondon，2006年；Zhang等人，2010年；Bruun等人，2011年）。虽然在孟加拉国还没有将硅酸盐肥料引入农民水平，但韩国和日本农民长期以来一直在使用硅酸盐肥料。在过去几十年中，中国的各种农业生态系统广泛开展了一系列长期的实地试验（Liu等人，2010年），主要涉及不平衡的无机肥或无机/有机肥组合对土壤性质和作物生长的影响以及对温室气体排放的潜在后果（Zhang等人，2012年）。蓝藻或蓝绿藻（属于念珠菌属、项圈藻、单歧藻和管链藻）固定大气氮并且用作旱地和低地条件下种植的水稻作物的接种剂。项圈藻与水蕨共同控制着高达60 kg 每公顷每季的氮，同时也使土壤富含有机物（Moore，1969年）。此外，蓝藻有助于维持和积累土壤肥力，因此作为一种天然生物肥料，增加了水稻的生长和产量（Song等人，2005年）。Prasanna等人（2002年）还报告了蓝藻对降低甲烷的顶部空间浓度的有益作用，因为较高的溶解氧浓度增强了甲烷在源头的氧化作用。因此，在本研究中，研究了有机（生物炭）和无机改良剂（矿渣型硅酸盐肥料、飞灰、磷石膏）与蓝藻固氮菌（生物改良剂）对温带（韩国、日本）和亚热带（孟加拉国）水稻土甲烷和一氧化二氮排放、GWPs和产量标度GWP的联合效应。

2.材料和方法

Fig. 2. Trends of N2O flux and DO concentrations during rice cultivation under different soil amendments (note: error bars indicate standard deviation among the mean values)

2.1水稻土、土壤改良剂和试验装置

对韩国、日本和孟加拉国的水稻土进行了不同土壤改良剂的盆栽试验。表1中提到了所选水稻土的特性。在韩国，试验性处理如T1:NPK；T2:NPK 粉煤灰（4 g/罐，即2000 kg ha^-1）；T3:NPK CaSiO₃渣（4 g/罐；2000 kg ha^-1）；T4:NPK PG（4 g/罐，2000 kg ha^-1）T5:NPK BFS（4g/罐）；T6:NPK RFS（4g/pot）；和T7:NPK BFS（2g/罐，50%） RFS（2 g/罐，50%）。在日本，实验处理为T1:NPK；T2:NPK 生物炭（4g/罐，即2000 kg ha^-1）；T3:NPK 硅酸盐渣（4 g/罐；2000 kg ha^-1）；T4:NPK 磷石膏，PG（4 g/罐，2000 kg ha^-1）；T5:NPK 生物炭（4 g/罐） 偶氮（10 g新鲜wt/罐）蓝藻；T6:NPK 硅酸盐渣（4 g/罐） 偶氮（10 g新鲜wt./壶）蓝藻；T7:NPK 磷石膏，PG（4 g/壶，2000 kg ha^-1） 偶氮（10 g新鲜wt/壶）蓝藻。孟加拉国的水稻土和日本的水稻土进行了同样的七次处理试验。实验采用因子随机分组设计，每种治疗重复三次。水稻移栽前，根据建议（P₂O₅:K₂O=40:30 kg ha^-1），在盆栽土壤中添加钾肥（KCl）的基肥三重过磷酸钙和钾肥（KCl）。水稻秧苗移栽前，在盆栽土壤中添加三分之一的氮肥，其余部分在分蘖期（移栽后4周）和穗部萌生期（移栽后6周）通过两次等分施用。在韩国、日本和孟加拉国分别将21日龄的水稻品种Dongjinbyeo（粳稻型）、Koshi Hi-Kari（粳稻型）和Brri Dhan 29（籼稻型）的幼苗移植到试验盆栽中。在水稻分蘖期移栽时，在盆栽盆栽中提供灌溉水，使静水位保持在5厘米左右，然后在生产分蘖期排出，然后在繁殖期重新注入，在灌浆期进行间歇注入。最后，在水稻收割前两周停止灌溉。

2.2气体取样

采用密闭室法（Ali等人，2008年）测量水稻种植盆的甲烷和一氧化二氮排放量。在气体采样期间，将直径21 cm、高度100 cm的圆柱形丙烯酸室放置在水稻种植盆的底座上。透明丙烯酸室中的空气样品在放置在水稻种植盆上后每隔0、15和30分钟使用50 ml气密注射器收集，并转移到用丁基橡胶隔膜停止的真空瓶中。每周进行一次天然气取样，每天进行3次（8.00–12.00–16.00），以获得作物季节的平均CH₄和N₂O排放量。

2.3 CH4和N2O浓度的测量

用气相色谱法（日本岛津GC-2014）测定采集的空气样品中的CH₄和N₂O浓度，气相色谱法装有火焰离子化检测器（FID）和电子捕获检测器（ECD）。以氮气净化气作为CH₄的载气，氩气和甲烷（Ar-CH₄）的混合气作为N₂O的载气，用两个不锈钢柱分离氧化亚氮，用80-100目Porapak Q填充，并用ECD检测。氢火焰离子化检测器检测到CH₄。在100°C下操作烘箱，在300°C下操作ECD，在200°C下操作FID。根据3个样品中混合比变化的斜率，在室关闭后的0、15和30分钟内测量通量。从三联罐中计算平均流量和标准偏差。

Note: GWP (global warming potential) of CH4 and N2O was calculated by multiplying 25 and 298 times on seasonal CH4 and N2O fluxes, respectively; The IPCC GWP factors (mass basis, kg CO2-equivalent haminus;1) for CH4 and N2O are 25 and 298 in the time horizon of 100 years, respectively (Forster et al., 2007); yield scaled GWP (kg CO2-equivalent kgminus;1 grain yield) was calculated by dividing GWPs of CH4 and N2O emissions by rice yield. Dif

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