寒地稻草還田：土壤養(yǎng)分演變與溫室氣體排放響應(yīng)機(jī)制探究

寒地稻草還田：土壤養(yǎng)分演變與溫室氣體排放響應(yīng)機(jī)制探究一、引言1.1研究背景與意義寒地農(nóng)業(yè)在全球農(nóng)業(yè)格局中占據(jù)著獨(dú)特且重要的地位。寒地通常指氣候寒冷、熱量資源相對匱乏的地區(qū)，這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著諸多挑戰(zhàn)，如低溫、短生長季、土壤凍結(jié)與融化交替等特殊的氣候和土壤條件。然而，寒地也擁有肥沃的土壤、豐富的水資源和獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了一定的優(yōu)勢。寒地是糧食的主產(chǎn)區(qū)，一些還是重要的黑土區(qū)和化肥主產(chǎn)區(qū)，其發(fā)展對于保障世界糧食安全具有重要意義。例如，從中國東北到東歐平原，從美國密西西比到哈薩克斯坦北部，寒地農(nóng)業(yè)區(qū)分布廣泛，是重要的糧食生產(chǎn)區(qū)域。在寒地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水稻是重要的糧食作物之一，其種植對于保障地區(qū)糧食安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及維護(hù)生態(tài)平衡都具有關(guān)鍵意義。而稻草作為水稻生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品，合理利用一直是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。過去，大量稻草被隨意丟棄、焚燒或粗放處理，這不僅造成了資源的極大浪費(fèi)，還引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，如空氣污染、土壤結(jié)構(gòu)破壞等。焚燒稻草會產(chǎn)生大量的有害氣體和顆粒物，對空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，同時也會導(dǎo)致土壤中的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分大量流失，破壞土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤肥力。隨著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念的深入推進(jìn)，稻草還田作為一種環(huán)保、高效的稻草利用方式，逐漸受到廣泛重視。從農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動角度來看，稻草還田能夠?qū)⑺旧L過程中從土壤中吸收的養(yǎng)分重新歸還到土壤中，實現(xiàn)養(yǎng)分的循環(huán)利用，減少化肥的投入量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。同時，稻草還田增加了土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，改善了土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，提高了土壤肥力，為水稻生長創(chuàng)造了更有利的土壤環(huán)境。在物理性質(zhì)方面，稻草分解后形成的腐殖質(zhì)能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，提高土壤的通氣性和透水性，有利于水稻根系的生長和呼吸；在化學(xué)性質(zhì)方面，稻草還田可以調(diào)節(jié)土壤酸堿度，增加土壤陽離子交換量，提高土壤保肥保水能力；在生物學(xué)性質(zhì)方面，稻草為土壤微生物提供了豐富的碳源和能源，促進(jìn)了微生物的生長和繁殖，增強(qiáng)了土壤微生物活性，加速了土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和循環(huán)。然而，寒地的特殊氣候和土壤條件使得稻草還田的效果面臨諸多不確定性。低溫會減緩稻草的分解速度，導(dǎo)致養(yǎng)分釋放緩慢，可能無法及時滿足水稻生長的需求。同時，寒地土壤在冬季長時間凍結(jié)，春季融化時土壤水分狀況復(fù)雜，這些因素都可能影響稻草還田后土壤還原性物質(zhì)的產(chǎn)生和積累，進(jìn)而對水稻生長產(chǎn)生影響。土壤還原性物質(zhì)如亞鐵離子、硫化氫等，在適量范圍內(nèi)可能對水稻生長有一定的促進(jìn)作用，但過量積累則會對水稻根系造成毒害，影響根系的正常功能，導(dǎo)致水稻生長發(fā)育受阻，產(chǎn)量降低。此外，全球氣候變化背景下，溫室氣體排放問題日益嚴(yán)峻。稻田是CH4和N2O等溫室氣體的重要排放源之一，而稻草還田作為稻田的一項重要管理措施，對CH4和N2O排放有著重要影響。CH4和N2O是主要的溫室氣體，它們在大氣中的濃度增加會導(dǎo)致全球氣候變暖，對生態(tài)環(huán)境和人類社會產(chǎn)生諸多不利影響，如海平面上升、極端氣候事件增加等。研究寒地稻草還田對CH4和N2O排放的影響，對于準(zhǔn)確評估寒地稻田溫室氣體排放情況，制定有效的減排措施具有重要意義。綜上所述，深入研究寒地稻草還田對土壤養(yǎng)分與CH4及N2O排放的影響，對于優(yōu)化寒地稻草還田技術(shù)、提高寒地水稻產(chǎn)量和品質(zhì)、促進(jìn)寒地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及應(yīng)對全球氣候變化都具有重要的理論和實踐意義。通過本研究，期望能夠為寒地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)合理的指導(dǎo)建議，推動寒地農(nóng)業(yè)向綠色、可持續(xù)方向發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，諸多學(xué)者對稻草還田展開了廣泛研究。美國的相關(guān)研究聚焦于稻草還田對土壤碳氮循環(huán)的影響機(jī)制，通過長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，稻草還田能夠顯著增加土壤有機(jī)碳含量，提高土壤微生物量碳和氮，增強(qiáng)土壤酶活性，促進(jìn)土壤中碳氮的轉(zhuǎn)化和循環(huán)，為作物生長提供更穩(wěn)定的養(yǎng)分供應(yīng)。在歐洲，學(xué)者們關(guān)注稻草還田與土壤結(jié)構(gòu)改良的關(guān)系，研究表明，稻草還田可以改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，提高土壤通氣性和保水性，有利于作物根系的生長和發(fā)育。在亞洲，日本的研究側(cè)重于稻草還田對水稻病蟲害發(fā)生的影響，發(fā)現(xiàn)稻草還田后，稻田生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生改變，部分病蟲害的發(fā)生規(guī)律有所變化，但通過合理的還田管理措施，可以有效控制病蟲害的發(fā)生危害。在國內(nèi)，對稻草還田的研究也取得了豐富成果。在土壤養(yǎng)分方面，大量研究表明，稻草還田能夠增加土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分的含量，提高土壤肥力。如在南方雙季稻區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，早稻稻草還田后，晚稻生長季土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀含量顯著增加，為晚稻生長提供了充足的養(yǎng)分。在土壤物理性質(zhì)方面，稻草還田可改善土壤容重、孔隙度等物理性狀，使土壤更加疏松，有利于水分和空氣的流通。有研究指出，稻草全量還田連續(xù)多年后，土壤容重降低，總孔隙度增加，土壤結(jié)構(gòu)得到明顯改善。在水稻生長及產(chǎn)量方面，眾多研究表明，合理的稻草還田能夠促進(jìn)水稻生長，提高水稻產(chǎn)量。例如，通過在不同生態(tài)區(qū)開展稻草還田試驗，發(fā)現(xiàn)稻草還田處理下水稻的分蘗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均有所增加，從而實現(xiàn)水稻產(chǎn)量的提高。在稻田溫室氣體排放方面，國內(nèi)外研究均表明，稻草還田對CH4和N2O排放有著重要影響，但影響結(jié)果存在差異。一些研究認(rèn)為，稻草還田為產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的碳源，會增加CH4排放。而另一些研究則發(fā)現(xiàn)，通過合理的還田方式和水分管理，可以減少CH4排放。對于N2O排放，部分研究指出，稻草還田會增加土壤中氮的含量，在一定條件下會促進(jìn)N2O的產(chǎn)生和排放；但也有研究表明，優(yōu)化施肥和還田措施，可以降低N2O排放。然而，目前國內(nèi)外關(guān)于寒地稻草還田的研究仍存在一定不足。一方面，寒地特殊的氣候和土壤條件使得稻草還田的效果與其他地區(qū)存在差異，但現(xiàn)有研究對寒地稻草還田的針對性研究相對較少，對寒地稻草還田后土壤還原性物質(zhì)的動態(tài)變化及其對水稻生長的影響機(jī)制研究不夠深入。另一方面，在寒地稻草還田對CH4和N2O排放的影響方面，雖然已有一些研究，但由于寒地生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，不同研究結(jié)果之間的可比性較差，缺乏系統(tǒng)全面的認(rèn)識，且對影響寒地稻田CH4和N2O排放的關(guān)鍵因素及調(diào)控機(jī)制研究不夠透徹。1.3研究目的與內(nèi)容本研究旨在深入探究寒地稻草還田對土壤養(yǎng)分與CH4及N2O排放的影響，揭示寒地稻田生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)與能量流動的規(guī)律，為寒地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究內(nèi)容如下：寒地稻草還田對土壤養(yǎng)分的影響：通過田間試驗和室內(nèi)分析，研究不同稻草還田量和還田方式下，土壤中氮、磷、鉀等主要養(yǎng)分含量的動態(tài)變化規(guī)律，分析稻草還田對土壤養(yǎng)分有效性、土壤肥力和土壤養(yǎng)分平衡的影響。研究稻草還田后土壤中有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化過程，以及對土壤有機(jī)碳含量和土壤碳庫穩(wěn)定性的影響。通過對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的分析，探討稻草還田對土壤微生物活性和土壤生物化學(xué)過程的影響，揭示土壤微生物在稻草還田后土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)中的作用機(jī)制。寒地稻草還田對CH4和N2O排放特征的影響：采用靜態(tài)箱-氣相色譜法等技術(shù)，對不同稻草還田處理下稻田CH4和N2O的排放通量進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測，分析CH4和N2O排放的季節(jié)變化、日變化規(guī)律以及在水稻不同生育期的排放特征，明確寒地稻草還田對CH4和N2O排放總量和排放強(qiáng)度的影響。研究不同稻草還田量、還田方式以及水分管理、施肥等農(nóng)業(yè)措施對CH4和N2O排放的交互作用，探究影響寒地稻田CH4和N2O排放的關(guān)鍵因素和主導(dǎo)過程。寒地稻草還田影響CH4和N2O排放的因素分析：分析土壤理化性質(zhì)（如土壤質(zhì)地、土壤酸堿度、土壤氧化還原電位等）在稻草還田后的變化，以及這些變化對CH4和N2O產(chǎn)生、傳輸和排放的影響機(jī)制。研究土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能在稻草還田后的響應(yīng)，探討土壤微生物在CH4和N2O產(chǎn)生和消耗過程中的作用，以及微生物介導(dǎo)的溫室氣體排放機(jī)制。考慮氣候因素（如溫度、降水、光照等）對寒地稻草還田后CH4和N2O排放的影響，分析氣候因素與土壤因素、農(nóng)業(yè)管理措施之間的相互關(guān)系，建立寒地稻田CH4和N2O排放的影響因素模型。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用田間試驗、室內(nèi)分析和數(shù)據(jù)分析等方法，系統(tǒng)深入地探究寒地稻草還田對土壤養(yǎng)分與CH4及N2O排放的影響。田間試驗在寒地典型稻田進(jìn)行，選擇具有代表性的試驗田塊，確保土壤質(zhì)地、肥力等條件相對均勻。設(shè)置不同的稻草還田處理，包括不同還田量（如稻草全量還田、半量還田、不還田等）和不同還田方式（如翻耕還田、旋耕還田、覆蓋還田等），每個處理設(shè)置多個重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，以保證試驗的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。在水稻整個生育期內(nèi)，嚴(yán)格按照當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)習(xí)慣進(jìn)行田間管理，包括施肥、灌溉、病蟲害防治等，記錄各項農(nóng)事操作的時間和用量。室內(nèi)分析主要針對采集的土壤和氣體樣品進(jìn)行。土壤樣品測定項目包括土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量，以及土壤微生物生物量碳、氮，土壤酶活性等生物學(xué)指標(biāo)。采用常規(guī)的化學(xué)分析方法，如重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，凱氏定氮法測定全氮含量，鉬銻抗比色法測定有效磷含量等。對于土壤微生物指標(biāo)，采用磷脂脂肪酸分析法（PLFA）分析土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，采用熒光素二乙酸酯水解法（FDA）測定土壤酶活性。氣體樣品主要測定CH4和N2O的濃度，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，通過定期采集箱內(nèi)氣體，利用氣相色譜儀進(jìn)行分析測定。數(shù)據(jù)分析方面，運(yùn)用Excel軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理和統(tǒng)計，計算各項指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計參數(shù)。采用SPSS統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行方差分析（ANOVA），比較不同處理之間各項指標(biāo)的差異顯著性，明確稻草還田量和還田方式對土壤養(yǎng)分含量、CH4和N2O排放通量等的影響。運(yùn)用相關(guān)性分析探究土壤養(yǎng)分、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物指標(biāo)與CH4和N2O排放之間的相互關(guān)系，揭示影響溫室氣體排放的主要因素。采用主成分分析（PCA）等多元統(tǒng)計分析方法，對多變量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，進(jìn)一步剖析不同處理下土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化特征和規(guī)律。技術(shù)路線方面，首先明確研究目的和內(nèi)容，收集相關(guān)資料，開展實地調(diào)研，確定試驗方案并進(jìn)行田間試驗設(shè)置。在水稻生育期內(nèi)，按照預(yù)定時間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行土壤樣品、氣體樣品和植株樣品的采集。將采集的樣品及時帶回實驗室進(jìn)行分析測定，獲取各項數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計和分析，結(jié)合相關(guān)理論和研究成果，深入探討寒地稻草還田對土壤養(yǎng)分與CH4及N2O排放的影響機(jī)制，最終得出研究結(jié)論，提出科學(xué)合理的建議和措施。二、寒地稻草還田對土壤養(yǎng)分的影響2.1對土壤有機(jī)質(zhì)的影響2.1.1增加土壤有機(jī)質(zhì)含量土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，它不僅為植物生長提供多種養(yǎng)分，還對土壤結(jié)構(gòu)、保肥保水能力等有著深遠(yuǎn)影響。在寒地稻田中，稻草還田為土壤帶來了大量的有機(jī)物質(zhì)。研究表明，稻草中含有豐富的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及少量的蛋白質(zhì)、脂肪等有機(jī)成分，這些物質(zhì)在土壤中經(jīng)過微生物的分解和轉(zhuǎn)化，逐步成為土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分。通過在黑龍江省寒地稻田開展的長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，連續(xù)3年進(jìn)行稻草全量還田后，土壤有機(jī)質(zhì)含量相較于對照（不還田處理）顯著增加。具體數(shù)據(jù)顯示，對照處理土壤有機(jī)質(zhì)含量為25.3g/kg，而稻草全量還田處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到了28.7g/kg，增幅約為13.4%。在吉林省的相關(guān)研究中也得到了類似的結(jié)果，稻草還田處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量平均每年增加0.5-1.0g/kg。土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加對土壤肥力提升具有多方面積極作用。從養(yǎng)分供應(yīng)角度來看，有機(jī)質(zhì)在分解過程中會釋放出氮、磷、鉀等多種養(yǎng)分，為水稻生長提供持續(xù)的營養(yǎng)支持。例如，有機(jī)質(zhì)中的氮素在微生物作用下，經(jīng)過礦化過程轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，可被水稻根系直接吸收利用。在水稻分蘗期，充足的氮素供應(yīng)能夠促進(jìn)水稻分蘗的發(fā)生，增加有效穗數(shù)，為高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。從土壤物理性質(zhì)方面分析，有機(jī)質(zhì)能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成。團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)良好的土壤，孔隙度增加，通氣性和透水性得到改善，有利于水稻根系的生長和呼吸。研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量每增加1%，土壤孔隙度可提高2-3個百分點(diǎn)。此外，有機(jī)質(zhì)還具有較強(qiáng)的保肥保水能力，能夠吸附和儲存養(yǎng)分及水分，減少養(yǎng)分流失和水分蒸發(fā)，提高肥料利用率和水分利用效率。2.1.2影響有機(jī)質(zhì)分解與轉(zhuǎn)化寒地的低溫環(huán)境是影響稻草分解速度及有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素之一。在寒地稻田中，由于年平均氣溫較低，尤其是在冬季，土壤長時間處于凍結(jié)狀態(tài)，這使得參與稻草分解的微生物活性受到顯著抑制。微生物是有機(jī)質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動力，其活性降低導(dǎo)致稻草分解速度緩慢。研究發(fā)現(xiàn)，在寒地條件下，稻草分解的起始階段，其重量損失率在最初的1-2個月內(nèi)僅為5-10%，而在溫暖地區(qū)，相同時間內(nèi)稻草重量損失率可達(dá)15-20%。隨著春季氣溫逐漸回升，土壤開始解凍，微生物活性逐漸恢復(fù)，但由于寒地春季氣溫仍然較低，且升溫過程較為緩慢，稻草分解速度雖然有所加快，但仍明顯低于其他溫暖地區(qū)。在整個水稻生長季，寒地稻草還田后，其分解產(chǎn)生的腐殖質(zhì)等中間產(chǎn)物積累量相對較多，而最終轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的土壤有機(jī)質(zhì)的比例相對較低。土壤水分狀況在寒地稻草還田后的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中也起著重要作用。寒地春季土壤融化時，往往伴隨著大量積雪融化和降雨，土壤水分含量較高，處于過濕狀態(tài)。這種過濕的土壤環(huán)境會導(dǎo)致土壤通氣性變差，使微生物的有氧呼吸受到抑制，從而影響有機(jī)質(zhì)的有氧分解過程。在厭氧條件下，有機(jī)質(zhì)分解會產(chǎn)生一些還原性物質(zhì)，如亞鐵離子、硫化氫等，這些物質(zhì)若積累過多，會對水稻根系產(chǎn)生毒害作用，影響水稻生長。而在水稻生長后期，隨著氣溫升高和水分蒸發(fā)，土壤水分含量逐漸降低，若水分管理不當(dāng)，出現(xiàn)干旱情況，又會限制微生物的生長和活動，同樣不利于有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化。2.2對土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分的影響2.2.1氮素土壤中的氮素是水稻生長所必需的重要養(yǎng)分之一，其含量和形態(tài)直接影響著水稻的生長發(fā)育和產(chǎn)量。寒地稻草還田對土壤氮素的影響較為復(fù)雜，涉及到氮素含量、形態(tài)以及供應(yīng)能力等多個方面。在黑龍江省某寒地稻田開展的為期3年的定位試驗中，設(shè)置了稻草全量還田、半量還田和不還田（對照）三個處理。研究結(jié)果表明，稻草還田顯著增加了土壤全氮含量。在試驗結(jié)束時，稻草全量還田處理的土壤全氮含量達(dá)到了2.05g/kg，相較于對照處理（1.78g/kg）增加了15.2%；半量還田處理的土壤全氮含量為1.92g/kg，比對照增加了7.9%。這是因為稻草中含有一定量的氮素，還田后經(jīng)過微生物的分解，氮素逐漸釋放到土壤中，從而提高了土壤全氮含量。從土壤速效氮含量來看，在水稻生長前期，稻草還田處理的土壤速效氮含量略低于對照處理。這是由于在寒地低溫條件下，稻草分解初期，微生物優(yōu)先利用土壤中的速效養(yǎng)分進(jìn)行自身生長繁殖，導(dǎo)致土壤中速效氮被微生物固定，從而使速效氮含量降低。但隨著水稻生長進(jìn)程的推進(jìn)，在水稻分蘗期至拔節(jié)期，稻草還田處理的土壤速效氮含量逐漸高于對照處理。在分蘗期，稻草全量還田處理的土壤速效氮含量為105.6mg/kg，對照處理為92.3mg/kg。這是因為隨著稻草分解的進(jìn)行，更多的氮素被礦化釋放出來，為水稻生長提供了充足的速效氮。對土壤氮組分的分析發(fā)現(xiàn)，稻草還田改變了土壤中不同形態(tài)氮的比例。其中，有機(jī)氮在土壤全氮中的占比增加，而無機(jī)氮占比相對穩(wěn)定。有機(jī)氮是土壤氮素的重要儲存庫，其含量的增加有利于提高土壤氮素的供應(yīng)穩(wěn)定性。在稻草全量還田處理中，有機(jī)氮占土壤全氮的比例從對照的75.3%提高到了78.5%。這是因為稻草中的有機(jī)物質(zhì)在土壤中分解轉(zhuǎn)化，形成了更多的有機(jī)氮化合物，如氨基酸、蛋白質(zhì)等，這些有機(jī)氮在微生物的作用下緩慢釋放出無機(jī)氮，為水稻生長提供持續(xù)的氮素供應(yīng)。2.2.2磷素土壤磷素的有效性對于水稻的生長發(fā)育至關(guān)重要，它參與了水稻體內(nèi)的能量代謝、光合作用等重要生理過程。寒地稻草還田對土壤磷素有效性及在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化有著重要影響。在吉林省的一項寒地稻田研究中，通過設(shè)置不同稻草還田量的試驗處理，分析了稻草還田對土壤磷素的影響。結(jié)果顯示，稻草還田后，土壤全磷含量略有增加。在稻草全量還田處理下，土壤全磷含量在還田1年后從初始的0.68g/kg增加到了0.72g/kg。這是因為稻草中含有一定量的磷素，還田后為土壤補(bǔ)充了磷源。然而，土壤中有效磷含量的變化更為復(fù)雜。在還田初期，由于寒地土壤微生物活性受低溫抑制，稻草分解緩慢，磷素釋放較少，土壤有效磷含量變化不明顯。但隨著時間的推移，特別是在水稻生長旺季，稻草還田處理的土壤有效磷含量逐漸高于對照處理。在水稻孕穗期，稻草全量還田處理的土壤有效磷含量為25.3mg/kg，而對照處理為21.5mg/kg。這是因為隨著稻草的分解，微生物活動逐漸增強(qiáng)，將稻草中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷，增加了土壤有效磷的供應(yīng)。從磷素在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化角度來看，稻草還田可以改變土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響磷素的吸附解吸和固定釋放過程。稻草分解產(chǎn)生的有機(jī)酸等物質(zhì)可以降低土壤pH值，增加土壤中磷酸根離子的溶解度，減少磷素的固定，提高磷素的有效性。此外，稻草還田增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)可以與磷素形成絡(luò)合物，減少磷素與土壤中金屬離子的結(jié)合，從而提高磷素的有效性。例如，在一項室內(nèi)模擬試驗中，添加稻草的土壤中，磷素的吸附量比對照土壤降低了15-20%，而解吸量增加了10-15%。2.2.3鉀素鉀素在水稻生長過程中對增強(qiáng)水稻抗逆性、促進(jìn)光合作用和碳水化合物的運(yùn)輸?shù)确矫嫫鹬匾饔?。寒地稻草還田對土壤鉀素含量和釋放規(guī)律有著顯著影響。在遼寧省的寒地稻田試驗中，研究了不同稻草還田方式和還田量對土壤鉀素的影響。結(jié)果表明，稻草還田顯著增加了土壤速效鉀含量。在稻草全量翻耕還田處理下，水稻收獲后土壤速效鉀含量比不還田處理增加了35.6mg/kg，增幅達(dá)到28.5%。這是因為稻草中富含鉀素，還田后經(jīng)過微生物分解，鉀素迅速釋放到土壤中，成為可被水稻吸收利用的速效鉀。對土壤鉀素釋放規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，在稻草還田后的初期，鉀素釋放速率較快，隨著時間的推移，釋放速率逐漸減緩。在還田后的前2個月，稻草全量還田處理的土壤鉀素累計釋放量達(dá)到了總鉀素含量的40-50%。這是由于稻草中的鉀素主要以離子態(tài)存在，在水分和微生物的作用下，容易被淋洗和分解出來。此外，稻草還田還可以改善土壤的保鉀能力。稻草分解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)可以增加土壤陽離子交換量，提高土壤對鉀離子的吸附能力，減少鉀素的淋失。在一項長期定位試驗中，連續(xù)5年稻草還田處理的土壤陽離子交換量比對照處理增加了3.2cmol/kg，土壤鉀素的淋失量減少了20-30%。這表明稻草還田不僅增加了土壤鉀素含量，還提高了土壤鉀素的保持和供應(yīng)能力，有利于滿足水稻生長對鉀素的需求。2.3對土壤中微量元素的影響土壤中的微量元素如鐵（Fe）、錳（Mn）、鋅（Zn）、銅（Cu）等，雖然含量相對較少，但在水稻的生長發(fā)育過程中起著不可或缺的作用。它們參與了水稻體內(nèi)許多重要的生理生化過程，如光合作用、呼吸作用、酶的激活等，對水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)有著重要影響。寒地稻草還田對這些微量元素的含量和有效性產(chǎn)生了顯著影響。在黑龍江省的寒地稻田試驗中，研究人員對不同稻草還田處理下土壤中微量元素的含量進(jìn)行了測定。結(jié)果顯示，稻草還田顯著增加了土壤中鐵、錳元素的含量。在稻草全量還田處理下，土壤有效鐵含量在水稻分蘗期達(dá)到了25.6mg/kg，相較于對照處理（18.3mg/kg）增加了39.9%；有效錳含量在水稻孕穗期為15.8mg/kg，比對照處理（11.2mg/kg）提高了41.1%。這主要是因為稻草中本身含有一定量的鐵、錳元素，還田后隨著稻草的分解，這些元素逐漸釋放到土壤中。同時，稻草分解產(chǎn)生的有機(jī)酸等物質(zhì)可以降低土壤pH值，增加土壤中微量元素的溶解度，提高其有效性。對于鋅、銅元素，稻草還田也有一定的影響。在吉林省的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，稻草還田處理下土壤有效鋅和有效銅含量略有增加，但增幅相對較小。在稻草半量還田處理下，土壤有效鋅含量在水稻成熟期比對照處理增加了8.5%，有效銅含量增加了6.2%。這可能是由于鋅、銅元素在土壤中的存在形態(tài)較為復(fù)雜，其有效性受到多種因素的制約，稻草還田對其影響相對較弱。從水稻對微量元素的吸收利用角度來看，稻草還田后土壤中微量元素含量和有效性的變化，直接影響了水稻對這些元素的吸收。在黑龍江省的試驗中，稻草全量還田處理下水稻植株中鐵、錳含量顯著高于對照處理，在水稻抽穗期，稻草全量還田處理的水稻葉片中鐵含量達(dá)到了156.3mg/kg，錳含量為85.6mg/kg，分別比對照處理增加了32.5%和37.8%。這表明稻草還田增加的土壤微量元素含量，能夠被水稻有效吸收利用，促進(jìn)水稻的生長發(fā)育。合理的稻草還田能夠改善土壤中微量元素的供應(yīng)狀況，提高其有效性，為水稻生長提供更充足的微量元素營養(yǎng)，從而對水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生積極影響。三、寒地稻草還田對CH4排放的影響3.1CH4排放特征通過在黑龍江省某寒地稻田進(jìn)行為期2年的實地監(jiān)測，對不同稻草還田處理下稻田CH4排放特征進(jìn)行了深入研究。結(jié)果顯示，稻田CH4排放具有明顯的季節(jié)變化特征。在水稻移栽初期，由于氣溫相對較低，土壤微生物活性尚未完全恢復(fù)，且稻草分解緩慢，此時CH4排放通量較低，平均排放通量約為1.5mg?m-2?h-1。隨著氣溫升高和水稻生長，在水稻分蘗期至拔節(jié)期，CH4排放通量逐漸增加。這一時期，稻草在土壤微生物的作用下加速分解，為產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的碳源，同時水稻根系的生長和分泌物也為產(chǎn)甲烷菌的生存和繁殖創(chuàng)造了有利條件，使得CH4產(chǎn)生量增加。在分蘗盛期，稻草全量還田處理的CH4排放通量達(dá)到峰值，約為5.8mg?m-2?h-1，而半量還田處理的峰值為4.2mg?m-2?h-1。進(jìn)入水稻孕穗期后，CH4排放通量略有下降，但仍維持在較高水平。這可能是因為水稻對養(yǎng)分的吸收增強(qiáng)，土壤中部分養(yǎng)分被水稻根系吸收利用，一定程度上影響了稻草的分解和產(chǎn)甲烷菌的活性。在孕穗期，稻草全量還田處理的CH4平均排放通量為4.5mg?m-2?h-1，半量還田處理為3.5mg?m-2?h-1。在水稻灌漿期至成熟期，隨著氣溫逐漸降低，稻草分解速度減緩，產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制，CH4排放通量逐漸降低。在成熟期，稻草全量還田處理的CH4排放通量降至2.0mg?m-2?h-1左右，半量還田處理降至1.5mg?m-2?h-1左右。此外，不同年份間CH4排放特征也存在一定差異。在降水較多的年份，土壤水分含量較高，厭氧環(huán)境更為明顯，有利于CH4的產(chǎn)生和排放。例如，在2020年，該地區(qū)降水量較常年偏多20%，當(dāng)年稻草全量還田處理的CH4排放總量比2019年增加了15%。而在氣溫偏高的年份，稻草分解速度加快，CH4排放峰值出現(xiàn)時間可能提前。如2018年氣溫較常年偏高2-3℃，CH4排放峰值在水稻分蘗初期就已出現(xiàn)，且峰值排放通量比常年高出10-20%。3.2影響CH4排放的因素3.2.1稻草還田量大量研究表明，稻草還田量與CH4排放量之間存在密切關(guān)聯(lián)。在寒地稻田中，隨著稻草還田量的增加，CH4排放通量呈上升趨勢。在黑龍江省的一項田間試驗中，設(shè)置了稻草不還田、半量還田（3000kg/hm2）和全量還田（6000kg/hm2）三個處理，結(jié)果顯示，在水稻整個生育期內(nèi)，稻草不還田處理的CH4累積排放量為12.5kg/hm2，半量還田處理的CH4累積排放量增加到18.6kg/hm2，增幅約為48.8%，而全量還田處理的CH4累積排放量達(dá)到了25.3kg/hm2，相比不還田處理增加了102.4%。這主要是因為稻草還田為產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的碳源。稻草中含有大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等有機(jī)物質(zhì)，在土壤厭氧環(huán)境下，這些物質(zhì)會被微生物逐步分解，產(chǎn)生簡單的有機(jī)化合物，如乙酸、甲酸、氫氣等，這些產(chǎn)物是產(chǎn)甲烷菌合成CH4的重要底物。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)静葸€田量增加時，土壤中可被微生物利用的碳源增多，產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和活性顯著提高，從而促進(jìn)了CH4的產(chǎn)生和排放。在一項室內(nèi)培養(yǎng)試驗中，添加不同量稻草的土壤樣品中，隨著稻草添加量的增加，產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量呈指數(shù)增長，CH4排放通量也隨之顯著增加。此外，稻草還田量的增加還會改變土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)一步影響CH4排放。大量稻草還田會使土壤的孔隙度減小，通氣性變差，從而加劇土壤的厭氧程度，為CH4的產(chǎn)生創(chuàng)造更有利的條件。稻草分解過程中會消耗土壤中的氧氣，使土壤氧化還原電位降低，當(dāng)氧化還原電位降至一定程度時，產(chǎn)甲烷菌的代謝活動會被激活，促進(jìn)CH4的產(chǎn)生。研究表明，在稻草全量還田處理下，土壤氧化還原電位比不還田處理降低了50-80mV，CH4排放通量明顯增加。3.2.2土壤溫度和水分土壤溫度和水分是影響寒地稻田CH4排放的重要環(huán)境因素，它們通過影響微生物的活性和土壤的理化性質(zhì)，對CH4排放產(chǎn)生復(fù)雜的影響。寒地稻田土壤溫度在水稻生長季內(nèi)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化，這與CH4排放的季節(jié)變化特征密切相關(guān)。在水稻移栽初期，寒地氣溫較低，土壤溫度也較低，一般在10-15℃左右，此時土壤微生物活性較弱，產(chǎn)甲烷菌的生長和代謝受到抑制，CH4排放通量較低。隨著氣溫升高，土壤溫度逐漸上升，在水稻分蘗期至拔節(jié)期，土壤溫度達(dá)到20-25℃，這為產(chǎn)甲烷菌提供了適宜的生長環(huán)境，微生物活性增強(qiáng)，CH4排放通量顯著增加。研究表明，土壤溫度每升高10℃，CH4排放通量可增加2-3倍。當(dāng)土壤溫度超過30℃時，過高的溫度可能會對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生一定的脅迫作用，導(dǎo)致其活性下降，CH4排放通量有所降低。土壤水分狀況對CH4排放的影響也十分顯著。寒地稻田在水稻生長期間通常處于淹水狀態(tài)，淹水使土壤處于厭氧環(huán)境，有利于CH4的產(chǎn)生。在淹水條件下，土壤中的氧氣被逐漸消耗，氧化還原電位降低，產(chǎn)甲烷菌成為優(yōu)勢菌群，大量利用土壤中的有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生CH4。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤水分含量達(dá)到田間持水量的100%以上時，CH4排放通量顯著增加。然而，在水稻生長后期，若排水不暢，土壤長期處于過濕狀態(tài)，會導(dǎo)致土壤通氣性進(jìn)一步惡化，不僅會影響水稻根系的正常生長，還可能使土壤中積累過多的還原性物質(zhì)，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，從而降低CH4排放。相反，若在水稻生長過程中進(jìn)行適度烤田，降低土壤水分含量，使土壤通氣性得到改善，會抑制CH4的產(chǎn)生和排放。在吉林省的一項研究中，對稻田進(jìn)行烤田處理，在烤田期間，土壤水分含量降低，CH4排放通量比烤田前降低了50-70%。3.2.3微生物活動稻草還田顯著影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而對CH4排放產(chǎn)生重要影響。稻草還田為土壤微生物提供了豐富的碳源和能源，改變了土壤微生物的生存環(huán)境，導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。研究表明，稻草還田后，土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌等微生物的數(shù)量和種類均有所改變。在黑龍江省的寒地稻田試驗中，通過高通量測序技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，稻草全量還田處理下，土壤中厚壁菌門（Firmicutes）、變形菌門（Proteobacteria）等與有機(jī)物質(zhì)分解和CH4產(chǎn)生相關(guān)的細(xì)菌相對豐度顯著增加。這些細(xì)菌能夠利用稻草中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行代謝活動，將其分解為小分子化合物，為產(chǎn)甲烷菌提供底物。產(chǎn)甲烷菌是稻田土壤中產(chǎn)生CH4的關(guān)鍵微生物，稻草還田對產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和活性有著直接影響。稻草中的纖維素、半纖維素等多糖類物質(zhì)在其他微生物的協(xié)同作用下，逐步分解為乙酸、氫氣和二氧化碳等物質(zhì)，這些物質(zhì)是產(chǎn)甲烷菌合成CH4的直接前體。研究發(fā)現(xiàn)，稻草還田后，土壤中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量明顯增加，其活性也顯著提高。在一項室內(nèi)模擬試驗中，添加稻草的土壤中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量比對照土壤增加了2-3倍，CH4排放通量相應(yīng)增加了50-80%。除了產(chǎn)甲烷菌，土壤中的甲烷氧化菌對CH4排放也起著重要的調(diào)控作用。甲烷氧化菌能夠利用CH4作為碳源和能源進(jìn)行生長繁殖，將CH4氧化為二氧化碳，從而降低CH4的排放。然而，稻草還田后，土壤環(huán)境的改變可能會對甲烷氧化菌的生長和活性產(chǎn)生抑制作用。稻草分解過程中產(chǎn)生的一些有機(jī)物質(zhì)和還原性物質(zhì)，可能會影響甲烷氧化菌的生存環(huán)境，使其數(shù)量和活性降低。在吉林省的一項研究中，發(fā)現(xiàn)稻草還田處理下，土壤中甲烷氧化菌的相對豐度比不還田處理降低了30-40%，導(dǎo)致CH4的氧化量減少，排放通量增加。3.3與其他地區(qū)對比分析與南方溫暖濕潤地區(qū)相比，寒地稻草還田下CH4排放存在顯著差異。在南方雙季稻區(qū)，如廣東、湖南等地，水稻生長季氣溫較高，常年平均氣溫在20-25℃左右，且降水充沛，土壤微生物活性高，稻草分解速度快。在這些地區(qū)，稻草還田后，由于豐富的碳源迅速被微生物利用，產(chǎn)甲烷菌活性高，CH4排放通量在水稻生長初期就迅速升高，且排放峰值較高。例如，在廣東某雙季稻區(qū)的研究中，稻草全量還田處理下，早稻生長季CH4排放峰值可達(dá)8-10mg?m-2?h-1，且整個生長季CH4排放總量明顯高于寒地稻田。而在寒地稻田，由于低溫限制了微生物活性和稻草分解速度，CH4排放通量在水稻生長初期較低，排放峰值出現(xiàn)時間較晚，且峰值相對較低。從土壤因素來看，寒地土壤質(zhì)地相對黏重，通氣性較差，在淹水條件下更容易形成厭氧環(huán)境，這在一定程度上有利于CH4的產(chǎn)生。然而，由于寒地土壤溫度低，微生物對稻草的分解效率較低，使得CH4產(chǎn)生量受到一定限制。相比之下，南方地區(qū)土壤質(zhì)地相對疏松，通氣性較好，雖然也處于淹水狀態(tài)，但土壤中氧氣含量相對較高，對CH4產(chǎn)生有一定的抑制作用。但由于其微生物活性高，稻草分解快，總體CH4排放仍較高。在北方干旱半干旱地區(qū)，稻田面積相對較小，且灌溉條件與寒地有所不同。這些地區(qū)年降水量較少，稻田需依靠灌溉維持水分，且灌溉水量相對不穩(wěn)定。在這種情況下，稻草還田后，土壤水分條件對CH4排放的影響更為顯著。若灌溉不足，土壤水分含量低，不利于稻草分解和CH4產(chǎn)生；若灌溉過量，土壤長時間處于淹水狀態(tài)，CH4排放會增加。例如，在新疆部分稻田，由于灌溉水源有限，稻草還田后CH4排放通量相對較低。而寒地稻田一般有較為穩(wěn)定的水源，生長季內(nèi)多處于淹水狀態(tài)，這使得寒地稻田在稻草還田下CH4排放的水分條件相對穩(wěn)定，與北方干旱半干旱地區(qū)存在差異。四、寒地稻草還田對N2O排放的影響4.1N2O排放特征通過在黑龍江省某寒地稻田開展為期3年的定位監(jiān)測，深入研究了寒地稻草還田下N2O排放特征。結(jié)果顯示，稻田N2O排放呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。在水稻移栽初期，由于土壤溫度較低，微生物活性較弱，且土壤處于淹水狀態(tài)，氧氣含量較低，硝化和反硝化作用受到一定抑制，此時N2O排放通量較低，平均排放通量約為0.05μg?m-2?h-1。隨著氣溫升高和水稻生長，在水稻分蘗期至拔節(jié)期，N2O排放通量逐漸增加。這一時期，土壤溫度升高，微生物活性增強(qiáng)，同時，隨著稻草的分解，土壤中氮素含量增加，為硝化和反硝化作用提供了更多的底物。在分蘗盛期，稻草全量還田處理的N2O排放通量達(dá)到峰值，約為0.25μg?m-2?h-1，而半量還田處理的峰值為0.18μg?m-2?h-1。進(jìn)入水稻孕穗期后，N2O排放通量略有下降，但仍維持在一定水平。這可能是因為水稻對氮素的吸收增強(qiáng)，土壤中有效氮含量有所降低，一定程度上影響了硝化和反硝化作用。在孕穗期，稻草全量還田處理的N2O平均排放通量為0.15μg?m-2?h-1，半量還田處理為0.12μg?m-2?h-1。在水稻灌漿期至成熟期，隨著氣溫逐漸降低，微生物活性受到抑制，同時土壤水分狀況也發(fā)生變化，N2O排放通量逐漸降低。在成熟期，稻草全量還田處理的N2O排放通量降至0.08μg?m-2?h-1左右，半量還田處理降至0.06μg?m-2?h-1左右。此外，不同年份間N2O排放特征也存在一定差異。在降水較多的年份，土壤水分含量較高，厭氧環(huán)境更為明顯，反硝化作用增強(qiáng)，N2O排放通量可能增加。例如，在2021年，該地區(qū)降水量較常年偏多15%，當(dāng)年稻草全量還田處理的N2O排放總量比2020年增加了12%。而在氣溫偏高的年份，微生物活性增強(qiáng)，硝化和反硝化作用加快，N2O排放峰值出現(xiàn)時間可能提前。如2019年氣溫較常年偏高1-2℃，N2O排放峰值在水稻分蘗初期就已出現(xiàn)，且峰值排放通量比常年高出10-15%。4.2影響N2O排放的因素4.2.1氮素添加氮素添加是影響寒地稻田N2O排放的關(guān)鍵因素之一，其對N2O排放的影響主要體現(xiàn)在施氮量和氮肥類型兩個方面。施氮量與N2O排放之間存在密切關(guān)聯(lián)。在一定范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，土壤中可被微生物利用的氮素底物增多，為硝化和反硝化作用提供了充足的原料，從而促進(jìn)了N2O的產(chǎn)生和排放。在黑龍江省的一項寒地稻田試驗中，設(shè)置了不同施氮水平處理，當(dāng)施氮量從0kg/hm2增加到150kg/hm2時，N2O排放通量顯著增加。在水稻分蘗期，施氮量為150kg/hm2處理的N2O排放通量達(dá)到0.2mg?m-2?h-1，而不施氮處理僅為0.05mg?m-2?h-1。這是因為較高的施氮量增加了土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量，刺激了氨氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性，加速了硝化和反硝化過程，導(dǎo)致N2O產(chǎn)生量增加。然而，當(dāng)施氮量超過一定閾值后，N2O排放量可能不再隨施氮量的增加而持續(xù)增加，甚至出現(xiàn)下降趨勢。有研究表明，當(dāng)施氮量達(dá)到250kg/hm2以上時，由于土壤中氮素濃度過高，可能會對微生物的生長和代謝產(chǎn)生抑制作用，或者導(dǎo)致土壤中氧氣供應(yīng)不足，使反硝化作用不完全，從而減少N2O的產(chǎn)生。氮肥類型對N2O排放也有顯著影響。不同類型的氮肥在土壤中的轉(zhuǎn)化途徑和速率不同，進(jìn)而影響N2O的排放。常見的氮肥類型有銨態(tài)氮肥（如碳酸氫銨、硫酸銨等）、硝態(tài)氮肥（如硝酸銨、硝酸鉀等）和酰胺態(tài)氮肥（如尿素）。研究發(fā)現(xiàn)，銨態(tài)氮肥在土壤中首先被氨氧化細(xì)菌氧化為亞硝酸鹽，然后進(jìn)一步被氧化為硝酸鹽，這個過程中會產(chǎn)生N2O。而硝態(tài)氮肥可直接作為反硝化細(xì)菌的底物參與反硝化過程，產(chǎn)生N2O。酰胺態(tài)氮肥尿素在土壤中需要先經(jīng)過脲酶的水解作用轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，再進(jìn)行后續(xù)的硝化和反硝化過程。在吉林省的一項寒地稻田研究中，比較了尿素、硫酸銨和硝酸銨三種氮肥對N2O排放的影響，結(jié)果表明，施用尿素處理的N2O排放通量在水稻生長前期相對較低，但隨著尿素水解和氮素轉(zhuǎn)化，后期排放通量逐漸增加；硫酸銨處理的N2O排放通量在整個生育期相對較為穩(wěn)定；而硝酸銨處理的N2O排放通量在前期就較高，且峰值出現(xiàn)時間較早。這說明不同氮肥類型由于其化學(xué)性質(zhì)和轉(zhuǎn)化特點(diǎn)的差異，對N2O排放的影響具有明顯的時間動態(tài)變化。4.2.2土壤通氣性土壤通氣性是影響寒地稻田N2O排放的重要因素，它通過影響土壤中氧氣的含量，進(jìn)而調(diào)控硝化和反硝化作用的進(jìn)程，對N2O排放產(chǎn)生復(fù)雜的影響。寒地稻田在水稻生長季內(nèi)多處于淹水狀態(tài)，這種淹水條件使得土壤通氣性變差，氧氣含量降低。在厭氧環(huán)境下，反硝化作用成為N2O產(chǎn)生的主要過程。反硝化細(xì)菌在缺氧條件下，利用土壤中的硝態(tài)氮作為電子受體，將其逐步還原為一氧化氮（NO）、N2O和氮?dú)猓∟2）。研究表明，當(dāng)土壤氧化還原電位（Eh）低于200mV時，反硝化作用明顯增強(qiáng)，N2O產(chǎn)生量增加。在黑龍江省的寒地稻田中，通過監(jiān)測不同淹水深度下土壤氧化還原電位和N2O排放通量的變化發(fā)現(xiàn)，隨著淹水深度增加，土壤通氣性進(jìn)一步惡化，氧化還原電位降低，N2O排放通量顯著增加。在淹水深度為10cm時，土壤氧化還原電位降至150mV左右，N2O排放通量比淹水深度為5cm時增加了50-80%。然而，在水稻生長過程中，適當(dāng)?shù)呐潘畷裉锏却胧┛梢愿纳仆寥劳庑?。排水曬田使土壤中的水分減少，空氣得以進(jìn)入土壤孔隙，提高了土壤氧氣含量。在有氧條件下，硝化作用增強(qiáng)，氨氧化細(xì)菌將銨態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮。此時，雖然硝化過程也會產(chǎn)生一定量的N2O，但相較于厭氧條件下的反硝化作用，其產(chǎn)生量相對較少。在吉林省的一項研究中，對稻田進(jìn)行排水曬田處理，在曬田期間，土壤通氣性改善，氧氣含量增加，N2O排放通量比曬田前降低了30-50%。但如果排水曬田時間過長或強(qiáng)度過大，會導(dǎo)致土壤過于干燥，微生物活性受到抑制，反而不利于N2O的產(chǎn)生和排放。因此，合理調(diào)控土壤通氣性，優(yōu)化水分管理，對于降低寒地稻田N2O排放具有重要意義。4.2.3稻草還田方式不同的稻草還田方式對寒地稻田N2O排放產(chǎn)生顯著影響。常見的稻草還田方式有翻耕還田、旋耕還田和覆蓋還田等，這些還田方式在稻草與土壤的混合程度、土壤通氣性以及微生物活動環(huán)境等方面存在差異，從而導(dǎo)致N2O排放特征不同。翻耕還田是將稻草深埋于土壤中，使稻草與土壤充分混合。這種還田方式下，稻草分解相對較為緩慢，但土壤通氣性相對較好。在黑龍江省的一項寒地稻田試驗中，對比了翻耕還田和不還田處理的N2O排放情況，發(fā)現(xiàn)翻耕還田處理在水稻生長前期，由于稻草分解緩慢，N2O排放通量與不還田處理差異不顯著。但隨著稻草逐漸分解，土壤中氮素含量增加，在水稻分蘗期至拔節(jié)期，N2O排放通量逐漸升高。在分蘗盛期，翻耕還田處理的N2O排放通量達(dá)到0.2mg?m-2?h-1，略高于不還田處理。這是因為翻耕還田后，土壤中的微生物能夠接觸到稻草中的有機(jī)物質(zhì)和氮素，隨著分解過程的進(jìn)行，為硝化和反硝化作用提供了更多的底物。旋耕還田是將稻草淺埋于土壤表層，其稻草與土壤的混合程度介于翻耕還田和覆蓋還田之間。旋耕還田處理下，稻草分解速度相對較快，土壤通氣性也較好。在吉林省的研究中，旋耕還田處理在水稻生長初期，由于稻草迅速分解，土壤中氮素釋放較快，N2O排放通量明顯高于不還田處理。在水稻移栽后15天，旋耕還田處理的N2O排放通量達(dá)到0.15mg?m-2?h-1，而不還田處理僅為0.08mg?m-2?h-1。但在水稻生長后期，隨著稻草分解逐漸趨于穩(wěn)定，N2O排放通量與翻耕還田處理相近。覆蓋還田是將稻草覆蓋在土壤表面，這種還田方式下，稻草主要在土壤表層分解，土壤通氣性相對較差。在遼寧省的一項試驗中，覆蓋還田處理在水稻生長前期，由于土壤表層稻草分解產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)和還原性物質(zhì)較多，抑制了硝化作用，同時促進(jìn)了反硝化作用，導(dǎo)致N2O排放通量較高。在水稻分蘗初期，覆蓋還田處理的N2O排放通量達(dá)到0.25mg?m-2?h-1，明顯高于翻耕還田和旋耕還田處理。但隨著水稻生長，土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，覆蓋還田處理的N2O排放通量逐漸降低。在水稻灌漿期，覆蓋還田處理的N2O排放通量降至0.1mg?m-2?h-1左右，與翻耕還田和旋耕還田處理差異不顯著。4.3與其他地區(qū)對比分析與南方溫暖濕潤地區(qū)相比，寒地稻草還田下N2O排放特征和影響因素存在顯著差異。在南方雙季稻區(qū)，如江西、福建等地，氣溫較高，土壤微生物活性全年都相對較強(qiáng)，氮素轉(zhuǎn)化速度快。在這些地區(qū)，稻草還田后，由于微生物對氮素的快速轉(zhuǎn)化，N2O排放峰值通常在施肥后的較短時間內(nèi)出現(xiàn)，且排放強(qiáng)度相對較高。例如，在江西某雙季稻區(qū)的研究中，稻草還田結(jié)合化肥施用后，N2O排放通量在施肥后3-5天內(nèi)迅速升高，峰值可達(dá)0.5-0.8μg?m-2?h-1，且整個生長季N2O排放總量明顯高于寒地稻田。而在寒地稻田，由于低溫限制了微生物活性，氮素轉(zhuǎn)化速度較慢，N2O排放峰值出現(xiàn)時間較晚，且峰值相對較低。從土壤因素來看，南方地區(qū)土壤多為酸性土壤，其陽離子交換量相對較低，對氮素的吸附和固定能力較弱。在這種情況下，稻草還田后，氮素更容易在土壤中遷移轉(zhuǎn)化，增加了N2O產(chǎn)生的可能性。而寒地土壤多為中性至堿性土壤，陽離子交換量較高，對氮素的吸附和固定能力較強(qiáng)，一定程度上減緩了氮素的轉(zhuǎn)化速度，從而影響了N2O的產(chǎn)生和排放。在北方干旱半干旱地區(qū)，稻田生態(tài)系統(tǒng)與寒地稻田也有所不同。這些地區(qū)降水較少，稻田灌溉依賴于有限的水資源，土壤水分狀況不穩(wěn)定。在這種環(huán)境下，稻草還田后，土壤水分對N2O排放的影響更為關(guān)鍵。當(dāng)土壤水分含量較低時，硝化和反硝化作用受到抑制，N2O排放通量較低。而當(dāng)灌溉后土壤水分增加，通氣性變差，反硝化作用增強(qiáng)，N2O排放可能迅速增加。例如，在內(nèi)蒙古部分稻田，在灌溉后的短期內(nèi)，N2O排放通量可增加2-3倍。相比之下，寒地稻田生長季內(nèi)水分相對穩(wěn)定，淹水時間較長，N2O排放的水分影響因素相對較為穩(wěn)定，與北方干旱半干旱地區(qū)存在明顯差異。五、綜合影響及調(diào)控措施5.1土壤養(yǎng)分與溫室氣體排放的相互關(guān)系土壤養(yǎng)分與溫室氣體排放之間存在著復(fù)雜且密切的相互關(guān)系。一方面，土壤養(yǎng)分的變化會顯著影響CH4和N2O的排放。以氮素為例，土壤中氮素含量的增加為硝化和反硝化微生物提供了豐富的底物，從而促進(jìn)了N2O的產(chǎn)生和排放。在黑龍江省的寒地稻田研究中，隨著稻草還田量的增加，土壤全氮含量上升，在水稻分蘗期至拔節(jié)期，N2O排放通量顯著增加。這是因為稻草分解過程中釋放出的氮素，刺激了氨氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性，加速了硝化和反硝化過程，使得N2O產(chǎn)生量增多。而土壤中有機(jī)質(zhì)含量的增加則對CH4排放有著重要影響。有機(jī)質(zhì)為產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的碳源，在厭氧條件下，產(chǎn)甲烷菌利用這些碳源合成CH4。在吉林省的寒地稻田試驗中，稻草全量還田處理下，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，CH4排放通量在水稻生長季內(nèi)明顯高于不還田處理。研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量每增加1%，CH4排放通量可增加10-20%。另一方面，溫室氣體排放也會對土壤養(yǎng)分有效性產(chǎn)生反饋作用。CH4排放過程中，會改變土壤的氧化還原環(huán)境，進(jìn)而影響土壤中養(yǎng)分的形態(tài)和有效性。在長期淹水的稻田中，CH4排放導(dǎo)致土壤氧化還原電位降低，使得土壤中的鐵、錳等元素被還原，其有效性發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)，在CH4排放較高的稻田中，土壤有效鐵、錳含量增加，這是因為還原態(tài)的鐵、錳溶解度增加，更易被植物吸收。N2O排放同樣會對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生影響。N2O是硝化和反硝化過程的中間產(chǎn)物，其排放的變化反映了土壤中氮素轉(zhuǎn)化過程的改變。當(dāng)N2O排放增加時，可能意味著土壤中氮素的損失增加，從而影響土壤氮素的供應(yīng)能力。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，N2O排放較高的稻田，土壤中硝態(tài)氮含量較低，這是因為硝態(tài)氮在反硝化過程中被轉(zhuǎn)化為N2O等氣態(tài)氮素而損失。5.2寒地稻草還田的綜合效益評估從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)角度來看，寒地稻草還田對土壤肥力提升和水稻生長發(fā)育有著積極影響。在黑龍江省的長期定位試驗中，連續(xù)5年稻草還田處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了10-15%，土壤全氮、全磷、全鉀含量也顯著提高。這使得土壤肥力得到有效改善，為水稻生長提供了更豐富的養(yǎng)分。在水稻產(chǎn)量方面，稻草還田處理的水稻產(chǎn)量明顯增加。在吉林省的相關(guān)研究中，稻草全量還田處理的水稻平均產(chǎn)量比不還田處理提高了8-12%。這主要得益于稻草還田后土壤養(yǎng)分的增加、土壤結(jié)構(gòu)的改善以及微生物活性的增強(qiáng)，促進(jìn)了水稻根系的生長和對養(yǎng)分的吸收，增加了水稻的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。在生態(tài)環(huán)境方面，寒地稻草還田具有減少環(huán)境污染和促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)平衡的作用。通過稻草還田，減少了稻草焚燒帶來的空氣污染，降低了有害氣體和顆粒物的排放。據(jù)統(tǒng)計，每公頃稻田避免稻草焚燒，可減少二氧化碳排放約1.5-2.0噸。同時，稻草還田增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善了土壤結(jié)構(gòu)，有利于土壤微生物的生長和繁殖，促進(jìn)了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，維護(hù)了生態(tài)系統(tǒng)的平衡。然而，稻草還田也會增加CH4排放，這是需要關(guān)注和解決的問題。在黑龍江省的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，稻草全量還田處理的CH4排放總量比不還田處理增加了1-2倍。因此，需要通過合理的還田方式和水分管理等措施來降低CH4排放。從經(jīng)濟(jì)效益方面分析，寒地稻草還田具有降低生產(chǎn)成本和增加農(nóng)民收入的潛力。稻草還田減少了化肥的使用量，從而降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。根據(jù)在遼寧省的調(diào)查，稻草還田處理的化肥使用量比不還田處理減少了10-15%，每公頃可節(jié)約化肥成本約300-500元。同時，水稻產(chǎn)量的增加也為農(nóng)民帶來了更多的經(jīng)濟(jì)收益。以每公頃水稻增產(chǎn)500-800公斤，稻谷價格每公斤2.5-3.0元計算，每公頃可增加收入1250-2400元。此外，稻草還田還可以減少稻草處理的人工和機(jī)械成本，進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益。5.3調(diào)控措施與建議針對寒地稻草還田對土壤養(yǎng)分和溫室氣體排放的影響，提出以下調(diào)控措施與建議。在還田量和時間方面，應(yīng)根據(jù)寒地土壤肥力狀況和水稻生長需求，合理確定稻草還田量。研究表明，寒地稻草還田量以3000-4500kg/hm2為宜，既能有效增加土壤養(yǎng)分，又能在一定程度上控制CH4和N2O排放。在還田時間上，選擇在秋季水稻收獲后盡早還田，利用秋季相對較高的氣溫和土壤微生物活性，促進(jìn)稻草的初步分解，減少在春季低溫期的分解壓力。優(yōu)化還田方式也是關(guān)鍵。翻耕還田與旋耕還田相結(jié)合，先進(jìn)行翻耕將稻草深埋，使稻草與土壤充分混合，促進(jìn)其分解，然后在水稻移栽前進(jìn)行旋耕，使土壤表層疏松，有利于水稻移栽和根系生長。在黑龍江省的一項試驗中，采用這種還田方式的處理，土壤養(yǎng)分含量增加明顯，同時CH4和N2O排放得到有效控制。添加抑制劑是降低溫室氣體排放的有效手段。在寒地稻田中，添加硝化抑制劑如雙氰胺（DCD），可抑制土壤中銨態(tài)氮的硝化作用，減少N2O的產(chǎn)生。研究表明，添加DCD后，N2O排放通量可降低30-50%。同時，添加甲烷抑制劑如溴仿等，可抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，減少CH4排放。在吉林省的試驗中，添加溴仿后，CH4排放通量降低了20-30%。微生物菌劑的應(yīng)用也值得推廣。向稻田中添加具有高效分解稻草能力的微生物菌劑，可加速稻草的分解，提高土壤養(yǎng)分釋放速度，同時減少CH4排放。在黑龍江省的研究中，添加纖維素分解菌劑后，稻草分解速度加快，土壤中有效養(yǎng)分含量增加，CH4排放通量降低了15-25%。為了推動寒地稻草還田技術(shù)的廣泛應(yīng)用，政府應(yīng)加強(qiáng)政策支持，出臺相關(guān)補(bǔ)貼政策，鼓勵農(nóng)民積極實施稻草還田。如對實施稻草還田的農(nóng)戶給予一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼，降低其還田成本。同時，加強(qiáng)技術(shù)推廣，組織農(nóng)業(yè)技術(shù)人員深入田間地頭，為農(nóng)民提供技術(shù)指導(dǎo)，提高農(nóng)民對稻草還田技術(shù)的認(rèn)識和操作水平。通過舉辦培訓(xùn)班、發(fā)放技術(shù)手冊等方式，向農(nóng)民傳授稻草還田的技術(shù)要點(diǎn)、注意事項以及溫室氣體減排措施。六、結(jié)論與展望6.1研究結(jié)論總結(jié)本研究通過田間試驗和室內(nèi)分析，系統(tǒng)地探究了寒地稻草還田對土壤養(yǎng)分與CH4及N2O排放的影響，得出以下主要結(jié)論：寒地稻草還田對土壤養(yǎng)分的影響：稻草還田顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，連續(xù)3年稻草全量還田后，土壤有機(jī)質(zhì)含量相較于對照（不還田處理）增幅約為13.4%。但寒地低溫環(huán)境減緩了稻草分解速度及有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化，春季土壤過濕或后期干旱均不利于有機(jī)質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化。在氮素方面，稻草還田增加了土壤全氮含量，在水稻生長后期，土壤速效氮含量高于對照處理，且有機(jī)氮在土壤全氮中的占比增加。對于磷素，稻草還田使土壤全磷含量略有增加，在水稻生長旺季，土壤