中国南方双季稻田转菜地对碳氮温室气体

通量影响实测统计数据集

袁  野1，戴晓琴2*，王辉民2

 1. 安徽师范大学生命科学学院安徽省重要生物资源保护与利用研究重点实验室，芜湖 241000；
2. 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室千烟洲生态站，北京 100101

摘  要：本研究在中国科学院地理科学与资源研究所千烟洲生态试验站（26°44′48″N，115°04′13″E），选取约十年的双季稻田将其部分转为旱作蔬菜地，设置稻田施肥（R-F）、菜地施肥（V-F）、稻田不施肥（R-NF）、菜地不施肥（V-NF）4种处理，并在每块样地分别设置去除植被的亚处理（-no plant），采用静态箱-气相色谱法于田间原位对甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、二氧化碳（CO2）通量进行了两年的监测。主要研究我国南方双季稻田转为菜地初期对CH4、N2O、CO2通量的影响，同时研究了施肥和植株的参与对农田CH4、N2O、CO2通量的影响。该数据集包括：（1）稻田和菜地的管理数据；（2）2012年7月-2014年7月8种处理的CH4通量；（3）2012年7月-2014年7月8种处理的N2O通量；（4）2012年7月-2014年7月8种处理的CO2通量；（5）稻田和菜地0-20 cm土壤铵态氮和硝态氮含量；（6）稻田和菜地 0-10、10-20 cm土壤pH；（7）实验地区观测期间内日平均气温和日降水量；（8）稻田淹水层厚度。该数据集存储为.xlsx格式，1个数据文件，数据量为286 KB。该数据集的分析研究成果发表在《PLoS ONE》2016年第11期和《应用生态学报》2015年第26卷第1期。

关键词：土地利用变化；甲烷；氧化亚氮；二氧化碳

DOI: 10.3974/geodp.2018.01.16

 

1  前言

二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是重要的温室气体[1]。农田排放的CH4和N2O占全球人为排放的52%和84%，并且农田是CO2的源或汇[2]。水稻和蔬菜是中国南方主要的作物类型。由于生长条件不同（水稻田淹水，蔬菜地为通气条件），两种作物系统的温室气体（GHG）排放有所不同[3–5]。在淹水或者厌氧条件下，水稻田通过植物的通气组织，扩散和冒泡等方式排放CH4[6]。氧化亚氮在淹水条件下通过反硝化作用产生[7]，当水稻田排水或者施氮肥的时候可能排放量较高[8]。研究表明，与其他作物类型相比，水稻田CH4排放更高而N2O排放更低[4,9]。Nishimura等发现淹水稻田的年CH4累积放为2-14 g C m‒2 yr‒1，而旱地稻田和大豆-小麦轮作的农田累积排放为-0.02–-0.07 g C m‒2 yr‒1[3‒4]。他们发现，通过将淹水稻田转为旱作蔬菜地，累积N2O排放增长了4.0-5.3倍[3]。

本研究采用静态箱-气相色谱法（GCs）于田间原位对CH4、N2O、CO2通量进行了两年的监测，主要研究双季稻田转为菜地初期的温室气体通量变化，同时研究了施肥和植株的参与对农田CH4、N2O、CO2通量的影响。

2  数据集元数据简介

中国南方双季稻田转菜地对碳氮温室气体通量影响实测统计数据集[10]的名称、作者、地理区域、数据年代、数据集组成、数据出版与共享服务平台、数据共享政策等信息见表1。

表1  中国南方双季稻田转菜地对碳氮温室气体通量影响数据集元数据简表

条  目

描  述

数据集名称

中国南方双季稻田转菜地对碳氮温室气体通量影响实测统计数据集

数据集短名

GreenhouseGasFluxLUCSChina

作者信息

袁野 G-1444-2018, 安徽师范大学, yuanye_1985@126.com

戴晓琴 I-2852-2018, 中国科学院地理科学与资源研究所, daixq@igsnrr.ac.cn

王辉民 I-3012-2018, 中国科学院地理科学与资源研究所, wanghm@igsnrr.ac.cn

 

 

地理区域

中国科学院地理科学与资源研究所千烟洲生态试验站（26º44′48″N，115º04′13″E）

数据年代

2012年7月-2014年7月

采样频率

采样频率通常为3天/次，施肥后为1天/次，持续一周，冬季为7天/次

样地大小

每块样地面积为10 m × 12 m。相邻样地间隔1.5-3米

数据格式

.xlsx          数据量  286 KB（压缩后）

数据集组成

（1）稻田和菜地的管理数据；（2）2012年7月-2014年7月8种处理的CH4通量；（3）2012年7月-2014年7月8种处理的N2O通量；（4）2012年7月-2014年7月8种处理的CO2通量；（5）稻田和菜地0-20 cm土壤铵态氮和硝态氮含量；（6）稻田和菜地 0-10，10-20 cm土壤pH；（7）实验地区观测期间内日平均气温和日降水量；（8）稻田淹水层厚度。

基金项目

中华人民共和国科学技术部（2012CB417103）；国家自然科学基金项目（31700415）

出版与共享服务平台

全球变化科学研究数据出版系统 http://www.geodoi.ac.cn

地址

北京市朝阳区大屯路甲11号100101，中国科学院地理科学与资源研究所

数据共享政策

全球变化科学研究数据出版系统的“数据”包括元数据（中英文）、实体数据（中英文）和通过《全球变化数据学报》（中英文）发表的数据论文。其共享政策如下：（1）“数据”以最便利的方式通过互联网系统免费向全社会开放，用户免费浏览、免费下载；（2）最终用户使用“数据”需要按照引用格式在参考文献或适当的位置标注数据来源；（3）增值服务用户或以任何形式散发和传播（包括通过计算机服务器）“数据”的用户需要与《全球变化数据学报》（中英文）编辑部签署书面协议，获得许可；（4）摘取“数据”中的部分记录创作新数据的作者需要遵循10%引用原则，即从本数据集中摘取的数据记录少于新数据集总记录量的10%，同时需要对摘取的数据记录标注数据来源[11]

3  数据研发方法

3.1  样地设置

2012年7月将部分水稻田排水转变为旱作蔬菜地，剩余部分仍为水稻田作为对照。水稻种植为一年两季，分别为春季插秧夏季收获的早稻和夏季种植秋季收获的晚稻，冬季为冬闲期，新转变的菜地一年种植三季。水稻和菜地分别设置两种施肥水平，即常规施肥和不施肥。因此，试验共有四个处理，采用随机区组设计，主区为土地利用方式，副区为施肥水平。四个处理分别为菜地施肥（V-F）、菜地不施肥（V-NF）、稻田施肥（R-F）和稻田不施肥（R-NF）。每种处理四个重复，每块样地面积为10 m × 12 m。另外，在每块样地中单独设置2 m × 2 m的无植被处理，并保持田间管理措施和植被处理一致。施肥处理根据当地的施肥习惯施用复合肥（N∶P2O5∶K2O = 15%∶15%∶15%）和尿素，施肥量为358 kg N ha‒1 yr‒1。每个生长季初对样地进行常规翻耕。具体作物种植和施肥情况见表2。

3.2  温室气体通量测定

采用静态箱-气相色谱法同时测定CH4、CO2和N2O通量[12]。静态箱分为底座和箱体两部分（图1）。底座为直径是50 cm的钢圈，稻田底座埋入土壤15 cm，菜地底座埋入土壤10 cm。底座侧壁上均匀开有圆孔，以利于水分、土壤动物、微生物和养分等侧向交换。底座上有密封槽并贴有密封条，以防止箱体和底座的接触处漏气。底座在整个试验期间都安放在样地中，只在生长季初进行必要的翻耕时取出。静态箱的箱体为圆柱形，底部直径为50 cm，与底座相吻合。根据植被高度设计了两种箱体高度，用于稻田的箱体高为70 cm，用于菜地温室气体测定的箱体高40 cm。在试验正式开始之前，用两种高度的静态箱对样地的裸土温室气体通量进行了测定，结果显示，两种箱体的测定结果无显著差异。箱体外包有反射保温薄膜以减小箱内空气温度波动。每个静态箱底座内有5株水稻或者3株蔬菜，底座内的作物密度与底座外样地保持一致。

使用100 mL塑料注射器每间隔十分钟从静态箱中取一次气体样品，共取五次，取样时间通常为上午8:00-12:00，每周两次，在有施肥、灌水、翻耕等操作时每天采样并持续一周。采集的气体样品尽快带回实验室用气相色谱仪（GC System，7890A，Agilent Technologies）进行浓度分析。气相色谱仪安装有氢火焰离子化检测器（FID）和电子捕获检测器（ECD），可以同时测定CO2、CH4和N2O的浓度。使用气体浓度随时间的线性或非线性变化速率计算CH4、N2O和CO2的通量[13‒14]。接受的最小R为0.87，如果非线性相关系数R（非线性）-线性相关系数R（线性）≤0.000,2，则选取线性拟合的斜率，如果R（非线性）-R（线性）>0.000,2，则选择线性和非线性拟合斜率中较大的一个。

4  数据结果与验证

4.1  数据集组成

2012年7月到2014年7月间取得以下数据：

（1）稻田和菜地的管理数据；

（2）2012年7月-2014年7月8种处理的CH4通量；

（3）2012年7月-2014年7月8种处理的N2O通量；

（4）2012年7月-2014年7月8种处理的CO2通量；

（5）稻田和菜地0-20 cm土壤铵态氮和硝态氮含量；

 

（6）稻田和菜地 0-10、10-20 cm土壤pH；

（7）实验地区观测期间内日平均气温和日降水量；

（8）稻田淹水层厚度。

图1  用于测定温室气体通量的静态箱设计[15]

4.2  数据结果

数据结果表明，稻田转菜地显著降低了CH4通量，显著增加了N2O通量，对CO2通量的影响在各个季节规律不同。气体排放通量动态和不同季节排放量分别示于图2、表3-5。

图2  观测期间CH4通量季节动态及稻田淹水层厚度，所示数据为四个重复的平均值

 

表3  观测期间及各个生长季CH4的累积排放（kg C ha–1）

 

第一季

第二季

第三季

第四季

第五季

第六季

第一年

第二年

两年

稻田施肥

206.15±
 58.01 a

0.34±
0.17 a

151.90±
 34.73 a

42.66±
  9.32 ab

0.11±
0.49 a

136.91±
 23.90 a

358.39±
 91.76 a

179.68±
 30.96 a

538.07±
120.12 a

稻田不施肥

167.16±
 31.61 a

0.85±
0.38 a

153.68±
 23.02 a

88.04±
31.04 a

‒0.20±
 0.27 a

86.34±
16.16 b

321.69±
 50.60 a

174.18±
 29.68 a

495.88±
 75.82 a

菜地施肥

 0.29±
  0.29 b

‒0.02±
 0.19 a

‒0.76±
 0.28 b

0.15±
0.09 b

‒0.47±
 0.36 a

‒0.35±
 0.19 c

‒0.48±
 0.32 b

‒0.67±
 0.53 b

‒1.15±
 0.68 b

菜地不施肥

 0.70±
 0.74 b

 0.82±
 0.76 a

‒0.13±
 0.14 b

‒0.44±
 0.06 b

‒0.37±
 0.18 a

‒0.16±
 0.14 c

1.39±
1.37 b

‒0.97±
 0.10 b

 0.42±
 1.27 b

土地利用 (L)

P<0.01

P= 0.67

P<0.01

P<0.01

P=0.30

P<0.01

P<0.01

P<0.01

P<0.01

施肥 (F)

P= 0.57

P= 0.15

P= 0.96

P=0.19

P=0.78

P=0.11

P=0.75

P=0.90

P=0.78

L×F

P= 0.56

P= 0.71

P= 0.98

P=0.18

P=0.56

P=0.10

P=0.72

P=0.91

P=0.76

注：同一列不同字母代表处理间显著差异。

表4  观测期间及各个生长季N2O的累积排放（kg N ha–1）

 

第一季

第二季

第三季

第四季

第五季

第六季

第一年

第二年

两年

稻田施肥

0.32±
0.10 c

0.51±
0.14 c

0.41±
0.03 b

2.65±
0.87 a

0.38±
0.16 a

0.19±
0.05b

1.24±
0.18 c

3.22±
1.01 bc

4.46±
0.89 c

稻田不施肥

0.21±
0.09 c

0.14±
0.04 c

0.19±
0.02 b

0.35±
0.01 b

0.35±
0.18 a

0.18±
0.10b

0.54±
10.15 c

0.88±
0.20 c

1.41±
0.22 c

菜地施肥

3.99±
0.16 a

7.56±
0.63 a

7.67±
1.67 a

1.36±
0.35 ab

0.64±
0.17 a

5.19±
1.79a

19.21±
2.10 a

7.19±
1.98 a

26.40±
3.37 a

菜地不施肥

1.84±
0.42 b

2.03±
0.53 b

4.55±
1.15 a

1.98±
0.52 ab

0.87±
0.36 a

2.41±
0.28ab

8.42±
1.80 b

5.25±
0.96 ab

13.67±
1.18 b

土地利用 (L)

P<0.01

P<0.01

P<0.01

P=0.76

P=0.12

P<0.01

P<0.01

P<0.01

P<0.01

施肥 (F)

P<0.01

P<0.01

P=0.13

P=0.14

P=0.66

P=0.15

P<0.01

P=0.10

P<0.01

L×F

P<0.01

P<0.01

P=0.18

P<0.05

P=0.59

P=0.15

P<0.01

P=0.87

P<0.05

注：同一列不同字母代表处理间显著差异。

表5  观测期间及各个生长季生态系统呼吸累积排放CO2量（kg C ha–1）

 

第一季

第二季

第三季

第四季

第五季

第六季

第一年

第二年

两年

稻田施肥

5346.01±
145.21 bc

2492.47±
178.95 a

4307.28±
257.77 a

3196.60±
245.60 a

2486.75±
369.84 a

3523.25±
164.38 a

12145.76±
358.36 a

9206.60±
694.64 a

21352.36±
1013.00 a

稻田不施肥

3654.73±
313.10 c

2231.48±
298.86 a

3146.98±
390.71 b

2613.04±
236.72 a

2221.52±
199.88 ab

2476.20±
311.75 b

9033.19±
584.24 b

7310.76±
505.46 b

16343.95±
1069.88 b

菜地施肥

7223.02±
576.56 a

2718.48±
365.69 a

2018.84±
280.26 c

963.21±
156.77 b

1626.36±
100.30 b

1868.03±
356.04 bc

11960.34±
1025.26 a

4457.59±
329.33 c

16417.94±
1308.90 b

菜地不施肥

5854.97±
931.50 ab

2274.26±
283.39 a

2859.25±
272.39 bc

1094.23±
258.74 b

1989.74±
182.40 ab

1330.31±
204.78 c

10988.48±
1324.47 ab

4414.27±
260.35 c

15402.75±
1415.45 b

土地利用 (L)

P<0.01

P=0.65

P<0.01

P<0.01

P<0.05

P<0.01

P=0.35

P <0.01

P<0.05

施肥 (F)

P<0.05

P=0.25

P=0.61

P=0.34

P=0.84

P<0.05

P<0.05

P=0.07

P<0.05

L×F

P=0.78

P=0.76

P<0.01

P=0.14

P=0.21

P=0.37

P=0.26

P=0.08

P=0.13

注：同一列不同字母代表处理间显著差异。

稻田转菜地显著提高了三种温室气体总的增温效应。施肥对CH4通量无显著影响，对N2O和CO2通量有显著促进作用，并与土地利用方式有交互作用。CH4、N2O、CO2通量的变化是土壤理化性质改变和植被类型改变共同作用的结果。这种变化规律作者在文献[15, 16]中进行了部分阐述。观测期间内菜地在施肥和不施肥条件下平均CH4通量分别为-0.07 mg C m–2 h–1和0.04 mg C m–2 h–1，而施肥和不施肥的稻田平均CH4通量分别为5.15和4.87 mg C m–2 h–1。其中，稻田CH4通量随淹水情况表现出明显的季节动态，在水稻生长期，稻田淹水，CH4排放较高，而在冬闲排水期，CH4排放较低，与菜地无显著差异。在两年的观测期间，施肥和不施肥的稻田平均N2O通量分别为33.51 μg N m–2 h–1和8.89 μg N m–2 h–1，而菜地在施肥和不施肥条件下的平均N2O通量分别为168.32 μg N m–2 h–1和93.46 μg N m–2 h–1。N2O表现出明显的季节和年际间差异，菜地第二年N2O排放小于第一年，而稻田第二年N2O排放高于第一年，土地利用方式和生长季节存在明显交互作用。施肥和不施肥的稻田两年生态系统呼吸排放CO2分别为21,352 kg C ha–1和16,344 kg C ha–1，施肥和不施肥的菜地两年生态系统呼吸排放CO2分别为16,418 kg C ha–1和15,403 kg C ha–1。施肥条件下菜地生态系统呼吸显著低于稻田，但不施肥条件下差异不显著。在各个生长季，稻田和菜地生态系统呼吸的差异不一致，生长季节对生态系统呼吸有显著影响，且与土地利用方式有交互作用。转为菜地后异养呼吸显著降低。除冬季外，其余四个生长季自养呼吸均受土地利用方式的显著影响。

5  讨论和总结

本文主要研究了双季稻田转为菜地这一中国南方典型土地利用方式转变过程初期的碳氮温室气体通量变化。目前关于稻田和菜地两种农田主要利用方式下温室气体通量的研究大多是基于相邻的存在若干年的稻田和菜地之间的对比，忽略了样地本底的差异[17]，也没有考虑转变时间的效应[18]。本研究将多年稻田新近转变为菜地，排除本底的差异，土地利用转变导致的土壤理化性质和植被的变化均会影响温室气体排放，但大多研究没有对它们的影响进行区分。本研究通过设置无植被处理，来探讨由水分变化导致的土壤理化性质变化以及植被变化在土地利用变化过程中对温室气体通量变化的影响及其机制。

由于缺乏室内控制试验和其它机理研究，对一些监测到的结果无法给出明确的解释。在今后的研究中，还需加强CH4、N2O、CO2三种温室气体通量随土地利用方式转变而变化的影响因素和内在机理研究。

 

作者分工：戴晓琴和王辉民对数据集的开发做了总体设计；戴晓琴和袁野采集和处理了通量数据；戴晓琴设计了模型和算法；袁野做了数据验证；袁野撰写了数据论文等。

 

致谢：作者感谢李贝、谢勇和刘长红在田间观测中给予的协助。

 

参考文献

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