聶江文，王幼娟，田 媛，彭傳華，王 歡，劉章勇，朱 波

（長(zhǎng)江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心/湖北省澇漬災(zāi)害與濕地農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北荊州 434025）

甲烷 (CH4) 和氧化亞氮 (N2O) 是大氣中兩種重要的溫室氣體。在100年時(shí)間尺度下，CH4和N2O的全球增溫潛勢(shì) (GWP) 分別是CO2的25倍和298倍[1]。稻田是CH4和N2O的重要排放源之一[2]，據(jù)研究，稻田CH4排放量約占全球人為CH4總排放的12%～26%[3]，稻田N2O排放量占我國(guó)農(nóng)田總排放的7%～11%[4]。因此，如何科學(xué)合理地減少稻田CH4和N2O排放，發(fā)展高效減排的水稻生產(chǎn)模式已成為各界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

前人針對(duì)稻田CH4和N2O排放做了大量科學(xué)研究，除氣候條件、土壤類型、耕作措施和水分管理外，農(nóng)田養(yǎng)分管理措施也是影響稻田CH4和N2O排放的重要因素[5–10]。在當(dāng)前高度集約化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式下，大量單一投入化學(xué)氮肥不僅造成氮素利用率較低，還導(dǎo)致N2O的排放大幅增加[11]，武文明等[12]發(fā)現(xiàn)，在氮肥投入量達(dá)150 kg/hm2和300 kg/hm2時(shí)，稻田N2O排放損失的氮量可分別占施入肥料N的1.28%和0.45%。研究表明，合理的有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)[13]，但對(duì)于稻田溫室氣體排放強(qiáng)度的研究結(jié)果還不統(tǒng)一[14–15]。朱波等[16]發(fā)現(xiàn)黑麥草鮮草翻壓還田雖然增加了稻田CH4排放，但能減少N2O排放；郭騰飛等[17]認(rèn)為施用有機(jī)肥和氮肥均增加了CO2、CH4、N2O的排放，雖然秸稈還田 (有機(jī)肥) 增加了CO2和CH4排放，但是減少了N2O排放。前人研究主要側(cè)重于比較有機(jī)肥和化學(xué)氮肥對(duì)稻田溫室氣體減排的差異，未能研究減排效果最好的有機(jī)無(wú)機(jī)配施的比例。紫云英 (Astragalus sinicus L.) 是我國(guó)南方稻區(qū)常見(jiàn)的冬季綠肥作物，翻壓還田后可部分替代水稻季需要的氮素養(yǎng)分，并有助于提高氮素利用效率和水稻產(chǎn)量[18]。但目前關(guān)于不同紫云英與化學(xué)氮肥配比對(duì)稻田溫室氣體排放的研究較少。因此，研究南方雙季稻區(qū)不同紫云英與化學(xué)氮肥配比對(duì)稻田溫室氣體排放的影響對(duì)于制定合理的溫室氣體減排施肥措施具有重要意義。

本研究擬通過(guò)盆栽試驗(yàn)比較等氮施用量條件下，不同紫云英與化學(xué)氮肥配比對(duì)稻田CH4和N2O排放特征及全球增溫潛勢(shì) (GWP) 和單位糧食產(chǎn)量溫室氣體排放強(qiáng)度 (GHGI) 的影響，以期為制定雙季稻區(qū)溫室氣體減排的施肥措施和種植制度提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于湖南省華容縣長(zhǎng)江大學(xué)試驗(yàn)基地 (東經(jīng) 112°55′，北緯 29°52′)。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年均氣溫16～18℃，≥ 10℃積溫5000～5800℃，無(wú)霜期260～310 d，年降雨量1200～1700 mm。試驗(yàn)土壤為長(zhǎng)江沉積物發(fā)育的紫潮泥水稻土，土壤pH為7.7、有機(jī)質(zhì)含量49.2 g/kg、全氮3.11 g/kg、堿解氮273 mg/kg、有效磷16.4 mg/kg、速效鉀69 mg/kg。試驗(yàn)前將土壤晾干、整碎，揀出石塊、根系等雜物，過(guò)2 mm篩。試驗(yàn)用盆為圓柱形塑料盆 (19 cm × 15 cm)，每盆裝2.5 kg風(fēng)干土。盆栽試驗(yàn)于露天網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行。

試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理：不施氮肥 (CK)；單施尿素(CF)；單施紫云英 (MV)；1/4紫云英+3/4尿素 (1/4 MV+3/4 CF)；1/2紫云英+1/2尿素 (1/2 MV+1/2 CF)和3/4紫云英+1/4尿素 (3/4 MV+1/4 CF)。除CK外，所有處理施氮量均為N 111.4 mg/kg干土，各處理重復(fù)4次。根據(jù)紫云英含氮量來(lái)確定紫云英鮮草施用量；另外每盆分別施用1.087 g過(guò)磷酸鈣和0.543 g氯化鉀，所有肥料均于4月8日作基肥施用，施用時(shí)與土壤充分混合均勻，晚稻生長(zhǎng)期間與早稻施用等量尿素，但不施入紫云英。早稻供試品種“浙福7號(hào)”，4月16日播種，每盆播40粒種子，于三葉期間苗，每盆留10株，7月14日收獲。晚稻供試品種“隆香優(yōu)130”，6月21日播種，7月19日移栽，每盆3穴，每穴2苗，11月10日收獲。

1.2 采樣及測(cè)定方法

采用靜態(tài)暗箱–氣相色譜法測(cè)定CH4和N2O排放速率。箱體為高100 cm、長(zhǎng)寬皆為45 cm的有機(jī)玻璃 (大于盆缽面積，不影響水稻生長(zhǎng))，箱外部包有錫箔紙以防止太陽(yáng)照射導(dǎo)致箱內(nèi)溫度變化過(guò)大。采樣時(shí)間為上午9：00—11：00，采集罩箱后第0、5、10 min的氣樣，觀測(cè)頻率為每周1次。氣樣中CH4和N2O濃度由氣相色譜Agilent 7890A分析測(cè)定。CH4檢測(cè)器為FID (氫火焰離子化檢測(cè)器)，N2O檢測(cè)器為ECD (電子捕獲檢測(cè)器)。溫室氣體排放速率由該氣體在箱中濃度隨時(shí)間的變化率計(jì)算得出，氣體排放通量計(jì)算公式如下 ：

式 (1) 中：F為排放速率，CH4單位為mg/(m2·h)，N2O單位為μg/(m2·h)；dc/dt為采樣過(guò)程中箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間的變化率，CH4單位為mL/(m3·h)，N2O單位為μL/(m3·h)；h為箱體高度，1.0 m；p為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度，CH4單位為0.714 kg/m3，N2O單位為1.964 kg/m3；T為采樣時(shí)箱內(nèi)溫度 (℃)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

以100年為尺度，單位質(zhì)量CH4和N2O的GWP分別是CO2的25倍和298倍，可計(jì)算其溫室氣體排放二氧化碳當(dāng)量 (carbon dioxide equivalent，CDE，單位 kg，以CO2計(jì))。通過(guò)計(jì)算各處理CH4和N2O的GWP，結(jié)合水稻產(chǎn)量計(jì)算單位稻谷產(chǎn)量溫室氣體排放強(qiáng)度 (GHGI)[19]。

式 (2) 中：GWP為CH4和N2O二者排放量的總二氧化碳當(dāng)量 (kg)，以CO2計(jì)。式 (3) 中，GHGI為溫室氣體排放強(qiáng)度，單位為kg/(kg·a)。

利用DPS對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫云英與氮肥配比對(duì)雙季稻田CH4排放通量的影響

早稻季和晚稻季各處理CH4排放通量具有不同的特征 (圖1)，但都集中在分蘗期和抽穗期。其中早稻季CH4沒(méi)有明顯的排放峰，最大峰值出現(xiàn)在CF處理，為5.69 mg/(m2·h)；晚稻季各處理CH4排放趨勢(shì)大體一致，有兩個(gè)較為明顯的排放峰，分別出現(xiàn)在水稻移栽后以及曬田期，其中最大峰值出現(xiàn)在晚稻移栽后第2天，為1/4 MV+3/4 CF處理的13.33 mg/(m2·h)。

2.2 紫云英與氮肥配比對(duì)雙季稻田N2O排放通量的影響

各處理N2O排放通量有較明顯的季節(jié)變化規(guī)律(圖2)。早稻季N2O排放峰集中在早稻播種后的無(wú)淹水狀態(tài)以及分蘗初期，最大峰值出現(xiàn)在播種后第3天的CF處理，為1092.2 μg/(m2·h)；晚稻N2O排放峰主要集中在水稻分蘗期和后期干濕交替階段，最大峰值出現(xiàn)在CK處理后期干濕交替階段，為795.7 μg/(m2·h)。

2.3 紫云英與氮肥配比對(duì)雙季稻田CH4和N2O累積排放量的影響

根據(jù)雙季稻生長(zhǎng)季CH4和N2O的排放通量計(jì)算各處理的累積排放量。從表1可以看出，早稻季CH4排放量以MV處理最高，為43.7 kg/hm2，與1/4 MV+3/4 CF處理有顯著差異 (P ＜ 0.05)，其他處理間差異均不顯著。晚稻季CH4排放量以1/4 MV+3/4 CF處理最高，CK最低，分別為54.5 kg/hm2和40.5 kg/hm2。從兩季累積排放量來(lái)看，各處理CH4排放量為 MV ＞ 3/4 MV+1/4 CF ＞ 1/2 MV+1/2 CF ＞ CK ＞1/4 MV +3/4 CF ＞ CF，以MV處理最高，CF處理最低，分別為91.0 kg/hm2和66.2 kg/hm2，CF、MV處理間有顯著差異 (P ＜ 0.05)。各處理CH4累積排放量主要出現(xiàn)在晚稻季，占雙季稻的比例為51.9%～79.7%。

圖 1 不同處理雙季稻田CH4排放速率Fig. 1 Seasonal dynamic of CH4 emission rate from paddy soil under different treatments

圖 2 不同處理雙季稻田N2O排放速率Fig. 2 Seasonal dynamic of N2O emission rate from paddy soil under different treatments

由表1可知，N2O的排放量遠(yuǎn)低于CH4的排放量。早稻和晚稻季節(jié)內(nèi)N2O排放量均以CF最高，分別為3.5 kg/hm2和2.2 kg/hm2。早稻季CF的N2O排放顯著高于CK和MV；晚稻季各處理間無(wú)顯著差異。其中早稻季CK以及晚稻季MV的N2O排放量為負(fù)值，表現(xiàn)為N2O的匯。從雙季稻累積排放量來(lái)看，各處理N2O排放量為CF ＞ 1/4 MV+3/4 CF ＞3/4 MV+ 1/4 CF ＞ 1/2 MV+ 1/2 CF ＞ CK ＞ MV，其中CF排放量最高，為5.7 kg/hm2；MV排放量最低，為–2.5 kg/hm2；CF 和 MV 差異顯著 (P ＜ 0.05)。

表 1 不同處理雙季稻田CH4與N2O累計(jì)排放量Table 1 Seasonal emission of CH4 and N2O from double rice system under different treatments

2.4 紫云英與氮肥配比對(duì)雙季稻田GWP和GHGI的影響

以100年尺度計(jì)算，單位質(zhì)量的CH4和N2O增溫效應(yīng)分別是CO2的25倍和298倍。表2所示，各處理雙季稻GWP的范圍為1524.5～3340.1 kg/hm2，以CF最高，MV最低。除MV外，其他各處理GWP均高于CK，即CF、1/4 MV+ 3/4 CF、3/4 MV+1/4 CF和1/2 MV+ 1/2 CF均導(dǎo)致雙季稻GWP升高。本研究中各處理CH4對(duì)GWP的貢獻(xiàn)占49.5%～84.1%，而N2O對(duì)GWP的貢獻(xiàn)占15.9%～50.5%，除CF外，其余處理CH4對(duì)GWP的貢獻(xiàn)均高于N2O對(duì)GWP的貢獻(xiàn)。

各處理雙季稻產(chǎn)量可達(dá)10868～20532 kg/hm2。與CK相比，除1/4 MV+3/4 CF處理外，各紫云英與氮肥配比處理均增加了雙季稻產(chǎn)量，其中CF與1/2 MV+1/2 CF處理顯著高于CK；但各紫云英與氮肥配比處理雙季稻產(chǎn)量均低于CF處理，其中1/4 MV+3/4 CF處理和MV處理顯著低于CF處理。結(jié)合水稻產(chǎn)量計(jì)算100年尺度上的溫室氣體排放強(qiáng)度GHGI?？梢缘贸觯魈幚鞧HGI最高的是CF和3/4 MV+1/4 CF處理，為0.12 kg/(kg·a)，最低為MV處理，為0.08 kg/(kg·a)。相比CK，施用1/2比例以上的尿素處理均增加了溫室氣體排放強(qiáng)度。

3 討論

3.1 紫云英與氮肥配比對(duì)雙季稻田CH4排放的影響

CH4排放主要集中在水稻生長(zhǎng)初期，這與其他研究結(jié)果相一致[16–22]。由于綠肥還田后有機(jī)物的大量分解，在產(chǎn)CH4菌的參與下產(chǎn)生大量CH4[23]；晚稻CH4排放的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來(lái)源于早稻根茬，在厭氧條件下被產(chǎn)CH4菌利用，產(chǎn)生CH4。本研究中CH4排放總量高低順序?yàn)?MV ＞ 3/4 MV+ 1/4 CF ＞ 1/2 MV+ 1/2 CF ＞ CK ＞ 1/4 MV+ 3/4 CF ＞ CF，CH4排放總量隨紫云英施用比例的增加而增加，這與劉紅江等[13]研究結(jié)果相一致，主要原因是紫云英增加了產(chǎn)CH4菌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致CH4的排放總量增加。但相比于CK，單施尿素減少了CH4的排放，可

能是由于增施氮肥，稻田耕層土壤中的亞硝酸根高于不施氮肥處理，進(jìn)而導(dǎo)致土壤CH4被亞硝酸根氧化而消耗，這是土壤CH4氧化的另一種途徑[24]，最終導(dǎo)致CH4的排放降低。

表 2 不 同處理 對(duì)雙 季稻田 綜合 溫室效 應(yīng) (100 年) 的影 響Table 2 GWP in 100 years time frame from double rice system under different treatments

3.2 紫云英與氮肥配比對(duì)雙季稻田N2O排放的影響

田間水分管理和肥料施用是影響稻田土壤N2O排放的兩個(gè)主要因素[25]。從稻田土壤N2O排放通量特征可以看出，本研究各處理的N2O排放規(guī)律相似，N2O排放主要在早稻播種—生長(zhǎng)前期與晚稻生長(zhǎng)后期，此時(shí)稻田土壤處于有氧狀態(tài)，有利于N2O的產(chǎn)生，這與張?jiān)婪嫉萚26]研究結(jié)果一致。本研究中稻田土壤N2O排放總量高低順序?yàn)镃F ＞ 1/4 MV+3/4 CF ＞ 3/4 MV+1/4 CF ＞ 1/2 MV+1/2 CF ＞ CK ＞ MV，同等施氮量下，紫云英替代尿素的比例越大，稻田土壤N2O排放量越低，紫云英的施入降低了N2O排放，可能由于N2O排放主要是受外源碳、氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)水平的限制，而紫云英替換無(wú)機(jī)氮肥提高了土壤中的C/N，有機(jī)碳的大量投入促進(jìn)了微生物的活動(dòng)，同時(shí)也提高了微生物對(duì)氮素的固定作用[27]。此外，本研究中MV處理的N2O排放總量低于CK，主要是由于有機(jī)綠肥的養(yǎng)分釋放速度較慢，可以降低土壤中的速效氮素含量，減弱了土壤微生物的活動(dòng)，抑制了土壤的硝化和反硝化作用，從而導(dǎo)致N2O的排放量減少[28]。MV處理的N2O排放總量為負(fù)值，說(shuō)明紫云英還田可以降低稻田N2O排放，甚至使稻田土壤從大氣中吸收一定量的N2O，從而成為N2O的匯。Goldberg等[29]認(rèn)為，當(dāng)土壤處于較為干旱或者有氧的條件下時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)N2O負(fù)排放；而Wu等[30]也發(fā)現(xiàn)土壤中氮素含量處于較低水平時(shí)，反硝化細(xì)菌能夠利用土壤中的N2O來(lái)代替NO3－作為電子受體，可將更多N2O還原為N2，導(dǎo)致土壤對(duì)N2O的消耗增加，甚至出現(xiàn)凈吸收。在僅施用紫云英綠肥處理中，土壤的氮素含量處于較低水平，且當(dāng)土壤處于干旱條件下時(shí)出現(xiàn)N2O負(fù)排放，與Wu等[30]的研究結(jié)果相吻合。

3.3 紫云英與氮肥配比對(duì)雙季稻田GWP和GHGI的影響

有研究表明，稻田生態(tài)系統(tǒng)中CH4與N2O的排放具有一定的互為消長(zhǎng)關(guān)系[31–32]，但在一些其他生態(tài)系統(tǒng)中，CH4與N2O的排放并不具有消長(zhǎng)關(guān)系。Zhang等[33]發(fā)現(xiàn)在連續(xù)蔬菜種植系統(tǒng)中，有機(jī)肥對(duì)CH4與N2O的排放均無(wú)顯著影響。因此需要通過(guò)CH4與N2O的綜合效應(yīng)來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)。相比CK，MV處理可以顯著降低GWP，雖然增加了CH4排放，但稻田N2O排放顯著降低，甚至在晚稻季為負(fù)值。CH4的增溫效應(yīng)要遠(yuǎn)高于N2O，稻田增溫潛勢(shì)主要取決于稻田CH4的排放，這與朱波等[16]、郭騰飛等[17]研究結(jié)果相同。雖然稻田N2O排放量較低，但秦曉波等[34]認(rèn)為，雖然在短時(shí)間內(nèi)N2O的增溫效應(yīng)要小于CH4，但在長(zhǎng)時(shí)間尺度下，N2O在大氣中的存在時(shí)間更為久遠(yuǎn)，而且隨著時(shí)間增長(zhǎng)其對(duì)溫室效應(yīng)的影響會(huì)越來(lái)越大；但也有學(xué)者認(rèn)為稻田產(chǎn)生的N2O都會(huì)存在后續(xù)效應(yīng)，需要考慮周年的N2O排放來(lái)科學(xué)評(píng)估CH4與N2O的增溫效應(yīng)[35]。因此，在研究稻田等濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的過(guò)程中，既不能忽視N2O的排放，也要從周年試驗(yàn)進(jìn)行考慮。此外，本試驗(yàn)是在盆栽條件下進(jìn)行，具有一定的局限性，但可以更好地控制在田間條件下難以控制的因素。

4 結(jié)論

1) 不同處理稻季CH4、N2O排放規(guī)律基本一致，在等氮量施用條件下，稻田CH4累積排放量隨紫云英施用比例的增加而增加；稻田N2O累積排放量隨紫云英施用比例的增加而減小。

2) 與CK相比，各施肥處理對(duì)于稻田GWP及GHGI的影響均不顯著。

3) 除單施尿素處理CH4對(duì)全球增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率略低于N2O，其余處理CH4對(duì)全球增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率均大于N2O，故雙季稻田減排措施應(yīng)著重于減少CH4排放；此外，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)單施紫云英處理晚稻季N2O負(fù)排放，下一步需要開(kāi)展深入研究。

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