聶江文，王幼娟，吳邦魁，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）

全球變暖主要是由大氣中溫室氣體濃度增加引起的，而甲烷（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單位分子的增溫潛能分別是CO2的25倍和298倍[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，稻田是CH4和N2O的重要排放源之一[2]，稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4排放量約占全球人類活動(dòng)CH4總排放的12%～26%[3]，稻田生態(tài)系統(tǒng)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)合理地制定稻田CH4和N2O減排措施，發(fā)展高產(chǎn)低碳的水稻生產(chǎn)技術(shù)已成為農(nóng)田生態(tài)研究的熱點(diǎn)問題。

農(nóng)田養(yǎng)分與水分管理是影響稻田CH4和N2O排放的兩個(gè)重要因素[5-7]。首先，大量單一化學(xué)氮肥的投入是造成氮素利用率低、N2O排放大幅增加的主要原因[8-9]，而有機(jī)肥與無機(jī)氮肥配施被認(rèn)為是可實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)[10]、減肥減排的高效施肥措施之一[11-12]；朱波等[13]發(fā)現(xiàn)黑麥草與氮肥配施增加了CH4排放，但能減少N2O排放，并且CH4占總增溫潛勢(shì)的比例遠(yuǎn)高于N2O；郭騰飛等[14]認(rèn)為秸稈還田增加了CO2和CH4排放，但減少了N2O排放。研究表明[6-7]，相比持續(xù)淹水，秸稈還田條件下間歇灌溉和中期烤田都可提高水稻產(chǎn)量和降低稻田溫室氣體排放。因此，合理的施肥及灌溉措施對(duì)于溫室氣體減排有著極為重要的作用。紫云英（Astragalus sinicus L.）是我國(guó)南方稻區(qū)常見的冬季綠肥作物，翻壓還田后可部分替代水稻季需要的氮素養(yǎng)分，提高氮素利用效率和水稻產(chǎn)量[15]。而目前多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)綠肥還田后，且CH4的排放高峰期主要集中在綠肥還田后一個(gè)月內(nèi)的淹水條件下[12-13]，針對(duì)這一現(xiàn)象并結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)作習(xí)慣，在早稻直播晚稻移栽的栽培措施下，研究南方雙季稻區(qū)紫云英還田對(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。

本研究擬通過大田試驗(yàn)條件下，比較早稻直播條件下冬種紫云英翻壓還田對(duì)雙季稻田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)地概況

試驗(yàn)于2017年在湖南省華容縣長(zhǎng)江大學(xué)試驗(yàn)基地（東經(jīng)112°55′，北緯29°52′）進(jìn)行。當(dāng)?shù)貧夂驗(yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，年均氣溫16～18℃，≥10℃積溫5000～5800℃，無霜期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。試驗(yàn)前土壤肥力指標(biāo)：有機(jī)質(zhì)49.2 g·kg-1，全氮3.11 g·kg-1，堿解氮273 mg·kg-1，有效磷16.4 mg·kg-1，速效鉀69 mg·kg-1，pH 7.7。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用田間小區(qū)試驗(yàn)，設(shè)4個(gè)處理：冬閑，水稻季不施氮肥（CK）；冬閑，每季水稻施氮量200 kg·hm-2（N200）；種植紫云英全量還田，水稻季不施氮肥（CMV）；種植紫云英半量還田，每季水稻施氮量100 kg·hm-2（CMV+N100）。紫云英鮮草全量還田量為3750 kg·hm-2。3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為3.3 m×9 m=30 m2，小區(qū)間田埂寬0.3 m，溝寬0.5 m。小區(qū)間做田埂并用塑料薄膜包裹，防止水肥串灌，避免小區(qū)之間相互污染。

1.3 供試材料及田間管理

試驗(yàn)氮肥為尿素，70%基施，30%追肥。磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氧化鉀，早稻和晚稻的施肥量一致。磷鉀肥在早晚稻插秧前施入，用量為75 kg·hm-2（P2O5）和100 kg·hm-2（K2O），作為基肥一次性施入。紫云英品種為湘肥3號(hào)，2016年10月5日按37.5 kg·hm-2播種量均勻撒播于冬種紫云英稻田小區(qū)中，盛花期測(cè)產(chǎn)，于早稻直播前7 d翻壓。早稻品種為浙福7號(hào)，2017年4月10日浸種，4月13日按120 kg·hm-2播種量均勻撒播于小區(qū)中，7月12日收獲。晚稻品種為隆香優(yōu)130，2017年6月22日苗床播種，7月18日移栽，移栽密度為20 cm×20 cm，每穴2～3苗，10月14日收獲。紫云英冬季生長(zhǎng)期內(nèi)不施用任何肥料。雙季稻生育期內(nèi)地表溫度及水層深度如圖1和圖2所示。其余稻田管理均按當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培措施進(jìn)行。

1.4 樣品采集與測(cè)定

于雙季稻生長(zhǎng)季內(nèi)采用密閉式靜態(tài)暗箱-氣相色譜法測(cè)定田間溫室氣體的排放速率。氣體采樣箱由底座和采樣箱組成，采樣箱為有機(jī)玻璃，箱底高度為100 cm，長(zhǎng)寬皆為45 cm，采樣箱外部包有海綿和鋁箔紙，防止太陽照射導(dǎo)致箱內(nèi)溫度變化過大。采樣箱底座上部有水槽，底座高5 cm，在水稻直播或移栽后插入田間土壤。觀測(cè)頻率為每周1次，烤田期每周3次，時(shí)間均為8：00—11：00。采集氣樣時(shí)，將采樣箱垂直安放在底座3 cm深的凹槽內(nèi)并加水密封，扣箱后立即用30 mL注射器采集樣品，然后分別在扣箱0、10、20 min采集樣品。為防止人為擾動(dòng)造成的誤差，在田間搭設(shè)木棧橋通往各試驗(yàn)小區(qū)中央的箱體底座。氣體樣中CH4和N2O濃度由氣相色譜Agilent 7890A分析測(cè)定。CH4檢測(cè)器是FID（氫火焰離子化檢測(cè)器），N2O檢測(cè)器是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：

式中：F為排放速率，CH4為 mg·m-2·h-1，N2O 為 μg·m-2·h-1；dc/dt為采樣過程中箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間的變化率，CH4為mL·m-3·h-1，N2O為μL·m-3·h-1；h為箱體高度，1.0 m；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度，CH4為0.714 kg·m-3，N2O為1.964 kg·m-3；T為采樣時(shí)箱內(nèi)溫度，℃。

在每次氣樣采集的同時(shí)，記錄小區(qū)的水層深度及地表溫度，并采集0～20 cm土壤樣品，采用2 mol·L-1KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定銨態(tài)氮；采用雙波長(zhǎng)紫外分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮。

圖1 雙季稻生長(zhǎng)季地表溫度變化Figure 1 Variation of surface temperature in growing season of double cropping rice

圖2 水稻生長(zhǎng)季水層深度變化Figure 2 Variation of water layer depth in rice growing season

1.5 數(shù)據(jù)分析

以100年為尺度，單位質(zhì)量CH4和N2O的全球增溫潛勢(shì)（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 equiva?lent，CDE，單位：kg，以CO2計(jì)）。通過計(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）[16]。

(4) 在逆作法作業(yè)中，當(dāng)采用盆式開挖法進(jìn)行土方開挖時(shí)，預(yù)留土體對(duì)地下連續(xù)墻具有一定的支撐作用，不但能控制墻體本身水平位移的發(fā)展，有效減小位移值，還能減輕施工人員暗挖土方的工作量，進(jìn)而縮短工期和節(jié)約工程成本。

式中：GWP為CH4和N2O二者排放量的總二氧化碳當(dāng)量，kg，以 CO2計(jì)；GHGI為溫室氣體排放強(qiáng)度，kg·kg-1·a-1。

利用Excel 2007和SPSS 19.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、方差分析和作圖，CH4和N2O排放通量用每次觀測(cè)所得的3個(gè)重復(fù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度變化

土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是評(píng)價(jià)土壤供氮能力的重要指標(biāo)。從圖3可以觀察出，各處理稻田銨態(tài)氮與硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。銨態(tài)氮濃度在早稻初期施肥后迅速降低，至施分蘗肥又迅速升高，后逐漸降低。晚稻移栽初期至收獲期各處理土壤銨態(tài)氮濃度均呈逐漸降低的趨勢(shì)，晚稻移栽初期N200處理顯著高于CK。各處理硝態(tài)氮均在早稻晚稻排干期出現(xiàn)較低的峰值，其余時(shí)期均處于較低水平。

2.2 CH4排放通量

由圖4可見，各處理雙季稻田CH4排放的季節(jié)變化趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為在早稻播種初期（1周內(nèi)）出現(xiàn)峰值，晚稻移栽后至分蘗末期出現(xiàn)較大排放峰，其他水稻生育期趨于平穩(wěn)，且晚稻排放峰值高于早稻CH4排放峰值；早稻與晚稻出現(xiàn)最大峰值的處理分別為CMV+N100和CMV，為52.94 mg·m-2·h-1和105.6 mg·m-2·h-1。

2.3 N2O排放通量

圖5 顯示，各施肥處理稻田N2O排放規(guī)律基本一致。除N200處理在水稻分蘗期（覆水）及曬田期結(jié)束后覆水出現(xiàn)較大排放峰外（最大峰值為717.7 μg·m-2·h-1），各處理早稻季播種至收獲均未出現(xiàn)較大峰值，而在早稻播種初期至分蘗期內(nèi)，CMV與CK出現(xiàn)較多負(fù)排放現(xiàn)象。在晚稻移栽初期各處理N2O排放出現(xiàn)峰值，最大峰值為1 065.57 μg·m-2·h-1（N200），在晚稻曬田期及水稻生長(zhǎng)末期稻田排干各處理出現(xiàn)小的排放峰，但在晚稻生長(zhǎng)末期排干過程中，CK與CMV均出現(xiàn)了負(fù)排放現(xiàn)象。

2.4 CH4與N2O的季節(jié)累積排放量

不同施肥處理對(duì)雙季稻田CH4和N2O累積排放量有顯著影響（表1）。早稻季CMV+N100CH4總累積排放量顯著高于N200和CK，但晚稻季和雙季稻各處理無顯著差異。晚稻季CH4累積排放高于早稻季，占雙季稻總量的69.25%～89.21%。早稻季和雙季稻，N200處理N2O累積排放量顯著高于其余處理，分別達(dá)1.94 kg·hm-2和3.05 kg·hm-2。此外，早稻季CMV處理N2O累積排放量顯著高于CK，而CMV+N100與CK間無顯著差異，說明與單施氮肥或單施紫云英相比，紫云英與氮肥配施可在一定程度上降低早稻季N2O的排放；各處理晚稻季累積排放量無顯著差異。除N200處理外，其余處理晚稻季N2O的累積排放量可占雙季稻累積排放量的56%以上。

2.5 紫云英還田對(duì)雙季稻田GWP及GHGI的影響

以100年尺度來計(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。以此為依據(jù)，根據(jù)上文中得到的CH4與N2O累計(jì)排放通量計(jì)算各處理的GWP（表2）。各處理CH4所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)無顯著差異，N200處理雙季稻兩季N2O所造成的溫室效應(yīng)顯著高于其他處理，但其他處理間無顯著差異。各處理間GWP并無顯著差異，其中CH4造成的溫室效應(yīng)遠(yuǎn)高于N2O造成的溫室效應(yīng)，可達(dá)GWP的90.95%～97.01%。

圖4 不同施肥處理雙季稻田CH4排放速率Figure 4 Rate of CH4emission from double cropping rice field with different fertilization treatments

圖5 不同施肥處理雙季稻田N2O排放速率Figure 5 Rate of N2O emission from double cropping rice field with different fertilization treatments

結(jié)合GWP與水稻產(chǎn)量可計(jì)算生產(chǎn)單位水稻產(chǎn)量所造成的溫室效應(yīng)（GHGI），如表3所示，與CK相比，N200顯著增加早稻、晚稻及雙季稻總產(chǎn)量，增產(chǎn)率分別達(dá)27.45%、12.11%、17.79%，而CMV+N100也顯著增加早稻、晚稻及雙季稻總產(chǎn)量，增產(chǎn)率分別達(dá)19.86%、10.58%、14.01%。與CK相比，CMV+N100處理顯著增加早稻季GHGI；晚稻季CMV+N100處理GHGI顯著低于CMV，而雙季稻季各處理間并無顯著差異。

3 討論

稻田CH4的排放除了與土壤中的養(yǎng)分有關(guān)外，還與田間水分管理措施相關(guān)[16]。研究表明，大部分CH4的產(chǎn)生是處于田間淹水狀態(tài)[17]，而本研究中由于早稻季水稻種植方式為撒播，因而導(dǎo)致在水稻生長(zhǎng)初期田間處于無水狀態(tài)，降低了產(chǎn)CH4菌的活性，最終導(dǎo)致早稻季CH4排放峰值及排放量遠(yuǎn)低于晚稻季，這與朱波等[13]研究結(jié)果不一致，而與張?jiān)婪嫉萚18]研究采用機(jī)械直播的種植方式可減少長(zhǎng)江下游稻麥兩熟區(qū)稻季CH4排放的研究結(jié)果相一致。此外，早稻播種初期的溫度低于晚稻移栽初期也是原因之一[17]。早稻播種初期與晚稻移栽初期均出現(xiàn)峰值，至水稻生長(zhǎng)后期無峰值出現(xiàn)的主要原因是綠肥還田與早稻根茬有機(jī)物的大量分解[17]，在產(chǎn)CH4菌的參與下產(chǎn)生大量CH4，這與朱波等[13]、郭騰飛等[14]研究結(jié)果相一致。與CK及N200相比，紫云英還田（CMV、CMV+N100）顯著增加了早稻季CH4的排放，主要源于紫云英還田增加了稻田中產(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；而晚稻季各處理間CH4排放無顯著差異，可能是由于大部分紫云英秸稈在早稻季被分解，減少了產(chǎn)CH4菌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

表1 不同施肥處理雙季稻田CH4和N2O累積排放量Table 1 Accumulative emissions of CH4and N2O in double cropping rice fields with different fertilization treatments

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

表3 不同施肥處理對(duì)雙季稻產(chǎn)量及溫室氣體排放強(qiáng)度的影響Table 3 Effects of different fertilization on yield and greenhouse gas emission intensity of double cropping rice

稻田土壤中微生物硝化與反硝化過程都會(huì)有N2O產(chǎn)生。稻田土壤復(fù)雜的水分變化狀況可以影響到土壤氧化還原電位和微生物活性，從而導(dǎo)致氮素在稻田土壤中的動(dòng)態(tài)變化受到影響[19]。本研究中N2O排放峰均出現(xiàn)在水稻移栽初期及稻田干濕交替階段，主要是因水稻生長(zhǎng)初期存在大量的硝化與反硝化底物，而一些研究表明，田間干濕階段可導(dǎo)致N2O大量的排放[16，20]，這與本研究結(jié)果相一致。與N200相比，CMV+N100降低了早稻、晚稻季N2O的排放，可見與僅施化學(xué)氮肥相比，紫云英與氮肥配施可降低雙季稻田N2O的排放，這與朱波等[13]、郭騰飛等[14]、熊正琴等[21]研究結(jié)果相一致。此外，本研究發(fā)現(xiàn)在水稻生長(zhǎng)季存在著較多的N2O排放負(fù)值，且這些負(fù)排放主要出現(xiàn)在稻田持續(xù)淹水的條件下，可能存在兩種原因：其一，王孟雪等[16]研究發(fā)現(xiàn)，相比于間歇性灌水，持續(xù)淹水可降低稻田N2O的排放，故在本研究中是由于灌溉強(qiáng)度過大，使得土壤水分過飽和，N2O排放下降。其二，持續(xù)性淹水條件下，稻田的灌溉水層也能吸收一定的N2O[22]，從而導(dǎo)致稻田N2O出現(xiàn)負(fù)排放。

大量研究發(fā)現(xiàn)，稻田中CH4與N2O排放存在一種消長(zhǎng)的關(guān)系[23-24]，而又有一部分的學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)這種消長(zhǎng)關(guān)系并不存在[25]。因此需要對(duì)稻田排放的CH4與N2O進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，本研究中，與N200相比，紫云英還田顯著降低了雙季稻季N2O排放，但增加了CH4的排放，而各處理稻田GWP無顯著差異?？梢娮显朴⑦€田條件下稻田CH4與N2O存在著消長(zhǎng)關(guān)系。此外，本研究中CH4所造成的GWP占總GWP的90%以上，CH4的增溫效應(yīng)要遠(yuǎn)高于N2O，這與朱波等[13]、郭騰飛等[14]、秦曉波等[26]研究結(jié)果相一致。雖然相比于CH4的排放，水稻生長(zhǎng)季稻田N2O排放量低，但是并不能忽略其對(duì)環(huán)境所造成的影響。石生偉等[27]通過比較20年和500年時(shí)間尺度下的不同平均施氮量稻田CH4與N2O所造成的溫室效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施氮量處于較低水平（120 kg·hm-2）時(shí)，稻田溫室效應(yīng)主要貢獻(xiàn)來自于CH4，而當(dāng)施氮量達(dá)到240 kg·hm-2以上時(shí)，N2O對(duì)于溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)會(huì)高于CH4。因此，鑒于CH4與N2O交互效應(yīng)的存在，在制定稻田溫室氣體減排措施時(shí)，要綜合考慮CH4與N2O產(chǎn)生和排放的形態(tài)，對(duì)其總的溫室效應(yīng)要進(jìn)行充分權(quán)衡考慮。此外，本研究?jī)H監(jiān)測(cè)了紫云英還田后雙季稻生長(zhǎng)季的CH4與N2O排放，而未對(duì)冬季紫云英生長(zhǎng)季的溫室氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，缺乏雙季稻區(qū)周年系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，在未來的研究工作中應(yīng)從周年試驗(yàn)進(jìn)行考慮。

4 結(jié)論

（1）紫云英還田對(duì)雙季稻田CH4與N2O排放季節(jié)特征無顯著影響，CH4排放峰主要在水稻移栽初期至分蘗末期，N2O排放峰主要出現(xiàn)在田間水稻種植初期至分蘗及田間水分干濕交替階段。

（2）與僅施氮肥相比，紫云英還田與氮肥配施增加了CH4累積排放量，減少了N2O的排放，且早稻季CH4排放量低于晚稻季。

（3）與CK相比，施肥增加了雙季稻的產(chǎn)量，但對(duì)于稻田GWP并無顯著影響，其中CH4對(duì)GWP的貢獻(xiàn)可達(dá)90%以上，遠(yuǎn)高于N2O；與僅施氮肥相比，紫云英還田增加了早稻季GHGI，紫云英與氮肥配施降低了晚稻季GHGI，而對(duì)雙季稻GHGI并無顯著影響。