苗茜，黃瓊，朱小莉，馬靜，張廣斌，徐華*

1.中國科學(xué)院南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

全球氣候變暖已經(jīng)成為不容爭辯的事實。作為大氣中僅次于CO2的兩種最重要的溫室氣體，CH4和N2O分別貢獻(xiàn)了17%和6%的長壽命溫室氣體輻射強迫（WMO，2019）。2018年，CH4和N2O在大氣中的濃度已分別達(dá)到 1869 nL·L-1和 331 nL·L-1，分別是工業(yè)化前（1750年之前）水平的259%和123%（WMO，2019）。水稻（Oryza sativa）是世界主要糧食作物之一，稻田是CH4和N2O的重要排放源。全球稻田的 CH4總排放量約為 35—56 Tg·a-1（王明星等，1998），水稻生長期的若干次干濕循環(huán)也導(dǎo)致較高的 N2O排放（邢光熹等，2000）。

作為糧食的“糧食”，化肥在糧食增產(chǎn)中的貢獻(xiàn)率達(dá)50%左右（吳永常等，2002）。FAO的統(tǒng)計資料顯示（FAO，2017）：1980—2014年，中國糧食總產(chǎn)量增加了90%，氮肥的投入量提高了1.8倍：2014年，占世界耕地面積僅7%的中國，化肥施用量達(dá)5996×104t，占世界化肥使用量的1/3（張燦強等，2016）。中國主要糧食作物的氮肥利用率平均為34%，遠(yuǎn)低于世界平均水平（于飛等，2015）。施肥過量是中國氮肥利用率低的最主要原因（張福鎖等，2008）。氮肥利用率低和大量的氮素?fù)p失帶來了水體硝酸鹽超標(biāo)和富營養(yǎng)化、大氣氮沉降量升高、N2O排放增加等一系列環(huán)境問題（蔡祖聰?shù)龋?014）。2015年初，中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，提出力爭到2020年主要農(nóng)作物化肥使用量實現(xiàn)零增長，化肥利用率達(dá)到40%以上，實現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)路徑之一就是有機(jī)肥替代化肥。

有機(jī)肥中含有農(nóng)作物生長所需的多種營養(yǎng)元素和微量元素（寧川川等，2016），長期施用有機(jī)肥是維持和提高土壤肥力的關(guān)鍵（龔偉等，2011）。關(guān)于有機(jī)肥對稻田溫室氣體排放和水稻產(chǎn)量的影響，目前已有大量研究報道，這些研究側(cè)重于作物秸稈（馮曉赟等，2016；馬義虎等，2013；霍蓮杰等，2013；鄒建文等，2003）、廄肥（李波等，2013；鄒建文等，2003）、沼液沼渣（楊丹等，2018；馬義虎等，2013；李波等，2013）、鮮畜禽糞便（楊丹等，2018；李波等，2013）、風(fēng)干腐熟畜禽糞便（吳家梅等，2018；霍蓮杰等，2013）等。隨著城市化進(jìn)程加快，城市污泥、畜禽糞便等固體有機(jī)廢物大量產(chǎn)生。將這些固體有機(jī)廢物進(jìn)行堆肥處理，使之資源化、無害化，長久以來在國內(nèi)外被廣泛地研究和應(yīng)用（李國學(xué)等，2001）。施用經(jīng)好氧發(fā)酵制成的污泥堆肥和畜禽糞便堆肥對稻田溫室氣體排放和水稻產(chǎn)量影響的報道較少。

本文通過田間原位試驗，觀測了經(jīng)好氧發(fā)酵的城市污泥堆肥和豬糞堆肥分別以不同比例與化肥配施后稻田的CH4和N2O排放、水稻產(chǎn)量構(gòu)成，旨在探明有機(jī)肥替代化肥的較適宜比例，為稻田溫室氣體減排及減肥增效提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

大田試驗于2018年6—11月在浙江省寧波市樟溪小流域（29°47′32″N，121°21′47″E）開展，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔12 m，年平均氣溫16.4 ℃左右，多年平均降水量為 1480 mm，輪作制度為冬小麥-水稻輪作。供試土壤為青紫泥，有機(jī)碳含量為 21.6 g·kg-1，全氮含量為 2.31 g·kg-1，土壤pH為6.17。

試驗共設(shè)置6個處理，每個處理4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。除對照處理外，其他各處理施入的總純氮量相等，為240 kg·hm-2（以N計），且按基肥∶分蘗肥∶穗肥=2∶1∶1 施用。有機(jī)肥均作為基肥一次性施用。具體處理和氮肥施用量如表1所示。所有處理施用等量的磷肥和鉀肥，其中磷肥作為基肥一次性施用，施用量為過磷酸鈣 Ca(H2PO4)2600 kg·hm-2，鉀肥作為基肥和穗肥以1∶1比例施用，施用總量為氯化鉀KCl 400 kg·hm-2。小區(qū)面積為42 m2（6 m×7 m），小區(qū)間用水泥擋板（地下埋深1 m，高出地面0.2 m，寬0.25 m）隔離。

表1 各處理肥料施用情況Table 1 Fertilizer application rates of different treatments kg·hm-2 (by N)

供試城市污泥堆肥由江蘇弘揚土壤科技有限公司提供，以城市污泥為原料，先加入微生物菌劑后厭氧發(fā)酵，再混以草木灰、秸稈等好氧發(fā)酵而成，其C、N含量分別為6.99%、0.48%，pH=7.39；供試豬糞堆肥由寧波環(huán)瀛農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，以新鮮豬糞混以木屑或粗糠后加入微生物菌劑，經(jīng)好氧發(fā)酵而成，其C、N含量分別為21.2%、2.12%，pH=8.00。

供試水稻品種為雜交稻甬優(yōu)12，6月16日移栽，11月2日收獲，全生育期139 d?；?、分蘗肥、穗肥施用時間分別為6月14日、7月2日、8月4日。田間水分管理和病蟲害防治同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)一致。

1.2 田間樣品采集與測定

CH4和N2O樣品采集：用密閉靜態(tài)暗箱法，箱高0.6 m或1.2 m，覆蓋面積為0.25 m2（0.5 m×0.5 m）。靜態(tài)箱底座規(guī)格為0.5 m×0.5 m×0.15 m，底座上部有4 cm深的凹槽。底座于小區(qū)淹水前埋入各試驗小區(qū)，底座頂端與小區(qū)土壤表面齊平，底座內(nèi)水稻移栽密度與底座外保持一致。采樣時，將靜態(tài)箱置于底座凹槽內(nèi)，同時向槽內(nèi)注水，以保證采樣時箱體的密封性，用兩通針將靜態(tài)箱內(nèi)氣體導(dǎo)入預(yù)先抽真空的18 mL玻璃瓶中，各采樣點每隔15 min采樣1次，共采集4次。采集的樣品帶回實驗室迅速測定。水稻生育前期（9月份前）4 d采一次樣，后期（9月后）7 d采一次樣，采樣時間為上午9:00—11:00。采集氣體樣品的同時，用數(shù)字溫度計記錄氣溫、箱溫以及5 cm深度土溫。水稻成熟后，分別按小區(qū)收割、脫粒、晾曬后計算水稻產(chǎn)量。

樣品 CH4和 N2O濃度用安捷倫氣相色譜（Agilent 7890B）測定。其中CH4濃度用氫火焰離子化檢測器（FID）測定，N2O濃度用63Ni電子捕獲檢測器（ECD）測定。CH4和N2O混合標(biāo)準(zhǔn)氣體由中國計量科學(xué)研究院提供。

測產(chǎn)和考種：在水稻成熟期收獲前每小區(qū)采用五點法取 50穴水稻，調(diào)查其有效穗數(shù)，各小區(qū)按平均穗數(shù)取長勢均勻的 10穴代表性植株測定每穗實粒數(shù)、結(jié)實率和千粒質(zhì)量，在水稻收獲期測定各小區(qū)產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

CH4和N2O排放通量的計算公式（蔡祖聰?shù)龋?009）為：

式中，F(xiàn)為 CH4或 N2O排放通量，單位為mg·m-2·h-1（CH4）和 μg·m-2·h-1（N2O-N）；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4或N2O-N密度，其值為0.714 kg·m-3（CH4）和1.25 kg·m-3（N2O-N）；V是采樣箱內(nèi)有效體積，單位為m3；A是采樣箱所覆蓋的土壤面積，單位為m2；dc/dt為單位時間內(nèi)采樣箱內(nèi)CH4或N2O濃度的變化，單位為 μL·L-1·h-1（CH4）和 nL·L-1·h-1（N2O）；T為采樣箱內(nèi)溫度，單位為K。

CH4和N2O排放通量均使用每次觀測的4個重復(fù)的平均值表示。CH4和 N2O的季節(jié)排放總量是將每次的觀測值按時間間隔加權(quán)平均后再平均，處理間比較用 4個重復(fù)的平均值進(jìn)行方差分析和多重比較。

根據(jù)單位質(zhì)量的CH4和N2O在100年時間尺度上的全球增溫潛勢（GWP）分別是CO2的34倍和298倍（Myhre et al.，2013），計算出不同處理排放CH4和N2O產(chǎn)生的綜合溫室效應(yīng)，公式如下：

式中，GWP單位為t·hm-2（以CO2-eq計），TCH4和TN2O為CH4和N2O的季節(jié)排放總量（t·hm-2）。

溫室氣體排放強度（GHGI）是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中綜合評價溫室效應(yīng)的指標(biāo)（Herzog et al.，2006），計算公式如下：

式中，GWP為 CH4和 N2O的綜合溫室效應(yīng)（t·hm-2，以 CO2-eq 計），Y為水稻產(chǎn)量（t·hm-2）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2010完成，方差分析和顯著性比較用SPSS 20.0完成，圖形繪制采用Origin 9.0完成。

2 結(jié)果

2.1 氣溫和降雨量

水稻生長季氣溫和降雨量的季節(jié)變化如圖1所示。水稻生長季降雨較多，總降雨量為835 mm，日平均氣溫在13.9—30.5 ℃范圍內(nèi)變化，其中最高氣溫出現(xiàn)在水稻移栽后第 12天，最低氣溫出現(xiàn)在水稻收獲前。

2.2 稻田CH4和N2O排放的季節(jié)變化

圖2為稻田CH4和N2O排放通量的季節(jié)變化曲線。從圖中可以看出，在水稻生育期內(nèi)，不同處理的CH4季節(jié)排放規(guī)律基本一致。水稻移栽初期，各處理的CH4排放通量緩慢上升。各施肥處理的CH4排放高峰均出現(xiàn)在水稻移栽后第 28天，分別為23.01（U）、31.11（25% S）、29.69（25% P）、35.49（50% S）、38.75（50% P）mg·m-2·h-1，其中以50% P處理的峰值為最高?？咎锲陂g，田面落干，各處理的 CH4排放通量迅速降低至 4.79—14.69 mg·m-2·h-1， 復(fù) 水 后 重 新 上 升 至 15.09 — 23.43 mg·m-2·h-1，水稻生長最后兩個月內(nèi)維持較低水平直至水稻收割。

圖1 水稻生長季氣溫和降雨量的季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variations in the daily temperature and precipitation during the rice growing period

圖2 稻田CH4和N2O排放通量的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of CH4 and N2O flux in rice paddy field

由圖2可知，水稻生育期內(nèi)不同施肥處理之間N2O季節(jié)排放規(guī)律大致相同，水稻移栽初期，各處理的 N2O 排放通量很小，僅在 0—14.04 μg·m-2·h-1（N2O-N）范圍內(nèi)變化。穗肥施用后N2O排放通量達(dá)到最高峰，U、25% S、25% P、50% S、50% P、CK處理的峰值分別為 46.9、12.8、19.7、9.4、10.8、4.1 μg·m-2·h-1（N2O-N），其中以 U 處理的峰值為最高。水稻生長最后2個月，N2O排放通量穩(wěn)定在0—12.85 μg·m-2·h-1（N2O-N）范圍直至水稻收割。

2.3 稻田CH4和N2O排放總量、水稻產(chǎn)量、全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度

如表2所示，水稻全生育期內(nèi)，各處理CH4排放總量在245—370 kg·hm-2范圍內(nèi)變化。有機(jī)肥替代處理的CH4排放總量高于U處理，且隨有機(jī)肥替代比例的增加而增加。其中，50% S處理和50% P處理的CH4季節(jié)排放總量分別為329 kg·hm-2和370 kg·hm-2，較 U 處理分別增加了 34.3%和 51.0%（P＜0.05）。相同替代比例條件下，豬糞堆肥處理和城市污泥堆肥處理的CH4季節(jié)排放總量無顯著性差異（P＞0.05）。

表2 稻田CH4和N2O的排放總量、產(chǎn)量、綜合溫室效應(yīng)及溫室氣體排放強度Table 2 Total CH4 and N2O emissions, rice grain yield, GWP and GHGI in rice paddy field

如表2所示，與CK處理相比，化學(xué)氮肥的施用（U處理）顯著增加水稻N2O排放（P＜0.05）。水稻全生育期，各處理N2O排放總量的變化范圍是0.07—0.14 kg·hm-2（N2O-N），其中U處理的N2O排放量最大。與U處理相比，25% S、25% P、50%S、50% P處理的N2O排放總量分別降低了35.7%（P＜0.05）、28.6%（P＞0.05）、42.9%（P＜0.05）和50.0%（P＜0.05）。不同有機(jī)肥處理間N2O排放量無明顯差異（P＞0.05）；相同替代比例條件下，豬糞堆肥和城市污泥堆肥降低 N2O排放量的效果相當(dāng)（P＞0.05）。

在水稻生長季（表2），與U處理相比，50% P處理的全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度分別顯著增加了50.2%和49.8%（P＜0.05）。25% S，25%P和50% S處理的GWP較U處理增加了16.9%，25.6%和33.4%（P＞0.05），GHGI較U處理分別增加了12.2%，24.4%和29.3%（P＞0.05）。除50% P處理外，其余各有機(jī)肥處理之間的GHGI差異不顯著（P＞0.05）。

2.4 環(huán)境因素對稻田CH4和N2O排放的影響

圖3 稻田土壤Eh和土壤溫度的季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variation of Eh and soil temperature in rice paddy field

圖3是稻田土壤Eh和5 cm深度土壤溫度的變化趨勢。如圖3所示，在水稻生育期內(nèi)，各處理的土壤 Eh變化規(guī)律基本一致，由于前期稻田淹水及降雨較多，稻田土壤Eh基本穩(wěn)定在-200 mV左右；水稻移栽87 d后田面落干，Eh迅速上升為正值并一直持續(xù)到水稻收割；整個生長季，U處理的平均Eh值為-71 mV，25% S、25% P、50% S、50% P處理的平均Eh值較U處理分別降低了26、27、40、37 mV。5 cm深度的土壤溫度與水稻生長季的氣溫（圖1）呈現(xiàn)相似的季節(jié)變化趨勢，水稻生育期內(nèi)，稻田土壤溫度整體表現(xiàn)為先上升后下降，在14.7—31.3 ℃之間波動，平均土壤溫度為26.7 ℃。

相關(guān)性分析表明（表3），各處理的CH4排放通量與土壤 Eh呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；各處理的CH4排放通量與5 cm的土壤溫度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。各施肥處理的N2O排放通量與土壤Eh和土壤溫度均無顯著相關(guān)性（P＞0.05）。

2.5 水稻產(chǎn)量構(gòu)成

由表2可以看出，與CK處理相比，施肥顯著增加水稻產(chǎn)量14.3%—18.6%（P＜0.05），各有機(jī)肥替代處理的水稻產(chǎn)量比U處理高0.2%—3.9%，但無顯著性差異（P＞0.05）。水稻考種結(jié)果顯示（表4），施肥顯著增加水稻有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量 21.8%—26.7%和 2.0%—2.3%（P＜0.05）；各有機(jī)肥替代處理的有效穗數(shù)和穗實粒數(shù)比U處理高0.8%—4.1%和0.6%—1.4%，但無顯著性差異（P＞0.05）。

3 討論

淹水土壤中CH4的產(chǎn)生是產(chǎn)甲烷菌在嚴(yán)格厭氧條件下作用于產(chǎn)甲烷基質(zhì)的結(jié)果（Conrad，2007）。國內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)證明施用有機(jī)肥促進(jìn)稻田CH4排放。本研究中，與常規(guī)單施化肥相比，有機(jī)肥部分替代化肥均不同程度增加稻田CH4排放（表2），其原因可能是：有機(jī)肥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)（碳含量分別為6.99%和21.2%），其施用為土壤產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的產(chǎn)甲烷基質(zhì)；有機(jī)質(zhì)的分解消耗了土壤中的氧氣，降低了土壤的氧化還原電位（圖3），從而促進(jìn)稻田CH4排放（劉紅江等，2016；侯曉莉等，2012；Schütz et al.，1989）。同一類有機(jī)肥以50%比例替代較以25%比例替代增加了更多的CH4排放量（表 2），其原因可能是：50%有機(jī)肥替代處理較25%替代處理輸入了更多的外源有機(jī)碳，一方面提供的產(chǎn)甲烷基質(zhì)更多；另一方面有機(jī)碳分解消耗了土壤中更多的氧氣，土壤氧化還原電位更低（圖3）。在相同替代比例條件下，豬糞堆肥較城市污泥堆肥增加了更多的CH4排放量；其原因可能是豬糞堆肥中的C/N低于城市污泥堆肥，使得其中的有機(jī)物更易被微生物分解，為產(chǎn)甲烷菌提供更多的產(chǎn)甲烷基質(zhì)，從而促使更多的CH4產(chǎn)生（吳家梅等，2011）。

表3 CH4、N2O排放通量與土壤氧化還原電位、土壤溫度的相關(guān)性系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between CH4, N2O flux and soil Eh, soil temperature

表4 水稻產(chǎn)量構(gòu)成Table 4 Components of rice grain yield

土壤中N2O主要由微生物主導(dǎo)的硝化和反硝化過程產(chǎn)生（Smith，1997）。無機(jī)氮肥的施用為硝化和反硝化作用提供了反應(yīng)底物，從而顯著促進(jìn)土壤 N2O排放（侯愛新等，1998）。而有機(jī)肥施入稻田后對土壤 N2O排放的影響因有機(jī)肥種類及施用量的不同可能存在較大差異。本研究表明，等氮條件下，不同有機(jī)肥替代處理的N2O季節(jié)排放總量均隨有機(jī)肥替代比例的增加而減?。ū?），說明減少化學(xué)氮肥的投入量，以有機(jī)肥替代可以顯著減少稻田N2O排放，這與前人的研究結(jié)果基本一致（劉紅江等，2016；王聰?shù)龋?014）。有機(jī)肥部分替代化肥后，由于有機(jī)肥養(yǎng)分釋放速度較慢，導(dǎo)致土壤中總的速效氮含量降低，可供硝化和反硝化作用的反應(yīng)底物減少，從而減少N2O的產(chǎn)生和排放（Azam et al.，2002）。在相同替代比例條件下，豬糞堆肥與城市污泥堆肥降低稻田N2O季節(jié)排放總量的效果無明顯差異（表2），原因可能是：相同替代比例條件下，無機(jī)氮肥的施用量是相同的，對 N2O排放有決定性影響，掩蓋了不同種類有機(jī)肥中因有機(jī)質(zhì)等組分的可分解性差異造成的N2O排放量的區(qū)別。

相較于單施化肥，有機(jī)肥與化肥配施能夠使作物產(chǎn)量不降低或增加（溫延臣等，2018；徐強等，2017；謝軍等，2016；趙軍等，2016）。本研究進(jìn)一步證實，與常規(guī)單施化肥相比，有機(jī)肥等氮替代化學(xué)氮肥可以增加水稻有效穗數(shù)和穗實粒數(shù)（表4），進(jìn)而增加水稻產(chǎn)量（表2）。大量研究表明，CH4產(chǎn)生的GWP可占稻田總GWP的80%以上（吳家梅等，2018；劉紅江等，2016）。本研究中，有機(jī)肥替代化肥處理雖然降低了N2O排放，但卻增加了CH4排放，進(jìn)而增加了稻田GWP和GHGI（表2）。相同替代比例條件下，施用豬糞堆肥的水稻產(chǎn)量略低于施用城市污泥堆肥處理，而前者的 GWP和GHGI更高（表 2）。理想的施肥制度是在獲得較高產(chǎn)量的同時減少環(huán)境的負(fù)面影響，有機(jī)肥替代在稻田溫室氣體減排方面可能并無優(yōu)勢，但可以減少化學(xué)氮肥投入，在一定程度上提高氮肥利用效率（向秀媛等，2014；李先等，2010），且在培肥地力和提高水稻產(chǎn)量方面高于單施化肥處理（吳家梅等，2018；黃晶等，2013）。從本研究結(jié)果來看，等氮條件下，有機(jī)肥替代化肥由于促進(jìn)稻田CH4排放而導(dǎo)致綜合溫室效應(yīng)增加。但綜合考慮有機(jī)肥施用于稻田后提升土壤肥力、增加作物產(chǎn)量等方面的作用，可以適當(dāng)控制有機(jī)肥的施用比例，達(dá)到既增產(chǎn)又不過多增加稻田溫室氣體排放的目的。本研究中，25%城市污泥堆肥替代化肥與單施化肥相比，在不顯著增加稻田溫室氣體排放的基礎(chǔ)上，水稻產(chǎn)量有增加趨勢，因此可作為推薦施肥措施，而其施用于稻田后對土壤和作物中重金屬含量的影響有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）有機(jī)肥等氮替代化肥不改變稻田 CH4和N2O的季節(jié)變化規(guī)律。隨有機(jī)肥替代比例的增加，稻田CH4排放量及綜合溫室效應(yīng)增加而 N2O排放量降低。

（2）相較于單施化肥，城市污泥堆肥和豬糞堆肥替代化肥施用分別增加了2.7%—3.8%和0.2%—1.5%的水稻產(chǎn)量。

（3）等氮替代條件下，相對于豬糞堆肥，稻田中施用 25%城市污泥堆肥替代化學(xué)氮肥在不顯著增加溫室氣體排放基礎(chǔ)上使水稻產(chǎn)量有增加趨勢，是一種值得推薦的施肥模式。

致謝：

感謝科羅拉多州立大學(xué)自然資源與生態(tài)實驗室（Natural Resource and Ecology Laboratory，Colorado State University）張耀博士修改英文摘要！