彭锃琳，崔遠(yuǎn)來(lái)※，才 碩，劉 博，舒永紅

（1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2. 江西省灌溉試驗(yàn)中心站，江西省高效節(jié)水與面源污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330201）

0 引 言

全球氣候變暖已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。氣候變化的根本原因是大氣中溫室氣體排放濃度的增加[1]。稻田是重要的溫室氣體（CH4、CO2和N2O）排放源，全球稻田CH4年排放量為31～112 Tg，占全球總排放量的 5%～19%[2]，中國(guó)稻田 CH4排放量為 7.2～9.5 Tg[3]。中國(guó)水稻主產(chǎn)區(qū)分布在秦嶺、淮河以南的亞熱帶地區(qū)，該區(qū)稻田面積約占全國(guó)稻作總面積的三分之一[4]。

稻田水分和施肥是影響稻田溫室氣體排放的2 個(gè)重要因素[5]。不同灌溉管理對(duì)稻田溫室氣體排放的影響顯著[6-9]。灌溉模式直接影響土壤水分狀況，進(jìn)而影響土壤中有氧或無(wú)氧環(huán)境的形成。產(chǎn)甲烷菌是嚴(yán)格的厭氧型細(xì)菌，稻田淹水能阻礙土壤和大氣之間氧氣的傳輸，形成厭氧還原環(huán)境，為稻田 CH4的產(chǎn)生提供先決條件；土壤水分還能調(diào)控土壤通氣狀況，從而影響微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解速率和 CO2的排放速率[10]，同時(shí)改變土壤氧化還原狀態(tài)，影響硝化作用和反硝化作用的進(jìn)程和N2O 向大氣排放的途徑，從而影響N2O 的排放量。土壤水層深度對(duì)溫室氣體排放的影響存在不確定性。Sebacher 等[11]發(fā)現(xiàn)水深在10 cm 以內(nèi)時(shí)，CH4排放量隨水深而增加，但超過(guò)10 cm 時(shí)反而下降。鄒建文等[12]發(fā)現(xiàn)淹水狀態(tài)下CO2排放率隨水層深度升高而降低，但水層深度與CH4排放無(wú)明顯相關(guān)性。彭世彰等[13-14]的試驗(yàn)表明，控制灌溉水稻的CH4排放量比淹水稻田在1 a 和5 a 尺度上分別減少39%（2005 年）和83.5%（2006—2011 年）。王長(zhǎng)明等[15]對(duì)黑龍江寒地稻田的研究發(fā)現(xiàn)，與淹水灌溉相比，控制灌溉和間歇灌溉分別以56.29%和26.59%顯著減少CH4排放量（P<0.01）。目前比較公認(rèn)的結(jié)論是CH4在淹水狀態(tài)下排放量更高，而CO2和N2O 則在干旱狀況下排放量更高，但土壤水分對(duì)稻田溫室氣體的具體影響程度因時(shí)空差異并無(wú)統(tǒng)一的定量結(jié)論。

研究表明氮肥的施用對(duì)CH4排放具有正負(fù)2 個(gè)方向的影響，Bodelier 等[16]發(fā)現(xiàn)氮肥通過(guò)提高產(chǎn)甲烷菌的活性和植株的生長(zhǎng)增加稻田CH4的排放，而Ahn 等[17]的研究表明氮肥的施用增加了土壤氧化還原電位且亞硝酸鹽的瞬時(shí)積累對(duì)產(chǎn)甲烷菌有毒害作用，從而在一定程度上抑制稻田 CH4的排放。王長(zhǎng)明[18]在黑龍江的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施氮量增加促進(jìn)了水稻植株的生長(zhǎng)，使得水稻植株的呼吸作用加強(qiáng)，從而增加稻田 CO2的排放量。目前國(guó)內(nèi)外一致認(rèn)為有機(jī)肥施入會(huì)增加稻田溫室氣體的總排放量[19]，但化肥對(duì)稻田溫室氣體排放的影響結(jié)論不一致。秦曉波等[20]的研究表明施用化肥時(shí) CH4排放量比不施肥對(duì)照有較大幅度的下降；而Lindau 等[21]認(rèn)為稻田施化肥的CH4排放高于不施肥處理，但差異不明顯。氮肥的施用顯著增加硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)的反應(yīng)基質(zhì)，大大增加N2O 的排放量，但二者之間的數(shù)量關(guān)系仍存在爭(zhēng)議。因此，增加施氮量對(duì)CH4、CO2和N2O 的排放影響存在不確定性。

鄱陽(yáng)湖流域是中國(guó)重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)和糧食主產(chǎn)區(qū)之一[22]，近年以節(jié)水、減肥、增產(chǎn)為目標(biāo)，大力推廣了稻田水肥高效利用綜合調(diào)控技術(shù)（間歇灌溉+集蓄雨水+氮肥基肥和多次追肥）。基于此背景，為探明不同水肥管理模式下鄱陽(yáng)湖流域稻田溫室氣體排放規(guī)律，本文在位于鄱陽(yáng)湖流域的贛撫平原灌區(qū)開(kāi)展了靜態(tài)箱試驗(yàn)，結(jié)合產(chǎn)量分析溫室氣體排放強(qiáng)度，以期為鄱陽(yáng)湖流域稻田水肥管理提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在鄱陽(yáng)湖流域贛撫平原灌區(qū)的江西省灌溉試驗(yàn)中心站（115°58?E，28°26?N）進(jìn)行。該地區(qū)屬于典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛。多年平均氣溫18.1 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)1 720 h，年平均降水量1 634 mm，最大年降水量為2 385.8 mm，最小年降水量為1 119.9 mm，且年內(nèi)分布不均，降雨多集中于4—6 月，占全年的46.1%左右。研究區(qū)的自然條件和水稻種植制度在鄱陽(yáng)湖流域有代表性。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為水稻土，耕作層土壤容重為 1.36 g/cm3，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 1.74%、0.82%、0.25%和1.18%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于 2019 年在田間試驗(yàn)小區(qū)中開(kāi)展，各小區(qū)長(zhǎng)7.6 m，寬3.5 m。小區(qū)田埂和排灌水溝田埂均使用塑料膜包裹隔開(kāi)，防止各小區(qū)之間串水串肥。設(shè)置間歇灌溉（W1）和傳統(tǒng)淹灌（W0）2 種灌溉模式（田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1），3 種施氮水平（以純氮計(jì)）為不施氮（N0，0）、減量施氮（N1，135 kg/hm2）和常規(guī)施氮（N2，180 kg/hm2），共6 個(gè)處理。W1N0 和W0N0 由于場(chǎng)地限制不設(shè)重復(fù)小區(qū)（但小區(qū)內(nèi)取樣重復(fù)），其余處理3 次重復(fù)，共14 個(gè)小區(qū)，各小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列。供試水稻品種為黃華占，種植密度株距×行距為 13 cm×27 cm。中稻于2019 年6月18 日移栽，9 月20 日收獲，生育期共95 d。試驗(yàn)期間氮肥按照基肥∶蘗肥∶拔節(jié)肥=5∶3∶2 施用，磷肥（以P2O5計(jì)）為67.5 kg/hm2，全部作基肥施用；鉀肥（以K2O計(jì)）為150 kg/hm2，按基肥∶拔節(jié)肥=4.5∶5.5 施用。基肥在移栽前一天（6 月17 日）施下，分蘗肥和拔節(jié)肥分別于7 月1 日和7 月23 日施下。收割后各小區(qū)單獨(dú)測(cè)定籽粒產(chǎn)量，其他田間管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理一致。

表1 不同灌溉模式田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Field water depth thresholds in different irrigation methods

1.3 樣品采集與檢測(cè)

溫室氣體排放通量采用密閉式靜態(tài)暗箱-氣相色譜法測(cè)定[23-24]。采樣箱由塑料底座和雙層箱體組成，底座兩端有5 cm 深凹槽和10 cm 長(zhǎng)的薄板便于插入土壤，為避免影響稻田土壤理化性質(zhì)，底座固定后不再移動(dòng)。不銹鋼定制箱體單層尺寸為50 cm×50 cm×50 cm，水稻株高超過(guò) 50 cm 時(shí)通過(guò)凹槽疊加雙層使用。箱外包有海綿和玻纖鋁箔布，防止因太陽(yáng)照射導(dǎo)致箱內(nèi)溫度變化過(guò)大，箱內(nèi)2 個(gè) 8 V 風(fēng)扇使氣體混合均勻，側(cè)孔連接橡膠管便于氣體抽出。

水稻經(jīng)育苗移栽后，常規(guī)觀測(cè)時(shí)間為08:00-11:00[25]，觀測(cè)頻率為5～7 d 采集1 次，曬田期及施肥后加測(cè)。為了驗(yàn)證 08:00-11:00 采集的氣體能否代表全天日均排放通量，分別在 8、9 月選取 3 個(gè)典型日（8 月 26 日、8月29 日和9 月15 日），典型日代表了2 個(gè)季節(jié)的不同環(huán)境影響因子，在典型日對(duì)氣體排放的日變化進(jìn)行24 h觀測(cè)（當(dāng)日06:00—次日06:00），頻率為每隔2～3 h 觀測(cè)1 次，夜間可適當(dāng)減測(cè)。氣體采集時(shí)，將采樣箱垂直扣在底座凹槽內(nèi)并加水密封以防氣體泄漏，扣箱后分別在0、10、20、30 min 用50 mL 注射器抽出氣體并記錄箱內(nèi)溫度。同時(shí)用精度為 0.5℃的土壤溫度計(jì)對(duì) 10 cm地溫多次測(cè)量。室內(nèi)氣體檢測(cè)使用Shimadzu GC-2014C型氣相色譜儀，CH4和CO2采用FID 檢測(cè)器，載氣為高純氮?dú)?，流?0 mL/min。N2O 采用ECD 檢測(cè)器，載氣為氬甲烷氣，流速 30 mL/min。三者檢測(cè)溫度均為300 ℃，柱溫為70 ℃。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

溫室氣體排放速率由該氣體濃度隨時(shí)間的變化率得出，計(jì)算公式分別為

式中F為氣體排放通量，mg/(m2·h)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫室氣體密度，kg/m3；V為采樣箱體積，m3；A為采樣箱底面積，m2；dC/dt為箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間的變化率；T為箱內(nèi)溫度，℃；C為氣體累積排放量，kg/hm2；i為取樣次數(shù)；D為連續(xù)2 次采樣間隔天數(shù)，d。

為減少取樣觀測(cè)工作量，一般以08:00-11:00 的溫室氣體排放通量測(cè)定值代表全天的平均值[25]?；诟鳉怏w排放通量日變化過(guò)程，計(jì)算各觀測(cè)時(shí)刻溫室氣體排放通量的校正系數(shù)[26]，即

式中Ci為 CH4、CO2或 N2O 的校正系數(shù)，Ci越接近 1 越好；Favg為日平均排放通量；Fi為第i次觀測(cè)的排放通量。

以100 a 時(shí)間尺度，CH4和N2O 的增溫潛勢(shì)分別是CO2的 34 倍和 298 倍[27]，與其他研究相比[28]，CH4的 CO2當(dāng)量倍數(shù)提高，反映了 CH4對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)有所上升。將CH4和N2O 累積排放量的增溫潛勢(shì)換算為CO2當(dāng)量，計(jì)算公式分別為[27]

式中GWP 為綜合增溫潛勢(shì)， t/hm2（以CO2計(jì)，下同）；PCH4、PN2O 和 PCO2分別為 CH4、N2O 和 CO2的增溫潛勢(shì)，t/hm2；GHGI 為溫室氣體排放強(qiáng)度，kg/(kg·a)；Y為平均產(chǎn)量，kg/hm2。

參考土壤呼吸模型對(duì)稻田溫室氣體排放通量與地溫、氣溫的關(guān)系進(jìn)行擬合，并用Qs10值和Qa10值分別表示氣體對(duì)地溫和氣溫變化的敏感性，這 2 個(gè)指標(biāo)計(jì)算方法相同，計(jì)算公式為

式中a為0℃時(shí)的氣體排放通量；b為溫度反應(yīng)系數(shù)；Q10為對(duì)氣溫或地溫變化的敏感系數(shù)。

數(shù)據(jù)通過(guò)Excel 計(jì)算，由SPSS 21.0 軟件進(jìn)行雙因素方差分析和回歸分析，并用Origin 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水層深度和氣溫變化

水稻生育期內(nèi) 2 種灌溉模式下的平均水層深度變化和箱內(nèi)氣溫變化見(jiàn)圖1，可見(jiàn)W1 和W0 在曬田期前的水層深度幾乎一致，曬田期（29～36 d）田面落干，二者水層深度均為0，曬田期后W1 下田間多處于薄水層甚至無(wú)水層狀態(tài)，水層深度均低于W0。采樣箱內(nèi)氣溫先減后增并在第32 天達(dá)到峰值35.21 ℃，此后氣溫增減略有反復(fù)，在第76 天達(dá)到最低值27.64 ℃。

圖1 水稻生育期平均水層深度和氣溫變化Fig.1 Changes of average water depth and air temperature during rice growing period

2.2 稻田溫室氣體排放日內(nèi)變化規(guī)律

以W0N2 處理為例，選取8 月26 日、8 月29 日和9月15 日3 個(gè)典型日的氣體排放特征，圖2 可見(jiàn)稻田CH4和CO2排放通量的晝夜變化規(guī)律相似，全天內(nèi)表現(xiàn)為單峰模式，CH4日排放峰值在14:00-15:00，CO2排放峰值提前約1～2 h，即12:00-15:00。而N2O 排放通量全天內(nèi)則表現(xiàn)為上午、傍晚和深夜的三峰模式，03:00-06:00 還表現(xiàn)為負(fù)排放。夜間（21:00-次日凌晨03:00）由于溫度較低且土壤微生物活性不高，CH4和CO2的排放通量較小且?guī)缀醣３植蛔?。CH4和CO2/N2O 的日內(nèi)排放還存在一定的消長(zhǎng)關(guān)系，當(dāng)土壤處于CH4排放量較高時(shí)，CO2和N2O 的排放量較低，CH4排放量較低時(shí)，CO2和N2O 的排放量則較高。

圖2 淹灌和常規(guī)施氮處理稻田溫室氣體排放日變化過(guò)程Fig.2 Diurnal variations of gas emissions in paddy field for treatment of flooding irrigation with conventional fertilizer-N application

根據(jù)式（3）分別計(jì)算氣體校正系數(shù)，綜合校正系數(shù)為3 種氣體校正系數(shù)的平均值（表2）。表2 中各觀測(cè)時(shí)段校正系數(shù)越接近1，則以該時(shí)段的觀測(cè)代表全天平均值越合理?？梢?jiàn) CH4、CO2和 N2O 的最佳觀測(cè)時(shí)間分別為10:00、08:00 和22:00，為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)操作，綜合考慮3種氣體的最佳觀測(cè)時(shí)間為08:00。由于本研究重復(fù)數(shù)為3，氣體采集需要2 h 以上的連續(xù)時(shí)段，08:00-11:00 內(nèi)各氣體校正系數(shù)和綜合值均比較接近1，是進(jìn)行田間觀測(cè)的最佳時(shí)段，因此在本試驗(yàn)中以08:00-11:00 觀測(cè)的溫室氣體排放量作為全天日均排放通量是合理的。

表2 各測(cè)定時(shí)刻校正系數(shù)Table 2 Correction factors at different measurement times

2.3 稻田溫室氣體排放季節(jié)變化規(guī)律

2.3.1 CH4變化規(guī)律

圖3a 表明，稻田CH4排放通量的整體變化趨勢(shì)相似，前期迅速增長(zhǎng)達(dá)到生育期峰值，中后期相對(duì)平緩并伴有1～2 個(gè)小峰值。間歇灌溉 W1 由于根系氧氣更加充足，CH4排放通量較少。分蘗前期稻田CH4的排放通量達(dá)到峰值，W1 下的峰值比W0 大，且W0 模式存在大約3～6 d 的滯后效應(yīng)（淹水稻田長(zhǎng)期有水層，土壤有機(jī)質(zhì)分解較慢，CH4排放是一個(gè)緩慢的釋放過(guò)程）。曬田使土壤氧氣供應(yīng)得到改善，CH4排放量均急劇下降，W0 前期一直保持水分，下降幅度更大。復(fù)水施肥后，CH4排放通量以穩(wěn)定的小幅度回升，在抽穗開(kāi)花期（40～60 d），N0 處理出現(xiàn)更為明顯的小峰值，且排放通量均大于N1 和N2 處理，說(shuō)明拔節(jié)肥施用對(duì)稻田CH4排放有一定的抑制作用。CH4排放通量在乳熟末期（70 d）再次達(dá)到小峰值，并在黃熟期（72～95 d）減小。2 種灌溉模式的差異在水稻生長(zhǎng)后期更明顯，W0 處理CH4排放通量仍處于較高水平，而W1N2 和W1N1 則逐漸減小并趨于0。根據(jù)圖4a，W1 下CH4排放主要集中在分蘗期，其中分蘗前期和后期分別占整個(gè)生育期排放量的51.6%和27.5%，抽穗開(kāi)花后各生育期的CH4排放量相近且均不足5%。W0 下分蘗前期、分蘗后期和黃熟期CH4排放量占比相近，其他生育期CH4排放量較小且相差不大。

2.3.2 CO2變化規(guī)律

圖3b 可見(jiàn)，與CH4排放規(guī)律不同，不同水肥處理下CO2排放的峰值出現(xiàn)次數(shù)一致，主要在分蘗前期、乳熟期和黃熟期。施氮水平對(duì)CO2影響比較明顯，拔節(jié)肥（36 d）后，各處理CO2排放均有所增加并在41 d 出現(xiàn)小峰值。W1N0 和 W0N0 由于不施氮肥，CO2排放通量均低于施氮處理。2 種灌溉模式的CO2排放規(guī)律一致，但間歇灌溉下 CO2排放量更多，這是由于田間無(wú)水層時(shí)提高了土壤的通透性，氧氣含量增加，且田面低水層或無(wú)水層狀態(tài)使得陽(yáng)光可以直射田面，土壤溫度升高較快，更利于土壤微生物和植物根系呼吸作用的進(jìn)行[28]。水稻生育前期由于根系不發(fā)達(dá)，呼吸作用較弱，各處理 CO2排放通量均處于較低水平；分蘗前期由于施基肥且水稻處于生長(zhǎng)旺盛期，根系分泌物總量增加，為微生物生長(zhǎng)繁殖提供了良好的基礎(chǔ)，CO2排放出現(xiàn)第1 次峰值，生育后期出現(xiàn)了2 次較高峰值（61 和84 d）。水稻收割后由于沒(méi)有植物根系呼吸作用，CO2排放恢復(fù)至較低水平。植物的生長(zhǎng)差異在一定程度上影響根系附近土壤中的有機(jī)質(zhì)含量及微生物的呼吸作用，因此不同生育階段 CO2的累積排放量差異較為明顯（圖4b），W1 黃熟期累積排放量最大。

圖3 不同水肥處理稻田溫室氣體排放的動(dòng)態(tài)過(guò)程Fig.3 Dynamics of greenhouse gas emissions from paddy field under different water and fertilizer treatments

2.3.3 N2O 變化規(guī)律

圖3c 可見(jiàn)，稻田N2O 的排放整體水平呈現(xiàn)較低狀態(tài)，各處理的N2O 排放峰值出現(xiàn)在抽穗開(kāi)花期末（55～61 d），水稻前中期的小峰值分別由 2 次追肥引起，說(shuō)明氮肥的施用能通過(guò)短期內(nèi)改變土壤的含氮量從而促進(jìn) N2O 排放，且施氮量較大的N2 處理下N2O 排放量較高，不施氮N0 處理的排放量最低。灌溉方式對(duì)N2O 排放的影響也很明顯，與W1 模式相比，W0 模式下淹水期的N2O 排放通量顯著較低。這是由于稻田淹水時(shí)土壤處于厭氧和強(qiáng)還原狀態(tài)，微生物以反硝化作用為主，產(chǎn)生的N2O 很快被充分還原成N2，且水層對(duì)N2O 的擴(kuò)散產(chǎn)生了一定阻隔和溶解作用[29]。曬田期（29～36 d）由于處于干濕交替有利于N2O 的形成和排放，各處理的N2O 排放均有不同程度的增加。W0N0 處理在生育末期（65～90 d）出現(xiàn)了N2O 的負(fù)排放。這是由于在黃熟期稻田自然落干，N2O吸附在干燥的土壤顆粒表面，且N0 處理沒(méi)有追肥的氮素補(bǔ)充，故形成了N2O 的匯。與CH4和CO2相比，N2O 排放不穩(wěn)定，變異性較大（圖 4c），但總體上呈現(xiàn)出生育前期累積排放量較低，后期排放量顯著提高的變化趨勢(shì)，與CH4排放互為消長(zhǎng)關(guān)系。變異性較大的主要原因是N2O排放的數(shù)量級(jí)很小，作為硝化和反硝化作用的中間產(chǎn)物十分不穩(wěn)定，測(cè)量?jī)x器的精度不夠等。

2.4 水肥管理對(duì)水稻產(chǎn)量和GHGI 的耦合效應(yīng)

雙向方差分析（表 3）表明，灌溉方式在 0.01 水平極顯著影響了3 種氣體的總排放量，施氮水平對(duì)CH4排放影響不顯著（P>0.05），對(duì)CO2和N2O 的總排放量均在0.01 水平極顯著影響，但水肥交互作用僅在0.05 水平顯著影響CH4的總排放量，對(duì)CO2和N2O 排放的影響不顯著（P>0.05）。稻田溫室氣體排放引起的GWP 受灌溉模式的影響極顯著。與W0 相比，W1 在N0、N1、N2 水平下分別降低GWP 36.1%、33.9%和23.2%（P<0.05）。N0 下的GWP 明顯低于N1 和N2，說(shuō)明施氮提高了GWP。氮肥的施用一定程度增加了CO2和N2O 的排放，但拔節(jié)肥反而減少了CH4的排放量，是否施氮對(duì)GWP 的影響較大，但施氮量（N1 與N2）對(duì)GWP 的影響差異較小。水稻產(chǎn)量雖然分別受灌溉模式和施氮水平的極顯著影響，不施氮肥會(huì)明顯減產(chǎn)，但水肥交互的影響卻并不顯著（P>0.05）。與GWP 相似，GHGI 值在W1 下均低于W0（P<0.01）。CH4貢獻(xiàn)率與 GHGI 正相關(guān)，W1N1 處理的GHGI 值最低，從增加產(chǎn)量且減少溫室氣體排放的角度為鄱陽(yáng)湖流域推薦的稻田水肥管理模式。

圖4 不同水肥處理稻田溫室氣體各生育階段累積排放量Fig.4 Cumulative emissions of each growth stage under different water and fertilizer treatments

表3 不同處理水稻產(chǎn)量及溫室氣體排放強(qiáng)度Table 3 Rice yields and Greenhouse Gas Emission Intensity(GHGI) under different treatments

2.5 稻田溫室氣體的溫度敏感性

為進(jìn)一步探明溫室氣體排放對(duì)地溫和氣溫的響應(yīng)，選取8 月26 日和9 月15 日作為2 個(gè)季節(jié)的典型日，采用指數(shù)模型對(duì)氣體日排放通量與同步觀測(cè)的 10 cm 地溫和箱內(nèi)氣溫進(jìn)行擬合（圖5），并計(jì)算溫度敏感系數(shù)Qs10值和Qa10值（表4）。

由于N2O 日通量存在負(fù)排放（圖2c），不能與溫度進(jìn)行指數(shù)擬合。圖 5 可見(jiàn)，CH4和 CO2日排放通量與溫度分別在0.01 水平和0.05 水平上擬合效果顯著。8 月典型日的地溫和氣溫均不同程度上高于9 月典型日的溫度，且地溫的日變化幅度小于氣溫。由表4，溫室氣體的地溫敏感系數(shù)Qs10變化范圍為1.67～12.68，氣溫敏感系數(shù)Qa10變化范圍為1.33～2.75，CH4和CO2對(duì)地溫的敏感性高于氣溫，與8 月典型日相比，9 月典型日的溫度敏感性更高，Qs10值和Qa10值之間的差異更大。

圖5 溫室氣體日排放通量與溫度的關(guān)系Fig.5 Correlation between diurnal flux of greenhouse gas emissions and temperature from paddy fields

表4 不同季節(jié)典型日的溫度敏感系數(shù)Q10Table 4 The sensitive coefficient Q10 values of typical days in different seasons

3 討 論

溫室氣體排放日變化的根本原因是氣溫[30]，水稻生育期內(nèi)CH4和CO2的日變化均為單峰曲線，且峰值出現(xiàn)時(shí)刻與一天內(nèi)最高氣溫出現(xiàn)的時(shí)間相近。N2O 排放通量全天內(nèi)則表現(xiàn)為上午、傍晚和深夜的三峰模式，說(shuō)明N2O作為中間產(chǎn)物，在全天內(nèi)的硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)中產(chǎn)生不穩(wěn)定。若以某一時(shí)段觀測(cè)值代替全天均值，則綜合三者的最佳觀測(cè)時(shí)段為 08:00-11:00。研究表明，大部分CH4會(huì)在排入大氣之前被氧化，僅有少量能夠排放到大氣中[31]，氨氧化菌和甲烷氧化菌都可以氧化 CH4產(chǎn)生CO2[32]，這也為本文觀測(cè)到的CH4峰值滯后于CO2約1～2 h 提供了可能的解釋。從微觀角度，CH4和CO2在短時(shí)段內(nèi)的消長(zhǎng)（trade-off）關(guān)系可能與CH4排放機(jī)理有關(guān)，無(wú)論CH4的產(chǎn)生是否通過(guò)產(chǎn)酸途徑，中間產(chǎn)物均含有CO2和H2。從宏觀角度，CH4和CO2/N2O 生育期內(nèi)的消長(zhǎng)關(guān)系則與土壤水分關(guān)系較為密切，稻田在水分充足時(shí)為產(chǎn)甲烷菌提供了利于繁殖的厭氧環(huán)境，降低了土壤的通透性，減弱稻田土壤的呼吸作用，從而促進(jìn) CH4產(chǎn)生并抑制了CO2排放，水分通過(guò)影響土壤的硝化和反硝化作用，在長(zhǎng)期淹水狀態(tài)下的厭氧環(huán)境促進(jìn)了反硝化過(guò)程進(jìn)行，產(chǎn)生的N2O 會(huì)進(jìn)一步還原為N2，N2O 排放量降低，反之亦然。因此，該消長(zhǎng)關(guān)系在土壤干濕交替情況較多的W1模式下更為顯著。

地溫和氣溫是稻田溫室氣體排放的重要環(huán)境影響因子。本研究中，全生育期內(nèi)溫室氣體的溫度敏感性不強(qiáng)，N2O 與溫度的擬合效果不佳，這是由于在全生育期內(nèi)氣體排放的限制性因子較多，水肥耦合作用明顯，而 N2O排放量極小，作為中間產(chǎn)物十分不穩(wěn)定，從而降低了對(duì)溫度的依賴性[33]。高溫時(shí)溫度敏感性會(huì)下降，Q10值隨溫度升高而降低。主要是因?yàn)闇囟容^低時(shí)根系和土壤微生物的代謝活動(dòng)被抑制，溫度較高時(shí)，溫度不再是限制因子，根系和土壤微生物的生命活動(dòng)受到其他因素的影響和制約[34]，故 9 月典型日的Q10值均高于 8 月典型日，Qs10值和Qa10值之間的差異更大。CH4和 CO2對(duì)地溫的敏感性高于氣溫，主要是因?yàn)榕欧诺酱髿庵械臏厥覛怏w主要源于土壤，則土溫對(duì)CH4和CO2產(chǎn)生的影響相對(duì)于氣溫而言更為直接和有效，Qs10值高于Qa10值。

水肥管理不僅是影響稻田溫室氣體排放的重要因素，也是水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵影響因子[35]。稻田溫室氣體減排的前提是不減產(chǎn)，將水稻產(chǎn)量考慮在內(nèi)的 GHGI 是平衡農(nóng)田溫室效益與經(jīng)濟(jì)效益的綜合指標(biāo)[36]。間歇灌溉縮短了稻田厭氧環(huán)境的時(shí)長(zhǎng)，抑制了產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)生，使稻田 CH4排放量較淹水灌溉顯著降低，從而具有很好的減排效果，因而是較為推薦的灌溉方式。一般而言，施氮量對(duì)于稻田溫室氣體的排放總體上具有正向作用，但在剛施肥后的某些時(shí)段內(nèi)反而呈現(xiàn)出抑制效果，原因可能是氮肥的施用增加了土壤氧化還原電位且亞硝酸鹽的瞬時(shí)積累對(duì)產(chǎn)甲烷菌有毒害作用，從而在一定程度上抑制了稻田 CH4的排放。有研究表明[37]，植物生長(zhǎng)和光合作用能力會(huì)隨著氮肥的施入而加強(qiáng)，因此施氮量增加促進(jìn)了 CO2的排放。氮肥的施用顯著增加硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)的反應(yīng)基質(zhì)，因而大大增加了N2O 的排放量。雖然不施氮肥的增溫潛勢(shì)最低，但它對(duì)水稻也有明顯的減產(chǎn)效果，因此并不具有實(shí)際推廣意義。施氮一方面提高了水稻的產(chǎn)量，另一方面增加稻田溫室氣體排放，如何協(xié)調(diào)產(chǎn)量與溫室氣體排放量之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)低排放[38]，是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

與已有研究相比，本文得出的增溫潛勢(shì)及溫室氣體排放強(qiáng)度均處于較高水平，主要原因是同時(shí)考慮了 3 種溫室氣體（CH4、CO2和N2O），且CH4的當(dāng)量倍數(shù)增大至 34。一方面說(shuō)明，稻田溫室氣體排放問(wèn)題比過(guò)去更加嚴(yán)重，研究稻田溫室氣體絕不可忽略 CH4排放，稻田溫室氣體減排重點(diǎn)方向應(yīng)該在 CH4的減排；另一方面說(shuō)明仍然需要尋找例如秸稈還田等方式降低溫室氣體排放強(qiáng)度或增大經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

本文以鄱陽(yáng)湖流域贛撫平原灌區(qū)中稻為背景，通過(guò)稻田溫室氣體的日變化規(guī)律確定了田間試驗(yàn)的最佳采樣時(shí)間，得到不同水肥條件下 3 種溫室氣體的動(dòng)態(tài)變化，采用指數(shù)模型對(duì)CH4和CO2日排放通量分別與地溫和氣溫?cái)M合，并計(jì)算溫度敏感系數(shù)值，最后綜合水肥管理探討 3 種氣體排放之間的關(guān)系，從減排增產(chǎn)的角度提出了推薦的稻田水肥管理模式。主要結(jié)論如下：

1）CH4和 CO2的日變化均為單峰（12:00-15:00）曲線，N2O 則為三峰曲線。通過(guò)校正系數(shù)得出 CH4、CO2和N2O 的最佳觀測(cè)時(shí)間分別為10:00、08:00 和22:00，綜合觀測(cè)時(shí)間為08:00。結(jié)合實(shí)際08:00-11:00 采集作為日均排放通量是可行的。

2）CH4的季節(jié)變化趨勢(shì)是前期迅速增長(zhǎng)達(dá)到峰值，中后期較平緩并伴有1～2 個(gè)小峰值；CO2季節(jié)變化峰值主要分布在分蘗前期、乳熟期和黃熟期。N2O 的季節(jié)排放整體水平較低，峰值在抽穗開(kāi)花期末。灌溉模式對(duì) 3種氣體排放的影響均為極顯著，與間歇灌溉相比，淹水灌溉增加了CH4排放，但減少了CO2和N2O 排放。施氮量總體上與3 種氣體均為正相關(guān)，N0 處理的氣體排放量最低，但拔節(jié)肥的施用在一定程度上抑制了 CH4排放。水肥耦合作用僅對(duì)稻田CH4排放影響顯著。

3）地溫和氣溫是稻田溫室氣體排放的重要環(huán)境影響因子?；貧w分析表明，CH4和 CO2日排放通量與溫度分別在0.01 水平和0.05 水平上擬合效果顯著。CH4和CO2對(duì)地溫的敏感性高于氣溫，與8 月典型日相比，9 月典型日的溫度敏感性更高，對(duì)地溫和氣溫的敏感性差異更大。

4）水稻產(chǎn)量與水肥管理模式關(guān)系密切，間歇灌溉下的產(chǎn)量更大，不施氮肥有明顯的減產(chǎn)作用。稻田溫室氣體減排的重點(diǎn)在于 CH4排放，CH4貢獻(xiàn)率與溫室氣體排放強(qiáng)度正相關(guān)，間歇灌溉結(jié)合減量施氮處理的溫室氣體排放強(qiáng)度最低，從溫室氣體減排增產(chǎn)的角度是鄱陽(yáng)湖流域推薦的稻田水肥管理模式。