，，2*

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 長(zhǎng)沙 410128； 2 農(nóng)業(yè)部作物栽培與耕作學(xué)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410128)

2012-10-16

*通信作者, Email:zqf_cis@126.com。

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD16B01)。

稻田水肥組合模式的CH4和N2O排放特征及其差異比較

耿春偉1，傅志強(qiáng)1，2*

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 長(zhǎng)沙 410128； 2 農(nóng)業(yè)部作物栽培與耕作學(xué)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410128)

利用大田小區(qū)試驗(yàn)，采用圓柱體靜止箱/氣相色譜分析法，測(cè)定了不同水肥模式下早晚稻在各生育時(shí)期甲烷和氧化亞氮的排放通量，比較了不同水肥組合模式累積排放量差異。結(jié)果表明：早晚稻甲烷排放均表現(xiàn)為單峰模式，早稻峰值出現(xiàn)在齊穗期，晚稻在分蘗期；早稻氧化亞氮排放通量隨著水稻生長(zhǎng)呈遞增趨勢(shì)，晚稻季節(jié)變化明顯。淹水灌溉甲烷累積排放量高于間歇灌溉；早稻淹水灌溉施高氮甲烷排放量最高，間歇灌溉無(wú)氮肥處理甲烷累積排放量最低，極差為8.97 g/m2；晚稻甲烷累積排放量以淹水灌溉施高氮最高，間歇灌溉施低氮肥最低，極差為13.11 g/m2；早稻氧化亞氮累積排放量以間歇灌溉施高氮最高，淹水灌溉不施氮最低，極差為40.6 g/m2；晚稻間歇灌溉普遍高于淹水灌溉，極差為152.5 g/m2。甲烷排放與5 cm、10 cm處土壤Eh值呈顯著負(fù)相關(guān)，氧化亞氮與之相關(guān)性不顯著。因此，間歇灌溉減少甲烷排放，促進(jìn)了氧化亞氮排放，淹水灌溉有利于甲烷排放，但抑制了氧化亞氮排放；高氮肥施用有利于溫室氣體排放。

稻田；灌溉；施肥；甲烷；氧化亞氮；排放特征

CH4和N2O是兩種重要的溫室氣體。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球農(nóng)作物的CH4、N2O排放量分別占人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致CH4、N2O排放總量的50%和60%[1～4]。稻田是大氣中CH4和N2O排放的重要來(lái)源之一，稻田CH4的排放量為31～112 Tg，占全球CH4總排放量的5%～19%[5]。我國(guó)水稻總產(chǎn)量與種植面積分別占全球的34%和22%[11]，稻田CH4排放量為7.67～8.05 Tg[6]，約占世界水稻田CH4排放總量的19.6%[7]；稻田水稻生長(zhǎng)期N2O排放量高達(dá)29 Gg/a，占我國(guó)農(nóng)田N2O年排放總量的7%～11%[8]。

影響CH4和N2O排放的因素很多，但最主要的是田間水分和施肥管理。關(guān)于肥料對(duì)稻田溫室氣體排放的影響，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，不同施肥措施決定其排放總量的差異，而土壤有機(jī)碳、溫度、水分管理和土壤pH值等因素則影響其形式變化。但各種研究還存在不同看法，這主要是因?yàn)楦鞣N試驗(yàn)的具體時(shí)間、地點(diǎn)、氣候、土壤質(zhì)地等方面存在差異[9-10]。目前，同時(shí)考察水肥兩個(gè)因素對(duì)稻田CH4和N2O排放的影響研究報(bào)道較少。水分和肥料是影響水稻生長(zhǎng)發(fā)育的主要限制因子，研究不同水肥組合對(duì)稻田溫室氣體的影響具有重要價(jià)值。本研究試圖在前人工作的基礎(chǔ)上，對(duì)稻田不同水肥組合溫室氣體排放進(jìn)行定位觀測(cè)，闡明不同水肥組合模式下稻田甲烷和氧化亞氮排放的差異，尋找最優(yōu)水肥模式，既減少稻田溫室氣體的排放，又能節(jié)省生產(chǎn)成本，為稻田溫室氣體的綜合控制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2011年在湖南長(zhǎng)沙縣干杉稻田固碳減排試驗(yàn)基地(28°08′18″E，113°12′0″N)進(jìn)行，海拔42 m，年平均溫度為17.1℃，年降水量1 500 mm，年≥10℃積溫5 300～6 500℃，為湖南典型的雙季稻生產(chǎn)區(qū)。稻田土壤類(lèi)型為第四紀(jì)紅壤發(fā)育而成的紅黃泥土。供試土壤理化性狀為pH 6.1，有機(jī)質(zhì)15.37 g/kg，全氮1.55 g/kg，堿解氮147 mg/kg，有效磷7.1 mg/kg，速效鉀 54 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)灌溉模式(W)和施氮量(N)兩個(gè)因素，灌水方式設(shè)2個(gè)水平，施肥因素設(shè)4個(gè)水平，共計(jì)8個(gè)組合(處理)，3次重復(fù)。處理名稱(chēng)見(jiàn)表1。早稻品種為株兩優(yōu)90，晚稻為岳優(yōu)9113。早稻小區(qū)面積為20 m2，3月29日播種，4月29日移栽，7月17日收獲。大田栽插密度為3.0×105穴/hm2，株行距為16.5 cm×20 cm，每穴插2苗；晚稻小區(qū)面積為15 m2，6月23日播種，7月19日移栽。大田栽插密度為2.5×105穴/hm2，株行距為20 cm×20 cm，每穴插2苗。每個(gè)小區(qū)之間筑埂并用塑料薄膜包埂，兩邊設(shè)保護(hù)行。其他管理措施與一般高產(chǎn)稻田相同。

表1 處理名稱(chēng)及處理方法

1.2.1 灌水處理

淹水灌溉(W1)：自移栽返青后直至成熟前一周，稻田長(zhǎng)期維持一定水層(3～5 cm)；間歇灌溉(W2)：前期淹水灌溉，分蘗后期曬田，孕穗前回水后干濕交替灌溉，至收獲前1 周排水。

1.2.2 施肥處理

早稻施肥處理共設(shè)不施、低、中、高4個(gè)氮肥水平，分別施純N：0、90、120、150 kg/hm2，分別記為N0、N1、N2、N3。N肥施用比例為基肥∶拔節(jié)∶孕穗=5∶1∶4；鉀肥(K2O)施用量為240 kg/hm2，磷肥(P2O5)用量為120 kg/hm2，均作基肥一次性施用。

晚稻施肥處理共設(shè)不施、低、中、高4個(gè)氮肥水平，分別施純N: 0、105、135、165 kg/hm2，分別記為N0、N1、N2、N3。N肥施用比例為基肥∶拔節(jié)∶孕穗=5∶1∶4；鉀肥(K2O)施用量為240 kg/hm2，磷肥(P2O5)用量為120 kg/hm2，均作基肥一次性施用。

1.3 氣體樣品采集

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定稻田CH4和N2O排放通量[12～15]。靜態(tài)箱用聚碳酸酯材料制成，箱內(nèi)有風(fēng)扇并有外置的蓄電池驅(qū)動(dòng)，箱體直徑55 cm，高120 cm。不銹鋼底座于水稻插秧前安裝在每個(gè)小區(qū)中間，并保證底座內(nèi)有3蔸禾苗，測(cè)定時(shí)用水密封。水稻移栽后每隔4 ～ 5 d采樣1次，采樣時(shí)間上午8:00 ～ 10:00，罩箱后分0、10、20、30 min抽取4次氣樣(50 mL)，然后用氣相色譜儀(Agilent 7890a)測(cè)定CH4和N2O。其中，CH4檢測(cè)器FID(氫火焰離子化檢測(cè)器)，檢測(cè)溫度為200℃，柱溫55℃；N2O檢測(cè)器ECD(電子捕獲檢測(cè)器)，檢測(cè)器溫度為330℃，柱溫55℃。最后的CH4和N2O測(cè)定值以4點(diǎn)作氣體濃度-時(shí)間直線，并計(jì)算其斜率作為被測(cè)氣體的濃度變化率(dC/dt)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

稻田 CH4、N2O排放通量計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[3,13]。稻田溫室氣體排放通量計(jì)算公式如下：

F=ρ·273/(273+T)·H·dC/dt

式中：F為排放通量；ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的CH4、N2O密度，分別為0.714、1.98 kg/m3；T為采樣過(guò)程中采樣箱內(nèi)的平均溫度(℃)；H是采樣箱的箱罩凈高度(m)；dC/dt是采樣箱內(nèi)溫室氣體濃度的變化率。

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和DPS進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥組合模式稻田CH4和N2O排放特征

從圖1可知，早稻甲烷排放季節(jié)變化呈先逐步上升后下降的趨勢(shì)。水稻生長(zhǎng)前期，即5月30日前，甲烷排放通量均較低，且遞增速度很緩慢，變化幅度0～6 mg/(m2·h)；從6月5日開(kāi)始，甲烷排放通量增速加快，在6月18日達(dá)到峰值(19.5 mg/(m2·h))。此后開(kāi)始急劇下降，成熟期排放通量均較低。在水稻生長(zhǎng)后期，淹灌處理甲烷排放通量仍然保持較高水平，節(jié)水灌溉處理甲烷排放通量較低。總體上，淹水灌溉甲烷排放通量高于間歇灌溉，其中以淹水灌溉施中氮最高，間歇灌溉不施氮最低。

圖1 早稻甲烷排放季節(jié)變化

從圖2可知，晚稻生育期內(nèi)甲烷排放季節(jié)變化呈先升高后降低的變化趨勢(shì)。水稻分蘗前期，甲烷排放通量增速急劇加快，到分蘗期(移栽后15 d)達(dá)到峰值(35.5 mg/(m2·h))，然后，甲烷排放通量開(kāi)始急劇下降，抽穗期以后甲烷排放通量趨于平緩，保持較低排放水平(0～9 mg/(m2·h))。淹水灌溉處理甲烷排放通量高于節(jié)水灌溉。

圖2 晚稻甲烷排放季節(jié)變化

由圖3可知，早稻間歇灌溉處理氧化亞氮排放通量隨著土壤水分含量變化而變化，在曬田期迅速增加，再次灌水后又陡然回落，峰值達(dá)到0.48 mg/(m2·h)。淹水灌溉隨水稻生長(zhǎng)進(jìn)程呈遞增趨勢(shì)，前期即6月5日前氧化亞氮的排放通量幾乎為零，之后緩慢遞增，生長(zhǎng)后期(6月18日)以后氧化亞氮排放通量急劇上升，峰值出現(xiàn)在成熟期。

圖3 早稻氧化亞氮排放季節(jié)變化

晚稻氧化亞氮排放通量呈現(xiàn)中間高，兩頭低的排放模式。隨著水稻生長(zhǎng)而遞增，孕穗期或抽穗期出現(xiàn)峰值，達(dá)到峰值后降低。淹水灌溉施中氮峰值最高，達(dá)到185.6 g/(m2·h)。在水稻生長(zhǎng)前期，節(jié)水灌溉排放通量明顯要高于淹水灌溉。節(jié)水灌溉排放通量變化幅度大，而淹水灌溉排放通量變化幅度較小。

圖4 晚稻氧化亞氮排放季節(jié)變化

2.2 水肥組合模式CH4與N2O全生育期累積排放量比較

2.2.1 甲烷排放量差異比較

從圖5可知，水稻生長(zhǎng)前期甲烷排放量增長(zhǎng)速率較慢，從6月13日開(kāi)始，甲烷累積排放量急劇增加，與此時(shí)甲烷排放通量迅速增加相對(duì)應(yīng)；淹水灌溉處理甲烷排放量高于節(jié)水灌溉，其中以淹水灌溉施高氮排放量最高(13.05 g/m2)，以節(jié)水灌溉施中氮處理最低(4.08 g/m2)，極差為8.97 g/m2。

圖5 早稻甲烷排放累積量變化

圖6 晚稻甲烷排放量累積量變化

從圖6可知，晚稻不同水肥組合模式下甲烷累積排放量在水稻生長(zhǎng)前期呈迅速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，抽穗期以后甲烷累積排放量增速平緩，其中淹水灌溉施低氮處理甲烷累積排放量最大(19.72 g/m2)，以間歇灌溉施中氮處理最低(6.61 g/m2)，極差為13.11 g/m2。淹水灌溉甲烷累積排放量均要高于間歇灌溉甲烷累積排放量。淹水灌溉中以不施氮甲烷累積排放量最低，極差為3.26 g/m2；間歇灌溉中以施高氮甲烷累積排放量最高，與最低的施低氮處理相差3.47 g/m2。

2.2.2 氧化亞氮排放量差異比較

早稻不同水肥組合模式下氧化亞氮累積排放量在水稻生育前期累積排放量增速慢。從5月25日開(kāi)始，間歇灌溉與淹水灌溉排放量增長(zhǎng)迅速，總體表現(xiàn)為間歇灌溉處理高于淹水灌溉處理。累積排放量以間歇灌溉施中氮最高(131.29 mg/m2)，淹水灌溉不施氮最低(90.69 mg/m2)，極差為40.6 mg/m2。

晚稻期間，間歇灌溉各處理氧化亞氮累積排放量均高于淹水灌溉。抽穗期前增加速率較快，后期增速平緩。間歇灌溉處理中以施中氮最高，不施氮最低，極差為104 mg/m2；淹水灌溉各處理以施高氮最高，以施中氮最低，極差為49.9 mg/m2；間歇灌溉與淹水灌溉各處理氧化亞氮排放量間差異很大，極差為152.51 mg/m2。

2.3 CH4、N2O排放與土壤特性的相關(guān)性

2.3.1 早稻甲烷、氧化亞氮排放與土壤特性相關(guān)性

從表2可知，早稻甲烷排放通量與土壤5 cm、10 cm Eh呈顯著負(fù)相關(guān)，與5 cm pH、15 cm Eh呈負(fù)相關(guān)，但不顯著；氧化亞氮與5 cm pH呈正相關(guān)，但不顯著，與5 cm、10 cm、15cm Eh呈負(fù)相關(guān)，但不顯著。

表2 早稻排放通量與土壤特性相關(guān)系數(shù)(n=21)

從表3可知，早稻甲烷排放通量與10 cm深處土壤溶液濃度在分蘗盛期、拔節(jié)期、抽穗期呈顯著正相關(guān)；氧化亞氮排放通量與10 cm深處土壤溶液濃度在分蘗盛期、拔節(jié)期呈正相關(guān)，但不顯著，在抽穗期呈顯著正相關(guān)。

表3 早稻排放通量與10 cm深處土壤溶液濃度相關(guān)系數(shù)(n=7)

通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，甲烷的排放通量與5 cm處土壤溶液Eh呈線性負(fù)相關(guān)，其線性關(guān)系為y=-0.0324x+0.2787，決定系數(shù)為0.4469，經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，方程達(dá)顯著水平，可真實(shí)表達(dá)兩者的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。甲烷的排放通量與10 cm處土壤溶液Eh呈負(fù)相關(guān)，其線性關(guān)系為y=-0.0345x-0.9581，決定系數(shù)為0.4231，經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，方程達(dá)顯著水平，可真實(shí)表達(dá)兩者的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3.2 晚稻甲烷、氧化亞氮排放與土壤特性相關(guān)性

從表4可知，晚稻甲烷排放通量與7～13 cm深處土壤溶液溫室氣體濃度在孕穗期、抽穗期、齊穗期呈極顯著正相關(guān)；氧化亞氮排放通量與7～13 cm深處土壤溶液溫室氣體濃度在孕穗期、抽穗期、齊穗期呈負(fù)相關(guān)，齊穗期時(shí)呈顯著負(fù)相關(guān)。

表4 晚稻7～13 cm深處土壤溶液溫室氣體濃度與排放通量相關(guān)性(n=8)

晚稻孕穗期7～13 cm深處土壤溶液甲烷濃度與甲烷排放通量呈顯著正相關(guān)性，其線性關(guān)系為y=0.0314x-4.0329，決定系數(shù)為0.9767；抽穗期7～13 cm深處土壤溶液甲烷濃度與甲烷排放通量呈顯著正相關(guān)性，其線性關(guān)系為y=0.0029x+1.9763，決定系數(shù)為0.8666；齊穗期7～13 cm深處土壤溶液甲烷濃度與甲烷排放通量呈顯著正相關(guān)性。其線性關(guān)系為y=0.0034x-1.3461，決定系數(shù)為0.8666。對(duì)上述擬合方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，均達(dá)到0.05顯著性水平。

4 結(jié)論與討論

從試驗(yàn)結(jié)果看，甲烷與氧化亞氮排放通量與水肥管理有較大關(guān)系。早稻不同生育期的甲烷與氧化亞氮變化趨勢(shì)較一致，均表現(xiàn)為前期排放通量較低，中后期較高；晚稻前期甲烷排放通量較高，中后期低，氧化亞氮前期排放通量低，中后期較高，與甲烷排放表現(xiàn)為消長(zhǎng)關(guān)系。

早稻、晚稻甲烷累積排放量呈現(xiàn)單峰模式，這與前人的研究結(jié)果[3]相一致。早稻期間，隨著水稻生育期的推進(jìn)，水稻植株生長(zhǎng)旺盛，同時(shí)氣溫逐步升高，因而導(dǎo)致甲烷排放通量增大[16]，累積排放量增大，其中淹水灌溉甲烷累積排放量明顯高于間歇灌溉，間歇灌溉無(wú)氮肥處理甲烷累積排放量最低，間歇灌溉處理中隨著施氮肥量的增加甲烷累積排放量增加；晚稻前期由于氣溫高，土壤產(chǎn)生甲烷基質(zhì)充足，促使甲烷累積排放量增加；后期隨著氣溫降低，植株傳輸甲烷能力下降，導(dǎo)致甲烷排放量減小，累積排放量基本不變；淹水灌溉甲烷累積排放量明顯高于間歇灌溉，表明間歇灌溉可以減少稻田甲烷的排放[17]。

早稻氧化亞氮排放量呈單峰模式，前期、中期累積排放量低，后期排放量急劇增加；間歇灌溉氧化亞氮排放量普遍高于淹水灌溉，其可能原因是稻田排水烤田會(huì)使土壤 N2O排放大大增加。晚稻氧化亞氮排放量隨生育期推進(jìn)呈遞增趨勢(shì)，然后下降，總體呈單峰模式，間歇灌溉普遍高于淹水灌溉。從季節(jié)排放總量來(lái)看，早晚稻均表現(xiàn)為間歇灌溉高于淹水灌溉。

稻田甲烷與氧化亞氮排放受多種因素的影響，不同水肥模式對(duì)土壤有機(jī)碳含量、土壤Eh、土壤pH值等有一定影響，進(jìn)而影響甲烷、氧化亞氮的排放。本試驗(yàn)結(jié)果表明，早稻甲烷排放通量與5 cm Eh、10 cm Eh呈顯著負(fù)相關(guān)，表明5 cm Eh、10 cm Eh對(duì)甲烷有反作用；早稻甲烷排放通量在分蘗盛期、拔節(jié)期、抽穗期與10 cm深處土壤溶液中甲烷濃度呈顯著正相關(guān)，晚稻甲烷排放通量與7～13 cm深處土壤溶液甲烷氣體濃度顯著相關(guān)，表明土壤溫室氣體濃度對(duì)甲烷排放有促進(jìn)作用。

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A

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