李文濤，楊立杰，張麗莉，于春曉，武開闊，宋玉超， 宮 平，薛 妍，李東坡，武志杰

（1．中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3．沈陽化工研究院有限公司，遼寧 沈陽 110021）

全球氣候變暖是人類關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一，大氣中溫室氣體濃度的不斷增加是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因[1］。甲烷（CH4）作為主要的溫室氣體之一，其排放量占溫室氣體排放量的18.3%[2］，對全球的增溫作用僅次于二氧化碳[3］。在所有人類活動CH4排放總量中，農(nóng)業(yè)CH4排放占排放總量的50%左右[4］，其主要來源于稻田水稻種植過程[5］。 全球稻田每年CH4排放量為25～50 Tg，占全球CH4排放總量的10%左右[6］。我國作為世界上水稻第二種植大國，稻田CH4排放約占農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放總量的24%[7］。因此，探究稻田CH4的排放特征，并采取相應(yīng)措施減少稻田CH4排放，對減緩氣候變暖意義重大。

秸稈還田和水分管理等農(nóng)藝措施對CH4排放有顯著影響[8-11］。秸稈還田一方面緩解了秸稈大量焚燒帶來的環(huán)境問題；另一方面，秸稈中含有大量有機(jī)物質(zhì)，可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，培肥地 力[8，12］；但秸稈還田改變了土壤微生物和酶的活性，同時秸稈本身含有大量有機(jī)碳，可作為CH4產(chǎn)生的前體物質(zhì)，能顯著增加稻田CH4的排放[10，13］。

水稻需水量高，多在淹水條件下種植，淹水條件下稻田土壤通氣性差，利于CH4的大量排放[14］，同時，長期淹水也造成水資源的大量損耗。據(jù)統(tǒng)計，稻田灌溉用水約占農(nóng)業(yè)用水量的70%[15］。為了節(jié)約水資源和減少CH4的排放，稻田干濕交替灌溉（alternative wetting and drying，AWD）技術(shù)被廣泛應(yīng)用。AWD是水稻生長期間進(jìn)行淹水-落干-復(fù)水-落干的灌溉方式[11］，目前在江蘇、浙江以及東南亞等地區(qū)廣泛應(yīng)用[16］。AWD模式下，由于淹水-落干過程中土壤通氣性增加，促進(jìn)了CH4的氧化作用，能最終減少CH4的排放[9］。Haque 等[17］研究表明，與持續(xù)淹水（CF）相比，AWD能有效降低48%的CH4排放。Liao等[18］研究也表明AWD較CF稻田CH4排放降低86%左右。在我國廣州雙季稻種植區(qū)田間試驗(yàn)也表明，與傳統(tǒng)水分管理相比，AWD模式下早稻季和晚稻季CH4排放分別有效降低21%和42%[19］?，F(xiàn)有關(guān)于水稻干濕交替研究主要集中在南方雙季稻，在北方單季稻研究較少。由于北方水稻種植制度及溫度與南方稻田有很大差異，干濕交替下其CH4排放的特征，有待于進(jìn)一步研究。此外，秸稈還田為微生物提供了大量的碳源，促進(jìn)了微生物活性，培肥地力的同時也增加了CH4的排放[8］，在干濕交替模式下秸稈還田后CH4排放會產(chǎn)生何種變化，是否與干濕交替發(fā)生交互效應(yīng)，也值得進(jìn)一步研究。

化學(xué)氮肥的施用在如今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生不可替代的作用。氮肥往往通過影響其他因素間接地影響CH4排放。石生偉等[20］研究表明，增施氮肥能抑制CH4排放；但也有研究表明，氮肥的投入增加了CH4排放[18，21］，馮曉赟等[22］研究表明，氮肥施用只略微增加了稻田CH4排放，與對照并無顯著性差異。關(guān)于施氮對CH4排放的影響現(xiàn)在沒有統(tǒng)一定論，但在不同水分管理模式下的研究表明，施氮肥條件下干濕交替處理顯著低于長期淹水[18］。施用氮肥作為一種提高作物產(chǎn)量的農(nóng)藝措施，在田間常常與秸稈還田一起實(shí)施。傳統(tǒng)灌溉下，秸稈還田與氮肥的配施提高了水稻產(chǎn)量，但也會增加CH4的排放[21］，而干濕交替下秸稈與氮肥配施對CH4的影響如何，卻鮮有報道。因此本文以此為切入點(diǎn)，以東北潮棕壤性水稻土為供試對象，通過室外盆栽試驗(yàn)，研究不同水分管理模式下秸稈還田以及秸稈與尿素配施對稻田土壤CH4排放的影響，探究不同水分模式、秸稈還田以及秸稈與尿素配施條件下CH4的排放情況，以期為減少稻田CH4的排放提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在中國科學(xué)院遼寧沈陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（43°31' N，123°22' E）網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行，該地屬暖溫帶濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量約690 mm，年均溫7～8℃，＞10℃活動積溫3300～3400℃，無霜期146～166 d，耕作制度為一年一熟制。試驗(yàn)供試土壤為潮棕壤，取自沈陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站水稻試驗(yàn)基地長期不施肥處理0～20 cm土層。土壤全碳16.01 g·kg-1，全氮1.36 g·kg-1，有效磷27.01 mg·kg-1， 速效鉀123.7 mg·kg-1，銨態(tài)氮19.7 mg·kg-1，硝態(tài)氮23.28 mg·kg-1，pH 6.73，土壤容重1.06 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)為盆栽試驗(yàn)，于2020年6～10月進(jìn)行。試驗(yàn)分兩種水分模式，長期淹水（CF）和干濕交替（AWD），每種水分模式下4個處理：對照（CK）、單施秸稈（S）、單施尿素（U）、尿素+ 秸稈（US），兩種模式共8個處理，每個處理重復(fù)3次，共24盆。試驗(yàn)每盆裝土10.51 kg（干土重9 kg），種植水稻2穴，每穴3株，共6株。水稻于6月17日定植，10月27日收獲。尿素為氮肥，施 氮 量 為106.13 mg·kg-1（N 225 kg·hm-2），基肥（6月17日）、分蘗肥（8月4日）和穗肥（8月25日）按照4∶3∶3的比例施入。秸稈磨碎后隨基肥一次性添加，添加量為4.25 g·kg-1（9000 kg·hm-2）。磷肥和鉀肥分別為過磷酸鈣和氯化鉀，它們作為底肥一次性施入，施用量為P2O5150 kg·hm-2、K2O 185 kg·hm-2。

長期淹水處理，水稻生育期間始終保持3～5 cm水層，收獲前曬田；干濕交替處理，每個處理盆中安裝一個土壤水分張力計（海岸華亭儀器有限公司），用以監(jiān)測15 cm處水勢，水稻移栽前7 d保持3～5 cm水層，保證移栽成活，其后進(jìn)行自然落干，待土壤負(fù)壓計到達(dá)-15 kPa左右時進(jìn)行復(fù)淹3～5 cm，而后再進(jìn)行落干，周而復(fù)始，直至 收獲。

1.2.2 樣品采集與測定

水稻于2020年6月17日定植，分別于返青期（6月28日）、分蘗期（7月25日）、拔節(jié)期（8月11日）、孕穗期（9月1日）、灌漿期（9月23日）、成熟期（10月27日）采用五點(diǎn)取樣法采集0～10 cm土層土壤，測定土壤微生物量碳（MBC）含量。

MBC含量采用氯仿熏蒸法[23］測定，稱取25 g 新鮮水稻土兩份，一份氯仿熏蒸黑暗真空條件下處理24 h，然后用100 mL 0.5 mol·L-1K2SO4浸提（土∶水=1∶4），另一份樣品直接加入100 mL 0.5 mol·L-1K2SO4浸提。用TOC分析儀（Vario TOC Cube，Elementar，Germany）測定熏蒸和未熏蒸浸提樣品，微生物生物量碳（MBC）的熏蒸系數(shù)為0.45。

CH4排放采用靜態(tài)箱法測定[24］。靜態(tài)箱由箱體和底座兩部分組成，箱體為直徑30 cm的透明有機(jī)玻璃，高50 cm（拔節(jié)期后換為高70 cm箱體，其余不變），內(nèi)部頂端安裝小風(fēng)扇以混勻氣體；底座由直徑31 cm的有機(jī)玻璃制成，中間有凹槽（用以嵌合箱體，采氣時用水密封），高10 cm。在施肥后第一周每隔2 d采集氣體1次，每次復(fù)灌后1～2 d采集1次，其余時間每隔7 d采集1次（遇降雨天氣適當(dāng)調(diào)整采樣時間），直至收獲。水稻整個生育周期連續(xù)采集CH4，共采集氣體23次。氣體采集時間為每天8∶00～11∶00，采集氣體時，蓋上箱體，用水密封，在隨后的0、30、60 min采集箱內(nèi)氣體，并實(shí)時記錄箱內(nèi)溫度。每次采氣用氣密性良好的50 mL注射器采集100 mL氣體裝入真空采氣袋（大連海得科技有限公司），采氣結(jié)束后帶回實(shí)驗(yàn)室測定。

采集的氣體采用氣相色譜儀（Agilent 7890B，美國）分析測定。CH4檢測器為FID（火焰離子化檢測器），溫度為250 ℃，載氣為高純氮?dú)?，燃燒氣體、輔助氣體和尾吹氣體分別為氫氣、空氣和普通氮?dú)?，流量分別為80、450和25 mL·min-1；柱箱溫度為60 ℃[21］。

1.3 計算方法

CH4排放通量計算方程[21］為：

式中：F為CH4的排放通量（mg·m-2·h-1）；ρ為CH4在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度（CH4為0.714 kg·m-3）；dc/dt為采樣過程中采樣箱內(nèi)氣體的濃度變化率；P為采樣箱內(nèi)氣壓；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，由于試驗(yàn)地區(qū)氣壓與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相當(dāng)，因此P/P0值等于1；V表示密閉靜態(tài)箱體積（m3）；A表示采樣箱內(nèi)土地面積（m2）；273為氣態(tài)方程常數(shù)；T為測定時采樣箱內(nèi)平均溫度（℃）。

CH4累積排放量計算方程[25］為：

式中：CE為CH4累積排放量（kg·hm-2）；Fi、Fi+1為相鄰兩次采樣時期內(nèi)的排放通量（mg·m-2·h-1）； di+1、di為相鄰兩次采樣期的天數(shù)（d）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，用Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（α=0.05），采用Origin 9.0畫圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo) 準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 CH4排放特征

由圖1可知，2種水分管理模式（CF和AWD）下，CK和U處理呈現(xiàn)相同的排放趨勢，在整個水稻生育期，CH4排放較低，排放通量基本趨于零。CF模式下添加秸稈處理（S、US）顯著增加了稻田CH4排放，且在水稻移栽后18和53 d出現(xiàn)明顯的排放峰值，CH4排放分別為55.71、58.73、41.26、47.94 mg·m-2·h-1；而AWD模式下，添加秸稈處理（S、US）CH4排放只有一個明顯的峰值，出現(xiàn)在水稻定植后第18 d，分別為38.53、48.40 mg·m-2· h-1，和CF模式下的水稻第一個峰值同步出現(xiàn)，之后CH4排放迅速降低，于38 d后逐漸趨于零。從不同生育期來看，CH4排放主要集中在水稻返青至拔節(jié)期。

圖1 不同水分模式下CH4排放通量的變化

在相同處理下，AWD模式下的CH4累積排放量低于CF管理模式（圖2），說明干濕交替降低了稻田CH4的排放。CF和AWD管理模式下，CH4累積排放量U與CK處理差異不顯著，但U較CK處理CH4累積排放量分別增加了16.17、6.10 kg·hm-2，說明尿素的施用在一定程度上促進(jìn)了CH4的排放；CF模式下，與單施秸稈處理（S）相比，尿素與秸稈配施顯著增加了CH4累積排放量，而在AWD模式下正好相反，說明在干濕交替模式下尿素與秸稈還田配施能減少CH4排放；兩種水分管理模式中CK與S處理、U與US處理相比，前者CH4累積排放量顯著低于后者，說明秸稈是影響CH4排放的重要因素。

圖2 不同水分模式下CH4累積排放量

2.2 水稻產(chǎn)量和CH4累積排放量變化行為

水分模式、秸稈還田和氮肥水平作用下的水稻產(chǎn)量和CH4累積排放量及其主效應(yīng)分析如表1和表2所示。結(jié)果表明，僅有氮肥水平對水稻籽粒產(chǎn)量有極顯著影響（P＜0.01），其余措施對水稻產(chǎn)量并無顯著影響。N225水平下水稻籽粒產(chǎn)量比N0條件下平均提高56.2 g·盆-1。水分模式、秸稈還田以及兩者的交互效應(yīng)極顯著影響CH4累積排放量，雖然氮肥水平對其沒有顯著影響，但水分模式、秸稈還田和氮肥水平三者之間的交互效應(yīng)對累積排放量有極顯著影響（P＜0.01）。與CF模式相比，AWD橫式的CH4累積排放量降低了67.2%。未添加秸稈（S0）處理使CH4累積排放量降低了92.2%。N225施肥水平下較N0的CH4累積排放量增加了12.50 kg·hm-2，但差異并不顯著。

表1 水分模式、秸稈還田及氮肥水平作用下 水稻產(chǎn)量和CH4累積排放量

表2 水分模式、秸稈還田及氮肥水平對水稻產(chǎn)量和 CH4累積排放量的主效應(yīng)及交互作用

2.3 水稻生長季CH4排放通量與10 cm土層溫度相關(guān)性分析

由水稻生長季CH4排放通量與10 cm土層溫度的相關(guān)性（表3）可以看出，兩種水分模式下U處理CH4排放通量與10 cm土層溫度都未呈現(xiàn)相關(guān)性。CF模式下除U外，其他處理CH4排放通量與10 cm土層溫度均呈顯著相關(guān)，其中S、US處理呈極顯著相關(guān)，說明長期淹水下10 cm土層溫度顯著影響CH4排放；AWD模式下只有S和US處理與CH4排放通量呈顯著相關(guān)，這說明土層溫度在干濕交替水分模式下對CH4排放的影響程度較CF模式有所降低，CH4排放可能主要受到秸稈添加與干濕交替的影響。

表3 水稻生長季CH4排放通量與10 cm 土層溫度的相關(guān)系數(shù)

2.4 土壤微生物量碳（MBC）的變化

土壤MBC含量隨水稻生育進(jìn)程而變化（表4，圖3）。兩種水分模式下，CK處理返青至孕穗期土壤MBC含量沒有明顯變化，而灌漿期至成熟期迅速降低；CF模式下U處理分蘗期MBC含量較返青期、拔節(jié)期和孕穗期明顯增加，而在AWD模式下U處理MBC含量和CK處理變化一致；兩種水分模式下，S和US處理水稻各生育期土壤MBC的含量都處于較高水平，其具體的變化是S和US處理返青期至拔節(jié)期土壤MBC含量呈現(xiàn)下降趨勢，而后增加至孕穗期，又緩慢下降直至水稻成熟收獲。綜合所有處理來看，水稻整個生育期，土壤MBC含量與灌溉方式和秸稈添加密切相關(guān)，而與施氮水平?jīng)]有顯著相關(guān)（圖3），這與影響CH4排放的因素是一致的（表2）。CF較AWD模式土壤MBC含量提高了16.4%；S1較S0處理土壤MBC含量提高29.9%，CH4累積排放也有相同的增加 趨勢。

表4 水稻生長季不同處理土壤微生物量碳含量（mg·kg-1）

圖3 水稻生長季土壤微生物量碳含量

3 討論

3.1 不同水分管理模式和施肥措施對CH4排放的影響

秸稈還田與水分管理顯著影響CH4的排放。與未施秸稈處理相比，秸稈還田顯著增加了水稻生長前中期CH4的排放通量和累積排放量，這與前人研究結(jié)果一致[8，21，26］。由于秸稈中含有大量有機(jī)碳，秸稈還田后有機(jī)碳在微生物作用下分解，為CH4的產(chǎn)生提供了更多的有效碳源，這些碳源中一部分在產(chǎn)CH4菌的參與下產(chǎn)生大量CH4，致CH4排放增加；而隨著水稻生育期的進(jìn)行，土壤中可利用的有機(jī)碳減少，致使CH4排放也降低，導(dǎo)致水稻后期CH4排放處于較低水平[8，10，26］。AWD模式下，U、US處理中CH4排放出現(xiàn)的第一個峰值與CF模式下基本相同（圖1），可能是因?yàn)樗咎幵谟酌鐣r期，吸水量少，干濕交替過程主要由大氣蒸發(fā)控制，導(dǎo)致落干過程緩慢，而淹水過程時間長，利于CH4的產(chǎn)生。相較于CF模式，AWD模式下各處理CH4排放通量和累積排放量都比較低，這與Liao 等[18］研究結(jié)果一致。這是由于淹水條件下，土壤含氧量低，形成的厭氧環(huán)境使得產(chǎn)CH4菌活性增強(qiáng)，CH4氧化菌活性降低，使CH4排放增加[9］，而干濕交替下，在落干過程中常常造成土壤好氧環(huán)境，這種環(huán)境使更多氧氣進(jìn)入土壤，促進(jìn)了CH4的氧化作用，最終減少了CH4排放[11］。馮曉赟等[22］研究表明，單施尿素能增加稻田CH4排放，但與CK相比，增加效果并不顯著；而尿素與秸稈配施則會顯著增加CH4排放。本試驗(yàn)結(jié)果與之一致，試驗(yàn)中2種水分模式下，U處理只在數(shù)值上增加了CH4累積排放，并未與CK處理有顯著性差異，這可能是因?yàn)槟蛩氐氖┯?，一方面能促進(jìn)水稻根系的生長發(fā)育，進(jìn)而增加根系分泌物，為CH4的產(chǎn)生提供更多的前體物質(zhì)，促進(jìn)CH4的排放[27］；另一方面由于尿素可以提高土壤中CH4氧化菌的數(shù)量和活性，促進(jìn)CH4氧化，而抑制其釋放，所以又能夠降低CH4排放[27］，兩者共同作用導(dǎo)致了CH4排放有促進(jìn)但差異不顯著。此外，US處理的CH4排放顯著高于CK和U處理，但與S處理相比，兩者在不同水分管理模式下差異不同（圖2），這可能因?yàn)樵贑F模式下，尿素的施用帶來氮源，促進(jìn)了微生物對秸稈的分解，為CH4產(chǎn)生提供了充足的碳源，使CH4排放增多[21］，且多于S處理；而在AWD模式下，土壤通氣性增高，CH4氧化菌活性增強(qiáng)，尿素的添加進(jìn)一步提高了土壤中CH4氧化菌的數(shù)量和活性，使CH4排放降低，低于S處理。

研究表明，稻田CH4排放通量與溫度有顯著的相關(guān)性[28］；但也有研究認(rèn)為，稻田CH4排放通量與溫度不顯著相關(guān)[29］；本研究CF模式下，除U處理外，其余處理CH4排放通量都與10 cm土層溫度顯著相關(guān)；AWD下，只有S和US處理CH4排放通量與10 cm土層溫度顯著相關(guān)。這是因?yàn)?，稻田土壤CH4的排放受多種因子的綜合影響，土壤溫度只有在其他因子相對穩(wěn)定時才突顯出來[29］。由于尿素對甲烷的排放影響比較復(fù)雜[22，27］，使土壤溫度對CH4的影響相對減弱，表現(xiàn)出此處理下土壤溫度與CH4排放沒有相關(guān)性；而AWD模式下，CK和U處理的CH4排放主要受到干濕交替水分模式的影響，土壤溫度的影響也相對減弱。

土壤MBC作為土壤有機(jī)碳中最活躍的組分，與土壤碳轉(zhuǎn)化存在密切關(guān)系，其含量是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[30］。本研究中秸稈的添加提高了水稻各生育期土壤MBC的含量，特別是尿素與秸稈配施提高最為顯著，這說明秸稈的施用有利于培肥地力，而與尿素配施效果更好。吳家梅等[31］研究不同活性有機(jī)碳組分與CH4排放的關(guān)系，結(jié)果表明稻田土壤MBC含量與CH4排放呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。圖3中在水稻生育前中期MBC含量較高，至灌漿期和成熟期已經(jīng)處于較低水平，這一點(diǎn)與CH4排放相吻合。

3.2 不同水分管理模式和施肥措施對水稻產(chǎn)量的影響

張鮮鮮等[11］和Liao等[18］研究表明，輕度干濕交替（土壤水勢閾值≥-15 kPa）較常規(guī)灌溉水稻產(chǎn)量相對穩(wěn)定或略微增加。本研究中兩種水分模式下水稻產(chǎn)量較為穩(wěn)定，沒有顯著變化（表2），與前人研究一致。這可能是因?yàn)檩p度干濕交替下，淹水與落干的水分模式，使有氧與無氧交替，土壤硝化作用發(fā)生周期性變化，土壤氮素形態(tài)由以銨態(tài)氮為主轉(zhuǎn)變?yōu)殇@態(tài)氮、硝態(tài)氮混合的狀態(tài)，極大地滿足了水稻根系對氮素的選擇性吸收[11，32］；此外，輕度干濕交替可以促進(jìn)水稻灌漿，在生殖生長階段從莖葉向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)營養(yǎng)物質(zhì)，使水稻產(chǎn)量較為穩(wěn)定或略微增加[33］。較不施氮處理（N0），N225水平下水稻產(chǎn)量顯著提高，氮肥的施入，滿足了水稻對養(yǎng)分的需求，顯著增加了水稻的有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)，使產(chǎn)量增加。與未添加秸稈處理相比，秸稈還田對水稻產(chǎn)量并沒有顯著影響，這與武開闊等[21］大田試驗(yàn)結(jié)果相似，這可能是因?yàn)榻斩捴卸鄶?shù)為難分解的有機(jī)物質(zhì)，秸稈添加后其有機(jī)物質(zhì)需要長時間分解，在當(dāng)季很少被吸收利用，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量并未增加。

4 結(jié)論

干濕交替與長期淹水相比，CH4排放量顯著降低；兩種水分模式下，秸稈添加導(dǎo)致稻田CH4排放增加，尿素添加對CH4排放沒有顯著影響，尿素與秸稈配施顯著增加了CH4排放。在長期淹水中，尿素與秸稈配施CH4排放量要顯著高于單施秸稈處理，而在干濕交替中，結(jié)果正好與之相反。說明秸稈還田與尿素配施時，干濕交替的水分管理模式下較為優(yōu)異，能產(chǎn)生更少的CH4。尿素的投入顯著增加了水稻產(chǎn)量，干濕交替和秸稈還田對水稻產(chǎn)量沒有顯著影響，此外，秸稈還田顯著增加了土壤微生物量碳的含量，有利于培肥地力。綜上，在本試驗(yàn)條件下，干濕交替水分管理模式CH4排放顯著降低，是值得推薦的水分管理模式；干濕交替下，單施尿素和尿素與秸稈配施均能顯著降低CH4排放，提高水稻產(chǎn)量，兩者均是較為優(yōu)異的養(yǎng)分管理 模式。