錢棟 胡明成 申衛(wèi)收 林先貴 鐘振芳 邱崇文

1 南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染控制高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京,210044 2 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所,南京,210008 3 廣東海納農(nóng)業(yè)有限公司,惠州,516000 4 廣東海納農(nóng)業(yè)研究院,惠州,516000

0 引言

我國(guó)是水稻種植大國(guó),栽培面積達(dá)到2 900萬hm2[1].同時(shí),我國(guó)也是化學(xué)肥料消耗大國(guó),統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2019年我國(guó)化肥施用量達(dá)5 404×104t[2].施用化肥能夠增加水稻產(chǎn)量,但長(zhǎng)期大量施用化肥也會(huì)帶來許多負(fù)面問題,例如土壤酸化、有機(jī)質(zhì)含量下降、氮肥利用效率降低和氮環(huán)境負(fù)效應(yīng)[3].2015年,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》,提出了到2020年主要農(nóng)作物化肥使用量實(shí)現(xiàn)零增長(zhǎng)的目標(biāo)任務(wù),而有機(jī)肥替代化肥便是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵路徑之一[4].有機(jī)肥的主要原料有畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈和菇渣等,可通過不同工藝加工成商品有機(jī)肥.施用有機(jī)肥不僅能夠提升土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu),還能增加作物產(chǎn)量和提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等[5].

全球氣候變暖是當(dāng)今世界面臨的重大環(huán)境問題,CH4和N2O是大氣中僅次于CO2的兩大重要溫室氣體[6].在100年尺度上,單位質(zhì)量的CH4和N2O對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)分別相當(dāng)于CO2的25和298倍[7].稻田是CH4和N2O的重要排放源[8-9].全球水稻田年均CH4排放量占到排放到大氣中CH4總量的10%～20%[10-11],水稻田干濕交替也會(huì)造成N2O大量排放[12].研究表明,我國(guó)水稻田CH4年排放量達(dá)到6～10 Tg[13].到21世紀(jì)末,我國(guó)大陸氣溫將升高約2.5～4.9 ℃,高于全球平均值[14].水稻田溫室氣體排放高效控制對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展至關(guān)重要.

目前,已有大量關(guān)于有機(jī)肥替代化肥對(duì)水稻田溫室氣體排放影響的研究.苗茜等[15]在研究城市污泥堆肥和豬糞堆肥配施化肥對(duì)寧波地區(qū)水稻田CH4和N2O排放的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥等氮替代化肥增加了稻田CH4排放量和水稻產(chǎn)量,減少了N2O排放量.李桂花等[16]在探究秸稈還田條件下有機(jī)肥部分替代尿素對(duì)江西雙季水稻田溫室氣體排放的影響試驗(yàn)時(shí)也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象.

珠江三角洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),是我國(guó)重要的雙季稻種植區(qū).受限于高溫、降雨、臺(tái)風(fēng)等客觀條件,該區(qū)域田間試驗(yàn)開展程度遠(yuǎn)不及華東地區(qū)、華北地區(qū)等.目前,有關(guān)珠三角地區(qū)水稻田有機(jī)肥施用的研究較少,尤其是施用不同有機(jī)肥對(duì)珠三角地區(qū)典型雙季稻產(chǎn)量及水稻田N2O和CH4排放的影響尚不清楚.因此,本研究以我國(guó)珠三角地區(qū)典型水稻田為研究對(duì)象,設(shè)置了無肥對(duì)照、化肥、條垛有機(jī)肥、促腐有機(jī)肥、新鮮有機(jī)肥和滅菌有機(jī)肥6種處理,在等氮量施肥條件下,研究不同類型有機(jī)肥對(duì)水稻產(chǎn)量及溫室氣體排放的影響,為水稻田地力提升和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于廣東省惠州市惠城區(qū)水口街道下源村(114°5′ E,23°1′ N).該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,水熱資源豐富,多年平均氣溫22 ℃,降水量2 200 mm.雙季稻是該地區(qū)典型的稻作模式.試驗(yàn)地土壤為華南地區(qū)典型赤紅壤,土壤pH為5.8,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.60 g·kg-1,全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.10 g·kg-1,全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.88 g·kg-1,全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.90 g·kg-1.試驗(yàn)期間降雨量和氣溫變化情況如圖1所示.

圖1 2018年早、晚稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫和降雨量的動(dòng)態(tài)變化

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2018年開始.試驗(yàn)共設(shè)置無肥對(duì)照(CK)、化肥(CF)、條垛有機(jī)肥(SOF)、促腐有機(jī)肥(COF)、新鮮有機(jī)肥(FOF)和滅菌有機(jī)肥(STOF)6個(gè)處理,每個(gè)處理4個(gè)重復(fù),共24個(gè)小區(qū),隨機(jī)區(qū)組排列,每個(gè)小區(qū)面積為42.75 m2(7.5 m×5.7 m).4種有機(jī)肥生產(chǎn)工藝各不相同.

傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)的商品有機(jī)肥多為條垛有機(jī)肥,其采用條垛堆肥工藝生產(chǎn),具體生產(chǎn)過程為:首先將雞糞與秸稈按一定比例堆成長(zhǎng)約20 m,寬約2.5 m,高約1 m的條垛狀,然后每隔幾天利用翻堆機(jī)進(jìn)行翻堆,使雞糞和秸稈混合均勻并呈好氧狀態(tài),約20 d后停止翻堆,使有機(jī)物料進(jìn)入后期腐熟階段,約30 d后可得到條垛有機(jī)肥成品.堆肥過程中的高溫會(huì)殺死有機(jī)物料中的病原微生物,實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥的無害化.然而,條垛有機(jī)肥生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng),且堆肥過程中往往會(huì)散發(fā)出大量臭氣,影響環(huán)境質(zhì)量.同時(shí),雞糞中的養(yǎng)分含量也因堆肥過程中NH3、N2O和CH4等氣體的排放而大打折扣.促腐有機(jī)肥采用新型物理化學(xué)促腐工藝生產(chǎn),具體生產(chǎn)過程為:人為外加100 ℃左右高溫殺滅雞糞中的病原微生物,這一過程約5 h左右,以達(dá)到無害化目的,同時(shí)向雞糞中添加促腐劑來快速降解其中的纖維素、木質(zhì)素等難降解物質(zhì),使雞糞腐熟時(shí)間縮短到1星期以內(nèi),達(dá)到快速腐熟的目的.滅菌有機(jī)肥經(jīng)過高溫滅菌處理后制成,人為外加高溫使雞糞快速無害化,但其未經(jīng)腐熟處理.新鮮有機(jī)肥為未經(jīng)高溫滅菌和腐熟處理制成的有機(jī)肥.

各施肥處理均為等氮量施肥,用量為105 kg·hm-2(以N計(jì)),具體施肥情況如表1所示.化肥處理所用肥料包括尿素和復(fù)合肥(N、P2O5、K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為15%),其中尿素用量為150 kg·hm-2,復(fù)合肥用量為240 kg·hm-2.條垛有機(jī)肥、促腐有機(jī)肥、新鮮有機(jī)肥和滅菌有機(jī)肥的原料均為雞糞.其中:條垛有機(jī)肥的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.63%,純干基用量為6 441.75 kg·hm-2;促腐有機(jī)肥的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.35%,純干基用量為4 468.05 kg·hm-2;新鮮有機(jī)肥的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.43%,純干基用量為2 370.15 kg·hm-2;滅菌有機(jī)肥的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.23%,純干基用量為3 250.81 kg·hm-2.4種有機(jī)肥處理采用表面撒施并結(jié)合耙田的施肥方式,肥料作基肥一次施用,后期不再追肥;化肥處理包括基肥和分蘗肥2次施肥.

田間原位試驗(yàn)所用水稻栽培品種為美香占2號(hào).早稻于2018年4月6日施基肥,4月9日插秧,4月30日施分蘗肥(化肥處理),7月20日早稻收割,收割后秸稈不還田.晚稻于2018年8月8日施基肥,8月11日插秧,9月1日施分蘗肥(化肥處理),11月15日收割,其中插秧、收割方式及田間管理方式等同早稻一致.田間管理參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的傳統(tǒng)做法:在試驗(yàn)開始之前進(jìn)行淹水灌溉、耕田,然后施肥、插秧;插秧后田面保持淹水狀態(tài)1個(gè)月左右,期間淹水深度維持在5～10 cm;之后為中期烤田,持續(xù)約2個(gè)星期;烤田后田面復(fù)水灌溉,至水稻黃熟期排水曬田,最后收割.

1.3 樣品采集與分析

1)CH4和N2O采集.使用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法.暗箱尺寸為0.5 m×0.5 m×0.6 m,箱體側(cè)面留有采樣口,上面留有圓形小孔,用于電子溫度計(jì)測(cè)定箱中的溫度.底座尺寸為0.6 m×0.6 m×0.3 m,采樣前將底座下部埋入土中,并保持水平,底座上部有凹槽.采樣時(shí)將箱體置于底座上,在底座凹槽里注入水,使得底座和箱體之間密封,在第0、15、30 min時(shí)使用50 mL注射器緩慢抽取箱中氣體30 mL,注入15 mL真空玻璃瓶中,并記錄此刻箱中溫度.采樣時(shí)間為早上08:00—12:00,水稻生長(zhǎng)期前2個(gè)月每5 d采樣1次,之后每7 d采樣1次.樣品寄回實(shí)驗(yàn)室后使用氣相色譜儀(Agilent 7890B)測(cè)定樣品中CH4和N2O的含量.氣相色譜儀相關(guān)參數(shù):前檢測(cè)器為火焰離子化檢測(cè)器(FID),可測(cè)定CH4含量,工作溫度250 ℃,高純H2流量為60 mL·min-1,高純空氣流量為400 mL·min-1;后檢測(cè)器為微池電子捕獲檢測(cè)器(ECD),可測(cè)定N2O含量,工作溫度為300 ℃,含5%甲烷的氬氣流量為2 mL·min-1.

2)水稻產(chǎn)量測(cè)定.水稻成熟后,人工收割并使用脫粒機(jī)對(duì)每個(gè)小區(qū)的水稻進(jìn)行脫粒,曬干稱質(zhì)量,獲得各試驗(yàn)處理的產(chǎn)量.

1.4 溫室氣體排放計(jì)算方法

CH4和N2O排放通量[17]計(jì)算公式為

F=(M/V0)·H·(P/P0)·(T/T0)·(dc/dt),

(1)

式中:F為CH4排放通量(mg·m-2·h-1)或N2O排放通量(μg·m-2·h-1,以N計(jì));M為氣體摩爾質(zhì)量(g·mol-1);V0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的摩爾體積(L·mol-1);H為靜態(tài)暗箱的有效高度(m);P0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的大氣壓力(101.3 kPa);P為箱內(nèi)氣壓,采樣時(shí)箱內(nèi)外氣壓幾乎不變,對(duì)CH4和N2O的影響可以忽略,故取與P0相同的值;T為氣體樣品采集時(shí)靜態(tài)暗箱內(nèi)的氣溫(K);T0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的大氣溫度(273 K);dc/dt為氣體排放速率(μL·L-1·min-1).

CH4和N2O累積排放量計(jì)算方法:將相鄰兩次采樣日期的溫室氣體排放通量取平均值,與相鄰兩次采樣日期間隔天數(shù)相乘,所得即為這一階段溫室氣體的排放量.

單位產(chǎn)量水稻引起的CH4和N2O排放量(吸收量)計(jì)算方法:氣體排放量/水稻產(chǎn)量,單位分別為g·kg-1和mg·kg-1(以N計(jì)).

溫室氣體綜合溫室效應(yīng)(全球增溫潛勢(shì),Global Warming Potential,GWP)計(jì)算方法:25×CH4排放量+298×N2O排放量[7],單位為kg·hm-2,以CO2計(jì).

單位產(chǎn)量的水稻產(chǎn)生的溫室效應(yīng)(溫室氣體排放強(qiáng)度,Greenhouse Gas Emission Intensity,GHGI)計(jì)算方法:全球增溫潛勢(shì)/水稻產(chǎn)量[18],單位為kg·kg-1,以CO2計(jì).

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用IBM SPSS Statistics 21.0軟件及Microsoft Excel 2010軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和顯著性檢驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量

全年水稻產(chǎn)量依次為滅菌有機(jī)肥>新鮮有機(jī)肥>促腐有機(jī)肥>化肥>條垛有機(jī)肥>無肥對(duì)照(表2).與無肥對(duì)照相比,早、晚稻施用化肥和有機(jī)肥均顯著增加了水稻產(chǎn)量(P<0.05).滅菌有機(jī)肥、新鮮有機(jī)肥和促腐有機(jī)肥處理相對(duì)于化肥處理增加了早稻產(chǎn)量,分別增加了25.6%、25.3%和18.1%(P<0.05);滅菌有機(jī)肥、促腐有機(jī)肥和新鮮有機(jī)肥處理也增加了晚稻產(chǎn)量,分別增加了11.5%、12.2%和7.1%(P>0.05).從全年水稻產(chǎn)量來看,滅菌有機(jī)肥、新鮮有機(jī)肥和促腐有機(jī)肥處理相對(duì)于化肥處理增加了水稻產(chǎn)量,分別為19.3%、17.1%和15.5%(P<0.05);條垛有機(jī)肥處理水稻產(chǎn)量略有減少(P>0.05).

表2 不同處理水稻產(chǎn)量

2.2 水稻田經(jīng)濟(jì)效益分析

水稻田的經(jīng)濟(jì)效益由其生產(chǎn)總成本和產(chǎn)值決定.本研究中,尿素、復(fù)合肥的價(jià)格分別為2 500元·t-1、2 800元·t-1,條垛有機(jī)肥、促腐有機(jī)肥、新鮮有機(jī)肥、滅菌有機(jī)肥的生產(chǎn)成本分別為800元·t-1、600元·t-1、150元·t-1、700元·t-1.早稻和晚稻的種子費(fèi)均為1 125元·hm-2,無肥和化肥處理的人工費(fèi)用分別為5 250元·hm-2和6 750元·hm-2,4種有機(jī)肥處理的人工費(fèi)均為6 000元·hm-2.稻谷價(jià)格為3.2元·kg-1.從表3可以看到,條垛有機(jī)肥、促腐有機(jī)肥和滅菌有機(jī)肥處理相對(duì)于化肥處理均增加了水稻田的生產(chǎn)總成本,增幅分別為37.6%、9.9%和5.4%.從產(chǎn)值來看,促腐有機(jī)肥處理、新鮮有機(jī)肥處理和滅菌有機(jī)肥處理比化肥處理分別增加了15.5%、17.1%和19.3%.促腐有機(jī)肥、滅菌有機(jī)肥和新鮮有機(jī)肥處理相對(duì)于化肥處理均增加了純利潤(rùn),增幅分別為24.2%、41.2%和69.4%.

表3 不同處理下水稻田的年經(jīng)濟(jì)效益

2.3 水稻田CH4排放特征

早、晚稻水稻田CH4排放通量動(dòng)態(tài)變化如圖2所示.早稻田CH4排放通量變化范圍為0.04～263.51 mg·m-2·h-1.CH4排放主要集中在插秧后1個(gè)月內(nèi),之后除促腐有機(jī)肥處理有較明顯的CH4排放外(42.97 mg·m-2·h-1),其余處理CH4排放通量接近于零.早稻田CH4排放通量先升高后降低,CH4排放通量峰值出現(xiàn)在插秧后20 d左右.烤田開始后田面水迅速落干,各處理CH4排放通量迅速降低;烤田結(jié)束后田間復(fù)水灌溉,CH4排放通量并沒有出現(xiàn)回升,而是進(jìn)一步下降至接近于零.不同類型有機(jī)肥處理下早稻田CH4排放通量高于化肥和無肥對(duì)照處理.晚稻田CH4的排放通量變化范圍為0～180.08 mg·m-2·h-1,在插秧后即出現(xiàn)CH4排放高峰,且在插秧后1個(gè)月左右的淹水期內(nèi)變化幅度較小.晚稻烤田于9月10日開始,此后田面水因高溫快速落干,各處理稻田CH4排放通量迅速下降至接近于零;烤田于10月10日結(jié)束,之后田間復(fù)水灌溉,晚稻田CH4排放通量同樣未出現(xiàn)明顯上升趨勢(shì),至水稻收割各處理稻田CH4排放通量均維持在很低水平.

圖2 2018年早、晚稻不同處理CH4排放通量動(dòng)態(tài)變化

水稻田CH4累積排放量如表4所示.早稻田CH4累積排放量依次為促腐有機(jī)肥>新鮮有機(jī)肥>條垛有機(jī)肥>滅菌有機(jī)肥>化肥>無肥.相比于無肥對(duì)照,施用有機(jī)肥和化肥均顯著增加了稻田CH4排放(P<0.05).促腐有機(jī)肥、新鮮有機(jī)肥、條垛有機(jī)肥和滅菌有機(jī)肥處理相對(duì)于化肥處理,CH4累積排放量分別增加了498.6%、339.2%、235.4%和213.7%(P<0.05).晚稻田CH4累積排放量依次為促腐有機(jī)肥>新鮮有機(jī)肥>條垛有機(jī)肥>滅菌有機(jī)肥>化肥>無肥,總體趨勢(shì)和早稻田一致,但晚稻田CH4累積排放量相對(duì)于早稻田有所增加.與無肥對(duì)照相比,有機(jī)肥和化肥處理均顯著增加晚稻田CH4排放(P<0.05).促腐有機(jī)肥、新鮮有機(jī)肥、條垛有機(jī)肥和滅菌有機(jī)肥處理相對(duì)于化肥處理,CH4累積排放量分別增加了239.5%、208.2%、107.8%和80.2%(P<0.05).

表4 2018年早、晚稻不同處理CH4累積排放量

2.4 水稻田N2O排放特征

水稻田N2O排放通量動(dòng)態(tài)變化如圖3所示.早稻田N2O排放主要集中在烤田中期和后期,淹水期N2O排放通量多為負(fù)值.早稻生長(zhǎng)期各處理N2O排放通量最大值為35.59 μg·m-2·h-1(以N計(jì))(5月7日化肥處理),最小值為-40.49 μg·m-2·h-1(以N計(jì))(6月11日化肥處理).總體來看,早稻田N2O排放通量變化幅度較小,沒有出現(xiàn)脈沖式的排放峰.晚稻田N2O排放主要集中在生長(zhǎng)中期,淹水期和烤田后期各處理N2O排放通量多為負(fù)值.晚稻田N2O排放通量最大值為69.23 μg·m-2·h-1(以N計(jì))(9月28日條垛有機(jī)肥處理),最小值為-36.69 μg·m-2·h-1(以N計(jì))(8月20日滅菌有機(jī)肥處理).晚稻田N2O排放通量變化幅度略大于早稻田,出現(xiàn)了較為明顯的N2O排放峰.從早、晚稻田N2O排放特征來看,N2O排放同田間水分條件變化趨勢(shì)密切相關(guān),N2O排放主要集中在烤田期,淹水期N2O排放通量多為負(fù)值.

圖3 2018年早、晚稻不同處理N2O排放通量動(dòng)態(tài)變化

水稻田N2O累積排放量如表5所示.早稻田N2O累積排放量依次為新鮮有機(jī)肥>促腐有機(jī)肥>滅菌有機(jī)肥>化肥>條垛有機(jī)肥>無肥.除新鮮有機(jī)肥外各處理的N2O累積排放量均為負(fù)值.晚稻田N2O累積排放量依次為條垛有機(jī)肥>新鮮有機(jī)肥>化肥>促腐有機(jī)肥>無肥>滅菌有機(jī)肥.相比于早稻,晚稻季N2O排放更為明顯,其中條垛有機(jī)肥、新鮮有機(jī)肥和化肥處理均出現(xiàn)了明顯的N2O排放.該地區(qū)水稻田N2O排放水平較低,且各處理水稻田N2O累積排放量以負(fù)值居多.

表5 2018年早、晚稻不同處理N2O累積排放量

2.5 水稻田CH4和N2O綜合溫室效應(yīng)及排放強(qiáng)度

為了綜合評(píng)價(jià)水稻產(chǎn)量和水稻田CH4、N2O排放量的關(guān)系,計(jì)算了各處理單位糧食產(chǎn)量下早、晚稻田CH4和N2O的排放量(表6).從各處理單位糧食產(chǎn)量CH4的排放量上來看,促腐有機(jī)肥處理最高(224.0 g·kg-1),無肥處理最低(38.6 g·kg-1).相比于無肥和化肥處理,有機(jī)肥處理單位產(chǎn)量CH4的排放量均出現(xiàn)了明顯增加(P<0.05).從單位產(chǎn)量N2O的排放量上來看,早、晚稻新鮮有機(jī)肥處理均為正值,其余處理則為負(fù)值.不同類型有機(jī)肥中滅菌有機(jī)肥處理早、晚稻單位產(chǎn)量N2O的排放量最低(-23.6 mg·kg-1,以N計(jì)).

表6 不同處理單位糧食產(chǎn)量CH4和N2O排放量

為了綜合評(píng)價(jià)水稻田排放的CH4和N2O對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn),計(jì)算了各處理水稻田排放的CH4和N2O的GWP(表7).除新鮮有機(jī)肥外,早、晚稻田排放的N2O的GWP均為負(fù)值.水稻田排放的CH4的GWP遠(yuǎn)大于N2O,對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)幾乎全部來自CH4.無肥對(duì)照的總GWP最低,有機(jī)肥和化肥處理均高于無肥處理.促腐有機(jī)肥、新鮮有機(jī)肥、條垛有機(jī)肥、滅菌有機(jī)肥處理相對(duì)于化肥處理,早、晚稻總GWP分別增加334.2%、262.1%、154.5%和128.5%(P<0.05).有機(jī)肥處理中,總GWP最高的處理是促腐有機(jī)肥處理,最低的是滅菌有機(jī)肥處理.

表7 不同處理溫室氣體全球增溫潛勢(shì)(GWP)

水稻田溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)是指生產(chǎn)出單位質(zhì)量的糧食造成的溫室效應(yīng),可以很好地將水稻生產(chǎn)效益和環(huán)境效益結(jié)合起來.除新鮮有機(jī)肥處理外,早、晚稻田排放的N2O總GHGI均為負(fù)值(表8).其中,化肥處理GHGI最低,水稻田每生產(chǎn)1 kg水稻吸收的N2O相當(dāng)于從大氣中吸收12.3 g CO2.早、晚稻田排放的CH4總GHGI遠(yuǎn)大于N2O,其中促腐有機(jī)肥處理最高,每生產(chǎn)1 kg水稻排放的CH4相當(dāng)于向大氣中排放6.3 kg CO2.總GHGI最高的是促腐有機(jī)肥處理,最低的是化肥處理.相比于化肥處理,促腐有機(jī)肥、新鮮有機(jī)肥、條垛有機(jī)肥和滅菌有機(jī)肥處理總GHGI分別增加了273.8%、206.5%、157.1%和90.5%(P<0.05).

表8 不同處理溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)

3 討論

施用促腐有機(jī)肥、新鮮有機(jī)肥和滅菌有機(jī)肥相對(duì)于化肥均顯著增加了水稻產(chǎn)量,而施用條垛有機(jī)肥后水稻產(chǎn)量略有下降.這與周貝貝[19]的研究結(jié)果一致,其在水稻盆栽試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),利用鮮糞、快腐糞肥完全替代單施化肥促進(jìn)了水稻分蘗,提高了干物質(zhì)在籽粒中的分配比例,增加了水稻產(chǎn)量,而條垛堆肥并沒有明顯增產(chǎn).不同肥料進(jìn)入土壤后速效氮釋放速率的不同也會(huì)造成水稻產(chǎn)量出現(xiàn)差異[20-22].雖然各施肥處理施氮量相同,但化肥進(jìn)入土壤后快速增加了土壤中速效氮的含量,這些氮素容易以NH3揮發(fā)、硝酸鹽淋溶等形式損失,水稻可吸收利用的氮素含量降低,而有機(jī)肥中有機(jī)氮礦化需要一定的時(shí)間,水稻對(duì)礦質(zhì)氮的利用效果也更好,由此水稻產(chǎn)量也更高.此外,Yang等[23]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥替代化肥有利于水稻根系的生長(zhǎng),促進(jìn)了根系對(duì)氮素的吸收,并增加了養(yǎng)分向稻穗輸送的比例.大部分研究表明,有機(jī)肥部分替代化肥會(huì)增加水稻產(chǎn)量,而有機(jī)肥完全替代化肥則會(huì)使水稻減產(chǎn)[24].由于大部分研究者使用的有機(jī)肥為商品有機(jī)肥,其生產(chǎn)工藝多為條垛式堆肥,所以本研究中條垛有機(jī)肥替代化肥造成水稻產(chǎn)量略微下降與大部分研究者的結(jié)果一致.施用條垛有機(jī)肥相對(duì)于化肥導(dǎo)致水稻產(chǎn)量略微下降的原因可能是條垛有機(jī)肥在好氧堆肥的生產(chǎn)過程中往往會(huì)排放大量NH3,造成肥料中的銨態(tài)氮含量降低,施入稻田后可供水稻利用的礦質(zhì)氮含量大打折扣[25];同時(shí)，條垛有機(jī)肥中的有機(jī)氮礦化速率較慢,速效氮釋放速率與水稻養(yǎng)分吸收不匹配,導(dǎo)致水稻不能及時(shí)吸收利用氮素.

水稻田是CH4重要的排放源,是土壤CH4產(chǎn)生過程、氧化過程和傳輸擴(kuò)散過程綜合作用的結(jié)果[26].本研究發(fā)現(xiàn),不同施肥處理下,水稻田CH4排放通量變化特征基本一致,CH4的排放集中在淹水時(shí)期,這表明田間水分條件是稻田CH4排放的主要影響因子[27].田間水分條件影響土壤的通氣性和氧化還原電位,從而對(duì)土壤中產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌群落組成和豐度產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響CH4的凈排放.與無肥對(duì)照相比,施肥顯著增加了水稻田CH4的排放,這可能是施肥促進(jìn)了水稻的生長(zhǎng)發(fā)育,水稻根系分泌物顯著增加,為土壤中產(chǎn)甲烷古菌提供了大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[28].與化肥處理相比,施用有機(jī)肥均顯著增加了稻田CH4的排放.有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)含量較高,為土壤產(chǎn)甲烷古菌提供了豐富的代謝前體,同時(shí)有機(jī)質(zhì)的降解還會(huì)造成土壤氧化還原電位的下降,有利于產(chǎn)甲烷古菌的生長(zhǎng)和繁殖[29-30].不同類型有機(jī)肥處理下水稻田CH4排放量也表現(xiàn)出明顯不同,促腐有機(jī)肥處理CH4累積排放量最高,滅菌有機(jī)肥處理CH4累積排放量最低,不同的有機(jī)肥生產(chǎn)工藝可能導(dǎo)致其有機(jī)質(zhì)含量不同,影響土壤中產(chǎn)甲烷古菌的群落組成和豐度,從而導(dǎo)致CH4排放量出現(xiàn)差異[31].

水稻田N2O排放是土壤N2O產(chǎn)生和還原綜合作用的結(jié)果,其受施肥、田間水分和溫度等因素影響較大.本研究發(fā)現(xiàn),無論是早稻還是晚稻,不同施肥處理下N2O排放通量變化趨勢(shì)大致相同.整個(gè)水稻生育期N2O的排放通量較低,累積排放量為負(fù)值或接近零,僅在移栽20～30 d后的烤田期間出現(xiàn)排放峰,最高也僅有69.23 μg·m-2·h-1(以N計(jì)),普遍低于已報(bào)道的水稻田N2O的排放通量.烤田期間較低的排放通量也導(dǎo)致整個(gè)水稻生育期N2O累積排放量較低,甚至出現(xiàn)了負(fù)值.易瓊等[32]在研究不同施肥模式對(duì)華南水稻田CH4和N2O排放影響時(shí)也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象.田間水分條件顯著影響了水稻田N2O的排放[33].水稻種植使田間水位較深且珠三角地區(qū)降水充沛,土壤長(zhǎng)期處于淹水還原狀態(tài)下,嚴(yán)格厭氧條件促使反硝化過程進(jìn)行劇烈,土壤產(chǎn)生和大氣擴(kuò)散進(jìn)入土壤的N2O進(jìn)一步被還原為N2[34].此外,本研究中氮肥用量為105 kg·hm-2(以N計(jì)),與已報(bào)道的氮肥用量相比偏低[35-36],也減少了水稻田N2O排放.施用不同類型有機(jī)肥對(duì)水稻田N2O排放的影響知之甚少,相關(guān)研究表明其主要受有機(jī)肥的種類、碳氮比、微生物和植物對(duì)氮素的利用爭(zhēng)奪等因素的影響[37],將來可從土壤微生物角度探索其機(jī)理.

有機(jī)肥替代化肥在農(nóng)業(yè)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、地力提升和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中具有重要作用.4種不同類型有機(jī)肥相對(duì)于化肥均顯著增加了CH4排放量,同時(shí)水稻田N2O的排放水平較低,GWP和GHGI顯著升高主要?dú)w因于CH4排放.通常有機(jī)肥堆肥過程中會(huì)排放大量CH4和N2O.由于促腐有機(jī)肥堆制時(shí)間較短、腐熟程度較高,因而從全生命周期來看,促腐有機(jī)肥生產(chǎn)和使用過程中排放的溫室氣體相對(duì)于其他類型有機(jī)肥明顯較低.因而,促腐有機(jī)肥不僅具有較好的農(nóng)學(xué)和經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)兼顧了生態(tài)環(huán)境效益,將為有機(jī)肥替代化肥提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)際指導(dǎo).

4 結(jié)論

施用促腐有機(jī)肥、新鮮有機(jī)肥和滅菌有機(jī)肥相對(duì)于化肥增加了水稻產(chǎn)量,增幅分別為15.5%、17.1%和19.3%(P<0.05),但施用條垛有機(jī)肥后水稻產(chǎn)量略有下降(P>0.05).水稻田CH4排放集中在水稻移栽后一個(gè)月內(nèi).施用不同類型有機(jī)肥相對(duì)于化肥促進(jìn)了雙季水稻田CH4的排放.水稻生育期內(nèi)N2O排放集中在烤田期,但其排放水平較低.CH4是珠三角地區(qū)雙季水稻田的主要溫室氣體,全球增溫潛勢(shì)主要來自CH4的貢獻(xiàn).從全生命周期來看,促腐有機(jī)肥替代化肥不僅可以增加水稻產(chǎn)量和水稻田的經(jīng)濟(jì)效益,還可以兼顧生態(tài)環(huán)境效益.