黃瑤 劉寧 胡啟良 黃國勤 楊濱娟

（江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點實驗室/江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心，江西 南昌 330045）

氮肥施用是影響農(nóng)田溫室氣體排放的重要因素之一。我國是世界上最大的水稻生產(chǎn)國和氮肥消耗國，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中排放了大量溫室氣體［1-2］，所排放的溫室氣體占總量的45%［3］。施氮量直接或間接影響稻田溫室氣體排放［4］，合理施氮是最大程度減少溫室氣體排放的有效途徑［5］。綠肥替代適量氮肥有利于穩(wěn)定或提高雙季稻產(chǎn)量并減少溫室氣體排放［6-8］。因此，研究綠肥混播還田模式下氮肥減施的溫室氣體排放，在保證水稻穩(wěn)產(chǎn)的前提下實現(xiàn)稻田減排，對于緩解全球氣候變暖和促進農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！熬G肥-早稻-晚稻”的稻田三熟制是南方典型種植模式［9］。Yang等［7］研究證明，用綠肥紫云英替代25%化學(xué)氮肥能有效減少溫室氣體排放。馮曉赟等［10］和Zhou等［11］研究證明，油菜秸稈還田配施適量的氮肥可以顯著降低N2O的排放和綜合溫室效應(yīng)。綠肥紫云英、油菜混播還田可以充分利用光照、溫度、水資源和生態(tài)位的差異，為后茬水稻提供營養(yǎng)［12］。與單播綠肥相比，綠肥“紫云英×油菜”混播還田在傳輸養(yǎng)分、提高水稻產(chǎn)量和土壤肥力等方面效果更好［13］，且與其他綠肥混播模式相比，更具有可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢，可持續(xù)能值指數(shù)為0.031 5，綜合效益更佳［11-14］?！?/4紫云英×1/4油菜-早稻-晚稻”是適合南方稻區(qū)的種植模式，有研究顯示，“3/4紫云英×1/4油菜”混播還田下氮肥減施20%有利于水稻增產(chǎn)及土壤無機氮含量和優(yōu)勢細菌群落豐度的提高，對稻田減排增效有積極效果［13］。但前人研究多關(guān)注單一綠肥作物還田配合減氮下作物產(chǎn)量和溫室氣體排放，以及綠肥混播還田配合減氮對稻田土壤和微生物等的影響，缺少對多種綠肥混播還田配合減氮模式下稻田溫室氣體減排的研究，探討綠肥混播還田模式下既能保證水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)又能促進稻田溫室氣體減排的減氮水平具有重要意義。因此，本試驗基于“紫云英×油菜”混播還田模式，研究不同減氮水平對雙季稻田CH4和N2O排放通量的影響，同時分析雙季稻產(chǎn)量及溫室氣體增溫潛勢，旨在為雙季稻田溫室氣體減排提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年9月—2022年10月在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園水稻試驗田（28°46'N、115°55'E）進行，該地屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，氣候濕潤溫和，日照充足，水稻生長期間日平均溫度26.7 ℃，日均降雨量14.1 mm（圖1）。試驗地位于亞熱帶典型紅壤分布區(qū)，土壤為發(fā)育于第四紀的紅黏土，試驗前表層0～15 cm土壤理化性狀如下：pH值4.91±0.28，有機質(zhì)（31.24±1.81）g·kg-1，全氮（1.89±0.14）g·kg-1，堿解氮（129.06±11.99）mg·kg-1，有效磷（12.12±1.17）mg·kg-1，速效鉀（21.13±0.99）mg·kg-1。

圖1 雙季稻種植期間日平均氣溫與降水量變化Fig.1 Changes in daily mean temperature and precipitation during the planting period of double cropping rice

1.2 試驗材料

早稻供試品種為中嘉早17（浙江勿忘農(nóng)種業(yè)有限公司），晚稻供試品種為天優(yōu)華占（北京金色農(nóng)華種業(yè)科技有限公司），冬季作物紫云英為余江大葉籽（湖南都樂種業(yè)有限責任公司），油菜為中油821（固始縣興信種業(yè)有限責任公司）。

1.3 試驗設(shè)計與實施

采用大田試驗，在冬季種植“紫云英×油菜”還田的條件下，其中，各處理紫云英播種量均為17.5 kg·hm-2，油菜播種量均為2.5 kg·hm-2，紫云英和油菜混合播種，均勻撒播于田間，設(shè)置雙季稻不施氮肥（CK）、施100%氮肥（150 kg·hm-2，N1MR）、減施20%氮肥（120 kg·hm-2，N2MR）、減施40%氮肥（90 kg·hm-2，N3MR）和減施60%氮肥（60 kg·hm-2，N4MR）共5個處理。具體試驗處理見表1。每處理設(shè)3次重復(fù)，共15個小區(qū)，每小區(qū)面積為16.5 m2（5.5 m×3 m），小區(qū)間用高30 cm的水泥埂隔開，兩邊設(shè)有保護行，保護行寬度為30 cm?；史N類及其用量參照當?shù)爻Ｒ?guī)施肥：氮肥（N）150 kg·hm-2，鉀肥（K2O）120 kg·hm-2，磷肥（P2O5）90 kg·hm-2。氮肥（N）按基肥∶分蘗肥∶穗肥=3∶4∶3，鉀肥（K2O）按分蘗肥∶穗肥=7∶3施入，鈣鎂磷肥（P2O512%）全部做基肥施入。早稻基肥、分蘗肥、穗肥分別于2022年5月1日、5月7日、6月14日施入；晚稻基肥、分蘗肥、穗肥分別于2022年7月28日、8月6日、9月12日施入。紫云英和油菜分別于2021年10月10日和11月9日均勻撒播，不進行施肥和收獲，并在水稻移栽前15 d將綠肥鮮草翻壓還田。早稻于2022年3月23日育苗，5月2日移栽，7月23日收獲；晚稻于2022年6月25日育苗，7月30日移栽，10月30日收獲。除施肥管理以外的農(nóng)田管理措施與該地常規(guī)管理一致。

表1 “紫云英×油菜”混播還田模式下氮肥減施試驗設(shè)計Table 1 Experimental design of nitrogen fertilizer reduction under mixed sowing of Chinese milk vetch×rapeseed returning to the field/（kg·hm-2）

1.4 測定項目與方法

1.4.1 水稻考種及測產(chǎn) 在早晚稻成熟時期，每個小區(qū)隨機抽取20蔸植株，以此為基礎(chǔ)計算水稻的有效穗數(shù)，采用平均法從每個小區(qū)隨機選取具有代表性的5蔸植株進行風干作為考種材料，每小區(qū)單打?qū)嵤兆鳛閷嶋H產(chǎn)量。

1.4.2 溫室氣體采集與測定 采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法在雙季稻生育期內(nèi)平均每7 d測定田間小區(qū)溫室氣體排放，靜態(tài)箱底橫截面積為50 cm×50 cm，采樣箱體由304不銹鋼材質(zhì)制成，箱體高度隨水稻高度而增加。采樣箱箱內(nèi)安有一個小電扇用于混勻箱內(nèi)氣體，箱子頂部設(shè)有三個松緊閥，分別為風扇電池接口、溫度計插口、采氣孔，外部包有白色海綿綿罩，防止太陽照射導(dǎo)致箱內(nèi)溫度變化過大。采樣前將采樣箱置于事先埋好的底座上，采樣時用100 mL注射器來回抽5～10次以混勻氣體，隨后抽取50 mL氣體樣品到氣袋中，分別在箱體密閉后0、10、20和30 min采集4個連續(xù)樣品，并記錄箱內(nèi)溫度和箱內(nèi)底座到水面的高度，用A7890b氣相色譜儀（美國Agilent公司）于3 d內(nèi)完成CH4、N2O濃度測定。溫室氣體排放通量用公式（1）計算［15］：

式中，F(xiàn)為溫室氣體排放通量（μg N2O·m-2·h-1，mg CH4·m-2·h-1）；p為標準狀態(tài)下溫室氣體的密度（kg·m-3）；H為密閉箱高度（m）；Δc/Δt為單位時間密閉箱內(nèi)溫室氣體濃度的變化量；T為密閉箱內(nèi)平均溫度（℃）。

根據(jù)氣樣濃度與時間的關(guān)系曲線計算兩種溫室氣體的排放通量，然后按照公式（2）計算水稻生長季的溫室氣體累積排放量［16］：

式中，F(xiàn)i和Fi-1分別為第i次和第i-1次溫室氣體排放通量（μg N2O·m-2·h-1，mg CH4·m-2·h-1）；di+1和di分別為第i+1次和第i次采樣天數(shù)；24為每天的總小時數(shù)。

全球增溫效應(yīng)：采用聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）推薦的綜合增溫潛勢計算CH4和N2O在100年尺度的綜合增溫效應(yīng)，將CH4和N2O的排放量（FCH4和FN2O）分別乘以27.2和273再相加，得到CO2排放當量（carbondioxide equivalence，CO2-eq），即為兩種溫室氣體的綜合增溫潛勢（global warming potential，GWP）（kg·hm-2）。計算公式如下［17］：

按照公式（4）計算溫室氣體綜合排放強度（greenhouse gas intensity，GHGI）（kg CO2·kg-1）［18］：

式中，Y為生物量（kg·hm-2）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

不同處理各指標使用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)運算，應(yīng)用SPSS 26軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，采用最小顯著差異法（least-significant difference，LSD）進行顯著性檢驗，用Origin 2022軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥減施對水稻產(chǎn)量和地上部生物量的影響

由表2可知，與CK相比，所有處理均顯著提高了早、晚稻產(chǎn)量（P＜0.05）。在早稻季，以氮肥減施20%處理（N2MR）的水稻產(chǎn)量最高，達5 553.5 kg·hm-2，較CK顯著提高36.0%（P＜0.05），但氮肥減施處理間差異不顯著；施氮肥處理N1MR、N2MR、N3MR和N4MR地上部生物量分別較CK顯著提高26.4%、33.7%、28.2%和24.0%。在晚稻季，以氮肥減施40%處理（N3MR）的水稻產(chǎn)量最高，達8 722.6 kg·hm-2，較CK顯著提高18.9%；各處理間地上部生物量均無顯著差異。與早稻季相比，晚稻季水稻產(chǎn)量和地上部生物量均有所提高。

表2 氮肥減施對水稻產(chǎn)量和地上部生物量的影響Table 2 Effects of nitrogen fertilizer reduction on rice yield and aboveground biomass/（kg·hm-2）

從兩季總產(chǎn)量來看，以氮肥減施20%處理的水稻產(chǎn)量最高，分別較氮肥減施60%處理（N4MR）和CK顯著提高6.8%和24.2%（P＜0.05）。與CK相比，施100%氮肥、氮肥減施20%、氮肥減施40%和氮肥減施60%處理的兩季水稻總產(chǎn)量分別顯著提高了22.5%、24.1%、23.8%和16.2%，地上部生物量總量分別顯著提高了14.9%、16.9%、13.6%和11.3%。

2.2 氮肥減施對雙季稻田CH4排放通量的影響

由圖2可知，由于早稻季有大量冬季綠肥還田，且晚稻季試驗地出現(xiàn)嚴重旱災(zāi)，早、晚稻田CH4排放呈現(xiàn)不一致的排放規(guī)律。在早稻生長期間，與CK相比，施100%氮肥、氮肥減施20%、氮肥減施40%和氮肥減施60%處理的CH4排放通量平均值分別降低了40.2%、57.5%、53.1%和41.4%。稻田CH4排放在水稻移栽（5月2日）后逐漸增加，CK CH4排放通量在5月24日達到第一個峰值，為46.9 mg·m-2·h-1，施氮肥處理在5月31日達到第一個峰值。所有處理均在6月23日（孕穗期）出現(xiàn)最大峰值，在該最大峰值中，CK的CH4排放通量最高，氮肥減施20%處理最低，低于CK 54.5%。在7月15日后，各處理CH4排放通量基本穩(wěn)定在較低水平，保持在-0.1～0.1 mg·m-2·h-1之間（圖2-A）。

圖2 氮肥減施對CH4排放的影響Fig.2 Effects of nitrogen fertilizer reduction on CH4 emissions

晚稻生育期內(nèi)，CH4排放在水稻分蘗期較為集中，其余時期CH4排放較少，維持在-0.1～2.4 mg·m-2·h-1之間。在施用基肥和分蘗肥后，CH4排放通量于8月7日達到最大峰值，同時也是整個晚稻季CH4排放最高峰，其中CK排放通量最高，氮肥減施20%處理的排放通量最低，分別為65.7和15.6 mg·m-2·h-1。此外，CK、施100%氮肥、氮肥減施20%、氮肥減施40%和氮肥減施60%處理的CH4平均排放通量分別為10.6、4.1、3.5、6.9和9.0 mg·m-2·h-1，分別較早稻減少了134.1%、259.5%、205.5%、69.7%和61.2%（圖2-B）。

2.3 氮肥減施對雙季稻田N2O排放通量的影響

由圖3-A可知，在早稻生育期內(nèi)，所有處理N2O排放主要集中在曬田期（7月8日～7月22日），而分蘗期（5月7日～6月14日）和孕穗期（6月15日～7月7日）N2O排放則處于較低水平，這是由于稻田前期處于淹水狀態(tài)，N2O排放較少。在施用分蘗肥（5月7日）后的第10天，所有施肥處理均出現(xiàn)一個N2O排放小高峰。5月24日到7月8日N2O排放較為穩(wěn)定，排放通量為-24.6～26.1 μg·m-2·h-1。7月8日后處于曬田期，稻田N2O排放通量迅速上升，各處理N2O排放通量均在7月15日達到最大，以施100%氮肥處理最高，達558.1 μg·m-2·h-1，CK最低，為51.7 μg·m-2·h-1，隨后所有處理N2O排放通量均下降。綜上，稻田N2O排放在水稻分蘗期和曬田后的干濕交替期間較多。

圖3 氮肥減施對N2O排放的影響Fig.3 Effects of nitrogen fertilizer reduction on N2O emissions

由圖1和圖3-B可知，晚稻期間稻田處于干旱狀態(tài)，人為灌溉導(dǎo)致稻田處于干濕交替狀態(tài)，晚稻田N2O排放呈現(xiàn)上升-降低-上升-降低的循環(huán)變化規(guī)律。在施入分蘗肥（8月6日）后第14天出現(xiàn)N2O排放高峰，以施100%氮肥處理的N2O排放通量最大，CK最小，分別為18.3和2.7 μg·m-2·h-1。隨后在施用穗肥（9月12日）后13 d出現(xiàn)排放最高峰，以施氮100%處理最大，達37.5 μg·m-2·h-1，同時也是整個晚稻季N2O排放的最高峰。此外，施氮100%處理在10月9日的排放高峰中仍為此次的最大值，達33.5 μg·m-2·h-1。

2.4 氮肥減施對雙季稻田溫室氣體排放總量、GWP和GHGI的影響

綜合早、晚稻兩季的結(jié)果（圖4），與CK相比，所有處理均顯著增加了稻田N2O累積排放量，顯著降低了稻田CH4累積排放量（P＜0.05）。早、晚稻田各處理CH4累積排放量范圍分別為230.3～479.8 kg·hm-2和84.5～277.1 kg·hm-2，其中氮肥減施40%處理早、晚稻田的CH4累積排放量較CK降低幅度最大，分別降低了52.0%和69.5%。氮肥減施20%處理的早、晚稻兩季CH4累積排放量最低。綜合而言，氮肥減施20%處理的CH4減排效果最好。早、晚稻各處理N2O累積排放量范圍分別為0～0.6和0～0.2 kg·hm-2，兩季N2O累積排放量均以施100%氮肥處理最高，CK最低。氮肥施用量越少，N2O累積排放量越低，說明降低施氮量能夠有效降低稻田N2O累積排放量。施氮處理以氮肥減施60%處理的早、晚稻總N2O累積排放量最低，較CK顯著提高520.0%。綜上，氮肥減施60%處理的N2O減排效果更好。

圖4 氮肥減施對CH4和N2O累積排放量、100 a尺度上的GWP和GHGI的影響Fig.4 Effects of nitrogen fertilizer reduction on the cumulative emissions of CH4 and N2O，GWP，and GHGI at the 100 a scale

由圖4可知，100 a尺度上的全球增溫潛勢（GWP）與CH4累積排放量趨勢一致，與N2O累積排放量相比，CH4累積排放量對GWP的貢獻更大，同時，早稻各處理的GWP均高于晚稻。施氮處理較不施氮處理（CK）均顯著降低了早、晚稻稻田GWP（P＜0.05）。此外，氮肥減施20%處理的GWP總量顯著低于施100%氮肥、氮肥減施40%和氮肥減施60%處理，降低幅度達到16.5%～40.8%，可見氮肥減施20%處理的減排效果最顯著（P＜0.05）。施氮處理均較CK顯著降低了早、晚稻季和兩季總量GHGI，降低幅度為22.3%～71.9%（P＜0.05），氮肥減施20%處理的GHGI總量顯著低于氮肥減施40%和氮肥減施60%處理（P＜0.05），降低幅度分別為24.6%和43.2%。因此，基于早、晚稻稻田溫室氣體累積排放總量，氮肥減施20%處理的減排效果最佳。

3 討論

3.1 氮肥減施對雙季稻產(chǎn)量及地上部生物量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，與CK相比，“紫云英×油菜”混播還田配合氮肥減施20%～40%下的水稻有增產(chǎn)趨勢。與前人有關(guān)綠肥還田模式下氮肥減施20%～40%能夠保證水稻穩(wěn)產(chǎn)的結(jié)果一致［19-20］?？赡苁怯捎凇白显朴ⅰ劣筒恕被觳ミ€田后釋放的養(yǎng)分較多，促進了水稻對養(yǎng)分的吸收利用，協(xié)調(diào)植株與土壤之間的養(yǎng)分動態(tài)需求，滿足水稻在不同生長時期的養(yǎng)分需求，從而提高后茬作物產(chǎn)量［21］。如表2所示，施氮肥處理水稻產(chǎn)量和地上部生物量顯著高于CK，說明“紫云英×油菜”混播還田不能完全替代氮肥對于作物穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)的作用，且氮肥減施量不同也會在一定程度上影響作物產(chǎn)量。綜上，本研究中“紫云英×油菜”混播還田模式下配合氮肥減施20%～40%在水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)方面表現(xiàn)最佳。

3.2 氮肥減施對雙季稻田CH4和N2O排放特征及累積排放量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，綠肥還田配施氮肥處理早、晚稻田CH4排放顯著低于不施氮肥處理（圖4）?？赡苁怯捎诰G肥還田后進行分解，從而為產(chǎn)甲烷菌提供了充足的底物，促進CH4的排放［22］，但綠肥配施氮肥能夠為稻田耕層土壤提供充足的氮素，導(dǎo)致土壤中CH4在被氧化的過程中消耗增加，從而降低了CH4排放［23］。這與Zhu等［24］、胡安永等［15］的研究結(jié)果相似。但也有研究表明稻田CH4排放隨施氮量的增加而增加［25-27］。此外，氮肥減施20%的CH4累積排放量顯著小于其他施氮處理，與胡安永等［15］的研究結(jié)果一致，即在紫云英還田條件下，施氮120 kg·hm-2時的CH4排放量最小。CH4的產(chǎn)生是產(chǎn)甲烷細菌在嚴格厭氧條件下作用于產(chǎn)甲烷底物的結(jié)果［28］。本試驗中，如圖2所示，早、晚稻CH4在曬田期排放較少，甚至出現(xiàn)負排放，是因為曬田期稻田土壤處于曝氣狀態(tài)，良好的通氣環(huán)境導(dǎo)致土壤氧化還原電位被提高，甲烷菌的生存條件遭到破壞，CH4較少甚至不排放［29］。同時，晚稻季CH4累積排放量小于早稻季CH4累積排放量，可能是因為綠肥還田對晚稻CH4排放影響較小［30］，且晚稻季氣溫高、降雨少，導(dǎo)致土壤含水量低，增加了土壤氧化還原電位，這與前人研究結(jié)果一致［31］。綜上，綠肥“紫云英×油菜”混播還田配合氮肥減施能夠抑制CH4排放，且在減施20%時的CH4排放量最低。

本試驗結(jié)果顯示，在“紫云英×油菜”混播還田條件下，與常規(guī)施氮相比，氮肥減施能顯著減少N2O排放，這與前人研究結(jié)果一致［25，32］。且“紫云英×油菜”混播還田配合氮肥減施60%時的N2O累積排放量最低，主要是因為外源氮素供應(yīng)降低，硝化與反硝化反應(yīng)的基質(zhì)減少［33］，進而使得N2O排放量降低。不施氮處理N2O出現(xiàn)負排放，究其原因，一方面，綠肥還田后的分解增加了土壤有機質(zhì)含量，通過固定氮抑制硝化過程使氮損失減少，N2O排放降低。另一方面，土壤中氮素含量較少，將更多N2O還原為N2，導(dǎo)致土壤增加對N2O的消耗，從而出現(xiàn)凈吸收現(xiàn)象［34］。如圖3所示，在早稻生長前期，N2O排放較少，主要是受到稻田持續(xù)淹水造成的厭氧環(huán)境的影響，而在水稻生長季中后期，N2O排放通量快速增長，主要是因為稻田處于曬田期，利于硝化、反硝化細菌的生長繁殖，促進N2O排放［35］。此外，晚稻季N2O排放量比早稻季少，主要是因為“紫云英×油菜”混播還田對晚稻季的影響較早稻季小，以及晚稻季氣溫比早稻季高（圖1），且晚稻季試驗地總降雨量為15.1 mm，稻田處于干旱狀態(tài)，氮肥在被作物利用之前必須溶于水，因此有限的氮供應(yīng)導(dǎo)致N2O排放量降低［36］。綜上，綠肥“紫云英×油菜”混播還田配合氮肥減施能夠減少N2O排放，且在減施60%時的N2O排放量最低。

3.3 氮肥減施對雙季稻田GWP及GHGI的影響

綜合本研究早晚稻兩季結(jié)果來看，在“紫云英×油菜”混播還田條件下，與施100%氮肥相比，氮肥減施20%可顯著降低GWP（P＜0.05）。與劉章勇等［37］的研究結(jié)果一致，即在保證作物產(chǎn)量的前提下，秸稈還田配合氮肥減施20%能夠顯著降低稻田N2O和CH4排放，同時GWP和GHGI也顯著下降。在本研究中，CH4累積排放量與GWP變化趨勢一致，相對N2O排放而言，稻田CH4排放對GWP的貢獻更大。“紫云英×油菜”混播還田配合氮肥減施20%較其他處理降低GHGI效果更明顯，這可能是因為綠肥還田后能夠為土壤補充多余的養(yǎng)分，從而補充氮肥減少所帶來的土壤養(yǎng)分損失［38］，且有研究證明，用紫云英替代25%化學(xué)氮能達到最佳減排效果［7］。綜上，冬種綠肥“紫云英×油菜”還田可以有效利用冬閑期的光、熱、水資源，且秸稈還田后可為土壤提供肥力，改善土壤質(zhì)量，同時施用合理的氮肥量能夠減少溫室氣體排放通量，進而降低稻田GWP和GHGI。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，與常規(guī)施氮相比，“紫云英×油菜”混播還田配合氮肥減施20%～40%有助于水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，顯著減少溫室氣體排放，不同氮肥減施水平處理的晚稻季稻田溫室氣體累積排放量、全球增溫潛勢、溫室氣體排放強度均比早稻季低，同時，氮肥減施20%能夠顯著降低全球增溫潛勢。因此，在施氮量為150 kg·hm-2的條件下，“紫云英×油菜”混播還田配合氮肥減施20%是一種適合南方稻區(qū)推廣的低碳穩(wěn)產(chǎn)施肥模式。