稻田水肥组合模式的CH4和N2O排放特征及其差异比较

，，2*

(1 湖南农业大学农学院 长沙 410128； 2 农业部作物栽培与耕作学重点开放实验室，湖南长沙 410128)

2012-10-16

*通信作者, Email:zqf_cis@126.com。

国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD16B01)。

稻田水肥组合模式的CH4和N2O排放特征及其差异比较

耿春伟1，傅志强1，2*

(1 湖南农业大学农学院 长沙 410128； 2 农业部作物栽培与耕作学重点开放实验室，湖南长沙 410128)

利用大田小区试验，采用圆柱体静止箱/气相色谱分析法，测定了不同水肥模式下早晚稻在各生育时期甲烷和氧化亚氮的排放通量，比较了不同水肥组合模式累积排放量差异。结果表明：早晚稻甲烷排放均表现为单峰模式，早稻峰值出现在齐穗期，晚稻在分蘖期；早稻氧化亚氮排放通量随着水稻生长呈递增趋势，晚稻季节变化明显。淹水灌溉甲烷累积排放量高于间歇灌溉；早稻淹水灌溉施高氮甲烷排放量最高，间歇灌溉无氮肥处理甲烷累积排放量最低，极差为8.97 g/m2；晚稻甲烷累积排放量以淹水灌溉施高氮最高，间歇灌溉施低氮肥最低，极差为13.11 g/m2；早稻氧化亚氮累积排放量以间歇灌溉施高氮最高，淹水灌溉不施氮最低，极差为40.6 g/m2；晚稻间歇灌溉普遍高于淹水灌溉，极差为152.5 g/m2。甲烷排放与5 cm、10 cm处土壤Eh值呈显著负相关，氧化亚氮与之相关性不显著。因此，间歇灌溉减少甲烷排放，促进了氧化亚氮排放，淹水灌溉有利于甲烷排放，但抑制了氧化亚氮排放；高氮肥施用有利于温室气体排放。

稻田；灌溉；施肥；甲烷；氧化亚氮；排放特征

CH4和N2O是两种重要的温室气体。据统计，全球农作物的CH4、N2O排放量分别占人类活动导致CH4、N2O排放总量的50%和60%[1～4]。稻田是大气中CH4和N2O排放的重要来源之一，稻田CH4的排放量为31～112 Tg，占全球CH4总排放量的5%～19%[5]。我国水稻总产量与种植面积分别占全球的34%和22%[11]，稻田CH4排放量为7.67～8.05 Tg[6]，约占世界水稻田CH4排放总量的19.6%[7]；稻田水稻生长期N2O排放量高达29 Gg/a，占我国农田N2O年排放总量的7%～11%[8]。

影响CH4和N2O排放的因素很多，但最主要的是田间水分和施肥管理。关于肥料对稻田温室气体排放的影响，国内外进行了大量研究，不同施肥措施决定其排放总量的差异，而土壤有机碳、温度、水分管理和土壤pH值等因素则影响其形式变化。但各种研究还存在不同看法，这主要是因为各种试验的具体时间、地点、气候、土壤质地等方面存在差异[9-10]。目前，同时考察水肥两个因素对稻田CH4和N2O排放的影响研究报道较少。水分和肥料是影响水稻生长发育的主要限制因子，研究不同水肥组合对稻田温室气体的影响具有重要价值。本研究试图在前人工作的基础上，对稻田不同水肥组合温室气体排放进行定位观测，阐明不同水肥组合模式下稻田甲烷和氧化亚氮排放的差异，寻找最优水肥模式，既减少稻田温室气体的排放，又能节省生产成本，为稻田温室气体的综合控制提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2011年在湖南长沙县干杉稻田固碳减排试验基地(28°08′18″E，113°12′0″N)进行，海拔42 m，年平均温度为17.1℃，年降水量1 500 mm，年≥10℃积温5 300～6 500℃，为湖南典型的双季稻生产区。稻田土壤类型为第四纪红壤发育而成的红黄泥土。供试土壤理化性状为pH 6.1，有机质15.37 g/kg，全氮1.55 g/kg，碱解氮147 mg/kg，有效磷7.1 mg/kg，速效钾 54 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设灌溉模式(W)和施氮量(N)两个因素，灌水方式设2个水平，施肥因素设4个水平，共计8个组合(处理)，3次重复。处理名称见表1。早稻品种为株两优90，晚稻为岳优9113。早稻小区面积为20 m2，3月29日播种，4月29日移栽，7月17日收获。大田栽插密度为3.0×105穴/hm2，株行距为16.5 cm×20 cm，每穴插2苗；晚稻小区面积为15 m2，6月23日播种，7月19日移栽。大田栽插密度为2.5×105穴/hm2，株行距为20 cm×20 cm，每穴插2苗。每个小区之间筑埂并用塑料薄膜包埂，两边设保护行。其他管理措施与一般高产稻田相同。

表1 处理名称及处理方法

1.2.1 灌水处理

淹水灌溉(W1)：自移栽返青后直至成熟前一周，稻田长期维持一定水层(3～5 cm)；间歇灌溉(W2)：前期淹水灌溉，分蘖后期晒田，孕穗前回水后干湿交替灌溉，至收获前1 周排水。

1.2.2 施肥处理

早稻施肥处理共设不施、低、中、高4个氮肥水平，分别施纯N：0、90、120、150 kg/hm2，分别记为N0、N1、N2、N3。N肥施用比例为基肥∶拔节∶孕穗=5∶1∶4；钾肥(K2O)施用量为240 kg/hm2，磷肥(P2O5)用量为120 kg/hm2，均作基肥一次性施用。

晚稻施肥处理共设不施、低、中、高4个氮肥水平，分别施纯N: 0、105、135、165 kg/hm2，分别记为N0、N1、N2、N3。N肥施用比例为基肥∶拔节∶孕穗=5∶1∶4；钾肥(K2O)施用量为240 kg/hm2，磷肥(P2O5)用量为120 kg/hm2，均作基肥一次性施用。

1.3 气体样品采集

采用静态箱-气相色谱法测定稻田CH4和N2O排放通量[12～15]。静态箱用聚碳酸酯材料制成，箱内有风扇并有外置的蓄电池驱动，箱体直径55 cm，高120 cm。不锈钢底座于水稻插秧前安装在每个小区中间，并保证底座内有3蔸禾苗，测定时用水密封。水稻移栽后每隔4 ～ 5 d采样1次，采样时间上午8:00 ～ 10:00，罩箱后分0、10、20、30 min抽取4次气样(50 mL)，然后用气相色谱仪(Agilent 7890a)测定CH4和N2O。其中，CH4检测器FID(氢火焰离子化检测器)，检测温度为200℃，柱温55℃；N2O检测器ECD(电子捕获检测器)，检测器温度为330℃，柱温55℃。最后的CH4和N2O测定值以4点作气体浓度-时间直线，并计算其斜率作为被测气体的浓度变化率(dC/dt)。

1.4 数据分析

稻田 CH4、N2O排放通量计算方法参见文献[3,13]。稻田温室气体排放通量计算公式如下：

F=ρ·273/(273+T)·H·dC/dt

式中：F为排放通量；ρ为标准大气压下的CH4、N2O密度，分别为0.714、1.98 kg/m3；T为采样过程中采样箱内的平均温度(℃)；H是采样箱的箱罩净高度(m)；dC/dt是采样箱内温室气体浓度的变化率。

所有试验数据采用Excel和DPS进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同水肥组合模式稻田CH4和N2O排放特征

从图1可知，早稻甲烷排放季节变化呈先逐步上升后下降的趋势。水稻生长前期，即5月30日前，甲烷排放通量均较低，且递增速度很缓慢，变化幅度0～6 mg/(m2·h)；从6月5日开始，甲烷排放通量增速加快，在6月18日达到峰值(19.5 mg/(m2·h))。此后开始急剧下降，成熟期排放通量均较低。在水稻生长后期，淹灌处理甲烷排放通量仍然保持较高水平，节水灌溉处理甲烷排放通量较低。总体上，淹水灌溉甲烷排放通量高于间歇灌溉，其中以淹水灌溉施中氮最高，间歇灌溉不施氮最低。

图1 早稻甲烷排放季节变化

从图2可知，晚稻生育期内甲烷排放季节变化呈先升高后降低的变化趋势。水稻分蘖前期，甲烷排放通量增速急剧加快，到分蘖期(移栽后15 d)达到峰值(35.5 mg/(m2·h))，然后，甲烷排放通量开始急剧下降，抽穗期以后甲烷排放通量趋于平缓，保持较低排放水平(0～9 mg/(m2·h))。淹水灌溉处理甲烷排放通量高于节水灌溉。

图2 晚稻甲烷排放季节变化

由图3可知，早稻间歇灌溉处理氧化亚氮排放通量随着土壤水分含量变化而变化，在晒田期迅速增加，再次灌水后又陡然回落，峰值达到0.48 mg/(m2·h)。淹水灌溉随水稻生长进程呈递增趋势，前期即6月5日前氧化亚氮的排放通量几乎为零，之后缓慢递增，生长后期(6月18日)以后氧化亚氮排放通量急剧上升，峰值出现在成熟期。

图3 早稻氧化亚氮排放季节变化

晚稻氧化亚氮排放通量呈现中间高，两头低的排放模式。随着水稻生长而递增，孕穗期或抽穗期出现峰值，达到峰值后降低。淹水灌溉施中氮峰值最高，达到185.6 g/(m2·h)。在水稻生长前期，节水灌溉排放通量明显要高于淹水灌溉。节水灌溉排放通量变化幅度大，而淹水灌溉排放通量变化幅度较小。

图4 晚稻氧化亚氮排放季节变化

2.2 水肥组合模式CH4与N2O全生育期累积排放量比较

2.2.1 甲烷排放量差异比较

从图5可知，水稻生长前期甲烷排放量增长速率较慢，从6月13日开始，甲烷累积排放量急剧增加，与此时甲烷排放通量迅速增加相对应；淹水灌溉处理甲烷排放量高于节水灌溉，其中以淹水灌溉施高氮排放量最高(13.05 g/m2)，以节水灌溉施中氮处理最低(4.08 g/m2)，极差为8.97 g/m2。

图5 早稻甲烷排放累积量变化

图6 晚稻甲烷排放量累积量变化

从图6可知，晚稻不同水肥组合模式下甲烷累积排放量在水稻生长前期呈迅速增长态势，抽穗期以后甲烷累积排放量增速平缓，其中淹水灌溉施低氮处理甲烷累积排放量最大(19.72 g/m2)，以间歇灌溉施中氮处理最低(6.61 g/m2)，极差为13.11 g/m2。淹水灌溉甲烷累积排放量均要高于间歇灌溉甲烷累积排放量。淹水灌溉中以不施氮甲烷累积排放量最低，极差为3.26 g/m2；间歇灌溉中以施高氮甲烷累积排放量最高，与最低的施低氮处理相差3.47 g/m2。

2.2.2 氧化亚氮排放量差异比较

早稻不同水肥组合模式下氧化亚氮累积排放量在水稻生育前期累积排放量增速慢。从5月25日开始，间歇灌溉与淹水灌溉排放量增长迅速，总体表现为间歇灌溉处理高于淹水灌溉处理。累积排放量以间歇灌溉施中氮最高(131.29 mg/m2)，淹水灌溉不施氮最低(90.69 mg/m2)，极差为40.6 mg/m2。

晚稻期间，间歇灌溉各处理氧化亚氮累积排放量均高于淹水灌溉。抽穗期前增加速率较快，后期增速平缓。间歇灌溉处理中以施中氮最高，不施氮最低，极差为104 mg/m2；淹水灌溉各处理以施高氮最高，以施中氮最低，极差为49.9 mg/m2；间歇灌溉与淹水灌溉各处理氧化亚氮排放量间差异很大，极差为152.51 mg/m2。

2.3 CH4、N2O排放与土壤特性的相关性

2.3.1 早稻甲烷、氧化亚氮排放与土壤特性相关性

从表2可知，早稻甲烷排放通量与土壤5 cm、10 cm Eh呈显著负相关，与5 cm pH、15 cm Eh呈负相关，但不显著；氧化亚氮与5 cm pH呈正相关，但不显著，与5 cm、10 cm、15cm Eh呈负相关，但不显著。

表2 早稻排放通量与土壤特性相关系数(n=21)

从表3可知，早稻甲烷排放通量与10 cm深处土壤溶液浓度在分蘖盛期、拔节期、抽穗期呈显著正相关；氧化亚氮排放通量与10 cm深处土壤溶液浓度在分蘖盛期、拔节期呈正相关，但不显著，在抽穗期呈显著正相关。

表3 早稻排放通量与10 cm深处土壤溶液浓度相关系数(n=7)

通过数据拟合，甲烷的排放通量与5 cm处土壤溶液Eh呈线性负相关，其线性关系为y=-0.0324x+0.2787，决定系数为0.4469，经显著性检验，方程达显著水平，可真实表达两者的线性负相关关系。甲烷的排放通量与10 cm处土壤溶液Eh呈负相关，其线性关系为y=-0.0345x-0.9581，决定系数为0.4231，经显著性检验，方程达显著水平，可真实表达两者的线性负相关关系。

2.3.2 晚稻甲烷、氧化亚氮排放与土壤特性相关性

从表4可知，晚稻甲烷排放通量与7～13 cm深处土壤溶液温室气体浓度在孕穗期、抽穗期、齐穗期呈极显著正相关；氧化亚氮排放通量与7～13 cm深处土壤溶液温室气体浓度在孕穗期、抽穗期、齐穗期呈负相关，齐穗期时呈显著负相关。

表4 晚稻7～13 cm深处土壤溶液温室气体浓度与排放通量相关性(n=8)

晚稻孕穗期7～13 cm深处土壤溶液甲烷浓度与甲烷排放通量呈显著正相关性，其线性关系为y=0.0314x-4.0329，决定系数为0.9767；抽穗期7～13 cm深处土壤溶液甲烷浓度与甲烷排放通量呈显著正相关性，其线性关系为y=0.0029x+1.9763，决定系数为0.8666；齐穗期7～13 cm深处土壤溶液甲烷浓度与甲烷排放通量呈显著正相关性。其线性关系为y=0.0034x-1.3461，决定系数为0.8666。对上述拟合方程进行显著性检验，均达到0.05显著性水平。

4 结论与讨论

从试验结果看，甲烷与氧化亚氮排放通量与水肥管理有较大关系。早稻不同生育期的甲烷与氧化亚氮变化趋势较一致，均表现为前期排放通量较低，中后期较高；晚稻前期甲烷排放通量较高，中后期低，氧化亚氮前期排放通量低，中后期较高，与甲烷排放表现为消长关系。

早稻、晚稻甲烷累积排放量呈现单峰模式，这与前人的研究结果[3]相一致。早稻期间，随着水稻生育期的推进，水稻植株生长旺盛，同时气温逐步升高，因而导致甲烷排放通量增大[16]，累积排放量增大，其中淹水灌溉甲烷累积排放量明显高于间歇灌溉，间歇灌溉无氮肥处理甲烷累积排放量最低，间歇灌溉处理中随着施氮肥量的增加甲烷累积排放量增加；晚稻前期由于气温高，土壤产生甲烷基质充足，促使甲烷累积排放量增加；后期随着气温降低，植株传输甲烷能力下降，导致甲烷排放量减小，累积排放量基本不变；淹水灌溉甲烷累积排放量明显高于间歇灌溉，表明间歇灌溉可以减少稻田甲烷的排放[17]。

早稻氧化亚氮排放量呈单峰模式，前期、中期累积排放量低，后期排放量急剧增加；间歇灌溉氧化亚氮排放量普遍高于淹水灌溉，其可能原因是稻田排水烤田会使土壤 N2O排放大大增加。晚稻氧化亚氮排放量随生育期推进呈递增趋势，然后下降，总体呈单峰模式，间歇灌溉普遍高于淹水灌溉。从季节排放总量来看，早晚稻均表现为间歇灌溉高于淹水灌溉。

稻田甲烷与氧化亚氮排放受多种因素的影响，不同水肥模式对土壤有机碳含量、土壤Eh、土壤pH值等有一定影响，进而影响甲烷、氧化亚氮的排放。本试验结果表明，早稻甲烷排放通量与5 cm Eh、10 cm Eh呈显著负相关，表明5 cm Eh、10 cm Eh对甲烷有反作用；早稻甲烷排放通量在分蘖盛期、拔节期、抽穗期与10 cm深处土壤溶液中甲烷浓度呈显著正相关，晚稻甲烷排放通量与7～13 cm深处土壤溶液甲烷气体浓度显著相关，表明土壤温室气体浓度对甲烷排放有促进作用。

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S511.01

A

1001-5280(2012)07-0009-05

10.3969/j.issn.1001-5280.2012.07.03