栽培方式对福州平原稻田氧化亚氮减排的研究

林 芳，王 纯,2，王维奇,2，马永跃,2

(1.福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007； 2.福建师范大学 亚热带湿地研究中心，福建 福州 350007)

气候变暖是当今全球性的环境问题，氧化亚氮排放量的增加在其中起到了重要的加速效应，其100年尺度的增温潜势分别是二氧化碳的296倍，甲烷的13倍[1]。随着世界人口的不断增加，粮食的需求量将逐年升高，其中，对稻谷需求量将从1994年的520 Tg增加到2025年的880 Tg，再到2050年的1000 Tg[2]，随着人们对稻谷需求量的增加，相应的氧化亚氮排放量也将升高，这将会加速全球变暖。

在这种大的背景下，稻田氧化亚氮排放研究成为了当今研究的热点问题[3]，包括水分管理、肥料施加、硝化与反硝化抑制剂、除草剂和杀虫剂等的应用，但对于栽培方式的选择报道较少。基于劳动力成本的核算，成本更低的栽培方式(如抛秧、机插和直播)的使用开始增加，这种趋势主要是从水稻的产量、成本和效益的角度去考虑，而未从其环境效应进行试验。本工作开展高产和低成本的栽培方式对稻田氧化亚氮排放的影响研究，为以上几种栽培方式的选择与稻田氧化亚氮的减排提供参考依据。

福州平原地处我国东南沿海，中亚热带和南亚热带过渡带，具有亚热带的代表性和典型性，以此样地为研究区域，对于今后基于稻田氧化亚氮减排与水稻增产的栽培方式的选择与推广与示范具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区与采样点

研究区位于闽江河口区福州平原的南分支——乌龙江的北岸，属亚热带季风气候，年均气温为19.6 ℃，年均降水量为1 392.5 mm，蒸发量为1 413.7 mm，相对湿度为77.6%，地貌主要为冲海积平原，地表平坦，海拔3～5 m，零星分布剥蚀丘陵地貌[4]。实验区(见图1)位于福建省农科院水稻所吴凤综合实验基地(26.1°N，119.3°E)内[5]，该实验基地共有稻田7 hm2[6]。土壤耕作层有机碳含量为18.11 g/kg，全氮1.28 g/kg，全磷1.07 g/kg。实验区内主要实行早稻—晚稻—蔬菜的轮作制度，本实验点的前茬作物为花菜。水稻栽培品种为江西省农科院研发的和盛10号，实验始于2011年8月初，至同年11月初收获结束，实验前对翻耕后的田地进行人工整平，以保持土壤的均一性，在同一块大田内共设置4个面积大小相等(长宽为4m×2m)的样地，样地之间分别用田埂互相隔开，以避免相邻样地间的干扰。在布置好的样地进行秧苗移栽：栽培方式选择抛秧(PY)、手插(SC)、直播(ZB)、机插(JC)4种方式。施用底肥为复合肥和尿素，施肥情况详见参考文献[7]。水稻生长期基本处于淹水状态，水深约5～7 cm，水稻成熟时晒田。

1.2 气体采集与分析方法

采用静态箱法-气相色谱法对稻田氧化亚氮季节通量进行测定。静态箱由顶箱和底座两部分组成，顶箱长宽高分别为0.3 m × 0.3 m ×1.0 m(顶端安装有小风扇并具温度计插孔)，侧面有抽气孔，底座长宽高分别为0.3 m × 0.3 m ×0.3 m(具有凹槽)，并在整个生长期内固定在样地内。

采样时间一般选在09：00～13：00，在约09：00和12：00各测定1次氧化亚氮通量，重复测定2次，使氧化亚氮通量更加接近于一天的平均值，提高数据的准确性。氧化亚氮通量的测定采用静态箱法直接测定，盖上顶箱后立刻用100 mL注射器抽取氧化亚氮气体70 mL，并打入气袋内，后每隔15 min再抽取1次样品，共抽取3次，在抽气过程中保持匀速，同时在底座凹槽内加水密封，防止静态箱内氧化亚氮气体外泄。与此同时，测定土壤理化特征与气象因子，用2265FS电导仪原位同步测定厚为0～10 cm土壤的温度、盐度，用IQ150便携式pH/氧化还原电位计测定Eh和pH；用便携式气象测量仪记录采样时的气温。

氧化亚氮气体浓度由岛津(GC-2014)气相色谱仪测定。检测器为电子捕获检测器，检测条件为：柱温70 ℃，检测器温度320 ℃，载气流速70 mL/min。通过标准气体和待测气体的峰面积计算待测气体的浓度。氧化亚氮气体排放通量采用下式[8]计算：

式中，Q为气体排放通量(μg/(m2·h))；M为气体的摩尔质量(g/mol)；V为标准状态下1mol气体的体积(L/mol)；dc/dt为气体浓度变化率(μmol/(mol·h))；T为静态箱内温度(℃)；H为静态箱箱高(m)。

图1 采样点位置图

1.3 数据处理

数据处理主要采用Excel2003和SPSS17.0统计分析软件。用Excel2003对原始数据进行均值和标准偏差的计算，用SPSS17.0-Pearson分析氧化亚氮排放通量和环境影响因子间的相关性，显著性水平小于0.05表示两者呈显著相关，小于0.01表示两者间呈极显著相关。

2 结果与讨论

2.1 栽培方式对生长期稻田氧化亚氮通量季节变化的影响

在整个观测期内，不同栽培方式稻田的氧化亚氮通量没有十分明显的规律(见图2)。这主要是因为在水稻生长过程中，植物生长和生产管理措施以及当地气候的特点等因素的变化有关[9]。在水稻移栽初期不同栽培方式稻田的氧化亚氮通量有所上升，出现了第1个排放峰，这与Zou等[10]研究结论一致，这主要是由稻田初期施用基肥引起的，从而增加了土壤中的N含量；但秦晓波等[11]研究认为，晚稻时期施用基肥与追肥均导致氧化亚氮排放下降，与本研究结论相悖，这可能与当地土壤氮含量密切相关。在移栽后第15 d左右不同栽培方式稻田的氧化亚氮排放迅速下降，甚至出现了负排放，表明前期施用的基肥已经分解完毕，并且长期处于淹水状态，不利于产生氧化亚氮。移栽50 d后大田开始实行间歇灌溉的管理方式，使淹水厌氧的环境反复被破坏，引起土壤中硝化和反硝化作用反复出现，从而出现了中期杂乱无章的排放模式。到了后期水稻进入成熟期，大田开始进行晒田，氧化亚氮通量也趋于稳定。

手插、抛秧、机插和直播样地氧化亚氮季节变化通量分别为-55.67～63.73、-53.03～70.31、-47.41～84.29、-27.38～85.10 μg/(m2· h)，平均值分别为7.71、20.98、11.24、37.78 μg/(m2· h)，氧化亚氮平均通量Q由小到大分别为Q(手插)

根据水稻不同生育期进一步分析比较不同栽培方式下稻季氧化亚氮通量的差异见表1。除直播外，手插、机插和抛秧在各自生育期内均出现了季节累积通量为负的现象，其中，手插出现在拔节孕穗期、机插出现在返青期、抛秧出现在分蘖期；从负排放累积量上看，机插、抛秧、手插的累积通量分别为-0.89 mg/m2、-1.64 mg/m2、-7.59 mg/m2；从占生长季节比例看，手插和机插在成熟期所占比例最高，占到了全生育期的55.68%和36.87%，直播在抽穗扬花期最高，为27.57%，抛秧在拔节孕穗期最高，为42.26%。

表1 稻季N2O平均通量及水稻不同生育阶段N2O累积通量占全生育期总排放通量的比例

注：空白项表示负值不参与讨论。

2.2 环境影响因子分析

不同栽培方式、稻田不同环境因子在整个观测期内的变化趋势如图3所示。不同水稻栽培方式的稻田氧化亚氮通量与环境因子的相关关系见表2。结果表明，在本研究中，除手插样地的土壤pH和Eh对稻田氧化亚氮通量影响显著外(这与前人的研究结论相似[12-13])外，其他因子与不同栽培方式的样地氧化亚氮通量的关系则不显著，这说明其变化可能受到多因子的协同影响。

图3 土壤环境因子在水稻生长观测期内的变化趋势

表2 不同栽培方式样地的N2O通量与环境因子的相关系数

注：*表示在0.05水平上显著相关

2.3 不同栽培方式对水稻产量的影响

邓飞等[14]研究发现，适宜的栽培方式能促进产量的提高。很多前人都研究过不同栽培方式对水稻产量的影响，但是研究的着重点和水稻品种等方面均存在差异，并且存在水热条件等的差异，所以结果并不一致[15-17]，与本实验也有差异。为了更好地评价不同水稻栽培方式对产量的影响，通过进一步对比手插、机插、直播和抛秧的主要生长特征和产量(见表3)可以看出：根干质量和地上干质量呈正相关关系，不同栽培方式的根干质量和地上干质量的差异可能是由于不同栽培方式下稻田秧苗密度造成的；结实率与干质量之间呈现出负相关关系，在一定程度上说明秧苗的密度越大结实率越低。直播是所有不同栽培方式中秧苗密度最大的，而64%的结实率却是最低的，正好说明了这一点。另外，也有研究表明，直播栽培穗多粒少，千粒质量减轻[18]。从千粒质量看，4种不同栽培方式由小到大的排序为机插、手插、直播、抛秧；从单丛产量看，4种不同栽培方式由小到大的排序为手插、抛秧、机插、直播。

表3 不同栽培方式下水稻主要生长特征及产量

3 结束语

稻田氧化亚氮减排是当前温室气体减排的热点与核心问题，试验出合理有效的可行的减排措施至关重要。本文对不同水稻栽培方式对稻田氧化亚氮排放的影响进行了探索，发现氧化亚氮平均排放量在手插和机插方式下较低，机插还具有较高的水稻产量。目前，关于不同水稻栽培方式的选择在稻田氧化亚氮减排中的应用研究还不是很多，在今后的研究中有待对不同水稻栽培方式对氧化亚氮减排应用的有效性和环境效应作进一步的探讨，以期使之成为稻田氧化亚氮减排的有效技术手段。基于此，以下两方面的研究有待加强：一是继续开展不同水稻栽培方式对氧化亚氮排放的影响机理研究，以期调节不同水稻栽培方式对控制稻田氧化亚氮排放的有效性，使其减排效率优化到最大；二是当今关于不同水稻栽培方式减缓氧化亚氮排放的研究仅局限于较小的研究区域，其应用结果的外适性不强，因此，探究不同水稻产区、不同水稻栽培方式对减缓氧化亚氮排放有效性的影响很有必要。

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