施肥管理改变对红壤性水稻土氧化亚氮排放的影响

王泽浩，尹力初，付薇薇，张泷丹

(湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128)

施肥管理改变对红壤性水稻土氧化亚氮排放的影响

王泽浩，尹力初，付薇薇，张泷丹

(湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128)

利用一个长达30年的水稻土长期定位试验，在保证原有定位试验继续正常开展的前提下变更部分施肥处理，得到继续施用高量有机肥(HOM)、施用常量有机肥30年后改施高量有机肥(N-H)、继续施用常量有机肥(NOM)、施用化肥30年后改施常量有机肥(C-N)、施用高量有机肥30年后改施化肥(H-C)、施用常量有机肥30年后改施化肥(N-C)、继续施用化肥(CF)等7种施肥处理，观测2013～2014年双季稻轮作周期内原有施肥和变更施肥处理后对土体N2O排放的影响。结果表明：NOM改为N-C和HOM改为H-C处理，与变更前相比，周年N2O排放的全球增温潜势估算分别提高了7.9%和4.7%，而NOM改为N-H和CF改为C-N处理，周年N2O排放的全球增温潜势估算分别降低了8.2%和4.1%。

红壤性水稻土；施肥；氧化亚氮；有机肥；化肥

氧化亚氮(N2O)是大气中重要的痕量气体，虽含量远不及二氧化碳，但其与全球变暖和对流层臭氧的损耗密切相关[1]，单位质量N2O的GWPs(全球增温潜势)为CO2的298倍(100年尺度内)，对全球变暖的贡献率达5%[2]。目前，全球氧化亚氮每年以(0.8±0.2)×10-3mg/kg速度增加[3，4]。通常认为稻田是氧化亚氮的主要来源，占氧化亚氮总排放量的60%[5]。我国是水稻生产大国，种植面积及总产量均居世界第一[6]。双季稻种植区是水稻生产的主体，种植面积占全国水稻种植面积的66%，产量为全国水稻产量的61.3%[7]。因此，通过评价施肥管理对稻田氧化亚氮释放的影响，对进一步评估全球氮循环和环境变化具有重大的意义。

氧化亚氮是土壤反硝化的中间产物。一般认为，氮肥可以促进氧化亚氮的形成与产生[8，9]，其主要原因是氮肥分解为硝化和反硝化过程提供了反应底物；施用有机肥增加土壤有机碳含量，有机碳能够固定土壤速效氮，并促进N2O转化为N2的反硝化过程，从而减少N2O的排放[10]。如过量施用氮肥会导致稻田土壤N2O排放速率增加，相对于氮素含量相当的有机肥，化学肥料对稻田N2O的排放贡献率更大[11，12]。而与单独施用化肥相比，有机肥无机肥配施，例如菜饼+化肥、稻秆+化肥、牛粪+化肥、猪粪+化肥等组合都会降低稻田N2O排放，降低幅度为4%～21%[13，14]。因此，理论上当施肥管理改变时(如单一化肥变更为有机肥化肥或有机肥化肥变更为单一化肥)必然会导致N2O排放速率的降低或增加，但目前对于变更施肥措施下N2O排放规律尚缺乏定量的描述。本研究在已有30年历史的水稻土土壤肥力长期定位试验的基础上，通过变更施肥管理定量描述红壤性水稻土氧化亚氮周年的排放规律，以为推广和实行科学的施肥管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试定位试验

该定位试验位于湖南农业大学校园内，四周及顶部围有永久性不锈钢围网，占地面积128 m2，由3组双排平行的水泥池组成，半地下式，每排设6个小区，共计36个小区。组内中间设有水槽控制水位，组间及四周设有2 m深的排水沟。各小区供试面积1.44 m2，池深1.5 m，底层铺15 cm厚的卵石与粗砂。供试土壤为第四纪红色粘土发育的水稻土(定位试验开始前一年将耕性红壤分层填入，然后淹水种稻)。试验从1982年春季开始淹水种稻连续至今。试验前10年曾设置了稻—稻—冬闲、稻—稻—绿肥、稻—稻—油菜等3种稻作制处理，但由于冬季不施肥，油菜很难生长，从1993年起统一变更为稻—稻—冬闲。本研究选择2个地下水位深度(20与80 cm)以及3个不同有机肥施用水平(高量有机肥(HOM)、常量有机肥(NOM)、全施化肥(CF))作为试验处理，设立两因素多水平的长期定位试验，共6个处理。各个处理的重复数并不一致，其中20 cm地下水位下的常量有机肥处理有12次重复，而80 cm地下水位下的化肥处理及高量有机肥处理只有3次重复，其余处理都有6次重复。定位试验的施肥水平以化肥处理为标准，其施肥量为：每季施N150 kg/hm2，N∶P∶K=1∶0.5∶0.67，N、P、K肥分别以尿素、氯化钾、过磷酸钙施入；其中，常量有机N为化肥N的1/3，高量有机N为化肥N的2/3。为保持各处理间施肥水平的基本一致，有机肥处理小区肥料不足部分用化肥补足。肥料每次均在水稻移栽前一次性施入土壤。

1.2 定位试验的变更

2012年3月，从“常量有机肥处理”(NOM)和“高量有机肥处理”(HOM)各随机选取3个小区，然后统一变更为“化肥处理”(分别为N-C、H-C，其化肥施用量与原来的化肥处理一致)，同时从“常量有机肥处理”中随机选取3个小区变更为“高量有机肥处理”(N-H)，从“化肥处理”(CF)中随机选择3个小区变更为“常量有机肥处理”(C-N)，其余维持不变，共7个处理，各3次重复。其中，各处理的N、P、K养分量与原有长期定位试验保持一致，但有机肥源统一变更为粉碎过后的玉米(C4作物)秸秆。肥料均在水稻移栽前一次性施入土壤。NOM、HOM、CF变更施肥前土壤有机碳含量分别为20.46、18.67、14.45 g/kg。在较高生产力水平下红壤稻田有机碳平衡值为19.0±1.0 g/kg[15]，由此可判断供试HOM、NOM水稻土基本培肥，有机碳达到平衡，而CF有机碳处于不饱和状态。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 N2O气体的收集和测定

2013年4月22日至2014年4月11日，采用静态箱法进行氧化亚氮的采集及测定。采样箱中不种植水稻。顶箱大小为30 cm×30 cm×10 cm，外面覆有泡沫绝热材料(用来防止箱内温度上升过快，造成与设施内自然环境不符的小环境)；底座高20 cm，每季水稻翻耕施肥后插入犁底层以阻止水稻根系进入采样箱底座。田间移栽水稻后开始采样，水稻生长期间每周采样1次，冬季休闲期间每两周采样1次，每次采样于9：00～10：00进行。采样时，首先将采样箱置于采样底座上，并用水密封，然后按0、10、20、30 min的时间间隔用50 mL注射器从采气箱中部的采气孔插入，来回抽动5次以便完全混匀气体。采样按区组进行，以减少土壤呼吸的日变化影响，同时测定采样箱内的气温和5 cm处土温。气体采集后立即带回实验室，使用气相色谱分析仪(GC580)测定样品中N2O的浓度。检测器为FID，柱温150℃，检测温度375℃，以N2作为载气，H2作为燃气，通过标准气体和待测气体的峰面积来计算待测气体的浓度，然后计算N2O的排放通量：

F=ρ×V/A×△C/△t×273/(273+T)

式中：F为排放通量(μg/m2·h)；ρ为标准状态下气体的密度，N2O-N的密度为1.977 kg/m3；V是采气箱内有效空间体积(m3)；A为采气箱覆盖的土壤面积(m2)；△C为气体浓度差；△t为时间间隔(h)；T为采样时箱内温度(℃)。

1.3.2 N2O累积排放量

M=∑(Fi+1+Fi)/2×(ti+1-ti) ×2.4

式中：M为土壤N2O累积排放量(g/hm2)；F为N2O排放通量(μg/m2·h)，i为采样次数，t为采样时间。

1.3.3 田间水面高度测定

于每次采集N2O气体的同时，采用20 cm的直尺(最小刻度为1 mm)测定每个小区采气底座区域的水层高度。

1.4 数据处理与统计

N2O排放通量、季节排放总量及其全球增温潜势估算采用Excel2007进行，季节排放总量的显著性差异统计采用DPS v7.5进行。

2 结果与分析

2.1 施肥管理改变后N2O排放通量的变化

土壤理化属性是影响N2O产生与排放的重要因素，其变化相应影响到N2O的产生与排放。长期施用有机肥后，土壤有机碳达到平衡，当土壤增加或减少有机碳投入量，打破原有土壤的C/N比，将会促进或抑制N2O的排放。从图1可知，改长期施用常量有机肥(NOM)为高量有机肥(N-H)和化肥后(N-C)，N2O排放通量的峰值和出现时期均不一致，NOM、N-H、N-C的N2O排放通量峰值为6.51、4.10、7.07 μg/m2·h，分别出现在早稻移栽后56 d、休闲期310 d和早稻移栽后第1天；改长期施用高量有机肥(HOM)为化肥后(H-C)，HOM、H-C的N2O排放通量峰值为13.24、8.45 μg/m2·h，分别出现在晚稻季移栽后109、133 d；而改长期施用化肥(CF)为常量有机肥后(C-N)，N2O排放通量出现了3个排放高峰，且出现时期均一致，CF、C-N的N2O排放通量峰值出现在早稻季移栽后23 d、晚稻季移栽后144 d和休闲期262 d，3个排放高峰值分别为8.80和4.63、4.89和12.76、8.75和11.65 μg/m2·h。

田间水分状况是最主要的一个影响N2O排放的因素。通过测定不同处理的水层高度动态发现：NOM、N-H、N-C的水层平均高度分别为2.84、2.24、4.20 cm；HOM、H-C的水层平均高度分别为1.39、3.31 cm；而CF、C-N的水层平均高度分别为3.75、2.59 cm。相关分析表明，水层高度与不同处理的N2O排放通量和总排放量的相关性都不显著。

图1 不同施肥处理水稻土N2O排放通量季节变化Fig.1 The seasonal dynamics of N2O flux from paddy soils in different fertilization treatments注：NOM：常量有机肥处理；N-H：常量有机肥改施高量有机肥处理；N-C：常量有机肥改施化肥处理；HOM：高量有机肥处理；H-C：高量有机肥改施化肥处理；CF：化肥处理；C-N：化肥改施常量有机肥处理。

2.2 施肥管理变更后N2O季节排放量和周年排放量的变化

表1可知，长期施用常量有机肥(NOM)改为高量有机肥(N-H)和化肥(N-C)后，与NOM相比，早稻季N-H的N2O排放量显著降低了28.5%、休闲期N-C的N2O排放量显著增加了64.4%，但处理间周年排放总量差异不明显。长期施用高量有机肥(HOM)改为化肥后(H-C)，长期施用化肥(CF)改为常量有机肥后(C-N)，处理间N2O的季节排放量和周年排放量均未达到5%的显著水平。

通过100年N2O排放的全球增温潜势估算表明：长期施用常量有机肥(NOM)改为化肥后(N-C)和长期施用高量有机肥(HOM)改为化肥后(H-C)，与变更前相比，周年N2O排放的全球增温潜势估算分别提高了7.9%和4.7%，而长期施用常量有机肥(NOM)改为高量有机肥(N-H)和长期施用化肥(CF)改为常量有机肥后(C-N)，周年N2O排放的全球增温潜势估算分别降低了8.2%和4.1%，但差异均未达到5%的显著水平(表2)。

表1 不同施肥处理稻田N2O季节排放量和年累积排放量(g/hm2)

注：同一列数据后标识小写字母不同表示差异达显著水平(p<0.05)。

表2 施肥管理变更后N2O排放的全球增温潜势估算

3 结论与讨论

氧化亚氮(N2O)是仅次于CO2和CH4的重要温室气体，其主要来源是土壤排放。N2O主要是由生物反硝化和硝化过程产生，还可能有其它过程参与[16]，形成一个复杂的物理、化学和生物学过程。氧化亚氮是土壤反硝化的中间产物，反硝化过程随着水分的增加而加强，且产生的N2和N2O的相对量因水分状况而异[17]。土壤肥力影响土壤通透性和水分含量，从而影响土壤中硝化和反硝化作用的相对强弱及N2O在土壤中的扩散速率，也会影响土壤有机质的分解速率，进而影响产生N2O微生物的基质供应。本试验结果于变更施肥管理的第2个周年测定，即使变更施肥管理，原本长期施用常量或高量有机肥的红壤性水稻土已经培肥，土壤有机碳含量高，有机碳能够固定土壤速效氮，并促进N2O转化为N2的反硝化过程，从而抑制甚至减少N2O的排放，同时来自秸秆腐解过程中产生的化感物质(苯甲酸和对叔丁基苯甲酸)，对N2O释放有明显的抑制作用[18]。而原本长期施用化肥的水稻土，水稻土中总氮和速效氮的含量较高，且土壤有机碳含量较低，不利于硝化细菌的生长。因此，施肥管理变更后对N2O的排放影响较小，有机肥能降低N2O排放，化肥则能增加N2O排放，但差异均不显著。

本研究结果表明，变更施肥管理2年后，对土壤的N2O年际排放规律影响较小，有机肥能降低N2O排放，化肥则能增加N2O排放，但差异均不显著。水稻土土体N2O排放动态受土壤肥力、土壤水分、温度等因素的综合影响。但从维持土壤肥力的角度来看，长期施用有机肥有利于水稻土有机碳的保持和提升，改善土壤肥力、土壤通气性等与土壤质地息息相关的指标，而长期施用化肥则正好相反。从30～50年尺度来看，变更施肥管理后，长期施用有机肥或化肥导致N2O排放减少或增加的排放差值是巨大的。因此，短期内(3～5年)，施肥管理的变更对红壤性水稻土N2O的影响是细微的，但长期(30～50年)采用化肥单一施用与增施有机肥对水稻土N2O的影响则是显著的。

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Effect of Fertilization Changing on Nitrous Oxide Flux in Paddy Soil from Red Soi

WANG Ze-hao，YIN Li-chu，FU Wei-wei，ZHANG Long-dan

(College of Resource and Environment，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China)

Seven treatments were set based a 30-year fertilization experiment in paddy soil，the original high organic material treatment (HOM)，the high organic material treatment reformed from the original normal organic material treatment (N-H)，the original normal organic material treatment (NOM)，the normal organic material treatment reformed from the original chemical fertilizer treatment (C-N)，the chemical fertilizer treatment reformed from the original high organic material treatment (H-C) and the chemical fertilizer treatment reformed from the original normal organic material treatment(N-C)，the original chemical fertilizer treatment (CF)，and the N2O flux from the original and changed treatments during double rice cropping rotation cycle in 2013-2014 was measured.The results showed that：global warming potential estimates of annual N2O emissions in the N-C and H-C was increased by 7.9% and 4.7% compared with NOM and HOM，respectively，while that in the N-H and C-N was decreased by 8.2% and 4.1% compared with NOM and CF，respectively.

paddy soil from red soil；fertilization；N2O；organic fertilizer；chemical fertilizer

2015-03-16

王泽浩(1989-)，男，河南省新密人，硕士研究生，Email：303769555@qq.com。

国家自然科学基金(41371250)；湖南省研究生科研创新项目(CX2012B287)。

S511.06；X173

A

1001-5280(2015)03-0272-05

10.3969/j.issn.1001-5280.2015.03.13