紫云英与化学氮肥配施对双季稻田CH4与N2O排放的影响

聂江文，王幼娟，田 媛，彭传华，王 欢，刘章勇，朱 波

（长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心/湖北省涝渍灾害与湿地农业重点实验室，湖北荆州 434025）

甲烷 (CH4) 和氧化亚氮 (N2O) 是大气中两种重要的温室气体。在100年时间尺度下，CH4和N2O的全球增温潜势 (GWP) 分别是CO2的25倍和298倍[1]。稻田是CH4和N2O的重要排放源之一[2]，据研究，稻田CH4排放量约占全球人为CH4总排放的12%～26%[3]，稻田N2O排放量占我国农田总排放的7%～11%[4]。因此，如何科学合理地减少稻田CH4和N2O排放，发展高效减排的水稻生产模式已成为各界关注和研究的热点问题。

前人针对稻田CH4和N2O排放做了大量科学研究，除气候条件、土壤类型、耕作措施和水分管理外，农田养分管理措施也是影响稻田CH4和N2O排放的重要因素[5–10]。在当前高度集约化的农业生产模式下，大量单一投入化学氮肥不仅造成氮素利用率较低，还导致N2O的排放大幅增加[11]，武文明等[12]发现，在氮肥投入量达150 kg/hm2和300 kg/hm2时，稻田N2O排放损失的氮量可分别占施入肥料N的1.28%和0.45%。研究表明，合理的有机无机肥配施可实现水稻高产[13]，但对于稻田温室气体排放强度的研究结果还不统一[14–15]。朱波等[16]发现黑麦草鲜草翻压还田虽然增加了稻田CH4排放，但能减少N2O排放；郭腾飞等[17]认为施用有机肥和氮肥均增加了CO2、CH4、N2O的排放，虽然秸秆还田 (有机肥) 增加了CO2和CH4排放，但是减少了N2O排放。前人研究主要侧重于比较有机肥和化学氮肥对稻田温室气体减排的差异，未能研究减排效果最好的有机无机配施的比例。紫云英 (Astragalus sinicus L.) 是我国南方稻区常见的冬季绿肥作物，翻压还田后可部分替代水稻季需要的氮素养分，并有助于提高氮素利用效率和水稻产量[18]。但目前关于不同紫云英与化学氮肥配比对稻田温室气体排放的研究较少。因此，研究南方双季稻区不同紫云英与化学氮肥配比对稻田温室气体排放的影响对于制定合理的温室气体减排施肥措施具有重要意义。

本研究拟通过盆栽试验比较等氮施用量条件下，不同紫云英与化学氮肥配比对稻田CH4和N2O排放特征及全球增温潜势 (GWP) 和单位粮食产量温室气体排放强度 (GHGI) 的影响，以期为制定双季稻区温室气体减排的施肥措施和种植制度提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地位于湖南省华容县长江大学试验基地 (东经 112°55′，北纬 29°52′)。该区属于亚热带季风湿润气候，年均气温16～18℃，≥ 10℃积温5000～5800℃，无霜期260～310 d，年降雨量1200～1700 mm。试验土壤为长江沉积物发育的紫潮泥水稻土，土壤pH为7.7、有机质含量49.2 g/kg、全氮3.11 g/kg、碱解氮273 mg/kg、有效磷16.4 mg/kg、速效钾69 mg/kg。试验前将土壤晾干、整碎，拣出石块、根系等杂物，过2 mm筛。试验用盆为圆柱形塑料盆 (19 cm × 15 cm)，每盆装2.5 kg风干土。盆栽试验于露天网室内进行。

试验设置6个处理：不施氮肥 (CK)；单施尿素(CF)；单施紫云英 (MV)；1/4紫云英+3/4尿素 (1/4 MV+3/4 CF)；1/2紫云英+1/2尿素 (1/2 MV+1/2 CF)和3/4紫云英+1/4尿素 (3/4 MV+1/4 CF)。除CK外，所有处理施氮量均为N 111.4 mg/kg干土，各处理重复4次。根据紫云英含氮量来确定紫云英鲜草施用量；另外每盆分别施用1.087 g过磷酸钙和0.543 g氯化钾，所有肥料均于4月8日作基肥施用，施用时与土壤充分混合均匀，晚稻生长期间与早稻施用等量尿素，但不施入紫云英。早稻供试品种“浙福7号”，4月16日播种，每盆播40粒种子，于三叶期间苗，每盆留10株，7月14日收获。晚稻供试品种“隆香优130”，6月21日播种，7月19日移栽，每盆3穴，每穴2苗，11月10日收获。

1.2 采样及测定方法

采用静态暗箱–气相色谱法测定CH4和N2O排放速率。箱体为高100 cm、长宽皆为45 cm的有机玻璃 (大于盆钵面积，不影响水稻生长)，箱外部包有锡箔纸以防止太阳照射导致箱内温度变化过大。采样时间为上午9：00—11：00，采集罩箱后第0、5、10 min的气样，观测频率为每周1次。气样中CH4和N2O浓度由气相色谱Agilent 7890A分析测定。CH4检测器为FID (氢火焰离子化检测器)，N2O检测器为ECD (电子捕获检测器)。温室气体排放速率由该气体在箱中浓度随时间的变化率计算得出，气体排放通量计算公式如下 ：

式 (1) 中：F为排放速率，CH4单位为mg/(m2·h)，N2O单位为μg/(m2·h)；dc/dt为采样过程中箱内气体浓度随时间的变化率，CH4单位为mL/(m3·h)，N2O单位为μL/(m3·h)；h为箱体高度，1.0 m；p为标准状态下气体密度，CH4单位为0.714 kg/m3，N2O单位为1.964 kg/m3；T为采样时箱内温度 (℃)。

1.3 数据处理

以100年为尺度，单位质量CH4和N2O的GWP分别是CO2的25倍和298倍，可计算其温室气体排放二氧化碳当量 (carbon dioxide equivalent，CDE，单位 kg，以CO2计)。通过计算各处理CH4和N2O的GWP，结合水稻产量计算单位稻谷产量温室气体排放强度 (GHGI)[19]。

式 (2) 中：GWP为CH4和N2O二者排放量的总二氧化碳当量 (kg)，以CO2计。式 (3) 中，GHGI为温室气体排放强度，单位为kg/(kg·a)。

利用DPS对试验数据进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 紫云英与氮肥配比对双季稻田CH4排放通量的影响

早稻季和晚稻季各处理CH4排放通量具有不同的特征 (图1)，但都集中在分蘖期和抽穗期。其中早稻季CH4没有明显的排放峰，最大峰值出现在CF处理，为5.69 mg/(m2·h)；晚稻季各处理CH4排放趋势大体一致，有两个较为明显的排放峰，分别出现在水稻移栽后以及晒田期，其中最大峰值出现在晚稻移栽后第2天，为1/4 MV+3/4 CF处理的13.33 mg/(m2·h)。

2.2 紫云英与氮肥配比对双季稻田N2O排放通量的影响

各处理N2O排放通量有较明显的季节变化规律(图2)。早稻季N2O排放峰集中在早稻播种后的无淹水状态以及分蘖初期，最大峰值出现在播种后第3天的CF处理，为1092.2 μg/(m2·h)；晚稻N2O排放峰主要集中在水稻分蘖期和后期干湿交替阶段，最大峰值出现在CK处理后期干湿交替阶段，为795.7 μg/(m2·h)。

2.3 紫云英与氮肥配比对双季稻田CH4和N2O累积排放量的影响

根据双季稻生长季CH4和N2O的排放通量计算各处理的累积排放量。从表1可以看出，早稻季CH4排放量以MV处理最高，为43.7 kg/hm2，与1/4 MV+3/4 CF处理有显著差异 (P ＜ 0.05)，其他处理间差异均不显著。晚稻季CH4排放量以1/4 MV+3/4 CF处理最高，CK最低，分别为54.5 kg/hm2和40.5 kg/hm2。从两季累积排放量来看，各处理CH4排放量为 MV ＞ 3/4 MV+1/4 CF ＞ 1/2 MV+1/2 CF ＞ CK ＞1/4 MV +3/4 CF ＞ CF，以MV处理最高，CF处理最低，分别为91.0 kg/hm2和66.2 kg/hm2，CF、MV处理间有显著差异 (P ＜ 0.05)。各处理CH4累积排放量主要出现在晚稻季，占双季稻的比例为51.9%～79.7%。

图 1 不同处理双季稻田CH4排放速率Fig. 1 Seasonal dynamic of CH4 emission rate from paddy soil under different treatments

图 2 不同处理双季稻田N2O排放速率Fig. 2 Seasonal dynamic of N2O emission rate from paddy soil under different treatments

由表1可知，N2O的排放量远低于CH4的排放量。早稻和晚稻季节内N2O排放量均以CF最高，分别为3.5 kg/hm2和2.2 kg/hm2。早稻季CF的N2O排放显著高于CK和MV；晚稻季各处理间无显著差异。其中早稻季CK以及晚稻季MV的N2O排放量为负值，表现为N2O的汇。从双季稻累积排放量来看，各处理N2O排放量为CF ＞ 1/4 MV+3/4 CF ＞3/4 MV+ 1/4 CF ＞ 1/2 MV+ 1/2 CF ＞ CK ＞ MV，其中CF排放量最高，为5.7 kg/hm2；MV排放量最低，为–2.5 kg/hm2；CF 和 MV 差异显著 (P ＜ 0.05)。

表 1 不同处理双季稻田CH4与N2O累计排放量Table 1 Seasonal emission of CH4 and N2O from double rice system under different treatments

2.4 紫云英与氮肥配比对双季稻田GWP和GHGI的影响

以100年尺度计算，单位质量的CH4和N2O增温效应分别是CO2的25倍和298倍。表2所示，各处理双季稻GWP的范围为1524.5～3340.1 kg/hm2，以CF最高，MV最低。除MV外，其他各处理GWP均高于CK，即CF、1/4 MV+ 3/4 CF、3/4 MV+1/4 CF和1/2 MV+ 1/2 CF均导致双季稻GWP升高。本研究中各处理CH4对GWP的贡献占49.5%～84.1%，而N2O对GWP的贡献占15.9%～50.5%，除CF外，其余处理CH4对GWP的贡献均高于N2O对GWP的贡献。

各处理双季稻产量可达10868～20532 kg/hm2。与CK相比，除1/4 MV+3/4 CF处理外，各紫云英与氮肥配比处理均增加了双季稻产量，其中CF与1/2 MV+1/2 CF处理显著高于CK；但各紫云英与氮肥配比处理双季稻产量均低于CF处理，其中1/4 MV+3/4 CF处理和MV处理显著低于CF处理。结合水稻产量计算100年尺度上的温室气体排放强度GHGI。可以得出，各处理GHGI最高的是CF和3/4 MV+1/4 CF处理，为0.12 kg/(kg·a)，最低为MV处理，为0.08 kg/(kg·a)。相比CK，施用1/2比例以上的尿素处理均增加了温室气体排放强度。

3 讨论

3.1 紫云英与氮肥配比对双季稻田CH4排放的影响

CH4排放主要集中在水稻生长初期，这与其他研究结果相一致[16–22]。由于绿肥还田后有机物的大量分解，在产CH4菌的参与下产生大量CH4[23]；晚稻CH4排放的营养物质主要来源于早稻根茬，在厌氧条件下被产CH4菌利用，产生CH4。本研究中CH4排放总量高低顺序为 MV ＞ 3/4 MV+ 1/4 CF ＞ 1/2 MV+ 1/2 CF ＞ CK ＞ 1/4 MV+ 3/4 CF ＞ CF，CH4排放总量随紫云英施用比例的增加而增加，这与刘红江等[13]研究结果相一致，主要原因是紫云英增加了产CH4菌的营养物质，进而导致CH4的排放总量增加。但相比于CK，单施尿素减少了CH4的排放，可

能是由于增施氮肥，稻田耕层土壤中的亚硝酸根高于不施氮肥处理，进而导致土壤CH4被亚硝酸根氧化而消耗，这是土壤CH4氧化的另一种途径[24]，最终导致CH4的排放降低。

表 2 不 同处理 对双 季稻田 综合 温室效 应 (100 年) 的影 响Table 2 GWP in 100 years time frame from double rice system under different treatments

3.2 紫云英与氮肥配比对双季稻田N2O排放的影响

田间水分管理和肥料施用是影响稻田土壤N2O排放的两个主要因素[25]。从稻田土壤N2O排放通量特征可以看出，本研究各处理的N2O排放规律相似，N2O排放主要在早稻播种—生长前期与晚稻生长后期，此时稻田土壤处于有氧状态，有利于N2O的产生，这与张岳芳等[26]研究结果一致。本研究中稻田土壤N2O排放总量高低顺序为CF ＞ 1/4 MV+3/4 CF ＞ 3/4 MV+1/4 CF ＞ 1/2 MV+1/2 CF ＞ CK ＞ MV，同等施氮量下，紫云英替代尿素的比例越大，稻田土壤N2O排放量越低，紫云英的施入降低了N2O排放，可能由于N2O排放主要是受外源碳、氮营养物质供应水平的限制，而紫云英替换无机氮肥提高了土壤中的C/N，有机碳的大量投入促进了微生物的活动，同时也提高了微生物对氮素的固定作用[27]。此外，本研究中MV处理的N2O排放总量低于CK，主要是由于有机绿肥的养分释放速度较慢，可以降低土壤中的速效氮素含量，减弱了土壤微生物的活动，抑制了土壤的硝化和反硝化作用，从而导致N2O的排放量减少[28]。MV处理的N2O排放总量为负值，说明紫云英还田可以降低稻田N2O排放，甚至使稻田土壤从大气中吸收一定量的N2O，从而成为N2O的汇。Goldberg等[29]认为，当土壤处于较为干旱或者有氧的条件下时，也会出现N2O负排放；而Wu等[30]也发现土壤中氮素含量处于较低水平时，反硝化细菌能够利用土壤中的N2O来代替NO3－作为电子受体，可将更多N2O还原为N2，导致土壤对N2O的消耗增加，甚至出现净吸收。在仅施用紫云英绿肥处理中，土壤的氮素含量处于较低水平，且当土壤处于干旱条件下时出现N2O负排放，与Wu等[30]的研究结果相吻合。

3.3 紫云英与氮肥配比对双季稻田GWP和GHGI的影响

有研究表明，稻田生态系统中CH4与N2O的排放具有一定的互为消长关系[31–32]，但在一些其他生态系统中，CH4与N2O的排放并不具有消长关系。Zhang等[33]发现在连续蔬菜种植系统中，有机肥对CH4与N2O的排放均无显著影响。因此需要通过CH4与N2O的综合效应来评价对温室效应的贡献。相比CK，MV处理可以显著降低GWP，虽然增加了CH4排放，但稻田N2O排放显著降低，甚至在晚稻季为负值。CH4的增温效应要远高于N2O，稻田增温潜势主要取决于稻田CH4的排放，这与朱波等[16]、郭腾飞等[17]研究结果相同。虽然稻田N2O排放量较低，但秦晓波等[34]认为，虽然在短时间内N2O的增温效应要小于CH4，但在长时间尺度下，N2O在大气中的存在时间更为久远，而且随着时间增长其对温室效应的影响会越来越大；但也有学者认为稻田产生的N2O都会存在后续效应，需要考虑周年的N2O排放来科学评估CH4与N2O的增温效应[35]。因此，在研究稻田等湿地生态系统温室气体排放的过程中，既不能忽视N2O的排放，也要从周年试验进行考虑。此外，本试验是在盆栽条件下进行，具有一定的局限性，但可以更好地控制在田间条件下难以控制的因素。

4 结论

1) 不同处理稻季CH4、N2O排放规律基本一致，在等氮量施用条件下，稻田CH4累积排放量随紫云英施用比例的增加而增加；稻田N2O累积排放量随紫云英施用比例的增加而减小。

2) 与CK相比，各施肥处理对于稻田GWP及GHGI的影响均不显著。

3) 除单施尿素处理CH4对全球增温潜势的贡献率略低于N2O，其余处理CH4对全球增温潜势的贡献率均大于N2O，故双季稻田减排措施应着重于减少CH4排放；此外，观测发现单施紫云英处理晚稻季N2O负排放，下一步需要开展深入研究。

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