紫云英还田对早稻直播稻田温室气体排放的影响

2018-10-29聂江文王幼娟吴邦魁刘章勇

农业环境科学学报 2018年10期

聂江文，王幼娟，吴邦魁，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）

全球变暖主要是由大气中温室气体浓度增加引起的，而甲烷（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单位分子的增温潜能分别是CO2的25倍和298倍[1]。据统计，稻田是CH4和N2O的重要排放源之一[2]，稻田生态系统CH4排放量约占全球人类活动CH4总排放的12%～26%[3]，稻田生态系统N2O排放量占我国农田总排放的7%～11%[4]。因此，如何科学合理地制定稻田CH4和N2O减排措施，发展高产低碳的水稻生产技术已成为农田生态研究的热点问题。

农田养分与水分管理是影响稻田CH4和N2O排放的两个重要因素[5-7]。首先，大量单一化学氮肥的投入是造成氮素利用率低、N2O排放大幅增加的主要原因[8-9]，而有机肥与无机氮肥配施被认为是可实现水稻高产[10]、减肥减排的高效施肥措施之一[11-12]；朱波等[13]发现黑麦草与氮肥配施增加了CH4排放，但能减少N2O排放，并且CH4占总增温潜势的比例远高于N2O；郭腾飞等[14]认为秸秆还田增加了CO2和CH4排放，但减少了N2O排放。研究表明[6-7]，相比持续淹水，秸秆还田条件下间歇灌溉和中期烤田都可提高水稻产量和降低稻田温室气体排放。因此，合理的施肥及灌溉措施对于温室气体减排有着极为重要的作用。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，提高氮素利用效率和水稻产量[15]。而目前多数研究发现绿肥还田后，且CH4的排放高峰期主要集中在绿肥还田后一个月内的淹水条件下[12-13]，针对这一现象并结合当地农作习惯，在早稻直播晚稻移栽的栽培措施下，研究南方双季稻区紫云英还田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。

本研究拟通过大田试验条件下，比较早稻直播条件下冬种紫云英翻压还田对双季稻田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 试验地概况

试验于2017年在湖南省华容县长江大学试验基地（东经112°55′，北纬29°52′）进行。当地气候为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。试验前土壤肥力指标：有机质49.2 g·kg-1，全氮3.11 g·kg-1，碱解氮273 mg·kg-1，有效磷16.4 mg·kg-1，速效钾69 mg·kg-1，pH 7.7。

1.2 试验设计

试验采用田间小区试验，设4个处理：冬闲，水稻季不施氮肥（CK）；冬闲，每季水稻施氮量200 kg·hm-2（N200）；种植紫云英全量还田，水稻季不施氮肥（CMV）；种植紫云英半量还田，每季水稻施氮量100 kg·hm-2（CMV+N100）。紫云英鲜草全量还田量为3750 kg·hm-2。3次重复，随机区组排列，小区面积为3.3 m×9 m=30 m2，小区间田埂宽0.3 m，沟宽0.5 m。小区间做田埂并用塑料薄膜包裹，防止水肥串灌，避免小区之间相互污染。

1.3 供试材料及田间管理

试验氮肥为尿素，70%基施，30%追肥。磷肥为过磷酸钙，钾肥为氧化钾，早稻和晚稻的施肥量一致。磷钾肥在早晚稻插秧前施入，用量为75 kg·hm-2（P2O5）和100 kg·hm-2（K2O），作为基肥一次性施入。紫云英品种为湘肥3号，2016年10月5日按37.5 kg·hm-2播种量均匀撒播于冬种紫云英稻田小区中，盛花期测产，于早稻直播前7 d翻压。早稻品种为浙福7号，2017年4月10日浸种，4月13日按120 kg·hm-2播种量均匀撒播于小区中，7月12日收获。晚稻品种为隆香优130，2017年6月22日苗床播种，7月18日移栽，移栽密度为20 cm×20 cm，每穴2～3苗，10月14日收获。紫云英冬季生长期内不施用任何肥料。双季稻生育期内地表温度及水层深度如图1和图2所示。其余稻田管理均按当地高产栽培措施进行。

1.4 样品采集与测定

于双季稻生长季内采用密闭式静态暗箱-气相色谱法测定田间温室气体的排放速率。气体采样箱由底座和采样箱组成，采样箱为有机玻璃，箱底高度为100 cm，长宽皆为45 cm，采样箱外部包有海绵和铝箔纸，防止太阳照射导致箱内温度变化过大。采样箱底座上部有水槽，底座高5 cm，在水稻直播或移栽后插入田间土壤。观测频率为每周1次，烤田期每周3次，时间均为8：00—11：00。采集气样时，将采样箱垂直安放在底座3 cm深的凹槽内并加水密封，扣箱后立即用30 mL注射器采集样品，然后分别在扣箱0、10、20 min采集样品。为防止人为扰动造成的误差，在田间搭设木栈桥通往各试验小区中央的箱体底座。气体样中CH4和N2O浓度由气相色谱Agilent 7890A分析测定。CH4检测器是FID（氢火焰离子化检测器），N2O检测器是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：

式中：F为排放速率，CH4为 mg·m-2·h-1，N2O 为 μg·m-2·h-1；dc/dt为采样过程中箱内气体浓度随时间的变化率，CH4为mL·m-3·h-1，N2O为μL·m-3·h-1；h为箱体高度，1.0 m；ρ为标准状态下气体的密度，CH4为0.714 kg·m-3，N2O为1.964 kg·m-3；T为采样时箱内温度，℃。

在每次气样采集的同时，记录小区的水层深度及地表温度，并采集0～20 cm土壤样品，采用2 mol·L-1KCl浸提-靛酚蓝比色法测定铵态氮；采用双波长紫外分光光度法测定硝态氮。

图1 双季稻生长季地表温度变化Figure 1 Variation of surface temperature in growing season of double cropping rice

图2 水稻生长季水层深度变化Figure 2 Variation of water layer depth in rice growing season

1.5 数据分析

以100年为尺度，单位质量CH4和N2O的全球增温潜势（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 equiva⁃lent，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）[16]。

(4) 在逆作法作业中，当采用盆式开挖法进行土方开挖时，预留土体对地下连续墙具有一定的支撑作用，不但能控制墙体本身水平位移的发展，有效减小位移值，还能减轻施工人员暗挖土方的工作量，进而缩短工期和节约工程成本。

式中：GWP为CH4和N2O二者排放量的总二氧化碳当量，kg，以 CO2计；GHGI为温室气体排放强度，kg·kg-1·a-1。

利用Excel 2007和SPSS 19.0对试验数据进行整理、方差分析和作图，CH4和N2O排放通量用每次观测所得的3个重复的平均值与标准偏差来表示。

2 结果与分析

2.1 土壤铵态氮和硝态氮浓度变化

土壤铵态氮和硝态氮是评价土壤供氮能力的重要指标。从图3可以观察出，各处理稻田铵态氮与硝态氮浓度随时间的变化趋势基本一致。铵态氮浓度在早稻初期施肥后迅速降低，至施分蘖肥又迅速升高，后逐渐降低。晚稻移栽初期至收获期各处理土壤铵态氮浓度均呈逐渐降低的趋势，晚稻移栽初期N200处理显著高于CK。各处理硝态氮均在早稻晚稻排干期出现较低的峰值，其余时期均处于较低水平。

2.2 CH4排放通量

由图4可见，各处理双季稻田CH4排放的季节变化趋势基本一致，均表现为在早稻播种初期（1周内）出现峰值，晚稻移栽后至分蘖末期出现较大排放峰，其他水稻生育期趋于平稳，且晚稻排放峰值高于早稻CH4排放峰值；早稻与晚稻出现最大峰值的处理分别为CMV+N100和CMV，为52.94 mg·m-2·h-1和105.6 mg·m-2·h-1。

2.3 N2O排放通量

图5 显示，各施肥处理稻田N2O排放规律基本一致。除N200处理在水稻分蘖期（覆水）及晒田期结束后覆水出现较大排放峰外（最大峰值为717.7 μg·m-2·h-1），各处理早稻季播种至收获均未出现较大峰值，而在早稻播种初期至分蘖期内，CMV与CK出现较多负排放现象。在晚稻移栽初期各处理N2O排放出现峰值，最大峰值为1 065.57 μg·m-2·h-1（N200），在晚稻晒田期及水稻生长末期稻田排干各处理出现小的排放峰，但在晚稻生长末期排干过程中，CK与CMV均出现了负排放现象。

2.4 CH4与N2O的季节累积排放量

不同施肥处理对双季稻田CH4和N2O累积排放量有显著影响（表1）。早稻季CMV+N100CH4总累积排放量显著高于N200和CK，但晚稻季和双季稻各处理无显著差异。晚稻季CH4累积排放高于早稻季，占双季稻总量的69.25%～89.21%。早稻季和双季稻，N200处理N2O累积排放量显著高于其余处理，分别达1.94 kg·hm-2和3.05 kg·hm-2。此外，早稻季CMV处理N2O累积排放量显著高于CK，而CMV+N100与CK间无显著差异，说明与单施氮肥或单施紫云英相比，紫云英与氮肥配施可在一定程度上降低早稻季N2O的排放；各处理晚稻季累积排放量无显著差异。除N200处理外，其余处理晚稻季N2O的累积排放量可占双季稻累积排放量的56%以上。

2.5 紫云英还田对双季稻田GWP及GHGI的影响

以100年尺度来计算，单位质量的CH4和N2O增温效应分别是CO2的25倍和298倍。以此为依据，根据上文中得到的CH4与N2O累计排放通量计算各处理的GWP（表2）。各处理CH4所产生的温室效应无显著差异，N200处理双季稻两季N2O所造成的温室效应显著高于其他处理，但其他处理间无显著差异。各处理间GWP并无显著差异，其中CH4造成的温室效应远高于N2O造成的温室效应，可达GWP的90.95%～97.01%。

图4 不同施肥处理双季稻田CH4排放速率Figure 4 Rate of CH4emission from double cropping rice field with different fertilization treatments

图5 不同施肥处理双季稻田N2O排放速率Figure 5 Rate of N2O emission from double cropping rice field with different fertilization treatments

结合GWP与水稻产量可计算生产单位水稻产量所造成的温室效应（GHGI），如表3所示，与CK相比，N200显著增加早稻、晚稻及双季稻总产量，增产率分别达27.45%、12.11%、17.79%，而CMV+N100也显著增加早稻、晚稻及双季稻总产量，增产率分别达19.86%、10.58%、14.01%。与CK相比，CMV+N100处理显著增加早稻季GHGI；晚稻季CMV+N100处理GHGI显著低于CMV，而双季稻季各处理间并无显著差异。

3 讨论

稻田CH4的排放除了与土壤中的养分有关外，还与田间水分管理措施相关[16]。研究表明，大部分CH4的产生是处于田间淹水状态[17]，而本研究中由于早稻季水稻种植方式为撒播，因而导致在水稻生长初期田间处于无水状态，降低了产CH4菌的活性，最终导致早稻季CH4排放峰值及排放量远低于晚稻季，这与朱波等[13]研究结果不一致，而与张岳芳等[18]研究采用机械直播的种植方式可减少长江下游稻麦两熟区稻季CH4排放的研究结果相一致。此外，早稻播种初期的温度低于晚稻移栽初期也是原因之一[17]。早稻播种初期与晚稻移栽初期均出现峰值，至水稻生长后期无峰值出现的主要原因是绿肥还田与早稻根茬有机物的大量分解[17]，在产CH4菌的参与下产生大量CH4，这与朱波等[13]、郭腾飞等[14]研究结果相一致。与CK及N200相比，紫云英还田（CMV、CMV+N100）显著增加了早稻季CH4的排放，主要源于紫云英还田增加了稻田中产CH4菌的营养物质，进而导致CH4的排放总量增加；而晚稻季各处理间CH4排放无显著差异，可能是由于大部分紫云英秸秆在早稻季被分解，减少了产CH4菌的营养物质。

表1 不同施肥处理双季稻田CH4和N2O累积排放量Table 1 Accumulative emissions of CH4and N2O in double cropping rice fields with different fertilization treatments

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

表3 不同施肥处理对双季稻产量及温室气体排放强度的影响Table 3 Effects of different fertilization on yield and greenhouse gas emission intensity of double cropping rice

稻田土壤中微生物硝化与反硝化过程都会有N2O产生。稻田土壤复杂的水分变化状况可以影响到土壤氧化还原电位和微生物活性，从而导致氮素在稻田土壤中的动态变化受到影响[19]。本研究中N2O排放峰均出现在水稻移栽初期及稻田干湿交替阶段，主要是因水稻生长初期存在大量的硝化与反硝化底物，而一些研究表明，田间干湿阶段可导致N2O大量的排放[16，20]，这与本研究结果相一致。与N200相比，CMV+N100降低了早稻、晚稻季N2O的排放，可见与仅施化学氮肥相比，紫云英与氮肥配施可降低双季稻田N2O的排放，这与朱波等[13]、郭腾飞等[14]、熊正琴等[21]研究结果相一致。此外，本研究发现在水稻生长季存在着较多的N2O排放负值，且这些负排放主要出现在稻田持续淹水的条件下，可能存在两种原因：其一，王孟雪等[16]研究发现，相比于间歇性灌水，持续淹水可降低稻田N2O的排放，故在本研究中是由于灌溉强度过大，使得土壤水分过饱和，N2O排放下降。其二，持续性淹水条件下，稻田的灌溉水层也能吸收一定的N2O[22]，从而导致稻田N2O出现负排放。

大量研究发现，稻田中CH4与N2O排放存在一种消长的关系[23-24]，而又有一部分的学者研究发现这种消长关系并不存在[25]。因此需要对稻田排放的CH4与N2O进行综合评价，本研究中，与N200相比，紫云英还田显著降低了双季稻季N2O排放，但增加了CH4的排放，而各处理稻田GWP无显著差异。可见紫云英还田条件下稻田CH4与N2O存在着消长关系。此外，本研究中CH4所造成的GWP占总GWP的90%以上，CH4的增温效应要远高于N2O，这与朱波等[13]、郭腾飞等[14]、秦晓波等[26]研究结果相一致。虽然相比于CH4的排放，水稻生长季稻田N2O排放量低，但是并不能忽略其对环境所造成的影响。石生伟等[27]通过比较20年和500年时间尺度下的不同平均施氮量稻田CH4与N2O所造成的温室效应，发现当施氮量处于较低水平（120 kg·hm-2）时，稻田温室效应主要贡献来自于CH4，而当施氮量达到240 kg·hm-2以上时，N2O对于温室效应的贡献会高于CH4。因此，鉴于CH4与N2O交互效应的存在，在制定稻田温室气体减排措施时，要综合考虑CH4与N2O产生和排放的形态，对其总的温室效应要进行充分权衡考虑。此外，本研究仅监测了紫云英还田后双季稻生长季的CH4与N2O排放，而未对冬季紫云英生长季的温室气体进行监测，缺乏双季稻区周年系统的评价，在未来的研究工作中应从周年试验进行考虑。