控制灌溉稻田N2O排放对生物有机肥和土壤水分的响应

徐 越，侯会静，韩正砥，杨雅琴，陈哲栋，蔡 敏

(1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2.南京市秦淮河河道管理处，南京 210012)

0 引 言

稻田是中国最主要的温室气体排放源之一[1]，稻谷生产系统在所有谷类作物种植系统中温室气体排放量最高[2]，N2O作为农业部门规定的主要温室气体之一[3]，其排放量占全球温室气体排放总量的25%[4]。而在全球主要水稻种植国家中，中国地区的水稻总产量第一，播种面积第二，其3 031 万hm2的水稻播种面积占世界总播种面积的18.57%[5]。因此研究中国稻田N2O的排放对于制定中国稻田温室气体减排的策略具有重要意义。

施肥管理对稻田温室气体的排放有着很大影响[6]。21世纪以来，农民因片面追求稻谷的高产而使用过量的化肥[7]，致使环境污染加剧，土壤质量下降[8]，同时土壤氮素转化过程中的矿物氮基质增加，导致温室气体尤其是N2O等氮氧化物的排放增加[9]。为改善因化肥施用量日益增长而引发的一系列环境问题，选择合适的肥料，改变施肥方式，成为提升土壤肥力、减少温室气体排放的关键，也是促进农业生产可持续发展的必由之路。其中，生物有机肥作为一种新兴生物技术肥料开始被关注，近年来关于生物有机肥的研究逐渐增多[10, 11]。生物有机肥是一种以禽畜粪便、秸秆、农副产品和食品加工的固体废物有机物料以及城市污泥等为原料，配以多种有益微生物菌剂加工而成的肥料[12]，兼有微生物肥料和有机肥的效应，施用后可改变土壤的有机碳库[13]，提高微生物量，优化微生物群落结构，势必会影响农田中N2O的产生和排放。现有关于生物有机肥的研究主要集中于其对土壤改良、作物生长、产量及品质等方面的影响，而对农田温室气体排放方面鲜有研究。生物有机肥与减量化肥的联合施用，不仅能够提高作物的品质和产量，还能有效减少棉花地的温室气体的排放[14]。此外生物有机肥中的有机氮量显著低于化肥，能在一定程度上减缓氮素的沉积，减少森林土壤温室气体的排放[15]。但是目前有关生物有机肥对稻田温室气体排放影响的研究罕见报道。因此本文拟通过生物有机肥和化肥配施的单因素试验研究控制灌溉稻田N2O的排放对生物有机肥和土壤水分的响应，为维护农业生态系统平衡和控制温室气体排放提供一定的理论基础与科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年6-11月在河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山试验研究基地(34°63′21″N，121°05′22″E)进行。研究区地处太湖流域水网地区低洼平原，属于亚热带南部季风性气候，多年平均气温15.5 ℃，多年平均降雨量及蒸发量分别为1 097.1及1 365.9 mm，年均日照时数2 085.9 h，无霜期234 d。土壤为潴育型黄泥土，耕层土壤质地为重壤土，0～20 cm土层土壤肥力为：有机质21.71 g/kg、全氮1.79 g/kg、全磷1.4 g/kg、全钾20.86 g/kg，土壤pH值为7.4，土层平均容重为1.32 g/cm3。

1.2 试验设计

试验为不同施肥制度的单因素控制试验，设置3种不同的施肥处理：全施化肥(CK)；50%化肥+50%生物有机肥(T1)；全施生物有机肥(T2)，每个处理设置3个重复。采用桶栽种植的方法模拟大田水稻生长状况，试验桶均为内径60 cm，高70 cm的PVC桶，共9个。除施肥管理外，各处理灌水、打药、除草等其他田间管理方式均一致。其中，各处理灌溉模式均采用控制灌溉方式(见表1)。整个试验过程在研究基地的防雨棚内进行。

表1 水稻各生育阶段的根层土壤水分控制指标Tab.1 Control indexes of root soil moisture at various growth stages of rice

供试水稻品种为粳米，于2019年6月28号移栽，10月23号收割。水稻全生育期共施3次肥，施肥前均对稻田进行灌水，施肥设计列于表2。

利用静态箱原位采集气样，并采用色相气谱法对稻田N2O排放通量进行监测[16]，静态箱由有机玻璃箱体和PVC底座两部分构成(见图1)，箱体高75 cm、底径30 cm；底座高15 cm(其中10 cm插入土中)、内径29 cm、外径33 cm。底座上部边缘处为凹槽设计，用以放置箱体，取气时注水密封；箱体顶部封闭，腔室顶部装有温度计以记录采样期间的箱内空气温度，箱体侧面外接取气管线，与接有三通旋塞阀的50 mL注射器相连接。为保证采集气体的均匀混合，用注射器来回抽取5次以便完全混匀气体，采集后立即转移至50 mL的气体采集袋内。每次施肥后第1、3、5天取样，此后为每7天采集一次，采样时间为10∶00-10∶30，每个采样点在盖箱后的第0、10、20、30 min时采集样本。使用气象色谱仪(安捷伦7890A)在72 h内分析气样中N2O的浓度。

1.3 试验测定项目与计算方法

(1)气体排放通量(F)。N2O的通量是根据以下等式计算得出的[17]：

(1)

表2 各施肥模式下的施肥量 kg/hm2

图1 静态箱结构图Fig.1 The structure diagram of static box

式中：F为气体通量，mg/(m2· h)；ρ为标准状态下的气体密度，g/cm3；h为腔室高度，m；T为采样期间腔室内的温度，℃；dc/dt为单位时间腔室内气体的浓度变化率，mg/(m3· h)。

(2)土壤孔隙含水率(Water Filled Pore Space,WFPS)。在每次气体采样时，采样后测定每个腔室内的土壤水分和温度，使用数字温度计测量土壤温度，利用垂直放置在土壤中的时域反射测定仪直接测量土壤水分。本次试验采用土壤孔隙含水率来描述土壤水分，计算式为：

(2)

式中：WFPS为土壤孔隙含水率，%；ρb为土壤容重，g/cm3；w为重量含水率，%；ρw为水的密度，g/cm3，采用土壤密度ρs为2.65 g/cm3。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2010和SPSS 23.0软件进行数据分析与处理，通过OriginPro9.1绘制图表，采用SPSS 23.0 进行数据显著性分析。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥对控制灌溉稻田N2O排放通量的影响

从图2可以看出，不同施肥模式对稻田的N2O排放通量有着明显的影响，各处理N2O排放通量具有明显的相似波动规律，在水稻移栽后18～68 d内(分蘖中期至拔节孕穗后期)排放水平较高，尤其是在追加分蘖肥和穗肥后；此后，各处理N2O排放通量维持在较低水平。

图2 控制灌溉稻田N2O季节排放通量Fig.2 Seasonal N2O emission fluxes from controlled irrigation paddy fields注：图中箭头表示施肥。

各处理间的N2O排放通量差异较为明显，水稻的绝大部分生育期内，T2处理的N2O排放通量均明显低于CK和T1，且总体处于较低水平。全生育期内CK与T1的N2O排放通量变幅相近，分别为0.01～4.74 mg/(m2· h)、0～3.44 mg/(m2· h)，T2的变幅较小，范围为-0.04～1.14 mg/(m2· h)。在水稻全生育期内，T2处理的N2O平均排放通量为0.18 mg/(m2· h)，较CK[1.40 mg/(m2· h)]和T1[0.93 mg/(m2· h)]分别减少了87.14%和80.65%(P<0.05)，T1的N2O平均排放通量较CK减少了33.57%(P<0.05)。各处理的N2O排放通量峰值均出现在施肥后，其中峰值以T2处理最小，其主峰值1.14 mg/(m2· h)出现在返青期移栽后3 d，分别较CK[4.74 mg/(m2· h)]和T1[3.44 mg/(m2· h)]减小了75.95%和66.86%；次峰值0.83 mg/(m2· h)出现在返青期移栽后1d，较CK[4.35 mg/(m2· h)]和T1[2.57 mg/(m2· h)]分别减少了80.92%和67.70%。黄熟期水分落干后稻田N2O的排放有微弱增长，但总体维持在较低的水平，且依旧是T2处理的排放水平最低。可见与常规化肥相比，施用生物有机肥能够显著减少稻田N2O的排放，且生物有机肥的施用比例较高时可使其趋势趋于平缓稳定。

2.2 稻田N2O阶段累积排放量

通过比较各处理稻田N2O的阶段累积排放量(表3)发现，CK和T1处理在水稻分蘖期至拔节孕穗期(移栽后10～68 d)的N2O阶段排放量较大，其值分别为2 864.82和1 699.05 mg/m2，各自占其全生育期累积排放量的90.20%和83.54%，而T2处理的N2O阶段排放量在返青期至分蘖期间(移栽后0～45 d)较大，其排放量(264.18 mg/m2)占全生育期累积排放量的76.38%。T2处理在水稻各生育阶段的N2O的累积排放量均低于CK和T1，且差异显著(P<0.05)。仅在水稻分蘖前期，CK和T1处理的N2O累积排放量差别不大，其余各生育阶段内N2O的累积排放量在3个处理之间均存在显著差异(P<0.05)，例如水稻分蘖中期T2处理的阶段排放量较CK和T1分别减少了90.42%和84.34%，而在乳熟期较CK和T1分别减少了48.88%和61.62%。

表3 控制灌溉稻田N2O的阶段累积排放量 mg/m2

与只施化肥的CK处理相比，配施生物有机肥的T1与T2处理分别显著降低了35.96%、89.11%的N2O全生育期累积排放量(P<0.05)，说明生物有机肥的施用能够有效降低稻田N2O的排放。且T2处理的N2O全生育期累积排放量较CK和T1显著减少了89.11%、83.00%(P<0.05)，表明只施生物有机肥处理对N2O的抑制效果高于施用化肥和配施生物有机肥处理。

2.3 土壤水分与稻田N2O排放的关系

稻田土壤水分状况和温室气体排放的动态变化显示(图3)，稻田N2O排放通量的变化与土壤水分的关系非常密切。稻田表面有水层时，土壤处于厌氧或低氧状态，N2O的排放通量较低。当稻田表面水层开始消失后(移栽后23 d)，土壤在微弱脱水状态下，稻田N2O排放也出现短暂的增长。之后，随着土壤孔隙含水率(WFPS)的减小，N2O排放通量增大，当WFPS逐渐回升时，N2O排放通量开始降低，并随着土壤水层的恢复开始持续减小，直至再次脱水时各处理的N2O排放通量随即开始重新增大。抽穗期以后，N2O排放通量与WFPS间无明显规律，此后随着土壤水分的自然落干，N2O排放通量均维持在较低的水平。

图3 控制灌溉稻田N2O排放通量与土壤水分的关系Fig.3 The relationship between N2O emission fluxes and soil moisture in controlled irrigation paddy fields

在水稻黄熟期土壤水分自然落干前，稻田WFPS的变幅为69.32%～82.20%。土壤首次脱水(移栽后23 d)后，CK和T2的N2O排放通量分别增大了1.95和0.02 mg/(m2· h)，而T1的N2O排放通量则减少了1.29 mg/(m2· h)。而当土壤首次复水后(移栽后28d)的一周内，CK、T1和T2的N2O排放通量分别减少了82.42%、90.09%和99.08%。在水稻全生育期，添加生物有机肥的处理(T1和T2)N2O排放通量与WFPS间存在明显的相关关系(表4)，在土壤首次脱水后至水稻乳熟期内，各处理WFPS在69.32%～82.20%的范围内波动，此时各处理的N2O排放通量与WFPS间呈显著正相关关系，其中CK与T1处理与WFPS呈极显著正相关关系，水稻黄熟期开始后，WFPS对N2O排放通量的影响不再显著。

表4 控制灌溉稻田N2O排放通量与WFPS的Pearson相关系数Tab.4 Pearson correlation coefficient between N2O emission flux and WFPS in controlled irrigation paddy fields

3 讨 论

土壤水分是影响N2O排放的重要因素[25]，稻田淹水时形成的土壤低氧或厌氧环境抑制N2O的排放，当水层消失土壤转变为有氧状态，此时会促进硝化反应且抑制反硝化进程，N2O的排放增加。侯会静等[26]的研究发现控制灌溉稻田的WFPS≤85.3%时，N2O排放通量与WFPS呈明显的正指数相关关系。郝耀旭等[27]研究表明小麦-玉米轮作土壤的N2O排放通量与WFPS之间呈显著正相关，且当WFPS>60%时，土壤会发生较强的N2O排放。奚雅静等[28]的研究发现温室番茄土壤的N2O排放峰值多出现在WFPS在60%～80%时，且N2O排放通量与WFPS呈显著或极显著对数函数关系。本试验中，各处理在首次脱水后至乳熟期内，WFPS维持在69.32%～82.20%的范围内，且各处理N2O排放通量与WFPS间呈显著或极显著正相关关系，这与已有研究结果相似。

4 结 论

(1)施用生物有机肥可有效减少稻田N2O的排放。单施生物有机肥及生物有机肥配施化肥的处理各生育期N2O阶段排放量和全生育期累积排放量与单施化肥处理之间的差异均达到了显著性水平，水稻全生育期内T1处理的N2O累积排放量较CK减少了35.96%， T2处理的N2O累积排放量较CK和T1减少了89.11%、83.00%，并且单施生物有机肥对N2O的抑制效果优于化肥和配施生物有机肥。

(2)土壤水分是影响N2O排放的重要因素，水稻全生育期内，添加生物有机肥的处理N2O排放通量与WFPS间存在明显的正相关关系；土壤首次脱水至水稻乳熟期，各处理的N2O排放通量与WFPS间呈显著正相关关系，其中CK与T1处理与WFPS呈极显著正相关关系；水稻黄熟期开始后，WFPS与N2O排放通量之间无显著相关关系。