不同遮阴处理下施肥对稻田CH4和N2O排放的影响

2021-03-15王坤娄运生邢钰媛刘健

农业环境科学学报 2021年2期

王坤，娄运生*，邢钰媛，刘健

（1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京210044；2.南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室，南京210044）

云、气溶胶和温室气体等引起的辐射强迫已成为国际关注的热点问题，据统计，1750—2011年间由气溶胶引起的辐射强迫为−0.9 W·m−2，使到达地表的太阳辐射减弱[1]。1961—2008年我国东南部太阳辐射以10.17 MJ·m−2·a−1速率下降[2]，江苏南京及周边地区太阳辐射以0.2 MJ·m−2·d−1速率下降[3]。

太阳辐射是光合作用能量来源，对作物生产具有重要作用。水稻为喜光作物，光强减弱影响水稻株高、分蘖数、叶片和根系发育，降低干物质积累，导致产量下降[4−5]。传统农业通过施用氮磷钾肥可促进水稻生长发育，提高产量[6]，然而却显著提高了稻田CH4和N2O排放[7]。而施硅肥能有效增加水稻有效穗数、千粒重和结实率，提高产量，并可降低稻田CH4排放，促进N2O排放，降低稻田CH4和N2O排放综合温室效应[8−9]。稻田是CH4和N2O温室气体的重要排放源之一，土壤CH4和N2O排放量分别占农业总排放量5%～19%和11.4%[10−11]，其浓度每年分别以1%和0.2%～0.3%速度增加[12]。近年来由于化肥的合理施用，稻田温室气体排放量由1980年的0.13 Gt CO2−eq下降至2016年的0.10 Gt CO2−eq[13]。

太阳辐射减弱、施用氮磷钾肥或硅肥单因子或两因子对水稻生产和稻田土壤CH4和N2O排放的影响已有研究，通过覆盖遮阳网模拟辐射强迫，发现遮阴处理使水稻叶面积指数和叶绿素含量显著下降，物候期明显延迟，CH4排放量显著减小[14−15]。水稻抽穗后光合产物占籽粒产量的90%[16]，CH4和N2O排放分别集中在分蘖期至拔节期和拔节期至抽穗期[8]。然而，水稻遮阴模拟太阳辐射减弱研究多局限于某个生育期，对不同生育期或整个生育期遮阴研究尚不多见。在太阳辐射减弱背景下，氮磷钾肥和硅肥的施用对水稻生产及稻田土壤CH4和N2O排放的影响尚不明确。本文通过大田模拟试验，研究在不同水稻生育期遮阴条件下不同氮磷钾肥和硅肥施用量对水稻产量及CH4、N2O排放的影响，旨在阐明太阳辐射减弱下通过施肥调控能否在稳定水稻产量的同时，实现稻田温室气体减排，为区域水稻可持续生产和粮食安全及应对气候变化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间模拟试验于2019年5—11月在南京信息工程大学农业气象试验站进行（32.0°N，118.8°E）。该站地处亚热带湿润气候区，年均降水量1 100 mm，年均气温15.6℃。供试土壤为潴育型水稻土，灰马肝土属，有机碳含量19.4 g·kg−1，全氮含量1.5 g·kg−1，有效磷含量16.2 mg·kg−1，速效钾含量112.6 mg·kg−1，质地为壤质黏土，黏粒含量26.1%，pH值6.2（1∶1土水比）。供试氮磷钾肥料为高浓度氮磷钾复合肥（15∶15∶15，俄罗斯产）。供试硅肥为钢渣粉，含有效硅（SiO2）14.21%，铁氧化物（Fe2O3）含量为22.89%，pH值8.09（土水比1∶10）。供试水稻品种为南粳5055，该品种株高适中，抗倒伏性强，适宜在江苏沿江及苏南地区种植。

1.2 试验设计

采用3因素3水平正交试验设计（表1），遮阴设3水平，即不遮阴（S0，遮阴率为0）、开花−成熟期遮阴（S1，遮阴率为64%）和分蘖−成熟期遮阴（S2，遮阴率为64%）。小区面积=2 m×2 m=4 m2。采用普通黑色遮阳网覆盖水稻冠层，根据生长进程及时调整遮阳网高度，使遮阳网与冠层间距离保持0.3 m以上，以保持冠层良好通风，便于田间观测和采样。氮磷钾复合肥设3水平，施肥量分别为158、315 g和473 g，相当于田间施用量100 kg·hm−2（F1）、200 kg·hm−2（F2）和300 kg·hm−2（F3）。硅肥设3水平，即不施硅（R0）、钢渣200 kg·hm−2（R1）和钢渣400 kg·hm−2（R2），R1和R2每小区分别施钢渣粉634 g和1 268 g。试验共设9个处理，按照L9（34）正交表安排试验处理。水稻2019年5月10日育苗，5月23日翻耕，6月13日将各处理所需肥料施入，6月14日移栽，7月28日至8月12日排水晒田，10月4日停止灌溉。株行距为20 cm×20 cm，水稻生长期水层保持大约10 cm，大田病虫害防治根据实际情况处理。

表1 正交试验设计方案表[L9（34）]Table 1 Schedule of L9（34）orthogonal test

1.3 产量测定

水稻成熟后，在每小区中间区域选取样方（50 cm×50 cm），将所选样方内水稻穗收割，使用脱粒机将谷粒从谷穗上脱下，测定选定样方脱粒后的产量（单位：t·hm−2）。

1.4 气体采集与分析

采用密闭静态箱−气相色谱法，测定稻田CH4和N2O排放通量。从水稻分蘖期开始到成熟期结束，每周采集气体样品1次，每次采样时间为上午8：00—11：00。采样前将圆柱状密闭静态箱（PVC）置于事先固定于土壤的底座上，底座内均移栽水稻植株2株，底座水槽内注水确保静态箱密封，而后接通蓄电池电源使固定于采样箱顶部的微型直流电风扇运转20 s，以混匀箱内气体，分别于封箱后0、15、30 min用带有三通阀的塑料注射器通过采样孔采集箱内气体，将所采气样注入事先抽成真空的估算50 mL硬质玻璃采样瓶中，采样结束将气样带回实验室，用气相色谱仪（Agilent 7890BGC）检测CH4和N2O的浓度，色谱柱型号为P/N 19091J−413，柱箱温度为50℃；FID检测器温度为250℃，高纯H2（99.999%），干燥无油压缩空气，流量分别为50 mL·min−1和450 mL·min−1；镍转化炉温度为375℃；载气N2（99.999%）或高纯He（99.999%）。

CH4和N2O排放通量计算公式[17]：

式中：F为气体排放通量，mg·m−2·h−1；ρ为标准状态下气体密度，CH4和N2O气体密度分别为0.714 kg·m−3和1.25 kg·m−3，H为采样箱气室高度，m；T为采样时箱内平均温度，℃；d c/d t为箱内单位时间内气体浓度变化率，mg·kg−1·h−1。

水稻各生育期CH4和N2O累积排放量计算公式：

T=∑[（Fi+1+Fi）/2]×（Di+1−Di）×24

式中：T为气体累积排放总量，mg·m−2；Fi和Fi+1分别为第i次和i+1次采样时气体平均排放通量，mg·m−2·h−1；Di和Di+1分别是第i次和i+1次采样时的时间，d。

1.5 增温潜势及碳排放强度估算

1.5.1 增温潜势计算

采用持续变化全球增温潜势（Sustained−flux global warming potential，SGWP）和持续变化冷却潜势（Sustained−flux global cooling potential，SGCP）反映CH4和N2O对气候变化的影响能力。以百年尺度计，当气体排放通量为正值时，将稻田全生育期CH4累积排放量乘以45与N2O累积排放量乘以270求和得到增温潜势；当气体排放通量为负值时，将稻田全生育期CH4累积排放量乘以203与N2O排放通量乘以349求和得到冷却潜势，公式分别为[18]：

1.5.2 气体排放强度计算

稻田CH4和N2O的排放/吸收强度（碳强度），即单位水稻产量的SGWP/SGCP，计算公式为[19]：

式中：GHGI为气体排放强度，kg CO2−eq·t−1；Y为单位面积的水稻产量，t·hm−2。

1.6 数据处理与分析

试验数据通过Excel 2019软件进行录入、整理、编辑、绘图，使用SPSS 25.0统计软件Orthogonal Design生成正交试验表，使用General Linear Model模块进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同遮阴及施肥处理对水稻产量的影响

极差大小可反映各因素对试验结果的影响程度，一般极差越大表明影响程度越大。极差分析表明，K（S）＞K（F）＞K（R），即遮阴对产量影响最大，其次为施用复合肥，施硅对产量影响最小（表2）。S0F2R1处理产量最大，为14.49 t·hm−2，S2F3R1处理产量最小，为5.70 t·hm−2。遮阴S0水平产量最高，为36.53 t·hm−2，S2水平最小，为18.81 t·hm−2；氮磷钾复合肥处理F2水平最大，为27.70 t·hm−2，F3水平最小，为23.70 t·hm−2；硅肥处理R1水平最大为26.93 t·hm−2，R2水平最小，为23.41 t·hm−2。

随遮阴时间延长，水稻产量逐渐减小，遮阴处理S1和S2产量分别比S0降低43.33%和48.51%（图1）。随氮磷钾及硅肥施用量增加，水稻产量先增加后减小，复合肥F2比F1增加12.37%，F3比F1降低3.85%；硅肥R1比R0增加4.79%，R2比R0降低8.91%。遮阴、施硅和施复合肥量对产量没有显著性影响，遮阴对产量的影响未达显著水平（P＞0.05）（表3）。

表2 产量试验结果及极差分析表Table 2 Results and analysis of extreme difference in yield

2.2 不同遮阴及施肥处理对CH4排放通量的影响

水稻生长季，各处理CH4排放通量呈现“单峰型”季节性变化特点（图2）。水稻移栽第22 d（分蘖前期），CH4排放通量较低，随后逐渐增大，稻田随淹水时间延长形成严格厌氧条件，同时分蘖数增加，有机物分解，有利于产甲烷菌活动，从而CH4排放通量不断升高。移栽后第38 d排放通量达峰值，之后逐渐降低，到移栽第44 d进入晒田期，CH4排放通量急剧降低，晒田结束后，CH4排放通量略微上升，随后逐渐降低趋近于零，直至成熟期收获。

表3 产量和CH4与N2O累积排放量及总温室效应的方差分析（F值）Table 3 Variance analysis for yield，CH4 and N2Oaccumulated emission and total SGWP（F value）

2.3 不同遮阴及施肥处理对CH 4累积排放量的影响

水稻CH4排放主要集中在分蘖期，晒田期后CH4排放通量维持在较低水平。极差分析表明，K（S）＞K（F）＞K（R），即遮阴处理对CH4累积排放影响最大；其次是施复合肥和施硅肥量（表4）。S0F3R2处理CH4累积排放量最大，为15.13 g·m−2，S2F1R2处理CH4累积排放量最小，为4.67 g·m−2。CH4累积排放量随遮阴时间增长而减小，随施复合肥量增加而增大，随施硅肥量增加先减小后增大，施用200 kg·hm−2钢渣粉时，CH4累积排放量最小（图3）。

遮阴对水稻全生育期CH4累积排放有极显著影响（P＜0.01），施复合肥量和施硅量对水稻全生育期累积排放影响显著（P＜0.05）（表3）。极差分析表明，遮阴处理下，S2水平累积排放量最小，排放量为15.36 g·m−2，S0和S1两个水平累积排放量值分别为36.32 g·m−2和33.61 g·m−2，S1水平比S0水平降低了7.46%，S2水平比S1降低了54.30%，表明随遮阴生育期增加，CH4累积排放量减小，呈现明显的负相关关系。施复合肥F2水平相较F1水平CH4排放量增加了48.34%，F3水平相较F1水平CH4排放量增加了57.03%。施硅肥3个水平中，R1水平累积排放量为22.84 g·m−2，为最低水平，比R0水平降低了20.42%，R2水平比R0水平增加了17.56%。

表4 全生育期CH4累积排放量试验结果及极差分析表Table 4 Results and analysis of extreme difference in CH 4accumulated emission fromwhole growth period

2.4 不同遮阴及施肥处理对N2O排放通量的影响

N2O与CH4排放通量季节变化趋势明显不同，水稻N2O排放主要集中在晒田期以及成熟期后期（图4）。在分蘖期至晒田前，稻田处于持续淹水状态，N2O排放通量接近于零，部分处理N2O排放出现负值。移栽第45 d开始排水晒田，部分处理在第49 d时N2O排放通量出现峰值，移栽60 d时结束晒田开始灌溉覆水，各处理N2O排放通量降低并保持至接近零值的排放水平，成熟期后N2O排放通量逐渐升高。N2O排放出现负值可能是由于田间保持淹水状态，以及此段时间降雨频繁造成的。晒田结束后，田间处于淹水状态，直到生育后期才出现无水层，导致N2O排放长期保持在较低水平，生育后期N2O排放通量才出现上升趋势。

2.5 不同遮阴及施肥处理对N2O累积排放量的影响

极差分析表明，K（F）＞K（S）＞K（R），即施复合肥量对全生育期N2O累积排放量影响最大，其次为遮阴，施硅量对N2O累积排放影响较小（表5）。S2F3R1处理N2O累积排放量最大，为77.49 mg·m−2，S0F1R0处理N2O累积排放量最小，为−1.96 mg·m−2。

施用复合肥对水稻全生育期N2O累积排放量影响显著（P＜0.05），遮阴和施硅肥对N2O排放影响不显著，表明复合肥施用量是影响水稻N2O排放的主要因素（表3）。N2O累积排放量随遮阴时长增加、施复合肥量和施硅肥量增加均呈增长趋势，增长幅度不同，施复合肥处理下增长较为明显（图5）。施复合肥处理下F2水平比F1水平增加85.81%，F3水平比F1水平增加192.98%；遮阴处理S1比S0增加26.25%，S2比S0增加57.59%。施硅肥处理R1比R0增加39.57%，R2比R0增加48.00%。

表5 全生育期N2O累积排放量试验结果及极差分析表Table 5 Resultsand analysis of extreme difference in N2Oaccumulated emission from whole growth period

2.6 综合温室效应与排放强度

各处理的总温室效应值大小与CH4增温潜势值相近，除9号处理下，CH4增温潜势占总温室效应91.22%，其他处理下，CH4增温潜势均占总温室效应97%以上（表6），原因在于CH4累积排放量远高于N2O累积排放量。遮阴处理对总温室效应有极显著影响（P＜0.01），施复合肥量和施硅量对总温室效应有显著影响（P＜0.05）（表3）。CH4累积排放量最低的处理为S2F1R2，即分蘖−成熟遮阴、复合肥和硅肥施用量分别为100 kg·hm−2和400 kg·hm−2。就CH4和N2O排放强度而言，S1F2R2排放强度最大，为984.14 kg CO2−eq·t−1，S2F1R2排放强度最小，为347.68 kg CO2−eq·t−1，S1比S0增加59.51%，S2比S0减少16.44%；F2和F3分别比F1增加48.78%和60.20%；R1比R0减少23.08%，R2比R0增加24.63%。

3 讨论

水稻CH4排放通量的季节性变化呈单峰型（图2）。CH4排放主要集中在分蘖期，晒田开始直至成熟，CH4排放通量维持较低水平。N2O排放通量随季节变化各处理变化不一，呈零星的脉冲峰型（图4），排放主要集中在晒田期间和成熟后期田间无水层状况下[7]，不难看出CH4和N2O排放存在消长关系，移栽至分蘖期稻田处于淹水状态，厌氧环境有利于产甲烷菌活动，引起CH4大量排放[20]。淹水厌氧环境不利于N2O排放[21]，排水晒田水分急剧减少，导致N2O出现排放高峰。晒田结束，CH4保持在较低排放水平，原因可能是排水晒田使田间水分干涸，破坏了之前的厌氧环境，抑制了CH4产生，CH4排放通量几乎为零。晒田结束重新灌溉覆水，CH4排放通量仍然保持较低排放，原因可能是晒田改变了土壤通气性，土壤氧化还原电位仍处于较高水平，从而抑制了产甲烷菌产生CH4，土壤通气性改变，土壤闭蓄氧浓度升高，从而促进CH4氧化而减少CH4排放，使CH4排放保持一个相对较低水平[22]。

表6 CH4和N2O排放的温室效应Table 6 Greenhouse effect of CH4 and N2Oemission

稻田CH4排放主要集中在分蘖期，分蘖−成熟遮阴和开花−成熟遮阴与对照（不遮阴）相比，CH4累积排放量分别降低57.71%和7.46%，与前人研究一致[9]。遮阴使作物分蘖数、地下部生物量降低，光合作用减弱，根系分泌物减少，抑制产甲烷菌活性[23−24]，这可能是导致CH4排放量较低的原因。随复合肥施用量增加，稻田CH4累积排放量增大，过量铵态氮抑制CH4氧化菌活性，使CH4排放量升高[25−26]。N2O排放随复合肥用量增加而增加，氮肥是影响稻田N2O排放的主要因素之一[27]。施硅肥使CH4排放降低，N2O排放升高，与前人研究结果一致[8]，施硅能提高植株根系氧化，改善植株通气性，抑制产甲烷菌活性，促进硝化作用，这可能是导致CH4排放量降低、N2O排放量增加的原因；而随施硅量增加CH4排放量增大，与前人研究结果不一致[28]，原因可能在于，钢渣硅肥中含有Fe2O3，大量铁氧化物会使稻田导电性增强，促进CH4排放[29]；过量硅肥可能存在毒理作用，使水稻产量减小的同时还会抑制水稻植株根系生长，从而影响通气性，导致CH4排放增加；试验条件的差异可能也会带来不同的试验结果。因此，过量硅肥对稻田CH4排放影响还需进一步研究。

遮阴处理对总温室效应有极显著影响，施复合肥和施硅对总温室效应影响显著（表3）。N2O排放量虽少，但温室气体排放系数值大，其对总温室效应有着不可忽视的作用，但稻田CH4温室效应与N2O温室效应不在一个数量级，总温室效应主要取决于CH4温室效应大小，CH4排放量在总温室效应中起主导作用。相比不遮阴（S0），开花−成熟期遮阴（S1）使排放强度增加，而分蘖−成熟期遮阴（S2）则降低排放强度。原因可能在于，GHGI是单位水稻产量的SGWP，遮阴降低水稻产量，同时也降低水稻SGWP，相比开花−成熟期遮阴（S1），分蘖−成熟期遮阴（S2）SGWP降低幅度远大于水稻产量。施氮磷钾复合肥和施硅肥对产量影响不显著，而对温室效应影响显著，施复合肥和施硅肥对排放强度的影响，取决于总温室效应大小。本研究中稻田CH4排放量在稻田总温室效应中起主导作用，因此，在太阳辐射减弱背景下控制CH4排放是降低稻田温室效应和排放强度的有效途径[30]。各处理对产量影响均不显著，即在遮阴模拟太阳辐射减弱条件下，通过合理施肥可在保证稻田产量的同时达到温室气体减排的作用。