减氮增密对江西双季稻温室气体排放的影响

张 昆，陈忠平，温伟平，王斌强，武 琳，王馨悦，陈国钧，宗焕青，黄欠如,*

(1.江西省红壤研究所，江西 南昌 330046；2.江西省农业技术推广总站，江西 南昌330046；3.江西农业大学，江西 南昌 330045；4.江西省宜春市袁州区农业农村局，江西 宜春 336000)

水稻是我国最主要最核心的口粮作物，全国有70%以上的人口以水稻为主要食物来源[1]。氮素的投入是影响水稻产量的关键因素，增加氮肥投入是提高水稻单产的主要手段[2]，但重施氮肥易造成稻田氮元素含量高、稻田温室气体甲烷和氧化亚氮排放增加等环境问题[3-4]。多年的研究发现，大田试验中监测到的甲烷排放与施氮量的关系存在较大差异。部分研究认为增加氮肥施用量可以促进稻田甲烷排放量的提高[5]，但也有研究发现，稻田甲烷排放量会随着施氮量的增加而降低[6]，还有研究表明施氮量对稻田甲烷排放无显著影响[7]。施用氮肥对稻田土壤氧化亚氮的排放的影响比较明确，一般表现为促进氧化亚氮的排放[8]。

近年来，由于我国城市化进程加快、劳动力成本快速上升、农业生产条件的提高，水稻种植都呈现稀植化的趋势。在稀植条件下，使得高产品种的产量潜力得不到充分的发挥，甚至引起倒伏减产的灾害发生[9-11]。因此，通过增加种植密度来提高有效穗数、优化群体结构，达到水稻产量稳定甚至增加的目标[12-13]。栽培密度对稻田甲烷排放影响的研究较少，而且结果也不相同。曹云英等[14]研究指出，有限降低水稻栽培密度有利于减少甲烷排放、降低全球综合温室效应、提高产量、降低温室气体排放强度。Wassmann等[15]同样发现低密度试验处理的甲烷产生能力更低，但两者的甲烷累积排放量差异未达到显著水平。朱相成等[16]的研究发现，增加密度对东北一季稻的甲烷排放量较小，差异不显著，但是配合减施氮肥，可显著降低甲烷排放量。栽培密度对稻田氧化亚氮排放影响的研究报道也较少，因此有关栽培密度与稻田氧化亚氮排放的关系、调控效应还不明确。

综上所述，针对当前江西双季稻种植中大量施用氮肥和稀植化引发的产量不稳、碳排放增加的问题，笔者提出了减少氮肥基肥施用、增加栽培密度的“减氮增密”栽培技术模式，研究其对双季稻温室气体排放的影响，为江西双季稻环境友好型生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验研究于2017年在江西省红壤研究所高标准粮田试验田进行。试验地位于江西省南昌市进贤县张公镇马家村，地理坐标为28°15′30″ N、116°20′24″ E，属于亚热带季风气候，多年平均气温18.1 ℃、年平均降雨1537 mm、日照时数1575.50 h。试验田土壤为第四纪黏土母质发育的潴育性红壤黄泥土，耕层结构发育良好，耕作层厚度为14.6 cm、容重1.06 g/cm2，土质较黏重。试验田肥力中等，其土壤基本理化性质：pH值5.38、有机质22.07 g/kg、碱解氮111.90 mg/kg、有效磷28.25 mg/kg、速效钾70.00 mg/kg、全氮1.42 g/kg、全磷0.72 g/kg、全钾10.60 g/kg。

1.2 试验设计

试验处理设置为：T1：常规施氮，常规密度；T2：减施20%氮肥，常规密度；T3：减施20%氮肥，增加密度20%。常规氮肥用量为早稻165 kg/hm2，晚稻195 kg/hm2，分基肥(50%)、分蘖肥(20%)、穗肥(30%)3次施用。减氮为减少常规氮肥用量的20%后。分别为早稻132 kg/hm2，晚稻156 kg/hm2，且主要减少基肥用量，分蘖肥和穗肥用量不变。磷肥每季作物施75 kg/hm2，作基肥1次施用。钾肥每季施75 kg/hm2，分基肥(50%)、穗肥(50%)2次施用。氮肥为普通尿素(含量46%)，磷肥为钙镁磷肥(含量12%)，钾肥为氯化钾(含量60%)。

早晚稻采用人工模拟机插进行移栽，早稻每穴4苗，晚稻每穴2苗。常规移栽密度：早稻25 cm×13 cm、晚稻25 cm×16 cm。增密为增加常规密度的20%，具体为早稻25 cm×11 cm、晚稻25 cm×13 cm。早稻为常规稻品种中嘉早17，晚稻为杂交稻品种五优308。

田间水分管理为水稻分蘖期浅水常灌，分蘖盛期排水烤田，抽穗期深水灌溉，灌浆期干湿交替。各处理的病虫害防控措施一致。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 温室气体的监测与计算 温室气体的采集与测定采用静态箱-气相色谱法进行测定[17]。静态箱底横截面为长度0.5 m的正方形，采样箱由不锈钢材质制成，外部箱包有隔温铝箔纸，防止太阳照射导致箱内温度变化过大，箱体高度随水稻生长高度的增加而叠加增高。PVC底座水稻于移栽后固定于土壤中。采气前，打开采样箱内顶部9 V小风扇充分混匀箱内气体后，将采样箱垂直安放在底座5 cm深的凹槽内并加水密封，密封后用外接三通阀的100 mL聚乙烯针管采样。水稻自移栽返青后，每7 d采气1次，特殊天气无法采集顺延进行。采样时间固定在8:30～10:30，取样时间为关箱后的0、5、10、15 min，共4次，同时记录箱体内温度。每次抽气前需要注射器快速抽动混匀气体，气体样品保存于真空采样袋后迅速进行分析测定。采用Agilent Technologies公司生产的7890A system气相色谱仪测定样品中甲烷和氧化亚氮浓度。

气体排放通量计算公式：

F=M/V0P/P0×T0/T×H×dc/dt

式中，F为气体排放通量[mg/(m2·h)]，M为气体的摩尔质量(g/mol)，V0为标准状态下(温度273.15 K，气压为1.01325×105Pa)气体的摩尔体积(22.41×10-3m3)，T0和P0分别为标准状态下的空气绝对温度和气压，P为采样点的气压，T为采样时的绝对温度，H为采样箱的净高度；dc/dt为单位时间内采样箱内气体的浓度变化率，用4个时间段的气体浓度进行线性拟合，回归系数R2≥0.9时的斜率即可。甲烷和氧化亚氮排放通量用3个重复的平均值表示，累积排放量采用累加法计算[18]。

1.3.2 综合温室效应和温室气体排放强度的计算 综合温室效应用全球增温潜势表示，CH4和N2O在100年尺度上的全球增温潜势(GWP)分别为CO2的25倍和298倍，不同处理排放CH4和N2O产生的综合温室效应(kg/hm2,以CO2当量计)的计算公式：综合温室效应=25×CH4累积排放量+298×N2O累积排放量。

温室气体排放强度(GHGI)是将环境效益和作物经济效益协调的综合评价指标，为农业生产过程中单位面积粮食产量对气候产生的潜在影响(kg/kg)[19]，即：GHGI=单位GWP/单位面积产量。

DG单元利用本地的电流、虚拟电阻,线路电阻信息进行一致性迭代,利用相邻的单元的信息更新等效虚拟阻抗值,即线路电阻小的DG单元自动调节虚拟电阻值相对增大,而线路电阻大的则调节虚拟阻抗值相对减小,使接口变流器的虚拟电阻与线路电阻的和趋于相等,以减小输出电流差值。

1.4 数据处理方法

运用Excel 2007软件录入数据，t检验和多重比较采用Excel 2007和DPS 7.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 减氮增密对早稻季温室气体排放的影响

由图1可知，早稻季各处理甲烷排放通量的季节变化范围为0.28～30.88 mg/(m2·h)；早稻季甲烷排放速率呈现出前期(移栽后5～25 d)逐渐升高的趋势，在移栽后18～25 d水稻分蘖中后期出现最高峰，随后急剧下降，然后平稳排放，直到移栽后67 d(成熟前10 d)出现一个排放小高峰，随后降低至较低排放水平。

比较了不同处理甲烷排放速率发现，早稻季排放速率差异主要集中在移栽后12～25 d，减氮处理T2和T3的甲烷排放高峰时间在移栽后18 d，相比常氮处理T1的最高峰移栽后25 d提前了7 d，而处理T3相比处理T2在移栽后18～25 d的下降幅度较大，移栽后32 d至成熟期的甲烷排放速率变化基本一致。

图1 减氮增密对早稻CH4排放通量的影响

由图2可知，早稻季各处理氧化亚氮排放通量的季节变化范围为-0.12～0.22 mg/(m2·h)；由于早稻生长季多雨水，特别是移栽后5～32 d的分蘖期稻田持续淹水，各处理均表现微弱的大气氧化亚氮源。在移栽后39 d之后，随着灌水和晒田的交替进行，氧化亚氮出现不规则的排放峰和较大幅度的变化。比较不同处理氧化亚氮排放速率发现，增密处理T3在移栽后39 d的排放速率显著低于处理T1和T2。

比较早稻季不同处理甲烷和氧化亚氮累积排放量，综合温室效应和温室气体排放强度可以发现(表1)，甲烷累积排放量最大的为T1处理(186.74 kg/hm2)，最小的为T3处理(152.26 kg/hm2)，T2和T3处理相比T1分别减少了5.79%和18.46%，而T3处理相比T2减少了13.45%。由于氧化亚氮的累积排放量相比甲烷累积排放量所占综合温室效应的比重极小，因此，不同处理间综合温室效应(GWP)的变化同甲烷累积排放量的变化一致，综合温室效应最大值为T1处理(4668.35 kg/hm2)，最小值为T3处理(3806.26 kg/hm2)。甲烷、氧化亚氮累积排放量和综合温室效应3个指标在不同处理间有差异，但未达到显著水平。

不同处理的温室气体排放强度(GHGI)变化范围为0.54～0.74，T1处理最高，T3处理最低，降低幅度为26.92%，差异达显著水平；T2处理相比T1降低了12.24%，T3处理相比T2降低了16.73%，表明减施氮肥可以不同程度地降低早稻季温室气体排放强度，增加密度效果则更好，主要可能与减氮增密的产量不断提高有关，尽管其处理间产量差异未达显著水平。

图2 减氮增密对早稻N2O排放通量的影响表1 减氮增密对早稻CH4和N2O累积排放量、综合温室效应、温室气体排放强度的影响

处理CH4累积排放量/(kg/hm2)N2O累积排放量/(kg/hm2)综合温室效应/(kg/hm2)产量/(kg/hm2)温室气体排放强度/(kg/kg)T1186.74 a-0.16 a4668.35 a6369.23 a0.74 aT2175.92 a0.19 a4398.05 a6812.31 a0.65 abT3152.26 a-0.43 a3806.26 a6831.92 a0.54 b

2.2 减氮增密对晚稻季温室气体排放的影响

由图3可知，晚稻季各处理甲烷排放通量的季节变化范围为-0.24～69.50 mg/(m2·h)；晚稻季甲烷排放速率变化趋势同早稻季的变化趋势完全不同，只有一个排放高峰，在移栽后7 d迅速达到排放高峰，接着不断下降，直到移栽后28～35 d进入分蘖末期和拔节期，随后甲烷的排放持续稳定在较低水平。这可能与早稻季秸秆切碎全量还田，造成土壤中碳素增加引起的。

比较晚稻季不同处理甲烷排放速率发现，在移栽后7～21 d分蘖期间，减氮处理T2和T3的甲烷排放速率一直低于常氮处理T1，表明减施氮肥可以降低晚稻季分蘖期的甲烷排放；增密处理T3和常密处理T2在分蘖期的甲烷排放速率无明显规律，下降幅度呈交替变化的趋势。

由图4可知，晚稻季各处理氧化亚氮排放通量的季节变化范围为-0.12～0.51 mg/(m2·h)；相比早稻，晚稻季的氧化亚氮排放峰值和排放速率表现出较高水平，这可能与晚稻季温度较高，水分蒸发较快，稻田干湿交替现象明显有关。晚稻季氧化亚氮排放在移栽后50 d(抽穗前)表现出较高排放水平，随后由于抽穗期需要灌深水，氧化亚氮排放速率急剧下降，在灌浆期采取干干湿湿的灌水方式，因此引起氧化亚氮的不规律排放。不同处理间的氧化亚氮排放速率看出，增密处理T3较常规密度T1和T2处理表现出较高的排放水平。

比较晚稻季不同处理甲烷和氧化亚氮累积排放量，综合温室效应和温室气体排放强度可以发现(表2)，甲烷累积排放量最大的为T1处理(201.05 kg/hm2)，最小的为T2处理(151.81 kg/hm2)，T2和T3处理相比T1分别减少了24.49%和18.41%，而T3处理相比T2增加了8.04%，且不同的处理间差异达极显著水平；由于氧化亚氮的累积排放量较小，且差异不显著，相比甲烷累积排放量，所占综合温室效应比重极小，因此，不同处理间综合温室效应(GWP)的变化同甲烷累积排放量的变化一致，综合温室效应最大值为T1处理(5026.59 kg/hm2)，最小值为T2处理(3795.68 kg/hm2)，不同处理间差异依然达到极显著水平。

不同处理的温室气体排放强度(GHGI)变化范围为0.53～0.81，T1处理最高，T2处理最低，降低幅度为34.72%，差异达极显著水平；T3处理相比T1降低了24.97%，差异达极显著水平，而增密T3处理相比T2增加了10.33%，表明减施氮肥可以不同程度地降低晚稻季温室气体排放强度，但增加密度的效果却不好，不但增加了综合温室效应，而且降低了产量，继而引起温室气体排放强度的提高，无法起到减排的效果。

图3 减氮增密对晚稻CH4排放通量的影响

图4 减氮增密对晚稻N2O排放通量的影响表2 减氮增密对晚稻CH4和N2O累积排放量、综合温室效应、温室气体排放强度的影响

处理CH4累积排放量/(kg/hm2)N2O累积排放量/(kg/hm2)综合温室效应/(kg/hm2)产量/(kg/hm2)温室气体排放强度/(kg/kg)T1201.05 aA0.87 a5026.59 aA6236.92 b0.81 aAT2151.81 cC1.15 a3795.68 cC7260.19 a0.53 bBT3164.02 bB1.82 a4101.17 bB7238.08 a0.58 bB

2.3 减氮增密对双季稻温室气体排放的影响

比较双季稻季不同处理甲烷和氧化亚氮累积排放量，综合温室效应和温室气体排放强度可以发现(表3)，甲烷累积排放量最大的为T1处理(387.79 kg/hm2)，最小的为T3处理(316.28 kg/hm2)，减氮的T2和T3处理相比T1分别减少了15.49%和18.44%，差异达极显著水平，而增密的T3处理相比T2减少了3.49%，差异未达到显著水平；减氮处理T2和T3相比T1增加了氧化亚氮的累积排放量，但是处理间差异不显著；综合温室效应的最大值为T1处理(9694.94 kg/hm2)，最小值为T3处理(7907.43 kg/hm2)。减氮的T2和T3处理相比T1分别减少了15.49%和18.44%，差异达极显著水平，而增密T3的处理相比T2减少了3.49%，差异未达到显著水平，同甲烷累积排放量的变化一致，这与氧化亚氮的累积排放量相比甲烷累积排放量，所占综合温室效应比重极小有关。

不同处理的温室气体排放强度(GHGI)变化范围为0.56～0.77，T1处理最高，T3处理最低，降低幅度为27.49%，差异达显著水平；T2处理相比T1降低了24.08%，差异达显著水平，增密T3处理相比T2降低3.45%，表明减施氮肥可以显著降低双季季温室气体排放强度，增加密度效果后差异不显著，这与早稻季的表现一致，但是同晚稻季的表现不同。

表3 减氮增密对双季稻CH4和N2O累积排放量、综合温室效应、温室气体排放强度的影响

3 结论与讨论

本研究认为减施氮肥降低了温室气体排放，甲烷对温室效应贡献度大，氧化亚氮累积排放量相对极其微量，影响甚小。而增加密度对温室气体排放的影响较小，而且早晚稻影响各异。稻田甲烷排放受植株生长、土壤类型、土壤温度、土壤酸度和氧化还原电位等土壤理化性质的影响[20-22]。因研究条件不同，得出的结论各异，Liang等[23]的研究发现，稻田甲烷排放量随着施氮量的增加而增加。丁维新等[24]总结前人的研究后认为，当土壤有机碳和全氮含量较高时，氮肥对土壤甲烷产生无影响，而当土壤有机碳含量较低时，氮肥促进土壤甲烷产生。甲烷排放也和品种特性有关，王晓飞[25]研究认为不同品种增加密度对甲烷排放的影响不一，宁粳3号随着密度的增加，甲烷排放量逐渐降低，而Y两优302的甲烷排放量则逐渐升高。朱相成[26]的研究发现，增加密度对东北一季稻的甲烷排放量较小，差异不显著，但是配合减施氮肥，可显著降低甲烷排放量，但是减氮只显著降低甲烷排放高峰时期的土壤甲烷产生潜力，而不显著影响其他时期的土壤甲烷产生潜力和各时期的土壤甲烷氧化潜力。

在水稻生育各时期的甲烷排放通量来看，早稻田甲烷排放集中于水稻生长的分蘖期，返青期和孕穗期以后甲烷排放较少。晚稻田甲烷排放规律较一致，呈明显的单峰型，集中在移栽后晒田前的1个月，特别是移栽后1周，迅速到达排放高峰，随后不断下降，直到够苗晒田，甲烷排放通量持续走低。可能是一方面晒田期间田间土壤处于较强的氧化状态，另一方面水稻生长后期水稻生理活动减弱，对甲烷的传输能力下降。这与秦晓波[27]的研究结果基本一致。

本研究减施氮肥不能减少氧化亚氮排放，甚至出现了增加的情况，但是差异不显著，同其他学者的研究结果不同。Hoben等[8]认为氮肥的施用会增加土壤矿质氮含量，增加土壤硝化和反硝化作用的底物。一般表现为促进氧化亚氮的排放。Kim等[28]通过综合分析认为氧化亚氮排放对施氮量响应分为“3个阶段”：一是在低施氮量下，氧化亚氮排放对施氮量呈线性响应；二是在高施氮量下，氮肥已超过作物生长需要，多余的氮会激发氧化亚氮大量排放，因而呈指数响应；三是随着施氮量的再次增加，产生氧化亚氮的氮源充足，土壤碳不足成为氧化亚氮排放的限制因素，进入常数阶段。王晓飞[25]的研究表明，在减氮前提下，增加栽培密度会降低氧化亚氮的排放。彭术等[29]研究表明，早晚稻减施30%氮肥采用深施的方式可以显著降低氧化亚氮的排放，而且还影响双季稻氧化亚氮的排放模式。秦晓波等[27]通过相关分析认为甲烷和氧化亚氮的排放通量呈显著负相关。本研究甲烷排放显著减少，因此氧化亚氮增加排放也合理。

综上所述，减氮增密和减氮常密相比常氮常密显著降低了晚稻季和水稻季的甲烷累积排放量、综合温室效应和温室气体排放强度，主要是显著降低了晚稻移栽后分蘖期的甲烷排放通量；减氮增密相比减氮常密降低了早稻季甲烷累积排放量、综合温室效应和温室气体排放强度，差异不显著，但是却极显著地增加了晚稻季的甲烷排放和综合温室效应。因此，从减少温室气体排放来看，江西早晚稻季需要采用不同的栽培措施，早稻季需要在减氮的基础上增加密度，而晚稻季则只需减施氮肥，不需增加密度。