秸秆全量还田下施用过氧化钙对南方双季稻产量和稻田温室气体排放的影响

何宇轩 李雅娟 周明卓 眭 锋 吕伟生 张 俊 曾勇军 黄 山

（1教育部和江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室/江西农业大学农学院，330045，江西南昌；2江西省红壤研究所/江西省红壤耕地保育重点实验室/农业农村部江西耕地保育科学观测实验站，331717，江西南昌；3中国农业科学院作物科学研究所，100081，北京）

中国是全球最重要的稻米生产国[1]。南方双季稻区是我国重要的水稻种植区域，约占全国水稻种植总面积的40%[2]。研究[3-4]表明，秸秆包含农作物一半的生物量，是重要的农业废弃物。随着水稻机械化收获的普及，水稻秸秆直接原位还田是目前最主要的秸秆资源利用方式，避免了大气污染和有机物料浪费。秸秆含有丰富的有机质和矿质养分，还田后有利于作物增产和土壤培肥[5]。然而有研究[6-7]表明，稻田在长期淹水的厌氧条件下，秸秆还田显著增加了稻田温室气体排放。此外，研究[8-9]显示，在南方稻作区，土壤pH＜5.5的农田超过50%。土壤酸化会降低土壤矿质营养元素的溶解性，降低水稻对土壤矿质养分的吸收，从而降低水稻产量，所以土壤酸化已然成为制约水稻产量的重要因素[10]。因此，探究在秸秆还田条件下如何实现南方双季稻稻田温室气体减排和土壤酸化改良是目前的研究热点。

过氧化钙（CaO2）是一种广泛运用于环境保护和农业种植等的无毒碱性物质[11]。首先，CaO2可以与水反应生成氧气（O2）[12]。研究[13]发现，采用以CaO2为主要成分的粉衣剂可以有效缓解淹水土壤中供氧不足的状况。其次，CaO2在淹水环境下可以生成氢氧化钙，提高土壤 pH，缓解土壤酸化胁迫[14]。此外，CaO2易溶于水并生成过氧化氢，在其氧化过程中能够分解土壤中的有机物[15-16]，有利于提高土壤养分。因此，CaO2在改良土壤酸化的基础上有利于提升作物产量。研究[17]表明，秸秆还田后不仅为产甲烷菌提供大量有效碳源，而且秸秆分解会消耗氧气，进一步降低了稻田氧化还原电位，抑制甲烷氧化菌的活性[18]，从而增加甲烷（CH4）排放。而CaO2的增氧效果可以显著提高土壤氧化还原电位[19]，有利于CH4被氧化。因此，酸性稻田施用CaO2在改良土壤酸化的同时，可能有利于改善稻田氧环境，从而减少CH4排放。但是，以往的研究多侧重于CaO2在水稻生产和土壤改良方面的效果，而对温室气体排放的影响较少，特别是对酸性土壤的双季稻系统。因此，本试验以秸秆全量还田条件下设置施用CaO2和不施CaO22个处理，比较二者在产量与温室气体排放上的差异，为南方双季稻丰产和稻田温室气体减排提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年在江西省南昌市进贤县张公镇江西省红壤研究所（28°15′30″ E，116°20′24″ N）进行。试验地属于亚热带季风气候，年均降雨量1537mm，年蒸发量1100～1200mm，年均气温17.7℃～18.5℃。该地区耕作制度为早稻季（4-7月）、晚稻季（7-11月）和冬闲季（11月-翌年4月）。供试土壤为第四纪黏土母质发育的红壤水稻土。试验前0～20cm耕作层土壤理化性质为pH 5.3、有机质27.8g/kg、全氮1.7g/kg、全磷0.6g/kg、碱解氮149.9mg/kg、有效磷21.6mg/kg和速效钾80.8mg/kg。

1.2 试验设计

采用单因素完全随机设计，各小区面积均为48m2。设置 2个处理，双季旋耕，秸秆还田（对照，CK）；双季旋耕，秸秆还田，早稻整地前撒施CaO2，晚稻不施。3次重复。CaO2采用工业级用量150kg/hm2（有效含量 50%，折合活性氧含量16.7kg/hm2），在整地前均匀撒施于地表。温室气体采集年份为2018年。

早稻品种为常规籼稻中嘉早17，晚稻品种为杂交籼稻泰优 871。早稻和晚稻移栽密度分别为25cm×13cm 和 25cm×16cm。移栽基本苗为早稻每穴4苗，晚稻每穴2苗。2018年早、晚稻的播种日期分别为3月25日和6月21日，移栽日期分别为4月27日和7月21日，收获日期分别为7月15日和10月26日。2019年早、晚稻的播种日期分别为3月28日和6月25日，移栽日期分别为4月30日和7月26日，收获日期分别为7月18日和10月30日。2个处理施肥量及施肥方式一致。早稻氮肥施用量为纯N 165kg/hm2，晚稻为纯N 195kg/hm2，早、晚稻氮肥均按基肥:分蘖肥:穗肥=5:2:3施用。每季水稻施用磷肥75kg/hm2，作基肥一次性施用。每季施用钾肥75kg/hm2，按基肥:穗肥=1:1施用。氮肥为普通尿素，磷肥为钙镁磷肥，钾肥为氯化钾。

田间水分管理为水稻生育前期浅水灌溉，分蘖盛期排水晒田，后期采用干湿交替灌溉方式，直至水稻收获前10d左右自然排干。水稻移栽前先灌水泡田5d，之后旋耕埋茬施基肥，沉实2d后插秧。早稻季与晚稻季开始排水晒田日期分别为 5月 17日和8月18日，复水日期分别为6月2日和8月25日（图 1）。其他农事操作均按水稻高产优质栽培技术进行。早稻收获后采用秸秆全量原位还田的方式，由全喂入式联合收割机收割水稻并同步进行秸秆切碎还田，田间秸秆的粉碎长度约10cm。

图1 稻田水层深度变化Fig.1 The dynamics of water depth in the field

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成因素 于水稻成熟期调查有效穗数，按平均数法选取5穴水稻植株。利用水漂法[20]考察其穗粒结构。各小区人工割取10m2水稻，机械脱粒后称重，测含水量后计算实际产量。

1.3.2 温室气体 采用静态暗箱―气相色谱法监测田间温室气体排放通量[2]。暗箱由不锈钢金属板制成，为边长50cm的正方形，当水稻株高＞50cm时，需额外增添一个相同尺寸的双向开口箱体，以保证箱体整体高度为100cm。暗箱表面包裹一层海绵与锡箔纸，以防气体采集过程中由阳光直接照射而导致箱内温度迅速升高。在暗箱内顶部安装一个电压为12V的小型风扇，外连便携式蓄电池，其作用为在采集气体过程中，使暗箱内部气体充分混匀。于水稻移栽前，在小区内埋入一个下部深约15cm的底座，用田间土壤固定，底座上部留有3cm深的凹型水槽，用于气体采集时注水液封，防止外部空气进入暗箱。

早稻收获后，将底座移出，便于晚稻整地；晚稻移栽后，再将底座埋入稻田。水稻生长季，稻田温室气体大约每周采集1次，采集时间为上午8:00-10:30，分别在0、10、20和30min用连接暗箱顶部三通阀的50mL针孔注射器采集气体，并及时转入预先抽空的 100mL真空采集袋。气体采集时同步记录田间日平均气温变化（图2）。采集结束后将气体样品带回实验室，利用Agilent 7890B气相色谱仪（美国安捷伦科技有限公司）同时测定样品中CH4和N2O气体浓度。CH4检测器为氢火焰离子化检测器（FID），N2O检测器为电子捕获检测器（ECD）。温室气体测定时参照文献[21]设置气象色谱仪参数。温室气体排放通量计算公式：

图2 田间气温变化Fig.2 The dynamics of air temperature in the field

式中，F为温室气体排放通量，其中，CH4单位为 mg/(m2·h)，N2O 单位为 μg/(m2·h)；ρ（kg/m3）为标准状态下的气体密度；h（cm）为取气时净箱高；dC/dt为单位时间内暗箱内温室气体的排放速率；T（℃）为取气时暗箱内平均温度；273为气态方程常数。

根据测定CH4和N2O气体浓度与采集时间的关系曲线计算温室气体排放通量（r2＞0.90）；若测定气体的排放浓度较低时，拟合曲线相关系数r2＞0.80亦可。利用加权平均得到试验周期内稻田CH4累积排放总量和N2O累积排放总量。

1.3.3 综合温室效应和温室气体排放强度 在100年时间尺度上，单位质量的CH4和N2O综合温室效应（global warming potential，GWP）分别为CO2的28倍和265倍[22]；因此综合温室效应可根据CO2当量进行换算。计算公式：

在实际农业生产中，温室气体排放强度（greenhouse gas intensity，GHGI）表示单位稻谷产量对气候变化的潜在影响。计算公式：

式中，Y表示水稻田间实际产量（kg/hm2）。

1.3.4 土壤 pH 晚稻收获后，每个小区分别取0～20cm耕层土样，待风干后过2mm筛，保存在自封袋中。采用PHS-25C型台式pH计测定土壤pH。

1.4 数据处理

采用SPSS 25.0进行数据处理，于P＜0.05水平上进行显著性检验。试验结果以3次重复的平均值±标准差来表示。

2 结果与分析

2.1 施用CaO2对双季稻产量及其构成因素的影响

在2018和2019年中，与CK处理相比，施用CaO2均显著增加了晚稻产量，增幅分别为3.44%和2.65%，但早稻产量均无显著差异（表1）。在早稻季，2个处理的各产量构成因素均无显著差异。在晚稻季，与CK相比，施用CaO2均显著增加了有效穗数，增幅分别为1.92%和2.34%。其他产量构成因素均无显著差异。

表1 秸秆全量还田下施用CaO2对双季水稻产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of applying CaO2 under full straw returning on the yield and its components in the double rice cropping system

2.2 施用CaO2对双季稻周年产量的影响

与CK处理相比，施用CaO2显著提升了2018和2019年的周年产量，增幅分别为1.93%和2.58%（图3）。

图3 秸秆全量还田下施用CaO2对双季稻周年产量的影响Fig.3 Effects of applying CaO2 under full straw return on annual yield in the double rice cropping system

2.3 施用CaO2对双季稻CH4排放通量的影响

由图4可知，2个处理CH4排放通量的季节变化范围为 0.07～71.67mg/(m2·h)。在早稻季，CaO2和CK处理的排放峰值分别出现在水稻分蘖中期（5月17日）和水稻分蘖前期（5月5日），分别为11.43和16.63mg/(m2·h)。中期排水晒田时CH4排放通量缓慢下降，复水后CK处理出现小的排放高峰，至水稻收获再未出现较大排放高峰。在晚稻季，2个处理的CH4排放通量都表现为移栽后快速上升，在水稻分蘖前期（7月31日至8月4日）达到排放高峰，CaO2和 CK处理的排放峰值分别为 71.67和68.75mg/(m2·h)。中期排水晒田时 CH4排放通量迅速下降且趋近于零。复水后 CH4排放通量略有回升，但至水稻收获前一直平稳，再未出现较大排放高峰。

图4 秸秆全量还田下施用CaO2对双季稻田CH4排放通量的影响Fig.4 Effects of applying CaO2 under full straw returning on CH4 emission flux in the double rice cropping system

2.4 施用CaO2对N2O排放通量的影响

由图5可知，在试验期内，N2O排放峰不规则，而且变异性较大，N2O排放通量变化范围为-22.31～54.75μg/(m2·h)。在早稻季中，水稻移栽后2个处理都有少量N2O排放，直到6月10日同时达到排放高峰，施用 CaO2处理和 CK处理的最大值分别为40.28和 22.38μg/(m2·h)。在晚稻季中，各个小区处于持续淹水状态，2个处理N2O排放通量均表现为微弱的源或汇。施用CaO2处理于晒田期间（8月18日）达到排放高峰，排放最大值为54.75μg/(m2·h)。CK处理在后期干湿交替灌溉（9月15日）时监测到N2O排放高峰，排放最大值达到20.39μg/(m2·h)。2个处理间N2O排放通量未发现显著差异。

图5 秸秆全量还田下施用CaO2对双季稻田N2O排放通量的影响Fig.5 Effects of applying CaO2 under full straw returning on N2O emission flux in the double rice cropping system

2.5 施用CaO2对CH4和N2O累积排放量、GWP和GHGI的影响

由表2可知，在早稻季，与CK处理相比，施用CaO2处理显著降低了CH4累积排放量（14.73%）、GWP（14.74%）和GHGI（15.09%），对N2O累积排放量无显著影响。在晚稻季中，2个处理CH4和N2O累积排放量均无显著差异。

表2 秸秆全量还田下施CaO2对双季稻田CH4和N2O累积排放量、GWP和GHGI的影响Table 2 Effects of applying CaO2 under full straw returning on cumulative emissions of CH4 and N2O, GWP and GHGI in the double rice cropping system

2.6 施用CaO2对CH4和N2O累积排放总量、GWP和GHGI的影响

从 2018年早稻移栽开始计算整个试验期稻田CH4和N2O累积排放总量、GWP和GHGI，至2019年晚稻收获结束。由表3可知，在本试验周期内，2个处理之间的 CH4和 N2O累积排放总量、GWP和GHGI均无显著差异。

表3 秸秆全量还田下施CaO2对试验周期内双季稻田CH4和N2O累积排放总量、GWP和GHGI的影响Table 3 Effects of applying CaO2 under full straw returning on total cumulative emissions of CH4 and N2O, GWP and GHGI in the double rice cropping system during cropping period

2.7 施用CaO2对双季稻田土壤pH的影响

在2018和2019年晚稻收获后，与CK处理相比，施用CaO2显著提高了土壤pH（图6），增幅分别为4.74%和4.19%。

3 讨论

3.1 施用CaO2对水稻产量的影响

本试验结果显示，施用CaO2显著提高了晚稻产量。曾勇军等[23]研究表明，普通水稻适宜生长的环境pH约为6.0，土壤pH降低会使得水稻前期分蘖受到影响，从而降低水稻产量。本试验供试土壤为偏酸性的红壤水稻土（pH 5.3），在不添加土壤改良剂的条件下不利于水稻增产。稻田中施用的CaO2在土壤中发生化学氧化反应，生成的氢氧化钙可以缓解土壤酸化，提高土壤pH[24]。与前人[24]研究结果相似，在本试验中，施用CaO2显著提升了土壤pH（图6），并增加了晚稻产量。而且，产量提升主要是由于晚稻有效穗数的增加。此外，CaO2对稻田土壤环境有增氧的效果，可以改善土壤透气性，提高水稻根系活力[19]，促进植株对养分的吸收，进而提高产量[25]。

图6 秸秆全量还田下施用CaO2对双季稻田土壤pH的影响Fig.6 Effects of applying CaO2 under full straw returning on soil pH in the double rice cropping system

但是，为什么施用CaO2对早稻产量及其构成因素没有显著差异呢？有研究[26]显示，秸秆还田降低了水稻有效穗数，主要由于大量高碳氮比（C/N）的秸秆还田后为土壤微生物提供了大量的碳源，从而增加了土壤微生物的数量和活性。然而，这些微生物会加强对土壤氮素的固定，降低土壤中的铵态氮含量，从而减少水稻对氮素的吸收。但是，由于南方双季稻系统有着较长的冬闲期（5个月左右），上一年晚稻季秸秆还田后有充分的时间腐解。秸秆的分解矿化，降低了秸秆C/N，避免了其对土壤速效氮素的固定，因此，对第2年早稻的分蘖影响不大[27]。随着秸秆还田带来的负面效应减小，使得施CaO2的增产效果在早稻季中不明显。而早稻收获与晚稻移栽之间的时间较短，且该时期气温较高（图2），高C/N的秸秆在田间快速腐解，导致土壤氮素被微生物固定。而且秸秆在较高温度中腐解时会产生不利于水稻生长的有机酸[28]，会抑制晚稻前期的根系活力，从而抑制水稻分蘖，影响水稻有效穗数[20-29]。因此，在晚稻生长前期，CaO2中和了有机酸，改善了土壤通气性，在一定程度上缓解了早稻秸秆还田对晚稻前期分蘖的不利影响，从而显著提高了晚稻产量。而在早稻季，CaO2增产作用不显著。

3.2 施用CaO2对稻田温室气体排放的影响

在稻田中，CaO2可以和水反应生成大量的O2，为甲烷氧化菌提供适宜的环境，有利于 CH4的氧化[24]。但有研究[30]显示，单次施用CaO2为土壤带来较高的增氧效果时期约为7～12d。而且作为一种释氧材料，CaO2的 O2释放速率一般较快[31]，在施用前期效果最佳。因此，本试验中，施用CaO2的处理显著降低了早稻季CH4累积排放量，可能是因为CaO2改善了土壤氧环境，增加了甲烷氧化菌的数量与活性[32]，使得CH4被氧化。此外，稻田施用CaO2提高了土壤pH，提高了水稻根系活力[33]，为根际的甲烷氧化菌创造了有氧条件，有利于CH4的氧化。而本试验只在早稻旋耕前施用1次CaO2，随着CaO2增氧效果的逐渐减弱，土壤中甲烷氧化菌的活性也随之减弱，对CH4的氧化能力降低，所以晚稻季时，2个处理之间的CH4排放已无显著差异。另外如前文所述，早稻收获后秸秆全量还田与晚稻移栽时间间隔较短，加之晚稻时期气温较高（图2），早稻秸秆在高温中快速腐解为产甲烷菌创造了合适的厌氧环境，有利于CH4排放，导致施用CaO2对晚稻季减排效果不显著。此外，还有研究[34]显示，随着pH升高，产甲烷菌活性也会随之增强。在早稻季，由于刚施用CaO2，氧气释放速率快，丰富了土壤含氧量，这时氧化CH4的强度大，所以表现出 CH4减排效应。但在晚稻季，CaO2释氧效力减弱，且此时产甲烷菌的活性随土壤pH增加，二者之间关于CH4释放与氧化的效果可能出现中和，导致施用CaO2和CK处理之间的CH4排放没有出现显著差异。

硝化和反硝化过程都会产生 N2O[35]。土壤性质[36]、含氮量[37-38]和通气状况[39-40]等均影响硝化和反硝化作用。研究[41]表明，干湿交替有利于N2O的排放。稻田长期淹水，N2O排放较低。本试验中，施用CaO2改变了土壤pH和氧化还原条件，但是，对N2O排放无显著影响，其潜在机理还有待深入研究。

4 结论

在秸秆全量还田条件下，与 CK相比，施用CaO2能够显著提高晚稻产量，对早稻产量无显著影响。施用CaO2能够显著降低早稻季稻田CH4累积排放量、GWP和GHGI，对晚稻季无显著影响。施用CaO2显著增加了周年产量，对CH4和N2O累积排放总量、GWP和GHGI无显著影响。因此，在南方双季稻系统中，施用CaO2可以改善稻田土壤酸化，有助于南方双季稻丰产减排。