江汉平原秸秆还田配合氮肥减施对稻田CH4和N2O排放的影响

刘章勇，晏晓原，郭显金，高珍珍，王蓉，金涛

1.湿地生态与农业利用教育部工程研究中心(长江大学)，湖北 荆州 434025 2.湖北省秭归县农业综合执法大队，湖北 秭归 443600

CH4和N2O是大气中重要的温室气体，在100a尺度下，其增温效应分别为CO2的25倍和298倍[1]，且大气中的CH4和N2O浓度正以每年0.6%和0.2%～0.3%的速率增长[2]，其中农业温室气体的排放占到全球人为排放的13.5%，为温室气体的第二大排放源[3]。据研究稻田CH4排放量约占全球人为CH4总排放的12%～26%[4]。稻田作为主要粮食作物的生产基地，N2O排放量占总排放量的11%～25%[5]。因此，研究稻田温室气体排放特征规律，并探索高产减排的水稻种植模式已成为研究的热点问题。

作物收获后剩余大量秸秆[6]，秸秆还田作为一种资源再利用的方式，其还田效果受多方面的影响。秸秆中含有大量的氮磷钾等养分，还田后能达到培肥增产的目的。但是，大量研究表明秸秆还田会增加农田温室气体排放[7-9]，也有研究显示会降低排放[10]。李静等[11]研究显示不同秸秆还田方式(旋耕>翻耕>免耕)会对稻田全球增温潜势(global warming potential，GWP)产生显著影响。秸秆还田年限对温室气体排放的影响也各不相同，张翰林等[12]研究显示秸秆还田一年能够显著降低GWP，但随着年限增加效果会逐渐不显著。不同耕作方式同样会影响秸秆还田的效果，马永跃等[13]研究显示CH4和N2O排放量大小为机插>直播>手插>抛秧。李成芳等[10]的研究显示不同秸秆还田量的排放效果也各不相同，其GWP随着秸秆还田量的增加而降低。冯晓赟等[14]研究显示，秸秆配合氮肥施入能够显著降低 GWP和单位粮食产量温室气体排放强度(greenhouse gas intensity，GHGI)。吕泽芳等[15]的研究显示不同类型的秸秆还田对N2O排放影响效果也不同。同时秸秆的长度和还田量等对稻田温室气体排放影响也各不相同[16]。相关研究表明，田间氮肥施用对稻田CH4有显著影响，有研究认为氮肥施加会增加稻田CH4排放，也有研究表明随着氮肥施入增加稻田CH4排放减少[17]。氮肥施用是影响稻田N2O排放的重要因素, 且随着氮肥用量的增加, N2O的排放也呈明显增加趋势[18]。因此，如何有效利用秸秆配合氮肥达到增产减排的目的是一个日趋迫切的课题。

前人针对秸秆还田做了大量研究，但关于江汉平原地区稻-油模式下油菜秸秆还田配合氮肥减施对环境效应相关研究较少。因此，研究通过大田试验的方式从油菜秸秆还田配合氮肥减施的角度，利用静态暗箱-气相色谱法探讨稻田CH4与N2O的排放特征及其对GWP和GHGI的影响，同时测量相关土壤理化指标探明影响稻田温室气体排放的影响因素，以期为当地制定气体减排施肥的措施和种植制度提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与供试材料

试验地位于湖北省荆州市荆州区长江大学农业高科技产业园区(30°06′N,111°54′E)，该地属江汉平原，为亚热带季风气候，年均温16～17℃，≥10℃积温5100～5300℃。年降雨量1100～1300mm,试验地土壤类型为河流冲击物发育的潴育型水稻土。试验前土壤本底值为全氮含量2.04g/kg、有机质含量30.28g/kg、速效磷含量3.55mg/kg、pH 8.41。中稻供试品种为隆两优华占，油菜供试品种为T2159。

1.2 试验设计

试验共设3个处理：常规施肥(N)、油菜秸秆加常规施肥(S+N)、油菜秸秆加减氮20%施肥(S+N 80%)。试验小区面积50m2,设4个重复，随机区组排列。小区之间用水泥田埂隔开，田埂宽25cm，各小区均独立排灌。常规施肥中N、P2O5、K2O的总用量分别为180、72、90kg/hm2,所用氮肥、磷肥和钾肥品种分别为尿素(46%)、过磷酸钙(12%)和氯化钾(60%)。磷肥全部基施，氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶2∶4分3次施用，钾肥按基肥∶穗肥=4∶1分2次施用；氮肥减施20%氮肥总用量144kg/hm2,所有时期均减氮20%按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶2∶3分3次施用，磷钾肥的施用同常规施肥。秸秆切成10cm小段，按基肥施于土壤表面，油菜秸秆全氮、全磷、全钾含量分别为6.61、0.62、17.11g/kg，还田量均为3000kg/hm2。水稻生长期间采用干湿交替的灌溉模式，水稻成熟前1周停止灌水。试验于2018年5月11日播种，6月6日移栽，9月20日收获。

1.3 样品采集与测定

1.4 数据处理

温室气体排放通量和累积排放量计算公式参考文献[15]，全球增温潜势(GWP)和单位粮食产量温室气体排放强度(GHGI)计算公式参考文献[19]。

采用EXCEL 2003进行数据统计，方差分析、多重比较、相关分析等均采用 SPSS 25完成，图样制作采用ORIGIN 2018。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对CH4与N2O排放通量的影响

3种处理下水稻生长季土壤CH4排放的变化趋势基本一致(见图1)，表现为前期高后期低的趋势。各处理CH4排放主要集中在水稻施用分蘖肥后到晒田期之前(6月14日—7月23日)，各处理CH4排放的最高峰出现在水稻分蘖期，3种处理排放通量从高到低顺序依次为S+N、N、S+N 80%，排放通量依次为25.26、20.84、14.97mg/(m2·h)。各处理CH4排放的低峰出现在始穂期(8月9日)之前，3种处理排放通量从高到低顺序依次为S+N 80%、N、S+N，排放通量依次为-2.73、-4.53、-6.01mg/(m2·h)。整个生育期CH4排放通量在-6.01～25.26mg/(m2·h)之间。

图1 不同处理的CH4和N2O排放通量Fig.1 CH4 and N2O emission fluxes of different treatments

各处理N2O排放通量有较明显的季节变化特征，且各处理排放通量在-9.19～58.12μg/(m2·h)之间。S+N处理排放峰值在施用分蘖肥(6月14日)后第6天达到峰值，为50.03μg/(m2·h)，N和S+N 80%处理排放最大峰值出现在水稻生长后期，分别为58.12μg/(m2·h)和57.29μg/(m2·h)。各处理N2O排放通量排放主要集中在分蘖期和晒田后的干湿交替阶段。

2.2 不同施肥处理对于CH4与N2O累积排放量的影响

根据各处理的CH4与N2O排放通量计算CH4与N2O累积排放量，从表1结果可看出，S+N处理CH4累积排放量最高，为166.97kg/hm2；S+N 80%处理CH4累积排放量最低，为69.69kg/hm2。各处理间均有显著性差异(P<0.05)，S+N处理对比N处理CH4排放增加了50.26%，说明秸秆加氮肥的施入能够增加CH4的排放;S+N 80%处理对比N处理CH4排放减少了37.28%，说明秸秆配合减氮施肥能够降低CH4的排放;S+N处理与S+N 80%处理之间CH4排放达到极显著水平，表明减氮和秸秆的配合施入对比秸秆加氮肥能够大幅度减少CH4排放。

表1 不同施肥处理CH4和N2O的排放总量、100a尺度水平上的GWP和GHGITable 1 Total CH4 and N2O emissions, GWP and GHGI at 100a scale level under different fertilization treatments

各处理的N2O累积排放量从高到低顺序依次为N、S+N、S+N 80%,其中S+N和S+N 80%处理比N处理N2O累积排放量分别减少了27.78%和31.94%，且均达到了显著水平(P<0.05)；S+N 80%处理比S+N处理N2O略微下降，但并无显著差异。3种处理排放结果表明，秸秆配合氮肥比单施氮肥能够减少N2O的排放，秸秆田基础上减氮施肥对减排N2O效果并不明显。

2.3 不同施肥处理对于GWP和GHGI的影响

从表1结果可看出，各处理间GWP差异均达到了显著水平(P<0.05)，GWP的范围为1887.14～4330.40kg CO2eq/hm2，以S+N处理最高，S+N 80%最低 。S+N处理相较于N处理GWP提高了44.75%，S+N 80%处理相较于N处理GWP减少了36.92%。S+N 80%处理GWP下降显著，减排效果最好。所有处理水稻产量在11464.18～13350.19kg/hm2之间，其中以S+N处理最高(13350.19kg/hm2)，3种处理水稻产量从高到低顺序依次为S+N、N、S+N 80%，但处理间并无显著差异(P<0.05)，说明在3000kg/hm2油菜秸秆还田和减氮20%施肥条件下并不会显著影响水稻产量。所有处理GHGI在0.16～0.25kg/kg之间，S+N处理较N处理GHGI上升了32%，且达到显著性差异(P<0.05)；S+N 80%处理较N处理GHGI下降了36%，达到显著性差异(P<0.05)。

2.4 不同施肥处理对土壤理化指标的影响

图2 土壤的土温、pH的动态变化Fig.2 Dynamic changes of soil soil temperature and pH

2.5 CH4和N2O的排放通量与环境因素的相关性

表2 土壤理化性质与CH4和N2O排放通量的相关性分析Table 2 Correlation analysis between soil physical and chemical properties and CH4 and N2O emission fluxes

3 讨论

3种处理下CH4的排放主要集中在水稻生长的前中期，与前人研究结果一致[17，20]，且前期较中期排放少，主要是水稻生长前期氧化能力较强而水稻植株的气泡扩散和排气能力相对较弱，导致高浓度CH4在土壤中积累，而观测排放通量相对较低[21]。到水稻生长中期植株排气能力提高使得土壤中CH4排放，排放通量迅速提高。到水稻生长后期稻田水分排干，致使稻田无法完全形成厌氧环境，使得产甲烷菌活性降低，CH4排放量降低[22]。S+N处理CH4排放通量显著高于N，主要是由于秸秆的施入为产甲烷菌提供了充足的养分，并增加了土壤中的有效碳基质，提高了产甲烷菌的活性[23-26]。随着秸秆的腐解，土壤中氧气被消耗，使得厌氧环境加剧导致CH4大量产生。也有研究发现，秸秆还田会显著降低CH4的排放，且随着秸秆还田量的增加，CH4累积排放量会越低[27]，可能的原因是秸秆在土壤表面减少了与土壤的接触，使土壤内部CH4基质降低[10]。S+N 80%处理比N处理CH4累积排放量显著降低。这是由于减氮施肥使得土壤中氮素减少降低了土壤有机质的分解速率，降低了土壤中氧化菌的活性，同时相对于常规施肥减氮降低了铵态氮含量，促进了CH4氧化，抑制了CH4产生[28]。由于研究未设置不同的减氮梯度和不同秸秆还田量，可能存在不同还田量和减氮量结合的情况下CH4排放增加的情况。

3种处理下N2O排放均处于较低水平，各处理均在施肥后，N2O排放量迅速增加，说明施入氮肥为土壤提供了N2O产生的基质，这与姜珊珊等[29]的研究结果一致。S+N和S+N 80%处理较N处理N2O累积排放均有显著降低，可能是由于秸秆的施入提高了土壤碳氮比使土壤中碳含量增加而氮含量不足，导致微生物被迫固定土壤中的有效态氮，减少了N2O产生的氮基质，进而降低了N2O排放量[30]。S+N 80%对比S+N处理N2O累积排放量有所下降但并无显著差异，可能是由于减氮和秸秆还田量梯度设置不够。也有研究显示，秸秆还田会促进稻田N2O的排放量，可能的原因是秸秆还田增加了土壤微生物的数量，对土壤氧气消耗量增加，使得反硝化作用加强，有利于N2O的产生[31]。秸秆还田对稻田N2O排放的影响结论尚不统一，还需进一步试验验证。

GWP是平衡环境效益的重要指标，研究中CH4和N2O的排放通量之间呈极显著负相关(见表2)，呈现出一种此消彼长的关系，与前人研究的结果一致[32]。通过单位CO2当量计算，CH4对GWP的贡献远高于N2O，从节能减排的角度应着重从CH4方向着手。秸秆还田条件下的GWP显著高于常规施肥处理，这与张岳芳等[33]的研究结论一致。也有学者认为秸秆还田能够降低稻田GWP[9]。温室气体排放强度(GHGI)兼顾了作物产量和综合增温潜势，是现阶段低碳农业的评价指标[34]，秸秆配合减氮处理相比其他处理能显著降低GHGI，而在产量上并无显著差异，这是水稻产量和温室气体累积排放量共同作用的结果，说明秸秆的施入能够为土壤提供额外的养分，弥补减氮施肥所带来的土壤养分减少，以保证水稻产量。秸秆的施入显著增加了GHGI，通过减氮施肥处理能够显著降低因秸秆施入所带来的温室气体排放强度增加。

综上所述，与N处理相比，S+N处理能够显著降低N2O排放，显著增加CH4排放，并且会显著增加稻田GWP和GHGI，对产量无显著影响。而S+N 80%处理在保证作物产量的前提下能够显降低稻田N2O和CH4,并且GWP和GHGI都有显著下降，因此S+N 80%处理是一种值得推广的施肥模式。