不同水分管理模式下氮肥和秸秆配施对 稻田CH4排放的影响

李文涛，杨立杰，张丽莉，于春晓，武开阔，宋玉超， 宫 平，薛 妍，李东坡，武志杰

（1．中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016；2．中国科学院大学，北京 100049； 3．沈阳化工研究院有限公司，辽宁 沈阳 110021）

全球气候变暖是人类关注的热点问题之一，大气中温室气体浓度的不断增加是导致全球气候变暖的主要原因[1］。甲烷（CH4）作为主要的温室气体之一，其排放量占温室气体排放量的18.3%[2］，对全球的增温作用仅次于二氧化碳[3］。在所有人类活动CH4排放总量中，农业CH4排放占排放总量的50%左右[4］，其主要来源于稻田水稻种植过程[5］。 全球稻田每年CH4排放量为25～50 Tg，占全球CH4排放总量的10%左右[6］。我国作为世界上水稻第二种植大国，稻田CH4排放约占农业源温室气体排放总量的24%[7］。因此，探究稻田CH4的排放特征，并采取相应措施减少稻田CH4排放，对减缓气候变暖意义重大。

秸秆还田和水分管理等农艺措施对CH4排放有显著影响[8-11］。秸秆还田一方面缓解了秸秆大量焚烧带来的环境问题；另一方面，秸秆中含有大量有机物质，可以提高土壤有机质含量，培肥地 力[8，12］；但秸秆还田改变了土壤微生物和酶的活性，同时秸秆本身含有大量有机碳，可作为CH4产生的前体物质，能显著增加稻田CH4的排放[10，13］。

水稻需水量高，多在淹水条件下种植，淹水条件下稻田土壤通气性差，利于CH4的大量排放[14］，同时，长期淹水也造成水资源的大量损耗。据统计，稻田灌溉用水约占农业用水量的70%[15］。为了节约水资源和减少CH4的排放，稻田干湿交替灌溉（alternative wetting and drying，AWD）技术被广泛应用。AWD是水稻生长期间进行淹水-落干-复水-落干的灌溉方式[11］，目前在江苏、浙江以及东南亚等地区广泛应用[16］。AWD模式下，由于淹水-落干过程中土壤通气性增加，促进了CH4的氧化作用，能最终减少CH4的排放[9］。Haque 等[17］研究表明，与持续淹水（CF）相比，AWD能有效降低48%的CH4排放。Liao等[18］研究也表明AWD较CF稻田CH4排放降低86%左右。在我国广州双季稻种植区田间试验也表明，与传统水分管理相比，AWD模式下早稻季和晚稻季CH4排放分别有效降低21%和42%[19］。现有关于水稻干湿交替研究主要集中在南方双季稻，在北方单季稻研究较少。由于北方水稻种植制度及温度与南方稻田有很大差异，干湿交替下其CH4排放的特征，有待于进一步研究。此外，秸秆还田为微生物提供了大量的碳源，促进了微生物活性，培肥地力的同时也增加了CH4的排放[8］，在干湿交替模式下秸秆还田后CH4排放会产生何种变化，是否与干湿交替发生交互效应，也值得进一步研究。

化学氮肥的施用在如今农业生产中发生不可替代的作用。氮肥往往通过影响其他因素间接地影响CH4排放。石生伟等[20］研究表明，增施氮肥能抑制CH4排放；但也有研究表明，氮肥的投入增加了CH4排放[18，21］，冯晓赟等[22］研究表明，氮肥施用只略微增加了稻田CH4排放，与对照并无显著性差异。关于施氮对CH4排放的影响现在没有统一定论，但在不同水分管理模式下的研究表明，施氮肥条件下干湿交替处理显著低于长期淹水[18］。施用氮肥作为一种提高作物产量的农艺措施，在田间常常与秸秆还田一起实施。传统灌溉下，秸秆还田与氮肥的配施提高了水稻产量，但也会增加CH4的排放[21］，而干湿交替下秸秆与氮肥配施对CH4的影响如何，却鲜有报道。因此本文以此为切入点，以东北潮棕壤性水稻土为供试对象，通过室外盆栽试验，研究不同水分管理模式下秸秆还田以及秸秆与尿素配施对稻田土壤CH4排放的影响，探究不同水分模式、秸秆还田以及秸秆与尿素配施条件下CH4的排放情况，以期为减少稻田CH4的排放提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在中国科学院辽宁沈阳农田生态系统国家野外科学观测研究站（43°31' N，123°22' E）网室内进行，该地属暖温带湿润半湿润大陆性季风气候，年均降水量约690 mm，年均温7～8℃，＞10℃活动积温3300～3400℃，无霜期146～166 d，耕作制度为一年一熟制。试验供试土壤为潮棕壤，取自沈阳农田生态系统国家野外科学观测研究站水稻试验基地长期不施肥处理0～20 cm土层。土壤全碳16.01 g·kg-1，全氮1.36 g·kg-1，有效磷27.01 mg·kg-1， 速效钾123.7 mg·kg-1，铵态氮19.7 mg·kg-1，硝态氮23.28 mg·kg-1，pH 6.73，土壤容重1.06 g·cm-3。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

本试验为盆栽试验，于2020年6～10月进行。试验分两种水分模式，长期淹水（CF）和干湿交替（AWD），每种水分模式下4个处理：对照（CK）、单施秸秆（S）、单施尿素（U）、尿素+ 秸秆（US），两种模式共8个处理，每个处理重复3次，共24盆。试验每盆装土10.51 kg（干土重9 kg），种植水稻2穴，每穴3株，共6株。水稻于6月17日定植，10月27日收获。尿素为氮肥，施 氮 量 为106.13 mg·kg-1（N 225 kg·hm-2），基肥（6月17日）、分蘖肥（8月4日）和穗肥（8月25日）按照4∶3∶3的比例施入。秸秆磨碎后随基肥一次性添加，添加量为4.25 g·kg-1（9000 kg·hm-2）。磷肥和钾肥分别为过磷酸钙和氯化钾，它们作为底肥一次性施入，施用量为P2O5150 kg·hm-2、K2O 185 kg·hm-2。

长期淹水处理，水稻生育期间始终保持3～5 cm水层，收获前晒田；干湿交替处理，每个处理盆中安装一个土壤水分张力计（海岸华亭仪器有限公司），用以监测15 cm处水势，水稻移栽前7 d保持3～5 cm水层，保证移栽成活，其后进行自然落干，待土壤负压计到达-15 kPa左右时进行复淹3～5 cm，而后再进行落干，周而复始，直至 收获。

1.2.2 样品采集与测定

水稻于2020年6月17日定植，分别于返青期（6月28日）、分蘖期（7月25日）、拔节期（8月11日）、孕穗期（9月1日）、灌浆期（9月23日）、成熟期（10月27日）采用五点取样法采集0～10 cm土层土壤，测定土壤微生物量碳（MBC）含量。

MBC含量采用氯仿熏蒸法[23］测定，称取25 g 新鲜水稻土两份，一份氯仿熏蒸黑暗真空条件下处理24 h，然后用100 mL 0.5 mol·L-1K2SO4浸提（土∶水=1∶4），另一份样品直接加入100 mL 0.5 mol·L-1K2SO4浸提。用TOC分析仪（Vario TOC Cube，Elementar，Germany）测定熏蒸和未熏蒸浸提样品，微生物生物量碳（MBC）的熏蒸系数为0.45。

CH4排放采用静态箱法测定[24］。静态箱由箱体和底座两部分组成，箱体为直径30 cm的透明有机玻璃，高50 cm（拔节期后换为高70 cm箱体，其余不变），内部顶端安装小风扇以混匀气体；底座由直径31 cm的有机玻璃制成，中间有凹槽（用以嵌合箱体，采气时用水密封），高10 cm。在施肥后第一周每隔2 d采集气体1次，每次复灌后1～2 d采集1次，其余时间每隔7 d采集1次（遇降雨天气适当调整采样时间），直至收获。水稻整个生育周期连续采集CH4，共采集气体23次。气体采集时间为每天8∶00～11∶00，采集气体时，盖上箱体，用水密封，在随后的0、30、60 min采集箱内气体，并实时记录箱内温度。每次采气用气密性良好的50 mL注射器采集100 mL气体装入真空采气袋（大连海得科技有限公司），采气结束后带回实验室测定。

采集的气体采用气相色谱仪（Agilent 7890B，美国）分析测定。CH4检测器为FID（火焰离子化检测器），温度为250 ℃，载气为高纯氮气，燃烧气体、辅助气体和尾吹气体分别为氢气、空气和普通氮气，流量分别为80、450和25 mL·min-1；柱箱温度为60 ℃[21］。

1.3 计算方法

CH4排放通量计算方程[21］为：

式中：F为CH4的排放通量（mg·m-2·h-1）；ρ为CH4在标准状态下的密度（CH4为0.714 kg·m-3）；dc/dt为采样过程中采样箱内气体的浓度变化率；P为采样箱内气压；P0为标准大气压，由于试验地区气压与标准大气压相当，因此P/P0值等于1；V表示密闭静态箱体积（m3）；A表示采样箱内土地面积（m2）；273为气态方程常数；T为测定时采样箱内平均温度（℃）。

CH4累积排放量计算方程[25］为：

式中：CE为CH4累积排放量（kg·hm-2）；Fi、Fi+1为相邻两次采样时期内的排放通量（mg·m-2·h-1）； di+1、di为相邻两次采样期的天数（d）。

1.4 数据统计

数据采用Excel 2010和SPSS 16.0进行统计分析，用Duncan法进行差异显著性检验（α=0.05），采用Origin 9.0画图，图表中数据为平均值±标 准差。

2 结果与分析

2.1 CH4排放特征

由图1可知，2种水分管理模式（CF和AWD）下，CK和U处理呈现相同的排放趋势，在整个水稻生育期，CH4排放较低，排放通量基本趋于零。CF模式下添加秸秆处理（S、US）显著增加了稻田CH4排放，且在水稻移栽后18和53 d出现明显的排放峰值，CH4排放分别为55.71、58.73、41.26、47.94 mg·m-2·h-1；而AWD模式下，添加秸秆处理（S、US）CH4排放只有一个明显的峰值，出现在水稻定植后第18 d，分别为38.53、48.40 mg·m-2· h-1，和CF模式下的水稻第一个峰值同步出现，之后CH4排放迅速降低，于38 d后逐渐趋于零。从不同生育期来看，CH4排放主要集中在水稻返青至拔节期。

图1 不同水分模式下CH4排放通量的变化

在相同处理下，AWD模式下的CH4累积排放量低于CF管理模式（图2），说明干湿交替降低了稻田CH4的排放。CF和AWD管理模式下，CH4累积排放量U与CK处理差异不显著，但U较CK处理CH4累积排放量分别增加了16.17、6.10 kg·hm-2，说明尿素的施用在一定程度上促进了CH4的排放；CF模式下，与单施秸秆处理（S）相比，尿素与秸秆配施显著增加了CH4累积排放量，而在AWD模式下正好相反，说明在干湿交替模式下尿素与秸秆还田配施能减少CH4排放；两种水分管理模式中CK与S处理、U与US处理相比，前者CH4累积排放量显著低于后者，说明秸秆是影响CH4排放的重要因素。

图2 不同水分模式下CH4累积排放量

2.2 水稻产量和CH4累积排放量变化行为

水分模式、秸秆还田和氮肥水平作用下的水稻产量和CH4累积排放量及其主效应分析如表1和表2所示。结果表明，仅有氮肥水平对水稻籽粒产量有极显著影响（P＜0.01），其余措施对水稻产量并无显著影响。N225水平下水稻籽粒产量比N0条件下平均提高56.2 g·盆-1。水分模式、秸秆还田以及两者的交互效应极显著影响CH4累积排放量，虽然氮肥水平对其没有显著影响，但水分模式、秸秆还田和氮肥水平三者之间的交互效应对累积排放量有极显著影响（P＜0.01）。与CF模式相比，AWD横式的CH4累积排放量降低了67.2%。未添加秸秆（S0）处理使CH4累积排放量降低了92.2%。N225施肥水平下较N0的CH4累积排放量增加了12.50 kg·hm-2，但差异并不显著。

表1 水分模式、秸秆还田及氮肥水平作用下 水稻产量和CH4累积排放量

表2 水分模式、秸秆还田及氮肥水平对水稻产量和 CH4累积排放量的主效应及交互作用

2.3 水稻生长季CH4排放通量与10 cm土层温度相关性分析

由水稻生长季CH4排放通量与10 cm土层温度的相关性（表3）可以看出，两种水分模式下U处理CH4排放通量与10 cm土层温度都未呈现相关性。CF模式下除U外，其他处理CH4排放通量与10 cm土层温度均呈显著相关，其中S、US处理呈极显著相关，说明长期淹水下10 cm土层温度显著影响CH4排放；AWD模式下只有S和US处理与CH4排放通量呈显著相关，这说明土层温度在干湿交替水分模式下对CH4排放的影响程度较CF模式有所降低，CH4排放可能主要受到秸秆添加与干湿交替的影响。

表3 水稻生长季CH4排放通量与10 cm 土层温度的相关系数

2.4 土壤微生物量碳（MBC）的变化

土壤MBC含量随水稻生育进程而变化（表4，图3）。两种水分模式下，CK处理返青至孕穗期土壤MBC含量没有明显变化，而灌浆期至成熟期迅速降低；CF模式下U处理分蘖期MBC含量较返青期、拔节期和孕穗期明显增加，而在AWD模式下U处理MBC含量和CK处理变化一致；两种水分模式下，S和US处理水稻各生育期土壤MBC的含量都处于较高水平，其具体的变化是S和US处理返青期至拔节期土壤MBC含量呈现下降趋势，而后增加至孕穗期，又缓慢下降直至水稻成熟收获。综合所有处理来看，水稻整个生育期，土壤MBC含量与灌溉方式和秸秆添加密切相关，而与施氮水平没有显著相关（图3），这与影响CH4排放的因素是一致的（表2）。CF较AWD模式土壤MBC含量提高了16.4%；S1较S0处理土壤MBC含量提高29.9%，CH4累积排放也有相同的增加 趋势。

表4 水稻生长季不同处理土壤微生物量碳含量（mg·kg-1）

图3 水稻生长季土壤微生物量碳含量

3 讨论

3.1 不同水分管理模式和施肥措施对CH4排放的影响

秸秆还田与水分管理显著影响CH4的排放。与未施秸秆处理相比，秸秆还田显著增加了水稻生长前中期CH4的排放通量和累积排放量，这与前人研究结果一致[8，21，26］。由于秸秆中含有大量有机碳，秸秆还田后有机碳在微生物作用下分解，为CH4的产生提供了更多的有效碳源，这些碳源中一部分在产CH4菌的参与下产生大量CH4，致CH4排放增加；而随着水稻生育期的进行，土壤中可利用的有机碳减少，致使CH4排放也降低，导致水稻后期CH4排放处于较低水平[8，10，26］。AWD模式下，U、US处理中CH4排放出现的第一个峰值与CF模式下基本相同（图1），可能是因为水稻处在幼苗时期，吸水量少，干湿交替过程主要由大气蒸发控制，导致落干过程缓慢，而淹水过程时间长，利于CH4的产生。相较于CF模式，AWD模式下各处理CH4排放通量和累积排放量都比较低，这与Liao 等[18］研究结果一致。这是由于淹水条件下，土壤含氧量低，形成的厌氧环境使得产CH4菌活性增强，CH4氧化菌活性降低，使CH4排放增加[9］，而干湿交替下，在落干过程中常常造成土壤好氧环境，这种环境使更多氧气进入土壤，促进了CH4的氧化作用，最终减少了CH4排放[11］。冯晓赟等[22］研究表明，单施尿素能增加稻田CH4排放，但与CK相比，增加效果并不显著；而尿素与秸秆配施则会显著增加CH4排放。本试验结果与之一致，试验中2种水分模式下，U处理只在数值上增加了CH4累积排放，并未与CK处理有显著性差异，这可能是因为尿素的施用，一方面能促进水稻根系的生长发育，进而增加根系分泌物，为CH4的产生提供更多的前体物质，促进CH4的排放[27］；另一方面由于尿素可以提高土壤中CH4氧化菌的数量和活性，促进CH4氧化，而抑制其释放，所以又能够降低CH4排放[27］，两者共同作用导致了CH4排放有促进但差异不显著。此外，US处理的CH4排放显著高于CK和U处理，但与S处理相比，两者在不同水分管理模式下差异不同（图2），这可能因为在CF模式下，尿素的施用带来氮源，促进了微生物对秸秆的分解，为CH4产生提供了充足的碳源，使CH4排放增多[21］，且多于S处理；而在AWD模式下，土壤通气性增高，CH4氧化菌活性增强，尿素的添加进一步提高了土壤中CH4氧化菌的数量和活性，使CH4排放降低，低于S处理。

研究表明，稻田CH4排放通量与温度有显著的相关性[28］；但也有研究认为，稻田CH4排放通量与温度不显著相关[29］；本研究CF模式下，除U处理外，其余处理CH4排放通量都与10 cm土层温度显著相关；AWD下，只有S和US处理CH4排放通量与10 cm土层温度显著相关。这是因为，稻田土壤CH4的排放受多种因子的综合影响，土壤温度只有在其他因子相对稳定时才突显出来[29］。由于尿素对甲烷的排放影响比较复杂[22，27］，使土壤温度对CH4的影响相对减弱，表现出此处理下土壤温度与CH4排放没有相关性；而AWD模式下，CK和U处理的CH4排放主要受到干湿交替水分模式的影响，土壤温度的影响也相对减弱。

土壤MBC作为土壤有机碳中最活跃的组分，与土壤碳转化存在密切关系，其含量是衡量土壤肥力的重要指标[30］。本研究中秸秆的添加提高了水稻各生育期土壤MBC的含量，特别是尿素与秸秆配施提高最为显著，这说明秸秆的施用有利于培肥地力，而与尿素配施效果更好。吴家梅等[31］研究不同活性有机碳组分与CH4排放的关系，结果表明稻田土壤MBC含量与CH4排放呈现显著正相关。图3中在水稻生育前中期MBC含量较高，至灌浆期和成熟期已经处于较低水平，这一点与CH4排放相吻合。

3.2 不同水分管理模式和施肥措施对水稻产量的影响

张鲜鲜等[11］和Liao等[18］研究表明，轻度干湿交替（土壤水势阈值≥-15 kPa）较常规灌溉水稻产量相对稳定或略微增加。本研究中两种水分模式下水稻产量较为稳定，没有显著变化（表2），与前人研究一致。这可能是因为轻度干湿交替下，淹水与落干的水分模式，使有氧与无氧交替，土壤硝化作用发生周期性变化，土壤氮素形态由以铵态氮为主转变为铵态氮、硝态氮混合的状态，极大地满足了水稻根系对氮素的选择性吸收[11，32］；此外，轻度干湿交替可以促进水稻灌浆，在生殖生长阶段从茎叶向籽粒转运营养物质，使水稻产量较为稳定或略微增加[33］。较不施氮处理（N0），N225水平下水稻产量显著提高，氮肥的施入，满足了水稻对养分的需求，显著增加了水稻的有效穗数、每穗实粒数，使产量增加。与未添加秸秆处理相比，秸秆还田对水稻产量并没有显著影响，这与武开阔等[21］大田试验结果相似，这可能是因为秸秆中多数为难分解的有机物质，秸秆添加后其有机物质需要长时间分解，在当季很少被吸收利用，导致水稻产量并未增加。

4 结论

干湿交替与长期淹水相比，CH4排放量显著降低；两种水分模式下，秸秆添加导致稻田CH4排放增加，尿素添加对CH4排放没有显著影响，尿素与秸秆配施显著增加了CH4排放。在长期淹水中，尿素与秸秆配施CH4排放量要显著高于单施秸秆处理，而在干湿交替中，结果正好与之相反。说明秸秆还田与尿素配施时，干湿交替的水分管理模式下较为优异，能产生更少的CH4。尿素的投入显著增加了水稻产量，干湿交替和秸秆还田对水稻产量没有显著影响，此外，秸秆还田显著增加了土壤微生物量碳的含量，有利于培肥地力。综上，在本试验条件下，干湿交替水分管理模式CH4排放显著降低，是值得推荐的水分管理模式；干湿交替下，单施尿素和尿素与秸秆配施均能显著降低CH4排放，提高水稻产量，两者均是较为优异的养分管理 模式。