延长烤田时间减少紫云英翻压稻田甲烷排放

2022-09-02王赢林余涛杨文斌王家嘉左双宝宋朝辉周楠楠

农业环境科学学报 2022年8期

王赢，林余涛，杨文斌，王家嘉，左双宝，宋朝辉，周楠楠*

（1.安徽师范大学生态与环境学院，皖江流域退化生态系统的恢复与重建省部共建协同创新中心，安徽芜湖 241003；2.安徽省农业科学院土壤肥料研究所，安徽养分循环与资源环境省级实验室，合肥 230001；3.安徽师范大学化学与材料科学学院，分子基材料安徽省重点实验室，安徽芜湖 241003；4.巨石集团有限公司，巨石复合材料研究院，浙江桐乡 314500）

大量施用人工合成肥料解决了人口增长带来的粮食短缺问题，但同时也造成了一系列环境污染，如水体富营养化、大气污染、土壤状况恶化、温室气体排放等。在此背景下，能够部分替代化肥的传统绿肥重新得到重视。紫云英是我国南方稻田常见的豆科绿肥作物，其在稻田固氮、提供养分、培肥地力、丰富土壤碳库、水稻增产和保障粮食安全等方面具有巨大潜力。

甲烷（CH）作为主要的温室气体之一，其增温效应仅次于CO，而水稻种植过程中排放的CH约占全球人为CH排放总量的17%。有文献指出紫云英还田会增加稻田CH排放。周炜等开展1 a 田间试验，对比了长江下游地区紫云英-水稻种植模式与传统种植模式下稻田的温室气体排放，结果表明紫云英还田显著增加了稻田CH排放。周国朋通过盆栽试验发现，紫云英配施化肥处理下的CH排放系数明显高于单施化肥处理。当前相关研究多基于盆栽或短期田间试验（1～2 a），缺乏多年田间定位试验数据的支撑，无法为上述论断提供充足证据。

中期排水烤田是我国水稻种植的传统措施，其初衷在于缓解持续淹水造成的极端还原条件，减小对水稻生长的不良影响和控制无效分蘖。近年来相继有研究表明中期排水烤田具有降低稻田CH排放的作用。CAI等研究发现，排水烤田后的CH排放通量显著低于排水烤田处理前。钱浩宇研究了不同水分条件下稻田CH的排放，结果指出较传统淹水处理，多次“烤田-复水”的间歇灌溉处理显著抑制了CH排放。一项在日本北海道开展的田间小区试验结果表明，排水烤田处理下的CH排放量比持续淹水处理低21%～91%。但是上述研究中排水烤田前CH的排放通量已达到较高强度，排水烤田的减排潜力未得到充分发掘，烤田时机有待改善。SOUZA等通过模型研究指出，可以通过优化排水烤田的时机来减少稻田CH排放，但是缺乏田间试验数据的对比验证。综上所述，在紫云英还田可能增加稻田CH排放风险的背景下，如何优化排水烤田措施、减少CH排放，值得深入研究。

为将绿肥紫云英的环境友好效应最大化，本研究拟通过连续5 a 的田间定位试验，探明不同施肥条件下稻田CH的排放特征和排放量，明确紫云英还田对稻田CH排放的影响，并通过设置不同排水烤田时间，探索合适的水分管理措施，以期在保障水稻产量的同时，抑制紫云英翻压稻田CH的排放，为我国实现“双碳”目标提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

本研究试验区域位于长江下游南岸，安徽省池州市梅陇镇桐梓山村，该地属亚热带季风性湿润气候区，年均气温16 ℃，年均日照时间约1 900 h，年均降雨量约1 600 mm，无霜期242 d。当地种植方式以单季稻为主。供试土壤为水稻土，质地中壤，耕层土壤（0～20 cm）基本理化性质：pH 值6.27，有机质23.5 g·kg，总氮1.82 g·kg，有效磷36.9 mg·kg，速效钾151.6 mg·kg。

1.2 试验设计

在水稻分蘖末期进行排水烤田是当地传统水分管理措施。本研究于2016—2020年开展，共设置4种处理：不施化肥+传统水分管理（CK），常规单施化肥+传统水分管理（CF），紫云英翻压+氮肥减施+传统水分管理（MF），紫云英翻压+氮肥减施+优化水分管理（MFW）。每种处理重复3次，小区面积为30 m（5 m×6 m）。传统水分管理为分蘖末期排水烤田7 d，优化水分管理是在传统管理基础上提前并增加5 d烤田时间，烤田共持续12 d。烤田结束后保持淹水状态（水深30～55 mm），直至水稻收获前2 周。常规单施化肥代表当地农民施肥习惯，施用的化肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾，氮肥按照基肥50%、蘖肥30%、穗肥20%分3 次施用，磷肥和钾肥全部作基肥施用，各处理组的施用量见表1。MF、MFW 处理组于每年水稻收割后开始种植紫云英，盛放期全部翻压还田，采用当地常见翻压量，即22 500 kg·hm。前期研究发现该翻压量下紫云英的固氮量约为53.2 kg·hm，为确保氮输入量与单施化肥处理（220 kg·hm）基本一致，紫云英还田配施的氮肥量为165 kg·hm。水稻品种为昌两优8号，5月下旬播种培秧，6月中旬移栽，10月中旬收获，秸秆不还田，水稻收割测产后全部带走。

表1 各处理中紫云英和化肥的施用量（kg·hm-2）Table 1 Applying amounts of Chinese milk vetch and chemical fertilizer under each treatment（kg·hm-2）

1.3 样品采集与分析

1.3.1 水稻产量测定及可持续性分析

每年水稻成熟期对各个试验小区单独收割计产，并采用公式（1）和公式（2）计算水稻产量变异系数（，%）和可持续性指数（）：

1.3.2 CH的采集与分析

使用密闭静态箱法收集水稻生长期内的CH气体样品，采样箱底面积为0.25 m（0.5 m×0.5 m），箱体高度随作物高度而增加，外部包有泡沫板和铝箔纸以防止箱内温度变化过大。每个田块固定采样底座3个，底座上部有5 cm 深的凹槽，采样时加水密封，采样箱内顶部装12 V 电池，内接小风扇用于混匀箱内气体，每隔10 min 采一次样，共采4 次，将抽出的50 mL 气体混匀后注入到顶空瓶中进行实验室分析，记录采样期间静态箱内温度。CH样品每周采集一次，采集时间为8：00—10：00。CH气体浓度由气相色谱仪（Agilent 7890A，安捷伦科技有限公司，美国）测定，CH气体检测器为火焰离子化检测器（FID），检测温度300 ℃，柱温55 ℃，载气为99.999%高纯氮气，流速40 mL·min。

CH排放通量计算公式：

式中：表示CH气体排放通量，mg·m·h；表示标准状态下气体的密度，kg·m；表示采样箱的净高度，m；表示单位时间内采样箱内气体浓度变化率；为采样过程中箱内的平均温度，℃。

CH排放总量计算公式：

式中：表示CH排放总量，kg·hm；F为两次相邻采样日CH排放通量的平均值，mg·m·h；D为两次采样间隔时间，d。

1.4 数据分析

使用SPSS Statistics 25 软件对数据进行多重比较（LSD，＜0.05 表示处理间差异显著），使用Origin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 不同处理下CH4排放通量

由图1 可知，不同处理下水稻生长期CH排放通量变化趋势大致相同，CH排放的高峰分别出现于水稻分蘖期和成熟期，且第一个高峰期的排放通量明显高于第二个高峰期，表明本研究中分蘖期的CH排放对稻田整体排放量贡献较大。在水稻分蘖末期，各处理CH排放通量均出现明显下降趋势。CK 和CF 处理CH排放通量的变化基本一致。在水稻分蘖期，MF 处理CH排放通量峰值（2016—2020 年分别为78.3、79.9、72.5、70.8、60.3 mg·m·h）和持续时间等均高于CK、CF 处理。与MF 处理相比，MFW 处理下2016、2017 年和2019 年第一个CH排放高峰期提前衰减，2018年和2020年的衰减速率增加。

图1 不同处理水稻生长期CH4的排放通量Figure 1 CH4 flux under different treatments during rice growing season

2.2 不同处理下各时期CH4排放量及累积排放总量

CF 和CK 处理间各年CH累积排放总量无显著差异（图2）。MF 处理CH累积排放总量的范围为542～658 kg·hm·a，年排放量较CK 和CF 处理分别增加了156%～231%和133%～196%，表明与传统单施化肥相比，翻压紫云英显著增加了稻田CH的排放。MFW 处理CH累积排放总量的范围为455～531 kg·hm·a，年排放量与MF 处理相比显著下降了16.2%～28.5%（＜0.05），表明优化后的水分管理措施能有效减少翻压紫云英后稻田的CH排放，但其累积排放总量仍然偏高。

图2 不同处理各时期CH4排放量及累积排放总量Figure 2 CH4 emissions in different periods and total cumulative emissions under different treatments

在不同时期的排放量方面，与CF 处理相比，MF处理导致烤田前CH排放量增加148.7～250.9 kg·hm，烤田期增加41.7～69.5 kg·hm，烤田后增加50.5～129.1 kg·hm，分别占累积排放总量增幅的43.3%～73.1%、12.1%～19.1%和14.7%～37.6%，说明翻压紫云英导致CH排放增加的主要阶段为烤田前期，也表明该时期具有一定的减排潜力。MFW 处理的烤田期多出5 d，但与MF 处理相比，MFW 处理2016、2017、2020 年烤田期的CH排放量无显著变化，而2018 年和2019 年仅分别增加了16.3 kg·hm和16.5 kg·hm，说明尽管优化水分管理后烤田期时间延长，但是这一时期的CH排放量并没有大幅增加；MFW处理增加的烤田时间被前置到烤田前，致使原本的烤田前期缩短了5 d，烤田前期的CH排放量相较于MF 处理减少了73.6～102.7 kg·hm；烤田后期CH排放量较MF处理减少了32.8～89.9 kg·hm；烤田前和烤田后两个时期的CH排放减少量分别占累积排放总量降幅的56.8%～81.0%和34.2%～49.9%，说明优化排水烤田措施主要在这两个时期减少了紫云英翻压稻田的CH排放，其中烤田前的贡献更大。

2.3 不同处理下水稻产量及其稳定性和可持续性

由表2 可知，CF 处理5 a 的水稻产量均显著高于CK 处理（＜0.05）。相较于CF 处理，2016、2017 年MF处理水稻产量未出现显著变化，而2018、2019、2020年则分别显著增加了6.85%、10.25%和9.79%（＜0.05），说明持续翻压紫云英对水稻有一定的增产效果。所有年份中MFW 和MF 两个处理的水稻产量均未呈现显著差异，表明在同样翻压等量紫云英下，与传统排水烤田相比，优化后的水分管理措施并未影响水稻产量。

表2 不同处理水稻产量（kg·hm-2）Table 2 Rice yields under different treatments（kg·hm-2）

为研究不同处理对水稻产量稳定性和可持续性的影响，本研究统计后计算得出各处理的产量及（表3）。4 个处理中CK 的值最高、值最低，说明不施肥处理的水稻产量稳定性和可持续性差。MF 处理的值明显低于CF 处理，而值高于CF处理，说明与传统单施化肥相比，翻压紫云英不仅能够增产，还具有稳产的效果。与MF 处理相比，MFW处理的值稍有增加，值略有减少，但是仍明显优于CF处理。

表3 不同处理水稻产量变异系数和可持续性指数Table 3 CV and SYI values of rice yield under different treatments

3 讨论

3.1 紫云英还田对CH4排放的影响及潜在机制

本研究的稻田CH排放通量变化规律与前人研究结果相似。稻田CH排放是由CH产生、氧化消耗和传输释放3 个过程共同作用的结果，而传输释放的途径可分为土壤直接排放和植株通气组织排放，其中通过植株释放的CH不容忽视。本研究中第一个CH排放峰值出现在分蘖期末期，可能是因为水稻移栽后的淹水措施为产甲烷菌创造了良好的厌氧环境，而水稻分蘖期通气组织发育完全、通气性强，促进了CH的排放。第二个排放通量峰值出现在成熟期前，可能是因为水稻植株的根系腐殖物质为土壤中产甲烷菌提供了大量的产甲烷基质。

本研究5 a 的田间试验显示，在水稻的实际种植过程中翻压紫云英有增加稻田CH排放的风险，这一结论与其他研究结果一致。如KIM 等的研究表明紫云英还田配施化肥处理相较于传统施化肥处理会增加63%的稻田CH排放量。ZHOU 等通过盆栽试验发现，紫云英还田处理水稻生长期CH排放量为单施化肥处理的2.7倍。

本研究中，紫云英还田增加CH排放的潜在机制可能是该措施影响了土壤产甲烷菌及其生长环境。有研究指出紫云英翻压增加了外源有机碳的输入，并且在其未被彻底分解的条件下，其会为产甲烷菌提供丰富的产甲烷基质，从而使得稻田CH排放量增加。MA 等发现紫云英还田增加了产甲烷菌相对数量，影响根际微生物群落结构，进而促进了稻田CH排放。另外，紫云英还田增加了稻田有效态碳源和氮源，提高了微生物活性，进而加速土壤氧的消耗并降低土壤氧化还原电位，为CH的产生创造了适宜的环境条件。

在CH排放的年际差别方面，连年施用生物质可能会提高土壤有机碳含量，从而增加土壤本底的CH排放。如CHEN 等通过连续3 a 的田间试验发现，稻草还田处理下稻田的CH排放量处于逐年递增状态。而本研究中连续5 a翻压紫云英处理并未出现上述情况，可能是因为秸秆还田对土壤有机碳的累积效果优于翻压紫云英。吴红玉等的研究指出，相比单施紫云英，紫云英配施秸秆处理对稻田土壤活性有机碳和有机碳的增幅更加明显。然而另外一项持续时间更长（7 a）的研究表明，紫云英配施化肥处理能够显著增加土壤溶解性有机碳含量，因此对于持续翻压紫云英是否会通过积累土壤有机碳进而增加CH年累积排放量，还需要继续开展相关试验予以观测。

3.2 水分管理对稻田CH4排放的影响及潜在机制

中期排水烤田为传统的稻田农艺措施，有研究表明，与持续淹水相比，中期排水烤田能减少稻田CH排放。如LIU 等通过Meta 分析研究了季中排水对CH排放的影响，结果发现中期排水减少了52%的CH排放。本研究中各处理组的CH排放在分蘖后期出现明显的衰减趋势，这应该是受中期排水烤田的影响。其内在机制可能为：一方面排水烤田增强了稻田土壤通透性，提高了土壤氧化还原电位，破坏土壤极端还原状况，影响了产甲烷菌的数量或活性，进而抑制CH的形成。如有研究通过分析相关功能基因发现烤田抑制了产甲烷菌的生长。另一方面，O进入土壤，使CH氧化的潜力增强。如吴讷等研究发现相比全生育期淹水，干湿交替处理能够改变甲烷氧化菌的群落结构，增加CH消耗能力。

传统中期排水烤田多在分蘖末期开展，而此时稻田CH排放已达到一定的强度，为进一步削减其排放量，本研究尝试适当提前并增加烤田时间。从CH排放特征和排放总量的结果分析可知，在传统中期排水烤田的基础上适当提前并增加烤田时间能够有效降低CH排放。需要指出的是，本研究在烤田阶段的CH采样频次偏低，一定程度上降低了CH总排放量评估的精确性，后续研究应加以改善。种植紫云英等绿肥可以改善稻田氮循环，降低氮素流失引发的环境风险，而本研究中翻压紫云英增加了CH排放（MF处理对比CF处理），尽管通过优化水分管理时机减少了部分CH排放（MFW 处理对比MF 处理），但是CH排放量仍然较高。因此为了充分发挥紫云英的绿色生态效应，应综合采用其他措施，如筛选CH排放低的水稻品种、通过养分管理减少产甲烷菌的营养基质、改善土壤性状（如Eh、pH、土壤质地、温度、湿度等）及采用合适的栽培耕作制度（如少耕或免耕、适当降低栽插密度、冬季排水种植旱作作物等）。

自CAI 等首次指出稻田CH和NO 的排放存在消长关系（trade-off，即两者呈负相关）后，陆续有研究证明了这一观点。王永明等发现间隙灌溉在降低CH排放的同时提高了NO 的排放量。本研究的水分管理措施在减少CH排放的同时，可能会通过影响硝化-反硝化作用增加NO排放。多项研究指出尽管中期烤田增加了NO 排放，但是与持续淹水相比，中期烤田对稻田CH的减排效应远大于对NO 排放的促进效应，因此能够有效降低稻田温室气体的全球增温潜势（GWP）。

3.3 紫云英翻压和水分管理对产量的影响

紫云英还田是一种为作物提供养分、保障粮食产量的传统农艺措施。张成兰等通过10 a 的田间试验研究了减量化肥配施紫云英对水稻产量的影响，结果指出紫云英还田能明显提高水稻产量、肥料贡献率和产量稳定性等。CHEN 等研究发现紫云英还田能显著增加早稻和晚稻产量。本试验中紫云英还田的前两年（2016、2017 年），其水稻产量较CF 处理无差异，从研究的第3 年开始翻压紫云英才表现出显著的增产效果，这与唐杉等的研究结果基本一致。紫云英对水稻的高产、稳产效应，与其具有增加土壤肥力、改善土壤理化性质、减少稻田养分损失、改善与养分循环相关的微生物及酶活性等特点有关。

选择合适的排水烤田时机，除了要考虑CH排放规律，还应考虑水稻对水分的敏感度。如TOWPRAYOON 等在水稻抽穗期进行一次排水烤田，尽管CH排放量减少27%，但是水稻减产6.9%。本研究中，相较于传统排水烤田的MF 处理，优化后的水分管理措施在不影响产量的基础上减少了16.2%～28.5%的CH排放量，为提高绿肥紫云英的环境效益提供了一种有效的方法。在其他地区选择合适的水分管理措施时，还需综合考虑CH排放规律、土壤湿度和气候等因素。