长江中下游地区排水对稻麦轮作系统N2O排放以及产量的影响

何 昊, 李丹丹, 吴 泽, 张天成, 潘非凡, 杨书运,2*

(1. 安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036；2. 农业农村部合肥农业环境科学观测实验站，合肥 230036)

氧化亚氮（N2O）是温室气体的重要来源之一，在20 年和100 年的时间尺度上，其持续全球变暖潜势分别为CO2当量的250 倍和270 倍[1-2]。大气中约60%的N2O 来源于农业活动，农田土壤的排放在其中占据主要的地位[3]。水稻和小麦是主要的粮食作物，二者生产总量占中国粮食总产量的56.74%[4]，在农业生产中，稻麦轮作作为一种典型的水旱轮作模式，在东亚、南亚等水稻产区被广泛应用[5-6]。然而水稻种植过程中常伴随着干湿交替，并且施肥、降雨影响麦地土壤氮素水平，刺激土壤中硝化与反硝化细菌的活性，进而产生大量N2O 的排放，因此研究稻麦轮作农田土壤N2O排放的潜在影响因素至关重要[7-8]。

长江中下游地区水热资源丰富，是中国稻麦主产区，冬小麦在冬闲季节种植，通过轮作，充分利用冬季农田的最大效益，此地区采用稻麦轮作种植模式面积约为1 300 万hm2[9]。其中，巢湖地区地处北半球亚热带核心位置，同时是中国南北气候区的过渡带与分水岭代表地区之一[10]。圩区是指在平原河堤网或一些低洼地区四周筑堤，防止外水流入的区域，主要分布在长江流域，特点是河网密布、土壤耕作层较浅、地下水水位较高，易发生洪涝灾害[11-12]。中国东部亚热带地区广布低地圩区，水热资源丰沛，是传统农业生产聚集区，大面积低地圩区广泛用于稻麦轮作的种植，然而，这种模式包括灌溉稻田和旱地麦田，对于整个轮作系统的温室气体排放量难以计算。

研究表明，在整个稻麦轮作系统中，水稻季前（小麦季）的水分管理会影响整个轮作系统温室气体的排放量[13]。淹水水稻土是全球CH4的重要来源，农业生产中主要通过水和残留物来控制CH4排放量，然而使用季中排水来减少CH4排放时，N2O的排放量往往会增加[14-16]；杨小兵等研究表明，在冬小麦生育期内，农田排干控水措施可显著增加N2O 排放量[17]；此外，Cai 等研究表明，稻田N2O的排放通量在淹水时很低，但在淹水消退初期达到峰值，在中国西南地区冬季涝田采用控水方法，可有效降低稻田土壤N2O 的排放量[18]；Hadi 等研究间歇性排水对于稻田温室气体排放的影响，证实了排水可有效降低日本以及印度尼西亚稻田全球增温潜能（GWP），平均减少比例约为37%[19]。关于排水对温室气体影响的研究多局限于单一的稻田或麦地，对于整个稻麦轮作系统N2O 排放缺乏相关的研究，并且由于圩区农业种植区特殊的地势，有必要对于农田土壤N2O 排放机制进行深入的探讨。为探索稻麦轮作模式下降低GWP 的可行方案，本试验以巢湖圩区稻麦两熟农田为研究对象，对N2O 排放量进行持续监测。设计了两个易于实施的冬小麦开沟处理和一个控制处理，此外，主要分析了土壤含水量、5 cm 地温和土壤理化性质等对N2O 排放的影响以及排放机制，探索适用于中国东部稻麦轮作的减排增效技术。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区域位于安徽省巢湖市烔炀镇唐嘴村（31°39′57″ N，117°40′48″ E），海拔17 m，属亚热带湿润性季风气候区。年平均降雨量1 358.3 mm，平均气温16.8 ℃，全年无霜期为247 d，日照时数2 106 h，土壤有机质含量为23.64 g·kg-1，pH 值为6.18，全氮含量为1.30 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验于2019—2020 年进行，采用稻麦轮作种植模式，供试水稻和冬小麦品种分别为徽良优996 和扬麦16。设置3 个麦季处理：常规处理（CG）、浅沟排水处理（CQ，田内畦沟、腰沟、田边沟深度分别为20、25 和35 cm）和深沟排水处理（CS，田内畦沟、腰沟、田边沟深度分别为30 cm、40 cm、45 cm）。每个处理3 个重复，共计9 个小区，每个小区面积为30 m2（4 m × 7.5 m）。田外大沟深60 ～80 cm，畦沟间隔3 m，小区内沟与沟相通，横沟与田外沟渠相通。在生育期定期进行病虫害防治并清除杂草，确保稻麦正常生长。

尿素、过磷酸钙和氯化钾分别作为N 肥、P 肥和K 肥，稻麦两季施肥方式相同，而施肥量有所不同，具体施肥方式及施肥量见表1。

表1 稻季和麦季施肥方案Table 1 Fertilization measures in rice- winter wheat growing seasons (kg·hm-2)

1.3 温室气体的采集以及测定

采用“密闭静态箱-气相色谱”法进行温室气体的监测，箱体均由透明有机玻璃（厚度为5 mm）制成，规格分别为 50 cm×50 cm×60 cm 和50 cm×50 cm×120 cm，前者有顶盖，后者上下贯通，作物植株高度不足60 cm 采用前一种箱体，高度超过60 cm时使用两层箱，箱体之间有水槽，采样时注入一定量的水以保持箱体内密封。常规气体采样于每日上午9:00—12:00 进行，共采集4 次采集间隔时长10 min，每次取样60 mL。小麦季的采样频率为每周1次；水稻生长期间根据天气情况进行调整，施肥、追肥、烤田时进行每2 天一次的加密采集，平均采样频率为每3 天一次。

采集的气体样品在 24 h 内用气相色谱仪（Bruker450-GC）对N2O 浓度进行测定。利用Nl63ECD 检测器，检测条件为：检测器温度300 ℃，氮气流量300 mL·min-1。N2O排放通量计算公式如下：

式中：F代表排放通量，单位为μg·m-2·h-1；ρ代表标准状态下N2O 的密度，单位为1.25 kg·m-3；V代表箱内有效体积，单位为m3；A代表采样箱覆盖面积，单位m2；dc·dt-1指单位时间内采样箱内N2O 浓度变化，单位为nL·L-1·h-1；T为箱内温度，单位为K。

1.4 温室气体排放强度的测定

为分析不同耕作方式和麦季不同深度挖沟排水方式对作物产量的实际影响效果，在作物成熟之后进行了小区测产工作，取3 组重复小区经济产量的平均值（yield, Y）。

本研究中，根据IPCC 2013 报告计算方法[20]，以298 作为N2O 在100 年时间尺度上的全球增温潜势（global warming potential, GWP）, 计算N2O 在一定时间内的 CO2排放当量（carbon dioxide equivalent, CDE, 单位：kg, 以CO2计）；根据温室气体排放强度（greenhouse gas intensity, GHGI）定义，计算GHGI，单位kg·kg-1(CO2-Eq)。计算方法如以下公式所示：

综合温室效能（global warming potential，GWP）＝N2O 累积排放量×298

温室气体排放强度（greenhouse gas intensity，GHGI）＝GWP·Y-1

1.5 土壤理化性质的测定

采用HW 型土壤温度自动记录仪测量5 cm 土壤地温。此外，参照《土壤农化分析》的方法进行土壤理化性质的测定与分析[21]，采取的土样深度为0～20 cm，其中：土壤pH 采用电位法进行测定；土壤含水量的测定采用铝盒烘干法；土壤有机质测定采用重铬酸钾-硫酸氧化法；铵态氮和硝态氮的测定采用流动注射仪；全氮含量采用凯氏定氮法进行测量。

1.6 数据处理与分析

利用Excel 2016 软件进行数据处理，Origin 2017软件进行作图，采用 SPSS 22.0 软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对N2O 排放的影响

由图1 可知，与CG 相比，CQ 与CS 处理的N2O 排放通量季节变化大致相同。在冬小麦生育中后期存在多个峰值，且均出现在施肥后，而在水稻种植中期存在较高N2O 的排放量。在小麦季， CG、CQ 和CS 的N2O 累积排放量为0.91、0.83 和0.82 kg·hm-2，CQ 与CS 处理存在显著减排效果，但在某些时期，CQ 和CS 的N2O 通量高于CG。相比之下，在水稻季，开沟排水有效地减少N2O 的排放，CG、CQ 和CS 的N2O 累积排放量为1.37、0.93 和0.79 kg·hm-2，CQ 和CS 的N2O 通量显著降低32.41%与42.40%（P＜0.05）。

2.2 不同处理对N2O 温室气体排放强度的影响

在稻麦轮作种植系统中，稻田土壤N2O 排放量总体上高于麦地（表2），冬小麦季开沟控水可显著降低稻麦两季N2O 累积排放量。CG 处理下的水稻土是GWP 的主要来源，占整个稻麦轮作系统GWP的60.13%；相比CG，水稻季CQ、CS 处理每公顷分别减少132.31 和173.08 kg 的CO2当量，小麦季则分别减少21.93 和26.18 kg 的CO2当量。

表2 各处理对稻麦两季平均产量和相应的GWPTable 2 Effects of each treatment on the yield (kg·hm-2) and GWP (kg·kg-1) (CO2 -Eq) of rice-wheat rotation system

排水试验提高了水稻和小麦的经济产量，但差异并不显著。与CG 相比，CQ 和CS 处理的水稻产量分别提高了1.67%和2.31%，小麦产量分别提高了5.17%和1.02%。此外，GHGI 可以反映不同处理对作物产量和温室气体排放的综合影响，在水稻季节，CQ 和CS 的GHGI 分别显著下降了33.52%和43.70%；在小麦季，GHGI 则分别显著下降了12.62%和10.59%（P＜ 0.05）。

2.3 不同处理对5 cm 地温以及相关土壤理化性质的影响

在稻麦轮作种植系统中，水稻季的5 cm 地温明显高于小麦季，各处理5 cm 地温变化趋势大致相同（图2）。其中，开沟控水对小麦季5 cm 地温影响并不显著，CG、CS 和CQ 的温度累积分别为316.25、324.65 和335.17 ℃；然而在水稻生育中后期，开沟排水降低土壤温度效果最为明显，与CG 相比，CS和CQ 的降幅分别为10.40 %～18.21%与11.14%～13.13%。

由图3 可得，在小麦季，控水处理可提高土壤pH 值，并且降低土壤含水量和有机质含量。各处理变化趋势大致相同，CS 和CQ 处理可使土壤pH 上升，而有机质含量则为下降，土壤含水量变化较复杂但总体呈下降趋势。其中，CG、CS 和CQ 处理的土壤pH 值变化范围分别为5.89～6.18、5.97～6.27 和5.95～6.19，土壤含水量分别为22.13%～27.21%、19.92%～23.68%和17.24%～ 25.87%，土壤有机质含量分别为28.15～32.12 g·kg-1、19.98～28.57 g·kg-1和19.85～28.32 g·kg-1。

2.4 不同处理对土壤氮素含量的影响

开沟控水处理明显降低了小麦季土壤硝态氮、铵态氮以及全氮含量，各处理土壤氮素水平变化幅度较大并且趋势大致相同（图4）。纵观冬小麦全生育期，土壤氮素含量峰值较为明显，均出现于施肥后。CG、CQ 和CS 处理的土壤硝态氮含量平均值分别为（1.82±0.12）、（1.44 ± 0.18）和（1.45 ± 0.15） mg·kg-1，土壤铵态氮平均值分别为（36.12 ± 12.43）、（28.61 ±8.73）和（28.84 ± 9.03）mg·kg-1，土壤全氮平均值分别为（1.82 ± 0.12）、（1.44 ± 0.18）和（1.45 ± 0.15）g·kg-1，总体上看，CQ 和CS 减少土壤氮素含量均达显著水平，而CQ 和CS 之间无显著差异（P＞ 0.05）。

2.5 土壤理化性质与N2O 排放量的相关性分析

由表3 可得，各处理中，5 cm 地温、土壤含水量以及土壤氮素水平均与土壤N2O排放量均呈显著或极显著相关关系，而CQ 与CS 处理中土壤pH 值与N2O 排放量呈现负相关且无显著相关性。总体上看，各处理中，土壤含水量与N2O 排放量相关性最高（0.498～0.537）；其次为土壤全氮含量（0.479～0.541）、土壤铵态氮含量（0.436～0.512）和土壤硝态氮含量（0.373～0.407）。

表3 土壤因素与土壤N2O 排放通量的相关性分析Table 3 Correlation coefficients between soil physical and chemical properties and N2O emission

3 讨论与结论

巢湖流域地处长江中下游核心区域，本研究对稻麦轮作N2O 排放通量进行持续监测，分析不同麦季排水对于长江中下游低地圩区稻麦轮作农田温室气体排放以及产量的影响，所得结果对该地区稻麦两熟制种植区具有参考价值。结果表明开沟排水能够实现稻麦轮作农田GWP 的减少，并且保证了水稻和小麦的产量，因此温室气体排放强度有所降低。

本研究中，麦季开沟排水能够有效增加土壤pH值，CQ 和CS 的分别由5.97、5.93 提升至6.22 和6.17，进而降低土壤N2O 排放量，土壤pH 与N2O排放量呈正相关，这与相关研究结果一致[22-23]。巢湖圩区土壤偏酸性，增加土壤pH 会提高土壤反硝化速率，反硝化主要产物为N2，并促进 N2O 还原为N2，N2O 产生与排放量较低[23]。农业土壤的水分含量多在田间持水量以下，研究发现N2O 排放量与土壤水分含量成正相关[22,24-25]。由于低地圩区地下水位较高，土壤含水量较大，利用麦季开沟排水措施可显著降低麦地土壤含水量，促进O2向土壤中扩散，厌氧条件逐渐削弱并抑制反硝化作用, N2的比例逐渐增加因此N2O 的排放量降低。郑欠等利用同位素示踪法研究得出，高含水量土壤排放到外界环境的N2O 绝对量也越高, 这与本研究结果一致，表明控制土壤水分可有效减缓N2O 排放[26]。

土壤有机质为土壤的呼吸作用提供反应基质，造成土壤缺氧条件，利于反硝化过程产生N2O[27]。开沟排水显著影响有机质含量, 且浅沟和深沟处理趋势大致相同，N2O 排放量也随有机质含量的降低而降低。与CG 相比，在稻麦生长季内，CQ 和CS处理在一些时期提高了N2O 排放量，这是由于开沟排水影响土壤中的氧气含量，加速了有机质的分解与矿化过程，在土壤形成部分厌氧区域，当土壤在好氧和厌氧交替状态下，其适度的O2浓度尤其利于硝化反硝化过程中产生N2O[27-28]。此外，硝化作用微生物活动的适宜温度范围为25～35 ℃，反硝化微生物所要求的适宜温度为30～67 ℃；总体而言，土壤N2O 的排放速率随土壤温度升高而增加，并且在20～40 ℃之间N2O 这种相关性更为强烈[29-30]。本研究发现，麦季开沟控水处理在冬小麦生长前期可降低5 cm 地温，这是由于土壤孔隙度的增加，氧气易进入，促进了水分的蒸发；然而在冬小麦中后期能够升高土地5 cm 的地温，是由于开沟控水降低土壤含水量，削弱了水分蒸发作用，有利于土壤的保温，适宜的温度有利于硝化以及反硝化细菌的活性，因此促进N2O 的排放[31-32]。

土壤氮素水平被认作是影响土壤N2O排放的关键因素，通常N2O 排放通量与土壤硝态氮和铵态氮含量均呈现正相关关系[22]。巢湖圩区地下水位较高，开沟排水改善了土壤的通气状况，减低土壤含水量，显著降低了麦田土壤氮素水平，且土壤氮素变化较为稳定。研究认为，由于铵态氮的氧化速率快于矿化速度，如果此时存在一定的O2供应，可促进亚硝酸态氮氧化成硝态氮, 进而降低N2O 生成量[33-34]；Stevens 等研究表明，尽管土壤硝态氮含量对反硝化速率影响较小，但仍显著增加N2O排放量，提高土壤pH 和控制硝态氮含量可有效减少N2O 排放，这与本研究结果相同[35]。麦田N2O 排放与土壤中全氮含量规律相一致，进一步说明了0～20 cm 土层是低地稻麦轮作田氮素转化过程的重要区域。但由于后期土壤N2O 排放的绝对量较低，氮素水平对其贡献有限，需要更进一步的持续监测以阐述N2O排放的机制。降雨对于农田土壤氮素流失也存在一定的影响[36]。发生降雨后，旱地麦田土壤含水量得以调节，促进了干湿交替进程；此外，土壤水分作为溶质载体可改变土壤铵态氮和硝态氮含量，以上过程均可进而影响N2O 排放量[37]。

麦季开沟排水可显著降低稻麦两季N2O累积排放量，保证水稻和小麦的经济产量的稳产增产，稻麦两季的温室气体排放强度下显著下降（P＜ 0.05）。

排水处理对小麦季5 cm 地温影响并不显著，然而在水稻生育中后期，开沟排水降低土壤温度效果最为明显。在小麦季，控水处理可提高土壤pH 值，并且降低土壤含水量和有机质。

开沟排水降低了小麦季土壤硝态氮、铵态氮以及全氮含量，并且土壤氮素水平变化趋势更为稳定。