不同耕作施氮处理对稻田N2O 通量和田面水中无机氮的影响

吴庆峰，郑佳舜，肖 未，李伏生

（广西大学 农学院，南宁 530004）

0 引 言*

【研究意义】氧化亚氮（N2O）是仅次于二氧化碳和甲烷的主要温室气体[1]。稻田生态系统是N2O 排放源之一[2]，施用氮肥主要是通过影响稻田土壤与水中无机氮质量浓度等进而影响N2O 排放[3]，耕作方式通过影响稻田土壤温湿度、土壤养分状况和水中无机氮的迁移等影响N2O 排放[4]，因此，研究不同耕作施氮处理下不同生育期施用氮肥对稻田N2O 排放和田面水中无机氮的影响以及稻田N2O 通量与田面水中无机氮质量浓度之间的关系，对指导不同耕作方式下水稻施用氮肥有重要作用。【研究进展】尿素施用后田面水中质量浓度在施用氮肥后约50 h 内随时间呈指数增加，最高可增至40.50 μg/mL，之后又随时间呈指数递减的趋势，尿素施用量越高，同一时期内质量浓度越高[5]。吕耀[6]研究发现，随着施氮量的增加，稻田渗漏液和田面水中的硝态氮质量浓度增加。马永跃[7]研究发现，在水稻移栽初期，氮肥作基肥施用增加土壤及水中的无机氮质量浓度，导致稻田N2O 通量上升，最高由-15.50 μg/（m2·h）上升至82.50 μg/（m2·h），并出现排放峰；但秦晓波等[8]认为晚稻氮肥作基肥施用及追施氮肥均会导致稻田N2O 排放降低。耕作方式对田面水无机氮和稻田N2O 排放影响的研究发现，免耕处理稻田田面水中无机氮质量浓度始终比旋耕处理高，氮素流失的风险更高[9]，粉垄整地配施绿肥和化肥对稻田N2O 减排有积极作用[10]，而免耕和秸秆覆盖还田对稻田N2O排放有显著的促进作用[11]。【切入点】目前，不同耕作方式和施氮对稻田N2O 排放和水中无机氮的影响已有研究，而不同耕作方式下不同时期施用氮肥对稻田N2O 排放和田面水中无机氮的影响以及田面水中无机氮质量浓度对稻田N2O 通量的影响尚不清楚。【拟解决的关键问题】因此，开展不同耕作方式和施氮量的双季水稻田间试验，分析不同时期施用氮肥对田面水中无机氮质量浓度的影响，揭示不同时期施用氮肥后田面水中无机氮质量浓度对稻田N2O 通量的影响，为稻田温室气体排放研究以及广西水稻生产管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况和供试材料

双季水稻大田试验于2021 年3—11 月在南宁市灌溉试验站（N 22°52′58.33″，E 108°17′38.36″）进行。试验所用土壤为水稻土，土壤体积质量为1.55 g/cm3，有机质量为26.02 g/kg，pH 值为6.61，速效磷量为52.25 mg/kg，速效钾量为69.95 mg/kg，碱解氮量为87.73 mg/kg。试验期间月降水量和月均温度见图1，试验水稻品种“甬优4949”，为优良籼粳型三系杂交水稻品种。

图1 试验期间温度和降水量Fig.1 Temperature and precipitation during the experiment

1.2 试验方法

试验共设4 种耕作方式和2 个施氮量，4 种耕作方式分为免耕（T）、微耕（C）、旋耕（R）、粉垄（S），免耕指泡田插秧前不进行耕作处理，其他3种耕作方式使用机器分别为微耕机（正月1WG-6.3-105FC-Z）、旋耕机（柳州金禾1WGH-5.7）和轮式粉垄机（雷沃欧豹M2004-Q），耕作土层深度分别为7～15、15～20、30～50 cm；2 种施氮量分别为常规施氮N1：225 kg/hm2、减量施氮N2：150 kg/hm2。采用完全随机试验设计，共8 个处理，每个处理3 次重复，共24 个小区，小区面积为25 m2（5 m×5 m），小区之间用25～26 cm 厚、1 m 深的水泥墙隔开，以防小区之间水分相互侧渗，各小区独立灌水及排水。

供试肥料包括尿素（N 46.2%）、过磷酸钙（P2O516%）、氯化钾（K2O 60%），所有施氮处理P2O5用量为75 kg/hm2，K2O 用量为150 kg/hm2，各处理45%氮肥、100%磷肥作基肥，在插秧前2 d 直接施入土壤中。余下55%氮肥在分蘖期和抽穗期各追肥40%和15%。钾肥在分蘖期和抽穗期各追肥60%和40%。

早稻于3 月9 日育秧，3 月30 日氮肥作基肥施用（以下简称基肥），4 月1 日选取长势良好且均匀的秧苗插秧，株行距均为20 cm，每穴2 苗。当每丛茎蘖数达到14 个时排水晒田8 d，促进根系下扎。4 月9 日分蘖期施用氮肥（以下简称蘖肥），5 月17 日晒田，5 月24 日复水至浅水层，5 月25 日孕穗期施用氮肥（以下穗肥），7 月11 日收获水稻，早稻全生育期为100 d。

晚稻于7 月7 日育秧，8 月2 日施用基肥，8 月4日选取长势良好且均匀的秧苗插秧，株行距均为20 cm，每穴2 苗。当每丛茎蘖数达到14 个时排水晒田8 d。8 月20 日施用蘖肥，9 月19 日晒田，9 月26 日复水至浅水层，9 月27 日施用穗肥，11 月9 日收获水稻，晚稻全生育期为97 d。

两季水稻各小区田间水分管理一致，水稻移栽返青期保持20 mm 水层，分蘖期到乳熟期田间均保持30 mm 水层，分蘖末期落水晒田1 周，水稻黄熟期自然落干。

1.3 样品采集和测定

1.3.1 水样采集及无机氮的测定

稻田田面水样于每次施氮后的1、3、5 d 采集。3 月30 日早稻施用基肥，3 月31 日、4 月2、4 月4日采样测定。4 月9 日施用蘖肥，4 月10、12、14 日采样测定。5 月25 日施用穗肥，5 月26、28、30 日采样测定。8 月2 日晚稻施用基肥，8 月3、5、7 日采样测定。8 月20 日施用蘖肥，8 月21、23、25 日采样测定。9 月27 日施用穗肥，9 月28、30 日、10月2 日采样测定。稻田田面水根据5 点取样法，用20 mL 注射器吸取稻田表层水分并转移至取样瓶中，每瓶样品量为100 mL。过滤后的渗漏液和田间水通过德国Bran+Luebbe 连续化学流动分析仪AA3 测定亚硝态氮、硝态氮、铵态氮质量浓度。

1.3.2 稻田N2O 气体采集及测定

在采集田面水样同时，用静态封闭箱法采集稻田（包括植株和土壤）N2O 气体。静态箱箱体由厚5 mm的透明亚克力材料制成，箱体为直径25 cm、高100 cm的无底圆柱体，四周和顶部封闭，底部开口并带有锯齿状，箱内安装风扇。取样时静态箱垂直插入土壤中，以防箱子和地面的接触处漏气，保证箱内气体与大气不进行交换。采样前将箱内风扇打开，以保持气体均匀混合，采气孔位于采样箱顶部。采样时刻为09:00—11:00，同时记录箱温和气箱有效高度。每个采样点在盖箱后10、20、30、40 min 时用注射器采样，每次样品量为20 mL。

各处理稻田N2O 浓度使用美国Aglient7890A 气相色谱仪中的电子捕获检测器（ECD）测定。以单位时间内通过单位面积的N2O 质量浓度变化计算N2O通量，计算方法参照刘靖雯等[12]的方法进行。

1.4 数据分析和处理

利用Microsoft Excel 2010 进行数据整理、作图；使用SPSS Statistics 20.0 进行数据分析：用Duncan法进行多重比较（P<0.05），比较各处理指标之间的差异是否显著；用Pearson 法分析稻田N2O 通量与水中无机氮质量浓度之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 稻田N2O 通量

图2 为不同耕作施氮处理下双季稻田N2O 通量的变化，图中BV 为试验开始前N2O 通量，BF 表示基肥，TF 表示蘖肥，EF 表示穗肥，下同。3 次施肥后的5 d 内，所有耕作方式下稻田N2O 通量峰值均是N1 水平＞N2 水平。早稻季施用基肥后1 d，所有处理稻田N2O 通量均降低。施用基肥5 d 内，CN1处理稻田N2O 通量呈逐渐降低趋势，最低值为-56.40 μg/（m2·h）。施用蘖肥后，免耕（T）、微耕（C）耕作方式N2O 通量呈先增加后降低的趋势。施用蘖肥后1 d 时，各处理稻田N2O 通量较低，除TN1 处理外均为负值，N2O 通量呈吸收状态；施用蘖肥后3 d时，各处理稻田N2O 通量大幅增加，免耕耕作方式稻田N2O 通量提高较快，2 个施氮量下，免耕耕作方式分别较微耕、旋耕（R）、粉垄（S）耕作方式分别提高31.8%～200.4%、76.6%～697.1%和47.0%～218.6%；施用蘖肥后5 d 时，TN2 处理稻田N2O 通量最低，为-24.13 μg/（m2·h），RN2 处理稻田N2O 通量始终为负值。施用穗肥后，免耕、微耕耕作方式稻田N2O 通量呈逐渐下降趋势，粉垄耕作方式呈先增加后降低的趋势。施用穗肥后5 d 时，各处理稻田N2O 通量在18.00～32.00 μg/（m2·h）之间。

图2 不同处理下双季稻田N2O 通量Fig.2 N2O fluxes from double-cropping rice field under different treatments

晚稻季施用氮肥后所有耕作方式下稻田N2O 通量都是N1 水平＞N2 水平。施用基肥后1 d，微耕、旋耕耕作方式稻田N2O 通量大幅增加。施用基肥后5 d内TN2 处理稻田N2O 通量最低（-61.71 μg/（m2·h））。施用蘖肥后，免耕耕作方式稻田N2O 通量呈逐渐降低趋势，微耕、粉垄耕作方式呈逐渐上升趋势。施用蘖肥后1 d 时，N1 水平免耕、微耕、旋耕、粉垄耕作方式下稻田N2O 通量分别较N2 水平对应耕作方式提高13.0%、6.1%、270.3%、132.1%。施用蘖肥后5 d时，TN2 处理N2O 通量逐渐降低，最低值为-7.89 μg/（m2·h）。施用穗肥后，除RN1 处理稻田N2O 通量逐渐上升外，其他处理稻田N2O 通量都呈逐渐降低的趋势。施用穗肥后1 d 时，各处理稻田N2O 通量出现峰值，N1 水平下，微耕耕作方式稻田N2O 通量较免耕、旋耕、粉垄耕作方式分别提高53.3%、102.2%和118.3%。施用穗肥后TN2 处理稻田N2O 通量逐渐降低，最低值为28.13 μg/（m2·h）。

2.2 铵态氮质量浓度

图3 不同处理下双季稻田田面水 质量浓度Fig.3 Ammonium nitrogen mass concentration in surface water of double-cropping rice field under different treatment

由图3 可知，晚稻季施用基肥后1 d 时，各处理田面水中的质量浓度较试验开始前提高153.5%～427.8%。施用基肥后3 d 时，各处理田面水中的质量浓度下降31.6%～91.6%。施用蘖肥后1 d 时，各处理田面水中的达到峰值。N1、N2 水平下，免耕耕作方式田面水中的质量浓度均最高；施用蘖肥后3 d 时，各处理田面水中的质量浓度快速下降，稳定在1.4～2.0 μg/mL。施用穗肥后1 d，免耕耕作方式下，N1 水平田面水中的质量浓度比N2 水平高54.3%。N1、N2 水平下，免耕耕作方式田面水中的质量浓度分别较微耕、旋耕、粉垄耕作方式高64.0%～302.7%、10.0%～95.2%、13.3%～532.6%。施用穗肥后3～5 d 时，各处理田面水中的质量浓度趋于稳定。

2.3 硝态氮质量浓度

图4 不同处理下双季稻田田面水质量浓度Fig.4 Nitrate nitrogen mass concentration in surface water of double-cropping rice field under different treatments

2.4 亚硝态氮质量浓度

图5 不同处理下双季稻田田面水质量浓度Fig.5 Nitrous nitrogen mass concentration in surface water of double-cropping rice field under different treatments

2.5 稻田N2O 通量与田面水中无机氮质量浓度的相关性

由表1 可知，早稻季不同时期施用氮肥后1 d 时，稻田N2O 通量与田面水中的质量浓度极显著负相关，相关系数为-0.314，与田面水中的质量浓度显著正相关，相关系数为0.216；施用氮肥后3 d 时，稻田N2O 通量与田面水中的质量浓度极显著负相关，相关系数为-0.336；施用氮肥后5 d时，稻田N2O 通量与田面水中的质量浓度显著负相关，相关系数为-0.300。

表1 稻田N2O 通量与田面水中无机氮质量浓度的相关性Table 1 Correlation between N2O flux in paddy field and inorganic nitrogen mass concentration in field surface water

晚稻不同时期施用氮肥后1 d 时，稻田N2O 通量与田面水中的质量浓度极显著负相关，相关系数为-0.509；施用氮肥后3 d 时，稻田N2O 通量与田面水中的质量浓度极显著负相关，相关系数为-0.488，与田面水中的质量浓度显著正相关，相关系数为0.307；施用氮肥后5 d 时，稻田N2O 通量与田面水中的质量浓度极显著负相关，相关系数为-0.457，与田面水中的质量浓度显著正相关，相关系数为0.277。说明不同时期施用氮肥后1～5 d田面水中的铵态氮质量浓度会影响稻田N2O 排放。

3 讨 论

施用氮肥后稻田田面水中的无机氮质量浓度均发生显著变化[13]。本研究表明，施用基肥后，田面水中的质量浓度都较试验前提高153.5%～545.1%，质量浓度也有不同程度的提高，这与潘圣刚等[14]的研究结果相似。施用氮肥后1 d 时，田面水中的质量浓度达到峰值，主要是尿素水解形成的不会立即被土壤吸附，而会在水中暂时滞留[15]。施用氮肥后3～5 d 时，由于植物吸收和土壤胶体对铵态氮的吸附等原因，因而田面水中的质量浓度大幅降低，施用氮肥后的5 d 时，田面水中的质量浓度较施用氮肥后1 d 时下降74.6%～94.8%。耕作方式主要通过影响土壤孔隙度、透气性等影响重力水的下渗，从而影响田面水中无机氮的变化[16]。此外，4 种耕作方式下N1 水平田面水中的质量浓度均大于N2 水平，这表明高施氮量显著增加田面水中的质量浓度，这与前人[17]研究相似。本研究施用氮肥后的所有处理田面水中的质量浓度都较低。稻田田面水质量浓度在0.08～0.20 μg/mL，其由尿素水解产生的经硝化作用形成，淹水时硝化作用较弱，经水稻吸收、反硝化作用和氮素淋失等，田面水中质量浓度较低[18]。质量浓度不高于0.12 μg/mL，原因可能是转化为的速率比转化为的速率快，且在水中不稳定[19]。本研究表明，施用蘖肥和穗肥后，TN1处理田面水中的较其他处理高4.7%～532.6%，这可能是耕作土层深度较深有利于土壤胶体对的吸附[20]，从而导致微耕、旋耕、粉垄耕作方式下田面水中的质量浓度较免耕耕作方式低，同时免耕耕作方式下土壤透气性低，重力水的下渗较为缓慢，影响田面水中的向下迁移。同时，N1 处理田面水中质量浓度高。

本研究中氮肥作基肥施用后稻田N2O 通量都较低，各处理N2O 排放主要集中在施用蘖肥和穗肥后3 d。这主要是因为施入蘖肥，水稻分蘖增加，植株对养分的需要更多，根系微生物生长活跃，促进反硝化作用，导致N2O 排放增加[21]。施用穗肥前进行晒田，使得土壤水分条件对硝化细菌和反硝化细菌的生长繁殖较为有利，促进了稻田N2O 的排放，裴自伟等[22]也得到类似结果。施氮量越高，N2O 排放量越高[23]，本研究表明，3 次施肥后的5 d 内，各耕作方式下稻田N2O 通量峰值均是N1 水平＞N2 水平，晚稻季施氮后所有耕作方式下稻田N2O 通量都是N1 水平＞N2 水平，这主要是因为施用较高氮肥为土壤微生物活动产生N2O的过程提供较多的反应基质[24]，而减施氮肥可以减少硝化和反硝化作用的发生，所以减施氮肥更具有减排优势。耕作方式主要通过影响土壤温湿度、土壤性质和土壤养分状况等对N2O 排放产生影响。耕作方式改善了土壤理化性状[25]，增大土壤孔隙度，降低土壤温度并增加土壤湿度、水稳性团聚体，使得参与硝化作用的微生物数量增加[26]，与微耕耕作方式相比，粉垄耕作方式能在一定程度上降低N2O 排放。微耕耕作方式扰动表层土壤，虽然有利于土壤和大气之间的气体交换，但是会促进土壤有机质降解和N2O 排放[27]。本研究发现，在施用基肥、蘖肥、穗肥后，TN2 处理稻田N2O 通量较其他处理低，这可能是因为免耕表层土壤不受扰动，土壤水分迁移和氧气条件较其他耕作处理差，土壤中O2有效性和硝化作用降低[28]，使得N2O 排放有效减少，且减施氮肥有助于降低N2O 排放，这与赵国胜等[29]研究结果一致。

田面水中的无机氮也影响N2O 通量[30]。水体表面高质量浓度和共同通过富氮水环境的硝化作用和反硝化作用增加N2O 的产生[31-32]。本研究中均是不同时期施用氮肥后田面水中无机氮的主要形态，稻田N2O 通量与不同时期施用氮肥后1～5 d 田面水中的铵态氮质量浓度显著负相关，且田面水中的质量浓度较低，这说明不同时期施用氮肥后并不会增加稻田N2O 通量。

4 结 论

2）不同时期施肥后，免耕减氮处理稻田N2O 通量较低。

（作者声明本文无实际或潜在的利益冲突）