红壤稻田不同肥力水平和施氮量对早晚季甲烷排放的互作效应

贾震 付文涛 王海媛 陈金 曾勇军 黄山

（1 江西农业大学作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，南昌 330045；2 江西省农业科学院 土壤肥料与资源环境研究所，南昌 330200；3 井冈山红壤研究所/江西省农业科学院 井冈山分院，江西 吉安 343016；第一作者：380604391@qq.com；*通信作者：ecohs@126.com）

甲烷（CH4）是仅次于二氧化碳的全球第二大温室气体[1]。稻田是大气CH4的主要排放源之一，全球每年有17%的人类源CH4排放来自稻田[2-3]。南方双季稻区是我国重要的水稻种植区，约占我国水稻种植总面积的40%[4]。双季稻田淹水时间长，CH4排放强度大。因此，降低双季稻田CH4排放对我国农业实现“碳达峰、碳中和”战略意义重大[5-6]。土壤肥力与施氮量不仅影响水稻的生长发育，还与稻田CH4产生与排放密切相关[7-8]。前人研究发现，土壤有机质含量越高，CH4排放量也越多[9]。但也有研究认为，土壤有机质含量高低与CH4排放无显著关系[10]。一项Meta 分析发现，与不施氮处理相比，低施氮量处理（79 kg/hm2）的CH4排放量显著增加18.0%；而高施氮处理（249 kg/hm2）的CH4排放显著降低15.0%；中施氮处理（100~200 kg/hm2）对甲烷排放无显著影响[11]。在实际生产中，往往依据土壤肥力状况调整施氮量以达到水稻高产高效。施氮对水稻根系生长、分蘖、光合物质生产和分配的影响因土壤肥力不同有所差异。因此，二者可能间接影响稻田CH4的产生和氧化过程[12-13]。故笔者推测，土壤肥力与施氮量对稻田CH4排放可能存在互作效应。以往的研究侧重于土壤肥力或施氮量对CH4排放的单独效应，有关二者对稻田CH4排放的互作效应研究较少，特别是在双季稻系统。本研究在典型的红壤性双季稻田上，以土壤有机质含量筛选不同土壤肥力梯度田块，开展土壤肥力和施氮量的双因素田间试验，旨在探明二者对双季稻田CH4排放的互作效应，为双季稻田CH4减排提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021 年3—11 月在江西省进贤县江西省红壤研究所（116°20′24″N，28°15′30″E）开展。试验地属于亚热带季风湿润气候，平均海拔137.5 m，年平均气温17.7 ℃，日照时数1 900~2 000 h，年平均降雨量1 600~1 700 mm。试验地种植制度为双季稻，即早稻季（4—7月）、晚稻季（7—11 月）及冬闲季（11 月—次年4 月）。试验以土壤有机质含量作为参考标准，选取3 块不同土壤肥力梯度稻田作为试验地。土壤类型为第四纪黏土发育形成的红壤性水稻土，试验地耕层0~15 cm 土壤基本理化性状如表1。

表1 不同肥力土壤基本理化性质

1.2 试验设计

试验采用双因素裂区设计，以土壤肥力为主区，设低（FL）、中（FM）、高（FH）3 个梯度；以施氮量为裂区，设0、90、150、210 kg/hm2（分别记为N0、N90、N150、N210）4 个水平，共12 个处理。每个处理3 次重复，共36 个小区，每个小区面积50 m2。早稻供试品种为湘早籼45，晚稻为泰优871，早晚稻均采取大田水育秧。早稻3 月24 日播种，4 月23 日移栽，7 月14 日收获；晚稻6 月25 日播种，7 月23 日移栽，10 月13 日收获。早稻移栽规格25 cm × 14 cm、基本苗为每丛3 苗，晚稻移栽规格25 cm ×16 cm、基本苗为每丛2 苗，均采用人工移栽。以尿素、钙镁磷肥和氯化钾分别作为氮肥、磷肥和钾肥，其中磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）施用量均为75 kg/hm2。全部磷肥、50%的钾肥和50%的氮肥作基肥施用，20%的氮肥作分蘖肥施用，剩余50%钾肥和30%氮肥作穗肥施用。田间水分管理：水稻生育前期浅水灌溉，分蘖盛期排水晒田，后期采用干湿交替，直至水稻收获前10 d 左右自然排干。田间病、虫、草害等管理措施与当地高产田一致。此外，早、晚稻秸秆全量原位还田。

1.3 CH4 排放测定方法

采用静态暗箱（箱体由不锈钢板制成，规格为50 cm×50 cm×50 cm）-气相色谱法采集与测定田间CH4。自水稻移栽种植到成熟期，每7 d 采集1 次，采集时间为9∶00—11∶00，并在分蘖盛期对应加收1 次。在水稻小区内固定好静态暗箱凹槽底座与土面平齐，采气期间，保持凹槽内充满水以隔绝空气，分别在0、10、20、30 min 用50 mL 针筒采集箱内气体，多次抽取混匀后取50 mL 保存于真空气袋中，同时记录取样时间、箱体内温度变化及田间水层深度。将采集好的样品带回实验室用气相色谱仪（Agilent 7890B）测定。CH4由氢火焰离子化检测器（FID）测定。CH4测定时仪器具体参数设定参照文献[14]。

式中，F 为CH4排放通量[mg/（m2·h）]；ρ 表示标准状态下的气体密度（kg/m3）；h 为采气暗箱的净高度（cm）；dc/dt 为单位时间内暗箱内温室气体的排放速率；T 为采样箱内的平均温度（℃）；273 为气态方程常数。

1.4 数据处理

采用DPS V7.05 进行数据统计分析，采用最小显著性差异法（LSD）进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 土壤肥力和施氮量对CH4 排放通量的影响

从图1 可见，水稻移栽后，CH4排放通量逐渐增加，分别在水稻分蘖期与孕穗期达到峰值；在水稻生长后期，保持较低的排放量，直至收获。在低肥力稻田早、晚稻季CH4排放峰值表现为N90>N0，中肥力稻田晚稻季表现为N90>N0>N150，高肥力稻田早稻季表现为N0>N90>N210>N150，晚稻季表现为N210>N90>N150>N0。

图1 不同土壤肥力与施氮量对甲烷排放通量的影响

2.2 土壤肥力和施氮量对CH4 累积排放量的互作效应

从图2 可见，早稻季，中、高肥力稻田CH4累积排放量较低肥力稻田显著减少115.7%和32.4%。晚稻季，相比于低肥力稻田，中肥力稻田CH4累积排放量显著增加40.0%，高肥力稻田有增加，但差异不显著。与N0处理相比，早稻季CH4累积排放量在N90处理下显著增加36.0%，在N150、N210处理下分别显著降低32.9%和55.0%；晚稻季CH4累积排放在N90处理显著增加46.4%，而N150和N210处理与N0和N90处理无显著差异。

图2 土壤肥力和施氮量对双季稻甲烷累积排放的主效应

从表2 可见，低肥力条件下，与N0 处理相比，N90处理早稻季CH4累积排放量显著增加100.1%，而N150和N210处理表现出下降趋势，但与N0处理相比差异不显著。中肥力条件下，早稻季各氮肥处理间CH4累积排放量无显著差异。高肥力条件下，施氮量越多，早稻季CH4累积排放量越低，N150、N210处理较N0处理显著降低139.9%和166.5%。从表2 可见，土壤肥力与施氮量虽对晚稻季CH4累积排放无显著互作效应，但在中肥力条件下，与N0处理相比，N90处理CH4累积排放显著增加75.2%。从表2 可见，土壤肥力与施氮量对周年CH4累积排放量存在显著的互作效应。在低肥力条件下，与N0处理相比，N90处理周年CH4排放量显著增加82.8%，N150和N210处理与N0处理相比无显著差异；而在中、高肥力条件下，各施氮量处理间CH4排放无显著差异。

表2 土壤肥力和施氮量对双季稻甲烷累积排放量的互作效应（单位：kg/hm2）

3 讨论

YAGI 等[9]研究表明，土壤肥力提高，能促进CH4排放，这与本试验晚稻季的结果一致。笔者发现，在晚稻季，相比低肥力稻田，中、高肥力稻田的CH4排放增加。晚稻季的CH4排放峰值在水稻生长前期，此时水稻植株较小，故晚稻前期CH4排放可能主要受秸秆输入量和土壤有机质影响。土壤肥力越高，水稻产量越高，产生的秸秆量也越高。因此，中、高肥力稻田更高的秸秆还田量为晚稻季CH4的产生提供了更加丰富的碳源[15-17]。中、高肥力稻田较低肥力稻田土壤有机质含量高，而晚稻季的高温能加速土壤中有机质的分解以及增强碳矿化速率[18-19]，从而为CH4产生提供丰富的底物，故中、高肥力稻田CH4排放增加。此外，有研究表明，较高的土壤有机质含量加速了土壤中氧气的消耗，从而降低了土壤氧化还原电位[20]，为CH4产生提供更为严格的厌氧环境，由此促进了CH4排放。但笔者研究发现，土壤肥力升高减少了早稻季CH4的排放。早稻季的CH4排放峰值出现在水稻生长中期。故我们猜想早稻季CH4排放可能受水稻植株的影响更大。有研究表明，较高的生物量能促进根系的泌氧能力[21]。相比低肥力稻田，中、高肥力稻田水稻植株分蘖更多，根系更发达。发达的根系能向根际土壤输入更多氧气，从而增强CH4氧化过程。此外，发达的根系还能分泌大量的有机酸，而有机酸不仅能增加CH4氧化菌的数量，还能提高CH4氧化菌的活性，从而促进CH4的氧化[22]，减少CH4排放。

本研究表明，与不施氮相比，施氮90 kg/hm2时CH4排放增加，这与前人研究结果相似[23]。首先，施氮能促进水稻生长，从而增加土壤中植株残体和根系分泌物的数量[24]，为产CH4菌提供了丰富的氮源和碳源[25-26]。其次，稻田产生的CH4主要通过植株排放，适量施氮促进水稻生长，提高了水稻植株传输CH4的能力[27]。然而，本研究发现，当施氮量超过90 kg/hm2时，稻田CH4排放显著下降。研究发现，氮输入量过高会抑制土壤微生物活性，从而使水稻分泌物及脱落物的分解速率降低[28]，因此CH4产生所需的底物减少，从而减少了CH4的产生。此外，水稻生长对氮肥的响应随施氮量的增加而降低，特别是当施氮量超过植株需求时，稻田土壤溶液中剩余的NH4+促进CH4氧化，促使CH4排放减少[11,29-30]。

为什么土壤肥力与施氮量对早稻季CH4排放有显著的互作效应，而对晚稻季CH4排放却无显著的互作效应呢？这可能与本试验中早、晚稻季前茬秸秆的腐解程度有关，晚稻收获后还田的秸秆在经历整个冬闲期的分解后，不仅提高了土壤有机碳含量，还为早稻前期生长发育提供丰富的矿质养分[31]。丰富的有机碳和养分不仅促进了水稻生长，也为产CH4菌提供了丰富的底物，二者共同促进了CH4的产生。而早稻收获后还田的秸秆在晚稻生长前期并未腐解（早稻秸秆还田到晚稻移栽仅间隔2 周左右），且秸秆本身较高的碳氮比会固持土壤中的氮素[15]，抑制晚稻前期生长分蘖，不利于水稻根系发育和CH4氧化，同时也制约了氮肥对CH4产生的促进效应。此外，大量早稻秸秆还田为土壤提供了丰富的碳源，从而削弱了土壤有机质对晚稻CH4产生的促进作用[32]，导致晚稻CH4排放在不同肥力稻田中均随施氮量增加呈先增加后下降趋势。因此，土壤肥力与施氮量对早稻季CH4排放有显著的互作效应，而对晚稻季CH4排放无显著互作效应。为什么早稻季的低肥力和中肥力稻田CH4排放随施氮量增加呈先增加后下降趋势，而高肥力稻田CH4排放随施氮量增加一直呈下降趋势？这主要是因为低、中肥力稻田的土壤有机质和总氮含量较低，氮肥的施入加速了水稻的生长发育，为CH4产生提供了较多的底物，故促进了CH4产生；而随着氮肥施用量增加，CH4氧化菌数量增加、活性提高[33]，因此CH4排放降低。但是，在高肥力稻田中，施氮量对水稻生长的促进效应有限[34]，较高的土壤氮和外源氮促进了CH4氧化[35]，从而减少了CH4排放。

4 结论

与低肥力稻田比，中、高肥力稻田减少了早稻季CH4排放；而在晚稻季，中、高肥力稻田增加了CH4排放。与不施氮相比，施氮90 kg/hm2增加稻田CH4排放，而施氮150、210 kg/hm2则减少稻田CH4排放。在低、中肥力稻田上，早稻季CH4排放随施氮量呈先增加后降低的趋势；在高肥力稻田则一直呈下降趋势。土壤肥力和施氮量对晚稻季CH4排放无显著互作效应。因此，应因时因地施氮，以协同实现水稻丰产、氮肥高效和CH4减排。