晚稻施氮量對冬種紫云英生長季溫室氣體排放與土壤碳庫的影響

馬艷芹， 黃國勤

(1.江西外語外貿職業學院，江西南昌 330045； 2.江西農業大學生態科學研究中心，江西南昌 3300453)

農田土壤碳庫是衡量土壤肥力的一個重要指標，冬種綠肥還田、水稻秸稈還田、綠肥與氮肥配施等耕作方式均能直接向土壤輸送外源有機物，增加土壤活性有機碳含量[1]，提高土壤碳庫管理指數[2-6]。同時，土壤有機碳含量與全球的“溫室效應”密切相關[7]，綠肥作物覆蓋和翻壓后能夠顯著增加土壤有機碳含量，從而影響農田溫室氣體的排放[8]。紫云英是南方稻區重要的綠肥作物之一，具有較強的固氮能力，紫云英翻壓還田后，在一定程度上可替代后茬水稻生長所需的部分化學氮肥，減少氮肥用量，從而有效改善土壤理化性狀，提高土壤有機質含量和微生物含量，增加作物產量，提高稻米品質[9-13]。目前，關于水稻生長期內溫室氣體排放的研究較多[14-16]，對冬種綠肥生長季內的溫室氣體排放研究較少[17-18]，而對于晚稻季施肥對冬種綠肥生長季內溫室氣體排放研究尚未見報道。研究水稻栽培過程中的氮肥用量對紫云英生長季溫室氣體排放和土壤碳庫的影響，以及二者之間的相互關系，對于稻田節能減排具有重要意義。為更好地評價南方冬閑田種植紫云英的生態效應，本研究以冬閑處理為對照，初步探討了晚稻季施氮對紫云英鮮草產量、生長季的溫室氣體排放特征影響及冬種紫云英后的土壤碳庫特征，旨在更好地開發利用冬閑田和紫云英資源，為稻田節能減排提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

紫云英配施氮肥試驗始于2011年10月，生長季溫室氣體采集時間為2015年11月至2016年3月，試驗地點為江西省鷹潭市余江縣農業科學研究所試驗田(116°41′～117°09′E，28°04′～28°37′N)。試驗地屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫17.6 ℃，≥0 ℃以上的平均積溫為6 586.4 ℃，年降水量約 1 741 mm，無霜期258 d，太陽年輻射總量為 454.27 kJ/cm2，年平均風速為1～3.8 m/s。土壤多為泥沙淤積土。試驗開始時表層土壤(0～15 cm)有機質含量為 20.65 g/kg，全氮含量1.85 g/kg，全磷含量0.48 g/kg，堿解氮含量 151.00 mg/kg，有效磷含量59.76 mg/kg，速效鉀含量 38 mg/kg，pH值5.59。

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理：(1)處理A(CK)，晚稻季施氮量為 0 kg/hm2，冬季空閑；(2)處理B，晚稻季施氮量為0 kg/hm2，冬季種植紫云英；(3)處理C，晚稻季施氮量為90 kg/hm2，冬季種植紫云英；(4)處理D，晚稻季施氮量為150 kg/hm2，冬季種植紫云英；(5)處理E，晚稻季施氮量為225 kg/hm2，冬季種植紫云英。每個處理重復3次，完全隨機區組設計。晚稻季所有處理的磷肥和鉀肥施用量相同，其中磷肥施用量為 60 kg/hm2，鉀肥施用量為75 kg/hm2，以含N 46%的尿素、含P2O512%的鈣鎂磷肥、含K2O 60%的氯化鉀計算化肥施用量，晚稻收獲后所有處理秸稈均不還田。試驗小區長為 11 m、寬為6 m，小區面積為66 m2，兩邊設有保護行，保護行寬度為1 m。供試紫云英品種為余江大葉籽，播種時間為2015年10月1日，播種量為27.5 kg/hm2，翻壓時間為2016年3月28日。

1.3 樣品采樣方法與測定

1.3.1 紫云英測產 于紫云英盛花期，采用5點法，每點取1 m2，測其鮮質量，小區鮮草總產量為小區面積乘以5點平均值。

1.3.2 溫室氣體采集與測定 溫室氣體采集采用靜態箱法，靜態箱長、寬、高均為50 cm，內部材料為不銹鋼板，箱體外層包裹厚度為0.5 cm的海綿和鋁箔隔熱板，防止因太陽照射引起的箱內溫度升高過快，箱內頂部裝有12 V小風扇，防止箱內氣體不均勻，箱體側面中部留有抽氣孔，采用三通閥控制開關。每小區固定采樣底座1個，底座上部有5 cm深的凹槽，測定時加水密封。紫云英生長季每10～15 d采樣1次[19]，采樣期間記錄日平均氣溫變化(圖1)。采集時間為08：00—11：00，采樣按0、10、20、30 min的時間間隔用50 mL的注射器抽取箱內氣體，來回抽動5～10次以完全混勻氣體，抽出50 mL氣體保存于真空采樣袋后迅速帶回實驗室分析。N2O、CH4、CO2氣體濃度采用Agilent 7890 B氣相色譜測定，測定CH4、CO2的檢測器為FID，檢測度300 ℃，柱溫60 ℃，載氣為99.99%的高純氮氣，流速30 mL/min；測定N2O的檢測器為ECD，檢測溫度300 ℃，柱溫60 ℃，載氣為99.99%高純氬/甲烷氣(95%氬氣+5%甲烷)，流速40 mL/min。氣體排放通量計算公式：

F=ρ×h×dC/dt×273/(273+T)。

式中：F為氣體排放通量，mg/(m2·h)或μg/(m2·h)；ρ為標準狀態下氣體的密度，kg/m3；h為采樣箱的凈高度，m；dC/dt為單位時間內采樣箱內氣體的濃度變化率；T為采樣過程中采樣箱內的平均溫度，℃；273為氣態方程常數。

全球增溫潛勢(global warming potential，簡稱GWP)是將各種溫室氣體的季節排放總量的增溫潛勢換算為CO2當量，CH4和N2O在100年尺度上為CO2的25倍和298倍[20]。計算公式：

GWP=25(CH4)+298(N2O)+CO2。

1.3.3 土壤有機碳庫指標測定 于紫云英翻壓前，每小區按5點取樣法取土，充分混合，一部分土壤自然風干，用于土壤總有機碳測定，另一部分存放于4 ℃冰箱用于活性有機碳測定。參考稻田土壤的總有機碳質量分數為16.67 g/kg，活性有機碳質量分數為2.11 g/kg。土壤有機碳(soil organic carbon，簡稱SOC)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法[21]測定；活性有機碳(active organic carbon，簡稱AOC)采用 333 mmol/L 高錳酸鉀氧化法測定[22]。土壤活性有機碳庫及碳庫管理指數的計算公式：

碳庫指數=土壤有機碳質量分數(g/kg)/參考農田土壤有機碳質量分數(g/kg)；

穩態碳=土壤有機碳-活性有機碳；

碳庫活度=土壤活性有機碳質量分數(g/kg)/穩態碳質量分數(g/kg)；

碳庫活度指數=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度；

碳庫管理指數=碳庫指數×碳庫活度指數×1 000。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進行統計分析，采用LSD進行樣本平均數的差異顯著性比較，采用Origin作圖。

2 結果與分析

2.1 晚稻施氮對紫云英鮮草產量的影響

由圖2可以看出，晚稻季不同施氮量對紫云英鮮草產量的影響較明顯，主要表現為隨著施氮量的增加，紫云英產量不斷增加，其中處理E紫云英鮮草產量最高，達 18 388.97 kg/hm2，與處理B相比，增加了13.94%，二者之間差異顯著(P<0.05)；其次為處理D，較處理B增加了 9.98%，二者之間差異顯著(P<0.05)，但處理D與處理C之間差異不顯著。可見，與晚稻季不施氮相比，晚稻季施氮顯著增加冬季紫云英鮮草產量。

2.2 晚稻季施氮對紫云英生長季溫室氣體排放的影響

晚稻季施氮和冬種紫云英影響稻田N2O排放。由圖3可以看出，紫云英播種后至2015年12月初，不同處理下的稻田N2O排放量較少，12月后N2O排放量逐漸增加，在2016年1月中旬達到最大值，該時期內處理C、D、E較處理A分別增加21.80%、27.68%、24.40%，較處理B分別增加6.90%、14.71%、12.17%，之后直到翻壓，各處理的N2O排放通量逐漸減少。

由圖4可知，在紫云英生長前期，由于氣溫較低，紫云英生長緩慢，其CH4排放量較少，甚至低于0，表現為土壤對CH4的吸收；12月下旬以后，氣溫逐漸升高，紫云英生長加快，地上部分生物量逐漸增多，各處理稻田CH4排放通量逐漸升高，在次年2月下旬，各處理稻田CH4出現了1個小的排放高峰，該時期內各處理的CH4排放通量以處理E最高，達0.40 mg/(m2·h)， 較處理A增加110.53%， 二者之間差異顯著(P<0.05)。

由圖5可知，晚稻季施氮對CO2排放影響較大，主要表現為隨著紫云英的生長，各處理的CO2排放逐漸增加，尤其是2月中旬以后，各處理CO2排放通量迅速增加，到2月底，各處理均出現1次小高峰， 與處理A相比，該時期內處理B、C、D、E的CO2排放通量增幅達124.36%～277.09%，之后逐漸下降，在3月底翻壓前達到最大值。

2.3 晚稻施氮對紫云英生長季溫室氣體排放總量和增溫潛勢的影響

由表1可以看出，處理C、D、E的紫云英生長季溫室氣體排放總量均顯著高于冬閑處理A(P<0.05)；處理E的N2O、CO2累積排放總量和全球增溫潛勢最高，顯著高于不施氮處理B(P<0.05)，分別比處理B高出11.54%、28.19%、26.00%；3個施氮處理中處理C的N2O、CO2排放量和全球增溫潛勢最低，分別比處理E低8.28%、7.63%、8.13%，其中N2O排放總量與處理E之間差異顯著(P<0.05)，CH4、CO2累積排放總量及全球增溫潛勢與處理E之間差異不顯著(P>0.05)。可見，晚稻季施氮顯著影響后茬紫云英生長季的溫室氣體排放，且隨著施氮量的增加紫云英生長季N2O、CO2排放量也逐漸增加，全球增溫潛勢也逐漸增強。

表1 晚稻季施氮對紫云英生長季溫室氣體累積排放量、全球增溫潛勢的影響(2015—2016年) kg/hm2

2.4 冬種紫云英對土壤碳庫的影響

由表2可以看出，各處理在活性有機碳、土壤碳庫活度方面差異不顯著(P>0.05)；不同處理的總有機碳含量、可溶性有機碳含量、碳庫指數均表現為處理D最高，與對照A相比差異顯著(P<0.05)，分別增加21.27%、32.26%、11.36%；處理C的土壤活性有機碳含量、碳庫管理指數最高，比處理A分別高12.23%、11.99%；處理B、C、D、E的土壤碳庫管理指數均顯著高于處理A，增幅達9.54%～11.99%，但處理B、C、D、E之間差異不顯著(P>0.05)。可見，與冬閑處理相比，冬種紫云英顯著增加土壤總有機碳含量、可溶性有機碳、碳庫指數，其中晚稻季施氮90、150 kg/hm2的土壤碳庫管理指數較高。

2.5 紫云英產量、碳庫管理指數與溫室氣體排放量相關性分析

通過表3可以看出，施氮量與N2O排放量呈顯著相關(P<0.05)， 說明氮肥的投入會使稻田N2O排放量增加。紫

表2 冬種紫云英后對土壤碳庫的影響

云英產量與N2O、CH4排放量呈顯著正相關(P<0.05)，與活性有機碳、碳庫管理指數、CO2排放量、全球增溫潛勢呈極顯著正相關(P<0.01)，表明隨著紫云英鮮草產量的增加，土壤活性有機碳含量和碳庫管理指數逐漸提高，同時紫云英生長季的溫室氣體排放量逐漸增多，全球增溫潛勢也越來越強。土壤碳庫管理指數與CO2排放量、全球增溫潛勢之間存在極顯著正相關(P<0.01)，與N2O、CH4排放量存在顯著正相關(P<0.05)。可見，土壤碳含量的變化會影響稻田溫室氣體排放。

表3 紫云英產量、碳庫管理指數與溫室氣體排放量相關性分析

注：“*”表示顯著相關(P<0.05)；“**”表示極顯著相關(P<0.01)。

3 討論

3.1 施肥和冬種紫云英影響稻田溫室氣體排放

氮肥在提高糧食產量方面發揮了重要作用，同時也會產生大量的N2O、CH4、CO2等溫室氣體。研究表明，化學氮肥施用是促進農田N2O排放的主要因素，其中硝態氮對農田N2O排放的決定程度達65%[23]。本研究結果顯示，冬種紫云英處理下的N2O排放總量大于冬閑處理，這與前人研究結果[17-18，24]類似。同時也發現，各處理下的N2O排放通量均表現為紫云英生長后期大于前期，這與O’Hara等的研究結果[25]一致，主要原因可能是隨著氣溫的逐漸增高，土壤微生物活動增強，紫云英根系發達，地上部分生物量隨晚稻季施氮量的增加而增加，其生理活動增強，從而增加了N2O排放。N2O排放與紫云英鮮草產量之間顯著正相關，也證實了這一觀點。本研究表明，2016年1月中旬以前CH4排放量較低，甚至在某些時間呈現負排放，12月中旬后CH4排放通量顯著升高，這與唐海明等的研究結果[17，26]一致，主要是由于稻田CH4排放與土壤含水量[27]、溫度[28-29]密切相關。12月下旬以后，氣溫逐漸升高，溫度適宜，降水增加，良好的土壤環境有利于甲烷菌生長，從而導致了紫云英生長季CH4排放量出現了1次小高峰；1月中旬以后溫度下降，CH4排放量也逐漸減少，2月以后隨著溫度的升高，CH4排放量再次出現1次高峰。

3.2 冬種紫云英提高農田土壤碳庫管理指數

施用有機肥或有機肥無機肥配施，均向土壤中直接輸入了外源有機物，能夠顯著增加有機碳含量[30-31]。研究結果顯示，冬閑對照的土壤碳庫各項管理指數均最低，冬種紫云英顯著提高了土壤有機碳和土壤碳庫管理指數，這主要是由于免耕直播紫云英一方面能夠提高土壤有機碳儲量[32]，另一方面冬種紫云英增加了地表覆蓋面，減少了對土壤的擾動次數和土壤養分的流失，降低了風、雨等對土壤的侵蝕，同時為土壤補充了部分損失的碳，進而增強了土壤固碳能力[33]，提高了土壤碳庫活度、碳庫活度指數和碳庫指數。同時本試驗結果也表明，冬種紫云英處理下的土壤活性有機碳含量均明顯高于冬閑對照，相關性結果也表明，紫云英鮮草產量與土壤活性有機碳之間顯著正相關，這主要是由于晚稻季不同施氮量下的紫云英鮮草量隨施氮量的增加逐漸增加，提高了土壤活性有機碳含量。

3.3 稻田溫室氣體排放與土壤碳庫關系密切

土壤碳庫作為地表生態系統中最活躍的碳庫之一，是N2O、CH4、CO2等溫室氣體的重要釋放源，也是重要的吸收匯[34]。稻田土壤有機碳儲量的增加對減少土壤溫室氣體排放、降低大氣溫室氣體濃度、緩解目前的全球變暖問題具有重要的意義。本研究結果表明，N2O和CH4排放量與土壤碳庫管理指數存在顯著正相關(P<0.05)，CO2排放量、全球增溫潛勢與土壤碳庫管理指數存在極顯著正相關(P<0.01)，這主要是由于免耕直播紫云英減少了稻田的耕作次數，紫云英生長期間提高了土壤礦化速率，加之紫云英覆蓋期間對土壤起到了保溫作用，加速了土壤有機質的腐化，提高了土壤碳庫管理指數，從而增加了紫云英生長季N2O、CH4、CO2排放量和溫室氣體排放潛勢。紫云英生長季全球增溫潛勢與紫云英產量及CH4、CO2排放量存在極顯著正相關(P<0.01)，與N2O排放量顯著正相關(P<0.05)，這與Mosier等的研究結果[35-36]類似，原因可能是冬種紫云英產量越高，其土壤的固碳能力和固碳量越多[32-33]，較高的碳儲量增強了農田土壤溫室氣體排放。雖然冬種紫云英增加了稻田溫室氣體排放量，但紫云英還田后可替代部分氮肥，在一定程度上可以減少稻田溫室氣體排放，抵消了一部分溫室氣體增排效應[37]，但紫云英還田量與施氮量以及二者之間的相互抵消量等還需要進一步研究。

4 結論

晚稻季施氮對后茬紫云英產量有顯著影響，紫云英產量隨著施氮量的增加逐漸增加。冬種紫云英可顯著提高土壤有機碳含量和土壤碳庫管理指數。晚稻季施氮會增加紫云英生長季的N2O、CH4、CO2排放量，增強紫云英生長季溫室氣體排放潛勢。因此，在不降低水稻產量的前提下，減少水稻季氮肥用量可在一定程度上降低后茬紫云英生長季溫室氣體排放量。

參考文獻：

[1]張貴龍，趙建寧，宋曉龍，等. 施肥對土壤有機碳含量及碳庫管理指數的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2012，18(2)：359-365.

[2]徐明崗，于 榮，孫小鳳，等. 長期施肥對我國典型土壤活性有機質及碳庫管理指數的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2006，12(4)：459-465.

[3]吳建富，曾研華，潘曉華，等. 機械化稻草全量還田對水稻產量和土壤碳庫管理指數的影響[J]. 江西農業大學學報，2011，33(5)：835-839，879.

[4]陳尚洪，朱鐘麟，劉定輝，等. 秸稈還田和免耕對土壤養分及碳庫管理指數的影響研究[J]. 植物營養與肥料學報，2008，14(4)：806-809.

[5]王 晶，朱 平，張 男，等. 施肥對黑土活性有機碳和碳庫管理指數的影響[J]. 土壤通報，2003，34(5)：394-397.

[6]宇萬太，趙 鑫，馬 強，等. 長期定位試驗下施肥對潮棕壤活性碳庫及碳庫管理指數的影響[J]. 土壤通報，2008，39(3)：539-544.

[7]West T O，Marland G. A synthesis of carbon sequestration，carbon emission，and net carbon flux in agriculture：comparing tillage practices in the United States[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2002，91(1/2/3)：217-232.

[8]唐海明，肖小平，湯文光，等. 雙季稻區冬季覆蓋作物殘茬還田對稻田甲烷和氧化亞氮排放的影響[J]. 作物學報，2011，37(9)：1666-1675.

[9]曹衛東，黃鴻翔. 關于我國恢復和發展綠肥若干問題的思考[J]. 中國土壤與肥料，2009(4)：1-3.

[10]李繼明，黃慶海，袁天佑，等. 長期施用綠肥對紅壤稻田水稻產量和土壤養分的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2011，17(3)：563-570.

[11]李忠芳，徐明崗，張會民，等. 長期施肥和不同生態條件下我國作物產量可持續性特征[J]. 應用生態學報，2010，21(5)：1264-1269.

[12]Lee C H，Park D K，Jung K Y，et al. Effects of Chinese milk vetch (AstragalussinicusL.) as a green manure on rice productivity and mathane emission in paddy soil[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2010，138(3/4)：343-347.

[13]萬水霞，唐 杉，蔣光月，等. 紫云英與化肥配施對土壤微生物特征和作物產量的影響[J]. 草業學報，2016，25(6)：109-117.

[14]謝義琴，張建峰，姜慧敏，等. 不同施肥措施對稻田土壤溫室氣體排放的影響[J]. 農業環境科學學報，2015，34(3)：578-584.

[15]賀 非，馬友華，楊書運，等. 不同施肥技術對單季稻田CH4和N2O排放的影響研究[J]. 農業環境科學學報，2013，32(10)：2093-2098.

[16]商慶銀，楊秀霞，成 臣，等. 秸稈還田條件下不同水分管理對雙季稻田綜合溫室效應的影響[J]. 中國水稻科學，2015，29(2)：181-190.

[17]唐海明，湯文光，帥細強，等. 不同冬季覆蓋作物對稻田甲烷和氧化亞氮排放的影響[J]. 應用生態學報，2010，21(12)：3191-3199.

[18]唐海明，肖小平，帥細強，等. 雙季稻田種植不同冬季作物對甲烷和氧化亞氮排放的影響[J]. 生態學報，2012，32(5)：1481-1489.

[19]成 臣，曾勇軍，楊秀霞，等. 不同耕作方式對稻田凈增溫潛勢和溫室氣體強度的影響[J]. 環境科學學報，2015，35(6)：1887-1895.

[20]Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate change 2007-mitigation of climate change：working group Ⅲ contribution to the fourth assessment report of the IPCC[M]. Cambridge：Cambridge University Press，2007.

[21]鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 3版.北京：中國農業出版社，2000：44-49.

[22]宇萬太，趙 鑫，馬 強，等. 長期定位試驗下施肥對潮棕壤活性碳庫及碳庫管理指數的影響[J]. 土壤通報，2008，39(3)：539-544.

[23]邵美紅，孫加焱，阮關海. 稻田溫室氣體排放與減排研究綜述[J]. 浙江農業學報，2011，23(1)：181-187.

[24]熊正琴，邢光熹，鶴田治雄，等. 豆科綠肥和化肥氮對雙季稻稻田氧化亞氮排放貢獻的研究[J]. 土壤學報，2003，40(5)：704-710.

[25]O’Hara G W，Daniel R M. Rhizobial denifrication：a review[J]. Soil Biology & Biochemistry，1985，17(1)：1-9.

[26]劉 惠，趙 平，孫谷疇，等. 華南丘陵區冬閑稻田二氧化碳、甲烷和氧化亞氮的排放特征[J]. 應用生態學報，2007，18(1)：57-62.

[27]Yang S S，Chang H L. Effect of environmental conditions on methane production and emission from paddysoil[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，1998，69(1)：69-80.

[28]胡榮桂. 氮肥對旱地土壤甲烷氧化能力的影響[J]. 生態環境，2004，13(1)：74-77.

[29]丁維新，蔡祖聰. 氮肥對土壤氧化大氣甲烷影響的機制研究[J]. 生態與農村環境學報，2001，17(3)：30-34.

[30]曾 駿，郭天文，包興國，等. 長期施肥對土壤有機碳和無機碳的影響[J]. 中國土壤與肥料，2008(2)：11-14.

[31]Gong W，Yan X Y，Wang J Y，et al. Long-term manure and fertilizer effects on soil organic matter fractions and microbes under a wheat-maize cropping system in northern China[J]. Geoderma，2009，149(3/4)：318-324.

[32]胡 寧，婁翼來，梁 雷. 保護性耕作對土壤有機碳、氮儲量的影響[J]. 生態環境學報，2010(1)：223-226.

[33]呂瑞珍，熊 瑛，李友軍，等. 保護性耕作對農田土壤碳庫特性的影響[J]. 水土保持學報，2014，28(4)：206-209，217.

[34]王樹濤，門明新，劉 微，等. 農田土壤固碳作用對溫室氣體減排的影響[J]. 生態環境，2007，16(6)：1775-1780.

[35]Mosier A R，Halvorson A D，Reule C A，et al. Net global warming potential and greenhouse gas intensity in irrigated cropping systems in northeastern Colorado[J]. Journal of Environmental Quality，2006，35(4)：1584-1598.

[36]Shang Q Y，Yang X X，Gao C M，et al. Net annual global warming potential and greenhouse gas intensity in Chinese double rice-cropping systems：a 3-year field measurement in long-term fertilizer experiments[J]. Global Change Biology，2011，17(6)：2196-2210.

[37]馬艷芹，錢晨晨，孫丹平，等. 施氮水平對稻田土壤溫室氣體排放的影響[J]. 農業工程學報，2016(增刊1)：128-134.