紫云英還田對早稻直播稻田溫室氣體排放的影響

聶江文，王幼娟，吳邦魁，劉章勇，朱 波

（長江大學濕地生態與農業利用教育部工程研究中心/湖北省澇漬災害與濕地農業重點實驗室，湖北 荊州 434025）

全球變暖主要是由大氣中溫室氣體濃度增加引起的，而甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是大氣中兩種重要的溫室氣體。在100年時間尺度下，CH4和N2O單位分子的增溫潛能分別是CO2的25倍和298倍[1]。據統計，稻田是CH4和N2O的重要排放源之一[2]，稻田生態系統CH4排放量約占全球人類活動CH4總排放的12%～26%[3]，稻田生態系統N2O排放量占我國農田總排放的7%～11%[4]。因此，如何科學合理地制定稻田CH4和N2O減排措施，發展高產低碳的水稻生產技術已成為農田生態研究的熱點問題。

農田養分與水分管理是影響稻田CH4和N2O排放的兩個重要因素[5-7]。首先，大量單一化學氮肥的投入是造成氮素利用率低、N2O排放大幅增加的主要原因[8-9]，而有機肥與無機氮肥配施被認為是可實現水稻高產[10]、減肥減排的高效施肥措施之一[11-12]；朱波等[13]發現黑麥草與氮肥配施增加了CH4排放，但能減少N2O排放，并且CH4占總增溫潛勢的比例遠高于N2O；郭騰飛等[14]認為秸稈還田增加了CO2和CH4排放，但減少了N2O排放。研究表明[6-7]，相比持續淹水，秸稈還田條件下間歇灌溉和中期烤田都可提高水稻產量和降低稻田溫室氣體排放。因此，合理的施肥及灌溉措施對于溫室氣體減排有著極為重要的作用。紫云英（Astragalus sinicus L.）是我國南方稻區常見的冬季綠肥作物，翻壓還田后可部分替代水稻季需要的氮素養分，提高氮素利用效率和水稻產量[15]。而目前多數研究發現綠肥還田后，且CH4的排放高峰期主要集中在綠肥還田后一個月內的淹水條件下[12-13]，針對這一現象并結合當地農作習慣，在早稻直播晚稻移栽的栽培措施下，研究南方雙季稻區紫云英還田對稻田溫室氣體排放的影響，對于制定合理的溫室氣體減排施肥措施具有重要意義。

本研究擬通過大田試驗條件下，比較早稻直播條件下冬種紫云英翻壓還田對雙季稻田CH4和N2O排放特征及全球增溫潛勢（GWP）和單位糧食產量溫室氣體排放強度（GHGI）的影響。以期為制定雙季稻區溫室氣體減排的施肥措施和種植制度提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年在湖南省華容縣長江大學試驗基地（東經112°55′，北緯29°52′）進行。當地氣候為亞熱帶季風濕潤氣候，年均氣溫16～18℃，≥10℃積溫5000～5800℃，無霜期260～310 d，年降雨量1200～1700 mm。試驗土壤為長江沉積物發育的紫潮泥水稻土。試驗前土壤肥力指標：有機質49.2 g·kg-1，全氮3.11 g·kg-1，堿解氮273 mg·kg-1，有效磷16.4 mg·kg-1，速效鉀69 mg·kg-1，pH 7.7。

1.2 試驗設計

試驗采用田間小區試驗，設4個處理：冬閑，水稻季不施氮肥（CK）；冬閑，每季水稻施氮量200 kg·hm-2（N200）；種植紫云英全量還田，水稻季不施氮肥（CMV）；種植紫云英半量還田，每季水稻施氮量100 kg·hm-2（CMV+N100）。紫云英鮮草全量還田量為3750 kg·hm-2。3次重復，隨機區組排列，小區面積為3.3 m×9 m=30 m2，小區間田埂寬0.3 m，溝寬0.5 m。小區間做田埂并用塑料薄膜包裹，防止水肥串灌，避免小區之間相互污染。

1.3 供試材料及田間管理

試驗氮肥為尿素，70%基施，30%追肥。磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氧化鉀，早稻和晚稻的施肥量一致。磷鉀肥在早晚稻插秧前施入，用量為75 kg·hm-2（P2O5）和100 kg·hm-2（K2O），作為基肥一次性施入。紫云英品種為湘肥3號，2016年10月5日按37.5 kg·hm-2播種量均勻撒播于冬種紫云英稻田小區中，盛花期測產，于早稻直播前7 d翻壓。早稻品種為浙福7號，2017年4月10日浸種，4月13日按120 kg·hm-2播種量均勻撒播于小區中，7月12日收獲。晚稻品種為隆香優130，2017年6月22日苗床播種，7月18日移栽，移栽密度為20 cm×20 cm，每穴2～3苗，10月14日收獲。紫云英冬季生長期內不施用任何肥料。雙季稻生育期內地表溫度及水層深度如圖1和圖2所示。其余稻田管理均按當地高產栽培措施進行。

1.4 樣品采集與測定

于雙季稻生長季內采用密閉式靜態暗箱-氣相色譜法測定田間溫室氣體的排放速率。氣體采樣箱由底座和采樣箱組成，采樣箱為有機玻璃，箱底高度為100 cm，長寬皆為45 cm，采樣箱外部包有海綿和鋁箔紙，防止太陽照射導致箱內溫度變化過大。采樣箱底座上部有水槽，底座高5 cm，在水稻直播或移栽后插入田間土壤。觀測頻率為每周1次，烤田期每周3次，時間均為8：00—11：00。采集氣樣時，將采樣箱垂直安放在底座3 cm深的凹槽內并加水密封，扣箱后立即用30 mL注射器采集樣品，然后分別在扣箱0、10、20 min采集樣品。為防止人為擾動造成的誤差，在田間搭設木棧橋通往各試驗小區中央的箱體底座。氣體樣中CH4和N2O濃度由氣相色譜Agilent 7890A分析測定。CH4檢測器是FID（氫火焰離子化檢測器），N2O檢測器是ECD（電子捕獲檢測器）。溫室氣體排放速率由該氣體在箱中濃度隨時間的變化率計算得出，氣體排放通量計算公式如下：

式中：F為排放速率，CH4為 mg·m-2·h-1，N2O 為 μg·m-2·h-1；dc/dt為采樣過程中箱內氣體濃度隨時間的變化率，CH4為mL·m-3·h-1，N2O為μL·m-3·h-1；h為箱體高度，1.0 m；ρ為標準狀態下氣體的密度，CH4為0.714 kg·m-3，N2O為1.964 kg·m-3；T為采樣時箱內溫度，℃。

在每次氣樣采集的同時，記錄小區的水層深度及地表溫度，并采集0～20 cm土壤樣品，采用2 mol·L-1KCl浸提-靛酚藍比色法測定銨態氮；采用雙波長紫外分光光度法測定硝態氮。

圖1 雙季稻生長季地表溫度變化Figure 1 Variation of surface temperature in growing season of double cropping rice

圖2 水稻生長季水層深度變化Figure 2 Variation of water layer depth in rice growing season

1.5 數據分析

以100年為尺度，單位質量CH4和N2O的全球增溫潛勢（GWP）分別是CO2的25倍和298倍，可計算其溫室氣體排放二氧化碳當量（Carbon dioxide equiva?lent，CDE，單位：kg，以CO2計）。通過計算各處理CH4和N2O的GWP，結合水稻產量計算單位稻谷產量溫室氣體排放強度（GHGI）[16]。

(4) 在逆作法作業中，當采用盆式開挖法進行土方開挖時，預留土體對地下連續墻具有一定的支撐作用，不但能控制墻體本身水平位移的發展，有效減小位移值，還能減輕施工人員暗挖土方的工作量，進而縮短工期和節約工程成本。

式中：GWP為CH4和N2O二者排放量的總二氧化碳當量，kg，以 CO2計；GHGI為溫室氣體排放強度，kg·kg-1·a-1。

利用Excel 2007和SPSS 19.0對試驗數據進行整理、方差分析和作圖，CH4和N2O排放通量用每次觀測所得的3個重復的平均值與標準偏差來表示。

2 結果與分析

2.1 土壤銨態氮和硝態氮濃度變化

土壤銨態氮和硝態氮是評價土壤供氮能力的重要指標。從圖3可以觀察出，各處理稻田銨態氮與硝態氮濃度隨時間的變化趨勢基本一致。銨態氮濃度在早稻初期施肥后迅速降低，至施分蘗肥又迅速升高，后逐漸降低。晚稻移栽初期至收獲期各處理土壤銨態氮濃度均呈逐漸降低的趨勢，晚稻移栽初期N200處理顯著高于CK。各處理硝態氮均在早稻晚稻排干期出現較低的峰值，其余時期均處于較低水平。

2.2 CH4排放通量

由圖4可見，各處理雙季稻田CH4排放的季節變化趨勢基本一致，均表現為在早稻播種初期（1周內）出現峰值，晚稻移栽后至分蘗末期出現較大排放峰，其他水稻生育期趨于平穩，且晚稻排放峰值高于早稻CH4排放峰值；早稻與晚稻出現最大峰值的處理分別為CMV+N100和CMV，為52.94 mg·m-2·h-1和105.6 mg·m-2·h-1。

2.3 N2O排放通量

圖5 顯示，各施肥處理稻田N2O排放規律基本一致。除N200處理在水稻分蘗期（覆水）及曬田期結束后覆水出現較大排放峰外（最大峰值為717.7 μg·m-2·h-1），各處理早稻季播種至收獲均未出現較大峰值，而在早稻播種初期至分蘗期內，CMV與CK出現較多負排放現象。在晚稻移栽初期各處理N2O排放出現峰值，最大峰值為1 065.57 μg·m-2·h-1（N200），在晚稻曬田期及水稻生長末期稻田排干各處理出現小的排放峰，但在晚稻生長末期排干過程中，CK與CMV均出現了負排放現象。

2.4 CH4與N2O的季節累積排放量

不同施肥處理對雙季稻田CH4和N2O累積排放量有顯著影響（表1）。早稻季CMV+N100CH4總累積排放量顯著高于N200和CK，但晚稻季和雙季稻各處理無顯著差異。晚稻季CH4累積排放高于早稻季，占雙季稻總量的69.25%～89.21%。早稻季和雙季稻，N200處理N2O累積排放量顯著高于其余處理，分別達1.94 kg·hm-2和3.05 kg·hm-2。此外，早稻季CMV處理N2O累積排放量顯著高于CK，而CMV+N100與CK間無顯著差異，說明與單施氮肥或單施紫云英相比，紫云英與氮肥配施可在一定程度上降低早稻季N2O的排放；各處理晚稻季累積排放量無顯著差異。除N200處理外，其余處理晚稻季N2O的累積排放量可占雙季稻累積排放量的56%以上。

2.5 紫云英還田對雙季稻田GWP及GHGI的影響

以100年尺度來計算，單位質量的CH4和N2O增溫效應分別是CO2的25倍和298倍。以此為依據，根據上文中得到的CH4與N2O累計排放通量計算各處理的GWP（表2）。各處理CH4所產生的溫室效應無顯著差異，N200處理雙季稻兩季N2O所造成的溫室效應顯著高于其他處理，但其他處理間無顯著差異。各處理間GWP并無顯著差異，其中CH4造成的溫室效應遠高于N2O造成的溫室效應，可達GWP的90.95%～97.01%。

圖4 不同施肥處理雙季稻田CH4排放速率Figure 4 Rate of CH4emission from double cropping rice field with different fertilization treatments

圖5 不同施肥處理雙季稻田N2O排放速率Figure 5 Rate of N2O emission from double cropping rice field with different fertilization treatments

結合GWP與水稻產量可計算生產單位水稻產量所造成的溫室效應（GHGI），如表3所示，與CK相比，N200顯著增加早稻、晚稻及雙季稻總產量，增產率分別達27.45%、12.11%、17.79%，而CMV+N100也顯著增加早稻、晚稻及雙季稻總產量，增產率分別達19.86%、10.58%、14.01%。與CK相比，CMV+N100處理顯著增加早稻季GHGI；晚稻季CMV+N100處理GHGI顯著低于CMV，而雙季稻季各處理間并無顯著差異。

3 討論

稻田CH4的排放除了與土壤中的養分有關外，還與田間水分管理措施相關[16]。研究表明，大部分CH4的產生是處于田間淹水狀態[17]，而本研究中由于早稻季水稻種植方式為撒播，因而導致在水稻生長初期田間處于無水狀態，降低了產CH4菌的活性，最終導致早稻季CH4排放峰值及排放量遠低于晚稻季，這與朱波等[13]研究結果不一致，而與張岳芳等[18]研究采用機械直播的種植方式可減少長江下游稻麥兩熟區稻季CH4排放的研究結果相一致。此外，早稻播種初期的溫度低于晚稻移栽初期也是原因之一[17]。早稻播種初期與晚稻移栽初期均出現峰值，至水稻生長后期無峰值出現的主要原因是綠肥還田與早稻根茬有機物的大量分解[17]，在產CH4菌的參與下產生大量CH4，這與朱波等[13]、郭騰飛等[14]研究結果相一致。與CK及N200相比，紫云英還田（CMV、CMV+N100）顯著增加了早稻季CH4的排放，主要源于紫云英還田增加了稻田中產CH4菌的營養物質，進而導致CH4的排放總量增加；而晚稻季各處理間CH4排放無顯著差異，可能是由于大部分紫云英秸稈在早稻季被分解，減少了產CH4菌的營養物質。

表1 不同施肥處理雙季稻田CH4和N2O累積排放量Table 1 Accumulative emissions of CH4and N2O in double cropping rice fields with different fertilization treatments

表2 不同處理對雙季稻田綜合溫室效應（100年）的影響Table 2 GWP in 100 years time frame from double rice system under different treatments

表3 不同施肥處理對雙季稻產量及溫室氣體排放強度的影響Table 3 Effects of different fertilization on yield and greenhouse gas emission intensity of double cropping rice

稻田土壤中微生物硝化與反硝化過程都會有N2O產生。稻田土壤復雜的水分變化狀況可以影響到土壤氧化還原電位和微生物活性，從而導致氮素在稻田土壤中的動態變化受到影響[19]。本研究中N2O排放峰均出現在水稻移栽初期及稻田干濕交替階段，主要是因水稻生長初期存在大量的硝化與反硝化底物，而一些研究表明，田間干濕階段可導致N2O大量的排放[16，20]，這與本研究結果相一致。與N200相比，CMV+N100降低了早稻、晚稻季N2O的排放，可見與僅施化學氮肥相比，紫云英與氮肥配施可降低雙季稻田N2O的排放，這與朱波等[13]、郭騰飛等[14]、熊正琴等[21]研究結果相一致。此外，本研究發現在水稻生長季存在著較多的N2O排放負值，且這些負排放主要出現在稻田持續淹水的條件下，可能存在兩種原因：其一，王孟雪等[16]研究發現，相比于間歇性灌水，持續淹水可降低稻田N2O的排放，故在本研究中是由于灌溉強度過大，使得土壤水分過飽和，N2O排放下降。其二，持續性淹水條件下，稻田的灌溉水層也能吸收一定的N2O[22]，從而導致稻田N2O出現負排放。

大量研究發現，稻田中CH4與N2O排放存在一種消長的關系[23-24]，而又有一部分的學者研究發現這種消長關系并不存在[25]。因此需要對稻田排放的CH4與N2O進行綜合評價，本研究中，與N200相比，紫云英還田顯著降低了雙季稻季N2O排放，但增加了CH4的排放，而各處理稻田GWP無顯著差異。可見紫云英還田條件下稻田CH4與N2O存在著消長關系。此外，本研究中CH4所造成的GWP占總GWP的90%以上，CH4的增溫效應要遠高于N2O，這與朱波等[13]、郭騰飛等[14]、秦曉波等[26]研究結果相一致。雖然相比于CH4的排放，水稻生長季稻田N2O排放量低，但是并不能忽略其對環境所造成的影響。石生偉等[27]通過比較20年和500年時間尺度下的不同平均施氮量稻田CH4與N2O所造成的溫室效應，發現當施氮量處于較低水平（120 kg·hm-2）時，稻田溫室效應主要貢獻來自于CH4，而當施氮量達到240 kg·hm-2以上時，N2O對于溫室效應的貢獻會高于CH4。因此，鑒于CH4與N2O交互效應的存在，在制定稻田溫室氣體減排措施時，要綜合考慮CH4與N2O產生和排放的形態，對其總的溫室效應要進行充分權衡考慮。此外，本研究僅監測了紫云英還田后雙季稻生長季的CH4與N2O排放，而未對冬季紫云英生長季的溫室氣體進行監測，缺乏雙季稻區周年系統的評價，在未來的研究工作中應從周年試驗進行考慮。

4 結論

（1）紫云英還田對雙季稻田CH4與N2O排放季節特征無顯著影響，CH4排放峰主要在水稻移栽初期至分蘗末期，N2O排放峰主要出現在田間水稻種植初期至分蘗及田間水分干濕交替階段。

（2）與僅施氮肥相比，紫云英還田與氮肥配施增加了CH4累積排放量，減少了N2O的排放，且早稻季CH4排放量低于晚稻季。

（3）與CK相比，施肥增加了雙季稻的產量，但對于稻田GWP并無顯著影響，其中CH4對GWP的貢獻可達90%以上，遠高于N2O；與僅施氮肥相比，紫云英還田增加了早稻季GHGI，紫云英與氮肥配施降低了晚稻季GHGI，而對雙季稻GHGI并無顯著影響。