有機-無機氮肥施用對濱海鹽土稻田CH4和N2O排放及綜合溫室效應的影響

孫麗英，馬煜春 ，鄔明偉，饒旭東，張宇，劉文秀

1. 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心/南京信息工程大學應用氣象學院/江蘇省農業氣象重點實驗室，江蘇 南京 210044；

2. 中國科學院南京土壤研究所/土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；3. 中化化肥有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 210019；4. 蘇州市耕地質量保護站，江蘇 蘇州 215000

中國鹽漬土面積高達3.5×107hm2，是一種重要的土地資源（王遵親，1993）。利用濱海鹽土種植水稻，既能夠提高中國糧食總產量，又可以通過水稻生產改良鹽土。在水稻生長過程中，田面水層通過下滲不斷淋洗土壤中的鹽分，使鹽土在種稻過程中逐漸脫鹽（姜玉華等，2007）。濱海鹽土理化性狀較差，一般不利于水稻生長，因此通常采用配施有機肥等方法改良土壤性質提高水稻產量。然而，有機肥的投入又會影響濱海鹽土稻田溫室氣體（CH4、N2O）的排放。

稻田長期淹水環境和水稻生長過程有利于CH4的產生與排放（Zou et al.，2005），據統計，全球稻田CH4年總排放量約為30 Tg（Sass et al.，1999；Yan et al.，2009），占大氣中人為CH4總排放量的11%左右（Smith et al.，2007）。稻田烤田和灌溉期形成的適宜土壤水分條件可促進 N2O的排放（Zou et al.，2005）。據Zou et al.（2007）驗證，中國稻田 N2O的排放量為中國農田總排放量的7%～11%。眾所周知，施氮是提高作物產量和土壤有機碳水平的必要措施，但是氮肥的施入通常又會促進N2O排放。同時施用氮肥會促進水稻生長，增加根系分泌物、凋落物和秸稈殘茬等外源碳的輸入，為產甲烷菌提供基質，從而促進 CH4的產生（Yang et al.，2010）。不同碳氮比的有機物料還田及還田方式等都會顯著影響稻田生態系統的 CH4和 N2O 排放（Wang et al.，2013；Yuan et al.，2017）。因此，需通過合理的氮肥管理措施降低稻田溫室氣體的排放風險。

本研究以江蘇省典型的濱海鹽土稻田為對象，采用靜態暗箱-氣相色譜法原位同步觀測 CH4和N2O的排放通量，探明不同類型氮肥對稻田生態系統溫室氣體排放的影響規律，評估不同類型氮肥對稻田生態系統綜合溫室效應（GWP）及溫室氣體排放強度（GHGI）的影響。研究結果將有助于降低中國農業溫室氣體排放總量估算的不確定性，同時為尋求減緩濱海鹽土稻田生態系統溫室氣體排放的適宜施肥方案提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于江蘇省連云港市東辛農場（34°57'N，119°45'E）。該研究區域屬典型的亞熱帶季風氣候，2016年平均氣溫為13.7 ℃，年總降水量為930.2 mm。整個水稻生長期的氣溫、土壤溫度和降雨量如圖1所示。試驗田土壤類型為濱海鹽土，當地主要耕作制度為稻-麥輪作。試驗田耕層土壤理化性質如下（0～20 cm）：pH值為8.58，土壤有機碳為 11.77 g·kg-1，總氮為 0.92 g·kg-1，氯離子（Cl-）含量為0.16%。

1.2 試驗設計與田間管理

田間試驗于2016年6月開始，至2016年10月結束，共1個水稻生長周期。試驗采用完全隨機區組設計，共4個處理，分別為不施氮肥（N0）、無機氮肥（尿素、Nu）、有機氮肥（Nw、小麥秸稈堆肥含全氮8%、有機質45%），有機-無機氮肥混施（Nm，有機肥和尿素以 2：1混合）。每個處理設置3個重復，每個小區的面積為20 m2（5 m×4 m），共12個小區。Nu、Nw、Nm處理在整個水稻生長期間施入的氮肥含氮量相等，均為 300 kg·hm-2（以 N計）。即 Nu處理中施用尿素 651 kg·hm-2（即300 kg無機氮）；Nw處理中施用有機肥3750 kg·hm-2（即300 kg有機氮）；Nm處理中施用有機肥 2500 kg·hm-2和尿素 217 kg·hm-2尿素（即200 kg有機氮和100 kg無機氮）。在Nu處理中，尿素以4∶3∶3的比例分基肥和兩次追肥施用；在Nw處理中，所有肥料均作為基肥施入，水稻生長期間不再追肥；在Nm處理中，將有機-無機混合氮肥的 40%作為基肥施入稻田，其余的混合氮肥作為追肥分兩次等量施入到稻田中。兩次追肥分別于7月9日和8月3日施入到稻田中。所有處理在水稻移栽前一次性施入 60 kg·hm-2磷肥（以P2O5計）和120 kg·hm-2鉀肥（以K2O計）。尿素、有機氮肥、有機-無機混合氮肥作為基肥施用時，都先撒施于土壤表面，使其與表層土壤（0～20 cm）混合均勻；而尿素和有機-無機混合氮肥作為追肥施用時，都只是撒施于稻田表面。其余農業管理措施（烤田、除草劑、殺蟲劑、殺菌劑等）與當地農場的管理措施一致。

1.3 氣體樣品采集與測定

采用靜態暗箱-氣相色譜法測定稻田 N2O和CH4的排放通量。在每次施肥后一周和烤田期間，每兩天采集1次樣品，其余時間每周采集1次樣品。采樣箱包括頂箱和中段箱 2部分，規格分別為 50 cm×50 cm×50 cm和50 cm×50 cm×60 cm，中段箱頂部設有密封用的水槽，主要用于水稻生長后期加層。在水稻移栽之前，將采樣箱底座安裝于各小區內。采集氣體時間在 8：00—10：00之間，將采樣箱放置于底座上，分別于第0、10、20、30 min使用注射器抽取50 mL氣體，立即注射到真空瓶中，然后將氣體樣品帶回實驗室，使用氣相色譜儀（安捷倫7890 B）進行分析測定。CH4和N2O分別利用氫火焰離子化檢測器（FID）和電子捕獲檢測器（ECD）進行測定。

圖1 水稻生長期間，降雨量、空氣溫度和10 cm土壤溫度的動態變化Fig. 1 Rainfall, mean air temperature and soil temperature (10 cm) during the whole rice growing season

N2O和CH4排放通量計算公式如下（吳震等，2018）：

式中，F 為 N2O-N（μg·m-2·h-1）和 CH4-C（mg·m-2·h-1）的排放通量；ρ為標準狀態下的氣體密度（mg·m-3）；h為采樣箱高度（m）；dc/dt為采樣箱內的氣體濃度變化率（μL·L-1·h-1）；θ為采樣過程中采樣箱內的平均溫度（℃）；10-6為單位換算系數。

以每個處理的 3次重復的平均值作為 N2O和CH4排放通量；氣體平均排放通量以相鄰兩次采樣時間間隔為權重，將各次排放通量進行加權平均；氣體的累積排放量用其平均排放通量和采樣時間的乘積表示。

1.4 土壤樣品與產量的分析測定

水稻移栽后，每次采集氣體樣品的同時采集耕層（0～20 cm）土壤樣品，用于測定土壤銨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3--N）的質量分數。土壤NH4+-N和NO3--N質量分數分別采用靛酚藍比色法和雙波長紫外分光光度法測定（魯如坤，2000）。土壤pH值用PHS-3 C mv/pH計測定；土壤有機碳（SOC）的測定采用重鉻酸鉀容量法；Cl-的測定采用硝酸銀滴定法（魯如坤，2000）。

水稻收獲之后，將水稻籽粒于105 ℃殺青1 h，隨后在 85 ℃條件下烘至恒重，然后稱重以確定水稻籽粒干物質量（Sun et al.，2018）。

1.5 綜合溫室效應的計算

綜合溫室效應（GWP，t·hm-2）的計算是以 CO2作為參考氣體，在100年時間尺度上，CH4和N2O的增溫潛勢分別按照單位質量 CO2的34倍和298倍進行計算（IPCC，2013）。此外，農業化學品（化肥、農藥等，Ei）的使用和農事操作（例如耕地、灌溉等，Eo）也能直接或間接引起碳排放，從而引起綜合溫室效應的增加。因此，估算GWP的時候，需考慮農業措施所引起的碳排放（IPCC，2013）：

溫室氣體強度（GHGI，t·t-1）是單位產量的綜合溫室效應（Mosier et al.，2006），計算公式如下：

式中，Y為作物產量，t·hm-2。

本試驗中，由于本試驗僅測定1個水稻生長季，時間較短，稻田生態系統的固碳效應忽略不計。表1所示為整個水稻生長季由農業化學品和農事操作的投入所引起的碳排放。

1.6 統計分析

運用Microsoft Excel 2013進行數據計算和圖表制作；運用JMP 9.0軟件進行數據統計分析，顯著性差異水平為 P＜0.05（Student’s法）；采用Pearson’s法分析各指標與CH4和N2O排放通量之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥對CH4排放的影響

如圖2(a)所示，不同處理間CH4排放通量變化規律基本保持一致，均呈現先升高后降低的趨勢。水稻移栽后，CH4排放通量迅速增加，在第一次追肥后出現排放通量峰值；隨后CH4排放通量開始下降，且在烤田期間顯著下降；重新復水后，CH4排放通量有所回升，但其排放量仍較低。在整個水稻生長期間，CH4的排放通量范圍在-0.02～20.39 mg·m-2·h-1，平均值為 5.27 mg·m-2·h-1（圖 2(a)）。

表1 整個水稻生長期內農業化學品投入和農事操作對碳排放的貢獻Table 1 Agricultural management practices for chemical input and farm operation and their contributions to C emission during the rice growing season

圖2 水稻生長期內CH4（a）和N2O（b）排放通量的季節變化Fig. 2 Seasonal variations of CH4 (a) and N2O (b) emission flux during the rice growing seasonThe downward arrows indicate the times of N fertilizer application in the N fertilizer treatments. The double-sided arrow indicates the mid-season drainage period. The vertical bars represent the standard error (n=3). N0, Nu, Nm, and Nw represent treatments without N fertilizer and with urea, organic-inorganic mixed fertilizer, and organic fertilizer, respectively

試驗結果表明，氮肥的施用顯著提高了季節性CH4累積排放量（P＜0.05，表2）。其中，CH4累積排放量在Nw處理中最高，為190.7 kg·hm-2。與N0處理相比，Nu、Nm和Nw處理季節性CH4累積排放量分別顯著提高42.1%（P＜0.05）、63.1%（P＜0.05）和 67.2%（P＜0.05）（表 2）。

2.2 不同氮肥對N2O排放的影響

如圖2(b)所示，在整個觀測期間，N2O排放無明顯規律，僅在烤田期間觀測到較大 N2O排放峰值，其他時間均保持較小的排放通量。在整個水稻生長期間 N2O 的排放通量變化范圍為-1.6～44.2 μg·m-2·h-1，平均值為 9.89 μg·m-2·h-1（圖 2(b)）。

試驗結果表明，氮肥的施入顯著提高了N2O的累積排放量（表2），不同氮肥處理間季節性N2O排放量差異較大。與N0處理相比，Nw、Nu和Nm處理季節性 N2O排放量分別顯著提高了 37.8%（P=0.095）、83.5%（P＜0.05）和 78.3%（P＜0.05，表2）。

2.3 輔助指標及水稻產量分析

在水稻施肥后與烤田期間，不同氮肥處理間土壤NH4+-N和NO3--N含量變化趨勢基本一致。土壤中 NH4+-N和 NO3-N質量分數變化范圍分別為0.9～57.3 mg·kg-1和 0.3～7.4 mg·kg-1。如圖 3 所示，每次施肥后和烤田期間，NH4+-N和NO3--N含量都呈現增加趨勢。

表2 不同氮肥處理季節性累積CH4、N2O排放量、農業化學品和農事操作對碳排放的貢獻以及GWP、GHGI和糧食產量Table 2 Cumulative CH4, N2O emissions, the contributions of chemical input (Ei) and farm operation (Eo) to CO2 equivalents, total global warming potential(GWP), greenhouse gas intensity (GHGI) and grain yield during the rice growing season

通過線性相關分析發現，CH4排放與土壤中NO3--N 含量呈顯著正相關關系（P＜0.01）；N2O的排放與土壤中NH4+-N和NO3--N含量均呈顯著正相關關系（P＜0.01，表3）。

由表4可知，Nw處理土壤pH較Nu和Nm處理分別降低了0.1（P＜0.05）和0.03個單位（P=0.549）。不同類型的氮肥對土壤Cl-含量和SOC沒有顯著影響。

本試驗中，水稻產量為6.8～12.0 t·hm-2。與N0處理相比，3種不同氮肥處理都顯著提高了水稻產量（P＜0.05）。Nu、Nw和Nm處理水稻產量分別提高了 44.0%（P＜0.05）、38.4%（P＜0.05）和 77.5%（P＜0.05，表2），且水稻產量與CH4累積排放量呈顯著正相關關系（P＜0.01）。

2.4 不同氮肥處理下GWP和GHGI綜合評價

本試驗中，GWP 的變化范圍為 7.2～12.3 t·hm-2。其中，Ei（391.8～1932.0 kg·hm-2）和 Eo（1538.9～1552.2 kg·hm-2）分別占 GWP 的 5.4%～16.7%和12.6%～21.4%（表 1和 2）。試驗結果表明，氮肥的施入顯著增加了GWP（P＜0.05）。與N0處理相比，Nu、Nm和Nw處理GWP分別顯著增加了51.3%（P＜0.05）、66.9%（P＜0.05）和 70.3%（P＜0.05）。各處理 GHGI變化范圍為 1.1～1.3 t·t-1（表 2），不同處理之間沒有顯著差異。

表3 水稻施肥與烤田期間，CH4、N2O排放與土壤NH4+-N、NO3--N和土壤溫度的相關性Table 3 The correlation of CH4, N2O emission with NH4+-N, NO3--N and temperature of soil during the fertilization and mid-season drainage period

表4 水稻收獲之后，各處理中土壤Cl-含量、pH和土壤有機碳含量Table 4 Soil pH, soil Cl- content and soil organic carbon (SOC) after the rice harvest in all treatments

圖3 水稻施肥與烤田期間，土壤NH4+-N和NO3--N含量的動態變化Fig. 3 The content of NH4+-N and NO3--N during the fertilization and mid-season drainage periodThe downward arrows indicate the times of N fertilizer application in the N fertilizer treatments. The double-sided arrow indicates the mid-season drainage period. N0, Nu, Nm, and Nw represent treatments without N fertilizer and with urea, organic-inorganic mixed fertilizer, and organic fertilizer, respectively

3 討論

3.1 不同氮肥對稻田CH4排放的影響

與N0處理相比，Nu、Nm和Nw處理顯著提高了CH4的累積排放量（P＜0.05，表2），尤其是Nm和Nw處理。施用無機氮肥顯著促進了稻田CH4排放的原因可能：一是，無機氮肥為產甲烷菌的新陳代謝提供了氮素，從而促進CH4的排放；二是，無機氮肥的施用提高了水稻的生物量，為CH4的產生提供了足夠的碳底物（Yang et al.，2010）。由圖4可知，水稻產量和CH4排放通量存在顯著的正相關關系（P＜0.01），說明氮肥的施用雖然提高了糧食產量，同時也促進了CH4的排放。與單施無機氮肥相比，施用有機氮肥稻田CH4排放提高了17.7%，原因是單施有機肥的處理中，施入的有機肥的有機碳含量為26.1%，這些有機碳的添加直接為CH4的產生提供基質，從而促進CH4的排放（馬煜春等，2017）。本研究中，與N0和Nu處理相比，Nw處理SOC較N0和Nu處理分別增加了4.5%（P=0.231）和8.8%（P=0.053），也證實了有機碳能促進CH4排放。此外，CH4的累積排放量與土壤中 NO3--N含量呈顯著正相關關系（P＜0.01），與Wang et al.（2016）的研究結果一致。但也有研究表明，NO3--N含量的增加可以抑制 CH4的排放（Chidthaisong et al.，2000）。不同的研究結果說明其他因素也能影響CH4的產生，例如氮肥類型、有機碳含量等（Ding et al.，2003）。

圖4 水稻產量與CH4累積排放量的相關性Fig. 4 Correlation with grain yield and the cumulative emission of CH4

不同類型氮肥的施用，并沒有顯著影響土壤中Cl-的含量（表3）。通過線性相關分析發現，土壤中 Cl-的含量與 CH4的季節累積排放量之間不存在顯著相關性（P=0.379），這與前人的研究結果相反。Baldwin et al.（2006）研究認為將NaCl溶液加入到濕地土壤中，能夠消滅一些產CH4菌菌株，從而降低了 CH4的產生。然而，在本研究中，土壤Cl-的含量并未抑制CH4的產生，可能是因為本研究試驗田長期種稻，稻田下滲水不斷淋洗土壤中的鹽分，使稻田鹽土逐漸脫鹽（姜玉華等，2007），所以土壤中Cl-的含量遠低于能抑制CH4產生的含量。

3.2 不同氮肥對稻田N2O排放的影響

氮肥的施用顯著提高了稻田 N2O的累積排放量（P＜0.05，表2），與 Shcherbak et al.（2014）的研究結果相同，隨著氮肥用量的增加，N2O的排放呈指數增加。然而，不同類型氮肥對N2O累積排放量的影響不存在顯著差異（表2）。氮肥施用后短期內會出現一個較小的N2O排放峰值，與前人的研究一致（Singh et al.，2010）。土壤中N2O的排放主要來源于硝化和反硝化過程（Yuan et al.，2017）。在水稻中期烤田之前，水稻田一直處于淹水厭氧狀態，硝化過程被抑制；而且由于水稻在生長過程中會吸收大量的氮肥，可提供N2O排放所需的底物較少（Dong et al.，2018）。與許多研究一樣，在中期烤田期間，N2O的排放出現一個較大的峰值（Zou et al.，2005），主要原因：一是，干濕交替所產生的土壤水分狀況有利于硝化和反硝化過程中 N2O的產生（Li et al.，2018）；二是，烤田期間，土壤中NH4+-N和NO3--N含量較高，有利于N2O的排放（Wang et al.，2016）。土壤中NH4+-N和NO3--N含量與N2O排放呈顯著正相關關系，與Ma et al.（2018a）研究結果一致（表 3）；三是，烤田為土壤提供大量 O2，有利于硝化和反硝化作用同時進行，促進了N2O的排放。同時，溫度也是影響N2O排放的主要因素（Ma et al.，2018b），通過線性相關分析發現，土壤溫度與 N2O排放呈顯著正相關（表3）。但是，土壤中Cl-的含量并未顯著影響N2O的排放（P=0.919），與前人的研究結果一致（Krauss et al.，2012）。相反地，Wang et al.（2016）發現稻田中N2O的排放隨著土壤鹽度的增加而減少。土壤鹽度的改變主要是通過直接影響硝化和反硝化細菌的活性，從而影響N2O的排放（Inubushi et al.，1999）。

3.3 不同氮肥對稻田GWP和GHGI的影響

本研究中，GWP（7.2～12.3 t·hm-2）遠高于 Wang et al.（2013）在具有相似的水分和肥料管理的稻田中的研究結果（2.1～4.5 t·hm-2），主要是本研究中考慮了來自于Eo和Ei所引起的碳排放。綜合考慮水稻生長期間能引起溫室氣體排放的來源（包括Eo和Ei），計算結果表明，與N0相比，施用氮肥顯著增加了GWP。氮肥的施入引起了很大一部分CH4排放量。因此，在保證濱海鹽土水稻產量的同時，應進一步尋找減少鹽土稻田CH4排放的方法，例如施用硝化抑制劑或有聚合物涂層的緩效控釋肥（Li et al.，2018），并采用合理的水分管理制度等（Zou et al.，2005）。

GHGI闡釋了GWP與水稻產量之間的關系。本試驗中，3種氮肥處理均提高了水稻產量，其中，Nm處理水稻產量最高。氮素作為一種植物生長的限制養分，可以提高大多數農作物產量。在整個水稻生長期間，施用有機-無機混合氮肥同時滿足了土壤供肥與水稻各時期的需氮量，有機肥能改善土壤理化性質、提供養分，而無機肥能提供速效氮，從而促進水稻生長，提高水稻產量（王興龍等，2017），并且降低了GHGI（表2）。

4 結論

對稻田CH4和N2O排放通量的觀測發現，與N0處理相比，Nu、Nm和Nw處理顯著提高了CH4和N2O的累積排放通量及GWP，但是3種不同類型氮肥之間并無顯著差異；與N0處理相比，Nu、Nm和Nw處理都顯著提高了水稻產量，其中Nm處理水稻產量顯著高于Nu和Nw處理；3種不同類型的氮肥處理均未顯著提高 GHGI。綜合比較 3種不同氮肥處理后的 GWP和 GHGI，推薦在濱海鹽土稻田中采用Nm（有機-無機氮肥混施）施肥方案，該方案在提高稻田糧食產量的同時，又降低其溫室氣體排放強度。