水肥管理對鄱陽湖流域稻田溫室氣體排放的影響

彭锃琳，崔遠(yuǎn)來※，才 碩，劉 博，舒永紅

（1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2. 江西省灌溉試驗中心站，江西省高效節(jié)水與面源污染防治重點實驗室，南昌 330201）

0 引 言

全球氣候變暖已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題之一。氣候變化的根本原因是大氣中溫室氣體排放濃度的增加[1]。稻田是重要的溫室氣體（CH4、CO2和N2O）排放源，全球稻田CH4年排放量為31～112 Tg，占全球總排放量的 5%～19%[2]，中國稻田 CH4排放量為 7.2～9.5 Tg[3]。中國水稻主產(chǎn)區(qū)分布在秦嶺、淮河以南的亞熱帶地區(qū)，該區(qū)稻田面積約占全國稻作總面積的三分之一[4]。

稻田水分和施肥是影響稻田溫室氣體排放的2 個重要因素[5]。不同灌溉管理對稻田溫室氣體排放的影響顯著[6-9]。灌溉模式直接影響土壤水分狀況，進(jìn)而影響土壤中有氧或無氧環(huán)境的形成。產(chǎn)甲烷菌是嚴(yán)格的厭氧型細(xì)菌，稻田淹水能阻礙土壤和大氣之間氧氣的傳輸，形成厭氧還原環(huán)境，為稻田 CH4的產(chǎn)生提供先決條件；土壤水分還能調(diào)控土壤通氣狀況，從而影響微生物對有機(jī)質(zhì)的分解速率和 CO2的排放速率[10]，同時改變土壤氧化還原狀態(tài)，影響硝化作用和反硝化作用的進(jìn)程和N2O 向大氣排放的途徑，從而影響N2O 的排放量。土壤水層深度對溫室氣體排放的影響存在不確定性。Sebacher 等[11]發(fā)現(xiàn)水深在10 cm 以內(nèi)時，CH4排放量隨水深而增加，但超過10 cm 時反而下降。鄒建文等[12]發(fā)現(xiàn)淹水狀態(tài)下CO2排放率隨水層深度升高而降低，但水層深度與CH4排放無明顯相關(guān)性。彭世彰等[13-14]的試驗表明，控制灌溉水稻的CH4排放量比淹水稻田在1 a 和5 a 尺度上分別減少39%（2005 年）和83.5%（2006—2011 年）。王長明等[15]對黑龍江寒地稻田的研究發(fā)現(xiàn)，與淹水灌溉相比，控制灌溉和間歇灌溉分別以56.29%和26.59%顯著減少CH4排放量（P<0.01）。目前比較公認(rèn)的結(jié)論是CH4在淹水狀態(tài)下排放量更高，而CO2和N2O 則在干旱狀況下排放量更高，但土壤水分對稻田溫室氣體的具體影響程度因時空差異并無統(tǒng)一的定量結(jié)論。

研究表明氮肥的施用對CH4排放具有正負(fù)2 個方向的影響，Bodelier 等[16]發(fā)現(xiàn)氮肥通過提高產(chǎn)甲烷菌的活性和植株的生長增加稻田CH4的排放，而Ahn 等[17]的研究表明氮肥的施用增加了土壤氧化還原電位且亞硝酸鹽的瞬時積累對產(chǎn)甲烷菌有毒害作用，從而在一定程度上抑制稻田 CH4的排放。王長明[18]在黑龍江的試驗發(fā)現(xiàn)，施氮量增加促進(jìn)了水稻植株的生長，使得水稻植株的呼吸作用加強(qiáng)，從而增加稻田 CO2的排放量。目前國內(nèi)外一致認(rèn)為有機(jī)肥施入會增加稻田溫室氣體的總排放量[19]，但化肥對稻田溫室氣體排放的影響結(jié)論不一致。秦曉波等[20]的研究表明施用化肥時 CH4排放量比不施肥對照有較大幅度的下降；而Lindau 等[21]認(rèn)為稻田施化肥的CH4排放高于不施肥處理，但差異不明顯。氮肥的施用顯著增加硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)的反應(yīng)基質(zhì)，大大增加N2O 的排放量，但二者之間的數(shù)量關(guān)系仍存在爭議。因此，增加施氮量對CH4、CO2和N2O 的排放影響存在不確定性。

鄱陽湖流域是中國重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)和糧食主產(chǎn)區(qū)之一[22]，近年以節(jié)水、減肥、增產(chǎn)為目標(biāo)，大力推廣了稻田水肥高效利用綜合調(diào)控技術(shù)（間歇灌溉+集蓄雨水+氮肥基肥和多次追肥）。基于此背景，為探明不同水肥管理模式下鄱陽湖流域稻田溫室氣體排放規(guī)律，本文在位于鄱陽湖流域的贛撫平原灌區(qū)開展了靜態(tài)箱試驗，結(jié)合產(chǎn)量分析溫室氣體排放強(qiáng)度，以期為鄱陽湖流域稻田水肥管理提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在鄱陽湖流域贛撫平原灌區(qū)的江西省灌溉試驗中心站（115°58?E，28°26?N）進(jìn)行。該地區(qū)屬于典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛。多年平均氣溫18.1 ℃，年平均日照時數(shù)1 720 h，年平均降水量1 634 mm，最大年降水量為2 385.8 mm，最小年降水量為1 119.9 mm，且年內(nèi)分布不均，降雨多集中于4—6 月，占全年的46.1%左右。研究區(qū)的自然條件和水稻種植制度在鄱陽湖流域有代表性。試驗區(qū)土壤類型為水稻土，耕作層土壤容重為 1.36 g/cm3，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 1.74%、0.82%、0.25%和1.18%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于 2019 年在田間試驗小區(qū)中開展，各小區(qū)長7.6 m，寬3.5 m。小區(qū)田埂和排灌水溝田埂均使用塑料膜包裹隔開，防止各小區(qū)之間串水串肥。設(shè)置間歇灌溉（W1）和傳統(tǒng)淹灌（W0）2 種灌溉模式（田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)見表1），3 種施氮水平（以純氮計）為不施氮（N0，0）、減量施氮（N1，135 kg/hm2）和常規(guī)施氮（N2，180 kg/hm2），共6 個處理。W1N0 和W0N0 由于場地限制不設(shè)重復(fù)小區(qū)（但小區(qū)內(nèi)取樣重復(fù)），其余處理3 次重復(fù)，共14 個小區(qū)，各小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列。供試水稻品種為黃華占，種植密度株距×行距為 13 cm×27 cm。中稻于2019 年6月18 日移栽，9 月20 日收獲，生育期共95 d。試驗期間氮肥按照基肥∶蘗肥∶拔節(jié)肥=5∶3∶2 施用，磷肥（以P2O5計）為67.5 kg/hm2，全部作基肥施用；鉀肥（以K2O計）為150 kg/hm2，按基肥∶拔節(jié)肥=4.5∶5.5 施用。基肥在移栽前一天（6 月17 日）施下，分蘗肥和拔節(jié)肥分別于7 月1 日和7 月23 日施下。收割后各小區(qū)單獨測定籽粒產(chǎn)量，其他田間管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理一致。

表1 不同灌溉模式田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Field water depth thresholds in different irrigation methods

1.3 樣品采集與檢測

溫室氣體排放通量采用密閉式靜態(tài)暗箱-氣相色譜法測定[23-24]。采樣箱由塑料底座和雙層箱體組成，底座兩端有5 cm 深凹槽和10 cm 長的薄板便于插入土壤，為避免影響稻田土壤理化性質(zhì)，底座固定后不再移動。不銹鋼定制箱體單層尺寸為50 cm×50 cm×50 cm，水稻株高超過 50 cm 時通過凹槽疊加雙層使用。箱外包有海綿和玻纖鋁箔布，防止因太陽照射導(dǎo)致箱內(nèi)溫度變化過大，箱內(nèi)2 個 8 V 風(fēng)扇使氣體混合均勻，側(cè)孔連接橡膠管便于氣體抽出。

水稻經(jīng)育苗移栽后，常規(guī)觀測時間為08:00-11:00[25]，觀測頻率為5～7 d 采集1 次，曬田期及施肥后加測。為了驗證 08:00-11:00 采集的氣體能否代表全天日均排放通量，分別在 8、9 月選取 3 個典型日（8 月 26 日、8月29 日和9 月15 日），典型日代表了2 個季節(jié)的不同環(huán)境影響因子，在典型日對氣體排放的日變化進(jìn)行24 h觀測（當(dāng)日06:00—次日06:00），頻率為每隔2～3 h 觀測1 次，夜間可適當(dāng)減測。氣體采集時，將采樣箱垂直扣在底座凹槽內(nèi)并加水密封以防氣體泄漏，扣箱后分別在0、10、20、30 min 用50 mL 注射器抽出氣體并記錄箱內(nèi)溫度。同時用精度為 0.5℃的土壤溫度計對 10 cm地溫多次測量。室內(nèi)氣體檢測使用Shimadzu GC-2014C型氣相色譜儀，CH4和CO2采用FID 檢測器，載氣為高純氮氣，流速20 mL/min。N2O 采用ECD 檢測器，載氣為氬甲烷氣，流速 30 mL/min。三者檢測溫度均為300 ℃，柱溫為70 ℃。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

溫室氣體排放速率由該氣體濃度隨時間的變化率得出，計算公式分別為

式中F為氣體排放通量，mg/(m2·h)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫室氣體密度，kg/m3；V為采樣箱體積，m3；A為采樣箱底面積，m2；dC/dt為箱內(nèi)氣體濃度隨時間的變化率；T為箱內(nèi)溫度，℃；C為氣體累積排放量，kg/hm2；i為取樣次數(shù)；D為連續(xù)2 次采樣間隔天數(shù)，d。

為減少取樣觀測工作量，一般以08:00-11:00 的溫室氣體排放通量測定值代表全天的平均值[25]。基于各氣體排放通量日變化過程，計算各觀測時刻溫室氣體排放通量的校正系數(shù)[26]，即

式中Ci為 CH4、CO2或 N2O 的校正系數(shù)，Ci越接近 1 越好；Favg為日平均排放通量；Fi為第i次觀測的排放通量。

以100 a 時間尺度，CH4和N2O 的增溫潛勢分別是CO2的 34 倍和 298 倍[27]，與其他研究相比[28]，CH4的 CO2當(dāng)量倍數(shù)提高，反映了 CH4對溫室氣體排放的貢獻(xiàn)有所上升。將CH4和N2O 累積排放量的增溫潛勢換算為CO2當(dāng)量，計算公式分別為[27]

式中GWP 為綜合增溫潛勢， t/hm2（以CO2計，下同）；PCH4、PN2O 和 PCO2分別為 CH4、N2O 和 CO2的增溫潛勢，t/hm2；GHGI 為溫室氣體排放強(qiáng)度，kg/(kg·a)；Y為平均產(chǎn)量，kg/hm2。

參考土壤呼吸模型對稻田溫室氣體排放通量與地溫、氣溫的關(guān)系進(jìn)行擬合，并用Qs10值和Qa10值分別表示氣體對地溫和氣溫變化的敏感性，這 2 個指標(biāo)計算方法相同，計算公式為

式中a為0℃時的氣體排放通量；b為溫度反應(yīng)系數(shù)；Q10為對氣溫或地溫變化的敏感系數(shù)。

數(shù)據(jù)通過Excel 計算，由SPSS 21.0 軟件進(jìn)行雙因素方差分析和回歸分析，并用Origin 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水層深度和氣溫變化

水稻生育期內(nèi) 2 種灌溉模式下的平均水層深度變化和箱內(nèi)氣溫變化見圖1，可見W1 和W0 在曬田期前的水層深度幾乎一致，曬田期（29～36 d）田面落干，二者水層深度均為0，曬田期后W1 下田間多處于薄水層甚至無水層狀態(tài)，水層深度均低于W0。采樣箱內(nèi)氣溫先減后增并在第32 天達(dá)到峰值35.21 ℃，此后氣溫增減略有反復(fù)，在第76 天達(dá)到最低值27.64 ℃。

圖1 水稻生育期平均水層深度和氣溫變化Fig.1 Changes of average water depth and air temperature during rice growing period

2.2 稻田溫室氣體排放日內(nèi)變化規(guī)律

以W0N2 處理為例，選取8 月26 日、8 月29 日和9月15 日3 個典型日的氣體排放特征，圖2 可見稻田CH4和CO2排放通量的晝夜變化規(guī)律相似，全天內(nèi)表現(xiàn)為單峰模式，CH4日排放峰值在14:00-15:00，CO2排放峰值提前約1～2 h，即12:00-15:00。而N2O 排放通量全天內(nèi)則表現(xiàn)為上午、傍晚和深夜的三峰模式，03:00-06:00 還表現(xiàn)為負(fù)排放。夜間（21:00-次日凌晨03:00）由于溫度較低且土壤微生物活性不高，CH4和CO2的排放通量較小且?guī)缀醣３植蛔儭H4和CO2/N2O 的日內(nèi)排放還存在一定的消長關(guān)系，當(dāng)土壤處于CH4排放量較高時，CO2和N2O 的排放量較低，CH4排放量較低時，CO2和N2O 的排放量則較高。

圖2 淹灌和常規(guī)施氮處理稻田溫室氣體排放日變化過程Fig.2 Diurnal variations of gas emissions in paddy field for treatment of flooding irrigation with conventional fertilizer-N application

根據(jù)式（3）分別計算氣體校正系數(shù)，綜合校正系數(shù)為3 種氣體校正系數(shù)的平均值（表2）。表2 中各觀測時段校正系數(shù)越接近1，則以該時段的觀測代表全天平均值越合理。可見 CH4、CO2和 N2O 的最佳觀測時間分別為10:00、08:00 和22:00，為了簡化試驗操作，綜合考慮3種氣體的最佳觀測時間為08:00。由于本研究重復(fù)數(shù)為3，氣體采集需要2 h 以上的連續(xù)時段，08:00-11:00 內(nèi)各氣體校正系數(shù)和綜合值均比較接近1，是進(jìn)行田間觀測的最佳時段，因此在本試驗中以08:00-11:00 觀測的溫室氣體排放量作為全天日均排放通量是合理的。

表2 各測定時刻校正系數(shù)Table 2 Correction factors at different measurement times

2.3 稻田溫室氣體排放季節(jié)變化規(guī)律

2.3.1 CH4變化規(guī)律

圖3a 表明，稻田CH4排放通量的整體變化趨勢相似，前期迅速增長達(dá)到生育期峰值，中后期相對平緩并伴有1～2 個小峰值。間歇灌溉 W1 由于根系氧氣更加充足，CH4排放通量較少。分蘗前期稻田CH4的排放通量達(dá)到峰值，W1 下的峰值比W0 大，且W0 模式存在大約3～6 d 的滯后效應(yīng)（淹水稻田長期有水層，土壤有機(jī)質(zhì)分解較慢，CH4排放是一個緩慢的釋放過程）。曬田使土壤氧氣供應(yīng)得到改善，CH4排放量均急劇下降，W0 前期一直保持水分，下降幅度更大。復(fù)水施肥后，CH4排放通量以穩(wěn)定的小幅度回升，在抽穗開花期（40～60 d），N0 處理出現(xiàn)更為明顯的小峰值，且排放通量均大于N1 和N2 處理，說明拔節(jié)肥施用對稻田CH4排放有一定的抑制作用。CH4排放通量在乳熟末期（70 d）再次達(dá)到小峰值，并在黃熟期（72～95 d）減小。2 種灌溉模式的差異在水稻生長后期更明顯，W0 處理CH4排放通量仍處于較高水平，而W1N2 和W1N1 則逐漸減小并趨于0。根據(jù)圖4a，W1 下CH4排放主要集中在分蘗期，其中分蘗前期和后期分別占整個生育期排放量的51.6%和27.5%，抽穗開花后各生育期的CH4排放量相近且均不足5%。W0 下分蘗前期、分蘗后期和黃熟期CH4排放量占比相近，其他生育期CH4排放量較小且相差不大。

2.3.2 CO2變化規(guī)律

圖3b 可見，與CH4排放規(guī)律不同，不同水肥處理下CO2排放的峰值出現(xiàn)次數(shù)一致，主要在分蘗前期、乳熟期和黃熟期。施氮水平對CO2影響比較明顯，拔節(jié)肥（36 d）后，各處理CO2排放均有所增加并在41 d 出現(xiàn)小峰值。W1N0 和 W0N0 由于不施氮肥，CO2排放通量均低于施氮處理。2 種灌溉模式的CO2排放規(guī)律一致，但間歇灌溉下 CO2排放量更多，這是由于田間無水層時提高了土壤的通透性，氧氣含量增加，且田面低水層或無水層狀態(tài)使得陽光可以直射田面，土壤溫度升高較快，更利于土壤微生物和植物根系呼吸作用的進(jìn)行[28]。水稻生育前期由于根系不發(fā)達(dá)，呼吸作用較弱，各處理 CO2排放通量均處于較低水平；分蘗前期由于施基肥且水稻處于生長旺盛期，根系分泌物總量增加，為微生物生長繁殖提供了良好的基礎(chǔ)，CO2排放出現(xiàn)第1 次峰值，生育后期出現(xiàn)了2 次較高峰值（61 和84 d）。水稻收割后由于沒有植物根系呼吸作用，CO2排放恢復(fù)至較低水平。植物的生長差異在一定程度上影響根系附近土壤中的有機(jī)質(zhì)含量及微生物的呼吸作用，因此不同生育階段 CO2的累積排放量差異較為明顯（圖4b），W1 黃熟期累積排放量最大。

圖3 不同水肥處理稻田溫室氣體排放的動態(tài)過程Fig.3 Dynamics of greenhouse gas emissions from paddy field under different water and fertilizer treatments

2.3.3 N2O 變化規(guī)律

圖3c 可見，稻田N2O 的排放整體水平呈現(xiàn)較低狀態(tài)，各處理的N2O 排放峰值出現(xiàn)在抽穗開花期末（55～61 d），水稻前中期的小峰值分別由 2 次追肥引起，說明氮肥的施用能通過短期內(nèi)改變土壤的含氮量從而促進(jìn) N2O 排放，且施氮量較大的N2 處理下N2O 排放量較高，不施氮N0 處理的排放量最低。灌溉方式對N2O 排放的影響也很明顯，與W1 模式相比，W0 模式下淹水期的N2O 排放通量顯著較低。這是由于稻田淹水時土壤處于厭氧和強(qiáng)還原狀態(tài)，微生物以反硝化作用為主，產(chǎn)生的N2O 很快被充分還原成N2，且水層對N2O 的擴(kuò)散產(chǎn)生了一定阻隔和溶解作用[29]。曬田期（29～36 d）由于處于干濕交替有利于N2O 的形成和排放，各處理的N2O 排放均有不同程度的增加。W0N0 處理在生育末期（65～90 d）出現(xiàn)了N2O 的負(fù)排放。這是由于在黃熟期稻田自然落干，N2O吸附在干燥的土壤顆粒表面，且N0 處理沒有追肥的氮素補(bǔ)充，故形成了N2O 的匯。與CH4和CO2相比，N2O 排放不穩(wěn)定，變異性較大（圖 4c），但總體上呈現(xiàn)出生育前期累積排放量較低，后期排放量顯著提高的變化趨勢，與CH4排放互為消長關(guān)系。變異性較大的主要原因是N2O排放的數(shù)量級很小，作為硝化和反硝化作用的中間產(chǎn)物十分不穩(wěn)定，測量儀器的精度不夠等。

2.4 水肥管理對水稻產(chǎn)量和GHGI 的耦合效應(yīng)

雙向方差分析（表 3）表明，灌溉方式在 0.01 水平極顯著影響了3 種氣體的總排放量，施氮水平對CH4排放影響不顯著（P>0.05），對CO2和N2O 的總排放量均在0.01 水平極顯著影響，但水肥交互作用僅在0.05 水平顯著影響CH4的總排放量，對CO2和N2O 排放的影響不顯著（P>0.05）。稻田溫室氣體排放引起的GWP 受灌溉模式的影響極顯著。與W0 相比，W1 在N0、N1、N2 水平下分別降低GWP 36.1%、33.9%和23.2%（P<0.05）。N0 下的GWP 明顯低于N1 和N2，說明施氮提高了GWP。氮肥的施用一定程度增加了CO2和N2O 的排放，但拔節(jié)肥反而減少了CH4的排放量，是否施氮對GWP 的影響較大，但施氮量（N1 與N2）對GWP 的影響差異較小。水稻產(chǎn)量雖然分別受灌溉模式和施氮水平的極顯著影響，不施氮肥會明顯減產(chǎn)，但水肥交互的影響卻并不顯著（P>0.05）。與GWP 相似，GHGI 值在W1 下均低于W0（P<0.01）。CH4貢獻(xiàn)率與 GHGI 正相關(guān)，W1N1 處理的GHGI 值最低，從增加產(chǎn)量且減少溫室氣體排放的角度為鄱陽湖流域推薦的稻田水肥管理模式。

圖4 不同水肥處理稻田溫室氣體各生育階段累積排放量Fig.4 Cumulative emissions of each growth stage under different water and fertilizer treatments

表3 不同處理水稻產(chǎn)量及溫室氣體排放強(qiáng)度Table 3 Rice yields and Greenhouse Gas Emission Intensity(GHGI) under different treatments

2.5 稻田溫室氣體的溫度敏感性

為進(jìn)一步探明溫室氣體排放對地溫和氣溫的響應(yīng)，選取8 月26 日和9 月15 日作為2 個季節(jié)的典型日，采用指數(shù)模型對氣體日排放通量與同步觀測的 10 cm 地溫和箱內(nèi)氣溫進(jìn)行擬合（圖5），并計算溫度敏感系數(shù)Qs10值和Qa10值（表4）。

由于N2O 日通量存在負(fù)排放（圖2c），不能與溫度進(jìn)行指數(shù)擬合。圖 5 可見，CH4和 CO2日排放通量與溫度分別在0.01 水平和0.05 水平上擬合效果顯著。8 月典型日的地溫和氣溫均不同程度上高于9 月典型日的溫度，且地溫的日變化幅度小于氣溫。由表4，溫室氣體的地溫敏感系數(shù)Qs10變化范圍為1.67～12.68，氣溫敏感系數(shù)Qa10變化范圍為1.33～2.75，CH4和CO2對地溫的敏感性高于氣溫，與8 月典型日相比，9 月典型日的溫度敏感性更高，Qs10值和Qa10值之間的差異更大。

圖5 溫室氣體日排放通量與溫度的關(guān)系Fig.5 Correlation between diurnal flux of greenhouse gas emissions and temperature from paddy fields

表4 不同季節(jié)典型日的溫度敏感系數(shù)Q10Table 4 The sensitive coefficient Q10 values of typical days in different seasons

3 討 論

溫室氣體排放日變化的根本原因是氣溫[30]，水稻生育期內(nèi)CH4和CO2的日變化均為單峰曲線，且峰值出現(xiàn)時刻與一天內(nèi)最高氣溫出現(xiàn)的時間相近。N2O 排放通量全天內(nèi)則表現(xiàn)為上午、傍晚和深夜的三峰模式，說明N2O作為中間產(chǎn)物，在全天內(nèi)的硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)中產(chǎn)生不穩(wěn)定。若以某一時段觀測值代替全天均值，則綜合三者的最佳觀測時段為 08:00-11:00。研究表明，大部分CH4會在排入大氣之前被氧化，僅有少量能夠排放到大氣中[31]，氨氧化菌和甲烷氧化菌都可以氧化 CH4產(chǎn)生CO2[32]，這也為本文觀測到的CH4峰值滯后于CO2約1～2 h 提供了可能的解釋。從微觀角度，CH4和CO2在短時段內(nèi)的消長（trade-off）關(guān)系可能與CH4排放機(jī)理有關(guān)，無論CH4的產(chǎn)生是否通過產(chǎn)酸途徑，中間產(chǎn)物均含有CO2和H2。從宏觀角度，CH4和CO2/N2O 生育期內(nèi)的消長關(guān)系則與土壤水分關(guān)系較為密切，稻田在水分充足時為產(chǎn)甲烷菌提供了利于繁殖的厭氧環(huán)境，降低了土壤的通透性，減弱稻田土壤的呼吸作用，從而促進(jìn) CH4產(chǎn)生并抑制了CO2排放，水分通過影響土壤的硝化和反硝化作用，在長期淹水狀態(tài)下的厭氧環(huán)境促進(jìn)了反硝化過程進(jìn)行，產(chǎn)生的N2O 會進(jìn)一步還原為N2，N2O 排放量降低，反之亦然。因此，該消長關(guān)系在土壤干濕交替情況較多的W1模式下更為顯著。

地溫和氣溫是稻田溫室氣體排放的重要環(huán)境影響因子。本研究中，全生育期內(nèi)溫室氣體的溫度敏感性不強(qiáng)，N2O 與溫度的擬合效果不佳，這是由于在全生育期內(nèi)氣體排放的限制性因子較多，水肥耦合作用明顯，而 N2O排放量極小，作為中間產(chǎn)物十分不穩(wěn)定，從而降低了對溫度的依賴性[33]。高溫時溫度敏感性會下降，Q10值隨溫度升高而降低。主要是因為溫度較低時根系和土壤微生物的代謝活動被抑制，溫度較高時，溫度不再是限制因子，根系和土壤微生物的生命活動受到其他因素的影響和制約[34]，故 9 月典型日的Q10值均高于 8 月典型日，Qs10值和Qa10值之間的差異更大。CH4和 CO2對地溫的敏感性高于氣溫，主要是因為排放到大氣中的溫室氣體主要源于土壤，則土溫對CH4和CO2產(chǎn)生的影響相對于氣溫而言更為直接和有效，Qs10值高于Qa10值。

水肥管理不僅是影響稻田溫室氣體排放的重要因素，也是水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵影響因子[35]。稻田溫室氣體減排的前提是不減產(chǎn)，將水稻產(chǎn)量考慮在內(nèi)的 GHGI 是平衡農(nóng)田溫室效益與經(jīng)濟(jì)效益的綜合指標(biāo)[36]。間歇灌溉縮短了稻田厭氧環(huán)境的時長，抑制了產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)生，使稻田 CH4排放量較淹水灌溉顯著降低，從而具有很好的減排效果，因而是較為推薦的灌溉方式。一般而言，施氮量對于稻田溫室氣體的排放總體上具有正向作用，但在剛施肥后的某些時段內(nèi)反而呈現(xiàn)出抑制效果，原因可能是氮肥的施用增加了土壤氧化還原電位且亞硝酸鹽的瞬時積累對產(chǎn)甲烷菌有毒害作用，從而在一定程度上抑制了稻田 CH4的排放。有研究表明[37]，植物生長和光合作用能力會隨著氮肥的施入而加強(qiáng)，因此施氮量增加促進(jìn)了 CO2的排放。氮肥的施用顯著增加硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)的反應(yīng)基質(zhì)，因而大大增加了N2O 的排放量。雖然不施氮肥的增溫潛勢最低，但它對水稻也有明顯的減產(chǎn)效果，因此并不具有實際推廣意義。施氮一方面提高了水稻的產(chǎn)量，另一方面增加稻田溫室氣體排放，如何協(xié)調(diào)產(chǎn)量與溫室氣體排放量之間的矛盾，實現(xiàn)水稻高產(chǎn)低排放[38]，是進(jìn)一步研究的重點。

與已有研究相比，本文得出的增溫潛勢及溫室氣體排放強(qiáng)度均處于較高水平，主要原因是同時考慮了 3 種溫室氣體（CH4、CO2和N2O），且CH4的當(dāng)量倍數(shù)增大至 34。一方面說明，稻田溫室氣體排放問題比過去更加嚴(yán)重，研究稻田溫室氣體絕不可忽略 CH4排放，稻田溫室氣體減排重點方向應(yīng)該在 CH4的減排；另一方面說明仍然需要尋找例如秸稈還田等方式降低溫室氣體排放強(qiáng)度或增大經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

本文以鄱陽湖流域贛撫平原灌區(qū)中稻為背景，通過稻田溫室氣體的日變化規(guī)律確定了田間試驗的最佳采樣時間，得到不同水肥條件下 3 種溫室氣體的動態(tài)變化，采用指數(shù)模型對CH4和CO2日排放通量分別與地溫和氣溫擬合，并計算溫度敏感系數(shù)值，最后綜合水肥管理探討 3 種氣體排放之間的關(guān)系，從減排增產(chǎn)的角度提出了推薦的稻田水肥管理模式。主要結(jié)論如下：

1）CH4和 CO2的日變化均為單峰（12:00-15:00）曲線，N2O 則為三峰曲線。通過校正系數(shù)得出 CH4、CO2和N2O 的最佳觀測時間分別為10:00、08:00 和22:00，綜合觀測時間為08:00。結(jié)合實際08:00-11:00 采集作為日均排放通量是可行的。

2）CH4的季節(jié)變化趨勢是前期迅速增長達(dá)到峰值，中后期較平緩并伴有1～2 個小峰值；CO2季節(jié)變化峰值主要分布在分蘗前期、乳熟期和黃熟期。N2O 的季節(jié)排放整體水平較低，峰值在抽穗開花期末。灌溉模式對 3種氣體排放的影響均為極顯著，與間歇灌溉相比，淹水灌溉增加了CH4排放，但減少了CO2和N2O 排放。施氮量總體上與3 種氣體均為正相關(guān)，N0 處理的氣體排放量最低，但拔節(jié)肥的施用在一定程度上抑制了 CH4排放。水肥耦合作用僅對稻田CH4排放影響顯著。

3）地溫和氣溫是稻田溫室氣體排放的重要環(huán)境影響因子。回歸分析表明，CH4和 CO2日排放通量與溫度分別在0.01 水平和0.05 水平上擬合效果顯著。CH4和CO2對地溫的敏感性高于氣溫，與8 月典型日相比，9 月典型日的溫度敏感性更高，對地溫和氣溫的敏感性差異更大。

4）水稻產(chǎn)量與水肥管理模式關(guān)系密切，間歇灌溉下的產(chǎn)量更大，不施氮肥有明顯的減產(chǎn)作用。稻田溫室氣體減排的重點在于 CH4排放，CH4貢獻(xiàn)率與溫室氣體排放強(qiáng)度正相關(guān)，間歇灌溉結(jié)合減量施氮處理的溫室氣體排放強(qiáng)度最低，從溫室氣體減排增產(chǎn)的角度是鄱陽湖流域推薦的稻田水肥管理模式。