不同遮陰處理下施肥對稻田CH4和N2O排放的影響

王坤，婁運生*，邢鈺媛，劉健

（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，南京210044；2.南京信息工程大學江蘇省農業氣象重點實驗室，南京210044）

云、氣溶膠和溫室氣體等引起的輻射強迫已成為國際關注的熱點問題，據統計，1750—2011年間由氣溶膠引起的輻射強迫為?0.9 W·m?2，使到達地表的太陽輻射減弱[1]。1961—2008年我國東南部太陽輻射以10.17 MJ·m?2·a?1速率下降[2]，江蘇南京及周邊地區太陽輻射以0.2 MJ·m?2·d?1速率下降[3]。

太陽輻射是光合作用能量來源，對作物生產具有重要作用。水稻為喜光作物，光強減弱影響水稻株高、分蘗數、葉片和根系發育，降低干物質積累，導致產量下降[4?5]。傳統農業通過施用氮磷鉀肥可促進水稻生長發育，提高產量[6]，然而卻顯著提高了稻田CH4和N2O排放[7]。而施硅肥能有效增加水稻有效穗數、千粒重和結實率，提高產量，并可降低稻田CH4排放，促進N2O排放，降低稻田CH4和N2O排放綜合溫室效應[8?9]。稻田是CH4和N2O溫室氣體的重要排放源之一，土壤CH4和N2O排放量分別占農業總排放量5%～19%和11.4%[10?11]，其濃度每年分別以1%和0.2%～0.3%速度增加[12]。近年來由于化肥的合理施用，稻田溫室氣體排放量由1980年的0.13 Gt CO2?eq下降至2016年的0.10 Gt CO2?eq[13]。

太陽輻射減弱、施用氮磷鉀肥或硅肥單因子或兩因子對水稻生產和稻田土壤CH4和N2O排放的影響已有研究，通過覆蓋遮陽網模擬輻射強迫，發現遮陰處理使水稻葉面積指數和葉綠素含量顯著下降，物候期明顯延遲，CH4排放量顯著減小[14?15]。水稻抽穗后光合產物占籽粒產量的90%[16]，CH4和N2O排放分別集中在分蘗期至拔節期和拔節期至抽穗期[8]。然而，水稻遮陰模擬太陽輻射減弱研究多局限于某個生育期，對不同生育期或整個生育期遮陰研究尚不多見。在太陽輻射減弱背景下，氮磷鉀肥和硅肥的施用對水稻生產及稻田土壤CH4和N2O排放的影響尚不明確。本文通過大田模擬試驗，研究在不同水稻生育期遮陰條件下不同氮磷鉀肥和硅肥施用量對水稻產量及CH4、N2O排放的影響，旨在闡明太陽輻射減弱下通過施肥調控能否在穩定水稻產量的同時，實現稻田溫室氣體減排，為區域水稻可持續生產和糧食安全及應對氣候變化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間模擬試驗于2019年5—11月在南京信息工程大學農業氣象試驗站進行（32.0°N，118.8°E）。該站地處亞熱帶濕潤氣候區，年均降水量1 100 mm，年均氣溫15.6℃。供試土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬，有機碳含量19.4 g·kg?1，全氮含量1.5 g·kg?1，有效磷含量16.2 mg·kg?1，速效鉀含量112.6 mg·kg?1，質地為壤質黏土，黏粒含量26.1%，pH值6.2（1∶1土水比）。供試氮磷鉀肥料為高濃度氮磷鉀復合肥（15∶15∶15，俄羅斯產）。供試硅肥為鋼渣粉，含有效硅（SiO2）14.21%，鐵氧化物（Fe2O3）含量為22.89%，pH值8.09（土水比1∶10）。供試水稻品種為南粳5055，該品種株高適中，抗倒伏性強，適宜在江蘇沿江及蘇南地區種植。

1.2 試驗設計

采用3因素3水平正交試驗設計（表1），遮陰設3水平，即不遮陰（S0，遮陰率為0）、開花?成熟期遮陰（S1，遮陰率為64%）和分蘗?成熟期遮陰（S2，遮陰率為64%）。小區面積=2 m×2 m=4 m2。采用普通黑色遮陽網覆蓋水稻冠層，根據生長進程及時調整遮陽網高度，使遮陽網與冠層間距離保持0.3 m以上，以保持冠層良好通風，便于田間觀測和采樣。氮磷鉀復合肥設3水平，施肥量分別為158、315 g和473 g，相當于田間施用量100 kg·hm?2（F1）、200 kg·hm?2（F2）和300 kg·hm?2（F3）。硅肥設3水平，即不施硅（R0）、鋼渣200 kg·hm?2（R1）和鋼渣400 kg·hm?2（R2），R1和R2每小區分別施鋼渣粉634 g和1 268 g。試驗共設9個處理，按照L9（34）正交表安排試驗處理。水稻2019年5月10日育苗，5月23日翻耕，6月13日將各處理所需肥料施入，6月14日移栽，7月28日至8月12日排水曬田，10月4日停止灌溉。株行距為20 cm×20 cm，水稻生長期水層保持大約10 cm，大田病蟲害防治根據實際情況處理。

表1 正交試驗設計方案表[L9（34）]Table 1 Schedule of L9（34）orthogonal test

1.3 產量測定

水稻成熟后，在每小區中間區域選取樣方（50 cm×50 cm），將所選樣方內水稻穗收割，使用脫粒機將谷粒從谷穗上脫下，測定選定樣方脫粒后的產量（單位：t·hm?2）。

1.4 氣體采集與分析

采用密閉靜態箱?氣相色譜法，測定稻田CH4和N2O排放通量。從水稻分蘗期開始到成熟期結束，每周采集氣體樣品1次，每次采樣時間為上午8：00—11：00。采樣前將圓柱狀密閉靜態箱（PVC）置于事先固定于土壤的底座上，底座內均移栽水稻植株2株，底座水槽內注水確保靜態箱密封，而后接通蓄電池電源使固定于采樣箱頂部的微型直流電風扇運轉20 s，以混勻箱內氣體，分別于封箱后0、15、30 min用帶有三通閥的塑料注射器通過采樣孔采集箱內氣體，將所采氣樣注入事先抽成真空的估算50 mL硬質玻璃采樣瓶中，采樣結束將氣樣帶回實驗室，用氣相色譜儀（Agilent 7890BGC）檢測CH4和N2O的濃度，色譜柱型號為P/N 19091J?413，柱箱溫度為50℃；FID檢測器溫度為250℃，高純H2（99.999%），干燥無油壓縮空氣，流量分別為50 mL·min?1和450 mL·min?1；鎳轉化爐溫度為375℃；載氣N2（99.999%）或高純He（99.999%）。

CH4和N2O排放通量計算公式[17]：

式中：F為氣體排放通量，mg·m?2·h?1；ρ為標準狀態下氣體密度，CH4和N2O氣體密度分別為0.714 kg·m?3和1.25 kg·m?3，H為采樣箱氣室高度，m；T為采樣時箱內平均溫度，℃；d c/d t為箱內單位時間內氣體濃度變化率，mg·kg?1·h?1。

水稻各生育期CH4和N2O累積排放量計算公式：

T=∑[（Fi+1+Fi）/2]×（Di+1?Di）×24

式中：T為氣體累積排放總量，mg·m?2；Fi和Fi+1分別為第i次和i+1次采樣時氣體平均排放通量，mg·m?2·h?1；Di和Di+1分別是第i次和i+1次采樣時的時間，d。

1.5 增溫潛勢及碳排放強度估算

1.5.1 增溫潛勢計算

采用持續變化全球增溫潛勢（Sustained?flux global warming potential，SGWP）和持續變化冷卻潛勢（Sustained?flux global cooling potential，SGCP）反映CH4和N2O對氣候變化的影響能力。以百年尺度計，當氣體排放通量為正值時，將稻田全生育期CH4累積排放量乘以45與N2O累積排放量乘以270求和得到增溫潛勢；當氣體排放通量為負值時，將稻田全生育期CH4累積排放量乘以203與N2O排放通量乘以349求和得到冷卻潛勢，公式分別為[18]：

1.5.2 氣體排放強度計算

稻田CH4和N2O的排放/吸收強度（碳強度），即單位水稻產量的SGWP/SGCP，計算公式為[19]：

式中：GHGI為氣體排放強度，kg CO2?eq·t?1；Y為單位面積的水稻產量，t·hm?2。

1.6 數據處理與分析

試驗數據通過Excel 2019軟件進行錄入、整理、編輯、繪圖，使用SPSS 25.0統計軟件Orthogonal Design生成正交試驗表，使用General Linear Model模塊進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同遮陰及施肥處理對水稻產量的影響

極差大小可反映各因素對試驗結果的影響程度，一般極差越大表明影響程度越大。極差分析表明，K（S）＞K（F）＞K（R），即遮陰對產量影響最大，其次為施用復合肥，施硅對產量影響最小（表2）。S0F2R1處理產量最大，為14.49 t·hm?2，S2F3R1處理產量最小，為5.70 t·hm?2。遮陰S0水平產量最高，為36.53 t·hm?2，S2水平最小，為18.81 t·hm?2；氮磷鉀復合肥處理F2水平最大，為27.70 t·hm?2，F3水平最小，為23.70 t·hm?2；硅肥處理R1水平最大為26.93 t·hm?2，R2水平最小，為23.41 t·hm?2。

隨遮陰時間延長，水稻產量逐漸減小，遮陰處理S1和S2產量分別比S0降低43.33%和48.51%（圖1）。隨氮磷鉀及硅肥施用量增加，水稻產量先增加后減小，復合肥F2比F1增加12.37%，F3比F1降低3.85%；硅肥R1比R0增加4.79%，R2比R0降低8.91%。遮陰、施硅和施復合肥量對產量沒有顯著性影響，遮陰對產量的影響未達顯著水平（P＞0.05）（表3）。

表2 產量試驗結果及極差分析表Table 2 Results and analysis of extreme difference in yield

2.2 不同遮陰及施肥處理對CH4排放通量的影響

水稻生長季，各處理CH4排放通量呈現“單峰型”季節性變化特點（圖2）。水稻移栽第22 d（分蘗前期），CH4排放通量較低，隨后逐漸增大，稻田隨淹水時間延長形成嚴格厭氧條件，同時分蘗數增加，有機物分解，有利于產甲烷菌活動，從而CH4排放通量不斷升高。移栽后第38 d排放通量達峰值，之后逐漸降低，到移栽第44 d進入曬田期，CH4排放通量急劇降低，曬田結束后，CH4排放通量略微上升，隨后逐漸降低趨近于零，直至成熟期收獲。

表3 產量和CH4與N2O累積排放量及總溫室效應的方差分析（F值）Table 3 Variance analysis for yield，CH4 and N2Oaccumulated emission and total SGWP（F value）

2.3 不同遮陰及施肥處理對CH 4累積排放量的影響

水稻CH4排放主要集中在分蘗期，曬田期后CH4排放通量維持在較低水平。極差分析表明，K（S）＞K（F）＞K（R），即遮陰處理對CH4累積排放影響最大；其次是施復合肥和施硅肥量（表4）。S0F3R2處理CH4累積排放量最大，為15.13 g·m?2，S2F1R2處理CH4累積排放量最小，為4.67 g·m?2。CH4累積排放量隨遮陰時間增長而減小，隨施復合肥量增加而增大，隨施硅肥量增加先減小后增大，施用200 kg·hm?2鋼渣粉時，CH4累積排放量最小（圖3）。

遮陰對水稻全生育期CH4累積排放有極顯著影響（P＜0.01），施復合肥量和施硅量對水稻全生育期累積排放影響顯著（P＜0.05）（表3）。極差分析表明，遮陰處理下，S2水平累積排放量最小，排放量為15.36 g·m?2，S0和S1兩個水平累積排放量值分別為36.32 g·m?2和33.61 g·m?2，S1水平比S0水平降低了7.46%，S2水平比S1降低了54.30%，表明隨遮陰生育期增加，CH4累積排放量減小，呈現明顯的負相關關系。施復合肥F2水平相較F1水平CH4排放量增加了48.34%，F3水平相較F1水平CH4排放量增加了57.03%。施硅肥3個水平中，R1水平累積排放量為22.84 g·m?2，為最低水平，比R0水平降低了20.42%，R2水平比R0水平增加了17.56%。

表4 全生育期CH4累積排放量試驗結果及極差分析表Table 4 Results and analysis of extreme difference in CH 4accumulated emission fromwhole growth period

2.4 不同遮陰及施肥處理對N2O排放通量的影響

N2O與CH4排放通量季節變化趨勢明顯不同，水稻N2O排放主要集中在曬田期以及成熟期后期（圖4）。在分蘗期至曬田前，稻田處于持續淹水狀態，N2O排放通量接近于零，部分處理N2O排放出現負值。移栽第45 d開始排水曬田，部分處理在第49 d時N2O排放通量出現峰值，移栽60 d時結束曬田開始灌溉覆水，各處理N2O排放通量降低并保持至接近零值的排放水平，成熟期后N2O排放通量逐漸升高。N2O排放出現負值可能是由于田間保持淹水狀態，以及此段時間降雨頻繁造成的。曬田結束后，田間處于淹水狀態，直到生育后期才出現無水層，導致N2O排放長期保持在較低水平，生育后期N2O排放通量才出現上升趨勢。

2.5 不同遮陰及施肥處理對N2O累積排放量的影響

極差分析表明，K（F）＞K（S）＞K（R），即施復合肥量對全生育期N2O累積排放量影響最大，其次為遮陰，施硅量對N2O累積排放影響較小（表5）。S2F3R1處理N2O累積排放量最大，為77.49 mg·m?2，S0F1R0處理N2O累積排放量最小，為?1.96 mg·m?2。

施用復合肥對水稻全生育期N2O累積排放量影響顯著（P＜0.05），遮陰和施硅肥對N2O排放影響不顯著，表明復合肥施用量是影響水稻N2O排放的主要因素（表3）。N2O累積排放量隨遮陰時長增加、施復合肥量和施硅肥量增加均呈增長趨勢，增長幅度不同，施復合肥處理下增長較為明顯（圖5）。施復合肥處理下F2水平比F1水平增加85.81%，F3水平比F1水平增加192.98%；遮陰處理S1比S0增加26.25%，S2比S0增加57.59%。施硅肥處理R1比R0增加39.57%，R2比R0增加48.00%。

表5 全生育期N2O累積排放量試驗結果及極差分析表Table 5 Resultsand analysis of extreme difference in N2Oaccumulated emission from whole growth period

2.6 綜合溫室效應與排放強度

各處理的總溫室效應值大小與CH4增溫潛勢值相近，除9號處理下，CH4增溫潛勢占總溫室效應91.22%，其他處理下，CH4增溫潛勢均占總溫室效應97%以上（表6），原因在于CH4累積排放量遠高于N2O累積排放量。遮陰處理對總溫室效應有極顯著影響（P＜0.01），施復合肥量和施硅量對總溫室效應有顯著影響（P＜0.05）（表3）。CH4累積排放量最低的處理為S2F1R2，即分蘗?成熟遮陰、復合肥和硅肥施用量分別為100 kg·hm?2和400 kg·hm?2。就CH4和N2O排放強度而言，S1F2R2排放強度最大，為984.14 kg CO2?eq·t?1，S2F1R2排放強度最小，為347.68 kg CO2?eq·t?1，S1比S0增加59.51%，S2比S0減少16.44%；F2和F3分別比F1增加48.78%和60.20%；R1比R0減少23.08%，R2比R0增加24.63%。

3 討論

水稻CH4排放通量的季節性變化呈單峰型（圖2）。CH4排放主要集中在分蘗期，曬田開始直至成熟，CH4排放通量維持較低水平。N2O排放通量隨季節變化各處理變化不一，呈零星的脈沖峰型（圖4），排放主要集中在曬田期間和成熟后期田間無水層狀況下[7]，不難看出CH4和N2O排放存在消長關系，移栽至分蘗期稻田處于淹水狀態，厭氧環境有利于產甲烷菌活動，引起CH4大量排放[20]。淹水厭氧環境不利于N2O排放[21]，排水曬田水分急劇減少，導致N2O出現排放高峰。曬田結束，CH4保持在較低排放水平，原因可能是排水曬田使田間水分干涸，破壞了之前的厭氧環境，抑制了CH4產生，CH4排放通量幾乎為零。曬田結束重新灌溉覆水，CH4排放通量仍然保持較低排放，原因可能是曬田改變了土壤通氣性，土壤氧化還原電位仍處于較高水平，從而抑制了產甲烷菌產生CH4，土壤通氣性改變，土壤閉蓄氧濃度升高，從而促進CH4氧化而減少CH4排放，使CH4排放保持一個相對較低水平[22]。

表6 CH4和N2O排放的溫室效應Table 6 Greenhouse effect of CH4 and N2Oemission

稻田CH4排放主要集中在分蘗期，分蘗?成熟遮陰和開花?成熟遮陰與對照（不遮陰）相比，CH4累積排放量分別降低57.71%和7.46%，與前人研究一致[9]。遮陰使作物分蘗數、地下部生物量降低，光合作用減弱，根系分泌物減少，抑制產甲烷菌活性[23?24]，這可能是導致CH4排放量較低的原因。隨復合肥施用量增加，稻田CH4累積排放量增大，過量銨態氮抑制CH4氧化菌活性，使CH4排放量升高[25?26]。N2O排放隨復合肥用量增加而增加，氮肥是影響稻田N2O排放的主要因素之一[27]。施硅肥使CH4排放降低，N2O排放升高，與前人研究結果一致[8]，施硅能提高植株根系氧化，改善植株通氣性，抑制產甲烷菌活性，促進硝化作用，這可能是導致CH4排放量降低、N2O排放量增加的原因；而隨施硅量增加CH4排放量增大，與前人研究結果不一致[28]，原因可能在于，鋼渣硅肥中含有Fe2O3，大量鐵氧化物會使稻田導電性增強，促進CH4排放[29]；過量硅肥可能存在毒理作用，使水稻產量減小的同時還會抑制水稻植株根系生長，從而影響通氣性，導致CH4排放增加；試驗條件的差異可能也會帶來不同的試驗結果。因此，過量硅肥對稻田CH4排放影響還需進一步研究。

遮陰處理對總溫室效應有極顯著影響，施復合肥和施硅對總溫室效應影響顯著（表3）。N2O排放量雖少，但溫室氣體排放系數值大，其對總溫室效應有著不可忽視的作用，但稻田CH4溫室效應與N2O溫室效應不在一個數量級，總溫室效應主要取決于CH4溫室效應大小，CH4排放量在總溫室效應中起主導作用。相比不遮陰（S0），開花?成熟期遮陰（S1）使排放強度增加，而分蘗?成熟期遮陰（S2）則降低排放強度。原因可能在于，GHGI是單位水稻產量的SGWP，遮陰降低水稻產量，同時也降低水稻SGWP，相比開花?成熟期遮陰（S1），分蘗?成熟期遮陰（S2）SGWP降低幅度遠大于水稻產量。施氮磷鉀復合肥和施硅肥對產量影響不顯著，而對溫室效應影響顯著，施復合肥和施硅肥對排放強度的影響，取決于總溫室效應大小。本研究中稻田CH4排放量在稻田總溫室效應中起主導作用，因此，在太陽輻射減弱背景下控制CH4排放是降低稻田溫室效應和排放強度的有效途徑[30]。各處理對產量影響均不顯著，即在遮陰模擬太陽輻射減弱條件下，通過合理施肥可在保證稻田產量的同時達到溫室氣體減排的作用。

4 結論

（1）稻田CH4和N2O排放存在消長關系，遮陰顯著降低CH4累積排放量，施用復合肥顯著提高CH4排放量，施硅肥對CH4累積排放也有顯著影響，隨硅肥量增加，CH4累積排放量先降低后升高；隨著遮陰時間延長、復合肥和硅肥施用量增加，N2O累積排放量增大，施復合肥對N2O累積排放量影響顯著。

（2）遮陰、施復合肥和施鋼渣硅肥均對總溫室效應影響顯著，影響效果大小依次為遮陰＞復合肥＞鋼渣硅肥。CH4累積排放量在總溫室效應中起主導作用。

（3）在太陽輻射減弱背景下，施復合肥100 kg·hm?2、硅肥400 kg·hm?2，在保證產量的同時，能有效降低稻田CH4和N2O總溫室效應和排放強度。