不同水分管理模式下氮肥和秸稈配施對 稻田CH4排放的影響

李文濤，楊立杰，張麗莉，于春曉，武開闊，宋玉超， 宮 平，薛 妍，李東坡，武志杰

（1．中國科學院沈陽應用生態研究所，遼寧 沈陽 110016；2．中國科學院大學，北京 100049； 3．沈陽化工研究院有限公司，遼寧 沈陽 110021）

全球氣候變暖是人類關注的熱點問題之一，大氣中溫室氣體濃度的不斷增加是導致全球氣候變暖的主要原因[1］。甲烷（CH4）作為主要的溫室氣體之一，其排放量占溫室氣體排放量的18.3%[2］，對全球的增溫作用僅次于二氧化碳[3］。在所有人類活動CH4排放總量中，農業CH4排放占排放總量的50%左右[4］，其主要來源于稻田水稻種植過程[5］。 全球稻田每年CH4排放量為25～50 Tg，占全球CH4排放總量的10%左右[6］。我國作為世界上水稻第二種植大國，稻田CH4排放約占農業源溫室氣體排放總量的24%[7］。因此，探究稻田CH4的排放特征，并采取相應措施減少稻田CH4排放，對減緩氣候變暖意義重大。

秸稈還田和水分管理等農藝措施對CH4排放有顯著影響[8-11］。秸稈還田一方面緩解了秸稈大量焚燒帶來的環境問題；另一方面，秸稈中含有大量有機物質，可以提高土壤有機質含量，培肥地 力[8，12］；但秸稈還田改變了土壤微生物和酶的活性，同時秸稈本身含有大量有機碳，可作為CH4產生的前體物質，能顯著增加稻田CH4的排放[10，13］。

水稻需水量高，多在淹水條件下種植，淹水條件下稻田土壤通氣性差，利于CH4的大量排放[14］，同時，長期淹水也造成水資源的大量損耗。據統計，稻田灌溉用水約占農業用水量的70%[15］。為了節約水資源和減少CH4的排放，稻田干濕交替灌溉（alternative wetting and drying，AWD）技術被廣泛應用。AWD是水稻生長期間進行淹水-落干-復水-落干的灌溉方式[11］，目前在江蘇、浙江以及東南亞等地區廣泛應用[16］。AWD模式下，由于淹水-落干過程中土壤通氣性增加，促進了CH4的氧化作用，能最終減少CH4的排放[9］。Haque 等[17］研究表明，與持續淹水（CF）相比，AWD能有效降低48%的CH4排放。Liao等[18］研究也表明AWD較CF稻田CH4排放降低86%左右。在我國廣州雙季稻種植區田間試驗也表明，與傳統水分管理相比，AWD模式下早稻季和晚稻季CH4排放分別有效降低21%和42%[19］。現有關于水稻干濕交替研究主要集中在南方雙季稻，在北方單季稻研究較少。由于北方水稻種植制度及溫度與南方稻田有很大差異，干濕交替下其CH4排放的特征，有待于進一步研究。此外，秸稈還田為微生物提供了大量的碳源，促進了微生物活性，培肥地力的同時也增加了CH4的排放[8］，在干濕交替模式下秸稈還田后CH4排放會產生何種變化，是否與干濕交替發生交互效應，也值得進一步研究。

化學氮肥的施用在如今農業生產中發生不可替代的作用。氮肥往往通過影響其他因素間接地影響CH4排放。石生偉等[20］研究表明，增施氮肥能抑制CH4排放；但也有研究表明，氮肥的投入增加了CH4排放[18，21］，馮曉赟等[22］研究表明，氮肥施用只略微增加了稻田CH4排放，與對照并無顯著性差異。關于施氮對CH4排放的影響現在沒有統一定論，但在不同水分管理模式下的研究表明，施氮肥條件下干濕交替處理顯著低于長期淹水[18］。施用氮肥作為一種提高作物產量的農藝措施，在田間常常與秸稈還田一起實施。傳統灌溉下，秸稈還田與氮肥的配施提高了水稻產量，但也會增加CH4的排放[21］，而干濕交替下秸稈與氮肥配施對CH4的影響如何，卻鮮有報道。因此本文以此為切入點，以東北潮棕壤性水稻土為供試對象，通過室外盆栽試驗，研究不同水分管理模式下秸稈還田以及秸稈與尿素配施對稻田土壤CH4排放的影響，探究不同水分模式、秸稈還田以及秸稈與尿素配施條件下CH4的排放情況，以期為減少稻田CH4的排放提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在中國科學院遼寧沈陽農田生態系統國家野外科學觀測研究站（43°31' N，123°22' E）網室內進行，該地屬暖溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候，年均降水量約690 mm，年均溫7～8℃，＞10℃活動積溫3300～3400℃，無霜期146～166 d，耕作制度為一年一熟制。試驗供試土壤為潮棕壤，取自沈陽農田生態系統國家野外科學觀測研究站水稻試驗基地長期不施肥處理0～20 cm土層。土壤全碳16.01 g·kg-1，全氮1.36 g·kg-1，有效磷27.01 mg·kg-1， 速效鉀123.7 mg·kg-1，銨態氮19.7 mg·kg-1，硝態氮23.28 mg·kg-1，pH 6.73，土壤容重1.06 g·cm-3。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

本試驗為盆栽試驗，于2020年6～10月進行。試驗分兩種水分模式，長期淹水（CF）和干濕交替（AWD），每種水分模式下4個處理：對照（CK）、單施秸稈（S）、單施尿素（U）、尿素+ 秸稈（US），兩種模式共8個處理，每個處理重復3次，共24盆。試驗每盆裝土10.51 kg（干土重9 kg），種植水稻2穴，每穴3株，共6株。水稻于6月17日定植，10月27日收獲。尿素為氮肥，施 氮 量 為106.13 mg·kg-1（N 225 kg·hm-2），基肥（6月17日）、分蘗肥（8月4日）和穗肥（8月25日）按照4∶3∶3的比例施入。秸稈磨碎后隨基肥一次性添加，添加量為4.25 g·kg-1（9000 kg·hm-2）。磷肥和鉀肥分別為過磷酸鈣和氯化鉀，它們作為底肥一次性施入，施用量為P2O5150 kg·hm-2、K2O 185 kg·hm-2。

長期淹水處理，水稻生育期間始終保持3～5 cm水層，收獲前曬田；干濕交替處理，每個處理盆中安裝一個土壤水分張力計（海岸華亭儀器有限公司），用以監測15 cm處水勢，水稻移栽前7 d保持3～5 cm水層，保證移栽成活，其后進行自然落干，待土壤負壓計到達-15 kPa左右時進行復淹3～5 cm，而后再進行落干，周而復始，直至 收獲。

1.2.2 樣品采集與測定

水稻于2020年6月17日定植，分別于返青期（6月28日）、分蘗期（7月25日）、拔節期（8月11日）、孕穗期（9月1日）、灌漿期（9月23日）、成熟期（10月27日）采用五點取樣法采集0～10 cm土層土壤，測定土壤微生物量碳（MBC）含量。

MBC含量采用氯仿熏蒸法[23］測定，稱取25 g 新鮮水稻土兩份，一份氯仿熏蒸黑暗真空條件下處理24 h，然后用100 mL 0.5 mol·L-1K2SO4浸提（土∶水=1∶4），另一份樣品直接加入100 mL 0.5 mol·L-1K2SO4浸提。用TOC分析儀（Vario TOC Cube，Elementar，Germany）測定熏蒸和未熏蒸浸提樣品，微生物生物量碳（MBC）的熏蒸系數為0.45。

CH4排放采用靜態箱法測定[24］。靜態箱由箱體和底座兩部分組成，箱體為直徑30 cm的透明有機玻璃，高50 cm（拔節期后換為高70 cm箱體，其余不變），內部頂端安裝小風扇以混勻氣體；底座由直徑31 cm的有機玻璃制成，中間有凹槽（用以嵌合箱體，采氣時用水密封），高10 cm。在施肥后第一周每隔2 d采集氣體1次，每次復灌后1～2 d采集1次，其余時間每隔7 d采集1次（遇降雨天氣適當調整采樣時間），直至收獲。水稻整個生育周期連續采集CH4，共采集氣體23次。氣體采集時間為每天8∶00～11∶00，采集氣體時，蓋上箱體，用水密封，在隨后的0、30、60 min采集箱內氣體，并實時記錄箱內溫度。每次采氣用氣密性良好的50 mL注射器采集100 mL氣體裝入真空采氣袋（大連海得科技有限公司），采氣結束后帶回實驗室測定。

采集的氣體采用氣相色譜儀（Agilent 7890B，美國）分析測定。CH4檢測器為FID（火焰離子化檢測器），溫度為250 ℃，載氣為高純氮氣，燃燒氣體、輔助氣體和尾吹氣體分別為氫氣、空氣和普通氮氣，流量分別為80、450和25 mL·min-1；柱箱溫度為60 ℃[21］。

1.3 計算方法

CH4排放通量計算方程[21］為：

式中：F為CH4的排放通量（mg·m-2·h-1）；ρ為CH4在標準狀態下的密度（CH4為0.714 kg·m-3）；dc/dt為采樣過程中采樣箱內氣體的濃度變化率；P為采樣箱內氣壓；P0為標準大氣壓，由于試驗地區氣壓與標準大氣壓相當，因此P/P0值等于1；V表示密閉靜態箱體積（m3）；A表示采樣箱內土地面積（m2）；273為氣態方程常數；T為測定時采樣箱內平均溫度（℃）。

CH4累積排放量計算方程[25］為：

式中：CE為CH4累積排放量（kg·hm-2）；Fi、Fi+1為相鄰兩次采樣時期內的排放通量（mg·m-2·h-1）； di+1、di為相鄰兩次采樣期的天數（d）。

1.4 數據統計

數據采用Excel 2010和SPSS 16.0進行統計分析，用Duncan法進行差異顯著性檢驗（α=0.05），采用Origin 9.0畫圖，圖表中數據為平均值±標 準差。

2 結果與分析

2.1 CH4排放特征

由圖1可知，2種水分管理模式（CF和AWD）下，CK和U處理呈現相同的排放趨勢，在整個水稻生育期，CH4排放較低，排放通量基本趨于零。CF模式下添加秸稈處理（S、US）顯著增加了稻田CH4排放，且在水稻移栽后18和53 d出現明顯的排放峰值，CH4排放分別為55.71、58.73、41.26、47.94 mg·m-2·h-1；而AWD模式下，添加秸稈處理（S、US）CH4排放只有一個明顯的峰值，出現在水稻定植后第18 d，分別為38.53、48.40 mg·m-2· h-1，和CF模式下的水稻第一個峰值同步出現，之后CH4排放迅速降低，于38 d后逐漸趨于零。從不同生育期來看，CH4排放主要集中在水稻返青至拔節期。

圖1 不同水分模式下CH4排放通量的變化

在相同處理下，AWD模式下的CH4累積排放量低于CF管理模式（圖2），說明干濕交替降低了稻田CH4的排放。CF和AWD管理模式下，CH4累積排放量U與CK處理差異不顯著，但U較CK處理CH4累積排放量分別增加了16.17、6.10 kg·hm-2，說明尿素的施用在一定程度上促進了CH4的排放；CF模式下，與單施秸稈處理（S）相比，尿素與秸稈配施顯著增加了CH4累積排放量，而在AWD模式下正好相反，說明在干濕交替模式下尿素與秸稈還田配施能減少CH4排放；兩種水分管理模式中CK與S處理、U與US處理相比，前者CH4累積排放量顯著低于后者，說明秸稈是影響CH4排放的重要因素。

圖2 不同水分模式下CH4累積排放量

2.2 水稻產量和CH4累積排放量變化行為

水分模式、秸稈還田和氮肥水平作用下的水稻產量和CH4累積排放量及其主效應分析如表1和表2所示。結果表明，僅有氮肥水平對水稻籽粒產量有極顯著影響（P＜0.01），其余措施對水稻產量并無顯著影響。N225水平下水稻籽粒產量比N0條件下平均提高56.2 g·盆-1。水分模式、秸稈還田以及兩者的交互效應極顯著影響CH4累積排放量，雖然氮肥水平對其沒有顯著影響，但水分模式、秸稈還田和氮肥水平三者之間的交互效應對累積排放量有極顯著影響（P＜0.01）。與CF模式相比，AWD橫式的CH4累積排放量降低了67.2%。未添加秸稈（S0）處理使CH4累積排放量降低了92.2%。N225施肥水平下較N0的CH4累積排放量增加了12.50 kg·hm-2，但差異并不顯著。

表1 水分模式、秸稈還田及氮肥水平作用下 水稻產量和CH4累積排放量

表2 水分模式、秸稈還田及氮肥水平對水稻產量和 CH4累積排放量的主效應及交互作用

2.3 水稻生長季CH4排放通量與10 cm土層溫度相關性分析

由水稻生長季CH4排放通量與10 cm土層溫度的相關性（表3）可以看出，兩種水分模式下U處理CH4排放通量與10 cm土層溫度都未呈現相關性。CF模式下除U外，其他處理CH4排放通量與10 cm土層溫度均呈顯著相關，其中S、US處理呈極顯著相關，說明長期淹水下10 cm土層溫度顯著影響CH4排放；AWD模式下只有S和US處理與CH4排放通量呈顯著相關，這說明土層溫度在干濕交替水分模式下對CH4排放的影響程度較CF模式有所降低，CH4排放可能主要受到秸稈添加與干濕交替的影響。

表3 水稻生長季CH4排放通量與10 cm 土層溫度的相關系數

2.4 土壤微生物量碳（MBC）的變化

土壤MBC含量隨水稻生育進程而變化（表4，圖3）。兩種水分模式下，CK處理返青至孕穗期土壤MBC含量沒有明顯變化，而灌漿期至成熟期迅速降低；CF模式下U處理分蘗期MBC含量較返青期、拔節期和孕穗期明顯增加，而在AWD模式下U處理MBC含量和CK處理變化一致；兩種水分模式下，S和US處理水稻各生育期土壤MBC的含量都處于較高水平，其具體的變化是S和US處理返青期至拔節期土壤MBC含量呈現下降趨勢，而后增加至孕穗期，又緩慢下降直至水稻成熟收獲。綜合所有處理來看，水稻整個生育期，土壤MBC含量與灌溉方式和秸稈添加密切相關，而與施氮水平沒有顯著相關（圖3），這與影響CH4排放的因素是一致的（表2）。CF較AWD模式土壤MBC含量提高了16.4%；S1較S0處理土壤MBC含量提高29.9%，CH4累積排放也有相同的增加 趨勢。

表4 水稻生長季不同處理土壤微生物量碳含量（mg·kg-1）

圖3 水稻生長季土壤微生物量碳含量

3 討論

3.1 不同水分管理模式和施肥措施對CH4排放的影響

秸稈還田與水分管理顯著影響CH4的排放。與未施秸稈處理相比，秸稈還田顯著增加了水稻生長前中期CH4的排放通量和累積排放量，這與前人研究結果一致[8，21，26］。由于秸稈中含有大量有機碳，秸稈還田后有機碳在微生物作用下分解，為CH4的產生提供了更多的有效碳源，這些碳源中一部分在產CH4菌的參與下產生大量CH4，致CH4排放增加；而隨著水稻生育期的進行，土壤中可利用的有機碳減少，致使CH4排放也降低，導致水稻后期CH4排放處于較低水平[8，10，26］。AWD模式下，U、US處理中CH4排放出現的第一個峰值與CF模式下基本相同（圖1），可能是因為水稻處在幼苗時期，吸水量少，干濕交替過程主要由大氣蒸發控制，導致落干過程緩慢，而淹水過程時間長，利于CH4的產生。相較于CF模式，AWD模式下各處理CH4排放通量和累積排放量都比較低，這與Liao 等[18］研究結果一致。這是由于淹水條件下，土壤含氧量低，形成的厭氧環境使得產CH4菌活性增強，CH4氧化菌活性降低，使CH4排放增加[9］，而干濕交替下，在落干過程中常常造成土壤好氧環境，這種環境使更多氧氣進入土壤，促進了CH4的氧化作用，最終減少了CH4排放[11］。馮曉赟等[22］研究表明，單施尿素能增加稻田CH4排放，但與CK相比，增加效果并不顯著；而尿素與秸稈配施則會顯著增加CH4排放。本試驗結果與之一致，試驗中2種水分模式下，U處理只在數值上增加了CH4累積排放，并未與CK處理有顯著性差異，這可能是因為尿素的施用，一方面能促進水稻根系的生長發育，進而增加根系分泌物，為CH4的產生提供更多的前體物質，促進CH4的排放[27］；另一方面由于尿素可以提高土壤中CH4氧化菌的數量和活性，促進CH4氧化，而抑制其釋放，所以又能夠降低CH4排放[27］，兩者共同作用導致了CH4排放有促進但差異不顯著。此外，US處理的CH4排放顯著高于CK和U處理，但與S處理相比，兩者在不同水分管理模式下差異不同（圖2），這可能因為在CF模式下，尿素的施用帶來氮源，促進了微生物對秸稈的分解，為CH4產生提供了充足的碳源，使CH4排放增多[21］，且多于S處理；而在AWD模式下，土壤通氣性增高，CH4氧化菌活性增強，尿素的添加進一步提高了土壤中CH4氧化菌的數量和活性，使CH4排放降低，低于S處理。

研究表明，稻田CH4排放通量與溫度有顯著的相關性[28］；但也有研究認為，稻田CH4排放通量與溫度不顯著相關[29］；本研究CF模式下，除U處理外，其余處理CH4排放通量都與10 cm土層溫度顯著相關；AWD下，只有S和US處理CH4排放通量與10 cm土層溫度顯著相關。這是因為，稻田土壤CH4的排放受多種因子的綜合影響，土壤溫度只有在其他因子相對穩定時才突顯出來[29］。由于尿素對甲烷的排放影響比較復雜[22，27］，使土壤溫度對CH4的影響相對減弱，表現出此處理下土壤溫度與CH4排放沒有相關性；而AWD模式下，CK和U處理的CH4排放主要受到干濕交替水分模式的影響，土壤溫度的影響也相對減弱。

土壤MBC作為土壤有機碳中最活躍的組分，與土壤碳轉化存在密切關系，其含量是衡量土壤肥力的重要指標[30］。本研究中秸稈的添加提高了水稻各生育期土壤MBC的含量，特別是尿素與秸稈配施提高最為顯著，這說明秸稈的施用有利于培肥地力，而與尿素配施效果更好。吳家梅等[31］研究不同活性有機碳組分與CH4排放的關系，結果表明稻田土壤MBC含量與CH4排放呈現顯著正相關。圖3中在水稻生育前中期MBC含量較高，至灌漿期和成熟期已經處于較低水平，這一點與CH4排放相吻合。

3.2 不同水分管理模式和施肥措施對水稻產量的影響

張鮮鮮等[11］和Liao等[18］研究表明，輕度干濕交替（土壤水勢閾值≥-15 kPa）較常規灌溉水稻產量相對穩定或略微增加。本研究中兩種水分模式下水稻產量較為穩定，沒有顯著變化（表2），與前人研究一致。這可能是因為輕度干濕交替下，淹水與落干的水分模式，使有氧與無氧交替，土壤硝化作用發生周期性變化，土壤氮素形態由以銨態氮為主轉變為銨態氮、硝態氮混合的狀態，極大地滿足了水稻根系對氮素的選擇性吸收[11，32］；此外，輕度干濕交替可以促進水稻灌漿，在生殖生長階段從莖葉向籽粒轉運營養物質，使水稻產量較為穩定或略微增加[33］。較不施氮處理（N0），N225水平下水稻產量顯著提高，氮肥的施入，滿足了水稻對養分的需求，顯著增加了水稻的有效穗數、每穗實粒數，使產量增加。與未添加秸稈處理相比，秸稈還田對水稻產量并沒有顯著影響，這與武開闊等[21］大田試驗結果相似，這可能是因為秸稈中多數為難分解的有機物質，秸稈添加后其有機物質需要長時間分解，在當季很少被吸收利用，導致水稻產量并未增加。

4 結論

干濕交替與長期淹水相比，CH4排放量顯著降低；兩種水分模式下，秸稈添加導致稻田CH4排放增加，尿素添加對CH4排放沒有顯著影響，尿素與秸稈配施顯著增加了CH4排放。在長期淹水中，尿素與秸稈配施CH4排放量要顯著高于單施秸稈處理，而在干濕交替中，結果正好與之相反。說明秸稈還田與尿素配施時，干濕交替的水分管理模式下較為優異，能產生更少的CH4。尿素的投入顯著增加了水稻產量，干濕交替和秸稈還田對水稻產量沒有顯著影響，此外，秸稈還田顯著增加了土壤微生物量碳的含量，有利于培肥地力。綜上，在本試驗條件下，干濕交替水分管理模式CH4排放顯著降低，是值得推薦的水分管理模式；干濕交替下，單施尿素和尿素與秸稈配施均能顯著降低CH4排放，提高水稻產量，兩者均是較為優異的養分管理 模式。