稻草還田下添加DCD對稻田CH4、N2O和CO2排放的影響

王國強(qiáng)，常玉妍，宋星星，朱思明，毛艷玲*

（1．福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福州 350002；2．西藏職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，拉薩 850030）

稻草還田下添加DCD對稻田CH4、N2O和CO2排放的影響

王國強(qiáng)1，2，常玉妍1，宋星星1，朱思明1，毛艷玲1*

（1．福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福州 350002；2．西藏職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，拉薩 850030）

為研究秸稈還田下硝化抑制劑的效應(yīng)，本研究借助溫室盆栽，設(shè)置5個處理：不施肥（CK）、傳統(tǒng)施肥（CF）、傳統(tǒng)施肥配施硝化抑制劑雙氰胺DCD（CF+DCD）、傳統(tǒng)施肥稻草還田（CF+S）、傳統(tǒng)施肥稻草還田配施DCD（CF+S+DCD），探討秸稈還田下施用DCD對水稻整個生育期土壤CH4、N2O和CO2排放的影響。結(jié)果表明：整個生育期，CH4和CO2排放量以CF+S最高，CF+S+DCD次之，而CK最低；N2O排放量以CF最高，CF+DCD次之，而CF+S+DCD最低。與CF和CF+S相比，施用硝化抑制劑后CH4和N2O減排效果顯著，而CO2減排不顯著。就水稻產(chǎn)量、綜合溫室效應(yīng)（GWP）、溫室氣體強(qiáng)度（GHGI）和凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)預(yù)算（NEEB）而言，秸稈還田和硝化抑制劑施用，都可顯著提高水稻產(chǎn)量和NEEB，而降低GWP和GHGI；與CF和CF+S相比，施用硝化抑制劑后，CF+DCD和CF+S+DCD分別增產(chǎn)9.5%和10.0%，NEEB增加16.8%和20.1%；GWP分別降低23.7%和21.0%，GHGI降低23.7%和21.1%?？梢?，無論稻草還田與否，硝化抑制劑對溫室氣體排放及水稻產(chǎn)量的影響效應(yīng)比較穩(wěn)定。因此，稻草還田配施DCD（即CF+S+DCD處理）在保證水稻產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，顯著降低稻田土壤CH4和N2O排放，是一種經(jīng)濟(jì)可行的溫室氣體減排措施。

稻草還田；雙氫胺（DCD）；綜合溫室效應(yīng)；溫室氣體強(qiáng)度；凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)預(yù)算

WANG Guo-qiang,CHANG Yu-yan,SONG Xing-xing,et al.Effects of DCD addition on CH4,N2O and CO2emissions from paddy field under rice straw incorporation[J].Journal of Agro-Environment Science,2016,35（12）:2431-2439.

溫室氣體排放引起的全球氣候變化已成為當(dāng)今國際社會普遍關(guān)注的全球性問題，也是全人類面臨的最為嚴(yán)峻的全球性環(huán)境問題。IPCC第五次評估報(bào)告（2013）更明確地指出人類活動極可能是導(dǎo)致氣候變暖的主要原因[1]。2011年大氣中CH4、N2O和CO2濃度分別為1803、324 nL·L-1和391 μL·L-1，相比工業(yè)革命前分別提高了150%、20%和40%，每年還以4～5、0.73 nL·L-1和2.0 μL·L-1的速度在持續(xù)增加[1-2]，農(nóng)業(yè)活動排放的CH4和N2O約占全球人為排放量的52%和84%[3]。水稻種植是人類活動過程中溫室氣體（CH4和N2O）的主要排放源之一[4]。稻田每年排放33～40 Tg的CH4，占人為CH4排放總量的11.7%～26.2%，占農(nóng)業(yè)活動CH4排放總量的22.5%～50.4%[5-6]。通過施肥直接或間接從農(nóng)田釋放出來的N2O排放量占農(nóng)業(yè)源N2O排放量的80%[7-8]。中國是世界上最主要的水稻生產(chǎn)國，水稻種植面積為3.014×107hm2，約為世界水稻種植面積的20%，占我國作物種植面積的28%，總產(chǎn)量占全球30%[9]。因此，減少稻田溫室氣體排放對緩解全球溫室效應(yīng)具有重要意義，已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

我國稻草資源豐富，其總量達(dá)1.84×108t，占全國秸稈總量的21%[10]。稻草還田可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和改善土壤結(jié)構(gòu)，是保持和提高土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是稻草資源綜合利用、促進(jìn)稻田生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的一種重要方式。但稻草還田增加稻田CH4和CO2的排放，而對N2O的排放影響較小[11-12]。Zhang等[13]研究發(fā)現(xiàn)，與稻草不還田相比，稻草還田全年CH4排放量顯著增加35%，而對N2O排放量不產(chǎn)生影響；全年綜合溫室效應(yīng)增加32%，全年溫室氣體排放強(qiáng)度增加31.1%。因此，稻草還田措施下降低稻田CH4和N2O排放，維持或提高水稻產(chǎn)量和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性，是迫切需要解決的問題。已有研究表明，硝化抑制劑特別是雙氰胺（DCD）能減少稻田CH4和N2O的排放量[14-16]。Linquist等[17]研究發(fā)現(xiàn)稻田施用雙氰胺，CH4排放量減少18%，N2O排放量減少29%。目前有關(guān)稻草還田和施用DCD對稻田CH4和N2O排放的影響已做了大量的研究報(bào)道；而關(guān)于稻草還田和施用DCD對稻田CH4和N2O排放的共同影響及交互作用還未見報(bào)道。為此，本研究通過盆栽試驗(yàn)研究稻草還田和施用DCD及其相互作用對稻田CH4、N2O和CO2排放的影響，為科學(xué)合理利用稻草資源和減緩稻田溫室氣體排放提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤和稻草均采自福建省閩侯縣白沙鎮(zhèn)（26°13′N，119°04′E）水稻田。土壤采集深度為20cm，采集時(shí)間為2015年6月8日，土壤風(fēng)干后挑去石塊、石礫和動植物殘?bào)w，過2 mm孔徑篩。供試土壤基本性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)22.8 g·kg-1，全氮1.64 g·kg-1，全磷0.28 g·kg-1，全鉀11.62 g·kg-1，pH4.7（土水比1∶2.5）。稻草采集后剪下穗部，切割成3～5 cm長，置于鼓風(fēng)干燥箱中45℃條件下烘干粉碎，過2 mm孔徑篩。供試稻草的基本性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)645.1 g·kg-1，全氮10.6 g· kg-1，全磷3.7 g·kg-1，全鉀20.1 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為盆栽試驗(yàn)，盆缽直徑25 cm、高35 cm，每盆裝土6 kg。共設(shè)置5個處理：不施肥（CK）、傳統(tǒng)施肥（CF）、傳統(tǒng)施肥配施DCD（CF＋DCD）、傳統(tǒng)施肥稻草還田（CF＋S）、傳統(tǒng)施肥稻草還田配施DCD（CF＋S＋DCD）。每個處理設(shè)3個重復(fù)，共15個盆缽，隨機(jī)排列。每盆稻草施入量為38.56 g，折合大田施用量為6000 kg·hm-2，在水稻移栽前7 d全部施用；每盆DCD施用量為設(shè)計(jì)施氮量的4%，與基肥混施。2015年6月23日水稻移栽前按處理將秸稈與土壤充分混勻裝入盆缽中，進(jìn)行淹水處理。6月29日將4葉1心水稻幼苗分別移栽于盆缽中，每個盆缽種植3穴，每穴1株。

1.3 水肥管理

水分管理采用傳統(tǒng)的前期淹水（2015年6月29日—7月28日）、中期烤田（2015年7月29日—8月12日）和后期干濕交替（2015年8月13日—水稻成熟）的管理模式。水稻整個生育期各處理施用化肥量保持一致，施氮量為103.5 kg N·hm-2，磷、鉀分別為27 kg P2O5·hm-2、135 kg K2O·hm-2，供試化肥分別用尿素、過磷酸鈣、氯化鉀。尿素、氯化鉀的50%和過磷酸鈣全部作為基肥施用，剩余50%的尿素和氯化鉀作為分蘗追肥在移栽后20 d左右施用。

1.4 樣品采集與測定

CH4、N2O和CO2氣體樣品采用靜態(tài)暗箱觀測法采集。采樣箱為有機(jī)玻璃制成，規(guī)格為50 cm×50 cm× 100 cm，外部包有海綿和錫箔紙，以防止太陽照射導(dǎo)致箱內(nèi)氣溫升高過快。箱內(nèi)頂部裝有12 V小風(fēng)扇用于混勻氣體，箱體中部安裝抽氣孔和插溫度計(jì)孔用于采集氣體和觀測箱內(nèi)溫度變化。采樣底座為桌面正中間一個略大于盆栽桶外徑的圓孔帶凹槽有機(jī)玻璃桌子，凹槽高度5 cm，采集氣體時(shí)將采樣箱置于底座凹槽內(nèi)，凹槽內(nèi)加水密封防止漏氣；沿圓孔四周粘上5 cm厚的硅橡膠圈，膠圈周圍有5 cm深的凹槽，采集氣體時(shí)加水密封，以便桶沿壓上后造成桶沿和桌孔間相對局部密封條件。每7 d采集氣體1次，每次采集均在上午9：00—11：00完成。分別在罩箱后的0、10、20、30 min用50 mL注射器從箱中抽取氣體，來回抽動3次以完全混勻氣體，抽出50 mL通過旋轉(zhuǎn)三通閥轉(zhuǎn)移到0.5 L氣體采樣袋備測，并同步測定采樣箱內(nèi)溫度。CH4和CO2由帶有氫火焰離子檢測器的氣相色譜儀（島津GC2010）測定，N2O由帶有Ni63電子捕獲檢測器的氣相色譜儀（島津GC2014）測定。水稻收獲后使用土鉆在每個盆內(nèi)取0～20 cm深混合樣，帶回實(shí)驗(yàn)室測定土壤養(yǎng)分指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定，土壤全氮采用半微量開氏法測定，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用流動分析儀測定，土壤速效磷采用0.03～0.025 mol·L-1HCl法測定，土壤速效鉀采用NH4OAc浸提火焰光度法測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析方法

1.5.1 CH4、N2O和CO2排放通量計(jì)算

CH4、N2O和CO2排放通量計(jì)算公式如下：

1.5.2 CH4、N2O和CO2累積排放量計(jì)算

式中：Fi表示各生長期內(nèi)CH4和N2O平均排放通量；Dn表示各生長期的天數(shù)。

1.5.3 增溫潛勢和綜合溫室效應(yīng)計(jì)算

綜合溫室效應(yīng)通常用來估算不同溫室氣體對氣候變化的綜合效應(yīng)[18]。據(jù)IPCC統(tǒng)計(jì)，在100年時(shí)間尺度上，CH4和N2O的全球增溫潛勢分別為CO2的25倍和298倍[19]。CH4增溫潛勢（GWPCH4）、N2O增溫潛勢（GWPN2O）和綜合溫室效應(yīng)（GWP）的計(jì)算公式分別為：

式中：RCH4為CH4季節(jié)累積排放量，kg·hm-2；RN2O為N2O季節(jié)累積排放量，kg·hm-2。

1.5.4 溫室氣體排放強(qiáng)度計(jì)算

溫室氣體排放強(qiáng)度是CH4和N2O總增溫潛勢與作物產(chǎn)量的比值，是綜合評價(jià)各處理溫室效應(yīng)的指標(biāo)[20]。

式中：GHGI為溫室氣體強(qiáng)度，kg CO2-eq·kg-1；GWP為CH4和N2O總增溫潛勢，kg CO2-eq·hm-2；產(chǎn)量為各處理單位面積平均產(chǎn)量，kg·hm-2。

1.5.5 凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)預(yù)算

凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)預(yù)算（NEEB）是作物生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)活動的主要考慮因素，可以對實(shí)施不同措施的農(nóng)田進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性評價(jià)[13]。

NEEB=產(chǎn)量收益-農(nóng)業(yè)活動成本-GWP成本（7）式中：NEEB單位為元·hm-2，產(chǎn)量收益用當(dāng)前水稻價(jià)格（2260元·t-1）和水稻產(chǎn)量來計(jì)算；農(nóng)業(yè)活動成本根據(jù)現(xiàn)行定價(jià)包括機(jī)械耕作費(fèi)用（1200元·hm-2）、秸稈還田費(fèi)用（1250元·hm-2）、種子（1250元·hm-2）、化肥（2282元·hm-2）、硝化抑制劑（DCD）（495元·hm-2）、農(nóng)藥和除草劑（1125元·hm-）2、機(jī)械收獲（1200元·hm-2）；GWP成本根據(jù)碳交易價(jià)格（103.7元·t-1CO2-eq）和GWP計(jì)算[21]。

1.5.6 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel軟件和SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，所有數(shù)據(jù)的測定結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，用LSD進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻草還田下添加DCD對稻田CH4、N2O、CO2排放通量季節(jié)變化的影響

各處理在水稻生育期內(nèi)CH4排放通量變化趨勢基本相同，具有明顯的季節(jié)性變化特征，呈現(xiàn)雙峰型排放規(guī)律（圖1）。CH4排放通量最高峰出現(xiàn)在分蘗期；中期烤田后，CH4排放通量逐漸降低；重新灌水以后，孕穗期又出現(xiàn)一個短暫且微弱的排放峰，隨后CH4排放通量均下降，至成熟期，CH4排放通量幾乎為零。最大峰值出現(xiàn)時(shí)，CH4排放通量為CF＋S＞CF＋S＋DCD＞CF＞CF＋DCD＞CK，分別達(dá)到36.46、31.82、27.42、23.91、20.46 mg·m－2·h－1。CH4排放通量高峰出現(xiàn)在水稻分蘗期，可能是由于這一時(shí)期水稻生長最為旺盛，光合作用最強(qiáng)，生成的光合作用產(chǎn)物多，向根系輸送光合產(chǎn)物也多，并且該時(shí)期土壤溫度較高，水稻完全處于淹水狀態(tài)，土壤處于還原環(huán)境條件下，這些條件有利于稻田產(chǎn)甲烷菌的快速增長和活性提高，從而導(dǎo)致大量CH4排放[22－23]。第二個排放峰出現(xiàn)在水稻孕穗期，可能與該時(shí)期水稻重新淹水有關(guān)，同時(shí)由于水稻根系和腐爛物質(zhì)給土壤提供了較多的產(chǎn)CH4基質(zhì)，有利于CH4的生成，此時(shí)CH4排放通量雖然小于水稻分蘗期，但卻大于生育后期[24]。

水稻生長期內(nèi)N2O排放通量季節(jié)變化規(guī)律與CH4完全不同（圖2）。水稻生育前期N2O排放通量非常微弱；中期烤田后在開始干濕交替管理模式下，CK、CF和CF+DCD出現(xiàn)較大排放峰，此時(shí)排放通量為CF＞CK＞CF+DCD，分別達(dá)到129.64、73.13 μg·m－2· h－1和59.98 μg·m－2·h－1；一周之后，CF＋S和CF＋S+ DCD出現(xiàn)微弱排放峰，此時(shí)排放通量為CF＋S＞CF＋S+ DCD，分別達(dá)到55.64 μg·m－2·h－1和36.66 μg·m－2·h－1；水稻生育后期N2O排放通量相對在逐漸減弱。

圖1 稻草還田下添加DCD稻田CH4排放通量季節(jié)變化Figure 1 CH4fluxes of DCD addition under rice straw return during rice growth

圖2 稻草還田下添加DCD稻田N2O排放通量季節(jié)變化Figure 2 N2O fluxes of DCD addition under rice straw return during rice growth

水稻生長期內(nèi)CO2排放通量動態(tài)變化趨勢相同（圖3）。返青期CO2排放通量較?。贿M(jìn)入分蘗期CO2排放通量逐漸增大，至水稻孕穗期、烤田期間出現(xiàn)最大排放峰，此時(shí)排放通量為CF＋S+DCD＞CF＋S＞CF+ DCD＞CF＞CK，分別達(dá)到1 683.38、1 651.66、1 387.36、1 329.62、662.02 mg·m－2·h－1；水稻生育后期CO2排放通量維持在較高狀態(tài)。

2.2 稻草還田下添加DCD對稻田CH4、N2O和CO2累積排放量、增溫潛勢和GWP的影響

由圖4可知，稻田CH4累積排放量以分蘗期占季節(jié)排放總量比例最大，占排放總量的46.2%～49.2%，成熟期比例最低；水稻成熟期N2O累積排放量占季節(jié)排放總量比例最大，占排放總量的43.7%～63.5%，返青期比例最低。添加DCD水稻分蘗期CH4排放量是無添加DCD處理的73.8%～81.8%，添加DCD水稻成熟期稻田N2O排放量是無添加DCD處理的74.1%～81.3%，表現(xiàn)出添加DCD對稻田CH4和N2O排放的顯著抑制作用。在整個水稻生長季節(jié)稻田N2O累積排放量較為微弱，N2O的累積排放主要集中在水稻生育后期。

從表1可以看出，CH4季節(jié)累積排放量、CH4季節(jié)增溫潛勢和綜合溫室效應(yīng)大小順序一致，均為CF+ S＞CF＞CF+S+DCD＞CF+DCD＞CK。CH4季節(jié)累積排放量范圍為135.14～231.43 kg·hm－2，添加DCD均極顯著（P＜0.01）降低CH4排放。CF與CF+DCD相比，降幅為23.2%；CF+S和CF+S+DCD相比，降幅為20.7%。添加DCD均極顯著（P＜0.01）降低N2O排放，CF與CF+DCD相比，降幅為33.3%；CF+S和CF+S+DCD相比，降幅為31.9%。添加DCD對水稻生育期內(nèi)CO2排放影響不明顯。添加DCD均顯著（P＜0.01）降低CH4季節(jié)增溫潛勢，CF與CF+DCD相比降幅為23.1%，CF+S和CF+S+DCD相比，降幅為20.7%。N2O季節(jié)累積排放量范圍為0.36～0.91 kg·hm－2，大小順序?yàn)镃F＞CF+DCD＞CF+S＞CK＞CF+S+DCD，秸稈還田可以減少稻田N2O的排放并且減排效果明顯。添加DCD均極顯著（P＜0.01）降低N2O排放。CF與CF+DCD相比，降幅為33.3%；CF+S和CF+S+DCD相比，降幅為31.9%。

圖3 稻草還田下添加DCD稻田CO2排放通量季節(jié)變化Figure 3 CO2fluxes of DCD addition under rice straw return during rice growth

圖4 水稻不同生育期CH4和N2O累積排放量Figure 4 Cumulative fluxes of CH4and N2O in different growth stages during rice growth

N2O季節(jié)增溫潛勢大小為CF＞CF+DCD＞CF+S＞CK＞CF+S+DCD。添加DCD均極顯著（P＜0.01）降低N2O季節(jié)增溫潛勢，CF與CF＋DCD相比降幅為32.1%，CF＋S和CF＋S＋DCD相比，降幅為33.1%。CH4是稻田溫室效應(yīng)的最主要貢獻(xiàn)者，它對稻田溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于N2O氣體，而N2O對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率小于6%。添加DCD對綜合溫室效應(yīng)產(chǎn)生顯著影響，CF＋S＋DCD的綜合溫室效應(yīng)分別比CF和CF+S降低了391.10 kg CO2－eq·hm－2和1 249.14 kg CO2－eq·hm－2，降幅為7.68%和21.01%。該盆栽試驗(yàn)溫室氣體減排措施的減排效果均達(dá)到了極顯著性差異（P＜0.01）。

2.3 稻草還田下添加DCD對水稻產(chǎn)量、溫室氣體排放強(qiáng)度和凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)預(yù)算的影響

從表2可以看出，添加DCD顯著增加水稻產(chǎn)量，CF＋DCD和CF＋S＋DCD與CF相比，水稻產(chǎn)量分別提高了9.5%和25.0%，均達(dá)到極顯著性差異。添加DCD可以顯著降低溫室氣體排放強(qiáng)度，溫室氣體排放強(qiáng)度大小順序?yàn)镃K＞CF＋S＞CF＞CF＋S＋DCD＞CF＋DCD，CF＋S＋DCD和CF＋DCD相比CF處理分別減少了26.9%和31.2%，均達(dá)到極顯著差異性。由此得出，CF＋S＋DCD和CF＋DCD為在增加水稻產(chǎn)量基礎(chǔ)上減少溫室氣體排放的較優(yōu)施肥措施。

在影響凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)預(yù)算（NEEB）的因素中，農(nóng)業(yè)活動成本在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)是固定的。然而CF＋DCD、CF＋S和CF＋S＋DCD的農(nóng)業(yè)活動成本比CK多495、1250元和1745元，是因?yàn)镃F＋DCD需要施用DCD，CF＋S需要稻草還田，CF＋S＋DCD需要稻草還田和施用DCD。產(chǎn)量收益和GWP成本分別根據(jù)試驗(yàn)中水稻產(chǎn)量和綜合溫室效應(yīng)（GWP）計(jì)算獲得。凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)預(yù)算大小順序?yàn)镃F＋S＋DCD＞CF＋DCD＞CF＋S＞CF＞CK，CF＋S＋DCD的凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)預(yù)算相比CF增加了29.0%，達(dá)到極顯著差異性。添加DCD顯著增加水稻產(chǎn)量和降低GWP成本。另外，在同樣的施肥條件下添加DCD使凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)預(yù)算顯著增加16.8%～20.1%。

表1 CH4、N2O、CO2累積排放量和溫室效應(yīng)Table 1 Cumulative emissions of CH4，N2O and CO2and global warming potential（100 a）during rice growth

表2 不同處理下水稻產(chǎn)量、溫室氣體排放強(qiáng)度和凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)預(yù)算變化Table 2 Changes in crop grain yields，GHGI and NEEB under different treatments

2.4 溫度與水位對稻田CH4、N2O和CO2排放相關(guān)性分析

稻田CH4、N2O和CO2排放受土壤類型、施肥種類及施用量、土壤溫度、土壤水分等諸多因素的影響。溫度和水位是影響CH4、N2O和CO2排放的重要環(huán)境因素。本試驗(yàn)條件下，CH4、N2O和CO2溫室氣體數(shù)據(jù)表明，箱內(nèi)溫度與稻田水位對CH4、N2O和CO2的排放存在一定的影響（表3）。在淹水條件下，箱內(nèi)溫度和稻田水位與稻田CH4的排放均呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系。在整個水稻生長期間，溫度和水位對N2O排放的影響則與CH4不一致，溫度和水位與N2O排放之間均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。CO2排放與溫度之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與水位之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表3 溫度和水位與稻田CH4、N2O和CO2排放相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis of temperature and water level with CH4，N2O and CO2emissions in paddy field

表4 不同處理下土壤養(yǎng)分狀況Table 4 Soil nutrient contents under different treatments

2.5 稻草還田下添加DCD對土壤養(yǎng)分狀況的影響

從表4可以看出，不施氮肥處理由于地力的消耗使稻田土壤的養(yǎng)分含量逐漸減少。與CF相比，CF+S和CF+S+DCD顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效鉀含量。pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量均在CF+S+DCD處理中最高，秸稈還田下添加DCD在提高土壤養(yǎng)分方面的作用最為明顯。與不添加DCD相比，添加DCD可降低硝態(tài)氮含量，提高銨態(tài)氮含量。

3 討論

3.1 添加DCD對稻田CH4和N2O排放的影響

稻田CH4排放主要由甲烷產(chǎn)生、甲烷氧化和甲烷從土壤傳送到大氣三個過程決定。甲烷產(chǎn)生過程由產(chǎn)甲烷菌來完成，施入DCD可有效控制稻田CH4排放，其原因可能是DCD抑制產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的活性[25-26]。CH4氧化過程能消耗掉稻田土壤產(chǎn)生CH4總量的50%～90%[27]，主要發(fā)生在根際土壤界面和水土界面這兩個氧氣較富足的區(qū)域，而其氧化過程主要由CH4氧化菌和氨氧化菌完成。本研究中施用DCD可提高稻田土壤銨態(tài)氮含量，可能是因?yàn)槭┤隓CD可延緩-N的形成并削弱硝化作用，使土壤中-N含量增加濃度增大，而促進(jìn)甲烷氧化菌的生長和甲烷氧化，從而導(dǎo)致CH4排放減少[28]。也有研究發(fā)現(xiàn)大量存在的抑制CH4氧化，抑制的原因是和CH4具有相似的分子結(jié)構(gòu)，競爭CH4氧化菌酶系統(tǒng)相同的位點(diǎn)，降低了CH4氧化酶的活性，從而抑制CH4氧化的作用，促進(jìn)CH4的排放[29-30]。水稻在淹水厭氧情況下施入DCD可減少CH4的排放，可能是因?yàn)镈CD與尿素混施顯著增加地上部分水稻植株生物量，水稻根際呈現(xiàn)較強(qiáng)的氧化狀態(tài)，提高水稻根際氧化CH4能力，從而降低CH4排放[31]。研究還發(fā)現(xiàn)施入DCD能提高水稻根際的土壤Eh，特別是水稻生長旺盛的分蘗期，土壤Eh越高，CH4排放越少[32]。

稻田N2O排放是由N2O產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化和傳輸三個過程共同作用的結(jié)果。稻田N2O產(chǎn)生是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程，主要是在土壤微生物的參與下，通過硝化作用、反硝化作用、硝態(tài)氮異化還原成銨作用（DNRA）及化學(xué)反硝化作用完成的。在水稻生長季節(jié)淹水期間，由于極端土壤還原條件，土壤產(chǎn)生的N2O可被進(jìn)一步還原轉(zhuǎn)化為N2。添加DCD對N2O的排放具有明顯的抑制作用，可能是由于DCD通過抑制硝化細(xì)菌的氨單加氧酶（AMO）活性延緩氧化為的進(jìn)程，從而延緩了-N的形成，影響-N的轉(zhuǎn)化過程，降低微生物的硝化作用，因此也降低了后續(xù)反硝化的可用性。已有研究發(fā)現(xiàn)，DCD能有效抑制土壤中硝化和反硝化作用的進(jìn)行，降低-N轉(zhuǎn)化過程進(jìn)而減少N2O的產(chǎn)生[33]。本研究中添加DCD土壤中-N含量增加，-N含量、CH4和N2O排放量降低就證明了這一點(diǎn)（表4）。此外，硝化產(chǎn)物中N2O比例下降可能是N2O排放降低的另一原因[34]。Lan等[14]報(bào)道DCD除了對硝化進(jìn)程產(chǎn)生影響外，同樣可減少硝化產(chǎn)物中N2O的比例。本研究中施用DCD可提高稻田土壤pH值，可能是因?yàn)槭┯肈CD削弱了硝化作用，減弱了硝化過程產(chǎn)生的氫離子引起的酸化作用，從而使土壤pH值升高。翟勝等[35]報(bào)道土壤CH4和N2O排放量隨酸化程度的加深而增加。本研究也發(fā)現(xiàn)在酸性土壤中添加DCD能提高土壤pH值，減少CH4和N2O的排放。因此，酸性土壤施用DCD對抑制CH4和N2O的排放有較好的效果。

3.2 添加DCD對水稻產(chǎn)量、GWP、GHGI和NEEB的影響

添加DCD顯著增加水稻產(chǎn)量可能是由于DCD能提高氮肥利用率，增加土壤氮的生物有效性和作物對氮的吸收，使土壤中NH+4-N濃度升高，而水稻主要以NH+4-N形式吸收氮，從而促進(jìn)水稻生長。同時(shí)DCD也是一種緩釋肥料（含氮量為66.7%），在土壤中最終被分解為CO2和NH+4，不會對土壤產(chǎn)生不良影響。Ghosh等[36]研究發(fā)現(xiàn)，硝化抑制劑DCD與尿素混施可提高水稻產(chǎn)量和水稻生物量，但水稻分蘗數(shù)幾乎不受影響。本研究中，添加DCD可以顯著降低GWP和GHGI。與不添加DCD相比，傳統(tǒng)施肥稻草還田下添加DCD可使GWP和GHGI降低的比例分別為21.01%和28.42%。但該結(jié)果只是稻草還田下盆栽試驗(yàn)1年的表現(xiàn)，還需要長期的大田試驗(yàn)來證實(shí)。

NEEB可用來表示不同農(nóng)業(yè)措施下農(nóng)藝生產(chǎn)力和環(huán)境可持續(xù)性之間的關(guān)系（例如，溫室氣體排放量），直接影響政府決策和農(nóng)民參與的熱情程度[21]，為政府部門指導(dǎo)農(nóng)民制定相關(guān)農(nóng)業(yè)政策提供科學(xué)依據(jù)[13]。但稻草還田下添加DCD對NEEB影響幾乎沒人關(guān)注。許多研究主要集中在添加抑制劑對水稻經(jīng)濟(jì)效益的影響[26，37]，然而這些研究在計(jì)算中沒有包括GWP成本。稻草還田下添加DCD施肥技術(shù)的綜合經(jīng)濟(jì)評價(jià)系統(tǒng)不僅要考慮水稻產(chǎn)量收益和農(nóng)業(yè)活動成本，也要把GWP成本考慮進(jìn)去。本研究發(fā)現(xiàn)，與CF相比CF＋S＋DCD顯著增加NEEB，表明稻草還田下添加DCD可能是水稻生產(chǎn)中提供高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益最為合適的農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略。

4 結(jié)論

添加DCD可有效控制稻田CH4和N2O排放，而對CO2排放影響不明顯。與傳統(tǒng)施肥稻草還田相比，稻草還田下添加DCD未顯著影響水稻生育期內(nèi)稻田的CO2排放，但可顯著降低20.7%的CH4排放和31.9%的N2O排放，顯著降低21.01%和28.42%的GWP和GHGI，顯著增加10.0%的水稻產(chǎn)量和20.1%的NEEB?？偟膩砜矗静葸€田下添加DCD是一種科學(xué)有效和經(jīng)濟(jì)可行的溫室氣體減排措施。

致謝：中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院的崔鍵副研究員和中國科學(xué)院南京土壤研究所的程宜副研究員在本文中英文摘要寫作等上的建議和指導(dǎo)！

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Effects of DCD addition on CH4,N2O and CO2emissions from paddy field under rice straw incorporation

WANG Guo-qiang1,2,CHANG Yu-yan1,SONG Xing-xing1,ZHU Si-ming1,MAO Yan-ling1*
（1.College of Resources and Environmental Sciences,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China;2.Department of A－gricultural Science and Technology,Tibet Vocational Technical College,Lhasa 850030,China）

Incorporation of crop residues in agricultural soils can maintain soil organic matter,but simultaneously stimulates greenhouse gas emission．The application of the nitrification inhibitor has been demonstrated to inhibit effectively greenhouse gas emission．However,it remains largely unknown in effects of the nitrification inhibitor application on soil CH4,N2O and CO2emissions under straw return in farmland．In the present study,the emissions of farmland soil CH4,N2O and CO2under rice straw return were investigated and estimated when the nitrification inhibitor（dicyandiamide,abbreviated DCD）was applied during the whole rice growing season through the pot experiment.The experiment included five treatments：conventional fertilization（CF）,conventional fertilization plus DCD（CF+DCD）,conventional fertilization plus straw return（CF+S）,conventional fertilization plus straw return and DCD（CF+S+DCD）,and no input of fertilizers as control（CK）．The results showed that CH4and CO2emissions during the whole rice growing season were highest in the CF+S treatment,followed by CF+S+ DCD treatment,and lowest in CK treatment．In contrast,N2O during the whole rice growing season were highest in the CF treatment,followed by CF+DCD treatment,and lowest in CF+S+DCD treatment．Compared with CF and CF+S treatments,the application of nitrification inhibitor significantly reduced CH4and N2O emissions．In general,both straw return and nitrification inhibitor application significantly in－creased rice yield and net ecosystem economic budget（NEEB）but decreased global warming potential（GWP）and greenhouse gas intensity（GHGI）．Compared with CF and CF+S treatments,the application of nitrification inhibitor increased crop yield by 9.5%and 10.0%,and NEEB by 16.8%and 20.1%,but decreased GWP by 23.7%and 21.0%,and GHGI by 23.7%and 21.1%．Thus,the application of nitrification inhibitor can significantly decrease greenhouse gas and sustain crop yield irrespective of straw return．Our results suggest that the combined of straw return and DCD application can be an effective greenhouse gas mitigation strategy without sacrifice crop yield．

rice straw incorporation;dicyandiamide（DCD）;global warming potential;greenhouse gas intensity;net ecosystem economic budget

X511

A

1672-2043（2016）12-2431-09

10.11654/jaes.2016-0877

王國強(qiáng)，常玉妍，宋星星，等.稻草還田下添加DCD對稻田CH4、N2O和CO2排放的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2016,35（12）：2431-2439.

2016－07－02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30972346）；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD15B01）

王國強(qiáng)（1979—），男，河南南陽人，博士，副教授，主要從事稻田溫室氣體排放研究。E-mail：wgq430@163.com

*通信作者：毛艷玲E-mail：fafum@126.com