不同灌溉模式和施氮處理下稻田 CH4和 N2O 排放

董艷芳，黃景，李伏生*，王楷，方澤濤，劉靖雯，黃忠華，羅維鋼

不同灌溉模式和施氮處理下稻田 CH4和 N2O 排放

董艷芳1，黃景1，李伏生1*，王楷1，方澤濤1，劉靖雯1，黃忠華2，羅維鋼2

（1 廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院/廣西喀斯特地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)新技術(shù)院士工作站/廣西高校作物栽培學(xué)與耕作學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530005；2 南寧市灌溉試驗(yàn)站，南寧 530001）

【目的】研究不同灌溉模式和施氮處理稻田 CH4和 N2O 的排放規(guī)律、綜合增溫潛勢(shì)和綜合排放強(qiáng)度，以期獲得降低稻田 CH4和 N2O 排放的灌溉模式和施氮管理?！痉椒ā?015～2016 年在廣西南寧市灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行晚稻和早稻大田試驗(yàn)，兩次試驗(yàn)均設(shè) 3 種灌溉模式：常規(guī)灌溉 (CIR)、“薄淺濕曬 ”灌溉 (TIR) 和干濕交替灌溉(DIR)。 2 種尿素-N 和豬糞-N 比例：100% 尿素-N (FM1)，50% 尿素-N + 50% 豬糞-N (FM2)。共設(shè) CIR-FM1、TIR-FM1、DIR-FM1、CIR-FM2、TIR-FM2 和 DIR-FM2 6 個(gè)處理，用靜態(tài)箱–氣相色譜法測(cè)定了水稻生育期內(nèi)稻田 CH4和 N2O 排放通量，分析了早晚稻生育期內(nèi) CH4和 N2O 累積排放量和綜合增溫潛勢(shì)，并結(jié)合產(chǎn)量分析了CH4和 N2O 綜合排放強(qiáng)度?！窘Y(jié)果】DIR 下 FM2 處理早稻產(chǎn)量和兩季總產(chǎn)量比 FM1 處理分別提高 18.8% 和17.7%，F(xiàn)M2 下 TIR 和 DIR 模式早稻產(chǎn)量分別比 CIR 模式提高 20.9% 和 37.4% 以及 DIR 模式兩季總產(chǎn)量比 CIR模式提高 21.5%。不同處理早晚稻生育前期 CH4排放通量較高，生育中后期 CH4排放通量較低。水稻生育期內(nèi)TIR 和 DIR 模式 CH4累積排放量低于 CIR 模式，F(xiàn)M1 處理 CH4累積排放量低于 FM2 處理。不同處理早晚稻生育前期 N2O 的排放通量為負(fù)值或者較低，N2O 排放主要集中在曬田完成復(fù)水之后及成熟期稻田水分落干時(shí)，DIR 模式 N2O 累積排放量顯著高于 CIR 模式，F(xiàn)M2 處理 N2O 累積排放量高于 FM1 處理。不同處理稻田 CH4和N2O 的排放彼此間存在消長關(guān)系。CH4對(duì)綜合增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率達(dá) 99% 以上，而 N2O 的貢獻(xiàn)率不足 1%。3 種灌溉模式下 FM1 處理 CH4或 N2O 增溫潛勢(shì)、CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度均低于 FM2 處理，2 種施氮處理下 TIR 和 DIR 模式 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度低于 CIR 模式。【結(jié)論】與常規(guī)灌溉相比，“薄淺濕曬”灌溉水稻產(chǎn)量和 N2O 排放有所提高，但是降低 CH4排放量及 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度；干濕交替灌溉增加水稻產(chǎn)量和 N2O 排放，但是降低 CH4的排放量及 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度，因此，“薄淺濕曬”和干濕交替灌溉模式是有效降低稻田 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度的兩種灌溉模式。在這兩種灌溉方式下，與豬糞尿素配施相比，單施尿素顯著降低 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度。

“薄淺濕曬”灌溉；干濕交替灌溉；豬糞；CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)；綜合排放強(qiáng)度

稻田 CH4排放占全球每年總排放量的 17% 左右[1]，稻田排放的 N2O 約占中國農(nóng)田氮肥直接排放 N2O 總量的 7.0%～11.0%[2]。因此，研究稻田 CH4和 N2O 減排措施，對(duì)緩解當(dāng)前全球變暖趨勢(shì)起著重要作用。水稻傳統(tǒng)灌溉方法是淹灌，耗水量大，自 20 世紀(jì) 80年代以來，我國應(yīng)用和推廣了多種水稻節(jié)灌模式，如間歇灌溉、濕潤灌溉、控制灌溉、“薄淺濕曬”灌溉、干濕交替灌溉等，均取得了良好的節(jié)水增產(chǎn)效果[3–5]。研究還發(fā)現(xiàn)，節(jié)灌模式具有較好的 CH4和 N2O 減排效應(yīng)[6–10]。與淹水灌溉相比，間歇性灌溉和濕潤灌溉稻田 N2O 和 CH4綜合溫室效應(yīng)僅為淹水灌溉的10%[11]，控制灌溉也顯著降低 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)[4]?！氨\濕曬”和干濕交替灌溉模式是我國南方地區(qū)應(yīng)用較廣的稻田節(jié)灌模式[5, 12–15]。研究發(fā)現(xiàn)，“薄淺濕曬”模式比“間歇灌溉”模式節(jié)約灌溉水量 19% 左右，而灌溉水分生產(chǎn)率提高約 1 kg/m3[16]。干濕交替模式比淹水灌溉節(jié)約灌溉水量 40%～70%，且水稻產(chǎn)量并未減少[17]。但是目前對(duì)這兩種灌溉模式稻田 N2O 和 CH4排放的影響情況尚不清楚。目前，有機(jī)肥與化肥配施對(duì) CH4和 N2O 排放的研究沒有完全一致的結(jié)論。有研究認(rèn)為，施用禽糞肥比單施化肥增加了 CH4和 N2O 增溫潛勢(shì)[18–21]。李波等[22]的研究顯示，有機(jī)肥與化肥配施促進(jìn)稻田 CH4的排放，但對(duì) N2O 的排放并沒有顯著影響，而趙崢等[23]的研究則顯示，有機(jī)肥與化肥配施促進(jìn)稻田 CH4的排放，降低 N2O 的排放。另有研究顯示，有機(jī)肥與化肥配施促進(jìn)生育盛期稻田 CH4的排放，導(dǎo)致生長季 CH4排放總量顯著高于單施化肥，而單施化肥處理促進(jìn)生長季 N2O 凈排放[24–25]。目前有關(guān)“薄淺濕曬”和干濕交替模式和有機(jī)肥與化肥配施相結(jié)合稻田 CH4和N2O 的排放規(guī)律、綜合增溫潛勢(shì)和綜合排放強(qiáng)度尚不清楚，有必要系統(tǒng)深入研究這方面內(nèi)容。本文研究了不同灌溉模式和尿素 N-豬糞 N 比例下早稻和晚稻田 CH4和 N2O 排放規(guī)律、綜合增溫潛勢(shì)，并結(jié)合水稻產(chǎn)量分析了綜合排放強(qiáng)度，以期獲得降低稻田CH4和 N2O 排放的灌溉模式和施氮管理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和材料

2015～2016 年在廣西南寧市灌溉試驗(yàn)站 (N22° 52′58.33″，E108°17′38.86″) 連續(xù)進(jìn)行晚稻和早稻大田試驗(yàn)。試驗(yàn)站氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，試驗(yàn)期間降水量見圖 1。試驗(yàn)土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的潴育性水稻土，其土壤容重 1.2 g/cm3，飽和含水率49.2%，pH 7.0，有機(jī)碳 17.3 g/kg，全氮 1.4 g/kg，堿解氮 111.7 mg/kg (1 mol/L NaOH 堿解擴(kuò)散法)，速效磷 48.9 mg/kg (0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬藍(lán)比色法)，速效鉀 88.0 mg/kg (1 mol/L 中性 NH4OAC 浸提—火焰光度法)。供試作物為水稻 (Oryza sativa L.)，晚稻和早稻品種均為當(dāng)?shù)赝茝V的內(nèi) 5 優(yōu) 8015，屬秈型三系雜交水稻。試驗(yàn)灌溉用水 pH 為 7.6。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè) 3 種灌溉模式，“薄淺濕曬”灌溉 (TIR)、干濕交替灌溉 (DIR) 及常規(guī)灌溉 (CIR)，和 2 種尿素-N和豬糞-N 比例，100% 尿素-N (FM1)、50% 尿素-N + 50%豬糞-N ( FM2 )，完全方案設(shè)計(jì)，共 6 個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè) 3 個(gè)重復(fù)，共 18 個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。各小區(qū)面積為 25 m2，小區(qū)之間用 25～26 cm 厚紅磚水泥墻隔離分開，以防小區(qū)之間水分相互側(cè)滲，并在降雨多時(shí)獨(dú)立排水。各小區(qū)均用水管引入固定水源，安裝水表計(jì)量每次灌水量。常規(guī)灌溉除分蘗末期落水曬田外，分蘗期到乳熟期田間均保持20～30 mm 水層，此外，移栽返青期保持淺水層(10～20 mm) 和黃熟期自然落干?！氨\濕曬”灌溉的水分控制標(biāo)準(zhǔn)見表 1。干濕交替灌溉的水分控制標(biāo)準(zhǔn)是水稻在移栽后 10 d 內(nèi)田間保持淺水層，10 d 后進(jìn)行干濕交替灌溉，即在小區(qū)內(nèi)安裝土壤水分張力計(jì)監(jiān)測(cè)土壤水勢(shì)，當(dāng)田間由淺水層自然落干至土壤水勢(shì)為–15 kPa 時(shí)，灌水 20 mm，再自然落干至土壤水勢(shì)為–15 kPa，再灌 20 mm，如此循環(huán)，至水稻成熟結(jié)束[12]。兩次試驗(yàn) 6 個(gè)處理氮用量均為 135 kg/hm2，P2O5用量 60 kg/hm2，K2O 用量 120 kg/hm2。供試肥料包括尿素 (N 46%)，豬糞 (N 0.80%、P2O50.48%、K2O 0.46%)，過磷酸鈣 (P2O514%)，氯化鉀 (K2O 60%)。FM2 處理每小區(qū)豬糞用量為 21.1 kg。其中 FM1 處理全部磷肥和 50% 氮肥和鉀肥作基肥，F(xiàn)M2 處理全部磷肥、豬糞和 50% 鉀肥作基肥，均在插秧前一天耕地時(shí)施入土壤中?？紤]到豬糞中磷和鉀供應(yīng)量，F(xiàn)M2 處理各小區(qū)過磷酸鈣和氯化鉀用量分別減少0.72 kg 和 0.16 kg。各施氮處理余下 50% 的尿素和氯化鉀分別以分蘗肥 (晚稻 2015 年 9 月 15 日，早稻2016 年 4 月 23 日) 和穗肥 (晚稻 2015 年 11 月 4 日，早稻 2016 年 6 月 15 日)，均按 25% 的比例面施施入土壤中。

圖1 2015～2016 試驗(yàn)期間降水量Fig. 1 The precipitation during experimental period of 2015 to 2016

表1 “薄淺濕曬”模式田間水層厚度[14](mm)Table1 Field water depth thresholds in the “thin-shallow-wet-dry” irrigation

1.3 田間管理

晚稻試驗(yàn)于 2015 年 7 月 28 日播種，8 月 26 日大田移栽，于 29 d 秧齡時(shí)選取單株帶 2 個(gè)分蘗長勢(shì)相對(duì)均勻的秧苗，單株栽培，株行距 20 cm × 20 cm。不同灌水處理從 9 月 2 日水稻返青后進(jìn)行，到 11 月9 日水稻開始成熟后結(jié)束。期間，10 月 4 日開始曬田，10 月 12 日復(fù)水。12 月 1 日試驗(yàn)小區(qū)全部收割完畢，大田生長期為 97 天。晚稻生育期內(nèi) CIR、TIR 和 DIR模式總灌水量分別為 14.8、11.1 和 9.2 (× 103m3/hm2)。此外，試驗(yàn)期間其它田間管理措施一致。

早稻試驗(yàn)于 2016 年 3 月 16 日播種，4 月 13 日大田移栽，于 28 d 秧齡時(shí)選取單株帶 2 個(gè)分蘗長勢(shì)相對(duì)均勻的秧苗，單株栽培，株行距 20 cm × 20 cm。不同灌水處理從 4 月 20 日水稻返青后進(jìn)行，到 7 月5 日水稻開始成熟后結(jié)束。期間，5 月 20 日開始曬田，6 月 7 日復(fù)水。7 月 20 日試驗(yàn)小區(qū)全部收割完畢，大田生長期為 98 天。早稻生育期內(nèi) CIR、TIR 和 DIR模式總灌水量分別為 13.3、9.5 和 7.4 (× 103m3/hm2)。此外，試驗(yàn)期間其他田間管理措施一致。

1.4 稻田 CH4和 N2O 采集和測(cè)定

田間采集 CH4和 N2O 用靜態(tài)封閉暗箱法。靜態(tài)箱箱體由厚 5 mm 的不繡鋼制成，箱體規(guī)格 50 cm × 50 cm × 100 cm，四周和頂部封閉，底部開口，箱內(nèi)安裝風(fēng)扇，箱外包1層鋁箔以降低采樣期間由于太陽輻射引起的箱內(nèi)溫度變化。水稻移栽前各處理分別安裝不銹鋼靜態(tài)箱底座 (50 cm × 50 cm)，底座入泥 5 cm，底座內(nèi)含生長水稻。取樣時(shí)靜態(tài)箱垂直安放在底座凹槽內(nèi)并用水密封，以防箱子和地面的接觸處漏氣，保證箱內(nèi)氣體與大氣不進(jìn)行交換。采樣前將箱內(nèi)側(cè)面兩個(gè)風(fēng)扇打開，以保持氣體均勻混合，采氣孔位于側(cè)面，用注射器采集氣樣。水稻不同生育時(shí)期 CH4和 N2O 的變化規(guī)律從返青后開始采樣，每隔 7 天采樣 1 次，采樣時(shí)刻為上午 9:00～11:00，同時(shí)記錄箱溫。每個(gè)采樣點(diǎn)在蓋箱后第 0、5、10、15、20、25 和 30 min 時(shí)用注射器采樣，每次樣品量為 100 mL。CH4和 N2O 均用 Agilent 7890A GC 測(cè)定。晚稻生育期內(nèi)氣體測(cè)定次數(shù)共 10 次，早稻生育期內(nèi)共 12 次。

1.5 數(shù)據(jù)分析

1.5.1 CH4和 N2O 排放通量

式中：F 為被測(cè)氣體排放通量，CH4排放通量單位為mg/ (m2·h)，N2O 排放通量單位為 μg/ (m2·h)，正值表示排放，負(fù)值表示吸收；μ 為氣體摩爾質(zhì)量，CH4為16.1 g/mol，N2O 為 44.0 g/mol；P 為箱內(nèi)平均氣壓，為 1.01325 × 105；T 為箱內(nèi)平均氣溫 (℃)；R 為氣體常數(shù)，為 8.3 J/(mol·kg)；H 為箱內(nèi)有效高度，為 100 cm；為箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間的變化率，CH4單位為 mL/(m3·h)，N2O 單位為 μL/(m3·h)[4, 27]。

1.5.2 CH4和 N2O 累積排放量 生育期內(nèi) CH4和 N2O累積排放量 (fCH4和 fN2O) 是由相鄰兩次氣體排放通量的平均值與觀測(cè)間隔時(shí)間相乘，然后逐次累加而得[28]。

式中：Fi、Fi – 1分別為第 i 次、第 i – 1 次被測(cè)氣體排放通量；d 為第 i 次與第 i – 1 次觀測(cè)間隔天數(shù)；n 為氣體觀測(cè)總次數(shù)；f 為生育期內(nèi)氣體累積排放量(fCH4或 fN2O為生育期內(nèi) CH4或 N2O 累積排放量，其中，fCH4單位為 kg/hm2，fN2O單位為 g/hm2)。

1.5.3 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì) 根據(jù)生育期內(nèi) CH4或 N2O 累積排放量，計(jì)算 CH4和 N2O 排放二氧化碳當(dāng)量 (carbon dioxide equivalent，CDE，以 CO2計(jì)，單位為 kg)。以 100 年影響尺度為計(jì)，1 kg CH4和N2O 的增溫潛勢(shì)分別是 1 kg CO2的 25 倍和 298 倍[29]。

式中：fCH4和 fN2O同上；CDE(CH4) 為 CH4排放量的 CO2當(dāng)量，即 CH4增溫潛勢(shì) (CO2kg/hm2)；CDE(N2O) 為 N2O 排放量的 CO2當(dāng)量，即 N2O 增溫潛勢(shì) (CO2kg/hm2)；TCDE 為 CH4和 N2O 排放量的總CO2當(dāng)量，即 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì) (CO2kg/hm2)。1.5.4CH4和 N2O 綜合排放強(qiáng)度 CH4和 N2O 綜合排放強(qiáng)度 (comprehensive emission intensity，CEI) 是CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)與水稻產(chǎn)量的比值[30–31]。

式中：Y 為該處理單位面積平均產(chǎn)量 (t/hm2)；CEI 為CH4和 N2O 綜合排放強(qiáng)度 (CO2kg/t)。

采用 Excel 2013 和 SPSS 19.0 對(duì)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同處理各指標(biāo)平均值的比較用新復(fù)極差法 (Duncan’s)，差異顯著性水平為 P < 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量

圖2 不同處理早晚稻產(chǎn)量Fig. 2 The yields of late rice or early rice for different treatments[注（Note）：方柱上不同字母表示處理間差異顯著 (P < 0.05) Different letters above the bars mean significant difference among treatments at P< 0.05 level. CIR—常規(guī)灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄淺濕曬”灌溉“Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干濕交替灌溉 Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50% 尿素-N + 50% 豬糞-N 50% urea-N and 50% pig manure-N.]

由圖 2 可知，同一灌溉模式下，F(xiàn)M2 處理晚稻產(chǎn)量與 FM1 處理差異不顯著；同一施氮處理下，不同灌溉模式晚稻產(chǎn)量之間的差異也不顯著。TIR 和CIR 下，F(xiàn)M2 處理早稻產(chǎn)量與 FM1 處理間的差異不顯著，但是 DIR 模式下 FM2 處理早稻產(chǎn)量比 FM1處理提高 18.8%，且差異顯著。FM1 下，不同灌溉模式早稻產(chǎn)量之間差異不顯著，而 FM2 下，TIR 和DIR 模式早稻產(chǎn)量分別比 CIR 模式提高 20.9% 和37.4%，且差異顯著。TIR 和 CIR 模式下，F(xiàn)M2 處理兩季水稻總產(chǎn)量與 FM1 處理間的差異不顯著，而DIR 模式下，F(xiàn)M2 處理兩季水稻總產(chǎn)量比 FM1 處理提高 17.7%，且差異顯著。FM1 下，不同灌溉模式兩季水稻總產(chǎn)量之間的差異不顯著，F(xiàn)M2 下 TIR 模式與 CIR 模式差異不顯著，但 DIR 模式比 CIR 模式提高 21.5%，且差異顯著。

2.2 稻田 CH4排放通量

由圖 3 可知，不同處理早晚稻生育期內(nèi) CH4排放通量變化趨勢(shì)有一定差異，主要表現(xiàn)為生育前期CH4排放通量較高，生育中后期 CH4排放通量較低。FM2 處理 CH4排放通量明顯高于 FM1 處理。不同施氮處理下 CIR 和 TIR 模式晚稻稻田 CH4排放通量均在移栽后 83 天出現(xiàn)小的排放峰，早稻稻田 CH4排放通量相繼在 68、76 天出現(xiàn)小的排放峰。

2.3 稻田 N2O 排放通量

由圖 4 可看出，不同處理早晚稻 N2O 排放通量生育期內(nèi)變化趨勢(shì)不同，晚稻生育前期 N2O 的排放通量為負(fù)值，表現(xiàn)為吸收狀態(tài)，早稻生育前期 N2O的排放通量均較低，曬田后復(fù)水及成熟期稻田水分落干時(shí) N2O 排放通量較高。每次排放高峰后都相應(yīng)出現(xiàn)了一個(gè)排放低峰或者負(fù)排放峰。此外，晚稻FM2 處理下 DIR 模式 N2O 排放通量在 76 天出現(xiàn)排放峰，早稻不同施氮處理下 DIR 模式在 68 天出現(xiàn)大的排放峰。

圖3 不同處理早晚稻 CH4排放通量動(dòng)態(tài)變化Fig. 3 Dynamic changes of CH4flux during early rice and late rice growing seasons for different treatments[注（Note）：圖中F表示追肥 Topdressing, 曬田表示該時(shí)間前后幾天處于曬田時(shí)間 Field drying means drying time before and after afew days. CIR—常規(guī)灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄淺濕曬”灌溉“Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干濕交替灌溉Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50% 尿素-N + 50% 豬糞-N 50% urea-N and 50% pig manure-N.]

2.4 生育期內(nèi) CH4和 N2O 累積排放量

由表 2 可得，不同灌溉模式下，F(xiàn)M2 處理晚稻、早稻及兩稻季 CH4累積排放量與 FM1 間的差異均顯著。FM1 下不同灌溉模式早稻、晚稻及兩稻季CH4累積排放量之間的差異均不顯著，F(xiàn)M2 下不同灌溉模式晚稻 CH4累積排放量之間的差異均顯著，F(xiàn)M2 下 CIR 和 TIR 模式早稻生育期內(nèi) CH4累積排放量與 DIR 模式的差異均顯著，F(xiàn)M2 下 DIR 和 TIR 模式兩稻季 CH4累積排放量與 CIR 模式的差異均顯著。

各處理除 DIR-FM2 處理外晚稻生育期內(nèi) N2O 累積排放量的差異均不顯著。TIR 和 CIR 模式下，F(xiàn)M2 處理早稻生育期內(nèi) N2O 累積排放量與 FM1 處理的差異均顯著。FM1 下，DIR 模式早稻 N2O 累積排放量與 TIR 和 CIR 模式間差異均顯著，而 FM2 下不同灌溉模式早稻 N2O 累積排放量之間的差異均不顯著。不同灌溉模式下 FM2 處理兩稻季 N2O 累積排放量與 FM1 處理的差異都不顯著，而 FM1 下 CIR 模式兩稻季 N2O 累積排放量與 DIR 模式的差異顯著，F(xiàn)M2 下 DIR 模式兩稻季 N2O 累積排放量與 CIR、TIR 模式間差異均顯著。

不同灌溉模式下 FM2 處理兩稻季 CH4和 N2O 累積排放量均高于 FM1 處理。本研究還得到，不同處理下早晚稻當(dāng) CH4排放處于高峰時(shí)，而 N2O 排放卻較低。反之，而當(dāng) N2O 排放增加較為顯著時(shí)，CH4排放卻較低。

2.5 稻田 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)及排放強(qiáng)度

表3 表明，CIR、TIR 和 DIR 下，F(xiàn)M1 處理 CH4增溫潛勢(shì)分別比 FM2 處理降低 77.5%、76.9% 和78.6%，且差異均顯著。FM1 下 TIR 和 DIR 模式與 CIR模式 CH4增溫潛勢(shì)差異均不顯著，F(xiàn)M2 下 TIR 和 DIR模式分別降低 40.4% 和 33.1%，且差異均顯著。不同灌溉模式下 FM2 處理 N2O 增溫潛勢(shì)均高于 FM1 處理，TIR 和 DIR 下 FM1 處理 N2O 增溫潛勢(shì)與 FM2處理差異均不顯著。不同施氮處理下，DIR 模式 N2O增溫潛勢(shì)比 CIR 和 TIR 模式顯著提高，且差異顯著。

圖4 不同處理早晚稻 N2O 排放通量動(dòng)態(tài)變化Fig. 4 Dynamic changes of N2O flux during early rice and late rice growing seasons for different treatments[注（Note）：圖中 F 表示追肥 Topdressing, 曬田表示該時(shí)間前后幾天處于曬田時(shí)間 Field drying means drying time before and after afew days. CIR—常規(guī)灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄淺濕曬”灌溉“Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干濕交替灌溉 Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50% 尿素-N + 50% 豬糞-N 50% urea-N and 50% pig manure-N.]

表2 不同處理早晚稻季 CH4和 N2O 累積排放量 (kg/hm2)Table2 Cumulative emissions of CH4and N2O during early and late rice seasons for different treatments

CIR、TIR 和 DIR 下，F(xiàn)M1 處理 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)分別比 FM2 處理降低 77.5%、76.9% 和78.5%，且差異都顯著。FM1 下 TIR 和 DIR 模式與CIR 模式 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)差異均不顯著，F(xiàn)M2 下 TIR 和 DIR 模式分別降低 40.4% 和 33.0%，且差異均顯著。CH4和 N2O 對(duì)稻田綜合增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)不同，CH4對(duì)綜合增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率達(dá) 99% 以上，而 N2O 的貢獻(xiàn)率不足 1%。CIR、TIR 和 DIR 下FM1 處理 CH4和 N2O 綜合排放強(qiáng)度分別比 FM2 處理降低 77.1%、74.9%和74.7%，且差異均顯著。FM1 下 TIR 和 DIR 模式與 CIR 模式 CH4和 N2O 綜合排放強(qiáng)度差異均不顯著，F(xiàn)M2 下 TIR 和 DIR 模式分別降低 44.8% 和 44.9%，且差異顯著。

表3 不同處理早晚稻季 CH4和 N2O 增溫潛勢(shì)及總排放強(qiáng)度Table3 Warming potential of CH4and N2O, and comprehensive emission intensity in early and late rice seasons for different treatments

不同灌溉模式下，與 FM1 相比，F(xiàn)M2 處理增加了稻田 CH4和 N2O 增溫潛勢(shì)，TIR 和 DIR 模式比CIR 模式降低了 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度，F(xiàn)M1 處理比 FM2 處理顯著降低 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度。

3 討論

3.1 水稻產(chǎn)量

尿素豬糞配施處理下早稻 TIR 和 DIR 模式水稻產(chǎn)量明顯高于 CIR 模式，原因可能是 CIR 模式長期處于淹水狀態(tài)，厭氧環(huán)境不利于豬糞的分解轉(zhuǎn)化，不能及時(shí)為植物生長提供所需養(yǎng)分，而 TIR 和 DIR模式水層較薄甚至是沒有水層，土壤中氧氣含量增加，更有利于土壤中微生物對(duì)豬糞的分解轉(zhuǎn)化，使土壤中可利用的氮素增多，能夠更好地為水稻生長提供養(yǎng)分[32]。DIR 模式下，尿素豬糞配施處理兩季水稻總產(chǎn)量明顯高于單施尿素處理原因是施用豬糞有利于水稻根系的深扎，增強(qiáng)水稻對(duì)肥料氮及土壤氮的有效利用[33]；水稻生育后期，豬糞中養(yǎng)分逐漸釋放，植株能從土壤中吸收更多的養(yǎng)分，能提高水稻每穗實(shí)粒數(shù)，從而提高水稻的產(chǎn)量[34]。侯紅乾等[35]研究認(rèn)為，有機(jī)肥和化肥配施處理產(chǎn)量均高于單施化肥處理，高量有機(jī)肥配施化肥更有利于稻田長期增產(chǎn)。高菊生等[36]研究認(rèn)為，與單施化肥相比，有機(jī)肥和化肥配施水稻 (早稻、晚稻) 產(chǎn)量均能保持相對(duì)較高。董春華等[37]研究認(rèn)為，有機(jī)肥和化肥配施能促進(jìn)紅壤性稻田早稻、晚稻稻谷和地上部產(chǎn)量的增加，這與本研究結(jié)果相符。尿素豬糞配施處理下 TIR 和DIR 模式比 CIR 模式提高產(chǎn)量。覃萬國等[3]研究表明，“薄淺濕曬”比常規(guī)灌溉增產(chǎn)率平均早稻為5.57%，晚稻 5.09%，以及張自常等[38]研究認(rèn)為，與常規(guī)灌溉相比，干濕交替灌溉可以顯著提高產(chǎn)量，這與本研究結(jié)果一致。

3.2 稻田 CH4排放特征

生育前期 CH4排放通量較高的原因主要有兩點(diǎn)：其一，不同灌溉模式下水稻生育前期田間水層深度均較厚，稻田處于淹水狀態(tài)，氧氣供應(yīng)有限，土壤處于還原態(tài)，有利于 CH4產(chǎn)生；其二，基肥的施用，稻田淹水狀態(tài)使得土壤中豐富的產(chǎn)甲烷基質(zhì)處于厭氧環(huán)境發(fā)酵劇烈，促使 CH4快速排放[39]。生育中后期 CH4排放通量較低，是因?yàn)椴煌喔饶Ｊ较碌咎锼畬虞^薄甚至水分落干沒有水層，氧氣供應(yīng)充足，限制了 CH4產(chǎn)生，促進(jìn)了 CH4氧化，降低了CH4排放速度[40]。晚稻不同施氮處理下 CIR 和 TIR模式 CH4排放通量均在移栽后 83 天出現(xiàn)小的排放峰，原因可能是在移栽后 69 天施用了尿素作為追肥后，促進(jìn)了稻田 CH4排放。早稻不同施氮處理下CIR 和 TIR 模式相繼在 68、76 天出現(xiàn)小的排放峰，原因可能是由于在移栽后 61 天施用尿素追肥后，促進(jìn)了稻田 CH4排放[23]。至于排放峰出現(xiàn)時(shí)間上的差異原因是不同灌溉模式導(dǎo)致不同田間水分狀態(tài)，尿素發(fā)揮肥效時(shí)間有所不同。

尿素豬糞配施處理下，TIR 和 DIR 模式晚稻和早稻生育期內(nèi) CH4累積排放量都顯著低于 CIR 模式，是由于 CIR 模式除曬田和收獲時(shí)沒有水層外，其他時(shí)期都處于淹水狀態(tài)，有利于豬糞的厭氧分解，為產(chǎn)甲烷菌提供底物[40]，促進(jìn) CH4排放，而 DIR 和TIR 模式土壤通氣狀況得到極大改善，破壞了產(chǎn)甲烷菌的生存環(huán)境，抑制了 CH4的排放[39]，特別是 DIR模式，水稻植株會(huì)受到一定程度的水分脅迫可能關(guān)閉部分氣孔，減少通過植株途徑的 CH4排放，這與王孟雪等[6]研究結(jié)果相符。不同灌溉模式下，單施尿素處理晚稻和早稻 CH4累積排放量顯著低于尿素豬糞配施處理，是由于尿素豬糞配施處理施用了豬糞做基肥，豬糞為產(chǎn)甲烷菌提供豐富的產(chǎn)甲烷基質(zhì)，使產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)生更多的 CH4[25]，此外，豬糞的施用促進(jìn)了水稻的分蘗和生長[34]，使得水稻植株運(yùn)輸CH4的能力增強(qiáng)，從而使稻田排放更多的 CH4。

3.3 稻田 N2O 排放特征

早稻生育前期 N2O 的排放通量均較低，這是因?yàn)樯捌冢煌喔饶Ｊ降咎锾幱谘退疇顟B(tài)或者保持有水層，土壤的強(qiáng)還原條件使反硝化作用比較徹底進(jìn)行，中間產(chǎn)物 N2O 產(chǎn)生較少，使 N2O 排放速率相對(duì)較低。曬田后復(fù)水及成熟期稻田水分落干時(shí)N2O 排放通量較高主要與田間水分狀態(tài)有關(guān)，干濕交替改善了表層土壤的通氣性，增加了土壤氧氣含量，使得其表層土壤具有良好的通氣性，有利于硝化–反硝化作用進(jìn)行，在此過程中產(chǎn)生大量的 N2O[6]。每次排放高峰后都相應(yīng)出現(xiàn)了一個(gè)排放低峰或者負(fù)排放峰，原因可能與土壤同時(shí)存在“源”和“匯”的相互作用有關(guān)，當(dāng)“源”的作用強(qiáng)，稻田表現(xiàn)為N2O 的排放；反之，“匯”的作用強(qiáng)，稻田表現(xiàn)為對(duì)大氣 N2O 的吸收[41]。

晚稻 FM2 處理下 DIR 模式 N2O 排放通量在 76天出現(xiàn)排放峰，以及早稻不同施氮處理下 DIR 模式在 68 天出現(xiàn)大的排放峰，可能是追施尿素的原因，DIR 模式表層土壤的通氣性好，尿素追施后快速發(fā)揮效用，使 N2O 的產(chǎn)生和排放速度迅速增加[23]。不同施肥處理下晚稻 CIR 模式 N2O 累積排放量為負(fù)值，這種情況出現(xiàn)的可能原因：其一，稻田土壤長時(shí)間處于厭氧狀態(tài)，抑制了硝化反應(yīng)，使NO3–基質(zhì)得不到補(bǔ)充，從而影響硝化–反硝化作用的進(jìn)行，使反硝化作用速率很低；其二，強(qiáng)還原環(huán)境促進(jìn)形成反硝化的最終產(chǎn)物 N2，不利于形成中間產(chǎn)物 N2O，甚至空氣中進(jìn)入土壤的 N2O，也被還原為N2致 N2O凈吸收[25, 42]。單施尿素處理下 TIR 和 CIR 模式早稻生育期內(nèi)及 CIR 模式兩稻季 N2O 累積排放量顯著低于DIR 模式，尿素豬糞配施處理下 CIR 模式晚稻生育期內(nèi)及 TIR 和 CIR 模式兩稻季 N2O 累積排放量均顯著低于 DIR 模式，原因可能是 DIR 模式頻繁的干濕交替改善了土壤通氣性，促進(jìn)了稻田土壤硝化和反硝化作用，增加了稻田 N2O 排放[11]。晚稻 DIR 模式及早稻 TIR 和 CIR 模式下尿素豬糞配施處理 N2O 累積排放量顯著高于單施尿素處理，原因可能是晚稻尿素豬糞配施處理下 DIR 模式土壤良好的通氣性，有利于豬糞的分解，促進(jìn)了硝化和反硝化作用，早稻尿素豬糞配施處理下 TIR 和 CIR 模式豬糞為硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌提供豐富的基質(zhì)，且水稻生育后期田間水分自然落干土壤通氣條件改善，從而促進(jìn)了 N2O 排放[30, 43]。

3.4 稻田 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)及排放強(qiáng)度

CH4和 N2O 對(duì)稻田綜合增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)不同，CH4對(duì)綜合增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率達(dá) 99% 以上，而 N2O的貢獻(xiàn)率不足 1%，與秦曉波等[40]的結(jié)果相似。盡管在較短時(shí)間尺度上 N2O 對(duì)稻田綜合增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)度較低，但是 N2O 在大氣中存在時(shí)間比較長，伴隨著時(shí)間的增長，N2O 對(duì)全球溫室效應(yīng)的影響會(huì)越來越大，因此，稻田 N2O 的排放不可忽略[30]。不同灌溉模式下，與單施尿素處理相比，尿素豬糞配施處理不僅增加了稻田 CH4增溫潛勢(shì)，也增加了 N2O 增溫潛勢(shì)，與李波等[22]、趙崢等[23]的研究結(jié)論不同。尿素豬糞配施處理下，與 CIR 模式相比，TIR 和 DIR模式顯著降低了 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度，這與節(jié)水灌溉顯著降低 CH4和 N2O 的綜合溫室效應(yīng)的結(jié)論相同[4, 6]。單施尿素處理比尿素豬糞配施處理顯著降低 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度，與王聰?shù)萚24]的研究結(jié)論一致。因此，不同施氮處理下，與常規(guī)灌溉相比，“薄淺濕曬”和干濕交替灌溉模式在保持產(chǎn)量不降低前提下降低了稻田 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度。在這兩種灌溉方式下，與豬糞尿素配施處理相比，單施尿素處理顯著降低 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度。

4 結(jié)論

DIR 模式下 FM2 處理早稻產(chǎn)量和兩季總產(chǎn)量比FM1 處理分別提高 18.8% 和 17.7%，F(xiàn)M2 下 TIR 和 DIR模式早稻產(chǎn)量分別比 CIR 模式提高 20.9% 和 37.4%，以及 DIR 模式兩季總產(chǎn)量比 CIR 模式提高21.5%。

3 種灌溉模式下 FM1 處理 CH4或 N2O 增溫潛勢(shì)、 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度均低于FM2 處理，2 種施氮處理下 TIR 和 DIR 模式 CH4和N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度低于 CIR 模式。

與常規(guī)灌溉相比，“薄淺濕曬”灌溉產(chǎn)量和N2O 排放有所提高，降低 CH4排放量及 CH4和 N2O綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度；干濕交替灌溉提高產(chǎn)量和增加 N2O 排放，降低 CH4的排放量及 CH4和 N2O綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度，因此，“薄淺濕曬”和干濕交替灌溉模式是有效降低稻田 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度的兩種灌溉模式。在這兩種灌溉方式下，與豬糞尿素配施處理相比，單施尿素處理顯著降低 CH4和 N2O 綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度。

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Emissions of CH4and N2O under different irrigation methods and nitrogen treatments

DONG Yan-fang1, HUANG Jing1, LI Fu-sheng1*, WANG Kai1, FANG Ze-tao1, LIU Jing-wen1, HUANG Zhong-hua2, LUO Wei-gang2
( 1 College of Agriculture, Guangxi University/Guangxi Academician Work Station of The New Technology of Water-saving Agriculture in Karst Region/Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Crop Cultivation and Tillage, Nanning 530005, China; 2 Nanning Irrigation Experimental Station, Nanning 530001, China )

【Objectives】The aim of this study was to investigate the emissions, global warming potential (GWP) and comprehensive emission intensity (CEI) of CH4and N2O in paddy field under different irrigation methods and nitrogen treatments, so as to obtain irrigation method and nitrogen management for reducing CH4and N2O emissions from paddy soil.【Methods】In 2015 and 2016, the field experiments of early rice and late rice were carried out in Nanning Irrigation Experimental Station. Two experiments had three irrigation methods, i.e.conventional irrigation (CIR), “thin-shallow-wet-dry” irrigation (TIR) and alternative drying and wetting irrigation (DIR), and two ratios of urea-N to pig manure-N, i.e. 100% urea-N (FM) and 50% urea-N and 50% pig manure-N (FM2). There were six treatments, i.e. CIR-FM1, TIR-FM1, DIR-FM1, CIR-FM2, TIR-FM2 and DIRFM2. CH4and N2O fluxes during the rice-growing seasons were collected using static closed chamber method and determined using agas chromatography. Accumulative emission and GWP of CH4and N2O were analyzed and CEI of CH4and N2O was the ratio of GWP of CH4and N2O to rice yield.【Results】Compared to the FM1 treatment, FM2 treatment increases the early rice yield and total yields of late rice and early rice by 18.8% and 17.7% under DIR, respectively. Compared to CIR method, TIR and DIR methods increase the yield of early rice by 20.9% and 37.4%, respectively, and DIR method increases total yield of late rice and early rice by 21.5% under FM2. The CH4emission fluxes of late and early rice seasons in different treatments are high at the early growth stage and low at the late growth stage. During the rice-growing period, TIR and DIR methods have lower accumulative CH4emission from paddy field than CIR method, and FM1 treatment has significantly lower accumulative CH4emission from paddy field than FM2 treatment. The N2O emission flux is negative or low at the early growth stage, and the N2O emission from paddy field is mainly concentrated in the dramatic water change period, such as re-watering after field drying and drying at the ripening period. DIR method has significantly higher accumulative N2O emission from paddy field than CIR method, and FM1 treatment has lower accumulative N2O emission than FM2 treatment. There was an increase and decline relationship of CH4and N2O emissions from paddy field in different treatments. The contribution of CH4emission to the GWP of CH4and N2O was more than 99% and the contribution of N2O emission was less than 1%. FM1 treatment decreases mole warming potential CH4or N2O, GWP and CEI of CH4and N2O if compared to FM2 treatment under three irrigation methods, and TIR and DIR methods reduced GWP and CEI of CH4and N2O when compared to CIR method under two nitrogen treatments.【Conclusions】Compared with CIR method, TIR method increases rice yield and N2O emission from paddy field slightly but reduces CH4emission, GWP and CEI of CH4and N2O from paddy field, and DIR method increases rice yield and N2O emission from paddy field but reduces CH4emission, GWP and CEI of CH4and N2O from paddy field. Thus TIR and DIR methods are two irrigation methods in reducing GWP and CEI of CH4and N2O from paddy field effectively. Compared to combined application of pig manure and urea, single application of urea reduces GWP and CEI of CH4and N2O from paddy field under the two irrigation methods.

thin-shallow-wet-dry irrigation; alternative drying and wetting irrigation; pig manure; global warming potential of CH4and N2O; comprehensive emission intensity

2016–11–24 接受日期：2017–01–24

國家自然科學(xué)基金（51469003）資助。

董艷芳（1990—），女，山東茌平人，碩士，主要從事水土資源利用與環(huán)境方面的研究。E-mail：305877393@qq.com * 通信作者 Tel：0771-3235314-8310，E-mail；zhenz@gxu.edu.cn；lpfu6@163.com