晚稻施氮量對(duì)冬種紫云英生長(zhǎng)季溫室氣體排放與土壤碳庫(kù)的影響

馬艷芹， 黃國(guó)勤

(1.江西外語外貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江西南昌 330045； 2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心，江西南昌 3300453)

農(nóng)田土壤碳庫(kù)是衡量土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)，冬種綠肥還田、水稻秸稈還田、綠肥與氮肥配施等耕作方式均能直接向土壤輸送外源有機(jī)物，增加土壤活性有機(jī)碳含量[1]，提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)[2-6]。同時(shí)，土壤有機(jī)碳含量與全球的“溫室效應(yīng)”密切相關(guān)[7]，綠肥作物覆蓋和翻壓后能夠顯著增加土壤有機(jī)碳含量，從而影響農(nóng)田溫室氣體的排放[8]。紫云英是南方稻區(qū)重要的綠肥作物之一，具有較強(qiáng)的固氮能力，紫云英翻壓還田后，在一定程度上可替代后茬水稻生長(zhǎng)所需的部分化學(xué)氮肥，減少氮肥用量，從而有效改善土壤理化性狀，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物含量，增加作物產(chǎn)量，提高稻米品質(zhì)[9-13]。目前，關(guān)于水稻生長(zhǎng)期內(nèi)溫室氣體排放的研究較多[14-16]，對(duì)冬種綠肥生長(zhǎng)季內(nèi)的溫室氣體排放研究較少[17-18]，而對(duì)于晚稻季施肥對(duì)冬種綠肥生長(zhǎng)季內(nèi)溫室氣體排放研究尚未見報(bào)道。研究水稻栽培過程中的氮肥用量對(duì)紫云英生長(zhǎng)季溫室氣體排放和土壤碳庫(kù)的影響，以及二者之間的相互關(guān)系，對(duì)于稻田節(jié)能減排具有重要意義。為更好地評(píng)價(jià)南方冬閑田種植紫云英的生態(tài)效應(yīng)，本研究以冬閑處理為對(duì)照，初步探討了晚稻季施氮對(duì)紫云英鮮草產(chǎn)量、生長(zhǎng)季的溫室氣體排放特征影響及冬種紫云英后的土壤碳庫(kù)特征，旨在更好地開發(fā)利用冬閑田和紫云英資源，為稻田節(jié)能減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

紫云英配施氮肥試驗(yàn)始于2011年10月，生長(zhǎng)季溫室氣體采集時(shí)間為2015年11月至2016年3月，試驗(yàn)地點(diǎn)為江西省鷹潭市余江縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)田(116°41′～117°09′E，28°04′～28°37′N)。試驗(yàn)地屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫17.6 ℃，≥0 ℃以上的平均積溫為6 586.4 ℃，年降水量約 1 741 mm，無霜期258 d，太陽年輻射總量為 454.27 kJ/cm2，年平均風(fēng)速為1～3.8 m/s。土壤多為泥沙淤積土。試驗(yàn)開始時(shí)表層土壤(0～15 cm)有機(jī)質(zhì)含量為 20.65 g/kg，全氮含量1.85 g/kg，全磷含量0.48 g/kg，堿解氮含量 151.00 mg/kg，有效磷含量59.76 mg/kg，速效鉀含量 38 mg/kg，pH值5.59。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理：(1)處理A(CK)，晚稻季施氮量為 0 kg/hm2，冬季空閑；(2)處理B，晚稻季施氮量為0 kg/hm2，冬季種植紫云英；(3)處理C，晚稻季施氮量為90 kg/hm2，冬季種植紫云英；(4)處理D，晚稻季施氮量為150 kg/hm2，冬季種植紫云英；(5)處理E，晚稻季施氮量為225 kg/hm2，冬季種植紫云英。每個(gè)處理重復(fù)3次，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。晚稻季所有處理的磷肥和鉀肥施用量相同，其中磷肥施用量為 60 kg/hm2，鉀肥施用量為75 kg/hm2，以含N 46%的尿素、含P2O512%的鈣鎂磷肥、含K2O 60%的氯化鉀計(jì)算化肥施用量，晚稻收獲后所有處理秸稈均不還田。試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)為 11 m、寬為6 m，小區(qū)面積為66 m2，兩邊設(shè)有保護(hù)行，保護(hù)行寬度為1 m。供試紫云英品種為余江大葉籽，播種時(shí)間為2015年10月1日，播種量為27.5 kg/hm2，翻壓時(shí)間為2016年3月28日。

1.3 樣品采樣方法與測(cè)定

1.3.1 紫云英測(cè)產(chǎn) 于紫云英盛花期，采用5點(diǎn)法，每點(diǎn)取1 m2，測(cè)其鮮質(zhì)量，小區(qū)鮮草總產(chǎn)量為小區(qū)面積乘以5點(diǎn)平均值。

1.3.2 溫室氣體采集與測(cè)定 溫室氣體采集采用靜態(tài)箱法，靜態(tài)箱長(zhǎng)、寬、高均為50 cm，內(nèi)部材料為不銹鋼板，箱體外層包裹厚度為0.5 cm的海綿和鋁箔隔熱板，防止因太陽照射引起的箱內(nèi)溫度升高過快，箱內(nèi)頂部裝有12 V小風(fēng)扇，防止箱內(nèi)氣體不均勻，箱體側(cè)面中部留有抽氣孔，采用三通閥控制開關(guān)。每小區(qū)固定采樣底座1個(gè)，底座上部有5 cm深的凹槽，測(cè)定時(shí)加水密封。紫云英生長(zhǎng)季每10～15 d采樣1次[19]，采樣期間記錄日平均氣溫變化(圖1)。采集時(shí)間為08：00—11：00，采樣按0、10、20、30 min的時(shí)間間隔用50 mL的注射器抽取箱內(nèi)氣體，來回抽動(dòng)5～10次以完全混勻氣體，抽出50 mL氣體保存于真空采樣袋后迅速帶回實(shí)驗(yàn)室分析。N2O、CH4、CO2氣體濃度采用Agilent 7890 B氣相色譜測(cè)定，測(cè)定CH4、CO2的檢測(cè)器為FID，檢測(cè)度300 ℃，柱溫60 ℃，載氣為99.99%的高純氮?dú)?，流?0 mL/min；測(cè)定N2O的檢測(cè)器為ECD，檢測(cè)溫度300 ℃，柱溫60 ℃，載氣為99.99%高純氬/甲烷氣(95%氬氣+5%甲烷)，流速40 mL/min。氣體排放通量計(jì)算公式：

F=ρ×h×dC/dt×273/(273+T)。

式中：F為氣體排放通量，mg/(m2·h)或μg/(m2·h)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度，kg/m3；h為采樣箱的凈高度，m；dC/dt為單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體的濃度變化率；T為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度，℃；273為氣態(tài)方程常數(shù)。

全球增溫潛勢(shì)(global warming potential，簡(jiǎn)稱GWP)是將各種溫室氣體的季節(jié)排放總量的增溫潛勢(shì)換算為CO2當(dāng)量，CH4和N2O在100年尺度上為CO2的25倍和298倍[20]。計(jì)算公式：

GWP=25(CH4)+298(N2O)+CO2。

1.3.3 土壤有機(jī)碳庫(kù)指標(biāo)測(cè)定 于紫云英翻壓前，每小區(qū)按5點(diǎn)取樣法取土，充分混合，一部分土壤自然風(fēng)干，用于土壤總有機(jī)碳測(cè)定，另一部分存放于4 ℃冰箱用于活性有機(jī)碳測(cè)定。參考稻田土壤的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.67 g/kg，活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11 g/kg。土壤有機(jī)碳(soil organic carbon，簡(jiǎn)稱SOC)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法[21]測(cè)定；活性有機(jī)碳(active organic carbon，簡(jiǎn)稱AOC)采用 333 mmol/L 高錳酸鉀氧化法測(cè)定[22]。土壤活性有機(jī)碳庫(kù)及碳庫(kù)管理指數(shù)的計(jì)算公式：

碳庫(kù)指數(shù)=土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg)/參考農(nóng)田土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg)；

穩(wěn)態(tài)碳=土壤有機(jī)碳-活性有機(jī)碳；

碳庫(kù)活度=土壤活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg)/穩(wěn)態(tài)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg)；

碳庫(kù)活度指數(shù)=樣品碳庫(kù)活度/參考土壤碳庫(kù)活度；

碳庫(kù)管理指數(shù)=碳庫(kù)指數(shù)×碳庫(kù)活度指數(shù)×1 000。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD進(jìn)行樣本平均數(shù)的差異顯著性比較，采用Origin作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 晚稻施氮對(duì)紫云英鮮草產(chǎn)量的影響

由圖2可以看出，晚稻季不同施氮量對(duì)紫云英鮮草產(chǎn)量的影響較明顯，主要表現(xiàn)為隨著施氮量的增加，紫云英產(chǎn)量不斷增加，其中處理E紫云英鮮草產(chǎn)量最高，達(dá) 18 388.97 kg/hm2，與處理B相比，增加了13.94%，二者之間差異顯著(P<0.05)；其次為處理D，較處理B增加了 9.98%，二者之間差異顯著(P<0.05)，但處理D與處理C之間差異不顯著?？梢姡c晚稻季不施氮相比，晚稻季施氮顯著增加冬季紫云英鮮草產(chǎn)量。

2.2 晚稻季施氮對(duì)紫云英生長(zhǎng)季溫室氣體排放的影響

晚稻季施氮和冬種紫云英影響稻田N2O排放。由圖3可以看出，紫云英播種后至2015年12月初，不同處理下的稻田N2O排放量較少，12月后N2O排放量逐漸增加，在2016年1月中旬達(dá)到最大值，該時(shí)期內(nèi)處理C、D、E較處理A分別增加21.80%、27.68%、24.40%，較處理B分別增加6.90%、14.71%、12.17%，之后直到翻壓，各處理的N2O排放通量逐漸減少。

由圖4可知，在紫云英生長(zhǎng)前期，由于氣溫較低，紫云英生長(zhǎng)緩慢，其CH4排放量較少，甚至低于0，表現(xiàn)為土壤對(duì)CH4的吸收；12月下旬以后，氣溫逐漸升高，紫云英生長(zhǎng)加快，地上部分生物量逐漸增多，各處理稻田CH4排放通量逐漸升高，在次年2月下旬，各處理稻田CH4出現(xiàn)了1個(gè)小的排放高峰，該時(shí)期內(nèi)各處理的CH4排放通量以處理E最高，達(dá)0.40 mg/(m2·h)， 較處理A增加110.53%， 二者之間差異顯著(P<0.05)。

由圖5可知，晚稻季施氮對(duì)CO2排放影響較大，主要表現(xiàn)為隨著紫云英的生長(zhǎng)，各處理的CO2排放逐漸增加，尤其是2月中旬以后，各處理CO2排放通量迅速增加，到2月底，各處理均出現(xiàn)1次小高峰， 與處理A相比，該時(shí)期內(nèi)處理B、C、D、E的CO2排放通量增幅達(dá)124.36%～277.09%，之后逐漸下降，在3月底翻壓前達(dá)到最大值。

2.3 晚稻施氮對(duì)紫云英生長(zhǎng)季溫室氣體排放總量和增溫潛勢(shì)的影響

由表1可以看出，處理C、D、E的紫云英生長(zhǎng)季溫室氣體排放總量均顯著高于冬閑處理A(P<0.05)；處理E的N2O、CO2累積排放總量和全球增溫潛勢(shì)最高，顯著高于不施氮處理B(P<0.05)，分別比處理B高出11.54%、28.19%、26.00%；3個(gè)施氮處理中處理C的N2O、CO2排放量和全球增溫潛勢(shì)最低，分別比處理E低8.28%、7.63%、8.13%，其中N2O排放總量與處理E之間差異顯著(P<0.05)，CH4、CO2累積排放總量及全球增溫潛勢(shì)與處理E之間差異不顯著(P>0.05)?？梢?，晚稻季施氮顯著影響后茬紫云英生長(zhǎng)季的溫室氣體排放，且隨著施氮量的增加紫云英生長(zhǎng)季N2O、CO2排放量也逐漸增加，全球增溫潛勢(shì)也逐漸增強(qiáng)。

表1 晚稻季施氮對(duì)紫云英生長(zhǎng)季溫室氣體累積排放量、全球增溫潛勢(shì)的影響(2015—2016年) kg/hm2

2.4 冬種紫云英對(duì)土壤碳庫(kù)的影響

由表2可以看出，各處理在活性有機(jī)碳、土壤碳庫(kù)活度方面差異不顯著(P>0.05)；不同處理的總有機(jī)碳含量、可溶性有機(jī)碳含量、碳庫(kù)指數(shù)均表現(xiàn)為處理D最高，與對(duì)照A相比差異顯著(P<0.05)，分別增加21.27%、32.26%、11.36%；處理C的土壤活性有機(jī)碳含量、碳庫(kù)管理指數(shù)最高，比處理A分別高12.23%、11.99%；處理B、C、D、E的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)均顯著高于處理A，增幅達(dá)9.54%～11.99%，但處理B、C、D、E之間差異不顯著(P>0.05)?？梢?，與冬閑處理相比，冬種紫云英顯著增加土壤總有機(jī)碳含量、可溶性有機(jī)碳、碳庫(kù)指數(shù)，其中晚稻季施氮90、150 kg/hm2的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)較高。

2.5 紫云英產(chǎn)量、碳庫(kù)管理指數(shù)與溫室氣體排放量相關(guān)性分析

通過表3可以看出，施氮量與N2O排放量呈顯著相關(guān)(P<0.05)， 說明氮肥的投入會(huì)使稻田N2O排放量增加。紫

表2 冬種紫云英后對(duì)土壤碳庫(kù)的影響

云英產(chǎn)量與N2O、CH4排放量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與活性有機(jī)碳、碳庫(kù)管理指數(shù)、CO2排放量、全球增溫潛勢(shì)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，表明隨著紫云英鮮草產(chǎn)量的增加，土壤活性有機(jī)碳含量和碳庫(kù)管理指數(shù)逐漸提高，同時(shí)紫云英生長(zhǎng)季的溫室氣體排放量逐漸增多，全球增溫潛勢(shì)也越來越強(qiáng)。土壤碳庫(kù)管理指數(shù)與CO2排放量、全球增溫潛勢(shì)之間存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與N2O、CH4排放量存在顯著正相關(guān)(P<0.05)?？梢?，土壤碳含量的變化會(huì)影響稻田溫室氣體排放。

表3 紫云英產(chǎn)量、碳庫(kù)管理指數(shù)與溫室氣體排放量相關(guān)性分析

注：“*”表示顯著相關(guān)(P<0.05)；“**”表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

3 討論

3.1 施肥和冬種紫云英影響稻田溫室氣體排放

氮肥在提高糧食產(chǎn)量方面發(fā)揮了重要作用，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的N2O、CH4、CO2等溫室氣體。研究表明，化學(xué)氮肥施用是促進(jìn)農(nóng)田N2O排放的主要因素，其中硝態(tài)氮對(duì)農(nóng)田N2O排放的決定程度達(dá)65%[23]。本研究結(jié)果顯示，冬種紫云英處理下的N2O排放總量大于冬閑處理，這與前人研究結(jié)果[17-18，24]類似。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，各處理下的N2O排放通量均表現(xiàn)為紫云英生長(zhǎng)后期大于前期，這與O’Hara等的研究結(jié)果[25]一致，主要原因可能是隨著氣溫的逐漸增高，土壤微生物活動(dòng)增強(qiáng)，紫云英根系發(fā)達(dá)，地上部分生物量隨晚稻季施氮量的增加而增加，其生理活動(dòng)增強(qiáng)，從而增加了N2O排放。N2O排放與紫云英鮮草產(chǎn)量之間顯著正相關(guān)，也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。本研究表明，2016年1月中旬以前CH4排放量較低，甚至在某些時(shí)間呈現(xiàn)負(fù)排放，12月中旬后CH4排放通量顯著升高，這與唐海明等的研究結(jié)果[17，26]一致，主要是由于稻田CH4排放與土壤含水量[27]、溫度[28-29]密切相關(guān)。12月下旬以后，氣溫逐漸升高，溫度適宜，降水增加，良好的土壤環(huán)境有利于甲烷菌生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致了紫云英生長(zhǎng)季CH4排放量出現(xiàn)了1次小高峰；1月中旬以后溫度下降，CH4排放量也逐漸減少，2月以后隨著溫度的升高，CH4排放量再次出現(xiàn)1次高峰。

3.2 冬種紫云英提高農(nóng)田土壤碳庫(kù)管理指數(shù)

施用有機(jī)肥或有機(jī)肥無機(jī)肥配施，均向土壤中直接輸入了外源有機(jī)物，能夠顯著增加有機(jī)碳含量[30-31]。研究結(jié)果顯示，冬閑對(duì)照的土壤碳庫(kù)各項(xiàng)管理指數(shù)均最低，冬種紫云英顯著提高了土壤有機(jī)碳和土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，這主要是由于免耕直播紫云英一方面能夠提高土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[32]，另一方面冬種紫云英增加了地表覆蓋面，減少了對(duì)土壤的擾動(dòng)次數(shù)和土壤養(yǎng)分的流失，降低了風(fēng)、雨等對(duì)土壤的侵蝕，同時(shí)為土壤補(bǔ)充了部分損失的碳，進(jìn)而增強(qiáng)了土壤固碳能力[33]，提高了土壤碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)和碳庫(kù)指數(shù)。同時(shí)本試驗(yàn)結(jié)果也表明，冬種紫云英處理下的土壤活性有機(jī)碳含量均明顯高于冬閑對(duì)照，相關(guān)性結(jié)果也表明，紫云英鮮草產(chǎn)量與土壤活性有機(jī)碳之間顯著正相關(guān)，這主要是由于晚稻季不同施氮量下的紫云英鮮草量隨施氮量的增加逐漸增加，提高了土壤活性有機(jī)碳含量。

3.3 稻田溫室氣體排放與土壤碳庫(kù)關(guān)系密切

土壤碳庫(kù)作為地表生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的碳庫(kù)之一，是N2O、CH4、CO2等溫室氣體的重要釋放源，也是重要的吸收匯[34]。稻田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加對(duì)減少土壤溫室氣體排放、降低大氣溫室氣體濃度、緩解目前的全球變暖問題具有重要的意義。本研究結(jié)果表明，N2O和CH4排放量與土壤碳庫(kù)管理指數(shù)存在顯著正相關(guān)(P<0.05)，CO2排放量、全球增溫潛勢(shì)與土壤碳庫(kù)管理指數(shù)存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，這主要是由于免耕直播紫云英減少了稻田的耕作次數(shù)，紫云英生長(zhǎng)期間提高了土壤礦化速率，加之紫云英覆蓋期間對(duì)土壤起到了保溫作用，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的腐化，提高了土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，從而增加了紫云英生長(zhǎng)季N2O、CH4、CO2排放量和溫室氣體排放潛勢(shì)。紫云英生長(zhǎng)季全球增溫潛勢(shì)與紫云英產(chǎn)量及CH4、CO2排放量存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與N2O排放量顯著正相關(guān)(P<0.05)，這與Mosier等的研究結(jié)果[35-36]類似，原因可能是冬種紫云英產(chǎn)量越高，其土壤的固碳能力和固碳量越多[32-33]，較高的碳儲(chǔ)量增強(qiáng)了農(nóng)田土壤溫室氣體排放。雖然冬種紫云英增加了稻田溫室氣體排放量，但紫云英還田后可替代部分氮肥，在一定程度上可以減少稻田溫室氣體排放，抵消了一部分溫室氣體增排效應(yīng)[37]，但紫云英還田量與施氮量以及二者之間的相互抵消量等還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

晚稻季施氮對(duì)后茬紫云英產(chǎn)量有顯著影響，紫云英產(chǎn)量隨著施氮量的增加逐漸增加。冬種紫云英可顯著提高土壤有機(jī)碳含量和土壤碳庫(kù)管理指數(shù)。晚稻季施氮會(huì)增加紫云英生長(zhǎng)季的N2O、CH4、CO2排放量，增強(qiáng)紫云英生長(zhǎng)季溫室氣體排放潛勢(shì)。因此，在不降低水稻產(chǎn)量的前提下，減少水稻季氮肥用量可在一定程度上降低后茬紫云英生長(zhǎng)季溫室氣體排放量。

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