化肥減量配施有機(jī)肥對(duì)早稻田溫室氣體排放的影響

楊 丹，葉祝弘，肖 珣，閆 穎，劉鳴達(dá)*，謝桂先

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽 110866；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128）

稻田是溫室氣體的主要排放源，每年大氣中約有20%的CH4、8%的CO2及11%的N2O源于稻田，且受肥料的施用、水分管理措施影響較大[7]。在施氮量相同的前提下施用有機(jī)肥會(huì)引起稻田CH4、CO2排放總量的增加，而N2O排放的變化因有機(jī)肥的種類不同而有較大差異，因此不同種類有機(jī)肥對(duì)稻田溫室氣體排放增量的影響也不盡相同[8]。有機(jī)肥對(duì)稻田溫室氣體排放的影響需綜合考慮CH4、CO2和N2O三種主要溫室氣體，且保證水稻產(chǎn)量，是實(shí)現(xiàn)稻田溫室氣體減排的關(guān)鍵。本試驗(yàn)研究化肥減量配施不同種類有機(jī)肥對(duì)早稻田CH4、CO2和N2O的排放動(dòng)態(tài)及早稻不同生長階段累積排放量的影響，比較不同施肥措施下的全球增溫潛勢(shì)（GWP）及單位產(chǎn)量的全球增溫潛勢(shì)（GHGI），以期為科學(xué)評(píng)價(jià)化肥減量配施有機(jī)肥措施對(duì)早稻生產(chǎn)及稻田溫室氣體排放的影響提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)于2017年4—7月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)長期定位施肥試驗(yàn)基地進(jìn)行，該基地位于湖南省長沙市瀏陽市永和鎮(zhèn)花園村（113°49′E，28°19′N）。該地區(qū)年平均降雨量為1 488.56 mm，且季節(jié)分配不均，主要集中分布在7—8月，年日照時(shí)長2 389.6 h，年平均氣溫15.9℃；早稻季平均氣溫為23.7℃。供試土壤為河流沖積物發(fā)育的潮泥土，試驗(yàn)地原始土壤（耕層0～20 cm）基本理化性質(zhì)：pH值5.61，有機(jī)質(zhì)含量16.62 g·kg-1，全氮含量1.21 g·kg-1，全磷含量 0.54 g·kg-1，全鉀含量11.51 g·kg-1，堿解氮含量48.93 mg·kg-1，有效磷含量21.25 mg·kg-1，速效鉀含量155.7 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試水稻（Oryza sativa L.）品種為中早39。供試的新鮮豬糞、沼渣沼液、紫云英綠肥收集于試驗(yàn)區(qū)農(nóng)戶家；豬糞堆肥為強(qiáng)湘牌精制有機(jī)堆肥；化肥為尿素（N≥46.4%）、過磷酸鈣（P2O5≥12.0%）和氯化鉀（K2O≥60.0%）。供試有機(jī)肥理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試有機(jī)肥養(yǎng)分基本理化性質(zhì)Table1 Physical and chemical properties of the organic fertilizer

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理，分別為不施氮肥處理（WN）、當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥處理（CF）、化肥減量配施鮮豬糞肥處理（PF）、化肥減量配施豬糞堆肥處理（DF）、化肥減量配施沼渣沼液肥處理（BF）和化肥減量配施紫云英綠肥（GF）處理，各處理設(shè)3次重復(fù)，按隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為20 m2。其中常規(guī)施肥處理N、P2O5、K2O用量分別為 150、72、90 kg·hm-2；各配施有機(jī)肥處理化肥氮素施用量為96 kg·hm-2，有機(jī)氮施用量為24 kg·hm-2，磷、鉀肥不足部分用過磷酸鈣和氯化鉀補(bǔ)齊。有機(jī)肥及化學(xué)磷肥作基肥一次性均勻施入田中；化學(xué)氮肥、鉀肥以總施用量的60%作基肥、40%作分蘗肥。

水稻種植密度為23 cm×24 cm，每穴2～3株秧苗，4月25日施入基肥，4月28日移栽，5月4日追肥，7月19日收獲。其中5月20—29日為烤田期，6月2日—7月5日為干濕交替，7月5日后自然落干，其余時(shí)間稻田處于淹水狀態(tài)。按常規(guī)生產(chǎn)管理，收獲后測(cè)定各小區(qū)水稻籽粒產(chǎn)量。

1.4 氣體采集與分析

溫室氣體采集及測(cè)定采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法。采樣箱為不銹鋼材料（55 cm×55 cm×100 cm），外覆隔熱泡沫板以防止采樣期間箱內(nèi)溫度變化過大。采樣箱底座尺寸為55 cm×55 cm×15 cm，每小區(qū)分配一個(gè)底座并長期埋于田間；每個(gè)底座內(nèi)有9株水稻植株。采樣時(shí)保證凹槽有水密封，箱體頂部安置一個(gè)12 V小風(fēng)扇以充分混合箱內(nèi)氣體，每次采樣時(shí)記錄箱內(nèi)溫度變化情況。水稻生育期內(nèi)每次施肥后的第1、2、3、5、7 d連續(xù)采樣，之后每隔7 d采樣一次，如遇下雨天則采樣日期向后順延。采樣時(shí)間為早上8：00—11：00，在扣上采樣箱后的第0、15、30 min用手持抽氣泵采集100 mL氣體收集于鋁箔采樣袋中，密封恒溫保存。CH4、N2O、CO2濃度采用氣相色譜（Clarus 580）同步測(cè)定，其中CH4、CO2用FID檢測(cè)器測(cè)定，N2O用ECD檢測(cè)器測(cè)定。各種氣體的排放通量及累積排放通量的計(jì)算公式[8]如下：

式中：F為氣體排放通量，mg·m-2·h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度，kg·m-3；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；273為氣態(tài)方程常數(shù)；T為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫，℃。

式中：C為累積排放通量，mg·m-2；F為溫室氣體排放通量；i為第幾次監(jiān)測(cè)；ti+1-ti為兩次監(jiān)測(cè)間隔的時(shí)間，d；n為監(jiān)測(cè)的總次數(shù)。

趙仙童挨扇，呆愣片刻尖叫起來，說你違反規(guī)則了，你不能還手的，你再自抽兩個(gè)嘴巴。磚子又自抽兩巴掌，苦著臉說，我不是有心打你的，我不知道手怎么會(huì)爬到你臉上，我可能控制不住自己的手了，我的手好像告訴我，再不還手，我能被逼瘋了。磚子接著解釋說，我不是說我這個(gè)人被逼瘋，我是說手能被逼瘋，我怎么控制不了自己的手呢。磚子愈加可憐地說，仙童，我的手不聽話，要不你剁了它，我禁止它生你的氣，它敢生氣，我拿它喂狗。

根據(jù)100 a尺度范圍內(nèi)CH4和N2O的全球增溫潛勢(shì)分別為CO2的25倍和298倍，計(jì)算不同處理稻田排放 CH4、CO2和 N2O 的全球增溫潛勢(shì)（GWP，kg CO2·hm-2）及溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI，即單位產(chǎn)量的GWP，kg CO2·kg-1），綜合評(píng)價(jià)稻田排放3種溫室氣體產(chǎn)生溫室效應(yīng)的總和。具體計(jì)算公式（IPCC，2007）如下：

式中：Y為單位面積水稻產(chǎn)量，kg·hm-2。

圖1 早稻季稻田CH4排放通量動(dòng)態(tài)變化Figure1 CH4emission during rice growth period of early rice fields

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用Microsoft excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算及圖表繪制，利用SPSS 21.0對(duì)不同施肥處理間稻田溫室氣體排放通量的差異顯著性進(jìn)行單因素方差分析，多重比較采用Duncan法。圖表中不同小寫字母表示差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），不同大寫字母表示差異達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。

2 結(jié)果與分析

2.1 早稻季CH4排放通量的變化特征

早稻田CH4排放通量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律如圖1所示。不同施肥處理CH4排放通量整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，動(dòng)態(tài)變化主要出現(xiàn)在移栽后25 d內(nèi)，且各化肥減量配施有機(jī)肥處理均在追肥后出現(xiàn)CH4排放高峰。進(jìn)入曬田期后CH4排放通量顯著下降，其平均排放通量較淹水期降低了78.2%左右。曬田結(jié)束后，田間復(fù)水，但CH4排放通量仍處于較低水平，直至水稻成熟。不同施肥處理CH4排放通量在前期差異明顯，且施入有機(jī)肥的處理明顯高于純化肥處理，其中PF處理在水稻移栽14 d時(shí)CH4排放通量出現(xiàn)峰值，為114.0 mg·m-2·h-1。同時(shí)，整個(gè)早稻季PF處理平均排放通量也最大，達(dá)到了 39.61 mg·m-2·h-1，其次是 BF處理為14.96 mg·m-2·h-1，而CF、DF、GF、WN處理分別為10.40、11.76、12.33、14.86 mg·m-2·h-1。與常規(guī)化肥處理相比，配施有機(jī)肥會(huì)促進(jìn)稻田CH4排放，且排放通量的大小和有機(jī)肥種類有較大關(guān)系。

2.2 早稻季CO2排放通量的動(dòng)態(tài)變化特征

由圖2可知，不同施肥措施下早稻季CO2的排放特征整體呈逐漸增高的趨勢(shì)，水稻移栽直至分蘗期追肥后各處理CO2排放通量較小，變化幅度僅在48.6～195.9 mg·m-2·h-1之間；移栽后25 d開始緩慢上升，直至58 d前后達(dá)到了早稻季CO2排放通量的最高峰，且各處理動(dòng)態(tài)變化特征較為一致。其中，PF處理CO2排放通量一直處于較高水平，波動(dòng)范圍在135.7～1 162.7 mg·m-2·h-1之間。各處理CO2平均排放通量大小順序依次為PF＞BF＞DF＞CF＞GF＞W(wǎng)N。除PF處理外，其余配施有機(jī)肥處理早稻季CO2平均排放通量較CF處理差異不顯著，但均表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)變化特征，變化范圍在-2.54%～7.82%之間。

2.3 早稻季N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化特征

由圖3可知，整個(gè)早稻生長季N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化特征不同于CH4和CO2。在稻田進(jìn)入曬田期后各處理均出現(xiàn)排放高峰，隨后逐漸下降直至趨于平緩。WN處理N2O平均排放通量最低，僅為1.08 mg·m-2·h-1；PF、DF處理N2O平均排放通量較CF處理分別下降了9.53%和15.57%，而GF、BF處理較CF處理分別增加了2.04%和0.51%。各處理N2O平均排放通量大小順序依次為 GF＞BF＞CF＞PF＞DF＞W(wǎng)N，可見氮肥的施入增加了稻田N2O的平均排放量，而有機(jī)肥對(duì)其的影響因種類不同而規(guī)律不同。

圖2 早稻季稻田CO2排放通量動(dòng)態(tài)變化Figure2 CO2emission during rice growth period of early rice fields

圖3 早稻季N2O排放通量動(dòng)態(tài)變化Figure3 N2O emission during rice growth period of early rice fields

2.4 早稻季CH4、CO2、N2O累積排放量

為進(jìn)一步明確不同化學(xué)減氮配施有機(jī)肥處理對(duì)早稻不同生育期稻田CH4、CO2和N2O排放量的影響，將早稻生長期劃分為秧苗移栽至有效分蘗末期（Ⅰ）、有效分蘗末期至拔節(jié)期（Ⅱ）、拔節(jié)期至抽穗期（Ⅲ）、抽穗期至成熟期（Ⅳ）4個(gè)生長階段，比較早稻各生育階段不同處理間CH4、CO2和N2O累積排放量的差異，見圖4。

由圖4A可以看出，稻田CH4排放主要集中在水稻有效分蘗末期至拔節(jié)期，占水稻全生育期CH4累積排放量的40.3%～59.1%，其次是水稻秧苗移栽至有效分蘗末期及拔節(jié)期至抽穗期，占水稻全生育期的比例為33.7%～40.8%，而水稻抽穗期至成熟期CH4累積排放量則相對(duì)較小，占水稻全生育期的10.0%左右；其中PF處理在水稻抽穗期前各生長階段CH4累積排放量較其余處理均處于較高水平，而DF處理雖促進(jìn)了稻田CH4的排放，但較CF而言在早稻季各生長階段的差異并不顯著。從圖4B看出稻田CO2排放主要集中在水稻抽穗期至成熟期，占水稻全生育期的比例為47.4%～63.0%，而水稻秧苗期至分蘗末期CO2累積排放量較小，只占總排放量的5.53%～8.15%，且各處理僅在水稻抽穗期至成熟期CO2累積排放量間的差異達(dá)到了顯著性水平。圖4C為各階段稻田N2O累積排放量，N2O的排放主要在水稻生長的有效分蘗末期至拔節(jié)期及拔節(jié)期至抽穗期兩個(gè)階段，占水稻全生育期的69.57%～78.95%，即曬田期及干濕交替的水分落干期，且各處理間差異較大。

綜合考慮3種溫室氣體在早稻季全生育期的累積排放量（圖5），CO2為稻田排放的主要溫室氣體，占總排放量的比例高達(dá)96.23%～97.90%，配施有機(jī)肥處理均促進(jìn)了稻田CH4和CO2的排放，但僅PF處理CH4和CO2的累積排放量與WN、CF處理間的差異達(dá)到了顯著水平。而不同處理N2O的累積排放量因肥料的種類不同而有較大差別，表現(xiàn)為GF＞BF＞CF＞DF＞PF＞W(wǎng)N，其中PF、DF處理較CF處理分別下降了7.09%和4.90%。

圖4 早稻不同生育階段CH4、CO2和N2O的累積排放量Figure4 CH4，CO2and N2O cumulative emissions during rice growth period of early rice fields

2.5 早稻田溫室氣體的綜合溫室效應(yīng)

由表2可以看出，稻田N2O累積排放量雖少，但折算為CO2當(dāng)量后相對(duì)于CH4和CO2而言其對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)較大；其中以不施肥處理稻田綜合增溫潛勢(shì)最低，施用化肥或有機(jī)肥均可導(dǎo)致稻田排放氣體GWP值的增加，各處理的高低順序依次為PF＞BF＞GF＞DF＞CF＞W(wǎng)N。PF、BF、GF、DF處理的GWP值較CF處理分別增加了59.58%、23.22%、16.75%、5.00%。結(jié)合稻谷產(chǎn)量數(shù)據(jù)來看，配施有機(jī)肥各處理產(chǎn)量均高于CF處理，且以DF處理產(chǎn)量最高，較CF處理提高了12.10%。進(jìn)一步計(jì)算各處理的GHGI值，大小順序依次為PF＞BF＞GF＞CF＞W(wǎng)N＞DF，其中只有PF處理極顯著高于WN和CF處理，其他配施有機(jī)肥處理與CF處理間差異不顯著，尤其是DF處理與其余有機(jī)肥處理相比降幅最大。因此，化肥減量配施有機(jī)肥不僅可促進(jìn)稻谷產(chǎn)量的提高，而且不會(huì)造成溫室氣體排放強(qiáng)度的增加；尤其是DF處理的溫室氣體排放強(qiáng)度最低。

圖5 早稻生長季CH4、CO2和N2O的累積排放量Figure5 CH4，CO2and N2O cumulative emissions of early rice fields

表2 稻田綜合增溫潛勢(shì)和溫室氣體排放強(qiáng)度Table2 Warming potential and greenhouse gas intensity of rice season

3 討論

稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4、CO2和N2O的排放受肥料種類、水分管理等農(nóng)業(yè)管理措施的復(fù)雜影響，是土壤、水稻及溫度等其他環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。

CH4的產(chǎn)生是嚴(yán)格厭氧條件下產(chǎn)CH4細(xì)菌作用于產(chǎn)CH4底物的結(jié)果，本試驗(yàn)中，各處理在稻田淹水、施肥后均出現(xiàn)明顯的CH4排放峰，后期逐漸降低并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)榈咎镅退笸寥捞幱趨捬醐h(huán)境，從而促進(jìn)了CH4產(chǎn)生，但土壤中高濃度CH4又促進(jìn)了甲烷氧化菌的生長，使滯留在土壤中尚未排放的CH4被氧化，所以后期的排放量降低[9]。從CH4累積排放量可以看出，與常規(guī)施肥相比，有機(jī)肥的施入促進(jìn)了早稻田CH4的排放，與多數(shù)研究結(jié)果一致，其主要原因是有機(jī)肥不僅為產(chǎn)甲烷菌提供豐富的產(chǎn)CH4基質(zhì)，還進(jìn)一步降低了土壤的氧化還原電位，有利于CH4的大量產(chǎn)生[10-12]。試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，各配施有機(jī)肥處理雖促進(jìn)了早稻田CH4的排放，但與常規(guī)施肥相比，僅化肥減量配施鮮豬糞處理的CH4累積排放量的增加達(dá)到了5%顯著性水平。說明適宜的配施有機(jī)肥措施不會(huì)造成稻田CH4排放顯著增加。

稻田CO2的排放由土壤呼吸和水稻植株呼吸兩部分構(gòu)成，其排放通量主要由植株生長階段、環(huán)境溫度等條件綜合決定。水稻移栽初期，植株幼小、呼吸作用較弱；隨著水稻生長的進(jìn)行，尤其是進(jìn)入拔節(jié)期后，整個(gè)系統(tǒng)的呼吸作用明顯增強(qiáng)，故CO2排放通量也逐漸升高。但與其他研究結(jié)果相比，本試驗(yàn)中稻田CO2排放高峰出現(xiàn)較晚，這可能是水稻移栽后45 d遭遇連續(xù)強(qiáng)降雨引起的環(huán)境溫度降低及早稻生長受限所導(dǎo)致的[13]。施用化肥或配施有機(jī)肥均促進(jìn)了稻田CO2的排放，這與劉紅江、李成芳等的研究結(jié)果相同[14-15]，其原因可能是與施肥影響了稻株生長活力及土壤微生物活性有關(guān)[16-17]。尤其是有機(jī)肥的施用，增加土壤碳源的同時(shí)促進(jìn)了土壤有效氮素的積累，進(jìn)而促進(jìn)了土壤微生物活性的提高和水稻植株的生長，從而增加了稻田CO2的排放[18]。

N2O是土壤硝化、反硝化過程的中間產(chǎn)物，其排放動(dòng)態(tài)主要受到施肥和土壤水分狀況等因素的影響。從早稻田N2O排放通量的變化規(guī)律可以看出，各處理在水稻曬田期出現(xiàn)N2O的排放峰值，這是因?yàn)樵诘咎锾幱谘退疇顟B(tài)時(shí)，土壤的低氧和厭氧狀態(tài)使好氧的硝化作用受到抑制，且水層阻礙了N2O向大氣擴(kuò)散，同時(shí)更有利于反硝化作用中產(chǎn)生的N2O徹底還原為N2[19-20]，中期排水曬田時(shí)土壤轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒鯛顟B(tài)，促進(jìn)了硝化過程的進(jìn)行，也抑制了反硝化作用中N2O還原為最終產(chǎn)物N2，故出現(xiàn)了N2O排放高峰；但一周后隨著稻田復(fù)水，N2O排放再次降低并趨于穩(wěn)定。從早稻田N2O累積排放量可以看出，施用新鮮豬糞和豬糞堆肥處理N2O排放低于常規(guī)施肥處理。施用有機(jī)肥影響稻田N2O排放的作用機(jī)制可能主要有以下兩個(gè)方面：一是有機(jī)物料的分解進(jìn)一步消耗土壤中的氧氣，從而減少了N2O的產(chǎn)生[21]；二是有機(jī)肥的施用給土壤輸入了豐富的有機(jī)碳源，在腐解過程中會(huì)對(duì)氧化亞氮還原酶活性產(chǎn)生影響，C/N升高后，碳源相對(duì)“過剩”，可能會(huì)消耗部分NO-3作為氮源，進(jìn)而使反硝化作用中的電子受體NO-3相對(duì)減少，從而還原產(chǎn)生的N2O量減少[22-24]。因此，合理選擇有機(jī)肥種類可有效降低施肥對(duì)稻田土壤N2O排放帶來的不利影響，但硝化作用與反硝化作用共同作用下的N2O排放過程是極其復(fù)雜的，還值得進(jìn)一步深入研究。

綜上所述，與常規(guī)化肥處理相比，配施有機(jī)肥會(huì)增加CH4、CO2的排放量，但可以降低稻田N2O的排放量。要衡量不同施肥措施下稻田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放對(duì)溫室效應(yīng)的作用還需綜合考慮這3種主要溫室氣體的整體作用。各處理稻田排放溫室氣體的增溫潛勢(shì)（GWP）及溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）的計(jì)算結(jié)果表明配施有機(jī)肥可導(dǎo)致GWP的增加，但也帶來了明顯的增產(chǎn)效果，因此并不一定造成GHGI值的提高。其中，配施豬糞堆肥（DF）處理增產(chǎn)效果最明顯，GWP與GHGI值的降低幅度最大。因此，應(yīng)加強(qiáng)堆肥技術(shù)的研究，使優(yōu)質(zhì)堆肥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，這將會(huì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)（農(nóng)業(yè)增產(chǎn)）與環(huán)境（消納畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢棄物、減輕糞污引發(fā)的農(nóng)業(yè)面源污染、減排溫室氣體）效益的雙贏。

4 結(jié)論

（1）化肥減量配施有機(jī)肥會(huì)增加稻田CH4、CO2的排放，僅配施新鮮豬糞處理的CH4累積排放量較常規(guī)施肥處理間差異達(dá)到了顯著水平；其余配施有機(jī)肥處理的CH4和CO2累積排放量較常規(guī)施肥處理無顯著差異。

（2）有機(jī)肥對(duì)N2O排放的影響因有機(jī)肥的種類不同而不同，化肥減量配施紫云英綠肥明顯增加N2O的排放，配施新鮮豬糞和配施豬糞堆肥則降低N2O的排放。

（3）綜合考慮CH4、CO2和N2O的全球增溫潛勢(shì)及不同施肥措施下稻田溫室氣體排放強(qiáng)度，化肥減量配施豬糞堆肥在促進(jìn)早稻增產(chǎn)的同時(shí)降低了稻田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放強(qiáng)度，是本試驗(yàn)中較為合理的施肥措施。