川中丘陵區(qū)覆膜再生稻田N2O排放規(guī)律研究

宋開付，于海洋，張廣斌，徐 華，呂世華，馬 靜*

（1.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.農(nóng)業(yè)部西南山地農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，成都 610066）

全球氣候變暖是世人給予廣泛關(guān)注的全球性環(huán)境問題之一，導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體濃度在大氣中不斷地增長也越來越受到重視。N2O是一種重要的溫室氣體，它不僅可以使全球氣溫升高，還參與平流層中的光化學(xué)反應(yīng)，破壞臭氧層[1]。2016年大氣N2O濃度為0.33μL·L-1，是第一次工業(yè)革命前的122%[2]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)每年排放N2O（以N計(jì)）約410萬t，占總?cè)藶樵吹?9%[3]。早期的研究認(rèn)為稻田N2O排放量小[4]，但近期研究發(fā)現(xiàn)稻田N2O排放不可忽視[5]。我國是世界最主要的植稻國之一，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，我國水稻種植面積占世界的19%[6]，每年稻田N2O排放量約8.8萬t N[7]。正確評(píng)估稻田N2O排放量既能對(duì)未來氣候變化條件下進(jìn)一步研究全球變暖做好鋪墊，又能為溫室氣體減排措施的制定提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

再生稻是在單季稻基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種水稻耕作模式，它利用收割后稻樁上存活的休眠芽，在適宜的水、溫、光和養(yǎng)分等條件下，重新發(fā)苗抽穗，再收一季[8]。早在上世紀(jì)30年代，我國就有關(guān)于再生稻的研究報(bào)道[9]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國南方單季稻作區(qū)適宜種植再生稻的面積約330萬hm2，可比只種一季稻生產(chǎn)方式增產(chǎn)稻谷9.9×107t，其增產(chǎn)潛力巨大[10]。目前，四川省中稻蓄留再生稻面積就達(dá)25萬hm2左右，然而因干旱等自然災(zāi)害限制了再生稻蓄留面積的進(jìn)一步擴(kuò)大，并增加了其單產(chǎn)的不穩(wěn)定性。近年來，為應(yīng)對(duì)季節(jié)性干旱對(duì)水稻造成的嚴(yán)重影響，覆膜栽培技術(shù)已在川中丘陵區(qū)得到廣泛應(yīng)用，且增產(chǎn)效果顯著[11]。

研究表明[12]，熱量是影響再生稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要?dú)夂蛞蛩?，覆膜地? cm處土壤溫度日平均值比無膜地下5 cm處土壤溫度增高3.2～5.6℃。水稻覆膜栽培技術(shù)可以提高土壤溫度，預(yù)防中稻移栽早期的低溫冷害[13]。因此，水稻覆膜栽培有利于單季中稻（頭一季）在該地區(qū)蓄留再生稻（再生季），并可能實(shí)現(xiàn)它們的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。由于頭一季的生育期、施肥時(shí)間與施肥量均不同于傳統(tǒng)的單季稻和雙季稻，其稻田N2O排放規(guī)律也肯定會(huì)發(fā)生改變。目前，國際上有關(guān)單季稻和雙季稻的N2O排放研究已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[14-15]，但關(guān)于頭一季與再生季及全生育期的N2O排放通量觀測目前還嚴(yán)重缺乏。

本研究通過田間原位試驗(yàn)，觀測了水稻覆膜條件下川中丘陵區(qū)單季中稻及蓄留再生稻的N2O排放通量，討論了覆膜中稻蓄留再生稻N2O排放的季節(jié)變化規(guī)律，旨在探明其對(duì)稻田N2O排放的影響，為進(jìn)一步研究覆膜再生稻田N2O排放規(guī)律及尋求有效的N2O減排措施提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2017年稻季在四川省資陽市雁江區(qū)雁江鎮(zhèn)響水村（104°34′E，30°05′N）進(jìn)行。該地區(qū)年平均氣溫16.8℃，年平均降水量965.8 mm。試驗(yàn)土壤為侏羅紀(jì)遂寧組母質(zhì)發(fā)育紅棕紫泥，全碳含量為34.5 g·kg-1，全氮含量為2.8 g·kg-1，土壤pH為7.6。

供試水稻品種為旱優(yōu)73，試驗(yàn)共設(shè)2個(gè)處理，每個(gè)處理4次重復(fù):（1）覆膜單季中稻（SR）；（2）覆膜中稻-再生稻（SR-RR）。試驗(yàn)小區(qū)面積為32.75 m2（6.55 m×5 m），設(shè)4條廂面，5條廂溝。廂面寬1.45 m、長5 m，各廂溝長5 m、寬15 cm、深15 cm。SR處理所有肥料均作為基肥一次性均勻施于廂面上，水稻生長期間不進(jìn)行追肥，同時(shí)在廂面上均勻覆蓋0.004 mm厚超微薄膜，地膜緊貼廂面；SR-RR除施加基肥外，還需施用促芽肥和發(fā)苗肥。水稻移栽采用三角稀植，用特制的打孔器在膜上打孔[16]，行窩距為40 cm×40 cm，每窩以三角形方式栽3穴，每穴1苗，苗間距12 cm，移栽密度為18穴·m-2[12]。水稻生長期保持廂溝有水，廂面無水，用塑料軟管抽水進(jìn)行田間灌溉。SRRR處理頭季稻收獲后蓄留再生稻，留樁高度40 cm。各處理的育秧、移栽、收獲、施肥時(shí)間及施肥量見表1。

1.2 田間樣品采集

N2O樣品采集用靜態(tài)密閉箱法，箱體材料為不銹鋼。箱A包括中段箱和頂箱兩部分，高分別為60 cm和70 cm，底面積為40 cm×40 cm，中段箱頂部設(shè)有密封用水槽，用于水稻生長后期加層；箱B高70 cm，底面積為40 cm×10 cm。箱A放置于廂面正上方；箱B放置于廂溝。水稻生長期每隔4～7 d采一次樣，采樣時(shí)間為上午9:00—11:00。采樣前將密閉箱罩在預(yù)先埋入小區(qū)土壤中的不銹鋼底座（40 cm×40 cm×15 cm）上，底座頂端與廂面平齊（底座內(nèi)蓋有與底座同樣大小的地膜）。靜態(tài)箱密閉后用兩通針將氣體導(dǎo)入18 mL真空玻璃瓶中，每15 min采樣一次，共采樣4次。采集氣體的同時(shí)，測定箱溫和廂面下5 cm處土壤溫度。取廂面新鮮土樣于105℃烘干測定土壤質(zhì)量含水率。水稻成熟時(shí)，分別按試驗(yàn)小區(qū)收割、脫粒、晾曬、適當(dāng)篩除空秕粒并除水分后稱質(zhì)量，計(jì)算水稻產(chǎn)量。降雨量數(shù)據(jù)來自于四川省資陽市氣象局。

表1 水稻生長期的試驗(yàn)設(shè)置和作物管理Table 1 Experimental setup and crop management during the rice growing season

1.3 樣品分析

樣品N2O濃度用帶63Ni電子捕獲檢測器（ECD）的安捷倫氣相色譜（Agilent 7890B）測定，色譜柱為80/100目的Porapak Q填充柱，柱箱溫度60℃，載氣為95%氬氣+5%甲烷，尾吹氣流量5 mL·min-1，檢測器溫度300℃。N2O標(biāo)準(zhǔn)氣體由中國計(jì)量科學(xué)研究院提供。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)樣品N2O濃度與時(shí)間的關(guān)系變化曲線計(jì)算N2O排放通量。N2O排放通量的公式計(jì)算如下:

式中:F為N2O排放通量，μg·m-2·h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O-N密度，1.25 kg·m-3；V為采樣箱內(nèi)有效體積，m3；A為采樣箱覆蓋的土壤面積，m2；dc/dt為單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)N2O濃度的變化，μL·L-1·h-1；T為采樣箱內(nèi)平均溫度，K。

試驗(yàn)小區(qū)由廂面和廂溝構(gòu)成，通過箱A測得的氣體排放通量（FA）為廂面的氣體排放通量，通過箱B測得的氣體排放通量（FB）為廂溝的氣體排放通量，各處理的氣體排放通量（Fi）為廂面和廂溝的氣體排放通量與之對(duì)應(yīng)面積的加權(quán)平均[17]，即:

式中:SA、SB和S分別為試驗(yàn)小區(qū)廂面面積、廂溝面積和小區(qū)面積。

N2O排放通量用每次觀測的4個(gè)重復(fù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差表示，N2O季節(jié)排放量是將4個(gè)重復(fù)的每次觀測值按時(shí)間間隔加權(quán)平均后再平均。處理間比較4個(gè)重復(fù)的平均值進(jìn)行方差分析和多重比較。數(shù)據(jù)處理與分析均采用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量和土壤水分含量

水稻生長期的降雨量和土壤含水率的季節(jié)變化如圖1所示，水稻生長期的總降雨量為606 mm，日平均降雨量為3.08 mm；水稻生長期每個(gè)月都有一定量的降雨，其中4、5月份降雨量較少，為43 mm和32 mm，7、8月份降雨量分別是173 mm和149 mm。在水稻生長期內(nèi)最大土壤含水率為89.7%（5月1日），最小土壤含水率為52.3%（6月20日），水稻生長期平均含水率為68.9%。

2.2 稻田N2O排放

稻田N2O排放通量的季節(jié)變化如圖2a所示。N2O排放主要集中在肥料施入土壤后較短時(shí)間內(nèi)。SR處理N2O排放通量在水稻移栽后迅速上升，于5月5日達(dá)到排放最高峰613.7 μgN·m-2·h-1，然后在13 d內(nèi)下降到5.0 μgN·m-2·h-1，5月30日出現(xiàn)另一N2O排放峰，峰值為192.9 μgN·m-2·h-1；水稻生長后半期N2O排放在0～15.5 μgN·m-2·h-1范圍內(nèi)波動(dòng)。

SR-RR處理N2O排放通量的季節(jié)變化規(guī)律不同于SR處理。SR-RR處理N2O排放量主要集中在頭季稻抽穗成熟期和再生季。SR-RR處理水稻移栽后N2O排放通量逐漸上升，4月22日出現(xiàn)N2O排放高峰641.6μgN·m-2·h-1，略高于SR處理N2O排放最高峰，且排放高峰出現(xiàn)的時(shí)間較SR處理提前13 d；拔節(jié)孕穗期N2O排放通量僅在0～13.5 μgN·m-2·h-1范圍內(nèi)變化；抽穗成熟期于7月31日出現(xiàn)N2O排放高峰，峰值為943.0 μgN·m-2·h-1，SR處理拔節(jié)孕穗期和抽穗成熟期均未有N2O排放峰出現(xiàn)；頭季稻收割后3 d內(nèi)N2O排放通量迅速上升到1 630.7 μgN·m-2·h-1，此后N2O排放通量穩(wěn)定在0～7.4 μgN·m-2·h-1范圍直至再生季收割（圖2a）。

由表2可知，SR和SR-RR處理中稻季N2O排放量差異顯著（P＜0.05），SR-RR處理再生季N2O排放量占兩季總排放的42%，SR-RR處理兩季的N2O排放總量比SR處理的單季排放量高246%（P＜0.05）。

2.3 水稻產(chǎn)量及單位產(chǎn)量的N2O排放量

SR-RR處理中稻季稻谷產(chǎn)量與SR處理相當(dāng)（P＞0.05），分別為8.54 t·hm-2和8.52 t·hm-2，SR-RR處理再生季稻谷產(chǎn)量為1.89 t·hm-2，占兩季總產(chǎn)的18%，SRRR處理兩季稻谷總產(chǎn)量比SR處理高22%（P＜0.05），單位產(chǎn)量的N2O排放量增加184%（P＜0.05，表2）。

圖1水稻生長期降雨量和土壤含水率的季節(jié)變化Figure 1 Seasonal variation of precipitation and soil moisture content during rice growing period

2.4 土壤溫度與土壤水分含量對(duì)N2O排放的影響

圖2 b為水稻生長期廂面下5 cm處土壤溫度的季節(jié)變化。結(jié)果表明，全觀測期內(nèi)土壤溫度總體表現(xiàn)為先上升后下降。SR處理水稻生長期的土壤溫度在18.8～28.6℃范圍內(nèi)變化；SR-RR處理中稻季土壤溫度總體上呈上升趨勢(shì)，8月4日達(dá)到最高溫度為28.6℃，頭季稻收割時(shí)土壤溫度下降到26.4℃，再生季的前8 d，土壤溫度略微上升了2℃左右，之后迅速下降，后期的大部分時(shí)間保持在20℃左右，再生季收割時(shí)的土壤溫度約為19℃。SR處理水稻生長期的季節(jié)平均土溫為24.9℃，SR-RR處理中稻季和再生季的季節(jié)平均土溫分別為24.4℃和23.6℃。

相關(guān)分析表明（表3），SR處理N2O排放通量與廂面5 cm處土溫顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），SR-RR處理中稻季及再生季N2O排放通量與土溫均無顯著相關(guān)性（P＞0.05）。SR處理N2O排放通量與土壤含水率顯著正相關(guān)（P＜0.05），N2O排放通量隨著土壤含水率的增加而增大，SR-RR處理中稻季及再生季N2O排放通量與土壤含水率均無顯著相關(guān)性（P＞0.05）。

圖2 稻田N2O排放通量和土壤溫度的季節(jié)變化Figure 2 Seasonal variation of N2O fluxes and soil temperature in rice paddy field

表2 N2O排放量、水稻產(chǎn)量及單位產(chǎn)量的N2O排放量Table 2 Total N2O emissions，rice grain yield and N2O emissions per unit yield

表3 水稻生長期N2O排放通量與土壤溫度和土壤含水率的相關(guān)性系數(shù)Table 3 Correlation coefficients of N2O fluxes with soil temperature and soil moisture content during rice growing period

3 討論

土壤水分狀況是影響農(nóng)田N2O排放的重要因素之一[18-19]。硝化和反硝化作用被認(rèn)為是農(nóng)田土壤N2O排放的最重要途徑[20-21]。土壤水分狀況主要通過影響土壤通氣性、氧化還原電位、土壤微生物有效性及有效氮（NH+4、NO-3）分布等，從而影響硝化、反硝化過程，進(jìn)而對(duì)稻田N2O排放產(chǎn)生影響[22]。土壤水分含量的變化在一定程度上能反映出降雨量的多少，但從試驗(yàn)結(jié)果可以看出土壤水分含量的變化并未與降雨量的多少完全吻合，這可能與水稻在移栽和收獲時(shí)對(duì)土壤水分含量的變化比較敏感[23-24]，田間需水量較大有關(guān)。SR處理N2O排放通量隨著土壤含水率的增加而增大，顏曉元等[25]室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)也表明，當(dāng)土壤含水量小于田間持水量時(shí)，N2O排放通量與土壤含水量呈正相關(guān)，此時(shí)硝化作用是N2O的主要貢獻(xiàn)者。土壤含水量較少時(shí)，土壤處于充氧狀態(tài)，作為中間產(chǎn)物的N2O排放量較少，硝化作用占主導(dǎo)地位；隨著土壤水分含量的增加，形成的土壤厭氧環(huán)境逐漸增強(qiáng)，與硝化作用同時(shí)存在的反硝化作用速率加快，N2O產(chǎn)生量與排放量較多；當(dāng)土壤含水量繼續(xù)增加到土壤孔隙充滿水時(shí)，雖然反硝化作用進(jìn)一步加強(qiáng)，但生成的N2O向大氣中擴(kuò)散嚴(yán)重受阻，在土壤中有足夠的時(shí)間進(jìn)一步被還原為N2，N2O排放趨于減弱[26-28]。

土壤溫度是影響農(nóng)田N2O排放的另一重要因素，它主要通過控制土壤有機(jī)質(zhì)分解速率和微生物代謝有關(guān)的酶活性來調(diào)節(jié)土壤N2O釋放[29]。在一定溫度范圍內(nèi)，土壤N2O排放速率隨土壤溫度的升高而增加[30]，也有研究顯示[31-32]，N2O排放通量的季節(jié)變化與土壤溫度的關(guān)系不明顯，影響N2O排放的主要因素是土壤水分或養(yǎng)分狀況。本試驗(yàn)結(jié)果表明，SR處理N2O排放通量與土壤溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能是由于肥料施入土壤后一段時(shí)間土壤溫度降低造成的，此時(shí)肥料是影響N2O排放的主要因素，化學(xué)肥料的施用是導(dǎo)致高N2O排放的不可忽視的農(nóng)業(yè)措施[33]。

再生稻的種植改變了覆膜稻田中稻季的N2O排放規(guī)律（圖2a）。SR-RR處理的移栽時(shí)間比SR處理提前16 d（表1），其第一個(gè)N2O排放高峰出現(xiàn)的時(shí)間也相應(yīng)提前13 d（圖2a）。SR-RR處理在返青分蘗期（施肥后12 d）出現(xiàn)N2O排放高峰后，于抽穗成熟期（施肥后6 d）出現(xiàn)N2O排放最高峰，水稻移栽前的基肥和中稻季齊穗后促芽肥的施用導(dǎo)致中稻季稻田N2O大量排放。而SR處理在整個(gè)水稻生長期只有一個(gè)N2O排放高峰，該峰值與SR-RR處理在返青分蘗期的N2O排放峰值相當(dāng)，這與氮肥的用量密切相關(guān)?；瘜W(xué)氮肥是影響農(nóng)田N2O排放最重要的因素之一[34]，施用化學(xué)氮肥顯著增加土壤中NH+4、NO-3含量，繼而硝化作用和反硝化作用增強(qiáng)，促進(jìn)土壤N2O的產(chǎn)生與排放[34]。中稻季，SR-RR處理N2O排放最高峰為943.0μgN·m-2·h-1，SR處理N2O排放最高峰為613.7μgN·m-2·h-1。以往文獻(xiàn)報(bào)道[17，35-36]，覆膜稻田水稻生長期的N2O排放最高峰在100.6～1 310.7 μgN·m-2·h-1，本試驗(yàn)兩處理的N2O排放通量的季節(jié)變化仍在此范圍內(nèi)。然而，SR-RR處理中稻季N2O排放總量顯著高于SR處理，在基肥施用所引起的N2O排放峰值相當(dāng)?shù)那闆r下，中稻季齊穗后促芽肥的施用導(dǎo)致SR-RR處理N2O排放總量顯著增加。Gregorich等[37]指出農(nóng)田N2O排放量隨著氮肥施用量的增加呈線性增加。再生季，SR-RR處理于發(fā)苗肥施入稻田3 d后出現(xiàn)N2O排放最高峰1 630.7 μgN·m-2·h-1，排放高峰過后一直維持在較低水平至再生季收割。綜上可知，氮肥施入覆膜稻田3～12 d是硝化和反硝化作用的關(guān)鍵期，也是稻田N2O排放的高峰期?；瘜W(xué)氮肥施用仍是控制覆膜稻田N2O排放的最主要因素。

由于覆膜的增溫作用，再生稻可以提前移栽，避免了前期的坐蔸積溫問題，使原來不適合種植再生稻的地區(qū)成為了可能。有研究[38-39]指出，覆膜栽培明顯加快中稻-再生稻生育進(jìn)程，促使中稻季和再生季的成熟期提前，提高中稻-再生稻產(chǎn)量。本研究表明，與覆膜單季中稻相比，覆膜條件下種植再生稻，雖然增加了稻田N2O排放量和單位產(chǎn)量的N2O排放量，但它顯著提高了水稻產(chǎn)量，可以保證水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。在未來氣候變化條件下，進(jìn)一步考慮施用控釋肥或抑制劑以提高氮肥利用效率，減輕施肥對(duì)環(huán)境造成的污染，減少覆膜稻田N2O排放。

4 結(jié)論

（1）覆膜中稻-再生稻的中稻季有兩個(gè)明顯的N2O排放峰，基肥施入土壤出現(xiàn)N2O排放峰，比常規(guī)覆膜水稻提前13 d，最高排放峰出現(xiàn)在促芽肥施入稻田后，峰值為943.0 μgN·m-2·h-1；中稻季N2O排放總量為3.28 kgN·hm-2，比常規(guī)覆膜水稻N2O排放總量高（P＜0.05）。

（2）覆膜中稻-再生稻的再生季只有一個(gè)N2O排放峰，出現(xiàn)在8月13日，峰值為1 630.7 μgN·m-2·h-1，顯著高于中稻季的排放峰值；再生季N2O排放總量為2.35 kgN·hm-2，約占兩季排放總量的42%。

（3）覆膜中稻-再生稻的兩季N2O排放總量為5.63 kgN·hm-2，比常規(guī)覆膜水稻高246%（P＜0.05）。

（4）覆膜中稻-再生稻的兩季總產(chǎn)量為10.43 t·hm-2，比常規(guī)覆膜水稻增產(chǎn)22%（P＜0.05）；單位產(chǎn)量的N2O排放量為0.54 kgN·t-1，比常規(guī)覆膜水稻增加184%（P＜0.05）。覆膜條件下種植再生稻可保證水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，具有一定推廣應(yīng)用前景。