再生稻干濕交替灌溉與根區(qū)分層施氮減少溫室氣體排放

丁紫娟，徐洲，田應(yīng)兵，劉凱文，張丁月，朱建強(qiáng)，侯俊,2*

再生稻干濕交替灌溉與根區(qū)分層施氮減少溫室氣體排放

丁紫娟1，徐洲1，田應(yīng)兵1，劉凱文1，張丁月1，朱建強(qiáng)1，侯俊1,2*

（1.長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院/濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025；2.安徽六國(guó)化工股份有限公司，安徽 銅陵 244023）

【】探明再生稻優(yōu)化灌溉與根區(qū)分層施氮下溫室氣體排放與產(chǎn)量的綜合響應(yīng)?；陟o態(tài)暗箱–氣相色譜法對(duì)再生稻進(jìn)行溫室氣體排放的田間原位觀測(cè)，設(shè)置2種灌溉模式（常規(guī)灌溉和干濕交替灌溉）和5個(gè)施肥處理（不施氮，CK；農(nóng)民常規(guī)分次施氮，F(xiàn)FP；一次性根區(qū)5cm淺施控釋尿素，RF1；一次性根區(qū)10 cm深施控釋尿素，RF2；一次性根區(qū)5 cm和10 cm分層施控釋尿素，RF3），研究了再生稻優(yōu)化灌溉與根區(qū)分層施氮對(duì)溫室氣體排放和產(chǎn)量的綜合影響。①常規(guī)灌溉模式下，RF1、RF2處理和RF3處理在全生育期的CH4、N2O和CO2排放量比FFP處理分別降低了49%～76%、55%～81%和57%～69%（<0.05），干濕交替模式下CH4、N2O和CO2排放量比FFP處理分別降低了52%～77%、52%～73%和 61%～75%（<0.05）。②3種溫室氣體所引起的GWP（以CO2計(jì)，kg/hm2），干濕交替下FFP、RF1、RF2處理和RF3處理的GWP量與常規(guī)灌溉相比分別降低了3%、10%、13%和11%（<0.05）。③2種灌溉模式下RF3處理再生稻產(chǎn)量較FFP處理分別顯著提高了7%和11%。再生稻根區(qū)分層施用控釋尿素在提高產(chǎn)量的同時(shí)對(duì)溫室氣體具有減排作用，而且干濕交替模式節(jié)水、增加再生稻產(chǎn)量，也具有一定的減排作用，因此分層施氮與干濕交替協(xié)同是實(shí)現(xiàn)再生稻種植的輕簡(jiǎn)化操作的可行措施。

再生稻；灌溉模式；根區(qū)施肥；溫室氣體；全球增溫潛勢(shì)（GWP）

0 引 言

【研究意義】CH4、N2O和CO2是3種典型的溫室氣體[1]，據(jù)FAO報(bào)道每年全球水稻種植區(qū)的土壤溫室氣體排放量超過525 Tg CO2-eq，中國(guó)的水稻種植每年產(chǎn)生的溫室氣體排放量也很高，超過111 Tg CO2-eq[2]。大量的溫室氣體排放使得全球變暖的形勢(shì)加劇，稻田作為溫室氣體的重要排放源，降低稻田溫室氣體的排放已成為重要的研究課題[3]。

【研究進(jìn)展】施肥是影響稻田溫室氣體排放的重要因素，合理施肥也是保證水稻產(chǎn)量的重要措施，但農(nóng)民的常規(guī)表面撒施會(huì)導(dǎo)致肥料利用率低，最終進(jìn)入大氣造成了一系列的環(huán)境問題，例如，Schütz等[4]試驗(yàn)顯示，肥料表面施用后CH4排放量明顯增加；Yano等[5]研究表明，灌溉前施用氮肥增加了N2O的排放量。再生稻是在頭季稻收割后，利用稻樁腋芽分化，重新生長(zhǎng)再收獲一季的水稻。再生稻具有生育期長(zhǎng)、省時(shí)、省工等特點(diǎn)，其水肥管理有別于一季稻和雙季稻[6]。根區(qū)一次性施肥通過提高根區(qū)高濃度養(yǎng)分能達(dá)到養(yǎng)分與作物吸收和利用的相對(duì)平衡[7]，促進(jìn)了輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)。然而，再生稻生育時(shí)期長(zhǎng)達(dá)180 d，普通的尿素不能滿足水稻全生育期氮素需要，因此再生稻根區(qū)施肥需要氮肥品種的優(yōu)化。氮肥施入水稻根系周圍，土壤局部養(yǎng)分濃度過高對(duì)水稻前期幼苗存在高濃度毒害風(fēng)險(xiǎn)，根區(qū)施肥要避免高濃度氮素的燒苗[8]，而控釋尿素能持續(xù)提供氮素，既保證再生稻的長(zhǎng)生育期的吸收利用[9]，也能通過持續(xù)的養(yǎng)分釋放控制氮素濃度不至于過高而造成燒根。此外，根區(qū)的最佳深度的判斷有爭(zhēng)議，劉曉偉等[7]認(rèn)為中稻根區(qū)最佳施肥深度為10 cm；Wu等[10]認(rèn)為根區(qū)側(cè)5 cm條件下深12 cm的氮效率與深7 cm相比在早稻上差異不顯著，而在晚稻上前者比后者顯著提高27%。因此施肥深度要與水稻根系相適應(yīng)。

水分管理也是影響稻田溫室氣體排放的另一個(gè)關(guān)鍵因素，其中干濕交替灌溉對(duì)溫室氣體減排和作物產(chǎn)量提高具有顯著效果[11-12]。例如，袁偉玲等[13]研究表明，干濕交替灌溉能顯著降低稻田CH4排放量。傅志強(qiáng)等[14]研究表明，在相同的施氮水平下，干濕交替灌溉有利于溫室氣體減排和降低全球增溫潛勢(shì)，干濕交替灌溉下二季綜合降低了稻田溫室氣體增溫潛勢(shì)41%～54%?！厩腥朦c(diǎn)】目前，有關(guān)水分管理、施肥技術(shù)和二者結(jié)合對(duì)稻田溫室氣體排放的研究報(bào)道較多[14]，但關(guān)于根區(qū)分層施氮及其優(yōu)化灌溉對(duì)溫室氣體減排潛力的影響尚未報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，本試驗(yàn)以再生稻為對(duì)象，研究典型灌溉模式下根區(qū)分層施氮對(duì)溫室氣體排放的影響，以期為再生稻輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)及減少溫室氣體排放提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)描述

試驗(yàn)地位于荊州市長(zhǎng)江大學(xué)試驗(yàn)站（N30°23′46.68″，E112°29′7.71″），試驗(yàn)于2019年4月開始，該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒мr(nóng)業(yè)氣候帶。土壤為湖泊成因的偏黏性潴育型水稻土，耕作層土壤基本性狀為：土壤pH值6.27，土壤全氮1.26 g/kg、全磷0.51 g/kg、全鉀9.51 g/kg、堿解氮78.61 mg/kg、速效磷20.75 mg/kg、速效鉀95.51 mg/kg、有機(jī)質(zhì)為22.31 g/kg。試驗(yàn)期間當(dāng)?shù)氐娜掌骄鶜鉁睾腿战邓孔兓妶D1。最高溫出現(xiàn)在7月，為32.3 ℃；最低溫出現(xiàn)在4月，為12.2 ℃。試驗(yàn)期間降水量主要集中在5—7月，其中6月的降水量最多達(dá)到188.8 mm。

圖1 試驗(yàn)期間日平均氣溫和日降水量的變化

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共設(shè)5個(gè)處理：①對(duì)照（CK，不施氮）；②農(nóng)民常規(guī)分次施氮（FFP）；③一次性根區(qū)5 cm淺施控釋尿素（RF1）；④一次性根區(qū)10 cm深施控釋尿素（RF2）；⑤一次性根區(qū)5 cm和10 cm分層施控釋尿素（RF3）。設(shè)置2種典型水分管理模式分別為常規(guī)灌溉（CF）和干濕交替灌溉（AWD）。每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積25 m2（5 m×5 m），隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)間作25 cm 寬、15 cm高的田埂并覆蓋塑料薄膜防止串肥。農(nóng)民常規(guī)施肥處理先撒入基肥，然后灌水耙田插秧，頭季中稻施氮量為180 kg/hm2，其中40%作基肥（4月21日），30%作分蘗肥（5月9日），30%作穗肥（7月1日），頭季稻收獲期前（8月8日）和收獲后（8月20日）均施50 kg/hm2作為催芽肥和促苗肥。處理3、處理4和處理5中的控釋尿素采用樹脂包膜尿素（靜水25 ℃拋物線形曲線釋放，釋放期150 d，由國(guó)家緩/控釋肥工程技術(shù)研究中心提供）。根區(qū)淺施是偏水稻根系側(cè)5 cm、深5 cm一次性施氮；根區(qū)深施是偏水稻根系側(cè)5 cm、深10 cm一次性施氮；根區(qū)分層施是偏水稻根系側(cè)5 cm，且在深5 cm和深10 cm同時(shí)1次施氮，施氮量各50%。根區(qū)一次施肥采用穴施，步驟是：在無流動(dòng)水的小區(qū)插好秧苗后以水稻為交叉點(diǎn)，用內(nèi)徑2 cm的空心管在水稻行垂直方向二側(cè)各5 cm處，垂直壓入5 cm或10 cm或分層壓孔洞，將氮肥沿鋼管內(nèi)壁倒入底部，迅速取出鋼管并用泥漿將洞填實(shí)，保證施肥位置在水稻行的同一側(cè)，并且2個(gè)施肥點(diǎn)間的距離等同于水稻間距（18 cm）。除CK不施氮肥外，所有處理的頭季稻N、P2O5和K2O用量分別為280、150和180 kg/hm2，磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%），且所有磷鉀肥作為基肥插秧前1次施用。收獲期留茬高度30 cm。水稻品種為宜優(yōu)673（湖北種子公司提供），密度為22.2萬株/hm2（行間距30 cm×18 cm）。

2種典型水分管理模式是常規(guī)灌溉和干濕交替灌溉：①常規(guī)淹灌（CF），三葉一心期后始終保持田面水3～5 cm左右（控制水位）的淺水層，僅收獲前10 d自然落干以方便收獲，頭季和再生季的其他整個(gè)生育期不曬田；②干濕交替灌溉（AWD），再生稻整個(gè)生育期中，三葉一心期后將稻田一次性灌溉至田面水深30～50 mm，待其自然落干至表土以下100 mm左右（土壤質(zhì)量含水率為田間持水率的80%左右），再次灌溉至30～50 mm，如此循環(huán)，如遇降水過程，實(shí)時(shí)排水維持田面水深30～50 mm，水稻揚(yáng)花期，維持田面水深30～50 mm的1周。僅頭季和再生季的收獲前10 d自然落干。

表1 根區(qū)施控釋尿素方案

注 1）指頭季氮肥用量為180 kg/hm2，基肥、分蘗肥、穗肥比為40%∶30%∶30%，頭季稻收獲期前7～10 d和收獲后2 d分別施催芽肥和促苗肥50 kg/hm2；2）指除CK外，所有施肥處理移栽期施用，氮用量280 kg/hm2，其中根區(qū)分層施肥是指在側(cè)根5 cm深5 cm和深10 cm同時(shí)1次施氮，施氮量各140 kg/hm2。

1.3 氣體采集與分析

全生育期的CH4、N2O和CO2采用靜態(tài)暗箱法采集[15]。在采集氣體的同時(shí)用電子溫度計(jì)測(cè)量箱體內(nèi)外溫度。采樣頻次為每10天1次，每次采樣時(shí)間在09:00—11:00進(jìn)行，時(shí)長(zhǎng)約為30 min，間隔10 min采樣1次，共采集4個(gè)氣樣。氣樣采集完畢后帶回實(shí)驗(yàn)室于24 h內(nèi)分析完畢或保存在儲(chǔ)氣袋中，用氣相色譜儀（SHIMADZU GC-14B，日本島津）進(jìn)行分析。氣體的排放通量采用式（1）計(jì)算，并通過內(nèi)插累加法求得頭季、再生季和全生育期的CH4、N2O和CO2排放總量，計(jì)算式為：

式中：為溫室氣體的排放通量（mg/（m2·h））；為采樣頂箱高度（cm）；為采樣頂箱內(nèi)溫度（℃）；為采樣地區(qū)的大氣壓（Pa）；0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的大氣壓（Pa）；為被測(cè)氣體的密度（g/cm3）；dc/dt為采樣期間采樣箱內(nèi)氣體的濃度變化速率。排放通量為正表示排放，反之為吸收。

全球增溫潛勢(shì)[16]用于衡量對(duì)于CO2的輻射指數(shù)。的計(jì)算式為：

=?(CO2)+28·?(CH4)+265·?(N2O)，（2）

式中：?(CO2)為CO2的排放當(dāng)量（CO2-eq）；?(CH4)為CH4的排放量（kg）；?(N2O)為N2O的排放量（kg）。

1.4 產(chǎn)量測(cè)定

分別于頭季和再生季水稻成熟時(shí)，各小區(qū)單打單收，風(fēng)干計(jì)產(chǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2019進(jìn)行整理和作圖。采用 SPSS 18.0對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用LSD比較各處理間的差異顯著性（<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 CH4排放通量

CH4排放通量如圖2所示（圖中虛線表示頭季水稻的收獲時(shí)間，下同）。從圖2（a）可以看出，與CK相比，F(xiàn)FP處理的CH4排放通量均有不同程度的增加。與FFP處理相比，根區(qū)施肥處理RF1、RF2和RF3的CH4排放通量均有不同程度的降低，RF1和RF2處理在5月20日出現(xiàn)1次排放峰值，排放通量分別為2.10和2.08 mg/(m2·h)；RF3處理則一直維持在較低水平，再生季之后（8月20日）穩(wěn)定維持較低水平。圖2（b）可知，AWD中CH4排放通量相比于CF沒有較大的峰值波動(dòng)，RF1和RF2處理在6月10日和30日均呈現(xiàn)雙峰型排放且接近于FFP；RF3處理僅在6月10日出現(xiàn)了1次小的排放峰值，排放通量為1.63 mg/(m2·h)，隨后3種根區(qū)施肥處理均逐漸降低。所有施肥處理在再生季（8月20日后）逐漸降低，隨后趨于平穩(wěn)。

圖2 不同處理CH4排放通量

2.2 N2O排放通量

N2O排放通量如圖3所示，從圖3（a）可以看出，F(xiàn)FP處理下N2O排放通量的變化趨勢(shì)與其他4種處理存在明顯差異。FFP處理呈明顯雙峰型排放，峰值分別出現(xiàn)在5月10日和7月20日，分別較CK增加了25%和20%。而RF2和RF3處理沒有明顯排放高峰。3種根區(qū)施肥處理在其他時(shí)期均保持相近且無較大的波動(dòng)。4種施肥處理在再生季（8月20日后）均保持穩(wěn)定并逐漸降低。圖3（b）中FFP處理只出現(xiàn)了1次排放高峰（7月20日），排放通量為46.73 μg/(m2·h)。3種根區(qū)施肥處理的全生育期N2O排放通量變化范圍比較穩(wěn)定且與CK接近，進(jìn)入再生季（8月20日后），所有處理的N2O開始下降且維持在較低水平。

圖3 不同處理N2O排放通量

2.3 CO2排放通量

CO2排放通量如圖4所示，不同處理均在頭季水稻分蘗期出現(xiàn)CO2排放峰值，圖4（a）和圖4（b）中RF1、RF2處理和RF3處理的排放通量分別是130.98～167.95 mg/(m2·h)和113.49～144.07 mg/(m2·h)分別比FFP處理減少10%～30%和23%～39%。隨后2種灌溉模式直到頭季收獲前都保持平穩(wěn)排放水平，F(xiàn)FP處理在再生季（8月20日后）明顯下降，隨后與其他處理接近后所有處理排放通量趨于0。

圖4 不同處理CO2排放通量

2.4 3種溫室氣體的累積凈排放量

表2為不同根區(qū)施肥與灌溉模式下3種溫室氣體的累積凈排放量。對(duì)于CH4而言，2種灌溉模式的排放均表現(xiàn)為FFP處理>RF1處理>RF2處理>RF3處理>CK，AWD模式下5種處理的排放量與CF模式相比均不同程度降低了9%～27%；不同施肥和灌溉模式下N2O的累積凈排放量較小，僅為微弱的排放源，5種施肥處理間在頭季、再生季和全生育期均存在顯著性差異（<0.05）。CO2表現(xiàn)為較強(qiáng)的排放源，排放量主要集中在頭季，與FFP處理相比，CF模式下CK、RF1、RF2處理和RF3處理在全生育期CO2凈排放量分別顯著降低了57%～86%；在AWD模式下，分別顯著降低了61%～83%。

2.5 再生稻產(chǎn)量及3種溫室氣體的全球增溫潛勢(shì)GWP

表3為不同根區(qū)施肥與灌溉模式下再生稻產(chǎn)量及生育期內(nèi)3種溫室氣體的全球增溫潛勢(shì)。在頭季的CF模式下，施肥FFP、RF1、RF2、RF3處理較CK增產(chǎn)43%～57%，3種根區(qū)施控釋尿素較FFP處理增產(chǎn)了1%～10%，且RF3處理顯著高于FFP處理，不同施肥處理的頭季產(chǎn)量表現(xiàn)為RF3處理>RF2處理>RF1處理>FFP處理>CK；再生季各施肥處理間無顯著性差異。在頭季的AWD模式下，F(xiàn)FP、RF1、RF2、RF3處理較CK增產(chǎn)了44%～64%，根區(qū)施肥RF2和RF3處理較FFP處理分別顯著提高了頭季產(chǎn)量10%和14%，再生季各施肥處理間無顯著性差異。與CF模式相比，AWD模式下各處理均提高了全生育期產(chǎn)量0.2%～6%。

表2 3種溫室氣體的累積凈排放量

注 1）CF是常規(guī)灌溉，AWD是干濕交替；2）同一列不同字母表示在5%水平上差異顯著，*表示相同施肥處理在不同灌溉模式CF和AWD之間5%水平上差異顯著（檢驗(yàn)），下同。

表3 再生稻產(chǎn)量及3種溫室氣體的全球增溫潛勢(shì)（GWP)

由表3可知，不同灌溉模式下不同施肥處理的在各生育期均差異顯著。相對(duì)于CF，全生育期常規(guī)施肥處理（FFP）和根區(qū)施肥處理（RF1、RF2處理和RF3處理）在AWD的均有所減小，其減幅為3%～13%。在CF模式下，全生育期CK、RF1、RF2處理和RF3處理分別比FFP處理降低了53%～87%，AWD模式下分別降低了56%～86%。這表明干濕交替灌溉對(duì)于根區(qū)施肥處理有一定的減排作用，相同灌溉條件下根區(qū)施肥處理與FFP處理相比均能減少，表現(xiàn)為FFP處理>RF1處理>RF2處理>RF3處理>CK。

3 討 論

3.1 不同根區(qū)施肥與灌溉模式對(duì)CH4排放的影響

農(nóng)業(yè)措施中施肥方式是影響溫室氣體排放的因素之一，Schütz等[4]在意大利的試驗(yàn)結(jié)果表明尿素施用對(duì)CH4排放的影響很大程度上取決于施肥方式，當(dāng)尿素深施時(shí)，農(nóng)田的CH4排放量明顯低于尿素的表面施用，這與本試驗(yàn)中的研究結(jié)果一致。肥料的施用方式能夠影響CH4的排放量，其原因可能是，稻田土壤中CH4的氧化發(fā)生在土壤與水的交界面以及水稻的根部氧化區(qū)域，與氮肥深施相比，氮肥的表面撒施產(chǎn)生的NH4+競(jìng)爭(zhēng)CH4的氧化導(dǎo)致CH4的排放增加[17]，反之則會(huì)減少。水稻為淺根系作物，根系集中分布于0～10 cm土壤中，研究證明[18]分層施肥能夠供應(yīng)水稻在不同時(shí)期對(duì)養(yǎng)分的需求，2層肥料處于5～10 cm的水平，氮肥施用位置遠(yuǎn)離水面，與大氣接觸機(jī)會(huì)少，進(jìn)而減少了NH4+向上揮發(fā)，從而增加CH4在水土界面的氧化作用，CH4排放也相應(yīng)減少?？蒯屇蛩厥潜狙芯恐杏绊憸厥覛怏w排放又一個(gè)因素，研究[3]結(jié)果顯示樹脂包膜控釋尿素減排效果最高為56.2%，控釋肥本身對(duì)CH4減排效果顯著，其主要原因是控釋肥能夠根據(jù)水稻的生長(zhǎng)需養(yǎng)量緩慢釋放氮素，NH4+量減小，其競(jìng)爭(zhēng)CH4的氧化作用也減小[17]，CH4的排放減小。

與CF模式相比，AWD模式下的CH4排放要相對(duì)平穩(wěn)且沒有較高的峰值。不同灌溉模式影響CH4排放[19]，其機(jī)理是水分影響土壤氧化還原電位，淹水模式可造成厭氧環(huán)境，CH4由CH4菌產(chǎn)生而來，而CH4菌需要在厭氧條件下生長(zhǎng)，淹水形成厭氧環(huán)境促進(jìn)CH4菌大量繁殖產(chǎn)生大量CH4。在干濕交替模式下，土壤表層經(jīng)常暴露在空氣中，土壤的氧化還原電位提高，破壞了產(chǎn)CH4菌的生長(zhǎng)環(huán)境，所以在此模式下CH4的排放量相對(duì)減少。

3.2 不同根區(qū)施肥與灌溉模式對(duì)N2O排放的影響

本試驗(yàn)中，CF模式下FFP處理在第1次施肥后和第3次施肥后出現(xiàn)了2次N2O的排放峰值；AWD模式下FFP處理也在第3次施肥后出現(xiàn)了1次排放峰值，這可能是由于速效氮肥的施用為硝化和反硝化作用提供了充足的底物，導(dǎo)致N2O的排放升高，此外，速效氮肥施用促使了根系分泌物增加，從而使微生物活性增強(qiáng)，最終導(dǎo)致N2O的排放明顯增加[5]。采用合理的施肥措施（施肥量、施肥方式和肥料類型等）是減少N2O排放的重要因素，李鑫等[20]研究顯示不同的施肥方式對(duì)N2O排放的影響差異較大，肥料深施土壤10 cm中N2O的排放量最小，而常規(guī)的表面撒施對(duì)N2O的排放量最大，這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果一致，其原因主要有3個(gè)：一是深施氮肥可使肥料在深層土壤中聚集，從而降低表層土壤中的氮質(zhì)量濃度，有效降低銨態(tài)氮向氨氣的轉(zhuǎn)化率和氮肥的硝化速率，二是根區(qū)施肥通過促進(jìn)植物吸收提高肥料利用率間接降低土壤中N2O的排放[21]，三是控釋尿素本身也能減少N2O的排放?？蒯屇蛩啬芫徛尫硼B(yǎng)分，NH4+和NO3?質(zhì)量濃度降低影響土壤硝化與反硝化作用，降低微生物活動(dòng)進(jìn)而達(dá)到了減排N2O的效果[22]。RF1、RF2和RF3處理為一次性施肥，沒有追肥增加，所以根區(qū)以外土壤中的NH4+和含NO3-量就可能比FFP處理低，當(dāng)土壤中的含氮量低時(shí)會(huì)影響土壤中生成N2、N2O和其他氮氧化物氣體，從而有效地減少了N2O的排放[23]。稻田土壤N2O排放主要集中在水分變化劇烈的階段[24]。本研究中AWD模式下的整體N2O排放趨勢(shì)與CF模式相近，這與成臣等[25]的結(jié)果類似。

3.3 不同根區(qū)施肥與灌溉模式對(duì)CO2排放的影響

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，施肥是影響土壤CO2排放的主要因素[26]。除了FFP處理有較大的排放峰值的趨勢(shì)外，其他施肥處理均維持在低水平甚至趨近于0，這是由于土壤中的氮轉(zhuǎn)化與碳轉(zhuǎn)化有著密切的聯(lián)系，氮肥的施用會(huì)影響碳的轉(zhuǎn)化途徑，氮肥的施用可能會(huì)促進(jìn)微生物對(duì)一氧化碳的利用，從而導(dǎo)致CO2的排放增加[27]。Snyder等[28]認(rèn)為施用氮肥主要通過兩種途徑來影響CO2的排放，一是直接為作物和微生物的生長(zhǎng)提供養(yǎng)分；二是通過施肥改變土壤pH值，改變微生物的活性以及有機(jī)質(zhì)的合成和分解，最終使CO2的排放量改變。所以肥料的類型、施用方式和施用量都是影響CO2排放的重要因素。研究表明，控釋氮肥能有效降低土壤的碳排放量[29]，而本研究中根區(qū)施肥條件下控釋尿素也能顯著降低CO2的排放量。

在本試驗(yàn)中2種灌溉模式下CO2排放量沒有明顯的差異。土壤有機(jī)碳量的礦化加速農(nóng)田CO2的排放，然而農(nóng)田CO2排放總量主要來自植物的光合和呼吸作用，頻繁的干濕交替由于降低土壤礦化量從而減少CO2排放量[29]，但本研究中植物的光合和呼吸作用的程度如何以及是否促進(jìn)CO2減排尚不清楚，因此，還需要深入研究。

3.4 不同根區(qū)施肥與灌溉模式對(duì)再生稻產(chǎn)量及3種溫室氣體全球增溫潛勢(shì)GWP的影響

施肥技術(shù)是提高水稻產(chǎn)量的重要途徑，本研究中與FFP處理相比，RF1、RF2、RF3處理均提高了再生稻頭季產(chǎn)量，且RF3處理與FFP處理相比差異顯著，RF2、RF3處理還提高了再生季產(chǎn)量，主要原因有2個(gè)方面，一是氮肥深施距離水稻根系更近，能直接為根系吸收，為水稻高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)；二是水稻苗期需要的氮素較少，氮肥深施能有效減少氮損失，從而達(dá)到作物養(yǎng)分吸收與肥料養(yǎng)分釋放的協(xié)同效應(yīng)，有利于提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率[7]。本研究中AWD模式與CF模式相比各處理均提高了再生稻全生育期產(chǎn)量，這與成臣等[25]的研究結(jié)果相似，這是由于稻田處于“干濕交替”的水分循環(huán)狀態(tài)能夠改善稻田土壤通透性，供氧充足，為水稻生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造了良好的生長(zhǎng)條件。CF和AWD模式下RF1、RF2、RF3處理與FFP處理相比在全生育期的分別降低53%～73%和56%～76%，這說明3種根區(qū)施肥處理均能夠有效降低，且AWD模式下降幅更大，王長(zhǎng)明等[30]研究也表明，與淹水灌溉相比，節(jié)水灌溉降低了稻田CH4和N2O綜合溫室效應(yīng)。

4 結(jié) 論

1）與常規(guī)施肥相比，常規(guī)灌溉和干濕交替灌溉條件下的根區(qū)分層施肥能顯著降低CH4、N2O和CO2的排放量及且降低幅度均表現(xiàn)為RF3處理>RF2處理>RF1處理，RF3處理分層施肥處理能夠顯著提高再生稻全生育期產(chǎn)量，因此根區(qū)施肥有利于溫室氣體減排，且根區(qū)分層施氮效果更佳。

2）與常規(guī)灌溉模式的根區(qū)分層施氮的CH4排放量相比，干濕交替灌溉明顯降低了CH4排放量，減小了全球增溫潛勢(shì)，且干濕交替灌溉能夠提高再生稻全生育期產(chǎn)量，因此，干濕交替灌溉水能在穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)使根區(qū)分層施氮達(dá)到一定的減排效果，二者結(jié)合有利于再生稻的可持續(xù)發(fā)展。

[1] KIEHL J T, TRENBERTH K E. Earth’s annual global mean energy budget[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1997, 78(2): 197-208.

[2] FAO (Food and Ariculture Organization of United Nations), 2019. http://www.fao.org/faostat/en/#data/GR/visualize

[3] 王斌, 李玉娥, 萬運(yùn)帆, 等. 控釋肥和添加劑對(duì)雙季稻溫室氣體排放影響和減排評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47(2): 314-323.

WANG Bin, LI Yu’e, WAN Yunfan, et al. Effect and assessment of controlled release fertilizer and additive treatments on greenhouse gases emission from a double rice field[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(2): 314-323.

[4] SCHüTZ H, HOLZAPFEL-PSCHORN A, CONRAD R, et al. A 3-year continuous record on the influence of daytime, season, and fertilizer treatment on methane emission rates from an Italian rice paddy[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1989, 94(13): 16 405-16 416.

[5] YANO M, TOYODA S, TOKIDA T, et al. Isotopomer analysis of production, consumption and soil-to-atmosphere emission processes of N2O at the beginning of paddy field irrigation[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 70: 66-78.

[6] 曹玉賢, 朱建強(qiáng), 侯俊. 中國(guó)再生稻的產(chǎn)量差及影響因素[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2020, 53(4): 706-719.

CAO Yuxian, ZHU Jianqiang, HOU Jun. Yield gap of ratoon rice and their influence factors in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(4): 706-719.

[7] 劉曉偉, 王火焰, 朱德進(jìn), 等. 氮肥施用方式對(duì)水稻產(chǎn)量以及氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收利用的影響[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 40(2): 203-210.

LIU Xiaowei, WANG Huoyan, ZHU Dejin, et al. Effect of N fertilization method on rice yield and N, P and K uptake and use efficiency[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2017, 40(2): 203-210.

[8] 史正軍, 樊小林, KLAUS D, 等. 根系局部供氮對(duì)水稻根系形態(tài)的影響及其機(jī)理[J]. 中國(guó)水稻科學(xué), 2005, 19(2): 147-152.

SHI Zhengjun, FAN Xiaolin, KLAUS D, et al. Effect of localized nitrogen supply on root morphology in rice and its mechanism[J]. Chinese Journal of Rice Science, 2005, 19(2): 147-152.

[9] GUO J M, WANG Y H, BLAYLOCK A D, et al. Mixture of controlled release and normal urea to optimize nitrogen management for high-yielding (>15 Mg ha-1) maize[J]. Field Crops Research, 2017, 204: 23-30.

[10] WU M, LIU M, LIU J, et al. Optimize nitrogen fertilization location in root-growing zone to increase grain yield and nitrogen use efficiency of transplanted rice in subtropical China[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2017, 16(9): 2 073-2 081.

[11] 劉杰云, 邱虎森, 張文正, 等. 節(jié)水灌溉對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2019, 38(6): 1-7.

LIU Jieyun, QIU Husen, ZHANG Wenzheng, et al. Response of greenhouse gas emissions to water-saving irrigation in croplands: A review[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(6): 1-7.

[12] 何軍, 何天楷, 張宇航, 等. 不同水肥處理水稻氮磷吸收利用及產(chǎn)量試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2020, 39(6): 67-72.

HE Jun, HE Tiankai, ZHANG Yuhang, et al. The combined effects of water and fertilizer applications on root uptake of N and P and yield of rice[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(6): 67-72.

[13] 袁偉玲, 曹湊貴, 程建平, 等. 間歇灌溉模式下稻田CH4和N2O排放及溫室效應(yīng)評(píng)估[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008, 41(12): 4 294-4 300.

YUAN Weiling, CAO Cougui, CHENG Jianping, et al. CH4and N2O emissions and their GWPs assessment in intermittent irrigation rice paddy field[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(12): 4 294-4 300.

[14] 傅志強(qiáng), 龍攀, 劉依依, 等. 水氮組合模式對(duì)雙季稻甲烷和氧化亞氮排放的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 2015, 36(9): 3 365-3 372.

FU Zhiqiang, LONG Pan, LIU Yiyi, et al. Effects of water and nitrogenous fertilizer coupling on CH4and N2O emission from double-season rice paddy field[J]. Environmental Science, 2015, 36(9): 3 365-3 372.

[15] WANG Y H, WANG Y S, LING H. A new carrier gas type for accurate measurement of N2O by GC-ECD[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2010, 27(6): 1 322-1 330.

[16] IPCC. Special report on emissions scenarios: a special report of working group Ⅲ of the intergovernmental panel on climate change[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.

[17] 馬靜, 徐華, 蔡祖聰. 施肥對(duì)稻田甲烷排放的影響[J]. 土壤, 2010, 42(2): 153-163.

MA Jing, XU Hua, CAI Zucong. Effect of fertilization on methane emissions from rice fields[J]. Soils, 2010, 42(2): 153-163.

[18] 孫浩燕. 施肥方式對(duì)水稻根系生長(zhǎng)、養(yǎng)分吸收及土壤養(yǎng)分分布的影響[D]. 武漢: 華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2015.

SUN Haoyan. Effects of fertilization methods on root growth, nutrition absorption of rice and soil nutrition distribution[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2015.

[19] CAI Zucong, KANG Guoding, XTSURUTA H, et al. Estimate of CH4emissions from year-round flooded rice fields during rice growing season in China[J]. Pedosphere, 2005, 15(1): 66-71.

[20] 李鑫, 巨曉棠, 張麗娟, 等. 不同施肥方式對(duì)土壤氨揮發(fā)和氧化亞氮排放的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 19(1): 99-104.

LI Xin, JU Xiaotang, ZHANG Lijuan, et al. Effects of different fertilization modes on soil ammonia volatilization and nitrous oxide emission[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(1): 99-104.

[21] 王火焰, 周健民. 根區(qū)施肥——提高肥料養(yǎng)分利用率和減少面源污染的關(guān)鍵和必需措施[J]. 土壤, 2013, 45(5): 785-790.

WANG Huoyan, ZHOU Jianmin. Root-zone fertilization—A key and necessary approach to improve fertilizer use efficiency and reduce non-point source pollution from the cropland[J]. Soils, 2013, 45(5): 785-790.

[22] 王學(xué)霞, 曹兵, 梁紅勝, 等. 控釋氮肥與水溶肥配施減少設(shè)施土壤N2O排放的機(jī)理[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2019, 25(12): 2 084-2 094.

WANG Xuexia, CAO Bing, LIANG Hongsheng, et al. Combined appilcation of controlled-release nitrogen fertilizer and water-soluble fertilizer to reduce N2O emission in greenhouse soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(12): 2 084-2 094.

[23] WU D M, DONG W X, OENEMA O, et al. N2O consumption by low-nitrogen soil and its regulation by water and oxygen[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 60: 165-172.

[24] 彭世彰, 侯會(huì)靜, 徐俊增, 等. 稻田CH4和N2O綜合排放對(duì)控制灌溉的響應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(13): 121-126.

PENG Shizhang, HOU Huijing, XU Junzeng, et al. CH4and N2O emissions response to controlled irrigation of paddy fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(13): 121-126.

[25] 成臣, 楊秀霞, 汪建軍, 等. 秸稈還田條件下灌溉方式對(duì)雙季稻產(chǎn)量及農(nóng)田溫室氣體排放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 37(1): 186-195.

CHENG Chen, YANG Xiuxia, WANG Jianjun, et al. Effect of different irrigation methods on rice yield and greenhouse gas emissions under crop residue incorporation in double rice-cropping systems[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(1): 186-195.

[26] ROYER I, ANGERS D A, CHANTIGNY M H, et al. Dissolved organic carbon in runoff and tile-drain water under corn and forage fertilized with hog manure[J]. Journal of Environmental Quality, 2007, 36(3): 855-863.

[27] SILVA C C, GUIDO M L, CEBALLOS J M, et al. Production of carbon dioxide and nitrous oxide in alkaline saline soil of Texcoco at different water contents amended with urea: A laboratory study[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40(7): 1 813-1 822.

[28] SNYDER C S, BRUULSEMA T W, JENSEN T L, et al. Review of greenhouse gas emissions from crop production systems and fertilizer management effects[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2009, 133(3/4): 247-266.

[29] BORKEN W, MATZNER E. Reappraisal of drying and wetting effects on C and N mineralization and fluxes in soils[J]. Global Change Biology, 2009, 15(4): 808-824.

[30] 王長(zhǎng)明, 張忠學(xué), 呂純波, 等. 不同灌溉模式寒地稻田CH4和N2O排放特征及增溫潛勢(shì)分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2019, 38(1): 14-20, 68.

WANG Changming, ZHANG Zhongxue, LYU Chunbo, et al. CH4and N2O emission from paddy field in cold region is impacted by irrigation methods[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(1): 14-20, 68.

Reducing Gas Emissions from Ratooning Rice Field Using Controlled Nitrogen Fertilization and Alternate Wetting-drying Irrigation

DING Zijuan1, XU Zhou1, TIAN Yingbing1, LIU Kaiwen1, ZHANG Dingyue1, ZHU Jianqiang1, HOU Jun1,2*

(1.College of Agriculture, Yangtze University, Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wet Land Ministry of Education, Jingzhou 434025, China; 2.Anhui Liuguo Chemical Co.LTD, Tongling 244023, China)

【】Rice field is an important source of greenhouse gases and how to reduce its gas emissions plays an important role in battling global warming. The aim of this paper is to investigate the feasibility and efficacy of using controlled nitrogen fertilization and irrigation management to reduce gas emissions from ratooning rice field.【】The experiment was conducted in a field using static chambers. In situ gas emissions were measured using gas chromatography. The experiment compared two irrigation methods: conventional irrigation and alternate wetting and drying irrigation, and five controlled nitrogen fertilizations: fertilization used by local farmers (FFP), applying the fertilizers in the root zone at the depth of 5 cm (RF1) and 10 cm (RF2) below the soil surface either separately, or in combination (RF3); no fertilization was taken as the control (CK). 【】Compared to FFP, controlled fertilization RF1, RF2 and RF3 reduced emissions of CH4, N2O and CO2by 49%～76%, 55%～81% and 57%～69% respectively (<0.05) under conventional irrigation, and by 52%～77%, 52%～73% and 61%～75% respectively (<0.05) under alternate wetting-drying irrigation. We also found that after changing to alternate wetting-drying irrigation, fertilization FFP, RF1, RF2 and RF3 reduced global warming potential by 3%, 10%, 13% and 11% (<0.05), respectively, compared with their associated potentials at conventional irrigation. Compared with FFP, controlled fertilization RF3 under conventional and alternate wetting-drying irrigation increased the yield of ratoon rice by 7% and 11%, both at significant level, respectively.【】Controlled nitrogen fertilization to the root zone not only reduces greenhouse gas emissions but also increases rice yield. Apart from saving water, changing from conventional irrigation to alternate wetting and drying irrigation increases yield and reduces greenhouse gas emissions, both at significant levels. Their combination can be used as an improved agronomic practice for ratooning rice production in south China.

ratoon rice; irrigation method; root-zone fertilization; gas emissions; greenhouse warming potential

S274.3；X144

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020288

1672 - 3317（2021）07 - 0051- 08

丁紫娟, 徐洲, 田應(yīng)兵, 等. 再生稻干濕交替灌溉與根區(qū)分層施氮減少溫室氣體排放[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(7): 51-58.

DING Zijuan, XU Zhou, TIAN Yingbing, et al. Reducing Gas Emissions from Ratooning Rice Field Using Controlled Nitrogen Fertilization and Alternate Wetting-drying Irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 51-58.

2020-05-30

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0300907）；長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶磷資源高效利用創(chuàng)新平臺(tái)開放基金；長(zhǎng)江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心開放基金項(xiàng)目（7011802408）；長(zhǎng)江大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（801180010149）

丁紫娟（1997-），女。碩士研究生，主要從事養(yǎng)分資源綜合管理研究。E-mail: 970917450@qq.com

侯?。?983-），講師，博士，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)水土資源利用研究。E-mail: houjungoodluck1@163.com

責(zé)任編輯：陸紅飛