秸稈還田下水氮耦合對黑土稻田CH4排放與產(chǎn)量的影響

張忠學(xué) 韓 羽 齊智娟 陳 鵬

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

0 引言

CH4是溫室氣體的重要組成部分，對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率達(dá)5%，僅次于CO2的60%[1]。農(nóng)業(yè)活動是CH4的重要排放來源，其中稻田CH4排放量占大氣總來源的8%～13%[2]。黑龍江省作為水稻種植大省，2018年全省水稻種植面積達(dá)378.4萬hm2，水稻產(chǎn)量2 685.5萬t，占全國水稻產(chǎn)量的12.7%，在糧食生產(chǎn)和保障國家糧食安全方面起到了舉足輕重的作用[3]。因此，對寒地黑土稻田進(jìn)行CH4的減排研究具有重要意義。

CH4是由產(chǎn)CH4菌在極度厭氧環(huán)境中分解有機(jī)物產(chǎn)生的一種有機(jī)氣體，改善土壤水分環(huán)境與調(diào)節(jié)氮肥施用量對CH4排放有著重要影響[4]。有研究[5-7]發(fā)現(xiàn)，節(jié)水灌溉不但可以改變根層土壤的水氣狀況、減少稻田CH4排放，還可以有效提高土壤氮素有效性，提高水稻對土壤氮素的吸收利用量，提高水分利用效率。施肥是保證水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的基礎(chǔ)[8]，但東北平原區(qū)農(nóng)民為追求高產(chǎn)而大量施用化肥，有的施氮量已高達(dá)300 kg/hm2，過量的氮肥投入導(dǎo)致土壤氮素大量累積，使氮肥利用率下降，并對環(huán)境造成污染[9]。使用秸稈還田代替部分化肥，不但可以緩解氮、磷、鉀的比例失調(diào)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)[10]，還能提高土壤通氣性、增加土壤有機(jī)質(zhì)、改良土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、增加土壤孔隙度、降低土壤容量，促進(jìn)土壤水肥氣熱平衡，提高微生物活力和促進(jìn)作物根系發(fā)育[11]。然而，秸稈腐解過程需要消耗一定的土壤氮素[12]，在秸稈還田而不配合水肥調(diào)控的情況下容易造成減產(chǎn)[13]。因此，在秸稈還田下尋求合理的水肥管理模式，既能充分利用黑土高肥力的優(yōu)勢來減少氮肥投入、提高氮肥利用效率，也能在保證高產(chǎn)的前提下達(dá)到CH4減排效果。

本文通過田間試驗(yàn)觀測秸稈還田水氮耦合下寒地黑土稻田CH4排放通量的變化規(guī)律、土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量變化、土壤氧化還原電位動態(tài)變化以及秸稈腐解率的變化，分析土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量、土壤氧化還原電位及秸稈腐解率對稻田CH4排放的影響，并結(jié)合產(chǎn)量綜合進(jìn)行減排效益分析，以期為秸稈還田下寒地黑土稻田的節(jié)水、減排、增產(chǎn)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年5—10月在黑龍江省慶安國家灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站進(jìn)行，該站位于綏化市慶安縣和平鎮(zhèn)(東經(jīng)127°40′，北緯46°58′)，為典型寒地黑土分布區(qū)，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫3℃，有效積溫2 300～2 500℃，多年平均降水量550 mm，多年平均水面蒸發(fā)量750 mm，太陽輻射量為4 000～4 300 MJ/(m2·a)。作物水熱生長期156～171 d，全年無霜期128 d。供試土壤為黑土，在本試驗(yàn)之前已進(jìn)行兩年的秸稈還田試驗(yàn)。泡田之前，對試驗(yàn)小區(qū)0～20 cm土層進(jìn)行5點(diǎn)對角取樣后混合，分析主要的土壤理化性質(zhì)：pH值6.40、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比41.80 g/kg、全氮質(zhì)量比1.51 g/kg、全磷質(zhì)量比15.61 g/kg、全鉀質(zhì)量比19.86 g/kg、堿解氮質(zhì)量比148.27 mg/kg、速效磷質(zhì)量比24.22 mg/kg、速效鉀質(zhì)量比156.13 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用控制灌溉(以下簡稱控灌，C)和常規(guī)淹灌(以下簡稱淹灌，F(xiàn))兩種水分管理模式，不同灌溉模式水分管理見表1。秸稈還田(S)還田量為6 t/hm2，水稻秸稈于秋季水稻收獲后，將秸稈切成6～7 cm碎段施入稻田，隨后經(jīng)翻耕作業(yè)將碎秸稈壓入15～20 cm土中，做到翻壓嚴(yán)、無立壟。設(shè)置4個氮肥水平：施氮量85(N1)、110(N2)、124(N3，常氮)、135 kg/hm2(N4)。設(shè)置常灌常氮(FSN3)為對照，以及FSN1、FSN2、FSN4、CSN1、CSN2、CSN3、CSN4共8個處理，每個處理3次重復(fù)，共計(jì)24個小區(qū)。每個小區(qū)面積為100 m2(10 m×10 m)。小區(qū)四周作隔滲處理，隔滲材料為塑料板和水泥埂，在小區(qū)中央離田埂0.5 m處預(yù)埋方形白鋼底座(50 cm×50 cm)，底座嵌入土壤5 cm深作為采樣點(diǎn)，用于放置人工采樣靜態(tài)箱。各小區(qū)單獨(dú)排灌，進(jìn)水用水表計(jì)量。

供試水稻品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N“綏粳18”，種植密度為30 cm×10 cm，每穴3株。供試化肥分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、氯化鉀(含K2O 60%)。各處理氮肥按照基肥、蘗肥、穗肥比例為4.5∶2∶3.5分施；各處理施用P2O545 kg/hm2，K2O 80 kg/hm2，鉀肥分基肥和8.5葉齡(幼穗分化期)兩次施用，前后比例為1∶1，磷肥作基肥一次施入。水稻于5月7日施基肥，5月15日插秧，6月6日施蘗肥，7月15日施穗肥；返青期為5月15日—6月6日，分蘗期為6月7日—7月8日，7月9—15日曬田，拔節(jié)期為7月16—22日，抽穗期為7月23日—8月13日，乳熟期為8月14—22日，黃熟期為8月23日—9月11日。水稻品種、育秧、移栽、植保及用藥等技術(shù)措施以及田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)作習(xí)慣相同。

1.3 觀測指標(biāo)與方法

1.3.1CH4的采集與測定

于2019年5—9月進(jìn)行田間CH4采集，于水稻移栽后每隔7 d采集氣體樣品，每次采取3個平行樣，生育旺盛階段加測，如遇強(qiáng)降雨天氣則推遲取樣時間。采用靜態(tài)箱法[14]取氣體樣品，靜態(tài)箱由5 mm厚的透明有機(jī)玻璃制成，箱體外部用錫紙密封隔溫。水稻生育前期箱體高度60 cm，生育后期箱體高度增加至110 cm。箱內(nèi)頂部安裝微型電風(fēng)扇及數(shù)字溫度計(jì)的溫度探頭，用來校正取樣過程中箱內(nèi)溫度升高引起的氣體質(zhì)量計(jì)算誤差。箱體側(cè)面接入采氣管，采氣管進(jìn)入箱內(nèi)25 cm，采氣管末端連接三通閥，分別連接采氣袋與注射器(50 mL)。每個處理分別在0、10、20、30 min各采集1次，每次以連續(xù)抽取2次作為1個氣體樣品，轉(zhuǎn)入釆氣袋內(nèi)。該試驗(yàn)站位于黑龍江省第四積溫帶，晝夜溫差較大，因此將采樣時間安排在10:00—14:00之間進(jìn)行，此時采樣最能代表當(dāng)日氣體排放平均水平[15]，氣體樣品采用氣相色譜儀(GC-2010Plus，日本)測定。

1.3.2土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的采集與測定

于水稻各個生育期末分別在各小區(qū)中部用稻田專用土鉆(PSS5030型)采用“Z”字法取5點(diǎn)0～20 cm土層田間土樣，充分混勻后立即帶回實(shí)驗(yàn)室測定。新鮮土壤樣品采用AA3型連續(xù)流動分析儀(Seal Analytical GmbH，德國)測定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，同時采用干燥法測定土壤含水率。

1.3.3土壤氧化還原電位的測定

采集氣體的同時用QX6530型智能便攜式氧化還原電位儀(中國科學(xué)院南京土壤研究所)觀測土壤氧化還原電位。測量時在小區(qū)內(nèi)用土鉆隨機(jī)取3點(diǎn)0～20 cm新鮮土樣，每次取出后迅速將電極插入土樣約2 cm，平衡5 min后，待儀器顯數(shù)穩(wěn)定時讀數(shù)。

1.3.4秸稈腐解率的測定

采用尼龍袋法，將2018年收獲的風(fēng)干稻草秸稈剪成5 cm長的小段共18 g，充分混合均勻后裝入尺寸為15 cm×20 cm尼龍袋并封口，將尼龍袋編號并記錄秸稈具體質(zhì)量。于秸稈還田小區(qū)內(nèi)隨機(jī)埋置尼龍袋，并作標(biāo)記，將尼龍袋垂直埋入，填土并壓實(shí)，尼龍袋上端與地表持平，與生產(chǎn)上秸稈混拌還田深度基本一致，深度約為15 cm。試驗(yàn)開始后于水稻每個生育階段末取出，洗去泥土用干燥法(洗干凈的秸稈放進(jìn)干燥箱，75℃下干燥24 h)測未分解秸稈質(zhì)量。

1.3.5產(chǎn)量及減排效益

水稻成熟期在每個小區(qū)取代表性5穴植株，風(fēng)干后考種；各小區(qū)除掉2行邊行，全部收獲曬干后稱量，同時用谷物水分測定儀(Kett PM-8188型，日本三久股份有限公司)測定稻谷含水率，并按14.5%標(biāo)準(zhǔn)含水率折算經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。綜合氮肥成本、產(chǎn)量收益以及CH4排放的碳信用計(jì)算各處理的減排效益。

1.4 計(jì)算方法

稻田CH4排放通量計(jì)算公式[16]為

(1)

式中F——CH4排放通量，mg/(m2·h)

ρ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4密度，取0.714 mg/m3

h——箱體有效高度，m

dC/dt——采樣過程中采樣箱內(nèi)氣體濃度變化率，mL/(m3·h)

T——采樣箱內(nèi)的平均溫度，℃

p——采樣箱內(nèi)氣壓

p0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

CH4累積排放量計(jì)算公式[17]為

(2)

式中Ec——CH4累積排放量，kg/m2

n——稻季觀測次數(shù)

Fi、Fi+1——第i次和第i+1次采氣時CH4排放通量，mg/(m2·h)

其中ti+1-ti為第i次和第i+1次采樣時間間隔，d。

秸稈腐解率計(jì)算公式[18]為

D=(M0-M1)/M0×100%

(3)

式中M0——試驗(yàn)前秸稈質(zhì)量，g

M1——?dú)堄嘟斩捹|(zhì)量，g

減排效益計(jì)算公式[19]為

R=A+CC-B

(4)

式中R——總收益，元/m2

A——水稻產(chǎn)量收益，按當(dāng)?shù)厮緝r格計(jì)算，元/m2

CC——碳信用，元/m2

B——氮肥成本，按當(dāng)?shù)貎r格計(jì)算，元/m2

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用WPS 2019和SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。均值之間的多重比較利用LSD法，統(tǒng)計(jì)顯著性假設(shè)為P=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田CH4排放通量的變化

淹灌與控灌模式下各處理CH4排放通量的季節(jié)變化如圖1所示，整個生育期內(nèi)不同灌溉模式下各處理CH4排放通量變化趨勢相似。返青期由于兩種灌溉模式皆為淹水，各處理的CH4排放通量在同一較低水平。由于蘗肥的施加，使得各處理CH4排放通量明顯上升，在分蘗期內(nèi)出現(xiàn)了峰值，其中FSN1、FSN2處理的CH4排放通量較FSN3處理分別減小了26.83%(P<0.05)、8.89%，F(xiàn)SN4處理的CH4排放通量較FSN3處理增加了8.56%；CSN1、CSN2、CSN3、CSN4處理的CH4排放通量較FSN3處理分別減小了76.57%、66.13%、61.53%、49.60%(P<0.01)。由于曬田改變了土壤水分條件和通氣性，各處理CH4排放通量又降至同一較低水平。曬田結(jié)束后，控水施穗肥使得各處理CH4排放通量再次達(dá)到高峰，其中FSN1、FSN2處理的CH4排放通量較FSN3處理分別減小了30.56%、21.13%(P<0.05)，F(xiàn)SN4處理的CH4排放通量較FSN3處理增加了13.00%(P<0.05)；CSN1、CSN2、CSN3、CSN4處理的CH4排放通量較FSN3處理分別減小67.52%、65.01%、56.21%、39.79%(P<0.05)。秸稈還田下，除返青期外，控灌的CH4排放通量明顯低于淹灌，說明控灌對CH4減排效果明顯；兩種灌溉模式下，增施氮肥會增加稻田CH4的排放。

2.2 土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的變化

水稻不同生育階段的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量變化如圖2(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))所示。兩種灌溉模式下的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量變化規(guī)律相同，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量由SN1處理到SN4處理依次增加，說明隨著施氮量增加，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量隨之增加。相同施氮量下的控灌比淹灌的土壤銨態(tài)氮含量平均高36.50%(P<0.05)，土壤硝態(tài)氮含量高10.61%(P<0.05)，說明控灌可以顯著提高土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量。施加蘗肥后，分蘗期的FSN1、FSN2、FSN3、FSN4處理土壤銨態(tài)氮含量較返青期分別增長了16.28%、31.68%、23.97%、40.61%，土壤硝態(tài)氮含量較返青期分別降低了29.80%、29.04%、16.38%、10.81%；CSN1、CSN2、CSN3、CSN4處理土壤銨態(tài)氮含量較返青期分別增長了6.77%、35.70%、31.60%、36.07%，土壤硝態(tài)氮含量較返青期分別降低了15.49%、23.39%、30.17%、27.96%。施加穗肥后，各處理與拔節(jié)期相比，F(xiàn)SN1、FSN2、FSN3、FSN4處理土壤銨態(tài)氮含量分別增長了184.42%、158.03%、119.91%、102.84%，土壤硝態(tài)氮含量分別增長了89.90%、101.42%、120.47%、118.79%；CSN1、CSN2、CSN3、CSN4處理土壤銨態(tài)氮含量分別增長了113.83%、84.86%、80.29%、61.46%，土壤硝態(tài)氮含量分別增長了97.84%、138.94%、152.78%、163.50%。

2.3 土壤氧化還原電位的動態(tài)變化

兩種灌溉模式下，各處理的土壤氧化還原電位(Eh)變化如圖3所示。兩種灌溉模式的土壤Eh變化規(guī)律相似，皆在水稻移栽后逐漸降低至最低，隨后增加至較高水平保持穩(wěn)定。返青期內(nèi)，由于水分管理相同，淹灌與控灌處理的土壤Eh無明顯差異(P>0.05)。施加蘗肥后，淹灌處理的土壤Eh較控灌有明顯的下降趨勢，且兩種灌溉模式的土壤Eh在6月28日左右均達(dá)到全生育期最低值。其中，F(xiàn)SN1、FSN2處理的土壤Eh較FSN3處理高23.70%、7.58%；FSN4處理的土壤Eh較FSN3處理低13.27%；CSN1、CSN2、CSN3、CSN4處理的土壤Eh較FSN3處理高83.41%、58.29%、54.98%、39.81%(P<0.05)。兩種灌溉模式的土壤Eh在達(dá)到最低后逐漸上升，曬田顯著增加了土壤Eh(P<0.05)。其中，F(xiàn)SN1、FSN2處理的土壤Eh較FSN3處理高76.84%、37.89%(P<0.05)，F(xiàn)SN4處理土壤Eh較FSN3處理低15.79%；CSN1、CSN2、CSN3、CSN4處理土壤Eh較FSN3處理高203.16%、173.68%、161.05%、148.42%(P<0.01)?？梢钥闯?，秸稈還田下兩種灌溉模式的土壤Eh隨著施氮量的增加逐漸降低；除返青期與乳熟期外，相同日期的控灌土壤Eh要顯著高于淹灌(P<0.05)。

圖3 不同灌溉施肥模式下各處理土壤氧化還原電位動態(tài)變化曲線Fig.3 Dynamic curves of soil redox potential under different irrigation and fertilization modes

2.4 秸稈腐解率的動態(tài)變化

兩種灌溉模式下，各處理的秸稈腐解率變化如圖4所示，各處理的秸稈腐解率變化趨勢一致。秸稈翻埋后于返青期第1次取出，F(xiàn)SN1、FSN2處理的秸稈腐解率較FSN3處理分別低45.25%、31.84%(P<0.05)，F(xiàn)SN4處理的秸稈腐解率較FSN3高74.3%(P<0.01)；CSN1、CSN2處理的秸稈腐解率較FSN3處理分別低66.90%、19.13%，CSN3、CSN4處理的秸稈腐解率較FSN3處理高20.25%、72.21%(P<0.05)。分蘗期取出秸稈后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SN1、FSN2處理的秸稈腐解率較FSN3處理分別低24.97%、14.85%，F(xiàn)SN4處理的秸稈腐解率較FSN3高4.72%；CSN1、CSN2處理的秸稈腐解率較FSN3處理分別低15.56%、0.82%，CSN3、CSN4處理的秸稈腐解率較FSN3處理高20.18%、26.32%。這表明，兩種灌溉模式下，隨著施氮量的增加，秸稈腐解率隨之升高。但由于返青期水分管理相同，相同施氮量下兩種灌溉模式的秸稈腐解率無明顯差異。由返青期到分蘗期，各處理的秸稈腐解率顯著增加；相同施氮量下，控灌的秸稈腐解率較淹灌高12.55%～20.62%，說明控灌較淹灌更有利于秸稈腐解。分蘗期后秸稈腐解率較分蘗期前增長緩慢，由分蘗期至黃熟期淹灌的秸稈腐解率只增長了21%～36%，控灌的秸稈腐解率只增長了24%～31%，說明水稻分蘗期前是秸稈腐解最快的時期。

圖4 不同灌溉施肥模式下各處理秸稈腐解率變化曲線Fig.4 Straw decomposition rates of different treatments under different irrigation and fertilization modes

2.5 減排效益及相關(guān)性分析

各處理的產(chǎn)量及減排效益如表2所示。控灌下各處理CH4累積排放量顯著低于淹灌(P<0.05)，其中FSN4處理的CH4累積排放量較FSN3處理高16.24%，F(xiàn)SN1、FSN2處理的CH4累積排放量較FSN3處理分別降低了29.88%、18.59%；CSN4處理的CH4累積排放量較CSN3處理高34.43%，CSN1、CSN2處理的CH4累積排放量較CSN3處理分別降低了27.87%、13.39%，這表明增施氮肥會顯著增加CH4累積排放量(P<0.05)。但FSN2處理的產(chǎn)量較FSN3處理高1.88%，F(xiàn)SN1、FSN4處理的產(chǎn)量較FSN3分別降低了26.25%(P<0.05)、2.01%；CSN2處理的產(chǎn)量較CSN3高4.90%，CSN1、CSN4處理的產(chǎn)量較CSN3處理分別降低了23.42%(P<0.05)、3.86%。這表明適當(dāng)減氮不但會降低CH4的累積排放量，還會有增產(chǎn)的效果，但過度減氮使產(chǎn)量顯著降低；增施氮肥不但使CH4累積排放量顯著增加(P<0.05)，還會造成減產(chǎn)；兩種灌溉模式相比，CSN2處理的減肥增產(chǎn)效果高于FSN2處理，而且減排效果明顯。CSN2處理較FSN3處理的CH4累積排放量降低了62.71%(P<0.01)，產(chǎn)量增加了21.16%(P<0.05)。綜合碳信用、氮肥成本、產(chǎn)量收益三者計(jì)算出總收益，可以看出CSN2處理總收益平均高出其他處理23.39%(P<0.05)，說明控灌下適當(dāng)減氮有利于增產(chǎn)創(chuàng)收。

表2 各處理的產(chǎn)量與減排效益Tab.2 Production and emission reduction benefits of each treatment

由表3可以看出，土壤銨態(tài)氮含量、土壤Eh、秸稈腐解率皆與CH4排放通量有顯著的相關(guān)性，隨著土壤銨態(tài)氮含量、秸稈腐解率的增加，CH4排放通量顯著增加；隨著土壤Eh的增加，CH4排放通量顯著降低。這表明土壤銨態(tài)氮含量、土壤Eh、秸稈腐解率皆是影響CH4排放的重要因素；施氮量與灌溉模式及二者的交互作用對CH4排放有著決定性影響。

CH4排放通量與各因子的相關(guān)性分析如表3所示，CH4排放通量與各因子的方差分析如表4所示。

表3 CH4排放通量與各因子的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of CH4 emission flux and various factors

表4 CH4排放通量與各因子的方差分析Tab.4 Variance analysis of CH4 emission flux and each factor

3 討論

3.1 秸稈還田下水氮耦合對水稻產(chǎn)量的影響

秸稈直接還田不僅可以減少因秸稈焚燒而產(chǎn)生的環(huán)境污染，還可以提高土壤肥力，被認(rèn)為是秸稈綜合利用中最經(jīng)濟(jì)有效的方式，也是一種有效的農(nóng)田培肥措施[21]。董林林等[22]發(fā)現(xiàn)，秸稈還田還可以增加土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量，在原有施氮水平上施加秸稈，會使土壤含氮量增加，再加上黑土較一般地區(qū)土壤肥力偏高，若不調(diào)整施肥量，秸稈還田將導(dǎo)致該地區(qū)土壤銨態(tài)氮含量過高。

水稻雖是喜銨作物，但大量研究[23-25]表明，過量氮素會對植物生長造成不利影響，最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)。這與本研究增施氮肥的結(jié)果一致，在常規(guī)施肥量的基礎(chǔ)上，增施氮肥雖然使土壤氮素含量顯著增加，但造成了小幅減產(chǎn)。有研究[26]表明，排水良好的稻田連續(xù)秸稈還田3年，減施氮肥不會造成水稻減產(chǎn)，而且在連續(xù)還田期間減氮有增產(chǎn)的作用。本試驗(yàn)地已進(jìn)行了兩年的秸稈還田試驗(yàn)，在常規(guī)灌溉模式下，施氮110 kg/hm2的水稻產(chǎn)量較施氮124 kg/hm2的水稻產(chǎn)量僅高了1.89%。可以看出，秸稈還田下傳統(tǒng)的灌溉模式減氮效果并不明顯。

要想在減氮的條件下使水稻產(chǎn)量顯著增加，就需要提高水稻對土壤氮素的利用率。張紹文等[27]認(rèn)為控制灌溉土壤通透性較好，根區(qū)溶氧能力增強(qiáng)，能夠使水稻保持較高的根系活力，有利于促進(jìn)水分及養(yǎng)分的高效吸收利用，進(jìn)而提高氮肥利用率。本試驗(yàn)在控制灌溉下施氮110 kg/hm2，水稻產(chǎn)量較常灌常氮增加了17.46%，說明控灌下減施氮肥的增產(chǎn)效果較淹灌模式明顯。而在兩種灌溉模式下，施氮85 kg/hm2使水稻產(chǎn)量均顯著降低，說明秸稈還田后適量減氮才能達(dá)到增產(chǎn)的效果，過量減氮會造成嚴(yán)重減產(chǎn)。因此，在控灌下施氮110 kg/hm2時增產(chǎn)效果最好。

3.2 秸稈還田下水氮耦合對稻田CH4排放的影響

近年來，眾多學(xué)者[6,28-29]通過水氮調(diào)控對寒地稻田CH4排放的影響進(jìn)行大量研究，而關(guān)于寒地黑土秸稈還田對CH4排放影響的研究較少，龔振平等[30]認(rèn)為，秸稈還田促進(jìn)了寒地CH4的排放，但并沒有提出具體減排措施。本試驗(yàn)在秸稈還田的基礎(chǔ)上，通過水氮調(diào)控來實(shí)現(xiàn)CH4的減排。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水氮調(diào)控可以影響秸稈腐解率、土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、土壤Eh等，這些因素對CH4排放的影響密切相關(guān)。秸稈直接還田后，需要通過土壤微生物分解釋放養(yǎng)分，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加，秸稈腐解率顯著提高，這與龔振平等[18]的研究結(jié)果一致。但并不是秸稈腐解越快，養(yǎng)分釋放越多越好，秸稈腐解需要消耗大量氧氣，增強(qiáng)了土壤的厭氧環(huán)境，為土壤提供豐富的有機(jī)還原性物質(zhì)，土壤Eh隨之降低。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤Eh與CH4排放通量呈負(fù)相關(guān)，即土壤Eh越低，CH4排放通量越高，施氮量越高，CH4排放通量越高。但王毅勇等[31]認(rèn)為，氮肥施用使水稻植株的呼吸作用增強(qiáng)，通過呼吸輸入到根系的氧氣供應(yīng)增加，使稻田CH4的氧化加強(qiáng)，從而降低了CH4排放。這可能是因?yàn)?，本試?yàn)進(jìn)行了秸稈還田，秸稈腐解消耗的氧氣量高于根系供應(yīng)的氧氣量，導(dǎo)致CH4排放量增加。因此，本試驗(yàn)在常規(guī)施氮的基礎(chǔ)上減量施氮，可以減緩秸稈腐解速率，降低有機(jī)還原性物質(zhì)的積累，提高土壤Eh，進(jìn)而減少CH4排放。而過量減氮雖然能顯著降低CH4排放，但導(dǎo)致土壤氮素不足，造成嚴(yán)重減產(chǎn)。

水分管理對CH4排放影響顯著，控灌可以增加土壤通氣性，減少還原性物質(zhì)的積累，提高土壤Eh，減少CH4排放。王孟雪等[15]在本研究區(qū)通過對控灌稻田的CH4排放研究發(fā)現(xiàn)，控灌可以顯著減小稻田CH4排放，較淹灌稻田CH4累積排放量降低34%。本研究發(fā)現(xiàn)，添加秸稈后，相同施氮量下控灌CH4累積排放量較淹灌平均降低54.29%，這可能是因?yàn)榻斩掃€田使淹灌CH4排放增加量高于控灌，使得控灌減排效果明顯。此外，在控灌的基礎(chǔ)上施加110 kg/hm2的氮素，CH4累積排放量較常灌常氮減少68.93%，還能顯著提升產(chǎn)量，減排效益明顯。因此，在寒地黑土進(jìn)行秸稈還田，應(yīng)采用控制灌溉的水分管理模式和施氮量為110 kg/hm2，可以達(dá)到減排增產(chǎn)的效果。

4 結(jié)論

(1)相同施氮量下，控制灌溉的稻田CH4排放通量、累積排放量皆顯著低于常規(guī)淹灌(P<0.05)，控制灌溉較常規(guī)淹灌有顯著的減排效果；隨著施氮量的增加，CH4排放通量、累積排放量顯著增加(P<0.05)，施加氮肥促進(jìn)了CH4的排放。

(2)稻田CH4的排放與土壤銨態(tài)氮含量、秸稈腐解率呈顯著正相關(guān)，與土壤Eh呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；施肥與水分管理對稻田CH4的排放影響顯著。

(3)與常量施氮(N3處理)相比，兩種灌溉模式下增施氮肥(N4處理)均會降低水稻產(chǎn)量(P>0.05)，過量減施氮肥(N1處理)會顯著降低水稻產(chǎn)量(P<0.05)；在常規(guī)淹灌條件下適量減施氮肥(N2處理)對水稻產(chǎn)量無顯著影響(P>0.05)，而在控制灌溉條件下適量減施氮肥可使產(chǎn)量顯著增加(P<0.05)。

(4)在寒地黑土區(qū)進(jìn)行秸稈還田，推薦灌溉模式為控制灌溉，施氮量為110 kg/hm2，可以在實(shí)現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)的同時，取得最佳的減排效益。