水炭運(yùn)籌對(duì)黑土稻田N2O排放與氮肥利用的影響

張作合 張忠學(xué) 李鐵成 齊智娟 鄭美玉 鄭麗穎

(1.綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院， 綏化 152061； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030；3.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

全球氣候變暖已經(jīng)成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，人類生產(chǎn)活動(dòng)是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因之一[1]，因此，減少人類活動(dòng)向大氣中排放溫室氣體是解決該問(wèn)題的主要途徑[2]。農(nóng)業(yè)是溫室氣體排放的途徑之一，其中稻田是溫室氣體N2O的主要排放源[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年稻田排放N2O占總排放量的12.0%～17.9%[4-5]，N2O在大氣中的濃度雖遠(yuǎn)低于CO2，但在100年尺度上N2O的全球增溫潛勢(shì)是CO2的265倍[6-8]，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率超過(guò)5%[6]，且對(duì)臭氧層有間接破壞作用[9]。近些年，農(nóng)民通過(guò)施入高量化學(xué)氮肥來(lái)提高水稻產(chǎn)量，導(dǎo)致稻田N2O排放激增。為了達(dá)到減施氮肥和N2O減排的目的，實(shí)現(xiàn)稻田水土資源的可持續(xù)利用，先進(jìn)碳管理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。生物炭施入稻田后能夠改善土壤理化性質(zhì)，提高氮肥利用率[10-12]，增加水稻產(chǎn)量[13]，同時(shí)減少N2O排放[14-15]。

生物炭對(duì)稻田N2O排放的影響已成為研究熱點(diǎn)[16-22]。王欣欣等[17]通過(guò)水稻盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用竹炭處理的N2O季節(jié)累積排放量比常規(guī)施肥處理降低了72.3%～93.9%。劉玉學(xué)等[18]通過(guò)水稻種植田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)秸稈炭化后還田可顯著降低稻田N2O的累積排放量，降幅為16.3%～18.4%。王妙瑩等[19]研究顯示，早、晚稻的拔節(jié)期，施加生物炭顯著降低了N2O的排放通量。而廖萍等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在南方雙季稻區(qū)施用生物炭對(duì)N2O累積排放通量無(wú)顯著影響。祁樂(lè)等[9]通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究生物炭施用量對(duì)紫色水稻土溫室氣體排放的影響，發(fā)現(xiàn)生物炭施用對(duì)N2O排放的抑制作用不明顯。孟夢(mèng)等[21]研究生物炭添加對(duì)華南早稻田N2O排放的影響，發(fā)現(xiàn)N2O排放通量和季節(jié)排放總量均隨著生物炭施加量的增加而增加，但仍小于對(duì)照處理。藍(lán)興福等[22]在稻田中施加生物炭，也發(fā)現(xiàn)N2O的排放通量增加了84.23%。總的來(lái)看，前人對(duì)生物炭能否減少稻田N2O排放的研究結(jié)論不一致，且受氣候特征和土壤類型及肥力等因素的影響，存在不確定性。特別是在高肥力的寒地黑土區(qū)，關(guān)于不同水炭運(yùn)籌下氮肥利用對(duì)N2O排放的影響研究較少。

本文以常規(guī)淹灌作為對(duì)照，采用田間小區(qū)試驗(yàn)與15N示蹤微區(qū)結(jié)合的方法，研究不同水炭運(yùn)籌下水稻本田生長(zhǎng)期N2O排放規(guī)律，以及各階段施入氮肥的利用和損失對(duì)N2O排放的影響，以期為水炭運(yùn)籌下寒地黑土稻田N2O排放研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年5月19日—9月21日，在黑龍江省慶安國(guó)家灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站(46°57′28″N，127°40′45″E)位于呼蘭河流域中上游，屬于寒地黑土區(qū)。氣候特征屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，第三積溫帶，作物水熱生長(zhǎng)期一般為156～171 d，多年平均降水量500～600 mm，多年平均水面蒸發(fā)量700～800 mm，平均氣溫2～3℃，平均日照時(shí)數(shù)為2 600 h。慶安縣是黑龍江省典型的水稻生產(chǎn)區(qū)，為國(guó)家綠色食品水稻生產(chǎn)基地(A級(jí))。

1.2 試驗(yàn)材料

水稻秸稈生物炭，由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)，在450℃高溫?zé)o氧條件下裂解制備而成，每公頃稻草可制成直徑2 mm顆粒形式的秸稈生物炭約2.5 t，pH值8.86，含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42.72%，含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.26%，填充密度0.13 g/cm3，比表面積81.85 m2/g，總孔容積0.080 cm3/g，陽(yáng)離子交換量(CEC)為44.7 cmol/kg。供試土壤為黑土，在泡田之前，對(duì)試驗(yàn)小區(qū)0～20 cm土層進(jìn)行5點(diǎn)對(duì)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。供試水稻品種為研究區(qū)大面積推廣種植的綏粳18，插秧密度為25 穴/m2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用灌水方式和生物炭施用量2因素全面試驗(yàn)，設(shè)置淺濕干灌溉(Dry-wet-shallow irrigation，D)和常規(guī)淹灌(Flooding irrigation，F(xiàn))兩種水分管理模式(表1)。生物炭施用量設(shè)4個(gè)水平，即0 t/hm2(B0)、2.5 t/hm2(B1)、12.5 t/hm2(B2)、25 t/hm2(B3)。共計(jì)8個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共24個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，方形小區(qū)面積100 m2，采用隨機(jī)區(qū)組排列，各小區(qū)之間田埂向地下內(nèi)嵌40 cm深的塑料板。秸稈生物炭在泡田之前施入，按當(dāng)?shù)厥┓蕵?biāo)準(zhǔn)施純氮110 kg/hm2，基肥、蘗肥、穗肥按5∶2∶3分施；K2O施入量80 kg/hm2，基肥、穗肥按1∶1分施；P2O5施入量45 kg/hm2，作為基肥一次性施入。供試肥料選擇尿素(含N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.4%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%)、硫酸鉀(含K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)52%)，并換算成實(shí)際化肥施入量。2018年5月5日施基肥，5月19日移栽水稻幼苗，6月6日施蘗肥，7月14日施穗肥，9月21日收獲，各生育階段劃分見表2，嚴(yán)格按照生育時(shí)段劃分計(jì)算各生育期排放量。水稻生長(zhǎng)期注意田間管理，嚴(yán)格控制病蟲草害。

表1 稻田各生育期水分管理Tab.1 Water management during each growth period of rice field

在上述試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)設(shè)置15N示蹤微區(qū)，稻田整地后立即在每個(gè)小區(qū)內(nèi)預(yù)埋2 m×2 m×0.5 m的無(wú)底鋼制矩形框，將微區(qū)埋30 cm深，施用上?；ぱ芯吭荷a(chǎn)的豐度為10.22%的15N標(biāo)記尿素，深度與試驗(yàn)小區(qū)相同。微區(qū)內(nèi)單獨(dú)設(shè)置小型排灌系統(tǒng)，水稻的田間管理與所在試驗(yàn)小區(qū)相同。

1.4 樣品采集與測(cè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[23-24]的方法分別計(jì)算基肥、蘗肥和穗肥的吸收利用率和損失率。

基肥(b)、蘗肥(t)、穗肥(p)吸收利用率為

(1)

式中FNRE(b,t,p)——基肥、蘗肥、穗肥吸收利用率，%

N(b,t,p)——基肥、蘗肥、穗肥吸收量，kg/hm2

NF(b,t,p)——基肥、蘗肥、穗肥施入量，kg/hm2

基肥、蘗肥、穗肥損失率為

FNL(b,t,p)=1-FNRE(b,t,p)-SFNR(b,t,p)

(2)

式中FNL(b,t,p)——稻田基肥、蘗肥、穗肥損失率，%

SFNR(b,t,p)——稻田土壤中的基肥、蘗肥、穗肥殘留率，%

N2O樣品采集：采用人工靜態(tài)暗箱-氣象色譜法定位觀測(cè)N2O的排放通量。如圖1所示，靜態(tài)箱由箱體(箱體尺寸包括25 cm×25 cm×60 cm和25 cm×25 cm×120 cm兩種規(guī)格)和不銹鋼底座兩部分組成，箱體由透明有機(jī)玻璃(厚5 mm)制成。底座頂端設(shè)置寬20 mm、深50 mm的密封槽，采氣時(shí)用水或土密封箱體。頂箱內(nèi)部安裝2臺(tái)微型電風(fēng)扇，開孔插入溫度傳感器探頭，以校正采氣過(guò)程中由于箱內(nèi)溫度升高而引起的誤差。采氣管從側(cè)面插入箱內(nèi)20 cm，末端與三通閥連接，三通閥連接注射器(60 mL)和采氣袋。為達(dá)到絕熱目的，箱體外層用錫紙覆蓋，以減少太陽(yáng)輻射所導(dǎo)致的箱內(nèi)N2O的溫度變化。采樣時(shí)，箱密封放置后靜止2～3 min，使箱內(nèi)N2O混合均勻。相同處理3次重復(fù)進(jìn)行平行采樣，每個(gè)處理在0～30 min每隔10 min采樣1次，前后連續(xù)抽取氣體的兩個(gè)氣袋作為一個(gè)氣體樣品，采樣同時(shí)記錄田面水層深度、箱內(nèi)溫度、地溫和氣溫。氣體采樣時(shí)間選擇在每天10:00—14:00之間，因?yàn)檫@段時(shí)間最能代表當(dāng)日氣體排放平均水平[25]。每隔7～10 d在水稻關(guān)鍵生育期進(jìn)行采樣，水稻生長(zhǎng)旺盛時(shí)期和異常氣溫(極高溫或極低溫)加測(cè)，如遇強(qiáng)降雨天氣則推遲取樣時(shí)間。根據(jù)水稻株高的變化，采用不同高度的箱體(60 cm和120 cm)。

氣體樣品測(cè)定：N2O樣品及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)，在東北農(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)室采用氣相色譜儀(島津GC-17A型，日本)檢測(cè)N2O濃度。標(biāo)準(zhǔn)氣體由大連大特氣體有限公司生產(chǎn)，各項(xiàng)氣象色譜條件為：檢測(cè)器ECD，檢測(cè)溫度250℃，柱溫60℃，載氣為99.99%氬/甲烷氣(95%氬氣+5%甲烷)，流速30 mL/min。

稻田N2O排放通量計(jì)算公式為

(3)

式中F——N2O排放通量，μg/(m2·h)

ρ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O的密度，1.964 g/m3

H——箱體有效高度，m

dc/dt——采樣過(guò)程中采樣箱內(nèi)N2O濃度變化率，mL/(m3·h)

T——采樣箱內(nèi)的平均溫度，℃

P0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

P——采樣箱內(nèi)氣壓，取P=P0

N2O累積排放量Ec(kg/hm2)計(jì)算公式為[26]

(4)

式中n——生育期觀測(cè)次數(shù)

Fi——第i次采樣時(shí)N2O排放通量，mg/(m2·h)

Fi+1——第i+1次采樣時(shí)N2O排放通量，mg/(m2·h)

其中，ti+1-ti為第i次到第i+1次采樣的時(shí)間間隔，d。

產(chǎn)量：水稻成熟期進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)算，各處理隨機(jī)選10穴水稻用于考種，干燥后用手持水分測(cè)試儀(John Deere, Moline IL，美國(guó))測(cè)定谷物含水率，計(jì)算含水率為14.5%時(shí)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

氣象數(shù)據(jù)：由DZZ2 型自動(dòng)氣象站自動(dòng)記錄。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用WPS 2019、SPSS分析和處理數(shù)據(jù)，用Duncan進(jìn)行處理間的多重比較，用WPS 2019和Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水炭運(yùn)籌下稻田N2O排放規(guī)律

如圖2所示，水炭運(yùn)籌下相同灌溉模式不同處理的N2O排放通量具有相似的季節(jié)變化規(guī)律。水炭運(yùn)籌下淺濕干灌溉模式水稻本田生長(zhǎng)期N2O排放出現(xiàn)多個(gè)峰值，且波動(dòng)較大，其中最高峰值出現(xiàn)在拔節(jié)孕穗期。稻作淺濕干灌溉模式下，N2O的第1個(gè)和第2個(gè)排放通量峰值分別出現(xiàn)在水稻移栽后第20天和第30天，第3個(gè)排放通量峰值出現(xiàn)在水稻移栽后第65天，DB0處理排放峰值最大。隨著水稻移栽時(shí)間的增加，淺濕干灌溉模式不同處理的N2O排放分別在第77、98、120天出現(xiàn)峰值，成熟期峰值變小。淺濕干灌溉模式施加生物炭對(duì)稻田N2O的排放具有削峰作用，表現(xiàn)出顯著的抑制效應(yīng)。水炭運(yùn)籌下常規(guī)淹灌模式水稻本田生長(zhǎng)期N2O排放出現(xiàn)多個(gè)峰值，后期波動(dòng)較小，其中最高峰值出現(xiàn)在分蘗末期(曬田期)。稻作常規(guī)淹灌模式下，N2O的第1個(gè)排放通量峰值出現(xiàn)在水稻移栽后第50天，F(xiàn)B0處理排放峰值最大。隨著水稻移栽時(shí)間的增加，常規(guī)淹灌模式不同處理的N2O排放分別在第65、77、91、126天出現(xiàn)峰值。常規(guī)淹灌模式施加生物炭同樣對(duì)稻田N2O的排放具有削峰作用，適量的生物炭削峰效果明顯。

比較兩種灌溉模式下水稻本田生長(zhǎng)期N2O排放通量的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，淺濕干灌溉模式N2O排放通量在水稻本田生長(zhǎng)期波動(dòng)較大，而常規(guī)灌溉模式下水稻生長(zhǎng)后期波動(dòng)較小。產(chǎn)生波動(dòng)規(guī)律差異可能是由田面水層深度和土壤含水率的變化等所導(dǎo)致。兩種灌溉模式的排放通量最高峰值出現(xiàn)時(shí)間和大小有所不同，常規(guī)淹灌模式N2O的排放通量最高峰值出現(xiàn)在曬田期，而淺濕干灌溉模式N2O的排放通量最高峰值則出現(xiàn)在拔節(jié)孕穗期。

2.2 不同水炭運(yùn)籌下稻田N2O排放總量及各生育期累積排放量

不同水炭氮運(yùn)籌下水稻本田生長(zhǎng)期N2O排放總量及單位產(chǎn)量N2O排放量如表3所示。淺濕干灌溉和常規(guī)淹灌模式水稻本田生長(zhǎng)期N2O排放通量最大值的處理為DB0和FB0，分別為58.37、41.03 μg/(m2·h)，而N2O排放通量最小值的處理為DB3和FB3，分別為0.62、-7.75 μg/(m2·h)。相同生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式各處理N2O的排放通量均顯著高于常規(guī)淹灌(P<0.05)。其中DB0處理水稻本田生長(zhǎng)期N2O的排放通量變化量最大，達(dá)57.35 μg/(m2·h)。比較兩種灌溉模式之間水稻本田生長(zhǎng)期N2O的累積排放量可知，稻作淺濕干灌溉模式N2O累積排放量顯著高于常規(guī)淹灌模式(P<0.05)，相同生物炭施用水平下稻作淺濕干灌溉模式的N2O累積排放量較常規(guī)淹灌分別增加41.93%、45.18%、60.03%和73.48%。施加生物炭能夠有效地減少水稻本田生長(zhǎng)期N2O的排放量，稻作淺濕干灌溉模式下施加生物炭處理的N2O累積排放量較不施加生物炭處理分別降低6.34%、24.67%、34.85%，常規(guī)淹灌模式下施加生物炭處理的N2O累積排放量較不施加生物炭處理分別降低8.45%、33.19%、46.70%。相同生物炭施用水平下稻作淺濕干灌溉模式單位產(chǎn)量N2O排放量顯著高于常規(guī)淹灌模式(P<0.05)，分別增加40.54%、45.45%、52.17%和83.33%。施加生物炭能夠有效地減少單位產(chǎn)量N2O排放量，稻作常規(guī)淹灌模式下施加生物炭處理的單位產(chǎn)量N2O排放量較不施加生物炭處理分別降低10.81%、37.84%、51.35%，淺濕干灌溉模式下施加生物炭處理的單位產(chǎn)量N2O排放量較不施加生物炭處理分別降低7.69%、32.69%、36.54%，DB3處理與DB2處理之間差異不顯著(P>0.05)。

表3 水稻本田生長(zhǎng)期各處理的N2O排放總量及單位產(chǎn)量N2O排放量Tab.3 Total N2O emission and N2O emission per unit yield of different treatments during rice growing period

水稻本田生長(zhǎng)期淺濕干灌溉模式和常規(guī)灌溉模式下不同處理各生育期的N2O累積排放量如圖3(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))所示。淺濕干灌溉模式下N2O的排放主要集中在分蘗期和拔節(jié)孕穗期，分別占全生育期的33.28%～33.71%和40.00%～45.68%。分蘗期，稻作淺濕干灌溉模式下施加生物炭處理的N2O累積排放量較不施加生物炭處理分別降低6.27%、25.58%、35.23%。拔節(jié)孕穗期，稻作淺濕干灌溉模式下施加生物炭處理的N2O累積排放量較不施加生物炭處理分別降低2.38%、13.98%、26.06%。常規(guī)灌溉模式下N2O的排放主要集中在分蘗期和拔節(jié)孕穗期，分別占全生育期的39.56%～41.22%和27.67%～29.26%。分蘗期，稻作常規(guī)淹灌模式下施加生物炭處理的N2O累積排放量較不施加生物炭處理分別降低10.96%、32.55%、45.99%。拔節(jié)孕穗期，稻作常規(guī)淹灌模式下施加生物炭處理的N2O累積排放量較不施加生物炭處理分別降低4.42%、32.03%、43.64%。綜合來(lái)看，兩種灌溉模式在分蘗期和拔節(jié)孕穗期N2O累積排放量較大，而其他生育期N2O累積排放量較小，淺濕干灌溉模式各生育期的N2O累積排放量均高于常規(guī)淹灌。

2.3 不同水炭運(yùn)籌下稻田基肥、蘗肥、穗肥的利用率和損失率

由表4可知，水炭運(yùn)籌下常規(guī)淹灌模式水稻植株對(duì)基肥吸收利用率隨著生物炭施入量的增加而增大，有17.11%～23.31%的基肥-15N被水稻植株吸收利用。淺濕干灌溉模式稻作基肥吸收利用率低于常規(guī)淹灌模式，適量的施加生物炭能夠增加水稻植株對(duì)基肥的吸收利用率，而過(guò)量則會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。水炭運(yùn)籌下常規(guī)淹灌模式水稻植株對(duì)蘗肥吸收利用率隨著生物炭施入量的增加而增大，淺濕干灌溉模式適量施加生物炭能夠增加水稻植株對(duì)蘗肥的吸收利用率。相同生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻植株對(duì)蘗肥的吸收利用率顯著高于常規(guī)淹灌(P<0.05)，分別提高了13.92%、18.12%、19.32%和2.08%。水炭運(yùn)籌下常規(guī)淹灌模式水稻植株對(duì)穗肥的吸收利用率隨著生物炭施入量的增加而增大，兩種灌溉模式之間的穗肥吸收利用率差異顯著(P<0.05)，相同生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式較常規(guī)淹灌分別提高了9.81%、15.82%、17.86%和2.99%，施加適量的生物炭能夠增加水稻植株對(duì)穗肥的吸收利用率。水炭運(yùn)籌下施加適量的生物炭能夠降低基肥、蘗肥和穗肥的損失率，相同生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式基肥和穗肥的損失率均低于常規(guī)淹灌模式，當(dāng)生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時(shí)，相同生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式蘗肥損失率也低于常規(guī)淹灌模式。研究結(jié)果表明，水炭運(yùn)籌下施加適量的生物炭能夠增加水稻植株對(duì)基肥、蘗肥和穗肥的吸收利用率，同時(shí)降低基肥、蘗肥和穗肥的損失率。

表4 不同處理各階段施加氮肥的吸收利用率和損失率Tab.4 Absorption and utilization efficiency and loss rate of nitrogen fertilizer applied in different stages %

2.4 稻田N2O排放量與各期氮肥利用率和損失率的相關(guān)分析

兩種灌溉模式水稻本田生長(zhǎng)期N2O排放總量與氮肥利用率和損失率之間的相關(guān)性如表5所示。淺濕干灌溉模式下N2O排放總量與蘗肥、穗肥吸收利用率呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與基肥吸收利用率呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；N2O排放總量與基肥損失率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與蘗肥損失率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，而與穗肥損失率相關(guān)性不顯著(P>0.05)。常規(guī)淹灌模式下N2O排放總量與基肥、蘗肥和穗肥吸收利用率均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；N2O排放總量與基肥和蘗肥損失率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與穗肥損失率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表5 N2O排放總量與氮肥利用率和損失率的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient between total N2O emission and nitrogen use and loss rate

3 討論

本研究中淺濕干灌溉模式水稻本田生長(zhǎng)期各處理N2O排放出現(xiàn)多個(gè)峰值，且波動(dòng)較大，最高峰值出現(xiàn)在拔節(jié)孕穗期；而常規(guī)淹灌模式不同處理的N2O排放通量后期波動(dòng)較小，最高峰值出現(xiàn)在分蘗末期(曬田期)。稻田生態(tài)系統(tǒng)中N2O的排放包括產(chǎn)生、傳輸及擴(kuò)散3個(gè)階段，其中硝化作用和反硝化作用是稻田土壤N2O產(chǎn)生的主要過(guò)程[31]。不同的灌溉模式會(huì)導(dǎo)致土壤水分狀況產(chǎn)生差異性，改變土壤通氣性，進(jìn)而影響硝化與反硝化過(guò)程和N2O在土壤中的遷移擴(kuò)散，因此灌溉模式是影響稻田N2O排放的重要因素。與淺濕干灌溉模式相比，常規(guī)淹灌稻田長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，水稻生長(zhǎng)季內(nèi)N2O的排放較少[32-33]，但會(huì)造成農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)。為了發(fā)展節(jié)水高效農(nóng)業(yè)，節(jié)水灌溉技術(shù)被廣泛應(yīng)用，但同時(shí)該技術(shù)的應(yīng)用會(huì)引起土壤頻繁的干濕交替，影響稻田N2O的排放。稻田干濕交替頻繁改變了土壤的通氣性，使土壤的有效O2增加，以利于硝化和反硝化作用進(jìn)行，從而增加N2O的產(chǎn)生[34]。稻田N2O的釋放不僅受硝化作用速率的影響，還與土壤中N2O的遷移擴(kuò)散及反硝化作用的速率有關(guān)。常規(guī)淹灌模式能夠減少稻田N2O的排放[35]，其原因可能是由于持續(xù)淹水狀態(tài)雖然能提高反硝化過(guò)程的速率，降低了遷移擴(kuò)散速率，增加N2O被還原為N2的機(jī)率；同時(shí)由于稻田土壤長(zhǎng)期處于厭氧狀態(tài)，硝化反應(yīng)很弱，反硝化作用底物得不到補(bǔ)充，最終使反硝化作用速率也很低；而在水稻曬田期土壤通氣狀況得到改善[36]，出現(xiàn)N2O集中排放現(xiàn)象，因而導(dǎo)致兩種灌溉模式排放規(guī)律不一致。

氮肥是保證水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是影響稻田N2O排放的重要因素[37-38]。水稻返青期氣溫和稻田土壤溫度均較低，土壤酶活性和硝化反硝化細(xì)菌活性不高，雖然有基肥的施入，但并未引起N2O集中排放，故在返青期兩種灌溉模式N2O排放量均較少。6月6日施加蘗肥后，常規(guī)淹灌模式N2O在分蘗期(曬田期)出現(xiàn)集中排放，且分蘗期在各生育期中N2O排放量最高，可能是由于曬田期稻田土壤溫度較高，同時(shí)土壤通氣性得到改善，增加了土壤有效O2，有利于硝化和反硝化作用進(jìn)行，從而促進(jìn)N2O排放；而曬田對(duì)淺濕干灌溉模式N2O排放影響不大。7月14日施加穗肥后，淺濕干灌溉N2O出現(xiàn)排放峰，在各生育期中拔節(jié)孕穗期N2O排放量最高，可能是由于施加的穗肥為硝化和反硝化作用提供了充足氮源，且淺濕干灌溉模式的土壤環(huán)境有利于硝化和反硝化作用的進(jìn)行，導(dǎo)致N2O集中排放；而常規(guī)淹灌模式曬田結(jié)束后進(jìn)行灌水，拔節(jié)孕穗期處于淹水狀態(tài)，N2O排放量逐漸減少。拔節(jié)孕穗期以后不再施肥，后期N2O排放量均較低。本研究中，施加分蘗肥和穗肥后N2O的排放均出現(xiàn)峰值，說(shuō)明在水稻本田生長(zhǎng)期施加氮肥能增加N2O的排放量。當(dāng)?shù)适┯昧砍^(guò)水稻需求時(shí)，殘留在稻田土壤中的氮素為N2O的產(chǎn)生提供了反應(yīng)底物，促進(jìn)了稻田N2O的排放。因此，提高氮肥利用率，減量施用氮肥成為減少稻田N2O排放量的有效途徑。水炭運(yùn)籌下兩種灌溉模式施加適量的生物炭均增加了水稻植株對(duì)基肥、蘗肥和穗肥的吸收利用率，使稻田N2O排放量減少，所以分析水稻本田生長(zhǎng)期N2O排放總量與氮肥利用關(guān)系十分重要。本文相關(guān)性分析結(jié)果表明，淺濕干灌溉模式下N2O排放總量與蘗肥、穗肥吸收利用率呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與基肥吸收利用率呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；常規(guī)淹灌模式下N2O排放總量與基肥、蘗肥和穗肥吸收利用率均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。兩種灌溉模式水稻本田生長(zhǎng)期N2O排放總量均與基肥吸收利用率呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，水炭運(yùn)籌下如何提高基肥的利用率將是今后研究的重點(diǎn)方向。

本試驗(yàn)基于15N示蹤技術(shù)研究了水炭運(yùn)籌對(duì)水稻本田生長(zhǎng)期N2O排放的影響，及N2O排放與各階段施入的氮肥利用和損失之間的關(guān)系，但其長(zhǎng)期效應(yīng)還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，并缺乏系統(tǒng)的研究和深入的探討。

4 結(jié)論

(1)水炭運(yùn)籌下淺濕干灌溉模式水稻本田生長(zhǎng)期N2O排放出現(xiàn)多個(gè)峰值，且波動(dòng)較大，其中最高峰值出現(xiàn)在拔節(jié)孕穗期；而常規(guī)淹灌模式水稻本田生長(zhǎng)期N2O排放也出現(xiàn)多個(gè)峰值，但后期波動(dòng)較小，其中最高峰值出現(xiàn)在分蘗末期(曬田期)。相同生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式各處理N2O的排放通量均顯著高于常規(guī)淹灌(P<0.05)。稻作淺濕干灌溉模式N2O累積排放量顯著高于常規(guī)淹灌模式(P<0.05)。施加生物炭能夠有效地減少水稻本田生長(zhǎng)期N2O的排放總量。相同生物炭施用水平下稻作淺濕干灌溉模式單位產(chǎn)量N2O排放量顯著高于常規(guī)淹灌模式(P<0.05)。施加生物炭能夠有效地減少單位產(chǎn)量N2O排放量。兩種灌溉模式在分蘗期和拔節(jié)孕穗期N2O累積排放量較大，而其他生育期N2O累積排放量較小，淺濕干灌溉模式的各生育期N2O累積排放量均高于常規(guī)淹灌，施加生物炭降低了N2O各生育期累積排放量。

(2)水炭運(yùn)籌下淺濕干灌溉模式稻作基肥吸收利用率低于常規(guī)淹灌模式，施加適量生物炭能夠增加水稻植株對(duì)基肥的吸收利用率，而過(guò)量則會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)；淺濕干灌溉模式施加適量生物炭能夠增加水稻植株對(duì)蘗肥的吸收利用率。相同生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻植株對(duì)蘗肥吸收利用率顯著高于常規(guī)淹灌(P<0.05)，分別提高了13.92%、18.12%、19.32%和2.08%；兩種灌溉模式之間的穗肥吸收利用率差異顯著(P<0.05)，相同生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式較常規(guī)淹灌分別提高了9.81%、15.82%、17.86%和2.99%，施加適量的生物炭能夠增加水稻植株對(duì)穗肥的吸收利用率。

(3)淺濕干灌溉模式下N2O排放總量與蘗肥、穗肥吸收利用率呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與基肥吸收利用率呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；N2O排放總量與基肥損失率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與蘗肥損失率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，而與穗肥損失率相關(guān)性不顯著(P>0.05)。常規(guī)淹灌模式下N2O排放總量與基肥、蘗肥和穗肥吸收利用率均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；N2O排放總量與基肥和蘗肥損失率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與穗肥損失率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。