不同灌溉施氮模式對(duì)稻田甲烷和氧化亞氮排放的影響

李熠凡，李烙布，李伏生

不同灌溉施氮模式對(duì)稻田甲烷和氧化亞氮排放的影響

李熠凡，李烙布，李伏生*

（廣西大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，南寧 530004）

【】研究不同灌溉施氮模式對(duì)稻田甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）排放的影響，以獲得降低2季稻田溫室氣體（）排放的灌溉施氮模式。通過田間試驗(yàn)，測定了3種灌溉模式（常規(guī)灌溉CR、“淺濕曬”灌溉TR和干濕交替灌溉DR）和3種施氮處理下FN1（純氮120 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=20∶40∶40）、FN2（純氮120 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）、FN3（純氮90 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）2季稻田CH4和N2O通量，并計(jì)算了其全球增溫潛勢（）和溫室氣體排放強(qiáng)度（）。FN1處理和FN3處理下DR模式2季稻產(chǎn)量合計(jì)較CR模式分別增加17.9%和21.1%。TR模式和CR模式下FN1處理早稻產(chǎn)量和2季稻產(chǎn)量合計(jì)較FN2處理分別增加13.4%和11.4%，以及16.1%和12.6%。DR模式下FN2處理早稻產(chǎn)量較FN3處理增加11.0%。DR-FN1處理2季稻產(chǎn)量合計(jì)最高。FN1、FN2處理和FN3處理下TR和DR模式整個(gè)生育期2季稻田CH4累積排放量較CR模式分別降低17.1%～22.5%和43.0%～56.8%，但是FN1處理和FN2處理下稻田N2O累積排放量較CR模式分別增加69.3%～85.2%和146.2%～160.7%。TR模式下，F(xiàn)N3處理整個(gè)生育期2季稻田CH4和N2O累積排放量分別較FN2處理降低26.8%和32.3%。TR和DR模式的和低于CR模式，且DR模式和最低。FN1處理和FN3處理的低于FN2處理，且FN1處理的最低。因此，不同施氮處理下，TR和DR模式代替CR模式可以降低和。TR和DR模式下，采用低氮肥用量以及少施基肥和多施追肥方案來可以降低和，其中DR-FN1處理是本研究合適的灌溉施氮模式，可以增加水稻產(chǎn)量并降低和。

“淺濕曬”灌溉；干濕交替灌溉；CH4和N2O排放；全球增溫潛勢；溫室氣體排放強(qiáng)度

0 引言

【研究意義】甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是大氣中主要的溫室氣體，其質(zhì)量濃度升高會(huì)加劇全球溫室效應(yīng)[1]。稻田系統(tǒng)是CH4和N2O的排放源，全球每年CH4總排放的17%左右源于稻田[2]，農(nóng)田土壤是溫室氣體重要排放源[3]，而合理施肥和水分管理是降低稻田溫室氣體排放和溫室效應(yīng)的主要措施?！狙芯窟M(jìn)展】節(jié)水灌溉模式是降低稻田CH4排放量和溫室效應(yīng)的有效水分管理方式[4]。與持續(xù)淹水相比，干濕交替灌溉（DR）稻田CH4排放量降低37.4%～45.7%[5]；控制灌溉稻田CH4排放量降低83.5%，而全生育期控制灌溉稻田N2O排放量增加135.4%[6]。與常規(guī)灌溉（CR，除分蘗末期曬田和黃熟期自然落干以外，其他各生育期田間土壤均保持淺水層）相比，“淺濕曬”灌溉（TR）和DR模式降低稻田CH4排放和溫室效應(yīng)[7]。優(yōu)化氮肥施用也是有效降低稻田CH4和N2O排放及溫室效應(yīng)的措施之一。與不施氮處理相比，高無機(jī)氮處理降低稻田CH4排放量15%，而低無機(jī)氮處理則增加稻田CH4排放量18%[8]，在酸性土壤中施入尿素有利于CH4形成，而在中性或堿性土壤中施入尿素抑制CH4形成[9]。較低的氮肥用量降低稻田N2O排放[10]，相比高尿素用量（純氮300 kg/hm2），低尿素用量（純氮160 kg/hm2）稻田N2O的排放較低[11]。不同灌溉施氮模式對(duì)于水稻CH4和N2O減排的影響不同，稻田CH4和N2O排放存在明顯的消長關(guān)系，有利于抑制CH4排放的水分管理或施肥措施，可能會(huì)助長N2O的排放。Li等[12]發(fā)現(xiàn)，TR和DR模式減少CH4排放，但增加N2O的排放。因此研究水肥管理措施對(duì)稻田溫室氣體排放的影響，對(duì)溫室效應(yīng)進(jìn)行總體評(píng)估，對(duì)稻田CH4和N2O減排尤為重要。土壤溶液中NO3-質(zhì)量濃度是影響稻田N2O排放的一個(gè)重要因子，施用氮肥可使土壤溶液中NO3-質(zhì)量濃度發(fā)生變化，從而影響稻田N2O排放。施肥方式相同時(shí)，灌溉模式對(duì)稻田淺層土壤溶液中NO3-質(zhì)量濃度變化影響較大，如控制灌溉稻田淺層土壤溶液中NO3-質(zhì)量濃度高于持續(xù)淹灌；不同施肥處理稻田地表水和各層土壤溶液中NO3-質(zhì)量濃度隨灌溉模式的不同表現(xiàn)出相反的變化規(guī)律[13]?！厩腥朦c(diǎn)】目前不同地區(qū)有關(guān)灌溉和施氮管理對(duì)稻田溫室氣體排放及溫室效應(yīng)的影響雖有研究，但是在廣西北回歸線以南地區(qū)，不同節(jié)水灌溉模式與施氮處理結(jié)合對(duì)稻田CH4和N2O排放及溫室效應(yīng)的影響還有待進(jìn)一步探索。趙國勝等[14]研究表明，TR和DR模式下，稻田N2O平均排放通量較常規(guī)灌溉（CR）模式分別提高92.82%、175.95%；CR和DR模式下，低氮量處理稻田整個(gè)生育期N2O平均排放通量低于高氮量處理。方澤濤等[15]通過加入有機(jī)氮肥發(fā)現(xiàn)，尿素配施豬糞處理下，TR模式早稻產(chǎn)量較CR模式提高20.9%。但有關(guān)施氮量與基追肥比例結(jié)合如何影響稻田CH4和N2O排放及溫室效應(yīng)值得深入研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此本文通過大田試驗(yàn)，研究不同灌溉模式（TR和DR）和施氮處理下（施氮量與氮肥基追比例結(jié)合）2季稻田CH4和N2O排放規(guī)律、全球增溫潛勢（）和溫室氣體排放強(qiáng)度（），以期進(jìn)一步獲得降低2季稻田溫室效應(yīng)的水氮管理措施。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和材料

2016年7月—2017年8月在廣西南寧市灌溉試驗(yàn)站（N22°52′58.33″，E108°17′38.86″）進(jìn)行晚稻及早稻大田試驗(yàn)。晚稻和早稻分蘗期、孕穗期、乳熟期和成熟期降水量分別為619.2、6.4、81.0 mm和7.8 mm，以及186.3、83.0、97.7 mm和222.3 mm。試驗(yàn)土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的水稻土，其主要理化性質(zhì)：土壤體積質(zhì)量1.2 g/cm3，飽和含水率（s）49.2%，pH值7.0，有機(jī)碳量15.6 g/kg，全氮量1.3 g/kg，堿解氮量113.6 mg/kg，速效磷量50.0 mg/kg，速效鉀量110.6 mg/kg。晚稻和早稻品種均用當(dāng)?shù)赝茝V的內(nèi)5優(yōu)8015，屬秈型三系雜交水稻。

1.2 試驗(yàn)方法

田間試驗(yàn)設(shè)3種灌溉方式和3種施氮處理。3種灌溉方式為常規(guī)灌溉CR、“淺濕曬”灌溉TR和干濕交替灌溉DR，各灌溉模式水分控制標(biāo)準(zhǔn)見表1，在降雨時(shí)各灌溉方式田面水層均可以增加10～30 mm。干濕交替灌溉是通過在各小區(qū)均安裝土壤TEN45水分張力計(jì)（南京土壤儀器公司）監(jiān)測土壤水勢的變化。3種施氮處理為FN1（純氮120 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=20∶40∶40）、FN2（純氮120 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）、FN3（純氮90 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）。試驗(yàn)所用尿素（含N 46%），過磷酸鈣（含P2O514%），氯化鉀（含K2O 60%）。P2O5用量均為60 kg/hm2（100%基肥），K2O用量均為120 kg/hm2（50%基肥、分蘗肥與穗肥各占25%）。試驗(yàn)共9個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共27個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，每小區(qū)面積25 m2。小區(qū)之間用25 cm厚、120 cm深紅磚水泥墻隔離分開，以防小區(qū)之間水分相互側(cè)滲，保證各小區(qū)獨(dú)立排水。各小區(qū)均用水管引入固定水源，單獨(dú)安裝水表。

表1 不同灌溉模式稻田水分控制標(biāo)準(zhǔn)

注 CR常規(guī)灌溉，TR淺濕曬灌溉，DR干濕交替灌溉，s為土壤飽和含水率（%）。

晚稻試驗(yàn)于2016年7月4日播種，8月1日大田移栽（選取長勢均勻、有2個(gè)分蘗的秧苗，單株栽培，株行距20 cm×20 cm），8月16日施分蘗肥（移栽后15 d），8月22日水稻返青后進(jìn)行灌水處理，9月13日開始曬田，9月22日復(fù)水后施穗肥（移栽后52 d），11月8日水稻收割，實(shí)測各小區(qū)稻谷產(chǎn)量。整個(gè)大田生育期為99 d。

早稻試驗(yàn)于2017年3月10日播種，4月12日大田移栽（選取長勢均勻、有2個(gè)分蘗的秧苗，單株栽培，株行距20 cm×20 cm），4月16日施分蘗肥（移栽后4 d），4月20日水稻返青后進(jìn)行灌水處理，5月27日開始曬田，6月3日復(fù)水后施穗肥（移栽后50 d），7月18日水稻收割，實(shí)測定各小區(qū)稻谷產(chǎn)量。整個(gè)大田生育期為95 d。

1.3 CH4和N2O氣體采集、測定及計(jì)算

用靜態(tài)箱法采集CH4和N2O氣樣。靜態(tài)箱箱體由厚3 mm的不銹鋼制成，箱體規(guī)格50 cm×50 cm×100 cm，四周和頂部封閉，底部開口，箱內(nèi)安裝風(fēng)扇；箱外包一層鋁箔，以降低采樣期間由于太陽輻射引起的箱內(nèi)溫度變化。水稻移栽后各處理安裝不銹鋼靜態(tài)箱底座（50 cm×50 cm），底座入泥5 cm，底座內(nèi)含生長水稻。取樣時(shí)靜態(tài)箱垂直安放在底座凹槽內(nèi)并用水密封，以防靜態(tài)箱和地面的接觸處漏氣，保證箱內(nèi)氣體與大氣不進(jìn)行交換。具體采集裝置參照董艷芳等[7]的方法安裝。采樣前將箱內(nèi)側(cè)面2個(gè)風(fēng)扇打開，以保持氣體均勻混合，采氣孔位于側(cè)面，用注射器采集氣樣。稻田CH4和N2O從返青后采樣，根據(jù)田間水分變化規(guī)律采樣，早晚稻田每隔5～7 d采氣1次，同時(shí)記錄箱溫。每個(gè)采樣點(diǎn)在蓋箱后第0、5、10、15、20、25 min和30 min時(shí)用注射器采樣[7]，每次樣品量為100 mL。

CH4和N2O量采用Agilent 7890A氣相色譜儀（美國安捷倫科技有限公司）手動(dòng)進(jìn)樣測定，CH4量檢測用電子捕獲檢測器（FID），N2O量檢測用氫火焰離子檢測器（ECD）。不同時(shí)期CH4與N2O累積排放量用Li等[12]的計(jì)算方法。全球增溫潛勢根據(jù)生育期內(nèi)CH4或N2O累積排放量，計(jì)算相應(yīng)CH4和N2O排放CO2當(dāng)量（，kg，以CO2計(jì)）。以100 a影響尺度為計(jì)，1 kg CH4和N2O的增溫潛勢分別是1 kg CO2的28倍和265倍[1]。

式中：CH4和N2O分別為CH4和N2O累積排放量；（CH4）為CH4排放量的CO2當(dāng)量，即CH4增溫潛勢（CO2kg/hm2）；（N2O）為N2O排放量的CO2當(dāng)量，即N2O增溫潛勢（CO2kg/hm2）；為全球增溫潛勢（CO2kg/hm2）。

溫室氣體排放強(qiáng)度（，CO2kg/t）是與水稻產(chǎn)量的比值[12]。

/， （4）

式中：為單位面積平均產(chǎn)量（t/hm2）。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

用Excel 2007對(duì)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理作圖，試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析和多重比較用SPSS 24.0軟件，顯著性水平為<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉施氮模式下水稻產(chǎn)量

圖1顯著性水平為<0.05。由圖1可知，與CR模式相比，F(xiàn)N2處理下DR模式早稻產(chǎn)量增加12.8%；FN1處理和FN3處理下DR模式晚稻產(chǎn)量分別增加30.4%和49.7%；FN1處理和FN3處理下DR模式2季稻產(chǎn)量合計(jì)分別增加17.9%和21.1%。TR模式下，F(xiàn)N1處理早稻產(chǎn)量比FN2處理增加13.4%，F(xiàn)N1處理的2季稻產(chǎn)量合計(jì)要比FN2處理增加16.1%。DR模式下，F(xiàn)N1處理2季稻產(chǎn)量合計(jì)較FN2處理增加12.6%，F(xiàn)N2處理早稻產(chǎn)量較FN3處理增加11.0%。CR模式下，F(xiàn)N1處理早稻產(chǎn)量比FN2處理增加11.4%。此外，DR-FN1處理2季稻產(chǎn)量合計(jì)最高。

圖1 不同處理下水稻產(chǎn)量

圖2 不同處理下稻田CH4通量動(dòng)態(tài)變化

2.2 不同灌溉施氮模式下稻田CH4排放

圖2為各處理早晚稻生育期內(nèi)稻田CH4通量動(dòng)態(tài)變化。圖2中F表示追肥，D表示前后幾天處于曬田。TR和CR模式稻田CH4通量在施分蘗肥后增加，分蘗中期出現(xiàn)峰值后，稻田CH4通量呈先減后增趨勢，之后曬田期稻田CH4通量大幅度下降，復(fù)水后稻田CH4通量呈增加趨勢，直到成熟期自然落干前出現(xiàn)小排放峰。DR模式稻田CH4通量在施分蘗肥后于分蘗前期出現(xiàn)排放峰值，之后呈波動(dòng)減少趨勢，直到曬田期稻田CH4通量大幅度下降，復(fù)水后無增長趨勢。

由表2可知，灌溉方式、施氮處理、采樣時(shí)期和稻季均顯著影響稻田CH4累積排放量，且除施氮處理與稻季二因素之間的交互作用影響不顯著外，其他二因素之間的交互作用極顯著影響稻田CH4累積排放量。此外，灌溉方式、采樣時(shí)期和稻季三因素之間的交互作用也顯著影響稻田CH4累積排放量。

表2 CH4和N2O累積排放量的方差分析

注<0.05，顯著；<0.01，極顯著；>0.05不顯著。

由表3可知，各處理2季稻田CH4排放量主要集中在分蘗期，分蘗期晚稻田和早稻田CH4累積排放量分別占整個(gè)生育期的55%～79%和81.4%～95.3%。

由表3可知，與CR模式相比，晚稻季，在分蘗期，F(xiàn)N1處理下DR模式稻田CH4排放量降低36.6%，F(xiàn)N2處理下TR和DR模式分別降低22.0%和45.9%，F(xiàn)N3處理下DR模式降低38.8%；在孕穗期，F(xiàn)N1、FN2處理和FN3處理下DR模式稻田CH4排放量分別降低44.6%、38.4%和46.1%；在乳熟期，F(xiàn)N1處理下TR和DR模式稻田CH4排放量分別降低32.3%和97.9%，F(xiàn)N2處理下TR和DR模式分別降低48.6%和97.2%，F(xiàn)N3處理下DR模式降低97.2%。在成熟期，F(xiàn)N1處理下TR和DR模式稻田CH4排放量分別降低65.8%和97.0%，F(xiàn)N2處理下TR和DR模式分別降低56.4%和99.1%，F(xiàn)N3處理下DR模式降低94.7%。整個(gè)生育期FN1處理和FN2處理下TR和DR模式稻田CH4排放量分別降低23.5%和55.9%以及31.4%和65.3%，F(xiàn)N3處理下DR模式降低54.0%。TR模式下，F(xiàn)N1處理乳熟期、成熟期和整個(gè)生育期稻田CH4排放量比FN2處理分別降低25.9%、64.2%和22.7%，F(xiàn)N3處理乳熟期和整個(gè)生育期稻田CH4排放量較FN2處理分別降低31.0%和23.1%；CR模式下，F(xiàn)N1處理分蘗期、乳熟期、成熟期和整個(gè)生育期稻田CH4排放量較FN2處理分別降低22.5%、43.7%、54.3%和30.7%，F(xiàn)N3處理晚稻分蘗期、乳熟期、成熟期和整個(gè)生育期稻田CH4累積排放量較FN2處理分別降低24.6%、54.6%、72.4%和35.4%（表3）。

早稻季，與CR模式相比，在分蘗期，F(xiàn)N2處理下DR模式稻田CH4排放量降低36.1%（表3）。在孕穗期，F(xiàn)N1處理下TR模式稻田CH4排放量降低53.3%，F(xiàn)N2處理下TR模式增加61.5%，而DR模式降低41.8%。在乳熟期，F(xiàn)N2處理下TR模式稻田CH4排放量增加37.2%，而DR模式降低56.8%。在成熟期，F(xiàn)N1、FN2處理下DR模式稻田CH4排放量分別降低68.7%和77.7%。整個(gè)生育期FN1處理和FN2處理下DR模式稻田CH4累積排放量分別降低35.6%和41.1%。TR模式下，F(xiàn)N1處理孕穗期和乳熟期稻田CH4排放量比FN2處理分別降低79.6%和50.6%，F(xiàn)N3處理孕穗期、乳熟期、成熟期和整個(gè)生育期稻田CH4排放量比FN2處理分別降低57.1%、60.4%、64.0%和31.9%。CR模式下，F(xiàn)N3處理整個(gè)生育期稻田CH4累積排放量比FN2處理降低24.5%（表3）。

FN1、FN2處理和FN3處理下，TR和DR模式整個(gè)生育期2季稻田CH4累積排放量分別降低20.1%和47.9%，22.5%和56.8%以及17.1%和43.0%（表3）。TR模式下，F(xiàn)N1處理整個(gè)生育期2季稻田CH4累積排放量較FN2處理降低22.9%，F(xiàn)N3處理2季稻田CH4累積排放量較FN2處理降低26.8%。CR模式下FN3處理整個(gè)生育期2季稻田CH4累積排放量較FN2處理降低31.6%。因此，TR和DR模式整個(gè)生育期2季稻田CH4排放量顯著低于CR模式。TR和CR模式下，F(xiàn)N3處理整個(gè)生育期2季稻田CH4排放量顯著低于FN2處理。

表3 不同處理下不同生育期稻田CH4累積排放量

注 TS-分蘗期；BS-孕穗期；MS-乳熟期；RS-成熟期，表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（=3），同一行不同小寫字母表示差異顯著（<0.05）。

2.3 不同灌溉施氮模式下稻田N2O排放

圖3為不同處理下早晚稻整個(gè)生育期內(nèi)稻田N2O通量動(dòng)態(tài)變化。TR和CR模式稻田N2O通量在分蘗期基本處于吸收狀態(tài)，無N2O排放，DR模式在排放與吸收之間波動(dòng)。曬田時(shí)期TR和DR模式稻田N2O通量大幅度增長，而CR模式則增長幅度小，復(fù)水后稻田N2O通量呈降低趨勢。在乳熟期中期，稻田N2O通量出現(xiàn)排放峰，進(jìn)入成熟期后TR、DR和CR模式稻田N2O通量都呈增加趨勢。此外，各處理孕穗期2季稻田N2O通量較低。

由表2可知，灌溉方式、采樣時(shí)期、稻季以及采樣時(shí)期和稻季間的交互作用極顯著影響稻田N2O累積排放量。各處理兩季稻田N2O排放量主要集中在乳熟期和成熟期（表4）。

由表4可知，晚稻季，在分蘗期與乳熟期，F(xiàn)N1、FN2處理和FN3處理下TR和DR模式稻田N2O排放量與CR模式之間的差異均不顯著。在孕穗期，F(xiàn)N1和FN2處理下DR模式稻田N2O排放量較CR模式分別增加313.1%和259.6%。在成熟期，與CR模式相比，F(xiàn)N1處理下TR模式稻田N2O排放量增加60.6%，F(xiàn)N3處理下DR模式增加79.9%。FN1、FN2處理和FN3處理下，整個(gè)生育期DR模式稻田N2O累積排放量較CR模式分別增加575.8%、589.3%和406.1%。此外，TR和CR模式下，F(xiàn)N3處理成熟期稻田N2O排放量較FN2處理分別降低46.3%和43.6%。

早稻季，在分蘗期，F(xiàn)N1、FN2處理和FN3處理下TR和DR模式稻田N2O排放量與CR模式之間的差異不顯著（表4）；在孕穗期，與CR模式相比，F(xiàn)N1處理下TR和DR模式稻田N2O排放量分別增加296.0%和312.2%，F(xiàn)N2處理下TR和DR模式分別增加329.4%和311.1%，F(xiàn)N3處理下DR模式增加103.9%。在乳熟期，與CR模式相比，F(xiàn)N2處理下DR模式稻田N2O排放量增加77.8%，F(xiàn)N3處理下TR模式增加152.7%。在成熟期，與CR模式相比，F(xiàn)N1處理下DR模式稻田N2O排放量增加60.2%，F(xiàn)N2處理下TR模式增加99.8%。相比CR模式，F(xiàn)N1處理下整個(gè)生育期TR和DR模式稻田N2O排放量分別增加43.4%和64.0%，F(xiàn)N2處理下分別增加56.7%和79.1%，F(xiàn)N3處理下DR模式增加68.6%。TR模式下，F(xiàn)N3處理整個(gè)生育期稻田N2O累積排放量較FN2處理降低26.5%。DR模式下，F(xiàn)N1處理乳熟期和成熟期稻田N2O排放量較FN2處理分別降低34.0%和增加69.0%，F(xiàn)N3處理乳熟期稻田N2O排放量較FN2處理降低65.5%。CR模式下，F(xiàn)N1處理乳熟期稻田N2O排放量比FN2處理增加54.3%，而FN3處理乳熟期和成熟期稻田N2O排放量較FN2處理分別降低55.0%和95.3%（表4）。

與CR模式相比，F(xiàn)N1處理下TR和DR模式整個(gè)生育期2季稻田N2O累積排放量分別增加69.3%和146.2%，F(xiàn)N2處理下分別增加85.2%和160.7%；FN3處理下DR模式增加120.7%（表4）。TR模式下，F(xiàn)N3處理整個(gè)生育期2季稻田N2O累積排放量較FN2處理降低32.3%。因此，TR和DR模式整個(gè)生育期2季稻田N2O累積排放量顯著高于CR模式。TR模式下FN3處理整個(gè)生育期早稻田N2O排放量和2季稻田N2O累積排放量顯著低于FN2處理。

2.4 不同灌溉施氮模式下稻田溫室效應(yīng)

由表5可知，CH4和N2O對(duì)稻田的貢獻(xiàn)不同，CH4對(duì)的貢獻(xiàn)率達(dá)99%以上，而N2O對(duì)的貢獻(xiàn)率不足1%，因此，CH4是稻田排放的主要溫室氣體。與CR模式相比，F(xiàn)N1處理和FN2處理下TR和DR模式的CH4增溫潛勢分別降低20.1%和47.9%以及22.5%和56.8%，F(xiàn)N3處理下DR模式降低43.0%。FN1、FN2、FN3處理下，TR和DR模式N2O增溫潛勢較CR模式增加不顯著。FN1處理和FN2處理下，TR和DR模式較CR模式分別降低20.0%和47.5%以及22.4%和56.5%，F(xiàn)N3處理下DR模式降低42.7%。與CR模式相比，F(xiàn)N1處理和FN2處理下TR和DR模式稻田分別降低28.4%和56.9%以及19.0%和60.1%，F(xiàn)N3處理下DR模式降低54.8%。

表5 不同處理下稻田全球增溫潛勢（GWP）及溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）

注 同列不同小寫字母表示差異顯著（<0.05），相同小寫字母或沒有字母表示差異不顯著（>0.05）。

由表5可知，與FN2處理相比，DR模式下FN1處理的CH4增溫潛勢、和分別降低9.8%、9.6%和21.0%，CR模式下分別降低25.2%、25.2%和26.7%，TR模式下FN1處理的降低35.2%。此外，CR模式下FN3處理的CH4增溫潛勢、和較FN2處理分別降低31.6%、31.6%和21.8%。此外，稻田和以DR-FN1處理最低，CR-FN2處理最高。

3 討論

3.1 不同灌溉施氮模式下水稻產(chǎn)量

TR和DR模式水稻產(chǎn)量較CR模式提高，DR模式水稻產(chǎn)量最高，以往研究也有相似的結(jié)果[7,16]。在一定施氮量范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，水稻產(chǎn)量增加[17]，本研究FN2處理（純氮120 kg/hm2）水稻產(chǎn)量較FN3處理（純氮90 kg/hm2）提高。與FN2處理（ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）相比，F(xiàn)N1處理（ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=20∶40∶40）水稻產(chǎn)量提高。朱從樺等[18]開展不同氮肥運(yùn)籌模式（N1模式ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=60∶20∶20，N2模式ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=40∶20∶40，N3模式ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=20∶20∶60）研究表明，N2模式產(chǎn)量比N1模式和N3模式增加7.5%～15.8%。因此合理的基肥、分蘗肥和穗肥比例會(huì)提高水稻產(chǎn)量。

3.2 不同灌溉施氮模式下稻田CH4排放

本研究分蘗期2季稻田CH4平均排放量遠(yuǎn)高于其他3個(gè)時(shí)期的主要原因是田間的水分管理。CR模式在分蘗期時(shí)處于淹水狀態(tài)，有利于CH4的產(chǎn)生，TR與CR模式分蘗期CH4平均排放量高的原因如下：一是相比其他3個(gè)時(shí)期，分蘗期處于根系發(fā)育階段，能產(chǎn)生更多的根系分泌物，為CH4的產(chǎn)生提供前提基質(zhì)；二是分蘗末期曬田改善土壤通氣性，產(chǎn)CH4菌活性降低，曬田后復(fù)水也未能恢復(fù)產(chǎn)CH4菌活性，致使稻田CH4排放降低[19]。三是曬田后復(fù)水進(jìn)入孕穗期，水稻根系氧化膜表面積增加，促進(jìn)CH4氧化菌數(shù)量增多，致使土壤CH4被氧化量增加，稻田CH4排放量降低。孕穗期CH4累積排放量低于乳熟期，主要原因可能是分蘗末期長達(dá)1周的曬田，使產(chǎn)CH4菌生長區(qū)域深度與產(chǎn)CH4菌活性降到最低點(diǎn)，從孕穗期到乳熟期產(chǎn)CH4菌活性處于恢復(fù)狀態(tài)。

灌溉模式通過改變稻田土壤水分狀況，從而改變生育期內(nèi)稻田CH4的排放[20]。相比淹灌模式，節(jié)水灌溉模式能顯著降低稻田CH4排放通量，特別是DR模式[13]。本研究TR和DR模式CH4排放量顯著低于CR模式，且TR模式CH4排放量高于DR模式。相比CR模式，TR模式土壤水層較薄，增加了土壤表層氧化層的厚度，增加了土壤CH4氧化速率，因此TR模式對(duì)CH4具有減排效果；DR模式一直處于薄水層和無水層之間交替，在一定程度上致使產(chǎn)CH4菌生長區(qū)域往土壤深處轉(zhuǎn)移和降低了產(chǎn)CH4菌活性，使CH4產(chǎn)生量較少，同時(shí)增加了土壤表層氧化層的厚度，增加土壤CH4氧化速率，導(dǎo)致稻田CH4排放量降低。

TR、DR和CR模式下，F(xiàn)N3處理（施氮量為90 kg/hm2）早晚稻田以及2季稻田CH4累積排放量低于FN2處理（施氮量為120 kg/hm2）。一定施氮范圍內(nèi)，稻田CH4排放隨施氮量增加而增加，且氮肥對(duì)CH4的氧化有抑制作用，從而增加CH4的排放[21]。與FN2處理相比，F(xiàn)N1處理降低早晚稻田以及2季稻田CH4累積排放量，這因?yàn)榛屎头痔Y肥施氮量多，促進(jìn)水稻根系發(fā)育，增加根系分泌物，為CH4產(chǎn)生提供更多的前體基質(zhì)[22]。

3.3 不同灌溉施氮模式下稻田N2O排放

稻田N2O排放主要集中在乳熟期和成熟期，分蘗期和孕穗期主要為負(fù)值，呈消耗狀態(tài)。水稻生長中期曬田導(dǎo)致N2O排放出現(xiàn)峰值，此時(shí)土壤水分條件對(duì)硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長繁殖較為有利，促進(jìn)了稻田N2O的排放，裴自偉等[23]也得到類似結(jié)果。本研究分蘗期和孕穗期稻田長時(shí)間處于厭氧狀態(tài)，形成強(qiáng)還原環(huán)境，促進(jìn)反硝化作用，導(dǎo)致最終產(chǎn)物N2的形成，消耗大量的中間產(chǎn)物N2O，厭氧環(huán)境抑制了硝化作用，使NO3-基質(zhì)得不到補(bǔ)充，大幅度減少中間產(chǎn)物N2O的形成，使得土壤與空氣中的N2O形成濃度差，大氣中的N2O進(jìn)入土壤[24]。

灌溉模式通過改變稻田土壤水分狀況影響稻田N2O排放[29]。本研究顯示，TR和DR模式2季稻田N2O平均排放通量和累積排放量高于CR模式，且DR模式N2O累積排放量高于TR模式，而稻田在淹水時(shí)，N2O通量非常小，但在濕-干過程中達(dá)到頂峰[25]。以往有關(guān)2季水稻大田試驗(yàn)不同時(shí)期稻田N2O排放通量也得出，淹水狀態(tài)下N2O排放很少，N2O排放主要集中在水分落干期間。TR和DR模式下稻田N2O平均排放通量較CR模式有所提高[14, 26]。由于TR模式一直處于薄水層，經(jīng)過曬田土壤進(jìn)入強(qiáng)氧化狀態(tài)，復(fù)水后減少了土壤中O2量，促進(jìn)中間產(chǎn)物N2O的形成；DR模式處于薄水層和無水層之間交替中，大幅度促進(jìn)中間產(chǎn)物N2O的形成。

FN2處理（施氮量為120 kg/hm2）2季稻田N2O累積排放通量高于FN3處理（施氮量為90 kg/hm2），可能是因?yàn)楦呤┑吭黾酉趸头聪趸饔玫牡孜?，提高硝化作用與反硝化作用強(qiáng)度，從而增加稻田N2O排放[27]。本研究FN1處理2季稻田N2O累積排放通量高于FN2處理，主要是因?yàn)镕N1處理穗肥多于FN2處理所致。

3.4 不同灌溉施氮模式下稻田溫室效應(yīng)

綜合分析不同灌溉施氮模式下稻田CH4、N2O的綜合增溫潛勢與溫室氣體排放強(qiáng)度。稻田和以DR-FN1處理最低，CR模式-FN2處理最高。不同處理下CH4對(duì)的貢獻(xiàn)率都達(dá)99%以上，是稻田主要的溫室氣體。與常規(guī)灌溉相比，TR和DR模式在保持產(chǎn)量不降低的前提下，降低了稻田和，DR模式CH4和N2O增溫潛勢低于TR和CR模式；不同施氮處理下，F(xiàn)N1和FN3處理CH4和N2O增溫潛勢均低于FN2處理，F(xiàn)N1處理最低，這表明氮肥施用量的減少，可以降低稻田CH4、N2O的，且改變基追肥比例，也可以降低并且在不減氮的基礎(chǔ)上改變基追肥比例較減氮處理顯著降低稻田溫室效應(yīng)。由于氮肥施用量的增加，使稻田N2O排放量增加，且N2O在大氣中難以凈化，大氣中N2O的積累對(duì)全球溫室效應(yīng)的影響會(huì)越來越大，因此，稻田N2O的排放同樣不可忽略[22]。秦曉波等[28]通過不同施肥處理（NPKS、CK、NPK和NKM）對(duì)稻田CH4和N2O排放的影響發(fā)現(xiàn)，NPKS處理全球增溫潛勢最高，NPK處理最低。但由于N2O在總增溫潛勢中貢獻(xiàn)不足1%，考慮綜合效應(yīng)，節(jié)水灌溉是減少稻田溫室效應(yīng)的有效措施。故尋求一種既能抑制CH4產(chǎn)生，又能減少N2O排放的灌溉施氮模式，將會(huì)對(duì)水稻溫室氣體減排起重要作用。DR模式和TR模式能改善稻田土壤含氧量，根系活力強(qiáng)，抑制CH4產(chǎn)生。節(jié)水灌溉模式與基追肥比例1∶1是減少稻田綜合溫室效應(yīng)的有效措施，DR-FN1處理的灌溉施氮模式較為適宜。

4 結(jié)論

1）TR和DR模式水稻產(chǎn)量較CR模式高，CR和DR模式下FN2（純氮120 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）水稻產(chǎn)量較FN1（純氮120 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=20∶40∶40）高。整個(gè)生育期TR和DR模式2季稻田CH4排放量顯著低于CR模式，而N2O累積排放量顯著高于CR模式。TR模式下，F(xiàn)N3（純氮90 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘗肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）整個(gè)生育期2季稻田CH4和N2O累積排放量顯著低于FN2處理。

2）DR模式CH4增溫潛勢顯著低于TR和CR模式，而TR和DR模式N2O增溫潛勢高于CR模式。TR、DR模式和CR模式下，F(xiàn)N1處理CH4增溫潛勢和N2O增溫潛勢均低于FN2處理。由于CH4是稻田排放的主要溫室氣體，TR和DR模式2季稻田和低于CR模式，且以DR模式和最低。FN1和FN3處理稻田低于FN2處理，且以FN1處理稻田最低。

3）不同施氮處理下，TR和DR模式可以降低和；TR和DR模式下，應(yīng)采用低氮肥用量以及少施基肥和多施追肥方案來降低和。其中DR-FN1處理增加水稻產(chǎn)量并降低和，是合適的灌溉施氮模式。

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CH4and N2O Emissions from Rice Field as Affected by Different Combinations of Irrigation and Nitrogen Fertilization

LI Yifan, LI Luobu, LI Fusheng*

(College of Agriculture, Guangxi University, Nanning 530005, China)

【】Greenhouse gas emissions from agricultural soils are modulated by a multitude of abiotic and biotic factors, and the objective of this study is to elucidate how irrigation and nitrogen (N) fertilization combine to affect emissions of methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) from double-harvest rice field in south China.【】The experiment was conducted in a rice field and compared three irrigations: conventional irrigation (CK), thin-wet-dry irrigation (TR), alternate wet and dry irrigation (DR); and three N fertilizations:120 kg/hm2with 20% used for basal and 80% for topdressing (FN1), 120 N kg/hm2with 50% for basal and 50% for topdressing (FN2), 90 N kg/hm2with 50% for basal and 50% for topdressing (FN3). In each treatment, we measured crop yield, emission of CH4and N2O, and then calculated their global warming potential () andemission intensity ().【】Compared with CK combined with FN1 or FN2, DR combined with FN1 or FN2 increased total yield of the rice at the two seasons by 17.9% and 21.1%, respectively. In contrast, combing TR or CK with FN1 increased the yield of the early rice and the yields of the rice in the two seasons by 13.4% and 11.4%, and 16.1% and 12.6%, respectively, compared with their combination with FN2. Under DR irrigation, FN3 increased the early rice yield by 11.0% compared to FN2. Of all treatments, DR+FN1 was optimal in increasing total yield of the rice in the two seasons. Compared to CK, TR and DR reduced the cumulative CH4emissions over the whole growth season by 17.1%～22.5% and 43.0%～56.8%, respectively; but when combined with FN1 or FN2, they increased the cumulative N2O emissions by 69.3%～85.2% and 146.2%～160.7%, respectively. Combing TR and FN2 reduced the cumulative CH4and N2O emissions by 26.8% and 32.3%, respectively, compared to its combination with FN3.【】In terms of irrigation, TR and DR reduced bothandcompared to CK, especially DR. In terms of N fertilization, FN1 and FN3 emitted less gases than FN2, especially FN1. Therefore, TR and DR combined with reduced N application was more effective to mitigateand, especially after reducing its proportion for basal application.

“Thin-wet-dry” irrigation; alternate wetting and drying irrigation; CH4and N2O emission; global warming potential; greenhouse gas emission intensity

1672 - 3317（2021）12 - 0044 - 10

S1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021081

李熠凡, 李烙布, 李伏生. 不同灌溉施氮模式對(duì)稻田甲烷和氧化亞氮排放的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(12): 44-53.

LI Yifan, LI Luobu, LI Fusheng. CH4and N2O Emissions from Rice Field as Affected by Different Combinations of Irrigation and Nitrogen Fertilization[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(12): 44-53.

2021-05-28

廣西科技計(jì)劃-基地和人才專項(xiàng)（AD17195060）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51469003）

李熠凡（1998-），女，陜西寶雞人。碩士研究生，主要從事水土資源利用與環(huán)境方面的研究。E-mail: 869203013@qq.com

李伏生。E-mail: 19880066@gxu.edu.cn

責(zé)任編輯：白芳芳