江漢平原秸稈還田配合氮肥減施對(duì)稻田CH4和N2O排放的影響

劉章勇，晏曉原，郭顯金，高珍珍，王蓉，金濤

1.濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 荊州 434025 2.湖北省秭歸縣農(nóng)業(yè)綜合執(zhí)法大隊(duì)，湖北 秭歸 443600

CH4和N2O是大氣中重要的溫室氣體，在100a尺度下，其增溫效應(yīng)分別為CO2的25倍和298倍[1]，且大氣中的CH4和N2O濃度正以每年0.6%和0.2%～0.3%的速率增長(zhǎng)[2]，其中農(nóng)業(yè)溫室氣體的排放占到全球人為排放的13.5%，為溫室氣體的第二大排放源[3]。據(jù)研究稻田CH4排放量約占全球人為CH4總排放的12%～26%[4]。稻田作為主要糧食作物的生產(chǎn)基地，N2O排放量占總排放量的11%～25%[5]。因此，研究稻田溫室氣體排放特征規(guī)律，并探索高產(chǎn)減排的水稻種植模式已成為研究的熱點(diǎn)問題。

作物收獲后剩余大量秸稈[6]，秸稈還田作為一種資源再利用的方式，其還田效果受多方面的影響。秸稈中含有大量的氮磷鉀等養(yǎng)分，還田后能達(dá)到培肥增產(chǎn)的目的。但是，大量研究表明秸稈還田會(huì)增加農(nóng)田溫室氣體排放[7-9]，也有研究顯示會(huì)降低排放[10]。李靜等[11]研究顯示不同秸稈還田方式(旋耕>翻耕>免耕)會(huì)對(duì)稻田全球增溫潛勢(shì)(global warming potential，GWP)產(chǎn)生顯著影響。秸稈還田年限對(duì)溫室氣體排放的影響也各不相同，張翰林等[12]研究顯示秸稈還田一年能夠顯著降低GWP，但隨著年限增加效果會(huì)逐漸不顯著。不同耕作方式同樣會(huì)影響秸稈還田的效果，馬永躍等[13]研究顯示CH4和N2O排放量大小為機(jī)插>直播>手插>拋秧。李成芳等[10]的研究顯示不同秸稈還田量的排放效果也各不相同，其GWP隨著秸稈還田量的增加而降低。馮曉赟等[14]研究顯示，秸稈配合氮肥施入能夠顯著降低 GWP和單位糧食產(chǎn)量溫室氣體排放強(qiáng)度(greenhouse gas intensity，GHGI)。呂澤芳等[15]的研究顯示不同類型的秸稈還田對(duì)N2O排放影響效果也不同。同時(shí)秸稈的長(zhǎng)度和還田量等對(duì)稻田溫室氣體排放影響也各不相同[16]。相關(guān)研究表明，田間氮肥施用對(duì)稻田CH4有顯著影響，有研究認(rèn)為氮肥施加會(huì)增加稻田CH4排放，也有研究表明隨著氮肥施入增加稻田CH4排放減少[17]。氮肥施用是影響稻田N2O排放的重要因素, 且隨著氮肥用量的增加, N2O的排放也呈明顯增加趨勢(shì)[18]。因此，如何有效利用秸稈配合氮肥達(dá)到增產(chǎn)減排的目的是一個(gè)日趨迫切的課題。

前人針對(duì)秸稈還田做了大量研究，但關(guān)于江漢平原地區(qū)稻-油模式下油菜秸稈還田配合氮肥減施對(duì)環(huán)境效應(yīng)相關(guān)研究較少。因此，研究通過大田試驗(yàn)的方式從油菜秸稈還田配合氮肥減施的角度，利用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法探討稻田CH4與N2O的排放特征及其對(duì)GWP和GHGI的影響，同時(shí)測(cè)量相關(guān)土壤理化指標(biāo)探明影響稻田溫室氣體排放的影響因素，以期為當(dāng)?shù)刂贫怏w減排施肥的措施和種植制度提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與供試材料

試驗(yàn)地位于湖北省荊州市荊州區(qū)長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)業(yè)高科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)(30°06′N,111°54′E)，該地屬江漢平原，為亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫16～17℃，≥10℃積溫5100～5300℃。年降雨量1100～1300mm,試驗(yàn)地土壤類型為河流沖擊物發(fā)育的潴育型水稻土。試驗(yàn)前土壤本底值為全氮含量2.04g/kg、有機(jī)質(zhì)含量30.28g/kg、速效磷含量3.55mg/kg、pH 8.41。中稻供試品種為隆兩優(yōu)華占，油菜供試品種為T2159。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理：常規(guī)施肥(N)、油菜秸稈加常規(guī)施肥(S+N)、油菜秸稈加減氮20%施肥(S+N 80%)。試驗(yàn)小區(qū)面積50m2,設(shè)4個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)之間用水泥田埂隔開，田埂寬25cm，各小區(qū)均獨(dú)立排灌。常規(guī)施肥中N、P2O5、K2O的總用量分別為180、72、90kg/hm2,所用氮肥、磷肥和鉀肥品種分別為尿素(46%)、過磷酸鈣(12%)和氯化鉀(60%)。磷肥全部基施，氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶2∶4分3次施用，鉀肥按基肥∶穗肥=4∶1分2次施用；氮肥減施20%氮肥總用量144kg/hm2,所有時(shí)期均減氮20%按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3分3次施用，磷鉀肥的施用同常規(guī)施肥。秸稈切成10cm小段，按基肥施于土壤表面，油菜秸稈全氮、全磷、全鉀含量分別為6.61、0.62、17.11g/kg，還田量均為3000kg/hm2。水稻生長(zhǎng)期間采用干濕交替的灌溉模式，水稻成熟前1周停止灌水。試驗(yàn)于2018年5月11日播種，6月6日移栽，9月20日收獲。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.4 數(shù)據(jù)處理

溫室氣體排放通量和累積排放量計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[15]，全球增溫潛勢(shì)(GWP)和單位糧食產(chǎn)量溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[19]。

采用EXCEL 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，方差分析、多重比較、相關(guān)分析等均采用 SPSS 25完成，圖樣制作采用ORIGIN 2018。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)CH4與N2O排放通量的影響

3種處理下水稻生長(zhǎng)季土壤CH4排放的變化趨勢(shì)基本一致(見圖1)，表現(xiàn)為前期高后期低的趨勢(shì)。各處理CH4排放主要集中在水稻施用分蘗肥后到曬田期之前(6月14日—7月23日)，各處理CH4排放的最高峰出現(xiàn)在水稻分蘗期，3種處理排放通量從高到低順序依次為S+N、N、S+N 80%，排放通量依次為25.26、20.84、14.97mg/(m2·h)。各處理CH4排放的低峰出現(xiàn)在始穂期(8月9日)之前，3種處理排放通量從高到低順序依次為S+N 80%、N、S+N，排放通量依次為-2.73、-4.53、-6.01mg/(m2·h)。整個(gè)生育期CH4排放通量在-6.01～25.26mg/(m2·h)之間。

圖1 不同處理的CH4和N2O排放通量Fig.1 CH4 and N2O emission fluxes of different treatments

各處理N2O排放通量有較明顯的季節(jié)變化特征，且各處理排放通量在-9.19～58.12μg/(m2·h)之間。S+N處理排放峰值在施用分蘗肥(6月14日)后第6天達(dá)到峰值，為50.03μg/(m2·h)，N和S+N 80%處理排放最大峰值出現(xiàn)在水稻生長(zhǎng)后期，分別為58.12μg/(m2·h)和57.29μg/(m2·h)。各處理N2O排放通量排放主要集中在分蘗期和曬田后的干濕交替階段。

2.2 不同施肥處理對(duì)于CH4與N2O累積排放量的影響

根據(jù)各處理的CH4與N2O排放通量計(jì)算CH4與N2O累積排放量，從表1結(jié)果可看出，S+N處理CH4累積排放量最高，為166.97kg/hm2；S+N 80%處理CH4累積排放量最低，為69.69kg/hm2。各處理間均有顯著性差異(P<0.05)，S+N處理對(duì)比N處理CH4排放增加了50.26%，說明秸稈加氮肥的施入能夠增加CH4的排放;S+N 80%處理對(duì)比N處理CH4排放減少了37.28%，說明秸稈配合減氮施肥能夠降低CH4的排放;S+N處理與S+N 80%處理之間CH4排放達(dá)到極顯著水平，表明減氮和秸稈的配合施入對(duì)比秸稈加氮肥能夠大幅度減少CH4排放。

表1 不同施肥處理CH4和N2O的排放總量、100a尺度水平上的GWP和GHGITable 1 Total CH4 and N2O emissions, GWP and GHGI at 100a scale level under different fertilization treatments

各處理的N2O累積排放量從高到低順序依次為N、S+N、S+N 80%,其中S+N和S+N 80%處理比N處理N2O累積排放量分別減少了27.78%和31.94%，且均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)；S+N 80%處理比S+N處理N2O略微下降，但并無顯著差異。3種處理排放結(jié)果表明，秸稈配合氮肥比單施氮肥能夠減少N2O的排放，秸稈田基礎(chǔ)上減氮施肥對(duì)減排N2O效果并不明顯。

2.3 不同施肥處理對(duì)于GWP和GHGI的影響

從表1結(jié)果可看出，各處理間GWP差異均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)，GWP的范圍為1887.14～4330.40kg CO2eq/hm2，以S+N處理最高，S+N 80%最低 。S+N處理相較于N處理GWP提高了44.75%，S+N 80%處理相較于N處理GWP減少了36.92%。S+N 80%處理GWP下降顯著，減排效果最好。所有處理水稻產(chǎn)量在11464.18～13350.19kg/hm2之間，其中以S+N處理最高(13350.19kg/hm2)，3種處理水稻產(chǎn)量從高到低順序依次為S+N、N、S+N 80%，但處理間并無顯著差異(P<0.05)，說明在3000kg/hm2油菜秸稈還田和減氮20%施肥條件下并不會(huì)顯著影響水稻產(chǎn)量。所有處理GHGI在0.16～0.25kg/kg之間，S+N處理較N處理GHGI上升了32%，且達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；S+N 80%處理較N處理GHGI下降了36%，達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。

2.4 不同施肥處理對(duì)土壤理化指標(biāo)的影響

圖2 土壤的土溫、pH的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of soil soil temperature and pH

2.5 CH4和N2O的排放通量與環(huán)境因素的相關(guān)性

表2 土壤理化性質(zhì)與CH4和N2O排放通量的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between soil physical and chemical properties and CH4 and N2O emission fluxes

3 討論

3種處理下CH4的排放主要集中在水稻生長(zhǎng)的前中期，與前人研究結(jié)果一致[17，20]，且前期較中期排放少，主要是水稻生長(zhǎng)前期氧化能力較強(qiáng)而水稻植株的氣泡擴(kuò)散和排氣能力相對(duì)較弱，導(dǎo)致高濃度CH4在土壤中積累，而觀測(cè)排放通量相對(duì)較低[21]。到水稻生長(zhǎng)中期植株排氣能力提高使得土壤中CH4排放，排放通量迅速提高。到水稻生長(zhǎng)后期稻田水分排干，致使稻田無法完全形成厭氧環(huán)境，使得產(chǎn)甲烷菌活性降低，CH4排放量降低[22]。S+N處理CH4排放通量顯著高于N，主要是由于秸稈的施入為產(chǎn)甲烷菌提供了充足的養(yǎng)分，并增加了土壤中的有效碳基質(zhì)，提高了產(chǎn)甲烷菌的活性[23-26]。隨著秸稈的腐解，土壤中氧氣被消耗，使得厭氧環(huán)境加劇導(dǎo)致CH4大量產(chǎn)生。也有研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田會(huì)顯著降低CH4的排放，且隨著秸稈還田量的增加，CH4累積排放量會(huì)越低[27]，可能的原因是秸稈在土壤表面減少了與土壤的接觸，使土壤內(nèi)部CH4基質(zhì)降低[10]。S+N 80%處理比N處理CH4累積排放量顯著降低。這是由于減氮施肥使得土壤中氮素減少降低了土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率，降低了土壤中氧化菌的活性，同時(shí)相對(duì)于常規(guī)施肥減氮降低了銨態(tài)氮含量，促進(jìn)了CH4氧化，抑制了CH4產(chǎn)生[28]。由于研究未設(shè)置不同的減氮梯度和不同秸稈還田量，可能存在不同還田量和減氮量結(jié)合的情況下CH4排放增加的情況。

3種處理下N2O排放均處于較低水平，各處理均在施肥后，N2O排放量迅速增加，說明施入氮肥為土壤提供了N2O產(chǎn)生的基質(zhì)，這與姜珊珊等[29]的研究結(jié)果一致。S+N和S+N 80%處理較N處理N2O累積排放均有顯著降低，可能是由于秸稈的施入提高了土壤碳氮比使土壤中碳含量增加而氮含量不足，導(dǎo)致微生物被迫固定土壤中的有效態(tài)氮，減少了N2O產(chǎn)生的氮基質(zhì)，進(jìn)而降低了N2O排放量[30]。S+N 80%對(duì)比S+N處理N2O累積排放量有所下降但并無顯著差異，可能是由于減氮和秸稈還田量梯度設(shè)置不夠。也有研究顯示，秸稈還田會(huì)促進(jìn)稻田N2O的排放量，可能的原因是秸稈還田增加了土壤微生物的數(shù)量，對(duì)土壤氧氣消耗量增加，使得反硝化作用加強(qiáng)，有利于N2O的產(chǎn)生[31]。秸稈還田對(duì)稻田N2O排放的影響結(jié)論尚不統(tǒng)一，還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

GWP是平衡環(huán)境效益的重要指標(biāo)，研究中CH4和N2O的排放通量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(見表2)，呈現(xiàn)出一種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，與前人研究的結(jié)果一致[32]。通過單位CO2當(dāng)量計(jì)算，CH4對(duì)GWP的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于N2O，從節(jié)能減排的角度應(yīng)著重從CH4方向著手。秸稈還田條件下的GWP顯著高于常規(guī)施肥處理，這與張?jiān)婪嫉萚33]的研究結(jié)論一致。也有學(xué)者認(rèn)為秸稈還田能夠降低稻田GWP[9]。溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)兼顧了作物產(chǎn)量和綜合增溫潛勢(shì)，是現(xiàn)階段低碳農(nóng)業(yè)的評(píng)價(jià)指標(biāo)[34]，秸稈配合減氮處理相比其他處理能顯著降低GHGI，而在產(chǎn)量上并無顯著差異，這是水稻產(chǎn)量和溫室氣體累積排放量共同作用的結(jié)果，說明秸稈的施入能夠?yàn)橥寥捞峁╊~外的養(yǎng)分，彌補(bǔ)減氮施肥所帶來的土壤養(yǎng)分減少，以保證水稻產(chǎn)量。秸稈的施入顯著增加了GHGI，通過減氮施肥處理能夠顯著降低因秸稈施入所帶來的溫室氣體排放強(qiáng)度增加。

綜上所述，與N處理相比，S+N處理能夠顯著降低N2O排放，顯著增加CH4排放，并且會(huì)顯著增加稻田GWP和GHGI，對(duì)產(chǎn)量無顯著影響。而S+N 80%處理在保證作物產(chǎn)量的前提下能夠顯降低稻田N2O和CH4,并且GWP和GHGI都有顯著下降，因此S+N 80%處理是一種值得推廣的施肥模式。