秸稈還田和氮肥減施對稻田溫室氣體排放的影響

摘要 為探究在連續(xù)秸稈還田條件下氮肥減施對稻田溫室氣體排放的影響，于2022年在黑龍江省前進農場科技示范園區(qū)進行了8年的定位試驗；共設7個處理：無秸稈及氮肥施加、施加氮肥、施加秸稈、施加秸稈且常規(guī)施氮、施加秸稈且減施10%氮肥、施加秸稈且減施20%氮肥、施加秸稈且減施30%氮肥，以無秸稈及氮肥施加為對照，對水稻生長期內溫室氣體排放情況進行比較。結果表明，與施加秸稈且常規(guī)施加氮肥處理相比，施加秸稈且減施10%氮肥處理、施加秸稈且減施20%氮肥處理、施加秸稈且減施30%氮肥處理的CO2累積排放量分別顯著降低20.00%、40.00%和49.43%，CH4累積排放量顯著降低16.30%、20.21%和28.80%，N2O累積排放量顯著降低48.76%、60.03%、67.74%；全球增溫潛勢顯著降低37.75%、46.90%和54.93%，溫室氣體排放強度分別顯著降低32.59%、39.79%和51.51%。在秸稈還田條件下，氮肥減施會降低水稻產量，在該試驗條件下，氮肥減施10%時溫室氣體排放量降低且水稻產量不會受較大影響。

關鍵詞 秸稈還田；氮肥減施；溫室氣體；增溫潛勢

中圖分類號 S181 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）15-0172-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.15.037

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of Straw Returning and Nitrogen Fertilizer Reduction on Greenhouse Gas Emissions in Rice Fields

CHEN Yang1，ZHU Hai-ying2，LI De-ming2 et al

（1.College of Agriculture，Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， Heilongjiang 163319;2.Dongning Agricultural Technology Extension Center，Dongning，Heilongjiang 157299）

Abstract In order to explore the impact of nitrogen fertilizer reduction on greenhouse gas emissions in paddy fields under the condition of continuous straw return，an eight-year positioning experiment was carried out in the Qianjin Farm Science and Technology Demonstration Park in Heilongjiang Province in 2022.In the experiment，there were seven treatments：straw-free and nitrogen fertilizer application，nitrogen fertilizer application，straw application，straw application and routine nitrogen application，straw application and 10% nitrogen fertilizer reduction，straw application and 20% nitrogen fertilizer reduction，straw application and 30% nitrogen fertilizer reduction，and the greenhouse gas emissions during the rice growing period were compared with straw-free and nitrogen fertilizer application.The results showed that compared with straw and conventional nitrogen fertilizer treatment，the cumulative CO2 emissions were significantly reduced by 20.00%，40.00% and 49.43%，respectively，in the treatments of straw application and 10% nitrogen fertilizer reduction， straw application and 20% nitrogen fertilizer reduction，straw application and 30% nitrogen fertilizer reduction，the cumulative emissions of CH4 were significantly reduced by 16.30%，20.21% and 28.80%，and the cumulative emissions of N2O were significantly reduced by 48.76%， 60.03% and 67.74% respectively；The global warming potential was significantly reduced by 37.75%，46.90% and 54.93%，and the greenhouse gas emission intensity was significantly reduced by 32.59%，39.79% and 51.51%，respectively.Under the condition of straw return，nitrogen fertilizer reduction will reduce rice yield，and under this experimental condition，nitrogen fertilizer reduction by 10% will reduce greenhouse gas emissions and rice yield will not be greatly affected.

Key words Straw returning to the field;Nitrogen fertilizer reduction;Greenhouse gas;Heating potential

氣候變暖是各界共同關注的全球性問題，根據IPCC第四次評估報告，我國農業(yè)源釋放的溫室氣體量占我國溫室氣體排放量的17％以上［1］，而在農業(yè)活動中，CH4的排放量占47%，N2O的排放量占58%［2］。我國是水稻生產大國，水稻產量約占全球產量的26%［3］；在農業(yè)溫室氣體排放中，稻田產生的溫室氣體效應為玉米的1.6倍，為小麥的4.6倍［4-5］。

研究表明秸稈還田量增加，CO2釋放量增加［5］，但也有研究認為秸稈還田阻擋CO2向大氣排放［6］，研究表明有機無機肥配施能夠降低CO2的排放強度［7］；在秸稈還田下配施氮肥CH4的排放通量會增加2～25倍［7］，但也有研究顯示，在秸稈還田條件下減量施肥能夠減少麥田土壤CH4的排放［8］；秸稈還田和氮肥的施加都能夠影響土壤碳氮比，增強微生物對氮素的利用，減少N2O的排放，施加秸稈對N2O排放的影響小于施加化肥的影響，且研究發(fā)現有機無機肥配施能抑制N2O的排放［9-10］。

秸稈還田、氮肥施加等單一處理條件對溫室氣體排放的研究逐漸增多，但目前關于秸稈還田條件下不同氮肥管理水平對溫室氣體排放的影響研究很少，且部分氣體排放規(guī)律表現尚有分歧，因此，筆者基于此處理條件探究對稻田溫室氣體排放的影響，旨在調控氮肥用量，合理利用秸稈，在保證水稻產量的同時減少稻田溫室氣體的排放［11-14］，為探明長期秸稈還田且氮肥減施條件下稻田土壤的減排效應提供理論依據，為調控氮肥用量、合理利用秸稈提供實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 供試水稻品種為龍粳31。試驗所添加肥料情況：尿素作為氮肥施加（N 46%），重過磷酸鈣作為磷肥施加（P2O5 46%），硫酸鉀作為鉀肥施加（K2O 50%）。氮肥施加時基肥施加40%、蘗肥施加30%、穗肥施加30%；磷肥全部用作基肥；鉀肥基肥施加60%、蘗肥施加40%。

1.2 試驗地概況 試驗地土地類型為潛育白漿土，0～20 cm土層土壤基本性質：pH 5.92，全氮1.65 g/kg，全磷0.75 g/kg，全鉀16.50 g/kg，堿解氮191.14 mg/kg，有效磷32.33 mg/kg，速效鉀183.50 mg/kg。

1.3 試驗設計

試驗地位于黑龍江省建三江管理局前進農場科技示范園區(qū)，規(guī)劃為7個小區(qū)，每個小區(qū)面積150 m2，試驗地總面積為1 050 m2，各小區(qū)對應處理方式：無秸稈及氮肥施加（CK），無秸稈且常規(guī)施氮肥（N），秸稈還田且無氮肥施加（S），秸稈還田且常規(guī)施氮肥（NS），秸稈還田且減施10%氮肥（N1），秸稈還田且減施20%氮肥（N2），秸稈還田且減施30%氮肥（N3）。

1.4 測定項目與方法

氣體樣品采集和測定采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，于水稻種植后在各個小區(qū)內分別隨機選取采集點放置底座，底座規(guī)格為0.5 m×0.5 m，高度為0.5 m，后期隨水稻生長加高至1 m，底座四周有凹槽，用于放置箱體以及采樣時對箱體進行密封，箱體內裝小風扇用于采樣時混勻氣體。采樣時間為09：30—11：00，采樣箱放置后立即開始采集氣體樣品，分別在10、20、30 min后采樣，共采集4個氣體樣品，所采集的氣體樣品當天用Agilent 7890A氣相色譜儀測定N2O、CO2和CH4濃度，每隔7 d進行一次氣體采集。

1.5 數據分析

1.5.1 溫室氣體排放通量。溫室氣體排放通量計算公式：

F=ρ×V/A×dc/dt×273/273+T

式中：F為氣體排放通量，單位為mg/（m2·h）；ρ為氣體在標準狀態(tài)下的密度（kg/m3）；V為靜態(tài)箱體積（m3）；A為靜態(tài)箱包含土壤總面積（m2）；dc/dt為氣體排放速率［μL/（L·h）］；T為平均溫度（℃）［15-17］。

1.5.2 全球增溫潛勢。全球增溫潛勢（GWP）計算公式：

GWP=298×N2O+25×CH4+CO2

式中，CO2為水稻生長季內單位面積排放的綜合溫室效應CO2當量［mg/（m2·h）］，CH4、N2O分別為稻田生長季CH4和N2O的排放總量（kg/hm2）［18-21］。

1.5.3 溫室氣體排放強度。

溫室氣體排放強度（GHGI）（kg/kg）的計算公式：

GHGI=GWP/Y

式中，Y為水稻產量（kg/hm2）［22-23］。

1.5.4 累積排放量。溫室氣體累積排放量采用內插法測定［24-25］：

CE= ［（Fi+Fi+1）/2×10-3×d×24×10］ 式中，CE是氣體累積排放量（kg/hm2），Fi和Fi+1分別為連續(xù)2個相鄰采樣時期的氣體排放通量［mg/（m2·h）］，d是連續(xù)2個采樣時期間隔天數。

所有試驗數據利用Excel 2019進行整理作圖，利用Origin 2018進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田配施氮肥對溫室氣體排放通量的影響

由圖1可知，各個處理的CO2排放通量在抽穗期均達到峰值。對比CK、N、S 3個處理排放通量發(fā)現，添加秸稈對CO2排放通量的影響比添加氮肥對CO2排放通量的影響大。對比氮肥減施的3個處理，排放通量表現為N1>N2>N3，這表明在秸稈還田條件下，氮肥施加量越小，CO2排放通量越小。

由圖2可知，各處理的CH4排放通量在分蘗期和拔節(jié)期時均較高，在抽穗期會出現排放通量的高峰。各處理中NS處理排放通量最高，在秸稈還田條件下氮肥減施的3個處理中，氮肥減施10%時CH4排放通量最高，氮肥減施20%與氮肥減施30%排放通量相差較大，表明在秸稈還田條件下氮肥施加量越少，CH4排放通量越少。

N2O排放通量變化見圖3，水稻移栽后到抽穗期間，N2O排放通量逐漸下降，在一段時間內排放通量趨于平穩(wěn)，在抽穗期排放通量逐漸升高，達到峰值后逐漸降低，再次趨于穩(wěn)定。各個處理的排放通量表現為NS>N1>N2>N3>N>S>CK，施加氮肥對N2O排放通量的影響高于添加秸稈對N2O排放通量的影響；秸稈還田條件下施加氮肥的幾個處理相比較發(fā)現，在秸稈還田條件下，減少施加氮肥能降低N2O排放通量。

2.2 秸稈還田配施氮肥對氣體累積排放量、全球增溫潛勢、溫室氣體排放強度的影響

2.2.1 氣體累積排放量。

由圖4可知，各處理的CO2累積排放量由高到低表現為NS>N1>N2>N3>N>S>CK，各處理間存在顯著（P<0.05）差異。秸稈還田條件下4個施氮處理下，N1、N2處理的CO2累積排放量比NS處理分別極顯著降低了20.02%和40.00%，N3處理顯著降低49.43%。常規(guī)添加秸稈施加氮肥處理的CO2累積排放量顯著高于其他處理，氮肥減施處理對控制CO2排放有顯著影響。

CH4的累積排放量在各處理條件下為232.73～533.41 kg/hm2，與S、N處理相比，CK處理的CH4的累積排放量分別極顯著（P<0.001）降低了28.54%和12.70%；對比NS，N1、N2、N3處理的CH4的累積排放量，分別極顯著降低了16.30%、20.21%和28.80%。添加秸稈條件下，減施氮肥對減少CH4的排放影響顯著。

N1、N2、N3處理的N2O累積排放量比NS處理分別極顯著（P<0.001）降低了48.76%、60.03%、67.74%； CK處理與S、N處理相比N2O累積排放量分別顯著降低了87.99%和71.90%。秸稈還田對N2O的排放影響低于添加氮肥對N2O排放的影響，氮肥減施對控制N2O排放有顯著影響。

2.2.2 全球增溫潛勢。

各處理條件下3種氣體對全球增溫潛勢（GWP）的貢獻由高到低表現為CH4>CO2>N2O，全球增溫潛勢在7.28～42.01 t/hm2。NS處理對全球增溫潛勢的影響顯著（P<0.05）高于其他處理，對比相同秸稈還田條件下施加氮肥的4個處理，N1、N2、N3處理比NS處理分別極顯著（P<0.001）降低了37.75%、46.90%和54.93%；對比CK、S、N處理，CK處理對全球增溫潛勢的影響與S、N處理相比顯著降低了41.53%和54.72%（圖4）。

2.2.3 溫室氣體排放強度。

各個處理溫室氣體排放強度在0.98～4.07 kg/kg，在NS處理下最高，CK處理條件下最低。CK處理與S、N處理對比，CK處理對溫室氣體排放強度的影響極顯著（P<0.001）降低了43.36%和37.62%；對比NS、N1、N2、N3處理，溫室氣體排放強度分別顯著（P<0.01）降低32.59%、39.79%和51.51%。添加秸稈和施加氮肥對溫室氣體排放的影響差異不大，秸稈還田條件下，氮肥減施對溫室氣體排放強度降低有一定的影響（圖4）。

3 討論

3.1 秸稈還田條件下氮肥減施對溫室氣體排放的影響

該研究中，各個處理的排放通量趨勢與前人研究相似［26］，水稻移栽初期呼吸作用較弱，水稻抽穗、拔節(jié)后呼吸作用增強且自然環(huán)境溫度升高導致排放通量升高；添加秸稈處理和氮肥施加處理的CO2排放量高于對照處理，這與前人研究結果相似［27-28］。秸稈添加能提供微生物所需的碳源，增強微生物活性，促進CO2排放；秸稈還田條件下氮肥減施處理的CO2排放通量低于秸稈還田且常規(guī)施加氮肥處理，這與劉杏認等［29］結果類似。施加氮肥促進了水稻生長，增強呼吸作用，加速土壤微生物呼吸釋放CO2。

添加秸稈能極顯著（P<0.001）提高CH4排放量，這與前人研究發(fā)現的規(guī)律相似［30］。秸稈中含有的大量有機碳能夠被產甲烷菌利用，促進CH4排放，同時，秸稈添加能提高微生物的數量和活性，也能夠促進CH4排放。該研究結果發(fā)現，CH4排放量會隨氮肥用量的減少而降低，這與郭慧娟［31］的研究結果相似，但與之不同的是，該研究減施氮肥程度較小，沒有出現氮肥減量到一定程度后CH4排放量再次增加的情況。

該研究中，隨著氮肥施加量的降低，N2O排放量也顯著降低。這與馬星霞［32］、Zhou等［33］研究結果一致。土壤中N2O排放主要來源于土壤微生物的硝化作用和反硝化作用，在秸稈還田后秸稈分解消耗大量氧氣，氧氣濃度降低能促進土壤反硝化作用的發(fā)生，刺激N2O排放。

3.2 秸稈還田條件下氮肥減施對產量、全球增溫潛勢、溫室氣體排放強度的影響

該研究表明，僅添加秸稈對水稻產量影響不大，秸稈還田條件下常規(guī)施加氮肥與僅施加氮肥水稻產量相差0.17 t，秸稈還田條件下氮肥減施會影響水稻產量。氮是作物生長必需的營養(yǎng)元素，氮肥減施會在一定范圍內降低水稻產量，這與前人研究結果相同［34］。

秸稈還田和氮肥施加均能顯著增加稻田全球增溫潛勢。秸稈還田條件下氮肥減施的3個處理相對于常規(guī)施肥處理全球增溫潛勢值較低，這表明減施氮肥對減排效果有一定影響。影響全球增溫潛勢的主要原因是CH4排放量，CH4累積排放量與全球增溫潛勢呈正相關。秸稈還田條件下配施氮肥溫室氣體排放強度顯著高于其他處理，秸稈還田條件下，隨著氮肥添加量的降低，溫室氣體排放強度也隨之降低。該試驗氮肥減施跨度較大，后續(xù)研究應著重在氮肥減施的界限值，討論在何種施肥范圍內，利于保持最優(yōu)土壤理化性質和最佳水稻產量且能盡量減少溫室氣體排放，同時探究溫室氣體排放影響的因素以及溫室氣體排放機制。

4 結論

（1）自水稻移栽后，CO2排放通量逐漸升高，到抽穗期達到峰值后逐漸降低；CH4排放通量出現2個峰值，分別在水稻拔節(jié)期和抽穗期；N2O排放通量整體表現為先降低后趨于平穩(wěn)，在抽穗期N2O排放通量達到峰值。

（2）秸稈還田、施加氮肥對稻田溫室氣體排放量和排放強度均有顯著影響，秸稈還田配施氮肥對溫室氣體排放的影響高于二者單獨添加。

（3）秸稈全量還田條件下，氮肥施用量減少會顯著降低CO2、CH4和N2O的累積排放量。稻田GWP和GHGI也會隨施氮量的減少而降低。

參考文獻

［1］ 宋帆.北方旱直播粳稻品種篩選及對其溫室氣體減排研究［D］.沈陽：沈陽農業(yè)大學，2019.

［2］ NETZ B，DAVIDSON O R，BOSCH P R，et al.Climate change：Mitigation.Contribution of working group III to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change.summary for policymakers［J］.Computational geometry，2007，18（2）：95-123.

［3］ 宮能泉.中國農業(yè)溫室氣體排放的現狀及減排路徑［J］.糧食科技與經濟，2013，38（6）：11-13，25.

［4］ LINQUIST B，VAN GROENIGEN K J，ADVIENTO-BORBE M A，et al.An agronomic assessment of greenhouse gas emissions from major cereal crops［J］.Global change biology，2012，18（1）：194-209.

［5］ 強學彩，袁紅莉，高旺盛.秸稈還田量對土壤CO2釋放和土壤微生物量的影響［J］.應用生態(tài)學報，2004，15（3）：469-472.

［6］ 丁新宇.秸稈覆蓋及免耕對黃土高原旱作農田土壤呼吸的影響［D］.蘭州：蘭州大學，2017.

［7］ 李柘錦，隋鵬，龍攀，等.不同有機物料還田對農田系統(tǒng)凈溫室氣體排放的影響［J］.農業(yè)工程學報，2016，32（S2）：111-117.

［8］ Agrochemicals;Reports on agrochemicals from french National Institute for Agricultural Research （INRA） provide new insights （Precipitation gradient and crop management affect N2O emissions：Simulation of mitigation strategies in rainfed Mediterranean ...）［R］.2017.

［9］ 楊書運，嚴平，馬友華，等.施肥對冬小麥土壤溫室氣體排放的影響［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2010，19（7）：1642-1645.

［10］ 袁尚鵬.氮肥減量及有機替代對稻油輪作溫室氣體排放的影響［D］.重慶：西南大學，2020.

［11］ 顧一凡.氮肥減施對雙季稻田溫室氣體排放的影響研究［D］.南京：南京農業(yè)大學，2019.

［12］ 張俊瑩，趙立琴，吳金花，等.秸稈還田條件下氮肥減施對稻田土壤養(yǎng)分及酶活性和產量的影響［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2021，33（5）：30-35.

［13］ 林智文.秸稈與生物炭還田對熱帶土壤-水稻系統(tǒng)氮素有效性的影響［D］.大慶：黑龍江八一農墾大學，2022.

［14］ 張俊瑩.連續(xù)水稻秸稈還田下氮肥減施對土壤肥力及微生物多樣性的影響［D］.大慶：黑龍江八一農墾大學，2020.

［15］ 謝軍飛，李玉娥.農田土壤溫室氣體排放機理與影響因素研究進展［J］.中國農業(yè)氣象，2002，23（4）：47-52.

［16］ 胡安永，孫星，劉勤.太湖地區(qū)不同輪作模式對稻田溫室氣體（CH4和N2O）排放的影響［J］.應用生態(tài)學報，2016，27（1）：99-106.

［17］ 成臣，楊秀霞，汪建軍，等.秸稈還田條件下灌溉方式對雙季稻產量及農田溫室氣體排放的影響［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2018，37（1）：186-195.

［18］ Climate change;Research on climate change detailed by researchers at Jadavpur University （Linking IPCC AR4 &amp;AR5 frameworks for assessing vulnerability and risk to climate change in the Indian Bengal Delta）［R］.Global Warming Focus，2020.

［19］ 董艷芳，黃景，李伏生，等.不同灌溉模式和施氮處理下稻田CH4和N2O排放［J］.植物營養(yǎng)與肥料學報，2017，23（3）：578-588.

［20］ 鐘川.稻田不同種植模式對土壤肥力、細菌多樣性及溫室氣體排放的影響［D］.南昌：江西農業(yè)大學，2019.

［21］ 阮俊梅.開放式增溫對東北水稻產量、氮素利用及農田溫室氣體排放的影響［D］.北京：中國農業(yè)科學院，2021.

［22］ 郭騰飛，梁國慶，周衛(wèi)，等.施肥對稻田溫室氣體排放及土壤養(yǎng)分的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學報，2016，22（2）：337-345.

［23］ 山楠，趙同科，杜連鳳，等.華北平原中部夏玉米農田不同施氮水平氨揮發(fā)規(guī)律［J］.中國土壤與肥料，2020（4）：32-40.

［24］ 向偉，王雷，劉天奇，等.生物炭與無機氮配施對稻田溫室氣體排放及氮肥利用率的影響［J］.中國農業(yè)科學，2020，53（22）：4634-4645.

［25］ 董玉兵，吳震，李博，等.追施生物炭對稻麥輪作中麥季氨揮發(fā)和氮肥利用率的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學報，2017，23（5）：1258-1267.

［26］ 郭騰飛.施肥對稻麥輪作體系溫室氣體排放及土壤微生物特性的影響［D］.北京：中國農業(yè)科學院，2015.

［27］ 馮曉赟，萬鵬，李潔，等.秸稈還田與氮肥配施對中南地區(qū)稻田土壤固碳和溫室氣體排放的影響［J］.農業(yè)資源與環(huán)境學報，2016，33（6）：508-517.

［28］ YE C D，CHEN D M，HALL S J，et al.Reconciling multiple impacts of nitrogen enrichment on soil carbon：Plant，microbial and geochemical controls［J］.Ecology letters，2018，21（8）：1162-1173.

［29］ 劉杏認，張星，張晴雯，等.施用生物炭和秸稈還田對華北農田CO2、N2O排放的影響［J］.生態(tài)學報，2017，37（20）：6700-6711.

［30］ 張鵬.秸稈還田對熱帶水稻系統(tǒng)溫室氣體排放與土壤氮組分的影響［D］.大慶：黑龍江八一農墾大學，2021.

［31］ 郭慧娟.氮密調控對雙季稻田溫室氣體排放和資源利用效率的影響［D］.長沙：湖南農業(yè)大學，2021.

［32］ 馬星霞.秸稈覆蓋與施氮肥對玉豆復種模式土壤養(yǎng)分及農田N2O、NH3和CH4排放強度的影響研究［D］.楊凌：西北農林科技大學，2021.

［33］ ZHOU Y Z，ZHANG Y Y，TIAN D，et al.The influence of straw returning on N2O emissions from a maize-wheat field in the North China Plain［J］.Science of the total environment，2017，584/585：935-941.

［34］ 吳立鵬，張士榮，婁金華，等.秸稈還田與優(yōu)化施氮對稻田土壤碳氮含量及產量的影響［J］.華北農學報，2019，34（4）：158-166.