环境科学  2021, Vol. 42 Issue (12): 6025-6037   PDF    
引用本文
王永明, 徐永记, 纪洋, 冯彦房. 节水灌溉和控释肥施用耦合措施对单季稻田CH4和N2O排放的影响[J]. 环境科学, 2021, 42(12): 6025-6037.
WANG Yong-ming, XU Yong-ji, JI Yang, FENG Yan-fang. Coupling Effects of Water-saving Irrigation and Controlled-release Fertilizer (CRF) Application on CH4 and N2O Emission in Single Cropping Paddy Field[J]. Environmental Science, 2021, 42(12): 6025-6037.
节水灌溉和控释肥施用耦合措施对单季稻田CH4和N2O排放的影响
王永明1, 徐永记1, 纪洋1, 冯彦房2     
1. 南京信息工程大学应用气象学院, 南京 210044;
2. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所, 农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室, 南京 210014
收稿日期: 2021-03-30; 修订日期: 2021-05-21
基金项目: 国家自然科学基金项目（42077043）；江苏省基础研究计划（自然科学基金）项目（BK20191400）；江苏省农业科技自主创新资金项目（CX（20）3178）；江苏省科研与实践创新计划项目（KYCX20_0982）
作者简介: 王永明(1994~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为农田温室气体减排措施及机制, E-mail: wYm2094@nuist.edu.cn
通信作者: 纪洋, E-mail: jiyang@nuist.edu.cn
摘要: 以我国华东地区典型单季稻水稻田（江苏宜兴）的原柱状土为研究对象，通过两年土柱观测试验，研究不同灌溉管理模式（长期淹水CF、间隙灌溉II、控制灌溉CI）和氮肥施用（不施氮CK、尿素Urea和控释肥CRF）耦合措施对水稻生长期内CH4和N2O排放和产量的影响，以期优选典型单季稻田减排增效的水肥管理模式.结果表明，两种节水灌溉方式（CI和II）均显著影响稻田土壤CH4和N2O排放量及二者的综合温室效应（GWP）和排放强度（GHGI），与CF相比，II和CI均显著提高了N2O排放量（P < 0.05），降低了CH4排放量（P < 0.05），进而二者的GWP和GHGI分别显著降低28.9%~71.4%和14.3%~70.4%（P < 0.05）；两种节水灌溉模式相比，CI较II模式呈现较好的CH4减排优势，排放总量降低了57.7%~91.8%，而二者的N2O排放量无显著性差异（P>0.05），最终CI对GWP和GHGI的减排效应略优于II模式2.0%~56.2%.施用氮肥（Urea和CRF）均显著促进N2O排放18.4%~2547.8%（P < 0.05），其中CRF处理N2O排放量均略高于Urea处理32.7%~78.6%，但无显著性差异（P>0.05）；CH4排放总量对施氮处理的响应随水分管理模式的不同而不同，总体而言，施用CRF较Urea对稻田土壤GWP和GHGI均无显著影响（P>0.05）.相关分析表明，2018年CF模式的Urea处理和II模式的Urea、CRF处理中N2O排放通量与田面水NH4+-N浓度分别呈现显著（P < 0.05）和极显著的正相关关系（P < 0.01），而二者在2019年CI模式的CK和CRF处理中呈现相反规律；2018年CI模式下CK、CRF处理的N2O排放通量与田面水NO3--N浓度呈极显著的正相关关系（P < 0.01）.节水灌溉和氮肥施用对水稻产量均呈显著影响（P < 0.05），与CF相比，两种节水灌溉模式（II、CI）水稻产量均下降了14.7%~37.7%；CRF处理较Urea处理略提高水稻产量2.5%~7.4%（P < 0.05）.综合考虑稻田土壤GWP、GHGI和水稻产量，节水模式与控释肥施用对稻田土壤减排增产的耦合效应仍有待进一步研究.
关键词: 稻田      节水灌溉      控释肥      甲烷(CH4)      N2O      产量     
Coupling Effects of Water-saving Irrigation and Controlled-release Fertilizer (CRF) Application on CH4 and N2O Emission in Single Cropping Paddy Field
WANG Yong-ming1 , XU Yong-ji1 , JI Yang1 , FENG Yan-fang2     
1. School of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
2. Key Laboratory of Argo-Environment in Downstream of Yangtze Plain, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China
Abstract: By the method of static closed chamber-gas chromatography (GC), a two-year greenhouse experiment was launched using an intact soil core of single cropping rice in East China to explore the synergistic effects of water-saving irrigation and controlled-release fertilizer (CRF) application on CH4 and N2O emissions during rice growth, with the aim of establishing water and fertilization management regimes with effects on yield promotion and greenhouse gas mitigation. Nine treatments included three different types of nitrogen fertilizer application (no nitrogen[CK], urea[Urea], and controlled release fertilizer[CRF]) and three different types of irrigation management (continuous flooding[CF], intermittent irrigation[II], and controlled irrigation[CI]). The two-year results showed that two of the water-saving irrigation management types (II and CI) significantly affected CH4 and N2O emissions from paddy soil and their global warming potential (GWP) and greenhouse gas intensity (GHGI). Compared with CF, II and CI both increased the N2O emission and decreased CH4 emissions, resulting in the reduction of GWP and GHGI by 28.9%-71.4% and 14.3%-70.4%, respectively (P < 0.05). Compared to II, CI had better CH4 emission mitigation potential, with reductions of 57.7%-91.8%; however, there was no significant difference in N2O emissions. Finally, the mitigation of the CI method on GWP and GHGI was slightly better than that of the II method by 2.0%-56.2%. Compared with CK, N application significantly promoted N2O emission by 18.4%-2547.8% (P < 0.05) in two years, in which N2O emissions were slightly higher by 32.7%-78.6% in CRF than those in Urea treatments; however, no significant difference was found (P>0.05). The response of total CH4 emissions to N application varied with different water management practices. In general, no significant differences were found in CH4 emissions, GWP, or GHGI in the paddy soil between CRF and Urea application. Correlation analysis showed that in 2018, N2O emission fluxes of the Urea treatment of the CF model and the Urea and CRF treatment of the II model were all significantly positively correlated with NH4+-N concentration in floodwater (P < 0.01). By contrast, in 2019, a negative correlation was found in the CK and CRF treatments of the CI model (P < 0.05). N2O emission fluxes of the CK and CRF treatments of the CI model in 2018 were significantly positively correlated with NO3--N concentration in floodwater (P < 0.01). Water-saving irrigation and N application both had significant effects on rice yield. Compared with that of the CF method, the rice yield showed a decreasing trend by 14.7%-37.7% under the two water-saving irrigation modes (II and CI). Compared with that of the Urea treatment, CRF application increased rice yield by 2.5%-7.4%; however, no significant difference was found (P>0.05). Considering the GWP, GHGI, and rice yield results, the coupling effect of water-saving irrigation and CRF application on the GWP mitigation and yield promotion in paddy fields requires further investigation.
Key words: paddy field      water-saving irrigation      controlled-release fertilizer      CH4      N2O      rice yield     

近年来全球气候变暖日渐严重, 如何实现温室气体减排得到各国专家学者的关注.据估计, 大气中每年有15% ~30%的CH4和80% ~90%的N2O来源于土壤[1], 其中稻田CH4的排放量占全球年排放量的17%左右[2], 而稻田排放N2O约占我国农田氮肥直接排放N2O总量的7% ~11%[3].因此稻田土壤是CH4和N2O重要的排放源, 研究稻田土壤CH4和N2O的排放规律及减排措施具有重要意义.

水资源在我国的农业生产中属于最重要的战略资源之一, 是保障我国粮食安全最重要的因素, 然而我国农业的发展受到了水资源匮乏的限制, 因此如何提高水资源的利用率成为当前农业发展重要的任务之一.在水稻种植的水资源利用过程中, 人们探索出了不同的节水灌溉技术, 如“间隙灌溉”和“控制灌溉”等能够大幅节约水资源的灌溉技术被大面积地推广和使用[4].其中目前被广泛应用的间隙灌溉, 通常分为前中后期3个阶段, 即: 淹水期、排水烤田期和干湿交替至生长末期稻收获[5].控制灌溉则是在节水的前提下根据水稻的需水规律考虑不同发育期的水稻对水分的需求程度, 来提高水稻抗逆性和调节自身生长的能力[6].这两种节水灌溉方式在水稻种植面积较大而缺水较为严重的华北平原的推广均较为普遍[7, 8].不同于传统的长期淹水灌溉方式, 节水灌溉模式对稻田CH4和N2O排放有着不同的影响, 且两者之间存在此消彼长的关系[8].一般认为, 水稻生长期持续淹水使得CH4产生和排放量增加, 而利用节水灌溉方式会显著降低稻田CH4的排放量[9~12], 节水灌溉相比持续淹水稻田N2O的排放系数和排放均有显著提高[13].但也有些研究指出持续淹水使CH4的排放量降低了49% ~71%, 同时增加了N2O排放量33% ~135%[14~17].

控释肥(controlled-release fertilizer, CRF)是一种既能满足作物全生长季不同生育阶段氮素养分的需求, 又能够控制土壤中残余无机氮浓度的可控释放氮肥. IPCC(2013年)第四次气候变化评估报告指出: 控释肥可作为减少农田温室气体排放的有效施肥措施[18].已有研究表明, 施用控释肥可以明显降低旱地和稻田N2O排放13% ~75%[19~21].但是有关控释肥对稻田CH4排放的影响存在一定的争议, 有研究结果显示控释肥配合尿素施用时使CH4排放量增加了28% ~48%[22], 也有研究结果得出控释肥会使CH4排放量下降49% ~73%[23].因此, 有关控释肥施用对稻田温室气体减排的效应仍需进一步研究.

基于以上国内外研究进展, 本研究提出假设: 节水灌溉模式下控释肥施用可弥补排水落干造成的N2O排放增加, 减缓稻田CH4和N2O交互排放效应, 同时避免高量氮肥施入带来的生态环境效应.本文以我国华东地区典型单季稻水稻田(江苏宜兴)的原柱状土为研究对象, 通过2 a温室土柱试验, 采用“密闭静态箱-气相色谱法”研究节水灌溉和控释肥施用耦合措施对水稻生长期内CH4和N2O排放的影响, 通过优选典型单季稻减排增效的水肥管理模式, 以期为稻田作物生产节能减排提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 盆栽试验设计

本试验所用的水稻品种为在苏南地区广泛种植的南粳46.水稻土柱试验所用土壤取自江苏省宜兴市周铁镇稻田, 将0~20、20~40和40~60 cm这3个深度的土壤分别混匀后分层添加到土柱内.试验土壤的基本性质如下: pH 6.38(土壤∶水=1 ∶2.5), 有机质含量29.2 g ·kg-1, 全氮1.72 g ·kg-1, 有效磷23.09 mg ·kg-1, 速效钾159.28 mg ·kg-1, CEC 22.61 cmol ·kg-1.土柱试验分别于2018年和2019年6月移栽(3穴·盆-1和3株·穴-1), 同年11月收获, 试验按照不同水分灌溉模式(长期淹水CF、间隙灌溉II、控制灌溉CI)和不同氮肥施用(空白对照CK、尿素Urea、控释肥CRF)设置9个处理, 均3次重复, 共27个盆钵, 随机区组设计.试验水稻土柱直径为30 cm, 有效高度为50 cm, 每个土柱装入35 kg的水稻土.

综合当地农艺管理措施, 氮肥施入水平为240 kg ·hm-2, 其中控释肥作为基肥一次性施用, 尿素按基肥∶分蘖肥∶穗肥为50% ∶25% ∶25%施用.磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)均在基肥时一次性施入, 用量分别为96 kg ·hm-2和192 kg ·hm-2.日常水分管理采用自来水灌溉, 控制灌溉模式为除返青期田间保持10~20 mm水层、分蘖后期晒田和黄熟期自然落干以外, 其他各生育期灌水后均不建立水层, 土壤含水率上限为饱和含水率.分蘖前期、分蘖后期、拔节孕穗期、抽穗开花期以及乳熟期, 土壤含水率下限分别取饱和含水率的80%、60%、80%、80%和70%; 间隙灌溉模式为前期淹水(土壤持续保持有水层)、中期排水烤田(通常烤田7~10 d, 土壤水分为50% ~60% WHC时结束烤田)、后期干湿交替(约每周灌溉1次, 期间出现土面落干状态)至水稻收获; 长期淹水模式为整个水稻生长期保持水层至水稻收获.

1.2 采样及测定方法

本研究采用“密闭静态暗箱-气相色谱法”观测不同水肥耦合措施下水稻生长期内CH4和N2O的排放通量及季节变化.采样箱为不透光的PVC材料, 尺寸为25 cm×21 cm×80 cm, 为了使采样箱内气体更加均匀, 在采样箱内顶部安装有一个小风扇; 另外, 为了记录采样过程中采样箱内温度的变化, 在采样箱内顶部安装有1个温度计.采气时将采样箱倒置放在盆钵的凹槽内, 为了使采样箱保持密闭状态, 加水密封.样品采集时间为08:00~10:00, 用20 mL注射器在采样箱固定后分别在0、15、30和45 min采集4个气体样品, CH4和N2O的排放通量由4个气样浓度值通过线性回归分析得到, 积分求得水稻全生育期CH4和N2O的累积排放量.其中CH4浓度由气相色谱仪(Shimadzu, GC 12A)测定, 监测器为氢火焰离子(FID)检测器; N2O浓度由气相色谱仪(Shimadzu, GC14B)测定, 检测器为63Ni电子捕获(ECD)检测器.水稻生长季内水分变化剧烈的烤田及复水期每2~3 d采样1次, 其他时间每隔4~5 d采样1次, 水稻收获前1个月间隔7 d采样1次.田面水分别于基肥、分蘖肥和穗肥这3个肥期采集过滤用以测定NH4+-N和NO3--N含量.田面水NH4+-N和NO3--N含量由荷兰SKALAR SAN++ SYSTE流动分析仪(Skalar, the Netherlands)测定.水稻收获前, 测算水稻产量.

1.3 数据处理

根据CH4和N2O浓度与时间关系曲线分别计算二者的排放通量见式(1):

(1)

式中, F为CH4或N2O排放通量[mg ·(m2 ·h)-1或μg ·(m2 ·h)-1]; ρ为标准状态下CH4或N2O密度(0.714 kg ·m-3或1.25 kg ·m-3); V为采气箱内有效空间体积(m3); A为采气箱覆盖的土壤面积(m2); dc为气体浓度差(nL·L-1); dt为时间间隔(h); T为采样时箱温(℃).

CH4和N2O排放通量用每次观测3个重复的平均值及标准偏差表示.CH4和N2O季节平均排放量是将3个重复的每次观测值按时间间隔加权平均后再平均.CH4和N2O季节排放总量见式(2):

(2)

式中, T为CH4或N2O季节排放总量(g ·m-2或mg ·m-2); Fi和Fi+1分别为第i和i+1次采样时CH4或N2O平均排放通量[mg ·(m2 ·h)-1或μg ·(m2 ·h)-1]; Di和Di+1分别为第i和i+1次采样时间(d).

综合温室效应(global warming potential, GWP)作为一种相对的指标常用来估计不同温室气体对气候系统的潜在效应[24].在百年尺度下, CH4和N2O的增温潜势分别为CO2的28倍和298倍[18], 据此计算CH4和N2O的综合温室效应见式(3):

(3)
(4)

式中, GWP为综合温室效应(g ·m-2); ZCH4为CH4的总排放量(g ·m-2), ZN2O为N2O的排放总量(g ·m-2); I为CH4或N2O在百年尺度下的全球增温潜势分别为28和298.

温室气体强度(greenhouse gas intensity, GHGI), 即农田“单位产量的GWP”, 表示农业中生产单位产量的粮食对气候的影响[24], 其计算见式(5):

(5)

式中, GWP为CH4和N2O的综合温室效应(以CO2当量计算, t ·hm-2); Y为作物产量(t ·hm-2).

本试验用Microsoft Excel 2010进行数据统计, 方差比较、多重比较、相关分析等均采用SPSS 22.0 for Windows(SPSS Inc., USA)完成.

2 结果与分析 2.1 CH4的季节排放通量

通过稻季CH4排放通量的季节变化(图 1), 两种节水灌溉模式(间隙灌溉II和控制灌溉CI)下, 两年间稻田土壤CH4排放通量的季节变化趋势相近, 而持续淹水(CF)模式下有所不同.节水灌溉模式(II和CI)下, 在水稻移栽18~20 d内各处理(CK、CRF和Urea)CH4排放开始大幅度上升, 在淹水末期, 即烤田开始前各处理达到最大值. 2018年II模式下CH4排放通量在移栽后36 d达到峰值[15.0~174.0 mg ·(m2 ·h)-1], CI模式下在移栽后36 d达到峰值[11.2~106.4 mg ·(m2 ·h)-1]; 2019年II模式下在移栽后29 d到达峰值[18.6~28.9 mg ·(m2 ·h)-1], CI模式下在移栽后16~18 d达到峰值[30.3~31.2 mg ·(m2 ·h)-1].两种节水灌溉模式下CH4排放通量均在烤田开始即移栽40 d后急剧下降, 直至水稻收割前的田间排水期降为零.持续淹水(CF)模式下, 由于整个生长期保持水层, CH4排放分布在整个生长期, 尤其是生长后期, 2018年CH4排放通量在移栽后46~55 d达到峰值[30.9~43.4 mg ·(m2 ·h)-1], 2019年在33~49 d达到峰值[35.5~37.2 mg ·(m2 ·h)-1], CH4排放通量明显高于节水灌溉模式(II和CI).

CK: 施肥处理, Urea: 施用尿素处理, CRF: 施用控释肥处理, CF: 持续淹水, II: 间隙灌溉, CI: 控制灌溉, BF: 基肥, TF: 分蘖肥, PIF: 穗肥, MSA: 烤田期 图 1 稻田CH4排放通量季节变化 Fig. 1 Seasonal variation in CH4 emission flux during rice growing season

相同灌溉模式下不同施肥处理CH4排放通量季节变化呈现相同的规律, 但年际间存在差异(图 1).间隙灌溉(II)模式下, 两年间施肥处理(Urea和CRF)的CH4排放峰值均高于对照处理(CK), 其中2018年CRF处理的峰值高于Urea处理, 而2019年二者间无显著性差异; 控制灌溉(CI)模式下, 2019年施肥处理CH4排放峰值较CK处理无显著性差异, 而2018年Urea处理CH4排放峰值低于CRF和CK处理.

2.2 CH4排放总量

如图 2所示, 两年间水稻生长期CH4排放总量存在显著的年际变化, 2018年各处理排放总量均高于2019年.不同水分管理模式比较, 两年间节水灌溉(II和CI)较长期淹水(CF)模式显著降低整个水稻生长季CH4排放总量, 其中II模式CH4排放总量降低了62.5% ~88.0%, CI模式降低了68.1% ~95.2%, 差异均呈显著水平(P < 0.05); 两种节水灌溉模式相比, 2018年施肥处理(Urea、CRF)下CI的CH4排放总量均略低于II模式57.7% ~91.8%. CH4排放总量对施氮处理的响应随水分管理模式的不同而不同.持续淹水(CF)模式下, 两年间施肥处理较CK处理降低了CH4排放量8.1% ~36.4%, 其中CRF较Urea处理降低了7.7% ~26.2%, 但差异未达显著性(P > 0.05).间隙灌溉模式(II)下, 两年间施氮处理对CH4排放总量均未呈现显著性影响.控制灌溉(CI)模式下, 2018年施肥处理较CK处理显著降低了CH4排放量87.0% ~68.3%(P < 0.05), 然而2019年则呈相反趋势, 施肥处理较CK处理增加了33.5% ~16.3%, 但无显著性差异.节水灌溉模式下, 两年间CRF较Urea处理均略有增加, 但差异未达显著性(P > 0.05).

不同小写字母表示同一水分管理下不同施肥处理间的差异显著, 不同大写字母表示同一施肥不同水分管理的差异显著(P < 0.05) 图 2 水稻生长期CH4季节排放总量 Fig. 2 Total CH4 emissions during rice growing season

2.3 N2O的季节排放通量

2018年和2019年两种节水灌溉模式(II和CI)下, 不同施肥处理水稻生长季N2O排放通量变化趋势基本一致, 均存在着明显的季节变化(图 3).2018年, 整个生育期N2O排放通量呈现4次峰值, 分别出现在基肥、分蘖肥、烤田期和穗肥施用后, 其中施肥处理(Urea和CRF)的峰值分别出现在基肥、分蘖肥、烤田期和穗肥施用之后, 且分蘖肥施用后出现的峰值最大[1.5~3.9 mg ·(m2 ·h)-1], 其次是烤田期、穗肥和基肥, 基肥施用后峰值最小; 2019年, 整个生育期N2O排放通量呈现3次峰值, 分别出现在分蘖肥、烤田期和穗肥施用后, 其中烤田期出现的峰值最大[0.8~3.4 mg ·(m2 ·h)-1], 其次是穗肥和分蘖肥施用后, 分蘖肥施用后出现的峰值最小.长期淹水(CF)模式下, 两年间整个生育期N2O排放通量均较低.氮肥施用较CK处理均显著提高N2O排放峰值, II模式下, 两年间CRF处理排放峰值均高于Urea处理, 而CI模式则呈现相反的趋势.

CK: 施肥处理, Urea: 施用尿素处理, CRF: 施用控释肥处理, CF: 持续淹水, II: 间隙灌溉, CI: 控制灌溉, BF: 基肥, TF: 分蘖肥, PIF: 穗肥, MSA: 烤田期 图 3 稻田N2O季节排放通量 Fig. 3 Seasonal variation in N2O emission flux during rice growing season

2.4 N2O的季节排放总量

如图 4所示, 两年间水稻生长期N2O排放总量存在显著的年际变化, 2018年各处理排放总量均高于2019年.2019年节水灌溉模式下水稻生长季N2O排放总量均显著高于长期淹水模式(P < 0.05), 其中间隙灌溉(II)的排放总量增加了13.4% ~2050.5%, 控制灌溉(CI)增加了35.7% ~2547.8%, 差异均达显著性水平(P < 0.05); 2种节水灌溉模式相比, 二者的N2O排放总量无显著性差异(P > 0.05). 3种水分灌溉模式下, 施用氮肥均显著促进N2O排放量33.0% ~78.6%, 其中CRF处理N2O排放系数是0.11% ~2.68%, 而Urea处理是0.04~0.66%.两年间II模式下CRF处理的N2O排放总量均显著高于Urea处理41.3% ~64.5%(P < 0.05), 仅2019年CI模式下CRF处理降低N2O排放量30.2%, 但二者间无显著性差异(P > 0.05); 从两年平均值来看, CRF处理N2O排放系数高于Urea处理51.5%, 但二者间无显著性差异(P > 0.05).

不同小写字母表示同一水分管理下不同施肥处理间的差异显著, 不同大写字母表示同一施肥不同水分管理的差异显著(P < 0.05) 图 4 水稻生长期N2O季节排放总量 Fig. 4 Total N2O emissions during rice growing season

2.5 田面水NH4+-N和NO3--N浓度的季节变化

本研究中所施用的控释肥均是控释包膜尿素, 由于尿素在土壤中易水解为NH4+-N, 因此田面水中NH4+-N浓度的变化可以反映控释肥氮素的相对释放速率.如图 5和图 6所示, 两年施肥处理田面水NH4+-N浓度在水稻生长前期累积, 分蘖肥施用后均达到峰值, 其中Urea处理在穗肥施用后, NH4+-N浓度再次出现峰值, 随后急剧下降.3种水分管理模式比较, 水稻生长前期田面水NH4+-N浓度峰值无显著性差异(P > 0.05), 而对于烤田后和穗肥施用后出现的峰值, 2018年控制灌溉(CI)显著高于间隙灌溉(II)和持续淹水(CF)模式(P < 0.05), 而2019年两者之间并没有显著差异(P > 0.05). 两年间与CK处理相比, 施用氮肥均提高了田面水NH4+-N浓度, 其中Urea处理的穗肥期峰值远高于CRF处理, 而二者在其他峰值无明显差异.相关分析表明, 在2018年CF模式的Urea处理、II模式的Urea和CRF处理中N2O排放量与田面水NH4+-N浓度呈极显著的正相关关系(P < 0.01), 而2019年CI模式的CK和CRF处理二者呈显著(P < 0.05)和极显著(P < 0.01)的负相关关系.

CK: 施肥处理, Urea: 施用尿素处理, CRF: 施用控释肥处理, CF: 持续淹水, II: 间隙灌溉, CI: 控制灌溉, BF: 基肥, TF: 分蘖肥, PIF: 穗肥, MSA: 烤田期 图 5 2018年稻田田面水NH4+-N和NO3--N含量季节变化 Fig. 5 Seasonal variation in NH4+-N and NO3--N concentrations in floodwater in 2018

CK: 施肥处理, Urea: 施用尿素处理, CRF: 施用控释肥处理, CF: 持续淹水, II: 间隙灌溉, CI: 控制灌溉, BF: 基肥, TF: 分蘖肥, PIF: 穗肥, MSA: 烤田期 图 6 2019年稻田田面水NH4+-N和NO3--N含量季节变化 Fig. 6 Seasonal variation in NH4+-N and NO3--N concentrations in floodwater in 2019

与NH4+-N浓度季节变化不同, 全观测期内各处理田面水NO3--N浓度仅在分蘖肥施用后出现一个高峰值随后浓度急剧下降.3种水分管理模式比较, 控制灌溉(CI)模式下田面水NO3--N浓度峰值显著低于持续淹水(CF)和间隙灌溉(II)模式(P < 0.05). 2018年中与CK处理相比, 施用氮肥均提高了田面水NO3--N浓度, 其中两种节水灌溉模式下CRF处理NO3--N浓度峰值显著高于Urea处理峰值, 由于肥料养分释放率的不同, Urea处理NO3--N浓度在峰值出现后急剧下降, 而CRF处理NO3--N浓度则缓慢下降.

2.6 水稻产量

如表 1所示, 两年间节水灌溉(II和CI)模式下水稻产量均显著低于长期淹水(CF)模式14.7% ~37.7%(P < 0.05), 而两种节水灌溉模式II和CI相比水稻产量无显著性差异(P > 0.05).两年间施用氮肥均增加了水稻产量, 2018年II模式下Urea与CRF处理较CK处理分别增加32.1%和28.3%, 且均呈现显著水平(P < 0.05), 而CF和CI模式下施氮处理产量有所增加, 但差异并不显著(P > 0.05); 2019年II与CI灌溉模式下Urea和CRF处理较CK处理均显著增产11.4% ~26.3%和19.6% ~23.0%, 而CF模式下施用氮肥增产不显著.从两年数据平均值来看, CRF较Urea处理水稻产量增加10.3%, 但差异不显著(P > 0.05).

表 1 2018和2019年各处理N2O排放系数、水稻产量、CH4和N2O排放综合温室效应(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)1) Table 1 N2O emission factor, rice grain yield, GWP of CH4 and N2O emissions, and GHGI during rice growing season in 2018 and 2019

2.7 综合温室效应(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)

通过对两年中CH4和N2O的综合温室效应(GWP)统计分析后发现(表 1), 与持续淹水(CF)模式相比, 两种节水灌溉模式(II和CI)均显著降低GWP, 其中II模式下GWP降低了34.2% ~81.2%, CI模式下降低了44.1% ~71.2%, 差异均呈显著性水平(P < 0.05); 两种节水灌溉模式相比, 控制灌溉的减排效果略优于间隙灌溉模式(P > 0.05).GWP对施氮处理的响应随水分管理模式的不同而不同.CF模式下, 两年间氮肥施用较CK处理降低GWP 1.2% ~30.4%, 而CRF与Urea处理间无显著性差异(P > 0.05). 2018年, II模式下施用氮肥均显著增加了GWP 136.7% ~193.1%(P < 0.05), CI模式下Urea处理相比CK处理GWP降低30.4%, CRF处理略有增加, 但不显著(P > 0.05), 而2019年则呈现相反趋势.两种氮肥处理相比, 2018年两种节水灌溉模式下CRF处理GWP均略高于Urea处理33.6%; 2019年两种节水灌溉模式呈现相反的趋势, II模式下CRF处理GWP显著高于CK和Urea处理41.7% ~50.0%(P < 0.05), 而CI下CRF处理GWP低于Urea处理22.1%.

通过对单位产量温室气体排放强度(GHGI)分析发现, 与长期淹水模式(CF)相比, 节水灌溉模式(II和CI)均显著降低了GHGI(P < 0.05), 其中II模式显著降低了45.5% ~71.4%, CI模式显著降低了28.9% ~63.6%; 而两种节水灌溉方式相比, II和CI模式之间GHGI无明显差异(P > 0.05).从两年平均值来看, 不同氮肥施用对稻田GHGI无显著性影响(P > 0.05).

3 讨论 3.1 节水灌溉对稻田温室气体排放的影响

CH4是极端厌氧条件下产甲烷菌作用于产甲烷基质的结果.有研究表明, 当土壤的氧化还原电位(Eh)为-200~-150 mV时土壤中的甲烷菌开始产生CH4[25], 而土壤Eh受到土壤含水量的影响.长期淹水的灌溉方式下稻田土壤处于厌氧条件, 这有利于CH4的产生及排放.本试验中II和CI模式下CH4排放通量峰值均出现在烤田期之前, 这与以往研究一致, 原因可能是持续的淹水环境形成了产甲烷菌适宜的生存环境, 导致排放通量升高并达到峰值, 稻田水面落干增加土壤通透性, 大气中O2扩散到土壤中破坏原有的还原状态, 土壤Eh迅速增加而影响产甲烷菌的活性, 进而限制土壤CH4的生成; 落干期间土壤氧化CH4能力的提高是导致CH4排放减少的另一个原因[26~28].方差分析表明(表 2)两年中不同灌溉方式对稻田CH4的排放呈现极显著的影响(P < 0.01), 与CF处理相比II和CI的CH4排放总量降低了62.5% ~95.2%(图 2).两种节水灌溉方式相比, CI较II模式呈现较好的CH4减排优势, 排放总量降低了57.7% ~91.8%.与间隙灌溉稻田相比, 控制灌溉稻田CH4排放峰值在全生育期均呈现降低的趋势, 控制灌溉稻田CH4排放通量除在第1次田面落干过程中出现峰值外, 在其余各生育阶段脱水过程中均维持在较低水平, 并随土壤体积含水率的下降而降低(图 1), 这可能是由于在水稻分蘖前期, 控制灌溉稻田从薄水层到无水层的水分落干使得淹水期闭蓄在土壤中的CH4大量释放, 导致了控灌稻田CH4在分蘖前期和中期的集中排放[29, 30], 而控制灌溉稻田从分蘖后期开始的无水层状态提高了土壤氧化还原电位, 持续抑制CH4产生与排放, 因此在水稻生长中后期, 控制灌溉稻田CH4排放一直稳定在很低的水平[31].

表 2 灌溉方式与氮肥施用的多元方差分析1) Table 2 Multivariate analysis of variances between water management and nitrogen fertilization

硝化和反硝化是土壤中N2O生成的两个主要的微生物过程, 而硝化作用所需的好氧条件和反硝化作用所需的厌氧条件受到土壤水分含量的调控.有研究发现, 稻田生态系统N2O最大排放量一般发生在WHC为90% ~100%或WFPS 77% ~86%之间, 此时硝化细菌和反硝化细菌都可能成为N2O的主要制造者[32].已有研究发现, 控制灌溉稻田N2O排放主要集中在WFPS为78.0% ~83.5%的排水落干时期, 与常规灌溉相比, 控制灌溉可以显著增加水稻生长期80% ~150%的N2O排放量[30, 31].本研究方差分析表明, 2019年灌溉方式对稻田土壤N2O排放总量有极显著影响(表 2), 两种节水灌溉模式II与CI较长期淹水CF显著增加N2O排放总量13.4% ~2 547.8%, 这与前人的研究结果一致; 然而, 两种节水灌溉模式相比, N2O排放总量和N2O排放系数均无显著性差异(P > 0.05).

3.2 施用控释肥对稻田温室气体排放的影响

施用氮肥对稻田CH4排放量的影响非常复杂, 因此目前关于控释肥施用对稻田CH4排放量的影响研究结果不一.本研究发现CH4排放总量对施氮处理的响应随水分管理模式的不同而不同, 方差分析表明, 与水分管理方式不同, 氮肥施用(Urea和CRF)对稻田土壤CH4排放总量没有显著影响(表 2), 仅在2018年持续淹水(CF)和控制灌溉(CI)模式下氮肥处理较CK处理显著降低了CH4排放量87.0% ~68.3%(P < 0.05).而两年间CRF处理较Urea处理CH4排放量有所变动, 但均无显著性差异, 如CF模式下, CRF较Urea处理CH4排放量降低了7.7% ~26.2%, 而节水灌溉模式下, CRF较Urea处理均略有增加.本研究相关分析表明II下CH4排放通量与田面水NH4+-N浓度呈极显著正相关性(P < 0.01), 而CF则呈现相反规律.因此CRF较Urea增加CH4排放的原因可能是: CRF缓慢地释放NH4+-N和NO3--N, 对CH4氧化酶的抑制作用相对较低, 从而促进CH4的排放[33], 而其降低CH4排放的原因可能是: 烤田前淹水期CRF处理的CH4排放高于Urea和CK处理, 土壤中高浓度的CH4促进了甲烷氧化菌的生长并提高其活性[23, 34, 35], 因此减少了CH4后期的排放, 这与以往研究结果一致[36, 37].

本研究中稻田N2O排放主要集中在节水灌溉模式的排水落干时期, 相关分析表明所有灌溉模式和施肥处理中N2O排放通量均与田面水NH4+-N浓度呈极显著的正相关关系(P < 0.01), 而Urea处理下N2O排放通量与NO3--N呈极显著的负相关关系(P < 0.01), 表明硝化作用较反硝化作用在N2O排放高峰期占主导地位.前人研究得出, 施用控释氮肥能显著减少稻季N2O排放, N2O累积排放量仅是尿素处理的71.2%, 其抑制作用主要表现在烤田期, 原因是控释肥在水稻生长前期能缓慢释放养分, 减少了土壤溶液中NO3--N浓度, 显著地降低了N2O的排放[38].前人研究也得到相同结果, 间隙灌溉模式下施用控释肥可以显著降低11% ~50%的N2O排放[20].但是也有不同结果的报道, 有研究表明, 由于缓释肥料的缓释性, 烤田时土壤中仍有较高浓度的NH4+含量, 因而, NH4+随着排水落干土壤氧化还原电位的提高而发生硝化作用, 产生和排放N2O, 当烤田结束再淹水时有较多的NO3-进行反硝化产生和排放N2O[7], 因此控释氮肥增加整个稻季N2O排放量和排放系数.与之类似, 本研究方差分析表明氮肥施用显著影响稻田土壤N2O排放总量(表 2), 施用氮肥增加N2O排放量33.0% ~78.6%, 且两年中间隙灌溉模式下CRF处理排放量略高于Urea处理41.3% ~64.5%.因此, 有关控释肥对稻田土壤N2O减排效应的影响仍需进一步研究.

3.3 节水灌溉和控释肥施用对稻田综合温室效应、水稻产量和温室气体排放强度的影响

本研究两年水稻土柱试验表明: 灌溉方式显著影响稻田CH4和N2O的综合温室效应(表 2), 与传统的CF相比, 节水灌溉模式虽提高了稻田N2O排放量, 但是降低了CH4排放量, 最终显著降低GWP(P < 0.05).昝鹏等[39]的研究表明, 不同灌溉方式下稻田总温室效应为: CF>CI>II, 说明节水灌溉能降低稻田总体温室效应, 但CF与II中高施氮量气体总温室效应与对照相比无较大变化, 这与本研究的结果一致.然而, 与节水灌溉不同, 本试验两年土柱试验均未发现氮肥施用对GWP的显著影响(表 2), 与传统的施用尿素相比, 施用控释肥对稻田CH4和N2O的排放量以及二者的GWP均没有显著影响(P > 0.05).

水稻生长过程中水分管理对水稻生长有着重要的影响, 本试验中两年间两种节水灌溉模式的水稻产量均显著低于长期淹水模式(P < 0.05).毛心怡等[4]的研究结果表明, 在CI条件下水稻的产量比CF方式略低, 这与本研究的结果一致; 周峥嵘等[40]的研究通过盆栽杂交水稻试验发现II的水稻产量比CF的产量低37.9%, 这与本研究中II比CF水稻产量低5.0% ~37.0%的结果一致.不同氮肥处理相比, 本试验中CRF相对Urea对水稻产量没有显著增加, 这与上述氮肥处理对综合温室效应的影响类似.金丹丹等[41]和张木等[42]对控释肥的研究结果表明, 等施氮量CRF的水稻产量较Urea处理增加了6.4% ~22.0%, 但差异不显著, 这与本研究的结果一致.

4 结论

(1) 两年土柱盆栽试验表明灌溉方式对CH4排放总量、N2O排放总量、综合温室效应(GWP)、温室气体排放强度(GHGI)和水稻产量均有极显著影响(P < 0.01);与长期淹水模式相比, 节水灌溉(II、CI)模式增加了稻田土壤N2O排放, 抑制了CH4排放, 水稻产量有所降低, 最终GWP与GHGI有所降低, 而两种灌溉模式II与CI之间并无显著性差异.

(2) 氮肥施用仅对N2O排放总量以及水稻产量有显著(P < 0.05)或极显著的影响(P < 0.01), 而对CH4排放总量、GWP和GHGI未呈显著影响(P > 0.05).氮肥(Urea、CRF)处理较不施肥增加了N2O排放和水稻产量, 而Urea与CRF相比二者并无显著性差异; CH4排放、GWP和GHGI对施氮处理的响应随水分管理模式的不同而不同, 总体来看氮肥施用对上述指标的影响并不显著, 仅在2018年, II模式下施用氮肥均显著增加了GWP 136.7% ~193.1%(P < 0.05), 2019年II模式下CRF较Urea处理增加了GWP 41.7% ~50.0%(P < 0.05).

(3) 2018年灌溉模式和氮肥施用的交互效应对CH4排放总量、GWP和GHGI有显著影响(P < 0.05), 而2019年二者的交互效应仅对N2O排放总量有极显著影响(P < 0.01), 对CH4排放总量、GWP、GHGI及水稻产量并无显著性影响(P > 0.05).

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