油菜-水稻復(fù)種系統(tǒng)一次性施肥對(duì)CH4和N2O凈排放的影響

徐馳，謝海寬，丁武漢，戴震，張婧，王立剛，李虎

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油菜-水稻復(fù)種系統(tǒng)一次性施肥對(duì)CH4和N2O凈排放的影響

徐馳，謝海寬，丁武漢，戴震，張婧，王立剛，李虎

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院-美國(guó)新罕布什爾大學(xué)可持續(xù) 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

【目的】探究一次性施肥技術(shù)對(duì)油菜-水稻復(fù)種系統(tǒng)CH4和N2O排放及其特征的影響并分析其影響因素，綜合計(jì)算全球增溫潛勢(shì)，以期了解一次性施肥技術(shù)對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)大小，從而為溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考?！痉椒ā酷槍?duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)典型的油菜-水稻復(fù)種模式，在荊州太湖港農(nóng)場(chǎng)（30.36N，112.08E）油菜-水稻復(fù)種試驗(yàn)田設(shè)置了5個(gè)處理：對(duì)照處理（CK）、農(nóng)民習(xí)慣施肥處理（FP）、優(yōu)化施肥處理（OPT）、一次性尿素基施處理（UA）和一次性控釋肥基施處理（CRF），重復(fù)3次。采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對(duì)整個(gè)油菜-水稻季的CH4和N2O排放通量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并測(cè)定土壤種植前后的理化性質(zhì)與作物產(chǎn)量?！窘Y(jié)果】（1）N2O和CH4的排放均具有明顯的水稻季排放高、油菜季排放低的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。各處理N2O排放通量在油菜季的變化范圍為-4.08—35.51 μg N·m-2·h-1，水稻季則為-16.52—193.30 μg N·m-2·h-1，年平均排放通量3.66—23.70 μg N·m-2·h-1；各處理CH4的通量變化在油菜季的排放量為-0.08—0.05 mg C·m-2·h-1，水稻季則為-0.54—4.81 mg C·m-2·h-1，年平均排放通量0.42—0.66 mg C·m-2·h-1；（2）N2O年排放總量從高到低依次是FP、CRF、OPT、UA、CK，分別為1.31、1.19、1.04、0.82、0.37 kgN·hm-2，排放系數(shù)介于0.14%—0.25%，均低于IPCC的推薦值1%。兩個(gè)一次性施肥處理的UA和CRF相比同等施氮量的OPT處理，均能有效減少CH4年排放量29.0%和29.9%， UA處理同時(shí)能減少21.2%的N2O年排放總量，而CRF處理卻增加了14.8%的N2O年排放總量；（3）在同等施氮量的條件下，一次性施肥CRF比OPT顯著增加油菜產(chǎn)量10.6 %，而對(duì)水稻產(chǎn)量的影響不顯著。溫室氣體排放強(qiáng)度呈現(xiàn)油菜季低，而水稻季高的特征，油菜和水稻季中各處理差異均不顯著，油菜季中CRF和UA的排放強(qiáng)度最低為0.038 kgCO2-eq·kg-1，OPT最高為0.057 kgCO2-eq·kg-1，水稻季UA最小為0.07 kgCO2-eq·kg-1，F(xiàn)P最高達(dá)到了0.13 kgCO2-eq·kg-1；（4）綜合兩種氣體的全球增溫潛勢(shì)（100 a），用GWP表示，在相同施氮量下，兩個(gè)一次性施肥處理UA和CRF的GWP均較OPT處理減少了28.0%和18.2%（＜0.05），一次性基施尿素對(duì)降低溫室效應(yīng)更有效?！窘Y(jié)論】對(duì)于長(zhǎng)江中下游典型農(nóng)田而言，一次性基施普通尿素或一次性基施控釋尿素的措施，可以在保持作物產(chǎn)量的同時(shí)，降低了農(nóng)田溫室氣體排放，可作為水稻-油菜復(fù)種系統(tǒng)的一種環(huán)境友好型施肥推薦技術(shù)。

一次性施肥；油菜-水稻復(fù)種系統(tǒng)；溫室氣體；全球增溫潛勢(shì)

0 引言

【研究意義】因溫室氣體濃度升高而引起的全球氣候變化問(wèn)題備受人們關(guān)注。N2O和CH4作為重要的農(nóng)田非CO2溫室氣體占溫室氣體總量的比例相對(duì)較小，分別為22.9%和7.1%[1]，但其全球增溫潛力相對(duì)較大，據(jù)IPCC最新研究報(bào)告表明在100 年尺度上其增溫潛勢(shì)分別是 CO2的265倍和28倍[2]。據(jù)估計(jì)，全球農(nóng)業(yè)源排放的非CO2溫室氣體占人為源的13.5%，與交通源（13.1%）排放的溫室氣體量相當(dāng)[2]。根據(jù)《中華人民共和國(guó)氣候變化第二次國(guó)家信息通報(bào)》，中國(guó)農(nóng)業(yè)源產(chǎn)生的N2O和CH4分別占全國(guó)總排放量的56.62%和73.79%，農(nóng)業(yè)源溫室氣體占全國(guó)溫室氣體排放總量的10.97%[3]，我國(guó)政府在氣候變化外交談判中正面臨著來(lái)自各方的巨大壓力。前人對(duì)農(nóng)田的溫室氣體排放做了大量的研究工作，農(nóng)田N2O產(chǎn)生主要通過(guò)土壤的硝化和反硝化過(guò)程，CH4可在長(zhǎng)期淹水的稻田中經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生，除氣候條件和土壤特性外，農(nóng)業(yè)管理措施如耕作制度、水稻品種和田間管理措施都能影響N2O和CH4的排放，而通過(guò)控制氮肥施用是溫室氣體減排最直接有效的方法[4-9]。因此，在穩(wěn)產(chǎn)的前提下研究低排放的稻田施肥技術(shù)，對(duì)于減少農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放意義重大?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】在當(dāng)前農(nóng)村勞動(dòng)力不足且成本大幅提升的背景下，作物整個(gè)生長(zhǎng)季一次性施肥技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的推廣。其核心是根據(jù)作物不同生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)養(yǎng)分的不同需求，通過(guò)在肥料的表面包上一層膜來(lái)控制其釋放速度和釋放量，一次性施肥就能滿足作物整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期對(duì)養(yǎng)分的需求，具有減少施肥量、施肥次數(shù)、提高肥料利用率和減少勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)[10-12]。褚清河等[16]研究表明，北方稻田插秧前一次性施氮可以在減少氮肥用量的同時(shí)穩(wěn)產(chǎn)。張木等[17]研究表明，與分次施肥相比一次性施用緩控釋肥提高了水稻的產(chǎn)量12.5%?？蒯尫暑愋蛯?duì)溫室氣體的影響研究也較多，王斌等[12]研究表明，不同的控釋肥和添加劑在保產(chǎn)或者增產(chǎn)前提下，均可不同程度的減少江漢平原地區(qū)早稻和晚稻CH4和N2O的排放，紀(jì)洋等[13]研究表明，與單施尿素處理相比，控釋肥對(duì)水稻生長(zhǎng)期N2O排放量減少59.6%，水稻產(chǎn)量增加7.8%。謝勇等[14]研究也表明，相比普通尿素，控釋氮肥減氮20%時(shí)，既能降低的N2O排放量，又能增加春玉米的產(chǎn)量。而將控釋肥與一次性施肥方式相結(jié)合對(duì)溫室氣體影響的研究較少，張婧等[15]對(duì)華北平原冬小麥/夏玉米輪作中研究表明，一次性施肥技術(shù)能夠在保證產(chǎn)量的前提下有效減少土壤N2O排放。【本研究切入點(diǎn)】有關(guān)一次性施肥技術(shù)的研究大多側(cè)重于對(duì)作物產(chǎn)量和氮肥利用率的影響，但是一次性施肥技術(shù)在減少勞動(dòng)力成本提高氮肥利用效率等的同時(shí)，是否具有良好的環(huán)境效益的研究仍不足，比如對(duì)溫室氣體排放影響，尤其是針對(duì)土壤水熱條件經(jīng)常改變的水旱復(fù)種輪作系統(tǒng)。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】水稻-油菜復(fù)種輪作作為我國(guó)南方的主要耕作制度之一[18]，其種植面積僅次于稻麥輪作系統(tǒng)，水旱交替輪換導(dǎo)致的土壤季節(jié)間的干濕交替變化，這種干濕交替會(huì)引起土壤水熱條件的變化，進(jìn)而影響到土壤的物理、化學(xué)及生物學(xué)性狀，從而對(duì)作物的生長(zhǎng)及土壤N2O和CH4的排放產(chǎn)生影響。本文從長(zhǎng)江中下游地區(qū)典型的油菜-水稻復(fù)種系統(tǒng)出發(fā)，探究一次性施肥技術(shù)對(duì)水旱復(fù)種輪作系統(tǒng)N2O和CH4的排放量的特征及其影響因素，以期了解一次性施肥技術(shù)對(duì)凈溫室氣體排放的貢獻(xiàn)，從而為一次性施肥技術(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2015年10月到2016年9月在荊州太湖港農(nóng)場(chǎng)（30.36N，112.08E）油菜-水稻復(fù)種試驗(yàn)田進(jìn)行。試驗(yàn)地處江漢平原腹地，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.9—16.6 ℃，無(wú)霜期242—263 d，年降雨量1 100—1 300 mm，太陽(yáng)年輻射總量為4.4×105—4.6×105J·cm-2，年日照時(shí)數(shù)1 800—2 000 h。土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，供試土壤（0—20 cm土層）基本理化性質(zhì)：pH 7.62，有機(jī)質(zhì)15.91 g·kg-1，全氮1.27 g·kg-1，速效磷7.07 mg·kg-1，有效鉀79.85 mg·kg-1，硝態(tài)氮12.58 mg·kg-1，銨態(tài)氮9.97 mg·kg-1，其中油菜于2015年10月28日移栽，2016年5月1日收割，品種為華油雜8號(hào)（L.），移栽密度為10萬(wàn)株/hm2，油菜季氮肥追肥方式為降雨后撒施；水稻于2016年5月28日插秧，2016年9月10日收獲，品種為廣兩優(yōu)476號(hào)（L.），移栽密度為20萬(wàn)穴/hm2，前期淺水灌溉，分蘗末期（7月26日）排水曬田，一周后復(fù)水，之后進(jìn)行干濕交替灌溉，收獲前一周停止灌溉使其自然落干，田間其他管理措施與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)保持一致。2016年作物收獲之后測(cè)得土壤的硝態(tài)氮含量1.21 mg·kg-1，銨態(tài)氮含量0.74 mg·kg-1，全氮1.21 g·kg-1，速效磷13.08 mg·kg-1，速效鉀138.16 mg·kg-1。

田間試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，5個(gè)處理，分別是：對(duì)照處理（CK）、農(nóng)民習(xí)慣施肥處理（FP）、優(yōu)化施肥處理（OPT）、一次性尿素基施處理（UA）和一次性控釋肥基施處理（CRF）。優(yōu)化施肥處理施肥量是根據(jù)當(dāng)?shù)販y(cè)土配方施肥結(jié)果確定的施氮量，控釋肥是美國(guó)嘉洋控釋尿素，具體肥料包膜材料為聚氨酯。每個(gè)處理重復(fù)3次，每個(gè)小區(qū)面積是32 m2（長(zhǎng)8 m，寬4 m），施肥方式和施肥量見表1?；适┯貌捎脺鲜┓剩┓噬疃葹?0 cm，追肥采用表施，優(yōu)化施肥（OPT）處理、一次性尿素基施（UA）和一次性控釋肥基施（CRF）處理均施用相同量的氮肥，各處理的磷肥和鉀肥用量均為75 kg·hm-2，均在播前撒施。本研究中其他管理措施與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培措施一致。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與計(jì)算

1.2.1 N2O和CH4通量的測(cè)定 土壤N2O和CH4排放通量的監(jiān)測(cè)采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法[15,19-20]。采樣箱體與底座均由不銹鋼制成，箱體底部邊緣有密封條保證采樣時(shí)的密封性。箱體（長(zhǎng)50 cm，寬50 cm，高50 cm）為正方體，最大限度保證氣體取樣的代表性。每次采樣于上午8：00—10：00進(jìn)行，采樣間隔6 min，取樣5次，在記錄采樣時(shí)間的同時(shí)，利用同時(shí)測(cè)定箱內(nèi)氣溫和5 cm土壤溫度，每個(gè)小區(qū)取樣重復(fù)3次。取樣頻率為每月觀測(cè)兩次，有灌溉或降雨量超過(guò)10 mm，逐日觀測(cè)2—3 d。氣體樣品存放于鋁膜氣袋中（大連普萊特公司生產(chǎn)），之后用改進(jìn)的氣相色譜儀（Agilent 7890A）分析N2O和CH4濃度。

氣體通量按下式計(jì)算：

表1 油菜-水稻復(fù)種期內(nèi)氮肥施肥種類和施肥量

“-”表示CK處理沒(méi)有氮肥投入。計(jì)算參數(shù)：尿素：純N 46.3%；CRF1：純N 44.0%

"-" Means that CK treatment does not have nitrogen fertilizer input. The calculated parameters are urea: N 46.3%; CRF: N 44.0%

"CK"表示對(duì)照處理, "FP"表示農(nóng)民習(xí)慣處理,"OPT"表示優(yōu)化施肥處理, "UA"表示一次性尿素基施處理, "CRF"表示一次性控釋肥基施處理同時(shí)表示施肥種類為控釋肥

"CK" means the Control treatment, "FP" means Farmers' Practice treatment, "OPT" means Optimal fertilizer treatment, "UA" means Urea fertilizer treatment, "CRF" means Controlled release fertilizer treatment. And "CRF" still means the type of fertilizer which "CRF" used

1.2.2 N2O和CH4排放總量 采用平均值內(nèi)插法，用相近兩個(gè)觀測(cè)日的日通量平均值作為期間非觀測(cè)日的日通量，然后將每天的日通量累加即可估計(jì)年度氣體排放總量。

1.2.3 N2O排放系數(shù) IPCC將同期內(nèi)由化肥氮施用引起的N2O排放量占總施氮量的百分比定義為N2O排放系數(shù)（EFd），計(jì)算公式：

EFd=100×(EF- EC)/N

式中，EF和EC分別為施氮肥和對(duì)照組下作物生長(zhǎng)季N2O排放總量（kg N·hm-2）；N為當(dāng)季施氮量（kg N·hm-2）。

1.2.4 全球增溫潛勢(shì)的計(jì)算 凈溫室氣體排放以全球增溫潛勢(shì)來(lái)計(jì)算。全球增溫潛勢(shì)（GWP）是基于溫室氣體輻射特征的一個(gè)指數(shù)，用于衡量相對(duì)于CO2而言，在所選定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分得出的當(dāng)前大氣中某個(gè)脈沖排放后給定單位質(zhì)量溫室氣體的輻射強(qiáng)迫。GWP代表不同時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)溫室氣體在大氣中的綜合影響及其造成輻射強(qiáng)迫的相對(duì)效果[1-2]。N2O和CH4100年的增溫潛勢(shì)分別為CO2的265倍和28倍[2]，其計(jì)算式為：

GWP（kgCO2-eq·hm-2）=28×CH4+265×N2O-44/12×SOCSR

式中，GWP為2種溫室氣體引發(fā)的增溫潛勢(shì)，CH4、N2O為累積排放量，采用線性內(nèi)插法計(jì)算。由于SOC的年際變化不大，所以本研究中只討論N2O和CH4的凈溫室氣體排放效果。

1.2.5 溫室氣體排放強(qiáng)度 單位產(chǎn)量的GWP，即

GWP與相應(yīng)處理作物產(chǎn)量的比值。計(jì)算公式：

GHGI = GWP/Y

式中，GHGI為溫室氣體排放強(qiáng)度（kgCO2-eq·kg-1, 以CO2計(jì)）；GWP為全球增溫潛勢(shì)（kgCO2-eq·hm-2）；Y為作物產(chǎn)量（kg·hm-2）。

1.3 其他數(shù)據(jù)的測(cè)定

整個(gè)油菜-水稻復(fù)種一年的降雨量和氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源為當(dāng)?shù)貧庀笳尽?/p>

土壤樣品的采集和測(cè)定：作物種植前和收獲后，取深度為1 m的土層（每20 cm為一個(gè)層次），測(cè)定土壤的基本理化性質(zhì)，包括pH、堿解氮、速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖，SPSS 19.0進(jìn)行不同處理間的差異顯著性檢驗(yàn)（ANOVA程序單因素方差分析，顯著水平為0.05），處理間采用LSD多重比較方法，采用Duncan進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 油菜-水稻季中土壤N2O和CH4的周年排放特征

對(duì)于N2O排放特征，各處理N2O排放通量變現(xiàn)為明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化特征，具有油菜季低、水稻季高的季節(jié)特點(diǎn)，在油菜季的變化范圍為-4.08—35.51 μg N·m-2·h-1，而水稻季則在-16.52—193.30 μg N·m-2·h-1。隨著環(huán)境溫度的下降逐漸降低，結(jié)合日均氣溫、降雨量（圖1）和N2O的排放通量特征（圖2）進(jìn)行分析，可以看出N2O的排放峰集中在6—9月份的水稻生長(zhǎng)季，降雨和溫度是影響N2O排放的主要因素，降雨和氣溫共同影響微生物的活性和O2含量，從而影響土壤N2O的形成和排放。對(duì)于CH4排放，與N2O排放特征相似，各處理的CH4排放通量也具有油菜季低、水稻季高的季節(jié)變化特征（圖3），油菜季CH4排放微弱，在-0.08—0.05 mg C·m-2·h-2之間，而在溫度降雨相對(duì)高的6—9月份水稻生長(zhǎng)季，CH4排放量為-0.54—4.81 mg C·m-2·h-2，主要是因?yàn)镃H4排放主要通過(guò)淹水條件（厭氧還原環(huán)境）下產(chǎn)生，在旱季很難有淹水的條件，而在水稻季由于淹水從而排放大量CH4，從圖3中可以看出，CH4排放峰值出現(xiàn)在水稻生長(zhǎng)分蘗到抽穗階段，這一時(shí)期水稻生長(zhǎng)旺盛，植株生物量大量增加，并充當(dāng)了土壤和大氣的通道，將淹水環(huán)境下產(chǎn)生的CH4排放到大氣中。

2.2 油菜-水稻季中土壤N2O和CH4的排放總量

從整個(gè)復(fù)種周期來(lái)看，各處理的N2O年排放總量從高到低依次是FP、CRF、OPT、UA、CK，分別為1.31、1.19、1.04、0.82、0.37 kg N·hm-2，排放系數(shù)依次為0.22%、0.25%、0.20%、0.14%，均低于IPCC的推薦值1%。OPT處理比FP處理在減少氮肥用量21.4%的條件下減少了N2O排放20.5%，可見，施肥量直接影響了N2O的排放；而在同等施氮水平下，一次性施肥的UA和比OPT處理減少了21.2%，一次性施肥的CRF處理卻增加了14.8%，但是差異均不顯著。從不同作物生長(zhǎng)季來(lái)看，油菜季的各處理的N2O的排放量在0.17—0.41 kg N·hm-2，由于各處理之間N2O的排放量不高，一次性施肥對(duì)油菜季N2O排放影響不明顯（圖4）。水稻季的各處理的N2O排放總量在0.20—0.99 kg N·hm-2，一次性施肥條件下水稻季的UA比OPT處理減少25.1%，而CRF處理比OPT增加45.0%（圖4）。說(shuō)明在水稻季UA的減排作用大于CRF，可能的原因是溫度和水分對(duì)N2O排放影響很大，一次性施肥均是基施肥，由于控釋肥的肥效持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于普通尿素，參與N2O產(chǎn)生過(guò)程的基質(zhì)濃度較高，因此在相對(duì)較高的溫度和水分的月份，會(huì)比普通尿素產(chǎn)生更多的N2O。

圖1 觀測(cè)期降雨量和日平均氣溫的變化

圖2 不同處理下油菜-水稻復(fù)種系統(tǒng)土壤N2O排放通量

圖3 不同處理下油菜-水稻復(fù)種系統(tǒng)土壤CH4排放通量

圖4 不同施肥方式下油菜-水稻季N2O排放總量

從整個(gè)復(fù)種周期看CH4年排放總量，其中FP最高，達(dá)到了24.58 kg C·hm-2，OPT為21.25 kg C·hm-2，CK為19.26 kg C·hm-2，CRF和UA最低，分別是14.89和15.08 kg C·hm-2，一次性施肥的CRF和UA分別比OPT減少CH4排放量29.9%和29.0%，而減氮OPT處理比FP減少了13.5%的，說(shuō)明一次性施肥可減少CH4的排放量，施用氮肥雖然沒(méi)有直接對(duì)CH4的排放產(chǎn)生作用，但是可以通過(guò)促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育來(lái)提供CH4的排向大氣的通道。從不同作物生長(zhǎng)季來(lái)看，油菜季的各處理CH4排放量在-0.77—0.38 kg C·hm-2，其中CK、UA和CRF的排放均是負(fù)值（吸收），而水稻季的各處理的CH4排放量達(dá)到了15.15—24.26 kg C·hm-2，一次性施肥處理的UA和CRF分別比OPT減少27.4%和25.0%，但是差異不顯著，原因可能是增施氮會(huì)促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育從而間接增加CH4的排放量（圖5）。

圖5 不同施肥方式下油菜-水稻季CH4排放總量

2.3 不同處理下油菜-水稻周年的GWP

本研究利用GWP綜合研究了N2O和CH4的凈溫室氣體排放。各處理的GWP從大到小排列為FP＞OPT＞CRF＞CK＞UA，F(xiàn)P最高，達(dá)到了1 062.36 kgCO2-eq·hm-2，顯著（＜0.05）高于兩個(gè)一次性施肥處理UA和CRF，其次為OPT處理，GWP值達(dá)到了8 90.61 kgCO2-eq·hm-2，顯著（＜0.05）高于UA處理。與OPT處理相比，UA和CRF處理分別減少了28.0%和18.2%的GWP。綜合考慮N2O和CH4兩種氣體的溫室效應(yīng)，說(shuō)明兩種一次性施肥處理可以降低溫室效應(yīng)，其中UA的效果較好（表2）。值得一提的是，通過(guò)分析N2O和CH4兩種溫室氣體對(duì) GWP的貢獻(xiàn)率表明，各處理CH4對(duì)GWP的凈貢獻(xiàn)率處于58.7%—85.7%之間，說(shuō)明在油菜-水稻的水旱復(fù)種中CH4對(duì)GWP的貢獻(xiàn)更高，應(yīng)該更加關(guān)注水稻生長(zhǎng)季CH4的減排。

表2 不同施肥方式下油菜-水稻的GWP（100 a）

表中不同字母a, b, c表示在（=0.05）水平上顯著差異

The different letters a, b, and c in the table indicate significant differences at (=0.05) level

2.4 油菜-水稻季的作物產(chǎn)量和GHGI

作物產(chǎn)量是評(píng)價(jià)一種施肥技術(shù)最重要的指標(biāo)。研究中表明（圖6），除CK處理之外，各施肥處理間的油菜產(chǎn)量在2 150—2 441 kg·hm-2和水稻產(chǎn)量在9 207—9 806 kg·hm-2。在油菜季，OPT處理比FP處理減少了油菜產(chǎn)量11.9%，可見，在減少氮肥用量21.42%的條件下降低了油菜的產(chǎn)量；但是UA處理與OPT產(chǎn)量無(wú)差異，而CRF處理比OPT增產(chǎn)9.6%，說(shuō)明UA可以穩(wěn)產(chǎn)，而CRF會(huì)增加油菜的產(chǎn)量。而在水稻季CRF、UA和OPT之間無(wú)差異，說(shuō)明一次性施肥不會(huì)造成作物減產(chǎn)，對(duì)產(chǎn)量的影響在可接受范圍之內(nèi)。對(duì)于GHGI則呈現(xiàn)油菜季低，而水稻季高的特征（圖7），在油菜季中CRF和UA的排放強(qiáng)度最低，為0.038 kgCO2-eq·kg-1，OPT最高為0.057 kgCO2-eq·kg-1，各處理的溫室氣體排放強(qiáng)度差異不顯著，說(shuō)明一次性施肥沒(méi)有降低油菜季的GHGI，而在水稻季UA最小為0.07 kgCO2-eq·kg-1，F(xiàn)P最高達(dá)到了0.13 kgCO2-eq·kg-1，各處理間差異不顯著，但是一次性施肥處理的排放強(qiáng)度低于傳統(tǒng)施肥方式，需進(jìn)一步研究。

圖6不同施肥方式下油菜、水稻產(chǎn)量

圖7 不同施肥方式下油菜-水稻季溫室氣體排放強(qiáng)度

3 討論

3.1 油菜-水稻復(fù)種系統(tǒng)的N2O和CH4排放特征

本研究中，油菜-水稻復(fù)種系統(tǒng)各處理的土壤N2O通量有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，油菜季N2O通量在-4.08—35.51 μg N·m-2·h-1，而水稻季則在-16.52—193.30 μg N·m-2·h-1，呈現(xiàn)水稻季高，油菜季低的特點(diǎn)，該現(xiàn)象與荊光軍等[21]、石將來(lái)等[22]對(duì)水稻/油菜復(fù)種系統(tǒng)的N2O排放規(guī)律的研究一致，原因是N2O的主要排放機(jī)制是硝化/反硝化過(guò)程，兩個(gè)過(guò)程的相對(duì)重要性取決于環(huán)境條件[23]，最適合硝化和反硝化作用的溫度分別為25—35℃[24]，在未達(dá)到最適溫度前，隨著土壤溫度的升高，硝化和反硝化作用加強(qiáng)[21]。同時(shí)水分也是關(guān)鍵因素，土壤產(chǎn)生N2O的主要來(lái)源在土壤含水量未處于飽和含水量時(shí)是硝化作用，而當(dāng)水分飽和時(shí)則是反硝化過(guò)程[25]，而本研究中在6—9月的均溫在27.45℃，降雨量584.1 mm，溫度和水分都較高，綜合加強(qiáng)了土壤硝化/反硝化的過(guò)程，因而會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的N2O排放峰。本研究中還觀察到了稻田土壤吸收N2O的現(xiàn)象，在三江平原典型沼澤濕地[26]和太湖地區(qū)稻麥菜復(fù)種地N2O排放也有類似的現(xiàn)象[27]，原因可能是水稻季持續(xù)淹水導(dǎo)致土壤處于強(qiáng)還原狀態(tài)，使得微生物吸收N2O并將其反硝化還原成N2[28]。

同樣，本研究中各處理的土壤CH4通量有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，各個(gè)處理之間尤其是一次性施肥處理對(duì)CH4和N2O周期排放特征影響不顯著，均呈現(xiàn)出水稻季高，油菜季低的特點(diǎn)，這在水旱輪作CH4排放的研究中均可見[22,29]，原因是相比于油菜季，水稻季常處于淹水狀態(tài)，土壤達(dá)到飽和含水量，易形成厭氧的還原性環(huán)境，利于產(chǎn)CH4菌等的厭氧菌的繁殖，從而分解土壤中的有機(jī)物產(chǎn)生CH4[25]。本研究還觀察到了水稻生長(zhǎng)季呈“中間高兩頭低”的變化趨勢(shì)，這與盧維盛等[30]、韓廣軒等[31]的研究中水稻CH4排放特征一致。原因是隨著水稻的生長(zhǎng)，根系逐漸發(fā)達(dá)，水稻地上部和地下部良好的生長(zhǎng)為土壤中產(chǎn)生的CH4氣體向大氣的排放提供了通道，排放CH4的能力慢慢增強(qiáng)，在抽穗中期達(dá)到最大，之后隨著水稻成熟而減小[31]。

3.2 一次性施肥對(duì)土壤N2O和CH4排放總量的影響

從不同作物生長(zhǎng)季來(lái)看，油菜季的各處理的N2O的排放量不高，為0.17—0.41 kg N·hm-2，可以看出一次性施肥對(duì)油菜季N2O排放影響不明顯，大多研究表明，旱作農(nóng)田N2O排放遠(yuǎn)高于灌溉稻田，《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》中，旱作農(nóng)田和灌溉稻田N2O排放因子的缺省值分別為1%和0.3%，即旱作農(nóng)田N2O排放遠(yuǎn)高于灌溉稻田，但本文中得到的結(jié)果是油菜季的N2O排放低于灌溉稻田。主要是本研究中油菜季處于溫度和降水都較少的冬春兩季，氣溫和土壤水分含量高低能明顯影響微生物的活性大小和土壤中的O2含量，從而成為土壤排放N2O的主要影響因素[26]，而冬春季低活性的微生物導(dǎo)致了N2O的排放量不高，而水稻季由于頻繁的干濕交替灌溉促進(jìn)了N2O的排放，從而水稻季比旱作油菜季高。另一個(gè)原因是油菜季取樣頻率偏低。實(shí)際上，油菜季的測(cè)定頻率為每月至少2次，那么整個(gè)油菜季應(yīng)該有8—10次數(shù)據(jù)。造成最終只有5次有效數(shù)據(jù)的原因是，由于田間測(cè)量誤差比如產(chǎn)生了漏氣現(xiàn)象等，影響了數(shù)據(jù)濃度的計(jì)算，N2O排放濃度和測(cè)量時(shí)間沒(méi)有形成顯著的相關(guān)關(guān)系（線性或非線性關(guān)系），即依據(jù)文中氣體通量計(jì)算公式d/d是負(fù)值或?yàn)榱?，因此為了保證數(shù)據(jù)的有效性合理性，在原始通量數(shù)據(jù)處理過(guò)程中舍掉了一部分?jǐn)?shù)據(jù)。由于田間試驗(yàn)困難且復(fù)雜，影響因素多，基于靜態(tài)箱的觀測(cè)方法本身?xiàng)l件的限制，因此，在以后的試驗(yàn)中增加取樣頻率或改善研究方法必不可少。水稻季的各處理的N2O排放總量在0.20—0.99 kg N·hm-2，一次性施肥條件下水稻季的UA比OPT處理減少25.1%，而CRF處理比OPT增加45.0%?？赡艿脑蚴且淮涡允┓识际腔蒯尫实姆市С掷m(xù)時(shí)間長(zhǎng)于普通尿素，導(dǎo)致基施控釋肥參與N2O產(chǎn)生過(guò)程的基質(zhì)濃度較高，同時(shí)水稻季6月開始逐漸升高的環(huán)境溫度和增多的水分也會(huì)影響N2O的排放[21,25]，從而會(huì)比普通尿素產(chǎn)生更多的N2O，這與其他的研究結(jié)果[36-37]不相符，同時(shí)劉曉偉等[36]的研究表明深施肥可以延長(zhǎng)肥料養(yǎng)分在土壤中的貯存時(shí)間，降低了氮肥當(dāng)季損失量。本研究中的施肥深度在10 cm，因此深施也可能是本研究中基施處理的N2O排放量不高的原因。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注一次性控釋肥對(duì)N2O排放的影響。CH4的排放量主要發(fā)生在水稻季，施用氮肥雖然沒(méi)有直接對(duì)CH4的排放產(chǎn)生作用，但是可以通過(guò)促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育來(lái)提供CH4的排向大氣的通道[32]，各處理的CH4排放量為15.15—24.26 kg C·hm-2，一次性施肥處理的UA和CRF分別比OPT減少27.4%和25.0%，但是差異不顯著，可能原因是在OPT處理在水稻關(guān)鍵生長(zhǎng)期的追肥會(huì)促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育從而間接增加CH4的排放量[32]。

3.3 一次性施肥對(duì)土壤GHGI和作物產(chǎn)量的影響

單位產(chǎn)量的GHGI呈現(xiàn)油菜季低，水稻季高的特征，說(shuō)明在相同的產(chǎn)量下，水稻季排放的溫室氣體多于油菜季，原因可能是油菜季主要的溫室氣體來(lái)源是N2O，本研究中油菜季的降雨少且持續(xù)短，同時(shí)整個(gè)油菜生長(zhǎng)季節(jié)的溫度并不高，所以油菜季N2O排放較弱；而在水稻季中有主要排放兩種溫室氣體，雖然水稻產(chǎn)量明顯高于油菜，但稻田的干濕交替促進(jìn)了N2O排放[34-35]，同時(shí)稻田大量排放的CH4綜合作用使得最終計(jì)算水稻季的GHGI較高，所以我們應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注水稻季的溫室氣體排放。與CK、FP和CRF處理相比，一次性施肥的CRF與UA處理的GHGI在油菜和水稻季均較低，但是兩季中各處理間差異不顯著。原因可能是本研究中一次性施肥的肥料采用基肥深施，劉曉偉等[38]的研究表明深施可以延長(zhǎng)肥料養(yǎng)分在土壤中的貯存時(shí)間，降低了氮肥當(dāng)季損失量，在保證產(chǎn)量的前提下，一次性深施肥通過(guò)減少了溫室氣體排放從而降低溫室氣體排放強(qiáng)度。因此，一次性施肥作為一種溫室氣體減排的技術(shù)是值得推薦的。各施氮肥處理間的油菜產(chǎn)量2 150—2 441 kg·hm-2和水稻產(chǎn)量9 207—9 806 kg·hm-2。減氮施肥的3個(gè)處理均沒(méi)有顯著降低作物的產(chǎn)量。一次性施肥CRF處理比OPT處理可以增加油菜產(chǎn)量9.6%，但對(duì)水稻產(chǎn)量增加不明顯，可能是控釋氮肥的養(yǎng)分釋放周期長(zhǎng)于普通氮肥，為油菜提供氮素的時(shí)間較長(zhǎng)[39]，土壤成分含量的不同可能會(huì)影響控釋尿素控制養(yǎng)分釋放的速率以及作物產(chǎn)量和肥料利用效率[40-41]。本研究試驗(yàn)區(qū)的土壤質(zhì)地是砂壤土，具有較弱的氧化還原電位緩沖能力及較差的有機(jī)質(zhì)保持能力?？蒯尫士赡苡捎谇捌谕寥拉h(huán)境導(dǎo)致釋放過(guò)快，作物生長(zhǎng)期長(zhǎng)，等到后期需要肥旺季和普通尿素一樣，難以提供大量尿素，同時(shí)比較了作物種植前后土壤的養(yǎng)分變化，發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量大幅度下降，這也可能是基施尿素沒(méi)有造成減產(chǎn)的原因。同時(shí)施肥方也可能是另一影響因素，劉曉偉等[38]的研究表明深10 cm的根區(qū)施肥可以延長(zhǎng)肥料養(yǎng)分在土壤中的貯存時(shí)間，顯著提高水稻的氮肥利用效率，這也有利于保持產(chǎn)量。本研究中施肥方式采用的溝施肥，施肥深度在10 cm，在節(jié)省肥料，提高氮肥利用效率的同時(shí)保證了作物產(chǎn)量。油菜季可能是深施肥和降雨少、溫度低的環(huán)境共同減緩了養(yǎng)分的釋放[39]，而水稻季降雨多、溫度高的環(huán)境使得控釋肥前期釋放過(guò)快，但深施肥技術(shù)提高了氮肥利用效率，使得一次性基施控釋肥和普通尿素的肥效接近，在保證產(chǎn)量的同時(shí)降低了溫室氣體排放。但也有羅宏?yáng)|等[42]的研究表明先期施用基肥分開施肥的效果優(yōu)于一次性施肥，一次性全量基施普通氮肥會(huì)造成水稻減產(chǎn)[43]。因此，未來(lái)也要關(guān)注一次性施肥技術(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響。

3.4 一次性施肥技術(shù)對(duì)GWP的影響

由于CH4和N2O存在著此消彼長(zhǎng)的關(guān)系[44]，如果只是單獨(dú)考慮對(duì)N2O和CH4各自的影響，可能會(huì)造成減排技術(shù)效應(yīng)的不準(zhǔn)確評(píng)估，甚至?xí)a(chǎn)生相反的結(jié)果。本文為了分析凈溫室氣體排放，采用了GWP。石將來(lái)等[22]在西南紫土研究中，油菜-水稻輪作系統(tǒng)GWP（100 a）為3 454.17 kgCO2-eq·hm-2，張?jiān)婪嫉萚7]在陽(yáng)澄湖平原研究中，水旱輪作稻田的GWP（100 a）為3 127 kgCO2-eq·hm-2，本研究中計(jì)算出FP處理的GWP最高，為1 062.36 kgCO2-eq·hm-2，相比之下，GWP更低。各處理CH4排放對(duì)GWP的貢獻(xiàn)更大，達(dá)到了58.7%以上，張?jiān)婪嫉萚7]的研究也表明，CH4排放在稻季溫室效應(yīng)中起著決定性作用?？赡艿脑蛞皇怯捎谟筒?水稻復(fù)種系統(tǒng)溫室氣體主要產(chǎn)生在水稻季；二是由于稻田的CH4的排放量大于N2O的排放量，且與水稻地上生物量之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系[45]，而且相比N2O更易排放到大氣中。此外，分析不同處理之間的GWP表明，減氮21.4%的OPT比FP減少了16.4%，這說(shuō)明氮肥的減量施用降低了凈溫室氣體排放[32,46]。在同樣施氮水平下，與OPT處理相比，UA和CRF處理分別減少了28.0%和18.2%的GWP。說(shuō)明兩種一次性施肥處理可以降低GWP，但UA的效果較好。這主要由于控釋肥對(duì)稻田N2O排放的影響更取決于田間水分狀況和溫度條件[47]，控釋肥的肥效持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于普通尿素，在稻田干濕交替的過(guò)程中，其緩慢釋放養(yǎng)分增加了形成硝化反硝化的底物[15]，從而加大了N2O排放量，因而對(duì)水稻季N2O排放減排效果不明顯。降雨是影響旱地N2O排放的重要因素[34-35]，在休閑期降雨較多且溫度20℃以上，但本研究中在休閑期溫室氣體測(cè)定頻率偏低，必然會(huì)造成對(duì)周年溫室效應(yīng)估算的偏差。雖然相關(guān)研究表明[22,48]在作物輪作季休閑期測(cè)定的溫室氣體排放量不高，但是對(duì)于研究周年溫室氣體排放效應(yīng)，在未來(lái)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)完善取樣測(cè)定的頻率。可見，控釋肥對(duì)水稻季N2O的減排效果仍需長(zhǎng)期觀測(cè)。但綜合考慮兩種氣體的GWP，UA或者CRF處理仍是值得推薦的溫室氣體減排技術(shù)。

4 結(jié)論

4.1 在油菜-水稻復(fù)種系統(tǒng)各處理的土壤N2O和CH4排放通量具有明顯的油菜季低、水稻季高的季節(jié)特點(diǎn)；排放強(qiáng)度（GHGI）呈現(xiàn)油菜季低，而水稻季高的特征。

4.2 在減少21.4%（45 kg）的農(nóng)民習(xí)慣氮肥施用量下，可以同時(shí)減少N2O排放量20.5%，CH4排放量13.5%。與氮肥施用量（165 kg）相同的分次施肥相比，一次性基施普通尿素可以同時(shí)減少21.2%的N2O排放量和29.0%的CH4排放量，而一次性基施控釋肥減少了29.9%的CH4排放量卻增加了14.8%的N2O排放量。

4.3 在相同的氮肥施肥量（165 kg）下，一次性施肥基施尿素和控釋肥分別比分次施肥減少了28.0%（641.69 kgCO2-eq·hm-2）和18.2%（733.25 kgCO2-eq·hm-2）的GWP，但是油菜產(chǎn)量（2 150—2 379 kg·hm-2）和水稻產(chǎn)量（9 147—9 246 kg·hm-2）并未減少。

可見，一次性施肥包括基施尿素或者基施控釋肥不會(huì)造成作物減產(chǎn)，同時(shí)可以降低凈溫室氣體的排放，但仍需長(zhǎng)期試驗(yàn)的驗(yàn)證。

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（責(zé)任編輯 李云霞）

The Impacts of CH4and N2O Net Emission Under One-Off Fertilization of Rape-Paddy Replanting System

XU Chi, XIE HaiKuan, DING WuHan, DAI Zhen, ZHANG Jing, WANG LiGang, LI Hu

(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Non-point Source Pollution Control, Ministry of Agriculture/Joint Research Laboratory for Sustainable Agro-ecosystem Research between Chinese Academy of Agricultural Sciences and University of New Hampshire (CAAS-UNH), Beijing 100081)

【Objective】The objective of this paper was to explore the impacts of one-off fertilization on CH4and N2O emissions and its impacting factors in rape-paddy replanting system to calculate global warming potential, and to understand the contribution of one-off fertilization to the greenhouse gas emission, so as to provide scientific basis and technical reference for greenhouse gas emission reduction.【Method】Based on the typical rape-paddy replanting system in the middle and lower reaches of the Yangtze River, the experiments were set up in the (30.36N, 112.08E) rape-paddy replanting test field in Taihu port farm of Jingzhou from October 2015 to September 2016 with 5 treatments, including Control treatment (CK), Farmers' Practice treatment (FP), Optimal fertilizer treatment (OPT), Urea fertilizer treatment (UA) and Controlled release fertilizer treatment (CRF), with 3 replicates. In the whole growth period, the static chamber gas chromatography method was used for determination of CH4and N2O emission flux. Before and after planting, the physicochemical properties of soil and yield of the crop were measured.【Result】(1) The emissions of N2O and CH4had obvious seasonal dynamics of high in paddy season and low in rape season. The fluxes of N2O varied -4.08-35.51 μg N·m-2·h-1and varied -16.52-193.30 μg N·m-2·h-1in the paddy season. The average annual emission flux varied 3.66-23.70 μg N·m-2·h-1; the fluxes of CH4varied -0.08-0.05 mg C·m-2·h-1in rape season. The fluxes of CH4in rice season varied -0.54-4.81 mg C·m-2·h-1. The annual average flux varied 0.42-0.66 mg C·m-2·h-1. (2) The amounts of N2O emissions from high to low were FP, CRF, OPT, UA, and CK, respectively, and the value of them was 1.31, 1.19, 1.04, 0.82 and 0.37 kg N·hm-2, respectively. The emission factors were a range in 0.14%-0.25%, all values were lower than 1%, which were IPCC Recommended. Compared with OPT treatment with the same amount of nitrogen input, the two one-off fertilization UA and CRF treatments could effectively reduce CH4emissions by 29.0% and 29.9%, respectively, at the same time UA treatment can reduce the 21.2% N2O emissions, but CRF treatment increased 14.8% N2O emissions. (3) Under the same amount of nitrogen application, one-off fertilization CRF significantly increased the yield of rape by 10.6%, while the effect on paddy yield was not significant. The characteristics of the GHGI showed low in rape season, high in rice season, but there was no significant difference in treatments between rape and rice season. The minimum GHGI of CRF and UA in rape season was 0.038 kgCO2-eq·kg-1, OPT was maximum with 0.057 kgCO2-eq·kg-1, the minimum of UA in rice season UA was 0.07 kgCO2-eq·kg-1, and FP was maximum with 0.13 kgCO2-eq·kg-1. (4) The Global Warming Potential of the two gases were integrated with the GWP (100 year scale), under the same nitrogen application amount, one-off fertilization UA and CRF were better than OPT significantly reduced the GWP 28.0% and 18.2% (＜0.05), and the one-off fertilization of urea was more effectively reduce the effect of greenhouse gas.【Conclusion】For the typical farmland in the middle and lower reaches of the Yangtze River, one-off fertilization of common urea or control-release urea could reduce greenhouse gas emissions while maintained crop yield, but it still needs to be verified by long-term experiments.

one-off fertilization; rape-paddy replanting system; greenhouse gas; global warming potential

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.20.015

2018-01-22；

2018-07-06

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFE010110、2016YFD0201204、2018YFD0800402）、國(guó)家自然科學(xué)基金（41671303）、中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（1610132016042）、國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303103）

徐馳，E-mail：lzchinaxc@163.com。通信作者李虎，E-mail：lihu0728@sina.com