施肥量对福州平原稻田CH4和N2O通量的影响

纪钦阳, 张璟钰, 王维奇,2

(1.福建师范大学地理研究所；2.福建师范大学生态地理过程教育部重点实验室，福建 福州 350007)

施肥量对福州平原稻田CH4和N2O通量的影响

纪钦阳1, 张璟钰1, 王维奇1,2

(1.福建师范大学地理研究所；2.福建师范大学生态地理过程教育部重点实验室，福建 福州 350007)

为阐明施肥量对福州平原稻田CH4和N2O排放的影响，以不施肥处理为对照(CK)，采用静态箱—气相色谱法，分析了常规施肥和倍增施肥稻田CH4和N2O通量及其影响因子。结果表明，CK、常规施肥和倍增施肥处理下稻田CH4累积排放量依次为7.67、9.23和10.69 g·m-2，平均通量依次为3.47、4.18和4.84 mg·m-2·h-1，倍增施肥显著促进稻田CH4排放(P<0.05)；稻田N2O排放量依次为-0.03、-0.05和-0.06 mg·m-2，平均通量依次为-13.99、-22.77和-28.10 μg·m-2· h-1，施肥量对N2O排放的影响不显著(P>0.05)。电导率与稻田CH4通量呈极显著正相关(P<0.01)；常规施肥电导率与稻田N2O通量呈显著负相关(P<0.05)。土壤pH、Eh、温度和含水率等环境因子与不同施肥处理下稻田CH4和N2O排放量相关性存在差异。CK、常规施肥和倍增施肥观测期内所产生的综合增温潜势分别为2 515.03、2 989.07 和3 450.45 kg·hm-2，倍增施肥处理显著提高稻田温室气体综合增温潜势。

CH4; N2O; 施肥; 稻田; 福州平原

CH4和N2O是大气中重要的温室气体，100 年时间尺度上，CH4和N2O单位分子增温潜能分别是CO2的34倍和298倍[1]。稻田生态系统是全球CH4和N2O排放的主要来源，其温室气体的排放与减排研究已成为当今的热点问题，已有研究主要探讨了减排抑制剂[2]、水分管理[3-4]、品种[5]、栽培方式[6]等对温室气体排放的影响。近年来，随着稻米需求量的增加，稻田施肥量呈现增长的趋势，所带来的温室气体大量排放[7]和对生态环境的破坏[8]等问题不容忽视。根据区域土壤特征进行适量施肥对于减缓温室气体排放具有重要意义。石生伟等[9]和秦晓波等[10]在湖南省长沙县和望城县水稻研究区开展了氮磷施肥量和无机肥与有机肥配施对稻田CH4和N2O排放的影响，结果显示，不同的无机肥处理对稻田CH4和N2O平均通量差异均不显著，有机肥显著促进CH4排放，而对N2O并没有影响；赵峥等[11]在上海市青浦区稻田研究区开展了无机、有机肥混施对稻田CH4和N2O排放的影响，结果显示，有机肥能显著增加CH4的排放通量，也显著降低N2O排放通量。总体上，相同施肥模式下，不同研究区域对温室气体排放的影响并不完全相同；且现有研究多集中于氮肥和有机肥，对常用的无机复合肥的研究鲜见报道[9-12]。因此，在不同地区开展无机复合肥的研究具有重要的理论和实践意义。

土壤盐度、pH、氧化还原电位(Eh)和含水率等环境因子在控制温室气体排放中具有重要作用[13]，环境因子对环境的变化响应敏感性较强[14-15]，施肥是否会改变土壤理化因子进而影响温室气体排放尚不清楚。本文研究了不施肥(CK)、常规施肥和倍增施肥对福州平原稻田CH4和N2O排放的影响，探讨不同施肥量稻田温室气体排放特征及其影响因子，以期为揭示不同施肥量对温室气体排放的影响程度与机制提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

研究区位于福州城郊南部水稻研究所吴凤综合实验基地(26.1°N，119.3°E)，经检测，稻田土壤耕作层全碳含量为(18.30±0.36) g·kg-1、全氮含量为(1.75±0.06) g·kg-1、全磷含量为(1.80±0.06) g·kg-1。水稻栽培品种为江西省农科院研发的和盛10号，此稻丰产性好，精米米质鉴定为国标优质3级和省标优质3级，稻瘟病抗性中，耐寒性中，为福建省稻作区主栽品种。于2014年4月16日机插移栽，株行距14 cm×28 cm，为保持稻田土壤的均一性，试验前对稻田进行人工整平，7月16日收获。采取传统水分管理，水稻前期实行水淹管理，水稻分蘖末期后实行烤田—复水—湿润灌溉相结合的灌溉方式。气温、降水与空气湿度变化是影响水稻生长发育和稻田温室气体排放的主要因素，水稻生长期观测试验地气温与湿度变化(图1)。

图1 水稻生长期气温与空气湿度变化特征Fig.1 Air temperature and humidity fluctuations during rice growth stage

选择相对平整且人为干扰较少的水稻田地，随机选择9个试验小区，每3个小区为1个处理，共设置3个处理：不施加任何肥料的对照组(CK)、常规施肥组和倍增施肥组。常规施肥组主要施用复合肥(N∶P2O5∶K2O=16∶16∶16)和尿素(N≥46.4%)，在水稻生长期内施加N、P2O5和K2O依次为 95、70和70 kg·hm-2，倍增施肥组施肥量是常规施肥组的2倍。

1.2 气体样品的采集与测定

采用静态箱与气相色谱法相结合的方法对稻田CH4和N2O气体通量进行测定。静态箱由插入土壤的底座和箱体两部分组成，底座与箱体均由厚5 mm的透明有机玻璃制成。底座长×宽×高为0.3 m×0.3 m×0.3 m，下部有均匀小孔，易于水肥养分的流通；箱体长×宽×高为0.3 m×0.3 m×1.0 m，侧部装有温度计，顶部装有小风扇。上午9:30-11:30之间进行采样，每隔7 d采样1次，采用医用塑料注射器采集气体，每隔15 min抽取70 mL气体样品，共抽取3次，抽取后立即注入气袋内，并同步记录箱内温度。采用日本岛津公司生产的气相色谱仪(GC2010和GC2014)对CH4和N2O气体进行测定。气体通量的计算公式如下：

(1)

式中，F为温室气体通量/(mg·m-2·h-1)；M为温室气体的相对分子质量/g；V为标准状态下的温室气体摩尔体积/(L·mol-1)；dc/dt为单位时间温室气体浓度的变化/(μL·L-1·h-1)；T为静态箱内温度/℃；H为静态箱箱高/m。

综合温室效应计算公式[1]如下:

PGW=RCH4×34+RN2O×298

(2)

式中,PGW为综合增温潜势值/(kg·hm-2，以CO2为当量);RCH4为观测期的CH4累积排放量/(g·m-2);RN2O为观测期N2O累积排放量/(mg·m-2)。

1.3 环境因子的测定

温室气体采集完成后，用深圳泰立公司的2265FS便携式盐分计原位同步测定表层水及0-15 cm深度的土壤温度与土壤电导率；用北京澳作生态公司IQ150土壤原位pH计测定Eh和pH值；用北京哈维斯廷公司的土壤水分测定仪(TDR 300 Soil Moisture Meter)测定土壤含水量；用手持式气象站测定采样时的气温与空气湿度。

1.4 数据处理

主要采用Origin 8、Excel 2003和SPSS 17.0统计分析软件对测定数据进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 水稻生长期CH4和N2O通量的变化规律

不同处理稻田CH4通量变化见图2A。由图2A可知，在水稻生长期内不同施肥量处理的CH4通量表现出相似的变化规律，且在生育期的始、末均较低。水稻移栽后，随着气温的升高、厌氧环境的形成及水稻的旺盛生长，CH4通量逐渐升高；移栽后29 d左右，各处理同时出现CH4通量降低；由于稻田排水烤田与湿润灌溉作用，分蘖末期CH4在移栽64 d再次降低。移栽71 d时，各处理CH4通量同时达到最大值；之后随着水稻的成熟与稻田水的排干，CH4通量迅速下降。移栽初期，土壤受人为干扰影响较大，各处理稻田CH4通量相差不明显，移栽22 d进入水稻生长中期，各处理间的差异逐渐明显且常规施肥与倍增施肥处理CH4通量均大于CK，直到移栽85 d时水稻开始成熟，差异才逐渐变小。整个生长期内CH4排放幅度为0.05-14.42 mg·m-2·h-1，平均值为(4.20±0.37) mg·m-2·h-1，整个水稻生长季CH4通量随时间变化显著(表1)。

不同处理下稻田N2O通量变化见图2B。由图2B可知，水稻生长期内出现吸收与排放交替现象，各处理N2O通量随时间变化显著(表1)。移栽中期由于水稻植株发达的通气组织和稻田排水—晒田—湿润灌溉管理，水稻移栽36和50 d时出现N2O排放低峰和高峰，随后稻田N2O通量逐渐下降。其他观测期间各处理N2O通量总体上趋于平稳。整个生长期内N2O通量最小值为(-304.93±57.40) μg·m-2·h-1，出现在水稻移栽36 d时；最大值为(113.81±55.35) μg·m-2·h-1，出现在水稻移栽50 d时。

A.CH4通量;B.N2O通量。图2 不同施肥量下稻田CH4与N2O通量变化特征Fig.2 Changes of CH4 and N2O emission rate in paddy fields under different fertilizer regimes

表1 施肥对CH4与N2O通量影响的重复测量方差分析Table 1 Analysis of Variance on effect of fertilizer rates on CH4 and N2O emissions

2.2 施肥量对稻田CH4和N2O通量的影响

A.CH4通量;B.N2O通量。图3 施肥量对稻田生育期CH4和N2O通量的影响Fig.3 Effect of fertilizer rates on CH4 and N2O emissions in paddy fields

2.3 环境因子对稻田CH4和N2O通量的影响

水稻生态系统CH4和N2O通量与土壤pH、Eh、电导率和含水率等土壤环境因子密切相关。土壤pH的变化对外界环境的变化较为敏感，而绝大多数土壤微生物适应于微碱性或中性的条件[26]。整个水稻生长期pH变化范围较大，介于4.6-7.5之间(图4A)。土壤pH方差分析显示，不同处理对稻田pH没有显著性影响(P>0.05)。对稻田CH4和N2O通量与土壤pH相关分析表明(表2)，CK处理CH4通量与pH显著正相关(P<0.05)，其他处理与pH也存在正相关关系，但并不显著(P>0.05)；土壤pH与常规施肥和倍增施肥N2O通量显著负相关(P<0.05)，与CK处理没有显著相关性。

土壤含水率与Eh是反映其供氧状况和通透性的重要指标之一，影响CH4的氧化及N2O的排放[27]。水稻生长期内稻田土壤Eh与含水率的变化范围介于-233.1～99.2 mV和46.3%-82.8%之间(图4B、4C)。统计分析表明(表2)，不同处理对土壤含水率与Eh没有显著性影响(P>0.05)，常规施肥和倍增施肥稻田CH4排放与土壤含水率存在显著正相关(P<0.05)，常规施肥N2O排放与土壤含水率存在显著负相关(P<0.05)，而不同处理CH4和N2O排放与土壤Eh相关性均不显著。这主要因为水稻烤田期阶段受寒流降雨天气影响使得稻田土壤含水率居高不下(图1)，土壤Eh长期处于较低的水平，有利于稻田CH4的产生和对N2O排放的抑制[28]，同时由于气温大幅度的下降，使得土壤微生物活性受到抑制[29]，从而导致不同处理CH4和N2O排放与土壤Eh相关性并不明显。

整个水稻生长季稻田电导率变化范围介于0.5-1.2 mS·cm-1之间(图4D)。对土壤电导率方差分析显示，不同处理稻田土壤电导率并没有显著性差异(P>0.05)，可能因为少量无机肥的施加没有影响土壤电导率。不同施肥处理稻田CH4排放均与土壤电导率呈极显著正相关(P<0.01)，N2O排放与电导率相关性并不明显(表2)。可能由于水稻生长期内，除成熟期土壤干裂导致电导率下降外，土壤电导率变化范围不大，介于0.84-1.28 mS·cm-1之间，有利于CH4的产生与排放[30-31]。

A.pH;B.Eh;C.含水率;D.电导率。图4 不同施肥量土壤理化特征随时间变化规律Fig.4 Changes in soil properties under different fertilizer regimes during rice growth

表2 不同施肥量土壤理化特征与温室气体通量的相关关系1)Table 2 Correlation between soil properties and CH4/ N2O emission

1)*、**分别表示差异达0.05、0.01显著水平。

2.4 增温潜势

为了更好地比较不同施肥处理对稻田CH4和N2O的影响，采用100年时间尺度，以CO2作为参照气体，分别计算水稻生长期内3种不同处理稻田CH4和N2O温室气体累积通量、温室效应及综合温室效应(表3)。由表3可知，不同处理中CH4是影响温室效应的主要温室气体，常规施肥和倍增施肥处理下的CH4累积排放量分别比CK高8.93%和31.91%，N2O累积吸收量分别比CK高107.14%和110.71%。CK、常规施肥和倍增施肥3种处理所产生的综合温室效应分别为51 995.25、55 019.75和67 286.74 kg·hm-2，与CK相比，常规施肥与倍增施肥分别提高了5.82%和29.1%。该结果与石生伟等[9]、梁巍等[32]的试验结果相一致。就当地施肥模式而言，稻田减排措施应以CH4为主，N2O可忽略。

表3 施肥量对稻田温室气体累积通量及其温室效应的影响Table 3 Accumulated CH4 and N2O emission and greenhouse effect in paddy fields under different fertilizer regimes

3 结论

(1)稻田CH4与N2O的排放均有显著的季节性变化规律。倍增施肥处理显著促进了稻田CH4的排放，常规施肥处理差异性不显著；不同施肥量对稻田N2O的排放没有显著性差异。

(2)不同施肥量对稻田环境因子没有显著性影响，4种环境因子中土壤pH、含水率和Eh是影响稻田CH4排放的主要因素。

(3)不同处理中CH4均是主要的温室气体，当地稻田减排措施应该以CH4减排为主，就不同施肥量而言，倍增施肥处理的增温潜势最大，CK最小。

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(责任编辑:张云燕)

Effect of fertilization rate on CH4and N2O emission in paddy fields in Fuzhou plain

JI Qin-yang1, ZHANG Jing-yu1, WANG Wei-qi1,2

(1.Institute of Geography; 2.Key Laboratory of Humid Subtropical Eco-geographical Process, China Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou, Fujian 350007, China)

In order to determine the environmental effect of fertilizer rates, CH4and N2O emissions from paddy fields in Fuzhou Plain under three fertilizer regimes, namely, no fertilization (CK), normal rate of fertilization (TreatmentⅠ) and double rate of fertilization (TreatmentⅡ)，were measured using the static chamber-gas chromatograph technique. The results showed that: (1) the accumulated CH4emission fluxes was 7.67, 9.23, and 10.69 g·m-2for CK, TreatmentⅠ, and TreatmentⅡwith average CH4emission fluxes of 3.47, 4.18, and 4.84 mg·m-2·h-1, respectively. (2)Double rate of fertilization significantly enhanced CH4emission (P<0.05). (3)The accumulated N2O emission volume was -0.03, -0.05, and -0.06 mg·m-2for CK, TreatmentⅠ, and TreatmentⅡwith the average N2O emission fluxes of -13.99, -22.77 , and -28.10 μg·m-2·h-1, respectively. (4)N2O emission rate from the paddy fields under different treatments were not significantly different (P>0.05). (5)A highly significant correlation was found between CH4emission and soil electric conductivity (P<0.01) under all fertilizer regimes; but a negative correlation was found between N2O emission and soil conductivity (P<0.05) under normal rate of fertilization. Therefore, different correlation coefficients were found between CH4and N2O emission volumes under different fertilizer treatments and environmental factors such as soil pH, Eh, temperature, and water content. And lastly, (6)compounded greenhouse (warming) effect was 2 515.03, 2 989.07, and 3 450.45 kg·hm-2, respectively, for CK, TreatmentⅠ, TreatmentⅡ, respectively. It was obvious that TreatmentⅡ(double rate of fertilization) had enhanced significantly the compounded greenhouse warming potentials in paddy fields.

CH4; N2O; fertilization; paddy field; Fuzhou Plain

2015-08-07

国家自然科学基金资助项目(31000209)；福建省科技厅重点项目(2014Y0054)；福建省公益类研究所专项(2014R1034-3)资助；福建省自然科学基金(2014J01119)资助。

纪钦阳(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：生态与环境。Email:254939544@qq.com。通讯作者王维奇(1982-)，男，助理研究员。研究方向：生态与环境。Email:wangweiqi15@163.com。

X171.1

A

1673-0925(2015)04-0246-08

10.13321/j.cnki.subtrop.agric.res.2015.04.006