优化施氮对宁夏引黄灌区稻田CO2、CH4和N2O通量的影响

王永生，张爱平，刘汝亮，杨世琦，李存军

（1.北京农业信息技术研究中心，北京100097；2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097；3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部农业环境重点实验室，农业清洁流域创新团队，北京100081；4.宁夏农林科学院，银川750000）



优化施氮对宁夏引黄灌区稻田CO2、CH4和N2O通量的影响

王永生1，2，张爱平3*，刘汝亮4，杨世琦3，李存军1，2

（1.北京农业信息技术研究中心，北京100097；2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097；3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部农业环境重点实验室，农业清洁流域创新团队，北京100081；4.宁夏农林科学院，银川750000）

摘要：针对宁夏引黄灌区稻田施氮严重过量现象，在宁夏引黄灌区的青铜峡稻田，采用静态箱-气相色谱法，通过田间试验研究常规施氮（N300）、优化施氮（N240）和不施氮（N0）对水稻不同生育期CO2、CH4和N2O通量以及稻田增温潜势（GWP）的影响。结果表明：CO2排放主要在水稻灌浆和成熟期，CH4排放主要发生在水稻孕穗期，而N2O排放关键期在水稻的分蘖和拔节期。与N0处理相比，施氮能显著增加稻田CO2、CH4和N2O排放通量以及稻田GWP；常规施氮处理中CO2、CH4和N2O的累积排放量分别为18 446.87、146.57 kg C·hm-2和2.93 kg N·hm-2；为期一年的优化施氮没有显著增加水稻生育期内稻田CO2排放，但使灌区稻田CH4和N2O排放分别显著降低了24.42%和36.28%。总的来看，为期一年的优化施氮使宁夏引黄灌区稻田GWP显著降低了26.70%。未来应结合土壤有机碳氮形态和含量变化以及土壤微生物技术，分析长期优化施氮对土壤温室气体通量的影响机制。

关键词：宁夏引黄灌区；优化施氮；土壤；温室气体；增温潜势

王永生，张爱平，刘汝亮，等.优化施氮对宁夏引黄灌区稻田CO2、CH4和N2O通量的影响［J］.农业环境科学学报，2016，35（6）∶1218-1224.

WANG Yong-sheng，ZHANG Ai-Ping，LIU Ru-1iang，et a1. Effects of oPtimized N ferti1ization on carbon dioxide，methane and nitrous oxide f1uxes in Paddy fie1ds in Ye11ow River water irrigation region of Ningxia［J］. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（6）∶1218-1224.

人类活动导致大气中CO2、CH4和N2O的浓度分别以年均0.5%、0.8%和0.3%的速率增加［1］，使全球地表平均温度上升了0.3～0.6℃［2］。稻田是重要的温室气体排放源，其CH4的年排放量为31～112 Tg，占全球CH4总排放的5%～19%［1］，我国农业生态系统的CH4排放量为9.2 Tg·a-1［3］。稻田的过量施肥和烤田期的干湿交替使N2O排放量不断增加，我国稻田水稻生长期N2O排放量为29 Gg·a-1，占我国农田N2O年排放总量的7%～11%［4］。我国的水稻种植面积约占全球的20%，研究稻田温室气体排放及其减排措施，对于发展低碳农业和控制温室效应具有重要意义。

水稻是宁夏引黄灌区的重要粮食作物，灌区的灌溉条件便利，光热资源丰富［5］，水稻种植面积约为18× 104hm2，占全国水稻种植总面积的0.6%，稻谷产量占全国总产的0.71%，是水稻的高产区域之一，平均单产比全国平均水平高1213 kg·hm-2，是西北乃至全国的重要商品粮基地［6］。但水稻种植过程中化肥平均施用量较高，还以每年6%的速率增长。近5年的农用化肥施用量为8.746×108kg·a-1，其中氮肥占54.81%［7］。稻田氮肥施用过度，降低了氮素利用效率，提高了地表水、土壤和浅层地下水体中硝酸盐浓度［8］，增加了土壤温室气体排放［9-10］。目前，引黄灌区稻田氮肥施用量为300kg N·hm-2，远高于全国的平均水平［11-12］。近些年来，宁夏引黄灌区开展了大量的氮肥减量控制试验，在氮肥施用量减至240 kg N·hm-2的情况下，不仅能增加水稻对土壤氮素的利用率［13-14］，减少氮素淋失［15-18］和N2O排放［19］，还能提高作物产量［14-15］。因此，240 kg N·hm-2的施氮量被推荐为宁夏引黄灌区的稻田优化施氮水平。由于施氮对稻田温室气体排放的影响并不一致，从稻田CO2、CH4和N2O三种温室气体排放以及增温潜势角度出发，评价宁夏引黄灌区优化施肥对稻田温室效应影响的综合研究极为重要。本研究目的在于，对比分析常规施肥和优化施肥条件下，宁夏引黄灌区稻田CO2、CH4和N2O的排放通量以及对稻田增温潜势（G1oba1 warming Potentia1，GWP）的影响。

1　材料与方法

1.1试验区概况

试验区位于宁夏引黄灌区青铜峡市叶升镇正鑫源现代农业公司（106°11＇35″E，38°07＇26″N）。年均降水量192.9 mm，年蒸发量1 762.9 mm，无霜期163 d，年均积温3 866.3℃。土壤类型为灌淤土，0～20 cm土壤有机质含量16.1 g·kg-1，全氮0.9 g·kg-1，速效氮62 mg·kg-1，全磷0.9 g·kg-1，速效磷11.87 mg·kg-1，土壤PH值8.49，容重1.41 g·kg-1［20］。

1.2试验设计

试验采用随机区组设计，设置常规施氮（300 kg N·hm-2，N300）、优化施氮（240 kg N·hm-2，N240）和对照不施氮（0 kg N·hm-2，N0）3个处理，每个处理重复3次，共9个小区，小区面积为65 m2。优化施氮处理与常规施氮的区别仅为氮肥减量，施氮时间和方法以及其他田间管理措施相同。试验小区之间田埂宽30 cm，田埂两侧开沟深120 cm，用长寿塑料膜相互隔离，防止小区之间水分侧渗和串流。试验灌水引自黄河，各小区设置单独的灌水口和排水口。

水稻种植品种为宁粳43号，5月29日插秧，10 月1日收获。所用氮肥为尿素（N，46%），磷肥为重过磷酸钙（P2O5，46%），钾肥为氯化钾（K2O，60%）。常规施氮和优化施氮的管理措施与当地常规措施同步。氮肥3次施入土壤，其中50%作为基肥，30%的分蘖肥和20%的拔节肥分别在6月9日和6月24日追施。水稻生长季内共灌水18次，每个小区的灌溉量为14 500 m3·hm-2，不同生育阶段的灌水次数详见表1。

1.3样品采集及测定方法

土壤CO2、CH4和N2O的获取与测定采用静态箱-气相色谱法。静态箱由不锈钢材料制成，分为底座（60 cm×50 cm×30 cm）和盖箱（60 cm×50 cm×150 cm）两部分。插秧前将底座埋入地下，采样时注水密封，盖箱外覆盖白色防水罩以减少取样时太阳辐射对箱内温度的影响。根据株行距大小，插秧后底座内共有水稻10株。温室气体观测时间为2014年4月至11月，观测期内采用前紧后松的采样频率，共采样21次。在插秧、施用分蘖和拔节肥后进行加强采样，在水稻收获前后每月采样1次，其他时间每月采样3次。根据水稻的生长情况和取样时间，将整个观测时间划分为6个时期，每个阶段内的取样次数详见表1。气体采集时间为上午8：00—10：00，在30 min时段内，用100 mL注射器在0、10、20、30 min时分别抽取1次气样，每个样方共采集4个气样，用铝箔气袋（De1in，China）保存，利用气相色谱（Agi1ent7890，USA）测定温室气体浓度。

表1　水稻各生育期内灌水次数和气体观测频率Tab1e 1 Frequency of water irrigation and greenhouse gas samP1ing during rice growth Period

1.4数据分析

土壤温室气体通量根据箱内气体浓度随时间的变化率计算［21］，计算公式如下：

式中：F为温室气体通量，mg·m-2·h-1或μg·m-2·h-1；ρ为标准状态下温室气体浓度，kg·m-3；H为静态箱高度，m;为温室气体的排放速率，mL·m-3·h-1；T为采样箱内气体温度，℃。

本研究选取100年尺度来计算灌区稻田CH4和N2O排放的增温潜势（GWP）：

GWP=25×［CH4］+298×［N2O］

式中：25和298分别为CH4和N2O在100年尺度上相对于CO2的GWP倍数。

采用观测期内温室气体排放总量和采样次数计算温室气体平均排放速率，年累积排放量由测定期间内每天的通量累加得到，无实测数据的碳排放采用前后实测数据，根据线性插值得到。采用重复测量方差分析，比较不同施氮处理、生育阶段的温室气体排放通量差异。数据处理及绘图分别采用SPSS 16.0和SigmaP1ot 10.0。

2　结果与分析

2.1稻田CO2通量

观测期内，灌区稻田CO2排放通量存在明显的动态变化（P＜0.001），排放峰出现在水稻成熟期，最小值出现在泡田期（图1和表2）。N0处理中稻田CO2累计排放量为12 305.18 kg C·hm-2，施氮显著增加了灌区稻田CO2的排放（P=0.023）（表3）。N300和N240对稻田CO2排放通量贡献的增加比例分别为49.91%和43.73%，主要表现在水稻孕穗、灌浆和成熟期（表2）。与N300相比，N240没有显著降低灌区稻田CO2累计排放量。

2.2稻田CH4通量

灌区稻田CH4通量呈现单峰型变化（图1，P＜0.001），排放峰出现在水稻孕穗期，而在水稻收获后的休闲期，土壤为CH4吸收汇。N0处理中稻田CH4累计排放量为72.73 kg C·hm-2，施氮显著增加了灌区稻田CH4的排放（P=0.045）。N300和N240处理稻田CH4的排放均值分别为146.57、110.77 kg C·hm-2，分别增加了101.53%和52.31%，增加期主要为水稻孕穗期（表2和表3）。与N300相比，N240显著降低了24.42%的稻田CH4排放。

2.3稻田N2O通量

稻田N2O排放通量在水稻生育期内呈现显著的阶段性变化（图1，P＜0.001），最大排放出现在分蘖和拔节期。N0处理中稻田N2O排放均值为1.16 kg N· hm-2，显著低于N300处理的2.93 kg N·hm-2和N240处理的1.87 kg N·hm-2（表3）。施氮显著增加灌区稻田N2O排放（P=0.003），尤其是在分蘖和拔节期（表2）。与N300相比，N240对稻田N2O排放通量的减少作用显著，降幅达到了36.28%。

2.4稻田GWP

在不施氮的条件下，灌区稻田的GWP为2 164.18 kg CO2·hm-2，N300和N240均显著增加了灌区稻田的GWP，分别为4 536.60、3 325.20 kg CO2·hm-2。与N300相比，N240使宁夏引黄灌区稻田GWP显著降低了26.70%（表3）。

3　讨论

3.1优化施氮对稻田温室气体通量的影响

图1　观测期内稻田温室气体排放速率变化情况Figure 1 Variations of greenhouse gas emission rates in Paddy fie1d during exPerimenta1 Period

表2　水稻不同生育期内稻田温室气体排放速率Tab1e 2 Variations of greenhouse gas emission rates in Paddy fie1d at different growth stages of rice

土壤中CO2来源于土壤自养呼吸（根系呼吸）和异养呼吸（微生物呼吸）［22］。本研究中稻田CO2的排放峰出现在水稻生长的中后期，尤其是成熟期（图1），原因在于：（1）水稻生长初期，植株矮小，根系分泌物较少，不仅直接限制了自养呼吸，还因底物缺少间接限制了异养呼吸［23］，而到了中后期，根系生物量和腐败分泌物增加，土壤呼吸作用加强［24-25］；（2）水稻生长初期土壤温度较低，而且土壤处于淹水状态，限制土壤呼吸作用，在8—9月，由于灌溉与晒田交替，土壤通气性增强，温度升高，促进了土壤有氧呼吸的进行［25-26］。施氮显著增加稻田土壤CO2排放的研究较多，本研究也有同样的结果，而且施氮主要增加灌区水稻孕穗、灌浆和成熟期土壤CO2排放（表2）。与常规施氮相比，优化施氮并没有显著减少土壤CO2排放（表3），与赵峥等［24］的研究结果一致。施氮引起的植株生物量增大是引起生态系统CO2排放增加的重要原因［27］。研究发现，CO2排放与水稻产量存在显著的相关性［28］，但在该地区，与常规施氮相比，优化施氮并没有显著影响水稻的生长和产量［29］，水稻根系分泌物并未显著增加。因此，优化施氮并没有显著增加微生物活动的底物，CO2排放的增加也不明显。施氮引起的土壤有机碳形态和含量的变化，也可能是引起CO2排放改变的重要原因［23］，但在宁夏引黄灌区缺少关于此方面的研究。此外，本研究在气体取样过程中，静态箱内水稻植株的光合作用也会对稻田CO2通量产生影响，下一步需要增加CO2净排放的相关研究。

土壤-大气界面CH4通量是土壤内部CH4产生和氧化共同作用的结果，受底物和扩散速率的影响［30］。在稻田淹水期，随着水稻分蘖的增加，植株生长进入旺盛阶段，根系分泌物的增加以及土壤有机质的不断分解，厌氧环境中产生的CH4气体，随着水稻发达的通气组织排向大气［31］，使CH4通量在孕穗期达到最大（表2），N300、N240和N0处理中该段时期的CH4排放分别占总排放量的60.20%、44.44%和26.38%。与常规施氮相比，优化施氮显著减少了CH4排放（表3），主要原因也在于减少了孕穗期CH4的排放。水稻生长后期的干湿交替使土壤通气性增加，从而使CH4氧化能力加强［32］，因此排放通量不断下降。由于常规施氮和优化施氮处理下，水稻生长没有显著性差异［29］，优化施氮显著减少CH4排放的原因可能与CH4氧化作用的降低有关。研究发现，随着施用量的增加，氮肥对土壤CH4氧化作用的抑制作用增强［33］，因此优化施氮处理中CH4氧化作用强于常规施氮，使稻田CH4排放量显著减少。

表3　稻田温室气体累积排放通量及增温潜势Tab1e 3 Average emission f1uxes and g1oba1 warming Potentia1 of greenhouse gases from Paddy fie1ds

化学反硝化与土壤中的硝化作用、反硝化作用、硝态氮异化还原成铵作用都能产生N2O。施肥和田间水分管理是影响稻田N2O排放的关键因素［34］。本研究中，基肥、分蘖肥和拔节肥的3次施入，为反硝化细菌提供了大量的氮源，使N2O排放在分蘖期和拔节期出现显著的排放峰（图1，表2），与张惠等［19］的研究结果一致。监测期内，常规施氮稻田N2O排放总量为2.93 kg N·hm-2，显著高于优化施氮的1.87 kg N·hm-2，两个处理中氮素损失比例分别为0.98%和0.78%，因此，N2O排放并不是宁夏引黄灌区稻田氮素损失的主要途径［19，35］。施氮引起的土壤硝态氮含量的增加是灌区稻田N2O排放增加的主要原因［18-19］。在对宁夏的灵武灌区和青铜峡灌区的稻田氮肥减量研究发现，与常规施氮相比，优化施氮可显著提高氮素利用效率［14］，同时增加对土壤原有氮素的吸收利用能力［13］，减少灌区稻田土壤硝态氮和铵态氮含量［16，19］，使硝化作用和反硝化作用的底物减少，降低N2O排放。因此我们认为，在宁夏引黄灌区，优化施氮对土壤有效氮含量的降低作用可能是稻田N2O排放降低的主要原因。

3.2优化施肥对稻田GWP的影响

在百年尺度上，CH4和N2O的GWP分别是CO2的25倍和298倍［1］。本研究中，施氮显著增加了灌区稻田的GWP，常规施肥和优化施肥的增加比例分别为109.62%和53.65%（表2），而且优化施氮处理的GWP显著低于常规施氮。按宁夏灌区水稻种植面积为1.8×105hm2计算，得出优化施肥比常规施肥在每个水稻生长季内可减少碳排放2.18×108kg，相当于Li等［36］通过DNDC模拟的我国3×107hm2稻田的CH4-C年排放量（6.4～12.0×106kg）所产生的温室效应。但该结果只是优化施肥1年的表现，还需要长期实验的修正。

4　结论与展望

研究表明，施氮能显著增加宁夏引黄灌区稻田CO2、CH4和N2O排放，从而显著增加稻田GWP；CO2排放主要在水稻灌浆和成熟期，CH4排放主要发生在水稻孕穗期，而N2O排放关键期在分蘖和拔节期。与常规施氮相比，1年的优化施氮结果倾向于降低土壤CO2排放，同时显著降低了稻田24.42%的CH4累积排放和36.28%的N2O累积排放量，总的来看优化施氮显著降低了灌区稻田GWP。

本研究中静态箱内植株的存在，使温室气体通量变化对优化施氮的响应结果还存在一定的局限性。在下一步的研究中，首先应加强宁夏引黄灌区施氮对土壤碳氮温室气体的长期研究，同时开展剪除水稻后，优化施氮对土壤温室气体通量的影响研究。其次应分别建立土壤有机碳氮形态和含量与土壤碳氮温室气体通量的关系，明确引起温室气体通量变化的原因；利用Bio1og微平板法和磷脂脂肪酸法分析施肥对土壤微生物群落结构和呼吸代谢的影响，利用末端限制性片段技术分析施氮对甲烷产生和氧化菌、氨氧化菌与反硝化细菌功能基因的影响，从微生物角度探讨施氮对稻田土壤温室气体排放通量的影响。

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Effects of optimized N fertilization on carbon dioxide，methane and nitrous oxide fluxes in paddy fields in Yellow River water irrigation region of Ningxia

WANG Yong-sheng1，2，ZHANG Ai-Ping3*，LIU Ru-1iang4，YANG Shi-qi3，LI Cun-jun1，2
（1.Beijing Research Center for Information Techno1ogy in Agricu1ture，Beijing 100097，China；2.Nationa1 Engineering Research Center for Information Techno1ogy in Agricu1ture，Beijing 100097，China；3.Institute of Agro-Environment and Sustainab1e Deve1oPment，CAAS/Key Laboratory of Agro-Environment and C1imate Change，China Ministry of Agricu1ture，Beijing 100081，China；4.Ningxia Academy of Agricu1ture and Forestry Sciences，Yinchuan 750000，China）

Abstract：Excessive nitrogen（N）ferti1izer aPP1ication is a widesPread Practice in Ye11ow River water irrigation region of Ningxia. Previous studies have demonstrated that oPtimized N ferti1ization can not on1y imProve rice yie1d but a1so reduce nitrogen 1eaching. However，there was 1itt1e information avai1ab1e about the resPonses of soi1 greenhouse gas f1uxes to oPtimized N ferti1ization in this region. A fie1d exPeriment was conducted to eva1uate the effects of different N ferti1ization on carbon dioxide（CO2），methane（CH4）and nitrous oxide（N2O）f1uxes and g1oba1 warming Potentia1（GWP）in Paddy fie1d in Ye11ow River water irrigation region of Ningxia，using static chamber technique and gas chromatograPhy. Treatments inc1uded conventiona1 N ferti1ization（N300），oPtimized N ferti1ization（N240）and no N ferti1ization（N0）. Our resu1ts showed obvious differences in greenhouse gas f1uxes during the rice growth Period. Higher CO2emissions aPPeared at fi11ing and mature stages，but CH4emissions main1y occurred at booting stage. However，the Peak of N2O emissions was observed at ti11ering and e1ongationstages. APP1ying nitrogen significant1y increased soi1 CO2，CH4，and N2O emissions and the g1oba1 warming Potentia1. During the exPerimenta1 Period，average CO2，CH4，and N2O f1uxes were 18 446.87 kg C·hm-2，146.57 kg C·hm-2，and 2.93 kg N·hm-2，resPective1y. One-season oPtimized N ferti1ization did not affect CO2emissions，but significant1y reduced CH4and N2O emissions by 24.42%and 36.28%，resPective-1y，as comPared with conventiona1 N ferti1ization. Overa11，our resu1ts indicate that the g1oba1 warming Potentia1 of Paddy fie1d was significant1y reduced by 26.70%by oPtimized N ferti1ization in Ye11ow River water irrigation region of Ningxia. Further research is needed to ana-1yze the mechanisms of soi1 greenhouse gas f1uxes under 1ong-term oPtimized N ferti1ization by integrating the variations of soi1 organic carbon and N avai1abi1ity and soi1 microbio1ogy methods.

Keywords：Ye11ow River water irrigation region of Ningxia；oPtimized N ferti1ization；soi1；greenhouse gas；g1oba1 warming Potentia1

中图分类号：X511

文献标志码：A

文章编号：1672-2043（2016）06-1218-07 doi∶10.11654/jaes.2016.06.027

收稿日期：2015-11-30

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（201ZX07201-009）；中央公益性科研院所基本科研业务费专项资金（BSRF201306）

作者简介：王永生（1985—），男，山东潍坊人，博士，助理研究员，主要从事土壤碳氮循环关键过程及微生物机理研究。E-mai1：wyswqj@163.com

*通信作者：张爱平E-mai1：aPzhang0601@126.com