减氮及不同肥料配施对稻田CH4和N2O排放的影响

姜珊珊,庞炳坤,张敬沙,蒋静艳(南京农业大学资源与环境科学学院,江苏 南京 210095)

减氮及不同肥料配施对稻田CH4和N2O排放的影响

姜珊珊,庞炳坤,张敬沙,蒋静艳*(南京农业大学资源与环境科学学院,江苏 南京 210095)

为比较不同施肥处理的温室气体减排效果,采用田间试验研究了7种肥料处理包括减氮增钾(N190CF+U+K)、减氮追施脲铵(N230CF+UA)、配方施肥(N230CF+U)、有机无机配施(N230OF+U)、稳定性复合肥(N230UHD)、脲甲醛(N230UF)和常规施肥(N270CF+U)条件下稻田CH4和N2O的排放特及主要环境驱动因子变化.结果表明:不同施肥处理CH4排放总量范围为78.61～181.96kg/hm2,除N230UHD处理外,其他施肥处理较N270CF+U减排CH4达32.0%～49.6%,以N230CF+UA处理减排效果最好;各施肥处理N2O累积排放量为0.28～0.46kg/hm2,除N230CF+UA处理外,其他施肥处理减少N2O排放15.4%～38.6%,以N230OF+U最佳.此外,稻田N2O排放与田面水中NH4+-N和NO3--N含量呈显著性正相关

稻田；氮肥；CH4；N2O；GWP；GHGI

全球气候变暖深刻影响着人类的生存和发展,是当今世界面临的一个重大环境问题,其中人为温室气体排放增加可能是引起这一现象的主要原因[1].IPCC第五次报告指出,截至2011年大气中 CO2、CH4和 N2O的浓度已分别达到391×10-6(V/V)、1803×10-9(V/V)和 324×10-9(V/V),相较于工业革命时期的浓度水平,分别增长了40%、150%和20%[2].2015年巴黎气候大会的核心目标是减少温室气体排放,把全球平均气温较工业化前水平升高控制在 2℃之内.稻田是温室气体CH4和N2O的重要排放源之一[3].中国的水稻种植面积约占世界的 19%,总产量约占世界的28%[4].我国稻田排放的CH4占世界稻田 CH4排放总量的 22%[4],稻田 N2O排放量占所有农田N2O排放总量的7%～11%[1,5].施用氮肥是保证水稻高产的基础,同时也是影响稻田CH4和N2O排放的重要因素[6-7].合理施用氮肥可以明显减少温室气体排放[8].2015年8月,我国提出《到2020年化肥使用量零增长行动方案》,提倡化肥减量提效,鼓励农民增施有机肥,推进新型肥料的应用,提高氮肥利用率.因此,在减肥大背景下,探究既能保证水稻产量又能实现有效减排的施肥方案,对缓解全球气候变暖和发展低碳农业具有重要的意义.

施肥对稻田温室气体排放的影响及减排措施已有很多研究,但前人的研究多集中在单一缓控释肥对稻田温室气体排放的影响.已有研究表明,缓控释肥能够减少N2O排放[9].但对稻田CH4排放的影响尚无定论,有研究认为能够减少 CH4排放[10],有的则认为没有起到减排的效果[11-12].而针对不同氮肥品种搭配施用对稻田 CH4和N2O排放影响的研究鲜有报道,已有的研究主要集中在有机肥与无机肥配施方面[13-14],且有机肥料类型多为畜禽粪便、农业废弃物类等,这些研究的结果表明有机肥种类不同对稻田温室气体的影响不同,Das等[15]认为秸秆还田以及施入家禽粪便肥增加温室气体增温潜势,而李波等[14]认为猪粪堆肥和沼渣沼液减缓温室气体排放的潜力巨大.脲甲醛和稳定性复合肥作为缓释肥的代表,已批量生产并在全国有一定的应用;环保型有机肥是一种利用味精生产过程中所剩余的废物合成的氨基酸类有机肥料,在河南山东等地用量较大;脲铵氮肥是一种新型肥料,其生产成本低廉并且能够促进水稻增产[16];减氮增钾以及配方施肥也是提高氮肥利用率的有效措施之一.关于这几种肥料处理对稻田温室气体排放影响的比较研究鲜见报道.为此,本文以稻田为研究对象,在农民常规施肥量的基础上设置减氮处理,并结合不同新型氮肥(脲铵氮肥、稳定性复合肥、脲甲醛复合肥和环保型有机肥)的搭配施用以及减氮增钾、配方施肥等措施,系统地研究了不同施肥处理下稻田CH4和N2O排放,并结合水稻产量及温室气体排放强度,对不同施肥处理的减排效果进行了比较分析,以期为我国稻田合理施肥和温室气体减排提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年6～10月在江苏省南京市江宁区(118°59′E,31°57′N)进行,该区属亚热带季风气候,整个水稻生长季内平均温度为24.2 ,℃降雨量522mm(图 1).土壤类型为粉质壤土,有机质含量为 21.09g/kg,全氮 1.65g/kg,速效磷 16.88mg/kg,速效钾 102.4mg/kg,pH 为 7.94,土壤容重1.18g/cm3.

1.2 试验设计

大田实验共设置8个处理,分别是:不施肥处理(CK),减氮增钾处理(N190CF+U+K),减氮追施脲铵氮肥处理(N230CF+UA),配方施肥(N230CF+U),有机无机配施处理(N230OF+U),稳定性复合肥(N230UHD),脲甲醛(N230UF),常规施肥处理(N270CF+U).具体施肥方案见表 1.其中,复合肥为硫酸钾型复合肥,尿素含N量46%,脲铵氮肥是将氯化铵与尿素混合制成的,含N量30%;脲甲醛属于化学型缓释肥;稳定性复合肥属于生物化学性缓释肥,添加了脲酶抑制剂氢醌(HQ)和硝化抑制剂双氰胺(DCD);有机肥属于氨基酸类有机肥料,是利用味精生产过程中所剩余的废物合成的环保型有机肥料的代表.磷肥和钾肥分别为过磷酸钙(P2O5,12%)和氯化钾(K2O,60%).配方施肥是按照测土配方施肥养分平衡法确定施肥量.所有肥料均购自国内品牌肥料厂家.N230UHD和N230UF处理按缓控释肥料常规施肥习惯于2015年7月1日一次性施入;N190CF+U+K、N230CF+UA、N230CF+U、N230OF+U和N270CF+U的氮肥比例为基肥:分蘖肥:穗肥=5:3:2,分别于 2015年 7月 1日、7月21日和8月12日施入.除N190CF+U+K处理钾肥分2次施入外(施肥日期7月1日和8月 12日),其它所有处理磷钾肥均作为基肥一次性施入.各处理的小区面积为 80m2左右,每个处理设置3个重复,小区之间筑有80cm宽,30cm高的田埂,并覆以塑料薄膜以防止水、肥串流.水稻供试品种为武运粳23号,于2015年5月23日育苗,6月22日进行移栽,行间距为20cm,10月27日收获.除施肥管理以外的农田管理措施与当地常规管理一致,7月30日～8月5日烤田,烤田期之前水稻田一直持续淹水,烤田后土壤处于干湿交替状态,10月9日以后再无田面水.

图1 水稻生长季日均温度和日降雨量Fig.1 Daily air temperature and precipitation during the rice growing season

表1 施肥方案Table 1 Description of fertilization in the experiment

1.3 样品采集与测定

采用静态暗箱-气相色谱法监测稻田 N2O和 CH4排放[17].在水稻移栽前,每个试验小区内分别埋入3个不锈钢底座,底座内有3cm凹型槽.采样箱也由不锈钢制成,箱底长宽均为 50cm,箱体高度随水稻高度而增加(50cm和100cm),采样箱外包有海绵和铝箔纸,防止太阳照射导致箱内温度过高,箱内装有微型风扇使气体混合均匀.水稻施肥后进行采样,每周采样2次,9月22日以后每周采样 1次,采样时间在 8:30～12:00.采样前将采样箱罩在底座凹槽内,槽内加水密封,于密封后的0、10及20min时分别用注射器收集150mL气体样品,立即贮存于铝箔气袋(大连德霖有限公司)中,同时记录箱内温度.采集后的气体样品,用安捷伦气相色谱 7890A进行检测,CH4检测器为FID,检测温度300 ,℃柱温50 ,℃载气为99.999%高纯N2;N2O检测器为ECD,检测温度300 ,℃柱温50 ,℃载气为99.999%高纯氩甲烷(95%氩气+5%甲烷).分别通过对每组 3个样品N2O和CH4浓度与相对应的采样时间(0、10、20min)进行直线回归(r2＞0.9),求得该采样点的 N2O排放速率和 CH4排放速率.根据大气压力、气温、普适气体常数、采样箱高度、气体分子量等,求得单位面积的 N2O排放量和 CH4排放量,具体计算公式如下:

式中:F为气体排放通量,mg/(m2·h)或µg/(m2·h);ρ为气体密度,g/L;R 为普适气体常数,8.314J/ (mol·K); A为采样箱横截面积,m2; V为箱内空气体积,V=AH,m3; H为采样箱高度,m; P为采样点大气压力,通常视为标准大气压 1.013×105Pa; m为气体摩尔质量,g/mol; T为采样箱平均气温,℃; dC/dt为单位时间内温室气体浓度变化率, µL/(L·h)或nL/(L·h).

N2O和CH4季节排放总量通过将3个重复的观测值按时间加权平均后获得,计算公式如下:

式中:M为气体累积排放量,mg/m2或µg/m2; F为气体排放通量,mg/(m2·h)或µg/(m2·h); N为采样次数; t为采样时间即距初次采样的天数,d.

在100a尺度上,单分子的CH4和N2O的全球增温潜势(GWP)分别为CO2的28和265倍[2].

温室气体排放强度(GHGI)计算公式[9]为:

式中:GHGI为温室气体排放强度,kg/kg.

每次采样同时,测定田面水水深,采集田面水测定NH4+-N和NO3--N含量,采用流动注射分析法测定(流动注射分析仪型号:AA3,产地:德国),记录降雨量(德国 TFA36010无线翻斗式自记雨量计),用MP-406Ⅲ型土壤水分温度测定仪(南通中天精密仪器有限公司)测定5cm深度的土壤温度和土壤水分(体积比),根据土壤容重将体积水分换算成土壤孔隙含水量(WFPS).每隔7～10d用土钻采集 0～10cm 土壤样品,以便测定土壤NH4+-N和NO3--N含量变化.采集的水样和土样分别保存在-20℃和4℃冰箱中,并尽快完成测定.土壤样品采用氯化钾溶液浸提后同上述水样方法测定NH4+-N和NO3--N含量.

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2003进行初步整理分析,采用origin 2016作图,SPSS 23.0软件进行统计分析,显著性检验采用LSD方法(α=0.05).

2 结果与分析

2.1 稻田CH4排放特征

稻田温室气体排放受土壤性质、温度、水分等多种环境条件的共同影响[18],整个水稻生长季的土壤温度波动范围不大,稳定在 18.6～33.4 (℃图2c),平均为25.2 .℃水分波动范围较大,烤田期之前稻田持续淹水,淹水层在 2～9cm(图2c),8月6日复水后稻田持续淹水两周,淹水层在2～7cm,8月 25日以后水稻田干湿交替,一直到10月9日以后再无田面水.在水稻整个生长季期间,各处理 CH4排放主要集中在水稻移栽之后烤田期之前(7月2日～7月30日),后期稳定在较低水平(图 2a).以肥料处理和各次独立观测对CH4排放通量作二因子方差分析,结果表明:在7月2日～9月10日期间,肥料处理和各次独立观测间的CH4排放通量均有显著性差异(P＜0.001,P＜0.001),这说明CH4排放的动态变化受不同肥料处理和各次观测环境因子的共同影响;而在 9月 14日之后的各肥料处理和各次独立观测之间 CH4排放并无显著性差异(P=0.1707, P= 0.0805).

在烤田期之前 CH4排放呈现先上升后下降的趋势,各处理CH4排放通量最高点出现在7月13日～7月27日期间,以N230CF+UA处理峰值出现的最早而N230UF处理出现的最晚,以N230UHD和N270CF+U处理CH4排放通量峰值较高,分别为25.12和20.86mg/(m2·h),其中N230UHD处理CH4排放通量一直处于较高水平,稳定在 13.95～25.12mg/(m2·h)之间,以 CK处理排放通量最低,仅为9.04mg/(m2·h);在烤田期(7月30日～8月5日),各处理 CH4排放通量迅速下降至最低值;复水后,仅 N270CF+U处理出现较高的排放峰,大小为 20.62mg/(m2·h),其他各处理 CH4排放通量均低于8.54mg/(m2·h);一直到9月10日以后各处理均处于较低排放水平.

2.2 稻田N2O排放特征

图2 水稻季不同施肥处理CH4和N2O排放动态变化及环境因子Fig.2 Seasonal variations in CH4and N2O emissions and environmental factors for different fertilizer treatments during the rice season

在整个水稻生长季,以肥料处理和各独立观测对N2O排放作二因子方差分析,结果表明:在整个观测期间,肥料处理和各次独立观测间的 N2O排放均有显著性差异(P＜0.001,P＜0.001).N2O 排放主要集中在前 2次施肥之后,而在烤田期并未观测到明显的排放峰(图 2b),这可能与烤田期两次采样时土壤 WFPS(均大于 70%)较高有关.施入基肥后,各处理在 3～12d出现 N2O排放峰, N190CF+U+K处理的 N2O排放通量峰值最大,为101.59µg/(m2·h),N270CF+U处理峰值次之,为60.65µg/(m2·h),N230OF+U排放峰最小,为13.81µg/ (m2·h),这说明有机肥能够减少N2O排放.第1次追肥后,各处理均在施肥后第2d出现N2O排放峰,以 N230CF+UA峰值最为明显,达 203.61µg/(m2·h),同时也是整个生长季N2O排放最高峰,说明脲铵氮肥作追肥能够明显促进N2O排放;N230OF+U、N270CF+U、N190CF+U+K和 N230CF+U处理的最高N2O排放通量分别为 42.99、25.93、16.46和15.6µg/(m2·h).第2次追肥后,仅N270CF+U处理出现较小的排放峰,其他处理N2O排放整体趋于较低水平.N230UHD和N230UF处理分别作为基肥一次性施入,最高N2O排放通量均出现在施肥后8d,分别为30.47和33.15µg/(m2·h).

2.3 不同施肥处理的CH4和N2O排放总量及其GWP

根据不同时期水稻CH4和N2O的排放通量及排放时间,计算整个水稻生长季不同处理 CH4和N2O的累积排放量(表2).结果表明,不同处理CH4总排放量范围为 72.52～181.96kg/hm2,大小顺序为 N230UHD＞N270CF+U＞N230UF＞N230CF+U＞N230OF+U＞ N190CF+U+K＞N230CF+UA＞CK,其中施肥处理 N230CF+UA、N190CF+U+K、N230OF+U、N230CF+U与N270CF+U达到显著差异,减排CH4效果分别为49.6%、38.3%、37.2%、34.8%.说明采用减氮施肥以及采用减氮追施脲铵氮肥或有机无机配施方式均能有效实现稻田 CH4减排.

稻田N2O排放很少,各处理累积排放量范围为0.22～0.46kg/hm2,排放因子为0.02%～0.09%.在整个水稻生长季,各处理 N2O累积排放量顺序为 N230CF+UA＞N270CF+U＞N190CF+U+K＞N230UHD＞N230CF+U＞N230UF＞N230OF+U＞CK,其中 N230CF+UA处理N2O排放量比常规施肥N270CF+U处理增加了14.7%,其他施加肥料的处理N2O排放量均比常规施肥处理低,减排范围为15.4%～38.6%,其中N230OF+U、N230UF、N230CF+U、N230UHD处理显著降低了N2O排放(P＜0.05),减排N2O效果皆高达 30%以上.说明施氮 230kg/ hm2水平以及在此基础上采用有机无机配施或是施用新型肥料脲甲醛、稳定性复合肥能够有效降低稻田N2O排放.

进一步计算100a尺度上的GWP表明不同施肥处理的增温潜势大小与 CH4累积排放量顺序相同,由于稻田 N2O排放量非常少,因此 CH4对稻田温室气体综合增温潜势贡献明显,稻田减排的主要目标是减少CH4的排放.与常规施肥处理 N270CF+U相比,N230CF+UA处理虽然增加了N2O的排放,但是明显减少了CH4的排放,增温潜势显著降低了 47.9%;N230UHD处理减少了 N2O的排放,同时增加了CH4的排放,增温潜势也增加了15.2%;其他施肥处理同时减少了CH4和N2O的排放,增温潜势降低范围为32.2%～37.7%.综合比较不同施肥处理对两种温室气体的增温潜势,N230CF+UA、N190CF+U+K、N230OF+U、N230CF+U4种施肥处理的减排效果显著.

2.4 不同施肥处理对水稻产量及温室气体排放强度的影响

对不同施肥处理水稻产量进行分析比较得出(表 2),施肥能够显著提高水稻产量,各施肥处理水稻产量均比不施肥 CK处理产量显著提高,增产率达 77.9%～131.4%.与常规施肥 N270CF+U处理相比,N230OF+U、N190CF+U+K、N230CF+UA、N230UF处理产量均不存在显著性差异,说明在减少施氮量的基础上采用增施钾肥、追施脲铵氮肥、施用缓释肥脲甲醛以及有机无机配施均能维持水稻高产.

GHGI是将温室效应与作物经济产出相结合,用于评价稻田综合温室效应[13].各施肥处理温室气体排放强度顺序为 N230UHD＞N270CF+U＞N230CF+U＞N190CF+U+K＞N230UF＞N230OF+U＞N230CF+UA,其中 N230OF+U和 N230CF+UA处理显著低于N270CF+U处理,减少比例高达40%以上,说明在保证水稻产量甚至增产的前提下,降低温室气体排放是可以实现的.

表2 不同施肥处理CH4和N2O的排放总量、100a尺度水平上的GWP和GHGITable 2 Cumulative emissions of CH4and N2O and the global warming potentials (GWPs) in the 100-year horizon and greenhouse gas intensities (GHGIs) for different fertilizer treatments during the rice growing season

3 讨论

3.1 环境因子对稻田N2O与CH4排放的影响

农田土壤N2O与CH4排放是比较复杂的过程,二者的排放受土壤性质、有效碳氮量、土壤温度、湿度、降雨量、氧化还原电位等多种因素的影响[18].将N2O和CH4排放通量与土壤环境因子进行相关性分析,结果如表 3.N2O排放与田面水中NH4+-N和NO3--N含量均呈现显著性正相关(P＜0.05),而与其他环境因子并未表现出较强的相关性(P＞0.05).周礼恺等[19]研究表明,土壤 N2O排放与稻田水层中矿质氮量呈线性正相关.本研究中稻田 N2O排放主要集中在施肥之后,田面水中大量氮素的积累为硝化反硝化提供氮源,从而促进N2O排放.而其余大部分时期N2O排放处于较低水平,可能是由于土壤水分较高,大部分时间都具有淹水层,从而使土壤反硝化过程彻底生成N2,导致 N2O的排放处于较低水平[20],这与大部分的研究结果一致[21-22].环境因子与稻田 CH4排放的关系,主要表现为 CH4排放与水深以及土壤温度均呈现极显著正相关性(P＜0.01),而与土壤NH4+-N呈显著性负相关(P＜0.05).Zhong等[23]的研究也发现,CH4排放与土温以及淹水层呈现极显著性正相关.土壤温度的升高,促进根系分泌物释放到土壤中,为产甲烷菌提供更多的可利用性碳,从而能够促进甲烷排放[3].而对于NH4+与CH4排放的关系表述不一,有研究认为 NH4+会抑制CH4氧化而促进 CH4排放[24],但也有报道[25]土壤NH4+与 CH4排放呈显著性负相关.土壤铵态氮影响CH4排放的机理关系尚需进一步的探究.

表3 N2O和CH4排放与环境因子的相关性Table 3 Pearson correlation coefficients for N2O and CH4fluxes against environment parameters

3.2 稻田不同施肥处理的温室气体减排效果比较

不同施氮量以及不同施肥措施对温室气体排放的影响已经有较多报道,结论尚不一致[26-29].CH4排放通量主要由土壤CH4产生和氧化的差值决定,营养元素的加入影响产甲烷菌、甲烷氧化菌等微生物活性,进而影响到土壤甲烷排放[30].本研究中常规施肥处理CH4累积排放量与华南地区农民习惯施肥 CH4排放量[31]基本一致,同时配方施肥处理N230CF+U的CH4累积排放量略低于杭州地区最佳施氮水平[32]处理(225kgN/hm2)的排放量.与常规施肥处理相比,其他施肥处理(N230UHD处理除外)均能不同程度的减少CH4排放,以N230CF+UA处理CH4减排效果最好(表2).这说明减氮施肥能够实现稻田CH4减排,但减排程度的大小取决于不同肥料品种的差异.稳定性复合肥中添加脲酶抑制剂 HQ和硝化抑制剂 DCD,这是近年来研究较多的组合,大多数研究认为 HQ/DCD能够降低稻田生态系统N2O 排放,但对 CH4排放影响报道不一[12,33-34]. N230UHD处理在一定程度上增加了CH4排放,主要体现在整个水稻生长前期 CH4排放通量一直处于较高水平(图 2a),这段期间稻田一直处于淹水状态,DCD发挥不了作用而白白浪费[33].李香兰等[34]指出HQ/DCD通过抑制甲烷氧化菌活性提高CH4排放量.同时,稳定性复合肥作为基肥一次性施入,前期氮素投入较大,促进水稻植株和根系的生长,改善通气状况,促进CH4排放[9].这也是N230UF处理虽然降低了CH4排放,但在排放总量上与N270CF+U处理并不存在显著性差异的原因.还有研究认为HQ/DCD施入非但不提高还有可能降低作物产量及生物量[35].另外,刘昭兵等[27]认为施氮量和抑制剂用量配比都是影响稻田温室气体的关键因子.一般认为,腐熟的有机肥能为产甲烷菌提供更为丰富的产甲烷基质,导致土壤产生更多的甲烷,从而增加排放量[36].而本实验中有机与无机配施能够降低CH4排放,这与郑聚峰等[37]研究一致.有机无机配施处理下稻田土壤甲烷氧化的能力显著高于单施化肥处理,能够明显降低稻田土壤对甲烷的大气释放潜能[37].同时本实验有机肥为环保型有机肥,含碳量为 18.2%,与常规施肥相比在减氮的同时达到减碳的效果,从而降低 CH4排放.另外,大多数产甲烷菌对pH值的变化非常敏感[38],本实验有机肥为酸性(pH=6.18),有机肥的施用降低土壤 pH值可能抑制了土壤产甲烷菌的活性.脲铵氮肥对稻田 CH4排放减排最好(表2),目前国内外关于脲铵氮肥对温室气体排放的影响还未见相关报道,其中的影响机理有待于进一步探究.

对于土壤N2O排放,整个水稻生长季不同处理N2O排放总量较低(表2),这与易琼[31]、郑洁敏等[32]研究结果一致.N2O排放主要集中在施肥之后(图2b),尤其是在前2次施肥之后,说明氮肥的施用为稻田N2O产生提供了基质,增加土壤N2O排放潜力[39];穗肥期产生的 N2O排放最低,分析原因一方面是由于施氮量较其他时期施氮量低,另一方面可能是与该时期水稻处于生殖旺盛期,对氮素需求较大从而使氮素损失较低有关.但是不同处理的总排放量有所不同,这又说明不同的肥料释放特性影响着稻田N2O的排放.本研究结果显示,与常规施肥处理 N270CF+U相比,仅N230CF+UA处理的 N2O排放量较高,其他施肥处理均表现出不同程度的 N2O 减排,其中N230CF+U、N230OF+U、N230UHD和N230UF4种施肥处理的排放量差别较小,同时达到显著减排,以有机无机配施处理减排效果最好.脲铵氮肥中含有尿素态氮和铵态氮 2种形态氮元素,当施入稻田中,田面水中铵态氮的含量相比于施尿素的稻田中含量高,这可能是导致更多N2O损失的原因.但与N230CF+U处理相比,产量提高了9.55%,施氮量相同的情况下,追施脲铵氮肥与追施尿素相比,能够在一定程度上增加水稻产量.稻田中施用有机肥导致了更低的N2O排放,这与罗良国等[40]研究结果一致.有机肥的施入增加土壤有机碳的含量,能够固定土壤速效氮并促进 N2O转化为 N2,降低N2O排放[41].缓释肥(N230UHD和N230UF)均达到很好的N2O减排效果,这与大多数研究结果一致[9,34].与 N270CF+U处理相比,N190CF+U+K处理虽然均值上N2O排放降低,但与N270CF+U处理之间并不存在显著性差异,这与基肥后出现N2O排放高峰有很大关系(图 2b),可能是基肥添加了尿素的缘故.另外,相对于过量的氮磷元素流失引起的水体富营养化等环境问题,增施钾肥对环境的威胁更小.

3.3 稻田综合温室效应评价

本研究中,N230OF+U和 N230CF+UA处理的温室排放强度最小(表2),为本实验评价体系下的最优处理.其中,N230OF+U有明显的增产效果,较常规施肥处理增产2.4%,有机无机配施不仅能提高作物产量,还能获得较高的生态环境效益.武国星等[42]研究表明,该品种有机肥经济效益在商用有机肥中居首.其次,N190CF+U+K和 N230UF处理的温室气体排放强度也较低,同时与常规施肥处理相比,水稻产量并不存在显著性差异,说明这2种施肥处理也可以实现减氮稳产减排.王强盛等[43]研究发现,在一定范围内增施钾肥能够提高水稻产量.配方施肥的温室排放强度也低于常规施肥处理,但其产量有所降低,分析与基肥中施入大量尿素有关,导致氮素利用率降低.综合水稻产量与温室气体排放,N190CF+U+K、N230CF+UA、N230OF+U和N230UF4种施肥方式均实现了减氮稳产减排.

4 结论

4.1 不同施肥处理对温室气体减排效果不同.与常规施肥处理 N270CF+U相比,N230UF、N190CF+U+K、N230OF+U、 N230CF+U能够同时减少CH4和N2O的排放,GWP减排效果为32.2%～37.7%;N230UHD处理能够增加 CH4排放,但减少N2O的排放,GWP增加了15.2%;N230CF+UA处理虽然增加了N2O的排放,但是明显减少了CH4的排放,GWP显著降低了47.9%.

4.2 结合水稻产量和稻田综合温室效应, N230CF+UA、N230OF+U、N230UF和N190CF+U+K处理均能实现减氮稳产减排,以 N230CF+UA和N230OF+U处理效果最佳.

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Effects of reduced nitrogen and combined application of different fertilizers on CH4and N2O emissions in paddy fields.

JIANG
Shan-shan, PANG Bing-kun, ZHANG Jing-sha, JIANG Jing-yan* (College of Resource and Environmental Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1741～1750

Nitrogen source and fertilizing rate are the important factors that affecting greenhouse gas emissions from cropland. In order to evaluate the potential of reduced nitrogen and combined application of different types of fertilizer to mitigate CH4and N2O emissions, a field experiment was conducted to investigate CH4and N2O emissions from paddy field and the relevant driving factors. Seven fertilizer treatments were applied in this experiment, including reduced nitrogen combined with increased potassium treatment (N190CF+U+K), reduced nitrogen plus topdressing urea ammonium treatment (N230CF+UA), formula fertilization treatment (N230CF+U), combined application of organic-inorganic fertilizer (N230OF+U), stability urea with dicyandiamide and hydroquinone treatment (N230UHD), urea formaldehyde treatment (N230UF) and conventional fertilization treatment (N270CF+U). The results showed that cumulative CH4emissions from different fertilizer treatments ranged from 78.61～181.96kg/hm2. All fertilizer treatments except for N230UHDreduced CH4emissions by 32.0%～49.6% relative to the N270CF+Utreatment. The reduced nitrogen plus topdressing urea ammonium treatment had the best CH4mitigation effect among all fertilizer treatments. Cumulative N2O emissions from the paddy field ranged from 0.28～0.46kg/hm2. With the exception of N230CF+UA,total N2O emissions for all fertilizer treatments were decreased by 15.4%～38.6% in comparison with conventional fertilization treatment. The combined application of organic-inorganic fertilizer showed the priority among all fertilizer treatments. Moreover, N2O emissions in paddy field were positively correlated only with the NH4+-N and NO3--N concentrations of field surface water (P＜0.05). However, CH4emissions were significantly and positively correlated with water depth and soil temperature (P＜0.01), while being negatively correlated with NH4+-N value of topsoil (P＜0.05). The aggregate emission of N2O and CH4in the CO2equivalent (GWP) for the 100-year horizon of each treatment and greenhouse gas intensity (GHGI, defined as yield scaled GWP at the 100-year horizon) were also calculated. The N230UHDtreatment increased GWP in the 100-yearhorizon, while the other treatments decreased the GWP, with a 32.2% reduction for N230UF, a 34.9% reduction for N230CF+U, a 37.2% reduction for N230OF+U, a 37.7% reduction for N190CF+U+K, a 47.9% reduction for N230CF+UAcompared to N270CF+U. The N230CF+UA, N230OF+U, N230UFand N190CF+U+Ktreatments performed the best in reducing GHGI, and particularly the N230CF+UAand N230OF+Utreatments decreased GHGI by more than 40%, may be the better agricultural practice for both trace gas mitigation and increasing crop yields.

paddy field；nitrogen fertilizer；CH4；N2O；GWP；GHGI

X511,X16

A

1000-6923(2017)05-1741-10

姜珊珊(1992-),女,山东招远人,硕士研究生,主要研究方向为环境污染与全球变化.发表论文2篇.

2016-10-08

国家自然科学基金资助项目(41375150,41675148)

* 责任作者, 副教授, lilacjjy@njau.edu.cn

(P＜0.05),CH4排放与水深以及土壤温度均呈现极显著正相关性(P＜0.01),而与土壤NH4+-N呈显著负相关(P＜0.05).进一步计算100a尺度下CH4和N2O的增温潜势(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)可知,除N230UHD处理外,其他施肥处理GWP均低于常规施肥处理,减排效果达32.2%～47.9%;N230CF+UA、N230OF+U、N190CF+U+K以及N230UF处理均能实现稳产减排,其中以N230CF+UA和N230OF+U处理GHGI较低,GHGI减少比例高达40%以上.