不同灌溉方式及施肥量对稻田土壤N2O排放的影响

王肖娟，王永强,2*，赵双玲，李 丽，苏天潮，刘小武

（1.新疆天业集团有限公司，新疆石河子832011；2.新疆天业农业高新技术有限公司，新疆石河子832011）

温室气体的排放已在全球范围内受到控制，氧化亚氮（N2O）作为六大温室气体之一，在大气中增加的70%～90%来自于生物源，且农田生态系统是N2O的主要排放源之一[1]，而其中的稻田即是N2O的主要生物排放源[2]。全球每年由于使用化学氮肥而造成的以N2O形式排放的氮量高达335万t，占人类活动总释放量690万t的47%[3]。

我国是水稻生产大国，种植面积及总产量均居世界第一[4]。新疆天业集团研发的膜下滴灌水稻栽培技术，将水稻栽培技术与膜下滴灌技术结合在一起，突破了传统水稻种植的“水作”方式，优于传统水稻种植，其可节水60.7%、节省肥料10.4%[5-6]。前人对膜下滴灌水稻研究多集中在水稻产量以及氮素吸收利用的影响等[7-8]，而对于在膜下滴灌及淹灌栽培方式下稻田氮素气态损失途径和损失量缺乏定量与系统的研究。为此，本试验设置滴灌、淹灌2种灌溉方式并设置不同施肥量，研究在2种灌溉方式和不同施肥量下稻田土壤N2O的气态损失量，以期为今后进行科学的大田水分管理、肥料高效利用以及温室气体减排提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4—10月在石河子市新疆天业集团天业农业研究所（44°26.5′N，86°01′E，海拔高度为429 m）进行。供试水稻材料为T-43。

1.2 试验设计与田间管理

1.2.1 试验设计。本试验采用裂区随机区组设计，每小区面积为72 m2，每处理重复3次，随机区组排列。试验设计不同灌溉模式和施肥量，以灌溉模式（I）为主因素，施肥量为副因素[9]。灌溉模式分别为膜下滴灌处理（D）和常规淹灌处理（F）；施肥量（尿素，含N量46%）处理均设5个施肥水平，即0、210、300、390、480 kg/hm2，分别标记为 N0、N210、N300、N390、N480。钾肥、磷肥统一用量标准并全部基施，用量分别为K2O 180 kg/hm2（硫酸钾，含K2O 51%）、P2O5210 kg/hm2（重过磷酸钙，含P2O546%）。

膜下滴灌水稻氮肥随水滴施，淹灌是撒施，施肥时期以及分配方案均为：氮肥的10%作为基肥在播前施入，15%在3叶1心期施入，30%在分蘖中期施入，35%在拔节孕穗期施入，10%在开花期施入。

1.2.2 田间管理。膜下滴灌处理种植模式（D）设计为1膜2管4行，膜宽1.15 m，株距10 cm，播种深度2～3 cm，每穴点播6～8粒，密度1.9万穴/667m2。膜下滴灌水稻处理采用干播湿出方法，2017年4月27日播种，播种后随即滴出苗水。整个生育期灌水量为650～700 m3/667 m2，于收获前20 d停止灌水待收。

常规淹灌处理（F）在旱作处理播种当天进行旱育秧，于秧龄21 d时移栽至淹水田，株行距为10 cm×30 cm，每穴3～4株苗[10]。整个生育期耗水量约为 2 000 m3/667 m2。

1.3 测定项目和分析方法

采用静态箱-气相色谱法[11]测定稻田的N2O的气体通量，每个采样点的采样量为60 mL，每个处理随机取3个样点，采样时间为6月1日至8月30日，每次采样在灌水施肥后的第2天进行。采样时间在每日10:00—12:00，采样时以时间间隔0、10、20、30 min抽取箱内气体60 mL，将气体转移到气袋后带回实验室内进行分析。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2003进行计算和绘图，并采用SPSS11.5软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式及施肥量对水稻生长期间土壤N2O排放通量的影响

不同的灌溉模式和施氮量对土壤N2O排放通量的影响见图1、图2。在水稻生长期间，N2O排放通量受灌溉模式和氮肥施用的影响，排放峰值均出现在水稻播栽后80 d（7月21日）期间，其余时间排放量较低，DN0、DN300、DN480、FN0、FN300、FN390、FN480最高排放通量分别为 0.88、1.19、1.41、0.79、0.84、1.27、1.31 μg/(m2·h)。在水稻的全生育期，施用氮肥促进稻田N2O排放，随着氮肥使用量的增加，各处理N2O排放通量也随之增加。总体来看，滴灌条件下的土壤N2O排放通量高于淹灌条件。

图1 滴灌处理下水稻不同生育时期土壤N2O排放通量的动态变化

图2 淹灌处理下水稻不同生育时期土壤N2O排放通量的动态变化

2.2 不同灌溉方式及施肥量下水稻土壤N2O累积排放量

水稻生长期间各裂区处理土壤N2O累积排放量为0.17～0.34 kg/hm2（表1）。总体上，土壤N2O累积排放量受灌溉模式、施肥量以及二者的交互作用，且均达极显著影响（P＜0.01，表2）。施用氮肥可显著促进土壤N2O的排放，相同灌溉方式下N2O排放量从大到小顺序均为 N480、N390、N300、N210、N0，且相互间达到显著差异（P＜0.05）。灌溉模式显著影响土壤N2O累积排放量，滴灌处理的土壤N2O累积平均排放量较淹灌处理平均值增加8.33%。

表1 不同灌溉方式及施肥水平（N）下稻田土壤N2O累积排放量

表2 不同灌溉方式及施肥水平（N）下N2O累积排放量的F检验与多重比较

3 结论与讨论

3.1 田间水分状况影响稻田土壤N2O的产生

土壤中N2O的产生主要来源于土壤微生物的硝化和反硝化反应，田间含水量是决定N2O排放的主要因素。土壤过于干燥或持续淹水都不利于硝化和反硝化细菌的生长，而适宜的土壤含水量和土壤温度可能同时有利于土壤微生物的硝化和反硝化作用的进行。有资料表明，土壤水分是影响土壤中硝化和反硝化作用的重要因素[12]。本研究中膜下滴灌水稻处理稻田的N2O排放量大于常规淹水稻田的N2O排放量，主要有2个原因：一是由于膜下滴灌水稻不建立水层，在该土壤湿度下，土壤大空隙通畅，有利于土壤中产生的N2O从土体中排放到大气；二是因为膜下滴灌水稻在前期群体植株较小，对氮素的吸收、累积量少，大量的氮素主要残留在土壤中，为膜下滴灌稻田的土壤微生物的硝化和反硝化过程提供了丰富的基质，由此提高了N2O排放峰值。

3.2 施肥水平影响土壤N2O的排放量

N2O是土壤反硝化的中间产物。氮肥的施用可以促进N2O的形成与产生[13-14]，其主要原因是氮肥分解为硝化和反硝化过程提供了反应底物，也就是提供了丰富的基质。本试验发现，施用氮肥可显著促进土壤N2O的排放，且N2O的排放随着施氮量的增加而增加，其中N390处理土壤N2O累积排放量较N0处理高173%。

有研究表明，肥料深施与表面撒施相比，N2O排放也有所不同，铵态氮肥深施于土壤中能够减少稻田N2O排放[15]。对表面撒施而言，土壤溶液中的铵根离子更易在水稻土层氧化层通过硝化作用被氧化为硝酸根离子，硝酸根离子扩散到还原层中促进厌氧微生物的反硝化作用，它们的共同作用促进了稻田N2O的排放[16]。而深施肥料，土壤溶液中的铵态氮浓度高，且深层土壤处于厌氧条件下，铵根离子难以被氧化成为硝酸根离子，从而导致缺乏反硝化作用的反应基质，进而减少N2O的排放。因此，表施与深施这2种不同的施肥方式对于使用铵态氮肥造成的N2O排放也具有不同的重要影响。