油菜-水稻复种系统一次性施肥对CH4和N2O净排放的影响

徐驰，谢海宽，丁武汉，戴震，张婧，王立刚，李虎



油菜-水稻复种系统一次性施肥对CH4和N2O净排放的影响

徐驰，谢海宽，丁武汉，戴震，张婧，王立刚，李虎

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部面源污染控制重点实验室/中国农业科学院-美国新罕布什尔大学可持续 农业生态系统研究联合实验室，北京 100081）

【目的】探究一次性施肥技术对油菜-水稻复种系统CH4和N2O排放及其特征的影响并分析其影响因素，综合计算全球增温潜势，以期了解一次性施肥技术对温室气体排放的贡献大小，从而为温室气体减排提供科学依据和技术参考。【方法】针对长江中下游地区典型的油菜-水稻复种模式，在荆州太湖港农场（30.36N，112.08E）油菜-水稻复种试验田设置了5个处理：对照处理（CK）、农民习惯施肥处理（FP）、优化施肥处理（OPT）、一次性尿素基施处理（UA）和一次性控释肥基施处理（CRF），重复3次。采用静态暗箱-气相色谱法对整个油菜-水稻季的CH4和N2O排放通量进行监测，并测定土壤种植前后的理化性质与作物产量。【结果】（1）N2O和CH4的排放均具有明显的水稻季排放高、油菜季排放低的季节动态变化规律。各处理N2O排放通量在油菜季的变化范围为-4.08—35.51 μg N·m-2·h-1，水稻季则为-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；各处理CH4的通量变化在油菜季的排放量为-0.08—0.05 mg C·m-2·h-1，水稻季则为-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年排放总量从高到低依次是FP、CRF、OPT、UA、CK，分别为1.31、1.19、1.04、0.82、0.37 kgN·hm-2，排放系数介于0.14%—0.25%，均低于IPCC的推荐值1%。两个一次性施肥处理的UA和CRF相比同等施氮量的OPT处理，均能有效减少CH4年排放量29.0%和29.9%， UA处理同时能减少21.2%的N2O年排放总量，而CRF处理却增加了14.8%的N2O年排放总量；（3）在同等施氮量的条件下，一次性施肥CRF比OPT显著增加油菜产量10.6 %，而对水稻产量的影响不显著。温室气体排放强度呈现油菜季低，而水稻季高的特征，油菜和水稻季中各处理差异均不显著，油菜季中CRF和UA的排放强度最低为0.038 kgCO2-eq·kg-1，OPT最高为0.057 kgCO2-eq·kg-1，水稻季UA最小为0.07 kgCO2-eq·kg-1，FP最高达到了0.13 kgCO2-eq·kg-1；（4）综合两种气体的全球增温潜势（100 a），用GWP表示，在相同施氮量下，两个一次性施肥处理UA和CRF的GWP均较OPT处理减少了28.0%和18.2%（＜0.05），一次性基施尿素对降低温室效应更有效。【结论】对于长江中下游典型农田而言，一次性基施普通尿素或一次性基施控释尿素的措施，可以在保持作物产量的同时，降低了农田温室气体排放，可作为水稻-油菜复种系统的一种环境友好型施肥推荐技术。

一次性施肥；油菜-水稻复种系统；温室气体；全球增温潜势

0 引言

【研究意义】因温室气体浓度升高而引起的全球气候变化问题备受人们关注。N2O和CH4作为重要的农田非CO2温室气体占温室气体总量的比例相对较小，分别为22.9%和7.1%[1]，但其全球增温潜力相对较大，据IPCC最新研究报告表明在100 年尺度上其增温潜势分别是 CO2的265倍和28倍[2]。据估计，全球农业源排放的非CO2温室气体占人为源的13.5%，与交通源（13.1%）排放的温室气体量相当[2]。根据《中华人民共和国气候变化第二次国家信息通报》，中国农业源产生的N2O和CH4分别占全国总排放量的56.62%和73.79%，农业源温室气体占全国温室气体排放总量的10.97%[3]，我国政府在气候变化外交谈判中正面临着来自各方的巨大压力。前人对农田的温室气体排放做了大量的研究工作，农田N2O产生主要通过土壤的硝化和反硝化过程，CH4可在长期淹水的稻田中经发酵产生，除气候条件和土壤特性外，农业管理措施如耕作制度、水稻品种和田间管理措施都能影响N2O和CH4的排放，而通过控制氮肥施用是温室气体减排最直接有效的方法[4-9]。因此，在稳产的前提下研究低排放的稻田施肥技术，对于减少农业源温室气体排放意义重大。【前人研究进展】在当前农村劳动力不足且成本大幅提升的背景下，作物整个生长季一次性施肥技术得到了越来越广泛的推广。其核心是根据作物不同生长发育阶段对养分的不同需求，通过在肥料的表面包上一层膜来控制其释放速度和释放量，一次性施肥就能满足作物整个生长发育期对养分的需求，具有减少施肥量、施肥次数、提高肥料利用率和减少劳动力等优点[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减少氮肥用量的同时稳产。张木等[17]研究表明，与分次施肥相比一次性施用缓控释肥提高了水稻的产量12.5%。控释肥类型对温室气体的影响研究也较多，王斌等[12]研究表明，不同的控释肥和添加剂在保产或者增产前提下，均可不同程度的减少江汉平原地区早稻和晚稻CH4和N2O的排放，纪洋等[13]研究表明，与单施尿素处理相比，控释肥对水稻生长期N2O排放量减少59.6%，水稻产量增加7.8%。谢勇等[14]研究也表明，相比普通尿素，控释氮肥减氮20%时，既能降低的N2O排放量，又能增加春玉米的产量。而将控释肥与一次性施肥方式相结合对温室气体影响的研究较少，张婧等[15]对华北平原冬小麦/夏玉米轮作中研究表明，一次性施肥技术能够在保证产量的前提下有效减少土壤N2O排放。【本研究切入点】有关一次性施肥技术的研究大多侧重于对作物产量和氮肥利用率的影响，但是一次性施肥技术在减少劳动力成本提高氮肥利用效率等的同时，是否具有良好的环境效益的研究仍不足，比如对温室气体排放影响，尤其是针对土壤水热条件经常改变的水旱复种轮作系统。【拟解决的关键问题】水稻-油菜复种轮作作为我国南方的主要耕作制度之一[18]，其种植面积仅次于稻麦轮作系统，水旱交替轮换导致的土壤季节间的干湿交替变化，这种干湿交替会引起土壤水热条件的变化，进而影响到土壤的物理、化学及生物学性状，从而对作物的生长及土壤N2O和CH4的排放产生影响。本文从长江中下游地区典型的油菜-水稻复种系统出发，探究一次性施肥技术对水旱复种轮作系统N2O和CH4的排放量的特征及其影响因素，以期了解一次性施肥技术对净温室气体排放的贡献，从而为一次性施肥技术的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

田间试验于2015年10月到2016年9月在荆州太湖港农场（30.36N，112.08E）油菜-水稻复种试验田进行。试验地处江汉平原腹地，属亚热带季风气候，年平均气温15.9—16.6 ℃，无霜期242—263 d，年降雨量1 100—1 300 mm，太阳年辐射总量为4.4×105—4.6×105J·cm-2，年日照时数1 800—2 000 h。土壤质地为砂质壤土，供试土壤（0—20 cm土层）基本理化性质：pH 7.62，有机质15.91 g·kg-1，全氮1.27 g·kg-1，速效磷7.07 mg·kg-1，有效钾79.85 mg·kg-1，硝态氮12.58 mg·kg-1，铵态氮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，品种为华油杂8号（L.），移栽密度为10万株/hm2，油菜季氮肥追肥方式为降雨后撒施；水稻于2016年5月28日插秧，2016年9月10日收获，品种为广两优476号（L.），移栽密度为20万穴/hm2，前期浅水灌溉，分蘖末期（7月26日）排水晒田，一周后复水，之后进行干湿交替灌溉，收获前一周停止灌溉使其自然落干，田间其他管理措施与当地生产保持一致。2016年作物收获之后测得土壤的硝态氮含量1.21 mg·kg-1，铵态氮含量0.74 mg·kg-1，全氮1.21 g·kg-1，速效磷13.08 mg·kg-1，速效钾138.16 mg·kg-1。

田间试验采用随机区组设计，5个处理，分别是：对照处理（CK）、农民习惯施肥处理（FP）、优化施肥处理（OPT）、一次性尿素基施处理（UA）和一次性控释肥基施处理（CRF）。优化施肥处理施肥量是根据当地测土配方施肥结果确定的施氮量，控释肥是美国嘉洋控释尿素，具体肥料包膜材料为聚氨酯。每个处理重复3次，每个小区面积是32 m2（长8 m，宽4 m），施肥方式和施肥量见表1。基肥施用采用沟施肥，施肥深度为10 cm，追肥采用表施，优化施肥（OPT）处理、一次性尿素基施（UA）和一次性控释肥基施（CRF）处理均施用相同量的氮肥，各处理的磷肥和钾肥用量均为75 kg·hm-2，均在播前撒施。本研究中其他管理措施与当地高产栽培措施一致。

1.2 数据获取与计算

1.2.1 N2O和CH4通量的测定 土壤N2O和CH4排放通量的监测采用静态暗箱-气相色谱法[15,19-20]。采样箱体与底座均由不锈钢制成，箱体底部边缘有密封条保证采样时的密封性。箱体（长50 cm，宽50 cm，高50 cm）为正方体，最大限度保证气体取样的代表性。每次采样于上午8：00—10：00进行，采样间隔6 min，取样5次，在记录采样时间的同时，利用同时测定箱内气温和5 cm土壤温度，每个小区取样重复3次。取样频率为每月观测两次，有灌溉或降雨量超过10 mm，逐日观测2—3 d。气体样品存放于铝膜气袋中（大连普莱特公司生产），之后用改进的气相色谱仪（Agilent 7890A）分析N2O和CH4浓度。

气体通量按下式计算：

表1 油菜-水稻复种期内氮肥施肥种类和施肥量

“-”表示CK处理没有氮肥投入。计算参数：尿素：纯N 46.3%；CRF1：纯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"表示对照处理, "FP"表示农民习惯处理,"OPT"表示优化施肥处理, "UA"表示一次性尿素基施处理, "CRF"表示一次性控释肥基施处理同时表示施肥种类为控释肥

"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排放总量 采用平均值内插法，用相近两个观测日的日通量平均值作为期间非观测日的日通量，然后将每天的日通量累加即可估计年度气体排放总量。

1.2.3 N2O排放系数 IPCC将同期内由化肥氮施用引起的N2O排放量占总施氮量的百分比定义为N2O排放系数（EFd），计算公式：

EFd=100×(EF- EC)/N

式中，EF和EC分别为施氮肥和对照组下作物生长季N2O排放总量（kg N·hm-2）；N为当季施氮量（kg N·hm-2）。

1.2.4 全球增温潜势的计算 净温室气体排放以全球增温潜势来计算。全球增温潜势（GWP）是基于温室气体辐射特征的一个指数，用于衡量相对于CO2而言，在所选定时间内进行积分得出的当前大气中某个脉冲排放后给定单位质量温室气体的辐射强迫。GWP代表不同时间长度内温室气体在大气中的综合影响及其造成辐射强迫的相对效果[1-2]。N2O和CH4100年的增温潜势分别为CO2的265倍和28倍[2]，其计算式为：

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

式中，GWP为2种温室气体引发的增温潜势，CH4、N2O为累积排放量，采用线性内插法计算。由于SOC的年际变化不大，所以本研究中只讨论N2O和CH4的净温室气体排放效果。

1.2.5 温室气体排放强度 单位产量的GWP，即

GWP与相应处理作物产量的比值。计算公式：

GHGI = GWP/Y

式中，GHGI为温室气体排放强度（kgCO2-eq·kg-1, 以CO2计）；GWP为全球增温潜势（kgCO2-eq·hm-2）；Y为作物产量（kg·hm-2）。

1.3 其他数据的测定

整个油菜-水稻复种一年的降雨量和气温数据来源为当地气象站。

土壤样品的采集和测定：作物种植前和收获后，取深度为1 m的土层（每20 cm为一个层次），测定土壤的基本理化性质，包括pH、碱解氮、速效氮、速效钾、有机质、全氮、全磷、全钾、硝态氮和铵态氮。

1.4 数据处理分析

用Excel 2010进行数据处理及作图，SPSS 19.0进行不同处理间的差异显著性检验（ANOVA程序单因素方差分析，显著水平为0.05），处理间采用LSD多重比较方法，采用Duncan进行显著性检验。

2 结果

2.1 油菜-水稻季中土壤N2O和CH4的周年排放特征

对于N2O排放特征，各处理N2O排放通量变现为明显的季节动态变化特征，具有油菜季低、水稻季高的季节特点，在油菜季的变化范围为-4.08—35.51 μg N·m-2·h-1，而水稻季则在-16.52—193.30 μg N·m-2·h-1。随着环境温度的下降逐渐降低，结合日均气温、降雨量（图1）和N2O的排放通量特征（图2）进行分析，可以看出N2O的排放峰集中在6—9月份的水稻生长季，降雨和温度是影响N2O排放的主要因素，降雨和气温共同影响微生物的活性和O2含量，从而影响土壤N2O的形成和排放。对于CH4排放，与N2O排放特征相似，各处理的CH4排放通量也具有油菜季低、水稻季高的季节变化特征（图3），油菜季CH4排放微弱，在-0.08—0.05 mg C·m-2·h-2之间，而在温度降雨相对高的6—9月份水稻生长季，CH4排放量为-0.54—4.81 mg C·m-2·h-2，主要是因为CH4排放主要通过淹水条件（厌氧还原环境）下产生，在旱季很难有淹水的条件，而在水稻季由于淹水从而排放大量CH4，从图3中可以看出，CH4排放峰值出现在水稻生长分蘖到抽穗阶段，这一时期水稻生长旺盛，植株生物量大量增加，并充当了土壤和大气的通道，将淹水环境下产生的CH4排放到大气中。

2.2 油菜-水稻季中土壤N2O和CH4的排放总量

从整个复种周期来看，各处理的N2O年排放总量从高到低依次是FP、CRF、OPT、UA、CK，分别为1.31、1.19、1.04、0.82、0.37 kg N·hm-2，排放系数依次为0.22%、0.25%、0.20%、0.14%，均低于IPCC的推荐值1%。OPT处理比FP处理在减少氮肥用量21.4%的条件下减少了N2O排放20.5%，可见，施肥量直接影响了N2O的排放；而在同等施氮水平下，一次性施肥的UA和比OPT处理减少了21.2%，一次性施肥的CRF处理却增加了14.8%，但是差异均不显著。从不同作物生长季来看，油菜季的各处理的N2O的排放量在0.17—0.41 kg N·hm-2，由于各处理之间N2O的排放量不高，一次性施肥对油菜季N2O排放影响不明显（图4）。水稻季的各处理的N2O排放总量在0.20—0.99 kg N·hm-2，一次性施肥条件下水稻季的UA比OPT处理减少25.1%，而CRF处理比OPT增加45.0%（图4）。说明在水稻季UA的减排作用大于CRF，可能的原因是温度和水分对N2O排放影响很大，一次性施肥均是基施肥，由于控释肥的肥效持续时间长于普通尿素，参与N2O产生过程的基质浓度较高，因此在相对较高的温度和水分的月份，会比普通尿素产生更多的N2O。

图1 观测期降雨量和日平均气温的变化

图2 不同处理下油菜-水稻复种系统土壤N2O排放通量

图3 不同处理下油菜-水稻复种系统土壤CH4排放通量

图4 不同施肥方式下油菜-水稻季N2O排放总量

从整个复种周期看CH4年排放总量，其中FP最高，达到了24.58 kg C·hm-2，OPT为21.25 kg C·hm-2，CK为19.26 kg C·hm-2，CRF和UA最低，分别是14.89和15.08 kg C·hm-2，一次性施肥的CRF和UA分别比OPT减少CH4排放量29.9%和29.0%，而减氮OPT处理比FP减少了13.5%的，说明一次性施肥可减少CH4的排放量，施用氮肥虽然没有直接对CH4的排放产生作用，但是可以通过促进作物的生长发育来提供CH4的排向大气的通道。从不同作物生长季来看，油菜季的各处理CH4排放量在-0.77—0.38 kg C·hm-2，其中CK、UA和CRF的排放均是负值（吸收），而水稻季的各处理的CH4排放量达到了15.15—24.26 kg C·hm-2，一次性施肥处理的UA和CRF分别比OPT减少27.4%和25.0%，但是差异不显著，原因可能是增施氮会促进水稻的生长发育从而间接增加CH4的排放量（图5）。

图5 不同施肥方式下油菜-水稻季CH4排放总量

2.3 不同处理下油菜-水稻周年的GWP

本研究利用GWP综合研究了N2O和CH4的净温室气体排放。各处理的GWP从大到小排列为FP＞OPT＞CRF＞CK＞UA，FP最高，达到了1 062.36 kgCO2-eq·hm-2，显著（＜0.05）高于两个一次性施肥处理UA和CRF，其次为OPT处理，GWP值达到了8 90.61 kgCO2-eq·hm-2，显著（＜0.05）高于UA处理。与OPT处理相比，UA和CRF处理分别减少了28.0%和18.2%的GWP。综合考虑N2O和CH4两种气体的温室效应，说明两种一次性施肥处理可以降低温室效应，其中UA的效果较好（表2）。值得一提的是，通过分析N2O和CH4两种温室气体对 GWP的贡献率表明，各处理CH4对GWP的净贡献率处于58.7%—85.7%之间，说明在油菜-水稻的水旱复种中CH4对GWP的贡献更高，应该更加关注水稻生长季CH4的减排。

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）水平上显著差异

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

2.4 油菜-水稻季的作物产量和GHGI

作物产量是评价一种施肥技术最重要的指标。研究中表明（图6），除CK处理之外，各施肥处理间的油菜产量在2 150—2 441 kg·hm-2和水稻产量在9 207—9 806 kg·hm-2。在油菜季，OPT处理比FP处理减少了油菜产量11.9%，可见，在减少氮肥用量21.42%的条件下降低了油菜的产量；但是UA处理与OPT产量无差异，而CRF处理比OPT增产9.6%，说明UA可以稳产，而CRF会增加油菜的产量。而在水稻季CRF、UA和OPT之间无差异，说明一次性施肥不会造成作物减产，对产量的影响在可接受范围之内。对于GHGI则呈现油菜季低，而水稻季高的特征（图7），在油菜季中CRF和UA的排放强度最低，为0.038 kgCO2-eq·kg-1，OPT最高为0.057 kgCO2-eq·kg-1，各处理的温室气体排放强度差异不显著，说明一次性施肥没有降低油菜季的GHGI，而在水稻季UA最小为0.07 kgCO2-eq·kg-1，FP最高达到了0.13 kgCO2-eq·kg-1，各处理间差异不显著，但是一次性施肥处理的排放强度低于传统施肥方式，需进一步研究。

图6不同施肥方式下油菜、水稻产量

图7 不同施肥方式下油菜-水稻季温室气体排放强度

3 讨论

3.1 油菜-水稻复种系统的N2O和CH4排放特征

本研究中，油菜-水稻复种系统各处理的土壤N2O通量有明显的季节变化规律，油菜季N2O通量在-4.08—35.51 μg N·m-2·h-1，而水稻季则在-16.52—193.30 μg N·m-2·h-1，呈现水稻季高，油菜季低的特点，该现象与荆光军等[21]、石将来等[22]对水稻/油菜复种系统的N2O排放规律的研究一致，原因是N2O的主要排放机制是硝化/反硝化过程，两个过程的相对重要性取决于环境条件[23]，最适合硝化和反硝化作用的温度分别为25—35℃[24]，在未达到最适温度前，随着土壤温度的升高，硝化和反硝化作用加强[21]。同时水分也是关键因素，土壤产生N2O的主要来源在土壤含水量未处于饱和含水量时是硝化作用，而当水分饱和时则是反硝化过程[25]，而本研究中在6—9月的均温在27.45℃，降雨量584.1 mm，温度和水分都较高，综合加强了土壤硝化/反硝化的过程，因而会出现较强的N2O排放峰。本研究中还观察到了稻田土壤吸收N2O的现象，在三江平原典型沼泽湿地[26]和太湖地区稻麦菜复种地N2O排放也有类似的现象[27]，原因可能是水稻季持续淹水导致土壤处于强还原状态，使得微生物吸收N2O并将其反硝化还原成N2[28]。

同样，本研究中各处理的土壤CH4通量有明显的季节变化规律，各个处理之间尤其是一次性施肥处理对CH4和N2O周期排放特征影响不显著，均呈现出水稻季高，油菜季低的特点，这在水旱轮作CH4排放的研究中均可见[22,29]，原因是相比于油菜季，水稻季常处于淹水状态，土壤达到饱和含水量，易形成厌氧的还原性环境，利于产CH4菌等的厌氧菌的繁殖，从而分解土壤中的有机物产生CH4[25]。本研究还观察到了水稻生长季呈“中间高两头低”的变化趋势，这与卢维盛等[30]、韩广轩等[31]的研究中水稻CH4排放特征一致。原因是随着水稻的生长，根系逐渐发达，水稻地上部和地下部良好的生长为土壤中产生的CH4气体向大气的排放提供了通道，排放CH4的能力慢慢增强，在抽穗中期达到最大，之后随着水稻成熟而减小[31]。

3.2 一次性施肥对土壤N2O和CH4排放总量的影响

从不同作物生长季来看，油菜季的各处理的N2O的排放量不高，为0.17—0.41 kg N·hm-2，可以看出一次性施肥对油菜季N2O排放影响不明显，大多研究表明，旱作农田N2O排放远高于灌溉稻田，《2006年IPCC国家温室气体清单指南》中，旱作农田和灌溉稻田N2O排放因子的缺省值分别为1%和0.3%，即旱作农田N2O排放远高于灌溉稻田，但本文中得到的结果是油菜季的N2O排放低于灌溉稻田。主要是本研究中油菜季处于温度和降水都较少的冬春两季，气温和土壤水分含量高低能明显影响微生物的活性大小和土壤中的O2含量，从而成为土壤排放N2O的主要影响因素[26]，而冬春季低活性的微生物导致了N2O的排放量不高，而水稻季由于频繁的干湿交替灌溉促进了N2O的排放，从而水稻季比旱作油菜季高。另一个原因是油菜季取样频率偏低。实际上，油菜季的测定频率为每月至少2次，那么整个油菜季应该有8—10次数据。造成最终只有5次有效数据的原因是，由于田间测量误差比如产生了漏气现象等，影响了数据浓度的计算，N2O排放浓度和测量时间没有形成显著的相关关系（线性或非线性关系），即依据文中气体通量计算公式d/d是负值或为零，因此为了保证数据的有效性合理性，在原始通量数据处理过程中舍掉了一部分数据。由于田间试验困难且复杂，影响因素多，基于静态箱的观测方法本身条件的限制，因此，在以后的试验中增加取样频率或改善研究方法必不可少。水稻季的各处理的N2O排放总量在0.20—0.99 kg N·hm-2，一次性施肥条件下水稻季的UA比OPT处理减少25.1%，而CRF处理比OPT增加45.0%。可能的原因是一次性施肥都是基施，控释肥的肥效持续时间长于普通尿素，导致基施控释肥参与N2O产生过程的基质浓度较高，同时水稻季6月开始逐渐升高的环境温度和增多的水分也会影响N2O的排放[21,25]，从而会比普通尿素产生更多的N2O，这与其他的研究结果[36-37]不相符，同时刘晓伟等[36]的研究表明深施肥可以延长肥料养分在土壤中的贮存时间，降低了氮肥当季损失量。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处理的N2O排放量不高的原因。未来应进一步关注一次性控释肥对N2O排放的影响。CH4的排放量主要发生在水稻季，施用氮肥虽然没有直接对CH4的排放产生作用，但是可以通过促进作物的生长发育来提供CH4的排向大气的通道[32]，各处理的CH4排放量为15.15—24.26 kg C·hm-2，一次性施肥处理的UA和CRF分别比OPT减少27.4%和25.0%，但是差异不显著，可能原因是在OPT处理在水稻关键生长期的追肥会促进水稻的生长发育从而间接增加CH4的排放量[32]。

3.3 一次性施肥对土壤GHGI和作物产量的影响

单位产量的GHGI呈现油菜季低，水稻季高的特征，说明在相同的产量下，水稻季排放的温室气体多于油菜季，原因可能是油菜季主要的温室气体来源是N2O，本研究中油菜季的降雨少且持续短，同时整个油菜生长季节的温度并不高，所以油菜季N2O排放较弱；而在水稻季中有主要排放两种温室气体，虽然水稻产量明显高于油菜，但稻田的干湿交替促进了N2O排放[34-35]，同时稻田大量排放的CH4综合作用使得最终计算水稻季的GHGI较高，所以我们应重点关注水稻季的温室气体排放。与CK、FP和CRF处理相比，一次性施肥的CRF与UA处理的GHGI在油菜和水稻季均较低，但是两季中各处理间差异不显著。原因可能是本研究中一次性施肥的肥料采用基肥深施，刘晓伟等[38]的研究表明深施可以延长肥料养分在土壤中的贮存时间，降低了氮肥当季损失量，在保证产量的前提下，一次性深施肥通过减少了温室气体排放从而降低温室气体排放强度。因此，一次性施肥作为一种温室气体减排的技术是值得推荐的。各施氮肥处理间的油菜产量2 150—2 441 kg·hm-2和水稻产量9 207—9 806 kg·hm-2。减氮施肥的3个处理均没有显著降低作物的产量。一次性施肥CRF处理比OPT处理可以增加油菜产量9.6%，但对水稻产量增加不明显，可能是控释氮肥的养分释放周期长于普通氮肥，为油菜提供氮素的时间较长[39]，土壤成分含量的不同可能会影响控释尿素控制养分释放的速率以及作物产量和肥料利用效率[40-41]。本研究试验区的土壤质地是砂壤土，具有较弱的氧化还原电位缓冲能力及较差的有机质保持能力。控释肥可能由于前期土壤环境导致释放过快，作物生长期长，等到后期需要肥旺季和普通尿素一样，难以提供大量尿素，同时比较了作物种植前后土壤的养分变化，发现硝态氮和铵态氮含量大幅度下降，这也可能是基施尿素没有造成减产的原因。同时施肥方也可能是另一影响因素，刘晓伟等[38]的研究表明深10 cm的根区施肥可以延长肥料养分在土壤中的贮存时间，显著提高水稻的氮肥利用效率，这也有利于保持产量。本研究中施肥方式采用的沟施肥，施肥深度在10 cm，在节省肥料，提高氮肥利用效率的同时保证了作物产量。油菜季可能是深施肥和降雨少、温度低的环境共同减缓了养分的释放[39]，而水稻季降雨多、温度高的环境使得控释肥前期释放过快，但深施肥技术提高了氮肥利用效率，使得一次性基施控释肥和普通尿素的肥效接近，在保证产量的同时降低了温室气体排放。但也有罗宏东等[42]的研究表明先期施用基肥分开施肥的效果优于一次性施肥，一次性全量基施普通氮肥会造成水稻减产[43]。因此，未来也要关注一次性施肥技术对产量的影响。

3.4 一次性施肥技术对GWP的影响

由于CH4和N2O存在着此消彼长的关系[44]，如果只是单独考虑对N2O和CH4各自的影响，可能会造成减排技术效应的不准确评估，甚至会产生相反的结果。本文为了分析净温室气体排放，采用了GWP。石将来等[22]在西南紫土研究中，油菜-水稻轮作系统GWP（100 a）为3 454.17 kgCO2-eq·hm-2，张岳芳等[7]在阳澄湖平原研究中，水旱轮作稻田的GWP（100 a）为3 127 kgCO2-eq·hm-2，本研究中计算出FP处理的GWP最高，为1 062.36 kgCO2-eq·hm-2，相比之下，GWP更低。各处理CH4排放对GWP的贡献更大，达到了58.7%以上，张岳芳等[7]的研究也表明，CH4排放在稻季温室效应中起着决定性作用。可能的原因一是由于油菜-水稻复种系统温室气体主要产生在水稻季；二是由于稻田的CH4的排放量大于N2O的排放量，且与水稻地上生物量之间有显著的正相关关系[45]，而且相比N2O更易排放到大气中。此外，分析不同处理之间的GWP表明，减氮21.4%的OPT比FP减少了16.4%，这说明氮肥的减量施用降低了净温室气体排放[32,46]。在同样施氮水平下，与OPT处理相比，UA和CRF处理分别减少了28.0%和18.2%的GWP。说明两种一次性施肥处理可以降低GWP，但UA的效果较好。这主要由于控释肥对稻田N2O排放的影响更取决于田间水分状况和温度条件[47]，控释肥的肥效持续时间长于普通尿素，在稻田干湿交替的过程中，其缓慢释放养分增加了形成硝化反硝化的底物[15]，从而加大了N2O排放量，因而对水稻季N2O排放减排效果不明显。降雨是影响旱地N2O排放的重要因素[34-35]，在休闲期降雨较多且温度20℃以上，但本研究中在休闲期温室气体测定频率偏低，必然会造成对周年温室效应估算的偏差。虽然相关研究表明[22,48]在作物轮作季休闲期测定的温室气体排放量不高，但是对于研究周年温室气体排放效应，在未来的试验设计中应当完善取样测定的频率。可见，控释肥对水稻季N2O的减排效果仍需长期观测。但综合考虑两种气体的GWP，UA或者CRF处理仍是值得推荐的温室气体减排技术。

4 结论

4.1 在油菜-水稻复种系统各处理的土壤N2O和CH4排放通量具有明显的油菜季低、水稻季高的季节特点；排放强度（GHGI）呈现油菜季低，而水稻季高的特征。

4.2 在减少21.4%（45 kg）的农民习惯氮肥施用量下，可以同时减少N2O排放量20.5%，CH4排放量13.5%。与氮肥施用量（165 kg）相同的分次施肥相比，一次性基施普通尿素可以同时减少21.2%的N2O排放量和29.0%的CH4排放量，而一次性基施控释肥减少了29.9%的CH4排放量却增加了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释肥分别比分次施肥减少了28.0%（641.69 kgCO2-eq·hm-2）和18.2%（733.25 kgCO2-eq·hm-2）的GWP，但是油菜产量（2 150—2 379 kg·hm-2）和水稻产量（9 147—9 246 kg·hm-2）并未减少。

可见，一次性施肥包括基施尿素或者基施控释肥不会造成作物减产，同时可以降低净温室气体的排放，但仍需长期试验的验证。

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（责任编辑 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

国家重点研发计划（2016YFE010110、2016YFD0201204、2018YFD0800402）、国家自然科学基金（41671303）、中央级公益性科研院所基本科研业务费（1610132016042）、国家公益性行业（农业）科研专项（201303103）

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