有机-无机氮肥施用对滨海盐土稻田CH4和N2O排放及综合温室效应的影响

孙丽英，马煜春 ，邬明伟，饶旭东，张宇，刘文秀

1. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/南京信息工程大学应用气象学院/江苏省农业气象重点实验室，江苏 南京 210044；

2. 中国科学院南京土壤研究所/土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008；3. 中化化肥有限公司江苏分公司，江苏 南京 210019；4. 苏州市耕地质量保护站，江苏 苏州 215000

中国盐渍土面积高达3.5×107hm2，是一种重要的土地资源（王遵亲，1993）。利用滨海盐土种植水稻，既能够提高中国粮食总产量，又可以通过水稻生产改良盐土。在水稻生长过程中，田面水层通过下渗不断淋洗土壤中的盐分，使盐土在种稻过程中逐渐脱盐（姜玉华等，2007）。滨海盐土理化性状较差，一般不利于水稻生长，因此通常采用配施有机肥等方法改良土壤性质提高水稻产量。然而，有机肥的投入又会影响滨海盐土稻田温室气体（CH4、N2O）的排放。

稻田长期淹水环境和水稻生长过程有利于CH4的产生与排放（Zou et al.，2005），据统计，全球稻田CH4年总排放量约为30 Tg（Sass et al.，1999；Yan et al.，2009），占大气中人为CH4总排放量的11%左右（Smith et al.，2007）。稻田烤田和灌溉期形成的适宜土壤水分条件可促进 N2O的排放（Zou et al.，2005）。据Zou et al.（2007）验证，中国稻田 N2O的排放量为中国农田总排放量的7%～11%。众所周知，施氮是提高作物产量和土壤有机碳水平的必要措施，但是氮肥的施入通常又会促进N2O排放。同时施用氮肥会促进水稻生长，增加根系分泌物、凋落物和秸秆残茬等外源碳的输入，为产甲烷菌提供基质，从而促进 CH4的产生（Yang et al.，2010）。不同碳氮比的有机物料还田及还田方式等都会显著影响稻田生态系统的 CH4和 N2O 排放（Wang et al.，2013；Yuan et al.，2017）。因此，需通过合理的氮肥管理措施降低稻田温室气体的排放风险。

本研究以江苏省典型的滨海盐土稻田为对象，采用静态暗箱-气相色谱法原位同步观测 CH4和N2O的排放通量，探明不同类型氮肥对稻田生态系统温室气体排放的影响规律，评估不同类型氮肥对稻田生态系统综合温室效应（GWP）及温室气体排放强度（GHGI）的影响。研究结果将有助于降低中国农业温室气体排放总量估算的不确定性，同时为寻求减缓滨海盐土稻田生态系统温室气体排放的适宜施肥方案提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于江苏省连云港市东辛农场（34°57'N，119°45'E）。该研究区域属典型的亚热带季风气候，2016年平均气温为13.7 ℃，年总降水量为930.2 mm。整个水稻生长期的气温、土壤温度和降雨量如图1所示。试验田土壤类型为滨海盐土，当地主要耕作制度为稻-麦轮作。试验田耕层土壤理化性质如下（0～20 cm）：pH值为8.58，土壤有机碳为 11.77 g·kg-1，总氮为 0.92 g·kg-1，氯离子（Cl-）含量为0.16%。

1.2 试验设计与田间管理

田间试验于2016年6月开始，至2016年10月结束，共1个水稻生长周期。试验采用完全随机区组设计，共4个处理，分别为不施氮肥（N0）、无机氮肥（尿素、Nu）、有机氮肥（Nw、小麦秸秆堆肥含全氮8%、有机质45%），有机-无机氮肥混施（Nm，有机肥和尿素以 2：1混合）。每个处理设置3个重复，每个小区的面积为20 m2（5 m×4 m），共12个小区。Nu、Nw、Nm处理在整个水稻生长期间施入的氮肥含氮量相等，均为 300 kg·hm-2（以 N计）。即 Nu处理中施用尿素 651 kg·hm-2（即300 kg无机氮）；Nw处理中施用有机肥3750 kg·hm-2（即300 kg有机氮）；Nm处理中施用有机肥 2500 kg·hm-2和尿素 217 kg·hm-2尿素（即200 kg有机氮和100 kg无机氮）。在Nu处理中，尿素以4∶3∶3的比例分基肥和两次追肥施用；在Nw处理中，所有肥料均作为基肥施入，水稻生长期间不再追肥；在Nm处理中，将有机-无机混合氮肥的 40%作为基肥施入稻田，其余的混合氮肥作为追肥分两次等量施入到稻田中。两次追肥分别于7月9日和8月3日施入到稻田中。所有处理在水稻移栽前一次性施入 60 kg·hm-2磷肥（以P2O5计）和120 kg·hm-2钾肥（以K2O计）。尿素、有机氮肥、有机-无机混合氮肥作为基肥施用时，都先撒施于土壤表面，使其与表层土壤（0～20 cm）混合均匀；而尿素和有机-无机混合氮肥作为追肥施用时，都只是撒施于稻田表面。其余农业管理措施（烤田、除草剂、杀虫剂、杀菌剂等）与当地农场的管理措施一致。

1.3 气体样品采集与测定

采用静态暗箱-气相色谱法测定稻田 N2O和CH4的排放通量。在每次施肥后一周和烤田期间，每两天采集1次样品，其余时间每周采集1次样品。采样箱包括顶箱和中段箱 2部分，规格分别为 50 cm×50 cm×50 cm和50 cm×50 cm×60 cm，中段箱顶部设有密封用的水槽，主要用于水稻生长后期加层。在水稻移栽之前，将采样箱底座安装于各小区内。采集气体时间在 8：00—10：00之间，将采样箱放置于底座上，分别于第0、10、20、30 min使用注射器抽取50 mL气体，立即注射到真空瓶中，然后将气体样品带回实验室，使用气相色谱仪（安捷伦7890 B）进行分析测定。CH4和N2O分别利用氢火焰离子化检测器（FID）和电子捕获检测器（ECD）进行测定。

图1 水稻生长期间，降雨量、空气温度和10 cm土壤温度的动态变化Fig. 1 Rainfall, mean air temperature and soil temperature (10 cm) during the whole rice growing season

N2O和CH4排放通量计算公式如下（吴震等，2018）：

式中，F 为 N2O-N（μg·m-2·h-1）和 CH4-C（mg·m-2·h-1）的排放通量；ρ为标准状态下的气体密度（mg·m-3）；h为采样箱高度（m）；dc/dt为采样箱内的气体浓度变化率（μL·L-1·h-1）；θ为采样过程中采样箱内的平均温度（℃）；10-6为单位换算系数。

以每个处理的 3次重复的平均值作为 N2O和CH4排放通量；气体平均排放通量以相邻两次采样时间间隔为权重，将各次排放通量进行加权平均；气体的累积排放量用其平均排放通量和采样时间的乘积表示。

1.4 土壤样品与产量的分析测定

水稻移栽后，每次采集气体样品的同时采集耕层（0～20 cm）土壤样品，用于测定土壤铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）的质量分数。土壤NH4+-N和NO3--N质量分数分别采用靛酚蓝比色法和双波长紫外分光光度法测定（鲁如坤，2000）。土壤pH值用PHS-3 C mv/pH计测定；土壤有机碳（SOC）的测定采用重铬酸钾容量法；Cl-的测定采用硝酸银滴定法（鲁如坤，2000）。

水稻收获之后，将水稻籽粒于105 ℃杀青1 h，随后在 85 ℃条件下烘至恒重，然后称重以确定水稻籽粒干物质量（Sun et al.，2018）。

1.5 综合温室效应的计算

综合温室效应（GWP，t·hm-2）的计算是以 CO2作为参考气体，在100年时间尺度上，CH4和N2O的增温潜势分别按照单位质量 CO2的34倍和298倍进行计算（IPCC，2013）。此外，农业化学品（化肥、农药等，Ei）的使用和农事操作（例如耕地、灌溉等，Eo）也能直接或间接引起碳排放，从而引起综合温室效应的增加。因此，估算GWP的时候，需考虑农业措施所引起的碳排放（IPCC，2013）：

温室气体强度（GHGI，t·t-1）是单位产量的综合温室效应（Mosier et al.，2006），计算公式如下：

式中，Y为作物产量，t·hm-2。

本试验中，由于本试验仅测定1个水稻生长季，时间较短，稻田生态系统的固碳效应忽略不计。表1所示为整个水稻生长季由农业化学品和农事操作的投入所引起的碳排放。

1.6 统计分析

运用Microsoft Excel 2013进行数据计算和图表制作；运用JMP 9.0软件进行数据统计分析，显著性差异水平为 P＜0.05（Student’s法）；采用Pearson’s法分析各指标与CH4和N2O排放通量之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥对CH4排放的影响

如图2(a)所示，不同处理间CH4排放通量变化规律基本保持一致，均呈现先升高后降低的趋势。水稻移栽后，CH4排放通量迅速增加，在第一次追肥后出现排放通量峰值；随后CH4排放通量开始下降，且在烤田期间显著下降；重新复水后，CH4排放通量有所回升，但其排放量仍较低。在整个水稻生长期间，CH4的排放通量范围在-0.02～20.39 mg·m-2·h-1，平均值为 5.27 mg·m-2·h-1（图 2(a)）。

表1 整个水稻生长期内农业化学品投入和农事操作对碳排放的贡献Table 1 Agricultural management practices for chemical input and farm operation and their contributions to C emission during the rice growing season

图2 水稻生长期内CH4（a）和N2O（b）排放通量的季节变化Fig. 2 Seasonal variations of CH4 (a) and N2O (b) emission flux during the rice growing seasonThe downward arrows indicate the times of N fertilizer application in the N fertilizer treatments. The double-sided arrow indicates the mid-season drainage period. The vertical bars represent the standard error (n=3). N0, Nu, Nm, and Nw represent treatments without N fertilizer and with urea, organic-inorganic mixed fertilizer, and organic fertilizer, respectively

试验结果表明，氮肥的施用显著提高了季节性CH4累积排放量（P＜0.05，表2）。其中，CH4累积排放量在Nw处理中最高，为190.7 kg·hm-2。与N0处理相比，Nu、Nm和Nw处理季节性CH4累积排放量分别显著提高42.1%（P＜0.05）、63.1%（P＜0.05）和 67.2%（P＜0.05）（表 2）。

2.2 不同氮肥对N2O排放的影响

如图2(b)所示，在整个观测期间，N2O排放无明显规律，仅在烤田期间观测到较大 N2O排放峰值，其他时间均保持较小的排放通量。在整个水稻生长期间 N2O 的排放通量变化范围为-1.6～44.2 μg·m-2·h-1，平均值为 9.89 μg·m-2·h-1（图 2(b)）。

试验结果表明，氮肥的施入显著提高了N2O的累积排放量（表2），不同氮肥处理间季节性N2O排放量差异较大。与N0处理相比，Nw、Nu和Nm处理季节性 N2O排放量分别显著提高了 37.8%（P=0.095）、83.5%（P＜0.05）和 78.3%（P＜0.05，表2）。

2.3 辅助指标及水稻产量分析

在水稻施肥后与烤田期间，不同氮肥处理间土壤NH4+-N和NO3--N含量变化趋势基本一致。土壤中 NH4+-N和 NO3-N质量分数变化范围分别为0.9～57.3 mg·kg-1和 0.3～7.4 mg·kg-1。如图 3 所示，每次施肥后和烤田期间，NH4+-N和NO3--N含量都呈现增加趋势。

表2 不同氮肥处理季节性累积CH4、N2O排放量、农业化学品和农事操作对碳排放的贡献以及GWP、GHGI和粮食产量Table 2 Cumulative CH4, N2O emissions, the contributions of chemical input (Ei) and farm operation (Eo) to CO2 equivalents, total global warming potential(GWP), greenhouse gas intensity (GHGI) and grain yield during the rice growing season

通过线性相关分析发现，CH4排放与土壤中NO3--N 含量呈显著正相关关系（P＜0.01）；N2O的排放与土壤中NH4+-N和NO3--N含量均呈显著正相关关系（P＜0.01，表3）。

由表4可知，Nw处理土壤pH较Nu和Nm处理分别降低了0.1（P＜0.05）和0.03个单位（P=0.549）。不同类型的氮肥对土壤Cl-含量和SOC没有显著影响。

本试验中，水稻产量为6.8～12.0 t·hm-2。与N0处理相比，3种不同氮肥处理都显著提高了水稻产量（P＜0.05）。Nu、Nw和Nm处理水稻产量分别提高了 44.0%（P＜0.05）、38.4%（P＜0.05）和 77.5%（P＜0.05，表2），且水稻产量与CH4累积排放量呈显著正相关关系（P＜0.01）。

2.4 不同氮肥处理下GWP和GHGI综合评价

本试验中，GWP 的变化范围为 7.2～12.3 t·hm-2。其中，Ei（391.8～1932.0 kg·hm-2）和 Eo（1538.9～1552.2 kg·hm-2）分别占 GWP 的 5.4%～16.7%和12.6%～21.4%（表 1和 2）。试验结果表明，氮肥的施入显著增加了GWP（P＜0.05）。与N0处理相比，Nu、Nm和Nw处理GWP分别显著增加了51.3%（P＜0.05）、66.9%（P＜0.05）和 70.3%（P＜0.05）。各处理 GHGI变化范围为 1.1～1.3 t·t-1（表 2），不同处理之间没有显著差异。

表3 水稻施肥与烤田期间，CH4、N2O排放与土壤NH4+-N、NO3--N和土壤温度的相关性Table 3 The correlation of CH4, N2O emission with NH4+-N, NO3--N and temperature of soil during the fertilization and mid-season drainage period

表4 水稻收获之后，各处理中土壤Cl-含量、pH和土壤有机碳含量Table 4 Soil pH, soil Cl- content and soil organic carbon (SOC) after the rice harvest in all treatments

图3 水稻施肥与烤田期间，土壤NH4+-N和NO3--N含量的动态变化Fig. 3 The content of NH4+-N and NO3--N during the fertilization and mid-season drainage periodThe downward arrows indicate the times of N fertilizer application in the N fertilizer treatments. The double-sided arrow indicates the mid-season drainage period. N0, Nu, Nm, and Nw represent treatments without N fertilizer and with urea, organic-inorganic mixed fertilizer, and organic fertilizer, respectively

3 讨论

3.1 不同氮肥对稻田CH4排放的影响

与N0处理相比，Nu、Nm和Nw处理显著提高了CH4的累积排放量（P＜0.05，表2），尤其是Nm和Nw处理。施用无机氮肥显著促进了稻田CH4排放的原因可能：一是，无机氮肥为产甲烷菌的新陈代谢提供了氮素，从而促进CH4的排放；二是，无机氮肥的施用提高了水稻的生物量，为CH4的产生提供了足够的碳底物（Yang et al.，2010）。由图4可知，水稻产量和CH4排放通量存在显著的正相关关系（P＜0.01），说明氮肥的施用虽然提高了粮食产量，同时也促进了CH4的排放。与单施无机氮肥相比，施用有机氮肥稻田CH4排放提高了17.7%，原因是单施有机肥的处理中，施入的有机肥的有机碳含量为26.1%，这些有机碳的添加直接为CH4的产生提供基质，从而促进CH4的排放（马煜春等，2017）。本研究中，与N0和Nu处理相比，Nw处理SOC较N0和Nu处理分别增加了4.5%（P=0.231）和8.8%（P=0.053），也证实了有机碳能促进CH4排放。此外，CH4的累积排放量与土壤中 NO3--N含量呈显著正相关关系（P＜0.01），与Wang et al.（2016）的研究结果一致。但也有研究表明，NO3--N含量的增加可以抑制 CH4的排放（Chidthaisong et al.，2000）。不同的研究结果说明其他因素也能影响CH4的产生，例如氮肥类型、有机碳含量等（Ding et al.，2003）。

图4 水稻产量与CH4累积排放量的相关性Fig. 4 Correlation with grain yield and the cumulative emission of CH4

不同类型氮肥的施用，并没有显著影响土壤中Cl-的含量（表3）。通过线性相关分析发现，土壤中 Cl-的含量与 CH4的季节累积排放量之间不存在显著相关性（P=0.379），这与前人的研究结果相反。Baldwin et al.（2006）研究认为将NaCl溶液加入到湿地土壤中，能够消灭一些产CH4菌菌株，从而降低了 CH4的产生。然而，在本研究中，土壤Cl-的含量并未抑制CH4的产生，可能是因为本研究试验田长期种稻，稻田下渗水不断淋洗土壤中的盐分，使稻田盐土逐渐脱盐（姜玉华等，2007），所以土壤中Cl-的含量远低于能抑制CH4产生的含量。

3.2 不同氮肥对稻田N2O排放的影响

氮肥的施用显著提高了稻田 N2O的累积排放量（P＜0.05，表2），与 Shcherbak et al.（2014）的研究结果相同，随着氮肥用量的增加，N2O的排放呈指数增加。然而，不同类型氮肥对N2O累积排放量的影响不存在显著差异（表2）。氮肥施用后短期内会出现一个较小的N2O排放峰值，与前人的研究一致（Singh et al.，2010）。土壤中N2O的排放主要来源于硝化和反硝化过程（Yuan et al.，2017）。在水稻中期烤田之前，水稻田一直处于淹水厌氧状态，硝化过程被抑制；而且由于水稻在生长过程中会吸收大量的氮肥，可提供N2O排放所需的底物较少（Dong et al.，2018）。与许多研究一样，在中期烤田期间，N2O的排放出现一个较大的峰值（Zou et al.，2005），主要原因：一是，干湿交替所产生的土壤水分状况有利于硝化和反硝化过程中 N2O的产生（Li et al.，2018）；二是，烤田期间，土壤中NH4+-N和NO3--N含量较高，有利于N2O的排放（Wang et al.，2016）。土壤中NH4+-N和NO3--N含量与N2O排放呈显著正相关关系，与Ma et al.（2018a）研究结果一致（表 3）；三是，烤田为土壤提供大量 O2，有利于硝化和反硝化作用同时进行，促进了N2O的排放。同时，温度也是影响N2O排放的主要因素（Ma et al.，2018b），通过线性相关分析发现，土壤温度与 N2O排放呈显著正相关（表3）。但是，土壤中Cl-的含量并未显著影响N2O的排放（P=0.919），与前人的研究结果一致（Krauss et al.，2012）。相反地，Wang et al.（2016）发现稻田中N2O的排放随着土壤盐度的增加而减少。土壤盐度的改变主要是通过直接影响硝化和反硝化细菌的活性，从而影响N2O的排放（Inubushi et al.，1999）。

3.3 不同氮肥对稻田GWP和GHGI的影响

本研究中，GWP（7.2～12.3 t·hm-2）远高于 Wang et al.（2013）在具有相似的水分和肥料管理的稻田中的研究结果（2.1～4.5 t·hm-2），主要是本研究中考虑了来自于Eo和Ei所引起的碳排放。综合考虑水稻生长期间能引起温室气体排放的来源（包括Eo和Ei），计算结果表明，与N0相比，施用氮肥显著增加了GWP。氮肥的施入引起了很大一部分CH4排放量。因此，在保证滨海盐土水稻产量的同时，应进一步寻找减少盐土稻田CH4排放的方法，例如施用硝化抑制剂或有聚合物涂层的缓效控释肥（Li et al.，2018），并采用合理的水分管理制度等（Zou et al.，2005）。

GHGI阐释了GWP与水稻产量之间的关系。本试验中，3种氮肥处理均提高了水稻产量，其中，Nm处理水稻产量最高。氮素作为一种植物生长的限制养分，可以提高大多数农作物产量。在整个水稻生长期间，施用有机-无机混合氮肥同时满足了土壤供肥与水稻各时期的需氮量，有机肥能改善土壤理化性质、提供养分，而无机肥能提供速效氮，从而促进水稻生长，提高水稻产量（王兴龙等，2017），并且降低了GHGI（表2）。

4 结论

对稻田CH4和N2O排放通量的观测发现，与N0处理相比，Nu、Nm和Nw处理显著提高了CH4和N2O的累积排放通量及GWP，但是3种不同类型氮肥之间并无显著差异；与N0处理相比，Nu、Nm和Nw处理都显著提高了水稻产量，其中Nm处理水稻产量显著高于Nu和Nw处理；3种不同类型的氮肥处理均未显著提高 GHGI。综合比较 3种不同氮肥处理后的 GWP和 GHGI，推荐在滨海盐土稻田中采用Nm（有机-无机氮肥混施）施肥方案，该方案在提高稻田粮食产量的同时，又降低其温室气体排放强度。