有机肥等氮替代化肥对稻田CH4和N2O排放的影响

苗茜，黄琼，朱小莉，马静，张广斌，徐华*

1.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；2.中国科学院大学，北京 100049

全球气候变暖已经成为不容争辩的事实。作为大气中仅次于CO2的两种最重要的温室气体，CH4和N2O分别贡献了17%和6%的长寿命温室气体辐射强迫（WMO，2019）。2018年，CH4和N2O在大气中的浓度已分别达到 1869 nL·L-1和 331 nL·L-1，分别是工业化前（1750年之前）水平的259%和123%（WMO，2019）。水稻（Oryza sativa）是世界主要粮食作物之一，稻田是CH4和N2O的重要排放源。全球稻田的 CH4总排放量约为 35—56 Tg·a-1（王明星等，1998），水稻生长期的若干次干湿循环也导致较高的 N2O排放（邢光熹等，2000）。

作为粮食的“粮食”，化肥在粮食增产中的贡献率达50%左右（吴永常等，2002）。FAO的统计资料显示（FAO，2017）：1980—2014年，中国粮食总产量增加了90%，氮肥的投入量提高了1.8倍：2014年，占世界耕地面积仅7%的中国，化肥施用量达5996×104t，占世界化肥使用量的1/3（张灿强等，2016）。中国主要粮食作物的氮肥利用率平均为34%，远低于世界平均水平（于飞等，2015）。施肥过量是中国氮肥利用率低的最主要原因（张福锁等，2008）。氮肥利用率低和大量的氮素损失带来了水体硝酸盐超标和富营养化、大气氮沉降量升高、N2O排放增加等一系列环境问题（蔡祖聪等，2014）。2015年初，中国农业农村部制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，提出力争到2020年主要农作物化肥使用量实现零增长，化肥利用率达到40%以上，实现这一目标的技术路径之一就是有机肥替代化肥。

有机肥中含有农作物生长所需的多种营养元素和微量元素（宁川川等，2016），长期施用有机肥是维持和提高土壤肥力的关键（龚伟等，2011）。关于有机肥对稻田温室气体排放和水稻产量的影响，目前已有大量研究报道，这些研究侧重于作物秸秆（冯晓赟等，2016；马义虎等，2013；霍莲杰等，2013；邹建文等，2003）、厩肥（李波等，2013；邹建文等，2003）、沼液沼渣（杨丹等，2018；马义虎等，2013；李波等，2013）、鲜畜禽粪便（杨丹等，2018；李波等，2013）、风干腐熟畜禽粪便（吴家梅等，2018；霍莲杰等，2013）等。随着城市化进程加快，城市污泥、畜禽粪便等固体有机废物大量产生。将这些固体有机废物进行堆肥处理，使之资源化、无害化，长久以来在国内外被广泛地研究和应用（李国学等，2001）。施用经好氧发酵制成的污泥堆肥和畜禽粪便堆肥对稻田温室气体排放和水稻产量影响的报道较少。

本文通过田间原位试验，观测了经好氧发酵的城市污泥堆肥和猪粪堆肥分别以不同比例与化肥配施后稻田的CH4和N2O排放、水稻产量构成，旨在探明有机肥替代化肥的较适宜比例，为稻田温室气体减排及减肥增效提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

大田试验于2018年6—11月在浙江省宁波市樟溪小流域（29°47′32″N，121°21′47″E）开展，该地区属于亚热带季风气候，海拔12 m，年平均气温16.4 ℃左右，多年平均降水量为 1480 mm，轮作制度为冬小麦-水稻轮作。供试土壤为青紫泥，有机碳含量为 21.6 g·kg-1，全氮含量为 2.31 g·kg-1，土壤pH为6.17。

试验共设置6个处理，每个处理4次重复，随机区组设计。除对照处理外，其他各处理施入的总纯氮量相等，为240 kg·hm-2（以N计），且按基肥∶分蘖肥∶穗肥=2∶1∶1 施用。有机肥均作为基肥一次性施用。具体处理和氮肥施用量如表1所示。所有处理施用等量的磷肥和钾肥，其中磷肥作为基肥一次性施用，施用量为过磷酸钙 Ca(H2PO4)2600 kg·hm-2，钾肥作为基肥和穗肥以1∶1比例施用，施用总量为氯化钾KCl 400 kg·hm-2。小区面积为42 m2（6 m×7 m），小区间用水泥挡板（地下埋深1 m，高出地面0.2 m，宽0.25 m）隔离。

表1 各处理肥料施用情况Table 1 Fertilizer application rates of different treatments kg·hm-2 (by N)

供试城市污泥堆肥由江苏弘扬土壤科技有限公司提供，以城市污泥为原料，先加入微生物菌剂后厌氧发酵，再混以草木灰、秸秆等好氧发酵而成，其C、N含量分别为6.99%、0.48%，pH=7.39；供试猪粪堆肥由宁波环瀛农业科技有限公司提供，以新鲜猪粪混以木屑或粗糠后加入微生物菌剂，经好氧发酵而成，其C、N含量分别为21.2%、2.12%，pH=8.00。

供试水稻品种为杂交稻甬优12，6月16日移栽，11月2日收获，全生育期139 d。基肥、分蘖肥、穗肥施用时间分别为6月14日、7月2日、8月4日。田间水分管理和病虫害防治同当地常规一致。

1.2 田间样品采集与测定

CH4和N2O样品采集：用密闭静态暗箱法，箱高0.6 m或1.2 m，覆盖面积为0.25 m2（0.5 m×0.5 m）。静态箱底座规格为0.5 m×0.5 m×0.15 m，底座上部有4 cm深的凹槽。底座于小区淹水前埋入各试验小区，底座顶端与小区土壤表面齐平，底座内水稻移栽密度与底座外保持一致。采样时，将静态箱置于底座凹槽内，同时向槽内注水，以保证采样时箱体的密封性，用两通针将静态箱内气体导入预先抽真空的18 mL玻璃瓶中，各采样点每隔15 min采样1次，共采集4次。采集的样品带回实验室迅速测定。水稻生育前期（9月份前）4 d采一次样，后期（9月后）7 d采一次样，采样时间为上午9:00—11:00。采集气体样品的同时，用数字温度计记录气温、箱温以及5 cm深度土温。水稻成熟后，分别按小区收割、脱粒、晾晒后计算水稻产量。

样品 CH4和 N2O浓度用安捷伦气相色谱（Agilent 7890B）测定。其中CH4浓度用氢火焰离子化检测器（FID）测定，N2O浓度用63Ni电子捕获检测器（ECD）测定。CH4和N2O混合标准气体由中国计量科学研究院提供。

测产和考种：在水稻成熟期收获前每小区采用五点法取 50穴水稻，调查其有效穗数，各小区按平均穗数取长势均匀的 10穴代表性植株测定每穗实粒数、结实率和千粒质量，在水稻收获期测定各小区产量。

1.3 数据处理

CH4和N2O排放通量的计算公式（蔡祖聪等，2009）为：

式中，F为 CH4或 N2O排放通量，单位为mg·m-2·h-1（CH4）和 μg·m-2·h-1（N2O-N）；ρ为标准状态下CH4或N2O-N密度，其值为0.714 kg·m-3（CH4）和1.25 kg·m-3（N2O-N）；V是采样箱内有效体积，单位为m3；A是采样箱所覆盖的土壤面积，单位为m2；dc/dt为单位时间内采样箱内CH4或N2O浓度的变化，单位为 μL·L-1·h-1（CH4）和 nL·L-1·h-1（N2O）；T为采样箱内温度，单位为K。

CH4和N2O排放通量均使用每次观测的4个重复的平均值表示。CH4和 N2O的季节排放总量是将每次的观测值按时间间隔加权平均后再平均，处理间比较用 4个重复的平均值进行方差分析和多重比较。

根据单位质量的CH4和N2O在100年时间尺度上的全球增温潜势（GWP）分别是CO2的34倍和298倍（Myhre et al.，2013），计算出不同处理排放CH4和N2O产生的综合温室效应，公式如下：

式中，GWP单位为t·hm-2（以CO2-eq计），TCH4和TN2O为CH4和N2O的季节排放总量（t·hm-2）。

温室气体排放强度（GHGI）是农业生产中综合评价温室效应的指标（Herzog et al.，2006），计算公式如下：

式中，GWP为 CH4和 N2O的综合温室效应（t·hm-2，以 CO2-eq 计），Y为水稻产量（t·hm-2）。

1.4 数据分析

数据处理采用Microsoft Excel 2010完成，方差分析和显著性比较用SPSS 20.0完成，图形绘制采用Origin 9.0完成。

2 结果

2.1 气温和降雨量

水稻生长季气温和降雨量的季节变化如图1所示。水稻生长季降雨较多，总降雨量为835 mm，日平均气温在13.9—30.5 ℃范围内变化，其中最高气温出现在水稻移栽后第 12天，最低气温出现在水稻收获前。

2.2 稻田CH4和N2O排放的季节变化

图2为稻田CH4和N2O排放通量的季节变化曲线。从图中可以看出，在水稻生育期内，不同处理的CH4季节排放规律基本一致。水稻移栽初期，各处理的CH4排放通量缓慢上升。各施肥处理的CH4排放高峰均出现在水稻移栽后第 28天，分别为23.01（U）、31.11（25% S）、29.69（25% P）、35.49（50% S）、38.75（50% P）mg·m-2·h-1，其中以50% P处理的峰值为最高。烤田期间，田面落干，各处理的 CH4排放通量迅速降低至 4.79—14.69 mg·m-2·h-1， 复 水 后 重 新 上 升 至 15.09 — 23.43 mg·m-2·h-1，水稻生长最后两个月内维持较低水平直至水稻收割。

图1 水稻生长季气温和降雨量的季节变化Fig.1 Seasonal variations in the daily temperature and precipitation during the rice growing period

图2 稻田CH4和N2O排放通量的季节变化Fig.2 Seasonal variation of CH4 and N2O flux in rice paddy field

由图2可知，水稻生育期内不同施肥处理之间N2O季节排放规律大致相同，水稻移栽初期，各处理的 N2O 排放通量很小，仅在 0—14.04 μg·m-2·h-1（N2O-N）范围内变化。穗肥施用后N2O排放通量达到最高峰，U、25% S、25% P、50% S、50% P、CK处理的峰值分别为 46.9、12.8、19.7、9.4、10.8、4.1 μg·m-2·h-1（N2O-N），其中以 U 处理的峰值为最高。水稻生长最后2个月，N2O排放通量稳定在0—12.85 μg·m-2·h-1（N2O-N）范围直至水稻收割。

2.3 稻田CH4和N2O排放总量、水稻产量、全球增温潜势和温室气体排放强度

如表2所示，水稻全生育期内，各处理CH4排放总量在245—370 kg·hm-2范围内变化。有机肥替代处理的CH4排放总量高于U处理，且随有机肥替代比例的增加而增加。其中，50% S处理和50% P处理的CH4季节排放总量分别为329 kg·hm-2和370 kg·hm-2，较 U 处理分别增加了 34.3%和 51.0%（P＜0.05）。相同替代比例条件下，猪粪堆肥处理和城市污泥堆肥处理的CH4季节排放总量无显著性差异（P＞0.05）。

表2 稻田CH4和N2O的排放总量、产量、综合温室效应及温室气体排放强度Table 2 Total CH4 and N2O emissions, rice grain yield, GWP and GHGI in rice paddy field

如表2所示，与CK处理相比，化学氮肥的施用（U处理）显著增加水稻N2O排放（P＜0.05）。水稻全生育期，各处理N2O排放总量的变化范围是0.07—0.14 kg·hm-2（N2O-N），其中U处理的N2O排放量最大。与U处理相比，25% S、25% P、50%S、50% P处理的N2O排放总量分别降低了35.7%（P＜0.05）、28.6%（P＞0.05）、42.9%（P＜0.05）和50.0%（P＜0.05）。不同有机肥处理间N2O排放量无明显差异（P＞0.05）；相同替代比例条件下，猪粪堆肥和城市污泥堆肥降低 N2O排放量的效果相当（P＞0.05）。

在水稻生长季（表2），与U处理相比，50% P处理的全球增温潜势和温室气体排放强度分别显著增加了50.2%和49.8%（P＜0.05）。25% S，25%P和50% S处理的GWP较U处理增加了16.9%，25.6%和33.4%（P＞0.05），GHGI较U处理分别增加了12.2%，24.4%和29.3%（P＞0.05）。除50% P处理外，其余各有机肥处理之间的GHGI差异不显著（P＞0.05）。

2.4 环境因素对稻田CH4和N2O排放的影响

图3 稻田土壤Eh和土壤温度的季节变化Fig.3 Seasonal variation of Eh and soil temperature in rice paddy field

图3是稻田土壤Eh和5 cm深度土壤温度的变化趋势。如图3所示，在水稻生育期内，各处理的土壤 Eh变化规律基本一致，由于前期稻田淹水及降雨较多，稻田土壤Eh基本稳定在-200 mV左右；水稻移栽87 d后田面落干，Eh迅速上升为正值并一直持续到水稻收割；整个生长季，U处理的平均Eh值为-71 mV，25% S、25% P、50% S、50% P处理的平均Eh值较U处理分别降低了26、27、40、37 mV。5 cm深度的土壤温度与水稻生长季的气温（图1）呈现相似的季节变化趋势，水稻生育期内，稻田土壤温度整体表现为先上升后下降，在14.7—31.3 ℃之间波动，平均土壤温度为26.7 ℃。

相关性分析表明（表3），各处理的CH4排放通量与土壤 Eh呈极显著负相关（P＜0.01）；各处理的CH4排放通量与5 cm的土壤温度呈极显著正相关（P＜0.01）。各施肥处理的N2O排放通量与土壤Eh和土壤温度均无显著相关性（P＞0.05）。

2.5 水稻产量构成

由表2可以看出，与CK处理相比，施肥显著增加水稻产量14.3%—18.6%（P＜0.05），各有机肥替代处理的水稻产量比U处理高0.2%—3.9%，但无显著性差异（P＞0.05）。水稻考种结果显示（表4），施肥显著增加水稻有效穗数和千粒质量 21.8%—26.7%和 2.0%—2.3%（P＜0.05）；各有机肥替代处理的有效穗数和穗实粒数比U处理高0.8%—4.1%和0.6%—1.4%，但无显著性差异（P＞0.05）。

3 讨论

淹水土壤中CH4的产生是产甲烷菌在严格厌氧条件下作用于产甲烷基质的结果（Conrad，2007）。国内外已有大量文献证明施用有机肥促进稻田CH4排放。本研究中，与常规单施化肥相比，有机肥部分替代化肥均不同程度增加稻田CH4排放（表2），其原因可能是：有机肥中含有丰富的有机质（碳含量分别为6.99%和21.2%），其施用为土壤产甲烷菌提供了丰富的产甲烷基质；有机质的分解消耗了土壤中的氧气，降低了土壤的氧化还原电位（图3），从而促进稻田CH4排放（刘红江等，2016；侯晓莉等，2012；Schütz et al.，1989）。同一类有机肥以50%比例替代较以25%比例替代增加了更多的CH4排放量（表 2），其原因可能是：50%有机肥替代处理较25%替代处理输入了更多的外源有机碳，一方面提供的产甲烷基质更多；另一方面有机碳分解消耗了土壤中更多的氧气，土壤氧化还原电位更低（图3）。在相同替代比例条件下，猪粪堆肥较城市污泥堆肥增加了更多的CH4排放量；其原因可能是猪粪堆肥中的C/N低于城市污泥堆肥，使得其中的有机物更易被微生物分解，为产甲烷菌提供更多的产甲烷基质，从而促使更多的CH4产生（吴家梅等，2011）。

表3 CH4、N2O排放通量与土壤氧化还原电位、土壤温度的相关性系数Table 3 Correlation coefficients between CH4, N2O flux and soil Eh, soil temperature

表4 水稻产量构成Table 4 Components of rice grain yield

土壤中N2O主要由微生物主导的硝化和反硝化过程产生（Smith，1997）。无机氮肥的施用为硝化和反硝化作用提供了反应底物，从而显著促进土壤 N2O排放（侯爱新等，1998）。而有机肥施入稻田后对土壤 N2O排放的影响因有机肥种类及施用量的不同可能存在较大差异。本研究表明，等氮条件下，不同有机肥替代处理的N2O季节排放总量均随有机肥替代比例的增加而减小（表2），说明减少化学氮肥的投入量，以有机肥替代可以显著减少稻田N2O排放，这与前人的研究结果基本一致（刘红江等，2016；王聪等，2014）。有机肥部分替代化肥后，由于有机肥养分释放速度较慢，导致土壤中总的速效氮含量降低，可供硝化和反硝化作用的反应底物减少，从而减少N2O的产生和排放（Azam et al.，2002）。在相同替代比例条件下，猪粪堆肥与城市污泥堆肥降低稻田N2O季节排放总量的效果无明显差异（表2），原因可能是：相同替代比例条件下，无机氮肥的施用量是相同的，对 N2O排放有决定性影响，掩盖了不同种类有机肥中因有机质等组分的可分解性差异造成的N2O排放量的区别。

相较于单施化肥，有机肥与化肥配施能够使作物产量不降低或增加（温延臣等，2018；徐强等，2017；谢军等，2016；赵军等，2016）。本研究进一步证实，与常规单施化肥相比，有机肥等氮替代化学氮肥可以增加水稻有效穗数和穗实粒数（表4），进而增加水稻产量（表2）。大量研究表明，CH4产生的GWP可占稻田总GWP的80%以上（吴家梅等，2018；刘红江等，2016）。本研究中，有机肥替代化肥处理虽然降低了N2O排放，但却增加了CH4排放，进而增加了稻田GWP和GHGI（表2）。相同替代比例条件下，施用猪粪堆肥的水稻产量略低于施用城市污泥堆肥处理，而前者的 GWP和GHGI更高（表 2）。理想的施肥制度是在获得较高产量的同时减少环境的负面影响，有机肥替代在稻田温室气体减排方面可能并无优势，但可以减少化学氮肥投入，在一定程度上提高氮肥利用效率（向秀媛等，2014；李先等，2010），且在培肥地力和提高水稻产量方面高于单施化肥处理（吴家梅等，2018；黄晶等，2013）。从本研究结果来看，等氮条件下，有机肥替代化肥由于促进稻田CH4排放而导致综合温室效应增加。但综合考虑有机肥施用于稻田后提升土壤肥力、增加作物产量等方面的作用，可以适当控制有机肥的施用比例，达到既增产又不过多增加稻田温室气体排放的目的。本研究中，25%城市污泥堆肥替代化肥与单施化肥相比，在不显著增加稻田温室气体排放的基础上，水稻产量有增加趋势，因此可作为推荐施肥措施，而其施用于稻田后对土壤和作物中重金属含量的影响有待于进一步研究。

4 结论

（1）有机肥等氮替代化肥不改变稻田 CH4和N2O的季节变化规律。随有机肥替代比例的增加，稻田CH4排放量及综合温室效应增加而 N2O排放量降低。

（2）相较于单施化肥，城市污泥堆肥和猪粪堆肥替代化肥施用分别增加了2.7%—3.8%和0.2%—1.5%的水稻产量。

（3）等氮替代条件下，相对于猪粪堆肥，稻田中施用 25%城市污泥堆肥替代化学氮肥在不显著增加温室气体排放基础上使水稻产量有增加趋势，是一种值得推荐的施肥模式。

致谢：

感谢科罗拉多州立大学自然资源与生态实验室（Natural Resource and Ecology Laboratory，Colorado State University）张耀博士修改英文摘要！