耕作方式对双季稻田土壤剖面CH4和N2O分布特征的影响

杨通 吴俊男 鲍婷 李凤博 冯金飞 周锡跃 方福平

（中国水稻研究所，杭州 311401；*通信联系人，E-mail: fangfuping@caas.cn）

近年来，由温室气体引起的全球变暖正逐渐加剧，极端气候现象频发，人类生产环境和安全遭受重大考验[1-2]。农业生产活动产生的温室气体排放问题引起人们的广泛关注。水稻是我国重要的粮食作物，占全国三大主粮总产的 34.7%[3]。然而，稻田也是主要的农业温室气体排放源之一。我国稻田CH4和 N2O排放量分别占全国农业源总排放量的37.7%和2.05%[4,5]。稻田排放的CH4和N2O主要来源于土壤。其中，CH4主要由产甲烷菌在厌氧条件下通过 CO2还原和乙酸发酵两种途径产生[6]；而N2O主要由土壤中微生物的硝化作用和反硝化作用产生[7]。土壤耕作、施肥、灌溉等农艺措施是影响水稻田土壤CH4和N2O产生和排放过程的重要因素[8,9]。探明农艺措施对稻田土壤CH4和N2O产生和排放过程的影响，可为稻田温室气体减排和农艺措施革新提供理论依据。

土壤剖面中CH4和 N2O的分布特征会直接影响其地-气交换过程[10]。探明土壤剖面 CH4和 N2O分布时空变异特征，有利于进一步揭示稻田土壤CH4和N2O产生的热点区域和地下扩散过程。以往研究表明，施肥、生物碳添加、大气CO2浓度升高等生产措施或气候条件对稻麦、稻油轮作稻田土壤CH4和N2O的剖面分布特征、扩散通量等具有显著影响[11-14]。土壤耕作是农业生产中的重要整地措施，其作用主要通过物理外力来打破土壤结构，调节土壤三相比例以及作物秸秆、无机肥料等在土壤中的分布。不同耕作方式会显著影响土壤结构和土壤剖面中碳、氮分布，进而影响土壤中CH4和N2O的产生和排放过程。近 20年来，国内外学者对不同耕作方式下稻田 CH4和 N2O排放特征开展了大量的田间测量工作[15-20]，但耕作方式究竟会对稻田土壤剖面CH4和N2O分布产生怎样的影响，目前尚不清楚。

双季稻是我国南方重要的稻作模式，2018年全国双季稻面积占水稻总播种面积的33.3%，产量占总产的 28.3%[3]。然而，双季稻田的单位面积温室气体排放量也显著高于其他稻作模式。研究双季稻田土壤剖面中温室气体时空变化规律及其影响因素，对我国稻田温室气体减排具有重要意义。以往对稻田土壤剖面CH4和 N2O分布特征的研究主要集中在水旱轮作稻田，而对双季稻稻田研究较少。为此，本研究以双季稻模式为对象，通过小区实验，研究了不同耕作与培肥处理对双季稻田CH4和N2O的土壤剖面分布和排放特征的影响，以期探明双季稻田土壤剖面CH4和N2O时空变化规律及其关键影响因素，为其减排提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点位于浙江省杭州市富阳区中国水稻研究所试验基地(30°05′N, 119°55′E)。该地区属亚热带季风气候，年平均降水量1454 mm，气温17.8℃，是我国南方典型双季稻种植区。试验小区土壤pH值为5.82，土壤养分含量分别为：有机碳17.85 g/kg，全氮1.787 g/kg，全磷0.427 g/kg和全钾15.76 g/kg。

采用裂区试验设计，以耕作方式[旋耕(rotary tillage，RT)和免耕(no tillage, NT)]为主区，培肥处理[不施肥(CK)，常规化肥(F)和常规化肥+秸秆还田(FS)]为副区，共有旋耕不施肥(RT-CK)、旋耕+常规化肥(RT-F)、旋耕+秸秆还田(RT-FS)、免耕不施肥(NT-CK)、免耕+常规化肥(NT-F)和免耕+秸秆还田(NT-FS) 6个处理。每个处理3个重复，共计18个小区。每个小区面积为28 m2（4 m×7 m）。每个小区之间用黑色塑料薄膜覆盖田埂（30 cm高和30cm宽）以防水分和养分侧渗。对常规耕作处理，用小型旋耕机于水稻移栽前在每个小区进行旋耕，深度为10 cm左右。对秸秆还田处理，将每个小区的水稻地上植株全部收集起来，脱粒后用切草机切割成5 cm左右的碎段，进行全量还田；而非秸秆还田处理的小区水稻地上部分全部移出。早稻季秸秆还田于前一年（2017年）晚稻收获后进行还田，还田量为5.17 t/hm2；晚稻季秸秆还田于2018年早稻收获后进行还田，还田量为5.82 t/hm2。

早、晚稻分别于5月2日和8月2日移栽，7月25和11月1日收割，插秧密度分别为15 cm×25 cm和20 cm×30 cm。N、P、K肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾，早稻折合N、P2O5、K2O施用量为120、65和90 kg/hm2，其中P肥和K肥作基肥施用，N 肥分基肥(50%)、分蘖肥(25%)和穗肥(25%)三次施用。旋耕处理下，基肥经旋耕混匀在耕层中，蘖肥和穗肥采用抛洒表施方式；免耕条件下，均采用抛洒表施方式。晚稻折合N、P2O5、K2O施用量分别为150、75和112.5 kg/hm2，施肥方式同早稻。其余操作管理依据当地传统种植方式进行。

1.2 样品采集与测定

采用静态箱法连续监测稻田 CH4和N2O的排放通量。箱体材质为不锈钢，尺寸为50 cm×50 cm×50 cm，外覆保温、反光材料，避免外界温度和太阳光的干扰。水稻移栽后，立即在小区内固定不锈钢底座，保持不动直至下一次水稻移栽。为了避免对土壤的干扰，铺设可移动栈桥来收集样本。此外，从抽穗期到收获期，水稻植株较高，为避免损伤水稻植株，对静态箱进行加高。水稻生长期气体样品采集间隔为一周左右，施肥后增加取样次数，采样间隔为 2～3 d，一周后恢复正常采样。取样时间为早上8:00至10:00，每次采样时间为30 min，固定好静态箱后，分别在0、10、20、30 min用60 mL注射器收集4个样本。在实验室使用气相色谱仪(GC 2010，岛津)对气体样品进行分析。田间CH4和N2O的排放通量(F)计算公式如下:

其中，F代表CH4排放通量[mg/(m2·h)]或N2O排放通量[μg/(m2·h)]，ρ代表 CH4密度（0.714 kg/m3）或N2O密度（1.964 kg/m3），V和A分别代表静态箱的体积（m3）和面积（m2），dc/dt代表 CH4或N2O在单位时间内的浓度变化[μL/(L·h)]，T代表静态箱内的空气温度(℃)。

在水稻移栽后，为采集0-5 cm、5-10 cm、10-15 cm和15-20 cm土层土壤溶液，在土深2.5 cm、7.5 cm、12.5 cm和17.5 cm处垂直土壤剖面插入直径0.5 cm、长度5 cm的陶瓷土壤溶液采集器。分别在早、晚稻的返青期、分蘖期、抽穗期和灌浆期用20mL注射器采集田面水和各土层土壤溶液10 mL贮存于20 mL真空瓶中，带回实验室采用顶空-平衡法测量土壤溶液中 CH4和N2O浓度。土壤溶液中CH4和N2O浓度计算公式如下[21]：

在公式2）中，Cgreenhousegas代表土壤溶液中CH4浓度（μmol/L）或N2O浓度（nmol/L），m代表真空瓶顶空内的气体浓度（μL/L），Gv和GL分别代表真空瓶中气体和液体的体积，MV代表常温常压下CH4和N2O摩尔体积（CH4为24.78 L/mol，N2O为24.60 L/mol）。

1.3 数据分析

采用SPSS 19.0软件进行Pearson相关性和双因素方差分析；采用Origin 9.0软件进行制图。

图1 早稻季各处理不同生育期土壤剖面CH4浓度Fig. 1. CH4 concentration in soil profile at different growth stages in the early rice growing season.

2 结果与分析

2.1 田面水和土壤剖面CH4浓度

早稻季不同生育期土壤剖面CH4浓度如图1所示。在苗期，各处理田面水CH4浓度均低于表层0－5 cm土壤中CH4浓度，但与10－15 cm和15－20 cm土层中CH4浓度相近。土壤剖面中CH4浓度整体上呈现随深度增加而下降的趋势。与免耕相比，旋耕对田面水中CH4浓度没有显著影响，但是显著增加了土壤剖面中CH4浓度，尤其是在CK和施肥+秸秆还田（FS）处理。在化肥处理下，旋耕仅显著增加了0－5 cm土层CH4浓度。在分蘖期，从田面水到土壤剖面CH4浓度的纵向变化趋势与苗期基本一致。与免耕相比，旋耕显著增加了0-5 cm和5－10 cm土层中CH4浓度。在抽穗期，田面水CH4浓度（0.29 μmol/L）和土壤剖面CH4浓度（2.82 μmol/L）均低于分蘖期（田面水，0.88 μmol/L；土壤，10.49 μmol/L）和苗期（田面水，2.05 μmol/L；土壤，17.66 μmol/L）。旋耕-CK和旋耕-F处理CH4浓度纵向分布呈不断增加趋势。与免耕相比，旋耕在CK和FS处理下具有较强的效应，显著增加了0－5 cm、5－10 cm、10－15 cm和15－20 cm土层CH4浓度；在化肥处理下，仅增加了10－15 cm和15－20 cm土层中CH4浓度。在灌浆期，除了免耕-化肥和旋耕-化肥处理外，其他处理田面水和土壤剖面中CH4浓度均有回升，其均值分别达到3.56 μmol/L和9.33 μmol/L。CH4纵向分布与苗期和分蘖期相近。

在晚稻季（图 2），各处理田面水和土壤剖面中CH4浓度均高于早稻季。晚稻季四个时期田面水和土壤剖面中CH4浓度的纵向分布较为一致，田面水中CH4浓度整体低于土壤剖面中CH4浓度，土壤中 CH4浓度整体表现出随深度增加而降低的趋势。旋耕和免耕对土壤CH4浓度的影响主要表现在耕作层0－10 cm。在苗期和分蘖期，三种肥料处理下，与免耕相比，旋耕均显著增加了0－5 cm和5－10 cm土层中CH4浓度。在抽穗期和灌浆期，在化肥处理下，旋耕和免耕土壤剖面中CH4浓度没有显著差异。

图2 晚稻季各处理不同生育期土壤剖面CH4含量Fig. 2. CH4 concentration in soil profile at different growth stages in the late rice growing season.

多因素方差分析结果显示（表 1），早稻季耕作措施对田面水中CH4浓度没有显著效应。但是培肥处理对田面水中 CH4浓度具有显著效应。FS处理早稻季田面水CH4浓度（3.51 μmol/L）显著高于CK（0.72 μmol/L）和化肥（0.85 μmol/L）处理。耕作和培肥处理对土壤剖面中CH4浓度具有显著效应，但是对0-5 cm土层没有互作效应。同时，不同生育期田面水和0－5 cm、5－10 cm土层CH4浓度具有显著差异，均表现为苗期和分蘖期高于抽穗期和灌浆期。早稻季，耕作和培肥处理均与生育期存在互作效应。晚稻季耕作和培肥处理的效应与早稻季存在差异，耕作和培肥处理对田面水CH4浓度存在互作效应。在CK处理下，旋耕田面水CH4浓度（9.42 μmol/L）显著高于免耕（3.39 μmol/L）；在化肥处理下，旋耕（3.82 μmol/L）和免耕（3.83 μmol/L）田面水CH4浓度相近；在FS处理下，旋耕田面水CH4浓度（15.27 μmol/L）显著高于免耕（8.09 μmol/L）。而生育期对土壤 CH4浓度无显著效应，对田面水CH4浓度具有显著效应。在晚稻季，仅培肥处理与生育期存在互作效应。CK和化肥处理下田面水 CH4浓度在各生育期间变化较小。FS处理下表现为苗期（20.46 μmol/L）和分蘖期（11.95 μmol/L）显著高于抽穗期（5.71 μmol/L）和灌浆期（8.58 μmol/L）。

表1 早晚稻季田面水和土壤剖面CH4浓度的耕作方式（T）、培肥措施（F）和生育期（S）多因素方差分析Table 1. Multivariate analysis of variance for tillage (T), fertilization (F) and growth stage (S) on CH4 concentration in the surface water and soil profile in the early and late rice growing seasons.

图3 早稻季各处理不同生育期土壤剖面N2O含量Fig. 3. N2O concentration in soil profile at different growth stages in the early rice growing season.

2.2 田面水和土壤剖面N2O浓度

如图3所示，早稻季N2O纵向分布与CH4存在较大差异。整体上，田面水中N2O浓度要高于土壤剖面中N2O浓度。土壤剖面中N2O浓度没有表现出明显的随土壤深度变化而增加的趋势。在苗期，各处理田面水N2O浓度均值为21.50 nmol/L，而土壤剖面中N2O浓度均值仅为7.55 nmol/L。不同耕作方式下田面水和土壤剖面中 N2O浓度无显著差异。在分蘖期，与免耕相比，旋耕在CK处理下显著降低了田面水和土壤剖面中N2O浓度。在抽穗期和灌浆期，田面水和土壤剖面中N2O浓度与苗期和分蘖期相近。旋耕对田面水中N2O没有显著影响，但是在CK处理下显著降低了土壤剖面中N2O浓度。

在晚稻季（图4），苗期田面水中N2O浓度与土壤剖面中N2O浓度无显著差异。土壤剖面中不同深度土层N2O浓度没有明显的变化趋势。免耕和旋耕处理田面水和土壤剖面 N2O浓度均没有显著差异。在分蘖期，在不施肥CK处理下，旋耕处理田面水和5－10 cm土层N2O浓度显著低于免耕。在FS处理下，旋耕显著增加了0－5 cm土层N2O浓度。而在化肥处理下，免耕和旋耕土壤剖面N2O浓度没有显著差异。在抽穗期，在CK处理下，旋耕显著降低了0－5 cm和5－10 cm土层N2O浓度；在化肥处理下，旋耕显著降低了田面水、0-5 cm、10－15 cm和15－20 cm土层N2O浓度；在FS处理下，旋耕显著降低了5－10 cm和10－15 cm土层N2O浓度。在灌浆期，在CK处理下，旋耕降低了0－5 cm土层中N2O浓度。而在化肥和FS处理下，旋耕则增加了部分土层中N2O浓度。

对N2O的方差分析结果显示（表2），在早稻季，耕作和施肥处理对田面水N2O浓度无显著效应，而生育期之间存在显著差异，表现为苗期（21.50 nmol/L）和分蘖期（15.63 nmol/L）显著高于抽穗期（11.32 nmol/L）和灌浆期（10.31 nmol/L）。对于土壤N2O浓度，耕作措施仅对10－15 cm和15－20 cm土层N2O浓度存在显著效应，培肥处理仅对5-10 cm和10－15 cm土层N2O浓度存在显著效应，0－5 cm、5－10 cm和15－20 cm土层N2O浓度在不同生育期存在显著差异。在晚稻季，耕作、培肥和生育期对田面水N2O的效应与早稻相近。但不同生育期N2O浓度表现为灌浆期（12.97 nmol/L）和抽穗期（10.71 nmol/L）高于苗期（9.15 nmol/L）和分蘖期（8.24 nmol/L）。对于晚稻季土壤N2O浓度，耕作措施没有显著效应。培肥处理对 0－5 cm和5－10 cm土层N2O浓度存在显著效应。耕作和培肥处理仅对0－5 cm土层N2O存在互作效应。生育期对10－15 cm和15－20 cm土层土壤N2O浓度具有显著效应。

图4 晚稻季各处理不同生育期土壤剖面N2O含量Fig. 4. N2O concentration in soil profile at different growth stages in the late rice growing season.

2.3 CH4和N2O净排放通量

双季稻生育期内各处理的CH4排放通量变化趋势一致，呈明显的季节性变化；早稻生长季排放通量较低，晚稻生长季排放量较高（图5-A）。在早稻季，CH4排放通量在移栽后逐渐增加，在分蘖末期（5月27日）达到排放峰值，其后，随着晒田的影响，CH4排放通量逐渐降低。复水后，旋耕-FS处理出现排放峰值，此后逐渐下降。在晚稻生长季，CH4排放趋势与早稻相近，各处理在插秧后的 2～3周内迅速达到峰值，其排放峰要显著高于早稻，此后CH4排放通量逐渐降低。

表2 早晚稻季田面水和土壤剖面N2O浓度的耕作方式（T）、培肥措施（F）和生育期（S）多因素方差分析Table 2. Multivariate analysis for tillage practice (T), fertilization method (F) and growth stage (S) on N2O concentration in the surface water and soil profile in the early and late rice growing seasons.

图5 双季稻田CH4和N2O排放通量季节变化特征Fig. 5. Seasonal changes of CH4 and N2O fluxes from the double-cropping rice field.

早晚稻季 N2O排放通量受田间淹水情况影响（图 5-B）。在淹水期，无论早稻还是晚稻，各处理的N2O排放通量均保持在较低水平。早稻变化范围为-4.19 μg/(m2·h)至 31.46 μg/(m2·h)；晚稻变化范围为-5.52 μg/(m2·h)至 39.67 μg/(m2·h)。而在早晚稻排水期，N2O排放出现显著的峰值，最高达到1308.36 μg/(m2·h)。

表3 双季稻CH4和N2O净排放通量与田面水和土壤剖面浓度的相关性Table 3. Correlation between the net flux rates of CH4 and N2O and the concentrations of CH4 and N2O in the surface water and soil profile of early and late rice.

早晚稻季CH4和N2O净排放通量与田面水和土壤剖面中 CH4和N2O浓度相关性分析结果显示（表4），早稻季CH4净排放通量与田面水和土壤剖面 CH4浓度具有显著正相关关系。晚稻季 CH4净排放通量与田面水和0－5 cm、5－10 cm和10－15 cm土层CH4浓度具有显著正相关关系，而与15－20 cm土层CH4浓度相关未达显著水平。这说明在早稻季整个耕层对 CH4的产生和排放具有重要影响，而在晚稻季，中、浅层土壤是影响CH4产生和排放的主要区域，而深层土壤（15－20 cm）对CH4的排放影响很小。相反，N2O净排放通量在早稻季仅与表层土壤（0－5 cm）显著正相关；但晚稻季N2O排放通量与0－5 cm土层无显著相关，而与其他土层显著和极显著正相关。这说明，表层土壤是影响早稻季N2O排放的主要因素，而中下层土壤是影响晚稻季N2O排放的主要因素。

3 讨论

3.1 田面水和土壤剖面CH4浓度

本研究采用 Rhizon土壤溶液取样器采集测定了双季稻田主要生育期土壤剖面CH4浓度。各处理早晚稻季不同深度土壤溶液中 CH4浓度范围为0.12～233.85 μmol/L，高于稻麦轮作稻田[22]。这可能主要是因为双季稻田CH4净排放通量高于稻麦轮作稻田，因此双季稻田土壤剖面中CH4产生量可能高于稻麦轮作稻田。在多数采样期上层土壤（0－5 cm和5－10 cm）CH4浓度显著高于下层土壤（10－15 cm和15－20 cm）（图1和图2），0－5 cm和5－10 cm土层是主要的产甲烷区。一方面，上层土壤温度高于下层土壤，这有利于产甲烷菌活性和微生物分解活动[23]；另一方面，水稻根系主要分布于上层土壤，其根系分泌物提高碳氮基质，从而促进了甲烷的产生[24]。从分布特征来看，早晚稻季土壤中CH4浓度整体表现出随深度增加而降低的趋势。这与Elberling等[25]对湿地CH4剖面分布的研究结果相同，但是与旱地的研究结果不同。刘平丽[14]对稻麦和稻油轮作稻田的研究结果显示，小麦季或油菜季土壤剖面CH4浓度随土壤深度增加有提高趋势。周自强等[22]对稻麦轮作稻田水稻季土壤剖面 CH4分布的研究结果显示，不同肥料处理下土壤剖面CH4浓度分布表现出较大变异，既存在随土壤深度增加而增加的趋势，也存在随土壤深度增加而降低的趋势。由此可见，农田土壤剖面CH4浓度分布受到农作制度、水分和养分管理措施的影响，在不同农艺措施下可能存在较大差异。本研究中田面水CH4浓度显著低于上层土壤（0－5 cm和5－10 cm）（图1和图2）。一方面，土壤中 CH4的扩散存在多种途径，仅有部分 CH4直接扩散到田面水中，大部分 CH4可能通过水稻的通气组织直接排放到空气中[26]；另一方面，水中 CH4溶解度较低，田面水中的 CH4可能通过水-气界面迅速扩散到大气中，从而导致田面水中观测到CH4浓度较低。

晚稻季各处理田面水和土壤剖面中CH4浓度均高于早稻季（图 2）。主要是因为晚稻移栽后气温较高，且大量早稻残茬提供了丰富的碳源，从而导致CH4的大量产生[27,28]。培肥处理对田面水和土壤剖面CH4浓度均存在显著效应（表1）。不施肥（CK）和仅施化肥处理的田面水和土壤剖面中CH4浓度相近，而化肥+秸秆（FS）处理下田面水和土壤剖面CH4浓度显著高于CK和化肥。仅施化肥（NPK）会同时影响土壤中CH4的产生和氧化过程，其综合效应可能不显著[29]。而秸秆还田不仅会提供大量碳源，还能降低土壤氧化还原电位，极大地促进土壤中CH4的产生[30,31]。耕作措施对田面水中CH4没有显著影响；而对土壤剖面CH4浓度存在显著效应（表1）。与免耕相比，旋耕显著增加土壤剖面中 CH4浓度，尤其是在0－5 cm和5－10 cm土层。这主要是因为旋耕作将表层土壤丰富的碳氮底物混入整个耕作层，同时粉碎了较大的土壤空隙，降低了土壤通气性，形成了有利于CH4产生的环境条件[32,33]。

3.2 田面水和土壤剖面N2O浓度

早晚稻季土壤剖面中 N2O浓度范围为5.79～21.76 nmol/L，与稻麦轮作下稻田的监测结果相近[13,22]。水稻土壤剖面中N2O浓度没有表现出明显的随土壤深度变化而增加的趋势，这与水旱轮作稻田研究结果一致。受施肥、水分管理等农艺措施的影响，土壤剖面N2O空间分布表现出较大变异，可能会随土壤深度增加、降低或没有显著变化[22,34]。与 CH4不同，田面水中 N2O浓度高于土壤剖面中N2O浓度（图3），尤其是在早稻季。其原因可能主要有两方面：一方面，对于施肥处理，由于N肥表施（NT）或浅施（旋耕），导致大量铵态氮释放到田面水中，并经硝化和反硝化作用在田面水中直接产生较多N2O[35]。另一方面，有研究发现当土壤氮素浓度较低时反硝化细菌可以利用 N2O代替NO3-作为电子受体被还原为 N2[36]。在稻田、湿地等淹水条件下，土壤可以吸收氮素转化过程中产生的N2O[37,38]。因此，对于不施肥处理，可能主要是由于土壤对N2O的吸收作用导致土层N2O浓度低于田面水。

耕作和培肥措施对田面水和土壤剖面 N2O的效应较弱。仅在部分生育期观测到显著效应。在不施肥条件下，旋耕相比免耕显著降低了早稻季分蘖期、抽穗期以及灌浆期土壤剖面中N2O浓度。其原因主要有两方面：一方面，RT有利于水稻根系下伸和生长，在不施肥的条件下会加剧对土壤有效氮的消耗，降低N2O产生的N源；另一方面，厌氧条件下土壤大团聚体是土壤反硝化作用的主要区域[39-40]，而旋耕与免耕相比能够降低土壤大团聚体的数量[41]，进而降低了土壤反硝化作用。

4 结论

双季稻土壤剖面 CH4浓度显著高于田面水，同时随土壤深度呈下降趋势。相反，土壤剖面N2O浓度低于田面水，且不随土壤深度发生显著改变。耕作方式对土壤剖面 CH4和N2O浓度存在显著效应，与免耕相比，旋耕显著增加了土壤剖面CH4浓度，尤其是上层土壤（0-10 cm）；但仅在CK条件下显著降低土壤剖面 N2O浓度。早晚稻土壤 CH4和 N2O的空间分布对其净排放通量的影响具有差异性：上层土壤是影响早晚稻CH4净排放通量的主要因素；表层土壤对早稻季N2O排放通量影响较大，而中下层土壤对晚稻季N2O排放通量影响较大。