再生稻干湿交替灌溉与根区分层施氮减少温室气体排放

丁紫娟，徐洲，田应兵，刘凯文，张丁月，朱建强，侯俊,2*

再生稻干湿交替灌溉与根区分层施氮减少温室气体排放

丁紫娟1，徐洲1，田应兵1，刘凯文1，张丁月1，朱建强1，侯俊1,2*

（1.长江大学农学院/湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北 荆州 434025；2.安徽六国化工股份有限公司，安徽 铜陵 244023）

【】探明再生稻优化灌溉与根区分层施氮下温室气体排放与产量的综合响应。基于静态暗箱–气相色谱法对再生稻进行温室气体排放的田间原位观测，设置2种灌溉模式（常规灌溉和干湿交替灌溉）和5个施肥处理（不施氮，CK；农民常规分次施氮，FFP；一次性根区5cm浅施控释尿素，RF1；一次性根区10 cm深施控释尿素，RF2；一次性根区5 cm和10 cm分层施控释尿素，RF3），研究了再生稻优化灌溉与根区分层施氮对温室气体排放和产量的综合影响。①常规灌溉模式下，RF1、RF2处理和RF3处理在全生育期的CH4、N2O和CO2排放量比FFP处理分别降低了49%～76%、55%～81%和57%～69%（<0.05），干湿交替模式下CH4、N2O和CO2排放量比FFP处理分别降低了52%～77%、52%～73%和 61%～75%（<0.05）。②3种温室气体所引起的GWP（以CO2计，kg/hm2），干湿交替下FFP、RF1、RF2处理和RF3处理的GWP量与常规灌溉相比分别降低了3%、10%、13%和11%（<0.05）。③2种灌溉模式下RF3处理再生稻产量较FFP处理分别显著提高了7%和11%。再生稻根区分层施用控释尿素在提高产量的同时对温室气体具有减排作用，而且干湿交替模式节水、增加再生稻产量，也具有一定的减排作用，因此分层施氮与干湿交替协同是实现再生稻种植的轻简化操作的可行措施。

再生稻；灌溉模式；根区施肥；温室气体；全球增温潜势（GWP）

0 引 言

【研究意义】CH4、N2O和CO2是3种典型的温室气体[1]，据FAO报道每年全球水稻种植区的土壤温室气体排放量超过525 Tg CO2-eq，中国的水稻种植每年产生的温室气体排放量也很高，超过111 Tg CO2-eq[2]。大量的温室气体排放使得全球变暖的形势加剧，稻田作为温室气体的重要排放源，降低稻田温室气体的排放已成为重要的研究课题[3]。

【研究进展】施肥是影响稻田温室气体排放的重要因素，合理施肥也是保证水稻产量的重要措施，但农民的常规表面撒施会导致肥料利用率低，最终进入大气造成了一系列的环境问题，例如，Schütz等[4]试验显示，肥料表面施用后CH4排放量明显增加；Yano等[5]研究表明，灌溉前施用氮肥增加了N2O的排放量。再生稻是在头季稻收割后，利用稻桩腋芽分化，重新生长再收获一季的水稻。再生稻具有生育期长、省时、省工等特点，其水肥管理有别于一季稻和双季稻[6]。根区一次性施肥通过提高根区高浓度养分能达到养分与作物吸收和利用的相对平衡[7]，促进了轻简化生产。然而，再生稻生育时期长达180 d，普通的尿素不能满足水稻全生育期氮素需要，因此再生稻根区施肥需要氮肥品种的优化。氮肥施入水稻根系周围，土壤局部养分浓度过高对水稻前期幼苗存在高浓度毒害风险，根区施肥要避免高浓度氮素的烧苗[8]，而控释尿素能持续提供氮素，既保证再生稻的长生育期的吸收利用[9]，也能通过持续的养分释放控制氮素浓度不至于过高而造成烧根。此外，根区的最佳深度的判断有争议，刘晓伟等[7]认为中稻根区最佳施肥深度为10 cm；Wu等[10]认为根区侧5 cm条件下深12 cm的氮效率与深7 cm相比在早稻上差异不显著，而在晚稻上前者比后者显著提高27%。因此施肥深度要与水稻根系相适应。

水分管理也是影响稻田温室气体排放的另一个关键因素，其中干湿交替灌溉对温室气体减排和作物产量提高具有显著效果[11-12]。例如，袁伟玲等[13]研究表明，干湿交替灌溉能显著降低稻田CH4排放量。傅志强等[14]研究表明，在相同的施氮水平下，干湿交替灌溉有利于温室气体减排和降低全球增温潜势，干湿交替灌溉下二季综合降低了稻田温室气体增温潜势41%～54%。【切入点】目前，有关水分管理、施肥技术和二者结合对稻田温室气体排放的研究报道较多[14]，但关于根区分层施氮及其优化灌溉对温室气体减排潜力的影响尚未报道。【拟解决的关键问题】因此，本试验以再生稻为对象，研究典型灌溉模式下根区分层施氮对温室气体排放的影响，以期为再生稻轻简化生产及减少温室气体排放提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点描述

试验地位于荆州市长江大学试验站（N30°23′46.68″，E112°29′7.71″），试验于2019年4月开始，该区域属于北亚热带农业气候带。土壤为湖泊成因的偏黏性潴育型水稻土，耕作层土壤基本性状为：土壤pH值6.27，土壤全氮1.26 g/kg、全磷0.51 g/kg、全钾9.51 g/kg、碱解氮78.61 mg/kg、速效磷20.75 mg/kg、速效钾95.51 mg/kg、有机质为22.31 g/kg。试验期间当地的日平均气温和日降水量变化见图1。最高温出现在7月，为32.3 ℃；最低温出现在4月，为12.2 ℃。试验期间降水量主要集中在5—7月，其中6月的降水量最多达到188.8 mm。

图1 试验期间日平均气温和日降水量的变化

1.2 试验设计

本研究共设5个处理：①对照（CK，不施氮）；②农民常规分次施氮（FFP）；③一次性根区5 cm浅施控释尿素（RF1）；④一次性根区10 cm深施控释尿素（RF2）；⑤一次性根区5 cm和10 cm分层施控释尿素（RF3）。设置2种典型水分管理模式分别为常规灌溉（CF）和干湿交替灌溉（AWD）。每个处理3次重复，小区面积25 m2（5 m×5 m），随机区组排列。小区间作25 cm 宽、15 cm高的田埂并覆盖塑料薄膜防止串肥。农民常规施肥处理先撒入基肥，然后灌水耙田插秧，头季中稻施氮量为180 kg/hm2，其中40%作基肥（4月21日），30%作分蘖肥（5月9日），30%作穗肥（7月1日），头季稻收获期前（8月8日）和收获后（8月20日）均施50 kg/hm2作为催芽肥和促苗肥。处理3、处理4和处理5中的控释尿素采用树脂包膜尿素（静水25 ℃抛物线形曲线释放，释放期150 d，由国家缓/控释肥工程技术研究中心提供）。根区浅施是偏水稻根系侧5 cm、深5 cm一次性施氮；根区深施是偏水稻根系侧5 cm、深10 cm一次性施氮；根区分层施是偏水稻根系侧5 cm，且在深5 cm和深10 cm同时1次施氮，施氮量各50%。根区一次施肥采用穴施，步骤是：在无流动水的小区插好秧苗后以水稻为交叉点，用内径2 cm的空心管在水稻行垂直方向二侧各5 cm处，垂直压入5 cm或10 cm或分层压孔洞，将氮肥沿钢管内壁倒入底部，迅速取出钢管并用泥浆将洞填实，保证施肥位置在水稻行的同一侧，并且2个施肥点间的距离等同于水稻间距（18 cm）。除CK不施氮肥外，所有处理的头季稻N、P2O5和K2O用量分别为280、150和180 kg/hm2，磷肥为过磷酸钙（含P2O512%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%），且所有磷钾肥作为基肥插秧前1次施用。收获期留茬高度30 cm。水稻品种为宜优673（湖北种子公司提供），密度为22.2万株/hm2（行间距30 cm×18 cm）。

2种典型水分管理模式是常规灌溉和干湿交替灌溉：①常规淹灌（CF），三叶一心期后始终保持田面水3～5 cm左右（控制水位）的浅水层，仅收获前10 d自然落干以方便收获，头季和再生季的其他整个生育期不晒田；②干湿交替灌溉（AWD），再生稻整个生育期中，三叶一心期后将稻田一次性灌溉至田面水深30～50 mm，待其自然落干至表土以下100 mm左右（土壤质量含水率为田间持水率的80%左右），再次灌溉至30～50 mm，如此循环，如遇降水过程，实时排水维持田面水深30～50 mm，水稻扬花期，维持田面水深30～50 mm的1周。仅头季和再生季的收获前10 d自然落干。

表1 根区施控释尿素方案

注 1）指头季氮肥用量为180 kg/hm2，基肥、分蘖肥、穗肥比为40%∶30%∶30%，头季稻收获期前7～10 d和收获后2 d分别施催芽肥和促苗肥50 kg/hm2；2）指除CK外，所有施肥处理移栽期施用，氮用量280 kg/hm2，其中根区分层施肥是指在侧根5 cm深5 cm和深10 cm同时1次施氮，施氮量各140 kg/hm2。

1.3 气体采集与分析

全生育期的CH4、N2O和CO2采用静态暗箱法采集[15]。在采集气体的同时用电子温度计测量箱体内外温度。采样频次为每10天1次，每次采样时间在09:00—11:00进行，时长约为30 min，间隔10 min采样1次，共采集4个气样。气样采集完毕后带回实验室于24 h内分析完毕或保存在储气袋中，用气相色谱仪（SHIMADZU GC-14B，日本岛津）进行分析。气体的排放通量采用式（1）计算，并通过内插累加法求得头季、再生季和全生育期的CH4、N2O和CO2排放总量，计算式为：

式中：为温室气体的排放通量（mg/（m2·h））；为采样顶箱高度（cm）；为采样顶箱内温度（℃）；为采样地区的大气压（Pa）；0为标准状况下的大气压（Pa）；为被测气体的密度（g/cm3）；dc/dt为采样期间采样箱内气体的浓度变化速率。排放通量为正表示排放，反之为吸收。

全球增温潜势[16]用于衡量对于CO2的辐射指数。的计算式为：

=ƒ(CO2)+28·ƒ(CH4)+265·ƒ(N2O)，（2）

式中：ƒ(CO2)为CO2的排放当量（CO2-eq）；ƒ(CH4)为CH4的排放量（kg）；ƒ(N2O)为N2O的排放量（kg）。

1.4 产量测定

分别于头季和再生季水稻成熟时，各小区单打单收，风干计产。

1.5 数据分析

所有数据采用Excel 2019进行整理和作图。采用 SPSS 18.0对所有数据进行统计分析，用LSD比较各处理间的差异显著性（<0.05）。

2 结果与分析

2.1 CH4排放通量

CH4排放通量如图2所示（图中虚线表示头季水稻的收获时间，下同）。从图2（a）可以看出，与CK相比，FFP处理的CH4排放通量均有不同程度的增加。与FFP处理相比，根区施肥处理RF1、RF2和RF3的CH4排放通量均有不同程度的降低，RF1和RF2处理在5月20日出现1次排放峰值，排放通量分别为2.10和2.08 mg/(m2·h)；RF3处理则一直维持在较低水平，再生季之后（8月20日）稳定维持较低水平。图2（b）可知，AWD中CH4排放通量相比于CF没有较大的峰值波动，RF1和RF2处理在6月10日和30日均呈现双峰型排放且接近于FFP；RF3处理仅在6月10日出现了1次小的排放峰值，排放通量为1.63 mg/(m2·h)，随后3种根区施肥处理均逐渐降低。所有施肥处理在再生季（8月20日后）逐渐降低，随后趋于平稳。

图2 不同处理CH4排放通量

2.2 N2O排放通量

N2O排放通量如图3所示，从图3（a）可以看出，FFP处理下N2O排放通量的变化趋势与其他4种处理存在明显差异。FFP处理呈明显双峰型排放，峰值分别出现在5月10日和7月20日，分别较CK增加了25%和20%。而RF2和RF3处理没有明显排放高峰。3种根区施肥处理在其他时期均保持相近且无较大的波动。4种施肥处理在再生季（8月20日后）均保持稳定并逐渐降低。图3（b）中FFP处理只出现了1次排放高峰（7月20日），排放通量为46.73 µg/(m2·h)。3种根区施肥处理的全生育期N2O排放通量变化范围比较稳定且与CK接近，进入再生季（8月20日后），所有处理的N2O开始下降且维持在较低水平。

图3 不同处理N2O排放通量

2.3 CO2排放通量

CO2排放通量如图4所示，不同处理均在头季水稻分蘖期出现CO2排放峰值，图4（a）和图4（b）中RF1、RF2处理和RF3处理的排放通量分别是130.98～167.95 mg/(m2·h)和113.49～144.07 mg/(m2·h)分别比FFP处理减少10%～30%和23%～39%。随后2种灌溉模式直到头季收获前都保持平稳排放水平，FFP处理在再生季（8月20日后）明显下降，随后与其他处理接近后所有处理排放通量趋于0。

图4 不同处理CO2排放通量

2.4 3种温室气体的累积净排放量

表2为不同根区施肥与灌溉模式下3种温室气体的累积净排放量。对于CH4而言，2种灌溉模式的排放均表现为FFP处理>RF1处理>RF2处理>RF3处理>CK，AWD模式下5种处理的排放量与CF模式相比均不同程度降低了9%～27%；不同施肥和灌溉模式下N2O的累积净排放量较小，仅为微弱的排放源，5种施肥处理间在头季、再生季和全生育期均存在显著性差异（<0.05）。CO2表现为较强的排放源，排放量主要集中在头季，与FFP处理相比，CF模式下CK、RF1、RF2处理和RF3处理在全生育期CO2净排放量分别显著降低了57%～86%；在AWD模式下，分别显著降低了61%～83%。

2.5 再生稻产量及3种温室气体的全球增温潜势GWP

表3为不同根区施肥与灌溉模式下再生稻产量及生育期内3种温室气体的全球增温潜势。在头季的CF模式下，施肥FFP、RF1、RF2、RF3处理较CK增产43%～57%，3种根区施控释尿素较FFP处理增产了1%～10%，且RF3处理显著高于FFP处理，不同施肥处理的头季产量表现为RF3处理>RF2处理>RF1处理>FFP处理>CK；再生季各施肥处理间无显著性差异。在头季的AWD模式下，FFP、RF1、RF2、RF3处理较CK增产了44%～64%，根区施肥RF2和RF3处理较FFP处理分别显著提高了头季产量10%和14%，再生季各施肥处理间无显著性差异。与CF模式相比，AWD模式下各处理均提高了全生育期产量0.2%～6%。

表2 3种温室气体的累积净排放量

注 1）CF是常规灌溉，AWD是干湿交替；2）同一列不同字母表示在5%水平上差异显著，*表示相同施肥处理在不同灌溉模式CF和AWD之间5%水平上差异显著（检验），下同。

表3 再生稻产量及3种温室气体的全球增温潜势（GWP)

由表3可知，不同灌溉模式下不同施肥处理的在各生育期均差异显著。相对于CF，全生育期常规施肥处理（FFP）和根区施肥处理（RF1、RF2处理和RF3处理）在AWD的均有所减小，其减幅为3%～13%。在CF模式下，全生育期CK、RF1、RF2处理和RF3处理分别比FFP处理降低了53%～87%，AWD模式下分别降低了56%～86%。这表明干湿交替灌溉对于根区施肥处理有一定的减排作用，相同灌溉条件下根区施肥处理与FFP处理相比均能减少，表现为FFP处理>RF1处理>RF2处理>RF3处理>CK。

3 讨 论

3.1 不同根区施肥与灌溉模式对CH4排放的影响

农业措施中施肥方式是影响温室气体排放的因素之一，Schütz等[4]在意大利的试验结果表明尿素施用对CH4排放的影响很大程度上取决于施肥方式，当尿素深施时，农田的CH4排放量明显低于尿素的表面施用，这与本试验中的研究结果一致。肥料的施用方式能够影响CH4的排放量，其原因可能是，稻田土壤中CH4的氧化发生在土壤与水的交界面以及水稻的根部氧化区域，与氮肥深施相比，氮肥的表面撒施产生的NH4+竞争CH4的氧化导致CH4的排放增加[17]，反之则会减少。水稻为浅根系作物，根系集中分布于0～10 cm土壤中，研究证明[18]分层施肥能够供应水稻在不同时期对养分的需求，2层肥料处于5～10 cm的水平，氮肥施用位置远离水面，与大气接触机会少，进而减少了NH4+向上挥发，从而增加CH4在水土界面的氧化作用，CH4排放也相应减少。控释尿素是本研究中影响温室气体排放又一个因素，研究[3]结果显示树脂包膜控释尿素减排效果最高为56.2%，控释肥本身对CH4减排效果显著，其主要原因是控释肥能够根据水稻的生长需养量缓慢释放氮素，NH4+量减小，其竞争CH4的氧化作用也减小[17]，CH4的排放减小。

与CF模式相比，AWD模式下的CH4排放要相对平稳且没有较高的峰值。不同灌溉模式影响CH4排放[19]，其机理是水分影响土壤氧化还原电位，淹水模式可造成厌氧环境，CH4由CH4菌产生而来，而CH4菌需要在厌氧条件下生长，淹水形成厌氧环境促进CH4菌大量繁殖产生大量CH4。在干湿交替模式下，土壤表层经常暴露在空气中，土壤的氧化还原电位提高，破坏了产CH4菌的生长环境，所以在此模式下CH4的排放量相对减少。

3.2 不同根区施肥与灌溉模式对N2O排放的影响

本试验中，CF模式下FFP处理在第1次施肥后和第3次施肥后出现了2次N2O的排放峰值；AWD模式下FFP处理也在第3次施肥后出现了1次排放峰值，这可能是由于速效氮肥的施用为硝化和反硝化作用提供了充足的底物，导致N2O的排放升高，此外，速效氮肥施用促使了根系分泌物增加，从而使微生物活性增强，最终导致N2O的排放明显增加[5]。采用合理的施肥措施（施肥量、施肥方式和肥料类型等）是减少N2O排放的重要因素，李鑫等[20]研究显示不同的施肥方式对N2O排放的影响差异较大，肥料深施土壤10 cm中N2O的排放量最小，而常规的表面撒施对N2O的排放量最大，这与本试验的研究结果一致，其原因主要有3个：一是深施氮肥可使肥料在深层土壤中聚集，从而降低表层土壤中的氮质量浓度，有效降低铵态氮向氨气的转化率和氮肥的硝化速率，二是根区施肥通过促进植物吸收提高肥料利用率间接降低土壤中N2O的排放[21]，三是控释尿素本身也能减少N2O的排放。控释尿素能缓慢释放养分，NH4+和NO3−质量浓度降低影响土壤硝化与反硝化作用，降低微生物活动进而达到了减排N2O的效果[22]。RF1、RF2和RF3处理为一次性施肥，没有追肥增加，所以根区以外土壤中的NH4+和含NO3-量就可能比FFP处理低，当土壤中的含氮量低时会影响土壤中生成N2、N2O和其他氮氧化物气体，从而有效地减少了N2O的排放[23]。稻田土壤N2O排放主要集中在水分变化剧烈的阶段[24]。本研究中AWD模式下的整体N2O排放趋势与CF模式相近，这与成臣等[25]的结果类似。

3.3 不同根区施肥与灌溉模式对CO2排放的影响

在农田生态系统中，施肥是影响土壤CO2排放的主要因素[26]。除了FFP处理有较大的排放峰值的趋势外，其他施肥处理均维持在低水平甚至趋近于0，这是由于土壤中的氮转化与碳转化有着密切的联系，氮肥的施用会影响碳的转化途径，氮肥的施用可能会促进微生物对一氧化碳的利用，从而导致CO2的排放增加[27]。Snyder等[28]认为施用氮肥主要通过两种途径来影响CO2的排放，一是直接为作物和微生物的生长提供养分；二是通过施肥改变土壤pH值，改变微生物的活性以及有机质的合成和分解，最终使CO2的排放量改变。所以肥料的类型、施用方式和施用量都是影响CO2排放的重要因素。研究表明，控释氮肥能有效降低土壤的碳排放量[29]，而本研究中根区施肥条件下控释尿素也能显著降低CO2的排放量。

在本试验中2种灌溉模式下CO2排放量没有明显的差异。土壤有机碳量的矿化加速农田CO2的排放，然而农田CO2排放总量主要来自植物的光合和呼吸作用，频繁的干湿交替由于降低土壤矿化量从而减少CO2排放量[29]，但本研究中植物的光合和呼吸作用的程度如何以及是否促进CO2减排尚不清楚，因此，还需要深入研究。

3.4 不同根区施肥与灌溉模式对再生稻产量及3种温室气体全球增温潜势GWP的影响

施肥技术是提高水稻产量的重要途径，本研究中与FFP处理相比，RF1、RF2、RF3处理均提高了再生稻头季产量，且RF3处理与FFP处理相比差异显著，RF2、RF3处理还提高了再生季产量，主要原因有2个方面，一是氮肥深施距离水稻根系更近，能直接为根系吸收，为水稻高产奠定了基础；二是水稻苗期需要的氮素较少，氮肥深施能有效减少氮损失，从而达到作物养分吸收与肥料养分释放的协同效应，有利于提高水稻产量和氮肥利用效率[7]。本研究中AWD模式与CF模式相比各处理均提高了再生稻全生育期产量，这与成臣等[25]的研究结果相似，这是由于稻田处于“干湿交替”的水分循环状态能够改善稻田土壤通透性，供氧充足，为水稻生长发育创造了良好的生长条件。CF和AWD模式下RF1、RF2、RF3处理与FFP处理相比在全生育期的分别降低53%～73%和56%～76%，这说明3种根区施肥处理均能够有效降低，且AWD模式下降幅更大，王长明等[30]研究也表明，与淹水灌溉相比，节水灌溉降低了稻田CH4和N2O综合温室效应。

4 结 论

1）与常规施肥相比，常规灌溉和干湿交替灌溉条件下的根区分层施肥能显著降低CH4、N2O和CO2的排放量及且降低幅度均表现为RF3处理>RF2处理>RF1处理，RF3处理分层施肥处理能够显著提高再生稻全生育期产量，因此根区施肥有利于温室气体减排，且根区分层施氮效果更佳。

2）与常规灌溉模式的根区分层施氮的CH4排放量相比，干湿交替灌溉明显降低了CH4排放量，减小了全球增温潜势，且干湿交替灌溉能够提高再生稻全生育期产量，因此，干湿交替灌溉水能在稳产的同时使根区分层施氮达到一定的减排效果，二者结合有利于再生稻的可持续发展。

[1] KIEHL J T, TRENBERTH K E. Earth’s annual global mean energy budget[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1997, 78(2): 197-208.

[2] FAO (Food and Ariculture Organization of United Nations), 2019. http://www.fao.org/faostat/en/#data/GR/visualize

[3] 王斌, 李玉娥, 万运帆, 等. 控释肥和添加剂对双季稻温室气体排放影响和减排评价[J]. 中国农业科学, 2014, 47(2): 314-323.

WANG Bin, LI Yu’e, WAN Yunfan, et al. Effect and assessment of controlled release fertilizer and additive treatments on greenhouse gases emission from a double rice field[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(2): 314-323.

[4] SCHÜTZ H, HOLZAPFEL-PSCHORN A, CONRAD R, et al. A 3-year continuous record on the influence of daytime, season, and fertilizer treatment on methane emission rates from an Italian rice paddy[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1989, 94(13): 16 405-16 416.

[5] YANO M, TOYODA S, TOKIDA T, et al. Isotopomer analysis of production, consumption and soil-to-atmosphere emission processes of N2O at the beginning of paddy field irrigation[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 70: 66-78.

[6] 曹玉贤, 朱建强, 侯俊. 中国再生稻的产量差及影响因素[J]. 中国农业科学, 2020, 53(4): 706-719.

CAO Yuxian, ZHU Jianqiang, HOU Jun. Yield gap of ratoon rice and their influence factors in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(4): 706-719.

[7] 刘晓伟, 王火焰, 朱德进, 等. 氮肥施用方式对水稻产量以及氮、磷、钾养分吸收利用的影响[J]. 南京农业大学学报, 2017, 40(2): 203-210.

LIU Xiaowei, WANG Huoyan, ZHU Dejin, et al. Effect of N fertilization method on rice yield and N, P and K uptake and use efficiency[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2017, 40(2): 203-210.

[8] 史正军, 樊小林, KLAUS D, 等. 根系局部供氮对水稻根系形态的影响及其机理[J]. 中国水稻科学, 2005, 19(2): 147-152.

SHI Zhengjun, FAN Xiaolin, KLAUS D, et al. Effect of localized nitrogen supply on root morphology in rice and its mechanism[J]. Chinese Journal of Rice Science, 2005, 19(2): 147-152.

[9] GUO J M, WANG Y H, BLAYLOCK A D, et al. Mixture of controlled release and normal urea to optimize nitrogen management for high-yielding (>15 Mg ha-1) maize[J]. Field Crops Research, 2017, 204: 23-30.

[10] WU M, LIU M, LIU J, et al. Optimize nitrogen fertilization location in root-growing zone to increase grain yield and nitrogen use efficiency of transplanted rice in subtropical China[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2017, 16(9): 2 073-2 081.

[11] 刘杰云, 邱虎森, 张文正, 等. 节水灌溉对农田土壤温室气体排放的影响[J]. 灌溉排水学报, 2019, 38(6): 1-7.

LIU Jieyun, QIU Husen, ZHANG Wenzheng, et al. Response of greenhouse gas emissions to water-saving irrigation in croplands: A review[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(6): 1-7.

[12] 何军, 何天楷, 张宇航, 等. 不同水肥处理水稻氮磷吸收利用及产量试验研究[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(6): 67-72.

HE Jun, HE Tiankai, ZHANG Yuhang, et al. The combined effects of water and fertilizer applications on root uptake of N and P and yield of rice[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(6): 67-72.

[13] 袁伟玲, 曹凑贵, 程建平, 等. 间歇灌溉模式下稻田CH4和N2O排放及温室效应评估[J]. 中国农业科学, 2008, 41(12): 4 294-4 300.

YUAN Weiling, CAO Cougui, CHENG Jianping, et al. CH4and N2O emissions and their GWPs assessment in intermittent irrigation rice paddy field[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(12): 4 294-4 300.

[14] 傅志强, 龙攀, 刘依依, 等. 水氮组合模式对双季稻甲烷和氧化亚氮排放的影响[J]. 环境科学, 2015, 36(9): 3 365-3 372.

FU Zhiqiang, LONG Pan, LIU Yiyi, et al. Effects of water and nitrogenous fertilizer coupling on CH4and N2O emission from double-season rice paddy field[J]. Environmental Science, 2015, 36(9): 3 365-3 372.

[15] WANG Y H, WANG Y S, LING H. A new carrier gas type for accurate measurement of N2O by GC-ECD[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2010, 27(6): 1 322-1 330.

[16] IPCC. Special report on emissions scenarios: a special report of working group Ⅲ of the intergovernmental panel on climate change[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.

[17] 马静, 徐华, 蔡祖聪. 施肥对稻田甲烷排放的影响[J]. 土壤, 2010, 42(2): 153-163.

MA Jing, XU Hua, CAI Zucong. Effect of fertilization on methane emissions from rice fields[J]. Soils, 2010, 42(2): 153-163.

[18] 孙浩燕. 施肥方式对水稻根系生长、养分吸收及土壤养分分布的影响[D]. 武汉: 华中农业大学, 2015.

SUN Haoyan. Effects of fertilization methods on root growth, nutrition absorption of rice and soil nutrition distribution[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2015.

[19] CAI Zucong, KANG Guoding, XTSURUTA H, et al. Estimate of CH4emissions from year-round flooded rice fields during rice growing season in China[J]. Pedosphere, 2005, 15(1): 66-71.

[20] 李鑫, 巨晓棠, 张丽娟, 等. 不同施肥方式对土壤氨挥发和氧化亚氮排放的影响[J]. 应用生态学报, 2008, 19(1): 99-104.

LI Xin, JU Xiaotang, ZHANG Lijuan, et al. Effects of different fertilization modes on soil ammonia volatilization and nitrous oxide emission[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(1): 99-104.

[21] 王火焰, 周健民. 根区施肥——提高肥料养分利用率和减少面源污染的关键和必需措施[J]. 土壤, 2013, 45(5): 785-790.

WANG Huoyan, ZHOU Jianmin. Root-zone fertilization—A key and necessary approach to improve fertilizer use efficiency and reduce non-point source pollution from the cropland[J]. Soils, 2013, 45(5): 785-790.

[22] 王学霞, 曹兵, 梁红胜, 等. 控释氮肥与水溶肥配施减少设施土壤N2O排放的机理[J]. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(12): 2 084-2 094.

WANG Xuexia, CAO Bing, LIANG Hongsheng, et al. Combined appilcation of controlled-release nitrogen fertilizer and water-soluble fertilizer to reduce N2O emission in greenhouse soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(12): 2 084-2 094.

[23] WU D M, DONG W X, OENEMA O, et al. N2O consumption by low-nitrogen soil and its regulation by water and oxygen[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 60: 165-172.

[24] 彭世彰, 侯会静, 徐俊增, 等. 稻田CH4和N2O综合排放对控制灌溉的响应[J]. 农业工程学报, 2012, 28(13): 121-126.

PENG Shizhang, HOU Huijing, XU Junzeng, et al. CH4and N2O emissions response to controlled irrigation of paddy fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(13): 121-126.

[25] 成臣, 杨秀霞, 汪建军, 等. 秸秆还田条件下灌溉方式对双季稻产量及农田温室气体排放的影响[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37(1): 186-195.

CHENG Chen, YANG Xiuxia, WANG Jianjun, et al. Effect of different irrigation methods on rice yield and greenhouse gas emissions under crop residue incorporation in double rice-cropping systems[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(1): 186-195.

[26] ROYER I, ANGERS D A, CHANTIGNY M H, et al. Dissolved organic carbon in runoff and tile-drain water under corn and forage fertilized with hog manure[J]. Journal of Environmental Quality, 2007, 36(3): 855-863.

[27] SILVA C C, GUIDO M L, CEBALLOS J M, et al. Production of carbon dioxide and nitrous oxide in alkaline saline soil of Texcoco at different water contents amended with urea: A laboratory study[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40(7): 1 813-1 822.

[28] SNYDER C S, BRUULSEMA T W, JENSEN T L, et al. Review of greenhouse gas emissions from crop production systems and fertilizer management effects[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2009, 133(3/4): 247-266.

[29] BORKEN W, MATZNER E. Reappraisal of drying and wetting effects on C and N mineralization and fluxes in soils[J]. Global Change Biology, 2009, 15(4): 808-824.

[30] 王长明, 张忠学, 吕纯波, 等. 不同灌溉模式寒地稻田CH4和N2O排放特征及增温潜势分析[J]. 灌溉排水学报, 2019, 38(1): 14-20, 68.

WANG Changming, ZHANG Zhongxue, LYU Chunbo, et al. CH4and N2O emission from paddy field in cold region is impacted by irrigation methods[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(1): 14-20, 68.

Reducing Gas Emissions from Ratooning Rice Field Using Controlled Nitrogen Fertilization and Alternate Wetting-drying Irrigation

DING Zijuan1, XU Zhou1, TIAN Yingbing1, LIU Kaiwen1, ZHANG Dingyue1, ZHU Jianqiang1, HOU Jun1,2*

(1.College of Agriculture, Yangtze University, Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wet Land Ministry of Education, Jingzhou 434025, China; 2.Anhui Liuguo Chemical Co.LTD, Tongling 244023, China)

【】Rice field is an important source of greenhouse gases and how to reduce its gas emissions plays an important role in battling global warming. The aim of this paper is to investigate the feasibility and efficacy of using controlled nitrogen fertilization and irrigation management to reduce gas emissions from ratooning rice field.【】The experiment was conducted in a field using static chambers. In situ gas emissions were measured using gas chromatography. The experiment compared two irrigation methods: conventional irrigation and alternate wetting and drying irrigation, and five controlled nitrogen fertilizations: fertilization used by local farmers (FFP), applying the fertilizers in the root zone at the depth of 5 cm (RF1) and 10 cm (RF2) below the soil surface either separately, or in combination (RF3); no fertilization was taken as the control (CK). 【】Compared to FFP, controlled fertilization RF1, RF2 and RF3 reduced emissions of CH4, N2O and CO2by 49%～76%, 55%～81% and 57%～69% respectively (<0.05) under conventional irrigation, and by 52%～77%, 52%～73% and 61%～75% respectively (<0.05) under alternate wetting-drying irrigation. We also found that after changing to alternate wetting-drying irrigation, fertilization FFP, RF1, RF2 and RF3 reduced global warming potential by 3%, 10%, 13% and 11% (<0.05), respectively, compared with their associated potentials at conventional irrigation. Compared with FFP, controlled fertilization RF3 under conventional and alternate wetting-drying irrigation increased the yield of ratoon rice by 7% and 11%, both at significant level, respectively.【】Controlled nitrogen fertilization to the root zone not only reduces greenhouse gas emissions but also increases rice yield. Apart from saving water, changing from conventional irrigation to alternate wetting and drying irrigation increases yield and reduces greenhouse gas emissions, both at significant levels. Their combination can be used as an improved agronomic practice for ratooning rice production in south China.

ratoon rice; irrigation method; root-zone fertilization; gas emissions; greenhouse warming potential

S274.3；X144

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020288

1672 - 3317（2021）07 - 0051- 08

丁紫娟, 徐洲, 田应兵, 等. 再生稻干湿交替灌溉与根区分层施氮减少温室气体排放[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(7): 51-58.

DING Zijuan, XU Zhou, TIAN Yingbing, et al. Reducing Gas Emissions from Ratooning Rice Field Using Controlled Nitrogen Fertilization and Alternate Wetting-drying Irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 51-58.

2020-05-30

“十三五”国家重点研发计划项目（2016YFD0300907）；长江经济带磷资源高效利用创新平台开放基金；长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心开放基金项目（7011802408）；长江大学博士启动基金项目（801180010149）

丁紫娟（1997-），女。硕士研究生，主要从事养分资源综合管理研究。E-mail: 970917450@qq.com

侯俊（1983-），讲师，博士，主要从事植物营养与农业水土资源利用研究。E-mail: houjungoodluck1@163.com

责任编辑：陆红飞