水碳联合管理对稻田浅层土壤N2O浓度剖面分布规律的影响

俞湾青，杨士红,2，祁苏婷

(1.河海大学农业科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)

大量研究表明，稻田是N2O主要排放源[1-2]，而水碳管理是影响稻田N2O排放的重要因素[3-4]。一般认为，控制灌溉会促进稻田N2O排放[5-6]，因为控制灌溉稻田频繁的干湿交替导致土壤通气状况的频繁变动，造成了N2O的大量排放[7-8]。黄国宏等[9]研究发现，土壤中N2O的产生和排放主要决定于土壤水分含量，N2O排放随土壤含水量的增加而增加;侯会静等[10]研究发现，土壤充水孔隙率为78.1%～85.3%时，稻田土壤 N2O 排放通量最大。传统土壤碳管理模式包括施用有机肥和秸秆还田，均能有效提高土壤有机碳含量，但也会引起稻田温室气体排放的变化。关于碳管理对稻田N2O排放的研究结论并不完全一致，Li等[11]研究发现，麦秸还田使得稻田N2O排放量减少了19%～42%，但也有研究表明秸秆还田显著提高了土壤N2O排放量[12]；夏仕明等[13]研究发现施用有机肥可以显著降低N2O的排放，但李平等[14]研究表明氮肥配施有机肥较单施化肥能增加稻田N2O的排放量。已有研究大多是将水分与碳管理分开，研究其对稻田N2O排放的影响，关于水碳管理下N2O浓度的研究较少。基于此，本文开展水碳联合调控试验，采用微电极技术，测定稻田土壤N2O浓度分布，分析水碳联合管理对稻田土壤剖面N2O浓度的影响，以期为南方地区稻田温室气体减排与水土资源可持续利用提供科学依据。

1 试验条件与方法

1.1 试验条件

试验区位于河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山试验研究基地(34°63′21″N，121°05′22″E)。试验区属亚热带南部季风气候区，年平均气温15.5℃，年降水量1 097.1 mm，年蒸发量1 365.9 mm，日照时数2 085.9 h，平均无霜期234 d。当地习惯稻麦轮作，土壤为潴育型黄泥土，耕层土壤质地为重壤土，0～18 cm土层土壤有机质质量比为21.71 g/kg，全氮质量比为1.79 g/kg，全磷质量比1.4 g/kg，全钾质量比为20.86 g/kg，pH值为7.4，0～30 cm土壤密度为1.32 g/cm3。

1.2 试验方法

试验设置2种灌溉方式：常规灌溉(简称常灌)，记为F；控制灌溉(简称控灌)，记为C；2种肥料管理方式：秸秆还田管理(记为S)与有机肥管理(记为M)。试验共设置4个处理，分别为CS(控灌+秸秆还田管理)、CM(控灌+有机肥管理)、FS(常灌+秸秆还田管理)、FM(常灌+有机肥管理)，相应各处理下N2O浓度分别记为cCS、cCM、cFS和cFM，每个处理设3次重复，共设12个小区，每个小区面积为35 m2(5 m×7 m)，各小区之间用深入田下1 m的PVC板相隔，防止小区间水分交换。

试验选用的水稻品种为南粳46号，水稻秧苗于2018年6月25日移栽，株距为13 cm×25 cm，每穴定3～4株，10月27日收割，稻田生育期为125 d。水稻控灌模式在返青期田面保留浅薄水层，之后各生育期实行无水层水分管理，以根层土壤水分作为控制指标[15]；水稻常灌模式除分蘖后期排水晒田和黄熟期自然落干，其余生育期田面保留3～5 cm水层。施肥管理根据当地农民的习惯施肥方法和施肥量进行。6月19日基肥施用复合肥525 kg/hm2(N、P2O5、K2O的质量分数分别为16%、12%和17%)、尿素225 kg/hm2(N的质量分数不低于46.2%)；7月11日和8月6日分别施用分蘖肥和穗肥，均为尿素(N的质量分数不低于46.2%)，施用量分别为150 kg/hm2和120 kg/hm2。秸秆还田管理采用前茬小麦秸秆(有机碳质量比为441 g/kg)，粉碎后还田，还田量为3 000 kg/hm2；有机肥管理采用石家庄冀田生物科技有限公司供应的腐熟鸡粪(水分质量分数为23%，氮质量比为16.3 g/kg，有机碳质量比为261 g/kg，P2O5质量比为15.4 g/kg，K2O质量比为20.7 g/kg)，施用量为7 500 kg/hm2。秸秆和有机肥投放时间均与基肥施用时间相同，施用之后翻地，使之与耕作层土壤混合均匀。

1.3 观测项目与方法

土壤剖面N2O浓度采用N2O-NP微电极(丹麦，Unisense)进行测定。N2O微电极是一种电流型微电极，电流的产生是微电极极端物质的电化学氧化或还原作用所致，并且与待测物质的浓度成一定比例，从而可将物质的浓度转化为电流信号输出，由主机Microsensor Multimeter收集，并通过软件Sensor Trace PRO V.3.1.3在计算机中自动读取。微电极平台如图1所示。

图1 微电极平台Fig.1 Micro-level platform

施加分蘖肥、穗肥后第2天、第4天、第6天、第8天采集各小区土样，取样深度为0～20 cm。土样自然风干、粉碎后过2 mm筛，分别装入自封袋备用。微电极试验开始前，称取同处理3份等量土样拌制成土柱，静置一夜后28℃恒温培养7 d(容器为内径3.5 cm、外径4.5 cm、高度6 cm的透明柱状体)。控灌处理将风干土壤水分调节到80%饱和含水率(微电极试验前，分别取各处理自封袋中土样，采用烘干法测定土壤含水率，从而计算拌制80%饱和含水率土柱所需水量)；淹灌处理土壤表层保持薄水层。

土壤剖面N2O浓度测定试验设计：取土柱中心剖面进行测定，测30 mm深，步距为1.5 mm，共测22个点，每点停14 s，测8 s。以土壤-空气(溶液)界面为零基准面，向下为正，向上为负。

1.4 数据分析

用Excel 2013初步分析数据并建立数据库，绘制相关图表。数据方差分析与显著性差异分析用SPSS 22完成，采用LSD 法作多重比较分析(差异显著性水平为p=0.05)。

2 结果与分析

2.1 水分管理模式对稻田土壤N2O浓度的影响

2.1.1 秸秆还田下稻田土壤N2O浓度对水分管理的响应

分析施肥后不同水分管理模式下秸秆还田稻田土壤N2O浓度分布(图2和图3)可以发现，施加分蘖肥和穗肥后总体规律一致，施肥后1～6 d内，基本呈现上层土壤(0～1 cm)cCS

图2 施加分蘖肥后秸秆还田稻田土壤N2O浓度分布Fig.2 Distribution of N2O concentration in straw returning paddy soil after tiller fertilizer

图3 施加穗肥后秸秆还田稻田土壤N2O浓度分布Fig.3 Distribution of N2O concentration in straw returning paddy soil after panicle fertilizer

施加分蘖肥后第2天，0～7.5 mm：cCScFS；第4天、第6天，cCScFS转折点在深度16.5 mm和13.5 mm处，但cCS出现最大值后呈现减小趋势，而cFS持续增大，分别在28.5 mm和24.0 mm后出现cCS

施加穗肥后第2天、第6天，转折点分别在深度15.0 mm和18.0 mm处，转折点以上，cCScFS；第4天，cCS均值较cFS小44.3%，差异显著(p<0.05)；第8天，cCS均值较cFS大94.1%，差异显著(p<0.05)。

2.1.2 有机肥施用下稻田土壤N2O浓度对水分管理的响应

分析施肥后不同水分管理模式下有机肥施用稻田土壤N2O浓度分布(图4和图5)可以发现，施加分蘖肥和穗肥后总体规律一致，施肥后第2天，上层和深层土壤(0～1 cm，2～3 cm)cCM

图4 施加分蘖肥后有机肥稻田土壤N2O浓度分布Fig.4 Distribution of N2O concentration in organic fertilizer paddy soil after tiller fertilizer

图5 施加穗肥后有机肥稻田土壤N2O浓度分布Fig.5 Distribution of N2O concentration in organic fertilizer paddy soil after panicle fertilizer

施加分蘖肥后第2天，先呈现cCMcFM，转折点在6.0 mm处，但cFM出现最小值后持续增大，27.0 mm后出现cCM

施加穗肥后第2天，在深度小于15.0 mm处cCM与cFM较接近，大于15.0 mm处，出现cCM

2.2 碳管理模式对稻田土壤N2O浓度的影响

2.2.1 控制灌溉稻田土壤N2O浓度对不同碳管理的响应

分析施肥后不同碳管理模式下控灌稻田土壤N2O浓度剖面分布(图6和图7)可以发现，控灌稻田土壤浅层(0～1 cm)秸秆还田和有机肥施用对N2O浓度无显著影响(p>0.05)，但在较深处(1～3 cm)，cCS显著大于cCM(p<0.05)。

图6 施加分蘖肥后控灌稻田土壤N2O浓度分布Fig.6 Distribution of N2O concentration in controlled irrigation paddy soil after tiller fertilizer

图7 施加穗肥后控灌稻田土壤N2O浓度分布Fig.7 Distribution of N2O concentration in controlled irrigation paddy soil after panicle fertilizer

施加分蘖肥后第2、4、6、8天分别在深度4.5 mm、15.0 mm、12.0 mm、9.0 mm以上相差不大(p>0.05)，这些点以下，cCS均值较cCM分别大22.8%、416%、51.6%和21.8%，差异显著(p<0.05)，两者在深度30.0 mm、25.5 mm、16.5 mm、25.5 mm处相差最大，cCS较cCM分别大0.156 μmol/L、0.654 μmol/L、0.398 μmol/L和0.228 μmol/L。

施加穗肥后第2、4、6、8天在深度15.0 mm以上cCS与cCM相差不大(p>0.05)，在15.0 mm以下，cCS均值较cCM分别大49.1%、43.4%、96.8%和45.8%，差异显著(p<0.05)，两者在深度30.0 mm、15.0 mm、30.0 mm和24.0 mm处相差最大，cCS较cCM分别大0.388 μmol/L、0.190 μmol/L、0.238 μmol/L和0.282 μmol/L。

2.2.2 常规灌溉稻田土壤N2O浓度对不同碳管理的响应

分析施肥后不同碳管理模式下常灌稻田土壤N2O浓度剖面分布(图8和图9)可以发现，在常灌条件下，施加分蘖肥后，cFS基本小于cFM，这与控灌条件下呈现规律相反；施加穗肥后，秸秆还田和有机肥施用对常灌稻田N2O浓度无显著影响(p>0.05)。

图8 施加分蘖肥后常灌稻田土壤N2O浓度分布Fig.8 Distribution of N2O concentration in conventional irrigation paddy soil after tiller fertilizer

图9 施加穗肥后常灌稻田土壤N2O浓度分布Fig.9 Distribution of N2O concentration in conventional irrigation paddy soil after panicle fertilizer

施加分蘖肥后，除在第2天深度小于24.0 mm及第6天深度大于24.0 mm处cFS>cFM，其余均呈现为cFS

施加穗肥后，在第2天深度小于15.0 mm处及第4天和第6天cFS>cFM；而在第2天深度大于15.0 mm处及第8天cFS0.05)。

2.3 水碳联合管理对稻田土壤N2O浓度均值影响

由表1可知，施加分蘖肥后，cCS、cCM、cFS、cFM均值分别为0.555 μmol/L、0.411 μmol/L、0.416 μmol/L和0.513 μmol/L，cCM均值较cCS、cFM分别小35.1%和24.8%，差异显著(p<0.05)，cCM略小于cFS(p>0.05)。施加穗肥后，cCS、cCM、cFS、cFM均值分别为0.401 μmol/L、0.275 μmol/L、0.368 μmol/L和0.327 μmol/L，cCM均值较cCS、cFS、cFM分别小45.5%、33.7%和18.8%，差异显著(p<0.05)。

不同水碳联合管理模式下，施加分蘖肥后，稻田土壤N2O浓度均值cCS>cFM>cFS>cCM；施加穗肥后，稻田土壤N2O浓度均值cCS>cFS>cFM>cCM，控灌模式下秸秆还田N2O浓度最高，控灌模式下施用有机肥N2O浓度最低，常灌下的2种碳管理模式位于两者之间，水碳管理模式对N2O浓度的影响存在交互作用[16]。

3 讨 论

试验中施肥后1～6 d内，控灌稻田土壤N2O浓度在不同深度多次出现小于常灌稻田，这与已有研究不一致。这是由于施肥后1～6 d 内，土壤中N2O的产生更加受氮肥施用的影响，且常灌稻田对肥料的响应更明显，导致出现常灌稻田土壤N2O浓度大于控灌稻田；施肥后第8天开始，控灌稻田土壤不同深度N2O浓度均大于常灌稻田，此时肥料的作用逐渐减小，水分成为影响N2O产生的主导因素。

肥料是影响稻田N2O排放的重要因素[3-4]，本研究发现控灌稻田在土壤较深处(1～3 cm)，cCS>cCM；常规灌溉稻田无明显规律。秦晓波等[17]研究发现，早稻田施加有机肥N2O排放大于秸秆还田处理，两者差异不显著，而晚稻田秸秆还田处理N2O排放远大于有机肥施用。这与本研究发现存在一定差异，但碳管理对N2O产生的影响本身是一个复杂的问题，受土壤含水量、土壤类型、肥料施用、土壤C/N等多种因素的影响，且不同的试验设计，试验条件都会对结论造成影响。

本研究更多的关注N2O浓度分布特征，而已有研究多是关于N2O排放，稻田N2O排放是温度、氧气、反应底物浓度和传输过程交互作用的结果[18]。浓度一定程度上可以反映排放，但存在一定差异，研究表明常灌稻田N2O排放较低[5-6]，但本研究发现，在施肥后1～6 d内，多次出现常灌稻田N2O浓度大于控灌稻田。这是因为淹水条件导致产生的N2O的扩散受阻，停留在土壤中以至于被进一步还原成N2[19]。因此，N肥的施用是N2O产生的基础，水分是影响N2O排放的主要因素[20]。

4 结 论

a.施肥后1～6 d 内，控灌稻田土壤在不同深度出现N2O浓度小于常灌稻田，施肥后第8天开始，控灌稻田土壤不同深度N2O浓度均显著大于常灌稻田(p<0.05)，且2种碳管理模式下规律基本一致。

b.控灌稻田土壤浅层(0～1 cm)，秸秆还田和有机肥施用对N2O浓度无显著影响(p>0.05)，但在较深处(1～3 cm)，cCS显著大于cCM(p<0.05)；但两种碳管理模式对常灌稻田N2O浓度的影响无明显规律。

c.控灌模式下秸秆还田N2O浓度最高，控灌模式下施用有机肥N2O浓度最低。施加分蘖肥后，cCM均值较cCS、cFM分别小35.1%和24.8%，差异显著(p<0.05)，cCM略小于cFS(p>0.05)；施加穗肥后，cCM均值较cCS、cFS、cFM分别小45.5%、33.7%和18.8%，差异显著(p<0.05)。