不同灌溉施氮模式对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响

李熠凡，李烙布，李伏生

不同灌溉施氮模式对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响

李熠凡，李烙布，李伏生*

（广西大学 农学院，南宁 530004）

【】研究不同灌溉施氮模式对稻田甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）排放的影响，以获得降低2季稻田温室气体（）排放的灌溉施氮模式。通过田间试验，测定了3种灌溉模式（常规灌溉CR、“浅湿晒”灌溉TR和干湿交替灌溉DR）和3种施氮处理下FN1（纯氮120 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=20∶40∶40）、FN2（纯氮120 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）、FN3（纯氮90 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）2季稻田CH4和N2O通量，并计算了其全球增温潜势（）和温室气体排放强度（）。FN1处理和FN3处理下DR模式2季稻产量合计较CR模式分别增加17.9%和21.1%。TR模式和CR模式下FN1处理早稻产量和2季稻产量合计较FN2处理分别增加13.4%和11.4%，以及16.1%和12.6%。DR模式下FN2处理早稻产量较FN3处理增加11.0%。DR-FN1处理2季稻产量合计最高。FN1、FN2处理和FN3处理下TR和DR模式整个生育期2季稻田CH4累积排放量较CR模式分别降低17.1%～22.5%和43.0%～56.8%，但是FN1处理和FN2处理下稻田N2O累积排放量较CR模式分别增加69.3%～85.2%和146.2%～160.7%。TR模式下，FN3处理整个生育期2季稻田CH4和N2O累积排放量分别较FN2处理降低26.8%和32.3%。TR和DR模式的和低于CR模式，且DR模式和最低。FN1处理和FN3处理的低于FN2处理，且FN1处理的最低。因此，不同施氮处理下，TR和DR模式代替CR模式可以降低和。TR和DR模式下，采用低氮肥用量以及少施基肥和多施追肥方案来可以降低和，其中DR-FN1处理是本研究合适的灌溉施氮模式，可以增加水稻产量并降低和。

“浅湿晒”灌溉；干湿交替灌溉；CH4和N2O排放；全球增温潜势；温室气体排放强度

0 引言

【研究意义】甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是大气中主要的温室气体，其质量浓度升高会加剧全球温室效应[1]。稻田系统是CH4和N2O的排放源，全球每年CH4总排放的17%左右源于稻田[2]，农田土壤是温室气体重要排放源[3]，而合理施肥和水分管理是降低稻田温室气体排放和温室效应的主要措施。【研究进展】节水灌溉模式是降低稻田CH4排放量和温室效应的有效水分管理方式[4]。与持续淹水相比，干湿交替灌溉（DR）稻田CH4排放量降低37.4%～45.7%[5]；控制灌溉稻田CH4排放量降低83.5%，而全生育期控制灌溉稻田N2O排放量增加135.4%[6]。与常规灌溉（CR，除分蘖末期晒田和黄熟期自然落干以外，其他各生育期田间土壤均保持浅水层）相比，“浅湿晒”灌溉（TR）和DR模式降低稻田CH4排放和温室效应[7]。优化氮肥施用也是有效降低稻田CH4和N2O排放及温室效应的措施之一。与不施氮处理相比，高无机氮处理降低稻田CH4排放量15%，而低无机氮处理则增加稻田CH4排放量18%[8]，在酸性土壤中施入尿素有利于CH4形成，而在中性或碱性土壤中施入尿素抑制CH4形成[9]。较低的氮肥用量降低稻田N2O排放[10]，相比高尿素用量（纯氮300 kg/hm2），低尿素用量（纯氮160 kg/hm2）稻田N2O的排放较低[11]。不同灌溉施氮模式对于水稻CH4和N2O减排的影响不同，稻田CH4和N2O排放存在明显的消长关系，有利于抑制CH4排放的水分管理或施肥措施，可能会助长N2O的排放。Li等[12]发现，TR和DR模式减少CH4排放，但增加N2O的排放。因此研究水肥管理措施对稻田温室气体排放的影响，对温室效应进行总体评估，对稻田CH4和N2O减排尤为重要。土壤溶液中NO3-质量浓度是影响稻田N2O排放的一个重要因子，施用氮肥可使土壤溶液中NO3-质量浓度发生变化，从而影响稻田N2O排放。施肥方式相同时，灌溉模式对稻田浅层土壤溶液中NO3-质量浓度变化影响较大，如控制灌溉稻田浅层土壤溶液中NO3-质量浓度高于持续淹灌；不同施肥处理稻田地表水和各层土壤溶液中NO3-质量浓度随灌溉模式的不同表现出相反的变化规律[13]。【切入点】目前不同地区有关灌溉和施氮管理对稻田温室气体排放及温室效应的影响虽有研究，但是在广西北回归线以南地区，不同节水灌溉模式与施氮处理结合对稻田CH4和N2O排放及温室效应的影响还有待进一步探索。赵国胜等[14]研究表明，TR和DR模式下，稻田N2O平均排放通量较常规灌溉（CR）模式分别提高92.82%、175.95%；CR和DR模式下，低氮量处理稻田整个生育期N2O平均排放通量低于高氮量处理。方泽涛等[15]通过加入有机氮肥发现，尿素配施猪粪处理下，TR模式早稻产量较CR模式提高20.9%。但有关施氮量与基追肥比例结合如何影响稻田CH4和N2O排放及温室效应值得深入研究。【拟解决的关键问题】因此本文通过大田试验，研究不同灌溉模式（TR和DR）和施氮处理下（施氮量与氮肥基追比例结合）2季稻田CH4和N2O排放规律、全球增温潜势（）和温室气体排放强度（），以期进一步获得降低2季稻田温室效应的水氮管理措施。

1 材料与方法

1.1 试验地点和材料

2016年7月—2017年8月在广西南宁市灌溉试验站（N22°52′58.33″，E108°17′38.86″）进行晚稻及早稻大田试验。晚稻和早稻分蘖期、孕穗期、乳熟期和成熟期降水量分别为619.2、6.4、81.0 mm和7.8 mm，以及186.3、83.0、97.7 mm和222.3 mm。试验土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土，其主要理化性质：土壤体积质量1.2 g/cm3，饱和含水率（s）49.2%，pH值7.0，有机碳量15.6 g/kg，全氮量1.3 g/kg，碱解氮量113.6 mg/kg，速效磷量50.0 mg/kg，速效钾量110.6 mg/kg。晚稻和早稻品种均用当地推广的内5优8015，属籼型三系杂交水稻。

1.2 试验方法

田间试验设3种灌溉方式和3种施氮处理。3种灌溉方式为常规灌溉CR、“浅湿晒”灌溉TR和干湿交替灌溉DR，各灌溉模式水分控制标准见表1，在降雨时各灌溉方式田面水层均可以增加10～30 mm。干湿交替灌溉是通过在各小区均安装土壤TEN45水分张力计（南京土壤仪器公司）监测土壤水势的变化。3种施氮处理为FN1（纯氮120 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=20∶40∶40）、FN2（纯氮120 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）、FN3（纯氮90 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）。试验所用尿素（含N 46%），过磷酸钙（含P2O514%），氯化钾（含K2O 60%）。P2O5用量均为60 kg/hm2（100%基肥），K2O用量均为120 kg/hm2（50%基肥、分蘖肥与穗肥各占25%）。试验共9个处理，每个处理设3个重复，共27个小区，随机区组排列，每小区面积25 m2。小区之间用25 cm厚、120 cm深红砖水泥墙隔离分开，以防小区之间水分相互侧渗，保证各小区独立排水。各小区均用水管引入固定水源，单独安装水表。

表1 不同灌溉模式稻田水分控制标准

注 CR常规灌溉，TR浅湿晒灌溉，DR干湿交替灌溉，s为土壤饱和含水率（%）。

晚稻试验于2016年7月4日播种，8月1日大田移栽（选取长势均匀、有2个分蘖的秧苗，单株栽培，株行距20 cm×20 cm），8月16日施分蘖肥（移栽后15 d），8月22日水稻返青后进行灌水处理，9月13日开始晒田，9月22日复水后施穗肥（移栽后52 d），11月8日水稻收割，实测各小区稻谷产量。整个大田生育期为99 d。

早稻试验于2017年3月10日播种，4月12日大田移栽（选取长势均匀、有2个分蘖的秧苗，单株栽培，株行距20 cm×20 cm），4月16日施分蘖肥（移栽后4 d），4月20日水稻返青后进行灌水处理，5月27日开始晒田，6月3日复水后施穗肥（移栽后50 d），7月18日水稻收割，实测定各小区稻谷产量。整个大田生育期为95 d。

1.3 CH4和N2O气体采集、测定及计算

用静态箱法采集CH4和N2O气样。静态箱箱体由厚3 mm的不锈钢制成，箱体规格50 cm×50 cm×100 cm，四周和顶部封闭，底部开口，箱内安装风扇；箱外包一层铝箔，以降低采样期间由于太阳辐射引起的箱内温度变化。水稻移栽后各处理安装不锈钢静态箱底座（50 cm×50 cm），底座入泥5 cm，底座内含生长水稻。取样时静态箱垂直安放在底座凹槽内并用水密封，以防静态箱和地面的接触处漏气，保证箱内气体与大气不进行交换。具体采集装置参照董艳芳等[7]的方法安装。采样前将箱内侧面2个风扇打开，以保持气体均匀混合，采气孔位于侧面，用注射器采集气样。稻田CH4和N2O从返青后采样，根据田间水分变化规律采样，早晚稻田每隔5～7 d采气1次，同时记录箱温。每个采样点在盖箱后第0、5、10、15、20、25 min和30 min时用注射器采样[7]，每次样品量为100 mL。

CH4和N2O量采用Agilent 7890A气相色谱仪（美国安捷伦科技有限公司）手动进样测定，CH4量检测用电子捕获检测器（FID），N2O量检测用氢火焰离子检测器（ECD）。不同时期CH4与N2O累积排放量用Li等[12]的计算方法。全球增温潜势根据生育期内CH4或N2O累积排放量，计算相应CH4和N2O排放CO2当量（，kg，以CO2计）。以100 a影响尺度为计，1 kg CH4和N2O的增温潜势分别是1 kg CO2的28倍和265倍[1]。

式中：CH4和N2O分别为CH4和N2O累积排放量；（CH4）为CH4排放量的CO2当量，即CH4增温潜势（CO2kg/hm2）；（N2O）为N2O排放量的CO2当量，即N2O增温潜势（CO2kg/hm2）；为全球增温潜势（CO2kg/hm2）。

温室气体排放强度（，CO2kg/t）是与水稻产量的比值[12]。

/， （4）

式中：为单位面积平均产量（t/hm2）。

1.4 统计方法

用Excel 2007对所有试验数据进行整理作图，试验数据方差分析和多重比较用SPSS 24.0软件，显著性水平为<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉施氮模式下水稻产量

图1显著性水平为<0.05。由图1可知，与CR模式相比，FN2处理下DR模式早稻产量增加12.8%；FN1处理和FN3处理下DR模式晚稻产量分别增加30.4%和49.7%；FN1处理和FN3处理下DR模式2季稻产量合计分别增加17.9%和21.1%。TR模式下，FN1处理早稻产量比FN2处理增加13.4%，FN1处理的2季稻产量合计要比FN2处理增加16.1%。DR模式下，FN1处理2季稻产量合计较FN2处理增加12.6%，FN2处理早稻产量较FN3处理增加11.0%。CR模式下，FN1处理早稻产量比FN2处理增加11.4%。此外，DR-FN1处理2季稻产量合计最高。

图1 不同处理下水稻产量

图2 不同处理下稻田CH4通量动态变化

2.2 不同灌溉施氮模式下稻田CH4排放

图2为各处理早晚稻生育期内稻田CH4通量动态变化。图2中F表示追肥，D表示前后几天处于晒田。TR和CR模式稻田CH4通量在施分蘖肥后增加，分蘖中期出现峰值后，稻田CH4通量呈先减后增趋势，之后晒田期稻田CH4通量大幅度下降，复水后稻田CH4通量呈增加趋势，直到成熟期自然落干前出现小排放峰。DR模式稻田CH4通量在施分蘖肥后于分蘖前期出现排放峰值，之后呈波动减少趋势，直到晒田期稻田CH4通量大幅度下降，复水后无增长趋势。

由表2可知，灌溉方式、施氮处理、采样时期和稻季均显著影响稻田CH4累积排放量，且除施氮处理与稻季二因素之间的交互作用影响不显著外，其他二因素之间的交互作用极显著影响稻田CH4累积排放量。此外，灌溉方式、采样时期和稻季三因素之间的交互作用也显著影响稻田CH4累积排放量。

表2 CH4和N2O累积排放量的方差分析

注<0.05，显著；<0.01，极显著；>0.05不显著。

由表3可知，各处理2季稻田CH4排放量主要集中在分蘖期，分蘖期晚稻田和早稻田CH4累积排放量分别占整个生育期的55%～79%和81.4%～95.3%。

由表3可知，与CR模式相比，晚稻季，在分蘖期，FN1处理下DR模式稻田CH4排放量降低36.6%，FN2处理下TR和DR模式分别降低22.0%和45.9%，FN3处理下DR模式降低38.8%；在孕穗期，FN1、FN2处理和FN3处理下DR模式稻田CH4排放量分别降低44.6%、38.4%和46.1%；在乳熟期，FN1处理下TR和DR模式稻田CH4排放量分别降低32.3%和97.9%，FN2处理下TR和DR模式分别降低48.6%和97.2%，FN3处理下DR模式降低97.2%。在成熟期，FN1处理下TR和DR模式稻田CH4排放量分别降低65.8%和97.0%，FN2处理下TR和DR模式分别降低56.4%和99.1%，FN3处理下DR模式降低94.7%。整个生育期FN1处理和FN2处理下TR和DR模式稻田CH4排放量分别降低23.5%和55.9%以及31.4%和65.3%，FN3处理下DR模式降低54.0%。TR模式下，FN1处理乳熟期、成熟期和整个生育期稻田CH4排放量比FN2处理分别降低25.9%、64.2%和22.7%，FN3处理乳熟期和整个生育期稻田CH4排放量较FN2处理分别降低31.0%和23.1%；CR模式下，FN1处理分蘖期、乳熟期、成熟期和整个生育期稻田CH4排放量较FN2处理分别降低22.5%、43.7%、54.3%和30.7%，FN3处理晚稻分蘖期、乳熟期、成熟期和整个生育期稻田CH4累积排放量较FN2处理分别降低24.6%、54.6%、72.4%和35.4%（表3）。

早稻季，与CR模式相比，在分蘖期，FN2处理下DR模式稻田CH4排放量降低36.1%（表3）。在孕穗期，FN1处理下TR模式稻田CH4排放量降低53.3%，FN2处理下TR模式增加61.5%，而DR模式降低41.8%。在乳熟期，FN2处理下TR模式稻田CH4排放量增加37.2%，而DR模式降低56.8%。在成熟期，FN1、FN2处理下DR模式稻田CH4排放量分别降低68.7%和77.7%。整个生育期FN1处理和FN2处理下DR模式稻田CH4累积排放量分别降低35.6%和41.1%。TR模式下，FN1处理孕穗期和乳熟期稻田CH4排放量比FN2处理分别降低79.6%和50.6%，FN3处理孕穗期、乳熟期、成熟期和整个生育期稻田CH4排放量比FN2处理分别降低57.1%、60.4%、64.0%和31.9%。CR模式下，FN3处理整个生育期稻田CH4累积排放量比FN2处理降低24.5%（表3）。

FN1、FN2处理和FN3处理下，TR和DR模式整个生育期2季稻田CH4累积排放量分别降低20.1%和47.9%，22.5%和56.8%以及17.1%和43.0%（表3）。TR模式下，FN1处理整个生育期2季稻田CH4累积排放量较FN2处理降低22.9%，FN3处理2季稻田CH4累积排放量较FN2处理降低26.8%。CR模式下FN3处理整个生育期2季稻田CH4累积排放量较FN2处理降低31.6%。因此，TR和DR模式整个生育期2季稻田CH4排放量显著低于CR模式。TR和CR模式下，FN3处理整个生育期2季稻田CH4排放量显著低于FN2处理。

表3 不同处理下不同生育期稻田CH4累积排放量

注 TS-分蘖期；BS-孕穗期；MS-乳熟期；RS-成熟期，表中数值为平均值±标准误（=3），同一行不同小写字母表示差异显著（<0.05）。

2.3 不同灌溉施氮模式下稻田N2O排放

图3为不同处理下早晚稻整个生育期内稻田N2O通量动态变化。TR和CR模式稻田N2O通量在分蘖期基本处于吸收状态，无N2O排放，DR模式在排放与吸收之间波动。晒田时期TR和DR模式稻田N2O通量大幅度增长，而CR模式则增长幅度小，复水后稻田N2O通量呈降低趋势。在乳熟期中期，稻田N2O通量出现排放峰，进入成熟期后TR、DR和CR模式稻田N2O通量都呈增加趋势。此外，各处理孕穗期2季稻田N2O通量较低。

由表2可知，灌溉方式、采样时期、稻季以及采样时期和稻季间的交互作用极显著影响稻田N2O累积排放量。各处理两季稻田N2O排放量主要集中在乳熟期和成熟期（表4）。

由表4可知，晚稻季，在分蘖期与乳熟期，FN1、FN2处理和FN3处理下TR和DR模式稻田N2O排放量与CR模式之间的差异均不显著。在孕穗期，FN1和FN2处理下DR模式稻田N2O排放量较CR模式分别增加313.1%和259.6%。在成熟期，与CR模式相比，FN1处理下TR模式稻田N2O排放量增加60.6%，FN3处理下DR模式增加79.9%。FN1、FN2处理和FN3处理下，整个生育期DR模式稻田N2O累积排放量较CR模式分别增加575.8%、589.3%和406.1%。此外，TR和CR模式下，FN3处理成熟期稻田N2O排放量较FN2处理分别降低46.3%和43.6%。

早稻季，在分蘖期，FN1、FN2处理和FN3处理下TR和DR模式稻田N2O排放量与CR模式之间的差异不显著（表4）；在孕穗期，与CR模式相比，FN1处理下TR和DR模式稻田N2O排放量分别增加296.0%和312.2%，FN2处理下TR和DR模式分别增加329.4%和311.1%，FN3处理下DR模式增加103.9%。在乳熟期，与CR模式相比，FN2处理下DR模式稻田N2O排放量增加77.8%，FN3处理下TR模式增加152.7%。在成熟期，与CR模式相比，FN1处理下DR模式稻田N2O排放量增加60.2%，FN2处理下TR模式增加99.8%。相比CR模式，FN1处理下整个生育期TR和DR模式稻田N2O排放量分别增加43.4%和64.0%，FN2处理下分别增加56.7%和79.1%，FN3处理下DR模式增加68.6%。TR模式下，FN3处理整个生育期稻田N2O累积排放量较FN2处理降低26.5%。DR模式下，FN1处理乳熟期和成熟期稻田N2O排放量较FN2处理分别降低34.0%和增加69.0%，FN3处理乳熟期稻田N2O排放量较FN2处理降低65.5%。CR模式下，FN1处理乳熟期稻田N2O排放量比FN2处理增加54.3%，而FN3处理乳熟期和成熟期稻田N2O排放量较FN2处理分别降低55.0%和95.3%（表4）。

与CR模式相比，FN1处理下TR和DR模式整个生育期2季稻田N2O累积排放量分别增加69.3%和146.2%，FN2处理下分别增加85.2%和160.7%；FN3处理下DR模式增加120.7%（表4）。TR模式下，FN3处理整个生育期2季稻田N2O累积排放量较FN2处理降低32.3%。因此，TR和DR模式整个生育期2季稻田N2O累积排放量显著高于CR模式。TR模式下FN3处理整个生育期早稻田N2O排放量和2季稻田N2O累积排放量显著低于FN2处理。

2.4 不同灌溉施氮模式下稻田温室效应

由表5可知，CH4和N2O对稻田的贡献不同，CH4对的贡献率达99%以上，而N2O对的贡献率不足1%，因此，CH4是稻田排放的主要温室气体。与CR模式相比，FN1处理和FN2处理下TR和DR模式的CH4增温潜势分别降低20.1%和47.9%以及22.5%和56.8%，FN3处理下DR模式降低43.0%。FN1、FN2、FN3处理下，TR和DR模式N2O增温潜势较CR模式增加不显著。FN1处理和FN2处理下，TR和DR模式较CR模式分别降低20.0%和47.5%以及22.4%和56.5%，FN3处理下DR模式降低42.7%。与CR模式相比，FN1处理和FN2处理下TR和DR模式稻田分别降低28.4%和56.9%以及19.0%和60.1%，FN3处理下DR模式降低54.8%。

表5 不同处理下稻田全球增温潜势（GWP）及温室气体排放强度（GHGI）

注 同列不同小写字母表示差异显著（<0.05），相同小写字母或没有字母表示差异不显著（>0.05）。

由表5可知，与FN2处理相比，DR模式下FN1处理的CH4增温潜势、和分别降低9.8%、9.6%和21.0%，CR模式下分别降低25.2%、25.2%和26.7%，TR模式下FN1处理的降低35.2%。此外，CR模式下FN3处理的CH4增温潜势、和较FN2处理分别降低31.6%、31.6%和21.8%。此外，稻田和以DR-FN1处理最低，CR-FN2处理最高。

3 讨论

3.1 不同灌溉施氮模式下水稻产量

TR和DR模式水稻产量较CR模式提高，DR模式水稻产量最高，以往研究也有相似的结果[7,16]。在一定施氮量范围内，随着施氮量的增加，水稻产量增加[17]，本研究FN2处理（纯氮120 kg/hm2）水稻产量较FN3处理（纯氮90 kg/hm2）提高。与FN2处理（ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）相比，FN1处理（ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=20∶40∶40）水稻产量提高。朱从桦等[18]开展不同氮肥运筹模式（N1模式ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=60∶20∶20，N2模式ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=40∶20∶40，N3模式ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=20∶20∶60）研究表明，N2模式产量比N1模式和N3模式增加7.5%～15.8%。因此合理的基肥、分蘖肥和穗肥比例会提高水稻产量。

3.2 不同灌溉施氮模式下稻田CH4排放

本研究分蘖期2季稻田CH4平均排放量远高于其他3个时期的主要原因是田间的水分管理。CR模式在分蘖期时处于淹水状态，有利于CH4的产生，TR与CR模式分蘖期CH4平均排放量高的原因如下：一是相比其他3个时期，分蘖期处于根系发育阶段，能产生更多的根系分泌物，为CH4的产生提供前提基质；二是分蘖末期晒田改善土壤通气性，产CH4菌活性降低，晒田后复水也未能恢复产CH4菌活性，致使稻田CH4排放降低[19]。三是晒田后复水进入孕穗期，水稻根系氧化膜表面积增加，促进CH4氧化菌数量增多，致使土壤CH4被氧化量增加，稻田CH4排放量降低。孕穗期CH4累积排放量低于乳熟期，主要原因可能是分蘖末期长达1周的晒田，使产CH4菌生长区域深度与产CH4菌活性降到最低点，从孕穗期到乳熟期产CH4菌活性处于恢复状态。

灌溉模式通过改变稻田土壤水分状况，从而改变生育期内稻田CH4的排放[20]。相比淹灌模式，节水灌溉模式能显著降低稻田CH4排放通量，特别是DR模式[13]。本研究TR和DR模式CH4排放量显著低于CR模式，且TR模式CH4排放量高于DR模式。相比CR模式，TR模式土壤水层较薄，增加了土壤表层氧化层的厚度，增加了土壤CH4氧化速率，因此TR模式对CH4具有减排效果；DR模式一直处于薄水层和无水层之间交替，在一定程度上致使产CH4菌生长区域往土壤深处转移和降低了产CH4菌活性，使CH4产生量较少，同时增加了土壤表层氧化层的厚度，增加土壤CH4氧化速率，导致稻田CH4排放量降低。

TR、DR和CR模式下，FN3处理（施氮量为90 kg/hm2）早晚稻田以及2季稻田CH4累积排放量低于FN2处理（施氮量为120 kg/hm2）。一定施氮范围内，稻田CH4排放随施氮量增加而增加，且氮肥对CH4的氧化有抑制作用，从而增加CH4的排放[21]。与FN2处理相比，FN1处理降低早晚稻田以及2季稻田CH4累积排放量，这因为基肥和分蘖肥施氮量多，促进水稻根系发育，增加根系分泌物，为CH4产生提供更多的前体基质[22]。

3.3 不同灌溉施氮模式下稻田N2O排放

稻田N2O排放主要集中在乳熟期和成熟期，分蘖期和孕穗期主要为负值，呈消耗状态。水稻生长中期晒田导致N2O排放出现峰值，此时土壤水分条件对硝化细菌和反硝化细菌的生长繁殖较为有利，促进了稻田N2O的排放，裴自伟等[23]也得到类似结果。本研究分蘖期和孕穗期稻田长时间处于厌氧状态，形成强还原环境，促进反硝化作用，导致最终产物N2的形成，消耗大量的中间产物N2O，厌氧环境抑制了硝化作用，使NO3-基质得不到补充，大幅度减少中间产物N2O的形成，使得土壤与空气中的N2O形成浓度差，大气中的N2O进入土壤[24]。

灌溉模式通过改变稻田土壤水分状况影响稻田N2O排放[29]。本研究显示，TR和DR模式2季稻田N2O平均排放通量和累积排放量高于CR模式，且DR模式N2O累积排放量高于TR模式，而稻田在淹水时，N2O通量非常小，但在湿-干过程中达到顶峰[25]。以往有关2季水稻大田试验不同时期稻田N2O排放通量也得出，淹水状态下N2O排放很少，N2O排放主要集中在水分落干期间。TR和DR模式下稻田N2O平均排放通量较CR模式有所提高[14, 26]。由于TR模式一直处于薄水层，经过晒田土壤进入强氧化状态，复水后减少了土壤中O2量，促进中间产物N2O的形成；DR模式处于薄水层和无水层之间交替中，大幅度促进中间产物N2O的形成。

FN2处理（施氮量为120 kg/hm2）2季稻田N2O累积排放通量高于FN3处理（施氮量为90 kg/hm2），可能是因为高施氮量增加硝化和反硝化作用的底物，提高硝化作用与反硝化作用强度，从而增加稻田N2O排放[27]。本研究FN1处理2季稻田N2O累积排放通量高于FN2处理，主要是因为FN1处理穗肥多于FN2处理所致。

3.4 不同灌溉施氮模式下稻田温室效应

综合分析不同灌溉施氮模式下稻田CH4、N2O的综合增温潜势与温室气体排放强度。稻田和以DR-FN1处理最低，CR模式-FN2处理最高。不同处理下CH4对的贡献率都达99%以上，是稻田主要的温室气体。与常规灌溉相比，TR和DR模式在保持产量不降低的前提下，降低了稻田和，DR模式CH4和N2O增温潜势低于TR和CR模式；不同施氮处理下，FN1和FN3处理CH4和N2O增温潜势均低于FN2处理，FN1处理最低，这表明氮肥施用量的减少，可以降低稻田CH4、N2O的，且改变基追肥比例，也可以降低并且在不减氮的基础上改变基追肥比例较减氮处理显著降低稻田温室效应。由于氮肥施用量的增加，使稻田N2O排放量增加，且N2O在大气中难以净化，大气中N2O的积累对全球温室效应的影响会越来越大，因此，稻田N2O的排放同样不可忽略[22]。秦晓波等[28]通过不同施肥处理（NPKS、CK、NPK和NKM）对稻田CH4和N2O排放的影响发现，NPKS处理全球增温潜势最高，NPK处理最低。但由于N2O在总增温潜势中贡献不足1%，考虑综合效应，节水灌溉是减少稻田温室效应的有效措施。故寻求一种既能抑制CH4产生，又能减少N2O排放的灌溉施氮模式，将会对水稻温室气体减排起重要作用。DR模式和TR模式能改善稻田土壤含氧量，根系活力强，抑制CH4产生。节水灌溉模式与基追肥比例1∶1是减少稻田综合温室效应的有效措施，DR-FN1处理的灌溉施氮模式较为适宜。

4 结论

1）TR和DR模式水稻产量较CR模式高，CR和DR模式下FN2（纯氮120 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）水稻产量较FN1（纯氮120 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=20∶40∶40）高。整个生育期TR和DR模式2季稻田CH4排放量显著低于CR模式，而N2O累积排放量显著高于CR模式。TR模式下，FN3（纯氮90 kg/hm2，ω（基肥）∶ω（分蘖肥）∶ω（穗肥）=50∶25∶25）整个生育期2季稻田CH4和N2O累积排放量显著低于FN2处理。

2）DR模式CH4增温潜势显著低于TR和CR模式，而TR和DR模式N2O增温潜势高于CR模式。TR、DR模式和CR模式下，FN1处理CH4增温潜势和N2O增温潜势均低于FN2处理。由于CH4是稻田排放的主要温室气体，TR和DR模式2季稻田和低于CR模式，且以DR模式和最低。FN1和FN3处理稻田低于FN2处理，且以FN1处理稻田最低。

3）不同施氮处理下，TR和DR模式可以降低和；TR和DR模式下，应采用低氮肥用量以及少施基肥和多施追肥方案来降低和。其中DR-FN1处理增加水稻产量并降低和，是合适的灌溉施氮模式。

[1] IPCC. Climate change 2014: Synthesis report. In: Pachauri RK, Meyer LA (Eds.): Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Geneva, Switzerland: IPCC, 2014.

[2] 张明洁, 李文韬, 张京红, 等. 海南省农业温室气体排放核算研究[J]. 中国人口·资源与环境, 2014, 24(S3): 19-23.

ZHANG Mingjie, LI Wentao, ZHANG Jinghong, et al. The accounting of agriculture greenhouse gas emissions in Hainan Province[J]. China Population, Resources and Environment, 2014, 24(S3): 19-23.

[3] 张玉铭, 胡春胜, 张佳宝, 等. 农田土壤主要温室气体(CO2、CH4、N2O)的源/汇强度及其温室效应研究进展[J]. 中国生态农业学报, 2011, 19(4): 966-975.

ZHANG Yuming, HU Chunsheng, ZHANG Jiabao, et al. Research advances on source/sink intensities and greenhouse effects of CO2, CH4and N2O in agricultural soils[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(4): 966-975

[4] 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.

[5] 侯会静, 杨雅琴, 韩正砥, 等. 节水灌溉的稻田温室气体排放研究综述[J]. 江苏农业科学, 2019, 47(16): 19-24.

HOU Huijing, YANG Yaqin, HAN Zhengdi, et al. Greenhouse gas emission in paddy fields under water-saving irrigation: a review[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2019, 47(16): 19-24.

[6] HOU H J, PENG S Z, XU J Z, et al. Seasonal variations of CH4and N2O emissions in response to water management of paddy fields located in Southeast China[J]. Chemosphere, 2012, 89(7): 884-892.

[7] 董艳芳, 黄景, 李伏生, 等. 不同灌溉模式和施氮处理下稻田CH4和N2O排放[J]. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(3): 578-588.

DONG Yanfang, HUANG Jing, LI Fusheng, et al. Emissions of CH4and N2O under different irrigation methods and nitrogen treatments[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(3): 578-588.

[8] LINQUIST B A, ADVIENTO-BORBE M A, PITTELKOW C M, et al. Fertilizer management practices and greenhouse gas emissions from rice systems: A quantitative review and analysis[J]. Field Crops Research, 2012, 135: 10-21.

[9] WANG B, LI Y E, WAN Y F, et al. Modifying nitrogen fertilizer practices can reduce greenhouse gas emissions from a Chinese double rice cropping system[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2016, 215: 100-109.

[10] 宋亚娜, 林艳, 陈子强. 氮肥水平对稻田细菌群落及N2O排放的影响[J]. 中国生态农业学报, 2017, 25(9): 1 266-1 275.

SONG Ya’na, LIN Yan, CHEN Ziqiang. Effect of nitrogen fertilizer level on bacterial community and N2O emission in paddy soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(9): 1 266-1 275.

[11] ZHANG X X, YIN S, LI Y S, et al. Comparison of greenhouse gas emissions from rice paddy fields under different nitrogen fertilization loads in Chongming Island, Eastern China[J]. Science of the Total Environment, 2014, 472: 381-388.

[12] LI L B, LI F S, DONG Y F. Greenhouse gas emissions and global warming potential in double-cropping rice fields as influenced by two water-saving irrigation modes in South China[J]. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 2020, 20(4): 2 617-2 630.

[13] 王孟雪, 张忠学, 吕纯波, 等. 不同灌溉模式下寒地稻田CH4和N2O排放及温室效应研究[J]. 水土保持研究, 2016, 23(2): 95-100.

WANG Mengxue, ZHANG Zhongxue, LYU Chunbo, et al. CH4and N2O emissions from rice paddy field and their GWPs research in different irrigation modes in cold region[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2016, 23(2): 95-100.

[14] 赵国胜, 韦至激, 李伏生. 不同灌溉模式和施氮处理下双季稻田N2O通量与土壤酶活性的影响[J]. 土壤通报, 2021, 52(3): 611-619.

ZHAO Guosheng, WEI Zhiji, LI Fusheng. Relationship between nitrous oxide fluxes and soil enzyme activities in double-cropping rice field under different irrigation modes and nitrogen treatments[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2021, 52(3): 611-619.

[15] 方泽涛, 李伏生, 刘靖雯, 等. 不同灌溉模式和施氮处理下稻田N2O排放与反硝化酶活性的关系[J]. 应用与环境生物学报, 2017, 23(6): 1 059-1 066.

FANG Zetao, LI Fusheng, LIU Jingwen, et al. Relationship between N2O emission and denitrification enzyme activity in paddy soil under different irrigation modes and nitrogen treatments[J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2017, 23(6): 1 059-1 066.

[16] 李健陵, 李玉娥, 周守华, 等. 节水灌溉、树脂包膜尿素和脲酶/硝化抑制剂对双季稻温室气体减排的协同作用[J]. 中国农业科学, 2016, 49(20): 3 958-3 967.

LI Jianling, LI Yu’e, ZHOU Shouhua, et al. Synergistic effects of water-saving irrigation, polymer-coated nitrogen fertilizer and urease/nitrification inhibitor on mitigation of greenhouse gas emissions from the double rice cropping system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(20): 3 958-3 967.

[17] 林桂海, 隗平华, 潘永忠, 等. 施氮量对水稻产量和品质的影响[J]. 湖北农业科学, 2015, 54(3): 590-592.

LIN Guihai, KUI Pinghua, PAN Yongzhong, et al. Effects of nitrogen fertilizer application on yield and quality of rice[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2015, 54(3): 590-592.

[18] 朱从桦, 孙永健, 严奉君, 等. 晒田强度和氮素穗肥运筹对不同氮效率杂交稻产量及氮素利用的影响[J]. 中国水稻科学, 2014, 28(3): 258-266.

ZHU Conghua, SUN Yongjian, YAN Fengjun, et al. Effects of different paddy field drainage degrees and panicle nitrogen fertilizer managements on yield and nitrogen utilization of different nitrogen efficiency hybrid rice[J]. Chinese Journal of Rice Science, 2014, 28(3): 258-266.

[19] 马艳芹, 钱晨晨, 孙丹平, 等. 施氮水平对稻田土壤温室气体排放的影响[J]. 农业工程学报, 2016, 32(S2): 128-134.

MA Yanqin, QIAN Chenchen, SUN Danping, et al. Effect of nitrogen fertilizer application on greenhouse gas emissions from soil in paddy field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(S2): 128-134.

[20] 熊浩, 张保成, 李建柱, 等. 灌水量对冬小麦农田土壤N2O与CO2排放的影响[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(9): 41-50.

XIONG Hao, ZHANG Baocheng, LI Jianzhu, et al. Effects of irrigation amount on emission of N2O and CO2from winter wheat field[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(9): 41-50.

[21] 刘靖雯, 李伏生, 董艳芳, 等. 不同灌溉模式和施氮处理下稻田氨氧化细菌及无机氮对N2O排放的影响[J]. 华中农业大学学报, 2017, 36(4): 7-14.

LIU Jingwen, LI Fusheng, DONG Yanfang, et al. Effects of ammonia-oxidizing bacteria and inorganic nitrogen on N2O emission from paddy soil under different irrigation modes and nitrogen treatments[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2017, 36(4): 7-14.

[22] 郭腾飞, 梁国庆, 周卫, 等. 施肥对稻田温室气体排放及土壤养分的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(2): 337-345.

GUO Tengfei, LIANG Guoqing, ZHOU Wei, et al. Effect of fertilizer management on greenhouse gas emission and nutrient status in paddy soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(2): 337-345.

[23] 裴自伟, 陈意超, 李伏生, 等. 不同灌水模式和施氮处理下稻田N2O排放通量及其与硝化-反硝化细菌数量的关系[J]. 农业环境科学学报, 2017, 36(12): 2 561-2 568.

PEI Ziwei, CHEN Yichao, LI Fusheng, et al. The relationship between N2O emission flux from paddy fields and nitrifying-denitrifying bacteria under different irrigation methods and nitrogen treatments[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(12): 2 561-2 568.

[24] 刘春海, 傅民杰, 吴凤日. 不同施肥类型对北方稻田土壤温室气体排放的影响[J]. 湖北农业科学, 2016, 55(7): 1 653-1 658.

LIU Chunhai, FU Minjie, WU Fengri. Effect of different fertilizer types on emissions of greenhouse gas in the northern paddy[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2016, 55(7): 1 653-1 658.

[25] CAI Z C, XING G X, YAN X Y, et al. Methane and nitrous oxide emissions from rice paddy fields as affected by nitrogen fertilisers and water management[J]. Plant and Soil, 1997, 196(1): 7-14.

[26] WANG K, LI F S, DONG Y F. Methane emission related to enzyme activities and organic carbon fractions in paddy soil of South China under different irrigation and nitrogen management[J]. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 2020, 20(3): 1 397-1 410.

[27] 曹文超, 宋贺, 王娅静, 等. 农田土壤N2O排放的关键过程及影响因素[J]. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(10): 1 781-1 798.

CAO Wenchao, SONG He, WANG Yajing, et al. Key production processes and influencing factors of nitrous oxide emissions from agricultural soils[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(10): 1 781-1 798.

[28] 秦晓波, 李玉娥, 刘克樱, 等. 不同施肥处理稻田甲烷和氧化亚氮排放特征[J]. 农业工程学报, 2006, 22(7): 143-148.

QIN Xiaobo, LI Yu’e, LIU Keying, et al. Methane and nitrous oxide emission from paddy field under different fertilization treatments[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2006, 22(7): 143-148.

[29] 陈津赛, 王广帅, 张莹莹, 等. 玉米大豆间作对农田土壤N2O排放的影响[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(9): 32-40.

CHEN Jinsai, WANG Guangshuai, ZHANG Yingying, et al. The effects of soybean-maize intercropping on N2O emission from soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(9): 32-40.

CH4and N2O Emissions from Rice Field as Affected by Different Combinations of Irrigation and Nitrogen Fertilization

LI Yifan, LI Luobu, LI Fusheng*

(College of Agriculture, Guangxi University, Nanning 530005, China)

【】Greenhouse gas emissions from agricultural soils are modulated by a multitude of abiotic and biotic factors, and the objective of this study is to elucidate how irrigation and nitrogen (N) fertilization combine to affect emissions of methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) from double-harvest rice field in south China.【】The experiment was conducted in a rice field and compared three irrigations: conventional irrigation (CK), thin-wet-dry irrigation (TR), alternate wet and dry irrigation (DR); and three N fertilizations:120 kg/hm2with 20% used for basal and 80% for topdressing (FN1), 120 N kg/hm2with 50% for basal and 50% for topdressing (FN2), 90 N kg/hm2with 50% for basal and 50% for topdressing (FN3). In each treatment, we measured crop yield, emission of CH4and N2O, and then calculated their global warming potential () andemission intensity ().【】Compared with CK combined with FN1 or FN2, DR combined with FN1 or FN2 increased total yield of the rice at the two seasons by 17.9% and 21.1%, respectively. In contrast, combing TR or CK with FN1 increased the yield of the early rice and the yields of the rice in the two seasons by 13.4% and 11.4%, and 16.1% and 12.6%, respectively, compared with their combination with FN2. Under DR irrigation, FN3 increased the early rice yield by 11.0% compared to FN2. Of all treatments, DR+FN1 was optimal in increasing total yield of the rice in the two seasons. Compared to CK, TR and DR reduced the cumulative CH4emissions over the whole growth season by 17.1%～22.5% and 43.0%～56.8%, respectively; but when combined with FN1 or FN2, they increased the cumulative N2O emissions by 69.3%～85.2% and 146.2%～160.7%, respectively. Combing TR and FN2 reduced the cumulative CH4and N2O emissions by 26.8% and 32.3%, respectively, compared to its combination with FN3.【】In terms of irrigation, TR and DR reduced bothandcompared to CK, especially DR. In terms of N fertilization, FN1 and FN3 emitted less gases than FN2, especially FN1. Therefore, TR and DR combined with reduced N application was more effective to mitigateand, especially after reducing its proportion for basal application.

“Thin-wet-dry” irrigation; alternate wetting and drying irrigation; CH4and N2O emission; global warming potential; greenhouse gas emission intensity

1672 - 3317（2021）12 - 0044 - 10

S1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021081

李熠凡, 李烙布, 李伏生. 不同灌溉施氮模式对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(12): 44-53.

LI Yifan, LI Luobu, LI Fusheng. CH4and N2O Emissions from Rice Field as Affected by Different Combinations of Irrigation and Nitrogen Fertilization[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(12): 44-53.

2021-05-28

广西科技计划-基地和人才专项（AD17195060）；国家自然科学基金项目（51469003）

李熠凡（1998-），女，陕西宝鸡人。硕士研究生，主要从事水土资源利用与环境方面的研究。E-mail: 869203013@qq.com

李伏生。E-mail: 19880066@gxu.edu.cn

责任编辑：白芳芳