姜珊珊,龐炳坤,張敬沙,蔣靜艷(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210095)

減氮及不同肥料配施對(duì)稻田CH4和N2O排放的影響

姜珊珊,龐炳坤,張敬沙,蔣靜艷*(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210095)

為比較不同施肥處理的溫室氣體減排效果,采用田間試驗(yàn)研究了7種肥料處理包括減氮增鉀(N190CF+U+K)、減氮追施脲銨(N230CF+UA)、配方施肥(N230CF+U)、有機(jī)無(wú)機(jī)配施(N230OF+U)、穩(wěn)定性復(fù)合肥(N230UHD)、脲甲醛(N230UF)和常規(guī)施肥(N270CF+U)條件下稻田CH4和N2O的排放特及主要環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子變化.結(jié)果表明:不同施肥處理CH4排放總量范圍為78.61～181.96kg/hm2,除N230UHD處理外,其他施肥處理較N270CF+U減排CH4達(dá)32.0%～49.6%,以N230CF+UA處理減排效果最好;各施肥處理N2O累積排放量為0.28～0.46kg/hm2,除N230CF+UA處理外,其他施肥處理減少N2O排放15.4%～38.6%,以N230OF+U最佳.此外,稻田N2O排放與田面水中NH4+-N和NO3--N含量呈顯著性正相關(guān)

稻田；氮肥；CH4；N2O；GWP；GHGI

全球氣候變暖深刻影響著人類的生存和發(fā)展,是當(dāng)今世界面臨的一個(gè)重大環(huán)境問(wèn)題,其中人為溫室氣體排放增加可能是引起這一現(xiàn)象的主要原因[1].IPCC第五次報(bào)告指出,截至2011年大氣中 CO2、CH4和 N2O的濃度已分別達(dá)到391×10-6(V/V)、1803×10-9(V/V)和 324×10-9(V/V),相較于工業(yè)革命時(shí)期的濃度水平,分別增長(zhǎng)了40%、150%和20%[2].2015年巴黎氣候大會(huì)的核心目標(biāo)是減少溫室氣體排放,把全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在 2℃之內(nèi).稻田是溫室氣體CH4和N2O的重要排放源之一[3].中國(guó)的水稻種植面積約占世界的 19%,總產(chǎn)量約占世界的28%[4].我國(guó)稻田排放的CH4占世界稻田 CH4排放總量的 22%[4],稻田 N2O排放量占所有農(nóng)田N2O排放總量的7%～11%[1,5].施用氮肥是保證水稻高產(chǎn)的基礎(chǔ),同時(shí)也是影響稻田CH4和N2O排放的重要因素[6-7].合理施用氮肥可以明顯減少溫室氣體排放[8].2015年8月,我國(guó)提出《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》,提倡化肥減量提效,鼓勵(lì)農(nóng)民增施有機(jī)肥,推進(jìn)新型肥料的應(yīng)用,提高氮肥利用率.因此,在減肥大背景下,探究既能保證水稻產(chǎn)量又能實(shí)現(xiàn)有效減排的施肥方案,對(duì)緩解全球氣候變暖和發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)具有重要的意義.

施肥對(duì)稻田溫室氣體排放的影響及減排措施已有很多研究,但前人的研究多集中在單一緩控釋肥對(duì)稻田溫室氣體排放的影響.已有研究表明,緩控釋肥能夠減少N2O排放[9].但對(duì)稻田CH4排放的影響尚無(wú)定論,有研究認(rèn)為能夠減少 CH4排放[10],有的則認(rèn)為沒(méi)有起到減排的效果[11-12].而針對(duì)不同氮肥品種搭配施用對(duì)稻田 CH4和N2O排放影響的研究鮮有報(bào)道,已有的研究主要集中在有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施方面[13-14],且有機(jī)肥料類型多為畜禽糞便、農(nóng)業(yè)廢棄物類等,這些研究的結(jié)果表明有機(jī)肥種類不同對(duì)稻田溫室氣體的影響不同,Das等[15]認(rèn)為秸稈還田以及施入家禽糞便肥增加溫室氣體增溫潛勢(shì),而李波等[14]認(rèn)為豬糞堆肥和沼渣沼液減緩溫室氣體排放的潛力巨大.脲甲醛和穩(wěn)定性復(fù)合肥作為緩釋肥的代表,已批量生產(chǎn)并在全國(guó)有一定的應(yīng)用;環(huán)保型有機(jī)肥是一種利用味精生產(chǎn)過(guò)程中所剩余的廢物合成的氨基酸類有機(jī)肥料,在河南山東等地用量較大;脲銨氮肥是一種新型肥料,其生產(chǎn)成本低廉并且能夠促進(jìn)水稻增產(chǎn)[16];減氮增鉀以及配方施肥也是提高氮肥利用率的有效措施之一.關(guān)于這幾種肥料處理對(duì)稻田溫室氣體排放影響的比較研究鮮見(jiàn)報(bào)道.為此,本文以稻田為研究對(duì)象,在農(nóng)民常規(guī)施肥量的基礎(chǔ)上設(shè)置減氮處理,并結(jié)合不同新型氮肥(脲銨氮肥、穩(wěn)定性復(fù)合肥、脲甲醛復(fù)合肥和環(huán)保型有機(jī)肥)的搭配施用以及減氮增鉀、配方施肥等措施,系統(tǒng)地研究了不同施肥處理下稻田CH4和N2O排放,并結(jié)合水稻產(chǎn)量及溫室氣體排放強(qiáng)度,對(duì)不同施肥處理的減排效果進(jìn)行了比較分析,以期為我國(guó)稻田合理施肥和溫室氣體減排提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年6～10月在江蘇省南京市江寧區(qū)(118°59′E,31°57′N)進(jìn)行,該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,整個(gè)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均溫度為24.2 ,℃降雨量522mm(圖 1).土壤類型為粉質(zhì)壤土,有機(jī)質(zhì)含量為 21.09g/kg,全氮 1.65g/kg,速效磷 16.88mg/kg,速效鉀 102.4mg/kg,pH 為 7.94,土壤容重1.18g/cm3.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田實(shí)驗(yàn)共設(shè)置8個(gè)處理,分別是:不施肥處理(CK),減氮增鉀處理(N190CF+U+K),減氮追施脲銨氮肥處理(N230CF+UA),配方施肥(N230CF+U),有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理(N230OF+U),穩(wěn)定性復(fù)合肥(N230UHD),脲甲醛(N230UF),常規(guī)施肥處理(N270CF+U).具體施肥方案見(jiàn)表 1.其中,復(fù)合肥為硫酸鉀型復(fù)合肥,尿素含N量46%,脲銨氮肥是將氯化銨與尿素混合制成的,含N量30%;脲甲醛屬于化學(xué)型緩釋肥;穩(wěn)定性復(fù)合肥屬于生物化學(xué)性緩釋肥,添加了脲酶抑制劑氫醌(HQ)和硝化抑制劑雙氰胺(DCD);有機(jī)肥屬于氨基酸類有機(jī)肥料,是利用味精生產(chǎn)過(guò)程中所剩余的廢物合成的環(huán)保型有機(jī)肥料的代表.磷肥和鉀肥分別為過(guò)磷酸鈣(P2O5,12%)和氯化鉀(K2O,60%).配方施肥是按照測(cè)土配方施肥養(yǎng)分平衡法確定施肥量.所有肥料均購(gòu)自國(guó)內(nèi)品牌肥料廠家.N230UHD和N230UF處理按緩控釋肥料常規(guī)施肥習(xí)慣于2015年7月1日一次性施入;N190CF+U+K、N230CF+UA、N230CF+U、N230OF+U和N270CF+U的氮肥比例為基肥:分蘗肥:穗肥=5:3:2,分別于 2015年 7月 1日、7月21日和8月12日施入.除N190CF+U+K處理鉀肥分2次施入外(施肥日期7月1日和8月 12日),其它所有處理磷鉀肥均作為基肥一次性施入.各處理的小區(qū)面積為 80m2左右,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),小區(qū)之間筑有80cm寬,30cm高的田埂,并覆以塑料薄膜以防止水、肥串流.水稻供試品種為武運(yùn)粳23號(hào),于2015年5月23日育苗,6月22日進(jìn)行移栽,行間距為20cm,10月27日收獲.除施肥管理以外的農(nóng)田管理措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理一致,7月30日～8月5日烤田,烤田期之前水稻田一直持續(xù)淹水,烤田后土壤處于干濕交替狀態(tài),10月9日以后再無(wú)田面水.

圖1 水稻生長(zhǎng)季日均溫度和日降雨量Fig.1 Daily air temperature and precipitation during the rice growing season

表1 施肥方案Table 1 Description of fertilization in the experiment

1.3 樣品采集與測(cè)定

采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法監(jiān)測(cè)稻田 N2O和 CH4排放[17].在水稻移栽前,每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)分別埋入3個(gè)不銹鋼底座,底座內(nèi)有3cm凹型槽.采樣箱也由不銹鋼制成,箱底長(zhǎng)寬均為 50cm,箱體高度隨水稻高度而增加(50cm和100cm),采樣箱外包有海綿和鋁箔紙,防止太陽(yáng)照射導(dǎo)致箱內(nèi)溫度過(guò)高,箱內(nèi)裝有微型風(fēng)扇使氣體混合均勻.水稻施肥后進(jìn)行采樣,每周采樣2次,9月22日以后每周采樣 1次,采樣時(shí)間在 8:30～12:00.采樣前將采樣箱罩在底座凹槽內(nèi),槽內(nèi)加水密封,于密封后的0、10及20min時(shí)分別用注射器收集150mL氣體樣品,立即貯存于鋁箔氣袋(大連德霖有限公司)中,同時(shí)記錄箱內(nèi)溫度.采集后的氣體樣品,用安捷倫氣相色譜 7890A進(jìn)行檢測(cè),CH4檢測(cè)器為FID,檢測(cè)溫度300 ,℃柱溫50 ,℃載氣為99.999%高純N2;N2O檢測(cè)器為ECD,檢測(cè)溫度300 ,℃柱溫50 ,℃載氣為99.999%高純氬甲烷(95%氬氣+5%甲烷).分別通過(guò)對(duì)每組 3個(gè)樣品N2O和CH4濃度與相對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間(0、10、20min)進(jìn)行直線回歸(r2＞0.9),求得該采樣點(diǎn)的 N2O排放速率和 CH4排放速率.根據(jù)大氣壓力、氣溫、普適氣體常數(shù)、采樣箱高度、氣體分子量等,求得單位面積的 N2O排放量和 CH4排放量,具體計(jì)算公式如下:

式中:F為氣體排放通量,mg/(m2·h)或μg/(m2·h);ρ為氣體密度,g/L;R 為普適氣體常數(shù),8.314J/ (mol·K); A為采樣箱橫截面積,m2; V為箱內(nèi)空氣體積,V=AH,m3; H為采樣箱高度,m; P為采樣點(diǎn)大氣壓力,通常視為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 1.013×105Pa; m為氣體摩爾質(zhì)量,g/mol; T為采樣箱平均氣溫,℃; dC/dt為單位時(shí)間內(nèi)溫室氣體濃度變化率, μL/(L·h)或nL/(L·h).

N2O和CH4季節(jié)排放總量通過(guò)將3個(gè)重復(fù)的觀測(cè)值按時(shí)間加權(quán)平均后獲得,計(jì)算公式如下:

式中:M為氣體累積排放量,mg/m2或μg/m2; F為氣體排放通量,mg/(m2·h)或μg/(m2·h); N為采樣次數(shù); t為采樣時(shí)間即距初次采樣的天數(shù),d.

在100a尺度上,單分子的CH4和N2O的全球增溫潛勢(shì)(GWP)分別為CO2的28和265倍[2].

溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)計(jì)算公式[9]為:

式中:GHGI為溫室氣體排放強(qiáng)度,kg/kg.

每次采樣同時(shí),測(cè)定田面水水深,采集田面水測(cè)定NH4+-N和NO3--N含量,采用流動(dòng)注射分析法測(cè)定(流動(dòng)注射分析儀型號(hào):AA3,產(chǎn)地:德國(guó)),記錄降雨量(德國(guó) TFA36010無(wú)線翻斗式自記雨量計(jì)),用MP-406Ⅲ型土壤水分溫度測(cè)定儀(南通中天精密儀器有限公司)測(cè)定5cm深度的土壤溫度和土壤水分(體積比),根據(jù)土壤容重將體積水分換算成土壤孔隙含水量(WFPS).每隔7～10d用土鉆采集 0～10cm 土壤樣品,以便測(cè)定土壤NH4+-N和NO3--N含量變化.采集的水樣和土樣分別保存在-20℃和4℃冰箱中,并盡快完成測(cè)定.土壤樣品采用氯化鉀溶液浸提后同上述水樣方法測(cè)定NH4+-N和NO3--N含量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2003進(jìn)行初步整理分析,采用origin 2016作圖,SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,顯著性檢驗(yàn)采用LSD方法(α=0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田CH4排放特征

稻田溫室氣體排放受土壤性質(zhì)、溫度、水分等多種環(huán)境條件的共同影響[18],整個(gè)水稻生長(zhǎng)季的土壤溫度波動(dòng)范圍不大,穩(wěn)定在 18.6～33.4 (℃圖2c),平均為25.2 .℃水分波動(dòng)范圍較大,烤田期之前稻田持續(xù)淹水,淹水層在 2～9cm(圖2c),8月6日復(fù)水后稻田持續(xù)淹水兩周,淹水層在2～7cm,8月 25日以后水稻田干濕交替,一直到10月9日以后再無(wú)田面水.在水稻整個(gè)生長(zhǎng)季期間,各處理 CH4排放主要集中在水稻移栽之后烤田期之前(7月2日～7月30日),后期穩(wěn)定在較低水平(圖 2a).以肥料處理和各次獨(dú)立觀測(cè)對(duì)CH4排放通量作二因子方差分析,結(jié)果表明:在7月2日～9月10日期間,肥料處理和各次獨(dú)立觀測(cè)間的CH4排放通量均有顯著性差異(P＜0.001,P＜0.001),這說(shuō)明CH4排放的動(dòng)態(tài)變化受不同肥料處理和各次觀測(cè)環(huán)境因子的共同影響;而在 9月 14日之后的各肥料處理和各次獨(dú)立觀測(cè)之間 CH4排放并無(wú)顯著性差異(P=0.1707, P= 0.0805).

在烤田期之前 CH4排放呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),各處理CH4排放通量最高點(diǎn)出現(xiàn)在7月13日～7月27日期間,以N230CF+UA處理峰值出現(xiàn)的最早而N230UF處理出現(xiàn)的最晚,以N230UHD和N270CF+U處理CH4排放通量峰值較高,分別為25.12和20.86mg/(m2·h),其中N230UHD處理CH4排放通量一直處于較高水平,穩(wěn)定在 13.95～25.12mg/(m2·h)之間,以 CK處理排放通量最低,僅為9.04mg/(m2·h);在烤田期(7月30日～8月5日),各處理 CH4排放通量迅速下降至最低值;復(fù)水后,僅 N270CF+U處理出現(xiàn)較高的排放峰,大小為 20.62mg/(m2·h),其他各處理 CH4排放通量均低于8.54mg/(m2·h);一直到9月10日以后各處理均處于較低排放水平.

2.2 稻田N2O排放特征

圖2 水稻季不同施肥處理CH4和N2O排放動(dòng)態(tài)變化及環(huán)境因子Fig.2 Seasonal variations in CH4and N2O emissions and environmental factors for different fertilizer treatments during the rice season

在整個(gè)水稻生長(zhǎng)季,以肥料處理和各獨(dú)立觀測(cè)對(duì)N2O排放作二因子方差分析,結(jié)果表明:在整個(gè)觀測(cè)期間,肥料處理和各次獨(dú)立觀測(cè)間的 N2O排放均有顯著性差異(P＜0.001,P＜0.001).N2O 排放主要集中在前 2次施肥之后,而在烤田期并未觀測(cè)到明顯的排放峰(圖 2b),這可能與烤田期兩次采樣時(shí)土壤 WFPS(均大于 70%)較高有關(guān).施入基肥后,各處理在 3～12d出現(xiàn) N2O排放峰, N190CF+U+K處理的 N2O排放通量峰值最大,為101.59μg/(m2·h),N270CF+U處理峰值次之,為60.65μg/(m2·h),N230OF+U排放峰最小,為13.81μg/ (m2·h),這說(shuō)明有機(jī)肥能夠減少N2O排放.第1次追肥后,各處理均在施肥后第2d出現(xiàn)N2O排放峰,以 N230CF+UA峰值最為明顯,達(dá) 203.61μg/(m2·h),同時(shí)也是整個(gè)生長(zhǎng)季N2O排放最高峰,說(shuō)明脲銨氮肥作追肥能夠明顯促進(jìn)N2O排放;N230OF+U、N270CF+U、N190CF+U+K和 N230CF+U處理的最高N2O排放通量分別為 42.99、25.93、16.46和15.6μg/(m2·h).第2次追肥后,僅N270CF+U處理出現(xiàn)較小的排放峰,其他處理N2O排放整體趨于較低水平.N230UHD和N230UF處理分別作為基肥一次性施入,最高N2O排放通量均出現(xiàn)在施肥后8d,分別為30.47和33.15μg/(m2·h).

2.3 不同施肥處理的CH4和N2O排放總量及其GWP

根據(jù)不同時(shí)期水稻CH4和N2O的排放通量及排放時(shí)間,計(jì)算整個(gè)水稻生長(zhǎng)季不同處理 CH4和N2O的累積排放量(表2).結(jié)果表明,不同處理CH4總排放量范圍為 72.52～181.96kg/hm2,大小順序?yàn)?N230UHD＞N270CF+U＞N230UF＞N230CF+U＞N230OF+U＞ N190CF+U+K＞N230CF+UA＞CK,其中施肥處理 N230CF+UA、N190CF+U+K、N230OF+U、N230CF+U與N270CF+U達(dá)到顯著差異,減排CH4效果分別為49.6%、38.3%、37.2%、34.8%.說(shuō)明采用減氮施肥以及采用減氮追施脲銨氮肥或有機(jī)無(wú)機(jī)配施方式均能有效實(shí)現(xiàn)稻田 CH4減排.

稻田N2O排放很少,各處理累積排放量范圍為0.22～0.46kg/hm2,排放因子為0.02%～0.09%.在整個(gè)水稻生長(zhǎng)季,各處理 N2O累積排放量順序?yàn)?N230CF+UA＞N270CF+U＞N190CF+U+K＞N230UHD＞N230CF+U＞N230UF＞N230OF+U＞CK,其中 N230CF+UA處理N2O排放量比常規(guī)施肥N270CF+U處理增加了14.7%,其他施加肥料的處理N2O排放量均比常規(guī)施肥處理低,減排范圍為15.4%～38.6%,其中N230OF+U、N230UF、N230CF+U、N230UHD處理顯著降低了N2O排放(P＜0.05),減排N2O效果皆高達(dá) 30%以上.說(shuō)明施氮 230kg/ hm2水平以及在此基礎(chǔ)上采用有機(jī)無(wú)機(jī)配施或是施用新型肥料脲甲醛、穩(wěn)定性復(fù)合肥能夠有效降低稻田N2O排放.

進(jìn)一步計(jì)算100a尺度上的GWP表明不同施肥處理的增溫潛勢(shì)大小與 CH4累積排放量順序相同,由于稻田 N2O排放量非常少,因此 CH4對(duì)稻田溫室氣體綜合增溫潛勢(shì)貢獻(xiàn)明顯,稻田減排的主要目標(biāo)是減少CH4的排放.與常規(guī)施肥處理 N270CF+U相比,N230CF+UA處理雖然增加了N2O的排放,但是明顯減少了CH4的排放,增溫潛勢(shì)顯著降低了 47.9%;N230UHD處理減少了 N2O的排放,同時(shí)增加了CH4的排放,增溫潛勢(shì)也增加了15.2%;其他施肥處理同時(shí)減少了CH4和N2O的排放,增溫潛勢(shì)降低范圍為32.2%～37.7%.綜合比較不同施肥處理對(duì)兩種溫室氣體的增溫潛勢(shì),N230CF+UA、N190CF+U+K、N230OF+U、N230CF+U4種施肥處理的減排效果顯著.

2.4 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量及溫室氣體排放強(qiáng)度的影響

對(duì)不同施肥處理水稻產(chǎn)量進(jìn)行分析比較得出(表 2),施肥能夠顯著提高水稻產(chǎn)量,各施肥處理水稻產(chǎn)量均比不施肥 CK處理產(chǎn)量顯著提高,增產(chǎn)率達(dá) 77.9%～131.4%.與常規(guī)施肥 N270CF+U處理相比,N230OF+U、N190CF+U+K、N230CF+UA、N230UF處理產(chǎn)量均不存在顯著性差異,說(shuō)明在減少施氮量的基礎(chǔ)上采用增施鉀肥、追施脲銨氮肥、施用緩釋肥脲甲醛以及有機(jī)無(wú)機(jī)配施均能維持水稻高產(chǎn).

GHGI是將溫室效應(yīng)與作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出相結(jié)合,用于評(píng)價(jià)稻田綜合溫室效應(yīng)[13].各施肥處理溫室氣體排放強(qiáng)度順序?yàn)?N230UHD＞N270CF+U＞N230CF+U＞N190CF+U+K＞N230UF＞N230OF+U＞N230CF+UA,其中 N230OF+U和 N230CF+UA處理顯著低于N270CF+U處理,減少比例高達(dá)40%以上,說(shuō)明在保證水稻產(chǎn)量甚至增產(chǎn)的前提下,降低溫室氣體排放是可以實(shí)現(xiàn)的.

表2 不同施肥處理CH4和N2O的排放總量、100a尺度水平上的GWP和GHGITable 2 Cumulative emissions of CH4and N2O and the global warming potentials (GWPs) in the 100-year horizon and greenhouse gas intensities (GHGIs) for different fertilizer treatments during the rice growing season

3 討論

3.1 環(huán)境因子對(duì)稻田N2O與CH4排放的影響

農(nóng)田土壤N2O與CH4排放是比較復(fù)雜的過(guò)程,二者的排放受土壤性質(zhì)、有效碳氮量、土壤溫度、濕度、降雨量、氧化還原電位等多種因素的影響[18].將N2O和CH4排放通量與土壤環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表 3.N2O排放與田面水中NH4+-N和NO3--N含量均呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)(P＜0.05),而與其他環(huán)境因子并未表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性(P＞0.05).周禮愷等[19]研究表明,土壤 N2O排放與稻田水層中礦質(zhì)氮量呈線性正相關(guān).本研究中稻田 N2O排放主要集中在施肥之后,田面水中大量氮素的積累為硝化反硝化提供氮源,從而促進(jìn)N2O排放.而其余大部分時(shí)期N2O排放處于較低水平,可能是由于土壤水分較高,大部分時(shí)間都具有淹水層,從而使土壤反硝化過(guò)程徹底生成N2,導(dǎo)致 N2O的排放處于較低水平[20],這與大部分的研究結(jié)果一致[21-22].環(huán)境因子與稻田 CH4排放的關(guān)系,主要表現(xiàn)為 CH4排放與水深以及土壤溫度均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性(P＜0.01),而與土壤NH4+-N呈顯著性負(fù)相關(guān)(P＜0.05).Zhong等[23]的研究也發(fā)現(xiàn),CH4排放與土溫以及淹水層呈現(xiàn)極顯著性正相關(guān).土壤溫度的升高,促進(jìn)根系分泌物釋放到土壤中,為產(chǎn)甲烷菌提供更多的可利用性碳,從而能夠促進(jìn)甲烷排放[3].而對(duì)于NH4+與CH4排放的關(guān)系表述不一,有研究認(rèn)為 NH4+會(huì)抑制CH4氧化而促進(jìn) CH4排放[24],但也有報(bào)道[25]土壤NH4+與 CH4排放呈顯著性負(fù)相關(guān).土壤銨態(tài)氮影響CH4排放的機(jī)理關(guān)系尚需進(jìn)一步的探究.

表3 N2O和CH4排放與環(huán)境因子的相關(guān)性Table 3 Pearson correlation coefficients for N2O and CH4fluxes against environment parameters

3.2 稻田不同施肥處理的溫室氣體減排效果比較

不同施氮量以及不同施肥措施對(duì)溫室氣體排放的影響已經(jīng)有較多報(bào)道,結(jié)論尚不一致[26-29].CH4排放通量主要由土壤CH4產(chǎn)生和氧化的差值決定,營(yíng)養(yǎng)元素的加入影響產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌等微生物活性,進(jìn)而影響到土壤甲烷排放[30].本研究中常規(guī)施肥處理CH4累積排放量與華南地區(qū)農(nóng)民習(xí)慣施肥 CH4排放量[31]基本一致,同時(shí)配方施肥處理N230CF+U的CH4累積排放量略低于杭州地區(qū)最佳施氮水平[32]處理(225kgN/hm2)的排放量.與常規(guī)施肥處理相比,其他施肥處理(N230UHD處理除外)均能不同程度的減少CH4排放,以N230CF+UA處理CH4減排效果最好(表2).這說(shuō)明減氮施肥能夠?qū)崿F(xiàn)稻田CH4減排,但減排程度的大小取決于不同肥料品種的差異.穩(wěn)定性復(fù)合肥中添加脲酶抑制劑 HQ和硝化抑制劑 DCD,這是近年來(lái)研究較多的組合,大多數(shù)研究認(rèn)為 HQ/DCD能夠降低稻田生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放,但對(duì) CH4排放影響報(bào)道不一[12,33-34]. N230UHD處理在一定程度上增加了CH4排放,主要體現(xiàn)在整個(gè)水稻生長(zhǎng)前期 CH4排放通量一直處于較高水平(圖 2a),這段期間稻田一直處于淹水狀態(tài),DCD發(fā)揮不了作用而白白浪費(fèi)[33].李香蘭等[34]指出HQ/DCD通過(guò)抑制甲烷氧化菌活性提高CH4排放量.同時(shí),穩(wěn)定性復(fù)合肥作為基肥一次性施入,前期氮素投入較大,促進(jìn)水稻植株和根系的生長(zhǎng),改善通氣狀況,促進(jìn)CH4排放[9].這也是N230UF處理雖然降低了CH4排放,但在排放總量上與N270CF+U處理并不存在顯著性差異的原因.還有研究認(rèn)為HQ/DCD施入非但不提高還有可能降低作物產(chǎn)量及生物量[35].另外,劉昭兵等[27]認(rèn)為施氮量和抑制劑用量配比都是影響稻田溫室氣體的關(guān)鍵因子.一般認(rèn)為,腐熟的有機(jī)肥能為產(chǎn)甲烷菌提供更為豐富的產(chǎn)甲烷基質(zhì),導(dǎo)致土壤產(chǎn)生更多的甲烷,從而增加排放量[36].而本實(shí)驗(yàn)中有機(jī)與無(wú)機(jī)配施能夠降低CH4排放,這與鄭聚峰等[37]研究一致.有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理下稻田土壤甲烷氧化的能力顯著高于單施化肥處理,能夠明顯降低稻田土壤對(duì)甲烷的大氣釋放潛能[37].同時(shí)本實(shí)驗(yàn)有機(jī)肥為環(huán)保型有機(jī)肥,含碳量為 18.2%,與常規(guī)施肥相比在減氮的同時(shí)達(dá)到減碳的效果,從而降低 CH4排放.另外,大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH值的變化非常敏感[38],本實(shí)驗(yàn)有機(jī)肥為酸性(pH=6.18),有機(jī)肥的施用降低土壤 pH值可能抑制了土壤產(chǎn)甲烷菌的活性.脲銨氮肥對(duì)稻田 CH4排放減排最好(表2),目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于脲銨氮肥對(duì)溫室氣體排放的影響還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道,其中的影響機(jī)理有待于進(jìn)一步探究.

對(duì)于土壤N2O排放,整個(gè)水稻生長(zhǎng)季不同處理N2O排放總量較低(表2),這與易瓊[31]、鄭潔敏等[32]研究結(jié)果一致.N2O排放主要集中在施肥之后(圖2b),尤其是在前2次施肥之后,說(shuō)明氮肥的施用為稻田N2O產(chǎn)生提供了基質(zhì),增加土壤N2O排放潛力[39];穗肥期產(chǎn)生的 N2O排放最低,分析原因一方面是由于施氮量較其他時(shí)期施氮量低,另一方面可能是與該時(shí)期水稻處于生殖旺盛期,對(duì)氮素需求較大從而使氮素?fù)p失較低有關(guān).但是不同處理的總排放量有所不同,這又說(shuō)明不同的肥料釋放特性影響著稻田N2O的排放.本研究結(jié)果顯示,與常規(guī)施肥處理 N270CF+U相比,僅N230CF+UA處理的 N2O排放量較高,其他施肥處理均表現(xiàn)出不同程度的 N2O 減排,其中N230CF+U、N230OF+U、N230UHD和N230UF4種施肥處理的排放量差別較小,同時(shí)達(dá)到顯著減排,以有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理減排效果最好.脲銨氮肥中含有尿素態(tài)氮和銨態(tài)氮 2種形態(tài)氮元素,當(dāng)施入稻田中,田面水中銨態(tài)氮的含量相比于施尿素的稻田中含量高,這可能是導(dǎo)致更多N2O損失的原因.但與N230CF+U處理相比,產(chǎn)量提高了9.55%,施氮量相同的情況下,追施脲銨氮肥與追施尿素相比,能夠在一定程度上增加水稻產(chǎn)量.稻田中施用有機(jī)肥導(dǎo)致了更低的N2O排放,這與羅良國(guó)等[40]研究結(jié)果一致.有機(jī)肥的施入增加土壤有機(jī)碳的含量,能夠固定土壤速效氮并促進(jìn) N2O轉(zhuǎn)化為 N2,降低N2O排放[41].緩釋肥(N230UHD和N230UF)均達(dá)到很好的N2O減排效果,這與大多數(shù)研究結(jié)果一致[9,34].與 N270CF+U處理相比,N190CF+U+K處理雖然均值上N2O排放降低,但與N270CF+U處理之間并不存在顯著性差異,這與基肥后出現(xiàn)N2O排放高峰有很大關(guān)系(圖 2b),可能是基肥添加了尿素的緣故.另外,相對(duì)于過(guò)量的氮磷元素流失引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題,增施鉀肥對(duì)環(huán)境的威脅更小.

3.3 稻田綜合溫室效應(yīng)評(píng)價(jià)

本研究中,N230OF+U和 N230CF+UA處理的溫室排放強(qiáng)度最小(表2),為本實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系下的最優(yōu)處理.其中,N230OF+U有明顯的增產(chǎn)效果,較常規(guī)施肥處理增產(chǎn)2.4%,有機(jī)無(wú)機(jī)配施不僅能提高作物產(chǎn)量,還能獲得較高的生態(tài)環(huán)境效益.武國(guó)星等[42]研究表明,該品種有機(jī)肥經(jīng)濟(jì)效益在商用有機(jī)肥中居首.其次,N190CF+U+K和 N230UF處理的溫室氣體排放強(qiáng)度也較低,同時(shí)與常規(guī)施肥處理相比,水稻產(chǎn)量并不存在顯著性差異,說(shuō)明這2種施肥處理也可以實(shí)現(xiàn)減氮穩(wěn)產(chǎn)減排.王強(qiáng)盛等[43]研究發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi)增施鉀肥能夠提高水稻產(chǎn)量.配方施肥的溫室排放強(qiáng)度也低于常規(guī)施肥處理,但其產(chǎn)量有所降低,分析與基肥中施入大量尿素有關(guān),導(dǎo)致氮素利用率降低.綜合水稻產(chǎn)量與溫室氣體排放,N190CF+U+K、N230CF+UA、N230OF+U和N230UF4種施肥方式均實(shí)現(xiàn)了減氮穩(wěn)產(chǎn)減排.

4 結(jié)論

4.1 不同施肥處理對(duì)溫室氣體減排效果不同.與常規(guī)施肥處理 N270CF+U相比,N230UF、N190CF+U+K、N230OF+U、 N230CF+U能夠同時(shí)減少CH4和N2O的排放,GWP減排效果為32.2%～37.7%;N230UHD處理能夠增加 CH4排放,但減少N2O的排放,GWP增加了15.2%;N230CF+UA處理雖然增加了N2O的排放,但是明顯減少了CH4的排放,GWP顯著降低了47.9%.

4.2 結(jié)合水稻產(chǎn)量和稻田綜合溫室效應(yīng), N230CF+UA、N230OF+U、N230UF和N190CF+U+K處理均能實(shí)現(xiàn)減氮穩(wěn)產(chǎn)減排,以 N230CF+UA和N230OF+U處理效果最佳.

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Effects of reduced nitrogen and combined application of different fertilizers on CH4and N2O emissions in paddy fields.

JIANG
Shan-shan, PANG Bing-kun, ZHANG Jing-sha, JIANG Jing-yan* (College of Resource and Environmental Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1741～1750

Nitrogen source and fertilizing rate are the important factors that affecting greenhouse gas emissions from cropland. In order to evaluate the potential of reduced nitrogen and combined application of different types of fertilizer to mitigate CH4and N2O emissions, a field experiment was conducted to investigate CH4and N2O emissions from paddy field and the relevant driving factors. Seven fertilizer treatments were applied in this experiment, including reduced nitrogen combined with increased potassium treatment (N190CF+U+K), reduced nitrogen plus topdressing urea ammonium treatment (N230CF+UA), formula fertilization treatment (N230CF+U), combined application of organic-inorganic fertilizer (N230OF+U), stability urea with dicyandiamide and hydroquinone treatment (N230UHD), urea formaldehyde treatment (N230UF) and conventional fertilization treatment (N270CF+U). The results showed that cumulative CH4emissions from different fertilizer treatments ranged from 78.61～181.96kg/hm2. All fertilizer treatments except for N230UHDreduced CH4emissions by 32.0%～49.6% relative to the N270CF+Utreatment. The reduced nitrogen plus topdressing urea ammonium treatment had the best CH4mitigation effect among all fertilizer treatments. Cumulative N2O emissions from the paddy field ranged from 0.28～0.46kg/hm2. With the exception of N230CF+UA,total N2O emissions for all fertilizer treatments were decreased by 15.4%～38.6% in comparison with conventional fertilization treatment. The combined application of organic-inorganic fertilizer showed the priority among all fertilizer treatments. Moreover, N2O emissions in paddy field were positively correlated only with the NH4+-N and NO3--N concentrations of field surface water (P＜0.05). However, CH4emissions were significantly and positively correlated with water depth and soil temperature (P＜0.01), while being negatively correlated with NH4+-N value of topsoil (P＜0.05). The aggregate emission of N2O and CH4in the CO2equivalent (GWP) for the 100-year horizon of each treatment and greenhouse gas intensity (GHGI, defined as yield scaled GWP at the 100-year horizon) were also calculated. The N230UHDtreatment increased GWP in the 100-yearhorizon, while the other treatments decreased the GWP, with a 32.2% reduction for N230UF, a 34.9% reduction for N230CF+U, a 37.2% reduction for N230OF+U, a 37.7% reduction for N190CF+U+K, a 47.9% reduction for N230CF+UAcompared to N270CF+U. The N230CF+UA, N230OF+U, N230UFand N190CF+U+Ktreatments performed the best in reducing GHGI, and particularly the N230CF+UAand N230OF+Utreatments decreased GHGI by more than 40%, may be the better agricultural practice for both trace gas mitigation and increasing crop yields.

paddy field；nitrogen fertilizer；CH4；N2O；GWP；GHGI

X511,X16

A

1000-6923(2017)05-1741-10

姜珊珊(1992-),女,山東招遠(yuǎn)人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境污染與全球變化.發(fā)表論文2篇.

2016-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375150,41675148)

* 責(zé)任作者, 副教授, lilacjjy@njau.edu.cn

(P＜0.05),CH4排放與水深以及土壤溫度均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性(P＜0.01),而與土壤NH4+-N呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05).進(jìn)一步計(jì)算100a尺度下CH4和N2O的增溫潛勢(shì)(GWP)和溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)可知,除N230UHD處理外,其他施肥處理GWP均低于常規(guī)施肥處理,減排效果達(dá)32.2%～47.9%;N230CF+UA、N230OF+U、N190CF+U+K以及N230UF處理均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)減排,其中以N230CF+UA和N230OF+U處理GHGI較低,GHGI減少比例高達(dá)40%以上.