吳小紅，王衛(wèi)*，侯海軍，謝小立

稻草還田方式對不同水分類型稻田土壤N2O排放的影響

吳小紅1,2，王衛(wèi)2*，侯海軍2，謝小立2

1. 中南林業(yè)科技大學生命科學與技術學院，湖南 長沙 410004；
2. 中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所//亞熱帶農業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南 長沙 410125

稻田是重要的N2O排放源，而稻田N2O排放與土壤水分和施肥密切相關。南方丘陵區(qū)是中國水稻的重要生產地，然而由于地形海拔的差異，稻田的水分條件相差很大。該地域典型的稻田水分包括持續(xù)淹水、中期曬田（除中期曬田和收獲前落干外，保持淹水）以及耕灌雨養(yǎng)（灌水整地插秧，水稻分蘗盛期后不灌溉，依靠自然降水）。稻草還田為土壤微生物提供了大量的碳、氮基質，不同的稻草還田方式（深施、表施）會影響微生物對稻草中的碳、氮的利用，從而可能會影響 N2O排放。采用靜態(tài)箱-氣象色譜法研究了南方丘陵區(qū)稻田土壤在不同水分條件（持續(xù)淹水、常規(guī)灌溉和耕灌雨養(yǎng)）下，秸稈還田方式（無稻草、稻草翻耕入土、稻草覆蓋）對N2O排放的影響。當土壤有水層時，N2O排放微乎其微；當水層落干后，N2O排放快速上升。耕灌雨養(yǎng)的N2O累積排放通量顯著高于常規(guī)灌溉和持續(xù)淹水處理的N2O累積排放通量。在耕灌雨養(yǎng)條件下，稻草翻耕入土處理下N2O排放為2.566 kg?hm-2，比無稻草處理增加54%，而稻草覆蓋處理對N2O排放影響很小。在常規(guī)灌溉和持續(xù)淹水條件下，無論是否進行稻草還田，N2O排放均很弱，僅為-0.003～0.030 kg?hm-2。研究結果表明，水分是調控稻田N2O排放的主要因子，在田間無水層條件下，稻草翻耕入土有促進N2O排放的潛力。

N2O；水分管理；秸稈還田；稻草覆蓋

N2O是一種重要的溫室氣體，至2015年，N2O在大氣中的體積分數達到328 nL·L-1，最近10年平均每年上升0.89 nL·L-1（WMO，2016）。據估算，農田土壤N2O排放占全球人為排放的50%（Smith et al.，2007）。中國水稻種植面積世界第二，總產量世界第一，對中國糧食生產起到了重要作用，但稻田也是重要的N2O排放源，并且N2O排放受田間水分管理和施肥影響（Ma et al.，2009；Shang et al.，2011；Zou et al.，2005）。

南方丘陵區(qū)是中國水稻的重要生產地，然而由于地形海拔的差異，稻田的水分條件相差很大。隨著海拔的降低，稻田能夠蓄積較多的徑流和壤中流，并且擁有較多的灌溉水源，所以低處的稻田幾乎一直淹水，而高處的稻田缺乏灌溉條件，主要依靠降雨。為了防備可能的干旱，農民一般不會隨意排水，除非水層過深或需中期曬田促進水稻生長。該地域典型的稻田水分包括持續(xù)淹水、中期曬田以及耕灌雨養(yǎng)。稻草是水稻生產的主要副產品，約占水稻地上生物量的50%。由于稻草的資源化利用水平較低、政府禁止焚燒秸稈以及維持土壤肥力等原因，稻草還田成了農民處理稻草的主要選擇。

土壤微生物的硝化反硝化過程是產生 N2O的主要途徑，該過程受土壤碳、氮水平以及土壤水分條件影響（Bateman et al.，2005；Dobbie et al.，2003；Oertel et al.，2016）。前人的研究表明，淹水狀態(tài)下的稻田很少排放N2O，而土壤的干濕交替過程促進稻田 N2O 的排放（Liu et al.，2012；Zou et al.，2005；Zou et al.，2009），N2O排放與土壤水分含量也存在顯著相關關系（Chen et al.，2014；Yan，2013）。稻草還田為土壤微生物提供了大量的碳、氮基質，可能會對稻田 N2O排放產生消極或積極的影響（Huang et al.，2004；Swerts et al.，1996；Zou et al.，2005）。一方面，添加稻草會增加微生物的活性和土壤氧氣消耗，進而導致更強烈的土壤厭氧環(huán)境（Miller et al.，2008；Swerts et al.，1996；Zou et al.，2005）。另一方面，稻草所含有機氮的礦化可以釋放出銨態(tài)氮，促進土壤硝化作用，產生N2O（Charles et al.，2017）。同時，不同的稻草還田方式（深施、表施）會影響微生物對稻草中的碳、氮的利用，從而可能會影響N2O排放。有研究表明，水分和秸稈對N2O排放沒有顯著交互作用（Kim et al.，2014；Wang et al.，2011）。為探明不同水分條件下稻草還田方式對N2O排放的影響，本研究設置了秸稈還田方式（不還田、翻耕入土、覆蓋還田）和水分條件（長期淹水、曬田、耕灌雨養(yǎng)）交叉分組實驗，并監(jiān)測了稻田N2O通量，以期為稻田水分與秸稈管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

試驗在中國科學院桃源農業(yè)生態(tài)試驗站進行。該地處于 111°27′E，28°55′N，年平均氣溫為16.5 ℃，年降水量為1448 mm，年日照時數為1531 h，年太陽輻射總量為427.5 kJ?cm-2。土壤為第四紀紅色黏土發(fā)育而成的水稻土。

1.2 試驗設計

2014年7月23日—10月24日，在稻田長期水分管理定位試驗田開展試驗，其部分土壤理化性質見表1。本研究利用長期定位試驗的3個水分處理的原位土壤及水分條件，監(jiān)測稻草還田方式對不同水分類型稻田土壤溫室氣體的排放規(guī)律。處理I持續(xù)淹水（F，周年淹灌2～10 cm水層，代表水資源富余的低洼稻田）、處理Ⅱ常規(guī)灌溉（FDF，休閑期田間排水，除中期曬田和收獲前落干外，水稻大田期保持淹水，代表灌排條件良好的高產稻田）和處理Ⅲ耕灌雨養(yǎng)（FR，灌水整地插秧，水稻分蘗盛期后不灌溉，依靠自然降水，代表灌溉條件差的高岸水田）。研究期間田間具體水分狀況見圖1。本研究采用交叉分組的兩因素無重復試驗設計。在同一水分處理的 3個重復小區(qū)內分別設置不同稻草還田方式的微區(qū)，分別為稻草覆蓋（SM，水稻移栽后第10天開始覆蓋，模擬在水稻返青后進行稻草覆蓋）、稻草翻耕入土（SI，整田時將稻草翻耕入土）和不還田（NS）。稻草添加量為 5000 kg?hm-2。所有處理的尿素添加量折算為純氮 101 kg?hm-2。

表1 耕層土壤（0～20 cm）基本理化性質Table 1 Properties of top soil (0～20 cm) under different water treatments

圖1 試驗期間不同水分處理田間水位變化Fig. 1 Variation of water depth under different water treatments during experimental period

1.3 測定項目

1.3.1 N2O的采集與測定

利用采氣箱采集氣體樣品。采氣箱為圓柱形，底座直徑45 cm，箱體高15 cm。一般每隔3～4 d采集1次氣體樣品，采樣時間在上午9:20—10:40之間。具體操作為：分別在第 0、15、30、45和 60分鐘時，使用注射器抽取30 mL箱體內氣體注入真空瓶內，同時記錄箱體內氣溫、土溫及土壤水分狀況。帶回實驗室使用Agilent 7890A氣相色譜儀測定氣體濃度，進而利用氣體濃度的變化速率以及箱體的高度和氣溫計算排放通量。氣體排放通量計算公式為 F=ρ×h×dc/dt×273/(273+T)。公式中 F 為氣體排放通量，ρ為標準狀態(tài)下氣體的密度，h為采樣箱內的凈高度，dc/dt為單位時間內采樣箱內氣體的濃度變化率，T為采樣過程中采樣箱內的平均溫度。總 N2O累積排放通量為每相鄰兩次測定時間段內的N2O排放累積通量相加（Zou et al.，2005）。

1.4 數據處理

試驗數據采用 Microsoft excel 2013和 SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進行整理與分析。采用交叉分組的兩因素無重復觀察值方差分析方法進行方差分析（S-N-K，P＜0.05）。

2 結果分析

2.1 N2O排放動態(tài)

所有處理在施肥后N2O達到一個排放峰值（圖2）。在耕灌雨養(yǎng)條件下，當水層逐漸落干時，N2O排放快速上升，當降雨使田間淹水時，N2O排放急劇降低。在常規(guī)灌溉條件下，經歷短暫曬田后N2O排放沒有明顯上升，田間復水后N2O排放接近于0，收獲前數天排水使N2O排放上升。在持續(xù)淹水條件下，除施肥后有峰值出現外，N2O排放接近于0。在整個研究期間，FR+NS、FR+SI和FR+SM的N2O平均排放速率分別為 74.0、113.8 和 69.5 μg?m-2?h-1；FDF+NS、FDF+SI和FDF+SM的N2O平均排放速率分別為 1.2、1.3 和 0.2 μg?m-2?h-1；F+NS、F+SI和F+SM的N2O平均排放速率分別為0.4、0.4和-0.1 μg?m-2?h-1。

2.2 N2O累積排放

在整個研究期間，FR+NS、FR+SI和FR +SM的N2O累積排放通量分別為1.669、2.566和1.567 kg?hm-2；FDF+NS、FDF+SI和 FDF+SM 的 N2O 累積排放通量分別為0.027、0.030和0.004 kg?hm-2；F+NS、F+SI和F+SM的N2O累積排放通量分別為0.009、0.009和-0.003 kg?hm-2。在耕灌雨養(yǎng)條件下，稻草翻耕入土處理使N2O排放增加54%，而稻草覆蓋處理對N2O排放影響很小。在常規(guī)灌溉和持續(xù)淹水條件下，無論是否進行稻草還田，N2O排放均很弱，僅為-0.003～0.030 kg?hm-2。方差分析表明，耕灌雨養(yǎng) N2O累積排放通量顯著高于常規(guī)灌溉和持續(xù)淹水處理的 N2O累積排放通量，而稻草還田對N2O影響不明顯，稻草翻耕入土、稻草覆蓋和對照之間的 N2O累積排放未達到顯著性差異（表 2），這說明稻田N2O排放主要受田間水分影響，但稻草翻耕入土有促進N2O排放的潛力。

表2 不同處理下N2O累積排放量Table 2 Cumulative emission of N2O under different treatments

圖2 不同水分管理條件和稻草還田方式下稻田N2O排放通量Fig. 2 N2O fluxes under different straw treatments and water treatments

3 討論

土壤水分條件是調控土壤硝化與反硝化過程的重要因素（Oertel et al.，2016）。非淹水狀態(tài)有利于硝化和反硝化反應同時進行，促進N2O產生和排放，而淹水使土壤處于極端還原狀態(tài)，生成的 N2O被進一步還原為氮氣，抑制了N2O產生（Liu et al.，2012）。本研究表明，在淹水狀態(tài)下，N2O排放微弱，而當水層落干后，N2O排放大幅增加，這與前人的研究結論類似（Cai et al.，1997；Zou et al.，2005；Zou et al.，2009）。Zou et al.（2005）曾報道，在淹水—中期曬田—淹水—濕潤灌溉制度下，N2O排放速率為 342 μg?m-2?h-1。Li et al.（2014）曾報道，在中期曬田條件下 N2O 排放速率為 78～132 μg?m-2?h-1。與之相比，本研究中的N2O排放速率較低。

稻草是稻田重要的養(yǎng)分和有機物質來源之一，稻草還田為微生物提供了大量碳、氮基質。在本研究中，稻草還田處理對N2O排放的影響未達到顯著性水平。在淹水條件下稻草翻耕入土對N2O排放的影響很小，而在耕灌雨養(yǎng)條件下，稻草翻耕入土還田有促進N2O排放的趨勢，這與一些研究的結論較一致（Cai et al.，1997；Lou et al.，2007；Kim et al.，2014）。在稻麥輪作系統(tǒng)，小麥秸稈還田會降低N2O排放（Ma et al.，2007；Ma et al.，2009；Wang et al.，2010；Wang et al.，2011），這可能是因為小麥秸稈的C∶N值較高，導致氮相對缺乏，從而促進非自養(yǎng)微生物與自養(yǎng)硝化菌之間對NH4+產生競爭（Chen et al.，2013），從而表現出 N2O排放與添加物的 C∶N值呈負相關關系（Huang et al.，2004；Toma et al.，2007）。然而，也有研究表明，持續(xù)多年的秸稈還田會促進N2O排放（Li et al.，2005；Shang et al.，2011），可能是因為長期秸稈還田使土壤積累了更多的氮、碳基質。

綜上，稻草覆蓋還田對N2O排放無明顯影響，而在土壤通氣條件較好的狀態(tài)下稻草翻耕入土還田具有促進N2O排放的潛力。為了節(jié)約水資源，濕潤灌溉、中期烤田、干濕交替灌溉等灌溉技術得到廣泛應用。因此，與稻草翻耕入土相比，推薦稻草覆蓋還田，一方面對N2O排放影響很小，另一方面可以大幅降低CH4排放（Ma et al.，2009）。

4 結論

田間水分條件對N2O排放有顯著的調控作用。當土壤處于淹水狀態(tài)時，N2O排放微乎其微；當土壤落干后，N2O排放快速上升。耕灌雨養(yǎng)的N2O累積排放通量顯著高于常規(guī)灌溉和持續(xù)淹水處理的N2O累積排放通量。在耕灌雨養(yǎng)條件下，稻草翻耕入土處理下N2O排放為2.566 kg?hm-2，比無稻草處理增加 54%，而稻草覆蓋處理對 N2O排放影響很小。在常規(guī)灌溉和持續(xù)淹水條件下，無論是否進行稻草還田，N2O 排放均很弱，僅為-0.003～0.030 kg?hm-2。稻草翻耕入土、稻草覆蓋與無稻草還田處理對N2O排放的影響未達到顯著性水平，但在長時間無水層條件下（如耕灌雨養(yǎng)后期），稻草翻耕入土有促進N2O排放的潛力。

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Abstract: Paddy is an important source of N2O, the emissions of which from rice paddies are closely related to soil moisture and fertilizer application. Low hilly areas of southern China play an important role in rice production. However, water conditions in paddy systems vary greatly, due to their differences in topography and altitude. Typical water conditions in this area include continuous flooding (F, soil was continuously flooded), mid-season drainage (FDF, soil was flooded except drainage in mid-season and harvest time), and flooding - rainfed (FR, irrigation was implemented for field preparation and transplanting, no more irrigation after active tillering stage). Straw application supplies plenty of readily available carbon and nitrogen for soil microorganisms. The modes of straw application (straw incorporation and straw mulch) may exert an impact on microbial utilization of carbon and nitrogen from straw, and further alter N2O emissions. The present study investigated the emissions of N2O under different field water conditions (F, FDF, and FR) and different straw return methods (none straw return (NS), straw incorporation into soil (SI), and straw mulch (SM)) using static chamber-gas chromatography method. N2O fluxes were negligible when soils were flooded. However, N2O fluxes increased sharply when water layer disappeared. Cumulative N2O fluxes under FR condition was significantly higher than those under FDF and F conditions. Under FR condition, cumulative N2O fluxes from FR+SI was 2.566 kg?hm-2, 54% higher than that from FR+NS, whereas FR+SM had little effect on N2O emissions. Under both F and FDF conditions, cumulative N2O fluxes were negligible (-0.003～0.030 kg?hm-2), irrespective of straw application. The results indicated that soil water conditions were the main factor that regulated N2O emissions in rice paddies, and straw incorporation into soil had potential to increase N2O emissions when soil was unflooded.

Key words: N2O; filed water management; straw return; straw mulch

Effects of Straw Return Methods on N2O Emissions from Paddy Soils under Different Water Managements

WU Xiaohong1,2, WANG Wei2*, HOU Haijun2, XIE Xiaoli2

1. Faculty of Life Science and Technology, Central-South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;2. Key Laboratory of Agro-Ecological Process in Subtropical Region//Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences,Changsha 410125, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.007

X144; S153

A

1674-5906（2017）09-1501-05

吳小紅, 王衛(wèi), 侯海軍, 謝小立. 2017. 稻草還田方式對不同水分類型稻田土壤N2O排放的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學報,26(9): 1501-1505.

WU Xiaohong, WANG Wei, HOU Haijun, XIE Xiaoli. 2017. Effects of straw return methods on N2O emissions from paddy soils under different water managements [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(9): 1501-1505.

國家自然科學基金項目（41401292；41503081）；國際科技合作項目（2015DFA90450）

吳小紅（1985年生），女，講師，研究方向為土壤生態(tài)學。E-mail: wxh16403@163.com*通信作者。王衛(wèi)，E-mail: wangw@isa.ac.cn

2017-07-20