張忠學(xué) 李鐵成 齊智娟 陳 鵬 聶堂哲 張作合

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030； 3.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院， 哈爾濱 150080)

0 引言

地球表層土壤以有機(jī)質(zhì)形式存在的碳約有1.5×1012t，約是大氣碳庫的3倍[1]。每年以土壤呼吸的形式向大氣排放CO2約1.5×1010t，為化石燃料燃燒釋放量的10倍，因此，土壤呼吸在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支中發(fā)揮著重要作用[2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，占全球陸地面積的17%[3]，而且是其中最活躍的部分，其土壤呼吸釋放到大氣中的CO2對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡及全球氣候變化均產(chǎn)生重要影響[4]。農(nóng)田土壤呼吸對(duì)不同田間管理措施的響應(yīng)十分敏感，灌溉方式和施氮量是對(duì)其影響較大的兩項(xiàng)農(nóng)田管理措施。王建林等[5]指出，水分虧缺下，土壤呼吸隨著灌溉量的增大而增強(qiáng)，但過量灌溉會(huì)抑制土壤呼吸。楊士紅等[6]也得出相似結(jié)論，在分蘗前期、拔節(jié)孕穗期和乳熟期，控制灌溉稻田的土壤呼吸速率日均值分別為常規(guī)灌溉稻田的 3.85、1.42、3.74倍。程萬莉等[7]研究表明，農(nóng)家肥配施磷鉀肥能顯著提高土壤呼吸速率，這與寇志奎[8]研究結(jié)果類似。不同的水氮耦合會(huì)對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生影響，但由于土壤具有一定的空間異質(zhì)性，相同田間管理模式對(duì)不同土壤類型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的作用可能不同，綜合研究土壤類型的影響因素，將有助于準(zhǔn)確評(píng)估不同水氮耦合對(duì)土壤碳庫的影響。

黑土是全球最肥沃的土壤類別之一，具有構(gòu)造性能良好、土壤質(zhì)地松散、天然肥力高、有機(jī)碳含量高等特點(diǎn)，對(duì)作物的生長十分有利[9]。由于多年來不合理的開墾方式和耕種模式、粗放式經(jīng)營和自然環(huán)境的變化，東北黑土區(qū)土壤中有機(jī)碳大量減少，土壤肥力呈現(xiàn)整體退化的趨勢，對(duì)我國糧食安全產(chǎn)生一定威脅。因此，在實(shí)現(xiàn)水稻持續(xù)增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)、確保糧食安全的同時(shí)，維持土壤碳庫的穩(wěn)定及增長是建立可持續(xù)稻田生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文通過2018年田間試驗(yàn)，分析不同水氮耦合方式對(duì)水稻收獲后各器官固碳量及水稻不同生育期平均土壤總呼吸、微生物呼吸、根呼吸速率的影響，研究不同水氮耦合方式下黑土稻田植株總固碳量和碳排放量，計(jì)算黑土稻田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡，以期為提高東北黑土區(qū)稻田土壤固碳減排潛力提供科學(xué)指導(dǎo)，為科學(xué)估算區(qū)域乃至全球碳平衡提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年5—9月在黑龍江省水稻灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，該站地處127°40′45″E、46°57′28″N，位于慶安縣和平鎮(zhèn)，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。從水稻移栽到成熟，水稻生長期內(nèi)日氣溫和降雨量變化如圖1所示，多年平均降雨量577 mm，作物水熱生長期為156～171 d，全年無霜期128 d。供試土壤為黑土型水稻土，種植水稻20 a以上，土壤耕層厚度11.3 cm，犁底層厚度10.5 cm，土壤容重1.01 g/cm3，孔隙度61.8%。土壤基本理化性質(zhì)為: pH值6.45，耕層土壤(0～20 cm)基礎(chǔ)肥力(均為質(zhì)量比)為: 有機(jī)質(zhì)42.9 g/kg、全氮1.72 g/kg、全磷15.25 g/kg、全鉀20.22 g/kg、堿解氮198.29 mg/kg、有效磷37.43 mg/kg和速效鉀112.13 mg/kg。

圖1 水稻生長期內(nèi)空氣溫度和降雨量的日變化曲線Fig.1 Changes in daily air temperature and rainfall during rice growth period

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用灌水模式和施氮量2因素試驗(yàn)，試驗(yàn)處理方案見表1。灌水模式設(shè)置2種：控制灌溉(C)、常規(guī)灌溉(F)。控制灌溉模式除水稻返青期田面保持5～25 mm淺薄水層外，其余各生育階段均不建立水層，以根層的土壤含水率為控制指標(biāo)確定灌水時(shí)間和灌水定額，灌水上限為土壤飽和含水率，分蘗前期、分蘗中期、分蘗末期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期及乳熟期土壤含水率下限分別為飽和含水率的85%、85%、60%、85%、85%、70%，常規(guī)灌溉除分蘗后期為控制無效分蘗適當(dāng)排水曬田和黃熟期自然落干以外，其余水稻生育期田面均保持 3～5 cm水層。全生育期施氮量設(shè)置4個(gè)水平(純氮)，即N0(0 kg/hm2)、N1(85 kg/hm2)、N2(110 kg/hm2)、N3(135 kg/hm2)。試驗(yàn)共8個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共24個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積100 m2(10 m×10 m)，各小區(qū)之間田埂向地下內(nèi)嵌 40 cm 深的塑料板，防止各小區(qū)間的水氮交換。氮肥按照基肥、蘗肥、穗肥比例為4.5∶2∶3.5分施，基肥于水稻移栽前1 d施入，蘗肥于移栽后24 d施入，穗肥于移栽后72 d施入，各處理磷、鉀肥用量(P2O545 kg/hm2、K2O 80 kg/hm2)均一致，磷肥在移栽前一次性施用，鉀肥于移栽前和水稻8.5葉齡分2次施用，前后比例為 1∶1。試驗(yàn)選用當(dāng)?shù)氐乃酒贩N“龍慶稻3號(hào)”，5月18日選取長勢相同的水稻幼苗進(jìn)行移栽，株距16.67 cm、行距30 cm，每穴定3株，并于9月22日收割，其他大田管理措施如病蟲害防治等均與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田保持一致。根據(jù)水稻當(dāng)年生長情況，將各生育期劃分為返青期(5月18日—6月3日)、分蘗期(6月4—29日)、拔節(jié)期(6月30日—7月17日)、抽穗期(7月18日—8月3日)、乳熟期(8月4—12日)。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì) Tab.1 Design of experimental treatments kg/hm2

1.3 測定項(xiàng)目與方法

本試驗(yàn)于2018年5月18日實(shí)施。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)放置2根直徑20 cm的PVC 管，一根PVC管布置于株間，另一根布置于無植株生長的裸地，裸地選擇為直徑35 cm的圓形區(qū)域，且布置前取盡其中可見根系，分別用于測量土壤總呼吸速率(Rs)和土壤微生物呼吸速率(Rh)。測定土壤總呼吸速率的PVC 管高度為10 cm，嵌入土壤7 cm；測定土壤微生物呼吸速率的PVC管高50 cm，嵌入土壤45 cm。為準(zhǔn)確測定土壤微生物呼吸速率，將PVC管沿周長4等分，在管壁四周5～50 cm處鉆孔，鉆孔由距管口5 cm處開始，沿管壁從上到下每隔10 cm鉆孔，便于PVC管內(nèi)外土壤水分和養(yǎng)分交換且隔絕根系進(jìn)入。試驗(yàn)期間不定期清理 PVC 管內(nèi)活體植物。于水稻各生育期內(nèi)，每隔7 d使用LI-8100型開路式土壤呼吸測量系統(tǒng)(LI-COR，美國)進(jìn)行田間土壤呼吸總速率測定，測定時(shí)間為09:00—11:00，如遇強(qiáng)降雨天氣則推遲測定時(shí)間。

水稻各生育期微生物呼吸碳排放量計(jì)算公式[10]為

(1)

式中CE——水稻各生育期微生物呼吸碳排放量，g/m2

Ri、Ri+1——水稻各生育期測量第i、i+1次微生物呼吸速率，μmol/(m2·s)

ti、ti+1——水稻各生育期第i、i+1次測量時(shí)間,d

n——水稻各生育期測量次數(shù)

各生育期平均微生物呼吸速率計(jì)算公式為

(2)

t——水稻各生育期時(shí)間，d

各生育期平均根呼吸速率計(jì)算公式為[11]

(3)

其中

(4)

Bi、Bi+1——水稻各生育期測量第i、i+1次土壤總呼吸速率，μmol/(m2·s)

于水稻成熟期在各小區(qū)分別隨機(jī)選取具有代表性的水稻3株，將植株葉、莖鞘、穗和根分開后，用去離子水沖洗干凈，放入干燥箱105℃、鼓風(fēng)條件下殺青30 min，然后70℃干燥至恒定質(zhì)量，并稱量。干燥后的樣品使用球磨機(jī)粉碎處理，過80目篩后混勻，于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用總有機(jī)碳分析儀(Elementar vario TOC) 測定水稻各器官含碳量，固碳量通過生物量和碳含量的乘積獲得[12]，剩余樣品粉碎過篩后放入樣品袋中密封保存。

每平方米種植水稻約20株。凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)計(jì)算公式為[13]

NPP=20(mlωl+mqωq+msωs+mrωr)

(5)

式中NPP——凈初級(jí)生產(chǎn)力，g/m2

ml、mq、ms、mr——水稻葉、莖鞘、穗、根干物質(zhì)量，g

ωl、ωq、ωs、ωr——水稻葉、莖鞘、穗、根碳含量，%

凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)計(jì)算公式為[11，14]

NEP=NPP-Ctotal

(6)

近年，寧夏農(nóng)村飲水工作取得了很大進(jìn)步，農(nóng)村水利基礎(chǔ)條件有了很大改善，自來水受益率達(dá)到了62%，農(nóng)村的飲水基本得到了保障。隨著農(nóng)村飲水和鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水的持續(xù)發(fā)展，農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民生活用水量不斷增加，但小城鎮(zhèn)和廣大農(nóng)村的居住區(qū)缺乏排水設(shè)施，更談不上污水的處理和利用，影響了可持續(xù)發(fā)展，部分地區(qū)群眾期望農(nóng)村供排水設(shè)施同步發(fā)展。此外，一些工程管理仍在沿用計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下的管理模式，管理意識(shí)淡薄，管理方式和管理手段落后，服務(wù)跟不上，與廣大群眾的期望仍有差距。

(7)

式中NEP——凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，g/m2

Ctotal——水稻全生育期微生物呼吸碳排放總量，g/m2

m——水稻生育期個(gè)數(shù)

CEj——水稻第j個(gè)生育期微生物呼吸碳排放量，g/m2

當(dāng)NEP>0時(shí)，表示該農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為CO2的吸收“匯”；反之，則為CO2的排放“源”。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel進(jìn)行固碳量、碳排放量及碳平衡的相關(guān)計(jì)算，SPSS 19.0進(jìn)行差異顯著性分析，并采用Origin 9.0軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮耦合方式對(duì)水稻收獲后各器官干物質(zhì)量、碳含量及固碳量的影響

不同水氮耦合方式下，水稻收獲后各器官干物質(zhì)量、碳含量如圖2(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同水氮耦合方式對(duì)各器官干物質(zhì)量、含碳量均有影響。常規(guī)灌溉模式下，水稻各器官干物質(zhì)量均隨施氮量的增加而增大；控制灌溉模式下，施入氮肥后各器官干物質(zhì)量均高于不施肥處理，其中CN2處理葉、莖、穗3器官的干物質(zhì)量均高于其他施氮量處理；除CN0處理葉、莖干物質(zhì)量低于FN0處理外，控制灌溉模式下其他施氮量處理各器官干物質(zhì)量均高于常規(guī)灌溉模式下相同施氮量處理。相同施氮量下，控制灌溉模式下水稻各器官碳含量均高于常規(guī)灌溉；兩種灌溉模式下，施入氮肥處理根、莖、葉3器官的碳含量均顯著高于不施氮肥處理(P<0.05)；除FN0、FN1處理穗的碳含量顯著低于其他各處理外(P<0.05)，其他處理穗的碳含量不存在顯著性差異(P>0.05)；隨著施氮量的增大，各處理水稻收獲后各器官的碳含量均逐漸增大。綜合來看，穗的含碳量最高，根的含碳量最低，各處理穗和根的含碳量平均為40.25%、30.30%，其中CN3 處理最高，為41.69%、31.64%，F(xiàn)N0處理最低，為37.91%、28.02%。

圖2 水稻收獲后各器官干物質(zhì)量、碳含量Fig.2 Dry matter weight and carbon content in organs of rice after harvesting

表2 水稻收獲后植株固碳量Tab.2 Carbon sequestration of rice plants after harvesting g/m2

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 不同水氮耦合方式對(duì)稻田土壤、微生物、根呼吸速率的影響

不同水氮耦合方式下，水稻各生育期平均土壤總呼吸速率如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，各處理平均土壤總呼吸速率在水稻生長期內(nèi)變化規(guī)律相同，各生育期平均土壤總呼吸速率從返青期到乳熟期整體呈先升高后降低的趨勢。從返青期開始，由于受不同施肥量和地溫升高的影響，平均土壤總呼吸速率呈逐漸增大的趨勢。到分蘗期，不同處理各生育期平均土壤總呼吸速率均達(dá)到最大值，其中CN3處理分蘗期平均土壤總呼吸速率達(dá)到7.07 μmol/(m2·s)，且高于其他各處理。除返青期外，相同施氮量下，控制灌溉模式下的水稻各生育期平均土壤總呼吸速率均大于常規(guī)灌溉模式，且均隨著施氮量的增加而增大。

圖3 水稻各生育期平均土壤總呼吸速率Fig.3 Average total soil respiration rate at different growth stages of rice

圖4 水稻各生育期平均微生物和根的呼吸速率Fig.4 Average root respiration and microbial respiration rate of rice at different growth stages

不同水氮耦合方式下，水稻各生育期平均微生物呼吸速率及根呼吸速率如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，各生育期平均微生物呼吸速率及根呼吸速率均與各生育期平均土壤總呼吸速率整體變化趨勢相同，從返青期到乳熟期整體呈先升高后降低的趨勢，且均在分蘗期達(dá)到峰值，其中CN3處理在分蘗期平均微生物呼吸速率及根呼吸速率最大，分別為5.12、1.95 μmol/(m2·s)。在返青期，由于水稻根系并不發(fā)達(dá)，且低溫導(dǎo)致土壤微生物活動(dòng)較弱，導(dǎo)致稻田根呼吸及微生物呼吸對(duì)不同水氮耦合方式的響應(yīng)較弱，變化規(guī)律并不明顯；在水稻其他各生育期，兩種灌溉模式下的平均微生物呼吸速率及根呼吸速率均隨施氮量的增加而增大，且控制灌溉模式下各施氮量處理平均微生物呼吸速率及根呼吸速率均大于常規(guī)灌溉模式下相同施氮量處理。

2.3 不同水氮耦合方式對(duì)稻田碳排放量的影響

不同處理水稻全生育期碳排放量如表3所示。結(jié)果表明，施氮量相同時(shí)，控制灌溉模式下各處理碳排放量均大于常規(guī)灌溉模式下各處理碳排放量，控制灌溉模式下CN0處理碳排放量顯著高于常規(guī)灌溉模式下FN0、FN1、FN2處理碳排放量(P<0.05)，與FN3處理碳排放量不存在顯著性差異(P>0.05)；常規(guī)灌溉模式下，碳排放量隨著施氮量的增加而逐漸增大，其中FN3處理碳排放量分別顯著高于FN0、FN1、FN2處理(P<0.05)，F(xiàn)N3處理碳排放量是FN0、FN1、FN2處理的1.38～2.88倍，但FN0、FN1、FN2處理間碳排放量不存在顯著性差異(P>0.05)；控制灌溉模式下，碳排放量隨著施氮量的增加而增大，其中CN3處理顯著高于各處理碳排放量(P<0.05)，為169.66 g/m2，CN2處理碳排放量顯著高于CN0、CN1處理，CN1處理碳排放量顯著高于CN0處理(P<0.05)。

表3 水稻全生育期微生物呼吸通量及碳排放量Tab.3 Total respiratory flux and carbon emissions of paddy field in whole growth period

2.4 不同水氮耦合方式對(duì)稻田碳平衡的影響

不同水氮耦合方式下稻田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該區(qū)域不同水氮耦合方式下稻田生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)為大氣CO2的碳“匯”。與不施氮肥相比，施肥能增強(qiáng)根系生長活力，促進(jìn)地上部分生長，因此呈現(xiàn)出較強(qiáng)的碳“匯”，同時(shí)控制灌溉模式下CN0、CN3處理的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力分別低于常規(guī)灌溉下FN0、FN3處理的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，控制灌溉模式下其他施氮量處理的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力高于常規(guī)灌溉下相同施氮量處理。常規(guī)灌溉模式下，稻田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力隨著施氮量的增加而增大，意味著碳“匯”強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；而控制灌溉模式下，CN2處理凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力顯著高于其他施氮量處理(P<0.05)，為589.24 g/m2。

表4 稻田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力Tab.4 Net ecosystem productivity of paddy fields g/m2

3 討論

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，且是其中最活躍的部分。農(nóng)田碳循環(huán)的途徑主要包括兩種，一是大氣中的CO2被農(nóng)作物吸收、固定，二是由于生物及人類活動(dòng)干預(yù)，以CO2和CH4的形式返回到大氣中[8]，因此欲達(dá)到農(nóng)田固碳減排的最終目的，應(yīng)從進(jìn)一步增強(qiáng)農(nóng)田的固碳能力和減少碳排放兩方面來實(shí)現(xiàn)。本研究表明，水稻碳儲(chǔ)量大部分積累在植株的地上部分，其中穗的固碳量最高，不同水氮耦合方式下穗的固碳量占植株總固碳量的53.69%～59.44%，而對(duì)于水稻地下部固碳量，由于根生物量的限制，導(dǎo)致根的固碳量最低，僅占植株總固碳量的4.71%～8.35%。CN0處理穗的固碳量低于FN0處理，這可能是因?yàn)榭刂乒喔饶Ｊ较滤緦?duì)基肥的利用率低于常規(guī)灌溉，在無氮素施入時(shí)，無法為水稻生長提供充足的養(yǎng)分，會(huì)對(duì)植株生長具有一定的抑制作用[15]。控制灌溉模式下其他施氮量處理水稻各器官的固碳量均高于常規(guī)灌溉下相同施氮量處理水稻各器官的固碳量，這與曹湊貴等[16]得出的結(jié)論一致。這可能是因?yàn)榭刂乒喔雀纳屏烁瞪L的土壤環(huán)境，可為稻田植物根系提供適宜的水分條件，不僅能夠促進(jìn)根系生長，而且有利于延緩后期根系衰老，水稻根系在水稻生長后期能夠更好地吸收深層土壤水分及養(yǎng)分。田莉[17]研究表明，相同磷鉀肥處理?xiàng)l件下，施氮處理水稻秸稈、稻殼、癟粒、糙米和總的碳累積量均顯著高于不施氮處理，本研究也得出相同的結(jié)論。兩種灌水模式下，各施氮處理固碳量均高于不施氮處理固碳量，這可能是因?yàn)榈斎牒?，一方面土壤中可利用氮的?shù)量增加，會(huì)使植物的碳同化作用增強(qiáng)，加快地上部分生長；另一方面，由于更多的氮素容易被植株吸收利用，從而使通過根系分配到地下部分的碳含量減少[18]。

土壤呼吸是農(nóng)田碳循環(huán)中將植物光合作用固定的CO2分解后又釋放返回大氣的主要途徑，包括微生物呼吸與根呼吸兩部分。本研究表明，各處理平均土壤總呼吸速率、平均微生物呼吸速率和平均根呼吸速率在水稻生育期內(nèi)呈單峰型變化，均在水稻分蘗期達(dá)到最大值，這可能是因?yàn)榉痔Y期為水稻生長旺季，地下部分生長出大量根系，根呼吸速率增大，從而導(dǎo)致土壤總呼吸速率也增大[19]。周俊杰等[20]研究指出，與不施肥處理相比，施氮處理下土壤呼吸速率及異養(yǎng)呼吸速率均顯著增大。本文也得出相同的結(jié)論，施氮處理下各生育期平均土壤總呼吸速率、微生物呼吸速率、根呼吸速率均大于不施氮處理，這可能是因?yàn)榈砑哟龠M(jìn)了植物根系的生長，根系生物量的增加也導(dǎo)致根系分泌物增加，這為微生物提供更多的底物供應(yīng)；凋落物量的增加也為根系和土壤微生物活性提供更多的碳底物供應(yīng)；氮肥輸入同樣會(huì)促進(jìn)礦質(zhì)土壤有機(jī)碳的氧化分解；同時(shí)促進(jìn)異養(yǎng)呼吸和根呼吸，從而提高了土壤總呼吸速率[21]。YANG等[22]指出黃泥土稻田控制灌溉模式下平均土壤呼吸速率高于常規(guī)灌溉模式31.76%，這與本文的結(jié)論相似但不相同。本研究指出控制灌溉模式下各施氮量處理3種呼吸速率均大于常規(guī)灌溉下的各施氮量處理，增加幅度大于黃泥土稻田。一是因?yàn)橥寥篮粑俾孰S著土壤含水率的升高而逐漸增大，當(dāng)土壤含水率超過一定數(shù)值時(shí)，則降低；另一方面是因?yàn)轭l繁的干濕交替促進(jìn)了土壤呼吸的進(jìn)行[6]。

研究者采用不同方法對(duì)土壤碳排放量及碳平衡進(jìn)行了估算和研究。近年來，用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)作為評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的方法被大量研究者所采用，一定程度上彌補(bǔ)了用土壤碳排放效率(CEE)估算的不足[23]。黃土稻田CO2排放速率最高為2.21 μmol/(m2·s)[3]，本研究結(jié)果顯示黑土稻田CO2排放速率最高為7.07 μmol/(m2·s)，高于黃土稻田，這與米亮等[24]研究結(jié)果一致，這可能是與黑土的有機(jī)質(zhì)含量高，土壤微生物數(shù)量大有關(guān)。本研究還采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力對(duì)黑土稻田碳平衡進(jìn)行了評(píng)價(jià)，表明不同水氮耦合方式下，各處理稻田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力均為正值，意味著黑土稻田生態(tài)系統(tǒng)碳輸入明顯高出碳輸出，黑土稻田生態(tài)系統(tǒng)為碳凈輸入，黑土稻田表現(xiàn)為較強(qiáng)的碳“匯”。這與大部分的研究結(jié)論一致，即稻田具有碳“匯”功能。

4 結(jié)論

(1)不同水氮耦合方式下，水稻收獲后穗碳含量最高，根碳含量最低。當(dāng)施氮量相同時(shí)，控制灌溉模式下水稻收獲后各器官碳含量均高于常規(guī)灌溉模式。兩種灌溉模式下，施氮處理水稻收獲后各器官碳含量均高于不施氮處理?？刂乒喔饶Ｊ侥芴岣咚局仓旯烫剂?，其中CN2處理總固碳量最大。水稻各器官固碳量從大到小依次為穗、莖、葉、根；除CN0處理穗固碳量低于FN0外，當(dāng)施氮量相同時(shí)，控制灌溉模式下莖、葉、根固碳量均高于常規(guī)灌溉模式。

(2)不同水氮耦合方式下，各施氮處理水稻生育期平均土壤總呼吸速率、微生物呼吸速率、根呼吸速率均呈單峰型變化，且在分蘗期達(dá)到最大值。不同灌溉模式下，施氮處理的水稻各生育期平均土壤總呼吸速率、微生物呼吸速率及根呼吸速率均高于不施氮處理。除返青期外，當(dāng)施氮量相同時(shí)，控制灌溉模式下各施氮處理水稻各生育期平均土壤總呼吸速率、微生物呼吸速率及根呼吸速率均大于常規(guī)灌溉模式，且均隨著施氮量的增加而增大。

(3)不同水氮耦合方式下，控制灌溉模式提高了黑土稻田碳排放量，其中CN3處理水稻生育期碳排放量均顯著高于其他各處理(P<0.05)。當(dāng)施氮量相同時(shí)，控制灌溉模式下各處理碳排放量均大于常規(guī)灌溉模式，且均隨著施氮量的增加而增大。各施氮處理稻田生態(tài)系統(tǒng)碳輸入明顯高于碳輸出，稻田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力均為正值，因此黑土稻田表現(xiàn)為較強(qiáng)的碳“匯”，其中CN2處理碳“匯”強(qiáng)度最大。