川中丘陵区覆膜再生稻田N2O排放规律研究

宋开付，于海洋，张广斌，徐 华，吕世华，马 静*

（1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2.中国科学院大学，北京 100049；3.农业部西南山地农业环境重点实验室，四川省农业科学院土壤肥料研究所，成都 610066）

全球气候变暖是世人给予广泛关注的全球性环境问题之一，导致全球变暖的温室气体浓度在大气中不断地增长也越来越受到重视。N2O是一种重要的温室气体，它不仅可以使全球气温升高，还参与平流层中的光化学反应，破坏臭氧层[1]。2016年大气N2O浓度为0.33µL·L-1，是第一次工业革命前的122%[2]。农业生产活动每年排放N2O（以N计）约410万t，占总人为源的59%[3]。早期的研究认为稻田N2O排放量小[4]，但近期研究发现稻田N2O排放不可忽视[5]。我国是世界最主要的植稻国之一，据联合国粮农组织（FAO）统计，我国水稻种植面积占世界的19%[6]，每年稻田N2O排放量约8.8万t N[7]。正确评估稻田N2O排放量既能对未来气候变化条件下进一步研究全球变暖做好铺垫，又能为温室气体减排措施的制定提供数据支撑和科学依据。

再生稻是在单季稻基础上发展起来的一种水稻耕作模式，它利用收割后稻桩上存活的休眠芽，在适宜的水、温、光和养分等条件下，重新发苗抽穗，再收一季[8]。早在上世纪30年代，我国就有关于再生稻的研究报道[9]。据统计，我国南方单季稻作区适宜种植再生稻的面积约330万hm2，可比只种一季稻生产方式增产稻谷9.9×107t，其增产潜力巨大[10]。目前，四川省中稻蓄留再生稻面积就达25万hm2左右，然而因干旱等自然灾害限制了再生稻蓄留面积的进一步扩大，并增加了其单产的不稳定性。近年来，为应对季节性干旱对水稻造成的严重影响，覆膜栽培技术已在川中丘陵区得到广泛应用，且增产效果显著[11]。

研究表明[12]，热量是影响再生稻高产稳产的主要气候因素，覆膜地下5 cm处土壤温度日平均值比无膜地下5 cm处土壤温度增高3.2～5.6℃。水稻覆膜栽培技术可以提高土壤温度，预防中稻移栽早期的低温冷害[13]。因此，水稻覆膜栽培有利于单季中稻（头一季）在该地区蓄留再生稻（再生季），并可能实现它们的高产和稳产。由于头一季的生育期、施肥时间与施肥量均不同于传统的单季稻和双季稻，其稻田N2O排放规律也肯定会发生改变。目前，国际上有关单季稻和双季稻的N2O排放研究已有大量文献报道[14-15]，但关于头一季与再生季及全生育期的N2O排放通量观测目前还严重缺乏。

本研究通过田间原位试验，观测了水稻覆膜条件下川中丘陵区单季中稻及蓄留再生稻的N2O排放通量，讨论了覆膜中稻蓄留再生稻N2O排放的季节变化规律，旨在探明其对稻田N2O排放的影响，为进一步研究覆膜再生稻田N2O排放规律及寻求有效的N2O减排措施提供数据支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

田间试验于2017年稻季在四川省资阳市雁江区雁江镇响水村（104°34′E，30°05′N）进行。该地区年平均气温16.8℃，年平均降水量965.8 mm。试验土壤为侏罗纪遂宁组母质发育红棕紫泥，全碳含量为34.5 g·kg-1，全氮含量为2.8 g·kg-1，土壤pH为7.6。

供试水稻品种为旱优73，试验共设2个处理，每个处理4次重复:（1）覆膜单季中稻（SR）；（2）覆膜中稻-再生稻（SR-RR）。试验小区面积为32.75 m2（6.55 m×5 m），设4条厢面，5条厢沟。厢面宽1.45 m、长5 m，各厢沟长5 m、宽15 cm、深15 cm。SR处理所有肥料均作为基肥一次性均匀施于厢面上，水稻生长期间不进行追肥，同时在厢面上均匀覆盖0.004 mm厚超微薄膜，地膜紧贴厢面；SR-RR除施加基肥外，还需施用促芽肥和发苗肥。水稻移栽采用三角稀植，用特制的打孔器在膜上打孔[16]，行窝距为40 cm×40 cm，每窝以三角形方式栽3穴，每穴1苗，苗间距12 cm，移栽密度为18穴·m-2[12]。水稻生长期保持厢沟有水，厢面无水，用塑料软管抽水进行田间灌溉。SRRR处理头季稻收获后蓄留再生稻，留桩高度40 cm。各处理的育秧、移栽、收获、施肥时间及施肥量见表1。

1.2 田间样品采集

N2O样品采集用静态密闭箱法，箱体材料为不锈钢。箱A包括中段箱和顶箱两部分，高分别为60 cm和70 cm，底面积为40 cm×40 cm，中段箱顶部设有密封用水槽，用于水稻生长后期加层；箱B高70 cm，底面积为40 cm×10 cm。箱A放置于厢面正上方；箱B放置于厢沟。水稻生长期每隔4～7 d采一次样，采样时间为上午9:00—11:00。采样前将密闭箱罩在预先埋入小区土壤中的不锈钢底座（40 cm×40 cm×15 cm）上，底座顶端与厢面平齐（底座内盖有与底座同样大小的地膜）。静态箱密闭后用两通针将气体导入18 mL真空玻璃瓶中，每15 min采样一次，共采样4次。采集气体的同时，测定箱温和厢面下5 cm处土壤温度。取厢面新鲜土样于105℃烘干测定土壤质量含水率。水稻成熟时，分别按试验小区收割、脱粒、晾晒、适当筛除空秕粒并除水分后称质量，计算水稻产量。降雨量数据来自于四川省资阳市气象局。

表1 水稻生长期的试验设置和作物管理Table 1 Experimental setup and crop management during the rice growing season

1.3 样品分析

样品N2O浓度用带63Ni电子捕获检测器（ECD）的安捷伦气相色谱（Agilent 7890B）测定，色谱柱为80/100目的Porapak Q填充柱，柱箱温度60℃，载气为95%氩气+5%甲烷，尾吹气流量5 mL·min-1，检测器温度300℃。N2O标准气体由中国计量科学研究院提供。

1.4 数据处理

根据样品N2O浓度与时间的关系变化曲线计算N2O排放通量。N2O排放通量的公式计算如下:

式中:F为N2O排放通量，µg·m-2·h-1；ρ为标准状态下N2O-N密度，1.25 kg·m-3；V为采样箱内有效体积，m3；A为采样箱覆盖的土壤面积，m2；dc/dt为单位时间内采样箱内N2O浓度的变化，µL·L-1·h-1；T为采样箱内平均温度，K。

试验小区由厢面和厢沟构成，通过箱A测得的气体排放通量（FA）为厢面的气体排放通量，通过箱B测得的气体排放通量（FB）为厢沟的气体排放通量，各处理的气体排放通量（Fi）为厢面和厢沟的气体排放通量与之对应面积的加权平均[17]，即:

式中:SA、SB和S分别为试验小区厢面面积、厢沟面积和小区面积。

N2O排放通量用每次观测的4个重复的平均值及标准差表示，N2O季节排放量是将4个重复的每次观测值按时间间隔加权平均后再平均。处理间比较4个重复的平均值进行方差分析和多重比较。数据处理与分析均采用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0完成。

2 结果与分析

2.1 降雨量和土壤水分含量

水稻生长期的降雨量和土壤含水率的季节变化如图1所示，水稻生长期的总降雨量为606 mm，日平均降雨量为3.08 mm；水稻生长期每个月都有一定量的降雨，其中4、5月份降雨量较少，为43 mm和32 mm，7、8月份降雨量分别是173 mm和149 mm。在水稻生长期内最大土壤含水率为89.7%（5月1日），最小土壤含水率为52.3%（6月20日），水稻生长期平均含水率为68.9%。

2.2 稻田N2O排放

稻田N2O排放通量的季节变化如图2a所示。N2O排放主要集中在肥料施入土壤后较短时间内。SR处理N2O排放通量在水稻移栽后迅速上升，于5月5日达到排放最高峰613.7 µgN·m-2·h-1，然后在13 d内下降到5.0 µgN·m-2·h-1，5月30日出现另一N2O排放峰，峰值为192.9 µgN·m-2·h-1；水稻生长后半期N2O排放在0～15.5 µgN·m-2·h-1范围内波动。

SR-RR处理N2O排放通量的季节变化规律不同于SR处理。SR-RR处理N2O排放量主要集中在头季稻抽穗成熟期和再生季。SR-RR处理水稻移栽后N2O排放通量逐渐上升，4月22日出现N2O排放高峰641.6µgN·m-2·h-1，略高于SR处理N2O排放最高峰，且排放高峰出现的时间较SR处理提前13 d；拔节孕穗期N2O排放通量仅在0～13.5 µgN·m-2·h-1范围内变化；抽穗成熟期于7月31日出现N2O排放高峰，峰值为943.0 µgN·m-2·h-1，SR处理拔节孕穗期和抽穗成熟期均未有N2O排放峰出现；头季稻收割后3 d内N2O排放通量迅速上升到1 630.7 µgN·m-2·h-1，此后N2O排放通量稳定在0～7.4 µgN·m-2·h-1范围直至再生季收割（图2a）。

由表2可知，SR和SR-RR处理中稻季N2O排放量差异显著（P＜0.05），SR-RR处理再生季N2O排放量占两季总排放的42%，SR-RR处理两季的N2O排放总量比SR处理的单季排放量高246%（P＜0.05）。

2.3 水稻产量及单位产量的N2O排放量

SR-RR处理中稻季稻谷产量与SR处理相当（P＞0.05），分别为8.54 t·hm-2和8.52 t·hm-2，SR-RR处理再生季稻谷产量为1.89 t·hm-2，占两季总产的18%，SRRR处理两季稻谷总产量比SR处理高22%（P＜0.05），单位产量的N2O排放量增加184%（P＜0.05，表2）。

图1水稻生长期降雨量和土壤含水率的季节变化Figure 1 Seasonal variation of precipitation and soil moisture content during rice growing period

2.4 土壤温度与土壤水分含量对N2O排放的影响

图2 b为水稻生长期厢面下5 cm处土壤温度的季节变化。结果表明，全观测期内土壤温度总体表现为先上升后下降。SR处理水稻生长期的土壤温度在18.8～28.6℃范围内变化；SR-RR处理中稻季土壤温度总体上呈上升趋势，8月4日达到最高温度为28.6℃，头季稻收割时土壤温度下降到26.4℃，再生季的前8 d，土壤温度略微上升了2℃左右，之后迅速下降，后期的大部分时间保持在20℃左右，再生季收割时的土壤温度约为19℃。SR处理水稻生长期的季节平均土温为24.9℃，SR-RR处理中稻季和再生季的季节平均土温分别为24.4℃和23.6℃。

相关分析表明（表3），SR处理N2O排放通量与厢面5 cm处土温显著负相关（P＜0.05），SR-RR处理中稻季及再生季N2O排放通量与土温均无显著相关性（P＞0.05）。SR处理N2O排放通量与土壤含水率显著正相关（P＜0.05），N2O排放通量随着土壤含水率的增加而增大，SR-RR处理中稻季及再生季N2O排放通量与土壤含水率均无显著相关性（P＞0.05）。

图2 稻田N2O排放通量和土壤温度的季节变化Figure 2 Seasonal variation of N2O fluxes and soil temperature in rice paddy field

表2 N2O排放量、水稻产量及单位产量的N2O排放量Table 2 Total N2O emissions，rice grain yield and N2O emissions per unit yield

表3 水稻生长期N2O排放通量与土壤温度和土壤含水率的相关性系数Table 3 Correlation coefficients of N2O fluxes with soil temperature and soil moisture content during rice growing period

3 讨论

土壤水分状况是影响农田N2O排放的重要因素之一[18-19]。硝化和反硝化作用被认为是农田土壤N2O排放的最重要途径[20-21]。土壤水分状况主要通过影响土壤通气性、氧化还原电位、土壤微生物有效性及有效氮（NH+4、NO-3）分布等，从而影响硝化、反硝化过程，进而对稻田N2O排放产生影响[22]。土壤水分含量的变化在一定程度上能反映出降雨量的多少，但从试验结果可以看出土壤水分含量的变化并未与降雨量的多少完全吻合，这可能与水稻在移栽和收获时对土壤水分含量的变化比较敏感[23-24]，田间需水量较大有关。SR处理N2O排放通量随着土壤含水率的增加而增大，颜晓元等[25]室内培养试验也表明，当土壤含水量小于田间持水量时，N2O排放通量与土壤含水量呈正相关，此时硝化作用是N2O的主要贡献者。土壤含水量较少时，土壤处于充氧状态，作为中间产物的N2O排放量较少，硝化作用占主导地位；随着土壤水分含量的增加，形成的土壤厌氧环境逐渐增强，与硝化作用同时存在的反硝化作用速率加快，N2O产生量与排放量较多；当土壤含水量继续增加到土壤孔隙充满水时，虽然反硝化作用进一步加强，但生成的N2O向大气中扩散严重受阻，在土壤中有足够的时间进一步被还原为N2，N2O排放趋于减弱[26-28]。

土壤温度是影响农田N2O排放的另一重要因素，它主要通过控制土壤有机质分解速率和微生物代谢有关的酶活性来调节土壤N2O释放[29]。在一定温度范围内，土壤N2O排放速率随土壤温度的升高而增加[30]，也有研究显示[31-32]，N2O排放通量的季节变化与土壤温度的关系不明显，影响N2O排放的主要因素是土壤水分或养分状况。本试验结果表明，SR处理N2O排放通量与土壤温度呈负相关关系，这可能是由于肥料施入土壤后一段时间土壤温度降低造成的，此时肥料是影响N2O排放的主要因素，化学肥料的施用是导致高N2O排放的不可忽视的农业措施[33]。

再生稻的种植改变了覆膜稻田中稻季的N2O排放规律（图2a）。SR-RR处理的移栽时间比SR处理提前16 d（表1），其第一个N2O排放高峰出现的时间也相应提前13 d（图2a）。SR-RR处理在返青分蘖期（施肥后12 d）出现N2O排放高峰后，于抽穗成熟期（施肥后6 d）出现N2O排放最高峰，水稻移栽前的基肥和中稻季齐穗后促芽肥的施用导致中稻季稻田N2O大量排放。而SR处理在整个水稻生长期只有一个N2O排放高峰，该峰值与SR-RR处理在返青分蘖期的N2O排放峰值相当，这与氮肥的用量密切相关。化学氮肥是影响农田N2O排放最重要的因素之一[34]，施用化学氮肥显著增加土壤中NH+4、NO-3含量，继而硝化作用和反硝化作用增强，促进土壤N2O的产生与排放[34]。中稻季，SR-RR处理N2O排放最高峰为943.0µgN·m-2·h-1，SR处理N2O排放最高峰为613.7µgN·m-2·h-1。以往文献报道[17，35-36]，覆膜稻田水稻生长期的N2O排放最高峰在100.6～1 310.7 µgN·m-2·h-1，本试验两处理的N2O排放通量的季节变化仍在此范围内。然而，SR-RR处理中稻季N2O排放总量显著高于SR处理，在基肥施用所引起的N2O排放峰值相当的情况下，中稻季齐穗后促芽肥的施用导致SR-RR处理N2O排放总量显著增加。Gregorich等[37]指出农田N2O排放量随着氮肥施用量的增加呈线性增加。再生季，SR-RR处理于发苗肥施入稻田3 d后出现N2O排放最高峰1 630.7 µgN·m-2·h-1，排放高峰过后一直维持在较低水平至再生季收割。综上可知，氮肥施入覆膜稻田3～12 d是硝化和反硝化作用的关键期，也是稻田N2O排放的高峰期。化学氮肥施用仍是控制覆膜稻田N2O排放的最主要因素。

由于覆膜的增温作用，再生稻可以提前移栽，避免了前期的坐蔸积温问题，使原来不适合种植再生稻的地区成为了可能。有研究[38-39]指出，覆膜栽培明显加快中稻-再生稻生育进程，促使中稻季和再生季的成熟期提前，提高中稻-再生稻产量。本研究表明，与覆膜单季中稻相比，覆膜条件下种植再生稻，虽然增加了稻田N2O排放量和单位产量的N2O排放量，但它显著提高了水稻产量，可以保证水稻高产稳产。在未来气候变化条件下，进一步考虑施用控释肥或抑制剂以提高氮肥利用效率，减轻施肥对环境造成的污染，减少覆膜稻田N2O排放。

4 结论

（1）覆膜中稻-再生稻的中稻季有两个明显的N2O排放峰，基肥施入土壤出现N2O排放峰，比常规覆膜水稻提前13 d，最高排放峰出现在促芽肥施入稻田后，峰值为943.0 µgN·m-2·h-1；中稻季N2O排放总量为3.28 kgN·hm-2，比常规覆膜水稻N2O排放总量高（P＜0.05）。

（2）覆膜中稻-再生稻的再生季只有一个N2O排放峰，出现在8月13日，峰值为1 630.7 µgN·m-2·h-1，显著高于中稻季的排放峰值；再生季N2O排放总量为2.35 kgN·hm-2，约占两季排放总量的42%。

（3）覆膜中稻-再生稻的两季N2O排放总量为5.63 kgN·hm-2，比常规覆膜水稻高246%（P＜0.05）。

（4）覆膜中稻-再生稻的两季总产量为10.43 t·hm-2，比常规覆膜水稻增产22%（P＜0.05）；单位产量的N2O排放量为0.54 kgN·t-1，比常规覆膜水稻增加184%（P＜0.05）。覆膜条件下种植再生稻可保证水稻高产稳产，具有一定推广应用前景。