水稻秸稈還田對稻田土壤N2O排放的影響

摘要：以湖北省兩種典型水稻土壤[咸寧水旱輪作土壤（簡稱XR）與潛江冬泡土壤（簡稱QF）]為研究對象，室內培養模擬水稻秸稈還田對土壤N2O排放的影響。設置了淹水（土水比為1∶1）和土壤充水孔隙度為80%（簡稱80% WFPS）2種水分條件以及添加1%水稻秸稈（簡稱S）、1%水稻秸稈+50 mg（N）/kg尿素（簡稱S+U）和空白對照（CK）3種處理，25 ℃恒溫培養60 d。結果表明，XR土樣中，淹水條件下CK、S以及S+U處理后N2O累積排放通量分別為1.80、0.15和0.42 mg（N）/kg，而80%WFPS條件下相同處理后的N2O累積排放通量分別為0.065、0.040和0.160 mg（N）/kg；QF土樣中，淹水條件下CK、S以及S+U處理后N2O累積排放通量分別為3.42、0.09和0.22 mg（N）/kg，而80%WFPS條件下相同處理的N2O累積排放通量分別為4.58、1.55和5.28 mg（N）/kg。土壤輪作模式、水分和秸稈添加方式均導致了不同土壤間N2O排放的差異，但主要受土壤氧化還原電位（Eh）的影響，其排放通量與Eh呈顯著負相關。這表明土壤Eh可能是調節土壤N循環過程的關鍵因子。

關鍵詞：水稻秸稈還田；稻田土壤；N2O排放通量；氧化還原電位

中圖分類號：X511 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）10-2539-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.022

Abstract：To investigate the relationship between rice straw application and N2O emission in Hubei province，a laboratory experiment was carried out to monitor N2O fluxes under different water regimes with rice straw incorporation over 60 days incubation in Xianning rice soil（XR） and Qianjiang rice soil（QF）. Two water regimes including flooding and 80% water-filled pore space（80% WPFS） and three treatments including control（CK）， addition of 1% rice straw（S）， and 1% rice straw + 50 mg（N）/kg Urea（S+U） were arranged. As for XR soil， under flooding conditions， cumulative N2O emissions fluxen of CK， S and S+U treatments were 1.80， 0.15 and 0.42 mg（N）/kg， respectively， and cumulative N2O emissions were 0.065， 0.040 and 0.160 mg（N）/kg. As for QF soil， under flooding conditions， cumulative N2O emissions fluxen of CK， S and S+U treatments were 3.42， 0.09 and 0.22 mg（N）/kg， respectively， and under non-flooding conditions， cumulative N2O emissions fluxen were 4.58，1.55 and 5.22 mg（N）/kg. In addition， the soil Eh correlated negatively with N2O fluxes during the incubation period （P<0.05）. The results suggest that soil Eh plays a key role in mediating the N cycle of rice soils.

Key words： rice straw returning；paddy field soil；N2O emission fluxen；redox potential

中國是水稻（Oryza sativa L.）種植大國，近10年來中國的水稻產量雖然在逐年提高，但同時面臨土壤有機質逐年降低的嚴峻形勢[1]。提高土壤的肥力是維持糧食豐產的必要前提，水稻秸稈還田被認為是提高土壤有機質、提升土壤地力的有效手段之一[2，3]。然而，在水稻秸稈還田對作物增產和土壤固碳的同時，引起的溫室氣體排放也值得人們關注。國內外學者對水稻秸稈還田后引起的溫室效應已有了較多的報道[4-7]，多數認為稻田在淹水期間N2O排放相對較少，對此條件下的N2O關注并不多。以往的研究表明，農田N2O排放與施肥、水分管理和氣候等因素有關[8-11]。一般認為水稻土中添加水稻秸稈后會促進N2O的排放[12]，但也有研究表明水稻秸稈還田配施氮肥可減緩N2O的釋放[13]。中國的水稻土母質來源復雜，土地利用方式多樣，不同土壤間N2O的排放通量差異顯著，水稻土壤的N2O排放還受土壤充水孔隙度（Water-filled pore space，WFPS）和氧化還原電位（Eh）等因素的影響[14]。然而，不同的稻田土壤N2O排放的關鍵調控因子是否一致，目前還不清楚。本研究在室內條件下控制一定的因素，探討不同稻田土壤N2O的排放特征，揭示關鍵驅動因子，為指導農田溫室氣體減排措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點概況

供試土壤取自湖北省咸寧市賀勝橋鎮附近（東經114°21′51″，北緯30°01′16.4″）和湖北省潛江市后湖農場附近（東經112°50′81.7″，北緯30°25′17.6″）。咸寧市的土壤質地為粉質黏壤土，母質為第四紀紅壤，土地利用方式為中稻-油菜輪作（簡稱XR）；潛江市的土壤質地為沙壤土，母質為鈣質潮土，土地利用方式為中稻-冬閑/泡水（簡稱QF）。兩個采樣點均屬于亞熱帶大陸性季風氣候，降雨量集中在4～9月，約為全年的70%左右。經“S”形布點采樣，取0～20 cm耕作表土混合裝袋，環刀法測定土壤容重，土樣運回實驗室后自然風干，過1 mm篩備用。供試水稻秸稈采集于華中農業大學試驗農場，樣品為成熟秸稈的地上部分，風干粉碎后添加到培養土壤中。經測定，水稻秸稈的木質素含量為16.20%，總碳含量為30.60%，總氮含量為1.07%，總碳與總氮之比（C/N）為28.6。采樣點土樣基本理化指標見表1。

1.2 試驗設計

試驗設置了添加水稻秸稈（S）、水稻秸稈加尿素（S+U）和空白對照（CK）3種處理與淹水（土水比為1∶1）和土壤充水孔隙度（WFPS）為80%的2種水分條件。水稻秸稈添加量為1.0%，尿素添加量為50 mg（N）/kg。培養時1 L玻璃瓶裝200 g風干土，每個處理設置3個重復。正式試驗前，土水比控制為1∶0.15，（25±1）℃預培養7 d。預培養結束后加入秸稈和尿素，（25±1） ℃培養60 d。培養瓶用薄膜覆蓋，頂部留有孔隙通氣，每3 d補水1次。

1.3 氣體采集及其他指標分析

培養瓶密閉培養2 h后測定N2O排放通量及累計通量。N2O測定方法參考文獻[15]，ECD檢測溫度設為300 ℃，柱箱溫度為55 ℃，保留時間為3.5 min，載氣N2流速設置為25 mL/min。

N2O排放通量計算公式[16]：

F=ρ×（V/W）×（ΔC/Δt）×T×α

式中，F為N2O排放通量；ρ為標準狀況下N2O的密度；V是培養瓶體積；W為風干土的質量；ΔC/Δt表示單位時間內溫室氣體濃度的變化率；T為培養的熱力學溫度；α是N2O換算成N的轉換因子（α=28/44）。

土壤硝態氮、銨態氮采用流動注射分析儀測定；pH采用酸度計分析；土壤氧化還原電位（Eh）采用氧化還原電位儀測定。

1.4 數據分析

所有結果為3個重復的均值，經SPSS16軟件進行方差分析和相關性分析，origin 8.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 淹水條件下的N2O排放通量

淹水條件下，不同水稻秸稈添加方式影響了土壤的N2O排放。XR的CK處理中N2O的排放通量在整個培養期間變化較為明顯：培養初期排放通量逐漸上升，培養35 d時達到排放峰值4.76 μg（N）/（kg·h）（圖1a）。但XR經S和S+U處理后，前40 d內N2O排放通量變化并不明顯，甚至表現為負排放，僅S+U處理后45 d出現了排放峰值，為1.78 μg（N）/（kg·h）。淹水條件下，CK、S以及S+U處理在培養期間N2O的累積排放通量分別為1.80、0.15和0.42 mg（N）/kg。

同樣水分條件下，QF不同處理下N2O排放通量變化趨勢與XR相似。CK處理中，培養16 d時N2O的排放通量達到了峰值，為28.65 μg（N）/（kg· h） （圖1b）。同樣，S和S+U處理后，N2O排放通量增加也不明顯，培養期間最大排放通量僅為0.23和0.41 μg（N）/（kg·h）。QF土樣中的CK、S和S+U處理在淹水期間N2O的累積排放通量分別為3.42、0.09和0.22 mg（N）/kg。

2.2 非淹水條件下的N2O排放通量

非淹水條件下（80%WFPS），XR土樣僅S+U處理下N2O排放通量略有增加，所有處理的排放通量在整個培養期間變化均不大（圖1c）。培養期間，CK、S和S+U處理N2O的累積排放通量分別為0.065、0.040和0.160 mg（N）/kg。

相同的水分條件下，QF土樣的N2O排放主要集中在培養前期（圖1d）。CK處理的N2O在4 d時達到了排放峰值，為36.40 μg（N）/（kg·h）；S和S+U處理分別在培養3 d和4 d時出現了N2O排放峰值，分別為26.41和55.50 μg （N）/（kg·h）。培養期間，QF土樣的CK、S和S+U處理的N2O的累積排放通量分別為4.58、1.55和5.28 mg（N）/kg。

2.3 不同處理下土壤的Eh

不同處理影響了土壤Eh，尤其在淹水條件下。淹水條件下，XR和QF土樣經S和S+U處理后，Eh發生了極顯著變化（P<0.01），XR和QF分別在培養3 d和2 d時 Eh降低到-150 mV以下，此后保持相對穩定直至培養結束（圖2a、圖2b）。而整個培養期間，XR和QF的CK處理的Eh均值分別為153 mV和 70 mV。

非淹水條件下（80%WFPS），不同處理下的XR和QF土樣Eh在培養前期緩慢上升，此后一直保持相對穩定，40 d后緩慢下降直至培養結束（圖2c、圖2d）。在XR土樣中，CK處理在此期間Eh均值為392 mV，而S和S+U處理下Eh波動范圍分別為 （352±34） mV和 （337±52） mV，統計分析表明，與CK相比，S和S+U處理顯著降低了土壤Eh（P<0.05）。非淹水條件下，QF土樣在CK、S和S+U處理下的Eh分別為（233±30） mV、（213±44） mV和 （229±27） mV，各處理間無顯著差異。

Eh和N2O排放通量的相關性分析結果（表2）表明，XR土樣的N2O排放受土壤Eh的影響，二者之間呈極顯著負相關。從數據上看，QF土樣的3種處理中，其N2O排放通量與土壤Eh變化的相關性并不顯著，但不同處理間結果表明，非淹水條件下QF土樣的CK處理下N2O排放與Eh呈顯著負相關（r=-0.499，P=0.035，n=18），且S處理下N2O排放與Eh呈極顯著負相關（r=-0.693，P=0.001，n=18）。

2.4 不同處理下土壤的礦質氮含量

由圖3和圖4可知，淹水條件下2種土壤的礦質氮主要以銨態氮為主，S處理降低了土壤NH4+-N的含量，而在S+U處理中，NH4+-N的含量與CK相比差異不顯著；在80% WFPS條件下，土壤的礦質氮以NO3--N為主，與CK相比，S和S+U處理均顯著降低了土壤中的礦質氮含量（P<0.05）。表明水稻秸稈降解過程中，微生物代謝過程可能消耗了部分土壤礦質氮。

3 討論

土壤氮素是維持作物豐產和土壤地力的重要保障。Cucu等[17]認為，淹水條件下添加水稻秸稈可降低土壤礦質氮的濃度，而廖育林等[3]的野外定位觀測試驗表明，長期化肥與水稻秸稈混合施用能保育土壤肥力。實際上，在水稻秸稈還田過程中添加氮肥還可有效緩解作物對氮肥的利用不足[18]。本試驗在淹水條件下，XR和QF土樣中S和S+U的N2O累計排放通量均低于其對應的CK處理，而非淹水條件下S處理對應的N2O累計排放通量也低于其對應的CK處理。從土壤礦質氮的含量上看，淹水條件下土壤以反硝化為主，而非淹水條件下以硝化為主。其結果暗示了向土壤中輸入基質后，微生物的代謝過程受土壤Eh影響，極可能調節了土壤氮素的循環途徑。

從以往文獻報道的室內培養[19]和室外觀測結果來看[20，21]，淹水和80%WFPS條件下均涵蓋了N2O排放的“窗口期”，意味著本研究設置的兩種水分條件能較客觀地反映水稻土的N2O排放潛勢。特別是淹水條件下的CK處理和80%WFPS條件下的S+U處理的土壤N2O主要排放期間Eh變化范圍分別為117～225 mV以及181～248 mV，與Yu等[22]試驗中N2O排放活躍期對應的Eh范圍非常接近。再次詮釋了在淹水條件下兩種土樣中S和S+U處理N2O排放通量相對低的主要原因是土壤反硝化過程較為徹底，土壤中NO3--N極有可能被還原成了N2。而非淹水條件下，兩種土壤礦質氮含量差異不太大的前提下，N2O排放差異的主要原因是因土壤Eh不同。

4 結論

以上結果暗示了土壤Eh是影響N2O排放的關鍵因子，在田間尺度上實施水稻秸稈還田時，非淹水條件下秸稈還田可能適合于水旱輪作稻田，而淹水條件下秸稈還田可能更適合于長期泡水稻田，水稻秸稈配施適量的氮肥可避免水稻秸稈降解與作物爭肥。

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