不同灌溉方式及施肥量對稻田土壤N2O排放的影響

王肖娟，王永強,2*，趙雙玲，李 麗，蘇天潮，劉小武

（1.新疆天業集團有限公司，新疆石河子832011；2.新疆天業農業高新技術有限公司，新疆石河子832011）

溫室氣體的排放已在全球范圍內受到控制，氧化亞氮（N2O）作為六大溫室氣體之一，在大氣中增加的70%～90%來自于生物源，且農田生態系統是N2O的主要排放源之一[1]，而其中的稻田即是N2O的主要生物排放源[2]。全球每年由于使用化學氮肥而造成的以N2O形式排放的氮量高達335萬t，占人類活動總釋放量690萬t的47%[3]。

我國是水稻生產大國，種植面積及總產量均居世界第一[4]。新疆天業集團研發的膜下滴灌水稻栽培技術，將水稻栽培技術與膜下滴灌技術結合在一起，突破了傳統水稻種植的“水作”方式，優于傳統水稻種植，其可節水60.7%、節省肥料10.4%[5-6]。前人對膜下滴灌水稻研究多集中在水稻產量以及氮素吸收利用的影響等[7-8]，而對于在膜下滴灌及淹灌栽培方式下稻田氮素氣態損失途徑和損失量缺乏定量與系統的研究。為此，本試驗設置滴灌、淹灌2種灌溉方式并設置不同施肥量，研究在2種灌溉方式和不同施肥量下稻田土壤N2O的氣態損失量，以期為今后進行科學的大田水分管理、肥料高效利用以及溫室氣體減排提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年4—10月在石河子市新疆天業集團天業農業研究所（44°26.5′N，86°01′E，海拔高度為429 m）進行。供試水稻材料為T-43。

1.2 試驗設計與田間管理

1.2.1 試驗設計。本試驗采用裂區隨機區組設計，每小區面積為72 m2，每處理重復3次，隨機區組排列。試驗設計不同灌溉模式和施肥量，以灌溉模式（I）為主因素，施肥量為副因素[9]。灌溉模式分別為膜下滴灌處理（D）和常規淹灌處理（F）；施肥量（尿素，含N量46%）處理均設5個施肥水平，即0、210、300、390、480 kg/hm2，分別標記為 N0、N210、N300、N390、N480。鉀肥、磷肥統一用量標準并全部基施，用量分別為K2O 180 kg/hm2（硫酸鉀，含K2O 51%）、P2O5210 kg/hm2（重過磷酸鈣，含P2O546%）。

膜下滴灌水稻氮肥隨水滴施，淹灌是撒施，施肥時期以及分配方案均為：氮肥的10%作為基肥在播前施入，15%在3葉1心期施入，30%在分蘗中期施入，35%在拔節孕穗期施入，10%在開花期施入。

1.2.2 田間管理。膜下滴灌處理種植模式（D）設計為1膜2管4行，膜寬1.15 m，株距10 cm，播種深度2～3 cm，每穴點播6～8粒，密度1.9萬穴/667m2。膜下滴灌水稻處理采用干播濕出方法，2017年4月27日播種，播種后隨即滴出苗水。整個生育期灌水量為650～700 m3/667 m2，于收獲前20 d停止灌水待收。

常規淹灌處理（F）在旱作處理播種當天進行旱育秧，于秧齡21 d時移栽至淹水田，株行距為10 cm×30 cm，每穴3～4株苗[10]。整個生育期耗水量約為 2 000 m3/667 m2。

1.3 測定項目和分析方法

采用靜態箱-氣相色譜法[11]測定稻田的N2O的氣體通量，每個采樣點的采樣量為60 mL，每個處理隨機取3個樣點，采樣時間為6月1日至8月30日，每次采樣在灌水施肥后的第2天進行。采樣時間在每日10:00—12:00，采樣時以時間間隔0、10、20、30 min抽取箱內氣體60 mL，將氣體轉移到氣袋后帶回實驗室內進行分析。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2003進行計算和繪圖，并采用SPSS11.5軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式及施肥量對水稻生長期間土壤N2O排放通量的影響

不同的灌溉模式和施氮量對土壤N2O排放通量的影響見圖1、圖2。在水稻生長期間，N2O排放通量受灌溉模式和氮肥施用的影響，排放峰值均出現在水稻播栽后80 d（7月21日）期間，其余時間排放量較低，DN0、DN300、DN480、FN0、FN300、FN390、FN480最高排放通量分別為 0.88、1.19、1.41、0.79、0.84、1.27、1.31 μg/(m2·h)。在水稻的全生育期，施用氮肥促進稻田N2O排放，隨著氮肥使用量的增加，各處理N2O排放通量也隨之增加。總體來看，滴灌條件下的土壤N2O排放通量高于淹灌條件。

圖1 滴灌處理下水稻不同生育時期土壤N2O排放通量的動態變化

圖2 淹灌處理下水稻不同生育時期土壤N2O排放通量的動態變化

2.2 不同灌溉方式及施肥量下水稻土壤N2O累積排放量

水稻生長期間各裂區處理土壤N2O累積排放量為0.17～0.34 kg/hm2（表1）。總體上，土壤N2O累積排放量受灌溉模式、施肥量以及二者的交互作用，且均達極顯著影響（P＜0.01，表2）。施用氮肥可顯著促進土壤N2O的排放，相同灌溉方式下N2O排放量從大到小順序均為 N480、N390、N300、N210、N0，且相互間達到顯著差異（P＜0.05）。灌溉模式顯著影響土壤N2O累積排放量，滴灌處理的土壤N2O累積平均排放量較淹灌處理平均值增加8.33%。

表1 不同灌溉方式及施肥水平（N）下稻田土壤N2O累積排放量

表2 不同灌溉方式及施肥水平（N）下N2O累積排放量的F檢驗與多重比較

3 結論與討論

3.1 田間水分狀況影響稻田土壤N2O的產生

土壤中N2O的產生主要來源于土壤微生物的硝化和反硝化反應，田間含水量是決定N2O排放的主要因素。土壤過于干燥或持續淹水都不利于硝化和反硝化細菌的生長，而適宜的土壤含水量和土壤溫度可能同時有利于土壤微生物的硝化和反硝化作用的進行。有資料表明，土壤水分是影響土壤中硝化和反硝化作用的重要因素[12]。本研究中膜下滴灌水稻處理稻田的N2O排放量大于常規淹水稻田的N2O排放量，主要有2個原因：一是由于膜下滴灌水稻不建立水層，在該土壤濕度下，土壤大空隙通暢，有利于土壤中產生的N2O從土體中排放到大氣；二是因為膜下滴灌水稻在前期群體植株較小，對氮素的吸收、累積量少，大量的氮素主要殘留在土壤中，為膜下滴灌稻田的土壤微生物的硝化和反硝化過程提供了豐富的基質，由此提高了N2O排放峰值。

3.2 施肥水平影響土壤N2O的排放量

N2O是土壤反硝化的中間產物。氮肥的施用可以促進N2O的形成與產生[13-14]，其主要原因是氮肥分解為硝化和反硝化過程提供了反應底物，也就是提供了豐富的基質。本試驗發現，施用氮肥可顯著促進土壤N2O的排放，且N2O的排放隨著施氮量的增加而增加，其中N390處理土壤N2O累積排放量較N0處理高173%。

有研究表明，肥料深施與表面撒施相比，N2O排放也有所不同，銨態氮肥深施于土壤中能夠減少稻田N2O排放[15]。對表面撒施而言，土壤溶液中的銨根離子更易在水稻土層氧化層通過硝化作用被氧化為硝酸根離子，硝酸根離子擴散到還原層中促進厭氧微生物的反硝化作用，它們的共同作用促進了稻田N2O的排放[16]。而深施肥料，土壤溶液中的銨態氮濃度高，且深層土壤處于厭氧條件下，銨根離子難以被氧化成為硝酸根離子，從而導致缺乏反硝化作用的反應基質，進而減少N2O的排放。因此，表施與深施這2種不同的施肥方式對于使用銨態氮肥造成的N2O排放也具有不同的重要影響。