有機資源等氮替代化肥對免耕稻田N2O排放及水稻產量的影響*

魏宗輝，胡鈞銘，劉順翱，李婷婷，張俊輝，俞月鳳，李 詩，韋翔華

（1.廣西大學農學院，南寧 530004；2.廣西農業科學院農業資源與環境研究所，南寧 530007）

肥料作為“糧食的糧食”，在農業生產中具有不可替代的作用[1]。施用氮肥是作物獲得較高目標產量的關鍵措施，為糧食安全作出了重要貢獻[2-3]。中國氮肥消費量約占世界氮肥總量的1/3，但其利用率僅為30%～35%[4]。化學氮肥投入占比過高的集約化稻作生產是造成N2O溫室氣體排放的重要影響因素[5-6]。N2O增溫潛勢是CO2的265倍，其微小的變化就會造成溫室效應極大的變化[7]。因此，在國家大力實施減肥減藥背景下，開展有機氮替代化學氮，優化農業生產，保障糧食安全，減緩溫室氣體排放具有重要的科學意義和實踐價值。

化學肥料的過量、長期單一投入嚴重威脅糧食安全，引發土壤環境退化[8-10]。施用有機肥是農業可持續發展的有效手段[11]。有機肥利于提供作物生長所需各種營養元素和微量元素[12-13]，施用秸稈[14]、鮮畜禽糞便[15-16]、廄肥[17]等有機肥是維持和提高農田土壤肥力的重要措施[18]。有機肥與化肥配施對改善稻田土壤環境具有重要的調節作用[19-20]。有研究顯示有機肥硝化作用僅是等氮化肥的1/3[21]，因此，亟待利用區域優勢農業有機資源，改變農田單一氮肥過高投入，發展減肥增效綠色稻作生產。

綠肥是傳統農業精華，南方溫熱資源豐富，冬閑田多，利于發展綠肥生產，綠肥還田后不僅有利于提高土壤肥力[22]，而且利于改善土壤生態環境[23-25]。同時，廣西桑蠶產業發達，蠶沙資源豐富，是一種優質有機物料，易被農作物吸收利用[26]。快腐蠶沙有助于水稻綠色安全生產，而綠肥還田對溫室氣體的調控有積極作用[6,26]。目前，有關綠肥、蠶沙有機無機配施對粉壟免耕稻田N2O排放及水稻產量的影響鮮有報道。本研究選用綠肥、蠶沙有機資源等氮替代化肥處理，研究有機氮替代化學氮對免耕保護性耕作稻田土壤N2O的定位累積效應及水稻產量影響，以期為集約化稻作化肥減量增效、溫室氣體排放及綠色可持續生產調控提供理論與技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗在廣西農業科學院農業資源與環境研究試驗基地進行，該地區屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫21.5℃，年均降水量為1304.2mm，相對濕度為79%。在2019年全年早晚兩季水稻生長季，設置有機資源等氮替代化肥處理，在保護性耕作條件下觀測稻田N2O的氣體排放及水稻產量。

供試土壤為黏性紅壤水稻土，0-20cm耕層土壤基本理化性質（2018年）為，全氮1.80g·kg-1，全磷0.918g·kg-1，全鉀7.43g·kg-1，有機質24.5g·kg-1，有效磷37.9mg·kg-1，速效鉀97.8mg·kg-1，水解性氮131mg·kg-1，pH6.6。供試水稻品種為三系秈型超級稻特優582。供試壓青綠肥為冬綠肥紫云英，干質量養分含量為N 2.7%，P2O50.65%，K2O 2.5%，化肥為復合肥（N:P2O5:K2O比例為15:15:15），其中氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O515 %），鉀肥為氯化鉀（K2O 62 %）

1.2 試驗方法

研究基于課題組2017年粉壟耕作試驗基礎上進行，粉壟耕作為利用垂直螺旋型鉆頭刀片橫向迅速切割土壤攪碎，一次性完成自然懸浮成壟，將土壤耕層加深至30cm，常規耕作采用拖拉機旋耕。2018-2019年田間試驗設置2種免耕保護性耕作模式：上年常規耕作本季免耕（簡稱常規免耕）和上年粉壟耕作本季免耕（簡稱粉壟免耕）；每種耕作模式下設4種施肥方式，處理代碼見表1。每處理3次重復，小區面積46m2。稻田插秧每穴兩苗，株行距12cm×24cm。2019年早稻試驗4月4日施入底肥，4月7日水稻移栽，4月15日施入返青肥，于7月17日收獲；晚稻試驗于8月2日施入底肥，8月5日水稻移栽，8月13日施入返青肥，于11月15日收獲，各處理按照常規大田超級稻高產栽培措施管理。

表1 田間施肥不同處理代碼Table 1 Code of different field fertilization treatment

各施肥處理中，養分需求按當地超級稻的投入標準：N 240kg·hm-2，P2O5120kg·hm-2，K2O 240kg·hm-2，除空白對照（F1和C1）外，其它各處理投入的總純氮量相等，因此，也稱等氮替代施肥處理。具體施肥量為：F1、C1處理不施肥，F2、C2施100%化肥（800kg·hm-2復合肥，261kg·hm-2尿素，191kg·hm-2氯化鉀），F3、C3施綠肥+化肥（35586.56kg·hm-2紫云英，607.2kg·hm-2復合肥，62.65kg·hm-2尿素，59.00kg·hm-2氯化鉀），F4、C4施蠶沙+化肥（6543.08kg·hm-2蠶沙有機肥，203.13kg·hm-2尿素，24.09kg·hm-2氯化鉀）。C3、F3處理綠肥于水稻移栽前3d作為基肥一次性施入，其余處理底肥及返青肥各施50%。

1.3 測定項目

1.3.1 N2O的采集與測定

N2O的采集采用分離式靜態箱-氣象色譜法測定，采樣箱（40cm×40cm×50cm）分為上罩箱（下口敞開）和下罩箱（上、下口均敞開），由0.7mm厚度不銹鋼制成，外包鋁箔用以隔熱，降低外界溫度對箱體內部N2O的影響。箱體側面開有一直徑4.2mm孔用于注射器抽氣取樣，水稻株高不超過50cm時單獨使用上罩箱，超過50cm后使用上、下罩箱。配套底座設置于田中，在水稻移栽時裝入，底座內含2穴×2穴水稻。取樣時將箱體垂直放入底座5cm深凹槽，加水密封后，用外接三通閥的聚乙烯注射器采集樣品。采樣時間為早8：00-11：00，采樣時記錄箱體溫度，于箱體放置密封后0、10、20和30min分別用60mL注射器進行抽氣采樣，各處理3次重復。早稻季共采集11次，分別于水稻移栽后5、8、11、15、20、30、40、50、60、70和80d取樣；晚稻季共采集9次，分別于水稻移栽后6、10、15、20、30、40、50、60和70d取樣。氣體采集后48h內用氣相色譜（Agilent7890AGC，ECD檢測器）進行測定。

溫室氣體排放通量計算式為[27]

式中，F為N2O排放通量（μgN·m-2·h-1)；ρ為標準狀況下N2O-N的密度（1.25g·L-1）；V為采氣箱體積（0.08m3）；W為采樣箱底座內土壤表面積表示單位時間內溫室氣體濃度的變化率；T為采樣箱內溫度（℃）。

1.3.2 水稻考種及測產

在早、晚稻季成熟期，各處理選取30穴水稻統計有效穗數，并選取10穴代表性植株，脫粒后測定結實率、穗粒數、千粒重及干物質量。水稻收獲時從每小區選取3個1m2區域作為測產區，收割計產。曬干后測定稻谷質量和含水量，按標準含水量13.5%折算水稻產量。

1.4 統計分析

采用Microsoft Excel 2016進行數據處理及制圖。用SPSS 19.0軟件進行方差分析和顯著性比較，處理間的多重比較（統計顯著水平為P＜0.05）采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 有機資源等氮替代化肥對免耕稻田N2O排放的影響

2.1.1 對N2O排放通量的影響

由圖1可以看出，在常規免耕處理中，早稻與晚稻生長季N2O排放通量的變化趨勢基本一致，均表現為早期較高后期相對較低。對比早/晚稻生長季不同處理的排放曲線可見，在早稻季，單施化肥處理N2O排放通量均較高，出現了兩個峰值，分別在移栽的第8天（即4月18日）和第70天（即6月17日），分別達到了18.21μg·m-2·h-1和11.65μg·m-2·h-1。在晚稻季，單施化肥處理在移栽初期第15天（即8月19日）N2O排放通量最高，達到了19.75μg·m-2·h-1，隨后與其它處理變化趨勢一致，表現為逐漸減少，基本保持在-5～5μg·m-2·h-1范圍。在早稻季，C3（綠肥+化肥）處理在移栽后第30天（即5月7日）N2O排放通量最高，達到4.12μg·m-2·h-1；晚稻季，C3（綠肥+化肥）處理在移栽后第50天（即9月23日）N2O排放通量最高，達到6.03μg·m-2·h-1，其余處理取樣期間保持在-0.1～5.1μg·m-2·h-1。早稻季，C4（蠶沙+化肥）處理在移栽后第80天（即6月27日）N2O排放通量最高，達到3.51μg·m-2·h-1；晚稻季，C4（蠶沙+化肥）處理在移栽后第50天（即9月23日）N2O排放通量最高，達到4.77μg·m-2·h-1，其余處理取樣期間保持在-1～4.7μg·m-2·h-1范圍。早、晚稻季純施化肥處理（C2、F2）N2O排放通量在施肥前期要明顯高于有機肥+化肥處理（F3、F4、C3、C4），可見在常規免耕下有機肥+化肥配施處理能夠減少N2O的排放。

由圖2可以看出，粉壟免耕處理早稻和晚稻的N2O排放通量與常規免耕處理下的變化趨勢基本一致。早稻季，單施化肥處理N2O排放通量均較高，在移栽后第8天（即4月18日）達到峰值，為8.62μg·m-2·h-1；晚稻季在水稻移栽后第15天（即8月19日）達到峰值，為7.69μg·m-2·h-1。

早稻季，F3（綠肥）處理的N2O排放通量在移栽后第20天（即4月27日）最高，達到8.04μg·m-2·h-1；晚稻季在移栽后第15天（即8月19日）最高，為7.81μg·m-2·h-1。早稻季，F4（蠶沙）處理的N2O排放通量在移栽后第70天（即6月1日）最高，達到3.15μg·m-2·h-1；晚稻季在移栽后第15天（即8月19日）最高，達到3.49μg·m-2·h-1。可見，兩種免耕處理中，有機資源等氮替代化肥較單施化肥處理均能在水稻生長季中降低稻田N2O排放通量。

2.1.2 對N2O累計排放量的影響

由圖3可見，在2019年早、晚稻生長季，C2（純施化肥）處理中稻田N2O累計排放量均顯著高于其它處理，分別達到90.95 g·hm-2和74.34 g·hm-2，兩者合計達到165.29g·hm-2。早稻生長季，有機肥與化肥配施處理（F3、C3和F4、C4）中，稻田N2O累計排放量均比較低，尤其是常規免耕下C4（蠶沙+化肥）N2O累計排放量最低，僅為12.43g·hm-2，比C2（純施化肥）處理降低了86.34%，比（C1）不施肥處理降低了33.72%。而粉壟免耕下F3（綠肥+化肥）和F4（蠶沙+化肥），N2O累計排放量分別比C2（純施化肥）降低了79.36 %和78.88 %。晚稻生長季各處理N2O累計排放量與早稻生長季相近，常規免耕下C4（蠶沙+化肥）處理N2O累計排放量最低，分別為18.77g·hm-2和24.32g·hm-2；而粉壟免耕下F3（綠肥+化肥）和F4（蠶沙+化肥），N2O累計排放量分別比C2（純施化肥）降低60.60 %和61.89 %。兩季合計的N2O累計排放量中，F3（綠肥+化肥）處理最低，為48.06g·hm-2。常規免耕下，C1（不施肥）、C3（綠肥+化肥）、C4（蠶沙+化肥）相較于C2，兩季合計N2O累計排放量分別減少50.7%、41.3%、77.7%；粉壟免耕下，F1（不施肥）、F2（純施化肥）、F3（綠肥+化肥）、F4（蠶沙+化肥）各處理相較于C2，全年N2O累計排放量分別減少82.7%、33.3%、70.9%、69.04%。可見，在稻田免耕下，兩種有機肥等氮替代替代化肥處理均能降低N2O的排放，常規免耕下C4（蠶沙+化肥）處理對N2O的減排更有效果，粉壟免耕下兩種有機肥等氮替代化肥對降低N2O的效果相近。

2.2 有機資源等氮替代化肥對免耕稻田產量及其干物質量的影響

2.2.1 對植株干物質積累量的影響

從表2可以看出，早稻季成熟期各處理的植株地上、地下部分干物質量及總干物質累計量均以F3最高，分別為108.95g、7.60g和116.54g；晚稻季C2地上部與總干物質積累量最高，分別為76.98g和81.18g，地下部積累量以F3最高，為5.81g。早稻季植株根冠比表現為F1最優，C2最次，分別為9.13%和5.16%；晚稻季表現為F1最優C4最次，分別為7.74%和4.97%。空白對照(C1、F1）根冠比顯著高于施肥處理，原因是施肥處理水稻生長發育受限，地上干物質量低；粉壟免耕下綠肥化肥配施處理（F3）的干物質累計量、地下干物質量和根冠比均高于常規施肥處理（F2），早、晚稻季干物質量分別提高22.63%、29.90%，地下干物質量分別提高28.37%、22.05%，根冠比分別增加了0.31個和0.89個百分點；兩種保護性耕作模式下蠶沙化肥配施處理較常規施肥降低植株干物質累積量，地下干物質量、根冠比與常規施肥差異不明顯；粉壟免耕下植株地下干物質量提高13.60%～57.68%，根冠比增加0.94～1.86個百分點。可見，保護性耕作下采用綠肥等氮替代化肥處理顯著提高植株干物質積累量、根系干物質量，作物根系長勢更好，有利于提高作物對養分的吸收。

表2 不同處理成熟期植株干物質量及根冠比的比較Table 2 Comparison of the different treatment on mature period plant dry matter accumulation and root/shoot ratio

2.2.2 對產量的影響

由表3可以看出，早稻季以C2處理的產量最高，為797.82kg·666.7m-2，F1處理的產量最低，為488.91kg·666.7m-2；晚稻季以F3產量最高，為843.80kg·666.7m-2，以F1處理產量最低，為512.98kg·666.7m-2。在水稻產量構成因子中，早稻季的成穗率以F3最高，為94.66%，晚稻季F2最高，為96.01%，早、晚稻季C1處理均最低，分別為86.33%和90.81%。有效穗數的表現為保護性耕作條件下施用有機肥的處理（C3、C4、F3、F4）相較于常規施肥（C2、F2）均有所增加，早、晚稻季均以F3處理最高，分別為271.80×104和301.80×104個·hm-2；水稻每穗總粒數早稻季以 F3最高，為210.44粒，晚稻季為C3最高，為219.82粒。水稻千粒重早稻季以C3處理最高，為26.50g，晚稻季以C4最高，為23.84g；綠肥化肥配施處理（C3、F3）相對常規施肥（C2、F2）結實率均呈增加趨勢，早稻季C3最高，為84.41%，晚稻季F3最高，為85.33%。不施肥處理（F1、C1）由于水稻生長發育所需養分缺失導致產量相對較低；早稻季C3、F3處理相較于C2、F2在產量上差異并不大，晚稻季F3處理產量相較于C2、F2提高了0.77%和9.03%；而C4、F4雙稻季產量相較于C2、F2產量均有所降低，晚稻季C4處理產量下降最高，下降幅度為11.43%。說明有機肥等氮替代化肥能夠在一定程度上維持水稻產量，采用綠肥化肥配施對雙稻季產量更有保障，早稻季較化肥產量最高下降1.1%，晚稻季最高提升10.0%。

表3 不同處理水稻產量構成的比較Table 3 Comparison of the different treatment on rice yield and yield formation

3 討論與結論

3.1 討論

（1）關于有機資源等氮替代化肥對稻田硝化作用的影響。

土壤硝化與反硝化是N2O產生的重要反應過程，本研究結果表明，在免耕稻田中以不同有機肥（綠肥、蠶沙）替代化學氮肥施入，可以顯著降低稻田土壤N2O排放，與前人研究規律相符[16,20]。造成N2O排放降低的原因，一方面可能是因為水稻生長發育過程中長期處于淹水狀態造成了厭氧環境，施用有機肥后稻田微生物的活動會消耗掉部分氧氣，致使土壤氧化還原電位的降低，促進了反硝化速率，使得N2的排放量提升，從而降低了N2O的排放[28-29]；N2O的產生過程則受到反應底物C、N供應水平的影響[30]，不同有機肥的碳氮比存在差異，因此，N2O的減少與有機肥料的種類、施用方式有關，其會影響土壤微生物硝化與反硝化作用，同時有機肥肥力釋放較為緩慢，導致稻田土壤中速效氮的總含量降低，硝化與反硝化作用的反應底物低于施用肥料的水平，從而降低了N2O的產生與排放[31]。 土壤反硝化對N2O的貢獻與土壤pH值呈負相關關系[32]，有機肥料常被用來提高土壤pH，改變土壤酸性環境[33]。

（2）有關有機資源等氮替代化肥對水稻根系土壤環境的影響。

水稻高產群體與水稻根系土壤環境密切相關，本研究發現免耕稻田下綠肥化肥配施顯著提高水稻根系生物量。肥沃的土壤有機質含量高、土壤的通透性好而且是富氧狀態，長期施用有機肥對土壤物理性狀的改善有顯著作用，有機肥能夠提高土壤保水保肥能力[34]，增加土壤孔隙度，改善土壤團粒結構，提高土壤透氣性和保水性，使作物呼吸順暢[35]，有利于根系生長，提高作物對養分的吸收能力。施用有機肥能夠顯著提高土壤有機碳含量和質量，保證作物根系養分的充足供給[36]，有研究顯示土壤免耕方式下作物的總干重及根重大于傳統翻耕[37]。同時作物根系的良好長勢有利于對有效氮的競爭利用[38-39]。此外，有機肥會影響土壤相關微生物環境與根系活力[40-41]，有研究顯示添加有機物料會刺激土壤氨化過程的主要微生物AOB的生長[42]，且顯著提高異氧微生物AOA的豐度[43]。

（3）關于有機資源等氮替代化肥對免耕水稻產量的影響。

本研究發現，與當地常規施肥相比，利用有機肥等氮替代化學氮肥能夠提高水稻的穗粒數和有效穗，從而提高水稻產量。不施肥處理較單施化肥顯著降低水稻產量、干物質積累量，最高降低達到36.4%和55.3%，是因為稻田土壤中缺少水稻生長發育所需的營養元素，造成水稻產量、生物量的降低。等氮替代條件下，與常規施肥相比，施用綠肥與蠶沙在N2O的減排上均有良好的效果，實現減排41.3%～79.9%，但施用蠶沙處理水稻產量降低1.6%～11.4%，而采用綠肥替代化肥處理表現更好，能夠保證水稻產量不減少甚至增加，對比單施化肥處理產量增加-1.1%～10.0%。施用綠肥能提高作物產量，是因為水稻生長發育受到養分供給的限制，化學氮肥能在短時間能大量提供水稻生長發育所需的氮養分，而綠肥還田則能在水稻生長發育中后期持續供給養分，與常規施肥相比，利用有機肥替代化肥施用能夠維持作物產量不減少或增加[44-45]。此外有機肥的過度投入可能會一定程度上減少水稻產量，適當比例的有機無機配施是穩定水稻高產的科學施肥方式[45-47]。

3.2 結論

稻田免耕下綠肥、蠶沙等氮替代化肥能有效降低N2O排放，粉壟免耕下綠肥等氮替代化學氮肥顯著提高了水稻干物質量及根系干質量，利于維持水稻產量穩定，采用綠肥、蠶沙等氮替代化肥可作為一種集約化稻作可持續生產聯合調控技術措施。