水碳聯(lián)合管理對稻田淺層土壤N2O濃度剖面分布規(guī)律的影響

俞灣青，楊士紅,2，祁蘇婷

(1.河海大學農(nóng)業(yè)科學與工程學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

大量研究表明，稻田是N2O主要排放源[1-2]，而水碳管理是影響稻田N2O排放的重要因素[3-4]。一般認為，控制灌溉會促進稻田N2O排放[5-6]，因為控制灌溉稻田頻繁的干濕交替導致土壤通氣狀況的頻繁變動，造成了N2O的大量排放[7-8]。黃國宏等[9]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中N2O的產(chǎn)生和排放主要決定于土壤水分含量，N2O排放隨土壤含水量的增加而增加;侯會靜等[10]研究發(fā)現(xiàn)，土壤充水孔隙率為78.1%～85.3%時，稻田土壤 N2O 排放通量最大。傳統(tǒng)土壤碳管理模式包括施用有機肥和秸稈還田，均能有效提高土壤有機碳含量，但也會引起稻田溫室氣體排放的變化。關于碳管理對稻田N2O排放的研究結論并不完全一致，Li等[11]研究發(fā)現(xiàn)，麥秸還田使得稻田N2O排放量減少了19%～42%，但也有研究表明秸稈還田顯著提高了土壤N2O排放量[12]；夏仕明等[13]研究發(fā)現(xiàn)施用有機肥可以顯著降低N2O的排放，但李平等[14]研究表明氮肥配施有機肥較單施化肥能增加稻田N2O的排放量。已有研究大多是將水分與碳管理分開，研究其對稻田N2O排放的影響，關于水碳管理下N2O濃度的研究較少。基于此，本文開展水碳聯(lián)合調控試驗，采用微電極技術，測定稻田土壤N2O濃度分布，分析水碳聯(lián)合管理對稻田土壤剖面N2O濃度的影響，以期為南方地區(qū)稻田溫室氣體減排與水土資源可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗條件

試驗區(qū)位于河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室昆山試驗研究基地(34°63′21″N，121°05′22″E)。試驗區(qū)屬亞熱帶南部季風氣候區(qū)，年平均氣溫15.5℃，年降水量1 097.1 mm，年蒸發(fā)量1 365.9 mm，日照時數(shù)2 085.9 h，平均無霜期234 d。當?shù)亓晳T稻麥輪作，土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤質地為重壤土，0～18 cm土層土壤有機質質量比為21.71 g/kg，全氮質量比為1.79 g/kg，全磷質量比1.4 g/kg，全鉀質量比為20.86 g/kg，pH值為7.4，0～30 cm土壤密度為1.32 g/cm3。

1.2 試驗方法

試驗設置2種灌溉方式：常規(guī)灌溉(簡稱常灌)，記為F；控制灌溉(簡稱控灌)，記為C；2種肥料管理方式：秸稈還田管理(記為S)與有機肥管理(記為M)。試驗共設置4個處理，分別為CS(控灌+秸稈還田管理)、CM(控灌+有機肥管理)、FS(常灌+秸稈還田管理)、FM(常灌+有機肥管理)，相應各處理下N2O濃度分別記為cCS、cCM、cFS和cFM，每個處理設3次重復，共設12個小區(qū)，每個小區(qū)面積為35 m2(5 m×7 m)，各小區(qū)之間用深入田下1 m的PVC板相隔，防止小區(qū)間水分交換。

試驗選用的水稻品種為南粳46號，水稻秧苗于2018年6月25日移栽，株距為13 cm×25 cm，每穴定3～4株，10月27日收割，稻田生育期為125 d。水稻控灌模式在返青期田面保留淺薄水層，之后各生育期實行無水層水分管理，以根層土壤水分作為控制指標[15]；水稻常灌模式除分蘗后期排水曬田和黃熟期自然落干，其余生育期田面保留3～5 cm水層。施肥管理根據(jù)當?shù)剞r(nóng)民的習慣施肥方法和施肥量進行。6月19日基肥施用復合肥525 kg/hm2(N、P2O5、K2O的質量分數(shù)分別為16%、12%和17%)、尿素225 kg/hm2(N的質量分數(shù)不低于46.2%)；7月11日和8月6日分別施用分蘗肥和穗肥，均為尿素(N的質量分數(shù)不低于46.2%)，施用量分別為150 kg/hm2和120 kg/hm2。秸稈還田管理采用前茬小麥秸稈(有機碳質量比為441 g/kg)，粉碎后還田，還田量為3 000 kg/hm2；有機肥管理采用石家莊冀田生物科技有限公司供應的腐熟雞糞(水分質量分數(shù)為23%，氮質量比為16.3 g/kg，有機碳質量比為261 g/kg，P2O5質量比為15.4 g/kg，K2O質量比為20.7 g/kg)，施用量為7 500 kg/hm2。秸稈和有機肥投放時間均與基肥施用時間相同，施用之后翻地，使之與耕作層土壤混合均勻。

1.3 觀測項目與方法

土壤剖面N2O濃度采用N2O-NP微電極(丹麥，Unisense)進行測定。N2O微電極是一種電流型微電極，電流的產(chǎn)生是微電極極端物質的電化學氧化或還原作用所致，并且與待測物質的濃度成一定比例，從而可將物質的濃度轉化為電流信號輸出，由主機Microsensor Multimeter收集，并通過軟件Sensor Trace PRO V.3.1.3在計算機中自動讀取。微電極平臺如圖1所示。

圖1 微電極平臺Fig.1 Micro-level platform

施加分蘗肥、穗肥后第2天、第4天、第6天、第8天采集各小區(qū)土樣，取樣深度為0～20 cm。土樣自然風干、粉碎后過2 mm篩，分別裝入自封袋備用。微電極試驗開始前，稱取同處理3份等量土樣拌制成土柱，靜置一夜后28℃恒溫培養(yǎng)7 d(容器為內(nèi)徑3.5 cm、外徑4.5 cm、高度6 cm的透明柱狀體)。控灌處理將風干土壤水分調節(jié)到80%飽和含水率(微電極試驗前，分別取各處理自封袋中土樣，采用烘干法測定土壤含水率，從而計算拌制80%飽和含水率土柱所需水量)；淹灌處理土壤表層保持薄水層。

土壤剖面N2O濃度測定試驗設計：取土柱中心剖面進行測定，測30 mm深，步距為1.5 mm，共測22個點，每點停14 s，測8 s。以土壤-空氣(溶液)界面為零基準面，向下為正，向上為負。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2013初步分析數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫，繪制相關圖表。數(shù)據(jù)方差分析與顯著性差異分析用SPSS 22完成，采用LSD 法作多重比較分析(差異顯著性水平為p=0.05)。

2 結果與分析

2.1 水分管理模式對稻田土壤N2O濃度的影響

2.1.1 秸稈還田下稻田土壤N2O濃度對水分管理的響應

分析施肥后不同水分管理模式下秸稈還田稻田土壤N2O濃度分布(圖2和圖3)可以發(fā)現(xiàn)，施加分蘗肥和穗肥后總體規(guī)律一致，施肥后1～6 d內(nèi)，基本呈現(xiàn)上層土壤(0～1 cm)cCS

圖2 施加分蘗肥后秸稈還田稻田土壤N2O濃度分布Fig.2 Distribution of N2O concentration in straw returning paddy soil after tiller fertilizer

圖3 施加穗肥后秸稈還田稻田土壤N2O濃度分布Fig.3 Distribution of N2O concentration in straw returning paddy soil after panicle fertilizer

施加分蘗肥后第2天，0～7.5 mm：cCScFS；第4天、第6天，cCScFS轉折點在深度16.5 mm和13.5 mm處，但cCS出現(xiàn)最大值后呈現(xiàn)減小趨勢，而cFS持續(xù)增大，分別在28.5 mm和24.0 mm后出現(xiàn)cCS

施加穗肥后第2天、第6天，轉折點分別在深度15.0 mm和18.0 mm處，轉折點以上，cCScFS；第4天，cCS均值較cFS小44.3%，差異顯著(p<0.05)；第8天，cCS均值較cFS大94.1%，差異顯著(p<0.05)。

2.1.2 有機肥施用下稻田土壤N2O濃度對水分管理的響應

分析施肥后不同水分管理模式下有機肥施用稻田土壤N2O濃度分布(圖4和圖5)可以發(fā)現(xiàn)，施加分蘗肥和穗肥后總體規(guī)律一致，施肥后第2天，上層和深層土壤(0～1 cm，2～3 cm)cCM

圖4 施加分蘗肥后有機肥稻田土壤N2O濃度分布Fig.4 Distribution of N2O concentration in organic fertilizer paddy soil after tiller fertilizer

圖5 施加穗肥后有機肥稻田土壤N2O濃度分布Fig.5 Distribution of N2O concentration in organic fertilizer paddy soil after panicle fertilizer

施加分蘗肥后第2天，先呈現(xiàn)cCMcFM，轉折點在6.0 mm處，但cFM出現(xiàn)最小值后持續(xù)增大，27.0 mm后出現(xiàn)cCM

施加穗肥后第2天，在深度小于15.0 mm處cCM與cFM較接近，大于15.0 mm處，出現(xiàn)cCM

2.2 碳管理模式對稻田土壤N2O濃度的影響

2.2.1 控制灌溉稻田土壤N2O濃度對不同碳管理的響應

分析施肥后不同碳管理模式下控灌稻田土壤N2O濃度剖面分布(圖6和圖7)可以發(fā)現(xiàn)，控灌稻田土壤淺層(0～1 cm)秸稈還田和有機肥施用對N2O濃度無顯著影響(p>0.05)，但在較深處(1～3 cm)，cCS顯著大于cCM(p<0.05)。

圖6 施加分蘗肥后控灌稻田土壤N2O濃度分布Fig.6 Distribution of N2O concentration in controlled irrigation paddy soil after tiller fertilizer

圖7 施加穗肥后控灌稻田土壤N2O濃度分布Fig.7 Distribution of N2O concentration in controlled irrigation paddy soil after panicle fertilizer

施加分蘗肥后第2、4、6、8天分別在深度4.5 mm、15.0 mm、12.0 mm、9.0 mm以上相差不大(p>0.05)，這些點以下，cCS均值較cCM分別大22.8%、416%、51.6%和21.8%，差異顯著(p<0.05)，兩者在深度30.0 mm、25.5 mm、16.5 mm、25.5 mm處相差最大，cCS較cCM分別大0.156 μmol/L、0.654 μmol/L、0.398 μmol/L和0.228 μmol/L。

施加穗肥后第2、4、6、8天在深度15.0 mm以上cCS與cCM相差不大(p>0.05)，在15.0 mm以下，cCS均值較cCM分別大49.1%、43.4%、96.8%和45.8%，差異顯著(p<0.05)，兩者在深度30.0 mm、15.0 mm、30.0 mm和24.0 mm處相差最大，cCS較cCM分別大0.388 μmol/L、0.190 μmol/L、0.238 μmol/L和0.282 μmol/L。

2.2.2 常規(guī)灌溉稻田土壤N2O濃度對不同碳管理的響應

分析施肥后不同碳管理模式下常灌稻田土壤N2O濃度剖面分布(圖8和圖9)可以發(fā)現(xiàn)，在常灌條件下，施加分蘗肥后，cFS基本小于cFM，這與控灌條件下呈現(xiàn)規(guī)律相反；施加穗肥后，秸稈還田和有機肥施用對常灌稻田N2O濃度無顯著影響(p>0.05)。

圖8 施加分蘗肥后常灌稻田土壤N2O濃度分布Fig.8 Distribution of N2O concentration in conventional irrigation paddy soil after tiller fertilizer

圖9 施加穗肥后常灌稻田土壤N2O濃度分布Fig.9 Distribution of N2O concentration in conventional irrigation paddy soil after panicle fertilizer

施加分蘗肥后，除在第2天深度小于24.0 mm及第6天深度大于24.0 mm處cFS>cFM，其余均呈現(xiàn)為cFS

施加穗肥后，在第2天深度小于15.0 mm處及第4天和第6天cFS>cFM；而在第2天深度大于15.0 mm處及第8天cFS0.05)。

2.3 水碳聯(lián)合管理對稻田土壤N2O濃度均值影響

由表1可知，施加分蘗肥后，cCS、cCM、cFS、cFM均值分別為0.555 μmol/L、0.411 μmol/L、0.416 μmol/L和0.513 μmol/L，cCM均值較cCS、cFM分別小35.1%和24.8%，差異顯著(p<0.05)，cCM略小于cFS(p>0.05)。施加穗肥后，cCS、cCM、cFS、cFM均值分別為0.401 μmol/L、0.275 μmol/L、0.368 μmol/L和0.327 μmol/L，cCM均值較cCS、cFS、cFM分別小45.5%、33.7%和18.8%，差異顯著(p<0.05)。

不同水碳聯(lián)合管理模式下，施加分蘗肥后，稻田土壤N2O濃度均值cCS>cFM>cFS>cCM；施加穗肥后，稻田土壤N2O濃度均值cCS>cFS>cFM>cCM，控灌模式下秸稈還田N2O濃度最高，控灌模式下施用有機肥N2O濃度最低，常灌下的2種碳管理模式位于兩者之間，水碳管理模式對N2O濃度的影響存在交互作用[16]。

3 討 論

試驗中施肥后1～6 d內(nèi)，控灌稻田土壤N2O濃度在不同深度多次出現(xiàn)小于常灌稻田，這與已有研究不一致。這是由于施肥后1～6 d 內(nèi)，土壤中N2O的產(chǎn)生更加受氮肥施用的影響，且常灌稻田對肥料的響應更明顯，導致出現(xiàn)常灌稻田土壤N2O濃度大于控灌稻田；施肥后第8天開始，控灌稻田土壤不同深度N2O濃度均大于常灌稻田，此時肥料的作用逐漸減小，水分成為影響N2O產(chǎn)生的主導因素。

肥料是影響稻田N2O排放的重要因素[3-4]，本研究發(fā)現(xiàn)控灌稻田在土壤較深處(1～3 cm)，cCS>cCM；常規(guī)灌溉稻田無明顯規(guī)律。秦曉波等[17]研究發(fā)現(xiàn)，早稻田施加有機肥N2O排放大于秸稈還田處理，兩者差異不顯著，而晚稻田秸稈還田處理N2O排放遠大于有機肥施用。這與本研究發(fā)現(xiàn)存在一定差異，但碳管理對N2O產(chǎn)生的影響本身是一個復雜的問題，受土壤含水量、土壤類型、肥料施用、土壤C/N等多種因素的影響，且不同的試驗設計，試驗條件都會對結論造成影響。

本研究更多的關注N2O濃度分布特征，而已有研究多是關于N2O排放，稻田N2O排放是溫度、氧氣、反應底物濃度和傳輸過程交互作用的結果[18]。濃度一定程度上可以反映排放，但存在一定差異，研究表明常灌稻田N2O排放較低[5-6]，但本研究發(fā)現(xiàn)，在施肥后1～6 d內(nèi)，多次出現(xiàn)常灌稻田N2O濃度大于控灌稻田。這是因為淹水條件導致產(chǎn)生的N2O的擴散受阻，停留在土壤中以至于被進一步還原成N2[19]。因此，N肥的施用是N2O產(chǎn)生的基礎，水分是影響N2O排放的主要因素[20]。

4 結 論

a.施肥后1～6 d 內(nèi)，控灌稻田土壤在不同深度出現(xiàn)N2O濃度小于常灌稻田，施肥后第8天開始，控灌稻田土壤不同深度N2O濃度均顯著大于常灌稻田(p<0.05)，且2種碳管理模式下規(guī)律基本一致。

b.控灌稻田土壤淺層(0～1 cm)，秸稈還田和有機肥施用對N2O濃度無顯著影響(p>0.05)，但在較深處(1～3 cm)，cCS顯著大于cCM(p<0.05)；但兩種碳管理模式對常灌稻田N2O濃度的影響無明顯規(guī)律。

c.控灌模式下秸稈還田N2O濃度最高，控灌模式下施用有機肥N2O濃度最低。施加分蘗肥后，cCM均值較cCS、cFM分別小35.1%和24.8%，差異顯著(p<0.05)，cCM略小于cFS(p>0.05)；施加穗肥后，cCM均值較cCS、cFS、cFM分別小45.5%、33.7%和18.8%，差異顯著(p<0.05)。