秸稈全量還田下施用過氧化鈣對南方雙季稻產量和稻田溫室氣體排放的影響

何宇軒 李雅娟 周明卓 眭 鋒 呂偉生 張 俊 曾勇軍 黃 山

（1教育部和江西省作物生理生態與遺傳育種重點實驗室/江西農業大學農學院，330045，江西南昌；2江西省紅壤研究所/江西省紅壤耕地保育重點實驗室/農業農村部江西耕地保育科學觀測實驗站，331717，江西南昌；3中國農業科學院作物科學研究所，100081，北京）

中國是全球最重要的稻米生產國[1]。南方雙季稻區是我國重要的水稻種植區域，約占全國水稻種植總面積的40%[2]。研究[3-4]表明，秸稈包含農作物一半的生物量，是重要的農業廢棄物。隨著水稻機械化收獲的普及，水稻秸稈直接原位還田是目前最主要的秸稈資源利用方式，避免了大氣污染和有機物料浪費。秸稈含有豐富的有機質和礦質養分，還田后有利于作物增產和土壤培肥[5]。然而有研究[6-7]表明，稻田在長期淹水的厭氧條件下，秸稈還田顯著增加了稻田溫室氣體排放。此外，研究[8-9]顯示，在南方稻作區，土壤pH＜5.5的農田超過50%。土壤酸化會降低土壤礦質營養元素的溶解性，降低水稻對土壤礦質養分的吸收，從而降低水稻產量，所以土壤酸化已然成為制約水稻產量的重要因素[10]。因此，探究在秸稈還田條件下如何實現南方雙季稻稻田溫室氣體減排和土壤酸化改良是目前的研究熱點。

過氧化鈣（CaO2）是一種廣泛運用于環境保護和農業種植等的無毒堿性物質[11]。首先，CaO2可以與水反應生成氧氣（O2）[12]。研究[13]發現，采用以CaO2為主要成分的粉衣劑可以有效緩解淹水土壤中供氧不足的狀況。其次，CaO2在淹水環境下可以生成氫氧化鈣，提高土壤 pH，緩解土壤酸化脅迫[14]。此外，CaO2易溶于水并生成過氧化氫，在其氧化過程中能夠分解土壤中的有機物[15-16]，有利于提高土壤養分。因此，CaO2在改良土壤酸化的基礎上有利于提升作物產量。研究[17]表明，秸稈還田后不僅為產甲烷菌提供大量有效碳源，而且秸稈分解會消耗氧氣，進一步降低了稻田氧化還原電位，抑制甲烷氧化菌的活性[18]，從而增加甲烷（CH4）排放。而CaO2的增氧效果可以顯著提高土壤氧化還原電位[19]，有利于CH4被氧化。因此，酸性稻田施用CaO2在改良土壤酸化的同時，可能有利于改善稻田氧環境，從而減少CH4排放。但是，以往的研究多側重于CaO2在水稻生產和土壤改良方面的效果，而對溫室氣體排放的影響較少，特別是對酸性土壤的雙季稻系統。因此，本試驗以秸稈全量還田條件下設置施用CaO2和不施CaO22個處理，比較二者在產量與溫室氣體排放上的差異，為南方雙季稻豐產和稻田溫室氣體減排提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年在江西省南昌市進賢縣張公鎮江西省紅壤研究所（28°15′30″ E，116°20′24″ N）進行。試驗地屬于亞熱帶季風氣候，年均降雨量1537mm，年蒸發量1100～1200mm，年均氣溫17.7℃～18.5℃。該地區耕作制度為早稻季（4-7月）、晚稻季（7-11月）和冬閑季（11月-翌年4月）。供試土壤為第四紀黏土母質發育的紅壤水稻土。試驗前0～20cm耕作層土壤理化性質為pH 5.3、有機質27.8g/kg、全氮1.7g/kg、全磷0.6g/kg、堿解氮149.9mg/kg、有效磷21.6mg/kg和速效鉀80.8mg/kg。

1.2 試驗設計

采用單因素完全隨機設計，各小區面積均為48m2。設置 2個處理，雙季旋耕，秸稈還田（對照，CK）；雙季旋耕，秸稈還田，早稻整地前撒施CaO2，晚稻不施。3次重復。CaO2采用工業級用量150kg/hm2（有效含量 50%，折合活性氧含量16.7kg/hm2），在整地前均勻撒施于地表。溫室氣體采集年份為2018年。

早稻品種為常規秈稻中嘉早17，晚稻品種為雜交秈稻泰優 871。早稻和晚稻移栽密度分別為25cm×13cm 和 25cm×16cm。移栽基本苗為早稻每穴4苗，晚稻每穴2苗。2018年早、晚稻的播種日期分別為3月25日和6月21日，移栽日期分別為4月27日和7月21日，收獲日期分別為7月15日和10月26日。2019年早、晚稻的播種日期分別為3月28日和6月25日，移栽日期分別為4月30日和7月26日，收獲日期分別為7月18日和10月30日。2個處理施肥量及施肥方式一致。早稻氮肥施用量為純N 165kg/hm2，晚稻為純N 195kg/hm2，早、晚稻氮肥均按基肥:分蘗肥:穗肥=5:2:3施用。每季水稻施用磷肥75kg/hm2，作基肥一次性施用。每季施用鉀肥75kg/hm2，按基肥:穗肥=1:1施用。氮肥為普通尿素，磷肥為鈣鎂磷肥，鉀肥為氯化鉀。

田間水分管理為水稻生育前期淺水灌溉，分蘗盛期排水曬田，后期采用干濕交替灌溉方式，直至水稻收獲前10d左右自然排干。水稻移栽前先灌水泡田5d，之后旋耕埋茬施基肥，沉實2d后插秧。早稻季與晚稻季開始排水曬田日期分別為 5月 17日和8月18日，復水日期分別為6月2日和8月25日（圖 1）。其他農事操作均按水稻高產優質栽培技術進行。早稻收獲后采用秸稈全量原位還田的方式，由全喂入式聯合收割機收割水稻并同步進行秸稈切碎還田，田間秸稈的粉碎長度約10cm。

圖1 稻田水層深度變化Fig.1 The dynamics of water depth in the field

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量及其構成因素 于水稻成熟期調查有效穗數，按平均數法選取5穴水稻植株。利用水漂法[20]考察其穗粒結構。各小區人工割取10m2水稻，機械脫粒后稱重，測含水量后計算實際產量。

1.3.2 溫室氣體 采用靜態暗箱―氣相色譜法監測田間溫室氣體排放通量[2]。暗箱由不銹鋼金屬板制成，為邊長50cm的正方形，當水稻株高＞50cm時，需額外增添一個相同尺寸的雙向開口箱體，以保證箱體整體高度為100cm。暗箱表面包裹一層海綿與錫箔紙，以防氣體采集過程中由陽光直接照射而導致箱內溫度迅速升高。在暗箱內頂部安裝一個電壓為12V的小型風扇，外連便攜式蓄電池，其作用為在采集氣體過程中，使暗箱內部氣體充分混勻。于水稻移栽前，在小區內埋入一個下部深約15cm的底座，用田間土壤固定，底座上部留有3cm深的凹型水槽，用于氣體采集時注水液封，防止外部空氣進入暗箱。

早稻收獲后，將底座移出，便于晚稻整地；晚稻移栽后，再將底座埋入稻田。水稻生長季，稻田溫室氣體大約每周采集1次，采集時間為上午8:00-10:30，分別在0、10、20和30min用連接暗箱頂部三通閥的50mL針孔注射器采集氣體，并及時轉入預先抽空的 100mL真空采集袋。氣體采集時同步記錄田間日平均氣溫變化（圖2）。采集結束后將氣體樣品帶回實驗室，利用Agilent 7890B氣相色譜儀（美國安捷倫科技有限公司）同時測定樣品中CH4和N2O氣體濃度。CH4檢測器為氫火焰離子化檢測器（FID），N2O檢測器為電子捕獲檢測器（ECD）。溫室氣體測定時參照文獻[21]設置氣象色譜儀參數。溫室氣體排放通量計算公式：

圖2 田間氣溫變化Fig.2 The dynamics of air temperature in the field

式中，F為溫室氣體排放通量，其中，CH4單位為 mg/(m2·h)，N2O 單位為 μg/(m2·h)；ρ（kg/m3）為標準狀態下的氣體密度；h（cm）為取氣時凈箱高；dC/dt為單位時間內暗箱內溫室氣體的排放速率；T（℃）為取氣時暗箱內平均溫度；273為氣態方程常數。

根據測定CH4和N2O氣體濃度與采集時間的關系曲線計算溫室氣體排放通量（r2＞0.90）；若測定氣體的排放濃度較低時，擬合曲線相關系數r2＞0.80亦可。利用加權平均得到試驗周期內稻田CH4累積排放總量和N2O累積排放總量。

1.3.3 綜合溫室效應和溫室氣體排放強度 在100年時間尺度上，單位質量的CH4和N2O綜合溫室效應（global warming potential，GWP）分別為CO2的28倍和265倍[22]；因此綜合溫室效應可根據CO2當量進行換算。計算公式：

在實際農業生產中，溫室氣體排放強度（greenhouse gas intensity，GHGI）表示單位稻谷產量對氣候變化的潛在影響。計算公式：

式中，Y表示水稻田間實際產量（kg/hm2）。

1.3.4 土壤 pH 晚稻收獲后，每個小區分別取0～20cm耕層土樣，待風干后過2mm篩，保存在自封袋中。采用PHS-25C型臺式pH計測定土壤pH。

1.4 數據處理

采用SPSS 25.0進行數據處理，于P＜0.05水平上進行顯著性檢驗。試驗結果以3次重復的平均值±標準差來表示。

2 結果與分析

2.1 施用CaO2對雙季稻產量及其構成因素的影響

在2018和2019年中，與CK處理相比，施用CaO2均顯著增加了晚稻產量，增幅分別為3.44%和2.65%，但早稻產量均無顯著差異（表1）。在早稻季，2個處理的各產量構成因素均無顯著差異。在晚稻季，與CK相比，施用CaO2均顯著增加了有效穗數，增幅分別為1.92%和2.34%。其他產量構成因素均無顯著差異。

表1 秸稈全量還田下施用CaO2對雙季水稻產量及其構成因素的影響Table 1 Effects of applying CaO2 under full straw returning on the yield and its components in the double rice cropping system

2.2 施用CaO2對雙季稻周年產量的影響

與CK處理相比，施用CaO2顯著提升了2018和2019年的周年產量，增幅分別為1.93%和2.58%（圖3）。

圖3 秸稈全量還田下施用CaO2對雙季稻周年產量的影響Fig.3 Effects of applying CaO2 under full straw return on annual yield in the double rice cropping system

2.3 施用CaO2對雙季稻CH4排放通量的影響

由圖4可知，2個處理CH4排放通量的季節變化范圍為 0.07～71.67mg/(m2·h)。在早稻季，CaO2和CK處理的排放峰值分別出現在水稻分蘗中期（5月17日）和水稻分蘗前期（5月5日），分別為11.43和16.63mg/(m2·h)。中期排水曬田時CH4排放通量緩慢下降，復水后CK處理出現小的排放高峰，至水稻收獲再未出現較大排放高峰。在晚稻季，2個處理的CH4排放通量都表現為移栽后快速上升，在水稻分蘗前期（7月31日至8月4日）達到排放高峰，CaO2和 CK處理的排放峰值分別為 71.67和68.75mg/(m2·h)。中期排水曬田時 CH4排放通量迅速下降且趨近于零。復水后 CH4排放通量略有回升，但至水稻收獲前一直平穩，再未出現較大排放高峰。

圖4 秸稈全量還田下施用CaO2對雙季稻田CH4排放通量的影響Fig.4 Effects of applying CaO2 under full straw returning on CH4 emission flux in the double rice cropping system

2.4 施用CaO2對N2O排放通量的影響

由圖5可知，在試驗期內，N2O排放峰不規則，而且變異性較大，N2O排放通量變化范圍為-22.31～54.75μg/(m2·h)。在早稻季中，水稻移栽后2個處理都有少量N2O排放，直到6月10日同時達到排放高峰，施用 CaO2處理和 CK處理的最大值分別為40.28和 22.38μg/(m2·h)。在晚稻季中，各個小區處于持續淹水狀態，2個處理N2O排放通量均表現為微弱的源或匯。施用CaO2處理于曬田期間（8月18日）達到排放高峰，排放最大值為54.75μg/(m2·h)。CK處理在后期干濕交替灌溉（9月15日）時監測到N2O排放高峰，排放最大值達到20.39μg/(m2·h)。2個處理間N2O排放通量未發現顯著差異。

圖5 秸稈全量還田下施用CaO2對雙季稻田N2O排放通量的影響Fig.5 Effects of applying CaO2 under full straw returning on N2O emission flux in the double rice cropping system

2.5 施用CaO2對CH4和N2O累積排放量、GWP和GHGI的影響

由表2可知，在早稻季，與CK處理相比，施用CaO2處理顯著降低了CH4累積排放量（14.73%）、GWP（14.74%）和GHGI（15.09%），對N2O累積排放量無顯著影響。在晚稻季中，2個處理CH4和N2O累積排放量均無顯著差異。

表2 秸稈全量還田下施CaO2對雙季稻田CH4和N2O累積排放量、GWP和GHGI的影響Table 2 Effects of applying CaO2 under full straw returning on cumulative emissions of CH4 and N2O, GWP and GHGI in the double rice cropping system

2.6 施用CaO2對CH4和N2O累積排放總量、GWP和GHGI的影響

從 2018年早稻移栽開始計算整個試驗期稻田CH4和N2O累積排放總量、GWP和GHGI，至2019年晚稻收獲結束。由表3可知，在本試驗周期內，2個處理之間的 CH4和 N2O累積排放總量、GWP和GHGI均無顯著差異。

表3 秸稈全量還田下施CaO2對試驗周期內雙季稻田CH4和N2O累積排放總量、GWP和GHGI的影響Table 3 Effects of applying CaO2 under full straw returning on total cumulative emissions of CH4 and N2O, GWP and GHGI in the double rice cropping system during cropping period

2.7 施用CaO2對雙季稻田土壤pH的影響

在2018和2019年晚稻收獲后，與CK處理相比，施用CaO2顯著提高了土壤pH（圖6），增幅分別為4.74%和4.19%。

3 討論

3.1 施用CaO2對水稻產量的影響

本試驗結果顯示，施用CaO2顯著提高了晚稻產量。曾勇軍等[23]研究表明，普通水稻適宜生長的環境pH約為6.0，土壤pH降低會使得水稻前期分蘗受到影響，從而降低水稻產量。本試驗供試土壤為偏酸性的紅壤水稻土（pH 5.3），在不添加土壤改良劑的條件下不利于水稻增產。稻田中施用的CaO2在土壤中發生化學氧化反應，生成的氫氧化鈣可以緩解土壤酸化，提高土壤pH[24]。與前人[24]研究結果相似，在本試驗中，施用CaO2顯著提升了土壤pH（圖6），并增加了晚稻產量。而且，產量提升主要是由于晚稻有效穗數的增加。此外，CaO2對稻田土壤環境有增氧的效果，可以改善土壤透氣性，提高水稻根系活力[19]，促進植株對養分的吸收，進而提高產量[25]。

圖6 秸稈全量還田下施用CaO2對雙季稻田土壤pH的影響Fig.6 Effects of applying CaO2 under full straw returning on soil pH in the double rice cropping system

但是，為什么施用CaO2對早稻產量及其構成因素沒有顯著差異呢？有研究[26]顯示，秸稈還田降低了水稻有效穗數，主要由于大量高碳氮比（C/N）的秸稈還田后為土壤微生物提供了大量的碳源，從而增加了土壤微生物的數量和活性。然而，這些微生物會加強對土壤氮素的固定，降低土壤中的銨態氮含量，從而減少水稻對氮素的吸收。但是，由于南方雙季稻系統有著較長的冬閑期（5個月左右），上一年晚稻季秸稈還田后有充分的時間腐解。秸稈的分解礦化，降低了秸稈C/N，避免了其對土壤速效氮素的固定，因此，對第2年早稻的分蘗影響不大[27]。隨著秸稈還田帶來的負面效應減小，使得施CaO2的增產效果在早稻季中不明顯。而早稻收獲與晚稻移栽之間的時間較短，且該時期氣溫較高（圖2），高C/N的秸稈在田間快速腐解，導致土壤氮素被微生物固定。而且秸稈在較高溫度中腐解時會產生不利于水稻生長的有機酸[28]，會抑制晚稻前期的根系活力，從而抑制水稻分蘗，影響水稻有效穗數[20-29]。因此，在晚稻生長前期，CaO2中和了有機酸，改善了土壤通氣性，在一定程度上緩解了早稻秸稈還田對晚稻前期分蘗的不利影響，從而顯著提高了晚稻產量。而在早稻季，CaO2增產作用不顯著。

3.2 施用CaO2對稻田溫室氣體排放的影響

在稻田中，CaO2可以和水反應生成大量的O2，為甲烷氧化菌提供適宜的環境，有利于 CH4的氧化[24]。但有研究[30]顯示，單次施用CaO2為土壤帶來較高的增氧效果時期約為7～12d。而且作為一種釋氧材料，CaO2的 O2釋放速率一般較快[31]，在施用前期效果最佳。因此，本試驗中，施用CaO2的處理顯著降低了早稻季CH4累積排放量，可能是因為CaO2改善了土壤氧環境，增加了甲烷氧化菌的數量與活性[32]，使得CH4被氧化。此外，稻田施用CaO2提高了土壤pH，提高了水稻根系活力[33]，為根際的甲烷氧化菌創造了有氧條件，有利于CH4的氧化。而本試驗只在早稻旋耕前施用1次CaO2，隨著CaO2增氧效果的逐漸減弱，土壤中甲烷氧化菌的活性也隨之減弱，對CH4的氧化能力降低，所以晚稻季時，2個處理之間的CH4排放已無顯著差異。另外如前文所述，早稻收獲后秸稈全量還田與晚稻移栽時間間隔較短，加之晚稻時期氣溫較高（圖2），早稻秸稈在高溫中快速腐解為產甲烷菌創造了合適的厭氧環境，有利于CH4排放，導致施用CaO2對晚稻季減排效果不顯著。此外，還有研究[34]顯示，隨著pH升高，產甲烷菌活性也會隨之增強。在早稻季，由于剛施用CaO2，氧氣釋放速率快，豐富了土壤含氧量，這時氧化CH4的強度大，所以表現出 CH4減排效應。但在晚稻季，CaO2釋氧效力減弱，且此時產甲烷菌的活性隨土壤pH增加，二者之間關于CH4釋放與氧化的效果可能出現中和，導致施用CaO2和CK處理之間的CH4排放沒有出現顯著差異。

硝化和反硝化過程都會產生 N2O[35]。土壤性質[36]、含氮量[37-38]和通氣狀況[39-40]等均影響硝化和反硝化作用。研究[41]表明，干濕交替有利于N2O的排放。稻田長期淹水，N2O排放較低。本試驗中，施用CaO2改變了土壤pH和氧化還原條件，但是，對N2O排放無顯著影響，其潛在機理還有待深入研究。

4 結論

在秸稈全量還田條件下，與 CK相比，施用CaO2能夠顯著提高晚稻產量，對早稻產量無顯著影響。施用CaO2能夠顯著降低早稻季稻田CH4累積排放量、GWP和GHGI，對晚稻季無顯著影響。施用CaO2顯著增加了周年產量，對CH4和N2O累積排放總量、GWP和GHGI無顯著影響。因此，在南方雙季稻系統中，施用CaO2可以改善稻田土壤酸化，有助于南方雙季稻豐產減排。