不同耕作施氮處理對稻田N2O 通量和田面水中無機氮的影響

吳慶峰，鄭佳舜，肖 未，李伏生

（廣西大學 農學院，南寧 530004）

0 引 言*

【研究意義】氧化亞氮（N2O）是僅次于二氧化碳和甲烷的主要溫室氣體[1]。稻田生態(tài)系統(tǒng)是N2O 排放源之一[2]，施用氮肥主要是通過影響稻田土壤與水中無機氮質量濃度等進而影響N2O 排放[3]，耕作方式通過影響稻田土壤溫濕度、土壤養(yǎng)分狀況和水中無機氮的遷移等影響N2O 排放[4]，因此，研究不同耕作施氮處理下不同生育期施用氮肥對稻田N2O 排放和田面水中無機氮的影響以及稻田N2O 通量與田面水中無機氮質量濃度之間的關系，對指導不同耕作方式下水稻施用氮肥有重要作用。【研究進展】尿素施用后田面水中質量濃度在施用氮肥后約50 h 內隨時間呈指數增加，最高可增至40.50 μg/mL，之后又隨時間呈指數遞減的趨勢，尿素施用量越高，同一時期內質量濃度越高[5]。呂耀[6]研究發(fā)現，隨著施氮量的增加，稻田滲漏液和田面水中的硝態(tài)氮質量濃度增加。馬永躍[7]研究發(fā)現，在水稻移栽初期，氮肥作基肥施用增加土壤及水中的無機氮質量濃度，導致稻田N2O 通量上升，最高由-15.50 μg/（m2·h）上升至82.50 μg/（m2·h），并出現排放峰；但秦曉波等[8]認為晚稻氮肥作基肥施用及追施氮肥均會導致稻田N2O 排放降低。耕作方式對田面水無機氮和稻田N2O 排放影響的研究發(fā)現，免耕處理稻田田面水中無機氮質量濃度始終比旋耕處理高，氮素流失的風險更高[9]，粉壟整地配施綠肥和化肥對稻田N2O 減排有積極作用[10]，而免耕和秸稈覆蓋還田對稻田N2O排放有顯著的促進作用[11]。【切入點】目前，不同耕作方式和施氮對稻田N2O 排放和水中無機氮的影響已有研究，而不同耕作方式下不同時期施用氮肥對稻田N2O 排放和田面水中無機氮的影響以及田面水中無機氮質量濃度對稻田N2O 通量的影響尚不清楚。【擬解決的關鍵問題】因此，開展不同耕作方式和施氮量的雙季水稻田間試驗，分析不同時期施用氮肥對田面水中無機氮質量濃度的影響，揭示不同時期施用氮肥后田面水中無機氮質量濃度對稻田N2O 通量的影響，為稻田溫室氣體排放研究以及廣西水稻生產管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和供試材料

雙季水稻大田試驗于2021 年3—11 月在南寧市灌溉試驗站（N 22°52′58.33″，E 108°17′38.36″）進行。試驗所用土壤為水稻土，土壤體積質量為1.55 g/cm3，有機質量為26.02 g/kg，pH 值為6.61，速效磷量為52.25 mg/kg，速效鉀量為69.95 mg/kg，堿解氮量為87.73 mg/kg。試驗期間月降水量和月均溫度見圖1，試驗水稻品種“甬優(yōu)4949”，為優(yōu)良秈粳型三系雜交水稻品種。

圖1 試驗期間溫度和降水量Fig.1 Temperature and precipitation during the experiment

1.2 試驗方法

試驗共設4 種耕作方式和2 個施氮量，4 種耕作方式分為免耕（T）、微耕（C）、旋耕（R）、粉壟（S），免耕指泡田插秧前不進行耕作處理，其他3種耕作方式使用機器分別為微耕機（正月1WG-6.3-105FC-Z）、旋耕機（柳州金禾1WGH-5.7）和輪式粉壟機（雷沃歐豹M2004-Q），耕作土層深度分別為7～15、15～20、30～50 cm；2 種施氮量分別為常規(guī)施氮N1：225 kg/hm2、減量施氮N2：150 kg/hm2。采用完全隨機試驗設計，共8 個處理，每個處理3 次重復，共24 個小區(qū)，小區(qū)面積為25 m2（5 m×5 m），小區(qū)之間用25～26 cm 厚、1 m 深的水泥墻隔開，以防小區(qū)之間水分相互側滲，各小區(qū)獨立灌水及排水。

供試肥料包括尿素（N 46.2%）、過磷酸鈣（P2O516%）、氯化鉀（K2O 60%），所有施氮處理P2O5用量為75 kg/hm2，K2O 用量為150 kg/hm2，各處理45%氮肥、100%磷肥作基肥，在插秧前2 d 直接施入土壤中。余下55%氮肥在分蘗期和抽穗期各追肥40%和15%。鉀肥在分蘗期和抽穗期各追肥60%和40%。

早稻于3 月9 日育秧，3 月30 日氮肥作基肥施用（以下簡稱基肥），4 月1 日選取長勢良好且均勻的秧苗插秧，株行距均為20 cm，每穴2 苗。當每叢莖蘗數達到14 個時排水曬田8 d，促進根系下扎。4 月9 日分蘗期施用氮肥（以下簡稱蘗肥），5 月17 日曬田，5 月24 日復水至淺水層，5 月25 日孕穗期施用氮肥（以下穗肥），7 月11 日收獲水稻，早稻全生育期為100 d。

晚稻于7 月7 日育秧，8 月2 日施用基肥，8 月4日選取長勢良好且均勻的秧苗插秧，株行距均為20 cm，每穴2 苗。當每叢莖蘗數達到14 個時排水曬田8 d。8 月20 日施用蘗肥，9 月19 日曬田，9 月26 日復水至淺水層，9 月27 日施用穗肥，11 月9 日收獲水稻，晚稻全生育期為97 d。

兩季水稻各小區(qū)田間水分管理一致，水稻移栽返青期保持20 mm 水層，分蘗期到乳熟期田間均保持30 mm 水層，分蘗末期落水曬田1 周，水稻黃熟期自然落干。

1.3 樣品采集和測定

1.3.1 水樣采集及無機氮的測定

稻田田面水樣于每次施氮后的1、3、5 d 采集。3 月30 日早稻施用基肥，3 月31 日、4 月2、4 月4日采樣測定。4 月9 日施用蘗肥，4 月10、12、14 日采樣測定。5 月25 日施用穗肥，5 月26、28、30 日采樣測定。8 月2 日晚稻施用基肥，8 月3、5、7 日采樣測定。8 月20 日施用蘗肥，8 月21、23、25 日采樣測定。9 月27 日施用穗肥，9 月28、30 日、10月2 日采樣測定。稻田田面水根據5 點取樣法，用20 mL 注射器吸取稻田表層水分并轉移至取樣瓶中，每瓶樣品量為100 mL。過濾后的滲漏液和田間水通過德國Bran+Luebbe 連續(xù)化學流動分析儀AA3 測定亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮質量濃度。

1.3.2 稻田N2O 氣體采集及測定

在采集田面水樣同時，用靜態(tài)封閉箱法采集稻田（包括植株和土壤）N2O 氣體。靜態(tài)箱箱體由厚5 mm的透明亞克力材料制成，箱體為直徑25 cm、高100 cm的無底圓柱體，四周和頂部封閉，底部開口并帶有鋸齒狀，箱內安裝風扇。取樣時靜態(tài)箱垂直插入土壤中，以防箱子和地面的接觸處漏氣，保證箱內氣體與大氣不進行交換。采樣前將箱內風扇打開，以保持氣體均勻混合，采氣孔位于采樣箱頂部。采樣時刻為09:00—11:00，同時記錄箱溫和氣箱有效高度。每個采樣點在蓋箱后10、20、30、40 min 時用注射器采樣，每次樣品量為20 mL。

各處理稻田N2O 濃度使用美國Aglient7890A 氣相色譜儀中的電子捕獲檢測器（ECD）測定。以單位時間內通過單位面積的N2O 質量濃度變化計算N2O通量，計算方法參照劉靖雯等[12]的方法進行。

1.4 數據分析和處理

利用Microsoft Excel 2010 進行數據整理、作圖；使用SPSS Statistics 20.0 進行數據分析：用Duncan法進行多重比較（P<0.05），比較各處理指標之間的差異是否顯著；用Pearson 法分析稻田N2O 通量與水中無機氮質量濃度之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 稻田N2O 通量

圖2 為不同耕作施氮處理下雙季稻田N2O 通量的變化，圖中BV 為試驗開始前N2O 通量，BF 表示基肥，TF 表示蘗肥，EF 表示穗肥，下同。3 次施肥后的5 d 內，所有耕作方式下稻田N2O 通量峰值均是N1 水平＞N2 水平。早稻季施用基肥后1 d，所有處理稻田N2O 通量均降低。施用基肥5 d 內，CN1處理稻田N2O 通量呈逐漸降低趨勢，最低值為-56.40 μg/（m2·h）。施用蘗肥后，免耕（T）、微耕（C）耕作方式N2O 通量呈先增加后降低的趨勢。施用蘗肥后1 d 時，各處理稻田N2O 通量較低，除TN1 處理外均為負值，N2O 通量呈吸收狀態(tài)；施用蘗肥后3 d時，各處理稻田N2O 通量大幅增加，免耕耕作方式稻田N2O 通量提高較快，2 個施氮量下，免耕耕作方式分別較微耕、旋耕（R）、粉壟（S）耕作方式分別提高31.8%～200.4%、76.6%～697.1%和47.0%～218.6%；施用蘗肥后5 d 時，TN2 處理稻田N2O 通量最低，為-24.13 μg/（m2·h），RN2 處理稻田N2O 通量始終為負值。施用穗肥后，免耕、微耕耕作方式稻田N2O 通量呈逐漸下降趨勢，粉壟耕作方式呈先增加后降低的趨勢。施用穗肥后5 d 時，各處理稻田N2O 通量在18.00～32.00 μg/（m2·h）之間。

圖2 不同處理下雙季稻田N2O 通量Fig.2 N2O fluxes from double-cropping rice field under different treatments

晚稻季施用氮肥后所有耕作方式下稻田N2O 通量都是N1 水平＞N2 水平。施用基肥后1 d，微耕、旋耕耕作方式稻田N2O 通量大幅增加。施用基肥后5 d內TN2 處理稻田N2O 通量最低（-61.71 μg/（m2·h））。施用蘗肥后，免耕耕作方式稻田N2O 通量呈逐漸降低趨勢，微耕、粉壟耕作方式呈逐漸上升趨勢。施用蘗肥后1 d 時，N1 水平免耕、微耕、旋耕、粉壟耕作方式下稻田N2O 通量分別較N2 水平對應耕作方式提高13.0%、6.1%、270.3%、132.1%。施用蘗肥后5 d時，TN2 處理N2O 通量逐漸降低，最低值為-7.89 μg/（m2·h）。施用穗肥后，除RN1 處理稻田N2O 通量逐漸上升外，其他處理稻田N2O 通量都呈逐漸降低的趨勢。施用穗肥后1 d 時，各處理稻田N2O 通量出現峰值，N1 水平下，微耕耕作方式稻田N2O 通量較免耕、旋耕、粉壟耕作方式分別提高53.3%、102.2%和118.3%。施用穗肥后TN2 處理稻田N2O 通量逐漸降低，最低值為28.13 μg/（m2·h）。

2.2 銨態(tài)氮質量濃度

圖3 不同處理下雙季稻田田面水 質量濃度Fig.3 Ammonium nitrogen mass concentration in surface water of double-cropping rice field under different treatment

由圖3 可知，晚稻季施用基肥后1 d 時，各處理田面水中的質量濃度較試驗開始前提高153.5%～427.8%。施用基肥后3 d 時，各處理田面水中的質量濃度下降31.6%～91.6%。施用蘗肥后1 d 時，各處理田面水中的達到峰值。N1、N2 水平下，免耕耕作方式田面水中的質量濃度均最高；施用蘗肥后3 d 時，各處理田面水中的質量濃度快速下降，穩(wěn)定在1.4～2.0 μg/mL。施用穗肥后1 d，免耕耕作方式下，N1 水平田面水中的質量濃度比N2 水平高54.3%。N1、N2 水平下，免耕耕作方式田面水中的質量濃度分別較微耕、旋耕、粉壟耕作方式高64.0%～302.7%、10.0%～95.2%、13.3%～532.6%。施用穗肥后3～5 d 時，各處理田面水中的質量濃度趨于穩(wěn)定。

2.3 硝態(tài)氮質量濃度

圖4 不同處理下雙季稻田田面水質量濃度Fig.4 Nitrate nitrogen mass concentration in surface water of double-cropping rice field under different treatments

2.4 亞硝態(tài)氮質量濃度

圖5 不同處理下雙季稻田田面水質量濃度Fig.5 Nitrous nitrogen mass concentration in surface water of double-cropping rice field under different treatments

2.5 稻田N2O 通量與田面水中無機氮質量濃度的相關性

由表1 可知，早稻季不同時期施用氮肥后1 d 時，稻田N2O 通量與田面水中的質量濃度極顯著負相關，相關系數為-0.314，與田面水中的質量濃度顯著正相關，相關系數為0.216；施用氮肥后3 d 時，稻田N2O 通量與田面水中的質量濃度極顯著負相關，相關系數為-0.336；施用氮肥后5 d時，稻田N2O 通量與田面水中的質量濃度顯著負相關，相關系數為-0.300。

表1 稻田N2O 通量與田面水中無機氮質量濃度的相關性Table 1 Correlation between N2O flux in paddy field and inorganic nitrogen mass concentration in field surface water

晚稻不同時期施用氮肥后1 d 時，稻田N2O 通量與田面水中的質量濃度極顯著負相關，相關系數為-0.509；施用氮肥后3 d 時，稻田N2O 通量與田面水中的質量濃度極顯著負相關，相關系數為-0.488，與田面水中的質量濃度顯著正相關，相關系數為0.307；施用氮肥后5 d 時，稻田N2O 通量與田面水中的質量濃度極顯著負相關，相關系數為-0.457，與田面水中的質量濃度顯著正相關，相關系數為0.277。說明不同時期施用氮肥后1～5 d田面水中的銨態(tài)氮質量濃度會影響稻田N2O 排放。

3 討 論

施用氮肥后稻田田面水中的無機氮質量濃度均發(fā)生顯著變化[13]。本研究表明，施用基肥后，田面水中的質量濃度都較試驗前提高153.5%～545.1%，質量濃度也有不同程度的提高，這與潘圣剛等[14]的研究結果相似。施用氮肥后1 d 時，田面水中的質量濃度達到峰值，主要是尿素水解形成的不會立即被土壤吸附，而會在水中暫時滯留[15]。施用氮肥后3～5 d 時，由于植物吸收和土壤膠體對銨態(tài)氮的吸附等原因，因而田面水中的質量濃度大幅降低，施用氮肥后的5 d 時，田面水中的質量濃度較施用氮肥后1 d 時下降74.6%～94.8%。耕作方式主要通過影響土壤孔隙度、透氣性等影響重力水的下滲，從而影響田面水中無機氮的變化[16]。此外，4 種耕作方式下N1 水平田面水中的質量濃度均大于N2 水平，這表明高施氮量顯著增加田面水中的質量濃度，這與前人[17]研究相似。本研究施用氮肥后的所有處理田面水中的質量濃度都較低。稻田田面水質量濃度在0.08～0.20 μg/mL，其由尿素水解產生的經硝化作用形成，淹水時硝化作用較弱，經水稻吸收、反硝化作用和氮素淋失等，田面水中質量濃度較低[18]。質量濃度不高于0.12 μg/mL，原因可能是轉化為的速率比轉化為的速率快，且在水中不穩(wěn)定[19]。本研究表明，施用蘗肥和穗肥后，TN1處理田面水中的較其他處理高4.7%～532.6%，這可能是耕作土層深度較深有利于土壤膠體對的吸附[20]，從而導致微耕、旋耕、粉壟耕作方式下田面水中的質量濃度較免耕耕作方式低，同時免耕耕作方式下土壤透氣性低，重力水的下滲較為緩慢，影響田面水中的向下遷移。同時，N1 處理田面水中質量濃度高。

本研究中氮肥作基肥施用后稻田N2O 通量都較低，各處理N2O 排放主要集中在施用蘗肥和穗肥后3 d。這主要是因為施入蘗肥，水稻分蘗增加，植株對養(yǎng)分的需要更多，根系微生物生長活躍，促進反硝化作用，導致N2O 排放增加[21]。施用穗肥前進行曬田，使得土壤水分條件對硝化細菌和反硝化細菌的生長繁殖較為有利，促進了稻田N2O 的排放，裴自偉等[22]也得到類似結果。施氮量越高，N2O 排放量越高[23]，本研究表明，3 次施肥后的5 d 內，各耕作方式下稻田N2O 通量峰值均是N1 水平＞N2 水平，晚稻季施氮后所有耕作方式下稻田N2O 通量都是N1 水平＞N2 水平，這主要是因為施用較高氮肥為土壤微生物活動產生N2O的過程提供較多的反應基質[24]，而減施氮肥可以減少硝化和反硝化作用的發(fā)生，所以減施氮肥更具有減排優(yōu)勢。耕作方式主要通過影響土壤溫濕度、土壤性質和土壤養(yǎng)分狀況等對N2O 排放產生影響。耕作方式改善了土壤理化性狀[25]，增大土壤孔隙度，降低土壤溫度并增加土壤濕度、水穩(wěn)性團聚體，使得參與硝化作用的微生物數量增加[26]，與微耕耕作方式相比，粉壟耕作方式能在一定程度上降低N2O 排放。微耕耕作方式擾動表層土壤，雖然有利于土壤和大氣之間的氣體交換，但是會促進土壤有機質降解和N2O 排放[27]。本研究發(fā)現，在施用基肥、蘗肥、穗肥后，TN2 處理稻田N2O 通量較其他處理低，這可能是因為免耕表層土壤不受擾動，土壤水分遷移和氧氣條件較其他耕作處理差，土壤中O2有效性和硝化作用降低[28]，使得N2O 排放有效減少，且減施氮肥有助于降低N2O 排放，這與趙國勝等[29]研究結果一致。

田面水中的無機氮也影響N2O 通量[30]。水體表面高質量濃度和共同通過富氮水環(huán)境的硝化作用和反硝化作用增加N2O 的產生[31-32]。本研究中均是不同時期施用氮肥后田面水中無機氮的主要形態(tài)，稻田N2O 通量與不同時期施用氮肥后1～5 d 田面水中的銨態(tài)氮質量濃度顯著負相關，且田面水中的質量濃度較低，這說明不同時期施用氮肥后并不會增加稻田N2O 通量。

4 結 論

2）不同時期施肥后，免耕減氮處理稻田N2O 通量較低。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）