紅壤稻田不同肥力水平和施氮量對早晚季甲烷排放的互作效應

賈震 付文濤 王海媛 陳金 曾勇軍 黃山

（1 江西農業大學作物生理生態與遺傳育種教育部重點實驗室，南昌 330045；2 江西省農業科學院 土壤肥料與資源環境研究所，南昌 330200；3 井岡山紅壤研究所/江西省農業科學院 井岡山分院，江西 吉安 343016；第一作者：380604391@qq.com；*通信作者：ecohs@126.com）

甲烷（CH4）是僅次于二氧化碳的全球第二大溫室氣體[1]。稻田是大氣CH4的主要排放源之一，全球每年有17%的人類源CH4排放來自稻田[2-3]。南方雙季稻區是我國重要的水稻種植區，約占我國水稻種植總面積的40%[4]。雙季稻田淹水時間長，CH4排放強度大。因此，降低雙季稻田CH4排放對我國農業實現“碳達峰、碳中和”戰略意義重大[5-6]。土壤肥力與施氮量不僅影響水稻的生長發育，還與稻田CH4產生與排放密切相關[7-8]。前人研究發現，土壤有機質含量越高，CH4排放量也越多[9]。但也有研究認為，土壤有機質含量高低與CH4排放無顯著關系[10]。一項Meta 分析發現，與不施氮處理相比，低施氮量處理（79 kg/hm2）的CH4排放量顯著增加18.0%；而高施氮處理（249 kg/hm2）的CH4排放顯著降低15.0%；中施氮處理（100~200 kg/hm2）對甲烷排放無顯著影響[11]。在實際生產中，往往依據土壤肥力狀況調整施氮量以達到水稻高產高效。施氮對水稻根系生長、分蘗、光合物質生產和分配的影響因土壤肥力不同有所差異。因此，二者可能間接影響稻田CH4的產生和氧化過程[12-13]。故筆者推測，土壤肥力與施氮量對稻田CH4排放可能存在互作效應。以往的研究側重于土壤肥力或施氮量對CH4排放的單獨效應，有關二者對稻田CH4排放的互作效應研究較少，特別是在雙季稻系統。本研究在典型的紅壤性雙季稻田上，以土壤有機質含量篩選不同土壤肥力梯度田塊，開展土壤肥力和施氮量的雙因素田間試驗，旨在探明二者對雙季稻田CH4排放的互作效應，為雙季稻田CH4減排提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021 年3—11 月在江西省進賢縣江西省紅壤研究所（116°20′24″N，28°15′30″E）開展。試驗地屬于亞熱帶季風濕潤氣候，平均海拔137.5 m，年平均氣溫17.7 ℃，日照時數1 900~2 000 h，年平均降雨量1 600~1 700 mm。試驗地種植制度為雙季稻，即早稻季（4—7月）、晚稻季（7—11 月）及冬閑季（11 月—次年4 月）。試驗以土壤有機質含量作為參考標準，選取3 塊不同土壤肥力梯度稻田作為試驗地。土壤類型為第四紀黏土發育形成的紅壤性水稻土，試驗地耕層0~15 cm 土壤基本理化性狀如表1。

表1 不同肥力土壤基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗采用雙因素裂區設計，以土壤肥力為主區，設低（FL）、中（FM）、高（FH）3 個梯度；以施氮量為裂區，設0、90、150、210 kg/hm2（分別記為N0、N90、N150、N210）4 個水平，共12 個處理。每個處理3 次重復，共36 個小區，每個小區面積50 m2。早稻供試品種為湘早秈45，晚稻為泰優871，早晚稻均采取大田水育秧。早稻3 月24 日播種，4 月23 日移栽，7 月14 日收獲；晚稻6 月25 日播種，7 月23 日移栽，10 月13 日收獲。早稻移栽規格25 cm × 14 cm、基本苗為每叢3 苗，晚稻移栽規格25 cm ×16 cm、基本苗為每叢2 苗，均采用人工移栽。以尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀分別作為氮肥、磷肥和鉀肥，其中磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）施用量均為75 kg/hm2。全部磷肥、50%的鉀肥和50%的氮肥作基肥施用，20%的氮肥作分蘗肥施用，剩余50%鉀肥和30%氮肥作穗肥施用。田間水分管理：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，直至水稻收獲前10 d 左右自然排干。田間病、蟲、草害等管理措施與當地高產田一致。此外，早、晚稻秸稈全量原位還田。

1.3 CH4 排放測定方法

采用靜態暗箱（箱體由不銹鋼板制成，規格為50 cm×50 cm×50 cm）-氣相色譜法采集與測定田間CH4。自水稻移栽種植到成熟期，每7 d 采集1 次，采集時間為9∶00—11∶00，并在分蘗盛期對應加收1 次。在水稻小區內固定好靜態暗箱凹槽底座與土面平齊，采氣期間，保持凹槽內充滿水以隔絕空氣，分別在0、10、20、30 min 用50 mL 針筒采集箱內氣體，多次抽取混勻后取50 mL 保存于真空氣袋中，同時記錄取樣時間、箱體內溫度變化及田間水層深度。將采集好的樣品帶回實驗室用氣相色譜儀（Agilent 7890B）測定。CH4由氫火焰離子化檢測器（FID）測定。CH4測定時儀器具體參數設定參照文獻[14]。

式中，F 為CH4排放通量[mg/（m2·h）]；ρ 表示標準狀態下的氣體密度（kg/m3）；h 為采氣暗箱的凈高度（cm）；dc/dt 為單位時間內暗箱內溫室氣體的排放速率；T 為采樣箱內的平均溫度（℃）；273 為氣態方程常數。

1.4 數據處理

采用DPS V7.05 進行數據統計分析，采用最小顯著性差異法（LSD）進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤肥力和施氮量對CH4 排放通量的影響

從圖1 可見，水稻移栽后，CH4排放通量逐漸增加，分別在水稻分蘗期與孕穗期達到峰值；在水稻生長后期，保持較低的排放量，直至收獲。在低肥力稻田早、晚稻季CH4排放峰值表現為N90>N0，中肥力稻田晚稻季表現為N90>N0>N150，高肥力稻田早稻季表現為N0>N90>N210>N150，晚稻季表現為N210>N90>N150>N0。

圖1 不同土壤肥力與施氮量對甲烷排放通量的影響

2.2 土壤肥力和施氮量對CH4 累積排放量的互作效應

從圖2 可見，早稻季，中、高肥力稻田CH4累積排放量較低肥力稻田顯著減少115.7%和32.4%。晚稻季，相比于低肥力稻田，中肥力稻田CH4累積排放量顯著增加40.0%，高肥力稻田有增加，但差異不顯著。與N0處理相比，早稻季CH4累積排放量在N90處理下顯著增加36.0%，在N150、N210處理下分別顯著降低32.9%和55.0%；晚稻季CH4累積排放在N90處理顯著增加46.4%，而N150和N210處理與N0和N90處理無顯著差異。

圖2 土壤肥力和施氮量對雙季稻甲烷累積排放的主效應

從表2 可見，低肥力條件下，與N0 處理相比，N90處理早稻季CH4累積排放量顯著增加100.1%，而N150和N210處理表現出下降趨勢，但與N0處理相比差異不顯著。中肥力條件下，早稻季各氮肥處理間CH4累積排放量無顯著差異。高肥力條件下，施氮量越多，早稻季CH4累積排放量越低，N150、N210處理較N0處理顯著降低139.9%和166.5%。從表2 可見，土壤肥力與施氮量雖對晚稻季CH4累積排放無顯著互作效應，但在中肥力條件下，與N0處理相比，N90處理CH4累積排放顯著增加75.2%。從表2 可見，土壤肥力與施氮量對周年CH4累積排放量存在顯著的互作效應。在低肥力條件下，與N0處理相比，N90處理周年CH4排放量顯著增加82.8%，N150和N210處理與N0處理相比無顯著差異；而在中、高肥力條件下，各施氮量處理間CH4排放無顯著差異。

表2 土壤肥力和施氮量對雙季稻甲烷累積排放量的互作效應（單位：kg/hm2）

3 討論

YAGI 等[9]研究表明，土壤肥力提高，能促進CH4排放，這與本試驗晚稻季的結果一致。筆者發現，在晚稻季，相比低肥力稻田，中、高肥力稻田的CH4排放增加。晚稻季的CH4排放峰值在水稻生長前期，此時水稻植株較小，故晚稻前期CH4排放可能主要受秸稈輸入量和土壤有機質影響。土壤肥力越高，水稻產量越高，產生的秸稈量也越高。因此，中、高肥力稻田更高的秸稈還田量為晚稻季CH4的產生提供了更加豐富的碳源[15-17]。中、高肥力稻田較低肥力稻田土壤有機質含量高，而晚稻季的高溫能加速土壤中有機質的分解以及增強碳礦化速率[18-19]，從而為CH4產生提供豐富的底物，故中、高肥力稻田CH4排放增加。此外，有研究表明，較高的土壤有機質含量加速了土壤中氧氣的消耗，從而降低了土壤氧化還原電位[20]，為CH4產生提供更為嚴格的厭氧環境，由此促進了CH4排放。但筆者研究發現，土壤肥力升高減少了早稻季CH4的排放。早稻季的CH4排放峰值出現在水稻生長中期。故我們猜想早稻季CH4排放可能受水稻植株的影響更大。有研究表明，較高的生物量能促進根系的泌氧能力[21]。相比低肥力稻田，中、高肥力稻田水稻植株分蘗更多，根系更發達。發達的根系能向根際土壤輸入更多氧氣，從而增強CH4氧化過程。此外，發達的根系還能分泌大量的有機酸，而有機酸不僅能增加CH4氧化菌的數量，還能提高CH4氧化菌的活性，從而促進CH4的氧化[22]，減少CH4排放。

本研究表明，與不施氮相比，施氮90 kg/hm2時CH4排放增加，這與前人研究結果相似[23]。首先，施氮能促進水稻生長，從而增加土壤中植株殘體和根系分泌物的數量[24]，為產CH4菌提供了豐富的氮源和碳源[25-26]。其次，稻田產生的CH4主要通過植株排放，適量施氮促進水稻生長，提高了水稻植株傳輸CH4的能力[27]。然而，本研究發現，當施氮量超過90 kg/hm2時，稻田CH4排放顯著下降。研究發現，氮輸入量過高會抑制土壤微生物活性，從而使水稻分泌物及脫落物的分解速率降低[28]，因此CH4產生所需的底物減少，從而減少了CH4的產生。此外，水稻生長對氮肥的響應隨施氮量的增加而降低，特別是當施氮量超過植株需求時，稻田土壤溶液中剩余的NH4+促進CH4氧化，促使CH4排放減少[11,29-30]。

為什么土壤肥力與施氮量對早稻季CH4排放有顯著的互作效應，而對晚稻季CH4排放卻無顯著的互作效應呢？這可能與本試驗中早、晚稻季前茬秸稈的腐解程度有關，晚稻收獲后還田的秸稈在經歷整個冬閑期的分解后，不僅提高了土壤有機碳含量，還為早稻前期生長發育提供豐富的礦質養分[31]。豐富的有機碳和養分不僅促進了水稻生長，也為產CH4菌提供了豐富的底物，二者共同促進了CH4的產生。而早稻收獲后還田的秸稈在晚稻生長前期并未腐解（早稻秸稈還田到晚稻移栽僅間隔2 周左右），且秸稈本身較高的碳氮比會固持土壤中的氮素[15]，抑制晚稻前期生長分蘗，不利于水稻根系發育和CH4氧化，同時也制約了氮肥對CH4產生的促進效應。此外，大量早稻秸稈還田為土壤提供了豐富的碳源，從而削弱了土壤有機質對晚稻CH4產生的促進作用[32]，導致晚稻CH4排放在不同肥力稻田中均隨施氮量增加呈先增加后下降趨勢。因此，土壤肥力與施氮量對早稻季CH4排放有顯著的互作效應，而對晚稻季CH4排放無顯著互作效應。為什么早稻季的低肥力和中肥力稻田CH4排放隨施氮量增加呈先增加后下降趨勢，而高肥力稻田CH4排放隨施氮量增加一直呈下降趨勢？這主要是因為低、中肥力稻田的土壤有機質和總氮含量較低，氮肥的施入加速了水稻的生長發育，為CH4產生提供了較多的底物，故促進了CH4產生；而隨著氮肥施用量增加，CH4氧化菌數量增加、活性提高[33]，因此CH4排放降低。但是，在高肥力稻田中，施氮量對水稻生長的促進效應有限[34]，較高的土壤氮和外源氮促進了CH4氧化[35]，從而減少了CH4排放。

4 結論

與低肥力稻田比，中、高肥力稻田減少了早稻季CH4排放；而在晚稻季，中、高肥力稻田增加了CH4排放。與不施氮相比，施氮90 kg/hm2增加稻田CH4排放，而施氮150、210 kg/hm2則減少稻田CH4排放。在低、中肥力稻田上，早稻季CH4排放隨施氮量呈先增加后降低的趨勢；在高肥力稻田則一直呈下降趨勢。土壤肥力和施氮量對晚稻季CH4排放無顯著互作效應。因此，應因時因地施氮，以協同實現水稻豐產、氮肥高效和CH4減排。