張 昆，陳忠平，溫偉平，王斌強，武 琳，王馨悅，陳國鈞，宗煥青，黃欠如,*

(1.江西省紅壤研究所，江西 南昌 330046；2.江西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，江西 南昌330046；3.江西農(nóng)業(yè)大學，江西 南昌 330045；4.江西省宜春市袁州區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江西 宜春 336000)

水稻是我國最主要最核心的口糧作物，全國有70%以上的人口以水稻為主要食物來源[1]。氮素的投入是影響水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，增加氮肥投入是提高水稻單產(chǎn)的主要手段[2]，但重施氮肥易造成稻田氮元素含量高、稻田溫室氣體甲烷和氧化亞氮排放增加等環(huán)境問題[3-4]。多年的研究發(fā)現(xiàn)，大田試驗中監(jiān)測到的甲烷排放與施氮量的關(guān)系存在較大差異。部分研究認為增加氮肥施用量可以促進稻田甲烷排放量的提高[5]，但也有研究發(fā)現(xiàn)，稻田甲烷排放量會隨著施氮量的增加而降低[6]，還有研究表明施氮量對稻田甲烷排放無顯著影響[7]。施用氮肥對稻田土壤氧化亞氮的排放的影響比較明確，一般表現(xiàn)為促進氧化亞氮的排放[8]。

近年來，由于我國城市化進程加快、勞動力成本快速上升、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的提高，水稻種植都呈現(xiàn)稀植化的趨勢。在稀植條件下，使得高產(chǎn)品種的產(chǎn)量潛力得不到充分的發(fā)揮，甚至引起倒伏減產(chǎn)的災害發(fā)生[9-11]。因此，通過增加種植密度來提高有效穗數(shù)、優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)，達到水稻產(chǎn)量穩(wěn)定甚至增加的目標[12-13]。栽培密度對稻田甲烷排放影響的研究較少，而且結(jié)果也不相同。曹云英等[14]研究指出，有限降低水稻栽培密度有利于減少甲烷排放、降低全球綜合溫室效應、提高產(chǎn)量、降低溫室氣體排放強度。Wassmann等[15]同樣發(fā)現(xiàn)低密度試驗處理的甲烷產(chǎn)生能力更低，但兩者的甲烷累積排放量差異未達到顯著水平。朱相成等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，增加密度對東北一季稻的甲烷排放量較小，差異不顯著，但是配合減施氮肥，可顯著降低甲烷排放量。栽培密度對稻田氧化亞氮排放影響的研究報道也較少，因此有關(guān)栽培密度與稻田氧化亞氮排放的關(guān)系、調(diào)控效應還不明確。

綜上所述，針對當前江西雙季稻種植中大量施用氮肥和稀植化引發(fā)的產(chǎn)量不穩(wěn)、碳排放增加的問題，筆者提出了減少氮肥基肥施用、增加栽培密度的“減氮增密”栽培技術(shù)模式，研究其對雙季稻溫室氣體排放的影響，為江西雙季稻環(huán)境友好型生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗研究于2017年在江西省紅壤研究所高標準糧田試驗田進行。試驗地位于江西省南昌市進賢縣張公鎮(zhèn)馬家村，地理坐標為28°15′30″ N、116°20′24″ E，屬于亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫18.1 ℃、年平均降雨1537 mm、日照時數(shù)1575.50 h。試驗田土壤為第四紀黏土母質(zhì)發(fā)育的潴育性紅壤黃泥土，耕層結(jié)構(gòu)發(fā)育良好，耕作層厚度為14.6 cm、容重1.06 g/cm2，土質(zhì)較黏重。試驗田肥力中等，其土壤基本理化性質(zhì)：pH值5.38、有機質(zhì)22.07 g/kg、堿解氮111.90 mg/kg、有效磷28.25 mg/kg、速效鉀70.00 mg/kg、全氮1.42 g/kg、全磷0.72 g/kg、全鉀10.60 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗處理設(shè)置為：T1：常規(guī)施氮，常規(guī)密度；T2：減施20%氮肥，常規(guī)密度；T3：減施20%氮肥，增加密度20%。常規(guī)氮肥用量為早稻165 kg/hm2，晚稻195 kg/hm2，分基肥(50%)、分蘗肥(20%)、穗肥(30%)3次施用。減氮為減少常規(guī)氮肥用量的20%后。分別為早稻132 kg/hm2，晚稻156 kg/hm2，且主要減少基肥用量，分蘗肥和穗肥用量不變。磷肥每季作物施75 kg/hm2，作基肥1次施用。鉀肥每季施75 kg/hm2，分基肥(50%)、穗肥(50%)2次施用。氮肥為普通尿素(含量46%)，磷肥為鈣鎂磷肥(含量12%)，鉀肥為氯化鉀(含量60%)。

早晚稻采用人工模擬機插進行移栽，早稻每穴4苗，晚稻每穴2苗。常規(guī)移栽密度：早稻25 cm×13 cm、晚稻25 cm×16 cm。增密為增加常規(guī)密度的20%，具體為早稻25 cm×11 cm、晚稻25 cm×13 cm。早稻為常規(guī)稻品種中嘉早17，晚稻為雜交稻品種五優(yōu)308。

田間水分管理為水稻分蘗期淺水常灌，分蘗盛期排水烤田，抽穗期深水灌溉，灌漿期干濕交替。各處理的病蟲害防控措施一致。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 溫室氣體的監(jiān)測與計算 溫室氣體的采集與測定采用靜態(tài)箱-氣相色譜法進行測定[17]。靜態(tài)箱底橫截面為長度0.5 m的正方形，采樣箱由不銹鋼材質(zhì)制成，外部箱包有隔溫鋁箔紙，防止太陽照射導致箱內(nèi)溫度變化過大，箱體高度隨水稻生長高度的增加而疊加增高。PVC底座水稻于移栽后固定于土壤中。采氣前，打開采樣箱內(nèi)頂部9 V小風扇充分混勻箱內(nèi)氣體后，將采樣箱垂直安放在底座5 cm深的凹槽內(nèi)并加水密封，密封后用外接三通閥的100 mL聚乙烯針管采樣。水稻自移栽返青后，每7 d采氣1次，特殊天氣無法采集順延進行。采樣時間固定在8:30～10:30，取樣時間為關(guān)箱后的0、5、10、15 min，共4次，同時記錄箱體內(nèi)溫度。每次抽氣前需要注射器快速抽動混勻氣體，氣體樣品保存于真空采樣袋后迅速進行分析測定。采用Agilent Technologies公司生產(chǎn)的7890A system氣相色譜儀測定樣品中甲烷和氧化亞氮濃度。

氣體排放通量計算公式：

F=M/V0P/P0×T0/T×H×dc/dt

式中，F(xiàn)為氣體排放通量[mg/(m2·h)]，M為氣體的摩爾質(zhì)量(g/mol)，V0為標準狀態(tài)下(溫度273.15 K，氣壓為1.01325×105Pa)氣體的摩爾體積(22.41×10-3m3)，T0和P0分別為標準狀態(tài)下的空氣絕對溫度和氣壓，P為采樣點的氣壓，T為采樣時的絕對溫度，H為采樣箱的凈高度；dc/dt為單位時間內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體的濃度變化率，用4個時間段的氣體濃度進行線性擬合，回歸系數(shù)R2≥0.9時的斜率即可。甲烷和氧化亞氮排放通量用3個重復的平均值表示，累積排放量采用累加法計算[18]。

1.3.2 綜合溫室效應和溫室氣體排放強度的計算 綜合溫室效應用全球增溫潛勢表示，CH4和N2O在100年尺度上的全球增溫潛勢(GWP)分別為CO2的25倍和298倍，不同處理排放CH4和N2O產(chǎn)生的綜合溫室效應(kg/hm2,以CO2當量計)的計算公式：綜合溫室效應=25×CH4累積排放量+298×N2O累積排放量。

溫室氣體排放強度(GHGI)是將環(huán)境效益和作物經(jīng)濟效益協(xié)調(diào)的綜合評價指標，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中單位面積糧食產(chǎn)量對氣候產(chǎn)生的潛在影響(kg/kg)[19]，即：GHGI=單位GWP/單位面積產(chǎn)量。

DG單元利用本地的電流、虛擬電阻,線路電阻信息進行一致性迭代,利用相鄰的單元的信息更新等效虛擬阻抗值,即線路電阻小的DG單元自動調(diào)節(jié)虛擬電阻值相對增大,而線路電阻大的則調(diào)節(jié)虛擬阻抗值相對減小,使接口變流器的虛擬電阻與線路電阻的和趨于相等,以減小輸出電流差值。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

運用Excel 2007軟件錄入數(shù)據(jù)，t檢驗和多重比較采用Excel 2007和DPS 7.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 減氮增密對早稻季溫室氣體排放的影響

由圖1可知，早稻季各處理甲烷排放通量的季節(jié)變化范圍為0.28～30.88 mg/(m2·h)；早稻季甲烷排放速率呈現(xiàn)出前期(移栽后5～25 d)逐漸升高的趨勢，在移栽后18～25 d水稻分蘗中后期出現(xiàn)最高峰，隨后急劇下降，然后平穩(wěn)排放，直到移栽后67 d(成熟前10 d)出現(xiàn)一個排放小高峰，隨后降低至較低排放水平。

比較了不同處理甲烷排放速率發(fā)現(xiàn)，早稻季排放速率差異主要集中在移栽后12～25 d，減氮處理T2和T3的甲烷排放高峰時間在移栽后18 d，相比常氮處理T1的最高峰移栽后25 d提前了7 d，而處理T3相比處理T2在移栽后18～25 d的下降幅度較大，移栽后32 d至成熟期的甲烷排放速率變化基本一致。

圖1 減氮增密對早稻CH4排放通量的影響

由圖2可知，早稻季各處理氧化亞氮排放通量的季節(jié)變化范圍為-0.12～0.22 mg/(m2·h)；由于早稻生長季多雨水，特別是移栽后5～32 d的分蘗期稻田持續(xù)淹水，各處理均表現(xiàn)微弱的大氣氧化亞氮源。在移栽后39 d之后，隨著灌水和曬田的交替進行，氧化亞氮出現(xiàn)不規(guī)則的排放峰和較大幅度的變化。比較不同處理氧化亞氮排放速率發(fā)現(xiàn)，增密處理T3在移栽后39 d的排放速率顯著低于處理T1和T2。

比較早稻季不同處理甲烷和氧化亞氮累積排放量，綜合溫室效應和溫室氣體排放強度可以發(fā)現(xiàn)(表1)，甲烷累積排放量最大的為T1處理(186.74 kg/hm2)，最小的為T3處理(152.26 kg/hm2)，T2和T3處理相比T1分別減少了5.79%和18.46%，而T3處理相比T2減少了13.45%。由于氧化亞氮的累積排放量相比甲烷累積排放量所占綜合溫室效應的比重極小，因此，不同處理間綜合溫室效應(GWP)的變化同甲烷累積排放量的變化一致，綜合溫室效應最大值為T1處理(4668.35 kg/hm2)，最小值為T3處理(3806.26 kg/hm2)。甲烷、氧化亞氮累積排放量和綜合溫室效應3個指標在不同處理間有差異，但未達到顯著水平。

不同處理的溫室氣體排放強度(GHGI)變化范圍為0.54～0.74，T1處理最高，T3處理最低，降低幅度為26.92%，差異達顯著水平；T2處理相比T1降低了12.24%，T3處理相比T2降低了16.73%，表明減施氮肥可以不同程度地降低早稻季溫室氣體排放強度，增加密度效果則更好，主要可能與減氮增密的產(chǎn)量不斷提高有關(guān)，盡管其處理間產(chǎn)量差異未達顯著水平。

圖2 減氮增密對早稻N2O排放通量的影響表1 減氮增密對早稻CH4和N2O累積排放量、綜合溫室效應、溫室氣體排放強度的影響

處理CH4累積排放量/(kg/hm2)N2O累積排放量/(kg/hm2)綜合溫室效應/(kg/hm2)產(chǎn)量/(kg/hm2)溫室氣體排放強度/(kg/kg)T1186.74 a-0.16 a4668.35 a6369.23 a0.74 aT2175.92 a0.19 a4398.05 a6812.31 a0.65 abT3152.26 a-0.43 a3806.26 a6831.92 a0.54 b

2.2 減氮增密對晚稻季溫室氣體排放的影響

由圖3可知，晚稻季各處理甲烷排放通量的季節(jié)變化范圍為-0.24～69.50 mg/(m2·h)；晚稻季甲烷排放速率變化趨勢同早稻季的變化趨勢完全不同，只有一個排放高峰，在移栽后7 d迅速達到排放高峰，接著不斷下降，直到移栽后28～35 d進入分蘗末期和拔節(jié)期，隨后甲烷的排放持續(xù)穩(wěn)定在較低水平。這可能與早稻季秸稈切碎全量還田，造成土壤中碳素增加引起的。

比較晚稻季不同處理甲烷排放速率發(fā)現(xiàn)，在移栽后7～21 d分蘗期間，減氮處理T2和T3的甲烷排放速率一直低于常氮處理T1，表明減施氮肥可以降低晚稻季分蘗期的甲烷排放；增密處理T3和常密處理T2在分蘗期的甲烷排放速率無明顯規(guī)律，下降幅度呈交替變化的趨勢。

由圖4可知，晚稻季各處理氧化亞氮排放通量的季節(jié)變化范圍為-0.12～0.51 mg/(m2·h)；相比早稻，晚稻季的氧化亞氮排放峰值和排放速率表現(xiàn)出較高水平，這可能與晚稻季溫度較高，水分蒸發(fā)較快，稻田干濕交替現(xiàn)象明顯有關(guān)。晚稻季氧化亞氮排放在移栽后50 d(抽穗前)表現(xiàn)出較高排放水平，隨后由于抽穗期需要灌深水，氧化亞氮排放速率急劇下降，在灌漿期采取干干濕濕的灌水方式，因此引起氧化亞氮的不規(guī)律排放。不同處理間的氧化亞氮排放速率看出，增密處理T3較常規(guī)密度T1和T2處理表現(xiàn)出較高的排放水平。

比較晚稻季不同處理甲烷和氧化亞氮累積排放量，綜合溫室效應和溫室氣體排放強度可以發(fā)現(xiàn)(表2)，甲烷累積排放量最大的為T1處理(201.05 kg/hm2)，最小的為T2處理(151.81 kg/hm2)，T2和T3處理相比T1分別減少了24.49%和18.41%，而T3處理相比T2增加了8.04%，且不同的處理間差異達極顯著水平；由于氧化亞氮的累積排放量較小，且差異不顯著，相比甲烷累積排放量，所占綜合溫室效應比重極小，因此，不同處理間綜合溫室效應(GWP)的變化同甲烷累積排放量的變化一致，綜合溫室效應最大值為T1處理(5026.59 kg/hm2)，最小值為T2處理(3795.68 kg/hm2)，不同處理間差異依然達到極顯著水平。

不同處理的溫室氣體排放強度(GHGI)變化范圍為0.53～0.81，T1處理最高，T2處理最低，降低幅度為34.72%，差異達極顯著水平；T3處理相比T1降低了24.97%，差異達極顯著水平，而增密T3處理相比T2增加了10.33%，表明減施氮肥可以不同程度地降低晚稻季溫室氣體排放強度，但增加密度的效果卻不好，不但增加了綜合溫室效應，而且降低了產(chǎn)量，繼而引起溫室氣體排放強度的提高，無法起到減排的效果。

圖3 減氮增密對晚稻CH4排放通量的影響

圖4 減氮增密對晚稻N2O排放通量的影響表2 減氮增密對晚稻CH4和N2O累積排放量、綜合溫室效應、溫室氣體排放強度的影響

處理CH4累積排放量/(kg/hm2)N2O累積排放量/(kg/hm2)綜合溫室效應/(kg/hm2)產(chǎn)量/(kg/hm2)溫室氣體排放強度/(kg/kg)T1201.05 aA0.87 a5026.59 aA6236.92 b0.81 aAT2151.81 cC1.15 a3795.68 cC7260.19 a0.53 bBT3164.02 bB1.82 a4101.17 bB7238.08 a0.58 bB

2.3 減氮增密對雙季稻溫室氣體排放的影響

比較雙季稻季不同處理甲烷和氧化亞氮累積排放量，綜合溫室效應和溫室氣體排放強度可以發(fā)現(xiàn)(表3)，甲烷累積排放量最大的為T1處理(387.79 kg/hm2)，最小的為T3處理(316.28 kg/hm2)，減氮的T2和T3處理相比T1分別減少了15.49%和18.44%，差異達極顯著水平，而增密的T3處理相比T2減少了3.49%，差異未達到顯著水平；減氮處理T2和T3相比T1增加了氧化亞氮的累積排放量，但是處理間差異不顯著；綜合溫室效應的最大值為T1處理(9694.94 kg/hm2)，最小值為T3處理(7907.43 kg/hm2)。減氮的T2和T3處理相比T1分別減少了15.49%和18.44%，差異達極顯著水平，而增密T3的處理相比T2減少了3.49%，差異未達到顯著水平，同甲烷累積排放量的變化一致，這與氧化亞氮的累積排放量相比甲烷累積排放量，所占綜合溫室效應比重極小有關(guān)。

不同處理的溫室氣體排放強度(GHGI)變化范圍為0.56～0.77，T1處理最高，T3處理最低，降低幅度為27.49%，差異達顯著水平；T2處理相比T1降低了24.08%，差異達顯著水平，增密T3處理相比T2降低3.45%，表明減施氮肥可以顯著降低雙季季溫室氣體排放強度，增加密度效果后差異不顯著，這與早稻季的表現(xiàn)一致，但是同晚稻季的表現(xiàn)不同。

表3 減氮增密對雙季稻CH4和N2O累積排放量、綜合溫室效應、溫室氣體排放強度的影響

3 結(jié)論與討論

本研究認為減施氮肥降低了溫室氣體排放，甲烷對溫室效應貢獻度大，氧化亞氮累積排放量相對極其微量，影響甚小。而增加密度對溫室氣體排放的影響較小，而且早晚稻影響各異。稻田甲烷排放受植株生長、土壤類型、土壤溫度、土壤酸度和氧化還原電位等土壤理化性質(zhì)的影響[20-22]。因研究條件不同，得出的結(jié)論各異，Liang等[23]的研究發(fā)現(xiàn)，稻田甲烷排放量隨著施氮量的增加而增加。丁維新等[24]總結(jié)前人的研究后認為，當土壤有機碳和全氮含量較高時，氮肥對土壤甲烷產(chǎn)生無影響，而當土壤有機碳含量較低時，氮肥促進土壤甲烷產(chǎn)生。甲烷排放也和品種特性有關(guān)，王曉飛[25]研究認為不同品種增加密度對甲烷排放的影響不一，寧粳3號隨著密度的增加，甲烷排放量逐漸降低，而Y兩優(yōu)302的甲烷排放量則逐漸升高。朱相成[26]的研究發(fā)現(xiàn)，增加密度對東北一季稻的甲烷排放量較小，差異不顯著，但是配合減施氮肥，可顯著降低甲烷排放量，但是減氮只顯著降低甲烷排放高峰時期的土壤甲烷產(chǎn)生潛力，而不顯著影響其他時期的土壤甲烷產(chǎn)生潛力和各時期的土壤甲烷氧化潛力。

在水稻生育各時期的甲烷排放通量來看，早稻田甲烷排放集中于水稻生長的分蘗期，返青期和孕穗期以后甲烷排放較少。晚稻田甲烷排放規(guī)律較一致，呈明顯的單峰型，集中在移栽后曬田前的1個月，特別是移栽后1周，迅速到達排放高峰，隨后不斷下降，直到夠苗曬田，甲烷排放通量持續(xù)走低?？赡苁且环矫鏁裉锲陂g田間土壤處于較強的氧化狀態(tài)，另一方面水稻生長后期水稻生理活動減弱，對甲烷的傳輸能力下降。這與秦曉波[27]的研究結(jié)果基本一致。

本研究減施氮肥不能減少氧化亞氮排放，甚至出現(xiàn)了增加的情況，但是差異不顯著，同其他學者的研究結(jié)果不同。Hoben等[8]認為氮肥的施用會增加土壤礦質(zhì)氮含量，增加土壤硝化和反硝化作用的底物。一般表現(xiàn)為促進氧化亞氮的排放。Kim等[28]通過綜合分析認為氧化亞氮排放對施氮量響應分為“3個階段”：一是在低施氮量下，氧化亞氮排放對施氮量呈線性響應；二是在高施氮量下，氮肥已超過作物生長需要，多余的氮會激發(fā)氧化亞氮大量排放，因而呈指數(shù)響應；三是隨著施氮量的再次增加，產(chǎn)生氧化亞氮的氮源充足，土壤碳不足成為氧化亞氮排放的限制因素，進入常數(shù)階段。王曉飛[25]的研究表明，在減氮前提下，增加栽培密度會降低氧化亞氮的排放。彭術(shù)等[29]研究表明，早晚稻減施30%氮肥采用深施的方式可以顯著降低氧化亞氮的排放，而且還影響雙季稻氧化亞氮的排放模式。秦曉波等[27]通過相關(guān)分析認為甲烷和氧化亞氮的排放通量呈顯著負相關(guān)。本研究甲烷排放顯著減少，因此氧化亞氮增加排放也合理。

綜上所述，減氮增密和減氮常密相比常氮常密顯著降低了晚稻季和水稻季的甲烷累積排放量、綜合溫室效應和溫室氣體排放強度，主要是顯著降低了晚稻移栽后分蘗期的甲烷排放通量；減氮增密相比減氮常密降低了早稻季甲烷累積排放量、綜合溫室效應和溫室氣體排放強度，差異不顯著，但是卻極顯著地增加了晚稻季的甲烷排放和綜合溫室效應。因此，從減少溫室氣體排放來看，江西早晚稻季需要采用不同的栽培措施，早稻季需要在減氮的基礎(chǔ)上增加密度，而晚稻季則只需減施氮肥，不需增加密度。