王贏，林余濤，楊文斌，王家嘉，左雙寶，宋朝輝，周楠楠*

（1.安徽師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，皖江流域退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 蕪湖 241003；2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，安徽養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230001；3.安徽師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，分子基材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241003；4.巨石集團(tuán)有限公司，巨石復(fù)合材料研究院，浙江 桐鄉(xiāng) 314500）

大量施用人工合成肥料解決了人口增長(zhǎng)帶來的糧食短缺問題，但同時(shí)也造成了一系列環(huán)境污染，如水體富營(yíng)養(yǎng)化、大氣污染、土壤狀況惡化、溫室氣體排放等。在此背景下，能夠部分替代化肥的傳統(tǒng)綠肥重新得到重視。紫云英是我國南方稻田常見的豆科綠肥作物，其在稻田固氮、提供養(yǎng)分、培肥地力、豐富土壤碳庫、水稻增產(chǎn)和保障糧食安全等方面具有巨大潛力。

甲烷（CH）作為主要的溫室氣體之一，其增溫效應(yīng)僅次于CO，而水稻種植過程中排放的CH約占全球人為CH排放總量的17%。有文獻(xiàn)指出紫云英還田會(huì)增加稻田CH排放。周煒等開展1 a 田間試驗(yàn)，對(duì)比了長(zhǎng)江下游地區(qū)紫云英-水稻種植模式與傳統(tǒng)種植模式下稻田的溫室氣體排放，結(jié)果表明紫云英還田顯著增加了稻田CH排放。周國朋通過盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫云英配施化肥處理下的CH排放系數(shù)明顯高于單施化肥處理。當(dāng)前相關(guān)研究多基于盆栽或短期田間試驗(yàn)（1～2 a），缺乏多年田間定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐，無法為上述論斷提供充足證據(jù)。

中期排水烤田是我國水稻種植的傳統(tǒng)措施，其初衷在于緩解持續(xù)淹水造成的極端還原條件，減小對(duì)水稻生長(zhǎng)的不良影響和控制無效分蘗。近年來相繼有研究表明中期排水烤田具有降低稻田CH排放的作用。CAI等研究發(fā)現(xiàn)，排水烤田后的CH排放通量顯著低于排水烤田處理前。錢浩宇研究了不同水分條件下稻田CH的排放，結(jié)果指出較傳統(tǒng)淹水處理，多次“烤田-復(fù)水”的間歇灌溉處理顯著抑制了CH排放。一項(xiàng)在日本北海道開展的田間小區(qū)試驗(yàn)結(jié)果表明，排水烤田處理下的CH排放量比持續(xù)淹水處理低21%～91%。但是上述研究中排水烤田前CH的排放通量已達(dá)到較高強(qiáng)度，排水烤田的減排潛力未得到充分發(fā)掘，烤田時(shí)機(jī)有待改善。SOUZA等通過模型研究指出，可以通過優(yōu)化排水烤田的時(shí)機(jī)來減少稻田CH排放，但是缺乏田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證。綜上所述，在紫云英還田可能增加稻田CH排放風(fēng)險(xiǎn)的背景下，如何優(yōu)化排水烤田措施、減少CH排放，值得深入研究。

為將綠肥紫云英的環(huán)境友好效應(yīng)最大化，本研究擬通過連續(xù)5 a 的田間定位試驗(yàn)，探明不同施肥條件下稻田CH的排放特征和排放量，明確紫云英還田對(duì)稻田CH排放的影響，并通過設(shè)置不同排水烤田時(shí)間，探索合適的水分管理措施，以期在保障水稻產(chǎn)量的同時(shí)，抑制紫云英翻壓稻田CH的排放，為我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

本研究試驗(yàn)區(qū)域位于長(zhǎng)江下游南岸，安徽省池州市梅隴鎮(zhèn)桐梓山村，該地屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均氣溫16 ℃，年均日照時(shí)間約1 900 h，年均降雨量約1 600 mm，無霜期242 d。當(dāng)?shù)胤N植方式以單季稻為主。供試土壤為水稻土，質(zhì)地中壤，耕層土壤（0～20 cm）基本理化性質(zhì)：pH 值6.27，有機(jī)質(zhì)23.5 g·kg，總氮1.82 g·kg，有效磷36.9 mg·kg，速效鉀151.6 mg·kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在水稻分蘗末期進(jìn)行排水烤田是當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)水分管理措施。本研究于2016—2020年開展，共設(shè)置4種處理：不施化肥+傳統(tǒng)水分管理（CK），常規(guī)單施化肥+傳統(tǒng)水分管理（CF），紫云英翻壓+氮肥減施+傳統(tǒng)水分管理（MF），紫云英翻壓+氮肥減施+優(yōu)化水分管理（MFW）。每種處理重復(fù)3次，小區(qū)面積為30 m（5 m×6 m）。傳統(tǒng)水分管理為分蘗末期排水烤田7 d，優(yōu)化水分管理是在傳統(tǒng)管理基礎(chǔ)上提前并增加5 d烤田時(shí)間，烤田共持續(xù)12 d。烤田結(jié)束后保持淹水狀態(tài)（水深30～55 mm），直至水稻收獲前2 周。常規(guī)單施化肥代表當(dāng)?shù)剞r(nóng)民施肥習(xí)慣，施用的化肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，氮肥按照基肥50%、蘗肥30%、穗肥20%分3 次施用，磷肥和鉀肥全部作基肥施用，各處理組的施用量見表1。MF、MFW 處理組于每年水稻收割后開始種植紫云英，盛放期全部翻壓還田，采用當(dāng)?shù)爻Ｒ姺瓑毫?，?2 500 kg·hm。前期研究發(fā)現(xiàn)該翻壓量下紫云英的固氮量約為53.2 kg·hm，為確保氮輸入量與單施化肥處理（220 kg·hm）基本一致，紫云英還田配施的氮肥量為165 kg·hm。水稻品種為昌兩優(yōu)8號(hào)，5月下旬播種培秧，6月中旬移栽，10月中旬收獲，秸稈不還田，水稻收割測(cè)產(chǎn)后全部帶走。

表1 各處理中紫云英和化肥的施用量（kg·hm-2）Table 1 Applying amounts of Chinese milk vetch and chemical fertilizer under each treatment（kg·hm-2）

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 水稻產(chǎn)量測(cè)定及可持續(xù)性分析

每年水稻成熟期對(duì)各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)單獨(dú)收割計(jì)產(chǎn)，并采用公式（1）和公式（2）計(jì)算水稻產(chǎn)量變異系數(shù)（，%）和可持續(xù)性指數(shù)（）：

1.3.2 CH的采集與分析

使用密閉靜態(tài)箱法收集水稻生長(zhǎng)期內(nèi)的CH氣體樣品，采樣箱底面積為0.25 m（0.5 m×0.5 m），箱體高度隨作物高度而增加，外部包有泡沫板和鋁箔紙以防止箱內(nèi)溫度變化過大。每個(gè)田塊固定采樣底座3個(gè)，底座上部有5 cm 深的凹槽，采樣時(shí)加水密封，采樣箱內(nèi)頂部裝12 V 電池，內(nèi)接小風(fēng)扇用于混勻箱內(nèi)氣體，每隔10 min 采一次樣，共采4 次，將抽出的50 mL 氣體混勻后注入到頂空瓶中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，記錄采樣期間靜態(tài)箱內(nèi)溫度。CH樣品每周采集一次，采集時(shí)間為8：00—10：00。CH氣體濃度由氣相色譜儀（Agilent 7890A，安捷倫科技有限公司，美國）測(cè)定，CH氣體檢測(cè)器為火焰離子化檢測(cè)器（FID），檢測(cè)溫度300 ℃，柱溫55 ℃，載氣為99.999%高純氮?dú)?，流?0 mL·min。

CH排放通量計(jì)算公式：

式中：表示CH氣體排放通量，mg·m·h；表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度，kg·m；表示采樣箱的凈高度，m；表示單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體濃度變化率；為采樣過程中箱內(nèi)的平均溫度，℃。

CH排放總量計(jì)算公式：

式中：表示CH排放總量，kg·hm；F為兩次相鄰采樣日CH排放通量的平均值，mg·m·h；D為兩次采樣間隔時(shí)間，d。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS Statistics 25 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較（LSD，＜0.05 表示處理間差異顯著），使用Origin 2018制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下CH4排放通量

由圖1 可知，不同處理下水稻生長(zhǎng)期CH排放通量變化趨勢(shì)大致相同，CH排放的高峰分別出現(xiàn)于水稻分蘗期和成熟期，且第一個(gè)高峰期的排放通量明顯高于第二個(gè)高峰期，表明本研究中分蘗期的CH排放對(duì)稻田整體排放量貢獻(xiàn)較大。在水稻分蘗末期，各處理CH排放通量均出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。CK 和CF 處理CH排放通量的變化基本一致。在水稻分蘗期，MF 處理CH排放通量峰值（2016—2020 年分別為78.3、79.9、72.5、70.8、60.3 mg·m·h）和持續(xù)時(shí)間等均高于CK、CF 處理。與MF 處理相比，MFW 處理下2016、2017 年和2019 年第一個(gè)CH排放高峰期提前衰減，2018年和2020年的衰減速率增加。

圖1 不同處理水稻生長(zhǎng)期CH4的排放通量Figure 1 CH4 flux under different treatments during rice growing season

2.2 不同處理下各時(shí)期CH4排放量及累積排放總量

CF 和CK 處理間各年CH累積排放總量無顯著差異（圖2）。MF 處理CH累積排放總量的范圍為542～658 kg·hm·a，年排放量較CK 和CF 處理分別增加了156%～231%和133%～196%，表明與傳統(tǒng)單施化肥相比，翻壓紫云英顯著增加了稻田CH的排放。MFW 處理CH累積排放總量的范圍為455～531 kg·hm·a，年排放量與MF 處理相比顯著下降了16.2%～28.5%（＜0.05），表明優(yōu)化后的水分管理措施能有效減少翻壓紫云英后稻田的CH排放，但其累積排放總量仍然偏高。

圖2 不同處理各時(shí)期CH4排放量及累積排放總量Figure 2 CH4 emissions in different periods and total cumulative emissions under different treatments

在不同時(shí)期的排放量方面，與CF 處理相比，MF處理導(dǎo)致烤田前CH排放量增加148.7～250.9 kg·hm，烤 田期增 加41.7～69.5 kg·hm，烤田 后增 加50.5～129.1 kg·hm，分別占累積排放總量增幅的43.3%～73.1%、12.1%～19.1%和14.7%～37.6%，說明翻壓紫云英導(dǎo)致CH排放增加的主要階段為烤田前期，也表明該時(shí)期具有一定的減排潛力。MFW 處理的烤田期多出5 d，但與MF 處理相比，MFW 處理2016、2017、2020 年烤田期的CH排放量無顯著變化，而2018 年和2019 年僅分別增加了16.3 kg·hm和16.5 kg·hm，說明盡管優(yōu)化水分管理后烤田期時(shí)間延長(zhǎng)，但是這一時(shí)期的CH排放量并沒有大幅增加；MFW處理增加的烤田時(shí)間被前置到烤田前，致使原本的烤田前期縮短了5 d，烤田前期的CH排放量相較于MF 處理減少了73.6～102.7 kg·hm；烤田后期CH排放量較MF處理減少了32.8～89.9 kg·hm；烤田前和烤田后兩個(gè)時(shí)期的CH排放減少量分別占累積排放總量降幅的56.8%～81.0%和34.2%～49.9%，說明優(yōu)化排水烤田措施主要在這兩個(gè)時(shí)期減少了紫云英翻壓稻田的CH排放，其中烤田前的貢獻(xiàn)更大。

2.3 不同處理下水稻產(chǎn)量及其穩(wěn)定性和可持續(xù)性

由表2 可知，CF 處理5 a 的水稻產(chǎn)量均顯著高于CK 處理（＜0.05）。相較于CF 處理，2016、2017 年MF處理水稻產(chǎn)量未出現(xiàn)顯著變化，而2018、2019、2020年則分別顯著增加了6.85%、10.25%和9.79%（＜0.05），說明持續(xù)翻壓紫云英對(duì)水稻有一定的增產(chǎn)效果。所有年份中MFW 和MF 兩個(gè)處理的水稻產(chǎn)量均未呈現(xiàn)顯著差異，表明在同樣翻壓等量紫云英下，與傳統(tǒng)排水烤田相比，優(yōu)化后的水分管理措施并未影響水稻產(chǎn)量。

表2 不同處理水稻產(chǎn)量（kg·hm-2）Table 2 Rice yields under different treatments（kg·hm-2）

為研究不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的影響，本研究統(tǒng)計(jì)后計(jì)算得出各處理的產(chǎn)量及（表3）。4 個(gè)處理中CK 的值最高、值最低，說明不施肥處理的水稻產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性差。MF 處理的值明顯低于CF 處理，而值高于CF處理，說明與傳統(tǒng)單施化肥相比，翻壓紫云英不僅能夠增產(chǎn)，還具有穩(wěn)產(chǎn)的效果。與MF 處理相比，MFW處理的值稍有增加，值略有減少，但是仍明顯優(yōu)于CF處理。

表3 不同處理水稻產(chǎn)量變異系數(shù)和可持續(xù)性指數(shù)Table 3 CV and SYI values of rice yield under different treatments

3 討論

3.1 紫云英還田對(duì)CH4排放的影響及潛在機(jī)制

本研究的稻田CH排放通量變化規(guī)律與前人研究結(jié)果相似。稻田CH排放是由CH產(chǎn)生、氧化消耗和傳輸釋放3 個(gè)過程共同作用的結(jié)果，而傳輸釋放的途徑可分為土壤直接排放和植株通氣組織排放，其中通過植株釋放的CH不容忽視。本研究中第一個(gè)CH排放峰值出現(xiàn)在分蘗期末期，可能是因?yàn)樗疽圃院蟮难退胧楫a(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造了良好的厭氧環(huán)境，而水稻分蘗期通氣組織發(fā)育完全、通氣性強(qiáng)，促進(jìn)了CH的排放。第二個(gè)排放通量峰值出現(xiàn)在成熟期前，可能是因?yàn)樗局仓甑母蹈澄镔|(zhì)為土壤中產(chǎn)甲烷菌提供了大量的產(chǎn)甲烷基質(zhì)。

本研究5 a 的田間試驗(yàn)顯示，在水稻的實(shí)際種植過程中翻壓紫云英有增加稻田CH排放的風(fēng)險(xiǎn)，這一結(jié)論與其他研究結(jié)果一致。如KIM 等的研究表明紫云英還田配施化肥處理相較于傳統(tǒng)施化肥處理會(huì)增加63%的稻田CH排放量。ZHOU 等通過盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫云英還田處理水稻生長(zhǎng)期CH排放量為單施化肥處理的2.7倍。

本研究中，紫云英還田增加CH排放的潛在機(jī)制可能是該措施影響了土壤產(chǎn)甲烷菌及其生長(zhǎng)環(huán)境。有研究指出紫云英翻壓增加了外源有機(jī)碳的輸入，并且在其未被徹底分解的條件下，其會(huì)為產(chǎn)甲烷菌提供豐富的產(chǎn)甲烷基質(zhì)，從而使得稻田CH排放量增加。MA 等發(fā)現(xiàn)紫云英還田增加了產(chǎn)甲烷菌相對(duì)數(shù)量，影響根際微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)了稻田CH排放。另外，紫云英還田增加了稻田有效態(tài)碳源和氮源，提高了微生物活性，進(jìn)而加速土壤氧的消耗并降低土壤氧化還原電位，為CH的產(chǎn)生創(chuàng)造了適宜的環(huán)境條件。

在CH排放的年際差別方面，連年施用生物質(zhì)可能會(huì)提高土壤有機(jī)碳含量，從而增加土壤本底的CH排放。如CHEN 等通過連續(xù)3 a 的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，稻草還田處理下稻田的CH排放量處于逐年遞增狀態(tài)。而本研究中連續(xù)5 a翻壓紫云英處理并未出現(xiàn)上述情況，可能是因?yàn)榻斩掃€田對(duì)土壤有機(jī)碳的累積效果優(yōu)于翻壓紫云英。吳紅玉等的研究指出，相比單施紫云英，紫云英配施秸稈處理對(duì)稻田土壤活性有機(jī)碳和有機(jī)碳的增幅更加明顯。然而另外一項(xiàng)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)（7 a）的研究表明，紫云英配施化肥處理能夠顯著增加土壤溶解性有機(jī)碳含量，因此對(duì)于持續(xù)翻壓紫云英是否會(huì)通過積累土壤有機(jī)碳進(jìn)而增加CH年累積排放量，還需要繼續(xù)開展相關(guān)試驗(yàn)予以觀測(cè)。

3.2 水分管理對(duì)稻田CH4排放的影響及潛在機(jī)制

中期排水烤田為傳統(tǒng)的稻田農(nóng)藝措施，有研究表明，與持續(xù)淹水相比，中期排水烤田能減少稻田CH排放。如LIU 等通過Meta 分析研究了季中排水對(duì)CH排放的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中期排水減少了52%的CH排放。本研究中各處理組的CH排放在分蘗后期出現(xiàn)明顯的衰減趨勢(shì)，這應(yīng)該是受中期排水烤田的影響。其內(nèi)在機(jī)制可能為：一方面排水烤田增強(qiáng)了稻田土壤通透性，提高了土壤氧化還原電位，破壞土壤極端還原狀況，影響了產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量或活性，進(jìn)而抑制CH的形成。如有研究通過分析相關(guān)功能基因發(fā)現(xiàn)烤田抑制了產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)。另一方面，O進(jìn)入土壤，使CH氧化的潛力增強(qiáng)。如吳訥等研究發(fā)現(xiàn)相比全生育期淹水，干濕交替處理能夠改變甲烷氧化菌的群落結(jié)構(gòu)，增加CH消耗能力。

傳統(tǒng)中期排水烤田多在分蘗末期開展，而此時(shí)稻田CH排放已達(dá)到一定的強(qiáng)度，為進(jìn)一步削減其排放量，本研究嘗試適當(dāng)提前并增加烤田時(shí)間。從CH排放特征和排放總量的結(jié)果分析可知，在傳統(tǒng)中期排水烤田的基礎(chǔ)上適當(dāng)提前并增加烤田時(shí)間能夠有效降低CH排放。需要指出的是，本研究在烤田階段的CH采樣頻次偏低，一定程度上降低了CH總排放量評(píng)估的精確性，后續(xù)研究應(yīng)加以改善。種植紫云英等綠肥可以改善稻田氮循環(huán)，降低氮素流失引發(fā)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，而本研究中翻壓紫云英增加了CH排放（MF處理對(duì)比CF處理），盡管通過優(yōu)化水分管理時(shí)機(jī)減少了部分CH排放（MFW 處理對(duì)比MF 處理），但是CH排放量仍然較高。因此為了充分發(fā)揮紫云英的綠色生態(tài)效應(yīng)，應(yīng)綜合采用其他措施，如篩選CH排放低的水稻品種、通過養(yǎng)分管理減少產(chǎn)甲烷菌的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)、改善土壤性狀（如Eh、pH、土壤質(zhì)地、溫度、濕度等）及采用合適的栽培耕作制度（如少耕或免耕、適當(dāng)降低栽插密度、冬季排水種植旱作作物等）。

自CAI 等首次指出稻田CH和NO 的排放存在消長(zhǎng)關(guān)系（trade-off，即兩者呈負(fù)相關(guān)）后，陸續(xù)有研究證明了這一觀點(diǎn)。王永明等發(fā)現(xiàn)間隙灌溉在降低CH排放的同時(shí)提高了NO 的排放量。本研究的水分管理措施在減少CH排放的同時(shí)，可能會(huì)通過影響硝化-反硝化作用增加NO排放。多項(xiàng)研究指出盡管中期烤田增加了NO 排放，但是與持續(xù)淹水相比，中期烤田對(duì)稻田CH的減排效應(yīng)遠(yuǎn)大于對(duì)NO 排放的促進(jìn)效應(yīng)，因此能夠有效降低稻田溫室氣體的全球增溫潛勢(shì)（GWP）。

3.3 紫云英翻壓和水分管理對(duì)產(chǎn)量的影響

紫云英還田是一種為作物提供養(yǎng)分、保障糧食產(chǎn)量的傳統(tǒng)農(nóng)藝措施。張成蘭等通過10 a 的田間試驗(yàn)研究了減量化肥配施紫云英對(duì)水稻產(chǎn)量的影響，結(jié)果指出紫云英還田能明顯提高水稻產(chǎn)量、肥料貢獻(xiàn)率和產(chǎn)量穩(wěn)定性等。CHEN 等研究發(fā)現(xiàn)紫云英還田能顯著增加早稻和晚稻產(chǎn)量。本試驗(yàn)中紫云英還田的前兩年（2016、2017 年），其水稻產(chǎn)量較CF 處理無差異，從研究的第3 年開始翻壓紫云英才表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)效果，這與唐杉等的研究結(jié)果基本一致。紫云英對(duì)水稻的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)效應(yīng)，與其具有增加土壤肥力、改善土壤理化性質(zhì)、減少稻田養(yǎng)分損失、改善與養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的微生物及酶活性等特點(diǎn)有關(guān)。

選擇合適的排水烤田時(shí)機(jī)，除了要考慮CH排放規(guī)律，還應(yīng)考慮水稻對(duì)水分的敏感度。如TOWPRAYOON 等在水稻抽穗期進(jìn)行一次排水烤田，盡管CH排放量減少27%，但是水稻減產(chǎn)6.9%。本研究中，相較于傳統(tǒng)排水烤田的MF 處理，優(yōu)化后的水分管理措施在不影響產(chǎn)量的基礎(chǔ)上減少了16.2%～28.5%的CH排放量，為提高綠肥紫云英的環(huán)境效益提供了一種有效的方法。在其他地區(qū)選擇合適的水分管理措施時(shí)，還需綜合考慮CH排放規(guī)律、土壤濕度和氣候等因素。

4 結(jié)論

（1）與常規(guī)單施化肥相比，持續(xù)翻壓紫云英并配施減量氮肥可增加水稻產(chǎn)量，并可提高產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

（2）連續(xù)5 a 的田間定位試驗(yàn)結(jié)果表明紫云英翻壓還田顯著增加了稻田CH排放量。

（3）在當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)排水烤田基礎(chǔ)上優(yōu)化水分管理可以在不影響水稻產(chǎn)量的前提下，有效減少CH排放。