秸秆还田对热带土壤-水稻种植系统N<sub>2</sub>O排放的影响

氧化亚氮(N2O)是全球第三大温室气体，虽然在大气中的含量低，但N2O在100 a期间的全球增温潜势(GWP)是二氧化碳(CO2)的298倍[1]。N2O还会与平流层中的臭氧发生反应，导致臭氧层的破坏[2]。1750-2018年的大气中N2O浓度已经由270～331 ppb，据估计到2050年将增加到350～400 ppb[3-4]。因此，大气中N2O的浓度将成为未来的气候变化和平流层中臭氧分配的重要影响因素。

水稻是全球50%人口的粮食作物，全世界水稻种植面积超过1.35×109 hm2。其中约有88%是淹水稻田[5]。我国水稻种植面积约2.9×108 hm2，约占全国耕地总面积的27%[6]。资料显示，农业土壤每年因施用化学氮肥产生的N2O-N高达150×104 t，约占人类活动排放N2O-N量的44%[3]。而我国稻田N2O排放量占农田总排放量的11.4%，是重要的N2O排放源[7]。

我国秸秆资源丰富，每年秸秆产量约为1×109 t，约占世界秸秆产量的25%[8]。为避免秸秆焚烧引起短期内污染物大量释放以及生态气候变化，我国政府立法禁止焚烧秸秆，并积极推广秸秆还田技术，以减缓农业生产对气候变化的影响[9]。秸秆还田可以增加土壤养分含量，提高土壤微生物活性，改善土壤肥力和质量，对农田生态有重要影响[10]。研究表明，使用强还原灭菌法向农田施用大量有机物并淹水，可在短期内杀灭土传病原菌，消除连作障碍[11]。海南稻菜轮作体系中，稻季秸秆还田并淹水的措施，相当于为土壤创造了一种强还原条件，既可充分利用高温雨季，又可减轻蔬菜连作引起的病虫害，增加产量[12]。

添加秸秆对稻田土壤N2O排放的影响目前并无统一结论。萨满[13]的淹水试验结果表明，添加秸秆极显著的增加了N2O的排放通量(P<0.01)。王海候等[14]的稻麦两熟农田试验表明，多年的秸秆还田增加了稻季N2O排放。孙小静等[15]也认为水稻田是N2O的汇。王小淇、吴洁等[16-17]则认为，添加水稻秸秆对土壤N2O排放并无显著影响。而在冯珺珩等[18]的研究中，相比不还田处理，秸秆还田处理第1年提高了38.5%～45.5%的土壤N2O排放量，而第2年提高程度则为13.1%～29.5%。因此，长期来看秸秆还田可能对土壤N2O排放量有正面效应。蒋静艳等[19]认为，在连续淹水条件下，N2O排放与秸秆施用量成反比。Zou等[20]在3 a稻麦轮作体系下的试验结果也得出秸秆还田可减少19%的N2O排放的结论。

本研究采集连续4 a不同的施肥措施条件下土壤，采用盆栽试验方法，研究热带土壤-水稻种植系统N2O排放动态变化，为热带农业可持续发展和农田温室气体减排提供科学数据和理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验点概况

本研究于2019年8-11月在海南省海口市中国热带农业科学院环境与植物保护研究所(110°19′E，19°59′N)温室内进行，除遮雨外，维持温度和湿度与室外一致。试验所在地地处低纬度热带北缘，属于热带季风气候。年平均相对湿度85%；年平均气温23.8 ℃；年平均日照时数2 225.2 h；年平均降水量为1 639 mm，5-10月为雨季，11月-次年4月为旱季。

1.2 供试材料

供试土壤采集自已经连续进行4 a不同管理措施的田间小区，耕作层(0～20 cm)，鲜土风干后过筛以去除肉眼可见的植株残体和石子，基本理化性质见表1。所用水稻秸秆有机碳含量为404 g/kg；含氮量为6.30 g/kg，C/N值为64.1。供试水稻品种为博Ⅱ优15。

1.3 试验设计

试验共设计4个处理：不施氮(CK)，常规施氮(CT)，单施秸秆(ST)，常规施氮+秸秆(CTST)。其中ST与CTST处理都使用经过4 a常规施氮+秸秆处理的基础土壤。8月2日施入基肥，8月23日施分蘖肥，10月5日施穗肥。其中，CTST处理根据秸秆氮素含量对氮肥进行减量施用。所用化肥为尿素(46% N)、过磷酸钙(12% P2O5)和氯化钾(60% K2O)。具体施肥方案与秸秆用量见表2。

水稻移栽前，在PVC材质的盆栽桶(内径25 cm；高50 cm)底部铺15 cm厚度的细沙，然后填充10 kg过筛后的盆栽土。其中，秸秆还田处理的盆栽土与剪为10 cm左右小段的水稻秸秆混匀后装入盆栽桶。施基肥并淹水24 h后进行水稻移栽。整个稻季除晒田期与收获前7 d外均维持田面水高度在5 cm左右。

1.4 样品采集与测定

气体采集与测定。每次施肥后，利用静态箱法采集温室气体样本，记录实时温度和大气压。采样频率视气体浓度变化情况而定，采样时间为每天9：00-10：00。采样箱为透明亚克力材质，由圆柱形底座与顶箱两部分组成，高度均为40 cm；直径均为25 cm，底座顶部带有密封水槽，顶箱内部顶端带有小风扇，侧壁安有采样管。采样箱可以稳定放置于同样带有密封水槽的盆栽桶上。采样时用30 mL注射器抽取箱内气体，转移到12 mL顶空瓶内，每桶盆栽抽取4次，记录每次取样间隔时长。采集到的气体样品在气相色谱仪(Agilent 7890A，USA，检测器为ECD)上测定N2O浓度，计算排放通量。

水样采集与测定。施肥后每2 d进行一次田面水取样，每次取样15 mL，取样同时用便携式pH计(Mettler Toledo F2-Field，USA)直接在盆栽桶内测定田面水pH值与温度。样品在24 h内进行测定，用靛酚蓝比色法(鲁如坤《土壤农业化学分析方法》，下同)测定

含量；用双波长比色法测定

含量。

1.5 数据分析与计算

式中：F为以N计的N2O排放通量(mg/(m2·h))；ρ为N2O标准状态下的密度(1.964 kg/m3)；H为取样箱高度

为单位时间静态箱内的N2O气体浓度变化率；P为采样箱内气压；P0为标准大气压；273 为气态方程常数；T为采样箱内的温度(℃)。

式中：M代表土壤以N计的N2O累积排放量(g/m2)；F代表土壤N2O排放通量(mg/(m2·h))；i代表采样次数；t代表采样日期(d)。

采用Excel 2019对数据进行预处理，用SPSS 21.0进行单因素方差分析和数据间的相关性分析，用Origin 2019b进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理N2O排放通量

由图1所示，在整个水稻生长季，CK、CT、ST和CTST处理的N2O排放通量变化幅度分别为-0.23～1.18 mg/(m2·h)，0.02～6.64 mg/(m2·h)，-0.03～1.33 mg/(m2·h)，0.01～3.18 mg/(m2·h)。各处理N2O排放集中在基肥和分蘖肥期，CK处理整个稻季都维持着较低的排放通量；ST处理仅在初期出现较小的排放峰值；CT处理N2O排放通量在基肥和分蘖肥施用后1 d都出现明显峰值，接着迅速下降后又缓慢升高；CTST处理N2O排放通量在基肥施用一段时间后持续增加，在分蘖肥施用后稍有升高然后迅速下降。CT与CTST处理N2O排放通量在晒田期间(9月25日-10月1日)都出现明显升高。复水后的N2O排放通量降至较低水平。穗肥施用后，各处理N2O排放没有明显的增加，并在穗肥期一直维持较低水平。

2.2 不同时期各处理N2O累积排放量的变化

不同时期各处理N2O累积排放量如表3所示，CK、ST和CTST处理N2O排放集中在基肥期，分别占全生育期的79.61%，74.48%，56.34%；CT处理则集中在分蘖肥期，占全生育期的66.11%。CTST处理N2O累积排放量在基肥期与CT处理无显著差异(P>0.05)，在分蘖肥期和穗肥期显著低于CT处理(P<0.05)。施用氮肥处理全生育期N2O累积排放量显著高于不施氮肥处理(P<0.05)；CTST处理N2O累积排放量比CT处理显著降低了49.11%(P<0.05)；不施氮处理之间N2O累积排放量差异不显著(P>0.05)。

2.3 田面水

含量和pH值

如表4所示，整体来看，CK和ST处理的

含量始终处于较低水平，施用氮肥增加了田面水

含量。分蘖肥期，CTST处理平均

含量降低，但CT处理出现大幅度增加，2个处理差异显著(P<0.05)。穗肥期，CT处理

含量降至较低水平，各处理显著低于CTST处理(P<0.05)。

CK处理

含量在整个水稻季同样维持在较低水平。基肥期，CT、ST和CTST处理平均

含量均显著高于CK处理(P<0.05)；分蘖肥期，ST与CTST处理

含量迅速下降，CT处理也呈下降趋势，但在分蘖肥期和穗肥期仍显著高于CK、ST和CTST处理(P<0.05)。

ST与CTST处理pH值呈先上升后下降的趋势，二者差异不显著(P>0.05)；CK与CT处理pH值持续升高，其中CT处理升高幅度小，在穗肥期显著低于CK、ST和CTST处理(P<0.05)。

3 讨论与结论

施氮与秸秆还田对稻田N2O排放和田面水性质有显著影响，差异主要集中在基肥期和分蘖肥期，尤其是施氮处理与不施氮处理之间，这是由土壤理化、微生物性质和管理措施等复杂因素造成的。一般认为，微生物控制的硝化与反硝化作用是N2O产生的主要过程，这2个过程对于全球N2O排放的贡献高达70%[21]。

基肥施用后第7天，各处理N2O排放通量大都维持在低水平，这可能是因为盆栽所用土壤为风干土，与硝化和反硝化作用相关的微生物数量少、活性低，同时淹水后微生物群落恢复过程中氮的固持速度高于矿化速度，所以出现低N2O排放的现象。随着尿素水解，施氮处理

与

含量逐渐升高，这为之后的N2O排放增加奠定了基础[22]。值得注意的是，CT处理在基肥施用后出现了1 d左右的超高排放峰值，这可能是土壤硝态氮含量高，复水同时加上外源氮肥的施入引起N2O快速排放造成的[23-24]。而CTST处理未出现这种现象的原因可能是土壤基础有机质含量高，微生物固氮作用更强，消耗了硝化与反硝化作用的底物，以及基础pH值更高，尿素水解产生的

更易以NH3的形式挥发到空气中[25]。因此，相比于秸秆不还田处理，长期秸秆还田可以减少低含水率土壤复水后的N2O排放。

基肥施用7 d后，盆栽土壤逐渐形成厌氧环境，硝化作用与反硝化作用同时发生，增加了土壤N2O的排放，所以各处理N2O排放通量迅速上升[18，26-27]。ST处理相比于CK处理，基础氮含量高，所以出现了稍高的N2O排放峰[23，28]。尿素水解引起田面水氮浓度升高，使CT与CTST处理N2O排放通量进一步增加，排放峰的时间跨度也远大于CK和ST处理。Chen等[29]认为，秸秆的C/N值为45～100时，秸秆还田对N2O排放会有一定的促进效应。本试验所用秸秆C/N值为64.1，所以CTST处理N2O排放通量上升速度快于CT处理。

除了水稻生长对土壤氮素的吸收外，随着淹水时间延长，土壤O2含量减少，氧化还原电位(Eh)降低,厌氧的N2O还原酶活性上升，催化从N2O到N2的进一步还原，N2O排放通量开始下降[16]。而秸秆还田处理秸秆分解加剧了O2消耗，又因为秸秆增加了微生物附着表面积，提高了nos Z基因丰度，所以ST和CTST处理N2O还原酶活性比CT处理提升更快，N2O还原时间更早[30]。Olk等[31]认为，秸秆分解产生的酚类化合物与氨和亚硝酸盐发生反应引起的非生物固氮，也是N2O排放减少的重要原因。以上因素在一定程度上可以解释为什么CTST处理尽管分蘖肥施氮量与CT处理相同，其N2O排放通量下降时间明显早于CT处理。而ST处理由于没有氮肥输入，反硝化作用的底物

迅速减少，N2O排放通量在达到1.33 mg/(m2·h)时就开始下降。

与田伟等[32]的结果相似，晒田期间，CT与CTST处理N2O排放通量显著提高。晒田降低了土壤水分含量，盆栽土壤由还原环境向氧化环境过渡，硝化与反硝化作用共同促进了N2O的排放[33-34]。

整体来看，施氮增加了N2O的累积排放量。与CT处理相比，CTST处理显著降低了N2O累积排放量(P<0.05)。说明长期秸秆还田可以有效降低稻季N2O排放量，这得益于秸秆的高C/N值，在提升土壤有机质含量的过程中，促进矿化氮的固持，减少硝化与反硝化作用的底物，同时在一定程度上促进了土壤反硝化作用的完全反应[3，35]。

施用化学氮肥是稻季N2O排放增加的主要原因。秸秆还田可以显著减少稻季N2O排放量(P<0.05)。多年常规施氮+秸秆的土壤停止氮肥输入后，其N2O累积排放量与多年不施氮土壤差异不显著(P>0.05)。秸秆还田可以在不减少土壤氮含量的情况下减少化学氮肥的用量，常规施氮+秸秆的方式仍有减少氮肥用量的空间。

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秸秆还田对热带土壤-水稻种植系统N2O排放的影响