• ISSN 1008-505X
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有机肥和缓控肥替代部分化肥降低双季稻田综合净温室效应

李桂花 周吉祥 张建峰 杨俊诚

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有机肥和缓控肥替代部分化肥降低双季稻田综合净温室效应

    作者简介: 李桂花Email:liguihua@caas.cn;
    通讯作者: 张建峰, E-mail:zhangjianfeng@caas.cn
  • 基金项目: 基本科研业务费专项所级统筹项目(1610132019039)。

Decreasing net global warming potential throughpartial substitution of urea with manure and slow-release fertilizerin a double-rice system

    Corresponding author: ZHANG Jian-feng, E-mail:zhangjianfeng@caas.cn ;
  • 摘要:   【目的】  秸秆还田是我国水稻生产的常规土壤培肥措施,在此背景下,我们进一步研究了用有机肥和包膜尿素替代部分尿素,以及施用硅肥和微量元素对土壤固碳效应和温室气体排放的影响及机理,为实现稻田“固碳减排”提供依据。  【方法】  江西高安县的双季稻田间定位试验始于2013年。在秸秆全部还田、早稻施N165kg/hm2和晚稻施N 195kg/hm2条件下,设置4个氮素处理: 100%尿素氮 (N0);用20%有机肥替代尿素 (N1);在N1基础上增加Si、Zn和S肥 (N2);在N2基础上按3∶8比例,以包膜尿素替代普通尿素 (N3)。收获期测定作物产量和地上部生物量,2016年测定了早稻和晚稻生育期温室气体 (CO2、N2O和CH4) 排放量。  【结果】  温室气体排放总量晚稻季显著高于早稻季,其中CH4排放量晚稻季是早稻季的4倍 (P < 0.05),生态系统呼吸晚稻季比早稻季高7.5%~9.3% (P > 0.05)。同一季节四个处理间生态系统呼吸没有显著差异;N2O排放量化肥处理 (N0) 最高,早稻季N0比N1、N2和N3处理分别高31.7%、27.2%和43.7%,晚稻季分别高20%、31.5%和40.6% (P < 0.05);与N0相比,有机替代处理显著增加了CH4的排放量,早稻季N1、N2、N3处理比N0分别增加了13.1%、13.9%和21.4%,晚稻季分别增加了19.4%、12.7%和13.7% (P < 0.05)。利用地上部生物量估计当季/年尺度土壤固碳量效应,晚稻季有机肥处理 (N1,N2和N3) 与N0相比增加显著 (P < 0.05);2016年早稻产量比往年增加30%,所以早稻季综合净温室效应是负值 (碳汇),而晚稻季是正值 (碳源),全年总计为碳源,表明稻田产生温室效应。有机肥和包膜尿素 (N3) 的使用与化肥相比显著降低了全年综合净温室效应。  【结论】  连续4年的田间试验结果表明,在秸秆还田基础上,用有机肥部分替代化肥可显著增加CH4排放,但又显著降低N2O排放且增加土壤固碳效应。综合考虑,有机肥投入会显著降低双季稻田综合净温室效应。使用包膜尿素替代部分尿素可有效降低施用有机肥产生的CH4排放,且通过提高产量进一步降低双季稻生产系统的综合净温室效应。而施用中、微量元素肥料对综合净温室效应没有显著正效应。由于晚稻的温室气体排放量显著高于早稻,因此,通过优化施肥技术提高早稻产量是降低双季稻年度排放的有效方式。
  • 表 2  当季作物尺度农田生态系统净碳收支平衡 (C kg/hm2)

    Table 2.  Net carbon budget of agro-ecosystem over one growth season

    水稻类型
    Rice type
    处理
    Treatment
    籽粒
    Grain
    秸秆
    Straw
    根茬
    Root
    根沉积
    Rhizodeposite
    凋落物
    Litter
    GPP肥料
    Fertilizer
    净碳收支
    NECB
    早稻
    Early rice
    N03449 ± 232 a3812 ± 256 a726 ± 48 a1198 ± 80 a399 ± 26 a16524 ± 644 a 09031 ± 477 a
    N13710 ± 103 a4100 ± 142 a781 ± 21 a1288 ± 36 a429 ± 12 a17772 ± 1446 a44710490 ± 985 a
    N23547 ± 216 a3920 ± 239 a746 ± 45 a1232 ± 75 a410 ± 26 a16991 ± 1601 a4479834 ± 585 a
    N33639 ± 319 a4022 ± 335 a766 ± 64 a1264 ± 98 a421 ± 36 a17434 ± 1887 a44710096 ± 868 a
    晚稻
    Late rice
    N02398 ± 133 a2650 ± 154 a504 ± 28 a757 ± 44 a277 ± 16 a11355 ± 646 a 03871 ± 173 b
    N12570 ± 297 a2840 ± 337 a541 ± 51 a811 ± 50 a297 ± 18 a12170 ± 1298 a4475037 ± 412 a
    N22520 ± 321 a2785 ± 397 a530 ± 43 a795 ± 59 a291 ± 21 a11932 ± 1450 a4474790 ± 436 a
    N32618 ± 195 a2893 ± 232 a551 ± 30 a826 ± 66 a303 ± 28 a12398 ± 950 a4475212 ± 359 a
    注(Note):数据为 2016 年平均值 ± SD Data in the table are mean ± SD in 2016; N0—100% 化肥氮 100% mineral N; N1—80% 化肥氮 + 20% 有机肥氮 80% mineral N + 20% organic N; N2—N1 + Si, S, Zn; N3—50% 化肥氮 + 30% 缓释氮 + 20% 有机氮 + Si, S, Zn 50% mineral N + 30% slow release N + 20% organic N + Si, S, Zn. 数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters after data indicate significant differences among fertilizer treatments (P < 0.05).
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    表 4  稻田土壤固碳效应、综合净温室效应和温室气体强度

    Table 4.  Soil organic C sequestration potential, net global warming potential and greenhouse gas intensity

    水稻类型
    Rice type
    处理
    Treatment
    土壤固碳效应
    δSOC
    (C kg/hm2)
    综合净
    GWPNet GWP
    (CO2 kg/hm2)
    全年净
    GWPWhole year GWP
    (CO2 kg/hm2)
    产量
    Yield
    (kg/hm2)
    温室气体排放强度
    GHGI
    (CO2-eq. kg/kg,grain)
    早稻 Early riceN01923 ± 107a–2708 ± 512 a9076 ± 610 a–0.40 ± 0.03b
    N12234 ± 187 a–4166 ± 208 b9763 ± 273 a–0.50 ± 0.01a
    N22094 ± 227 a–3586 ± 309 ab9334 ± 569 a–0.46 ± 0.03a
    N32150 ± 102 a–3811 ± 177 b9577 ± 840 a–0.47 ± 0.04a
    晚稻Late riceN0824 ± 81 b9036 ± 108 a6327 ± 226 a6311 ± 368 a1.25 ± 0.07 a
    N11072 ± 102 a9526 ± 285 a5360 ± 103 b6764 ± 803 a1.27 ± 0.16 a
    N21020 ± 90 a8845 ± 362 ab5258 ± 223 b6633 ± 947 a1.19 ± 0.15 a
    N31110 ± 73 a8301 ± 206 b4490 ± 306 c6889 ± 552 a1.07 ± 0.08 a
    注(Note):GWP—温室效应 Green warming potential; GHGI—温室气体排放强度 Greenhouse gas intensity; N0—100% 化肥氮 100% mineral N; N1—80% 化肥氮 + 20% 有机肥氮 80% mineral N + 20% organic N; N2—N1 + Si, S, Zn; N3—50% 化肥氮 + 30% 缓释氮 + 20% 有机氮 + Si, S, Zn 50% mineral N + 30% slow release N + 20% organic N + Si, S, Zn. 同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters after data indicate significant differences among fertilizer treatments (P < 0.05).
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    表 1  不同施肥处理早稻和晚稻季CO2、N2O和CH4气体排放量 (kg/hm2)

    Table 1.  Cumulative greenhouse gas emissions inearly and late rice season under different fertilizer treatments

    水稻类型Rice type处理TreatmentCO2N2OCH4
    早稻Early riceN014634 ± 2158 a4.02 ± 0.08 a70.04 ± 3.25 b
    N114516 ± 1275 a2.74 ± 0.20 b79.19 ± 3.23 a
    N214656 ± 2259 a2.93 ± 0.25 b79.78 ± 3.38 a
    N314962 ± 891 a2.26 ± 0.07 c85.43 ± 7.69 a
    晚稻Late riceN017748 ± 1224 a5.27 ± 0.45 a326.95 ± 10.88 b
    N117285 ± 2159 a4.11 ± 0.29 b394.75 ± 10.27 a
    N217576 ± 2245 a3.69 ± 0.53 b367.51 ± 15.05 a
    N317380 ± 1449 a3.03 ± 0.11 c366.11 ± 9.39 a
    注(Note):数据为 2016 年平均值 ± SD, N0—100% 化肥氮 100% mineral N; N1—80% 化肥氮 + 20% 有机肥氮 80% mineral N + 20% organic N; N2—N1 + Si, S, Zn; N3—50% 化肥氮 + 30% 缓释氮 + 20% 有机氮 + Si, S, Zn 50% mineral N + 30% slow release N + 20% organic N + Si, S, Zn. 同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05)。The data is 2016 average ± SD, Values followed by different letters after data indicate significant differences among treatments (P < 0.05).
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    表 3  农事操作和化学品投入所产生的碳排放量

    Table 3.  Amount of carbon emission from farmer practices and chemical inputs

    农事操作
    Farming practice
    燃油 (L/hm2)
    Diesel
    C排放量 (kg/hm2)
    C emission
    肥料
    Fertilizer
    施用量 (kg/hm2)
    Applying rate
    C排放量 (kg/hm2)
    C emission
    翻地Tillage14.7413.9尿素N Urea135/165/195234.8/287.1/339.2
    耙地Disk 6.15 5.8包膜肥CU50/62131/162
    秸秆粉碎
    Stover smashing
    16.3 15.3P2O59016
    K2O15022.5
    Si,Zn,S63.511
    注(Note):施用量中 135 表示早稻 N1、N2 施入的化肥氮, 165 表示早稻农民施氮量和晚稻 N1 和 N2 施氮量, 195 表示晚稻农民施氮量; 50/62 分别表示早稻和晚稻 N3 处理中要加入的包膜肥。135 means mineral N applied in early rice season under N1 and N2; 165 means mineral N applied in early rice season under N0, and in late rice season under N1 and N2; 195 means mineral N applied under N0 in late rice season; 50/62 means slow release N applied in early and late rice season, respectively.
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    [3] 李桂花郭俊娒姜慧敏张建峰 . 有机肥和秸秆炭分别替代部分尿素和秸秆降低黑土温室效应的效果. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18159
    [4] 王秀斌徐新朋孙静文梁国庆刘光荣周卫 . 氮肥运筹对机插双季稻产量、氮肥利用率及经济效益的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.15317
    [5] 李建政王道龙王立刚王迎春李虎 . 华北冬小麦/夏玉米农田水氮管理的温室效应评价. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.15252
    [6] 郭腾飞梁国庆周卫刘东海王秀斌孙静文李双来胡诚 . 施肥对稻田温室气体排放及土壤养分的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.14557
    [7] 王通明陈伟潘文杰姚娟韦克苏陈波刘川董博宗学凤王三根 . 有机肥和化肥对烟叶气体交换、叶绿素荧光特性及叶绿体超微结构的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2015.0228
    [8] 王斌万运帆郭晨李玉娥秦晓波任涛赵婧 . 控释尿素、稳定性尿素和配施菌剂尿素提高双季稻产量和氮素利用率的效应比较. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2015.0502
    [9] 鲁艳红廖育林聂军谢坚杨曾平周兴 . 5年定位试验条件下钾肥用量对双季稻产量和施钾效应的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2014.0310
    [10] 张红梅金海军丁小涛余纪柱郝婷 . 有机肥无机肥配施对温室黄瓜生长、 产量和品质的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2014.0128
    [11] 张蛟蛟李永夫姜培坤周国模刘娟 , . 施肥对板栗林土壤活性碳库和温室气体排放的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2013.0326
    [12] 肖辉程文娟王立艳潘洁高贤彪 . 不同有机肥对日光温室土壤剖面硝态氮含量动态变化的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2012.11226
    [13] 周博高佳佳周建斌 . 日光温室栽培下不同种类有机肥氮素矿化特性研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2011.1132
    [14] 林忠成李土明吴福观张洪程戴其根叶世超郭宏文 . 基蘖肥与穗肥氮比例对双季稻产量和碳氮比的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2011.0058
    [15] 宇万太姜子绍马强周桦 . 施用有机肥对土壤肥力的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2009.0511
    [16] 张凤华廖文华刘建玲* . 连续过量施磷和有机肥的产量效应及环境风险评价 . 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2009.0606
    [17] 李絮花杨守祥于振文余松烈 . 有机肥对小麦根系生长及根系衰老进程的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2005.0407
    [18] 余国泰秦遂初 . 有机肥缓解小麦铝毒效果的研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.1998.0109
    [19] 陈美慈闵航赵宇华吴伟祥 . 有机肥和无机肥对水稻土产甲烷的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.1998.0407
    [20] 章永松林咸永倪吾钟 . 有机肥对土壤磷吸附一解吸的直接影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.1996.0302
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  • 收稿日期:  2019-09-25

有机肥和缓控肥替代部分化肥降低双季稻田综合净温室效应

  • 基金项目: 基本科研业务费专项所级统筹项目(1610132019039)。
  • 摘要:   【目的】  秸秆还田是我国水稻生产的常规土壤培肥措施,在此背景下,我们进一步研究了用有机肥和包膜尿素替代部分尿素,以及施用硅肥和微量元素对土壤固碳效应和温室气体排放的影响及机理,为实现稻田“固碳减排”提供依据。  【方法】  江西高安县的双季稻田间定位试验始于2013年。在秸秆全部还田、早稻施N165kg/hm2和晚稻施N 195kg/hm2条件下,设置4个氮素处理: 100%尿素氮 (N0);用20%有机肥替代尿素 (N1);在N1基础上增加Si、Zn和S肥 (N2);在N2基础上按3∶8比例,以包膜尿素替代普通尿素 (N3)。收获期测定作物产量和地上部生物量,2016年测定了早稻和晚稻生育期温室气体 (CO2、N2O和CH4) 排放量。  【结果】  温室气体排放总量晚稻季显著高于早稻季,其中CH4排放量晚稻季是早稻季的4倍 (P < 0.05),生态系统呼吸晚稻季比早稻季高7.5%~9.3% (P > 0.05)。同一季节四个处理间生态系统呼吸没有显著差异;N2O排放量化肥处理 (N0) 最高,早稻季N0比N1、N2和N3处理分别高31.7%、27.2%和43.7%,晚稻季分别高20%、31.5%和40.6% (P < 0.05);与N0相比,有机替代处理显著增加了CH4的排放量,早稻季N1、N2、N3处理比N0分别增加了13.1%、13.9%和21.4%,晚稻季分别增加了19.4%、12.7%和13.7% (P < 0.05)。利用地上部生物量估计当季/年尺度土壤固碳量效应,晚稻季有机肥处理 (N1,N2和N3) 与N0相比增加显著 (P < 0.05);2016年早稻产量比往年增加30%,所以早稻季综合净温室效应是负值 (碳汇),而晚稻季是正值 (碳源),全年总计为碳源,表明稻田产生温室效应。有机肥和包膜尿素 (N3) 的使用与化肥相比显著降低了全年综合净温室效应。  【结论】  连续4年的田间试验结果表明,在秸秆还田基础上,用有机肥部分替代化肥可显著增加CH4排放,但又显著降低N2O排放且增加土壤固碳效应。综合考虑,有机肥投入会显著降低双季稻田综合净温室效应。使用包膜尿素替代部分尿素可有效降低施用有机肥产生的CH4排放,且通过提高产量进一步降低双季稻生产系统的综合净温室效应。而施用中、微量元素肥料对综合净温室效应没有显著正效应。由于晚稻的温室气体排放量显著高于早稻,因此,通过优化施肥技术提高早稻产量是降低双季稻年度排放的有效方式。

    English Abstract

    • 我国是世界第一大水稻生产国,水稻种植面积占全世界水稻总种植面积的19%,占全国耕地面积的23%。因此,采取合理施肥措施,实现水稻高产,同时降低温室气体排放,对资源高效利用和降低环境污染的可持续农业发展具有重要意义。

      大量数据表明,稻田生产过程由CH4与N2O排放造成的综合温室效应 (GlobalWarming Potential) 是小麦季的5.1倍、玉米季的2.4倍[1]。通过合理的水肥管理措施减少稻田温室气体排放对维护良好的生态环境具有重大意义。施用尿素会增加稻田N2O排放,但可能增加[2]也可能减少[3]CH4排放,这取决于土壤的基础酸碱性[4],尿素施入酸性土壤由于pH值下降会加速CH4的形成,而施入中性或碱性土壤后则会因为土壤pH值的升高而抑制CH4的形成[4]

      缓控肥和有机肥对温室气体的排放影响的研究结果不一。缓控肥主要通过控制氮素的释放可显著降低水田CH4和N2O的排放量[5],对CO2的排放没有影响[6]。丁维军等[7]研究认为施用缓释氮肥降低土壤CO2、CH4和N2O排放量分别为24.7%、3.0%和26.8%。另外,有机无机配施与单施化肥相比增加稻田CH4排放量[8-9],不影响[8]、增加[9-10]、降低[11]N2O排放量。相反,董玉红等[12]发现有机肥施用抑制CH4的排放,却增加CO2的排放量。

      农田生态系统固碳对减缓温室效应具有重要的作用。而稻田长期处于淹水状态,利于有机物料形成有机质固存在土壤中。微量元素Si、Zn和S增加水稻产量,利于有机质增加[13]。有关双季稻温室气体排放已有大量研究[14-15],但考虑农田土壤固碳的综合净温室效应很少[8, 16]。因此,我们选择有机替代、缓控肥替代以及微量元素添加等施肥方式,与农民常规化肥处理进行对比,综合考虑当季农田尺度的温室效应,为双季稻田“固碳减排”提供依据。

      • 试验位于江西省宜春市高安县渡埠农场 (28°15′26.0″、E 115°07′32.7″)。该地海拔高度为7 m,属于亚热带季风性湿润气候,年均降水量为1680 mm,主要分布在4~6月,年均气温17.2℃。土壤属红壤性水稻土,试验前耕层土壤性质为:pH 5.28、有机质23.62 g/kg、全氮1.69 g/kg、碱解氮184.31 mg/kg、速效钾178.33 mg/kg、速效磷44.54 mg/kg。

      • 试验于2013年3月―2016年11月进行,共种植8季水稻,其中4季早稻和4季晚稻。在施用全氮一致的前提下设置4个氮肥处理:1) 单施尿素 (N0);2) 用20%有机肥氮替换化肥氮 (N1,80%尿素 + 20%有机氮);3) 在N1处理基础上加Si、Zn和S微肥 (N2,80%尿素 + 20%有机氮 + Si + Zn + S);4) 在N2处理基础上,用30%缓控肥氮替代尿素 (N3:50%尿素 + 30%缓控氮 + 20%有机氮 + Si + Zn + S)。每个处理4次重复,随机区组排列,小区面积42 m2。所有处理施磷量 (90 kg/hm2,过磷酸钙) 和钾量 (150 kg/hm2,氯化钾) 相同,秸秆全部还田。N0处理氮肥用量为早稻165 kg/hm2 (基-蘖-穗肥比例60-40-0),晚稻195 kg/hm2 (基-蘖-穗肥比40-30-30);T2和T3加施S、Zn和S的量分别为30 kg/hm2、3.45 kg/hm2、30 kg/hm2。微量元素肥、缓控肥和有机肥全部作为基础,化肥按不同时期和比例进行分施。早稻为中嘉早17号,晚稻为五丰优T025。每年5月1日移栽早稻,7月23日收获;8月2日移栽晚稻,11月2日收获。

      • 移栽后人工除草两次,人工收获水稻。水稻收获后将秸秆粉碎,用人工回田。早稻移栽前和收获后进行翻地和耙地,耗油量用实测值计算。

      • 早稻和晚稻生长过程中,用静态暗箱 (长30 cm、宽30 cm、高100 cm + 25 cm) 原位采集温室气体 (N2O、CH4和CO2),用气相色谱法测定。基肥和追肥后第二天起,每天采集一次,连续一星期,之后每星期采集一次。采样时间上午8―11点,若下雨则顺延一天。每次5个间隔0、5、10、15、20 min,第一次采集时测定箱外气体和气温。通气量计算方法参照[16]文献。

      • 当季尺度土壤固碳效应 (δSOC) 用农田生态系统净碳收支 (NECB) 进行估算[17-18]

        NECB = NPP/0.58 – C呼吸 – C籽粒收获 – C甲烷 + C有机肥碳

        式中,净初级生产力 (NPP) 按水稻各部位碳含量累加,根茬碳按照水稻根冠比为0.1[19]计算根质量,碳含量为45%[20];根系沉积C按光合作用同化碳的15%计算[21];作物凋落物C按地上部和根系碳的5%计算[22];籽粒碳含量用产量的38%计算;秸秆碳含量用42%计算。有机肥C投入量是C 447 kg/hm2。NECB转化为水田土壤有机碳的表观平均转换速率按0.213计算[23]

      • 综合净温室效应用公式 (net GWP) = CH4 × 28 + N2O × 265 + (E1 + E2) × 44/12 – δSOC × 44/12[18]

        式中,E1和E2指农田管理操作和化肥农药带来的碳排放,碳排放系数参照柴油0.94[24],生产氮肥1.74[24]、生产P2O5肥0.2[24-25]、生产K2O肥0.15[24-25]。温室气体强度 (GHGI) 是综合净温室效应 (Net GWP) 与水稻产量的比值,表示每生产单位质量粮食对气候变化造成的影响。

      • 试验结果用SigmaPlot12.5进行方差分析,不同处理间采用LSD法进行差异显著性检验 (P < 0.05)。

      • 从CO2排放量看,早稻季和晚稻季四个处理间没有显著差异,晚稻季N0、N1、N2和N3处理分别比早稻季增加了9.3%、8.7%、9.1%和7.5%。从N2O排放量看,单施化肥处理显著高于其他氮素处理,在早稻季比N1、N2和N3处理分别高出31.7%、27.2%和43.7%,晚稻分别高出20%、31.5%和40.6% (P < 0.05);早稻季N3处理 (含缓控肥) 显著低于N2处理22.8% (P < 0.05)。晚稻季的N2O排放量高于早稻季。从CH4排放量看,晚稻季各处理高于早稻季4倍以上。与化肥处理 (N0) 相比,早稻季N1、N2、N3处理的CH4排放增加13.1%,13.9%和21.4% (P < 0.05),晚稻分别增加19.4%,12.7%和13.7% (P < 0.05)。

      • 以2016年地上部碳含量作为基础计算得到的总初级生产力 (GPP),各处理之间没有差异 (表2)。但是多年施用有机肥的三个处理与化肥 (N0) 相比,表现出籽粒和秸秆碳含量的增加趋势 (5%~11%,P > 0.05)。加上有机肥投入的碳,N1、N2和N3的净碳收支 (NECB) 在晚稻季中显著高于化肥处理 (N0) (P < 0.05)。同时,因为2016年早稻的产量和秸秆生物量显著高于晚稻 (表4),所以早稻净碳收支显著高于晚稻 (表2)。

        表 2  当季作物尺度农田生态系统净碳收支平衡 (C kg/hm2)

        Table 2.  Net carbon budget of agro-ecosystem over one growth season

        水稻类型
        Rice type
        处理
        Treatment
        籽粒
        Grain
        秸秆
        Straw
        根茬
        Root
        根沉积
        Rhizodeposite
        凋落物
        Litter
        GPP肥料
        Fertilizer
        净碳收支
        NECB
        早稻
        Early rice
        N03449 ± 232 a3812 ± 256 a726 ± 48 a1198 ± 80 a399 ± 26 a16524 ± 644 a 09031 ± 477 a
        N13710 ± 103 a4100 ± 142 a781 ± 21 a1288 ± 36 a429 ± 12 a17772 ± 1446 a44710490 ± 985 a
        N23547 ± 216 a3920 ± 239 a746 ± 45 a1232 ± 75 a410 ± 26 a16991 ± 1601 a4479834 ± 585 a
        N33639 ± 319 a4022 ± 335 a766 ± 64 a1264 ± 98 a421 ± 36 a17434 ± 1887 a44710096 ± 868 a
        晚稻
        Late rice
        N02398 ± 133 a2650 ± 154 a504 ± 28 a757 ± 44 a277 ± 16 a11355 ± 646 a 03871 ± 173 b
        N12570 ± 297 a2840 ± 337 a541 ± 51 a811 ± 50 a297 ± 18 a12170 ± 1298 a4475037 ± 412 a
        N22520 ± 321 a2785 ± 397 a530 ± 43 a795 ± 59 a291 ± 21 a11932 ± 1450 a4474790 ± 436 a
        N32618 ± 195 a2893 ± 232 a551 ± 30 a826 ± 66 a303 ± 28 a12398 ± 950 a4475212 ± 359 a
        注(Note):数据为 2016 年平均值 ± SD Data in the table are mean ± SD in 2016; N0—100% 化肥氮 100% mineral N; N1—80% 化肥氮 + 20% 有机肥氮 80% mineral N + 20% organic N; N2—N1 + Si, S, Zn; N3—50% 化肥氮 + 30% 缓释氮 + 20% 有机氮 + Si, S, Zn 50% mineral N + 30% slow release N + 20% organic N + Si, S, Zn. 数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters after data indicate significant differences among fertilizer treatments (P < 0.05).

        表 4  稻田土壤固碳效应、综合净温室效应和温室气体强度

        Table 4.  Soil organic C sequestration potential, net global warming potential and greenhouse gas intensity

        水稻类型
        Rice type
        处理
        Treatment
        土壤固碳效应
        δSOC
        (C kg/hm2)
        综合净
        GWPNet GWP
        (CO2 kg/hm2)
        全年净
        GWPWhole year GWP
        (CO2 kg/hm2)
        产量
        Yield
        (kg/hm2)
        温室气体排放强度
        GHGI
        (CO2-eq. kg/kg,grain)
        早稻 Early riceN01923 ± 107a–2708 ± 512 a9076 ± 610 a–0.40 ± 0.03b
        N12234 ± 187 a–4166 ± 208 b9763 ± 273 a–0.50 ± 0.01a
        N22094 ± 227 a–3586 ± 309 ab9334 ± 569 a–0.46 ± 0.03a
        N32150 ± 102 a–3811 ± 177 b9577 ± 840 a–0.47 ± 0.04a
        晚稻Late riceN0824 ± 81 b9036 ± 108 a6327 ± 226 a6311 ± 368 a1.25 ± 0.07 a
        N11072 ± 102 a9526 ± 285 a5360 ± 103 b6764 ± 803 a1.27 ± 0.16 a
        N21020 ± 90 a8845 ± 362 ab5258 ± 223 b6633 ± 947 a1.19 ± 0.15 a
        N31110 ± 73 a8301 ± 206 b4490 ± 306 c6889 ± 552 a1.07 ± 0.08 a
        注(Note):GWP—温室效应 Green warming potential; GHGI—温室气体排放强度 Greenhouse gas intensity; N0—100% 化肥氮 100% mineral N; N1—80% 化肥氮 + 20% 有机肥氮 80% mineral N + 20% organic N; N2—N1 + Si, S, Zn; N3—50% 化肥氮 + 30% 缓释氮 + 20% 有机氮 + Si, S, Zn 50% mineral N + 30% slow release N + 20% organic N + Si, S, Zn. 同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters after data indicate significant differences among fertilizer treatments (P < 0.05).
      • 综合考虑土壤固碳效应、农业操作、肥料投入所产生碳排放 (表3) 的综合净温室效应 (net GWP,表4),在早稻季表现为碳汇,在晚稻季表现为碳源,主要原因是晚稻季CH4释放量是早稻的4倍以上 (表1),而早稻产量显著高于晚稻产量 (表4)。综合全年结果看,净温室效应为碳源 (表4)。晚稻季N1、N2和N3处理间的土壤固碳效应与单施化肥比达到显著水平 (P < 0.05)。晚稻季有机肥和缓控肥处理的温室效应显著低于单施尿素,净温室效应为N3 < N2 = N1 < N0。温室气体排放强度 (GHGI) 早稻季低于晚稻季。肥料处理间,只有早稻的温室气体强度受肥料影响,主要表现为N0 < N1 = N2 = N3。

        表 1  不同施肥处理早稻和晚稻季CO2、N2O和CH4气体排放量 (kg/hm2)

        Table 1.  Cumulative greenhouse gas emissions inearly and late rice season under different fertilizer treatments

        水稻类型Rice type处理TreatmentCO2N2OCH4
        早稻Early riceN014634 ± 2158 a4.02 ± 0.08 a70.04 ± 3.25 b
        N114516 ± 1275 a2.74 ± 0.20 b79.19 ± 3.23 a
        N214656 ± 2259 a2.93 ± 0.25 b79.78 ± 3.38 a
        N314962 ± 891 a2.26 ± 0.07 c85.43 ± 7.69 a
        晚稻Late riceN017748 ± 1224 a5.27 ± 0.45 a326.95 ± 10.88 b
        N117285 ± 2159 a4.11 ± 0.29 b394.75 ± 10.27 a
        N217576 ± 2245 a3.69 ± 0.53 b367.51 ± 15.05 a
        N317380 ± 1449 a3.03 ± 0.11 c366.11 ± 9.39 a
        注(Note):数据为 2016 年平均值 ± SD, N0—100% 化肥氮 100% mineral N; N1—80% 化肥氮 + 20% 有机肥氮 80% mineral N + 20% organic N; N2—N1 + Si, S, Zn; N3—50% 化肥氮 + 30% 缓释氮 + 20% 有机氮 + Si, S, Zn 50% mineral N + 30% slow release N + 20% organic N + Si, S, Zn. 同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05)。The data is 2016 average ± SD, Values followed by different letters after data indicate significant differences among treatments (P < 0.05).

        表 3  农事操作和化学品投入所产生的碳排放量

        Table 3.  Amount of carbon emission from farmer practices and chemical inputs

        农事操作
        Farming practice
        燃油 (L/hm2)
        Diesel
        C排放量 (kg/hm2)
        C emission
        肥料
        Fertilizer
        施用量 (kg/hm2)
        Applying rate
        C排放量 (kg/hm2)
        C emission
        翻地Tillage14.7413.9尿素N Urea135/165/195234.8/287.1/339.2
        耙地Disk 6.15 5.8包膜肥CU50/62131/162
        秸秆粉碎
        Stover smashing
        16.3 15.3P2O59016
        K2O15022.5
        Si,Zn,S63.511
        注(Note):施用量中 135 表示早稻 N1、N2 施入的化肥氮, 165 表示早稻农民施氮量和晚稻 N1 和 N2 施氮量, 195 表示晚稻农民施氮量; 50/62 分别表示早稻和晚稻 N3 处理中要加入的包膜肥。135 means mineral N applied in early rice season under N1 and N2; 165 means mineral N applied in early rice season under N0, and in late rice season under N1 and N2; 195 means mineral N applied under N0 in late rice season; 50/62 means slow release N applied in early and late rice season, respectively.
      • 土壤有机质变化很慢,因此,利用地上部生物量来估计水稻碳输入,并通过气体碳输出间的平衡,估计当季/年尺度土壤固碳速率。从结果 (δSOC) 看,全部为正值,表明土壤有机质增加,其年增加速率为C2.7~3.2 t/hm2 (表4)。数值高于Pan等[26]依据80年代初第二次土壤普查数据估算的我国南方稻田固碳速率 (C0.13~2.20 t/hm2),也高于湖南双季稻不同施肥处理下的固碳速率 (C0.29~0.61 t/hm2[8]和C1.11~1.43 t/hm2[9])。主要原因是前者用第二次土壤普查数据,肥料投入量和产量远低于现在,后者施用碳氮比低的菜籽饼肥或绿肥,易于分解,所以生态系统呼吸远高于本研究。除了有机肥数量和种类外,稻田固碳效率还与初始有机碳含量存在线性负相关关系[27],湖南水稻土初始有机质含量为32.8 g/kg,远高于本文土壤23.6 g/kg,因此这也可能是后者呼吸增加的一个原因。然而,在有机质含量为34.9 g/kg湖南双季稻田长期秸秆还田条件下,土壤固碳速率为C1.8~2.6 t/hm2[26]。说明稻田土壤固碳不仅要考虑初始碳含量,还要考虑投入物料的数量和分解特性,以及水稻土中的氧化铁 (与固碳正相关) 和气候因子[27]

      • 一般而言,晚稻季温度更高利于有机质分解,再加上晚稻经历更长厌氧期,所以晚稻季温室气体排放高于早稻。在本试验地区,晚稻季平均温度25℃,早稻季平均温度18℃,晚稻所有温室气体排放远大于早稻,尤其是CH4 (表1)。刘英烈等[8, 28]对湖南浏阳和桃源双季稻的研究得到过相同的结果。但刘小雨等在湖南望城的结果是CO2排放量早、晚稻季相同,CH4排放量早稻显著高于晚稻,而N2O排放量早稻显著低于晚稻[29]。表明温室气体的排放受温度[8]、水份管理 (水层厚度或烤田)[8]、施肥量[29]、施肥类型 (尤其是有机物料)[28-29]以及施肥时间[8]等多个因素的影响。

        将土壤固碳考虑到温室气体效应后,我们的计算结果早稻季净温室效应为碳汇、晚稻季为碳源 (表4)。湖南双季稻长期免耕、秸秆还田条件下得到的结果也是如此[30]。而在湖北望城和江西进贤,两季温室效应没有差异[29]

        本试验中,两季温室气体排放强度值 (GHGI,表4) 与湖南长沙早稻 (CO2-eq 0.28 kg/kg,grain)、晚稻 (CO2-eq 0.22~0.93 kg/kg,grain) 接近[30],与湖北浏阳[8]的晚稻结果 (CO2-eq 1.09~1.34 kg/kg,grain) 相近。综合全年净温室效应是碳源 (表4),表明稻田会增加温室效应。但从数值大小看,江西净温室效应CO24.5~6.3 kg/hm2 (表4) 远低于商庆银[28]在湖南 (CO218.7~24.8 kg/hm2) 测定的结果,主要原因是湖南秸秆加绿肥处理投入的有机氮远高于化肥氮,结果CH4和CO2排放量是江西的1.5~2倍。总之,从长期平衡施肥、有机无机配施试验看,早稻的增产潜力是晚稻的2倍[24]。因此,在温度较低的早稻季增加产量,减少温室气体排放,有可能是降低温室气体排放强度 (GHGI) 的有效方法。

      • 同一季节不同施肥处理对CH4排放量的影响不论是早稻还是晚稻,有机无机配施处理 (N1,N2和N3) CH4排放量显著高于化肥单施N0处理 (表1)。这与江苏进贤[29]、湖北浏阳[8]、湖南桃源[28]长期定位试验得到的结果一致。说明有机肥投入一方面在淹水条件下通过有机质分解加速土壤氧化还原电位下降,促进甲烷菌的活性;另一方面为甲烷菌提供底物。相反,湖北望城[29]长期秸秆还田 (NPKS)、添加猪粪 (NPKM) 与NPK相比,CH4排放没有显著差异。说明除了有机肥投入数量和种类影响CH4排放量[29],长期有机肥投入后,有可能存在饱和点或平衡点,即使投入量再增不会导致CH4排放量增加[9]

        在秸秆还田和用20%有机肥替代尿素氮 (N1处理) 的基础上,再增加Si、Zn、S肥 (N2处理),没有显著影响水稻产量和温室气体排放量,这是因为秸秆和有机肥本身提供了大量的水稻必需的Si和微量元素,因此,N1和N2处理在测定的指标中均没有显著差异。用缓控肥替代尿素结合有机肥 (N3处理) 与N1处理相比,CH4排放量差异不显著。田伟等[31]研究发现不论是用缓控肥替代全部化肥,还是缓控肥、化肥和有机肥配施都不影响CH4的排放量[31],而李健陵等[5, 32]发现,不配施有机肥的前提下,用包膜尿素替代普通尿素可显著降低双季稻CH4排放。本质上化肥影响CH4排放主要是通过:1) NH4促进植物生长和根系分泌物的释放,从而增加CH4产生的前体;2) NH4和CH4共同竞争甲烷单加氧酶,减少CH4氧化,促进CH4排放;3) NH4促进甲烷氧化菌的生长,从而减少CH4排放[33]。缓控肥通过平稳释放NH4,从而达到减少排放的目的[5]。本试验处理为化肥和有机肥配施,在C、N同时存在的情况下,通过增加微生物固持,从而减少游离NH4和易分解碳底物,从而起到与缓控肥相似的作用,所以N1和N3两种处理间并没有表现出差异。

      • 同一季节不同施肥对生态系统呼吸的影响不论是早稻还是晚稻,不同施肥处理生态系统CO2排放量没有显著差异。这与湖南望城双季稻长期不同施肥试验结果相同[29],其研究发现长期秸秆还田 (NPKS) 和有机无机配施 (猪粪,NPKM) 与NPK处理相比,没有增加生态系统呼吸。主要原因是CO2通量与作物生长有关[12]。本试验的四种处理均在秸秆还田基础上进行,长期秸秆还田带入土壤中的碳素远高于有机肥,对土壤肥力的贡献也大于有机肥,因此,水稻产量和地上部生物量都没有差异,最终土壤‒作物的生态系统呼吸无显著差异。而在江西进贤和湖南桃源的试验,NPK对照基本没有添加外来碳,因此,其生态系统呼吸大大低于早稻季绿肥/晚稻季猪粪处理 (江西进贤) 和秸秆加绿肥双季稻轮作区 (湖南桃源)。湖南浏阳的短期施肥试验 (NPK + 菜籽饼肥) 结果也是如此[8]。刘晓雨[29]的分析还表明,在长期不同施肥下,微生物通过改变数量和结构来调整外源碳的利用方式和效率,也影响生态系统CO2排放量。总而言之,是否添加外源碳是系统呼吸强度变化的主要原因。

      • 同一季节不同施肥对N2O气体排放的影响不论是早稻季还是晚稻季,与化肥N0相比,以20%的猪粪氮替代尿素氮 (N1、N2、N3) 降低了N2O排放,而在此基础上将尿素氮的80%改为缓释肥进一步显著降低了N2O排放,即N3 < N1 = N2 < N0 (表2)。这与Yao等[34-35]在水稻-小麦系统中得到的结果一致。在江苏进贤早稻季NPKM (绿肥/猪粪) 处理N2O气体排放显著高于NPK处理,晚稻季没有差异,是因为绿肥中氮素的有效性高,其与NPK配施增加了氮素的释放。湖北浏阳 (菜籽饼肥)、湖南桃源 (秸秆和绿肥) 两季都是NPKM > NPK,也可以从其施用的有机肥中氮素的有效性得到解释[8-9]。而在湖北望城两季NPK、NPKS、NPKM三个处理的N2O的排放都没有差异,可能与三个处理中包含的无机氮量相等有关[8]

        在海南,降低化肥用量和采用部分包膜肥均显著降低了晚稻N2O排放量[31]。但并非所有的包膜肥都可以降低N2O排放量。如湖北荆州树脂包膜尿素没有显著减少N2O的排放量[32],硫包膜尿素也没有降低N2O排放[5]。这与包膜肥中氮素的释放量是否与作物吸收相匹配有关。综合来看,在不增加氮素总量的前提下,以有机肥替代部分化肥,或者采用氮素释放与作物吸收相匹配的缓释氮肥都可以有效降低N2O排放。

      • 同一季节不同施肥对净温室效应 (GWP) 和温室气体排放强度 (GHGI) 的影响有机肥施用增加了土壤碳输入,而包膜尿素的应用减少N2O排放,所以早、晚稻季净GWP都是N0 < N3,全年为N0 < N1 = N2 < N3 (表4)。但是,考虑水稻产量的温室气体排放强度 (GHGI) 在早稻季化肥处理最高,而晚稻季所有处理没有差异 (表4)。究其原因,是包膜肥显著提高了单位氮投入的产量。因此,长期有机肥投入需要增加水稻产量来抵消增加的温室气体排放,如果没有增产效应,则含有机肥的施肥措施就会导致GHGI的增加。

      • 在秸秆还田基础上,用有机肥替代部分化肥,再使用一定比例的包膜尿素可有效提高产量和土壤固碳效应,抵消有机肥投入增加的综合净温室效应,显著降低N2O排放。晚稻温室气体排放量显著高于早稻,因此,早稻比晚稻通过施肥降低温室效应的潜力更大。

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