Emissions of CH4 and N2O under different irrigation methods and nitrogen treatments
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摘要:目的研究不同灌溉模式和施氮处理稻田 CH4 和 N2O 的排放规律、综合增温潜势和综合排放强度，以期获得降低稻田 CH4 和 N2O 排放的灌溉模式和施氮管理。方法2015～2016 年在广西南宁市灌溉试验站进行晚稻和早稻大田试验，两次试验均设 3 种灌溉模式：常规灌溉 (CIR)、“薄浅湿晒 ”灌溉 (TIR) 和干湿交替灌溉 (DIR)。 2 种尿素-N 和猪粪-N 比例：100% 尿素-N (FM1)，50% 尿素-N + 50% 猪粪-N (FM2)。共设 CIR-FM1、TIR-FM1、DIR-FM1、CIR-FM2、TIR-FM2 和 DIR-FM2 6 个处理，用静态箱–气相色谱法测定了水稻生育期内稻田 CH4 和 N2O 排放通量，分析了早晚稻生育期内 CH4 和 N2O 累积排放量和综合增温潜势，并结合产量分析了 CH4 和 N2O 综合排放强度。结果DIR 下 FM2 处理早稻产量和两季总产量比 FM1 处理分别提高 18.8% 和 17.7%，FM2 下 TIR 和 DIR 模式早稻产量分别比 CIR 模式提高 20.9% 和 37.4% 以及 DIR 模式两季总产量比 CIR 模式提高 21.5%。不同处理早晚稻生育前期 CH4 排放通量较高，生育中后期 CH4 排放通量较低。水稻生育期内 TIR 和 DIR 模式 CH4 累积排放量低于 CIR 模式，FM1 处理 CH4 累积排放量低于 FM2 处理。不同处理早晚稻生育前期 N2O 的排放通量为负值或者较低，N2O 排放主要集中在晒田完成复水之后及成熟期稻田水分落干时，DIR 模式 N2O 累积排放量显著高于 CIR 模式，FM2 处理 N2O 累积排放量高于 FM1 处理。不同处理稻田 CH4 和 N2O 的排放彼此间存在消长关系。CH4 对综合增温潜势的贡献率达 99% 以上，而 N2O 的贡献率不足 1%。3 种灌溉模式下 FM1 处理 CH4 或 N2O 增温潜势、CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度均低于 FM2 处理，2 种施氮处理下 TIR 和 DIR 模式 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度低于 CIR 模式。结论与常规灌溉相比，“薄浅湿晒”灌溉水稻产量和 N2O 排放有所提高，但是降低 CH4 排放量及 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度；干湿交替灌溉增加水稻产量和 N2O 排放，但是降低 CH4 的排放量及 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度，因此，“薄浅湿晒”和干湿交替灌溉模式是有效降低稻田 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度的两种灌溉模式。在这两种灌溉方式下，与猪粪尿素配施相比，单施尿素显著降低 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度。
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关键词:
- “薄浅湿晒”灌溉 /
- 干湿交替灌溉 /
- 猪粪 /
- CH4 和 N2O 综合增温潜势 /
- 综合排放强度
Abstract:ObjectivesThe aim of this study was to investigate the emissions, global warming potential (GWP) and comprehensive emission intensity (CEI) of CH4 and N2O in paddy field under different irrigation methods and nitrogen treatments, so as to obtain irrigation method and nitrogen management for reducing CH4 and N2O emissions from paddy soil.MethodsIn 2015 and 2016, the field experiments of early rice and late rice were carried out in Nanning Irrigation Experimental Station. Two experiments had three irrigation methods, i.e. conventional irrigation (CIR), " thin-shallow-wet-dry” irrigation (TIR) and alternative drying and wetting irrigation (DIR), and two ratios of urea-N to pig manure-N, i.e. 100% urea-N (FM) and 50% urea-N and 50% pig manure-N (FM2). There were six treatments, i.e. CIR-FM1, TIR-FM1, DIR-FM1, CIR-FM2, TIR-FM2 and DIR-FM2. CH4 and N2O fluxes during the rice-growing seasons were collected using static closed chamber method and determined using a gas chromatography. Accumulative emission and GWP of CH4 and N2O were analyzed and CEI of CH4 and N2O was the ratio of GWP of CH4 and N2O to rice yield.ResultsCompared to the FM1 treatment, FM2 treatment increases the early rice yield and total yields of late rice and early rice by 18.8% and 17.7% under DIR, respectively. Compared to CIR method, TIR and DIR methods increase the yield of early rice by 20.9% and 37.4%, respectively, and DIR method increases total yield of late rice and early rice by 21.5% under FM2. The CH4 emission fluxes of late and early rice seasons in different treatments are high at the early growth stage and low at the late growth stage. During the rice-growing period, TIR and DIR methods have lower accumulative CH4 emission from paddy field than CIR method, and FM1 treatment has significantly lower accumulative CH4 emission from paddy field than FM2 treatment. The N2O emission flux is negative or low at the early growth stage, and the N2O emission from paddy field is mainly concentrated in the dramatic water change period, such as re-watering after field drying and drying at the ripening period. DIR method has significantly higher accumulative N2O emission from paddy field than CIR method, and FM1 treatment has lower accumulative N2O emission than FM2 treatment. There was an increase and decline relationship of CH4 and N2O emissions from paddy field in different treatments. The contribution of CH4 emission to the GWP of CH4 and N2O was more than 99% and the contribution of N2O emission was less than 1%. FM1 treatment decreases mole warming potential CH4 or N2O, GWP and CEI of CH4 and N2O if compared to FM2 treatment under three irrigation methods, and TIR and DIR methods reduced GWP and CEI of CH4 and N2O when compared to CIR method under two nitrogen treatments.ConclusionsCompared with CIR method, TIR method increases rice yield and N2O emission from paddy field slightly but reduces CH4 emission, GWP and CEI of CH4 and N2O from paddy field, and DIR method increases rice yield and N2O emission from paddy field but reduces CH4 emission, GWP and CEI of CH4 and N2O from paddy field. Thus TIR and DIR methods are two irrigation methods in reducing GWP and CEI of CH4 and N2O from paddy field effectively. Compared to combined application of pig manure and urea, single application of urea reduces GWP and CEI of CH4 and N2O from paddy field under the two irrigation methods. -
稻田 CH4 排放占全球每年总排放量的 17% 左右[1]，稻田排放的 N2O 约占中国农田氮肥直接排放 N2O 总量的 7.0%～11.0%[2]。因此，研究稻田 CH4 和 N2O 减排措施，对缓解当前全球变暖趋势起着重要作用。水稻传统灌溉方法是淹灌，耗水量大，自 20 世纪 80 年代以来，我国应用和推广了多种水稻节灌模式，如间歇灌溉、湿润灌溉、控制灌溉、“薄浅湿晒”灌溉、干湿交替灌溉等，均取得了良好的节水增产效果[3–5]。研究还发现，节灌模式具有较好的 CH4 和 N2O 减排效应[6–10]。与淹水灌溉相比，间歇性灌溉和湿润灌溉稻田 N2O 和 CH4 综合温室效应仅为淹水灌溉的 10%[11]，控制灌溉也显著降低 CH4 和 N2O 综合增温潜势[4]。“薄浅湿晒”和干湿交替灌溉模式是我国南方地区应用较广的稻田节灌模式[5, 12–15]。研究发现，“薄浅湿晒”模式比“间歇灌溉”模式节约灌溉水量 19% 左右，而灌溉水分生产率提高约 1 kg/m3[16]。干湿交替模式比淹水灌溉节约灌溉水量 40%～70%，且水稻产量并未减少[17]。但是目前对这两种灌溉模式稻田 N2O 和 CH4 排放的影响情况尚不清楚。目前，有机肥与化肥配施对 CH4 和 N2O 排放的研究没有完全一致的结论。有研究认为，施用禽粪肥比单施化肥增加了 CH4 和 N2O 增温潜势[18–21]。李波等[22]的研究显示，有机肥与化肥配施促进稻田 CH4 的排放，但对 N2O 的排放并没有显著影响，而赵峥等[23]的研究则显示，有机肥与化肥配施促进稻田 CH4 的排放，降低 N2O 的排放。另有研究显示，有机肥与化肥配施促进生育盛期稻田 CH4 的排放，导致生长季 CH4 排放总量显著高于单施化肥，而单施化肥处理促进生长季 N2O 净排放[24–25]。目前有关“薄浅湿晒”和干湿交替模式和有机肥与化肥配施相结合稻田 CH4 和 N2O 的排放规律、综合增温潜势和综合排放强度尚不清楚，有必要系统深入研究这方面内容。本文研究了不同灌溉模式和尿素 N-猪粪 N 比例下早稻和晚稻田 CH4 和 N2O 排放规律、综合增温潜势，并结合水稻产量分析了综合排放强度，以期获得降低稻田 CH4 和 N2O 排放的灌溉模式和施氮管理。
1. 材料与方法
1.1 试验地点和材料
2015～2016 年在广西南宁市灌溉试验站 (N22°52′58.33″，E108°17′38.86″) 连续进行晚稻和早稻大田试验。试验站气候属亚热带季风气候，试验期间降水量见图 1。试验土壤为第四纪红色黏土发育的潴育性水稻土，其土壤容重 1.2 g/cm3，饱和含水率 49.2%，pH 7.0，有机碳 17.3 g/kg，全氮 1.4 g/kg，碱解氮 111.7 mg/kg (1 mol/L NaOH 碱解扩散法)，速效磷 48.9 mg/kg (0.5 mol/L NaHCO3 浸提—钼蓝比色法)，速效钾 88.0 mg/kg (1 mol/L 中性 NH4OAC 浸提—火焰光度法)。供试作物为水稻 (Oryza sativa L.)，晚稻和早稻品种均为当地推广的内 5 优 8015，属籼型三系杂交水稻。试验灌溉用水 pH 为 7.6。
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图 1 2015～2016 试验期间降水量Figure 1. The precipitation during experimental period of 2015 to 20161.2 试验设计
试验设 3 种灌溉模式，“薄浅湿晒”灌溉 (TIR)、干湿交替灌溉 (DIR) 及常规灌溉 (CIR)，和 2 种尿素-N 和猪粪-N 比例，100% 尿素-N (FM1)、50% 尿素-N + 50%猪粪-N ( FM2 )，完全方案设计，共 6 个处理，每个处理设 3 个重复，共 18 个小区，随机区组排列。各小区面积为 25 m2，小区之间用 25～26 cm 厚红砖水泥墙隔离分开，以防小区之间水分相互侧渗，并在降雨多时独立排水。各小区均用水管引入固定水源，安装水表计量每次灌水量。常规灌溉除分蘖末期落水晒田外，分蘖期到乳熟期田间均保持 20～30 mm 水层，此外，移栽返青期保持浅水层 (10～20 mm) 和黄熟期自然落干。“薄浅湿晒”灌溉的水分控制标准见表 1。干湿交替灌溉的水分控制标准是水稻在移栽后 10 d 内田间保持浅水层，10 d 后进行干湿交替灌溉，即在小区内安装土壤水分张力计监测土壤水势，当田间由浅水层自然落干至土壤水势为–15 kPa 时，灌水 20 mm，再自然落干至土壤水势为–15 kPa，再灌 20 mm，如此循环，至水稻成熟结束[12]。两次试验 6 个处理氮用量均为 135 kg/hm2，P2O5 用量 60 kg/hm2，K2O 用量 120 kg/hm2。供试肥料包括尿素 (N 46%)，猪粪 (N 0.80%、P2O5 0.48%、K2O 0.46%)，过磷酸钙 (P2O5 14%)，氯化钾 (K2O 60%)。FM2 处理每小区猪粪用量为 21.1 kg。其中 FM1 处理全部磷肥和 50% 氮肥和钾肥作基肥，FM2 处理全部磷肥、猪粪和 50% 钾肥作基肥，均在插秧前一天耕地时施入土壤中。考虑到猪粪中磷和钾供应量，FM2 处理各小区过磷酸钙和氯化钾用量分别减少 0.72 kg 和 0.16 kg。各施氮处理余下 50% 的尿素和氯化钾分别以分蘖肥 (晚稻 2015 年 9 月 15 日，早稻 2016 年 4 月 23 日) 和穗肥 (晚稻 2015 年 11 月 4 日，早稻 2016 年 6 月 15 日)，均按 25% 的比例面施施入土壤中。
表 1 “薄浅湿晒”模式田间水层厚度[14] (mm)Table 1. Field water depth thresholds in the “thin-shallow-wet-dry” irrigation指标
Index插秧
Transplanting返青期
Regreening period分蘖前期
Early tillering period分蘖后期
Late tillering
period拔节～扬花期
Jointing–flowering period乳熟期
Milky period黄熟期
Ripening period灌前下限
Before irrigation15 20 0.9 θs 0.6 θs 10 0.9 θs 0.5 θs 灌后上限
After irrigation20 40 10 20 40 10 0 雨后极限
After rain20 50 40 40 70 50 0 田间水分状态
Field water status浅水
Shallow浅水
Shallow湿润
Wet浅、干、晒
Shallow, drying, dried浅水
Shallow湿润
Wet干、晒
Drying, dried注（Note）：依据《灌溉试验规范》[26], 水深大于 60 mm 为深水，10～60 mm 为浅水，水稻根层土壤含水率为饱和含水率的 80% 至田面 10 mm 水深为湿润, 根层土壤含水率低于饱和含水率的 80% 为晒田 According to irrigation experiment standard: over 60 mm depth is defined as deep water layer, 10–60 mm as shallow water layer, from 80% of saturated water content to 10 mm depth at rice root-zone layer as wet, and below 80% of saturated water content at rice root-zone layer is dry; θs—为土壤饱和含水率 Soil saturated moisture content (%). 1.3 田间管理
晚稻试验于 2015 年 7 月 28 日播种，8 月 26 日大田移栽，于 29 d 秧龄时选取单株带 2 个分蘖长势相对均匀的秧苗，单株栽培，株行距 20 cm × 20 cm。不同灌水处理从 9 月 2 日水稻返青后进行，到 11 月 9 日水稻开始成熟后结束。期间，10 月 4 日开始晒田，10 月 12 日复水。12 月 1 日试验小区全部收割完毕，大田生长期为 97 天。晚稻生育期内 CIR、TIR 和 DIR 模式总灌水量分别为 14.8、11.1 和 9.2 (× 103 m3/hm2)。此外，试验期间其它田间管理措施一致。
早稻试验于 2016 年 3 月 16 日播种，4 月 13 日大田移栽，于 28 d 秧龄时选取单株带 2 个分蘖长势相对均匀的秧苗，单株栽培，株行距 20 cm × 20 cm。不同灌水处理从 4 月 20 日水稻返青后进行，到 7 月 5 日水稻开始成熟后结束。期间，5 月 20 日开始晒田，6 月 7 日复水。7 月 20 日试验小区全部收割完毕，大田生长期为 98 天。早稻生育期内 CIR、TIR 和 DIR 模式总灌水量分别为 13.3、9.5 和 7.4 (× 103 m3/hm2)。此外，试验期间其他田间管理措施一致。
1.4 稻田 CH4 和 N2O 采集和测定
田间采集 CH4 和 N2O 用静态封闭暗箱法。静态箱箱体由厚 5 mm 的不绣钢制成，箱体规格 50 cm × 50 cm × 100 cm，四周和顶部封闭，底部开口，箱内安装风扇，箱外包1层铝箔以降低采样期间由于太阳辐射引起的箱内温度变化。水稻移栽前各处理分别安装不锈钢静态箱底座 (50 cm × 50 cm)，底座入泥 5 cm，底座内含生长水稻。取样时静态箱垂直安放在底座凹槽内并用水密封，以防箱子和地面的接触处漏气，保证箱内气体与大气不进行交换。采样前将箱内侧面两个风扇打开，以保持气体均匀混合，采气孔位于侧面，用注射器采集气样。水稻不同生育时期 CH4 和 N2O 的变化规律从返青后开始采样，每隔 7 天采样 1 次，采样时刻为上午 9:00～11:00，同时记录箱温。每个采样点在盖箱后第 0、5、10、15、20、25 和 30 min 时用注射器采样，每次样品量为 100 mL。CH4 和 N2O 均用 Agilent 7890A GC 测定。晚稻生育期内气体测定次数共 10 次，早稻生育期内共 12 次。
1.5 数据分析
1.5.1 CH4 和 N2O 排放通量
F=10−5μPR(T+273.2)HdCdt
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f=n∑i=1[(Fi+Fi−1)2×d×24×10−2]
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1.5.3 CH4 和 N2O 综合增温潜势 根据生育期内 CH4 或 N2O 累积排放量，计算 CH4 和 N2O 排放二氧化碳当量 (carbon dioxide equivalent，CDE，以 CO2 计，单位为 kg)。以 100 年影响尺度为计，1 kg CH4 和 N2O 的增温潜势分别是 1 kg CO2 的 25 倍和 298 倍[29]。
CDE(CH4)=fCH4×25CDE(N2O)=fN2O×298×10−3TCDE=CDE(CH4)+CDE(N2O)
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1.5.4 CH4 和 N2O 综合排放强度 CH4 和 N2O 综合排放强度 (comprehensive emission intensity，CEI) 是 CH4 和 N2O 综合增温潜势与水稻产量的比值[30–31]。
CEI=TCDE/Y
式中：Y 为该处理单位面积平均产量 (t/hm2)；CEI 为 CH4 和 N2O 综合排放强度 (CO2 kg/t)。
采用 Excel 2013 和 SPSS 19.0 对所有试验数据进行统计分析，不同处理各指标平均值的比较用新复极差法 (Duncan’s)，差异显著性水平为 P < 0.05。
2. 结果与分析
2.1 水稻产量
由图 2 可知，同一灌溉模式下，FM2 处理晚稻产量与 FM1 处理差异不显著；同一施氮处理下，不同灌溉模式晚稻产量之间的差异也不显著。TIR 和 CIR 下，FM2 处理早稻产量与 FM1 处理间的差异不显著，但是 DIR 模式下 FM2 处理早稻产量比 FM1 处理提高 18.8%，且差异显著。FM1 下，不同灌溉模式早稻产量之间差异不显著，而 FM2 下，TIR 和 DIR 模式早稻产量分别比 CIR 模式提高 20.9% 和 37.4%，且差异显著。TIR 和 CIR 模式下，FM2 处理两季水稻总产量与 FM1 处理间的差异不显著，而 DIR 模式下，FM2 处理两季水稻总产量比 FM1 处理提高 17.7%，且差异显著。FM1 下，不同灌溉模式两季水稻总产量之间的差异不显著，FM2 下 TIR 模式与 CIR 模式差异不显著，但 DIR 模式比 CIR 模式提高 21.5%，且差异显著。
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图 2 不同处理早晚稻产量[注（Note）：方柱上不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Different letters above the bars mean significant difference among treatments at P < 0.05 level. CIR—常规灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄浅湿晒”灌溉“Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干湿交替灌溉 Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50% 尿素-N + 50% 猪粪-N 50% urea-N and 50% pig manure-N.]Figure 2. The yields of late rice or early rice for different treatments2.2 稻田 CH4 排放通量
由图 3 可知，不同处理早晚稻生育期内 CH4 排放通量变化趋势有一定差异，主要表现为生育前期 CH4 排放通量较高，生育中后期 CH4 排放通量较低。FM2 处理 CH4 排放通量明显高于 FM1 处理。不同施氮处理下 CIR 和 TIR 模式晚稻稻田 CH4 排放通量均在移栽后 83 天出现小的排放峰，早稻稻田 CH4 排放通量相继在 68、76 天出现小的排放峰。
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图 3 不同处理早晚稻 CH4 排放通量动态变化[注（Note）：图中F表示追肥 Topdressing, 晒田表示该时间前后几天处于晒田时间 Field drying means drying time before and after a few days. CIR—常规灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄浅湿晒”灌溉“Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干湿交替灌溉Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50% 尿素-N + 50% 猪粪-N 50% urea-N and 50% pig manure-N.]Figure 3. Dynamic changes of CH4 flux during early rice and late rice growing seasons for different treatments2.3 稻田 N2O 排放通量
由图 4 可看出，不同处理早晚稻 N2O 排放通量生育期内变化趋势不同，晚稻生育前期 N2O 的排放通量为负值，表现为吸收状态，早稻生育前期 N2O 的排放通量均较低，晒田后复水及成熟期稻田水分落干时 N2O 排放通量较高。每次排放高峰后都相应出现了一个排放低峰或者负排放峰。此外，晚稻 FM2 处理下 DIR 模式 N2O 排放通量在 76 天出现排放峰，早稻不同施氮处理下 DIR 模式在 68 天出现大的排放峰。
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图 4 不同处理早晚稻 N2O 排放通量动态变化[注（Note）：图中 F 表示追肥 Topdressing, 晒田表示该时间前后几天处于晒田时间 Field drying means drying time before and after a few days. CIR—常规灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄浅湿晒”灌溉“Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干湿交替灌溉 Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50% 尿素-N + 50% 猪粪-N 50% urea-N and 50% pig manure-N.]Figure 4. Dynamic changes of N2O flux during early rice and late rice growing seasons for different treatments2.4 生育期内 CH4 和 N2O 累积排放量
由表 2 可得，不同灌溉模式下，FM2 处理晚稻、早稻及两稻季 CH4 累积排放量与 FM1 间的差异均显著。FM1 下不同灌溉模式早稻、晚稻及两稻季 CH4 累积排放量之间的差异均不显著，FM2 下不同灌溉模式晚稻 CH4 累积排放量之间的差异均显著，FM2 下 CIR 和 TIR 模式早稻生育期内 CH4 累积排放量与 DIR 模式的差异均显著，FM2 下 DIR 和 TIR 模式两稻季 CH4 累积排放量与 CIR 模式的差异均显著。
表 2 不同处理早晚稻季 CH4 和 N2O 累积排放量 (kg/hm2)Table 2. Cumulative emissions of CH4 and N2O during early and late rice seasons for different treatments处理
TreatmentCH4 N2O 晚稻 Late rice 早稻 Early rice 合计 Total 晚稻 Late rice 早稻 Early rice 合计 Total CIR-FM1 749.4 ± 286.0 d 447.6 ± 10.4 c 1197.0 ± 278.7 d –113.3 ± 36.8 b –77.6 ± 31.4 c –190.9 ± 68.2 c TIR-FM1 362.7 ± 78.5 d 369.0 ± 76.9 c 731.7 ± 145.7 d 56.9 ± 15.4 ab 10.1 ± 115.1 c 67.0 ± 130.5 bc DIR-FM1 506.6 ± 0.3 d 256.3 ± 76.6 c 761.5 ± 110.4 d – 40.5 ± 29.6 b 451.8 ± 120.7 a 411.2 ± 150.3 ab CIR-FM2 3581.0 ± 32.3 a 1736.8 ± 346.9 a 5317.8 ± 482.5 a –96.1 ± 111.5 b 297.6 ± 50.6 b 201.6 ± 162.1 bc TIR-FM2 1599.9 ± 70.9 c 1567.9 ± 186.7 a 3033.0 ± 482.8 c 36.4 ± 45.9 ab 175.9 ± 29.7 b 212.3 ± 75.6 bc DIR-FM2 2581.5 ± 486.8 b 975.4 ± 228.3 b 3752.3 ± 597.8 b 366.6 ± 464.6 a 317.8 ± 85.5 ab 684.4 ± 550.1 a 注（Note）：CIR—常规灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄浅湿晒”灌溉“Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干湿交替灌溉 Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50%尿素-N + 50% 猪粪-N 50% urea-N and 50% pig manure-N. 表中数值为平均值 ± 标准差 (n = 3) Values are mean ± SD (n = 3); 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05) Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments at P < 0.05 level. 各处理除 DIR-FM2 处理外晚稻生育期内 N2O 累积排放量的差异均不显著。TIR 和 CIR 模式下，FM2 处理早稻生育期内 N2O 累积排放量与 FM1 处理的差异均显著。FM1 下，DIR 模式早稻 N2O 累积排放量与 TIR 和 CIR 模式间差异均显著，而 FM2 下不同灌溉模式早稻 N2O 累积排放量之间的差异均不显著。不同灌溉模式下 FM2 处理两稻季 N2O 累积排放量与 FM1 处理的差异都不显著，而 FM1 下 CIR 模式两稻季 N2O 累积排放量与 DIR 模式的差异显著，FM2 下 DIR 模式两稻季 N2O 累积排放量与 CIR、TIR 模式间差异均显著。
不同灌溉模式下 FM2 处理两稻季 CH4 和 N2O 累积排放量均高于 FM1 处理。本研究还得到，不同处理下早晚稻当 CH4 排放处于高峰时，而 N2O 排放却较低。反之，而当 N2O 排放增加较为显著时，CH4 排放却较低。
2.5 稻田 CH4 和 N2O 综合增温潜势及排放强度
表 3 表明，CIR、TIR 和 DIR 下，FM1 处理 CH4 增温潜势分别比 FM2 处理降低 77.5%、76.9% 和 78.6%，且差异均显著。FM1 下 TIR 和 DIR 模式与 CIR 模式 CH4 增温潜势差异均不显著，FM2 下 TIR 和 DIR 模式分别降低 40.4% 和 33.1%，且差异均显著。不同灌溉模式下 FM2 处理 N2O 增温潜势均高于 FM1 处理，TIR 和 DIR 下 FM1 处理 N2O 增温潜势与 FM2 处理差异均不显著。不同施氮处理下，DIR 模式 N2O 增温潜势比 CIR 和 TIR 模式显著提高，且差异显著。
表 3 不同处理早晚稻季 CH4 和 N2O 增温潜势及总排放强度Table 3. Warming potential of CH4 and N2O, and comprehensive emission intensity in early and late rice seasons for different treatments处理
Treatment增温潜势 Warming potential (CO2 kg/hm2) 贡献率 Contribution (%) CEI
(CO2 kg/t)CH4 N2O 合计 Total CH4 N2O CIR-FM1 29926 c –56.9 c 29869 c – – 1868 c TIR-FM1 18292 c 20.0 c 18312 c 99.9 0.1 1132 c DIR-FM1 19071 c 122.5 ab 19194 c 99.4 0.6 1141 c CIR-FM2 132944 a 60.1 bc 133004 a 99.9 0.1 8168 a TIR-FM2 79196 b 63.3 bc 79259 b 99.9 0.1 4510 b DIR-FM2 88921 b 204.0 a 89124 b 99.8 0.2 4504 b 注（Note）：CIR—常规灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄浅湿晒”灌溉 “Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干湿交替灌溉 Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50% 尿素-N + 50% 猪粪-N 50% urea-N and 50% pig manure-N. 增温潜势为检测气体排放量相当的 CO2 当量 Warming potential is the CO2 equivalent of the monitored gas emission; CEI—CH4 和 N2O 综合排放强度 Comprehensive emission intensity; “–” 表示不参与分析 Means not participate in the analysis. 同一列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments at P < 0.05 level. CIR、TIR 和 DIR 下，FM1 处理 CH4 和 N2O 综合增温潜势分别比 FM2 处理降低 77.5%、76.9% 和 78.5%，且差异都显著。FM1 下 TIR 和 DIR 模式与 CIR 模式 CH4 和 N2O 综合增温潜势差异均不显著，FM2 下 TIR 和 DIR 模式分别降低 40.4% 和 33.0%，且差异均显著。CH4 和 N2O 对稻田综合增温潜势的贡献不同，CH4 对综合增温潜势的贡献率达 99% 以上，而 N2O 的贡献率不足 1%。CIR、TIR 和 DIR 下 FM1 处理 CH4 和 N2O 综合排放强度分别比 FM2 处理降低 77.1%、74.9%和74.7%，且差异均显著。FM1 下 TIR 和 DIR 模式与 CIR 模式 CH4 和 N2O 综合排放强度差异均不显著，FM2 下 TIR 和 DIR 模式分别降低 44.8% 和 44.9%，且差异显著。
不同灌溉模式下，与 FM1 相比，FM2 处理增加了稻田 CH4 和 N2O 增温潜势，TIR 和 DIR 模式比 CIR 模式降低了 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度，FM1 处理比 FM2 处理显著降低 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度。
3. 讨论
3.1 水稻产量
尿素猪粪配施处理下早稻 TIR 和 DIR 模式水稻产量明显高于 CIR 模式，原因可能是 CIR 模式长期处于淹水状态，厌氧环境不利于猪粪的分解转化，不能及时为植物生长提供所需养分，而 TIR 和 DIR 模式水层较薄甚至是没有水层，土壤中氧气含量增加，更有利于土壤中微生物对猪粪的分解转化，使土壤中可利用的氮素增多，能够更好地为水稻生长提供养分[32]。DIR 模式下，尿素猪粪配施处理两季水稻总产量明显高于单施尿素处理原因是施用猪粪有利于水稻根系的深扎，增强水稻对肥料氮及土壤氮的有效利用[33]；水稻生育后期，猪粪中养分逐渐释放，植株能从土壤中吸收更多的养分，能提高水稻每穗实粒数，从而提高水稻的产量[34]。侯红乾等[35]研究认为，有机肥和化肥配施处理产量均高于单施化肥处理，高量有机肥配施化肥更有利于稻田长期增产。高菊生等[36]研究认为，与单施化肥相比，有机肥和化肥配施水稻 (早稻、晚稻) 产量均能保持相对较高。董春华等[37]研究认为，有机肥和化肥配施能促进红壤性稻田早稻、晚稻稻谷和地上部产量的增加，这与本研究结果相符。尿素猪粪配施处理下 TIR 和 DIR 模式比 CIR 模式提高产量。覃万国等[3]研究表明，“薄浅湿晒”比常规灌溉增产率平均早稻为 5.57%，晚稻 5.09%，以及张自常等[38]研究认为，与常规灌溉相比，干湿交替灌溉可以显著提高产量，这与本研究结果一致。
3.2 稻田 CH4 排放特征
生育前期 CH4 排放通量较高的原因主要有两点：其一，不同灌溉模式下水稻生育前期田间水层深度均较厚，稻田处于淹水状态，氧气供应有限，土壤处于还原态，有利于 CH4 产生；其二，基肥的施用，稻田淹水状态使得土壤中丰富的产甲烷基质处于厌氧环境发酵剧烈，促使 CH4 快速排放[39]。生育中后期 CH4 排放通量较低，是因为不同灌溉模式下稻田水层较薄甚至水分落干没有水层，氧气供应充足，限制了 CH4 产生，促进了 CH4 氧化，降低了 CH4 排放速度[40]。晚稻不同施氮处理下 CIR 和 TIR 模式 CH4 排放通量均在移栽后 83 天出现小的排放峰，原因可能是在移栽后 69 天施用了尿素作为追肥后，促进了稻田 CH4 排放。早稻不同施氮处理下 CIR 和 TIR 模式相继在 68、76 天出现小的排放峰，原因可能是由于在移栽后 61 天施用尿素追肥后，促进了稻田 CH4 排放[23]。至于排放峰出现时间上的差异原因是不同灌溉模式导致不同田间水分状态，尿素发挥肥效时间有所不同。
尿素猪粪配施处理下，TIR 和 DIR 模式晚稻和早稻生育期内 CH4 累积排放量都显著低于 CIR 模式，是由于 CIR 模式除晒田和收获时没有水层外，其他时期都处于淹水状态，有利于猪粪的厌氧分解，为产甲烷菌提供底物[40]，促进 CH4 排放，而 DIR 和 TIR 模式土壤通气状况得到极大改善，破坏了产甲烷菌的生存环境，抑制了 CH4 的排放[39]，特别是 DIR 模式，水稻植株会受到一定程度的水分胁迫可能关闭部分气孔，减少通过植株途径的 CH4 排放，这与王孟雪等[6]研究结果相符。不同灌溉模式下，单施尿素处理晚稻和早稻 CH4 累积排放量显著低于尿素猪粪配施处理，是由于尿素猪粪配施处理施用了猪粪做基肥，猪粪为产甲烷菌提供丰富的产甲烷基质，使产甲烷细菌产生更多的 CH4 [25]，此外，猪粪的施用促进了水稻的分蘖和生长[34]，使得水稻植株运输 CH4 的能力增强，从而使稻田排放更多的 CH4。
3.3 稻田 N2O 排放特征
早稻生育前期 N2O 的排放通量均较低，这是因为生育前期，不同灌溉模式稻田处于淹水状态或者保持有水层，土壤的强还原条件使反硝化作用比较彻底进行，中间产物 N2O 产生较少，使 N2O 排放速率相对较低。晒田后复水及成熟期稻田水分落干时 N2O 排放通量较高主要与田间水分状态有关，干湿交替改善了表层土壤的通气性，增加了土壤氧气含量，使得其表层土壤具有良好的通气性，有利于硝化–反硝化作用进行，在此过程中产生大量的 N2O [6]。每次排放高峰后都相应出现了一个排放低峰或者负排放峰，原因可能与土壤同时存在“源”和“汇”的相互作用有关，当“源”的作用强，稻田表现为 N2O 的排放；反之，“汇”的作用强，稻田表现为对大气 N2O 的吸收[41]。
晚稻 FM2 处理下 DIR 模式 N2O 排放通量在 76 天出现排放峰，以及早稻不同施氮处理下 DIR 模式在 68 天出现大的排放峰，可能是追施尿素的原因，DIR 模式表层土壤的通气性好，尿素追施后快速发挥效用，使 N2O 的产生和排放速度迅速增加[23]。不同施肥处理下晚稻 CIR 模式 N2O 累积排放量为负值，这种情况出现的可能原因：其一，稻田土壤长时间处于厌氧状态，抑制了硝化反应，使NO3–基质得不到补充，从而影响硝化–反硝化作用的进行，使反硝化作用速率很低；其二，强还原环境促进形成反硝化的最终产物 N2，不利于形成中间产物 N2O，甚至空气中进入土壤的 N2O，也被还原为N2致 N2O 净吸收[25, 42]。单施尿素处理下 TIR 和 CIR 模式早稻生育期内及 CIR 模式两稻季 N2O 累积排放量显著低于 DIR 模式，尿素猪粪配施处理下 CIR 模式晚稻生育期内及 TIR 和 CIR 模式两稻季 N2O 累积排放量均显著低于 DIR 模式，原因可能是 DIR 模式频繁的干湿交替改善了土壤通气性，促进了稻田土壤硝化和反硝化作用，增加了稻田 N2O 排放[11]。晚稻 DIR 模式及早稻 TIR 和 CIR 模式下尿素猪粪配施处理 N2O 累积排放量显著高于单施尿素处理，原因可能是晚稻尿素猪粪配施处理下 DIR 模式土壤良好的通气性，有利于猪粪的分解，促进了硝化和反硝化作用，早稻尿素猪粪配施处理下 TIR 和 CIR 模式猪粪为硝化细菌和反硝化细菌提供丰富的基质，且水稻生育后期田间水分自然落干土壤通气条件改善，从而促进了 N2O 排放[30, 43]。
3.4 稻田 CH4 和 N2O 综合增温潜势及排放强度
CH4 和 N2O 对稻田综合增温潜势的贡献不同，CH4 对综合增温潜势的贡献率达 99% 以上，而 N2O 的贡献率不足 1%，与秦晓波等[40]的结果相似。尽管在较短时间尺度上 N2O 对稻田综合增温潜势的贡献度较低，但是 N2O 在大气中存在时间比较长，伴随着时间的增长，N2O 对全球温室效应的影响会越来越大，因此，稻田 N2O 的排放不可忽略[30]。不同灌溉模式下，与单施尿素处理相比，尿素猪粪配施处理不仅增加了稻田 CH4 增温潜势，也增加了 N2O 增温潜势，与李波等[22]、赵峥等[23]的研究结论不同。尿素猪粪配施处理下，与 CIR 模式相比，TIR 和 DIR 模式显著降低了 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度，这与节水灌溉显著降低 CH4 和 N2O 的综合温室效应的结论相同[4, 6]。单施尿素处理比尿素猪粪配施处理显著降低 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度，与王聪等[24]的研究结论一致。因此，不同施氮处理下，与常规灌溉相比，“薄浅湿晒”和干湿交替灌溉模式在保持产量不降低前提下降低了稻田 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度。在这两种灌溉方式下，与猪粪尿素配施处理相比，单施尿素处理显著降低 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度。
4. 结论
DIR 模式下 FM2 处理早稻产量和两季总产量比 FM1 处理分别提高 18.8% 和 17.7%，FM2 下 TIR 和 DIR 模式早稻产量分别比 CIR 模式提高 20.9% 和 37.4%，以及 DIR 模式两季总产量比 CIR 模式提高21.5%。
3 种灌溉模式下 FM1 处理 CH4 或 N2O 增温潜势、 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度均低于 FM2 处理，2 种施氮处理下 TIR 和 DIR 模式 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度低于 CIR 模式。
与常规灌溉相比，“薄浅湿晒”灌溉产量和 N2O 排放有所提高，降低 CH4 排放量及 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度；干湿交替灌溉提高产量和增加 N2O 排放，降低 CH4 的排放量及 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度，因此，“薄浅湿晒”和干湿交替灌溉模式是有效降低稻田 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度的两种灌溉模式。在这两种灌溉方式下，与猪粪尿素配施处理相比，单施尿素处理显著降低 CH4 和 N2O 综合增温潜势和排放强度。
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图 1 2015～2016 试验期间降水量
Figure 1. The precipitation during experimental period of 2015 to 2016
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图 2 不同处理早晚稻产量
[注（Note）：方柱上不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Different letters above the bars mean significant difference among treatments at P < 0.05 level. CIR—常规灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄浅湿晒”灌溉“Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干湿交替灌溉 Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50% 尿素-N + 50% 猪粪-N 50% urea-N and 50% pig manure-N.]
Figure 2. The yields of late rice or early rice for different treatments
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图 3 不同处理早晚稻 CH4 排放通量动态变化
[注（Note）：图中F表示追肥 Topdressing, 晒田表示该时间前后几天处于晒田时间 Field drying means drying time before and after a few days. CIR—常规灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄浅湿晒”灌溉“Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干湿交替灌溉Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50% 尿素-N + 50% 猪粪-N 50% urea-N and 50% pig manure-N.]
Figure 3. Dynamic changes of CH4 flux during early rice and late rice growing seasons for different treatments
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图 4 不同处理早晚稻 N2O 排放通量动态变化
[注（Note）：图中 F 表示追肥 Topdressing, 晒田表示该时间前后几天处于晒田时间 Field drying means drying time before and after a few days. CIR—常规灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄浅湿晒”灌溉“Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干湿交替灌溉 Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50% 尿素-N + 50% 猪粪-N 50% urea-N and 50% pig manure-N.]
Figure 4. Dynamic changes of N2O flux during early rice and late rice growing seasons for different treatments
表 1 “薄浅湿晒”模式田间水层厚度[14] (mm)
Table 1 Field water depth thresholds in the “thin-shallow-wet-dry” irrigation
指标
Index插秧
Transplanting返青期
Regreening period分蘖前期
Early tillering period分蘖后期
Late tillering
period拔节～扬花期
Jointing–flowering period乳熟期
Milky period黄熟期
Ripening period灌前下限
Before irrigation15 20 0.9 θs 0.6 θs 10 0.9 θs 0.5 θs 灌后上限
After irrigation20 40 10 20 40 10 0 雨后极限
After rain20 50 40 40 70 50 0 田间水分状态
Field water status浅水
Shallow浅水
Shallow湿润
Wet浅、干、晒
Shallow, drying, dried浅水
Shallow湿润
Wet干、晒
Drying, dried注（Note）：依据《灌溉试验规范》[26], 水深大于 60 mm 为深水，10～60 mm 为浅水，水稻根层土壤含水率为饱和含水率的 80% 至田面 10 mm 水深为湿润, 根层土壤含水率低于饱和含水率的 80% 为晒田 According to irrigation experiment standard: over 60 mm depth is defined as deep water layer, 10–60 mm as shallow water layer, from 80% of saturated water content to 10 mm depth at rice root-zone layer as wet, and below 80% of saturated water content at rice root-zone layer is dry; θs—为土壤饱和含水率 Soil saturated moisture content (%). 
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表 2 不同处理早晚稻季 CH4 和 N2O 累积排放量 (kg/hm2)
Table 2 Cumulative emissions of CH4 and N2O during early and late rice seasons for different treatments
处理
TreatmentCH4 N2O 晚稻 Late rice 早稻 Early rice 合计 Total 晚稻 Late rice 早稻 Early rice 合计 Total CIR-FM1 749.4 ± 286.0 d 447.6 ± 10.4 c 1197.0 ± 278.7 d –113.3 ± 36.8 b –77.6 ± 31.4 c –190.9 ± 68.2 c TIR-FM1 362.7 ± 78.5 d 369.0 ± 76.9 c 731.7 ± 145.7 d 56.9 ± 15.4 ab 10.1 ± 115.1 c 67.0 ± 130.5 bc DIR-FM1 506.6 ± 0.3 d 256.3 ± 76.6 c 761.5 ± 110.4 d – 40.5 ± 29.6 b 451.8 ± 120.7 a 411.2 ± 150.3 ab CIR-FM2 3581.0 ± 32.3 a 1736.8 ± 346.9 a 5317.8 ± 482.5 a –96.1 ± 111.5 b 297.6 ± 50.6 b 201.6 ± 162.1 bc TIR-FM2 1599.9 ± 70.9 c 1567.9 ± 186.7 a 3033.0 ± 482.8 c 36.4 ± 45.9 ab 175.9 ± 29.7 b 212.3 ± 75.6 bc DIR-FM2 2581.5 ± 486.8 b 975.4 ± 228.3 b 3752.3 ± 597.8 b 366.6 ± 464.6 a 317.8 ± 85.5 ab 684.4 ± 550.1 a 注（Note）：CIR—常规灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄浅湿晒”灌溉“Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干湿交替灌溉 Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50%尿素-N + 50% 猪粪-N 50% urea-N and 50% pig manure-N. 表中数值为平均值 ± 标准差 (n = 3) Values are mean ± SD (n = 3); 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05) Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments at P < 0.05 level.
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表 3 不同处理早晚稻季 CH4 和 N2O 增温潜势及总排放强度
Table 3 Warming potential of CH4 and N2O, and comprehensive emission intensity in early and late rice seasons for different treatments
处理
Treatment增温潜势 Warming potential (CO2 kg/hm2) 贡献率 Contribution (%) CEI
(CO2 kg/t)CH4 N2O 合计 Total CH4 N2O CIR-FM1 29926 c –56.9 c 29869 c – – 1868 c TIR-FM1 18292 c 20.0 c 18312 c 99.9 0.1 1132 c DIR-FM1 19071 c 122.5 ab 19194 c 99.4 0.6 1141 c CIR-FM2 132944 a 60.1 bc 133004 a 99.9 0.1 8168 a TIR-FM2 79196 b 63.3 bc 79259 b 99.9 0.1 4510 b DIR-FM2 88921 b 204.0 a 89124 b 99.8 0.2 4504 b 注（Note）：CIR—常规灌溉 Conventional irrigation; TIR—“薄浅湿晒”灌溉 “Thin-shallow-wet-dry” irrigation; DIR—干湿交替灌溉 Alternate drying and wetting irrigation; FM1—100% 尿素-N 100% urea-N; FM2—50% 尿素-N + 50% 猪粪-N 50% urea-N and 50% pig manure-N. 增温潜势为检测气体排放量相当的 CO2 当量 Warming potential is the CO2 equivalent of the monitored gas emission; CEI—CH4 和 N2O 综合排放强度 Comprehensive emission intensity; “–” 表示不参与分析 Means not participate in the analysis. 同一列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments at P < 0.05 level.
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