秸秆还田和氮肥减施对稻田温室气体排放的影响

摘要 为探究在连续秸秆还田条件下氮肥减施对稻田温室气体排放的影响，于2022年在黑龙江省前进农场科技示范园区进行了8年的定位试验；共设7个处理：无秸秆及氮肥施加、施加氮肥、施加秸秆、施加秸秆且常规施氮、施加秸秆且减施10%氮肥、施加秸秆且减施20%氮肥、施加秸秆且减施30%氮肥，以无秸秆及氮肥施加为对照，对水稻生长期内温室气体排放情况进行比较。结果表明，与施加秸秆且常规施加氮肥处理相比，施加秸秆且减施10%氮肥处理、施加秸秆且减施20%氮肥处理、施加秸秆且减施30%氮肥处理的CO2累积排放量分别显著降低20.00%、40.00%和49.43%，CH4累积排放量显著降低16.30%、20.21%和28.80%，N2O累积排放量显著降低48.76%、60.03%、67.74%；全球增温潜势显著降低37.75%、46.90%和54.93%，温室气体排放强度分别显著降低32.59%、39.79%和51.51%。在秸秆还田条件下，氮肥减施会降低水稻产量，在该试验条件下，氮肥减施10%时温室气体排放量降低且水稻产量不会受较大影响。

关键词 秸秆还田；氮肥减施；温室气体；增温潜势

中图分类号 S181  文献标识码 A   文章编号 0517-6611（2024）15-0172-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.15.037

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of Straw Returning and Nitrogen Fertilizer Reduction on Greenhouse Gas Emissions in Rice Fields

CHEN  Yang1，ZHU Hai-ying2，LI De-ming2 et al

（1.College of Agriculture，Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， Heilongjiang 163319;2.Dongning Agricultural Technology Extension Center，Dongning，Heilongjiang 157299）

Abstract In order to explore the impact of nitrogen fertilizer reduction on greenhouse gas emissions in paddy fields under the condition of continuous straw return，an eight-year positioning experiment was carried out in the Qianjin Farm Science and Technology Demonstration Park in Heilongjiang Province in 2022.In the experiment，there were seven treatments：straw-free and nitrogen fertilizer application，nitrogen fertilizer application，straw application，straw application and routine nitrogen application，straw application and 10% nitrogen fertilizer reduction，straw application and 20% nitrogen fertilizer reduction，straw application and 30% nitrogen fertilizer reduction，and the greenhouse gas emissions during the rice growing period were compared with straw-free and nitrogen fertilizer application.The results showed that compared with straw and conventional nitrogen fertilizer treatment，the cumulative CO2 emissions were significantly reduced by 20.00%，40.00% and 49.43%，respectively，in the treatments of straw application and 10% nitrogen fertilizer reduction， straw application and 20% nitrogen fertilizer reduction，straw application and 30% nitrogen fertilizer reduction，the cumulative emissions of CH4 were significantly reduced by 16.30%，20.21% and 28.80%，and the cumulative emissions of N2O were significantly reduced by 48.76%， 60.03% and 67.74% respectively；The global warming potential was significantly reduced by 37.75%，46.90% and 54.93%，and the greenhouse gas emission intensity was significantly reduced by 32.59%，39.79% and 51.51%，respectively.Under the condition of straw return，nitrogen fertilizer reduction will reduce rice yield，and under this experimental condition，nitrogen fertilizer reduction by 10% will reduce greenhouse gas emissions and rice yield will not be greatly affected.

Key words Straw returning to the field;Nitrogen fertilizer reduction;Greenhouse gas;Heating potential

气候变暖是各界共同关注的全球性问题，根据IPCC第四次评估报告，我国农业源释放的温室气体量占我国温室气体排放量的17％以上［1］，而在农业活动中，CH4的排放量占47%，N2O的排放量占58%［2］。我国是水稻生产大国，水稻产量约占全球产量的26%［3］；在农业温室气体排放中，稻田产生的温室气体效应为玉米的1.6倍，为小麦的4.6倍［4-5］。

研究表明秸秆还田量增加，CO2释放量增加［5］，但也有研究认为秸秆还田阻挡CO2向大气排放［6］，研究表明有机无机肥配施能够降低CO2的排放强度［7］；在秸秆还田下配施氮肥CH4的排放通量会增加2～25倍［7］，但也有研究显示，在秸秆还田条件下减量施肥能够减少麦田土壤CH4的排放［8］；秸秆还田和氮肥的施加都能够影响土壤碳氮比，增强微生物对氮素的利用，减少N2O的排放，施加秸秆对N2O排放的影响小于施加化肥的影响，且研究发现有机无机肥配施能抑制N2O的排放［9-10］。

秸秆还田、氮肥施加等单一处理条件对温室气体排放的研究逐渐增多，但目前关于秸秆还田条件下不同氮肥管理水平对温室气体排放的影响研究很少，且部分气体排放规律表现尚有分歧，因此，笔者基于此处理条件探究对稻田温室气体排放的影响，旨在调控氮肥用量，合理利用秸秆，在保证水稻产量的同时减少稻田温室气体的排放［11-14］，为探明长期秸秆还田且氮肥减施条件下稻田土壤的减排效应提供理论依据，为调控氮肥用量、合理利用秸秆提供实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料 供试水稻品种为龙粳31。试验所添加肥料情况：尿素作为氮肥施加（N 46%），重过磷酸钙作为磷肥施加（P2O5 46%），硫酸钾作为钾肥施加（K2O 50%）。氮肥施加时基肥施加40%、蘖肥施加30%、穗肥施加30%；磷肥全部用作基肥；钾肥基肥施加60%、蘖肥施加40%。

1.2 试验地概况 试验地土地类型为潜育白浆土，0～20 cm土层土壤基本性质：pH 5.92，全氮1.65 g/kg，全磷0.75 g/kg，全钾16.50 g/kg，碱解氮191.14 mg/kg，有效磷32.33 mg/kg，速效钾183.50 mg/kg。

1.3 试验设计

试验地位于黑龙江省建三江管理局前进农场科技示范园区，规划为7个小区，每个小区面积150 m2，试验地总面积为1 050 m2，各小区对应处理方式：无秸秆及氮肥施加（CK），无秸秆且常规施氮肥（N），秸秆还田且无氮肥施加（S），秸秆还田且常规施氮肥（NS），秸秆还田且减施10%氮肥（N1），秸秆还田且减施20%氮肥（N2），秸秆还田且减施30%氮肥（N3）。

1.4 测定项目与方法

气体样品采集和测定采用静态箱-气相色谱法，于水稻种植后在各个小区内分别随机选取采集点放置底座，底座规格为0.5 m×0.5 m，高度为0.5 m，后期随水稻生长加高至1 m，底座四周有凹槽，用于放置箱体以及采样时对箱体进行密封，箱体内装小风扇用于采样时混匀气体。采样时间为09：30—11：00，采样箱放置后立即开始采集气体样品，分别在10、20、30 min后采样，共采集4个气体样品，所采集的气体样品当天用Agilent 7890A气相色谱仪测定N2O、CO2和CH4浓度，每隔7 d进行一次气体采集。

1.5 数据分析

1.5.1 温室气体排放通量。温室气体排放通量计算公式：

F=ρ×V/A×dc/dt×273/273+T

式中：F为气体排放通量，单位为mg/（m2·h）；ρ为气体在标准状态下的密度（kg/m3）；V为静态箱体积（m3）；A为静态箱包含土壤总面积（m2）；dc/dt为气体排放速率［μL/（L·h）］；T为平均温度（℃）［15-17］。

1.5.2 全球增温潜势。全球增温潜势（GWP）计算公式：

GWP=298×N2O+25×CH4+CO2

式中，CO2为水稻生长季内单位面积排放的综合温室效应CO2当量［mg/（m2·h）］，CH4、N2O分别为稻田生长季CH4和N2O的排放总量（kg/hm2）［18-21］。

1.5.3 温室气体排放强度。

温室气体排放强度（GHGI）（kg/kg）的计算公式：

GHGI=GWP/Y

式中，Y为水稻产量（kg/hm2）［22-23］。

1.5.4 累积排放量。温室气体累积排放量采用内插法测定［24-25］：

CE= ［（Fi+Fi+1）/2×10-3×d×24×10］ 式中，CE是气体累积排放量（kg/hm2），Fi和Fi+1分别为连续2个相邻采样时期的气体排放通量［mg/（m2·h）］，d是连续2个采样时期间隔天数。

所有试验数据利用Excel 2019进行整理作图，利用Origin 2018进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田配施氮肥对温室气体排放通量的影响

由图1可知，各个处理的CO2排放通量在抽穗期均达到峰值。对比CK、N、S 3个处理排放通量发现，添加秸秆对CO2排放通量的影响比添加氮肥对CO2排放通量的影响大。对比氮肥减施的3个处理，排放通量表现为N1>N2>N3，这表明在秸秆还田条件下，氮肥施加量越小，CO2排放通量越小。

由图2可知，各处理的CH4排放通量在分蘖期和拔节期时均较高，在抽穗期会出现排放通量的高峰。各处理中NS处理排放通量最高，在秸秆还田条件下氮肥减施的3个处理中，氮肥减施10%时CH4排放通量最高，氮肥减施20%与氮肥减施30%排放通量相差较大，表明在秸秆还田条件下氮肥施加量越少，CH4排放通量越少。