N₂O 是仅次于 CO₂ 和 CH₄ 的重要温室气体，在大气中极其稳定，其温室效应在 100 年时间尺度上是 CO₂ 的 298 倍^[1]。大气N₂O 浓度在 2019 年达到 332.1 mg·L^-1，过去 40 年来全球农业集约化发展造成了 30% 的 N₂O 排放，农田土壤成为 N₂O的最大排放源^[2]。据报道，2014 年 N₂O 排放量占我国温室气体总排放量的 5.4%，其中农业活动 N₂O 排放量为 117.0 万 t，占 N₂O 总排放的 59.5%^[3]。稻田是我国主要农田类型之一，我国水稻种植面积约占粮食总播种面积的 26%^[4]，稻田 N₂O 排放量约占我国农田 N₂O 总排放量的 22%^[5]，因此研究稻田 N₂O 排放对准确评估 N₂O 排放及减缓全球气候变化有重要意义。

N₂O 是土壤微生物硝化和反硝化作用的中间产物，其排放主要受氮肥施用、土壤水分、土壤有机碳、作物生长以及气象环境等因素调控^[6]。近年来，关于稻田 N₂O 排放研究主要集中于水肥优化管理^[7-8]、有机肥替代^[9-10]、种植模式^[11]等方面。普遍认为氮肥和土壤水分是稻田 N₂O 排放的重要影响因子，氮肥减量和添加有机肥可减少 N₂O 排放，但间歇灌溉等水分优化管理会促进 N₂O 排放。氮素投入可以为土壤微生物提供丰富的铵态氮和硝态氮基质，促进硝化和反硝化作用而产生大量 N₂O，且排放量随施氮量的增加呈线性增加^[12]。过度的施用氮肥不仅降低氮肥利用率，而且导致温室气体大量排放，引发土壤环境和地下水污染等问题^[13]，因此氮肥减量成为提高氮利用率、减缓温室气体排放和改善土壤环境的有效措施。另外，肥料类型对稻田 N₂O 排放也具有一定影响，我国稻田传统氮肥为尿素或碳铵，控释尿素可以根据作物不同生育阶段氮素需求释放养分，从而减少氮损失，相比常规尿素能显著提高氮肥利用率并实现增产，但对于控释尿素能否有效减少 N₂O 排放的研究尚存在争议。Zhang 等^[14]通过 Meta 分析认为控释尿素可以减少 23.8% 的 N₂O 排放，亦有研究认为控释尿素与普通尿素对 N₂O 的排放没有显著影响^[15]，高效肥料能否替代普通尿素以减少 N₂O 排放还需进一步研究。丰富的土壤有机质会促进微生物的硝化和反硝化作用，从而产生大量的 N₂O，而当有机质碳氮比（C/N）>30 时，有机质分解慢，会限制微生物活性，从而减少 N₂O 排放^[16]。水稻秸秆还田分解后可为土壤微生物提供丰富的碳源，但其较高的 C/N 易引起土壤中氮素的固定并增加土壤中可溶性有机碳含量，同时腐解过程中会产生抑制微生物活性的化感物质，从而导致 N₂O 排放的减少^[17]。因此，用秸秆代替部分无机氮肥能否达到减排增产效果值得探讨。我国稻田改变传统长期淹水灌溉为中期晒田、间歇灌溉等优化灌溉措施，可以节约水资源并提高水分利用率，显著减少 CH₄ 排放，但促进了 N₂O 的排放^[18-19]。稻田如何科学合理灌溉是解决稳产、减排、提高水分利用率的关键。为推进农业绿色低碳转型，我国提出化肥农药减施增效、秸秆综合利用、农业控水管理等技术措施和行动方案^[20]。目前关于不同技术的协同作用研究较少，秸秆还田和节水减氮管理下养分投入、作物生长和土壤氮素变化对 N₂O 排放的驱动作用仍不明确，综合分析不同技术对稻田 N₂O 排放的集成效应对农业绿色低碳生产具有指导意义。

水稻植株体是稻田 N₂O 释放到大气中的通道之一，孙会峰等^[21]指出杂交品种与常规品种相比有较低的 N₂O 累积排放量，认为不同水稻品种在生长状态、养分利用率等方面存在差异，而最终影响 N₂O 排放。由此可见，低排放水稻品种可能是减少稻田 N₂O 排放的有效途径之一。本研究采用静态箱-气相色谱法对双季稻不同常规稻、杂交稻品种 N₂O 排放进行监测，同步观测农田环境、土壤矿质氮、植株氮素吸收和产量要素，计算稻田碳、氮、水投入，探究秸秆还田、节水减氮、水稻品种对稻田 N₂O 排放的影响及关键驱动因素，以期为稻田 N₂O 减排提供理论和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本研究于 2020 年在湖北省荆州市国家农业气象试验站（30°21′N，112°9′E）进行田间试验。该试验站地处江汉平原，位于亚热带季风气候区，水热充足。试验田土壤为内陆河湖交替沉积形成的水稻土，质地为粉质中壤。试验前稻田耕作层（0～20 cm）土壤基础理化性质见表1，水稻生长季试验地日平均气温和降水量见图1。试验采用裂区试验设计，主区为 4 种水肥管理：（1）尿素 100%+ 间歇灌溉（U）；（2）尿素 80%+ 秸秆还田 + 间歇灌溉（US+S）；（3）控释尿素 80%+ 秸秆还田 + 间歇灌溉（CRUS+S）；（4）尿素 80%+ 秸秆还田 + 节水灌溉（US+S+SWD）。副区为常规稻和杂交稻。小区面积为 27 m² （6 m×4.5 m），各小区等面积划分为 2 个副区，共 3 次重复。为避免扰动和串肥，各主区间用田埂分隔，并用塑料薄膜覆盖。

1.2 田间管理

供试水稻为江汉平原地区适宜栽种的 4 个籼稻品种，其中早稻品种为常规稻‘中早 59’和杂交稻‘两优 152’，晚稻品种为常规稻‘农香 24’和杂交稻‘隆优 4945’。移栽密度为 21 万穴·hm^-2，每穴 2 株。早稻和晚稻均于水稻移栽前、分蘖期、孕穗期各施肥 3 次。氮肥包括尿素（N 46%）、水稻专用防漂浮树脂包膜控释尿素（N 42%），常规施用量为 N 180 kg·hm^-2，鉴于包膜控释尿素养分释放的长效性，仅施用基肥和分蘖肥，具体氮肥施用方案见表2；磷肥（P₂O₅ 12%）作为基肥一次性施入，用量为 P₂O₅ 60 kg·hm^-2；钾肥（K₂O 60%） 施用量为 K₂O 90 kg·hm^-2，基肥、分蘖肥和穗肥按 2∶1∶3 比例施入。根据当年秸秆产量且为保持单一变量，早稻和晚稻秸秆还田量均为 4500 kg·hm^-2。2019 年晚稻秸秆收获后粉碎覆盖还田，于次年早稻移栽前泡田旋耕，秸秆碳和氮含量分别为 43.1%、0.88%。晚稻季秸秆来源于当年早稻收获粉碎后直接旋耕还田，秸秆碳和氮含量分别为 42.5%、0.96%。本试验包含 2 种灌溉模式，分别为：（1）间歇灌溉。主要特征为返青至分蘖期保持 2～6 cm 的水层，分蘖后期晒田 5～7 d，拔节至灌浆期干湿交替，建立水层 3～4 cm 至 0 cm 湿润状态（土壤饱和含水率的 100%）后再灌溉，成熟期自然落干。（2）节水灌溉。在间歇灌溉基础上进一步控制用水量和落干程度，技术特点为返青至分蘖期保持浅水干湿交替，建立水层 2～4 cm 至落干（土壤饱和含水率的 80%）后再灌溉，分蘖后期晒田 5～7 d，拔节至灌浆期干湿交替，建立水层 1～2 cm 至落干（土壤饱和含水率的 80%）后再灌溉，抽穗扬花需水关键期保持有水层或湿润，成熟期自然落干。每次灌溉后记录水层深度变化，以此估算灌溉用水量。水稻病虫草害防治根据当地耕作习惯统一进行。

1.3 项目测定与方法

采用静态箱-气相色谱法监测稻田 N₂O 排放通量。双季稻生长季内于上午 9：00—11：00 进行气体采集，罩箱时间持续 30 min，分别在第 0、 10、20、30 min 采集气体，采样频率为晒田前间隔 3～4 d 一次，晒田期间隔 2 d 一次，晒田后间隔 5～6 d 一次。通过气相色谱仪（Agilent 7890A， USA）检测气样中 N₂O 浓度。N₂O 检测使用微电子捕获检测器（mECD），工作温度为 330℃；载气为高纯氮和高纯氢，流速分别为 30 和 50 mL·min^-1。线性拟合同一处理 4 个气样 N₂O 浓度与时间的变化斜率，若拟合度 R² <0.9，则舍弃此次观测值。具体操作方法见参考文献^[22]。由当天实测的排放通量乘以时间可计算出日累积排放量，运用内插加权法可得出季节排放总量。

水稻成熟后，各小区随机选取长势正常的 1 m² 样方水稻测定秸秆生物量和籽粒产量。由于晚稻生长季内遭遇极端低温、连续阴雨和寒露风天气^[23]，导致籽粒绝收，故只观测秸秆生物量。地下根系生物量由于取样观测难度大，采用《2019 年 IPCC 国家温室气体清单指南》中水稻根冠比估算（地下生物量∶地上生物量 =0.16）^[24]，地上生物量即为秸秆和籽粒生物量之和。取籽粒、秸秆和根系样品烘干至恒重后粉碎，用元素分析仪（Costech ECS 4010）测定碳、氮含量，计算稻田根系和秸秆的碳、氮投入量以及水稻植株吸氮量。2020 年早稻碳、氮投入由 2019 年晚稻根系和秸秆生物量计算，晚稻按当年早稻根系和秸秆生物量计算。成熟后各小区采集 0～20 cm 鲜土 3 份，充分混匀后作为代表土样，利用流动分析仪（Seal AA3）测定硝态氮和铵态氮含量，二者之和为土壤矿质氮含量。

1.4 数据处理

单位产量N₂O 排放强度（kg CO₂-eq·kg^-1， YD-N₂O）表示单位产量 N₂O 排放所产生的温室效应，计算公式如下：

$\mathrm{Y}\mathrm{D}-{\mathrm{N}}_2\mathrm{O}=\mathrm{R}-{\mathrm{N}}_2\mathrm{O}\times 298/\text{Yield}$

式中，R-N₂O为N₂O季节累积排放量（kg·hm^-2）；Yield 为水稻产量（kg·hm^-2）；298 为 N₂O 在 100 年时间尺度上相当于等量 CO₂ 增温潜势倍数。晚稻由于没有产量数据，故不进行单位产量 N₂O 排放强度计算。

使用 Excel 2019 和 SPSS 23.0 完成数据计算和统计分析，试验数据均以 3 次重复的平均值表示。对各生长季不同处理进行单因素方差分析，用最小显著性差异法（LSD）进行多重比较，以 P<0.05 作为差异显著的标准。采用多因素方差分析探究品种和处理对 N₂O 排放的单独作用和交互作用。稻田 N₂O 排放主要受碳氮投入、土壤水分状况、土壤可利用氮、作物生长和气象环境等影响。为明确秸秆还田和水氮管理下影响稻田 N₂O 排放的主要因素，将可计量的总氮投入、化肥氮投入、有机氮投入（秸秆和根系）、总碳投入（秸秆和根系）、灌溉用水量、土壤矿质氮含量、植株吸氮量、水稻生长季平均气温、累积降水量作为变量，采用 R 统计软件包的增强回归树模型（BRT）预测 N₂O 排放，厘清不同变量的贡献程度。BRT 模型中定义学习率为 0.01，树复杂度为 5，包分数为 0.5，交叉验证为 10^[25]。基于 BRT 筛选的主导变量，构建多元线性回归方程，量化其与 N₂O 排放的关系。

2 结果与分析

2.1 N₂O 季节排放通量

不同处理下 N₂O排放呈现出相似的季节规律（图2、图3）。整个生育期内，晒田期出现高排放峰，施肥和复水措施后出现较小排放峰，在成熟期趋近零排放。不同处理下最大排放峰值均出现于 US+S+SWD 处理，峰值变化范围为 0.84～1.75 mg·m^-2·h^-1，常规早稻和晚稻排放峰值均大于杂交稻。U、US+S、CRUS+S 处理 N₂O排放通量变化趋势相近，其平均排放通量变化范围为 0.06～0.13 mg·m^-2·h^-1，以常规早稻 U 处理最大。

2.2 N₂O 累积排放量

N₂O排放主要集中于晒田期和干湿交替阶段，其中早稻晒田期排放量占总排放量的 31.1%～58.9%，晚稻晒田期占比 46.5%～74.3% （表3）。US+S+SWD 处理排放量在前期淹水和中期排水阶段显著高于 US+S 处理 41.3%～349.5% 和 63.1%～441.8%，且显著高于其他处理晒田阶段排放量。不同处理间 N₂O 排放存在极显著差异 （表4）。除杂交晚稻 CRUS+S 外，US+S 和 CRUS+S 处理较U处理显著降低N₂O 排放量 31.9%～49.4%，而 US+S 和 CRUS+S 处理排放量无显著差异；相比 US+S，CRUS+S 处理可增加双季稻 N₂O 排放量 4.0%～44.3%（除常规早稻外），但均未达到显著差异；US+S+SWD 处理显著提高了稻田 N₂O 的排放量 114.8%～186.4%，以常规早稻增幅最大。品种对早稻 N₂O 累积排放量有显著影响，但品种与处理间无显著交互作用（表4）。

注：F：淹水状态；M：中期晒田；W：干湿交替；D：自然落干；虚线箭头表示施肥。下同。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。F：淹水状态；D：自然落干；W：干湿交替；M：中期晒田。

2.3 产量和单位产量 N₂O 排放强度

不同处理下地上生物量和籽粒产量无显著差异（表5），杂交稻地上生物量和籽粒产量均略大于常规稻。早稻季内以 CRUS+S 产量最高， US+S+SWD 最低，CRUS+S 相比 US+S 略提高早稻产量 9.7%～11.7%（P>0.05）；晚稻季内以 CRUS+S 地上生物量最高，U 最低。单位产量 N₂O排放强度为 US+S+SWD>U>US+S>CRUS+S，其中 US+S+SWD 处理显著高于其他处理 60.7%～246.9%。相比 U，US+S 和 CRUS+S 处理显著降低早稻单位产量 N₂O 排放强度，其中常规稻减幅为 33.2%～44.0%，杂交稻减幅为 29.8%～33.8%，US+S 和 CRUS+S 处理之间无显著差异；相比 US+S，US+S+SWD 处理显著提高了早稻 N₂O 排放强度 129.1%～190.8%，常规稻增幅大于杂交稻。

注：“—”表示未测定。

2.4 秸秆还田和节水减氮下影响 N₂O 排放的主控因素

相比 US+S 处理，施用控释尿素显著提高早稻和晚稻土壤矿质氮含量 44.5% 和 46.9%（表6）。相比 U 处理，秸秆还田分别显著增加碳投入 332.5% 和氮投入 3.1%，其中有机氮显著提高 350.8%。杂交稻吸氮量大于常规早稻和晚稻 12.2% 和 16.4%，节水灌溉处理可节约灌溉水 28.1%，全生育期早稻气温和降水量分别高于晚稻 7.8% 和 113.1%。BRT 模型预测灌溉量、植株吸氮量、碳投入、氮投入以及矿质氮是影响双季稻 N₂O 排放的主要影响因子 （图4 A），相对影响分别占 41.8%、17.9%、17.5%、 13.3%、8.3%（ 图4 A）；BRT 模型可解释 99% 的 N₂O 排放变化（图4 B）。逐步回归模型可解释 65% 的 N₂O 排放变化，且矿质氮和氮投入对双季稻 N₂O 排放均表现为正向作用，其中矿质氮达到显著水平，吸氮量、碳投入和灌溉量表现为负向作用，其中灌溉量达到极显著水平（表7）。

注：* 各处理化学氮投入见表2，地上生物量见表5。不同小写字母表示同一品种下不同处理间差异显著（P<0.05）。

注：MN：矿质氮；NU：吸氮量；N：氮投入；C：碳投入；I：灌溉量； * 表示 P ≤ 0.05，** 表示 P ≤ 0.01。

3 讨论与结论

土壤 N₂O 主要产生于硝化和反硝化作用，土壤矿质氮含量及作物吸氮量会影响土壤中硝化和反硝化作用的基质供应^[17]。氮肥施入可以提供丰富的土壤矿质氮，进而促进稻田 N₂O 产生和排放。本试验中施肥后稻田出现不同程度的 N₂O 排放峰。氮投入量对稻田 N₂O 排放呈 13.3% 的正向作用，降低氮肥施用量可以显著减少稻田 N₂O 排放量^[26-27]。秸秆作为有机肥还田后可以为稻田提供大量易分解的碳氮源^[28]。本研究表明碳投入对稻田 N₂O 排放会产生相对贡献率 17.5% 的抑制作用。前人关于无机氮肥和秸秆还田对 N₂O 排放的影响研究存在差异，Zou 等^[29] 认为无机氮结合秸秆还田会显著降低 N₂O 排放，亦有研究认为两者互作对N₂O没有显著影响^[30]。本试验结果表明氮肥减量下秸秆还田会使常规稻 N₂O 显著减少 32.0%～49.4%，杂交稻减排 14.4%～40.7%，这主要是因为化肥氮减量 20% 部分由秸秆氮投入得到补充，而秸秆还田引起大量的碳投入会在一定程度上抑制 N₂O 排放。这主要因为 N₂O 排放与作物秸秆 C/N 有密切联系，矿质氮的有效性会随 C/N 的增加而降低^[31]，即高 C/N 秸秆还田会降低土壤矿质氮有效性。水稻秸秆 C/N 为 40～50，而氮肥减量下秸秆还田进一步提高土壤 C/N，降低稻田硝化和反硝化反应底物含量，从而降低了 N₂O 排放^[17]。不同的无机氮肥种类对 N₂O 排放影响存在一定差异。尿素经过水解可以为稻田提供大量的 NH₄ ⁺ 而促进硝化作用产生 N₂O。控释尿素具有持续缓慢释放氮素水解产生 NH₄ ⁺ 的特性，可以满足水稻不同生育期的氮素营养需求，避免造成土壤无机氮素过剩现象，但控释尿素对稻田 N₂O 排放的影响存在争议^[32]。有研究表明控释尿素较普通尿素可以有效降低 N₂O 排放^[14]，但亦有研究认为两者差异不显著^[33]。本试验结果发现秸秆还田下减量施用控释尿素较 U 处理可以有效减少 N₂O 排放 14.4%～40.9%，这主要归结于碳投入对 N₂O 排放的相对影响率大于矿质氮含量，秸秆还田提供大量有机碳从而抑制了 N₂O 的排放。但相比秸秆还田下减量施用普通尿素，CRUS+S 处理可引起双季稻 N₂O 排放量增加 4.0%～44.3%（除常规早稻外）。这是由于控释尿素具有养分缓释性，可以有效延长土壤矿质氮供应时间，并且氮肥的添加有助于秸秆还田后有机氮的分解，从而显著提高了土壤矿质氮含量 46.3%，为硝化和反硝化作用提供大量的底物，从而促进 N₂O 排放。此外，控释尿素缓慢释放的养分在晒田阶段能使土壤保持较高的 NH₄ ⁺ 浓度，促进了硝化作用，而复水时积累了较多的硝态氮，为反硝化作用提供了底物^[34]。

稻田 N₂O 排放受到土壤水分含量制约，灌溉量对双季稻 N₂O 排放有极显著的抑制作用，贡献率达到 41.8%。当土壤处于持续淹水状态或土壤含水量极低时均不利于硝化和反硝化作用，而当土壤水分发生急剧变化时会促进大量 N₂O 排放^[35-36]，特别是当土壤处于低氧环境或好氧-厌氧条件波动环境非常有利于硝化和反硝化作用^[37]。本试验常规灌溉采用中期晒田和间歇灌溉，各处理下 N₂O 排放主要集中于晒田期和干湿交替初始阶段，且最大排放通量均出现在晒田期。这主要是因为前期淹水状态下有利于反硝化彻底进行，将中间产物 N₂O还原为 N₂，减少了 N₂O 的排放；中期晒田土壤水分状况骤变，从还原态转变为氧化态，促进淹水期产生的闭蓄态 N₂O 大量排放；干湿交替状态下土壤在还原态和氧化态间不断转变，有利于硝化和反硝化加速作用^[38]。彭世彰等^[39]研究表明土壤含水率大于 80% 饱和含水率时，稻田 N₂O 排放通量随着土壤含水率的增加显著减小，而干湿交替频繁的稻田在脱水过程中均会不同程度地促进 N₂O 排放。相比间歇灌溉，进一步节水灌溉 （US+S+SWD）显著提高了不同品种双季稻的 N₂O 排放量（常规稻增排 179.8%～186.4%，杂交稻增排 114.8%～132.4%），这归因于加大落干程度更有利于硝化和反硝化作用产生 N₂O，同时促进根系活力以及秸秆的有氧降解，为 N₂O 的产生提供更多基质。

氮肥减量、秸秆还田、控水作为我国绿色农业主推技术，研究其减排效果需保证水稻的稳产高产。本试验中各处理产量无显著差异，氮肥减量下秸秆还田可以实现稳产的同时显著降低单位产量 N₂O 排放强度，控释尿素减量较普通尿素减量使早稻产量增长 9.7%～11.7%，但差异不显著，单位产量 N₂O 排放强度无显著差异。秸秆还田总体上可以补充氮肥减量 20% 的养分^[40]，提供丰富的营养元素，同时与无机氮肥协同耦合实现稳产减排作用。而控释尿素释放养分速率可以与水稻氮素需求相吻合，使肥效充分发挥而促进产量形成。因此随着秸秆还田比例的增加，水稻生产过程中可以适当减少无机氮肥的施用，提高氮肥利用率的同时实现土壤培肥和 N₂O 减排。CH₄ 和 N₂O 排放存在“此消彼长”的关系，间歇灌溉等节水灌溉措施作为稻田 CH₄ 有效减排技术已得到广泛应用，但相比间歇灌溉，节水灌溉虽然可以保证水稻正常生长发育需求而实现稳产，但是显著提高了单位产量 N₂O 排放强度。以往研究表明水稻品种不是影响 N₂O 排放的重要因素，但水稻植株对土壤通气状况、生理结构、根系分泌物及氮素养分利用率等因素影响差异可造成稻田 N₂O 排放的季节变化^{[17，21，41]}。一般认为杂交水稻较常规稻有较低的 N₂O 累积排放量，这与本试验结果一致。研究表明杂交稻生物量略大于常规稻，对氮素的吸收量高于常规稻 14.3%，使得提供给土壤微生物的氮素相对减少，从而降低了双季稻 N₂O 排放量。综上，灌溉量、碳氮投入和吸氮量是调控稻田 N₂O 排放的主导因子，秸秆还田搭配减氮 20% 有助于降低稻田 N₂O 排放，但并不能抵消节水灌溉导致的 N₂O 增长。在未来水稻生产中需合理利用秸秆资源，在秸秆全量还田情况下可适当减少化学氮肥用量，有助于降低稻田 N₂O 排放并维持稳定产量。

参考文献