全球气候变暖是人类生存面临的巨大挑战，人们普遍认为温室效应的产生与3种温室气体——二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）排放的增加密切相关^[1]。政府间气候变化委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change-IPCC）第四次评估报告指出，农田土壤是全球温室气体的主要排放源，且以CH₄和N₂O排放为主，约占全球温室气体排放总量的14%，虽然CH₄和N₂O对于温室效应的贡献低于CO₂，仅为14.3%和7.9%^[2]，但CH₄和N₂O在100年尺度上的全球增温潜能（Global warming potential-GWP）远高于CO₂，分别是CO₂的25倍和298倍^[3]。此外，CH₄和N₂O在大气中的浓度正以每年3%和0.22%的速率持续增长^[4]。

我国是水稻生产大国，而稻田是CH₄和N₂O的重要排放源。相关研究表明，水分管理和施肥措施是影响稻田CH₄和N₂O排放的重要因素^[5,6,7,8,9]。近年来，我国水稻种植普遍采用“淹水-中期烤田-淹水”的水分管理模式，这种变化大幅度降低了稻田CH₄的排放通量^[10,11]，但频繁的干湿交替却导致了反硝化过程中间产物N₂O排放强度的剧增^[12,13,14]。涉及稻田施肥措施的多数研究结果认为，稻田施用有机肥会增加稻田温室气体的总排放通量，且不同来源的有机肥和不同的配施方式，其增排效果往往存在较大差异^[15,16,17]。不同施肥条件对稻田温室气体排放的影响是一个综合的效应，由于CO₂、CH₄和N₂O 3种温室气体产生的机制和条件不同，不同施肥条件对3种温室气体排放的影响规律并不一致，往往存在一定的消长关系。因此，如何平衡且降低三者的排放是稻田温室气体减排的关键。本试验以上海郊区稻田为研究对象，采用静态箱-气相色谱监测体系，考察了3种不同施肥条件对稻田3种温室气体排放特征的影响，并综合评价3种施肥条件的全球增温潜能，从而分析不同施肥条件下稻田对全球气候变暖的贡献，以期为稻田温室气体减排提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验时间为2012年6—11月，试验地位于上海市青浦区，采用野外田间原位观测试验。该地区为典型稻作农区，种植制度以稻麦轮作为主。所选试验田自2009年起种植水稻，并维持3种施肥方式不变，进行长期定位试验：无机处理（CT）施用尿素；混施处理（MT）施用80%尿素+20%有机肥（纯氮比）；有机处理（OT）施用有机肥。该地区气候类型为亚热带潮湿型季风气候，年平均气温为15.6 ℃，年平均降雨量为1 178.2 mm，2012年的降雨量为1 145.2 mm。试验地土壤类型为脱潜型水稻土，属重壤土，稻季开始前采集耕层0~20 cm土壤用于理化性质测定，如表 1所示。试验稻田采用移栽种植方式，田间水分管理为传统淹灌+中期烤田，烤田时间为10 d左右。供试水稻为当地常规品种“宝农34”，试验过程中关键农事操作为：6月25日施基肥，6月27日移栽，7月20日第一次追肥，8月2日至13日烤田，8月14日复水并第二次追肥，11月8日水稻收割，其他农田管理措施参照当地习惯。

表 1 耕层土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical characteristics of surface soils

表选项

试验共设4种处理，包括空白对照和3种施肥处理，每种处理3次重复，各试验小区随机排列。3种施肥处理控制总纯氮量相等，施肥水平参照当地农民常规施肥量300 kg N·hm^-2。本试验中所施有机肥含氮量为1.66%，有机质含量51.97%，有机肥均以基肥的方式施入，尿素分为基肥和两次追肥（比例为6∶2∶2）。具体施肥方案如表 2所示，其中空白对照（CK）不施肥。

表 2 不同处理施肥方案（kg N·hm^-2） Table 2 Fertilization schedules for different treatments （kg N·hm^-2）

表选项

CO₂、CH₄和N₂O 3种温室气体（GHGs）的采集与分析测定采用静态箱-气相色谱监测体系进行。采样频率为每周1~2次，当土壤水分（如烤田等）及养分（如追肥等）管理发生明显改变时增加采样频率，为每1~2 d一次，采样时间为每日上午8：00—10：00。采样所使用的静态箱为不透明的方形两段式组合型暗箱，长、宽、高分别为50 cm×50 cm×100（50+50）cm，箱体材料为有机玻璃，外覆铝箔用于反光隔热，箱内安装直径12 cm风扇用于箱内气体混匀，箱体开有气压平衡口、温度探测口和采样口，温度探测口用于采样过程中箱内气体温度测定，采样口和乳胶管及三通阀连接，用于气体样品的采集。样地中埋设回字形不锈钢底座，采样时将静态箱放入底座并用水进行液封，等箱体稳定数分钟后每隔10 min用100 mL医用注射器采集1个气体样品。每次采样共采集5个气样，样品用专用气袋存储并带回实验室对3种温室气体浓度进行分析测定，根据5个气样中3种温室气体浓度随时间的变化就可计算其排放速率，根据其排放速率即可计算出3种温室气体的排放通量。气体样品采用Agilent 6890D气相色谱进行分析测定，在仪器使用前对其进样系统、分析气路和阀驱动系统进行了改造，使其能够同时检测气体样品中的CO₂、CH₄和N₂O，极大提高了检测效率^[18]。CO₂和CH₄采用火焰离子检测器（FID）测定，N₂O采用电子捕获检测器（ECD）测定，温度分别为200 ℃和330 ℃；分离材料为PQ填充柱，柱温为55 ℃；载气为高纯N₂，燃气为H₂，助燃气为空气；标准气体由国家标准物质中心提供。 1.4 数据分析 3种温室气体排放通量采用以下公式计算：

式中：F为温室气体排放通量，mg·m^-2·h^-1或μg·m^-2·h^-1；ρ为标准状态下温室气体密度，CO₂为1.816 kg·m^-3，CH₄为0.714 kg·m^-3，N₂O为1.964 kg·m^-3； H为采样箱高度，m；dC/dt为相应温室气体排放速率，mL·m^-3·h^-1或μL·m^-3·h^-1；T为采样箱内气体温度，℃。

相关研究表明，采样所选时间段（8：00—10：00）所获得的温室气体排放通量可代表其日平均排放通量。根据每次采样所获得的温室气体日平均排放通量即可估算出整个水稻生长季3种温室气体的总排放通量。此外，本研究选取100 a尺度来计算3种GHGs的GWP，计算公式如下：

式中：25和298分别为CH₄和N₂O在100 a尺度上相对于CO₂的GWP倍数。 本试验中数据的处理分析及图表的绘制采用Excel 2010和SPSS 17.0进行，显著性差异检验选择P≤0.05水平进行。 2 结果与讨论 2.1 不同施肥条件下稻田CO₂排放特征

整个水稻生育期，不同施肥处理稻田CO₂排放特征如图 1所示。各处理稻田CO₂排放通量的季节变化规律基本一致，其变化范围为5.2~1 587.3 mg·m^-2·h^-1。在水稻幼苗期及返青期，各处理CO₂排放通量均处于较低水平；进入分蘖期后CO₂排放通量迅速升高，并在拔节期（烤田）达到峰值（1 587.3 mg·m^-2·h^-1），之后缓慢下降；在水稻乳熟排水后稻田CO₂排放通量再次出现峰值（1 304.6 mg·m^-2·h^-1），但低于第一次排放峰；此后，各处理稻田CO₂排放通量缓慢降低，并在水稻收割后稳定在较低水平。整个水稻季，CT、MT和OT 3种施肥处理的CO₂平均排放通量分别为732.9、779.6、738.1 mg·m^-2·h^-1，相互间无显著差异，但均显著高于CK的381.8 mg·m^-2·h^-1（P<0.05）。

图 1 稻田CO2排放动态 Figure 1 Dynamics of CO2 emissions from paddy field under different fertilization

图选项

CO₂是土壤呼吸作用的产物。在水稻移栽初期，水稻根系不稳定，植物呼吸较弱，同时根系分泌物也较少，对土壤微生物活动的促进作用不明显，因此稻田CO₂的排放通量并不高；随着水稻生长进入分蘖期，根系分泌物增加，为微生物提供了充足的营养源，微生物活动的加剧促进了土壤CO₂的排放^[19]；当水稻进入拔节期，水稻的生长速度进一步加快，呼吸作用也明显加强，同时稻田处于烤田期，土壤良好的通气性促进了好氧微生物的活动，整个系统的呼吸作用明显增强^[20,21]，而且8月份较高的气温也是CO₂排放通量升高的主要因素，因此稻田在此时出现CO₂排放峰值；第二次CO₂排放峰的出现也是土壤通气性增加，好氧微生物活动加剧的结果。施肥能显著增加稻田系统CO₂的排放通量，但3种不同施肥条件对稻田CO₂排放特征及通量的影响并无显著差异，可能是稻田CO₂的排放受诸多因素的制约，而不仅仅是施肥。 2.2 不同施肥条件下稻田CH₄排放特征

不同施肥条件下稻田CH₄排放特征如图 2所示。各处理CH₄排放的季节变化规律类似，均在水稻返青之后迅速升高，并在水稻分蘖期出现排放峰值，之后迅速下降；进入烤田期后，各处理稻田基本无CH₄排放；稻田复水后直至水稻成熟收割，各处理CH₄排放一直维持在较低水平。整个水稻季，各处理CH₄排放通量变化范围为-0.5~98.5 mg·m^-2·h^-1。各处理排放峰值差异显著（P<0.05），其中OT处理峰值最高，为98.5 mg·m^-2·h^-1，显著高于其他3种处理；MT处理次之，为50.7 mg·m^-2·h^-1，显著高于其他两种处理；CT和CK处理的CH₄排放峰值分别为21.6、13.8 mg·m^-2·h^-1，二者之间无显著差异。整个水稻生育期，CK、CT、MT和OT 4种处理的CH₄平均排放通量分别为1.3、2.0、5.1、10.0 mg·m^-2·h^-1。

图 2 稻田CH4排放动态 Figure 2 Dynamics of CH4 emissions from paddy field under different fertilization

图选项

稻田CH₄的产生主要是产甲烷菌在厌氧条件下还原土壤有机碳的产物^[22,23]。因此，稻田CH₄的产生主要集中在水稻淹水期。进入烤田期后稻田处于曝气状态，土壤通气良好，氧气充足，使得产甲烷菌的活动受到抑制，同时好氧的甲烷氧化菌开始变得活跃，即使此时产生了少量的CH₄也将被其利用而不会排放到大气中，此时稻田的CH₄排放几乎为零，甚至出现负值，与多数研究结果一致^[24,25]。当稻田复水之后，虽然土壤恢复了厌氧的还原环境，但由于烤田期产甲烷菌的活动被严重抑制，短时间内较难恢复，同时前期产甲烷菌的活跃和水稻的快速生长消耗了大量的土壤有机碳，稻田产生CH₄的底物明显减少，因此稻田复水之后CH₄的排放通量明显降低。不同处理之间稻田CH₄排放的差别则主要来自有机碳投入的不同，由于MT和OT处理施用了不同比例的有机肥，为稻田土壤产甲烷菌的活动提供了充足的原料，因此其CH₄排放显著高于其他处理。 2.3 不同施肥条件下稻田N₂O排放特征

不同施肥条件稻田N₂O排放特征如图 3所示。试验结果表明，稻田N₂O排放与施肥和田间水分管理密切相关。整个水稻生育期，CT和MT处理共出现5次N₂O排放峰值，分别为基肥期、第一次追肥、烤田期、第二次追肥和水稻黄熟排水；而OT处理出现3次N₂O排放峰值，分别在基肥期、稻田复水后及水稻排水黄熟期。各次N₂O排放峰值中以基肥期和烤田期的峰值较高，最高排放峰值出现在烤田期的CT处理中，达458.3 μg·m^-2·h^-1。整个水稻季，CK、CT、MT和OT 4种处理的N₂O平均排放通量分别为5.9、83.6、56.7、25.7 μg·m^-2·h^-1，各处理间均有显著性差异（P<0.05）。

图 3 稻田N2O排放动态 Figure 3 Dynamics of N2O emissions from paddy field under different fertilization

图选项

N₂O是反硝化过程的中间产物，相关研究表明，施肥和田间水分管理是影响稻田系统N₂O排放的关键因素^[26,27,28]。本试验中，3次施肥之后各处理稻田均产生了N₂O排放峰，可能原因是由于施肥为反硝化菌提供了大量氮源，且此时的稻田处于淹水状态，厌氧的还原环境有利于反硝化作用的进行和N₂O的产生。此后，虽然稻田仍处于淹水状态，但N₂O的排放消失。可能原因：一方面是由于土壤中反硝化底物NO-3-N被消耗殆尽，而产生NO-3-N的硝化反应在厌氧环境下被抑制；另一方面则是因为厌氧环境有利于反硝化反应进行完全，产物为N₂，而不会过多的产生中间产物N₂O。在烤田期和水稻黄熟排水后，稻田N₂O排放峰值的出现则跟田间水分管理有关。当稻田水分管理发生变化时，干湿交替的土壤环境有利于硝化反应和反硝化反应同时进行，且此时的反硝化反应常常进行的不完全，有利于中间产物N₂O的产生。不同施肥处理间N₂O排放的显著差异则可能跟氮源的形态有关，施用有机肥所提供的有机态氮可能不利于反硝化菌对于氮的利用。 2.4 稻田温室气体季节排放通量及增温潜能

CO₂、CH₄和N₂O是3种主要的温室气体，稻田系统是其主要的农业排放源之一。整个水稻生育期，各处理3种温室气体的季节排放通量如表 3所示。3种温室气体对温室效应的贡献通常采用“全球增温潜能”（Global Warming Potential-GWP）来作为评价指标。相关研究表明，CH₄和N₂O在100 a尺度上的GWP 分别是CO₂的25倍和298倍，依此计算了各处理3种温室气体的总GWP。根据本研究的试验结果可知，施肥能显著增加稻田CO₂的排放，与CK相比，CT、MT和OT 3种施肥处理分别增加了88.6%、97.9%和91.8%的稻田CO₂排放，但不同施肥条件的影响无显著差异。施用有机肥能显著增加稻田CH₄的排放，同时也能显著降低稻田N₂O的排放，与CT处理相比，施用有机肥的MT和OT处理分别增加了170.7%和475.4%的稻田CH₄排放，同时分别减少了16.5%和50.0%的稻田N₂O排放。整个水稻生育期，不同施肥处理的稻田总GWP为OT处理最高，MT处理次之，CT处理最低，3种施肥处理间差异显著且均显著高于不施肥的CK。与不施肥的CK相比，CT、MT和OT 3种施肥处理分别增加了86.9%、111.5%和134.3%的稻田GWP；与施用尿素的CT处理相比，施用有机肥的MT和OT处理则分别增加了13.2%和25.3%的稻田GWP。由此可知，施肥会增加稻田系统对全球气候变暖的贡献，而施用有机肥的增温潜能更高。

表 3 稻田温室气体季节排放通量及增温潜能（kg·hm^-2） Table 3 Seasonal GHG fluxes and global warming potential（GWP） for rice season（kg·hm^-2）

表选项

（1）施肥会显著增加稻田系统CO₂排放潜能，但不同施肥条件对稻田CO₂排放的影响无显著差异。

（2）施用有机肥能显著增加稻田系统CH₄的排放潜能，但同时也能显著降低N₂O的排放潜能。

（3）施肥是影响稻田系统GHGs排放的关键因素。稻田施肥会增加稻田系统的GHGs排放和全球增温潜能，增施有机肥的施肥方式对全球气候变暖的贡献高于传统的无机施肥方式。