近年来，随着人类活动和自然变化的共同影响，全球气候变暖问题不仅引起了科学界的高度关注，也成为人们越来越关心的社会问题^[1]。据相关分析报道，人类活动可能是导致全球气温升高的主要原因之一^{[2, 3]}。世界气象组织观测数据表明^[4]，大气生态系统中甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的平均摩尔分数在2012年达到新高，其浓度值分别为（1819±1）×10^-9和（325.1±0.1）×10^-9，且分别为工业化前水平的260%和120%。CH₄和N₂O作为温室气体的重要组成部分，对人为温室效应的贡献分别为15%和5%，且目前这两种气体正分别以每年1.1%和0.3%的速率增长^[5]。水稻种植是人为活动过程中温室气体（CH₄和N₂O）的主要排放源之一^[6]。我国水稻种植面积为28.6×10⁶ hm²，约为世界稻田面积的20%^[7]。目前有关稻田温室气体排放的相关研究较多，主要集中在我国长江中下游地区，尤其在稻麦轮作制度下不同农艺措施对减少农田土壤温室气体排放相关研究^{[8, 9, 10]}，而有关华南地区稻田温室气体排放及其增温潜势的研究较少。因此，本文阐述了华南地区稻田土壤温室气体排放特征，通过探寻不同施肥模式下温室气体排放强度，为综合减缓农业领域温室气体减排提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 试验设计

大田试验于2012年3月至2013年7月在广州市白云区钟落潭镇进行。该地区属于亚热带海洋性季风气候，全年平均气温22.5 ℃，年温差15~17 ℃，年平均降水量1517 mm，年平均相对湿度77%。土壤基本理化性质为有机质24.2 g·kg^-1，pH 5.3，碱解氮 116.9 g·kg^-1，速效磷44 mg·kg^-1，速效钾43.8 mg·kg^-1。当地水稻种植模式为稻-稻连作种植体系，供试水稻品种为粤晶丝苗，试验设置4个处理，分别为：控释BB肥（CBB），其中控释氮与速效氮比例为1∶2，控释尿素由加阳公司提供；稳定性氮肥&甲烷抑制剂（SN），其中甲烷抑制剂为腐植酸与Agrotain（美国KOCH公司提供）；专用肥&有机肥（SM），化肥氮与有机氮按85%和15%比例施用，其中专用肥为水稻专用肥（广州新农科肥业公司生产）；农民习惯施肥（FP），碳铵（35% N）作基肥，尿素（65%N）分3次作返青肥、分蘖肥和孕穗肥施入。小区面积20 m²，小区田埂采用覆膜覆盖以避免小区间串水串肥，随机区组排列，3次重复。各处理氮肥用量均为150 kg N·hm^-2，磷、钾肥分别为过磷酸钙和氯化钾，用量一致，分别为45 kg P₂O₅·hm^-2和127.5 kg K₂O·hm^-2，其中CBB和SN处理氮磷钾肥全部基施，SM和FP处理氮肥按0.35∶0.15∶0.3∶0.2基施及3次追施的比例施入，磷肥全部基施，钾肥基追各半施入。 1.2 样品采集与测定

气体的收集采用静态箱法，收集装置为有机玻璃制造，其长宽高分别为400 mm×400 mm×1000 mm，装置一面安有三通阀，其对应面装有一个12 V风扇。收集气体时开启风扇，分别于罩箱后0、15、30、45 min用医用注射器收集60 mL气体于真空气袋中，随即带回实验室进行分析测定。气体样品采集频率通常为氮肥施用后3~4 d采样1次，其余每7~10 d采样1次。采气时间一般为上午8：30—12：00，采气的同时记录每小区箱内温度、大气温度、5 cm土温及每个小区的水层深度。收集的气体采用意大利产Trace GC2000气相色谱仪进行分析测定，柱温为80 ℃，FID检测器和ECD检测器温度均为300 ℃，载气为高纯氮气（99.99%）。 1.3 数据统计与分析

CH₄和N₂O排放通量计算公式如下^[11]：

F=ρh×（d_c/d_t）×[273/（273+T）×（p/p₀）]

式中：F为CH₄或N₂O的排放通量；ρ为标准状态下的密度；h为水层表面距离箱顶的实际高度；d_c/d_t为采样过程中箱内CH₄或N₂O气体浓度变化率；T为采样时箱内的平均温度；p为采样箱内气压;p₀为标准大气压（该地海拔高度为30 m，气压影响较小，实际计算中忽略气压的影响）。

数据采用SAS 9.0软件和Excel 2007进行方差分析与相关分析。 2 结果与分析 2.1 CH₄排放特征

水稻生育期内降雨量和日平均气温如图 1。不同季节、不同施肥模式下稻田土壤CH₄排放通量差异较大（图 2）。水稻生育期内CH₄排放特征表现为单峰曲线，同一季水稻不同处理CH₄排放峰值和排放峰出现的时间基本一致，而不同季节水稻峰值出现的时间及大小略有差异，其中早稻CH₄排放峰出现的时间大概为水稻移栽30 d之后，而晚稻CH₄排放峰出现的时间为水稻移栽16~23 d（分蘖期），且晚稻CH₄排放峰值明显高于早稻。三季水稻各处理土壤CH₄排放通量范围分别为-0.29~14.83、-6.09~31.54、-0.11~22.87 mg·m^-2·h^-1。

图 1 水稻生长期间气象数据 Figure 1 Meteorological data of experimental site during rice growing seasons

图选项

图 2 不同施肥模式下稻田 CH4 季节排放动态 Figure 2 Dynamics of seasonal CH4 emissions from paddy field under different fertilization patterns

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相同氮肥用量，不同的施肥模式下稻田土壤N₂O排放通量差异较大。由于2012年早稻N₂O检测器故障以致数据不可用，图 3主要分析了2012年晚稻和2013年早稻两季水稻N₂O排放数据。如图所示，各施肥处理在2012年水稻生长周期内并未监测到明显的N₂O排放峰，且N₂O排放通量非常微小（痕量），甚至部分时期还出现N₂O的净吸收，该现象可能受实时的水温状况所影响。在2013年早稻生育期内，ＣＢＢ处理于水稻移栽后14 d出现一个非常明显的排放峰，其峰值为0.585 μg·m^-2·h^-1，而SN和FP处理同样在水稻移栽后14 d时出现一个小排放峰，峰值分别为0.188 μg·m^-2·h^-1和0.221 μg·m^-2·h^-1，之后N₂O排放急剧降低，排放几乎为零。此外，ＳＭ处理在2013年早稻整个生育期内同样未观测到N₂O排放峰。总的来说，稻田N₂O季节排放规律不明显。

图 3 不同施肥模式下稻田 N2O 季节排放动态 Figure 3 Dynamics of seasonal N2O emissions from paddy field under different fertilization patterns

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早晚稻CH₄累积排放规律存在一定的差异。由图 4可知，2012年和2013年早稻CH₄累积排放趋势非常相似，均呈“S型” 曲线。2012年晚稻CH₄累积排放却表现为自水稻移栽后开始直线迅速上升趋势累积增加，直至水稻分蘖盛期（水稻移栽后37~42 d）累积排放放缓，其累积排放趋势呈“直线+平台”曲线，由此可推断晚稻CH₄集中排放时间较早稻早，且排放速率较早稻快。分析比较三季水稻CH₄排放数据可知，虽然处理间CH₄累积排放规律并不完全一致，但其共同点主要体现在，与FP相比，三季水稻SN处理均能够有效降低稻田土壤CH₄的累积排放量，且该降幅在晚稻体现更明显。

图 4 不同施肥模式下水稻 CH4 累积排放情况 Figure 4 Cumulative CH4 emissions from paddy field under different fertilization patterns

图选项

不同季节稻田N₂O累积排放规律并不一致（图 5）。早稻N₂O排放主要集中在水稻生长前期（水稻移栽22 d），随后各处理N₂O排放几乎为零，而晚稻N₂O累积排放则随着生育进程的推进，逐渐缓慢增加。这一现象与稻田CH₄累积排放规律恰相反。尽管稻田N₂O排放量非常微小，但不同施肥处理间N₂O累积排放仍存在着一定的差异性，且早、晚稻规律不一致。

图 5 不同施肥模式下 N2O 累积排放情况 Figure 5 Cumulative N2O emissions from paddy field under different fertilization patterns

图选项

相同氮肥用量条件下，各处理水稻籽粒产量较FP处理差异不显著（表 1）。由三季水稻季节温室气体排放总量和全球增温潜势可知，各处理CH₄季节排放总量范围为91~277 kg·hm^-2，且均以SN处理CH₄季节排放总量最低，与FP处理相比，SN处理均能大幅降低CH₄季节排放总量，降幅分别为34.1%、28.4%和7.7%，而两季水稻各处理N₂O季节排放总量范围为0.200~0.978 kg·hm^-2。由此可知，稻田以N₂O-N形式损失的氮为0.13%~0.65%，且各处理之间N₂O排放量规律不明显。分析计算单位籽粒产量CH₄与N₂O的增温潜势表明，两季水稻各处理仍以SN处理增温潜势值较低。较FP处理相比，单位产量pGWP分别降低了31.0%和17.8%。此外，由该表数据可知，在华南稻-稻连作条件下，CH₄气体是全球增温潜势占主导的贡献气体，其贡献率达97.3%。在本试验条件下，N₂O对全球增温潜势的贡献是相当有限的。

表 1 不同施肥模式下籽粒产量、 CH₄ 与 N₂O 季节排放总量及其温室效应 Table 1 Grain yield，seasonal emissions of CH₄ and N₂O，and greenhouse effects under different fertilization patterns

表选项

稻田土壤CH₄与N₂O气体的排放受诸多因素的影响，主要可以概括为气候因素、土壤因素和人为因素。本试验条件下，三季水稻两种温室气体数据表明，箱内温度与稻田水深的变化对土壤CH₄和N₂O的排放存在一定的影响（表 2）。在水稻生长的适宜环境条件下，箱内温度和稻田水深与稻田CH₄的排放均呈极显著线性正相关关系。温度和水层深度对N₂O排放的影响则与CH₄不一致，温度与N₂O排放之间呈极显著负相关关系，而水层深度对N₂O气体的排放影响差异未达显著水平。

表 2 温度和水深与稻田 CH₄、 N₂O 排放的相关分析 Table 2 Correlationship of temperature and depth of water with CH₄ and N₂O emission in paddy field

表选项

水稻生产是我国乃至世界上最重要的粮食生产之一，稻田是CH₄与N₂O的一个重要来源。影响稻田CH₄和N₂O排放的因素有很多，其中包括土壤质地、pH、土壤水热状况、土壤及大气温度、降雨等关键自然因素和肥料施用、水分管理、耕作措施、秸秆还田等一系列农田管理措施。氮肥品种是影响稻田土壤CH₄和N₂O排放的一个重要因子^[12]。不同肥料品种氮素的释放规律不同，控释肥具有一定的控制氮素释放的作用，同时还能显著降低反硝化作用氮素损失量^[13]。有机无机肥结合施用对稻田温室气体排放及全球升温潜势效果的报道不一致^{[14, 15]}。本试验研究表明，不同氮肥类型对稻田温室气体排放的影响存在一定的差异性，主要表现为稳定性氮肥结合甲烷抑制剂处理能有效降低稻田CH₄季节排放总量，而有机肥与水稻专用肥组合处理较FP处理在一定程度上提高了CH₄季节排放总量，CBB处理对稻田季节CH₄排放的影响规律不明显。由于稻田N₂O排放的痕量性，各处理对稻田N₂O季节排放总量的影响具有一定的不确定性，这可能主要与华南地区降雨较频繁，稻田对人为灌溉的需求相对较少，土壤大多处于淹水湿润状态有关，或是由于本试验监测的不连续性而导致N₂O排放高峰被错失。为准确估算土壤温室气体排放量还有待进一步的研究和完善，通过增加观测点和延长观测时间来消除温室气体排放的时间和空间变异性^[16]。

目前，气候变暖已成为一个典型的全球尺度的环境问题，该问题直接涉及全球经济发展、能源利用甚至政治利益，正成为21世纪全球发展的一个重大国际问题，因此科学家对农业生态系统中CH₄和N₂O气体产生机制、排放特征、影响因子，尤其对其减排调控措施的相关研究愈来越多。Khalil等^[17]研究指出，大颗粒尿素深施，结合使用尿酶抑制剂和硝化抑制剂能够有效减缓由尿素引发的温室气体氮的排放。适宜的氮肥管理（包括正确的氮源、氮肥施用量、施用时间及施用位点）倍受研究者的提倡，同时通过结合适宜的种植和耕作制度实现农业生态与环境发展目标^[18]。近年来大量研究还表明，生物炭能够在某种程度上改变微生物群体的成分和活性，改善作物生产力和改良土壤，减少N₂O的排放，是缓解全球变暖的一个重要策略^{[19, 20]}。本文稳定性氮肥结合甲烷抑制剂处理能够有效降低双季稻田CH₄的排放，但对N₂O的影响不是很明显，可能主要受甲烷抑制剂的调控。值得一提的是，由本试验研究结果可知，CH₄气体是稻田土壤生产的最重要的温室气体，它对稻田全球增温潜势的贡献远大于N₂O气体，其对稻田全球增温潜势的贡献率约为97.3%，该研究结论与前人报道一致^[21]。

此外，前人相关研究表明温度和水深是影响温室气体排放的重要因素^{[22, 23]}，但温度和水层深度对不同温室气体排放的影响存在一些不确定性^{[24, 25]}。Song等^[26]研究表明，N₂O排放水平与水深呈正相关关系，水层深度极大地影响了N₂O排放的年际变化。又有研究报道^[27]，温度的升高能够促使CH₄排放显著增加，但N₂O排放并未增加，该结果与本试验研究结果一致，而N₂O排放则随水位波动而显著增加。本试验研究结果表明箱内温度和稻田水层深度与稻田CH₄的排放呈极显著正相关关系，而温度与N₂O排放的关系则表现为二者呈极显著负相关关系，稻田水层深度与N₂O气体排放无显著相关关系。然而，又有研究认为CH₄与温度的相关性比较差，N₂O与土壤温度相关性较好^[28]。为此，笔者认为，撇开土壤利用类型仅考虑温室气体与温度、土壤水深或湿度的关系是没有最终定论的，也没有实质性的意义。 4 结论

综上分析可知，华南双季稻田土壤温室气体以CH₄排放为主并呈现很好的季节排放规律，N₂O的排放非常痕量，且排放规律不明显。与农民习惯性施肥处理相比，在产量不降低的前提下，稳定性氮肥结合甲烷抑制剂的施用能有效降低稻田温室气体的排放，降低稻田全球增温潜势，从而在一定程度上提高了环境效益和社会效益。因此，结合当地水热条件与温室气体的关系，该施肥模式可作为该区域稻田温室气体减排的一项重要措施。