水稻作为我国重要的粮食作物，其种植面积广、产量高，但近年来为追求粮食产量而将大量化肥施入稻田，氮肥的增产效应逐年下降^[1-2]。据统计，1995— 2016年，我国水稻产量从6024 kg·hm^-2增长到6861 kg·hm^-2，涨幅为13.8%；而稻田单季氮肥（纯N）平均施用量由145 kg·hm^-2提高到225 kg·hm^-2，增涨了55.1%^[3-4]；长期过量施用化学氮肥会降低肥料利用率，加剧农业面源污染现状。如何在减少化肥施用量的同时保证水稻产量已成为研究的热点，且已有相关研究结果表明，化肥减量配施有机肥能够促进水稻增产、提高氮素利用效率^[5]，但有机肥的施用会增加稻田温室气体的排放总量，且不同种类有机肥的效果存在较大差异^[6]。

稻田是温室气体的主要排放源，每年大气中约有20%的CH₄、8%的CO₂及11%的N₂O源于稻田，且受肥料的施用、水分管理措施影响较大^[7]。在施氮量相同的前提下施用有机肥会引起稻田CH₄、CO₂排放总量的增加，而N₂O排放的变化因有机肥的种类不同而有较大差异，因此不同种类有机肥对稻田温室气体排放增量的影响也不尽相同^[8]。有机肥对稻田温室气体排放的影响需综合考虑CH₄、CO₂和N₂O三种主要温室气体，且保证水稻产量，是实现稻田温室气体减排的关键。本试验研究化肥减量配施不同种类有机肥对早稻田CH₄、CO₂和N₂O的排放动态及早稻不同生长阶段累积排放量的影响，比较不同施肥措施下的全球增温潜势（GWP）及单位产量的全球增温潜势（GHGI），以期为科学评价化肥减量配施有机肥措施对早稻生产及稻田温室气体排放的影响提供依据。

1 材料与方法 1.1 试验地点

本试验于2017年4—7月在湖南农业大学长期定位施肥试验基地进行，该基地位于湖南省长沙市浏阳市永和镇花园村（113°49′E，28°19′N）。该地区年平均降雨量为1 488.56 mm，且季节分配不均，主要集中分布在7—8月，年日照时长2 389.6 h，年平均气温15.9 ℃；早稻季平均气温为23.7 ℃。供试土壤为河流冲积物发育的潮泥土，试验地原始土壤（耕层0~20 cm）基本理化性质：pH值5.61，有机质含量16.62 g· kg^-1，全氮含量1.21 g·kg^-1，全磷含量0.54 g·kg^-1，全钾含量11.51 g·kg^-1，碱解氮含量48.93 mg·kg^-1，有效磷含量21.25 mg·kg^-1，速效钾含量155.7 mg·kg^-1。

1.2 供试材料

供试水稻（Oryza sativa L.）品种为中早39。供试的新鲜猪粪、沼渣沼液、紫云英绿肥收集于试验区农户家；猪粪堆肥为强湘牌精制有机堆肥；化肥为尿素（N≥46.4%）、过磷酸钙（P₂O₅≥12.0%）和氯化钾（K₂O≥ 60.0%）。供试有机肥理化性质如表 1所示。

1.3 试验设计

试验设置6个处理，分别为不施氮肥处理（WN）、当地常规施肥处理（CF）、化肥减量配施鲜猪粪肥处理（PF）、化肥减量配施猪粪堆肥处理（DF）、化肥减量配施沼渣沼液肥处理（BF）和化肥减量配施紫云英绿肥（GF）处理，各处理设3次重复，按随机区组排列，小区面积为20 m²。其中常规施肥处理N、P₂O₅、K₂O用量分别为150、72、90 kg·hm^-2；各配施有机肥处理化肥氮素施用量为96 kg·hm^-2，有机氮施用量为24 kg· hm^-2，磷、钾肥不足部分用过磷酸钙和氯化钾补齐。有机肥及化学磷肥作基肥一次性均匀施入田中；化学氮肥、钾肥以总施用量的60%作基肥、40%作分蘖肥。

水稻种植密度为23 cm×24 cm，每穴2~3株秧苗，4月25日施入基肥，4月28日移栽，5月4日追肥，7月19日收获。其中5月20—29日为烤田期，6月2日—7月5日为干湿交替，7月5日后自然落干，其余时间稻田处于淹水状态。按常规生产管理，收获后测定各小区水稻籽粒产量。

1.4 气体采集与分析

温室气体采集及测定采用静态暗箱-气相色谱法。采样箱为不锈钢材料（55 cm×55 cm×100 cm），外覆隔热泡沫板以防止采样期间箱内温度变化过大。采样箱底座尺寸为55 cm×55 cm×15 cm，每小区分配一个底座并长期埋于田间；每个底座内有9株水稻植株。采样时保证凹槽有水密封，箱体顶部安置一个12 V小风扇以充分混合箱内气体，每次采样时记录箱内温度变化情况。水稻生育期内每次施肥后的第1、2、3、5、7 d连续采样，之后每隔7 d采样一次，如遇下雨天则采样日期向后顺延。采样时间为早上8：00— 11：00，在扣上采样箱后的第0、15、30 min用手持抽气泵采集100 mL气体收集于铝箔采样袋中，密封恒温保存。CH₄、N₂O、CO₂浓度采用气相色谱（Clarus 580）同步测定，其中CH₄、CO₂用FID检测器测定，N₂O用ECD检测器测定。各种气体的排放通量及累积排放通量的计算公式^[8]如下：

(1)

式中：F为气体排放通量，mg·m^-2·h^-1；ρ为标准状态下气体的密度，kg·m^-3；h为采样箱的净高度，m；dc/dt为单位时间内采样箱内气体的浓度变化率；273为气态方程常数；T为采样过程中采样箱内的平均温，℃。

(2)

式中：C为累积排放通量，mg·m^-2；F为温室气体排放通量；i为第几次监测；t_i+1-t_i为两次监测间隔的时间，d；n为监测的总次数。

根据100 a尺度范围内CH₄和N₂O的全球增温潜势分别为CO₂的25倍和298倍，计算不同处理稻田排放CH₄、CO₂和N₂O的全球增温潜势（GWP，kg CO₂· hm^-2）及温室气体排放强度（GHGI，即单位产量的GWP，kg CO₂·kg^-1），综合评价稻田排放3种温室气体产生温室效应的总和。具体计算公式（IPCC，2007）如下：

(3)

式中：f_CH4、f_{N2 O}、f_CO2为整个水稻生长季稻田CH₄、N₂O、CO₂的累积排放量，kg CO₂·hm^-2。

(4)

式中：Y为单位面积水稻产量，kg·hm^-2。

1.5 数据分析方法

采用Microsoft excel 2013进行数据计算及图表绘制，利用SPSS 21.0对不同施肥处理间稻田温室气体排放通量的差异显著性进行单因素方差分析，多重比较采用Duncan法。图表中不同小写字母表示差异达到显著水平（P < 0.05），不同大写字母表示差异达到极显著水平（P < 0.01）。

2 结果与分析 2.1 早稻季CH₄排放通量的变化特征

早稻田CH₄排放通量动态变化规律如图 1所示。不同施肥处理CH₄排放通量整体呈现先升高后降低的趋势，动态变化主要出现在移栽后25 d内，且各化肥减量配施有机肥处理均在追肥后出现CH₄排放高峰。进入晒田期后CH₄排放通量显著下降，其平均排放通量较淹水期降低了78.2%左右。晒田结束后，田间复水，但CH₄排放通量仍处于较低水平，直至水稻成熟。不同施肥处理CH₄排放通量在前期差异明显，且施入有机肥的处理明显高于纯化肥处理，其中PF处理在水稻移栽14 d时CH₄排放通量出现峰值，为114.0 mg·m^-2·h^-1。同时，整个早稻季PF处理平均排放通量也最大，达到了39.61 mg·m^-2·h^-1，其次是BF处理为14.96 mg·m^-2·h^-1，而CF、DF、GF、WN处理分别为10.40、11.76、12.33、14.86 mg·m^-2·h^-1。与常规化肥处理相比，配施有机肥会促进稻田CH₄排放，且排放通量的大小和有机肥种类有较大关系。

2.2 早稻季CO₂排放通量的动态变化特征

由图 2可知，不同施肥措施下早稻季CO₂的排放特征整体呈逐渐增高的趋势，水稻移栽直至分蘖期追肥后各处理CO₂排放通量较小，变化幅度仅在48.6~ 195.9 mg·m^-2·h^-1之间；移栽后25 d开始缓慢上升，直至58 d前后达到了早稻季CO₂排放通量的最高峰，且各处理动态变化特征较为一致。其中，PF处理CO₂排放通量一直处于较高水平，波动范围在135.7~1 162.7 mg·m^-2·h^-1之间。各处理CO₂平均排放通量大小顺序依次为PF>BF>DF>CF>GF>WN。除PF处理外，其余配施有机肥处理早稻季CO₂平均排放通量较CF处理差异不显著，但均表现出明显的动态变化特征，变化范围在-2.54%~7.82%之间。

2.3 早稻季N₂O排放通量的动态变化特征

由图 3可知，整个早稻生长季N₂O排放通量的动态变化特征不同于CH₄和CO₂。在稻田进入晒田期后各处理均出现排放高峰，随后逐渐下降直至趋于平缓。WN处理N₂O平均排放通量最低，仅为1.08 mg· m^-2·h^-1；PF、DF处理N₂O平均排放通量较CF处理分别下降了9.53%和15.57%，而GF、BF处理较CF处理分别增加了2.04%和0.51%。各处理N₂O平均排放通量大小顺序依次为GF>BF>CF>PF>DF>WN，可见氮肥的施入增加了稻田N₂O的平均排放量，而有机肥对其的影响因种类不同而规律不同。

2.4 早稻季CH₄、CO₂、N₂O累积排放量

为进一步明确不同化学减氮配施有机肥处理对早稻不同生育期稻田CH₄、CO₂和N₂O排放量的影响，将早稻生长期划分为秧苗移栽至有效分蘖末期（Ⅰ）、有效分蘖末期至拔节期（Ⅱ）、拔节期至抽穗期（Ⅲ）、抽穗期至成熟期（Ⅳ）4个生长阶段，比较早稻各生育阶段不同处理间CH₄、CO₂和N₂O累积排放量的差异，见图 4。

由图 4A可以看出，稻田CH₄排放主要集中在水稻有效分蘖末期至拔节期，占水稻全生育期CH₄累积排放量的40.3%~59.1%，其次是水稻秧苗移栽至有效分蘖末期及拔节期至抽穗期，占水稻全生育期的比例为33.7%~40.8%，而水稻抽穗期至成熟期CH₄累积排放量则相对较小，占水稻全生育期的10.0%左右；其中PF处理在水稻抽穗期前各生长阶段CH₄累积排放量较其余处理均处于较高水平，而DF处理虽促进了稻田CH₄的排放，但较CF而言在早稻季各生长阶段的差异并不显著。从图 4B看出稻田CO₂排放主要集中在水稻抽穗期至成熟期，占水稻全生育期的比例为47.4%~63.0%，而水稻秧苗期至分蘖末期CO₂累积排放量较小，只占总排放量的5.53%~8.15%，且各处理仅在水稻抽穗期至成熟期CO₂累积排放量间的差异达到了显著性水平。图 4C为各阶段稻田N₂O累积排放量，N₂O的排放主要在水稻生长的有效分蘖末期至拔节期及拔节期至抽穗期两个阶段，占水稻全生育期的69.57%~78.95%，即晒田期及干湿交替的水分落干期，且各处理间差异较大。

综合考虑3种温室气体在早稻季全生育期的累积排放量（图 5），CO₂为稻田排放的主要温室气体，占总排放量的比例高达96.23%~97.90%，配施有机肥处理均促进了稻田CH₄和CO₂的排放，但仅PF处理CH₄和CO₂的累积排放量与WN、CF处理间的差异达到了显著水平。而不同处理N₂O的累积排放量因肥料的种类不同而有较大差别，表现为GF>BF>CF>DF>PF> WN，其中PF、DF处理较CF处理分别下降了7.09%和4.90%。

2.5 早稻田温室气体的综合温室效应

由表 2可以看出，稻田N₂O累积排放量虽少，但折算为CO₂当量后相对于CH₄和CO₂而言其对温室效应的贡献较大；其中以不施肥处理稻田综合增温潜势最低，施用化肥或有机肥均可导致稻田排放气体GWP值的增加，各处理的高低顺序依次为PF>BF>GF> DF>CF>WN。PF、BF、GF、DF处理的GWP值较CF处理分别增加了59.58%、23.22%、16.75%、5.00%。结合稻谷产量数据来看，配施有机肥各处理产量均高于CF处理，且以DF处理产量最高，较CF处理提高了12.10%。进一步计算各处理的GHGI值，大小顺序依次为PF>BF>GF>CF>WN>DF，其中只有PF处理极显著高于WN和CF处理，其他配施有机肥处理与CF处理间差异不显著，尤其是DF处理与其余有机肥处理相比降幅最大。因此，化肥减量配施有机肥不仅可促进稻谷产量的提高，而且不会造成温室气体排放强度的增加；尤其是DF处理的温室气体排放强度最低。

3 讨论

稻田生态系统CH₄、CO₂和N₂O的排放受肥料种类、水分管理等农业管理措施的复杂影响，是土壤、水稻及温度等其他环境因素共同作用的结果。

CH₄的产生是严格厌氧条件下产CH₄细菌作用于产CH₄底物的结果，本试验中，各处理在稻田淹水、施肥后均出现明显的CH₄排放峰，后期逐渐降低并趋于稳定。这是因为稻田淹水后土壤处于厌氧环境，从而促进了CH₄产生，但土壤中高浓度CH₄又促进了甲烷氧化菌的生长，使滞留在土壤中尚未排放的CH₄被氧化，所以后期的排放量降低^[9]。从CH₄累积排放量可以看出，与常规施肥相比，有机肥的施入促进了早稻田CH₄的排放，与多数研究结果一致，其主要原因是有机肥不仅为产甲烷菌提供丰富的产CH₄基质，还进一步降低了土壤的氧化还原电位，有利于CH₄的大量产生^[10-12]。试验结果的统计分析结果表明，各配施有机肥处理虽促进了早稻田CH₄的排放，但与常规施肥相比，仅化肥减量配施鲜猪粪处理的CH₄累积排放量的增加达到了5%显著性水平。说明适宜的配施有机肥措施不会造成稻田CH₄排放显著增加。

稻田CO₂的排放由土壤呼吸和水稻植株呼吸两部分构成，其排放通量主要由植株生长阶段、环境温度等条件综合决定。水稻移栽初期，植株幼小、呼吸作用较弱；随着水稻生长的进行，尤其是进入拔节期后，整个系统的呼吸作用明显增强，故CO₂排放通量也逐渐升高。但与其他研究结果相比，本试验中稻田CO₂排放高峰出现较晚，这可能是水稻移栽后45 d遭遇连续强降雨引起的环境温度降低及早稻生长受限所导致的^[13]。施用化肥或配施有机肥均促进了稻田CO₂的排放，这与刘红江、李成芳等的研究结果相同^[14-15]，其原因可能是与施肥影响了稻株生长活力及土壤微生物活性有关^[16-17]。尤其是有机肥的施用，增加土壤碳源的同时促进了土壤有效氮素的积累，进而促进了土壤微生物活性的提高和水稻植株的生长，从而增加了稻田CO₂的排放^[18]。

N₂O是土壤硝化、反硝化过程的中间产物，其排放动态主要受到施肥和土壤水分状况等因素的影响。从早稻田N₂O排放通量的变化规律可以看出，各处理在水稻晒田期出现N₂O的排放峰值，这是因为在稻田处于淹水状态时，土壤的低氧和厌氧状态使好氧的硝化作用受到抑制，且水层阻碍了N₂O向大气扩散，同时更有利于反硝化作用中产生的N₂O彻底还原为N₂^[19-20]，中期排水晒田时土壤转变为有氧状态，促进了硝化过程的进行，也抑制了反硝化作用中N₂O还原为最终产物N₂，故出现了N₂O排放高峰；但一周后随着稻田复水，N₂O排放再次降低并趋于稳定。从早稻田N₂O累积排放量可以看出，施用新鲜猪粪和猪粪堆肥处理N₂O排放低于常规施肥处理。施用有机肥影响稻田N₂O排放的作用机制可能主要有以下两个方面：一是有机物料的分解进一步消耗土壤中的氧气，从而减少了N₂O的产生^[21]；二是有机肥的施用给土壤输入了丰富的有机碳源，在腐解过程中会对氧化亚氮还原酶活性产生影响，C/N升高后，碳源相对“过剩”，可能会消耗部分NO₃^-作为氮源，进而使反硝化作用中的电子受体NO₃^-相对减少，从而还原产生的N₂O量减少^[22-24]。因此，合理选择有机肥种类可有效降低施肥对稻田土壤N₂O排放带来的不利影响，但硝化作用与反硝化作用共同作用下的N₂O排放过程是极其复杂的，还值得进一步深入研究。

综上所述，与常规化肥处理相比，配施有机肥会增加CH₄、CO₂的排放量，但可以降低稻田N₂O的排放量。要衡量不同施肥措施下稻田生态系统温室气体排放对温室效应的作用还需综合考虑这3种主要温室气体的整体作用。各处理稻田排放温室气体的增温潜势（GWP）及温室气体排放强度（GHGI）的计算结果表明配施有机肥可导致GWP的增加，但也带来了明显的增产效果，因此并不一定造成GHGI值的提高。其中，配施猪粪堆肥（DF）处理增产效果最明显，GWP与GHGI值的降低幅度最大。因此，应加强堆肥技术的研究，使优质堆肥应用于农业生产，这将会实现经济（农业增产）与环境（消纳畜禽养殖业废弃物、减轻粪污引发的农业面源污染、减排温室气体）效益的双赢。

4 结论

（1）化肥减量配施有机肥会增加稻田CH₄、CO₂的排放，仅配施新鲜猪粪处理的CH₄累积排放量较常规施肥处理间差异达到了显著水平；其余配施有机肥处理的CH₄和CO₂累积排放量较常规施肥处理无显著差异。

（2）有机肥对N₂O排放的影响因有机肥的种类不同而不同，化肥减量配施紫云英绿肥明显增加N₂O的排放，配施新鲜猪粪和配施猪粪堆肥则降低N₂O的排放。

（3）综合考虑CH₄、CO₂和N₂O的全球增温潜势及不同施肥措施下稻田温室气体排放强度，化肥减量配施猪粪堆肥在促进早稻增产的同时降低了稻田生态系统的温室气体排放强度，是本试验中较为合理的施肥措施。