合理的施肥措施是水稻产量的重要保证，但为了追求高产，在我国双季稻生产实际中存在养分利用率低，损失严重，且氮素通过各种损失途径进入水体和大气环境中从而带来一系列的环境问题^[1,2]。有资料表明，大气中每年有5%~20%的CO₂、15%~30%的CH₄、80%~90%的N₂O 来源于土壤^[3]，而农田土壤是温室气体的重要排放源^[4]。施肥措施是影响土壤温室气体排放的重要因素，稻田土壤温室气体排放的影响主要依赖于肥料类型、施用量以及施用方式等^[5,6,7,8]。有研究表明施肥会使根系周围微生物活性降低，导致土壤CO₂通量下降^[9]，但也有研究表明施肥对农田土壤CO₂排放无明显影响^[10]；氮肥作为稻田土壤N₂O排放的重要来源，其用量与N₂O排放量之间存在线性关系^[11]，即氮肥用量越多N₂O的排放量越大，减量施肥能有效减少土壤温室气体的排放量^[12]。有研究表明肥料种类对温室气体排放也有很大影响，与单施化肥相比，有机无机配施能使稻田氮肥N₂O-N直接排放系数降低45%~80%^[13]，能明显减少N₂O的排放，但有机肥的施用会增加土壤CH₄的排放^[14]，缓控释肥的施用也能有效地减少N₂O的排放^[15]。

本文以我国江西省红壤性双季稻区土壤为研究对象，重点研究了在当地农民习惯施肥的基础上通过氮肥减施、缓释氮肥替代、有机替代、加施微肥等优化施肥措施对稻田土壤主要温室气体排放的影响，为双季稻集约化农区化肥减施增效和减少温室气体排放提供理论依据和技术支撑。 1 材料与方法 1.1 供试土壤

试验地位于江西省农业科学院网室（28°33′53.6″N，115°56′12.4″E），海拔44 m，属亚热带季风性湿润气候，年平均降水量1 680.2 mm，降水量季节分配不均，主要分布在4—6月，累年平均气温17.2 ℃，试验土壤属红壤性水稻土，种植方式为稻-稻连作，耕层（0~20 cm）土壤：pH5.28，有机质23.62 g·kg^-1，全氮1.69 g·kg^-1，碱解氮184.31 mg·kg^-1，速效钾178.33 mg·kg^-1，速效磷44.54 mg·kg^-1，有效硅28.05 mg·kg^-1，有效硫21.14 mg·kg^-1，有效锌3.65 mg·kg^-1。 1.2 供试材料

供试水稻品种：中嘉早17号，属当地主栽品种。

供试肥料：尿素（N 46%）、缓控释氮肥（N 41.8%），过磷酸钙（P₂O₅ 12%）、氯化钾（K₂O 60%）、田娘有机肥（水分含量30.1%，有机质47.8%，N 1.86%，P₂O₅ 3.11%，K₂O 0.85%）、Na₂SiO₃·5H₂O（含SiO2 24%）、ZnSO₄·H₂O（含Zn 36.3%，含S 17.9%）、硫磺粉（含S 99.9%）、绿肥（紫云英 N 0.3%，P₂O₅ 0.11%，K₂O 0.24%）。 1.3 试验设计

盆栽试验设4个处理，每个处理设4次重复。处理分别为农民习惯施肥（FP）、较FP减施20%化肥氮且有机肥替代20%化肥氮（T1）、在T1的基础上增施Si、Zn、S微肥（T2）和在T2基础上采用20%缓释氮肥替代普通化肥氮（T3）。FP处理N、P₂O₅、K₂O施用量分别为330 kg·hm^-2、180 kg·hm^-2、300 kg·hm^-2；T1、T2和T3处理氮磷钾养分投入量相同，N、P₂O₅、K₂O施用量分别为270 kg·hm^-2、180 kg·hm^-2、300 kg·hm^-2，T2和T3加施硅肥、锌肥和硫肥，施用量分别为60 kg·hm^-2、6.9 kg·hm^-2、60 kg·hm^-2，FP处理氮肥基蘖穗肥比例：60-40-0，T1和T2处理氮肥基蘖穗肥比例：40-30-30，T3处理缓释氮肥基施，氮肥基蘖穗肥比例：60-0-40，其余肥料均基施，具体施肥量见表 1。盆栽试验每盆装风干土10 kg，过60目筛，每盆移栽水稻3穴。水稻于2014年4月26日施基肥，4月27日移栽，5月5日施分蘖肥，6月9日施穗肥，7月24日收获。

表 1 不同处理施肥量（g·pot^-1） Table 1 Amount of fertilizers applied to rice in different treatments（g·pot^-1）

表选项

土壤样品分别于作物收获前采集，样品经去除可见的水稻根，过2 mm 筛，放于4 ℃冰箱中冷藏，用于测定土壤微生物量碳、氮。 1.5 气体样品采集

采用密闭式静态箱法收集。采样装置包括箱体和盆体两部分，箱体为不透明的长方体不锈钢箱（30 cm×30 cm×100 cm），顶部内部设一小型风扇，中部设一气密性气体取样口及箱体内温度测定口，盆体为长方体不锈钢（30 cm×30 cm×25 cm），盆顶设有2 cm封闭性水槽，测定前将水槽内注满水并将箱体插入水槽中，形成一个密闭性气体空间。移栽后及施肥后一周每隔1 d采集一次，平常每周采集一次，遇强降雨天气则推迟1 d取样。采样时间为上午08:00—11:00，罩箱后，0、5、10、15 min和20 min后用注射器取60 mL气体注入预先抽真空的玻璃瓶中保存，并同时记录用于计算通量的采样时间和气温。 1.6 测定项目及方法

土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法^[16] 测定，温室气体的浓度采用气相色谱测定。 1.7 气体计算及数据处理方法

（1）土壤温室气体CO₂、CH₄和N₂O排放通量计算公式如下^[17]：

（2）土壤温室气体CO₂、CH₄和N₂O累积排放量= 式中，F_i为各采样期内CO₂、CH₄和N₂O的平均排放通量，D_n为采样期的天数。

数据处理与分析用Excel 2010程序进行数据的相关计算，SPSS 19.0软件进行相关统计分析，Origin 8.6软件进行绘图。 2 结果与分析 2.1 不同施肥措施对稻田土壤温室气体的影响

由图 1可知，不同施肥处理稻田土壤CO₂排放通量变化规律大致相同，变化范围在89.90~1596.97 mg·m^-2·h^-1；水稻移植后基肥与分蘖肥施肥后观察期内各处理CO₂排放通量均较小，在100~300 mg·m^-2·h^-1间变化；分蘖肥观察期后空闲期间各处理CO₂排放通量开始增大，于6月3日（移植后第35 d）达到排放通量的最大值，FP、T1、T2及T3处理排放通量分别达到1 596.97 mg·m^-2·h^-1、1 409.44 mg·m^-2·h^-1、1 506.23 mg·m^-2·h^-1和1 478.96 mg·m^-2·h^-1；穗肥施肥后观察期内各处理CO₂排放通量基本呈逐步上升趋势，在700~1400 mg·m^-2·h^-1间变化；穗肥观察期后空闲期间各处理CO₂排放通量在600~1200 mg·m^-2·h^-1间变化。由表 2可知，基肥施用一周期间CO₂的排放总量T3处理显著高于其他3个处理（P<0.05），T1处理显著低于其他3个处理（P<0.05），FP处理与T2处理间差异不显著；分蘖肥施用一周期间CO₂的排放总量FP处理显著高于其他3个处理（P<0.05），T1处理显著低于其他3个处理（P<0.05），T2处理与T3处理间差异不显著；穗肥施用一周期间CO₂的排放总量四个处理间差异不显著；基追肥期间CO₂的排放总量以穗肥期间排放最多；整个期间各处理CO₂的总排放量的变化范围是14 516. 63~14 962.45 kg·hm^-2，各处理间差异均不显著。

图 1 不同施肥措施下土壤CO2的排放通量 Figure 1 CO2 emission fluxes in rice soil under different treatments

图选项

表 2 不同施肥措施下CO₂、N₂O、CH₄的排放量（kg·hm^-2） Table 2 Emissions of CO₂,N₂O and CH₄ in rice soil under different treatments（kg·hm^-2）

表选项

由图 2可知，不同施肥处理稻田土壤N₂O排放通量变化规律大致相同，变化范围在26.81~765.51 μg·m^-2·h^-1；水稻移植后基肥施肥后观察期内各处理N₂O排放通量逐渐增大但变化范围不大，在26.81~81.35 μg·m^-2·h^-1间；分蘖肥施肥后观察期内各处理N₂O排放通量先减少后增加，变化范围在73.22~329.63 μg·m^-2·h^-1之间；分蘖肥观察期后空闲期间各处理N₂O排放通量逐渐增大，于6月3日（移植后第35 d）达到排放通量中的最大值，FP、T1、T2和T3处理排放通量分别达到765.51 μg·m^-2·h^-1、517.20 μg·m^-2·h^-1、603.49 μg·m^-2·h^-1和366.66 μg·m^-2·h^-1；穗肥施肥后N₂O排放通量先增加后减少，变化范围在71.18~407.97 μg·m^-2·h^-1间；穗肥观察期后空闲期间各处理N₂O排放通量较低且较稳定，在31.64~79.12 μg·m^-2·h^-1间变化。由表 2可知，基肥施用一周期间N₂O的排放总量FP处理显著高于T3处理（P<0.05）；分蘖肥施用一周期间N₂O的排放总量FP处理显著高于其他3个处理（P<0.05），T1、T2和T3处理间差异不显著；穗肥施用一周期间N₂O的排放总量FP处理显著高于其他3个处理，T3处理显著低于T1和T2处理，T1与T2处理间差异不显著；基追肥期间N₂O的排放总量以穗肥期间排放最多；整个期间各处理N₂O的总排放量的变化范围是2.26~4.02 kg·hm^-2，FP处理显著高于其他3个处理（P<0.05），T3处理显著低于T2处理（P<0.05），T1与T2、T3处理间差异不显著（P>0.05）；与FP处理相比，T1、T2和T3处理分别减少了31.72%、27.17%和43.65%；T3比T2低22.83%。

图 2 不同施肥措施下土壤CO2的排放通量 Figure 2 N2O emission fluxes in rice soil under different treatments

图选项

由图 3可知，不同施肥处理稻田土壤CH₄排放通量变化规律大致相同，变化范围在0.17~17.19 mg·m^-2·h^-1；水稻移植后基肥施肥后观察期内各处理CH₄排放通量先逐渐增大后有些微下降，总体变化比较平缓，在0.17~5.60 mg·m^-2·h^-1间变化；分蘖肥施肥后观察期内各处理CH₄排放通量先逐渐增大后减少，于5月9日（移植后第11 d）达到排放通量中的最大值，FP、T1、T2及T3处理排放通量分别达到9.37、16.98、17.19 mg·m^-2·h^-1和15.57 mg·m^-2·h^-1；分蘖肥观察期后空闲期间各处理CH₄排放通量的变化范围在3.15~8.18 mg·m^-2·h^-1间；穗肥施肥后观察期内各处理CH₄排放通量变化较小，在2.09~5.48 mg·m^-2·h^-1间变化；穗肥观察期后空闲期间各处理CH₄排放通量变化最小，在0.25~0.71 mg·m^-2·h^-1间变化。由表 2可知，基肥施用一周期间CH₄的排放总量4个处理间差异不显著；分蘖肥施用一周期间CH₄的排放总量FP处理显著低于其他3个处理（P<0.05）；穗肥施用一周期间CH₄的排放总量FP处理显著高于其他3个处理，T3处理显著高于T1处理，T1处理与T2处理和T2与T3处理间差异不显著；基追肥期间CH₄的排放总量以穗肥期间排放最多；整个期间各处理CH₄的总排放量的变化范围是70.04~85.43 kg·hm^-2，FP处理显著低于T3处理（P<0.05），FP、T1和T2处理间差异不显著（P>0.05），T1、T2、T3处理间差异不显著（P>0.05）；与FP处理相比，T1、T2、T3处理分别高了13.06%、13.90%、21.97%。

图 3 不同施肥措施下土壤CH4的排放通量 Figure 3 CH4 emission fluxes in rice soil under different treatments

图选项

由表 3可知，不同施肥处理土壤微生物量碳（SMBC）含量的变化范围是880.17~1 056.86 mg·kg^-1，与FP处理相比，T1、T2和T3处理分别增加了18.91%、19.30%和20.07%，3个处理SMBC含量均显著高于FP处理（P<0.05），处理间差异均不显著；不同施肥处理土壤微生物量氮（SMBN）含量的变化范围是62.13~81.82 mg·kg^-1，与FP处理相比，T1、T2和T3处理SMBN含量分别增加了28.95%、31.66%和29.96%，3个处理SMBN含量均显著高于FP处理（P<0.05），处理间差异均不显著；4个处理间水稻产量均无显著性差异。

表 3 不同施肥措施下土壤微生物量碳、氮及产量 Table 3 Soil microbial biomass C and N and rice yield under different fertilization treatments

表选项

由表 4可知，稻田土壤CO₂的总排放量与N₂O、CH₄的总排放量和土壤微生物量碳、氮无明显的相关性，N₂O的总排放量与CH₄的总排放量和土壤微生物量碳、氮呈显著的负相关关系（P<0.01），CH₄的总排放量与土壤微生物量碳、氮呈显著的正相关关系（P<0.01），土壤微生物量碳、氮间呈显著的正相关关系（P<0.01）。

表 4 稻田土壤CO₂、N₂O、CH₄总排放量及 土壤微生物量碳、氮的相关性 Table 4 Correlation between CO₂,N₂O and CH₄ emissions, SMBC and SMBN in rice soil

表选项

从稻田土壤CO₂排放通量的变化规律及总排放量可以看出，本文不同施肥处理的CO₂排放通量的变化规律相似且总排放量差异不显著，主要是由于CO₂通量与作物生长有关^[18]，且受植物根系呼吸的影响，而本文的四种施肥处理水稻的生长正常，由此也可以说明本文的减量施肥措施均能满足水稻的正常生长。

从稻田土壤N₂O排放通量的变化规律可以看出，本文不同施肥处理的N₂O排放通量的变化规律相似，在水稻晒田期出现N₂O的排放峰值。从稻田土壤N₂O总排放量可以看出，不同施肥措施总排放量之间存在差异，氮肥不同减施措施均能显著减少N₂O的排放，其原因是N₂O的排放主要受外源C、N素供应水平的制约^[19]，氮肥的减量施用减少了外源氮素的供应，而有机肥的施入增加了外源碳素，增加了土壤有机碳含量，有机碳能够固定土壤速效氮并促进N₂O转化为N2的反硝化过程^[20]，从而减少了N₂O的排放；微肥的施用对稻田土壤N₂O排放的影响甚微；缓释肥部分替代普通氮肥能显著减少N₂O的排放，这与李香兰^[21]、王斌^[15]等的研究结果相同，其原因可能是只有在肥料的氮素释放速率符合作物对氮素的吸收速率时，N₂O的排放才会减少，而缓释肥正是根据作物的需肥特性减缓或促进养分的释放，使养分释放规律与作物养分需求特性相匹配的肥料^[22]，因此能够显著减少稻田土壤N₂O的排放。

从稻田土壤CH₄排放通量的变化规律可以看出，本文不同施肥处理的CH₄排放通量的变化规律相似，在水稻分蘖期出现CH₄的排放峰值。从稻田土壤CH₄总排放量可以看出，不同施肥措施总排放量之间存在差异，有机氮部分替代无机氮措施与农民习惯施肥措施间差异虽未达显著水平，但仍比农民习惯措施高13.06%，说明有机无机配施会增加CH₄的排放，其主要原因是有机肥的施用向土壤中输入了大量的有机碳，且淹水条件下有机肥的分解降低了土壤的氧化还原电位^[23]，促进了稻田土壤CH₄的排放，而本文结果并未有显著增加，可能与有机肥的施用量、种类及试验地的外环境等因素有关；微肥的施用对稻田土壤CH₄排放的影响甚微；缓释氮肥部分替代普通氮肥措施与普通氮肥措施间差异虽不显著，但仍比普通氮肥措施高13.06%，说明缓释肥的施用会增加CH₄的排放，这与易琼^[24]等的研究结果相似，其原因可能是稻田土壤CH₄与N₂O的排放存在一定的互为消长的关系^[15]，根据CH₄与N₂O的排放情况及总排放量的相关性分析也可看出二者之间具有一定的互为消长关系。 3.2 不同施肥措施对土壤微生物量碳、氮的影响

土壤微生物是土壤结构形成的重要生物因素，土壤微生物量是反映土壤微生物活性的重要指标。从土壤微生物碳、氮含量可以看出，与农民习惯施肥相比，氮肥不同减量施用措施能显著提高土壤微生物量碳、氮的含量，其原因主要是与全量化肥氮相比，有机无机氮的配合施用，既向土壤补充输入了外源有机碳源，提高了土壤养分的有效性和保水能力，又改善了土壤物理性状，这将大大刺激土壤微生物群落和活性^[25,26]，促进土壤中微生物的新陈代谢^[27]，因此有利于微生物的繁衍，提高土壤微生物量碳、氮的含量。研究结果表明N₂O的总排放量与土壤微生物量碳、氮呈显著的负相关关系，这可能是土壤N₂O的排放受硝化与反硝化作用的影响，其作用过程又受土壤微生物活性的影响，因此具有相关性。

氮肥不同减施措施与农民习惯施肥措施间水稻产量差异不显著，说明减量施氮肥措施能满足水稻生产的需求。本文微肥的施用并未表现出增产的效果，这与很多研究结果不一致^{[28,29,30,31]}，根据供试土壤硅锌硫的背景值可以看出，试验地Zn、Si和S并不缺乏，因此施用微肥并没有体现其增产性，而本试验保留微肥的施用措施，其意义在于研究微肥施用对土壤质量和水稻产量的持续性影响。 4 结论

（1）有机肥的施用会增加稻田土壤CH₄的排放，缓释氮肥的施入也会导致稻田土壤CH₄的增加；氮肥的减量施用能显著减少稻田土壤N₂O的总排放量，缓释氮肥的施用也能显著减少稻田土壤N₂O的总排放量，本试验暂未发现微肥的施用对稻田土壤温室气体排放的影响。

（2）与农民习惯施肥相比，20%减氮施肥对水稻产量无显著影响，且有机肥部分替代化肥能显著提高土壤微生物量碳、氮的含量。

（3）稻田土壤N₂O的总排放量和CH₄的总排放量与土壤微生物量碳、氮呈显著的负相关关系，CH₄的总排放量与土壤微生物量碳、氮间互呈显著的正相关关系。