秸秆还田与加气灌溉对水稻泡田期温室气体排放的影响

于笑天，袁鹤龙，李涛，李江，缴锡云,2

秸秆还田与加气灌溉对水稻泡田期温室气体排放的影响

于笑天1,3，袁鹤龙1，李涛1，李江1*，缴锡云1,2

（1.河海大学农业科学与工程学院，南京 211100；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；3.辽宁省水利事务服务中心，沈阳 110003）

【目的】探讨秸秆还田与加气灌溉对水稻泡田期温室气体排放的影响。【方法】基于土箱模拟试验，设置3个处理（秸秆不还田+常规水灌溉，CK；秸秆还田+常规水灌溉，ST；秸秆还田+微纳米加气灌溉，SO），采用静态箱-气相色谱法对土箱中的温室气体排放浓度进行监测，分析CH4、N2O、CO2的排放通量以及全球增温潜势的变化趋势，探讨温室气体排放对秸秆还田和微纳米加气灌溉的响应规律。【结果】秸秆还田可显著提高水稻泡田期N2O、CH4、CO2累积排放通量，ST处理下3种气体排放通量分别可提高30.67%、167.08%、76.95%；秸秆还田条件下，微纳米加气灌溉下的CO2累积排放通量相比常规水灌溉略有提高，而N2O和CH4的累积排放通量分别降低10.11%、32.63%；CK、ST、SO处理下的稻田温室气体全球增温潜势（）分别为7.53、14.14、12.14 g/m2。【结论】秸秆还田会促进稻田泡田期土壤温室气体排放，微纳米加气灌溉可以缓解这一负面效应，对秸秆还田背景下稻田土壤温室气体减排具有一定的积极作用。

泡田期；秸秆还田；加气灌溉；温室气体；全球增温潜势

0 引 言

【研究意义】稻田为温室气体的重要排放源，据联合国粮食及农业组织报道，中国水稻种植区每年产生的温室气体排放量约占全球稻田土壤温室气体排放量的1/5[1]。长江流域水稻种植区占我国稻区总面积的2/3以上[2]，且以小麦秸秆还田为背景的稻麦轮作制度在该地区得到了普遍推广，秸秆还田对农业结构调整和经济效益提高具有重要作用。然而，伴随着秸秆还田的普及，稻田水土环境发生了显著变化，显著改变了温室气体的排放条件。因此，研究秸秆还田对稻田土壤温室气体排放的影响并探索温室气体排放控制新技术，对于进一步认识秸秆还田的环境效益、缓解农业温室效应，实现农业绿色可持续发展具有重要意义。【研究进展】秸秆还田会对稻田水土环境产生消极影响，如提高土壤还原性，导致水稻僵苗问题；秸秆腐解会提高周边水体氮、磷等污染物浓度，引起氮、磷流失和农业面源污染等一系列生态问题[3-4]。秸秆还田会对温室气体的排放产生一定影响。Yu等[5]研究表明，秸秆还田提高了土壤还原性物质量，从而改变土壤中产甲烷菌的群落结构和数量，促进了CH4的排放；秸秆还田释放的氮促使稻田水土环境中的微生物氮循环过程发生变化，改变了稻田土壤硝化-反硝化过程，从而影响N2O的产生与排放[6]。然而，目前学者对秸秆还田后N2O的排放规律存在争议，仍有待于进一步的试验论证。稻田中的CO2的排放主要由水稻和土壤微生物呼吸决定，土壤中99%的CO2来源于微生物对有机质的分解[7]。朱晓晴等[8]研究表明，秸秆还田能够促进土壤微生物呼吸和矿物质转化。近年来，微纳米加气灌溉技术在农业灌溉方面的研究逐渐成为热点；有研究表明，微纳米加气灌溉对于提高灌溉水的溶解氧（DO）量、调节微生物活性、改善土壤还原性状况均有显著作用[9-10]。在旱作物温室气体排放方面，林娅丹等[11]研究表明，加气灌溉会促进土壤N2O的排放；陈慧等[12]研究也得出相似的结论，即加气灌溉增加了土壤N2O的排放通量。在稻田土壤温室气体排放方面，由于微纳米加气灌溉技术可以改变农田水土环境，在理论上存在改善稻田温室气体排放条件的潜力。【切入点】目前，关于微纳米加气灌溉对稻田土壤温室气体排放的影响鲜有研究。同时，针对长江流域水稻种植区，秸秆还田后稻田温室气体排放的相关研究较少，泡田期作为秸秆腐解的重要时期，对该阶段的稻田温室气体排放研究尤为重要。【拟解决的关键问题】鉴于此，本研究基于土箱模拟试验，以水稻泡田期为研究期，探讨秸秆还田和微纳米加气灌溉对稻田土壤温室气体排放的影响，以期为秸秆还田背景下稻田温室气体排放与控制提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年8月9日—8月25日在江苏省南京市河海大学节水园区内（31°54'57"N，118°46'37"E）开展，该地区的水稻种植方式以稻麦轮作为主。试验用土箱为硬质塑料圆桶，直径和深度分别为47 cm和52 cm。供试土壤取自节水园区内0～20 cm耕层，土壤类型为粉砂壤土。供试土壤和小麦秸秆理化指标见表1。

表1 土壤及秸秆理化指标

1.2 试验设计

试验设置3个处理（表2），分别为：不添加秸秆+常规灌溉（CK）、小麦秸秆还田+常规灌溉（ST）、秸秆还田+微纳米加气灌溉（SO），每个处理设置3个重复，土箱示意见图1。

图1 土箱示意

表2 试验处理

根据当地经验确定秸秆还田量为7 t/hm2；泡田期水位为5 cm，当水位低于2 cm时灌水至5 cm；在土箱底部5.5 cm侧壁处安装阀门，用于模拟渗漏，渗漏量为3 mm/d。试验采用订制静态箱作为取气装置，每隔1 d采集1次气体，共采样9次；采集时间为每日的09:00—12:00，每10 min采集1次，每个土箱共采集4次。

1.3 测定项目与方法

试验测定与分析的指标分别为：CO2、CH4、N2O质量浓度、静态箱温度、各气体排放通量、累计排放通量及全球增温潜势。测定温室气体质量浓度的方法为气相色谱法，根据各气体质量浓度变化率计算其排放通量，排放通量计算式[13]为：

式中：为CO2、CH4或N2O排放通量（μg/（m2·h））；为标准状态下的气体密度（g/cm3）；为箱体高度（m）；为箱内温度（℃）；d/d为单位时间内气体质量浓度变化率（μg/（m3·h））。

累排放通量计算式为：

本研究中，全球增温潜势以（global warming potential）表示，其含义为温室气体对气候变化影响的相对能力，以CO2、CH4、N2O这3种温室气体净交换量的CO2当量代数和来计算。在100 a的时间尺度上，单位质量的CH4和N2O的全球增温潜势分别为CO2的28倍和265倍[14]。计算式为：

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据整理，采用Microsoft Excel 2019和Microsoft PowerPoint 2019进行绘图。利用SPSS 22软件进行统计分析，采用Duncan法进行处理间差异显著性比较（<0.05）。

2 结果与分析

2.1 N2O排放通量

各处理N2O排放通量的动态变化如图2所示。不同处理N2O排放通量在14.53～45.64 μg/（m2·h）之间变化，且变化趋势总体一致，呈倒V型规律。CK条件下的N2O排放通量于泡田后第7天达到峰值，峰值为33.53 μg/（m2·h），ST、SO处理于泡田后的第9天达到峰值，分别为45.64 μg/（m2·h）和41.15 μg/（m2·h）。ST处理相比CK的N2O排放通量峰值提高了36.14%，且处理间排放峰值存在显著差异（<0.05）；SO处理相比ST处理的N2O排放通量峰值降低了9.84%。ST处理下的N2O排放通量显著高于CK下的N2O排放通量（<0.05），可见秸秆还田可以促进N2O排放；SO处理下的N2O排放通量总体低于ST处理，可见微纳米加气灌溉对于秸秆还田后稻田土壤的N2O排放具有一定的抑制作用。

图2 N2O排放通量动态变化

2.2 CH4排放通量

各处理CH4排放通量变化趋势如图3所示。CK、ST、SO处理下的CH4排放通量均随着泡田时间的延长而增加，各处理最大排放通量分别为521.85、1 205.94 μg/（m2·h）和861.55 μg/（m2·h）。ST处理下的CH4排放通量峰值相比CK提高了131.09%（<0.05），可见秸秆还田会促进稻田土壤的CH4排放。SO处理下的CH4排放通量峰值相比ST处理降低了28.56%（<0.05），表明微纳米加气灌溉可以改善秸秆还田后CH4的排放状况。

图3 CH4排放通量动态变化

2.3 CO2排放通量

CO2排放通量变化趋势如图4所示，各处理的CO2排放通量在0.002 6～23.48 mg/（m2·h）之间变化。ST处理和SO处理下的CO2排放通量均于泡田后第9天达到峰值，其峰值出现时间相比CK延迟2 d。ST处理下的CO2排放通量峰值相比CK处理的CO2排放通量峰值提高91.58%（<0.05）；SO处理下的CO2排放通量峰值相比ST处理CO2排放通量峰值增加6.64%，但处理间差异未达到显著水平。3个处理的CO2排放通量总体上表现为SO处理>ST处理>CK，可见秸秆还田和微纳米加气灌溉均会促进水稻泡田期CO2排放。

图4 CO2排放通量动态变化

2.4 累计排放通量及GWP

表3为不同处理下温室气体累计排放通量及。ST处理相比CK的N2O累计排放通量显著增加30.67%；SO处理下的N2O累计排放通量相比ST处理显著降低10.11%。ST处理相比CK的CH4累计排放通量增加167.08%（<0.05），可见秸秆还田会极大地促进土壤CH4排放。SO处理的CH4累计排放通量相比ST处理显著减少32.63%（<0.05），说明微纳米加气灌溉可有效减少CH4的产生与排放。CK、ST、SO处理下的CO2累计排放通量分别为2 704.45、4 785.40、5 070.62 mg/m2，ST处理下的CO2累计排放通量相比CK增加了76.95%（<0.05）；SO处理的CO2累计排放通量相比ST处理仅增加了5.96%。ST处理下的相比CK提高87.69%，可见秸秆还田可使稻田土壤的全球增温潜势进一步提高；SO处理的相比ST处理降低了14.17%（<0.05），可见微纳米加气灌溉在一定程度上可降低全球增温潜势，从温室气体排放的角度肯定了微纳米加气灌溉技术长江流域稻麦轮作区秸秆还田处理下引进的必要性。

表3 不同处理下温室气体累计排放通量及GWP

注 同列不同字母表示差异达到显著性水平，<0.05。

3 讨 论

稻田土壤是N2O的重要排放源[14]，减少稻田土壤N2O排放对于降低全球增温潜势具有重要意义。本试验结果表明，秸秆还田会促进N2O排放，这与唐占明等[15]研究结果一致。首先，秸秆作为基质直接参与土壤硝化过程，改变了参与N2O排放的土壤微生物群落组成，促进了土壤硝化作用，从而促进了N2O的产生和排放。其次，秸秆的腐解增加了土壤中的碳源，不仅使土壤硝化－反硝化作用的底物增加，而且改变了土壤性质，导致受碳源限制的土壤硝化－反硝化细菌的活性增强[6]。最后，秸秆还田能增强土壤的团聚体特征，大团聚体较微团聚体有更强的N2O排放能力[16]，从而提高了N2O的排放通量。在试验后期，N2O排放通量呈下降趋势，原因可能是随着泡田时间的延长，秸秆中可被微生物利用的养分逐渐减少，氧化还原电位降低，N2O还原酶活性上升，提高了N2O还原细菌的丰度，从而使部分N2O还原为N2[17]。

在秸秆还田条件下，微纳米加气灌溉对于N2O的排放有明显的抑制效果，原因可能是氧气量与N2O排放量呈负相关[18]，微纳米加气灌溉技术是以气泡水的形式向土壤中大量注入氧气，缓解了由秸秆还田引起的厌氧环境，抑制了厌氧反硝化菌的活性，从而通过抑制反硝化作用使稻田土壤中N2O的排放减少。

CH4是主要的温室气体之一，虽然其浓度远低于CO2，但其吸收热量的效率是CO2的20倍[19]，对全球气候变暖的贡献率达到15%，仅次于CO2。稻田是农业活动中CH4的主要排放源，控制稻田CH4排放对实现农业领域碳中和具有重要意义。本试验结果表明，秸秆还田提高了泡田期稻田环境中CH4的累积排放通量，这是因为CH4是有机物经产甲烷菌降解的最终产物[20]，而秸秆的腐解为甲烷产生提供了丰富的反应底物。另外，淹水形成的厌氧条件有利于产甲烷菌繁殖，秸秆还田又进一步促进了土壤厌氧环境形成，使土壤减低，从而提高了产甲烷菌的活性[21]。加气灌溉可有效降低CH4的产生与排放，考虑到高DO的微纳米加气灌溉水进入土壤后，改善了土壤的厌氧环境，提高了土壤，产甲烷菌活性被抑制而甲烷氧化菌的活性得到提高，使CH4在排放至大气之前被氧化。因此，泡田期秸秆还田会明显提高CH4的排放通量和累计排放通量，微纳米加气灌溉技术的应用可在一定程度上抑制稻田土壤CH4排放，有效降低了泡田期秸秆还田对大气环境产生的不良影响。

在各种温室气体中，CO2的量级占半数以上[22]。稻田排放的CO2主要来自水稻和微生物的呼吸作用，绝大多数CO2是由土壤中的微生物分解有机质产生的[23]。本试验条件下，秸秆还田后CO2排放通量显著增加，这与冯晓赟等[24]研究结论一致。原因可能是秸秆的添加为微生物提供了丰富的碳源物质和充足的能量以及适宜的生长繁殖条件，如秸秆中可溶性糖类和脂肪等易分解物质可以供土壤中的微生物快速分解利用，使微生物数量及活性得到提高，促进了微生物呼吸。其次，土壤的湿度和温度被认为是影响土壤CO2排放的重要因素之一，秸秆还田会增强土保温、保湿效果，更易使秸秆矿化，对CO2排放有一定促进作用[8]。最后，秸秆还田不仅可增加微生物数量，也会提高酶活性，酶活性的提高势必加快了土壤有机碳的分解，从而提高CO2排放通量，这与游璟等[25]研究结果一致。ST处理与SO处理CO2排放通量与N2O排放通量变化趋势相似，后期均呈下降趋势，原因可能是土壤中易分解的成分被逐渐消耗，微生物不得不转而利用难以分解的大分子物质，使后期CO2排放通量呈下降趋势。微纳米加气灌溉会在一定程度上促进泡田期稻田土壤CO2排放，这是由于微纳米加气灌溉水为土壤补充了充足的氧气，增强了好氧微生物的活性，提高了微生物的繁殖速度和代谢能力，促进了微生物的呼吸[26]。同时，在充分灌溉条件下，土壤深层的CO2也会因为高灌水量向土壤上层聚集，随后释放到大气中[13]。

微纳米加气灌溉技术在地下滴灌、蔬菜与花卉水培、灌溉水体修复等方面应用较多，但该技术存在的短板有待研究和解决，例如气泡生成效率较低，气泡观测仪器设备精度不高等。生产和研发相应配套设施，适应灌溉方式的多样与灌水器的更新，才能充分发挥该技术的绿色、节能、环保特点。值得注意的是，秸秆腐解是一个漫长的过程，本研究只研究水稻泡田期加气以及秸秆还田对水稻泡田期温室气体排放的影响，后续还应继续开展长时间序列的研究。

4 结 论

1）秸秆还田可促进水稻泡田期N2O和CH4的排放通量和累积排放通量，累积排放通量分别增加30.67%和167.08%。微纳米加气灌溉可明显抑制秸秆还田条件下稻田的N2O和CH4的排放，累积排放通量减少了9.84%和28.56%。

2）秸秆还田会增加水稻泡田期CO2的排放，累积排放通量提高91.58%，而微纳米加气灌溉技术对于CO2的控排作用并不明显。

3）微纳米加气灌溉后减少14.17%，缓解了由秸秆还田引起的稻田土壤全球增温潜势升高的现象。

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Effect of Aerated Irrigation and Straw Incorporation on Greenhouse Gas Emissions from Paddy Field during Soaking Period

YU Xiaotian1,3, YUAN Helong1, LI Tao1, LI Jiang1*, JIAO Xiyun1,2

(1. College of Agricultural Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China;2. State Key Laboratory of Hydrology-water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;3. Liaoning Province Water Conservancy Affairs Service Center, Shenyang 110003, China)

【Objective】Soil stores more organic carbon than the atmosphere and biomass combined, and its change depends on a myriad of biotic and abiotic factors. This paper investigates the effect of aerated irrigation and straw incorporation on greenhouse emissions from paddy fields during soaking period.【Method】The experiments were carried out for rice grown in repacked soil pots. There were two irrigation treatments: conventional irrigation and aerated irrigation by mixing the irrigation water with micro-nano bubbles. For each irrigation, there were a straw incorporation treatment and a no-straw incorporation treatment. Emissions of CH4, N2O, CO2from the soils in all pots were measured using the static closed chamber method.【Result】Straw incorporation combined with aerated irrigation increased the cumulative emissions of N2O, CH4and CO2by 30.67%, 167.08% and 76.95%, respectively, compared with the control without straw incorporation and aeration. Combination of straw incorporation and aerated irrigation slightly increased CO2emission, but reduced N2O and CH4emission by 10.11% and 32.63%, respectively, compared to straw incorporation without aeration. In terms of potential of global warming, conventional irrigation with and without aeration, and aerated irrigation combined with straw incorporation resulted in 7.53 g/m2, 14.14 g/m2and 12.14 g/m2of emission, respectively.【Conclusion】Straw incorporation under conventional irrigation during soaking period of the paddy field led to an increase in greenhouse gas emissions, and mixing the irrigation water with micro-nano bubbles can attenuate the emissions, especially N2O and CH4.

soaking period; straw returning; aerated irrigation; greenhouse gas; global warming potential ()

1672 - 3317（2023）02 - 0060 - 06

S2763

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022406

于笑天, 袁鹤龙, 李涛, 等. 秸秆还田与加气灌溉对水稻泡田期温室气体排放的影响[J]. 灌溉排水学报, 2023, 42(2): 60-65.

YU Xiaotian, YUAN Helong, LI Tao, et al. Effect of Aerated Irrigation and Straw Incorporation on Greenhouse Gas Emissions from Paddy Field during Soaking Period[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(2): 60-65.

2022-07-21

国家重点研发计划子课题（2021YFD1700803-02）；江苏省自然科学基金青年项目（BK20200524）

于笑天（1992-），男。硕士，主要从事农业节水灌溉理论与技术研究。E-mail: 2442851144@qq.com

李江（1989-），女。教授，博士，主要从事农业高效用水研究。E-mail: lijiang@hhu.edu.cn

责任编辑：韩 洋