全 文 ：＊国家自然科学重大项目基金(39790100)资助
收稿日期:2002-03-31;收到修改稿日期:2002-09-10
豆科绿肥和化肥氮对双季稻稻田
氧化亚氮排放贡献的研究＊
熊正琴1 　邢光熹1 　鹤田治雄2 　施书莲1　沈光裕1　杜丽娟1
(1 中国科学院南京土壤研究所物质循环开放研究实验室 ,南京　210008)(2日本国立农业环境研究所)
摘　要　　研究了大田条件下施用绿肥与化肥 N后 ,双季稻区稻田土壤氧化亚氮(N 2O)的排放。结果
表明 ,在早稻生长季节既施绿肥又施化肥的处理(VN)N2O-N的排放量高达 2.75 kg hm-2 ,显著高于只施绿
肥不施化肥(V0)、只施化肥不施绿肥(FN)或既不施绿肥也不施化肥(F0)的处理(后三者在早稻生长季节
N2O-N 的排放量分别为 0.29 kg hm-2 、0.35 kg hm-2和 0.18 kg hm-2), 也显著高于在晚稻生长季节各处理
N2O-N的排放量(VN、V0 、FN 和F0处理分别为 0.34、0.26 、0.28和 0.23 kg hm-2)。绿肥不仅影响稻田土壤
N2O的排放量 ,还影响其排放模式。VN 处理N 2O 的排放主要集中早稻生长季节的中期烤田之后 ,其它处
理则在整个水稻生长季节均有排放。在早稻生长季节绿肥与化肥 N间还存在极显著的交互效应。
关键词　　N2O 排放 ,水稻田,双季稻 ,豆科绿肥
中图分类号　　X16
N2O既是一种重要的温室气体 , 又是破坏臭氧层的重要参与者 , 在大气中的浓度从工业革命前的
275 m3 km-3 , 以平均每年 0.2%～ 0.3%的速度增加到目前的 312 m3 km-3[ 1] 。人为活动增加的 N2O 约
90%与农业生产有关[ 2] 。
对农业土壤 N2O排放的研究 ,早期多集中在旱地 , 而认为水田的 N2O 排放量很小[ 3] 。然而 , 近来的
研究表明 , 水田的 N2O 排放量不可忽视[ 4] ,特别是在水旱轮作的未淹水阶段[ 5] 以及水分干湿交替过程
中[ 6] 。作为世界主要水稻生产国之一 ,我国 90%的稻田采取水旱轮作以及水稻生长中期烤田和末期排
干的水分管理方式 ,双季稻占我国稻田面积的 66%[ 7] ,是 N2O排放的又一重要来源[ 4] 。
种植豆科绿肥是改善土壤结构 、缓解土地退化 、实现农业可持续发展的重要措施 , 我国南方冬绿肥
播种面积就达 8.6×106 hm2[ 8] 。然而 , 豆科作物固定的氮是 N2O 排放的重要来源[ 9] ,豆科绿肥能同时为
土壤微生物提供底物及能量需要 , 从而促进土壤反硝化作用的进行[ 10 , 11] , 但稻田施用豆科绿肥后对
N2O排放的影响鲜见报道[ 12] 。
本文报道了我国双季稻区在冬季旱作条件下种植豆科作物并作为早稻绿肥施用后 , 在双季稻水稻
生长季节稻田N2O的排放情况。本文同时比较了(1)施用绿肥和化肥 、(2)只施绿肥不施化肥 、(3)只施
化肥不施绿肥 、以及(4)既不施绿肥也不施化肥四种处理 N2O 的排放 , 旨在探索稻田施用绿肥后对双季
稻区N2O排放的影响或者绿肥和化肥N 之间对N2O排放是否存在交互效应 ,从而为绿肥对稻田 N2O排
放影响的评价提供依据。
1　材料和方法
1.1　试验设置
　　田间试验在中国科学院红壤生态实验站江西鹰潭(28°15′N , 116°55′E)进行 , 试验地土壤含有机碳
14.0 g kg -1 ,全氮 0.76 g kg-1 , pH值(水提)5.5。试验设置 4种处理 , 包括 2种肥料(绿肥与化肥)各 2 个
水平(施与不施),分别为 VN:既施绿肥又施化肥;V0:只施绿肥 , 不施化肥;FN:只施化肥 , 不施绿肥;
第 40卷 第 5 期 土　壤　学　报 Vol.40 , No.5
2003年 9 月 ACTA PEDOLOGICA SINICA 　Sep., 2003
F0:既不施绿肥 ,也不施化肥。各处理重复3 次 , 每小区为 5×5 m2。施用绿肥处理将紫云英在早稻移
栽前(4月 11 日)作为绿肥翻耕入土 ,相当于施绿肥氮 124 kg hm-2。化肥处理在早 、晚稻均施化学氮肥 ,
施氮量采用当地最高水平 ,每季 276 kg hm-2 ,其中一半作为基肥施用 , 另一半作为追肥施用。P、K 施用
量采用当地平均水平 , KCl 150 kg hm-2 ,钙镁磷肥 1 200 kg hm-2作为基肥于早稻 、晚稻移栽时分别施入。
早稻和晚稻品种分别为浙 733和 4015 ,于 2000年 5 月 7日和 7 月 23 日移栽 ,移栽当天施基肥 , 8 天后再
施追肥 , 6月 16 日和 9 月 24日中期烤田 , 之后保持干干湿湿 , 至收获前排干 , 7 月 18 日和 10 月 31 日收
获。
1.2　N2O采集 、测定
N2O气体样品采用密闭箱法采集 , 密闭箱为 50 cm×50 cm×50 cm 或者 50 cm×50 cm×100 cm 的透
明有机玻璃箱。每隔 7 d观测一次 ,施肥后和中期烤田阶段每天观测一次 , 冬季每 2 周观测一次。观测
时 ,每隔 10 min 采一次气样 , 共 4 次 , 同时测定箱温 、5 cm 处土温 、气温和土壤含水量或氧化还原电位。
N2O样品用带十通阀控制的反吹装置和63Ni电子捕获器的气相色谱(HP 5890 II)测定 ,测定条件为:进样
口温度 100℃, 炉温 85℃,检测器温度320℃。前置柱和分析柱分别为 0.3 cm×1 m 和 0.3 cm×3 m 的不
锈钢 Porapak Q柱。载气为 95%氩气+5%甲烷 ,流速为 30 ml min-1 。
1.3　数据分析
N2O排放通量根据徐华等提供的公式进行计算[ 13] 。N2O 通量用 3 个重复的平均值及标准偏差表
示 ,累积排放量以 N2O 排放通量平均值与相邻 2次观测间隔时间相乘后再相加而得 ,季节排放量指水稻
移栽至收获的累积排放量。N2O季节排放通量平均值是将3 个重复的每次观测值按间隔时间加权平均
后再平均。处理间比较以 3个重复的平均值进行方差分析及多重比较 , 绿肥与化肥的交互效应则按照
2 因子×2水平的双因素方差分析及多重比较。
2　结果与分析
2.1　早稻季节稻田 N2O 的排放
　　在早稻季节 ,既施绿肥又施化肥的处理(VN)稻田N2O-N 的排放通量平均为164μg m-2 h-1 ,季节排
放量高达 2.75 kg hm-2 , 显著高于其它处理(表 1)。尤其是在中期烤田后 , 其 N2O 排放量陡增 , 从 59.4
μg m-2 h-1陡增到 422 μg m-2 h-1 , 继而高达 812 μg m-2 h-1 , 最后又降低 , 至收获前排放通量为 186
μg m-2 h-1(图 1a)。与中期烤田之后土壤氧化还原电位一直维持在较高水平一致(图 1c)。该处理 N2O
的排放与土壤温度及土壤氧化还原电位均存在显著或极显著的正相关关系(表 2), 但其空间变异性很
大 ,变异系数高达 137%,平均为 59%。
表 1　双季稻稻田 N2O的季节排放量
Table 1　Seasonal N2O emissions during double-cropping rice growing season(1999～ 2000 , Yingtan, Jiangxi)
作物季节
Crop season
处理
Treatment
排放通量
N2O-N flux (μg m-2 h-1)
季节排放量
Seasonal N2O-N emission(kg hm-2)
占施氮量的%
% of N added
早稻 F0 　　　　　10.6 Bb2) 0.18 Bb —
(70)1) FN 20.6 Bb 0.35 Bb 0.061
V0 17.4 Bb 0.29 Bb 0.092
VN 164 Aa 2.75 Aa 0.891
晚稻 F0 9.66 Bb 0.23 Bb —
(98) FN 11.9 Bb 0.28 Bb 0.019
V0 10.9 Bb 0.26 Bb —
VN 14.2 Bb 0.34 Bb 0.028
　　1)括号内数值为生长天数;2)同一列中数值后相同的大写/小写字母表示根据 Ducan s测验在α=0.01或α=
0.05水平上差异不显著
5 期 熊正琴等:豆科绿肥和化肥氮对双季稻稻田氧化亚氮排放贡献的研究 705　
BF:基肥;TP:移栽;TD:追肥;MSA:中期烤田。
图 1　早稻季节(a)VN处理 N2O 的排放通量(b)3处理 N2O的排放通量(c)土壤氧化还原电位
Fig.1　Temporal changes in(a)N2O flux from treatment VN , (b)N2O flux from the 3 treatments, and(c)soil redox
potential during the early rice-growing season
706　 土　　壤　　学　　报 40卷
　　 表 2　N2O排放通量与土壤温度(T)、氧化还原电位(Eh)的相关系数
Table 2　Coefficients of correlation between N 2O flux and soil temperature(T)or soil redox potential(Eh)
作物季节
Crop season
相关项目 Items 处理 Treatment
VN V0 F0 FN
早稻 N2O和 T 　　0.321 5＊ 　　0.094 8 　　0.417 3＊＊　　　0.162 4
N2O和 Eh 0.767 3＊＊ -0.070 7 0.164 2 -0.004 9
晚稻 N2O和 Eh -0.114 6 -0.121 2 0.379 3＊ -0.046 2
N2O和 T 0.011 0 0.084 7 -0.265 1 -0.159 2
　　＊和 ＊＊表示在α=0.05 和 0.01水平上的相关性
BF:基肥;TP:移栽;TD:追肥;MSA:中期烤田。
图 2　晚稻季节(a)N 2O 的排放通量(b)土壤氧化还原电位
Fig.2　Temporal changes in(a)N2O flux and(b)soil redox potential during the late rice-growing season
5 期 熊正琴等:豆科绿肥和化肥氮对双季稻稻田氧化亚氮排放贡献的研究 707　
　　为了便于比较这另外 3 个处理 N2O的排放 , 将这 3 个处理另作图 1b。图 1b 表明 , 只施化肥不施绿
肥(FN)和只施绿肥不施化肥(V0)的处理N2O的排放量要高于既不施绿肥也不施化肥(F0)的处理 , 在基
肥施用后出现 N2O排放峰值 , 其它时间排放量均较低 , 这与基肥施用及刚从旱作变为水田条件有关。
在整个生长季节均有少量的 N2O 排放 , 3个处理平均排放通量分别为 20.6 μg m-2 h-1、17.4 μg m-2 h-1
和 10.6μg m-2 h-1(表 1), 变异系数平均值分别为 21%、20%和 22%。
2.2　晚稻季节稻田 N2O 的排放
晚稻季节稻田 N2O 的排放总体均低 , VN、V0、FN和 F0 4 处理排放通量平均值分别只有 14.2 、10.9 、
11.9和 9.66 μg m-2 h-1 ,基肥与追肥后均迅速出现排放峰值 ,中期烤田之后的干湿循环有利于稻田 N2O
的排放 ,排放通量维持在较高水平 , 直至收获(图 2a),与中期烤田之后土壤氧化还原电位也维持在较高
水平一致(图 2b)。
2.3　双季稻不同阶段稻田 N2O 的排放
水稻基肥 、追肥和中期烤田各阶段的划分分别为移栽施基肥起到追肥前一日 、追肥起到中期烤田前
一日 、中期烤田到水稻收获止。各阶段 N2O 排放量占整个生长季节排放量百分数的计算表明 , VN 处理
中 , 92%的 N2O在中期烤田之后排放出来 , 其它处理中期烤田之后的排放量约为 50%左右 ,与该阶段时
间占全生长期天数一半的比例接近(图 3)。这表明即使在淹水条件下的生长前期 ,也有 N2O 的排放。
图 3　各处理不同阶段N2O的排放占季节排放量的百分数
Fig.3　Percentage of N2O emission at different stages in seasonal accumulative emission in different treatments
2.4　绿肥与化肥对双季稻稻田 N2O 排放的影响
对照处理(F0)N2O 的排放在早稻季节与温度呈极显著正相关 , 在晚稻季节与土壤氧化还原电位显
著正相关 ,表明稻田土壤本底 N2O的排放主要来自土壤矿化作用。既施绿肥又施化肥的 VN 处理 N2O
的排放则与土壤温度及土壤氧化还原电位均存在显著或极显著的正相关关系 , 土壤温度越高 ,氧化还原
电位越高 , N2O 排放量越高(表 2)。
在早稻生长季节既施绿肥又施化肥的处理(VN)稻田 N2O 的排放量高达 2.75 kg hm-2 , 显著高于其
它 3个处理的排放量 , 同时也显著高于晚稻季节各处理的排放量(表 1)。 只施绿肥不施化肥(V0)、只施
化肥不施绿肥(FN)和既不施绿肥也不施化肥(F0)的处理三者早稻季节排放量分别为 0.29、0.35 和 0.18
kg hm-2;VN、V0、FN和 F0处理在晚稻季节排放量则分别为 0.34、0.26、 0.28和 0.23 kg hm-2。早稻季节
既施绿肥又施化肥处理 N2O 排放量显著增加 ,表明绿肥与化肥间对 N2O 的排放存在显著的交互效应
(表 3)。
708　 土　　壤　　学　　报 40卷
表 3　绿肥与化肥 N对稻田 N2O季节排放量的影响1)
Table 3　Effects of N sources on seasonal N 2O emission f rom paddy field(kg hm-2)
作物季节
Crop season
因子Factor 不施N 肥
No N fertilizer
施N肥
N fertilization
平均
Average
早稻 不施绿肥 　　　0.18 Bb 　　　0.35 Bb 　　　　0.26 a
施绿肥 0.29 Bb 2.75 Aa 1.52 a
平均 0.24 a 1.55 a
晚稻 不施绿肥 0.23 a 0.28 a 0.25 b
施绿肥 0.26 a 0.33 a 0.30 a
平均 0.24 B 0.31 A
　　1)平均一栏为一因素在另一因素所有水平下的平均 ,其后的大写/小写字母表示双因素在各水平下的平均值在
同一作物季节内的显著性比较结果。表内其它值及其后的大写/小写字母表示各处理平均值及其交互效应在同一作
物季节内的多重比较结果
3　讨　论
本试验结果表明 ,绿肥的施用影响了稻田 N2O排放的时间模式。既施绿肥又施化肥的处理 92%的
N2O集中在中期烤田之后水分干湿交替阶段释放(图 3)。这与前人研究结果一致 ,认为水分状况极大地
制约着稻田N2O的排放 , 水田 N2O 的排放主要集中在水稻收获后的未淹水阶段[ 5] 以及水稻生长期间水
分干湿交替过程中[ 6] 。然而 ,其它处理在淹水条件下的水稻生长前期也存在相对较高的 N2O 排放 , 表
明稻田即使在淹水状态下仍有大量的 N2O 排放到大气中 ,这与实行水旱轮作制度以及收获前落水排干
的水分管理方式有关 ,同时也与本试验施肥量偏高有关。因此 ,本研究再次证实水旱轮作制度下稻田是
N2O排放不可忽视的源[ 4] , N2O排放不仅发生在没有水层存在的情况下 , 也发生在有水层存在的情况
下。这与多数国外学者认为淹水状况下稻田 N2O 的排放量很低的结论不同[ 3] 。
绿肥的施用不仅影响了稻田 N2O 排放的时间模式 ,还极大地影响着稻田 N2O 的总排放量。既施绿
肥又施化肥的处理在早稻生长季节 N2O 的排放量显著高于其它处理 , 约是其它处理的 10 倍之多;绿肥
与化肥间的交互效应也达到极显著水平(表 3)。到了晚稻季节 , 绿肥与化肥各自的效应均达到显著水
平或极显著水平 ,不论是绿肥还是化肥都能显著促进晚稻生长季节稻田 N2O 的排放;但绿肥与化肥间
无明显的的交互效应(表 3)。因此 ,豆科绿肥在稻田土壤条件下能同时满足土壤微生物反应底物和能
量的需要 ,从而促进了土壤反硝化作用的进行 ,对稻田土壤 N2O的排放有极大的促进效应 ,为豆科绿肥
在稻田施用后对 N2O排放的影响提供了试验数据。这与前人对豆科绿肥在旱地以及实验室培养条件
下的研究结果一致[ 10 ～ 12] 。
本试验还表明豆科绿肥易于矿化分解 ,作为绿肥施用后 , 能在早稻季节迅速矿化分解 , 供早稻生长
所需 ,从而可降低化学氮肥的施用量 , 减少稻田 N2O 的排放。绿肥与化肥之间还存在显著的交互效应 ,
因此关于绿肥与化肥氮的配合比例及施用水平尚需深入研究 ,以达到既不增加温室气体 N2O 的排放 ,
同时也不减少水稻产量的双重目标 ,确保我国农业及环境的可持续发展。
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NITROUS OXIDE EMISSIONS FROM PADDY SOILS AS AFFECTED BY
INCORPORATION OF LEGUMINOUS GREEN MANURE AND
FERTILIZATION DURING DOUBLE-CROPPING
RICE-GROWING SEASON
Xiong Zheng-qin1 　Xing Guang-xi1　Tsuruta H2 　Shi Shu-lian1　Shen Guang-yu1　Du Li-juan1
(1 Institute of Soil Science , Chinese Academy of Sciences , Nanjing　210008 , China)
(2 National Institute for Agro-Environmental Sciences , Tsukuba　305, Japan)
Summary
A field study was conducted to investigate effects of leguminous green manure and chemical fertilizer
N on nitrous oxide(N2O)emissions from paddy soils under double-crop rice systems.Results demonstrat-
ed that during the early rice growing season , the treatment that received both green manure and synthe-
sized N fertilizer emitted significantly more N2O than the other three treatments did , which received only
green manure(V0), only synthesized N fertilizer(FN), or neither green manure nor chemical N fertilizer
(F0), separately.The seasonal accumulative N2O-N emission was 2.75 kg hm-2 with the former , and
0.29 kg hm-2 , 0.35 kg hm-2 and 0.18 kg hm-2 , respectively with the other three.During the late rice
growing season , 0.34 , 0.26 , 0.28 and 0.23 kg hm-2was emitted from those four treatments respective-
ly , all much lower than that from Treatment VN during the early rice growing season.Besides its effect on
N2O emission rate , the incorporation of green manure also affected N2O emission time pattern.In Treat-
ment VN , N2O evolution was concentrated mainly after the mid-summer drainage during the early rice
growing season , while in the other three treatment the N2O emission was distributed evenly throughout the
entire rice growing season.The results also indicated that there existed great interaction between green
manure and chemical N fertilizer during the early rice growing season.
Key words　　N2O emission , Paddy soil , Double-cropping rice , Leguminous green manure
710　 土　　壤　　学　　报 40卷