推迟氮肥施用降低稻鱼共作系统的温室气体排放

《Journal of Agriculture and Food Research》：Postponing Nitrogen Application Mitigates Greenhouse Gas Emissions in Rice-Fish Co-Culture Systems

　　

水稻种植的单位面积温室气体（GHG）排放在主要作物中最高，约占全球作物生产排放总量的48%。稻鱼共作系统与适宜的无机氮（N）肥管理均可降低温室气体排放，但二者的协同效应及其机制尚不明确。为填补这一研究空白，研究人员在稻鱼共作系统中开展了一项为期两年的田间试验，旨在确定减少温室气体排放的实用氮管理策略。试验设置三种处理：不施氮（N0）、一次性基施氮肥不追肥（N1）以及推迟氮肥施用（N2，基肥与追肥质量比为7:3）。结果表明，与N1相比，N2在2022-2023年晚季抽穗期（HD）提高了叶绿素相对含量（SPAD值）5.08%-7.74%，并在2022年早季幼穗分化期（PI）提高了净光合速率8.92%。在两个年份的晚季，N2显著降低了N₂O排放25.81%-34.62%和CH₄排放26.89%-38.23%，而CO₂排放无显著变化。然而，在两个年份的早季，N2虽降低了N₂O排放38.10%-58.14%，但CH₄（增加12.18%-44.55%）和CO₂（增加1.46%-17.49%）排放的增加在很大程度上抵消了这一减排效果。因此，在晚季，N2较N1显著降低了全球变暖潜势（GWP）22.84%-38.24%和温室气体排放强度（GHGI）30.30%-42.47%。线性回归分析显示，所有氮处理下的CH₄和CO₂通量与5 cm土壤温度均呈显著正相关（P < 0.05），而N₂O通量与土壤温度的关系在不同季节和年份中因氮肥施用情况而异。此外，Mantel检验和结构方程模型表明，温室气体排放主要受水稻地上部生物量驱动（r = -0.29至-0.35，P < 0.01），而主成分分析进一步揭示了土壤温度在CH₄和CO₂排放中的关键作用，并表明N₂O排放受氮素供应和水文条件共同调控。总体而言，推迟氮肥施用对早稻生长期温室气体排放无显著影响，但能显著降低晚稻生长季的温室气体排放、全球变暖潜势和温室气体排放强度，温室气体通量主要受土壤温度、水稻地上部生物量和植株氮素吸收驱动。

该研究以稻鱼共作系统为研究对象，聚焦水稻种植过程中温室气体排放居高不下的难题，系统探讨了优化氮肥管理策略对温室气体减排的潜在作用。研究背景指出，农业是重要的人为温室气体排放源，而水稻生产的单位面积温室气体排放量在各类作物中最高，其中稻田CH₄和N₂O排放分别占全球作物生产相应气体排放总量的22%和11%。稻鱼共作系统作为一种生态种养模式，能够实现"一种两收"，在维持或提高水稻产量的同时改善籽粒品质，但该系统中的温室气体排放规律及氮肥优化调控效应尚不明确。已有的稻鱼共作系统中氮管理研究存在施氮量、肥料类型、施用时机和频次等方面的差异，且针对"一次基肥+一次追肥"这一简化策略对温室气体排放影响的研究仍显不足。为此，研究人员基于团队前期在双季稻氮管理方面的工作，将追肥时期设定于幼穗分化期，基追肥比例设定为7:3，以期在保障渔业环境、稳定水稻产量和提高氮素利用效率的同时，评估推迟氮肥施用对稻鱼共作系统温室气体排放的影响及机制。

研究人员于2022至2023年在广东省农业科学院水稻研究所（广州，113°23′ E，23°17′ N）开展了为期两年的田间试验，该试验站地处亚热带大陆性季风气候区。试验田土壤为砂壤土，耕作层（0-20 cm）基本理化性质为pH 5.68、有机质24.71 g·kg^-1、全氮1.42 g·kg^-1、全磷0.10 g·kg^-1、全钾12.09 g·kg^-1、碱解氮80.27 mg·kg^-1、有效磷17.65 mg·kg^-1、速效钾78.01 mg·kg^-1。供试水稻品种2022年为籼稻品种黄华占，2023年为香稻品种19香；供试鱼种为国家审定稻渔综合种养专用品种"乳源1号"荷花鲤（Cyprinus carpio L.），放养密度为18,750尾·亩^-1，于移栽后15天投放至收获。试验采用完全随机区组设计，设置N0（不施氮）、N1（一次性基施不追肥）和N2（推迟氮肥施用，基追肥比7:3）三个处理，每个处理3次重复，共9个小区，每小区面积21.32 m²。氮源为尿素（含N 46%），早季和晚季总施氮量分别为150 kg·ha^-1和180 kg·ha^-1，追肥于幼穗分化期进行；磷肥（P₂O₅ 12%）和钾肥（K₂O 60%）一次性基施，用量分别为375 kg·ha^-1和225 kg·ha^-1。田间全程淹水管理，水层深度维持10-15 cm，无中期晒田；收稻前一周将鱼赶入鱼沟，缓排田间积水。

研究采用的关键技术方法包括：（1）温室气体采集与测定——采用闭式静态箱-气相色谱法，自移栽后每10天采集一次CH₄、N₂O和CO₂样品，使用Agilent 7890a气相色谱仪测定浓度并计算排放通量，箱法采样时同步记录箱温和5 cm土壤温度；（2）水稻农艺性状与光合特性测定——于幼穗分化期、抽穗期和成熟期取样测定分蘖数、地上部生物量、SPAD值、光合有效辐射及光透射率，并使用LI-6400-XT光合仪测定净光合速率；（3）统计分析——采用SPSS 27.0进行方差分析和显著性检验，运用Pearson相关分析表征双变量关系，通过Mantel检验和结构方程模型解析温室气体排放与水稻形态性状的关系，并借助主成分分析评估温室气体排放与环境因子的关联，相关分析在RGui 4.5.1中使用"vegan"包和"lavaan"包实现。

水稻生长与光合特性研究结果显示，与N0相比，N1和N2处理总体提高了分蘖数、SPAD值、光合速率和地上部生物量，降低了光透射率。与N1相比，N2在2022年早季幼穗分化期提高了净光合速率8.92%，在2022年晚季抽穗期提高了SPAD值7.74%，其他时期N2虽表现优于N1但未达显著水平。线性相关分析表明，地上部生物量与分蘖数、SPAD值呈强正相关（R² = 0.55-0.91），与光透射率呈负相关（R² = 0.55-0.84）。

温室气体排放研究结果显示：N₂O排放通量呈现N1 > N2 > N0的一致格局，N2处理累积N₂O排放量显著低于N1，降幅在早季为38.10%-58.14%，晚季为25.81%-34.62%。早季N₂O排放峰值多出现于分蘖-抽穗期，与基肥水解硝化及降水导致的水层变化密切相关；晚季N2处理在幼穗分化至成熟期的N₂O排放明显低于N1。CH₄排放通量呈单峰或双峰动态，峰值多位于幼穗分化和抽穗期。早季N2处理CH₄排放通量普遍高于N0和N1，2022年和2023年早季累积排放量分别较N1增加44.55%和未达显著水平；晚季则相反，N2较N1显著降低累积CH₄排放38.23%和26.89%。CO₂排放峰值主要位于幼穗分化至抽穗期，N2处理在2022年早季累积CO₂排放量高于N0和N1，但其他季节与N1无显著差异。

全球变暖潜势与温室气体排放强度研究结果显示，2022年早季N2的GWP显著高于N0和N1，而晚季N2较N1降低38.24%；2023年早季N2与N1无显著差异，晚季N2较N1降低22.84%。GHGI在晚季均高于早季，2022年和2023年晚季N2较N1分别降低42.47%和30.30%，早季则无显著差异。

温室气体排放与土壤温度的关系研究结果显示，CH₄和CO₂排放通量与5 cm土壤温度在各处理下均呈显著或极显著正相关，而N₂O与土壤温度的关系因氮肥处理而异：早季施氮处理呈负相关、不施氮处理呈正相关；晚季N2处理随土壤温度升高而增加，N0则相反。

Mantel检验和结构方程模型分析结果显示，温室气体排放主要受水稻地上部生物量驱动（r = -0.29至-0.35，P < 0.01），植物氮素吸收对N₂O和CO₂呈正效应，地上部生物量对三种温室气体均有显著负效应。处理通过促进氮素吸收、分蘖数和SPAD值，直接或间接影响生物量积累，进而调控温室气体排放。

主成分分析结果显示，前两个主成分累计解释69.0%-76.0%的方差。苗箱温度、5 cm和10 cm土壤温度与CH₄、CO₂向量方向一致，表明高温促进这两种气体排放；N₂O与温度向量夹角较大，暗示其调控机制不同。N1和N2处理样本在温度-CH₄/CO₂关联扇区聚集更强，N2处理的关联弱于N1；水层深度向量有时与温度/CH₄/CO₂同向，有时指向N₂O，表明浅水增强温度驱动的CH₄和CO₂增加，而深水削弱温度对N₂O的抑制作用。

讨论部分综合分析了各温室气体排放的驱动机制。N₂O排放与氮肥施用、水分管理、土壤pH和溶解氧密切相关，主要通过硝化-反硝化途径产生；基肥水解形成的硝酸盐为反硝化提供电子受体，降水增加水层深度、降低土壤氧浓度，形成缺氧/厌氧微域促进反硝化。推迟氮肥施用可能通过提高水稻氮素吸收效率、减少土壤矿质氮残留，从而削弱硝化菌和反硝化菌介导的N₂O排放。CH₄排放的早晚季差异主要源于土壤温度、碳底物有效性、水稻生育期和植株介导传输的同步变化，晚季残留秸秆提供额外有机碳、较高温度结合鱼类活动增强土壤微生物活性，共同促进产甲烷过程；而地上部生物量增加通过改善冠层微气候、降低土壤温度，部分抑制了CH₄释放。CO₂排放峰值与关键物候期碳循环调控密切相关，氮肥施用通过刺激异养细菌活性、促进土壤有机碳分解而增加CO₂排放，同时植株生长、根系呼吸和根际碳输入也是重要驱动因素；高密度分蘖群体降低光透射率、抑制土壤温度上升，形成的厌氧环境反而减少CO₂排放。全球变暖潜势和温室气体排放强度的季节差异主要由施氮量、品种效应和温度差异造成，晚季高温使CH₄排放翻倍，而推迟氮肥施用通过提高氮素吸收效率、促进植株生长和改善田间微气候，在晚季实现了温室气体减排，同时黄华占品种在稻鱼共作系统中表现出更优的减排效果。

研究结论指出，在稻鱼共作系统中，不同氮肥处理下的温室气体排放存在差异，且这些响应强烈依赖于水稻季节和气体类型。与不施氮相比，施氮总体增加了温室气体排放，而推迟氮肥施用（N2）倾向于降低温室气体排放，尤其是与N1相比在晚季表现明显。Mantel检验和结构方程模型表明温室气体排放主要受水稻地上部生物量驱动，并受植物氮素吸收的轻微影响；主成分分析进一步强调了土壤温度在调控CH₄和CO₂排放中的关键作用，并表明N₂O排放受氮素供应和水文条件共同调控。总体而言，N2处理（70%基肥、30%幼穗分化期追肥）对早稻生长期温室气体排放无显著影响，但能显著降低晚稻生长季的温室气体排放、全球变暖潜势和温室气体排放强度，同时能够稳定相对较高的籽粒产量。因此，研究人员推荐在稻鱼共作系统中采用"一次基肥+一次追肥"策略（基肥∶幼穗分化期追肥=7∶3）作为氮管理方案，以稳定水稻产量。这些结果为稻鱼共作系统的氮肥调控与减排提供了科学支撑，为统筹保障粮食安全、生态保护和农业碳中和提供了科学依据。