1 引言(Introduction)

全球变暖是当今科学研究的热点问题，CO₂等温室气体排放的增加是全球变暖的主要原因(IPCC，2013).相关研究表明，农业生产活动产生的CO₂排放占CO₂人为源排放的10%~30%(宋文质等，1996；宋长春等，2004；韩广轩等，2006).水稻田作为全球最主要的农业用地类型，其对全球温室气体排放具有重要贡献(武文明等，2009).中国是水稻种植大国，种植面积约占世界的22%，仅次于印度，居世界第2位(王明星，2001).因此，在中国开展稻田温室气体排放及其减排机理研究意义重大.

随着世界人口的不断增加，粮食的需求量将逐年升高，对稻米需求量也将从1994年的520 Tg增长到2025年的880 Tg，再到2050年的1000 Tg(Lampe et al., 1995)，相应的水稻种植面积也将增加(Anastasic et al., 1992).为了进一步提高水稻产量，施肥量也将做出调整(刘晓雨等，2009)，从而将改变稻田CO₂的排放特征及机制(邹建文等，2003).现有关于施肥对CO₂排放影响的研究大多集中于施肥种类、施肥措施等方面(谢军飞等，2002；邹建文等，2003；刘晓雨等，2009)，有关施肥量对CO₂排放影响的研究鲜有报道.

Q₁₀值用来表征CO₂排放通量与温度的关系(王小国等，2007)，大量研究表明，Q₁₀值主要受温度、含水量、pH、呼吸底物和土壤生物等因素的影响(陈全胜等，2004b; 范志平等，2008；仝川等，2010)，但施肥量对Q₁₀值影响的研究仍比较缺乏.施肥量的多少对稻田CO₂排放及其温度敏感性的影响程度如何？尚不清楚.对这一问题的深入研究，可以为水稻种植科学选择施肥量及应对未来全球变暖背景下的施肥模式调整，以及CO₂减排等提供理论与实践依据.

在中国关于稻田CO₂排放的研究多集中于温带和热带地区，对于亚热带地区稻田CO₂排放的研究较少，关于福建省稻田CO₂排放的研究更是鲜有报道.基于此，本研究以地处我国东南沿海福建省福州平原的稻田为研究对象，探讨不同施肥量对稻田CO₂排放及其温度敏感性的影响，以期为福建省乃至我国水稻田的稻米可持续生产与碳减排提供科学依据.

2 研究区与研究方法(Study area and methods) 2.1 研究区概况与实验设计

研究区位于福州城郊南部水稻研究所吴凤综合实验基地(26.1°N，119.3°E)，经检测，稻田土壤耕作层全碳含量为(18.30±0.36) g·kg^-1，全氮含量为(1.75±0.06) g·kg^-1，全磷含量为(1.80±0.06) g·kg^-1.水稻栽培品种为江西省农科院研发的和盛10号，此稻丰产性好，精米米质鉴定为国标优质3级和省标优质3级，稻瘟病抗性中，耐寒性中，为福建省稻作区主栽品种.于2014年4月16日机插移栽，每个底座内包含2丛水稻植株.株行距为14 cm×28 cm，为保持稻田土壤的均一性，实验前对稻田进行人工整平，7月16日水稻收获.采取传统水分管理，水稻前期实行水淹管理，水稻分蘖末期烤田-复水-湿润灌溉相结合的灌溉方式.选择相对平整且人为干扰较少的水稻田地，随机选择9个实验小区，每3个小区为1个处理，共设置3个处理：不施加任何肥料的对照(CK)、常规施肥组(CG)和倍增施肥组(BZ).CG主要施用复合肥(N:P₂O₅:K₂O=16:16:16) 和尿素(N含量≥46.4%)，在水稻生长期内施加N、P₂O₅和K₂O依次为95、70和70 kg·hm^-2，BZ施肥量是CG的2倍.

2.2 CO₂气体采集与测定

采用静态暗箱与气相色谱法相结合的方法对稻田CO₂排放通量进行测定(王跃思，1998).静态箱由插入土壤的底座和箱体两部分组成，底座和箱体均由厚5 mm的不透明PVC板制成.底座尺寸为0.3 m×0.3 m×0.3 m(长×宽×高)，箱体尺寸为0.3 m×0.3 m×1.0 m(长×宽×高)，顶部装有小风扇，侧部装有温度计和气体采样孔，抽气时同步记录箱内温度.为保证箱内气体不外泄，每次采样时将箱体扣在底座的凹槽里，并加水密封.每隔1周采样1次，采样时间为9：30-11：30，采用医用塑料注射器抽取70 mL气体，共抽取3次，每次间隔15 min，抽取的气体立即注入气袋内.野外采样结束后，将气样带回实验室采用日本岛津公司生产的气相色谱仪(GC2010) 对CO₂气体进行测定(仝川等，2011).

2.3 CO₂排放通量计算方法

稻田CO₂气体排放通量的计算公式(王德宣等，2003)见式(1).

(1)

式中，F为CO₂排放通量(mg·m^-2·h^-1)，M为CO₂的分子量(g)，V为标准状态下1 mol CO₂的体积(L)，dc/dt为CO₂含量变化率(10^-6h^-1)，T为静态箱内温度(℃)，H为静态箱箱高(m).其中，CO₂含量变化率通过对每次采集的3个气样的CO₂含量测定值进行线性回归分析获得.为了保证数据的质量，只有当以上线性回归分析中的R²>0.9时，才认为数据有效(Koelbener et al., 2010).

2.4 CO₂排放通量Q₁₀值的计算

参考土壤呼吸指数模型对稻田CO₂排放通量与土温、气温的关系进行拟合(Luo et al., 2001)，公式如下：

(2)

式中，F为CO₂排放通量(mg·mg^-2·h^-1)，T为温度(土温和气温)(℃)，a是温度为0 ℃时的CO₂排放通量(mg·m^-2·h^-1)，b为温度反应系数.CO₂排放通量对温度变化的敏感性(Q₁₀值)用式(3) 计算(陈全胜等，2004a)，其中，CO₂排放通量对土温和气温的敏感性分别用Q_s10值和Q_a10值表示.

(3)

2.5 环境因子测定

温室气体采集的同时，采用2265FS便携式盐分计同步测定0~15 cm深度的土壤温度，采用TDR 300土壤水分测定仪测定土壤含水量，用Kestrel 3500手持式气象仪测定采样时的气温.

2.6 数据处理

运用Microsoft Excel2003和SPSS19.0统计分析软件对测定数据进行整理、计算、分析，采用Origin8.0软件进行作图.其中，用Microsoft Excel2003软件对原始数据的平均值及标准差进行计算，用SPSS19.0统计分析软件中的重复测量方差分析对CK、CG和BZ之间CO₂排放的差异性进行检验，采用单因素方差分析对CK、CG和BZ之间温度敏感性的差异性进行检验，用Pearson相关性分析对CO₂排放与环境因子的相关性进行分析.

3 结果与分析(Result and analysis) 3.1 施肥量对稻田CO₂排放的影响

生长季内，CK、CG和BZ的CO₂排放通量均呈单峰型，表现为先上升后下降的趋势(图 1).在各生育期阶段，CK、CG和BZ的CO₂排放通量的大小关系为抽穗扬花期>成熟期>拔节育穗期>分蘖期>返青期，抽穗扬花期CO₂排放通量显著高于其它4个生育期(p＜0.01).CK的CO₂排放通量为81.30~2296.57 mg·m^-2·h^-1, 平均值为(868.16±126.84) mg·m^-2·h^-1；CG的CO₂排放通量为128.71~2809.14 mg·m^-2·h^-1，平均值为(991.07±145.58) mg·m^-2·h^-1；BZ的CO₂排放通量为203.21~2359.99 mg·m^-2·h^-1，平均值为(937.92±123.99) mg·m^-2·h^-1.CG的CO₂排放通量最大，CK次之，BZ最小，CG的CO₂排放通量较CK增加14.16%，BZ的CO₂排放通量较CK增加8.04%，但CK、CG和BZ之间的CO₂排放通量无显著差异(p>0.05).

3.2 环境因子对不同施肥模式下CO₂排放的影响

生长期内，含水量呈现先上升后下降的趋势，这主要是受稻田水分管理方式的影响，变化范围为40.3%~80.05%；土温呈现先下降后上升的趋势，变化范围为20.47~31.30 ℃；植株高度总体呈现上升趋势，变化范围为7.83~92 cm.方差分析显示，不同施肥量对含水量、土温影响不显著(p>0.05)，虽然随着施肥量的增加，一定程度上促进了水稻的生长，但不同施肥量处理样地株高之间的差异不显著(p>0.05).对稻田CO₂排放与土壤理化性质的相关分析表明(表 1)，稻田CO₂排放与土温和株高呈显著正相关关系(p＜0.01)，与含水量呈显著正相关关系(p＜0.05).

3.3 稻田CO₂排放与温度的指数模型拟合

温度是影响稻田CO₂产生、传输和排放的重要环境因子.本研究中，稻田CO₂排放通量与同步观测的土温和气温呈显著正相关关系(n=42，p＜0.01，图 2).其中，CK、CG、BZ的CO₂排放通量与土温的相关系数分别为0.703、0.670、0.709，与气温的相关系数分别为0.770、0.715、0.756，各处理间CO₂排放通量与气温的相关系数均大于与土温的相关系数.土温在20~25 ℃区间时，CK、CG和BZ的CO₂排放通量散点聚集在拟合曲线附近；土温在25~32 ℃区间时，各处理间CO₂排放通量的散点逐渐发散开来.气温在20~28 ℃区间时，CK、CG和BZ的CO₂排放通量散点聚集在拟合曲线附近；气温在28~36 ℃区间时，各处理间CO₂排放通量的散点逐渐发散开来.

3.4 不同施肥量对稻田CO₂排放Q_s10值和Q_a10值的影响

CK、CG和BZ的CO₂的土温敏感性和气温敏感性(Q_s10值和Q_a10值)均大于6(表 2).CK、CG和BZ的CO₂的Q_s10值和Q_a10值的变化范围分别为13.24~28.13和6.35~9.86，平均值分别为18.28和8.35.CK的Q_s10值和Q_a10值最大，分别为28.13和9.86；其次是CG，分别为18.88和7.64，最小的是BZ，分别为13.24和6.35.CK、CG和BZ的CO₂的Q_s10值均大于Q_a10值(表 2)，Q_s10值和Q_a10值之间的差异CK最大，为2.85倍，CG为2.47倍，BZ为2.08倍.

3.5 环境因子对Q₁₀值的影响

温度、含水量等环境因子与Q₁₀值关系密切.Q₁₀值与温度和含水量的变化趋势基本一致，均随温度和含水量的增加而减小.由图 3可知，温度与Q₁₀值具有显著的负相关关系(r=-0.814，p＜0.05)，含水量与Q₁₀值也具有显著的负相关关系(r=-0.766，p＜0.05)，和含水量相比，温度与Q₁₀值的关系更加密切.

4 讨论(Discussion) 4.1 环境因子对稻田CO₂排放的影响

本研究中CO₂排放通量的测定采用15 min间隔，这与王少杰等(2013)的研究方法一致.实际上在不同水稻的生长期，CO₂的产生与排放存在一定的季节变化，其速率变异性较大.在产生与排放速率较高的季节，15 min的间隔可能有点长，但考虑到整个实验期内观测时间与方法的一致性，当前的研究仍然采用不同生长季等间距的15 min采样时间居多(熊靖，2013).此外，在今后的研究中，可以进一步探讨不同时间间隔对CO₂排放的影响或减小时间间隔，增加测定频次以提高数据的精度.从本研究的研究结果来看，稻田CO₂排放与土温、含水量、株高等环境因子密切相关(表 1)，其中，土温是影响本研究中稻田CO₂排放季节变化最重要的因素，表现为随着土温的不断升高，稻田CO₂排放量不断增加.已有的研究也表明，土壤CO₂排放与土温之间具有显著的正相关性(Fang et al., 2001)，这是因为土温可通过提高土壤微生物的活性和植物根呼吸酶的活性，增加土壤中CO₂产生量，进而促进CO₂排放(Jenkinson et al., 1991).此外，土温还可以影响土壤中CO₂向大气的输送速率，土温增高，CO₂向大气的传输速率增强(Tang et al., 2003)，从而促进土壤和植物体生成的CO₂向大气的释放.土壤含水量是影响土壤CO₂排放的另一重要因素.本研究中CO₂排放与土壤含水量呈显著的正相关关系，这与蔡祖聪等(1999)的研究结果是一致的，稻田CO₂排放量随着土壤含水量的增加而增加，这与CO₂生成主要途径的土壤呼吸强度的改变有关(Bowden et al., 2011)，随着土壤含水量的提高，土壤微生物活性也会增强(陈全胜等，2003a；张东秋等，2005)，进而促进稻田CO₂的产生与排放.植物体是影响生态系统CO₂产生与排放的又一因素.本研究中，CO₂排放量与作为生物量重要表征指标的水稻植株高度呈显著的正相关关系，主要是因为：① 植物体自身呼吸是稻田生态系统CO₂排放的来源之一，随着植物生物量的增加，其呼吸量也将提高(陈四清等，1999)，在邹建文等(2003)的研究中发现有水稻植株参与的稻田CO₂排放总量较无植株参与下的排放总量增加了472%；② 植物株高及其生物量是土壤碳底物的重要来源，生物量越大，其向土壤中输入的碳底物越多，土壤微生物活动增强，从而促进土壤CO₂的产生与排放(刘惠等，2006).

4.2 施肥量对稻田CO₂排放的影响

施肥是提高作物产量的关键措施之一，同时会改变作物的生长代谢和土壤的C/N进而对CO₂排放产生影响(杨兰芳等，2005).关于氮肥施用对CO₂排放的影响已有较多报道，但结论不一.有学者认为，施加氮肥会促进CO₂排放，韩广轩等(2004)和杨兰芳等(2005)分别对施氮农田和不施氮农田的CO₂排放进行监测，得出施氮农田CO₂排放量显著高于不施氮农田；孟磊等(2005)通过长期定位实验表明，施用氮肥使农田年CO₂排放量增加50%以上.也有研究表明，施氮对CO₂排放影响不显著，陈述悦等(2004)和黄斌等(2006)的研究表明，小麦生长季内施氮处理和不施氮处理之间的CO₂排放量基本无差异；孟凡乔等(2006)对氮肥与CO₂排放之间关系的研究也得到了相似的结果.本研究中，CK、CG和BZ的CO₂排放通量平均值分别为(868.16±126.84)、(991.07± 145.58) 和(937.92±123.99) mg·m^-2·h^-1，施肥增加了CO₂的排放量.原因可能为：① 氮增强了土壤微生物活性，加快了微生物对土壤有机质的分解速度，加快了土壤中CO₂的排放；② 施氮为植株的光合作用提供了更多的营养元素，增加了光合产物对植株根系和土壤微生物的供给，为CO₂排放提供了充足的物质和能量基础，从而增加了CO₂排放；③ 氮促进了植株根系生长发育，使植株根系的CO₂排放增加；④ 施肥还会增加土壤有机质含量，而CO₂排放量的多少与土壤有机质水平高低相一致(王旭东等，2000).本研究中施用的是复合肥和尿素，其中，N是主要的营养元素，施肥会增加土壤有机质含量，进而促进CO₂排放.但是，CO₂排放量并不是随着施肥量的增多逐渐增长，而是呈现先增加后减少的趋势，这说明在一定范围内施用氮肥会增加CO₂排放量，超过某一限度后继续施氮，CO₂排放量并不会继续增加，反而会减少，这与刘合明等(2008)的研究结果是大体一致的.主要是因为土壤中氮素不足会影响土壤微生物活性，向土壤中施氮后，会降低土壤的C/N，促进微生物增殖分解更多土壤有机质，加快土壤有机质中碳的分解和释放，增加土壤CO₂排放量.超过一定限度后继续施氮，容易导致土壤活性有机碳消耗过快，使土壤CO₂排放量减少.

4.3 不同施肥模式下Q_s10值和Q_a10值及其影响因子

本研究中，随着施肥量的增加Q_s10值和Q_a10值逐渐变小，这主要是因为施肥后CO₂生成过程中的限制性因子发生了改变，从而降低了对温度的依赖性(杨兰芳等，2005；Russell et al., 2005；Knorr et al., 2005).与此同时，本研究还发现温度是影响Q₁₀值最主要的环境因子.其中，温度与Q₁₀值具有显著的负相关关系(p＜0.05).本研究中，Q₁₀值随着温度的升高而降低，低温时的温度敏感性高于高温.主要是因为温度较低时，根系和土壤微生物的代谢活动被抑制；温度较高时，温度不再是限制因子，根系和土壤微生物的生命活动受到其他因素的影响和制约，从而使温度敏感性随温度升高而降低(陈全胜等，2003b).Xu等(2001)和Wang等(2008)野外实验发现，温度敏感性呈现明显的夏季低冬季高的季节变化.Leifeld等(2005)和Karhu等(2010)的室内培养实验也证实了高温时温度敏感性会下降.

含水量是影响Q₁₀值的又一重要因素.本研究中，Q₁₀值随着含水量的增大而减小，两者具有显著的负相关关系(p＜0.05)，Dorr等(1987)也发现含水量增加会降低温度敏感性.主要是因为含水量对温度敏感性的影响可能与含水量对CO₂排放的影响机制有关.当含水量处于田间持水量和萎蔫系数之间时，CO₂排放对含水量变化不敏感，只有当含水量超过田间持水量或降低到永久萎蔫点以下时，CO₂排放才开始下降(Kucera et al., 1971).同时，过高的含水量会降低土壤的通透性，减少土壤中氧气供应(Linn et al., 1984；Davidson et al., 1998)，使植物根系和好氧微生物的活动受到限制.另一方面，也会降低植物和微生物的活性，阻碍土壤溶液中可溶性有机碳的扩散，使微生物可利用的溶解性有机碳总量减少，从而降低温度敏感性(Linn et al., 1984).因此，过高的含水量会限制温度对CO₂排放的影响，进而使温度敏感性下降(Kirschbaum et al., 2000).

5 结论(Conclusions)

1) 福州平原稻田CO₂排放量常规施肥组(CG)最大，倍增施肥组(BZ)次之，对照(CK)最小，施肥量增加了CO₂的排放，但三者之间的差异不显著.

2) 稻田CO₂排放与土壤含水量、土温、株高等环境因子具有显著的正相关关系.

3) 稻田CO₂的排放量与土温和气温有密切的关系，各处理间CO₂排放量与土温、气温均呈显著的正相关关系.

4) CK的Q_s10值和Q_a10值显著高于CG和BZ，施肥量增加显著降低了稻田CO₂排放的温度敏感性.