CH₄和N₂O是大气中重要的温室气体，100 年时间尺度上，CH₄和N₂O单位分子增温潜能分别是CO₂的34倍和298倍^[1]。稻田生态系统是全球CH₄和N₂O排放的主要来源，其温室气体的排放与减排研究已成为当今的热点问题，已有研究主要探讨了减排抑制剂^[2]、水分管理^{[3, 4]}、品种^[5]、栽培方式^[6]等对温室气体排放的影响。近年来，随着稻米需求量的增加，稻田施肥量呈现增长的趋势，所带来的温室气体大量排放^[7]和对生态环境的破坏^[8]等问题不容忽视。根据区域土壤特征进行适量施肥对于减缓温室气体排放具有重要意义。石生伟等^[9]和秦晓波等^[10]在湖南省长沙县和望城县水稻研究区开展了氮磷施肥量和无机肥与有机肥配施对稻田CH₄和N₂O排放的影响，结果显示，不同的无机肥处理对稻田CH₄和N₂O平均通量差异均不显著，有机肥显著促进CH₄排放，而对N₂O并没有影响；赵峥等^[11]在上海市青浦区稻田研究区开展了无机、有机肥混施对稻田CH₄和N₂O排放的影响，结果显示，有机肥能显著增加CH₄的排放通量，也显著降低N₂O排放通量。总体上，相同施肥模式下，不同研究区域对温室气体排放的影响并不完全相同；且现有研究多集中于氮肥和有机肥，对常用的无机复合肥的研究鲜见报道^{[9, 10, 11, 12]}。因此，在不同地区开展无机复合肥的研究具有重要的理论和实践意义。

土壤盐度、pH、氧化还原电位(Eh)和含水率等环境因子在控制温室气体排放中具有重要作用^[13]，环境因子对环境的变化响应敏感性较强^{[14, 15]}，施肥是否会改变土壤理化因子进而影响温室气体排放尚不清楚。本文研究了不施肥(CK)、常规施肥和倍增施肥对福州平原稻田CH₄和N₂O排放的影响，探讨不同施肥量稻田温室气体排放特征及其影响因子，以期为揭示不同施肥量对温室气体排放的影响程度与机制提供依据。

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，株行距14 cm×28 cm，为保持稻田土壤的均一性，试验前对稻田进行人工整平，7月16日收获。采取传统水分管理，水稻前期实行水淹管理，水稻分蘖末期后实行烤田—复水—湿润灌溉相结合的灌溉方式。气温、降水与空气湿度变化是影响水稻生长发育和稻田温室气体排放的主要因素，水稻生长期观测试验地气温与湿度变化(图1)。

	图 1 水稻生长期气温与空气湿度变化特征 Fig. 1 Air temperature and humidity fluctuations during rice growth stage
图选项

选择相对平整且人为干扰较少的水稻田地，随机选择9个试验小区，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组(CK)、常规施肥组和倍增施肥组。常规施肥组主要施用复合肥(N∶P₂O₅∶K₂O=16∶16∶16)和尿素(N≥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，倍增施肥组施肥量是常规施肥组的2倍。

采用静态箱与气相色谱法相结合的方法对稻田CH₄和N₂O气体通量进行测定。静态箱由插入土壤的底座和箱体两部分组成，底座与箱体均由厚5 mm的透明有机玻璃制成。底座长×宽×高为0.3 m×0.3 m×0.3 m，下部有均匀小孔，易于水肥养分的流通；箱体长×宽×高为0.3 m×0.3 m×1.0 m，侧部装有温度计，顶部装有小风扇。上午9:30-11:30之间进行采样，每隔7 d采样1次，采用医用塑料注射器采集气体，每隔15 min抽取70 mL气体样品，共抽取3次，抽取后立即注入气袋内，并同步记录箱内温度。采用日本岛津公司生产的气相色谱仪(GC2010和GC2014)对CH₄和N₂O气体进行测定。气体通量的计算公式如下：

综合温室效应计算公式^[1]如下:

P_GW=R_CH4×34+R_N2O×298(2)

式中,P_GW为综合增温潜势值/(kg·hm^-2，以CO₂为当量);R_CH4为观测期的CH₄累积排放量/(g·m^-2);R_N2O为观测期N₂O累积排放量/(mg·m^-2)。

温室气体采集完成后，用深圳泰立公司的2265FS便携式盐分计原位同步测定表层水及0-15 cm深度的土壤温度与土壤电导率；用北京澳作生态公司IQ150土壤原位pH计测定Eh和pH值；用北京哈维斯廷公司的土壤水分测定仪(TDR 300 Soil Moisture Meter)测定土壤含水量；用手持式气象站测定采样时的气温与空气湿度。

主要采用Origin 8、Excel 2003和SPSS 17.0统计分析软件对测定数据进行统计分析。

不同处理稻田CH₄通量变化见图2A。由图2A可知，在水稻生长期内不同施肥量处理的CH₄通量表现出相似的变化规律，且在生育期的始、末均较低。水稻移栽后，随着气温的升高、厌氧环境的形成及水稻的旺盛生长，CH₄通量逐渐升高；移栽后29 d左右，各处理同时出现CH₄通量降低；由于稻田排水烤田与湿润灌溉作用，分蘖末期CH₄在移栽64 d再次降低。移栽71 d时，各处理CH₄通量同时达到最大值；之后随着水稻的成熟与稻田水的排干，CH₄通量迅速下降。移栽初期，土壤受人为干扰影响较大，各处理稻田CH₄通量相差不明显，移栽22 d进入水稻生长中期，各处理间的差异逐渐明显且常规施肥与倍增施肥处理CH₄通量均大于CK，直到移栽85 d时水稻开始成熟，差异才逐渐变小。整个生长期内CH₄排放幅度为0.05-14.42 mg·m^-2·h^-1，平均值为(4.20±0.37) mg·m^-2·h^-1，整个水稻生长季CH₄通量随时间变化显著(表1)。

	图 2 不同施肥量下稻田CH4与N2O通量变化特征 Fig. 2 Changes of CH4 and N2O emission rate in paddy fields under different fertilizer regimes A.CH4通量;B.N2O通量。
图选项

不同处理下稻田N₂O通量变化见图2B。由图2B可知，水稻生长期内出现吸收与排放交替现象，各处理N₂O通量随时间变化显著(表1)。移栽中期由于水稻植株发达的通气组织和稻田排水—晒田—湿润灌溉管理，水稻移栽36和50 d时出现N₂O排放低峰和高峰，随后稻田N₂O通量逐渐下降。其他观测期间各处理N₂O通量总体上趋于平稳。整个生长期内N₂O通量最小值为(-304.93±57.40) μg·m^-2·h^-1，出现在水稻移栽36 d时；最大值为(113.81±55.35) μg·m^-2·h^-1，出现在水稻移栽50 d时。

施肥量对稻田生育期CH₄通量的影响见图3A。由图3A可知，水稻生长期内各处理CH₄通量为：倍增施肥＞常规施肥＞CK，平均值依次为(4.84±0.70)、(4.17±0.47)和(3.47±0.61) mg·m^-2·h^-1。倍增施肥处理CH₄通量与CK存在显著性差异(P＜0.05)，比CK增加了39.44%；常规施肥处理与CK和倍增施肥无显著性差异。除返青期和成熟期外，其他水稻生长阶段稻田CH₄通量均为：倍增施肥＞常规施肥＞CK，在拔节孕穗期倍增施肥处理CH₄通量极显著高于CK(P＜0.01)。这是由于施加无机复合肥促进了水稻根系的生长，使得根系分泌物增多，为CH₄的产生提供更好的基质条件；无机复合肥还能促进水稻植株的生长，土壤产生的CH₄通过水稻植株排放到大气，在水稻拔节孕穗期达到最大值；无机氮肥水解的NH⁺₄-N对CH₄的氧化有竞争作用^{[16, 17]}，同时产生的NO^-₂-N与NO^-₃-N对CH₄营养菌产生毒害作用^{[18, 19]}，进而间接增加了CH₄的排放量。本试验结果与石生伟等^[9]及秦晓波等^[10]对早稻CH₄通量的研究结果不尽相同，在土壤耕作层碳氮磷养分基本一致的情况下，石生伟等^[9]施加的最高氮磷量是本试验最高氮磷量的2倍多，但并未出现最高施肥量处理的稻田CH₄通量显著高于不施肥处理的现象。其原因可能是本试验在水稻分蘖后期出现连续低温与降雨天气(图1)，导致进入烤田期稻田土壤含水率仍然很高，土壤通气不好，使得产甲烷菌的活动并未受到抑制^[20]，当水稻进入拔节孕穗期后，倍增施肥处理的水稻生长旺盛，CH₄通量明显高于CK。

	图 3 施肥量对稻田生育期CH4和N2O通量的影响 Fig. 3 Effect of fertilizer rates on CH4 and N2O emissions in paddy fields A.CH4通量;B.N2O通量。
图选项

施肥量对稻田生育期N₂O通量的影响见图3B。由图3B可知，不同施肥处理下水稻各生长阶段N₂O通量无显著性差异(P>0.05)，整个生长期表现为对N₂O的吸收。各处理N₂O通量均为：倍增施肥＞常规施肥＞CK，平均值分别为(-28.10±15.71)、(-22.77±8.93)和(-13.43±17.42) μg·m^-2·h^-1，施肥量对稻田N₂O通量的影响不显著(P>0.05)。部分研究表明，施用无机复合肥能显著促进土壤N₂O排放^[21]，这是由于无机复合肥施加后增加土壤氮素含量，为土壤硝化作用与反硝化作用提供NO^-₃-N和NH⁺₄-N等底物，且NO^-₃-N可以促进反硝化速率，刺激NO^-₃-N还原酶活性，进而增加N₂O产量^{[22, 23]}；施肥不仅影响N₂O产量，还影响农作物的生长状况，作物植株对N₂O的传输作用是N₂O进入大气的重要途径^[24]。本研究表明，不同无机肥施用量对稻田N₂O通量没有显著影响，可能由于稻田长期淹水，土壤处于极端还原状态使得土壤生成的N₂O进一步还原为N₂,抑制了N₂O产生排放 ^[25]。综合来说，不同施肥量对稻田N₂O通量的影响应该与土壤中有机碳的分解与微生物对N的争夺利用和水稻对无机复合肥的利用等因素有关。因此，有关施肥量对稻田N₂O通量的影响尚需进一步深入研究。

水稻生态系统CH₄和N₂O通量与土壤pH、Eh、电导率和含水率等土壤环境因子密切相关。土壤pH的变化对外界环境的变化较为敏感，而绝大多数土壤微生物适应于微碱性或中性的条件^[26]。整个水稻生长期pH变化范围较大，介于4.6-7.5之间(图4A)。土壤pH方差分析显示，不同处理对稻田pH没有显著性影响(P>0.05)。对稻田CH₄和N₂O通量与土壤pH相关分析表明(表2)，CK处理CH₄通量与pH显著正相关(P<0.05)，其他处理与pH也存在正相关关系，但并不显著(P>0.05)；土壤pH与常规施肥和倍增施肥N₂O通量显著负相关(P<0.05)，与CK处理没有显著相关性。

	图 4 不同施肥量土壤理化特征随时间变化规律 Fig. 4 Changes in soil properties under different fertilizer regimes during rice growth A.pH;B.Eh;C.含水率;D.电导率。
图选项

土壤含水率与Eh是反映其供氧状况和通透性的重要指标之一，影响CH₄的氧化及N₂O的排放^[27]。水稻生长期内稻田土壤Eh与含水率的变化范围介于-233.1～99.2 mV和46.3%-82.8%之间(图4B、4C)。统计分析表明(表2)，不同处理对土壤含水率与Eh没有显著性影响(P>0.05)，常规施肥和倍增施肥稻田CH₄排放与土壤含水率存在显著正相关(P<0.05)，常规施肥N₂O排放与土壤含水率存在显著负相关(P<0.05)，而不同处理CH₄和N₂O排放与土壤Eh相关性均不显著。这主要因为水稻烤田期阶段受寒流降雨天气影响使得稻田土壤含水率居高不下(图1)，土壤Eh长期处于较低的水平，有利于稻田CH₄的产生和对N₂O排放的抑制^[28]，同时由于气温大幅度的下降，使得土壤微生物活性受到抑制^[29]，从而导致不同处理CH₄和N₂O排放与土壤Eh相关性并不明显。

整个水稻生长季稻田电导率变化范围介于0.5-1.2 mS·cm^-1之间(图4D)。对土壤电导率方差分析显示，不同处理稻田土壤电导率并没有显著性差异(P>0.05)，可能因为少量无机肥的施加没有影响土壤电导率。不同施肥处理稻田CH₄排放均与土壤电导率呈极显著正相关(P<0.01)，N₂O排放与电导率相关性并不明显(表2)。可能由于水稻生长期内，除成熟期土壤干裂导致电导率下降外，土壤电导率变化范围不大，介于0.84-1.28 mS·cm^-1之间，有利于CH₄的产生与排放^{[30, 31]}。

为了更好地比较不同施肥处理对稻田CH₄和N₂O的影响，采用100年时间尺度，以CO₂作为参照气体，分别计算水稻生长期内3种不同处理稻田CH₄和N₂O温室气体累积通量、温室效应及综合温室效应(表3)。由表3可知，不同处理中CH₄是影响温室效应的主要温室气体，常规施肥和倍增施肥处理下的CH₄累积排放量分别比CK高8.93%和31.91%，N₂O累积吸收量分别比CK高107.14%和110.71%。CK、常规施肥和倍增施肥3种处理所产生的综合温室效应分别为51 995.25、55 019.75和67 286.74 kg·hm^-2，与CK相比，常规施肥与倍增施肥分别提高了5.82%和29.1%。该结果与石生伟等^[9]、梁巍等^[32]的试验结果相一致。就当地施肥模式而言，稻田减排措施应以CH₄为主，N₂O可忽略。

(1)稻田CH₄与N₂O的排放均有显著的季节性变化规律。倍增施肥处理显著促进了稻田CH₄的排放，常规施肥处理差异性不显著；不同施肥量对稻田N₂O的排放没有显著性差异。

(2)不同施肥量对稻田环境因子没有显著性影响，4种环境因子中土壤pH、含水率和Eh是影响稻田CH₄排放的主要因素。

(3)不同处理中CH₄均是主要的温室气体，当地稻田减排措施应该以CH₄减排为主，就不同施肥量而言，倍增施肥处理的增温潜势最大，CK最小。