不同秸稈還田模式對稻麥兩熟農田稻季甲烷和氧化亞氮排放的影響

王海候， 沈明星， 陸長嬰， 張永春， 吳彤東， 施林林， 周新偉

(1.江蘇太湖地區農業科學研究所，江蘇 蘇州215155;2.農業部蘇州水稻土生態環境重點野外科學觀測試驗站，江蘇 蘇州215155;3.江蘇省農業科學院資源與環境研究所/農業部江蘇耕地保育科學觀測實驗站，江蘇 南京210014)

全球氣候變暖與溫室氣體的大量排放有密切關系。甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是僅次于二氧化碳(CO2)的重要溫室氣體［1］，其單位質量的全球增溫潛勢(GWP)在100 年時間尺度上分別為CO2的25 和298 倍［2］。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)報告指出，大氣中的CH4和N2O 濃度增長迅速，已分別由工業革命前的7.00 ×10-7和2.70 ×10-7提高到2012 年的1.82 ×10-6和3.25 ×10-7［2］，農業活動排放的CH4和N2O 約占全球人為排放量的52%和84%［3］。稻田是大氣CH4的主要生物排放源之一，雖然稻田N2O 的排放量小于旱地［2-3］，但在稻季采取烤田措施會明顯增加N2O 排放［4-6］。

稻麥兩熟是中國南方重要種植制度之一，同時，稻麥兩熟也是江蘇省最主要的糧食生產模式，實現稻麥兩熟農田的可持續高產穩產有利于保障地區乃至全國糧食安全［7-8］。秸稈還田是目前江蘇稻麥兩熟農田大力推廣的農業措施，已有研究者認為秸稈還田可以增加或減少CH4和N2O 的排放［6，8-14］，但稻麥秸稈的不同還田模式對稻田CH4和N2O 排放的影響尚不清楚。為此，本試驗以長江下游典型稻麥兩熟農田為對象，通過田間定位試驗研究不同稻麥秸稈還田模式對水稻生長季甲烷和氧化亞氮排放的影響，以期為稻田溫室氣體排放的精確估算及合理減排措施的制定提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗在農業部蘇州水稻土生態環境重點野外科學觀測試驗站(31°27'45''N，120°25'57''E)進行，區域內年均降雨1 128 mm，年均光照時長3 039 h，年均溫度15.7 ℃，＞10 ℃年有效積溫為4 947 ℃，主要實行水稻-冬小麥兩熟種植制度。秸稈還田模式定位試驗開始于2007 年6 月水稻生長季，試驗土壤類型屬壤質黃泥土，試驗前0 ～20 cm 耕層土壤有機質含量33.0 g/kg，全氮1.7 g/kg，堿解氮111.2 mg/kg，有效磷35.3 mg/kg，速效鉀82.0 mg/kg，pH6.12，土壤容重1.1 g/cm3。

試驗設稻麥季秸稈均不還田(CK)、麥季稻秸還田(R)、稻季麥秸還田(W)、稻麥季秸稈均還田(RW)4 個處理，3 次重復，每小區面積32.5 m2(5.0 m × 6.5 m)。不同還田模式處理的秸稈還田量及還田方式:稻季麥秸還田量為4.5 t/hm2，旋耕還田;麥季稻秸還田量為6.0 t/hm2，直接覆蓋還田。供試水稻品種為常規粳稻蘇香粳1 號，2013年5 月15 日播種，6 月21 日人工移栽(移栽規格為行距23.3 cm、株距13.3 cm，每穴3 苗)，10 月20 日收獲。各處理氮肥(純氮)、磷肥(五氧化二磷)和鉀肥(氧化鉀)用量分別為225 kg/hm2、90 kg/hm2、180 kg/hm2，氮肥按基肥∶ 分蘗肥∶ 穗肥=4∶ 3∶ 3 施用，磷肥一次性供基肥施入，鉀肥作基肥和穗肥施用，每次50%，分蘗肥和穗肥分別于6 月27 日、8 月6 日施用。水稻生長期間水分管理采用前期淺水(6 月21 日～7 月25 日)、中期烤田(7 月26 日～8 月9 日)、后期干濕交替(8 月10 日～收獲前15 d)的管理模式，其他田間管理措施同一般高產大田。

1.2 CH4和N2O 采集與分析

于2013 年6 月～2013 年10 月水稻生長期間進行CH4和N2O 排放的觀測。CH4和N2O 氣體采用靜態箱法測定，靜態箱底橫截面積為0.25 m2(0.5 m×0.5 m)，采樣箱由PVC 材質制成，采樣箱外部包有海綿和鋁箔紙，防止太陽照射導致箱內溫度變化過大。每小區固定采樣底座3 個，底座上部有5 cm 深的凹槽，測定時加水密封，采樣箱內頂部裝有12 V 小風扇以充分混勻箱內氣體，箱體中部安裝抽氣孔，采樣時按10 min、20 min、30 min 的時間間隔用50 ml 注射器抽取箱內氣體，來回抽動3 次以完全混勻氣體，抽出50 ml 保存于氣體采樣袋后迅速帶回實驗室分析。水稻自移栽后第3 d 起，每7 d 采樣1 ～2 次，采樣時間在上午8∶ 00 ～10∶ 00。CH4和N2O 氣體濃度由經改裝的Agilent 7890A 氣相色譜測定，CH4檢測器為FID，檢測溫度300 ℃，柱溫60 ℃，載氣為99.999% 高純氮氣，流速30 ml/min;N2O 檢測器為ECD，檢測溫度300 ℃，柱溫60 ℃，載氣為99.999%高純氬甲烷氣(95%氬氣+5%甲烷)，流速40 ml/min。氣體排放通量計算公式如下:

式中F為氣體排放通量［mg/(m2·h)］，ρ 為標準狀態下氣體的密度(kg/m3)，h為采樣箱的凈高度(m)，dc/dt為單位時間內采樣箱內氣體的濃度變化率，273 為氣態方程常數，T為采樣過程中采樣箱內的平均溫度(℃)。CH4和N2O 排放通量用3 個觀測值的平均值及標準偏差來表示，季節平均排放通量是將3 個觀測值按時間間隔加權平均后再平均。

1.3 水稻產量測定

水稻成熟期，每小區調查100 穴植株的計算平均穗數，根據調查的平均穗數取代表性植株5 穴，用水漂法區分飽粒(沉入水底者)和空癟粒，計算理論產量。

1.4 統計分析方法

試驗數據處理和作圖采用Microsoft Excel for Windows 2007 完成，用SPSS11.5 軟件進行統計分析。

圖1 不同處理稻季CH4(A)和N2O(B)排放通量的季節變化Fig.1 The seasonal variations of CH4(A)and N2O(B)fluxes during ricegrowing season under different treatments

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田模式對稻季CH4 排放通量的影響

從圖1 可以看出，不同秸稈還田模式處理水稻生長期間CH4排放通量均呈現明顯的季節變化。各處理在水稻生長初期CH4排放通量較小，然后逐漸增大，在水稻移栽后19 d 出現最大排放值，排放通量峰值最大的是稻麥季秸稈均還田的RW 處理，達到60.64 mg/(m2·h)，其次是稻季麥秸還田的W處理和麥季稻秸還田的R 處理，排放通量峰值分別為52.83 mg/(m2·h)和22.72 mg/(m2·h)，無秸稈還田的CK 處理排放通量峰值最小，為13.09 mg/(m2·h);排放高峰過后，各處理的甲烷排放通量迅速降低，特別是在水稻烤田期間(移栽后36 ～50 d)，甲烷排放量非常小，各處理除了在烤田結束復水后甲烷排放通量略有回升外，其他時間均維持較低水平直至水稻收獲，排放通量均低于5 mg/(m2·h)。水稻生長季CH4平均排放通量從高到低依次是RW、W、R 和CK 處理，平均排放通量分別為7.96 mg/(m2·h)、6.76 mg/(m2·h)、4.17 mg/(m2·h)和3.32 mg/(m2·h)。

2.2 不同秸稈還田模式對稻季N2O 排放通量的影響

水稻生長季N2O 排放通量隨時間的變化如圖1所示，不同秸稈還田模式處理N2O 排放的季節變化趨勢基本相同。在水稻移栽至烤田前，各處理N2O排放通量較小，處理間N2O 排放通量的差異不大，各處理均在水稻移栽后50 d N2O 排放通量最大，排放通量峰值以麥季稻秸還田的R 處理和稻麥季秸稈 均 還 田 的 RW 處 理 較 大，分 別 為 2.64 mg/(m2·h)和2.37 mg/(m2·h)，稻季麥秸還田的W 處理和無秸稈還田的CK 處理的N2O 排放通量峰 值 較 小，分 別 為1.89 mg/(m2·h)和 0.89 mg/(m2·h)。烤田復水后N2O 排放通量驟降至較低水平，之后的干濕交替水分管理期間N2O 排放通量也較低。不同秸稈還田處理下水稻生長季N2O平均排放通量的大小順序表現為R ＞W ＞RW ＞CK，平均 排 放 通 量 依 次 為 0.16 mg/(m2·h)、0.09 mg/(m2·h)、0.07 mg/(m2·h)和0.04 mg/(m2·h)。

2.3 不同秸稈還田模式對水稻不同生育期CH4 和N2O 累積排放量的影響

為進一步比較分析不同秸稈還田模式下CH4和N2O 排放的差異，將水稻全生育期(大田生長期)分為移栽至有效分蘗臨界葉齡期、有效分蘗臨界葉齡期至拔節期、拔節期至抽穗期、抽穗期至成熟期4 個階段。圖2 顯示，不同秸稈還田模式下水稻不同生育階段CH4累積排放量均以移栽至有效分蘗臨界葉齡期為最大，CK 處理在這一階段的CH4排放量占全生育期CH4排放量的比例為55%，秸稈還田處理的這一比例為68% ～88%，說明CH4排放量主要集中在水稻生育前期。秸稈還田模式對水稻不同生育階段CH4累積排放量的影響達到極顯著水平，移栽至有效分蘗臨界葉齡期階段CH4累積排放量以RW處理為最大，達202.04 kg/hm2，與W 處理(174.27 kg/hm2)差異不大，但均顯著大于R(83.24 kg/hm2)和CK 處理(53.26 kg/hm2)，R 處理顯著大于CK 處理;有效分蘗臨界葉齡期至拔節期，以R 處理和CK處理的CH4累積排放量較大，分別為16.20 kg/hm2和15.74 kg/hm2，均顯著大于RW 處理和W 處理;拔節期至抽穗期CH4累積排放量以CK 處理為最大，顯著大于其他處理;抽穗期至成熟期CH4累積排放量W 處理最低，顯著低于其他處理。

圖2 不同處理水稻不同生育階段CH4(A)和N2O(B)的累積排放量Fig.2 CH4(A)and N2O(B)accumulated emissions at different rice growth periods under different treatments

不同秸稈還田模式對水稻不同生育階段N2O累積排放量有顯著影響，在N2O 累積排放量最大的有效分蘗臨界葉齡期至拔節期，此階段N2O 累積排放量表現為R ＞RW ＞W ＞CK，各處理依次為3.03 kg/hm2、2.82 kg/hm2、2.31 kg/hm2和1.34 kg/hm2，各秸稈還田處理的N2O 累積排放量均顯著大于CK，分別比CK 增加126%、110%和72%;在移栽至有效分蘗臨界葉齡期，這個階段N2O 累積排放量以R 處理(1.16 kg/hm2)最高，顯著高于其他處理，W處理次之，顯著高于CK 處理和RW 處理。

2.4 不同秸稈還田模式稻季CH4 和N2O 排放總量及溫室效應的影響

從水稻整個生育期CH4排放總量來看，不同秸稈還田模式對稻季CH4排放總量有顯著影響(表1)，呈現為RW ＞W ＞R ＞CK，處理間的差異均達顯著水平，與無秸稈還田的CK 處理相比，麥季稻秸還田的R 處理增排CH426%，稻季麥秸還田的W 處理和稻麥季秸稈均還田的RW 處理分別比CK 對照增加104%和140%，說明麥秸還田極大地增加了稻田CH4排放。不同秸稈還田模式下稻季N2O 排放總量表現為R ＞W ＞RW ＞CK，R、W、RW 分別比CK對照增加343%、149%和100%，差異達顯著水平。

表1 不同秸稈還田模式下稻季排放CH4和N2O 的全球增溫潛勢Table1 Emissions of CH4 and N2O during rice-growing season and their global warming potentials(GWPs)as affected by different patterns of straw returning

將不同秸稈還田模式處理排放的CH4和N2O換算為等GWP 的CO2量，表1 表明，各處理稻季排放的CH4和N2O 所產生的GWP 以RW 處理最高，為6 465 kg/hm2，CO2，與W 處理(5 742 kg/hm2，CO2)的差異不顯著，但均顯著高于其他處理，R 處理顯著高于對照CK;不同秸稈還田模式下稻季排放的CH4對總增濕潛勢的貢獻明顯高于N2O，是減排的主要對象。從水稻產量來看，RW 處理(10.54 t/hm2)和R 處理(10.36 t/hm2)較CK 對照顯著增產，W 處理較CK 對照略有減產，但未達顯著水平。以單位產量的GWP 來評價不同秸稈還田模式對CH4和N2O 排放的綜合影響［17］，不同秸稈還田模式單位產量的GWP 表現為RW ＞W ＞R ＞CK(表1)，秸稈還田處理的單位產量的GWP 均顯著高于無秸稈還田的CK 處理。

3 討論

秸稈還田是解決稻麥兩熟農田秸稈焚燒的重要措施［8］。但眾多研究結果表明秸稈還田會促進稻田CH4排放［6，8-13］，主要原因是秸稈還田既為產甲烷菌活動提供了豐富的碳源，使產甲烷菌有了充足的基質，同時，土壤微生物的生長又使土壤中的氧被快速消耗，使土壤氧化還原電位加速下降，為產甲烷菌活動創造適宜的環境條件［16］。本研究結果表明，在實施秸稈還田6 年后，3 種秸稈還田模式(麥季稻秸還田、稻季麥秸還田和稻麥季秸稈均還田)均顯著增加了稻季CH4排放，增加幅度為26% ～140%，這與 蔣 靜 艷 等［6］、張 岳 芳 等［8，12］、ZOU 等［9］、MA等［10，13］、劉金劍［11］的研究結果一致，與李成芳等［14］的研究結論不同。從本研究結果還可以看出，秸稈還田條件下稻田CH4排放量主要集中在水稻生育前期，其中移栽至有效分蘗臨界葉齡期CH4累積排放量占稻季總排放量的68% ～88%，因此，如何減少這一階段的CH4排放顯得尤為迫切。

N2O 排放是N2O 產生、轉化和傳輸三個過程共同作用的結果，本文中排放通量出現負數說明N2O的還原轉化快于產生，土壤表現為大氣N2O 的匯，因此不同處理會出現N2O 負累積的現象(圖2)。土壤微生物的硝化和反硝化過程是農田N2O 的主要來源，1 ～3 年的短期研究多數結果表明，秸稈還田會導致土壤礦質氮的微生物固定，使硝化和反硝化作用的底物減少，從而減少稻季N2O 的排放［6，9-10，12-13］，但也有研究結果［14］顯示秸稈還田增加了稻季N2O 排放，而Shang 等［18］的長期試驗結果則表明秸稈還田顯著增加了雙季稻田N2O 排放。本研究結果表明，與秸稈不還田相比，秸稈還田6 年后，麥季稻秸還田、稻季麥秸還田和稻麥季秸稈均還田會顯著提高稻季N2O 排放(增排100% ～343%)，與李成芳等［14］、Shang 等［18］的結論相同，與其他研究者的結果不同。可能原因是多年的秸稈還田增加了土壤的碳氮供應，為稻季土壤硝化和反硝化作用提供了充足的C、N 反應底物，從而提高了N2O 排放［14］。另外，本試驗中麥季稻秸還田處理的N2O排放量高于稻季麥秸還田和稻麥季秸稈均還田處理的可能原因是:當季小麥秸稈還田后導致土壤礦質氮的微生物固定，通過減少硝化和反硝化作用的底物，降低了N2O 的排放。說明，稻麥兩熟農田多年的秸稈還田增加了稻季N2O 排放。

本研究結果表明，麥季稻秸還田和稻麥季秸稈均還田能起到增加水稻產量的作用，而不論是稻季排放CH4和N2O 產生的溫室效應——全球增溫潛勢(GWP)還是單位產量的GWP，秸稈還田處理均顯著高于秸稈不還田對照，這與前人［8］的研究結果一致。但無論采用何種秸稈還田模式，CH4排放均在稻季溫室效應中起著決定性作用，因而CH4減排是稻麥兩熟農田水稻生產過程中減少溫室效應的關鍵。從本研究結果來看，植稻前小麥秸稈還田是增加稻季CH4排放的重要因素。但本研究未涉及土壤固碳潛力，也未考慮不同秸稈還田模式下麥季排放CH4和N2O 產生的溫室效應，因此，全面評價稻麥兩熟農田不同秸稈還田模式周年綜合溫室效應尚待進一步研究。

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