不同耕作模式下稻—油系統CO2和CH4凈交換量動態變化研究

（湖南農業大學農學院，長沙410128）

不同耕作模式下稻—油系統CO2和CH4凈交換量動態變化研究

成小琳，唐先亮，魏甲彬，周玲紅，徐華勤*，鄒應斌，唐劍武

（湖南農業大學農學院，長沙410128）

為了探討不同耕作方式對稻田生態系統CO2和CH4凈交換量的影響，采用溫室氣體自動分析儀與循環采氣式靜態箱法相結合，通過對比不同生育期，對長期免耕和常規翻耕兩種耕作方式下稻油兩熟制農田生態系統CO2和CH4日凈交換量動態變化進行分析，結果表明，免耕處理稻田系統CO2凈吸收總量和CH4凈排放總量分別比翻耕處理高11.75%和16.55%；稻田系統CO2和CH4凈交換總量主要發生在水稻種植階段；水稻種植階段稻田系統CO2凈交換量占凈交換總量的70%左右，CH4凈交換量占交換總量的99%以上。全年來看，免耕模式下稻田系統CO2吸收增加而CH4排放加劇。

稻田系統；耕作方式；CO2；CH4；凈交換量

稻田是大氣CH4和CO2的主要釋放源。稻田 CH4的排放是CH4產生、再氧化及排放傳輸三個過程相互作用的結果［1，2］。在厭氧條件下，土壤微生物分解土壤有機碳，形成CH4；好氧條件下CH4（82%～84%）又被土壤微生物氧化［3］，排放量減少。土壤中CO2的生成過程也包括三個生物學過程（植物呼吸、土壤生物呼吸及土壤動物呼吸）和一個非生物學過程（含碳物質的化學氧化作用）［4］。可見，稻田土壤中CO2和CH4的產生和排放過程在很大程度上受稻田水分、耕作措施等稻田管理方式的影響［5］。研究不同耕作方式下的稻田系統CO2和CH4排放規律可為減緩全球溫室氣體排放提供科學參考。

箱式法是目前CO2和CH4測定采用的主要方法之一［6］。傳統的靜態箱法往往采用暗箱法，難以反映包括植物光合作用的CO2凈交換量（Net Ecosystem Exchange，NEE）。透明循環采氣式靜態箱同步監測植物對CO2的同化過程，并可通過線性擬合推算CO2通量，能更準確地反映田間CO2和CH4的凈交換量變化。免耕是一種重要的保護性耕作方法，與翻耕模式相比，具有省本、保持水土、提高農業效益、節能減排等特點，已得到廣泛推廣應用，且發展潛力巨大。但目前采用透明靜態箱原位連續監測長期免耕模式對稻田溫室氣體排放的影響報道還比較少。

本研究以長期免耕模式下的稻油兩熟農田為研究對象，采用溫室氣體自動測定儀結合循環采氣式靜態箱法，田間原位監測CO2和CH4含量，并通過線性擬合估算其日凈交換量和周年凈交換量（NEE）。研究結果對于評價耕作方式對稻田CO2和CH4的收支與排放能力影響具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本研究基于免耕長期定位試驗田（始于2003年），位于湖南省長沙市湖南農業大學耘園試驗基地（28°11′N，113°04′E）。試驗地屬亞熱帶季風氣候區，年均氣溫17.0℃，年均降水約1355 mm，年均日照時數1677 h。試驗田為黏性土，有機質25.74 g／kg，全氮1.55 g／kg，全磷1.11 g／kg，全鉀16.14 g／kg。前茬為板田免耕直播油菜。水稻供試材料為超級雜交稻‘兩優培九’，移栽種植；油菜供試材料為‘湘雜優6號’，板田免耕直播。設免耕（NT）和翻耕（CT）兩個處理，隨機區組排列，4次重復，小區面積30 m2。兩個處理的施肥量和施肥方法相同。在水稻種植階段，氮肥、磷肥和鉀肥用量分別為135 kg／hm2（以N計）、90 kg／hm2（以P2O5計）和180 kg／hm2（以K2O計）。氮肥按基肥∶分蘗肥＝2∶1（質量比）施入，磷肥和鉀肥作基肥一次性施入。而油菜種植階段，土壤表層施用復合肥700 kg／hm2（15－15－15）。

試驗于2014年水稻移栽開始，2015年油菜收割前一周結束。2014年6月12日水稻移栽，行株距20 cm×20 cm。大田自分蘗初期起保持田面3～5 cm水層，直到成熟前20 d左右停灌，任其自然落干。田間精細管理，及時控制病蟲害，2014年10月5日收割水稻（第116天）。水稻收獲后，秸稈不還田。板田免耕種植油菜，于2014年10月25日（第136天）直播油菜，11月4日表施復合肥700 kg／hm2，11月下旬補苗。田間管理按當地高產栽培進行。

1.2 CO2和CH4通量測定

采用溫室氣體自動測定儀結合循環采氣式靜態箱法。透明箱體50 cm×50 cm×120 cm，由化學性質穩定的有機玻璃板制成，罩在事先固定于田間的塑料底座上。底座上部有5 cm深的凹槽，測定時加水密封。箱體頂部兩接口與溫室氣體分析儀連接外，還有一微孔連接螺旋金屬氣管，平衡箱內外氣壓，箱內側壁還安裝了2個由12 V電池供電的電風扇（直徑15 cm）和1個溫度自動記錄儀。觀測時，透明箱體罩在塑料底座上，采用Ultraportable Greenhouse Gas Analyzer（CH4，CO2，H2O）（美國Los Gatos Research公司產）實時測定箱內溫室氣體（CH4，CO2）濃度。

觀測期從移栽后第20天開始至油菜收獲前結束。水稻種植階段分別在水稻分蘗初期（第20天）、分蘗后期（第37天）、孕穗期（第57天）、揚花期（第77天）、黃熟期（第102天），采用溫室氣體分析儀檢測CO2、CH4排放情況，分上午09：00～12：00和下午15：00～18：00兩個時間段，一天兩次，每個小區測定時間5 min。在油菜種植階段，約1個月測定一次（具體采樣時間根據天氣情況略有變化），分別在第127天、油菜出苗期（第159天）、苗前期（第187天）、苗后期（第224天）、蕾薹期（第239天）、開花期（第281天）和成熟期（第314天），分上午09：00～12：00和下午15：00～18：00兩個時間段，每個小區測定5 min。

1.3 環境因子及生物量測定

觀測CO2和CH4濃度變化的同時，采用溫度自動記錄儀記錄箱內溫度和3 cm土層的溫度。每次測定CO2和CH4濃度時，每小區隨機采集兩株植株，利用排水法測定植株地上部分體積，用于估算箱體有效體積，同時測定水稻葉面積指數。并將植株于105℃殺青15 min，80℃烘干至恒重，測定植株生物量。

植株地上部分體積測定：每個小區按照平均莖蘗數取樣2蔸，利用排水法測定植株地上部分體積。

水稻葉面積指數測定：每小區植株樣隨機取綠葉（綠色多于葉片2／3部分）12片，通過長乘寬參數法（葉面積＝長×寬×0.75）獲得葉面積。測得葉片干重、全部綠葉干重，利用比重法，獲得全部綠葉葉面積。已知植株株行距，可知植株占地面積。葉面積指數＝全部綠葉葉面積／植株占地面積。

植株生物量測定：植株于105℃殺青15min，80℃烘干至恒重，獲得植株干重，包括地上和地下兩部分生物量。植株生物量＝植株干重／植株占地面積。

1.4 計算方法

CO2和CH4日凈交換量（F，g／m2·d）按下式計算：

式中：P為標準狀態下大氣壓力（101.2237× 103Pa）；V為箱體內有效體積（m3），即箱體本身體積減去植株體積、內壁風扇體積和溫度記錄儀體積；R為氣體常數（8.3144）；A為箱體覆蓋面積（m2）；T為測定時箱內平均氣溫（℃）；d c／d t為采樣箱內CO2和CH4濃度（ppm）對時間t（s）的變化率；M為CO2或CH4相對分子質量（g／mol）；S為當天日照長度（s）。

由于CH4排放量極少，所以再次將日凈交換量單位g／m2·d換算成mg／m2·d。通過計算兩個相臨測量時間點的日凈交換量的平均值，可以算出這一段時間的CO2或CH4凈交換總量。通過多個時間段凈交換量的累加，可以算出整個稻油兩熟周期CO2或CH4凈交換總量。

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel 2007和SPSS 18.0軟件進行單因素方差分析及顯著性檢驗（p＜0.05），并采用Excel 2007做圖。

2 結果與分析

2.1 CO2日凈交換量及全年凈交換總量

圖1表明，全年翻耕與免耕處理對稻田系統溫室氣體CO2排放通量的影響趨勢基本一致。CO2日凈交換量主要表現為稻田系統對CO2的“匯”，即“凈吸收”，說明種植作物有利于稻田系統對CO2吸收。從耕作方式來看，免耕處理CO2凈交換量在水稻種植階段和油菜種植階段分別比翻耕高14.47%和5.87%。免耕處理CO2凈交換總量（凈吸收）比翻耕處理高11.75%。說明免耕處理模式下更有利于CO2的吸收。

圖1 稻田生態系統CO2日凈交換量的動態變化Fig.1 Dynam ic trend of daily CO2NEE in rice－cole cropping system

從作物生長時期分析（圖1），水稻種植階段CO2日凈交換量在大體上呈現“先升后降”趨勢，從分蘗初期（第20天）開始上升，孕穗期（第57天）時達到高峰，之后下降直至水稻收割。水稻種植階段免耕處理CO2日凈交換量最大值出現在水稻孕穗期（第57天），為37.28 g／m2·d，黃熟期（第102天）CO2日凈交換量為0.19 g／m2·d，顯著低于分蘗初期（第20天）、分蘗后期（第37天）和水稻孕穗期（第57天）（p＜0.05）。而翻耕處理CO2日凈交換量在孕穗期（第57天）時達到最大值，為34.82 g／m2·d，分蘗后期CO2日凈交換量顯著高于揚花期和黃熟期。在油菜種植階段，隨著油菜的生長發育，CO2日凈交換量逐漸增大，直到開花期轉而降低。總的來看在作物生長旺盛時期稻田系統對CO2的吸收作用較為明顯。

從不同作物分析，CO2凈交換量（凈吸收）在水稻種植階段和油菜種植階段差異較大（表1）。免耕處理水稻種植階段CO2凈交換量（凈吸收）占總凈交換量（凈吸收）的70.04%，而油菜種植階段只占30%左右；翻耕處理水稻種植階段CO2凈交換量占 總凈交換量的68.38%，略低于免耕處理。

表1 不同耕作方式下的稻田系統CO2和CH4凈交換量Table 1 Com parison of CO2and CH4NEE w ith different tillagemethods in rice－cole cropping system

2.2 溫室氣體CH4日凈交換量及全年凈交換總量

圖2表明，兩種耕作方式下稻田系統CH4日凈交換量變化趨勢基本一致。且CH4日凈交換量主要為正值，表現為稻田系統對CH4的排放。在水稻種植階段，CH4日凈交換量自分蘗初期（第20天）出現排放高峰，分蘗盛期時CH4排放量迅速降低；之后，略有反彈，但維持在較低的排放水平；收獲前20 d開始排水落干，再次下降。水稻種植階段CH4日凈交換量的變動范圍較大，為－0.378～674.70 mg／m2·d，而油菜種植階段變動范圍為－4.28～3.29 mg／m2·d，變動幅度較小。這說明稻田系統CH4排放主要發生在水稻種植階段，油菜種植階段凈交換量極其微少。

圖2 稻田生態系統CH4日凈交換量的動態變化Fig.2 Dynam ic trend of daily CH4NEE in rice－cole cropping system

不同作物種植模式下，CH4凈交換量在水稻種植階段和油菜種植階段差異較大，水稻種植階段占主要比重（表1）。免耕處理水稻種植階段CH4凈交換量為15.015 g／m2，占CH4凈交換總量的99.59%，而油菜種植階段只占0.41%；翻耕處理水稻種植階段CH4凈交換量為12.947 g／m2，而油菜種植階段凈交換量為－0.011 g／m2。總體來看，免耕處理水稻種植階段 CH4凈交換量比翻耕高15.98%，而在整個稻油兩熟周期，免耕處理稻田系統CH4凈交換總量比翻耕處理高16.55%。說明免耕模式下稻田系統CH4的排放增加。

3 討論

3.1 稻油輪作系統CH4和CO2日凈交換量和凈交換總量的變化特征

本研究表明，CH4凈交換總量主要發生在水稻種植階段，而在油菜種植階段極少，水稻生長前期CH4日凈交換量較高，后期低，與前人研究結果一致［7，8］。這是由于前期淹水條件下，有利于產甲烷菌的生長活動，殘留在土壤中的有機物質被分解，促進CH4排放［9，10］。而油菜旱作階段為好氣條件，CH4大部分被甲烷氧化菌所氧化，降低了土壤CH4排放。

本研究中CO2凈交換總量主要發生在水稻種植階段，而油菜旱作階段較少。這可能是由于水稻光合作用逐漸比呼吸作用強，導致稻田系統CO2凈吸收增大；而在冬油菜種植階段，氣溫較低，土壤水分含量低，油菜根系自養呼吸作用和微生物活性均受到抑制，致使油菜種植時期CO2凈交換量較低。本研究中還發現，水稻種植階段，稻田CO2日凈交換量自分蘗初期開始上升，至孕穗期達到高峰，之后下降，表明水稻在生長旺盛時期光合作用固定CO2的效率較高，這與朱詠莉［11］的研究結果基本一致。

3.2 耕作方式對稻田系統CH4和CO2日凈交換量及凈交換總量的影響

耕作方式通過影響土壤的物理性狀、化學性質和生物學過程直接或間接地影響著CH4排放。目前關于耕作方式對稻田CH4排放的影響的報道并不一致。大多數研究表明，少耕或免耕會減少CH4的排放［12，13］，可能是因為破壞性低的耕作方式保持了土壤的原有結構，提高了土壤CH4氧化程度，也可大大增加土壤CH4匯集的強度。也有研究者認為免耕顯著增加稻田CH4排放［7］。本研究表明，耕作方式對稻油兩熟周期作物各生育期CH4日凈交換量無明顯影響，但免耕處理CH4凈交換總量高于翻耕。這與其他研究者的結論不盡相同，可能是淹水條件下，免耕處理有機質富集在表層土壤，這有利于被微生物快速分解，一定程度上促進CH4合成速率。本研究還表明，在油菜種植階段，翻耕處理稻田系統CH4凈交換量表現為凈吸收，而免耕表現為凈排放。這可能與土壤水分含量有關。油菜板田旱作，免耕土壤水分高于翻耕［14］。隨著土壤水分含量的增加，CH4通量由吸收轉為排放［10］。

農田土壤CO2排放是氣候與土壤生物、物理、化學性質復雜作用的結果。本研究結果表明，在整個稻油兩熟周期，免耕處理稻田生態系統CO2的凈吸收比翻耕高，與李成芳等［5］的研究基本一致，這可能由于耕作措施破壞了土壤的團粒結構，使穩定的、被吸附的有機質易于分解，釋放大量CO2，而免耕有利于減少CO2排放［15～17］。然而，也有研究者指出，耕作方式對CO2排放的影響可能與免耕時長有關［18］。

4 結論

免耕處理稻田系統CO2凈吸收量和CH4凈排放量分別比翻耕處理高11.75%和16.55%。水稻種植階段稻田系統CO2凈吸收量占凈吸收總量的70%左右，CH4凈排放量占排放總量的99%以上。可見在稻油兩熟周期內，稻田系統CO2和CH4凈交換總量主要發生在水稻種植階段；與翻耕相比，免耕模式下稻田系統CO2的吸收量增加和CH4的排放量增加。

種植水稻階段稻田系統CO2日凈交換量在水稻分蘗后期到孕穗期相對較高，而油菜種植階段稻田系統CO2日凈交換量在苗后期、蕾薹期和開花期相對較高，說明作物生長旺盛時期更有利于稻田系統吸收CO2。

［1］ 李 晶，王明星，王躍思，等.農田生態系統溫室氣體排放研究進展［J］.大氣科學，2003，27（4）：740－749.

［2］ Sass RL，Fisher FM，Harcombe PA，et al.Mitigation of methane emissions from rice fields：Possible adverse effects of incorporated rice straw［J］.Global Biogeochemical Cycles，1991，5（5）：275－287.

［3］ 馮虎元，程國棟，安黎哲，等.微生物介導的土壤甲烷循環及全球變化研究［J］.冰川凍土，2004，26（4）：411－419.

［4］ 楊 平，杜玉華.國外土壤二氧化碳釋放問題的研究動態［J］.中國農業氣象，1996，17（1）：48－50.

［5］ 李成芳，曹湊貴，汪金平，等.不同耕作方式下稻田土壤CH4和CO2的排放及碳收支估算［J］.農業環境科學學報，2009（12）：2482－2488.

［6］ 朱詠莉，童成立，吳金水，等.透明箱法監測稻田生態系統CO2通量的研究［J］.環境科學，2005（6）：10－16.

［7］ 成 臣，曾勇軍，楊秀霞，等.不同耕作方式對稻田凈增溫潛勢和溫室氣體強度的影響［J］.環境科學學報，2015，35（6）：1887－1895.

［8］ 張嘯林.不同稻田輪作體系下溫室氣體排放及溫室氣體強度研究［D］.南京：南京農業大學碩士學位論文，2013.

［9］ 廖秋實，郝慶菊，江長勝，等.不同耕作方式下農田油菜季土壤溫室氣體的排放研究［J］.西南大學學報（自然科學版），2013（9）：111－118.

［10］胡啟武，吳 琴，李 東，等.不同土壤水分含量下高寒草地CH4釋放的比較研究［J］.生態學雜志，2005（2）：118－122.

［11］ 朱詠莉，童成立，吳金水，等.亞熱帶稻田生態系統CO2通量的季節變化特征［J］.環境科學，2007（2）：283－288.

［12］白小琳，張海林，陳 阜，等.耕作措施對雙季稻田CH4與N2O排放的影響［J］.農業工程學報，2010（1）：282－289.

［13］鄭土英，楊彩玲，徐世宏，等.耕作方式和氮肥對稻田CH4排放的影響及與土壤還原物質間的關系［J］.廣東農業科學，2014，41（13）：49－53.

［14］余海英，彭文英，馬 秀，等.免耕對北方旱作玉米土壤水分及物理性質的影響［J］.應用生態學報，2011（1）：99－104.

［15］黃雁飛.免耕和稻草還田下稻田CH4和CO2排放特征及機理研究［D］.南寧：廣西大學碩士學位論文，2013.

［16］隋延婷.免耕與常規耕作下旱田CH4、N2O和CO2排放比較研究［D］.長春：東北師范大學碩士學位論文，2006.

［17］Follett RF.Soil management concepts and carbon sequestration in cropland soils［J］.Soil＆Tillage Research，2001，61（S1-2）：77－92.

［18］Chatskikh D，Olesen JE，Hansen EM，et al.Effects of reduced tillage on net greenhouse gas fluxes from loamy sand soil under winter crops in Denmark［J］.Agriculture Ecosystems＆Environment，2008，128（S1-2）：117－126.

Effects of Different Tillage Methods on CO2and CH4Net Exchange in Rice－oilseed Rape Cropping System

CHENG Xiaolin，TANG Xianliang，WEIJiabin，ZHOU Linghong，XU Huaqin*，ZOU Yingbin，TANG Jianwu

（College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

To study the effect of different tillage methods on Net Ecosystem Exchange（NEE）of CO2and CH4fluxes in daytime from farm land ecosystem，the effects of long－term no－tillage（NT）and conventional tillage（CT）treatments on daily CO2and CH4NEE during the different developmentstages of rice and oilseed rapewere analyzed.The results showed that there was no significant difference in the daily CO2and CH4NEE between NT and CT.Over the entire season，the CO2NEE of NT（netuptake）was higher than thatof CT by 11.75%，and the CH4NEE of NT（emission）was higher than that of CT by 16.55%.CO2NEE during the rice growing season almostaccounted for70%of the total CO2NEE，and CH4NEE during the rice growing season accounted formore than 99%.The results suggested thatmost CO2and CH4NEE occur during rice growing season.During rice－oilseed rape cropping period，CO2uptake and CH4emission of the farm land ecosystem were increased by NT.

farmland ecosystem；tillagemethod；CO2；CH4；net ecosystem exchange

S314

A

1001-5280（2017）02-0110-05

10.16848／j.cnki.issn.1001-5280.2017.02.02

2016 12 15

成小琳（1991－），女，碩士研究生，Email：14789757550＠163.com。*通信作者：徐華勤，副教授，主要研究方向為農業生態學，Email：xu7541＠163.com。

教育部博士點基金（20134320110004）；湖南省科技計劃項目（2016WK2009）。