水旱輪作系統中土壤CH4和N2O排放研究進展

熊麗萍，吳家梅，紀雄輝,*，彭 華，李嘗君

（1.湖南大學研究生院隆平分院，長沙410125；2.湖南省農業環境生態研究所，長沙410125；3.農業部長江中游平原農業環境重點實驗室，長沙410125；4.農田土壤重金屬污染防控與修復湖南省重點實驗室，長沙410125）

溫室氣體排放導致全球氣候變暖等一系列生態環境問題引起了當今社會的廣泛關注。甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是兩種重要溫室氣體，其單位分子的增溫潛能分別是二氧化碳（CO2）的25 倍和298倍[1-3]。據IPCC 第五次評估報告，全球大氣中CH4和N2O濃度已由工業革命前的715 μL·m-3和270 μL·m-3增至2011 年的1803 μL·m-3和324 μL·m-3[4]。農業源是大氣CH4和N2O 的主要排放源，分別占全球人為排放CH4和N2O 的50%和43%以上，我國農業源釋放的溫室氣體總量占中國總溫室氣體的比例已超過17.0%[5-8]，因此，采用有效的農田管理措施緩解農田溫室氣體排放具有十分重要的意義。

水旱輪作是我國的重要耕作模式之一，指在同一田塊上，按季節有序地交替種植水稻和旱地作物（小麥、油菜、蔬菜、蠶豆、棉花等）的一種種植模式，主要分布在長江和淮海流域，種植面積約470萬hm2[9]。水旱輪作系統農田溫室氣體排放受水肥管理、耕作栽培等農藝措施的影響[10-12]。因此，采用合適的農田管理措施對減緩農田溫室氣體排放具有重要的現實意義。本文通過探討水稻-小麥、水稻-油菜、水稻-紫云英等水旱輪作模式下農田CH4和N2O 的排放差異，分析其影響因素，并提出相應的減排對策，旨在為水旱輪作模式下土壤溫室氣體減排提供科學參考。

1 水旱輪作對農田CH4和N2O排放的影響

1.1 CH4排放

與水稻-冬水休閑相比，水稻-干旱休閑更有利于降低CH4排放。張廣斌等[13]研究發現水稻-冬水休閑系統的稻季CH4排放通量比水稻-干旱休閑高118.5%。相比稻-閑、稻-稻，農田采取稻-油、稻-麥或玉米-水稻等水旱輪作模式能有效減少CH4排放[6,14-16]。稻-麥輪作的CH4平均排放通量僅為水稻-冬水田的1/3[17]；稻-麥和稻-油菜輪作周年CH4排放量比稻- 淹水休閑顯著降低24.0%～90.5% 和89.4%[18-19]。雙季稻田改為水旱輪作，土壤CH4排放量明顯降低[20-22]，與雙季稻種植模式相比，早稻-玉米、玉米-晚稻CH4排放量分別降低53.6%～88.0%和54.6%～85.4%[21-23]；油菜-早稻-甘薯||晚大豆相比油菜-雙季稻CH4周年排放顯著降低47.0%、紫云英-早稻-甘薯||晚大豆相比紫云英-雙季稻CH4周年排放顯著降低94.0%[24]。

1.2 N2O排放

水旱輪作系統的N2O 排放量顯著高于持續淹水農田系統。與冬閑水田相比，冬季旱作處理的土壤N2O 的排放量明顯升高，與水稻-冬水田相比，江長勝等[19]研究中稻麥輪作增加3.7 倍，莫永亮等[25]研究中增加6.2 倍，宿敏敏[26]研究中增加48.7%～56.5%、稻-油增加4.5倍[19]。與雙季稻相比，稻-玉、玉-稻分別增加50.6%和21.9%～86.1%[16,21,23]。稻-紫云英N2O 平均排放通量比冬閑土壤的N2O排放通量低，主要與紫云英利用土壤氮素轉變為有機氮有關[27]。

1.3 綜合溫室效應

水旱輪作雖增加農田土壤N2O 排放，但顯著降低了CH4的排放，降低了農田系統的綜合凈增溫潛勢（表1）。與雙季稻種植相比，稻-玉米、玉米-稻均顯著降低農田系統綜合增溫潛勢。稻-麥輪作、稻-油輪作和稻-兒菜輪作比稻-冬水休閑綜合增溫潛勢分別減少73.1%、24.7%和40.7%。

2 水旱輪作系統CH4和N2O排放影響因素

2.1 水分管理

2.1.1 水分管理對CH4排放的影響

水旱輪作模式下CH4排放通量和排放量隨灌水量的減少而降低[29-30]。由于稻季節水灌溉增加了土壤通透性，破壞了產CH4菌生命活動所需要的極嚴格厭氧條件，導致CH4排放量降低[31-34]，因此，稻季節水灌溉對稻季和旱作季CH4排放均有抑制作用[33-34]。徐瑩[35]研究表明，稻-油模式下稻季實行濕潤式間歇灌溉、干旱式間歇灌溉和旱作栽培的CH4周年累積排放量比常規灌溉分別減少了17.0%～66.0%、39.0%～85.0%和60.0%～91.0%；杭玉浩等[36]采用水稻季控制灌溉的稻季和小麥季CH4排放通量較傳統灌溉分別減少了79.9%和26.5%。

表1 不同輪作模式CH4和N2O周年排放總量及增溫潛勢Table 1 Green warming potential of CH4 and N2O during crop growing season in whole year

2.1.2 水分管理對N2O排放的影響

稻季水分管理對稻季和非稻季N2O 排放均有影響。持續淹水稻田N2O 排放量很低[37-38]，稻季曬田及干濕交替可以促進水旱輪作系統稻季和非稻季周年N2O 排放[39-40]。鄒建文[41]研究表明持續淹水處理的N2O-N 季節排放總量相當于0.01%～0.02%化肥氮，而淹水-烤田-淹水處理的為0.11%～0.56%；杭玉浩等[36]研究表明在稻-麥輪作系統中，水稻季控制灌溉的N2O 排放比傳統灌溉增加22.0%～35.5%，小麥季增加11.3%～25.0%。徐瑩[35]監測稻-油模式下稻季濕潤式、干旱式間歇灌溉和旱作栽培，油菜季N2O 累積排放量比傳統灌溉分別增加了7.6%～17.5%、18.5%～19.3%和23.6%～36.2%。由于淹水灌溉降低了土壤Eh，反硝化過程徹底將NO-3還原為N2，減少了N2O 的產生，而稻季干濕交替為氮素硝化與反硝化反應創造了良好環境，促進了土壤N2O 的產生與排放[37，42-43]。

2.2 施肥管理

2.2.1 施肥管理對CH4排放的影響

化肥施用對水旱輪作系統中CH4排放量的影響尚未明確。普遍認為，適當增施氮、磷等肥料，有利于產CH4菌生命體的構建，但隨著施肥量的增加，加快了根際CH4的氧化，從而降低CH4排放[44]。左懷峰[45]和楊波[46]研究發現，稻-麥輪作施用205.1 kg N·hm-2和240.0 kg N·hm-2的CH4累積排放量比不施肥分別增加41.1%和29.5%；有研究表明，隨著施肥量增加，早稻-馬鈴薯和水稻-蠶豆輪作的CH4周年累計排放量分別增加2.3～3.8 倍和1.3～1.4 倍[45-46]；宿敏敏等[18,26]研究表明，低于傳統施肥量的水稻-小麥輪作系統CH4排放比不施肥增加11.3%，而傳統施肥處理減少48.9%；劉少文等[47]和胡安永等[48]也表明紫云英-水稻輪作模式下施用化肥比不施肥對照較大幅度減少CH4排放。

水旱輪作系統施用緩釋化肥CH4排放量明顯低于普通化肥，主要由于緩釋肥含復合增效劑，銨態氮始終處于較高的水平，加劇了CH4在土壤大氣界面的氧化，使CH4排放降低[49]。左懷峰[45]研究發現施用脲酶抑制劑和控釋肥，農田CH4排放總量比化肥處理分別減少了13.0%和45.5%。胡玉麟等[50]研究緩控肥替代化肥對水稻-豇豆輪作系統溫室氣體減排效果顯著。

不同有機肥影響水旱輪作系統CH4排放。郭騰飛等[51]研究顯示，稻-麥輪作施用秸稈比單施尿素的CH4周年排放量分別增加14.0%和98.7%；單季稻-小麥和雙季稻-油菜輪作模式，隨著秸稈施入量增加，CH4周年累計排放量分別增加1.4～6.0 倍[6,14,52]和2.1～3.3 倍[6,14]，鄒建文[41]研究表明，稻麥輪作施用菜餅、秸稈或牛糞與化肥配施處理比單施化肥CH4季節排放總量分別增加252.3%、249.7%和45.0%，一方面有機物質是生成產CH4前體的基質來源，另一方面，有機物質的分解降低土壤Eh，從而促進CH4產排[53-54]；施用的有機肥中，沼渣肥、菌肥等腐熟的有機肥CH4排放量最低。有研究表明豬廄肥處理與化肥處理幾乎無差異。主要是腐熟后的有機肥可供利用的有機質前體被消耗，因而對CH4排放的促進作用不明顯。

2.2.2 施肥管理對N2O排放的影響

施用化肥顯著增加水旱輪作系統N2O 的排放。化肥氮是N2O 產生的主要前體，為N2O 的產生提供了基質，因此化肥施用通常會促進N2O 排放[55-60]。鄒建文[41]認為稻-麥輪作系統中，隨著氮肥施用量的增加，N2O 排放量增加；徐鵬等[61]也證實稻-油輪作模式下施化肥處理N2O 排放量顯著高于不施氮肥處理。與不施肥相比，稻-麥輪作模式下施入化肥，稻季和旱季N2O 排放通量分別增加71.4%～111.5%和41.7%～61.2%[26,46]，周年排放量增加1.5～27.1 倍[6,14,62]，雙季稻-油菜周年排放量則增加6.2～12.3倍[6,14]。

緩控釋氮肥的氮素釋放速率較慢，釋放時間長，降低土壤N2O 的排放。尹高飛[63]證實了與化肥相比，等氮量緩釋肥料施入后稻季和蠶豆季N2O 累積排放分別減少13.0%和20.4%。

施用有機肥對水旱輪作系統N2O 排放影響比較復雜。有研究表明，在稻麥輪作系統下，水稻季節小麥秸稈還田顯著減少了稻季N2O 的排放，同時稻稈殘留對后季非水稻季節的排放也有抑制作用[64]；Zou等[65]和柴凱斌[52]研究發現稻季麥秸還田較麥秸不還田能顯著降低N2O 排放達18.0%～38.0%；水稻-蠶豆輪作系統施用156 kg N·hm-2的有機肥，稻季和蠶豆季N2O 排放較不施肥分別增加87.1%和191.7%，但其增長幅度小于等量的化肥施入[63]；李喜喜[66]研究表明增施50.0%～100.0%豬糞有機肥，稻-麥輪作整個生育期N2O 累積排放量升高66.4%～121.6%；牛廄肥、豬廄肥和菜餅處理稻麥生長季N2O 排放總量比常規化肥處理分別增加17.0%、7.0%、6.0%，而秸稈施用稻季N2O 季節排放總量較無秸稈處理減少了8.0%～88.0%，全輪作周期內N2O 減排16.0%[41]。有機肥對稻-旱輪作模式下N2O 排放影響不一，可能的原因是秸稈還田提高了土壤中C/N，降低了N2O 排放；施用量、C/N、氮含量和形態不同，影響其在土壤中氮形態轉化和農作物吸收利用的差異，導致了N2O 排放結果的差異[67-68]。

2.3 輪作模式

2.3.1 不同輪作模式對CH4排放的影響

不同輪作模式對CH4排放的影響不同，雙季稻-冬季作物輪作模式普遍高于單季稻-旱作模式。黃太慶[14]研究表明雙季稻-油菜輪作的CH4排放量比單季稻-小麥輪作系統高出12.7%～97.7%；伍思平等[69]顯示紫云英-雙季稻和冬閑-雙季稻模式的CH4累積排放比油菜-中稻分別增加了127.0%和118.0%。前茬不同旱季作物對稻季CH4排放影響達極顯著水平，CH4排放量表現為紫云英-水稻＞休閑-水稻＞小麥-水稻＞油菜-水稻＞黑麥草-水稻[70]。

2.3.2 不同輪作模式對N2O排放的影響

水旱輪作系統N2O 排放因不同作物的輪作方式而不同。有研究表明，在不同輪作系統中，N2O 周年排放量表現為：雙季稻-油菜輪作＞單季稻-小麥輪作[6,14]。張岳芳等[71]發現水旱輪作系統旱作季種植不同作物N2O平均排放通量表現為：油菜＞冬小麥＞黑麥草＞休閑＞紫云英。鐘川等[24]研究發現，不同水旱輪作模式的N2O 周年排放量為紫云英-早稻-甘薯||晚大豆＞油菜-早稻-甘薯‖晚大豆＞紫云英-早稻-晚稻＞油菜-早稻-晚稻＞馬鈴薯-早稻-晚稻。由于不同作物的水肥利用效率和農田管理措施的差異，作物對碳氮循環的影響各不相同，導致N2O 的產排不同[72]。

3 水旱輪作系統CH4和N2O減排措施建議

3.1 推行稻季節水灌溉，減少CH4排放

由于CH4與N2O 兩者存在互為消長的關系，因此優化農田水分管理應該在考慮這兩種溫室氣體綜合排放的基礎上制定合理措施。在水旱輪作系統內，稻季溫室氣體主要貢獻因子為CH4，與常規灌溉相比，節水灌溉方式雖可增加土壤N2O 排放，但顯著降低了CH4的排放，降低了全球增溫潛勢（表2）。因此，采用稻季節水、中期烤田，能有效降低綜合溫室效應。

3.2 規范施肥管理，減少N2O排放

化肥施用量增加，N2O 排放增加，因此在不影響水稻產量的前提下，考慮減少氮肥的施用。（1）提倡測土配方施肥。在實際的田間管理中，稻-麥輪作系統氮肥的施用也可遵循余慶福等[73]推薦施氮量（麥季210 kg·hm-2+稻季90 kg·hm-2），降低N2O 排放。（2）選用緩釋化肥替代普通化肥或分次施肥方式有利于提高氮肥利用效率，減少氮肥損失，抑制N2O 排放。隨著農業技術的進步，通過使用N2O 抑制劑來減少溫室氣體的排放，也逐漸得到了廣泛的認可，脲酶抑制劑和硝化抑制劑等氮肥抑制劑可在不減少作物產量的前提下有效減少N2O的排放。

3.3 優化輪作模式，減少周年增溫潛勢

加強不同輪作系統作物搭配方式對溫室氣體排放量的對比研究，探索合理的輪作模式。在保證作物產量的同時，因地制宜地搭配選用根系大、活力強、溫室氣體排放量低的作物品種。稻-麥輪作、稻-油輪作和水稻-紫云英是我國主要的水旱輪作種植模式。研究表明稻-麥模式周年平均產量比油稻模式高4018 kg·hm-2，經濟效益高出6246 元·hm-2[74]，旱作季CH4和N2O 的總增溫潛勢減少14.2%[71]，單位產量的GWP 比雙季稻-油菜低0.1～3.0 kg CO2·kg-1（表3）。不施氮的條件下，水稻-紫云英和水稻-休閑處理間CH4和N2O 總增溫潛勢無顯著差異，但水稻-紫云英更有利于作物增產[71]。因此在施氮條件下選用水稻-冬小麥種植模式、不施氮條件下選用水稻-紫云英種植模式有利于減少水旱輪作系統旱作季的溫室效應。

表2 與常規灌溉相比不同水分管理農田溫室氣體排放Table 2 Greenhouse gas emissions under different water management patterns compared to conventional irrigation

4 展望

大量的研究表明農田N2O 和CH4的排放互為消長。加強農田水肥管理是控制CH4排放的主導因素，加大研發和推廣CH4抑制劑力度是減緩水旱輪作系統CH4排放的有力手段。對N2O 而言，提高緩釋肥、控釋肥料的使用對緩解其大量排放具有更重要的科學意義和實踐價值。在今后研究過程中，應綜合考慮農作過程對農田土壤CH4和N2O 排放的影響，積極研究探索有效的CH4和N2O 綜合減排措施，減輕因農業活動產生的溫室氣體對全球氣候變暖及其所帶來的環境問題的影響。

近年來，許多學者對水旱輪作不同種植模式下農田溫室氣體排放進行了研究，大量研究結果表明，合理的水旱輪作有助于增加作物產量，維持土壤肥力。因此，如何在平衡其正面作用的同時減少溫室氣體排放是今后研究的趨勢。不同水稻品種間溫室氣體排放存在明顯差異，深入研究水稻品種改良對溫室氣體排放的影響及其機理，可在增加作物產量的同時實現溫室氣體減排。肥料的種類和用量等對水旱輪作系統土壤溫室氣體排放產生影響，肥料管理對土壤性狀造成的變化會直接影響根際土壤微生物如產CH4菌、硝化細菌和反硝化細菌的種群豐度與活性。但目前我國針對這方面的研究還相對較少，因此，在今后的研究中可以考慮從輪作體系中作物的根際微生態效應等方面展開研究，了解水旱輪作系統養分狀況的周期性變化規律，深入地揭示肥料氮素的去向，為土壤固氮和溫室氣體減排提供理論依據。

目前，我國雖然在溫室氣體綜合減排方面也取得了一些成果，但是沒有形成系統的全面的減排措施，目前公認的、廣泛應用的、效果明顯且持久的水旱輪作系統溫室氣體減排措施相對較少，缺少科學系統的評估。因此，在以后的研究中，可從整個水旱輪作系統的角度出發，利用碳足跡的評價方法，綜合考慮多種影響溫室氣體排放并在此基礎上制定合理的減排措施。

表3 不同輪作模式下CH4和N2O全球增溫潛勢及排放強度Table 3 GWP and greenhouse gas intensity of CH4 and N2O for different rotation patterns