遮陰對南方稻?麥土壤CH4和N2O碳排放強度的影響*

馬 莉，婁運生，楊曉軍，茍 尚，李 君，李 睿，張 震

（1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京210044；2.蘭州中心氣象臺，蘭州 730020；3.南京信息工程大學江蘇省農業氣象重點實驗室，南京210044）

人類活動引起的大氣污染、氣溶膠濃度增加導致太陽輻射減弱[1]。IPCC第五次報告指出，1750?2011年氣溶膠輻射使到達地球表面的太陽輻射減弱了0.9W·m?2[2]。據報道，中國東南部和南京地區的太陽輻射下降速率分別為10.17MJ·m?2·a?1和0.2MJ·m?2·d?1[3?4]。太陽輻射減弱、連續陰雨天數增加導致江蘇沿江及蘇南地區稻麥輪作種植區水稻成熟期延長，冬小麥適播期推遲[5?6]，使水稻和冬小麥植株干物質重、產量、葉片光合速率、氣孔導度和蒸騰速率顯著降低[7?9]。冬小麥晚播使植株干物質重降低，但仍可保持較高產量[10]。CH4和N2O是僅次于CO2的主要溫室氣體，自1750年以來，CH4和N2O的濃度分別增加了150%和20%，分別占溫室氣體排放總量的16%和6.2%[2]。據估計，大氣中15%～30%的CH4和80%～90%的N2O源自農田土壤[11]。稻麥輪作是中國主要的種植制度，約占全國水稻種植面積的16%，稻麥輪作系統N2O排放量占農田總排放量25%～35%[12]。因此，在穩定稻?麥生產，實現環境和經濟效益統一的需求形勢下，減少稻?麥土壤溫室氣體排放及降低碳排放強度已成為稻?麥生產應對氣候變化的研究熱點。

目前國內外關于遮陰、不同農田管理（水稻水分管理，冬小麥播期管理）等單因子對水稻、冬小麥生長發育及其農田溫室氣體排放的研究較多。研究表明，在稻麥輪作系統中，稻田是CH4和N2O的排放源，冬小麥田是N2O的排放源，CH4的吸收匯[12?13]。水分管理對稻田CH4和N2O的產生、氧化和傳輸排放有著決定性的影響，直接影響稻田CH4和N2O的排放量，水分對減少稻田CH4和N2O排放有相反作用[14]。Hou等研究表明，稻麥輪作系統CH4和N2O的排放與田間含水量息息相關，常規灌溉的CH4排放量明顯高于控制灌溉、濕潤灌溉和間歇灌溉，而長期淹水灌溉的N2O排放量較低[15?16]。節水灌溉可提高水分利用率，促進水稻生長發育，提高產量，同時可降低稻田CH4排放量，但促進N2O排放[6，15]。遮陰抑制水稻和冬小麥的生長發育，降低生物量和產量，同時可降低稻田CH4排放[17]。麥田土壤是CH4弱排放源，主要與降水和溫度有關[18]。稻麥輪作系統N2O排放主要通過土壤微生物硝化?反硝化機制排放到大氣中[18]。研究表明，水稻曬田、節水灌溉以及冬小麥田，改善了土壤的通氣性，提高了土壤中硝化細菌和反硝化細菌等微生物的數量和活性，有利于硝化作用與反硝化作用共同進行，可促進稻?麥土壤N2O排放[19?20]。

有關太陽輻射減弱或不同農田管理（水分管理/播期）單因子對稻?麥土壤溫室氣體排放影響的研究報道較多，但二者耦合對稻?麥生產、CH4和N2O排放及全球增溫潛勢和碳排放強度的影響，迄今尚不清楚。因此，本研究通過田間模擬試驗，闡明太陽輻射減弱下不同農田管理（水分管理/播期）對稻?麥生產的影響，以實現環境和經濟效益的統一，對提高稻?麥生產應對和適應氣候變化的能力有積極意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間模擬試驗于2017年6月?2018年5月在南京信息工程大學農業氣象試驗站（32.0°N，118.8°E）進行。該站地處亞熱帶濕潤氣候區，年均降水量1100mm，年平均氣溫15.6℃。稻?麥生長期內累積降水量分別為708.3mm和503.9mm，其中水稻曬田前期、曬田期間和曬田結束?收獲的累積降水量分別為89.4、210.4和408.5mm。供試土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬，質地為壤質黏土，黏粒含量為26.1%，有機碳、全氮含量分別為1.94%、0.15%，pH為6.2。供試水稻和冬小麥品種，分別為南粳5055和蘇麥188，適宜在江蘇沿江及蘇南地區種植。供試肥料為氮磷鉀高濃度復合肥料（15?15?15）。

1.2 試驗設計

稻麥輪作共設6個處理。第一季為水稻，水稻種子經消毒后于2017年5月7日育苗，6月7日移栽，8月1?13日中期曬田，10月1日停止灌溉曬田，10月28日收獲。第二季為冬小麥，于2017年11月播種，2018年5月28日收獲，每小區播種100g。每小區分別在水稻移栽前、冬小麥播種前施復合肥料315g。小區面積2m×2m。每處理重復3次，隨機排列。

稻麥輪作系統采用雙因素試驗設計，遮陰強度設3個水平，包括對照（即CK，不遮陰）、輕度遮陰（S1，單層遮陰）和重度遮陰（S2，雙層遮陰）。農田管理（水分管理/播期）設2個水平，常規淹水/常規播期（F/P），即水稻生育期內保持田面水層深度為5cm，冬小麥播種時間為2017年11月6日；濕潤灌溉/晚播（M/L），即水稻生育期內田面無水層，冬小麥播種時間為2017年11月13日。水稻、冬小麥生長季兩因素隨機區組排列，實驗設計組合見表1。

兩作物生長季遮陰處理方式和時間：水稻遮陰處理在拔節?灌漿期（2017年7月14日?10月19日），冬小麥遮陰處理在孕穗?灌漿期，常規播期處理遮陰時間為2018年3月23日?5月3日，晚播處理遮陰時間為2018年3月30日?5月10日。采用普通黑色遮陽網覆蓋水稻和冬小麥植株冠層，根據稻麥輪作生長進程及時調整遮陽網的高度，使遮陽網與冠層之間距離保持0.3m以上，以保證冠層通風良好及便于田間觀測和采樣，遮陰裝置如圖1所示。不同處理的平均遮陰率分別為0、61.26%和83.65%（表2）。

表2 各處理水稻和冬小麥主要生育期的實際遮陰率（%）Table 2 Shading rate at rice-wheat main growth stages under different treatments（%）

1.3 項目觀測

1.3.1 CH4和N2O采集與分析

采用密閉靜態箱?氣相色譜法測定CH4和N2O排放通量。每周采樣1次（間隔5～7d），采樣時間為8：00?11：00。采樣時將PVC靜態箱底部置于固定底座上，通過淹水層密封保證靜態箱氣密性，封箱后0、15、30min用帶有三通閥的針筒采集50mL氣樣，將所采氣樣注入事先抽成真空的玻璃瓶中。氣樣帶回實驗室用帶有氫火焰離子檢測器（FID）的氣相色譜儀（Agilent 7890B GC）檢測CH4氣體濃度。色譜柱選用Porapak Q填充柱，型號為G3591?81013；載氣N2（流量校正不會影響尾吹氣或燃氣流量）；柱箱溫度50℃，FID檢測器溫度為200℃，空氣和H2流量分別為400和45mL·min?1。

甲烷排放通量計算式為[21]

式中，F為氣體排放通量（mg·m?2·h?1），ρ為標準狀態下氣體密度（kg·m?3），H為采樣箱的凈高度（m），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（℃）。

稻麥輪作系統CH4和N2O累積排放量計算式為

式中，T為氣體累積排放總量（mg·m?2）；Fi和Fi+1分別為第i次和第i+1次采樣時氣體平均排放通量（mg·m?2·h?1）；Di和Di+1分別是第i次和第i+1次采樣時的采樣時間（d）。

1.3.2 生物量及產量測定

在水稻和冬小麥成熟期，每小區隨機選取有代表性的3株植株，將植株分為莖、葉、穗，稱取鮮重，放入烘箱，在80℃下烘干至恒重，再稱取干重。在稻?麥植株成熟收獲期，每個小區選取50cm×50cm長勢均一的稻?麥植株采集穗，用常規方法進行脫粒、風干，計算產量。

1.3.3 遮陰率測定

采用AccuPAR植物冠層分析儀（DECAGOB LP?80，美國）測定遮陰率。每個生育期測定1次，測定時選擇晴朗無云、風力小于3級的天氣，在11：00?14：00完成。先對儀器進行校正，然后在每個小區水稻和冬小麥冠層處測量網內和網外的光合有效輻射（PAR），計算遮陰率，即

1.3.4 全球增溫潛勢（GWPs）和碳強度（GHGI）計算

GWPs（global warming potentials）是評價各種溫室氣體產生溫室效應及對氣候變化影響相對能力的一個指數。以百年尺度衡量，當土壤排放氣體時，將CH4和N2O全生育期累積排放量分別乘以45和270轉化為CO2當量增溫潛勢；當土壤吸收氣體時，將CH4和N2O全生育期累積排放量分別乘以203和349轉化為CO2當量冷卻潛勢[22?23]。計算式分別為

式中，SGWP和SGCP分別為CH4和N2O的增溫潛勢和冷卻潛勢（CO2kg·hm?2），GWPs為稻?麥系統CH4和N2O的綜合增溫潛勢，TC和TN分別為CH4和N2O的累計排放量（mg·m?2）。

小麥成熟后測產，計算稻麥輪作土壤CH4和N2O的碳強度，即單位產量溫室效應碳當量，計算式為[24]

式中，GHGI指碳強度（排放強度或吸收強度），是衡量1t水稻或冬小麥平均釋放或吸收溫室氣體的參數（CO2kg·t?1），Y指單位面積的水稻或冬小麥產量（t·hm?2）。

1.3.5 環境因子的測定

在水稻和冬小麥生長期，每個處理配置溫度自動記錄儀（型號L93-4），每30min記錄一次數據（稻?麥冠層溫度和5cm土壤溫度）。

1.4 數據處理與分析

使用Excel、SPSS 21和Origin 9軟件對試驗數據進行統計分析及作圖，根據最小顯著差數法（LSD法）進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 遮陰對稻?麥環境溫度及CH4和N2O排放的影響

2.1.1 溫度

由表3可見，不同遮陰處理對稻?麥田間氣溫會產生一定的影響。在稻麥輪作系統中水稻生長季內，各種輻射條件下濕潤灌溉（M）處理中冠層高度氣溫和5cm土壤溫度總體上均低于常規淹水處理（F），但無論常規淹水（F）還是濕潤灌溉（M）處理，遮陰（輕度S1和重度S2）都會使水稻冠層氣溫明顯降低，冠層平均氣溫分別比各自對照處理（正常輻射）降低0.49、0.79、0.42 和2.30℃。進一步分析可見，兩種灌溉方式下，遮陰對5cm土壤溫度的影響卻表現出相反的情況，在濕潤灌溉（M）處理中，遮陰（輕度S1和重度S2）使逐日5cm土壤平均溫度比正常輻射（M+CK）條件下分別降低0.73和2.28℃，而常規淹水（F）處理中，遮陰（輕度S1和重度S2）使逐日5cm土壤平均溫度比正常輻射（F+CK）條件下分別升高0.25和0.08℃。在稻麥輪作系統冬小麥生長季內，無論是常規播期（P）還是晚播（L）處理，遮陰（輕度S1和重度S2）均使冬小麥冠層氣溫明顯降低，冠層平均氣溫分別比各自對照處理（正常輻射）降低0.63、0.71、0.87 和0.86℃；而遮陰對5cm土壤溫度的影響表現出相反情況，與各自對照處理相比，5cm土壤溫度分別升高0.09、1.10、0.75和0.89℃。可見，兩種遮陰條件可使稻?麥冠層氣溫及冬小麥田間5cm土壤溫度降低，而遮陰對水稻田間5cm土壤溫度的影響則與灌水方式有關，土壤溫度的變化可能對土壤溫室氣體排放帶來影響。

表3 各處理稻?麥生長季冠層氣溫和5cm土壤溫度的比較（℃）Table 3 Comparison of canopy air temperature and soil temperature at 5cm depth during rice growth period under different shading intensity and water management（℃）

2.1.2 CH4和N2O排放通量

由圖2可見，各處理下稻麥輪作土壤CH4排放/吸收通量的季節性變化趨勢基本一致。稻麥輪作系統中，水稻生長季稻田CH4排放通量表現為先升高后降低趨勢，于移栽后第51天（拔節期）達到峰值，移栽后第58?65天（曬田期）CH4排放通量急劇降低，曬田結束復水后，CH4通量又緩慢上升，之后逐漸降低并維持較低水平直至水稻成熟（圖2a）。稻麥輪作系統中，冬小麥生長季麥田總體表現為對CH4的吸收，返青?灌漿前期，吸收通量呈波動狀態，常規播期（P）和晚播（L）分別于播種后的第160天、第153天出現吸收谷（圖2b）。

稻麥輪作系統中，遮陰（S1、S2）顯著降低了常規淹水處理（F）下水稻田CH4排放通量，促進了濕潤灌溉處理（M）下稻田CH4排放通量和麥田對CH4的吸收。與各自的對照（CK）相比，遮陰（S1，S2）使稻麥輪作系統中常規淹水條件下稻田平均CH4排放通量分別降低68.41%和40.91%，濕潤灌溉條件下稻田平均CH4排放通量分別升高49.87%和4.62%，常規播期和晚播處理下麥田平均CH4吸收通量分別提高61.35%、67.60%、47.07%和53.69%。無論遮陰與否，稻麥輪作系統中濕潤灌溉處理較常規淹水處理降低了稻田平均CH4排放通量，各處理（CK、S1、S2）分別降低84.23%、0.43%和72.08%，晚播處理較常規播期處理促進麥田平均CH4吸收通量，各處理（CK、S1、S2）分別升高48.66%、29.70%、26.63%。

圖2 各處理水稻（a）和冬小麥（b）生長季CH4排放通量觀測值的逐日變化Fig.2 Daily variation of CH4emission flux observed in the growing season of rice（a） and winter wheat（b） in different treatments

圖3 各處理水稻（a）和冬小麥（b）生長季N2O排放通量觀測值的逐日變化Fig.3 Daily variation of CH4emission flux observed in the growing season of rice （a） and winter wheat （b） in different treatments

如圖3所示，6種處理下稻麥輪作土壤N2O排 放通量的變化趨勢基本一致。稻麥輪作系統中各處理稻田N2O排放通量在分蘗期較低，曬田期間急劇上升，于第65天達到峰值，曬田結束復水后，N2O排放通量迅速降低，之后呈現波動變化；生長后期停止灌水后，N2O排放通量又開始波動上升直至收獲。稻麥輪作系統中各處理麥田N2O排放通量呈現為先升高后降低的變化趨勢，常規播期和晚播處理分別于播種后的第170天和第163天達到峰值。

從整個生長季節來看，與各自的對照相比，遮陰促進了稻麥輪作系統稻田和麥田N2O排放，稻田中常規淹水和濕潤灌溉處理下的N2O平均排放通量分別升高56.17%、65.69%、50.34%和59.87%，麥田中常規播期和晚播處理的N2O平均排放通量分別升高32.85%、40.34%、20.96%和33.95%。無論遮陰與否，濕潤灌溉處理促進了稻麥輪作系統中稻田N2O排放，比常規淹水處理（CK、S1、S2）高出39.34%、31.37%和29.14%；晚播處理降低了稻麥輪作系統中麥田N2O平均排放量，比常規播期處理降低了25.65%、36.83%和32.84%。可見，遮陰可促進稻麥輪作土壤N2O排放，濕潤灌溉處理可促進稻麥輪作系統稻田N2O排放通，而晚播處理可緩減稻麥輪作系統麥田N2O排放。

2.1.3 CH4和N2O累積排放量

如表4所示，在稻麥輪作系統中，不同處理的CH4累積排放量均以稻田為主導，占100%左右；各處理中，不遮陰下常規淹水/常規播期（F/P+CK）處理CH4累積排放量最高，為7734.93mg·m?2，其次是重度遮陰下常規淹水/常規播期（F/P+S2）處理，為4469.56mg·m?2，不遮陰下濕潤灌溉/晚播（M/L+CK）處理最低，為1035.40mg·m?2。不同農田管理下（F/P和M/L），與各自的對照（CK）相比，遮陰（S1、S2）顯著降低了稻麥輪作系統常規淹水/常規播期（F/P）條件下的CH4累積排放量，降幅分別為68.08%、42.22%，達顯著差異水平（P＜0.05）；遮陰提高了濕潤灌溉/晚播（M/L）條件下CH4累積排放量，增幅分別為101.19%、25.79%，但差異不顯著。無論遮陰與否，濕潤灌溉/晚播（M/L）處理均降低了稻麥輪作系統CH4累積排放量。與常規淹水/常規播期處理相比較，濕潤灌溉/晚播處理CH4累積排放量在各遮陰（不遮陰CK、輕度遮陰S1、重度遮陰S2）條件下分別降低了86.61%、15.63%和70.86%，除輕度遮陰外，各處理間的差異均達5%顯著水平。可見，遮陰可緩解稻麥輪作系統常規淹水/常規播期條件下CH4累積排放，促進濕潤灌溉/晚播條件下CH4累積排放；濕潤灌溉/晚播可降低稻麥輪作系統CH4累積排放量。

由表5可看出，稻麥輪作系統中常規淹水/常規播期處理（F/P）N2O累積排放以冬小麥田為主導，占稻麥輪作系統的56.82%～68.72%；濕潤灌溉/晚播處理（M/L）N2O累積排放以稻田為主導，占稻麥輪作系統的51.34%～62.13%。各處理中，重度遮陰下濕潤灌溉/晚播（M/L+S2）處理的N2O累積排放量最高，為124.74mg·m?2，其次是重度遮陰下常規淹水/常規播期（F/P+S2）處理，為123.88mg·m?2，不遮陰下常規淹水/常規播期（F/P+CK）處理最低，為58.60mg·m?2。遮陰（S1、S2）顯著提高了稻麥輪作系統各處理（F/P和M/L）N2O累積排放量，與各自的對照（CK）相比，增幅分別為75.63%、111.40%、63.59%、103.56%，且與對照間的差異均達顯著水平（P＜0.05）。與常規淹水/常規播期（F/P）處理相比，除輕度遮陰（S1）外，濕潤灌溉/晚播（M/L）處理略降低了稻麥系統其它處理的N2O累積排放，但差異不顯著。可見，遮陰可促進稻麥輪作系統各處理N2O累積排放；濕潤灌溉/晚播降低了稻麥系統N2O累計排放量。

表4 各處理水稻/冬小麥生長季CH4的累積排放量Table 4 Cumulative emissions of CH4during the rice/winter wheat growing season of different treatments

表5 各處理水稻/冬小麥生長季N2O的累積排放量Table 5 Cumulative emissions of N2O during the rice/winter wheat growing season of different treatments

2.2 遮陰對稻?麥生物量及產量的影響

由表6可見，遮陰顯著降低了水稻和冬小麥生物量。在相同遮陰（對照CK、輕度S1和重度S2）條件下，濕潤灌溉和晚播處理分別降低了水稻和冬小麥生物量，但處理間差異不顯著。在相同的灌溉（常規灌溉F和濕潤灌溉M）條件下，與各自的對照相比（CK），遮陰（輕度S1和重度S2）使水稻生物量分別顯著降低35.68%、35.10%、36.69%和40.53%（P＜0.05）。在相同的播期（常規播期P和晚播L）條件下，與各自的對照相比（CK），遮陰（輕度S1和重度S2）使冬小麥生物量分別顯著降低38.41%、43.56%、28.90%和39.28%。

遮陰導致水稻和冬小麥產量顯著下降。與各自對照（CK）相比，不同灌溉（F和M）條件下水稻顯著減產43.43%、58.23%、22.63%和45.96%（P＜0.05），不同播期條件下冬小麥（P和L）顯著減產26.84%、35.05%、28.08%和61.89%（P＜0.05）。在同一遮陰（對照CK、輕度S1和重度S2）條件下，濕潤灌溉導致水稻產量下降，晚播（L+CK和L+S1）可提高冬小麥產量，但差異均未達顯著水平。

2.3 遮陰對稻麥輪作田增溫潛勢及碳排放強度的影響

如圖4所示，稻麥輪作系統中以常規淹水/常規播期處理下不遮陰（F/P+CK）的增溫潛勢最高，以濕潤灌溉/晚播處理（M/L+CK）最低。在常規淹水/常規播期（F/P）條件下，遮陰（S1、S2）顯著降低稻麥系統全球增溫潛勢，與對照相比顯著降低了36.32%～62.51%（P＜0.05）；在濕潤灌溉/晚播（M/L）條件下，遮陰（S1、S2）增加了稻麥系統全球增溫潛勢，但處理間差異不顯著。無論遮陰與否，濕潤灌溉/晚播（M/L）處理顯著降低了稻麥系統的全球增溫潛勢，與常規淹水/常規播期（F/P）處理相比，濕潤灌溉/晚播（M/L）條件下各處理對全球增溫潛勢的貢獻降低了12.10%～83.22%，除S1外，均達極顯著水平。可見，遮陰下常規淹水/常規播期處理和濕潤灌溉/晚播處理降低了稻麥系統CH4和N2O對全球增溫潛勢的貢獻。

表6 各處理稻?麥生物量及產量的比較Table 6 Comparison of the biomass and yield of rice-wheat rotation system among treatments

圖4 各處理稻?麥輪作系統CH4和N2O的累積排放量換算成CO2當量的增溫/冷卻潛勢（SGWP/SGCP）比較Fig.4 Comparison of the SGWP/SGCP （global warming potentials） calculated from emissions of CH4and N2O in rice-winter wheat rotation systems among treatments

如圖5所示，稻麥系統中稻田對CHGI（碳強度）貢獻遠大于麥田，約為麥田的14倍。遮陰顯著提高了稻麥系統碳排放強度，與各自對照相比，不同農田管理（常規淹水/常規播期F/P和濕潤灌溉/晚播M/L）條件下，除F/P+S1外，遮陰（S1、S2）使稻麥系統的碳排放強度顯著增加23.53%～64.40% （P＜0.05）。不論遮陰與否，濕潤灌溉/晚播（M/L）處理顯著降低了稻麥系統碳排放強度，與常規淹水/常規播期（F/P）處理相比，降幅為25.91%～79.94%，除S1外均達5%顯著水平。可見，不同農田管理下遮陰可顯著促進稻麥系統碳排放，而濕潤灌溉/晚播處理可有效緩減稻麥系統的碳排放。

圖5 各處理稻?麥輪作系統碳強度（GHGI）比較Fig.5 Comparison of the carbon intensity（GHGI） in rice-winter wheat rotation systems among treatments

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 遮陰對稻麥輪作CH4和N2O排放的影響

遮陰對CH4排放的影響。農田CH4排放和吸收主要由土壤和植株根際微生物活動引起。研究表明，稻?麥土壤CH4的產生、排放與作物本身的生長狀況、環境溫度、土壤溫度、土壤微生物、太陽輻射、土壤含水量等因素密切相關[16?17]。本試驗中，稻麥系統CH4排放主要在水稻季，在水稻拔節?灌漿期，遮陰降低了常規淹水處理下CH4的排放，但促進了濕潤處理下的CH4排放，其原因有，（1）光照、溫度等因素影響稻田CH4排放，遮陰引起稻田環境溫度降低、濕度增加，減弱了光照強度，減少了常規淹水處理CH4排放量[16]，但可能導致M+S1和M+S2的CH4排放略高；（2）研究表明，常規淹水情況下，稻田80%～90%的CH4排放是通過植株莖和葉鞘等通氣組織完成的[25?26]，根系在CH4的產生、氧化和傳輸中起著重要作用[27?28]，而遮陰降低了生物量、產量及植株根系活力[29]，減少了水稻根系分泌物使根際產CH4微生物的活性和數量[30]，從而抑制了根系對CH4的輸送，使稻麥系統稻田CH4排放量降低；（3）研究表明，水稻植株本身可釋放CH4，環境脅迫會刺激植株體內CH4的產生和排放[31?32]，而M+S1和M+S2處理受水分脅迫和光照減弱雙重脅迫，可能導致M+S1和M+S2處理的甲烷排放略高于M+CK處理。拔節?灌漿期常規淹水下重度遮陰的CH4排放高于輕度遮陰，濕潤灌溉下輕度遮陰的CH4排放略高于重度遮陰，可能是因為，（1）F+S1處理的干物質重低于F+S2處理，M+S1處理的生物量高于M+S2處理，生物量減少使CH4排放降低[29]；（2）收獲指數高，CH4排放少[27]，F+S1處理的產量高于F+S2處理，生物量略低于F+S2處理，減少了F+S1處理的CH4排放；（3）植株接收的散射輻射隨遮陰強度的增加而增加，散射輻射增加提高了水稻植株群體光能利用率，有利于水稻植株生長發育，可能導致F+S1處理CH4排放較低[17]；（4）溫度對農田CH4排放有著至關重要的影響，M+S1處理的冠層溫度和5cm土壤溫度均高于M+S2處理，導致M+S1處理CH4排放略高于M+S2處理。濕潤灌溉明顯減少了稻麥系統稻田CH4的排放，主要因為濕潤灌溉下稻田處于無水層狀態，土壤通氣性得以改善，破壞了CH4產生的條件和環境[33]；其次，節水灌溉顯著增加了稻田CH4氧化菌的數量，降低了CH4的排放[34]。不同遮陰程度在不同水分管理下對稻麥系統稻田CH4排放影響的具體原因還有待進一步研究。

稻麥輪作系統冬小麥田對CH4主要表現為吸收，在返青?灌漿前期表現為吸收，后期表現為排放。有學者研究表明，稻麥系統中水稻季土壤通氣性差，易形成產CH4菌所需的厭氧條件，冬小麥季土壤通氣性好，不利于稻麥系統麥田CH4的產生、運輸以及排放，有利于CH4氧化菌的形成，使土壤吸收和氧化CH4[35]，從而使稻麥系統麥田表現為對CH4的吸收。研究表明，稻麥輪作系統中冬小麥季產CH4菌的豐富度顯著低于水稻季[34]，且溫度是影響CH4產生、氧化和釋放的重要因素，而本試驗中冬小麥生長季內，土壤和環境溫度較低，不利于產CH4菌的生存和活動。在冬小麥孕穗?灌漿前期，隨著遮陰程度增加，稻麥系統對CH4的吸收加劇，原因在于，（1）隨著太陽輻射減弱，土壤微生物活性和數量降低，對碳源利用率降低，且太陽輻射減弱降低了作物有效光合利用率，減少了光合產物向地下的輸送，微生物可利用的底物減少[36]，缺乏CH4產生的機制；（2）隨著遮陰程度的增加，生物量隨之降低，且冬小麥冠層溫度也隨著降低，光強減弱，抑制CH4產生，導致土壤中CH4濃度低于大氣，引起了土壤對CH4的吸收[35]。在冬小麥生長后期，由于環境溫度升高，降水量增加，且生長后期植株衰老凋萎，為產CH4菌等微生物提供了更多的碳源，有利于CH4產生和釋放。晚播處理使稻麥系統冬小麥田CH4排放量總體低于傳統播期，主要因為晚播使冬小麥出苗時間延長，出苗率、越冬前分蘗數和生物量的降低，從而導致CH4排放減少。

遮陰對N2O排放的影響。土壤微生物硝化與反硝化過程是稻麥系統N2O產生和排放的主要來源，硝化和反硝化過程均能產生N2O，但反硝化過程產生的N2O量遠高于硝化過程。本試驗結果表明，遮陰加劇了稻麥系統N2O排放和累積排放，其原因有，（1）吳芳芳等表明，遮陰使農田土壤中反硝化細菌增多，加強了土壤微生物的反硝化作用[36?38]，從而促進了稻麥系統N2O的產生。（2）麥季遮陰處理下的5cm土壤溫度高于不遮陰處理，導致遮陰處理下的N2O排放量較高。（3）太陽輻射減弱使水稻和冬小麥光合作用降低，植株體內碳氮不平衡，導致NO3—和NO2—積累，加強了異化還原作用，促進稻麥輪作土壤N2O的排放[39]。（4）植株本身可產生釋放N2O，隨著光照強度增加，N2O排放量降低，也可能產生N2O吸收[39]，從而導致CK處理N2O排放量降低。在水稻生長季，濕潤灌溉顯著促進了稻田N2O排放，主要是因為濕潤灌溉改善了土壤通透性，為水稻根系提供大量氧氣，有氧條件會促進硝化作用和3NO?生成，有利于土壤微生物硝化作用和反硝化作用共同進行，從而導致總N2O排放量增加；而常規淹水形成的厭氧環境，稻田土壤處于極端還原狀態，導致產生的N2O被進一步還原為N2，降低了稻田N2O產生和排放[40]。在冬小麥生長季節，晚播處理顯著降低了冬小麥田N2O排放，因為，（1）在水稻季，常規灌溉使土壤長期處于厭氧狀態，停止灌溉后水分落干，淹水土壤累積了大量銨態氮，為冬小麥田土壤的硝化和反硝化過程提供充分的氮源，且水稻季淹水降低了土壤中有機氮的礦化，累積了大量的有機氮，而小麥季土壤通氣性改善，提高了有機氮礦化速度，從而加劇冬小麥田N2O的產生和排放[12]，使常規播期處理下的N2O顯著高于晚播處理。（2）晚播處理有利于花前各個器官對氮素的累積和花后氮素向穗部的運轉，提高了對土壤氮的吸收利用率[41]，Gaihre等研究表明，農田N2O的排放與植株營養生長存在競爭關系[42]，可能導致晚播處理N2O排放量降低。

3.1.2 遮陰對稻麥輪作增溫潛勢和碳強度的影響

全球增溫潛勢（GWPs）是評價各種溫室氣體對氣候變化影響的指數，GHGI（碳強度）表示農業中生產1t糧食對氣候的影響，是一個將生態效益與經濟效益相協調統一的綜合評價指標[43]。因此，用GWPs和GHGI可揭示不同農田管理下遮陰是否能緩減稻麥系統CH4和N2O排放對溫室效應的貢獻及其生態效益。稻麥輪作生態系統GHGI的大小與水稻和冬小麥的產量、土壤固碳能力及土壤向大氣中排放CH4和N2O的量有直接關系[44]，結果表明，在F/P條件下，遮陰降低了稻麥系統綜合持續變化的全球增溫潛勢（SGWP），在M/L條件下，遮陰提高了稻麥輪作系統綜合全球增溫潛勢。稻麥輪作系統中GHGI總體表現為：F/P+S2＞F/P+CK＞F/P+S1＞M/L+S2＞M/L+S1＞M/L+CK，其中，M/L+CK的GHGI和SGWP最低，且產量較高，在保證產量的同時，顯著提高了生態效益，降低了CH4和N2O排放對溫室效應的貢獻，有利于稻麥系統的可持續發展。不同農田管理下遮陰處理排放強度均較高，且產量顯著降低，使環境效益和經濟效益明顯降低。因此，在未來氣候變化情景下，研究稻麥輪作系統溫室氣體減排時，需要權衡稻麥系統的生態效益和經濟效益，在提高稻麥產量的同時，實現溫室氣體減排的雙重目標，保證稻麥農田的可持續生產。

3.2 結論

遮陰抑制了稻麥輪作系統中水稻和冬小麥植株的生長發育，從而導致水稻、冬小麥生物量和產量降低。而水稻生育期采用濕潤灌溉和冬小麥采用適當晚播的處理能夠緩解輕度遮陰對兩種作物的不利影響，使產量提高，但晚播+重度遮陰處理則無此效果。

在稻麥輪作系統中，CH4對總排放量的貢獻遠遠大于N2O。在水稻常規淹水和冬小麥常規播期條件下，遮陰可明顯降低稻麥輪作系統CH4排放量及累積排放量，但在水稻濕潤灌溉和冬小麥晚播條件下遮陰則會提高CH4排放量及累積排放量。遮陰對N2O排放的影響與CH4相反，遮陰可顯著促進稻麥輪作系統N2O排放及累積排放，將水稻的灌溉方式改變為濕潤灌溉和冬小麥適當推遲播種（即晚播處理）可能會加劇遮陰對N2O排放量及累積排放量的影響。

從全球增溫潛勢和碳排放強度看，稻麥輪作系統中稻田對全球增溫潛勢和碳排放強度的貢獻遠高于冬小麥田。在水稻常規淹水/冬小麥常規播期處理下，遮陰會降低稻麥輪作系統CH4和N2O對全球增溫潛勢的貢獻，而在水稻濕潤灌溉/冬小麥晚播處理下則會提高CH4和N2O的貢獻。相反，遮陰提高了稻麥輪作系統CH4和N2O對碳排放的貢獻，而濕潤灌溉/晚播處理可緩減遮陰對碳排放強度的促進作用。