太湖地區(qū)典型輪作與休耕方式對稻田水稻季N2O和CH4排放量的影響

王書偉，吳正貴，孫永泉，陳吉，盛雪雯

1.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室/江蘇常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站/中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；2.蘇州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，江蘇 蘇州 215006；3.蘇州市耕地質(zhì)量保護(hù)站，江蘇 蘇州 215011

CH4和N2O是重要的溫室氣體，在100年尺度上，其全球增溫潛勢（GWP）分別是CO2的25倍和298倍（IPCC，2007）。為了減緩全球變暖趨勢，實現(xiàn)到2050年將大氣平均溫度的升高限制在2 ℃的目標(biāo)，溫室氣體排放量必須在 2010年的水平上減少40%—70%（IPCC，2014），因此，迫切需要在全球范圍內(nèi)減少CH4和N2O的排放量。稻田特殊的淹水環(huán)境和中期烤田管理模式被認(rèn)為是大氣中重要的CH4和 N2O 排放源（Cai et al.，1997；Xing，1998；Li et al.，2004；Yan et al.，2005；Yan et al.，2009），而我國是世界上最主要的稻米生產(chǎn)國，水稻種植面積約3000萬公頃（Chen et al.，2010），在水稻生長期，每年我國稻田 CH4和 N2O 排放量分別為 7.4 Tg·a?1（Yan et al.，2009）和 50.3 Gg·a?1（Cai，2012），分別占人為和農(nóng)業(yè)溫室氣體排放總量的 2.7%和 29.2%（Chen et al.，2010）。太湖地區(qū)一直以來是中國主要的稻米產(chǎn)區(qū)，也是“高復(fù)種、高投入、高產(chǎn)出”農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度最高的區(qū)域之一，耕作制度單一和過度追求單產(chǎn)，大量、過量施用化肥、農(nóng)藥、土壤改良劑、植物生長調(diào)節(jié)劑、飼料添加劑等化學(xué)制品，不僅大幅增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，也使得水土流失、土壤污染和貧瘠化越來越嚴(yán)重，造成水體富營養(yǎng)化、土壤酸化、溫室效應(yīng)等一系列環(huán)境問題（Chen et al.，2014）。

當(dāng)前，已有結(jié)果證明，在非主要糧食作物生長期間實行輪作或休耕，可有效的減少CH4和N2O溫室氣體排放量（Xia et al.，2016），同時會改善土壤環(huán)境，提高下季作物產(chǎn)量（Bennett et al.，2012）。在太湖地區(qū)已開展的輪作休耕實驗結(jié)果證實，與傳統(tǒng)的水稻-小麥輪作相比，實行水稻-綠肥（紫云英、蠶豆或油菜）輪作，可有效地降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中CH4和N2O溫室氣體的排放，提高水稻產(chǎn)量（張岳芳等，2013；Xia et al.，2016；胡安永等，2016）。根據(jù)Xia et al.（2016）研究結(jié)果，與傳統(tǒng)的水稻-小麥輪作相比，實行水稻-蠶豆輪作可減少29%—44% CH4排放量，56%—69% N2O排放量，并且能使水稻產(chǎn)量平均增加5.2%。

在太湖地區(qū)非水稻生長季推行輪作與休耕的耕地中，紫云英（AstragalussinicusL.）、豌豆（Pisum sativumL.）、蠶豆（ViciafabaL.）等固氮植物和油菜（BrassicanapusL.）常被用作綠肥種植，替代傳統(tǒng)的冬小麥（TriticumaestivumL.）種植，與下季水稻進(jìn)行輪作，在非水稻生長季休耕模式也被大力推廣，而對紫云英-水稻輪作、油菜-水稻輪作和休耕-水稻輪作對水稻季CH4和 N2O減排效果已有報道結(jié)果不一，有的結(jié)果顯示紫云英-水稻輪作對CH4和N2O減排效果好于油菜-水稻或休耕-水稻輪作方式（Kim et al.，2012；胡安永等，2016），而有的結(jié)果顯示油菜-水稻輪作方式對CH4和N2O減排效果更好（張岳芳等，2013）。然而，在太湖流域典型輪作休耕稻田區(qū)域，紫云英-水稻、油菜-水稻和休耕-水稻3種輪作休耕方式都在推行，為了更好地評價3種輪作休耕方式對水稻產(chǎn)量、CH4和N2O排放量的影響，更好地指導(dǎo)當(dāng)?shù)剌喿餍莞ぷ鏖_展，選定在東太湖生態(tài)保護(hù)區(qū)稻田開展輪作休耕方式對稻田土壤CH4和N2O影響研究，以期為當(dāng)?shù)剌喿餍莞绞竭x擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗場地概況

本試驗于 2018年在太湖蘇州灣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園開展，此農(nóng)業(yè)園位于蘇州吳中區(qū)橫涇鎮(zhèn)（31.1474°N，120.5202°E），屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，2018年平均氣溫和降雨量分別為17.5 ℃和1188 mm，水稻生長期間（6—10月）平均氣溫為25.6 ℃，降雨量為664 mm，其中降雨量占了年降雨總量的55.9%。土壤類型為黃泥土（系統(tǒng)分類為普通簡育水耕人為土），耕作層（0—20 cm）土壤有機碳含量為16.7 g·kg?1，全氮含量為 1.77 g·kg?1，全磷含量為 0.61 g·kg?1，全鉀含量為 19.2 g·kg?1，pH 為 5.56，CEC 為 19.4 cmol·kg?1；土壤粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：黏粒31.0%、粉粒39.4%、砂粒29.6%。太湖地區(qū)以冬小麥-水稻輪作為主，因該地區(qū)推廣輪作休耕，將原來種植冬小麥的稻田改為種植其他作物或綠肥，或者實行休耕，目前主要有紫云英-水稻、油菜-水稻和休耕-水稻3種輪作休耕方式。

1.2 試驗設(shè)計和田間管理

本試驗在長期實行紫云英-水稻、油菜-水稻和休耕-水稻3種典型輪作休耕的稻田上開展，該區(qū)域稻田于 2015年開始在非稻季將原來種植冬小麥的稻田改成種植紫云英、油菜和實行休耕。在稻季實驗中設(shè)置了兩種氮肥梯度（不施氮肥處理和 300 kg·hm?2，以純氮計，下同）共6個處理（表1），分別為紫云英-水稻輪作處理、油菜-水稻輪作處理和休耕-水稻處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，各實驗小區(qū)間采用長期耕作形成的自然田埂作為分隔，每個小區(qū)長33 m，寬20 m，便于機械化耕作。在非稻季期，不施用任何肥料，紫云英和油菜在每年10月中旬左右人工播撒種子，每畝用量為4 kg，休耕-水稻輪作方式下，在水稻收獲后進(jìn)行一次機翻深耕作業(yè)。在水稻季，3種輪作方式下，總施氮量為 300 kg·hm?2（純氮，下同）的處理按基肥∶分蘗肥∶穗肥=6∶2∶2進(jìn)行人工撒施，所有處理磷肥（以P2O5計，下同）和鉀肥（以K2O計，下同）作為基肥一次性施入，施肥量分別為 30 kg·hm?2和 60 kg·hm?2，具體施肥量和比例見表 1。在水稻生長季，田面水分管理采用淹水-烤田-淹水-濕潤模式，即從6月5日開始灌水，保持田面水在3—5 cm至7月18日開始烤田，至7月28日烤田結(jié)束，田面水自然落干，7月29日重新灌水，保持田面水3—5 cm至9月20日，此后一直保持間歇灌溉，保持田面濕潤，在收獲前兩個星期停止灌溉。

表1 水稻生長季不同處理施肥比例Table 1 Rate of fertilizer application for different treatments during rice-growing season

1.3 N2O和CH4采樣和測定

稻田土壤 N2O和CH4排放通量采用靜態(tài)箱法進(jìn)行觀測，每個小區(qū)放置3個采樣箱。采集氣樣時，將PVC采氣箱（50 cm×50 cm×50 cm）放置在5 cm深的水槽（與頂端下 5 cm處盆缽?fù)鈧?cè)焊為一體）中，根據(jù)水稻生長高度，在水稻生長中后期，PVC采樣箱長、寬、高改為50 cm×50 cm×110 cm。每次施肥后一般進(jìn)行連續(xù)采樣 3—5次，在非施肥期每隔一個星期采樣一次，采樣時間為 09:00—11:00。通過溫室氣體自動采樣器采集箱內(nèi)氣體于真空氣袋中，每次采樣時，利用自動采樣器先把箱內(nèi)氣體循環(huán)15 s，然后采集氣體10 s，采氣量約200 mL，每隔10 min采1次樣，共采集4袋氣體，同時記錄空氣溫度，用于計算溫室氣體排放通量。用4次采樣溫室氣體濃度與采樣時間進(jìn)行線性回歸，如果R2＞0.9，說明此次樣品有效，否則說明樣品不合格，斜率代表CH4和 N2O每小時濃度的變化。再根據(jù)采樣箱的底面積和高度，從而計算出溫室氣體排放通量（mg·m?2·h?1）。用安捷倫 7890A 氣相色譜對樣品進(jìn)行分析，CH4用氫火焰離子檢測器（FID）測定，N2O由63Ni電子捕獲檢測器（ECD）測定，分別用高純N2和氬亞甲烷（氬氣95%，CH45%）作為載氣，流速為40 mL·min?1，箱溫和檢測器的溫度分別保持在40 ℃和300 ℃。

1.4 N2O和CH4排放通量計算

N2O或CH4排放通量計算公式如下：

其中，F(xiàn)為 N2O（mg·m?2·h?1，以 N 計，下同）或 CH4（mg·m?2·h?1，以 C 計，下同）的排放通量；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 N2O-N（1.25 kg·m?3）或CH4-C（0.536 kg·m?3）的密度；V為采樣箱的體積（m3）；A為采樣箱底座的面積（m2）；dc/dt指單位時間內(nèi)箱內(nèi)氣體濃度的變化量，用4次采樣的氣體N2O濃度與采樣時間進(jìn)行線性回歸，取R2＞0.9的，斜率值就是dc/dt，mg·h?1；θ為箱體內(nèi)的溫度，℃；每次觀測各個處理的N2O或CH4的排放通量用3個重復(fù)的平均值表示。

1.5 溫室氣體累積排放量計算

N2O（以N計，下同）或CH4（以C計，下同）累積排放量計算公式如下：

式中，E為 CH4或 N2O 的累積排放量，kg·hm?2；Fi為第i天采樣日CH4和N2O排放通量，mg·m?2·h?1；i表示第i次采樣；ti+1?ti表示兩次采樣測定的時間間隔，d。

1.6 氮素利用率（NUE）、GWP和GHGI計算公式

氮素利用率（%）和氮素農(nóng)學(xué)利用率（NAUE，kg·kg?1）計算公式如下：

式中，UN為施氮處理下的籽粒 N吸收量（kg·hm?2）；U0為空白處理下籽粒 N素吸收量；YN和Y0分別為施氮處理和空白處理下水稻籽粒產(chǎn)量；FN為N肥施用量。

溫室氣體全球增溫潛勢（GWP，kg·hm?2·a?1，以CO2計）計算公式如下：

式中，R(CH4)和R(N2O)表示每種輪作和休耕方式下水稻生長季 N2O和 CH4累積排放量，單位為kg·hm?2；公式中的 25和 298分別表示 1 kg CH4和1 kg N2O增溫潛勢分別是 CO2的 25倍和 298倍（IPCC，2007）。

單位水稻產(chǎn)量溫室氣體排放強度（GHGI；kg·kg-1）計算公式如下：

式中，GWP表示溫室氣體相對于 CO2的全球增溫潛勢；Y代表每個處理下水稻籽粒產(chǎn)量（t·hm?2）。

1.7 土壤性質(zhì)及其他環(huán)境因子測定

除稻田田面水落干狀況外，每次溫室氣體采樣時同時采集田面水，采樣時，將塑料瓶綁在2 m長的竹竿上，伸到稻田里采集稻田表層田面水，在溫室氣體采樣點周圍內(nèi)均勻采集 5個樣品混合為一個樣品，每個小區(qū)采集 3個重復(fù)樣品。田面水帶回實驗室過濾（0.45 μm），用全自動化學(xué)分析儀（Smartchem140，AMS，Italy）分析 NO3?-N，NH4+-N，用TOC儀（Analytik Jena AG，Germany）分析可溶性有機碳（DOC）；收獲期土壤pH（土∶水，1∶2.5）和田面水pH用便攜式pH計測定；收獲期土壤NO3?-N 和 NH4+-N 用 2 mol·L?1KCl按照土∶浸提液=1∶10進(jìn)行浸提，然后用自動化學(xué)分析儀分析，土壤DOC用去離子水按照土∶水=1∶5浸提，然后用 TOC儀分析；土壤有機碳和全氮含量用C/N元素分析儀（Vario Max CN，Elementar，Hanau，Germany）測定。

1.8 統(tǒng)計分析方法

采用單因素方差分析（ANOVA）結(jié)合最小顯著差法（LSD）對不同處理下水稻產(chǎn)量、N2O和CH4排放通量及累積排放量，田面水NO3?-N，NH4+-N、pH和DOC進(jìn)行差異性顯著性分析。采用Pearson相關(guān)性分析法分析N2O和CH4排放通量與田面水NO3?-N、NH4+-N、DOC和pH的相關(guān)性。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS（version 25.0，Chicago，IL，USA），畫圖采用 Origin（version 2016，Northampton，MA，USA）。所有顯著性檢驗在P＜0.05水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作方式下收獲期土壤性質(zhì)、水稻產(chǎn)量和氮肥利用率

表 2為水稻收獲期各處理下土壤基本理化性質(zhì)，與非施用氮肥處理相比，施用氮肥可顯著降低土壤 pH，增加土壤 NH4+-N含量（P＜0.05），與其他施氮輪作處理相比，紫云英-水稻輪作方式下，pH下降幅度最大；與其他輪作方式相比，長期實行休耕-水稻輪作方式可顯著降低土壤有機碳和全氮含量（P＜0.05），而對土壤 DOC 影響不顯著（P＞0.05）。

表2 輪作休耕試驗區(qū)收獲期表層（0—20 cm）土壤性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of the harvest topsoil (0-20 cm) under different treatment regimens

與空白氮處理相比，各輪作處理在施氮 300 kg·hm?2水平下，可顯著增加水稻產(chǎn)量，增加幅度為53.7%—60.0%（表 3）。在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮 300 kg·hm?2水平下，紫云英-水稻輪作方式下水稻產(chǎn)量最高，油菜-水稻輪作方式下次之，休耕-水稻方式下產(chǎn)量最低，但沒有顯著性差異（P＞0.05，表3），與RRN300和FRN300處理相比，MRN300處理下水稻產(chǎn)量分別提高了1.6%和6.0%。從表3可見，6個處理下作物吸氮量變化范圍在 50.6—105 kg·hm?2，MRN300、RRN300、FRN300 3個處理下氮農(nóng)學(xué)利用率、氮吸收利用率分別為 10.65、10.58、10.76 kg·kg?1，15.2%、15.9%、12.2%，休耕-水稻輪作方式下氮農(nóng)學(xué)利用率最高，但氮吸收利用率最低，MRN300、RRN300和FRN300各處理間氮農(nóng)學(xué)利用率和吸收利用率沒有顯著差異（P＞0.05）。

表3 不同處理間作物產(chǎn)量、作物吸氮量、氮肥利用率Table 3 Grain yields, N uptake and NUE under different treatments

2.2 稻田田面水無機氮、pH和DOC動態(tài)變化

圖1是不同輪作處理田面水NH4+-N、NO3?-N、DOC和pH動態(tài)變化，MRN300、RRN300和FRN300田面水 NH4+-N和 NO3--N含量受氮肥施用影響明顯，隨著施肥天數(shù)呈現(xiàn)動態(tài)下降趨勢，NO3?-N峰值出現(xiàn)一般晚于NH4+-N峰值，整個水稻生長周期內(nèi)，3個處理NH4+-N和NO3?-N變化范圍分別為0.15—25.4、0.10—25.1、0.10—24.3 mg·L?1和 0.02—2.72、0.12—3.13、0.06—1.57 mg·L?1。非施用氮肥情況下，MRN0、RRN0和FRN0 3個處理的田面水無機氮含量較低，NH4+-N和NO3--N含量范圍分別為0.06—3.78 mg·L?1和 0.08—0.71 mg·L?1。不同處理間 DOC含量受氮肥施用影響不明顯，整體動態(tài)變化表現(xiàn)為基肥期＞分蘗肥期＞穗肥期，整個水稻生長期，MRN300、RRN300、FRN300、MRN0、RRN0和FRN0 6個處理DOC含量均值分別為121.3、114.0、112.1、95.1、105.0、90.4 mg·L?1，在紫云英水稻輪作方式下DOC含量最高，但處理間差異不顯著（P＞0.05）。不同輪作處理在N300氮肥梯度下，田面水pH受施肥影響明顯，每次施肥過后，田面pH會出現(xiàn)一個峰值，pH變化范圍為6.90—8.83，不同處理在N0梯度下變化范圍為7.01—8.10，在N300水平下，與休耕-水稻輪作相比，實行紫云英-水稻和油菜-水稻輪作可顯著提高整個水稻季田面pH（P＜0.05），在N0水平下，3種輪作方式下整個水稻生長季田面水pH差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 不同輪作處理田面水NH4+-N、NO3?-N、DOC和pH動態(tài)變化Fig.1 Dynamics of surface water NH4+-N, NO3?-N, DOC and pH in different rotation treatments

2.3 不同輪作方式下N2O排放通量和累計排放量

圖 2是不同輪作方式下 N2O排放通量動態(tài)變化圖。不施氮肥下，各輪作處理下N2O稻季排放通量變化范圍在 0.001—0.009 mg·m?2·h?1，各輪作處理間N2O排放通量均值差異不顯著（表4，P＞0.05）。在施用300 kg·hm?2下，各輪作處理下N2O稻季排放通量變化范圍在 0.001—0.144 mg·m-2·h-1，不同處理間N2O排放通量有相似的變化規(guī)律，受N肥施用影響顯著，每次施肥后N2O排放就會出現(xiàn)一個峰值，隨施肥天數(shù)N2O排放通量迅速下降，整個水稻生長季MRN300、RRN300、FRN300 3個處理N2O排放通量均值分別為 0.0142、0.0222、0.0145 mg·m?2·h-1，其中紫云英-水稻輪作體系下 N2O 排放通量最小，與RRN300處理相比，N2O排放通量顯著降低了36.0%（P＜0.05，表4）。整個水稻生長季MRN300、RRN300、FRN300 3個處理累積N2O排放量分別為 0.498、0.778、0.508 kg·hm?2，與紫云英-水稻和休耕-水稻輪作方式相比，油菜-水稻輪作方式下能顯著提高N2O累積排放量（P＜0.05，表4），分別提高了56.2%和53.1%。

圖2 水稻生長季不同處理N2O排放通量Fig.2 Daily variations of the N2O fluxes from the treatment plots over the rice growing season

表4 不同處理間CH4、N2O排放通量和累積排放量、GWP和GHGITable 4 CH4 fluxes, N2O fluxes, cumulative emissions of CH4 and N2O, GWP and GHGI under different treatments

2.4 不同輪作方式下CH4排放通量和累積排放量

圖3是水稻生長季不同處理CH4排放通量動態(tài)變化圖。不同處理水稻生長季CH4變化趨勢一致，受氮肥施用影響不明顯，表現(xiàn)在水稻生長的前期，包括返青期和分蘗期，各處理CH4排放通量呈現(xiàn)上升趨勢，在水稻生長中期拔節(jié)期前CH4排放通量達(dá)到峰值，各處理CH4排放通量變化范圍在0.025—26.820 mg·m?2·h?1之間，其中 CH4最高排放通量出現(xiàn)在 MRN300處理。在水稻生長烤田期 CH4排放通量隨土壤體積含水量降低而迅速下降，并且一直保持在一個很低的排放速率直到收獲期。紫云英-水稻和油菜-水稻輪作方式下，CH4排放通量與氮肥施用量呈正相關(guān)關(guān)系，N300處理下的排放量大于N0處理下的排放量，其中 MRN300處理下 CH4排放通量顯著高于MRN0（P＜0.05，表4），CH4排放通量提高了15.9%。

圖3 水稻生長季不同處理CH4 排放通量Fig.3 Daily variations of the CH4 fluxes from the treatment plots over the rice growing season

在N0施氮水平下，以休耕-水稻輪作方式下CH4稻季平均排放通量最大，顯著高于紫云英-水稻和油菜-水稻輪作方式（P＜0.05），分別高了 27.5%和15.5%，以紫云英-水稻輪作方式 CH4稻季平均排放通量和累積CH4排放量最??；在N300施氮水平下，同樣以休耕-水稻輪作方式下 CH4排放通量和累積CH4排放量最大，與紫云英-水稻輪作和油菜-水稻輪作方式相比，CH4累積排放量分別提高了 6.7%和5.6%，但差異不顯著（P＞0.05），同樣以紫云英-水稻輪作方式下CH4排放通量和累積排放量最?。ū?）。

2.5 不同輪作方式下GWP和GHGI

不同處理產(chǎn)生的稻季 GWP均值變化范圍在4611.7—6029.6 kg·hm?2之間（表 4），其中以 CH4產(chǎn)生的增溫潛勢為主，貢獻(xiàn)了97%的GWP。紫云英-水稻和油菜-水稻輪作方式下，N300處理下的GWP顯著高于N0施氮水平下（P＜0.05，表4），高的N肥用量能提高土壤GWP，而在休耕-水稻輪作方式下，N300和 N0兩種施氮水平下 GWP差異不顯著（P＞0.05），氮肥用量對土壤GWP影響不明顯。在N0和N300施氮水平下，都以紫云英-水稻輪作方式下的GWP最小，油菜-水稻輪作方式次之，休耕-水稻輪作方式下GWP最高，與油菜-水稻和休耕-水稻輪作方式下 GWP相比，紫云英-水稻輪作方式下的GWP降低了6.4%—9.1%。不同處理稻季GHGI變化范圍在0.64—1.09 kg·hm?2之間（表4），以MRN300處理下的 GHGI最小，顯著小于 RRN0、FRN0和FRN300（P＜0.05），主要由于增加了水稻產(chǎn)量（表 3）；在施氮300 kg·hm?2下，3種輪作方式下的GHGI差異不顯著（P＞0.05，表4）；在紫云英-水稻輪作方式下，生產(chǎn)單位糧食所排放的溫室氣體最少。

3 討論

3.1 不同輪作方式對氮肥利用率和水稻產(chǎn)量影響

已有研究表明，與傳統(tǒng)的冬小麥-水稻輪作方式相比，在太湖地區(qū)實行紫云英、蠶豆或油菜與水稻輪作方式能提高水稻生產(chǎn)力和氮肥利用率（Xia et al.，2016；胡安永等，2016；Cai et al.，2018），而基于長期休耕-水稻輪作方式下對水稻產(chǎn)量影響研究結(jié)果證實，實行休耕-水稻輪作方式下對水稻產(chǎn)量增產(chǎn)不明顯（胡安永等，2016）。本研究針對太湖地區(qū)主要推行的紫云英-水稻、油菜-水稻和休耕-水稻3種輪作方式中進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)以紫云英-水稻輪作方式下的水稻產(chǎn)量和氮肥利用率最高，油菜-水稻輪作方式下次之，休耕-水稻輪作方式下最低，與已有研究結(jié)果一致（張岳芳等，2013；胡安永等，2016）。實行紫云英-水稻輪作方式對水稻產(chǎn)量有明顯的增產(chǎn)效果，主要由于紫云英是太湖地區(qū)常用的一種綠色培肥植物，不僅能通過生物固氮為土壤供氮，固氮量在 160—300 kg·hm?2之間（Rasmussen et al.，2012），并且還能改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤氮素的有效性，從而有利于稻季養(yǎng)分供給，對下一季水稻生長產(chǎn)生顯著的殘余氮效應(yīng)（Watson et al.，2002；Mayer et al.，2003；Hauggaard-Nielsen et al.，2009），并且在紫云英-水稻輪作方式下，稻季收獲期土壤無機氮含量最高（表2）。油菜也是太湖地區(qū)常用的一種綠色培肥植物，由于其碳氮比高于紫云英，腐殖化過程及氮礦化速率比紫云英慢，為下一季作物提供的殘余氮效應(yīng)稍弱（表2），因而在同一施氮水平下對水稻產(chǎn)量貢獻(xiàn)次于紫云英-水稻輪作方式（Kim et al.，2012；張岳芳等，2013）。從表1來看，休耕-水稻方式下，對地力消耗最大，收獲期土壤有機質(zhì)和全氮含量顯著低于其他兩種輪作方式，并且外源氮輸入量也小于紫云英-水稻和油菜-水稻輪作方式，產(chǎn)生的殘余氮效應(yīng)最不明顯，因而水稻產(chǎn)量和氮肥利用率最低。

3.2 輪作方式對N2O排放通量及累積排放量影響

在本研究中，空白施氮處理不同輪作方式下N2O排放通量沒有顯著性差異（表4），N2O排放通量維持在一個較低的水平且無排放峰出現(xiàn)（圖2），已有很多研究證明在稻季淹水厭氧條件下，N2O通過反硝化過程被進(jìn)一步還原成N2，從而降低了N2O排放通量（Ma et al.，2009；Wang et al.，2017）。N2O主要是通過土壤硝化和反硝化過程產(chǎn)生，外源氮肥的施用能顯著促進(jìn)稻田N2O的排放，與空白施氮量相比，施氮300 kg·hm?2能顯著增加稻田土壤N2O排放通量，增加了2—5倍（表4），與已有研究結(jié)果一致（Liu et al.，2010；Wang et al.，2019），其中以油菜-水稻輪作方式下N2O排放通量最高，顯著高于紫云英-水稻和休耕-水稻輪作方式（表4）。以前研究已證實將C/N比較高的作物秸稈還田，能促進(jìn)微生物固氮，減少了硝化和反硝化底物氮供應(yīng)，因而會減少N2O排放量（Jensen，1997），本研究中以高碳氮比的油菜秸稈還田和水稻輪作下N2O排放通量最高，這可能與油菜作為綠肥，在水稻移栽前已經(jīng)還田快一個月，在移栽前的淹水泡田已經(jīng)讓油菜秸稈可能已經(jīng)礦化，且油菜的還田生物量是3種輪作方式中最多的（圖4），從而為硝化和反硝化過程提供豐富的礦質(zhì)氮供應(yīng)，從而促進(jìn)了N2O排放。

圖4 不同輪作模式下地上部分生物量（B）及碳氮比Fig.4 The above-ground biomass and C/N in different rotation modes

3.3 輪作方式對CH4排放通量影響

本研究中，不同輪作方式在施氮300 kg·hm?2下對稻季CH4排放通量和累積排放量影響不顯著，但在紫云英-水稻輪作方式下 CH4排放量最小。在空白施氮處理下，同樣以紫云英-水稻輪作方式下CH4排放通量最小，與胡安永等（2016）研究結(jié)果以休閑-水稻輪作方式下 CH4排放通量最小不一致。本試驗在非水稻生長季不施用肥料，紫云英、油菜及草類都是在自然狀態(tài)下生長，3種輪作方式下單位面積生物量差異不顯著（圖4），以油菜和雜草碳氮比最高，以紫云英碳氮比最低。低碳氮比的紫云英更快速的分解和腐質(zhì)化，可能已經(jīng)被微生物分解形成了腐殖質(zhì)，并與土壤礦物質(zhì)顆粒緊密結(jié)合，成為土壤有機質(zhì)存在的主要形態(tài)類型，不易被產(chǎn)甲烷菌分解而產(chǎn)生大量CH4；高碳氮比的油菜和雜草被分解過程更長，因而可能更有利于甲烷菌分解而產(chǎn)生大量CH4。已有的研究結(jié)果也證實低C/N作物紫云英比高C/N作物黑麥草增產(chǎn)減排效果更好，是更值得推薦的綠肥作物（Kim et al.，2012）。高碳氮比的油菜或雜草直接還田能增加土壤中不穩(wěn)定有機碳含量，從而利于產(chǎn)甲烷菌在厭氧條件下的活性，促進(jìn)CH4排放（Dalal et al.，2008）。從本研究結(jié)果中可以看到，DOC對紫云英-水稻輪作兩個處理下的CH4排放通量有負(fù)相關(guān)影響，對油菜-水稻輪作兩個處理下的CH4排放通量有正相關(guān)影響，雖然沒有統(tǒng)計顯著性，但對休耕-水稻輪作下的 CH4排放通量有顯著正向影響（P＜0.05，表5）。

表5 N2O和CH4排放通量與環(huán)境因子的關(guān)系Table 5 Relationship between N2O and CH4 emissions and environmental factors

3.4 輪作方式對GWP和GHGI影響

在本研究中，實行紫云英-水稻輪作比實行油菜-水稻輪作和休耕-水稻輪作更有利于增加水稻產(chǎn)量，減少N2O和CH4排放量，降低因水稻種植產(chǎn)生的GWP和GHGI，這與以前的研究結(jié)果一致（Kim et al.，2012），主要是實行紫云英-水稻輪作減少CH4排放量和增加水稻產(chǎn)量的原因（Wang et al.，2019）。但與張岳芳等（2013）報道的紫云英-水稻輪作增加了太湖地區(qū)GWP結(jié)果不一致，主要原因是在張岳芳等（2013）研究中油菜的秸稈被移除，沒有外源油菜秸稈等有機物質(zhì)的還田，從而得到油菜-水稻輪作模式下 CH4排放量比紫云英-水稻輪作模式低，同時淹水稻田是產(chǎn)CH4主要的源，也是主導(dǎo)GWP的溫室氣體。在其他研究中，小麥和油菜等高C/N植物殘基的摻入最初對水稻生長有負(fù)產(chǎn)量影響，主要由氮的固定引起（Azam et al.，1991；Verma et al.，1992）。實行紫云英-水稻輪作更有利于提高土壤氮含量，更有利于水稻產(chǎn)量提高，降低 GHGI，主要是由于紫云英植物殘基C/N最小，更容易被微生物礦化，為水稻生長提供無機氮元素（Kim et al.，2012），這與在蘇州輪作休耕與地力跟蹤監(jiān)測結(jié)果一致。本文沒有考慮輪作休耕季不同輪作方式對N2O和CH4排放的影響，但已有研究證實，在輪作休耕季以油菜輪作下N2O和CH4排放通量最高（張岳芳等，2012），因而，從輪作休耕季和水稻生長季來看，實行紫云英-水稻輪作方式最有利于溫室氣體減排和水稻產(chǎn)量提高。

4 結(jié)論

實行輪作休耕是實現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”重要途徑之一，本文對太湖平原紫云英-水稻、油菜-水稻和休耕-水稻3種典型輪作休耕方式進(jìn)行比較，綜合產(chǎn)量效益和環(huán)境效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)實行紫云英-水稻輪作方式是太湖區(qū)域最優(yōu)輪作方式，不僅有利于水稻產(chǎn)量提高，同時可以降低單位產(chǎn)量溫室氣體排放。