覆蓋對(duì)水稻田溫室氣體排放效應(yīng)的影響

王雅霏，楊喜愛(ài)，潘婷，高峰峰，江先民，銀敏華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

氣候變暖所引發(fā)的一系列問(wèn)題嚴(yán)重威脅著人類(lèi)生存與健康，已成為全球普遍關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題與面臨的重大挑戰(zhàn)。人類(lèi)生產(chǎn)生活排放的溫室氣體是氣候變暖的主要原因，其中農(nóng)業(yè)土地的溫室氣體排放量占人類(lèi)活動(dòng)排放總量的14%[1]。三大溫室氣體(CO2、CH4和N2O)中，20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O 來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率高達(dá)80%[2]。與CO2相比，CH4和N2O 占溫室氣體總量的比例較小，但在100 a 時(shí)間尺度上，單位質(zhì)量CH4和N2O 的全球增溫潛勢(shì)分別為CO2的28倍和265 倍，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率分別約為15%和5%。水稻是主要的糧食作物，水稻生產(chǎn)對(duì)保障糧食安全具有重要作用，但稻田也是重要的溫室氣體排放源[3-4]，一直受到國(guó)際社會(huì)的普遍關(guān)注。因此，開(kāi)展稻田溫室氣體排放的相關(guān)研究尤為重要。

稻田的溫室氣體排放與耕作措施和田間管理等密切相關(guān)[5]。覆蓋栽培因其具有改善耕層土壤水熱環(huán)境、抑制雜草生長(zhǎng)、防止水土流失和減少養(yǎng)分淋溶等優(yōu)點(diǎn)，已成為多種糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物和牧草生產(chǎn)的重要農(nóng)田管理措施[6]。水稻屬高耗水作物，其生育期需水量為600～900 mm，其中生態(tài)需水占比高達(dá)70%～85%[7]。水稻覆蓋旱作可在保障一定產(chǎn)量水平的基礎(chǔ)上節(jié)約稻田生態(tài)耗水，有效緩解南方地區(qū)的季節(jié)性缺水問(wèn)題，目前已廣泛應(yīng)用于水稻生產(chǎn)中[5]。然而，覆蓋栽培在改善稻田微環(huán)境的同時(shí)也會(huì)影響溫室氣體的產(chǎn)生與排放。研究表明，冬季稻田覆蓋綠色作物，可減輕稻田水土流失，富集土壤碳氮養(yǎng)分，減少溫室氣體排放[8]。也有研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)淹水稻田相比，秸稈覆蓋旱作會(huì)在一定程度上增加稻田甲烷的排放量[9]。覆膜種植條件下，稻—油輪作農(nóng)田全年CH4排放量較對(duì)照提高147.9%，而CO2和N2O 的排放量與對(duì)照差異不顯著[10]。可見(jiàn)，覆蓋栽培對(duì)稻田溫室氣體的排放效應(yīng)因覆蓋材料、種植模式等不同而存在差異。

國(guó)內(nèi)外均已開(kāi)展了很多覆蓋對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放影響的相關(guān)研究。我國(guó)關(guān)于覆蓋條件下農(nóng)田溫室氣體排放的研究主要集中在干旱半干旱地區(qū)，而水稻田溫室氣體排放的研究尚處于起步階段。Meta分析是對(duì)同一主題的多個(gè)研究結(jié)果進(jìn)行綜合分析的方法，通過(guò)效應(yīng)指標(biāo)量化，將各個(gè)研究結(jié)果進(jìn)行整合，系統(tǒng)分析特定措施的綜合效應(yīng)及影響因素[11-12]。本研究從環(huán)境視角出發(fā)，整合覆蓋對(duì)水稻田溫室氣體排放的已發(fā)表文獻(xiàn)，采用Meta 分析方法從大區(qū)域尺度上進(jìn)行分析，旨在全面和系統(tǒng)地總結(jié)覆蓋對(duì)水稻田溫室氣體的排放效應(yīng)及可能的影響因素，為探索高效的稻田減排栽培模式及合理的稻田覆蓋管理技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)對(duì)中國(guó)知網(wǎng)(http://www.cnki.net)和Web of Science(http://apps.webofknowledge.com) 等中英文數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，收集截至2020 年9 月國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于覆蓋種植條件下水稻田溫室氣體排放的研究論文(會(huì)議論文和溫室、盆栽試驗(yàn)論文除外)。為減少文獻(xiàn)收集引起的偏差，基于以下標(biāo)準(zhǔn)篩選本研究的分析樣本:①研究對(duì)象為中國(guó)范圍內(nèi)的水稻田；②試驗(yàn)中同時(shí)包含覆蓋與不覆蓋處理；③論文提供了覆蓋與不覆蓋水稻田溫室氣體(CO2、N2O、CH4中的任意1 種、2 種或3 種都有)的排放量，或根據(jù)論文提供的數(shù)據(jù)可計(jì)算得到；④試驗(yàn)采用的農(nóng)田覆蓋措施清楚。經(jīng)采用以上標(biāo)準(zhǔn)篩選，共獲得13 篇可用文獻(xiàn)(表1)，包含66 組數(shù)據(jù)，其中CO2、N2O 和CH4分別為6、31 和29 組。

表1 Meta 分析的數(shù)據(jù)來(lái)源文獻(xiàn)Table 1 Literatures used in the meta-analysis

1.2 數(shù)據(jù)分類(lèi)

所收集的66 組數(shù)據(jù)，主要涉及湖南、四川、重慶、江蘇和湖北共5 個(gè)省(市)，具體樣本信息如表2。

表2 樣本基本信息Table 2 Basic information of the samples

續(xù)表2

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)差是Meta 分析的一個(gè)重要參數(shù)，可反映各樣本的重要性。當(dāng)文獻(xiàn)提供標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，直接使用；當(dāng)文獻(xiàn)沒(méi)有提供標(biāo)準(zhǔn)差但有多個(gè)重復(fù)試驗(yàn)的溫室氣體排放量，或既未提供標(biāo)準(zhǔn)差也無(wú)重復(fù)試驗(yàn)的溫室氣體排放量，但包含多年試驗(yàn)時(shí)，自行計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差；當(dāng)文獻(xiàn)未列出標(biāo)準(zhǔn)差且無(wú)法通過(guò)計(jì)算獲得時(shí)，將前述研究論文中某一溫室氣體排放比例作為該溫室氣體排放的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值[13]。

1.3.2 效應(yīng)量計(jì)算

利用各樣本中覆蓋處理(試驗(yàn)組)和不覆蓋處理(對(duì)照組)的平均溫室氣體排放量、標(biāo)準(zhǔn)差及重復(fù)數(shù)計(jì)算效應(yīng)值lnR[14]:

式中:R—反應(yīng)比；Ye—覆蓋處理的平均溫室氣體排放量(kg/hm2)；Yc—不覆蓋處理的平均溫室氣體排放量(kg/hm2)。

為了更加直觀地反映覆蓋對(duì)水稻田溫室氣體的排放效應(yīng)，將效應(yīng)值lnR轉(zhuǎn)化為減排率Z[15]:

Z的95%置信區(qū)間若全部大于0，說(shuō)明覆蓋對(duì)減少水稻田溫室氣體排放具有顯著正效應(yīng)；若全部小于0，說(shuō)明覆蓋對(duì)減少水稻田溫室氣體排放具有顯著負(fù)效應(yīng)；若包含0，則說(shuō)明覆蓋對(duì)減少水稻田溫室氣體排放無(wú)顯著影響。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

采用R(v.3.6.3) 編程軟件中的Metafor 包(v.2.4-0)處理數(shù)據(jù)，顯著性水平取P＜0.05；使用Origin 9.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆蓋與不覆蓋條件下水稻田溫室氣體的排放量

本研究涉及來(lái)自5 個(gè)省(市)的13 篇研究論文中的66 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)(表3)。對(duì)于CO2，共有6 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，覆蓋和不覆蓋水稻田的排放量分別為15.23～506.93 kg/hm2和18.21～ 347.28 kg/hm2；對(duì) 于N2O，共有31 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，覆蓋和不覆蓋水稻田的排放量分別為0.01～3.12 kg/hm2和0.01～3.95 kg/hm2；對(duì)于CH4，共有29 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，覆蓋和不覆蓋水稻田的排放量分別為2.47～207.13 kg/hm2和3.38～277.01 kg/hm2。

表3 覆蓋與不覆蓋條件下水稻田溫室氣體的排放量Table 3 Greenhouse gas emissions from paddy fields under mulching and non-mulching

2.2 覆蓋對(duì)水稻田溫室氣體排放的綜合效應(yīng)

分別計(jì)算覆蓋條件下水稻田的3 種溫室氣體排放的綜合效應(yīng)量(表4)。與不覆蓋相比，覆蓋水稻田的CO2排放量平均增加21.9%(置信區(qū)間2.6%～44.8%)，N2O 排放量平均減少43.9%(置信區(qū)間32.3%～53.5%)，CH4排放量平均減少58.5%(置信區(qū)間50.8%～65.0%)。由于所收集的覆蓋與不覆蓋條件下稻田CO2排放的樣本較少(僅6 個(gè))，故后續(xù)僅對(duì)覆蓋條件下水稻田CH4和N2O 的排放效應(yīng)進(jìn)行影響因素分析。

表4 覆蓋對(duì)水稻田溫室氣體排放的綜合效應(yīng)Table 4 Comprehensive effect of mulching on greenhouse gas emission from paddy field

2.3 覆蓋對(duì)水稻田N2O 排放效應(yīng)的影響

2.3.1 區(qū)域效應(yīng)

湖南、重慶、江蘇、湖北4 個(gè)省(市)均表現(xiàn)為覆蓋顯著降低了水稻田N2O 排放量(圖1)，其中湖南和江蘇的平均減排率基本接近，前者為54.9%(置信區(qū)間30.2%～79.6%)，后者為53.2%(置信區(qū)間20.0%～86.4%)；重慶和湖北的平均減排率基本接近，前者為34.4%(置信區(qū)間2.1%～66.7%)，后者為33.9%(置信區(qū)間10.3%～57.5%)。

圖1 覆蓋下不同地區(qū)水稻田N2O 的減排率Fig.1 N2O emission reduction rate of rice field under different coverage

2.3.2 影響因素

表5 為不同影響因素下覆蓋對(duì)水稻田N2O 的排放效應(yīng)。覆蓋水稻田N2O 減排率隨施氮量的增加呈降低趨勢(shì)，施氮量為＜100 kg/hm2、100～200 kg/hm2和＞200 kg/hm2的稻田平均減排率分別為53.2%(置信區(qū)間20.4%～ 86.0%)、38.9%(置信區(qū)間16.4%～ 61.4%) 和35.6% (置信區(qū)間5.1%～66.1%)。在基肥+追肥施氮模式下，覆蓋水稻田N2O 減排效應(yīng)略高于一次性基施，前者平均為48.6%(置信區(qū)間30.9%～ 66.3%)，后者平均為38.9%(置信區(qū)間16.4%～61.4%)。地膜覆蓋水稻田的N2O 減排率(平均38.2%，置信區(qū)間26.6%～49.8%)略低于秸稈覆蓋(平均48.1%，置信區(qū)間29.6%～66.6%)。與全地面覆蓋(平均51.2%，置信區(qū)間32.2%～70.2%)相比，部分地面覆蓋(平均35.9%，置信區(qū)間24.7%～47.1%)水稻田的N2O 減排率較低。平作覆蓋水稻田的N2O 減排率(平均54.5%，置信區(qū)間34.2%～74.8%)略高于壟作覆蓋(平均54.5%，置信區(qū)間34.2%～74.8%)。與連作(平均37.7%，置信區(qū)間23.0%～52.4%)相比，輪作(平均53.2%，置信區(qū)間33.7%～72.7%)條件下進(jìn)行覆蓋更有利于提高水稻田的N2O 減排率。

表5 覆蓋對(duì)水稻田N2O 排放效應(yīng)的影響因素分析Table 5 Influencing factors of mulching on N2O emission from paddy field

2.4 覆蓋對(duì)水稻田CH4 排放效應(yīng)的影響

2.4.1 區(qū)域效應(yīng)

5 省(市)均表現(xiàn)為覆蓋顯著降低了水稻田的CH4排放量(圖2)。四川的平均減排率最高(77.7%，置信區(qū)間60.2%～95.2%)，其次為江蘇(69.3%，置信區(qū)間63.2%～ 75.3%)和湖北(61.9%，置信區(qū)間53.9%～69.9%)，3 省之間無(wú)顯著差異，湖南的平均減排率為49.0%(置信區(qū)間42.6%～ 55.5%)，重慶的平均減排率最低，為33.9%(置信區(qū)間23.8%～44.0%)。

圖2 覆蓋條件下不同地區(qū)水稻田的CH4 減排率Fig.2 CH4 emission reduction rate of rice field in different areas under mulching

2.4.2 影響因素

由表6 可知，覆蓋水稻田CH4減排率隨施氮量增加呈增加趨勢(shì)，當(dāng)施氮量≤100 kg/hm2時(shí)，平均減排率為53.2%(置信區(qū)間43.7%～62.7%)，當(dāng)施氮量＞100 kg/hm2時(shí)，平均減排率為65.0%(置信區(qū)間47.6%～82.4%)。在一次性基施和基肥+追肥兩種施氮模式下，覆蓋水稻田的CH4減排效應(yīng)無(wú)顯著差異，前者平均為67.1% (置信區(qū)間48.9%～85.3%)，后者平均為51.3%(置信區(qū)間42.1%～60.5%)。地膜覆蓋水稻田的CH4減排率(平均62.2%，置信區(qū)間50.2%～74.2%)略高于秸稈覆蓋(平均54.4%，置信區(qū)間45.0%～63.8%)。與全地面覆蓋(平均50.1%，置信區(qū)間38.8%～61.4%)相比，部分地面覆蓋水稻田的CH4減排率(平均63.1%，置信區(qū)間53.4%～72.8%)較高。平作覆蓋水稻田的CH4減排率(平均62.4%，置信區(qū)間50.1%～74.7%)略高于壟作覆蓋(平均55.4%，置信區(qū)間45.0%～65.8%)。與輪作(平均48.6%，置信區(qū)間37.2%～60.0%)相比，連作(平均63.6%，置信區(qū)間54.4%～72.8%)條件下進(jìn)行覆蓋更有利于提高水稻田的CH4減排率。

表6 覆蓋條件下水稻田CH4 排放效應(yīng)的影響因素分析Table 6 Influence factors of mulching on CH4 emission from paddy field

3 討論

3.1 覆蓋對(duì)水稻田CO2 排放的影響

農(nóng)田覆蓋可改變土壤微氣候條件，使土壤微生物種類(lèi)和數(shù)量發(fā)生變化并提高微生物活性，從而影響CO2等溫室氣體的排放[16]。在免耕稻田中，油菜秸稈還田條件下，適宜的土壤溫度可促進(jìn)微生物繁殖，加快秸稈分解及土壤碳礦化過(guò)程，使土壤CO2排放速率及排放量顯著增加，其中秸稈不還田處理的土壤CO2累積排放量分別是秸稈還田量為3 000、4 000 和6 000 kg/hm2處理的59%、36%和33%[17]。在水稻—小麥復(fù)種連作系統(tǒng)中，與秸稈未還田相比，秸稈還田和秸稈還田+秸稈腐熟劑的土壤CO2累積排放通量分別增加了23.2%和52.9%[18]。在稻蝦共作模式中，冬泡+秸稈還田和冬泡+秸稈還田+養(yǎng)蝦的稻田CO2累積排放量分別較冬泡+無(wú)秸稈還田提高了15.0%和10.1%[19]。本研究也得出了類(lèi)似的結(jié)果:與不覆蓋相比，覆蓋種植水稻田的CO2排放量平均增加了21.9%(置信區(qū)間2.6%～44.8%)。然而，Naser 等[20]在日本北海道中部開(kāi)展的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田會(huì)降低稻田CO2排放量。這可能與秸稈還田方式和秸稈類(lèi)型等有關(guān)。

3.2 覆蓋對(duì)水稻田N2O 排放的影響

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是重要的N2O 排放源，全球農(nóng)田每年N2O 排放量可達(dá)(3.8～6.8)×106t，占N2O 總排放量的25%～39%[21]。研究表明，在稻麥輪作系統(tǒng)中，與秸稈不還田相比，秸稈還田可顯著降低N2O的排放通量，且隨秸稈還田年限的增加，降低幅度呈增大趨勢(shì)[18，22]。這主要是由于秸稈還田會(huì)促進(jìn)土壤礦質(zhì)氮的微生物固定，減少硝化與反硝化作用底物，降低反硝化反應(yīng)速率，從而減少反硝化過(guò)程中N2O 的排放。當(dāng)秸稈C/N 比較高時(shí)，該效應(yīng)更為明顯。此外，秸稈還田在腐熟過(guò)程中會(huì)消耗氧氣，也可在一定程度上減少N2O 排放。本研究也發(fā)現(xiàn)，與不覆蓋相比，覆蓋水稻田的N2O 排放量平均減少了43.9%(置信區(qū)間32.3%～ 53.5%)。但石將來(lái)等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在稻—油輪作模式下，覆膜和不覆膜稻田水稻季N2O 排放量分別為3.26 kg/hm2和2.91 kg/hm2，且均集中在分蘗期，分別占全季排放總量的66.8%和82.8%。這可能與覆蓋材料、田間管理等因素有關(guān)。施加氮肥可為硝化和反硝化作用提供反應(yīng)底物。在水稻生育期中，N2O 排放通量在每次追施氮肥后第1 天出現(xiàn)峰值，之后逐漸降低[17]。本文分析表明，覆蓋水稻田的N2O 減排率隨施氮量的增加呈降低趨勢(shì)，且基肥+追肥施氮模式的減排效應(yīng)優(yōu)于一次性基施。這也說(shuō)明減少氮肥施用量與少量多次的氮肥施用模式有利于降低稻田的N2O 排放量。

3.3 覆蓋對(duì)水稻田CH4 排放的影響

稻田是大氣CH4的重要來(lái)源。據(jù)報(bào)道，每年有(20～100)×109kg 的CH4從水稻田排放到大氣中，約占全球總排放量的4%～19%[24]。李成芳等[17]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可顯著降低免耕稻田的CH4排放，且CH4累積排放量隨秸稈還田量的增加呈降低趨勢(shì)。秸稈不還田條件下的稻田CH4累積排放量分別是秸稈還田量為3 000、4 000 和6 000 kg/hm2條件下的1.48、2.39 和3.56 倍。張軍科等[25]在耕作方式對(duì)紫色水稻土CH4排放的影響研究中發(fā)現(xiàn)，稻田CH4年平均排放通量表現(xiàn)為傳統(tǒng)冬水田平作＞壟作免耕＞廂作免耕＞水旱輪作。本研究利用Meta 分析方法整合前人田間試驗(yàn)結(jié)果，表明覆蓋種植水稻田的CH4排放量較不覆蓋平均減少58.5%(置信區(qū)間50.8%～65.0%)。這與Das 等[26]和徐祥玉等[19]關(guān)于秸稈還田提高CH4排放的結(jié)論不一致，其原因可能與秸稈還田的方式和深度有關(guān)。秸稈覆蓋在稻田表面時(shí)，由于秸稈與土壤的接觸面較少，部分秸稈在土壤表層有氧降解，其降解產(chǎn)物在土壤氧化層中還原產(chǎn)生CH4的幾率較小。相反，當(dāng)秸稈通過(guò)耕作與土壤充分接觸時(shí)，秸稈受土壤微生物作用分解，CH4排放隨之增強(qiáng)。一般而言，耕作會(huì)破壞土壤原有結(jié)構(gòu)，減少土壤CH4氧化程度，少耕或免耕可大幅度降低土壤CH4的匯集程度[27]。本研究盡管沒(méi)有分析覆蓋條件下不同耕作方式對(duì)水稻田CH4的排放效應(yīng)，但發(fā)現(xiàn)與壟作覆蓋相比，平作覆蓋水稻田的CH4減排率較高。另外，由于本研究是以已有的文獻(xiàn)為對(duì)象，對(duì)湖南、四川、重慶、江蘇和湖北的研究結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果具有一定的局限性。若針對(duì)某一特定區(qū)域，還需考慮其具體的氣候條件、田間管理等因素的影響。

4 結(jié)論

(1)與不覆蓋相比，覆蓋水稻田的CO2排放量平均增加21.9%(置信區(qū)間2.6%～44.8%)，N2O 排放量平均減少43.9%(置信區(qū)間32.3%～53.5%)，CH4排放量平均減少58.5%(置信區(qū)間50.8%～65.0%)。

(2)覆蓋降低水稻田N2O 排放的效應(yīng)在不同地區(qū)存在差異，其中湖南和江蘇的平均減排率高于重慶和湖北。覆蓋水稻田N2O 的減排率隨施氮量增加呈降低趨勢(shì)，與一次性基施、地膜覆蓋、部分地面覆蓋、壟作和連作相比，基肥+追肥、秸稈覆蓋、全地面覆蓋、平作和輪作更有利于提高覆蓋水稻田的N2O 減排率。

(3)覆蓋降低水稻田CH4排放的效應(yīng)在不同地區(qū)存在差異，平均減排率表現(xiàn)為四川＞江蘇＞湖北＞湖南＞重慶。覆蓋水稻田CH4的減排率隨施氮量增加呈增加趨勢(shì)，與基肥+追肥、秸稈覆蓋、全地面覆蓋、壟作和輪作相比，一次性基施、地膜覆蓋、部分地面覆蓋、平作和連作更有利于提高覆蓋水稻田的CH4減排率。