稻作模式改變對稻田CH4和N2O排放的影響

李成偉，劉章勇，龔松玲，楊偉，李紹秋，朱波*

1. 長江大學農學院主要糧食作物產業化湖北省協同創新中心，湖北 荊州 434200；2. 長江大學/濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434200

CH4和 N2O是大氣中僅次于 CO2的重要溫室氣體，大氣CH4和N2O的濃度分別以每年0.6%和0.2%—0.3%的速率增長（Simpson et al.，1999）。稻田被認為是農業生產過程中重要的溫室氣體排放源之一，其CH4年排放量占全球CH4總排放的7%—17%（Stocker et al.，2013），稻田排放的N2O占農業排放總量的29.2%（王書偉等，2021）。因此，稻田溫室氣體減排成為各界研究和關注的焦點。

稻田CH4和N2O是碳、氮循環過程的中間產物，其產生和消耗取決于碳、氮循環產生的底物水平和土壤中相關微生物的活性（李海波等，2007）。中國南方稻作區水稻種植模式變化多樣，而且較為復雜。不同稻作模式間具有不同的土壤耕作、作物構成及產量、水肥管理等，均對稻田碳、氮循環和土壤特性產生作用（Lee et al.，2010；楊通等，2020），從而影響了稻田CH4和N2O排放。近年來，關于南方雙季稻和以一季稻+冬季綠肥的輪作模式下 CH4和N2O排放已有相關研究（胡安永等，2016；伍思平等，2020）。相比于雙季稻和一季稻模式，再生稻作為一種新興的種植模式在提高水稻產量、減少生產投入方面具有優勢，正逐漸在南方稻作區發展應用（徐小健等，2017）。尤其在一些種植一季水稻光溫資源充裕，而種植雙季稻光溫資源不足的地區，發展再生稻種植方式，不僅解決勞動力短缺的問題，同時提高了經濟效益（呂水生，2013），對降低農業污染和減緩溫室效應也起到一定的效果。鄧橋江等（2019）在對湖北地區不同再生稻栽培模式下稻田溫室氣體排放和產量的研究中發現，優化再生稻種植過程中的肥料施用量、水分管理以及留茬高度等多方面因素，不僅保證了水稻的產量的提升，同時減緩了的稻田CH4的排放，Song et al.（2020）研究發現覆膜再生稻CH4和N2O的排放量要比單季稻分別高8.01%和109.92%，Qian et al.（2014）等的研究表明，再生稻相比傳統的雙季稻模式在溫度光照等環境適應性、稻田溫室氣體排放、水資源合理利用和生態經濟價值等方面有諸多優越性，而有關稻麥、稻油等水旱輪作轉變為再生稻的溫室氣體排放規律未見報道。

為探究不同稻作模式下稻田CH4和N2O排放規律以及影響因子，本研究在大田試驗條件下,觀測稻-麥、稻-油和再生稻 3種模式周年的溫室氣體排放通量，同時測定了土壤銨態氮、硝態氮含量以及相關土壤理化指標，以期揭示不同稻作模式下溫室氣體排放規律以及影響因素。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

大田試驗于 2017—2018年在湖北省江陵縣三湖農場（30°10′—30°15′N，112°29′—112°35′E）進行。該區為北亞熱帶季風性濕潤氣候，年均降雨量900—1100 mm，年均氣溫16.0—16.4 ℃。試驗前為一季稻-冬閑模式，土壤為壤土，耕作層理化性質為：有機質 28.59 g·kg?1，pH 6.9，全氮 2.44 g·kg?1。

選取稻-麥（RW）、稻-油（RR）和再生稻（Rr）3種模式，采用完全隨機區組設計。小區面積為14.30 m×7.03 m，每個處理設置3次重復，小區周圍設寬0.40 m的田埂進行隔離。中稻和再生稻頭季田間水分管理都采取前期淹水，中期曬田，后期干濕交替的方式，再生季水分管理主要以干濕交替為主。

RW和RR處理水稻品種為隆兩優華占，在5月9日播種，6月4日進行人工移載，種植密度為26 cm×17 cm，9月19日收獲。水稻全生育時期施純 N 225 kg·hm?2（基肥?分蘗肥?穗肥質量比=4?3?3）、施 P2O575 kg·hm?2（作基肥一次施入）、施 K2O 180 kg·hm?2（基肥?穗肥質量比=1?1）。RW 小麥品種為鄭麥9023，11月2日人工撒播，次年5月17日收獲。施基肥復合肥（N?P2O5?K2O 質量分數比=16%?10%?22%）600 kg·hm?2，追施尿素 90 kg·hm?2。RR油菜品種為華油雜62，9月28日播種，11月1日移栽，種植密度為35 cm×15 cm。施基肥復合肥（ N?P2O5?K2O 質 量 分 數 比 =16%?10%?22% ）600 kg·hm?2、硼肥 7.5 kg·hm?2，提苗肥尿素 75 kg·hm?2，薹肥尿素75 kg·hm?2。Rr處理水稻品種為兩優6326，3月25日播種，5月3日移載，種植密度26 cm×17 cm，頭季稻在8月10日收獲，再生季在10月23日收獲。頭季施氮 200 kg·hm?2（基肥?分蘗肥?穗肥質量比=5?2?3）、施 P2O575 kg·hm?2（作基肥一次施入）、施 K2O 180 kg·hm?2（基肥?穗肥質量比=4?3）；再生季施 N 150 kg·hm?2（促芽肥?提苗肥質量比=1?1），促芽肥在頭季齊穗后10 d施入，提苗肥在頭季收獲后10 d施入。Rr處理在冬季處于休耕期，未對土壤進行擾動。

1.2 氣體樣品采集與分析

用人工靜態箱-氣相色譜法測定CH4和N2O排放速率：靜態箱規格為（45 cm×45 cm×100 cm），外層包裹錫箔紙防止箱內升溫過快；底座規格為 45 cm×45 cm×20 cm，在底座上部有2 cm的深槽，采氣時注入一定的水保證箱體的密封性。在水稻移栽前，將底座安放在各小區。水稻生長季每隔一周采一次氣，在降雨、施肥后連續采樣2—3次；非水稻季每隔 15天采一次氣。采氣時間為上午 09:00—11:00，分別在0、8、16 min用50 mL注射器來回抽取箱內氣體5次，轉入500 mL采氣袋中，帶回實驗室用Agilent 7890B氣相色譜儀測定樣品CH4和N2O濃度。其中，CH4用FID檢測器進行測定，檢測溫度為250 ℃，柱溫50 ℃；N2O用ECD檢測器測定，檢測溫度為330 ℃，柱溫50 ℃。

1.3 土壤和水稻植株采集與分析

在采氣的同時，用土溫計測定土壤溫度，用溫度計測定箱溫，同時量取水稻株高和數分蘗。采用“五點取樣法”在各個小區采集0—10 cm土層土壤帶回實驗室，用 2 mol·L?1KCl按照土?水質量比=1?5進行提取，用紫外分光光度計測定土壤硝態氮、銨態氮濃度（王書偉等，2021）。按照土?水質量比=1?2.5，用梅特勒便攜式pH計測定土壤pH。

在作物成熟期，每小區隨機選取長勢均勻的 3個1 m2區域進行收割，測定產量。

1.4 數據處理

CH4和N2O排放速率計算公式：

式中：

F——溫室氣體排放速率（N2O，μg·m?2·h?1；CH4，mg·m?2·h?1）；

ρ——標準狀態下氣體密度（N2O，1.964 kg·m?3；CH4，0.714 kg·m?3）；

H——采樣箱高度（m）；

ΔC/Δt——單位時間靜態箱內氣體濃度變化；

θ——靜態箱內溫度（℃）；

273——氣態方程常數（伍思平等，2020）。

溫室氣體累計排放量的計算公式：

式中：

E——CH4或 N2O 季節總排放量（kg·hm?2）；

Fn和Fn+1——第n次和第n+1次采樣時CH4或N2O 平均排放通量（mg·m?2·h?1或 μg·m?2·h?1）；

tn和tn+1——第n次和第n+1次的采樣時間（d）。

全球增溫潛勢（GWP）：采用IPCC推薦的計算方法，即在100 a尺度上，分別以CH4和N2O的排放量的25倍和298倍計算，得到CO2的排放當量，相加即為溫室氣體的增溫潛勢。（鐘川等，2019）

計算公式：

式中：

NGWP——CH4和N2O的增溫潛勢之和；

ECH4、EN2O——CH4和N2O的排放量。

溫室氣體排放強度（GHGI）計算公式：

式中：

RGHGI——單位產量上綜合溫室效應（t·t?1）；

Y——作物產量（t·hm?2）。

1.5 數據分析方法

所有數據用 Excel進行分析整理，用 Origin 2018作圖，用SPSS 24.0統計軟件進行差異顯著性檢驗，各處理比較采用最小顯著差數法（LSD），采用Pearson’s法分析各環境指標與CH4和N2O排放量之間的相關性。CH4和N2O排放量用每次觀測所得3個重復的平均值來表示。

2 結果與分析

2.1 不同稻作模式CH4和N2O排放速率的變化規律

隨著水稻的生長，CH4的排放通量逐漸升高，之后排放量逐漸降低，成熟期排放量最低（圖1）。Rr處理CH4的排放峰主要出現在頭季稻返青期、分蘗期和抽穗期和再生季在孕穗期，其頭季稻和再生季 CH4的排放通量分別為 0.36—9.60 mg·m?2·h?1和0.07—2.77 mg·m?2·h?1，整季 CH4的平均排放通量為4.44 mg·m?2·h?1；RW 和 RR 處理的 CH4的排放峰主要出現在水稻返青期、分蘗期和抽穗期，其中中稻CH4的排放通量分別為 0.16—21.52 mg·m?2·h?1和0.09—7.09 mg·m?2·h?1。在稻季，Rr處理 CH4平均排放量要比RW處理低35.63%，而要高出RR處理75.49%。

圖1 不同稻作CH4和N2O排放通量的季節變化Figure 1 Seasonal variation of CH4 and N2O emission fluxes in different rice cropping system

在非水稻生長季RW、RR和Rr處理CH4的排放均較少，其排放量分別占全年排放總量的3.71%、12.79%和5.17%，在水稻生長季RW和RR處理CH4累計排放量分別為 164.67 kg·hm?2和 63.76 kg·hm?2，Rr處理頭季水稻CH4累計排放量為138.79 kg·hm?2，是再生季的7.08倍。整季看來，RW、RR和Rr 3個處理 CH4的季節性累計排放量范圍為 73.11—171.01 kg·hm?2（表1），RW 處理的 CH4的累計排放量最高，RR處理排放量最低，顯著低于其他兩種處理，分別比 RW、Rr處理低 57.25%、56.22%，而RW和Rr處理之間差異不顯著。

表1 不同稻作CH4和N2O季節累計排放量及年累計排放量Table 1 Seasonal and annual cumulative CH4 and N2O emissions from different rice cropping systems

3種處理生育期內N2O的排放規律變化不一致（圖1），但都在施肥后以及曬田期出現N2O的排放峰，從水稻移栽到成熟收獲，N2O的排放通量呈現上下波動變化。在稻季，RW和RR處理的N2O的排放通量分別為 0—411.67 μg·m?2·h?1和?9.78—394.54 μg·m?2·h?1，非水稻季 N2O 平均排放通量分別為 8.08 μg·m?2·h?1和 17.78 μg·m?2·h?1；Rr處理頭季和再生季 N2O排放通量分別為?169.45—600.20 μg·m?2·h?1和 1.18—967.89 μg·m?2·h?1，其再生季平均排放通量是頭季的1.41倍。相比較RR處理，RW和 Rr處理稻季 N2O的排放通量要分別提高了29.64%和24.22%。

2.2 不同稻作模式下GWP和GHGI

由表2可知，在100年尺度下，在非水稻生長季，RW處理的全球增溫潛勢最低，較RR和Rr處理分別低49.09%和46.15%，RR和Rr處理之間差異不顯著。在水稻生長季，Rr處理的GWP要顯著高于RW和RR處理，分別高出103.23%和323.13%，RR處理的GWP最低，且顯著低于RW和Rr處理。整季看來，以RR處理的全球增溫潛勢最低，顯著低于其他處理，分別較RW和Rr處理低45.05%和72.85%。從溫室氣體排放強度來看，周年RR處理的溫室氣體排放強度要顯著低于RW和Rr處理，分別低35.14%和63.64%，Rr處理的GHGI最高。

表2 不同種植方式下CH4和N2O的綜合增溫效應以及溫室氣體排放強度Table 2 Comprehensive warming effect of CH4 and N2O and greenhouse gas emission intensity under different planting methods

2.3 不同稻作田間環境因素的變化

3種處理硝態氮在水稻生長季的變化規律一致，RW和RR處理硝態氮的變化范圍分別為1.9—9.5 mg·kg?1和 2.4—36.3 mg·kg?1，在抽穗期達到峰值，Rr處理頭季稻硝態氮的變化范圍為 1.9—14.0 mg·kg?1，平均值為 3.7 mg·kg?1；RW 和 RR 處理的銨態氮變化趨勢基本一致，在平均值 13.9 mg·kg?1附近上下波動，Rr處理的銨態氮含量在整個生育時期都要高于RW和RR處理（圖2）。RW、RR和Rr處理的土溫在水稻生育期內呈現相似的變化，均在8月初達到峰值，分別為30.9、31.8和31.9 ℃；3種處理 pH值的變化在生育期也有相同的趨勢變化，在水稻生長初期，土壤pH呈酸性，隨著水稻的生長，在生育后期土壤呈中性或偏堿性。

2.4 稻季CH4和N2O排放通量與環境因素的相關性分析

相關性分析（表3）表明，中稻處理的CH4的排放通量與銨態氮的含量呈顯著正相關（P<0.05），而與硝態氮不存在顯著相關性（P>0.05），再生稻處理CH4的排放通量與硝態氮含量和土壤pH呈顯著或極顯著負相關（P<0.05或P<0.01），而與銨態氮含量不顯著相關（P>0.05）；中稻處理的N2O的排放通量與土溫和土壤pH存在負相關，再生稻處理N2O的排放通量與銨態氮含量呈顯著正相關（P<0.05），與土溫和 pH呈正相關，差異不顯著（P>0.05）。

表3 稻季CH4和N2O與土壤理化性質相關性Table 3 Correlation between CH4 and N2O in rice season and soil physicochemical properties

3 討論

3.1 不同稻作模式對 CH4的排放及累計排放量的影響

施肥、土溫、田間水分管理和種植模式等因素對稻田CH4的排放產生一定影響（劉威，2015）。胡安永等（2016）研究表明，小麥-水稻輪作模式下在移栽至有效分蘗期的CH4累積排放量最大，顯著大于休閑-水稻輪作。本研究3種處理的稻季CH4的排放都有一定的規律，水稻季CH4的排放主要集中在返青期、分蘗期和抽穗期以及再生稻再生季的孕穗期（圖1），這可能與作物的生長發育、田間水分管理和水稻品種差異有關。長期淹水條件下，土壤的氧化還原電位降低，為土壤產CH4菌提供了適宜的生長環境，從而造成了CH4的大量排放（周玲紅等，2018）；也可能是在水稻分蘗期，水稻植株生長旺盛，作物的呼吸作用逐漸增強，大量的CH4通過植株排放到大氣中，在水稻的孕穗抽穗期，水稻根系發達，根系分泌物數量增加，為稻田CH4的產生提供了大量的反應底物（袁偉玲等，2008）。

本研究結果顯示，在非稻季RW、RR和Rr處理的CH4的平均排放通量均較低，分別為0.14、0.20和 0.47 mg·m?2·h?1，可能原因在于非水稻季田間水分管理為自然落干，CH4氧化菌占據主要地位，產生的 CH4被氧化成 CO2釋放到大氣中（廖萍等，2018）。再生稻再生季 CH4的排放量占整季的11.73%，可能由于再生季生育期僅有76 d，且減少水稻分蘗過程排放的CH4，同時在水稻期內pH逐漸增大，再生稻CH4的排放量與pH呈負相關（表3），降低了CH4的排放。再生季期間采用間歇灌溉的方法，間歇灌溉也顯著降低稻田CH4的排放（王孟雪等，2016）。本研究表明，RW處理的CH4的排放量最大，比RR處理高出133.91%，與Rr處理差異不顯著，可能是由于小麥收獲后仍有 15—20 cm的小麥根茬留在田里，直接翻耕還田后補充了稻田土壤有機物含量，為產 CH4菌提供了大量的反應底物和基質（胡安永等，2016）。相比較Rr處理，RW處理的CH4排放量提高14.2%，而RR處理 CH4的排放量降低 57.8%，這與 Yao et al.（2013）的研究一致。可能由于水旱輪作下稻田土壤NH4+-N含量與CH4排放量顯著正相關（表3），產 CH4菌以銨態氮為氮源，外源無機氮的輸入提高了產 CH4菌繁殖所需要底物的有效性，會加快產CH4菌的生理活動。

3.2 不同稻作模式對N2O的排放以及累計排放量的影響

作物種類、田間水分管理以及施肥措施等同樣對稻田N2O的排放的產生一定影響（劉威，2015）。張岳芳等（2013）研究表明稻田旱作季CH4和N2O的平均排放通量表現為冬小麥處理最大，且顯著的增加稻田旱作季總增溫潛勢，這與本研究的結果一致。本研究中，在水稻生長季，RW和RR處理在施用分蘗肥后出現 N2O的排放峰，分別為 382.08 μg·m?2·h?1和 224.82 μg·m?2·h?1，這可能是外源氮肥的施用短時間內增加了土壤NH4+-N含量，其NH4+-N 含量分別為 22.52 mg·kg?1和 18.17 mg·kg?1（圖2），為土壤的硝化和反硝化的作用提供了更多了反應底物（Wang et al.，2019），且土壤N2O的排放與NH4+-N呈正相關（表3），直接促進稻田的N2O的排放，在水稻生育期的其他時間，N2O的排放通量變化不大。與RR處理相比，RW處理提高了稻季N2O累計排放量，增加了34.89%，這可能是因為不同的冬季作物根茬還田的質量和數量不同。3種處理中N2O累計排放量表現為Rr>RW>RR，以稻油處理最低，油菜通常也被作為一種綠色培肥植物，其C/N比較高，作物秸稈歸還土壤后，促進土壤微生物的固氮作用，把土壤中氮素更多的固定起來，從而減少了N2O產生所需的底物，因此減少了N2O的排放量（Song et al.，2020）；RR處理油菜季N2O的排放量高于RW處理，其對整個輪作周期的貢獻率為22.39%，這與陳友德等（2020）的研究結果接近，這可能是由于油菜生長季施氮多，使土壤含氮量高，促進硝化和反硝化作用，從而提高了N2O的排放量，也可能與油菜的品種和自身的生長特點有關（馬艷芹等，2016）。Rr處理頭季N2O的累計排放量要占水稻季N2O排放量57.62%，比再生季增加了35.99%，由于再生稻頭季施肥量（200 kg·hm?2）比再生季（150 kg·hm?2）多，且再生季生育期短，頭季氮肥的施用和水分管理是再生稻獲得高產的重要措施，，同時為土壤硝化和反硝化作用提供了充足的底物，進而促進N2O的排放（王天宇等，2021），也可能與土壤溫度升高有關（圖2），在一定的溫度范圍內，土壤N2O的排放速率隨著土溫的升高而增加（表3），這與Wrage et al.（2001）研究一致。

3.3 不同稻作模式對CH4和N2O的全球增溫效應和溫室氣體排放強度的影響

本研究中，3種處理下的全球增溫潛勢以Rr處理最大，RW次之，RR處理的GWP最小。可能是由于Rr處理水稻生育期最長，施肥量最多，田間長期處于淹水條件下，從而增加稻田溫室氣體的排放。已有研究表明種植不同的冬季作物對GWP會產生影響，這與鐘川等（2019）的研究一致。本研究下，RR處理GHGI顯著低于Rr，但和RW處理差異不顯著。這與RR處理稻季CH4的排放量較低有關，油菜根茬翻耕還田量少，且施用氮肥多，盡管油菜秸稈常作為一種高C/N比的綠肥還田，但其腐殖化程度低，為下一季提供有機物的能力較弱，減少了CH4產生的反應底物（王書偉等，2021），關于這方面的原因將在今后試驗中進一步研究。

4 結論

不同的種植模式對農田 CH4和N2O的排放都會產生一定的影響，且主要集中在水稻季。由傳統稻麥、稻油向再生稻轉變過程中發現，稻油輪作模式能顯著減少稻季CH4的排放量，同時冬季作物油菜的種植也降低了稻季N2O的排放量。 相比較RW處理，再生稻的種植能降低CH4的排放量，但顯著增加N2O的排放量。不同稻作周年增溫潛勢表現為Rr>RW>RR，以Rr處理最高，比RW和RR處理分別高103.23%和323.13%，從整季作物的產量來看，Rr處理產量最高，但是其GHGI也最高，RR和RW處理產量差異不顯著，但RR處理的GHGI最低。因此，在充分利用冬閑田的條件下，RR模式不僅保證水稻產量的提升，還有利于減緩全球溫室氣體的排放，是一種值得推薦的輪作模式。