不同秸秆还田模式对稻麦两熟农田稻季甲烷和氧化亚氮排放的影响

王海候， 沈明星， 陆长婴， 张永春， 吴彤东， 施林林， 周新伟

(1.江苏太湖地区农业科学研究所，江苏 苏州215155;2.农业部苏州水稻土生态环境重点野外科学观测试验站，江苏 苏州215155;3.江苏省农业科学院资源与环境研究所/农业部江苏耕地保育科学观测实验站，江苏 南京210014)

全球气候变暖与温室气体的大量排放有密切关系。甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是仅次于二氧化碳(CO2)的重要温室气体［1］，其单位质量的全球增温潜势(GWP)在100 年时间尺度上分别为CO2的25 和298 倍［2］。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告指出，大气中的CH4和N2O 浓度增长迅速，已分别由工业革命前的7.00 ×10-7和2.70 ×10-7提高到2012 年的1.82 ×10-6和3.25 ×10-7［2］，农业活动排放的CH4和N2O 约占全球人为排放量的52%和84%［3］。稻田是大气CH4的主要生物排放源之一，虽然稻田N2O 的排放量小于旱地［2-3］，但在稻季采取烤田措施会明显增加N2O 排放［4-6］。

稻麦两熟是中国南方重要种植制度之一，同时，稻麦两熟也是江苏省最主要的粮食生产模式，实现稻麦两熟农田的可持续高产稳产有利于保障地区乃至全国粮食安全［7-8］。秸秆还田是目前江苏稻麦两熟农田大力推广的农业措施，已有研究者认为秸秆还田可以增加或减少CH4和N2O 的排放［6，8-14］，但稻麦秸秆的不同还田模式对稻田CH4和N2O 排放的影响尚不清楚。为此，本试验以长江下游典型稻麦两熟农田为对象，通过田间定位试验研究不同稻麦秸秆还田模式对水稻生长季甲烷和氧化亚氮排放的影响，以期为稻田温室气体排放的精确估算及合理减排措施的制定提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在农业部苏州水稻土生态环境重点野外科学观测试验站(31°27'45''N，120°25'57''E)进行，区域内年均降雨1 128 mm，年均光照时长3 039 h，年均温度15.7 ℃，＞10 ℃年有效积温为4 947 ℃，主要实行水稻-冬小麦两熟种植制度。秸秆还田模式定位试验开始于2007 年6 月水稻生长季，试验土壤类型属壤质黄泥土，试验前0 ～20 cm 耕层土壤有机质含量33.0 g/kg，全氮1.7 g/kg，碱解氮111.2 mg/kg，有效磷35.3 mg/kg，速效钾82.0 mg/kg，pH6.12，土壤容重1.1 g/cm3。

试验设稻麦季秸秆均不还田(CK)、麦季稻秸还田(R)、稻季麦秸还田(W)、稻麦季秸秆均还田(RW)4 个处理，3 次重复，每小区面积32.5 m2(5.0 m × 6.5 m)。不同还田模式处理的秸秆还田量及还田方式:稻季麦秸还田量为4.5 t/hm2，旋耕还田;麦季稻秸还田量为6.0 t/hm2，直接覆盖还田。供试水稻品种为常规粳稻苏香粳1 号，2013年5 月15 日播种，6 月21 日人工移栽(移栽规格为行距23.3 cm、株距13.3 cm，每穴3 苗)，10 月20 日收获。各处理氮肥(纯氮)、磷肥(五氧化二磷)和钾肥(氧化钾)用量分别为225 kg/hm2、90 kg/hm2、180 kg/hm2，氮肥按基肥∶ 分蘖肥∶ 穗肥=4∶ 3∶ 3 施用，磷肥一次性供基肥施入，钾肥作基肥和穗肥施用，每次50%，分蘖肥和穗肥分别于6 月27 日、8 月6 日施用。水稻生长期间水分管理采用前期浅水(6 月21 日～7 月25 日)、中期烤田(7 月26 日～8 月9 日)、后期干湿交替(8 月10 日～收获前15 d)的管理模式，其他田间管理措施同一般高产大田。

1.2 CH4和N2O 采集与分析

于2013 年6 月～2013 年10 月水稻生长期间进行CH4和N2O 排放的观测。CH4和N2O 气体采用静态箱法测定，静态箱底横截面积为0.25 m2(0.5 m×0.5 m)，采样箱由PVC 材质制成，采样箱外部包有海绵和铝箔纸，防止太阳照射导致箱内温度变化过大。每小区固定采样底座3 个，底座上部有5 cm 深的凹槽，测定时加水密封，采样箱内顶部装有12 V 小风扇以充分混匀箱内气体，箱体中部安装抽气孔，采样时按10 min、20 min、30 min 的时间间隔用50 ml 注射器抽取箱内气体，来回抽动3 次以完全混匀气体，抽出50 ml 保存于气体采样袋后迅速带回实验室分析。水稻自移栽后第3 d 起，每7 d 采样1 ～2 次，采样时间在上午8∶ 00 ～10∶ 00。CH4和N2O 气体浓度由经改装的Agilent 7890A 气相色谱测定，CH4检测器为FID，检测温度300 ℃，柱温60 ℃，载气为99.999% 高纯氮气，流速30 ml/min;N2O 检测器为ECD，检测温度300 ℃，柱温60 ℃，载气为99.999%高纯氩甲烷气(95%氩气+5%甲烷)，流速40 ml/min。气体排放通量计算公式如下:

式中F为气体排放通量［mg/(m2·h)］，ρ 为标准状态下气体的密度(kg/m3)，h为采样箱的净高度(m)，dc/dt为单位时间内采样箱内气体的浓度变化率，273 为气态方程常数，T为采样过程中采样箱内的平均温度(℃)。CH4和N2O 排放通量用3 个观测值的平均值及标准偏差来表示，季节平均排放通量是将3 个观测值按时间间隔加权平均后再平均。

1.3 水稻产量测定

水稻成熟期，每小区调查100 穴植株的计算平均穗数，根据调查的平均穗数取代表性植株5 穴，用水漂法区分饱粒(沉入水底者)和空瘪粒，计算理论产量。

1.4 统计分析方法

试验数据处理和作图采用Microsoft Excel for Windows 2007 完成，用SPSS11.5 软件进行统计分析。

图1 不同处理稻季CH4(A)和N2O(B)排放通量的季节变化Fig.1 The seasonal variations of CH4(A)and N2O(B)fluxes during ricegrowing season under different treatments

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田模式对稻季CH4 排放通量的影响

从图1 可以看出，不同秸秆还田模式处理水稻生长期间CH4排放通量均呈现明显的季节变化。各处理在水稻生长初期CH4排放通量较小，然后逐渐增大，在水稻移栽后19 d 出现最大排放值，排放通量峰值最大的是稻麦季秸秆均还田的RW 处理，达到60.64 mg/(m2·h)，其次是稻季麦秸还田的W处理和麦季稻秸还田的R 处理，排放通量峰值分别为52.83 mg/(m2·h)和22.72 mg/(m2·h)，无秸秆还田的CK 处理排放通量峰值最小，为13.09 mg/(m2·h);排放高峰过后，各处理的甲烷排放通量迅速降低，特别是在水稻烤田期间(移栽后36 ～50 d)，甲烷排放量非常小，各处理除了在烤田结束复水后甲烷排放通量略有回升外，其他时间均维持较低水平直至水稻收获，排放通量均低于5 mg/(m2·h)。水稻生长季CH4平均排放通量从高到低依次是RW、W、R 和CK 处理，平均排放通量分别为7.96 mg/(m2·h)、6.76 mg/(m2·h)、4.17 mg/(m2·h)和3.32 mg/(m2·h)。

2.2 不同秸秆还田模式对稻季N2O 排放通量的影响

水稻生长季N2O 排放通量随时间的变化如图1所示，不同秸秆还田模式处理N2O 排放的季节变化趋势基本相同。在水稻移栽至烤田前，各处理N2O排放通量较小，处理间N2O 排放通量的差异不大，各处理均在水稻移栽后50 d N2O 排放通量最大，排放通量峰值以麦季稻秸还田的R 处理和稻麦季秸秆 均 还 田 的 RW 处 理 较 大，分 别 为 2.64 mg/(m2·h)和2.37 mg/(m2·h)，稻季麦秸还田的W 处理和无秸秆还田的CK 处理的N2O 排放通量峰 值 较 小，分 别 为1.89 mg/(m2·h)和 0.89 mg/(m2·h)。烤田复水后N2O 排放通量骤降至较低水平，之后的干湿交替水分管理期间N2O 排放通量也较低。不同秸秆还田处理下水稻生长季N2O平均排放通量的大小顺序表现为R ＞W ＞RW ＞CK，平均 排 放 通 量 依 次 为 0.16 mg/(m2·h)、0.09 mg/(m2·h)、0.07 mg/(m2·h)和0.04 mg/(m2·h)。

2.3 不同秸秆还田模式对水稻不同生育期CH4 和N2O 累积排放量的影响

为进一步比较分析不同秸秆还田模式下CH4和N2O 排放的差异，将水稻全生育期(大田生长期)分为移栽至有效分蘖临界叶龄期、有效分蘖临界叶龄期至拔节期、拔节期至抽穗期、抽穗期至成熟期4 个阶段。图2 显示，不同秸秆还田模式下水稻不同生育阶段CH4累积排放量均以移栽至有效分蘖临界叶龄期为最大，CK 处理在这一阶段的CH4排放量占全生育期CH4排放量的比例为55%，秸秆还田处理的这一比例为68% ～88%，说明CH4排放量主要集中在水稻生育前期。秸秆还田模式对水稻不同生育阶段CH4累积排放量的影响达到极显著水平，移栽至有效分蘖临界叶龄期阶段CH4累积排放量以RW处理为最大，达202.04 kg/hm2，与W 处理(174.27 kg/hm2)差异不大，但均显著大于R(83.24 kg/hm2)和CK 处理(53.26 kg/hm2)，R 处理显著大于CK 处理;有效分蘖临界叶龄期至拔节期，以R 处理和CK处理的CH4累积排放量较大，分别为16.20 kg/hm2和15.74 kg/hm2，均显著大于RW 处理和W 处理;拔节期至抽穗期CH4累积排放量以CK 处理为最大，显著大于其他处理;抽穗期至成熟期CH4累积排放量W 处理最低，显著低于其他处理。

图2 不同处理水稻不同生育阶段CH4(A)和N2O(B)的累积排放量Fig.2 CH4(A)and N2O(B)accumulated emissions at different rice growth periods under different treatments

不同秸秆还田模式对水稻不同生育阶段N2O累积排放量有显著影响，在N2O 累积排放量最大的有效分蘖临界叶龄期至拔节期，此阶段N2O 累积排放量表现为R ＞RW ＞W ＞CK，各处理依次为3.03 kg/hm2、2.82 kg/hm2、2.31 kg/hm2和1.34 kg/hm2，各秸秆还田处理的N2O 累积排放量均显著大于CK，分别比CK 增加126%、110%和72%;在移栽至有效分蘖临界叶龄期，这个阶段N2O 累积排放量以R 处理(1.16 kg/hm2)最高，显著高于其他处理，W处理次之，显著高于CK 处理和RW 处理。

2.4 不同秸秆还田模式稻季CH4 和N2O 排放总量及温室效应的影响

从水稻整个生育期CH4排放总量来看，不同秸秆还田模式对稻季CH4排放总量有显著影响(表1)，呈现为RW ＞W ＞R ＞CK，处理间的差异均达显著水平，与无秸秆还田的CK 处理相比，麦季稻秸还田的R 处理增排CH426%，稻季麦秸还田的W 处理和稻麦季秸秆均还田的RW 处理分别比CK 对照增加104%和140%，说明麦秸还田极大地增加了稻田CH4排放。不同秸秆还田模式下稻季N2O 排放总量表现为R ＞W ＞RW ＞CK，R、W、RW 分别比CK对照增加343%、149%和100%，差异达显著水平。

表1 不同秸秆还田模式下稻季排放CH4和N2O 的全球增温潜势Table1 Emissions of CH4 and N2O during rice-growing season and their global warming potentials(GWPs)as affected by different patterns of straw returning

将不同秸秆还田模式处理排放的CH4和N2O换算为等GWP 的CO2量，表1 表明，各处理稻季排放的CH4和N2O 所产生的GWP 以RW 处理最高，为6 465 kg/hm2，CO2，与W 处理(5 742 kg/hm2，CO2)的差异不显著，但均显著高于其他处理，R 处理显著高于对照CK;不同秸秆还田模式下稻季排放的CH4对总增湿潜势的贡献明显高于N2O，是减排的主要对象。从水稻产量来看，RW 处理(10.54 t/hm2)和R 处理(10.36 t/hm2)较CK 对照显著增产，W 处理较CK 对照略有减产，但未达显著水平。以单位产量的GWP 来评价不同秸秆还田模式对CH4和N2O 排放的综合影响［17］，不同秸秆还田模式单位产量的GWP 表现为RW ＞W ＞R ＞CK(表1)，秸秆还田处理的单位产量的GWP 均显著高于无秸秆还田的CK 处理。

3 讨论

秸秆还田是解决稻麦两熟农田秸秆焚烧的重要措施［8］。但众多研究结果表明秸秆还田会促进稻田CH4排放［6，8-13］，主要原因是秸秆还田既为产甲烷菌活动提供了丰富的碳源，使产甲烷菌有了充足的基质，同时，土壤微生物的生长又使土壤中的氧被快速消耗，使土壤氧化还原电位加速下降，为产甲烷菌活动创造适宜的环境条件［16］。本研究结果表明，在实施秸秆还田6 年后，3 种秸秆还田模式(麦季稻秸还田、稻季麦秸还田和稻麦季秸秆均还田)均显著增加了稻季CH4排放，增加幅度为26% ～140%，这与 蒋 静 艳 等［6］、张 岳 芳 等［8，12］、ZOU 等［9］、MA等［10，13］、刘金剑［11］的研究结果一致，与李成芳等［14］的研究结论不同。从本研究结果还可以看出，秸秆还田条件下稻田CH4排放量主要集中在水稻生育前期，其中移栽至有效分蘖临界叶龄期CH4累积排放量占稻季总排放量的68% ～88%，因此，如何减少这一阶段的CH4排放显得尤为迫切。

N2O 排放是N2O 产生、转化和传输三个过程共同作用的结果，本文中排放通量出现负数说明N2O的还原转化快于产生，土壤表现为大气N2O 的汇，因此不同处理会出现N2O 负累积的现象(图2)。土壤微生物的硝化和反硝化过程是农田N2O 的主要来源，1 ～3 年的短期研究多数结果表明，秸秆还田会导致土壤矿质氮的微生物固定，使硝化和反硝化作用的底物减少，从而减少稻季N2O 的排放［6，9-10，12-13］，但也有研究结果［14］显示秸秆还田增加了稻季N2O 排放，而Shang 等［18］的长期试验结果则表明秸秆还田显著增加了双季稻田N2O 排放。本研究结果表明，与秸秆不还田相比，秸秆还田6 年后，麦季稻秸还田、稻季麦秸还田和稻麦季秸秆均还田会显著提高稻季N2O 排放(增排100% ～343%)，与李成芳等［14］、Shang 等［18］的结论相同，与其他研究者的结果不同。可能原因是多年的秸秆还田增加了土壤的碳氮供应，为稻季土壤硝化和反硝化作用提供了充足的C、N 反应底物，从而提高了N2O 排放［14］。另外，本试验中麦季稻秸还田处理的N2O排放量高于稻季麦秸还田和稻麦季秸秆均还田处理的可能原因是:当季小麦秸秆还田后导致土壤矿质氮的微生物固定，通过减少硝化和反硝化作用的底物，降低了N2O 的排放。说明，稻麦两熟农田多年的秸秆还田增加了稻季N2O 排放。

本研究结果表明，麦季稻秸还田和稻麦季秸秆均还田能起到增加水稻产量的作用，而不论是稻季排放CH4和N2O 产生的温室效应——全球增温潜势(GWP)还是单位产量的GWP，秸秆还田处理均显著高于秸秆不还田对照，这与前人［8］的研究结果一致。但无论采用何种秸秆还田模式，CH4排放均在稻季温室效应中起着决定性作用，因而CH4减排是稻麦两熟农田水稻生产过程中减少温室效应的关键。从本研究结果来看，植稻前小麦秸秆还田是增加稻季CH4排放的重要因素。但本研究未涉及土壤固碳潜力，也未考虑不同秸秆还田模式下麦季排放CH4和N2O 产生的温室效应，因此，全面评价稻麦两熟农田不同秸秆还田模式周年综合温室效应尚待进一步研究。

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