双季稻田不同种植模式对CH4和N2O排放的影响研究

彭华，纪雄辉*，吴家梅，朱坚，黄涓

1. 中南大学隆平分院，湖南 长沙410125；2. 湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙410125；3. 农业部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙 410125

双季稻田不同种植模式对CH4和N2O排放的影响研究

彭华1,2,3，纪雄辉2,3*，吴家梅1,2,3，朱坚1,2,3，黄涓1,3

1. 中南大学隆平分院，湖南 长沙410125；2. 湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙410125；3. 农业部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙 410125

以南方典型双季稻种植制度（早稻-晚稻R-R）为对照，采用静态箱-气相色谱法，研究了双季稻田早、晚稻（Oryza sativa L.）改种玉米（Zea mays L.），包括早稻-玉米（R-C）和玉米-早稻（C-R）两种种植模式下周年温室气体排放及其综合增温潜势（GWP），旨在探索出适合双季稻区的低碳农业种植模式，对我国农业应对气候变化温室气体减排具有重大意义。结果表明：不同种植制中水稻种植CH4排放占主导地位，改制玉米N2O排放量显著增加；其中，早稻改制玉米（C-R）的CH4排放比晚稻改制玉米（R-C）显著降低68.5%（P<0.05），N2O排放量有所降低，但没有达到显著水平；R-C和C-R模式CH4周年排放总量较R-R模式显著降低53.6%（P<0.01）和183.9%（P<0.01），但N2O排放分别显著增加257.0%（P<0.01）和245.2%（P<0.01）；不同种植制度增温潜势（按CO2当量计）大小顺序为：R-R（8855.3 kg·hm-2）>R-C（4881.4 kg·hm-2）>C-R（2116.4 kg·hm-2），且差异达显著水平，结合南方晚稻季温光资源的优势，认为玉米替代晚稻种植（早稻-玉米模式）是一可行的减缓温室效应的途径。

双季稻；CH4；N2O

大气中温室气体浓度不断增加导致全球变暖是人类共同面临的问题，农业温室气体CH4和N2O的排放一直受到国际社会的普遍关注。在100年时间尺度上，CH4和N2O单位分子的增温潜势分别是CO2的25倍和298倍（Bhatia等，2005），其气体体积分数分别以每年约 1.0%和 0.2%～0.3%的速度增长（Verge等，2007）。稻田在温室气体中占有重要份额，稻田是大气CH4主要生物排放源之一，年排放量约为 31～112 Tg，占全球总排放量的5%～19%（IPCC. Climate change，2007），稻田N2O的排放量小于旱地，但在水稻生长期间采用烤田措施会明显促进N2O的排放（Cai等，1997；李香兰等，2008）。中国稻田面积约占世界水稻种植面积的20%，研究稻田温室气体的排放特征及稻田减排CH4和N2O措施，是目前我国农业环境领域的研究热点。

前人对稻田温室气体排放做了大量的研究工作，研究稻田CH4和N2O排放多集中在施肥、水分管理、作物类型和品种以及不同耕作制度等方面，除气候条件和土壤特性外，农业管理措施中种植制度也是影响稻田CH4和N2O排放的重要因素（Smith等，2008；汪婧等，2011）。有研究表明，水旱轮作方式有效减少稻田甲烷排放（廖宗文和张建国，1999），陈书涛等（2005）对大豆-小麦、玉米-小麦和水稻-小麦等3种轮作制度的研究得出，轮作制度对农田N2O排放有极显著影响。江长胜等（2006）研究耕作制度对川中丘陵区冬灌田CH4和N2O排放的影响表明采用水旱轮作制后，冬灌田CH4排放量大大降低而N2O排放量显著增大，最终大大减少排放CH4和N2O产生的综合GWP。目前双季稻区有关水稻改种旱作的轮作方式下对CH4和N2O排放的研究相对较少，以及前茬或后茬作物类型和施肥对后季作物CH4和N2O排放的影响研究不多，双季稻地区采取何种轮作方式最有利于减少农田生态系统温室气体排放还有待深入研究。为此，笔者采用田间试验，研究了双季稻地区水稻改种玉米种植制度下对CH4和N2O排放及其温室效应，旨在为南方稻田温室气体减排种植模式的建立提供科技支撑，为农业生态系统温室气体合理减排措施的制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

田间试验地点位于湖南省长沙县北山镇农业技术推广站实验基地，属于中亚热带季风湿润气候区，是南方典型的双季稻产区。试验基地气候四季分明，具有热量丰富、降水充沛、日照充足的特点。春季 15～25 ℃，夏季秋初 18～36 ℃，秋末至冬季5～15 ℃。常年降雨量1000～1200 mL。供试土壤类型为花岗岩发育的麻沙泥，其基本理化性质为：土壤pH 5.1，有机质54 g·kg-1，碱解氮为152 mg·kg-1，有效磷为47.2 mg·kg-1，速效钾为111 mg·kg-1。主要气象特征数据如图1。

图1 水稻、玉米生长季内气温和降水变化Fig. 1 Dynamic change of air temperature and precipitation in rice and maize growing period

1.2 试验设计和田间管理

试验采用田间小区试验，设置3种种植模式：双季稻（对照，R-R），玉米-晚稻（C-R）以及早稻-玉米（R-C），每个处理重复3次，小区面积为20 m2，在水稻生长季，为了避免小区相互串水，小区田埂采用薄膜覆盖。化学肥料于作物移栽前 1 d施入并与土壤混合均匀。早、晚稻及玉米基肥均为45%（15-15-15）复合肥，水稻分蘖期追施尿素 1次，而玉米苗期和花期各追施尿素1次，尿素纯氮质量分数46%，折算出早、晚稻及玉米季节施纯氮分别为136.5、172.8和250.5 kg·hm-2。试验各处理具体施肥情况见表1。

表1 不同处理施肥量Table 1 Fertilizer application rates of different treatments

作物品种：早、晚稻品种分别为中早 39和五丰优569，玉米品种均为湘康玉2号。早、晚稻分别于4月5日和6月23日育秧，4月27日和7月21日移栽，于水稻分蘖高峰期和乳熟期分别烤田一次，7月15日和10月24日收割；玉米于4月5日和7月12日育苗，移栽时间为4月12日和7月22日，玉米每穴种1株，每小区120株，7月15日和10月24日收获。生产中病虫害防治与当地习惯保持一致。

1.3 气体采集与测定

采用静态箱-气相色谱法。采样箱采用聚碳酸酯材料制成，直径55 cm，高120 cm，箱体外表粘贴双层波音片材料，用来隔绝光线和避免箱体吸收太阳辐射而引起的箱内温度升高。采样底座由不锈钢材料制成，底面积 0.25 m2，水稻移栽前插入土壤10 cm，底座插入土壤部分开有小孔便于采样底座内外联通，保证底座内外水分状态一致。采样时间为09:00—11:00，罩箱后分0、10、20、30 min抽取4次气样（50 mL），然后用气相色谱仪（Agilent 7890a，美国）测定CH4和N2O，其中，CH4检测器FID（氢火焰离子化检测器），检测温度为200 ℃，柱温55 ℃，N2O检测器ECD（电子捕获检测器），检测器温度为330 ℃，柱温55 ℃。最后的CH4和N2O测定值以4点作气体浓度-时间直线，并计算其斜率作为被测气体的浓度变化率（dc/dt）。

1.4 计算方法与数据分析

甲烷、氧化亚氮排放通量计算公式见彭华等（2011）。

试验数据采用Excel和SPSS13.0软件进行处理和统计分析并作图，多重比较的显著性检验均采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 不同种植制度CH4和N2O排放通量季节变化规律

不同种植制度下 CH4季节排放变化情况如图2。总体而言，水稻季CH4排放显著大于玉米季CH4排放，不论早、晚稻，其CH4排放均呈单峰型。水稻移栽后，R-R和R-C处理CH4早稻季排放通量逐渐增加，移栽后的40 d左右达到峰值（19.46和19.31 mg·m-2·h-1），两者差异不显著，但显著高于C-R处理春玉米季CH4排放，随后开始烤田，CH4排放通量逐渐减小直至成熟期。晚稻各处理CH4排放规律同早稻一致。与R-R处理相比，C-R处理在移栽后10 d左右即达到排放高峰（9.71 mg·m-2·h-1），而水稻移栽后 20 d左右，CH4几乎不再大量排放，而R-R处理CH4才出现排放高峰（20.79 mg·m-2·h-1）其峰值是C-R处理峰值的2.1倍，并且R-R处理CH4排放持续时间长达50 d左右。C-R处理其晚稻季CH4排放降低可能原因是第1季种植玉米旱作栽培使土壤Eh升高，玉米收获后覆水种植水稻，其氧化还原电位下降，可能仍高于冬季休闲后直接种植早稻模式（姜军等，2012），后续对水稻进行晒田更是抑制了CH4的排放，因此C-R处理CH4持续排放强度减弱，排放持续时间也大大缩短。

图2 不同处理下CH4和N2O季节排放通量季节变化Fig. 2 Seasonal variation of CH4and N2O in different treatments

由图2可见，稻田改种玉米后是N2O的排放源。春玉米 N2O排放主要是出现在玉米施肥后和追肥时期，后期排放较低，而R-C处理秋玉米在施肥移栽后N2O排放经历了先降低-升高-降低的过程，移栽后的30 d左右排放至高峰，可能原因：1）前茬种植水稻，田间水分含量较高，早稻收获后种植玉米，田间高水分状况将持续，因而不利于硝化反应，导致移栽后N2O排放通量呈降低趋势；2）追尿素态N肥为N2O的排放提供了丰富的N素基质；3）玉米移栽后，田间逐渐落干，使田间水分状况出现一个剧烈变化的过程，湿润的土壤环境增加了硝化和反硝化强度。早、晚稻施肥后，水稻生长前期均出现一个N2O排放小高峰，随后排放降低，直至成熟期N2O排放出现波动。移栽后20 d左右，C-R处理与R-R处理晚稻季N2O排放均达到最大，但两者峰值相差2.6倍，表明前茬种植玉米将显著增加后季水稻N2O排放通量。

2.2 不同种植制度对CH4和N2O排放通量及累积排放量的影响

不同种植制度下CH4和N2O平均排放通量及累积排放量见表2。总体而言，稻田CH4排放占主导地位，玉米地N2O排放量大。早稻季CH4平均排放通量较春玉米显著增加27.7倍（P<0.01），R-R处理晚稻季CH4平均排放通量较C-R处理显著增加425.8%（P<0.01），其晚稻季CH4排放总量较C-R处理和R-C处理秋玉米季分别增加4.2倍和53.7倍，可以看出，早、晚稻改种玉米能够显著CH4排放量，对降低后季水稻CH4排放量效果明显。改种玉米的种植制度下，C-R处理玉米季CH4排放量较R-C处理玉米季显著增加78.0%（P<0.01），而C-R处理稻季 CH4排放量较 R-C处理稻季则显著降低254.0%（P<0.01），表明改种玉米使不同种植制度CH4排放差异显著，并且前茬作物对后季作用CH4排放影响显著。

表2 不同处理CH4和N2O平均排放通量及累积排放量Table 2 The cumulative flux and average flux of CH4and N2O in different treatments

对N2O排放而言，C-R处理春玉米N2O排放通量较R-R和R-C处理早稻季显著增加，分别显著增加 261.6%（P<0.01）和 250.9%（P<0.01），春玉米N2O排放量较早稻显著增加近4倍，R-C处理秋玉米N2O排放通量较R-R和C-R处理晚稻季分别显著增加1143.7%（P<0.01）和235.2%（P<0.01），其N2O排放量较R-R和C-R处理晚稻季分别显著增加711.8%（P<0.01）和228.2%（P<0.01）。C-R处理较 R-R处理晚稻季 N2O排放量显著增加147.3%（P<0.01），可以看出，前季旱作玉米显著增加后季水稻季的N2O排放。R-C处理玉米季N2O排放量较 C-R处理有所升高，但差异没有达到显著水平，而其稻季 N2O排放显著降低 34.0%（P<0.05），表明R-C处理较C-R处理更有利于降低N2O排放。

2.3 不同处理CH4和N2O周年排放量及综合增温潜势

不同种植制度周年CH4和N2O排放总量及其综合增温潜势见表3。双季稻模式是主要的CH4排放源，不同种植制度CH4周年排放总量大小顺序为：R-R>R-C>C-R。与R-R处理相比，R-C和C-R处理CH4周年排放总量显著降低 53.6%（P<0.01）和183.9%（P<0.01）。N2O周年排放总量大小顺序为：R-C>C-R>R-R，R-C和C-R处理较R-R处理显著增加 N2O排放，增加 257.0%（P<0.01）和 245.2%（P<0.01），表明双季稻改种玉米能够显著降低CH4排放量，但显著增加了N2O排放总量。比较3种种植制度综合增温潜势表明，不同种植制度稻季对综合增温潜势的贡献为59.5%～97.2%，其中以R-R种植模式综合增温潜势最大，其次为R-C种植模式，最小为C-R种植模式，早稻改种玉米和晚稻改种玉米综合增温潜势较双季稻田分别显著降低 318.4%（P<0.01）和81.4%（P<0.01），表明双季稻改种玉米能够显著减少综合增温潜势。

表3 不同处理CH4和N2O周年排放总量及增温潜势Table 3 Green Warming Potential of CH4and N2O during crop growing season in whole year

3 讨论

3.1 作物种类对CH4和N2O排放的差异

对不同作物类型CH4和N2O排放的研究（傅志强等，2012；胡小康等，2011；裴淑玮等，2012）显示，种植不同作物因其自身肥水利用效率以及相依配套栽培措施的差异，其农田土壤-作物系统碳氮循环的影响有所差异，使种植不同作物的农田CH4和N2O产生和排放规律存在差异，影响到农田温室气体的最终排放。本研究表明，种植玉米和水稻温室气体排放差异显著，主要体现在旱作玉米较水田显著增加N2O排放，稻田是CH4的排放源。前人研究表明，稻田旱作季的CH4排放量较低（Groot等，2003），甚至表现为大气CH4的弱汇（黄太庆等，2010；Shang等，2011）。而本研究中玉米替代早稻或晚稻是CH4排放弱源，可能原因是玉米季施氮量较高，且尿素氮肥施用可能减少了稻田旱作季土壤氧化CH4的量，间接增加了旱作季CH4排放，另外，CH4排放量晚稻季较早稻季高，这与石生伟等（2011）研究一致，与伍芬琳等（2008）研究的结果相悖，产生差异的原因可能是研究区域早稻季气温相对较低，甲烷细菌的活性受抑制，产CH4能力减弱。

作物种类影响 N2O排放主要是通过改变土壤的理化性质，间接影响N2O排放，同时农作物本身也产生N2O，其释放N2O的速率和作物种类、部位、所处的生理阶段以及所处土壤环境的氧浓度有关（陈冠雄等，2003）。玉米作为C4作物，C4作物光合效率高，通过根系分泌物提供给土壤微生物的营养较多（Hunt等，1996），且旱作土壤环境呈好气状态，有利于硝化过程，因而N2O排放较水稻高。因此，在考虑减缓温室效应的低碳种植模式中，可以因地制宜选择改变作物种植类型或品种而达到减排温室气体排放的效果。

3.2 水旱轮作对CH4和N2O排放的影响

除气候条件和土壤特性外，农业管理措施如种植制度也是影响农田CH4和N2O排放的重要因素。本试验结果表明，水旱轮作种植制度较双季稻种植制度能够显著降低周年CH4排放，双季稻改种玉米CH4排放较少，平均排放总量占周年CH4排放总量仅 7.3%，但旱作玉米任是大气 CH4排放弱源，并没有观测到CH4吸收的现象，这与前人研究结论一致（裴淑玮等，2012），而与胡小康等（2011）、肖玉等（2011）研究认为玉米季是大气CH4净吸收库结论不一致。可能是由于研究对象的土壤特性（水分状况）、作物类型、施肥水平以及气候等因子综合影响的结果。

前人的研究（熊正琴等，2003）证实了，不同轮作制度极大影响稻田N2O的排放。本研究轮作制度中玉米季显著增加N2O排放，同时前茬作物对后季作物CH4和N2O也差生较大影响。晚稻种植前旱作玉米，可能影响耕层土壤的物理、化学和生物状况，进而对下茬水稻生长季的CH4和N2O排放产生影响，导致不同水旱轮作方式温室气体排放量存在显著差异，另外，前茬作物为玉米时，其施氮量较高，玉米收获后残留于土壤中的氮可能会增加后季水稻生长季N2O排放。氮肥的施入对稻田N2O产生排放提供了可能，但这种可能能否成为现实很大程度上取决于土壤水分状况和水分变化情况，且反硝化速率与土壤含水量变化的历史有关，不管当季水分状况如何，先前的土壤水分状况影响到还原酶的浓度和合成能力，从而影响硝化过程（Dendooven等，1996）。本试验结果表明，与R-R处理相比，C-R处理水稻季N2O排放量显著增加，王连峰和蔡祖聪（2009）研究结果解释了这种轮作水分状况对N2O排放的影响，即前期为淹水土壤和干土，在后期田间持水量（WHC）为100%时，N2O排放量为干土>淹水土壤。但R-C模式第2季N2O排放量较R-R模式显著增大，与其结论相反，主要是因为后季种植玉米，施肥量较大、高温天气持续、水田改为旱地，土壤通透性良好，硝化作用强度、田间持水量等差异导致。

双季稻区稻田改种玉米，单季玉米地N2O平均排放量为2.28 kg·hm-2（N250），与胡小康等（2011）（N250）在华北地区观测的玉米N2O排放量差异不大，可能是因为施氮水平差异较小，而结果比刘运通等（2011）（N180）在山西、丁洪等（2004）（N150）在河南以及肖玉等（2011）（N400）在华北平原等观测的N2O排放总量偏高，可能原因稻田改种玉米需翻耕起垄，土壤水分变化剧烈，稻田犁底层常年沉积的丰富氮素经硝化或反硝化增加了土壤表层N2O的排放量，但结果显著低于裴淑玮等（2012）（N176）在河北、项虹艳等（2007）（N250）在四川观测结果偏低，轮作模式差异可能导致不同观测地点的土壤理化性状、施肥量、种植模式、作物品种及气候差异等。综上，水稻改种玉米后，主要需控制N2O排放的增加，而稻田犁底层沉积的N素转化贡献了N2O排放增加部分，贡献率是多少需进一步研究探讨。

3.3 不同种植制度对综合增温潜势的影响

本研究不同种植制度中，C-R和R-C能够显著降低R-R综合温室效应，表明玉米替代早稻或晚稻显著降低双季稻CH4和N2O综合温室效应，不同种植制度下稻季排放的CH4对总增温潜势的贡献远高于N2O，因此双季稻区CH4是减排的主要对象，而旱作玉米季N2O排放的增温潜势也需考虑。不同种植模式下综合增温潜势存在极显著差异，可能与各种模式耕作、作物残茬、肥料用量等因素相关。南方双季稻区早稻季 CH4排放较晚稻季排放显著降低，结合南方气候条件，合理利用晚稻季的温光资源，玉米替代晚稻种植（早稻-玉米模式）是一可行的减缓温室效应的途径，而轮作模式对土壤固碳、作物固碳以及综合生产能力和经济效益的影响情况有待进一步深入探讨。

4 结论

1）不同种植模式下不同作物CH4和N2O排放差异较大，稻田CH4排放占主导地位，玉米地N2O排放量大。

2）轮作模式及作物种植季节对CH4和N2O排放影响较大。春玉米-晚稻（C-R）较早稻-秋玉米（R-C）种植模式的玉米季显著CH4排放增加78.0%（P<0.01），其稻季CH4排放量则显著降低254.0%（P<0.01）；R-C模式玉米季N2O排放量较C-R模式有所升高，但差异没有达到显著水平，而稻季N2O排放显著降低34.0%（P<0.05），表明R-C模式较C-R模式更有利于降低N2O排放。

3）不同种植模式 CH4周年排放总量大小顺序为：双季稻（R-R）>早稻-秋玉米（R-C）>春玉米-晚稻（C-R），R-C和C-R处理CH4周年排放总量显著降低53.6%（P<0.01）和183.9%（P<0.01），而显著增加N2O排放，分别增加257.0%（P<0.01）和245.2%（P <0.01）。

4）不同轮作模式稻季CH4对综合增温潜势的贡献为59.5%～97.2%，其中以双季稻种植模式综合增温潜势最大，其次为早稻-秋玉米种植模式，然后为春玉米-晚稻种植模式。南方双季稻区早稻季CH4排放较晚稻季排放显著降低，结合南方气候条件，合理利用晚稻季的温光资源，玉米替代晚稻种植（早稻-玉米模式）是一可行的减缓温室效应的途径。

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CH4and N2O Emission Reduction under Different Cropping Systems in Double-cropping Paddy Fields

PENG Hua1,2,3, JI Xionghui2,3*, WU Jiamei1,2,3, ZHU Jian1,2,3, HUANG Juan1,3
1. Longping Branch of Graduate School of Central South University, Changsha 410125, China; 2. Institute of Soil and Fertilizer, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, China; 3. Ministry of Agriculture Key Laboratory of Agriculture Environment in Middle Reach Plain of Yangtze River, Changsha 410125, China

CH4and N2O emissions under three crop rotation systems were measured using static chamber/gas chromatographic techniques to study the anniversary of greenhouse gas emissions and the Global Warming Potential(GWP). The three systems included double-cropping paddy(R-R) (Oryza sativa L.), corn(Zea mays L.)-later rice system(C-R) and early rice-corn system(R-C). The results showed that paddy field cropping pattern took a dominated role in CH4emission. The N2O emission was increased significantly in maize season; The emissions of CH4and N2O were decreased while the former was reduced significantly by 68.5%(P<0.05) compared with the R-C treatment. The anniversary total emission of CH4in R-C and C-R treatment were reduced by 53.6%(P<0.01) and 183.9%(P<0.01) but increased by 257.0%(P<0.01) and 245.2%(P<0.01) of N2O respectively compared with R-R treatment. The order of GWPS under different crop rotation system was in following: R-R(8855.3 kg CO2·hm-2)>R-C(4881.4 kg CO2·hm-2)>C-R(2116.4 kg CO2·hm-2). Combining the advantages of temperature and light resources in this southern area, the cropping pattern of corn replacing late rice(R-C)is a feasible way to mitigate the greenhouse effect.

Double-cropping paddy fields; CH4; N2O

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.02.002

X14

A

1674-5906（2015）02-0190-06

彭华，纪雄辉，吴家梅，朱坚，黄涓. 双季稻田不同种植模式对CH4和N2O排放的影响研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(2): 190-195.

PENG Hua, JI Xionghui, WU Jiamei, ZHU Jian, HUANG Juan. CH4and N2O Emission Reduction under Different Cropping Systems in Double-cropping Paddy Fields [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(2): 190-195.

国家自然科学基金项目（31300413）；国家科技支撑计划项目（2013BAD11B02）

彭华（1982年生），男（土家族），助理研究员，博士研究生，研究方向为农田固碳及温室气体减排。E-mail：phlove10@163.com *通信作者：纪雄辉，研究员，研究方向农业环境。E-mail：jixionghui@sohu.com

2014-10-17