秸秆还田对稻田温室气体排放的影响：Meta分析

李静　冯淑怡　陈利根　朱利群

摘要 全球气候变暖是人类面临的严峻挑战，稻田生态系统在全球气候变暖中起到重要的作用。目前已有许多学者通过大田试验的方法研究了不同秸秆还田方式下温室气体排放的特征，但由于试验地点等因素的不同导致最终的结果差异很大。通过整合这些结果来研究区域内不同秸秆还田方式（翻耕秸秆还田（CTS）、免耕秸秆还田（NTS）和旋耕秸秆还田（RTS））下稻田温室气体排放的特征，能够准确地反映一定区域内稻田生态系统的净减排潜力。本文基于长江中下游地区32篇关于秸秆还田对稻田温室气体排放的文献收集173组数据，利用Meta分析方法研究了3种秸秆还田方式下稻田CH4和N20排放的特征，并估算出不同秸秆还田方式下稻田的全球增温潜势和净增温潜势。结果表明，CTS、NTS和RTS处理下稻田CH4周年排放的效应值分别为0.76、0.37和0.68，稻田N20周年排放的效应值分别为0.44、0.36和0.52；在两熟制下，不同秸秆还田方式下稻田CH4周年排放的效应值的大小为RTS>CTS>NTS，但N₂O周年排放的效应值的大小为RTS>NTS>CTS。在三熟制下，三种秸秆还田方式下稻田CH₄的周年排放的效应值的高低为CTS>RTS>NTS，而N₂O周年排放的效应值的高低为RTS>NTS>CTS。在相同的秸秆还田方式下，三熟制稻田温室气体周年排放的效应值都高于两熟制。此外，不同的还田秸秆种类影响稻田温室气体的排放；结合前期研究，估算出CTS、NTS和RTS处理下稻田的净增温潜势分别为12375.55、11232.36和15982.87kg CO₂-equivalent·hm^-2。因此，免耕秸秆还田是长江中下流地区稻田净减排条件下适宜的秸秆还田方式。

关键词 秸秆还田；稻田；温室气体；Meta分析；长江中下游

中图分类号 F323.22 文献标识码 A 文章编号 1002-2104（2016）05-0091-10 doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2016.05.011

气候变暖是当今全球性的环境问题，增强陆地土壤固碳能力和减少温室气体排放是当下缓解气候变暖问题的常用方法。农业活动对温室气体的吸收和排放具有重要的影响。利用秸秆还田可以有效增加农田土壤固碳能力；但同时也为土壤产生CH4创造了条件，还可能为矿化氮和反硝化微生物释放N₂O提供所需的碳源。因此，在评价秸秆还田方式的环境友好性问题上，须对农田土壤固碳能力和温室气体排放两方面进行综合考虑，探索不同秸秆还田方式对这两个因素产生的综合影响，以期获得净减排条件下适宜的秸秆还田方式。近年来，很多学者从全国尺度、省域尺度或通过长期试验区域对比对我国农田在不同农业管理措施下的温室气体排放进行了研究。水稻和小麦是我国主要的粮食作物，稻麦轮作和双季稻是长江中下游地区的主体种植制度。故明确长江中下游稻田在不同的秸秆还田方式下的土壤净减排潜力具有重要的意义。

目前，农业生产对农田土壤固碳和温室气体排放的影响已有较多的研究，但这些研究大都是局限于某一个试验点等小范围的研究，缺少对同类研究的综合分析；与此同时，各个独立研究结果具有不确定性甚至发表偏见，导致学者之间的研究结果差异较大。Meta分析是对各试验研究结果的资料通过统计学方法进行分析和概括，以提供量化的平均效果（效应值）来回答研究的问题。近几年，Meta分析在全球变化大尺度生态学领域得到越来越多的应用，尤其是在研究陆地生态系统对全球变暖的问题中。各界学者广泛关注稻田温室气体的排放，并围绕稻田CH₄和N₂O两大温室气体排放开展了大量的田间试验，这为从区域角度研究不同秸秆还田方式对稻田温室气体排放的影响提供丰富的理论基础和参考数据。Akiyama et al.利用Meta分析方法评估了增效肥料作为农田土壤N₂O和NO减排措施的有效性。石生伟等通过搜集全国25个试验站点有关稻田CH₄和N₂O排放的试验性文章，研究了稻田水分状态和管理方法、肥料种类和施用方式等田间管理措施对我国稻田CH₄和N₂O0排放的影响。黄坚雄等阐述了农田温室气体净排放的涵义，并归纳总结了耕作方式、施肥、水分管理、间套作等农业管理措施对农田土壤有机碳含量、农田土壤CH₄和N₂O、农田生产物资的使用所造成的温室气体排放的影响。本研究基于长江中下游试验点有关秸秆还田下稻田的CH₄和N₂O试验观测数据资料，采用Meta分析方法在研究了不同秸秆还田方式对稻田土壤固碳的基础上，再进一步地研究稻田在不同还田方式下的土壤温室气体排放特征，据此得出长江中下游稻田不同秸秆还田方式下的土壤净减排潜力，以期为长江中下游稻田固碳减排和粮食生产的可持续发展提出适宜的秸秆还田方式。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

研究区位于我国长江中下游地区，包括湖南、湖北、江西、浙江、安徽、江苏和上海等六省一市（见表1）。该区大部分属北亚热带气候，小部分属中亚热带气候，年均气温14-18℃，最冷月平均气温0-5.5℃，绝对最低气温-10--20℃，最热月均温27-28℃。年降雨量1000-1400mm，集中于春夏两季。平原地带土壤主要为水稻土，稻麦轮作和双季稻是该地区的主体种植制度。

1.2 数据来源

本文收集了32篇（见表1）关于不同秸秆还田方式对长江中下游稻田温室气体排放影响的试验性论文。文章的筛选标准：①通过开展大田试验获得数据，大田试验地点（年均降雨量、年均气温）、土壤类型、种植制度、试验方案、数据处理等信息完善。②试验时间需持续或超过作物的一整个生长季度。③取样测量的时间间隔不超过10天，在关键的时期如耕作后，晒田期间会增加采样次数，每次采样均在上午9：00-11：00完成。④采用季节累计排放量指标，单位为k·hm^-2或者kg·ha^-1。CH₄和N₂zO都采用上述单位衡量。

经过筛选，最终确定采纳16个试验地点的CH4排放的研究数据，涉及文献31篇，可供参考的数据100组；采纳13个试验地点的N₂O排放的研究数据，涉及文献27篇，可供参考的数据73组。所采纳的试验地土壤类型多为水稻土。翻耕秸秆还田（CTS）样本数为76，占样本总数的43.9%；免耕秸秆还田（NTS）样本数为38，占总样本数的22.0%；旋耕秸秆还田（RTS）样本数为59，占总样本数的34.1%。

1.3 研究方法

研究数据通过收集文献的表、图以及正文文字获得，并利用Get data v.2.22软件获取文献中图的数据。为了研究不同秸秆还田方式对农田土壤温室气体排放的影响，需要扣除秸秆不还田（CK）下土壤温室气体的排放。本文利用式（1）计算效应值（RR）：（1）

式中：GHG_r为不同秸秆还田方式下土壤温室气体排放，GHG_c为秸秆不还田处理（CK）下土壤温室气体排放。效应值是无单位的。采用MetaWin2.0软件作Meta分析，计算每一种处理下的平均效应值并采用引导程序得出纠正偏差的95%的置信区间。

稻田耕层土壤固碳量计算公式如下：

SOCS=[（[SOC]_i-[SOC]₀）×p×T×k]/a （2）

式中：SOCS为土壤固碳量（kg·hm^-2·a^-1，以c计），[SOC]_i为试验第i年后土壤有机碳含量（g·kg^-1），[SOC]₀为试验前土壤有机碳含量（g·kg^-1），p为试验前后土壤的平均容重（g·cm^-3），T为土壤深度（20 cm），a为试验年限，k为换算系数。

本文通过式（3）将稻田土壤固碳量（SOCS）折算为稻田固持的大气CO₂量（kg CO₂02-eqv·hm²）：

ASOCS=SOCS×44/12 （3）

基于CH₄和N₂O两种温室气体的增温效果存在差异，需要通过计算得到两种温室气体的综合效应，才能准确地评价不同秸秆还田方式对温室效应的贡献。全球增温潜势（global warming potential，GWP）可以作为一种相对指标，将待估算的温室气体值进行转化，从而获得其对气候变化的潜在效应。本研究采用GWP的估算公式，拟定CO₂作为CH₄和N₂O排放量的参考气体，将两种目标气体的排放量换算为等效的CO₂排放量。以20年或者100年为时间尺度，单位质量的CH₄和N₂O的增温潜势分别为CO₂的72倍和289倍或25倍和298倍。100年时间尺度上，单位质量CH₄和N₂O全球增温潜势的计算公式如下：

GWP=EM（CH₄）×25+EM（N₂O）×298 （4）

式中：EM（CH₄）为一年内CH₄的累积排放量，EM（N₂O）为一年内N₂O的累积排放量。

在农田生态系统中，作物通过光合作用吸收大气中的CO₂，而根和秸秆还田后分解转化成较稳定的土壤有机质，并以有机碳的形式将CO₂固定在土壤中，成为唯一的碳库。土壤有机碳的形成和土壤呼吸是一个同时进行的过程，采用黑箱的理论方法可得出，农田土壤固碳和土壤呼吸的共同作用最终体现为土壤有机碳变化量（[SOC]_i-[SOC]₀）。农田土壤能排放CO₂、CH₄和N₂O，其中CO₂排放来自秸秆分解及土壤呼吸，包含在土壤有机碳变化量中，故不视为温室气体排放源。根据上述理论分析，本研究最终通过计算得出净增温潜势，其值的正负表示稻田土壤固碳是温室气体排放的源或汇。在100年增温尺度，农田净增温潜势（单位：kg CO₂-equivalent·hm^-2）的计算公式如下：

NGWP=GWP-ASOCS （5）

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田方式对长江中下游稻田周年温室气体

排放的影响

由图1得，长江中下游稻田CH4周年排放的最大效应值为CTS处理（0.76），大约为RTS的1.2倍，NTS的2.0倍。但RTS处理下稻田N20周年排放的效应值是最大者，为0.52，大约为CTS的1.2倍，和NTS的1.4倍。由图2可以看出，在两熟制下，不同秸秆还田方式下稻田CH₄周年排放的效应值的大小为RTS>CTS>NTS，但N₂O周年排放的效应值为RTS>NTS>CTS。在三熟制下，稻田CH₄周年排放的效应值的高低为CTS>RTS>NTS，但N₂O的周年排放的效应值为RTS>NTS>CTS。同时，无论采取哪种秸秆还田方式，三熟制下稻田CH₄和N₂O周年排放的效应值都高于两熟制。

2.2 不同种类的秸秆在不同方式下还田对长江中下游稻

田温室气体排放的影响

稻麦轮作制和双季稻是长江中下游地区的主体种植制度，故本文以还田秸秆的种类为分类依据，将还田秸秆分为麦秸、稻秸和其他秸秆（如绿肥、油菜秸秆等）。

由图3可得，不同种类的秸秆在不同方式下还田对长江中下游稻田CH₄排放的效应值不同，其中麦秸对稻田CH₄排放的效应值的大小为CTS>RTS>NTS，稻秸为CTS>NTS>RTS，其他秸秆为CTS>NTS>RTS。对于N₂O排放的效应值也有类似的结果，如麦秸对稻田N₂O排放的效应值的高低为CTS>RTS>NTS，稻秸为NTS>RTS> CTS，其他秸秆为NTS>RTS>CTS。

2.3 不同秸秆还田方式对长江中下游稻田土壤碳固定和净增温潜势的影响

由表2得出，RTS处理下的土壤碳固定量为1.54 t chm^-2，比CTS增加了73.0%，比NTS提高了52.5%。表3表明，在20年、100年的时间尺度上，3种秸秆还田方式下稻田的CH₄和N₂O周年累计排放量所产生的综合增温潜势均是RTS显著高于CTS和NTS处理。且NTS处理下的温室气体全球增温潜势在20年尺度上较RTS和CTS处理分别降低30.3%、9.7%，100年尺度上分别降低29.4%、8.1%。表明，随着时间的延长，不同秸秆还田方式下全球增温潜势之间的差距略有减小。三种秸秆还田方式的净增温潜势不同。无论是在20年还是在100年的时间尺度上，均以RTS处理下的净增温潜势最大。在20年尺度上，RTS明显大于NTS和CTS处理；不过在100年尺度上，RTS处理显著大于NTS处理，但与CTS处理间的差异并不显著。NTS处理下的净增温潜势在20年尺度上较RTS和CTS处理分别降低30.5%、10.1%，100年尺度上分别降低29.7%、9.2%。表明，随着时间的延长，不同秸秆还田方式的净增温潜势之间的差距有缩小的趋势。三种秸秆还田方式下的净增温潜势均为正值，说明秸秆还田出现了明显的温室气体泄露。其中，RTS处理对土壤固碳减缓全球变暖效益的抵消作用最大，NTS处理下最小。

3 讨论与结论

本研究中的CTS、NTS和RTS三种秸秆还田方式下的CH₄周年排放的效应值分别为0.76、0.37和0.68，均大于零，表明秸秆还田增加稻田CH₄的排放。这可能是因为秸秆厌氧分解的情况下，土壤的氧化还原电位会快速下降，促使产甲烷菌含量增多，同时秸秆的施入也为厌氧条件下产甲烷菌提供了丰富的产甲烷基质。三种秸秆还田方式下CH₄排放量的高低为CTS>RTS>NTS。其中，与CTS相比，RTS和NTS会减少CH₄的排放，这可能是由于耕作方式的不同会对CH₄的氧化速率产生影响，免耕和旋耕这类作业强度较低的耕作方式，将有利于稻田土壤氧化速率的提高，降低产甲烷菌含量，从而减少CH4排放。NTS处理下CH₄排放量最少，可能是因为免耕秸秆覆盖在农田的表面，秸秆与土壤之间的接触量大大减小，大部分秸秆在土壤表层即可直接进行有氧腐解，这就为农田土壤氧化速率的提高提供了良好的条件，从而使得CH4的产生量减少。

CTS、NTS和RTS三种秸秆还田方式下的N₂O周年排放的效应值分别为0.44、0.36和0.52，均大于零，表明秸秆还田增加稻田N₂O的排放。这可能是因为秸秆还田为矿化氮和反硝化微生物释放N₂O提供所需的碳源。三种方式下N₂O排放的效应值的大小为RTS>CTS>NTS，NTS处理比其他两种更易促进土壤矿质氮的微生物固定，使土壤硝化和反硝化作用的底物减少，从而减少N₂O的排放。同种秸秆还田方式下，三熟制稻田温室气体周年排放的效应值都高于两熟制（见图2）。不同种类的秸秆在不同还田方式下对稻田CH₄和N₂O排放的影响有差异（见图3），表明稻田CH₄和N₂O的排放不仅受到秸秆还田方式的影响还受到还田秸秆种类的影响。因此，在减少稻田温室气体泄露方面，需要根据秸秆的种类考虑采取不同的还田方式。

无论是短时间尺度还是长时间尺度，稻田排放的CH₄和N₂O所产生的全球增温潜势由大到小为RTS>CTS>NTS。稻田土壤CH₄周年累计排放量的高低为RTS>CTS>NTS，N₂O的周年累计排放量为]ITS>NTS>CTS。秸秆还田后CH₄排放所产生的温室效应远高于N₂O所带来的温室效应，但随着时间的推移两者的差距有明显的缩小趋势。因此，从短期上看，如何减少稻田CH₄排放对减缓全球温室效应具有十分重要的作用。本研究还得出，无论采取哪种秸秆还田方式，稻田的净增温潜势均为正值。这表明秸秆还田增排的温室气体所带来的温室效应对土壤固碳减缓全球变暖的贡献的抵消作用非常明显。

综上所述，相对于其他秸秆还田方式来说，NTS处理下稻田土壤CH₄和N₂O排放的效应值都最小，并且NTS处理下稻田土壤的净增温潜势也最小。因此，在净减排条件下，长江中下游地区应推广免耕秸秆还田方式。另外，虽然区域性的数据分析能够有效地反映不同秸秆还田方式下土壤温室气体排放的特征，但由于本研究中稻田试验点主要集中在江苏、上海、湖南、湖北等地，并未完全覆盖长江中下游地区的所有区域，故本研究存在一定的瑕疵。因此，在今后的研究中，我们应在该区域的中部多开展一些不同秸秆还田方式对稻田土壤温室气体排放的试验，以使研究结果更具有说服力。

（编辑：田红）