不同耕作模式下稻—油系统CO2和CH4净交换量动态变化研究

（湖南农业大学农学院，长沙410128）

不同耕作模式下稻—油系统CO2和CH4净交换量动态变化研究

成小琳，唐先亮，魏甲彬，周玲红，徐华勤*，邹应斌，唐剑武

（湖南农业大学农学院，长沙410128）

为了探讨不同耕作方式对稻田生态系统CO2和CH4净交换量的影响，采用温室气体自动分析仪与循环采气式静态箱法相结合，通过对比不同生育期，对长期免耕和常规翻耕两种耕作方式下稻油两熟制农田生态系统CO2和CH4日净交换量动态变化进行分析，结果表明，免耕处理稻田系统CO2净吸收总量和CH4净排放总量分别比翻耕处理高11.75%和16.55%；稻田系统CO2和CH4净交换总量主要发生在水稻种植阶段；水稻种植阶段稻田系统CO2净交换量占净交换总量的70%左右，CH4净交换量占交换总量的99%以上。全年来看，免耕模式下稻田系统CO2吸收增加而CH4排放加剧。

稻田系统；耕作方式；CO2；CH4；净交换量

稻田是大气CH4和CO2的主要释放源。稻田 CH4的排放是CH4产生、再氧化及排放传输三个过程相互作用的结果［1，2］。在厌氧条件下，土壤微生物分解土壤有机碳，形成CH4；好氧条件下CH4（82%～84%）又被土壤微生物氧化［3］，排放量减少。土壤中CO2的生成过程也包括三个生物学过程（植物呼吸、土壤生物呼吸及土壤动物呼吸）和一个非生物学过程（含碳物质的化学氧化作用）［4］。可见，稻田土壤中CO2和CH4的产生和排放过程在很大程度上受稻田水分、耕作措施等稻田管理方式的影响［5］。研究不同耕作方式下的稻田系统CO2和CH4排放规律可为减缓全球温室气体排放提供科学参考。

箱式法是目前CO2和CH4测定采用的主要方法之一［6］。传统的静态箱法往往采用暗箱法，难以反映包括植物光合作用的CO2净交换量（Net Ecosystem Exchange，NEE）。透明循环采气式静态箱同步监测植物对CO2的同化过程，并可通过线性拟合推算CO2通量，能更准确地反映田间CO2和CH4的净交换量变化。免耕是一种重要的保护性耕作方法，与翻耕模式相比，具有省本、保持水土、提高农业效益、节能减排等特点，已得到广泛推广应用，且发展潜力巨大。但目前采用透明静态箱原位连续监测长期免耕模式对稻田温室气体排放的影响报道还比较少。

本研究以长期免耕模式下的稻油两熟农田为研究对象，采用温室气体自动测定仪结合循环采气式静态箱法，田间原位监测CO2和CH4含量，并通过线性拟合估算其日净交换量和周年净交换量（NEE）。研究结果对于评价耕作方式对稻田CO2和CH4的收支与排放能力影响具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本研究基于免耕长期定位试验田（始于2003年），位于湖南省长沙市湖南农业大学耘园试验基地（28°11′N，113°04′E）。试验地属亚热带季风气候区，年均气温17.0℃，年均降水约1355 mm，年均日照时数1677 h。试验田为黏性土，有机质25.74 g／kg，全氮1.55 g／kg，全磷1.11 g／kg，全钾16.14 g／kg。前茬为板田免耕直播油菜。水稻供试材料为超级杂交稻‘两优培九’，移栽种植；油菜供试材料为‘湘杂优6号’，板田免耕直播。设免耕（NT）和翻耕（CT）两个处理，随机区组排列，4次重复，小区面积30 m2。两个处理的施肥量和施肥方法相同。在水稻种植阶段，氮肥、磷肥和钾肥用量分别为135 kg／hm2（以N计）、90 kg／hm2（以P2O5计）和180 kg／hm2（以K2O计）。氮肥按基肥∶分蘖肥＝2∶1（质量比）施入，磷肥和钾肥作基肥一次性施入。而油菜种植阶段，土壤表层施用复合肥700 kg／hm2（15－15－15）。

试验于2014年水稻移栽开始，2015年油菜收割前一周结束。2014年6月12日水稻移栽，行株距20 cm×20 cm。大田自分蘖初期起保持田面3～5 cm水层，直到成熟前20 d左右停灌，任其自然落干。田间精细管理，及时控制病虫害，2014年10月5日收割水稻（第116天）。水稻收获后，秸秆不还田。板田免耕种植油菜，于2014年10月25日（第136天）直播油菜，11月4日表施复合肥700 kg／hm2，11月下旬补苗。田间管理按当地高产栽培进行。

1.2 CO2和CH4通量测定

采用温室气体自动测定仪结合循环采气式静态箱法。透明箱体50 cm×50 cm×120 cm，由化学性质稳定的有机玻璃板制成，罩在事先固定于田间的塑料底座上。底座上部有5 cm深的凹槽，测定时加水密封。箱体顶部两接口与温室气体分析仪连接外，还有一微孔连接螺旋金属气管，平衡箱内外气压，箱内侧壁还安装了2个由12 V电池供电的电风扇（直径15 cm）和1个温度自动记录仪。观测时，透明箱体罩在塑料底座上，采用Ultraportable Greenhouse Gas Analyzer（CH4，CO2，H2O）（美国Los Gatos Research公司产）实时测定箱内温室气体（CH4，CO2）浓度。

观测期从移栽后第20天开始至油菜收获前结束。水稻种植阶段分别在水稻分蘖初期（第20天）、分蘖后期（第37天）、孕穗期（第57天）、扬花期（第77天）、黄熟期（第102天），采用温室气体分析仪检测CO2、CH4排放情况，分上午09：00～12：00和下午15：00～18：00两个时间段，一天两次，每个小区测定时间5 min。在油菜种植阶段，约1个月测定一次（具体采样时间根据天气情况略有变化），分别在第127天、油菜出苗期（第159天）、苗前期（第187天）、苗后期（第224天）、蕾薹期（第239天）、开花期（第281天）和成熟期（第314天），分上午09：00～12：00和下午15：00～18：00两个时间段，每个小区测定5 min。

1.3 环境因子及生物量测定

观测CO2和CH4浓度变化的同时，采用温度自动记录仪记录箱内温度和3 cm土层的温度。每次测定CO2和CH4浓度时，每小区随机采集两株植株，利用排水法测定植株地上部分体积，用于估算箱体有效体积，同时测定水稻叶面积指数。并将植株于105℃杀青15 min，80℃烘干至恒重，测定植株生物量。

植株地上部分体积测定：每个小区按照平均茎蘖数取样2蔸，利用排水法测定植株地上部分体积。

水稻叶面积指数测定：每小区植株样随机取绿叶（绿色多于叶片2／3部分）12片，通过长乘宽参数法（叶面积＝长×宽×0.75）获得叶面积。测得叶片干重、全部绿叶干重，利用比重法，获得全部绿叶叶面积。已知植株株行距，可知植株占地面积。叶面积指数＝全部绿叶叶面积／植株占地面积。

植株生物量测定：植株于105℃杀青15min，80℃烘干至恒重，获得植株干重，包括地上和地下两部分生物量。植株生物量＝植株干重／植株占地面积。

1.4 计算方法

CO2和CH4日净交换量（F，g／m2·d）按下式计算：

式中：P为标准状态下大气压力（101.2237× 103Pa）；V为箱体内有效体积（m3），即箱体本身体积减去植株体积、内壁风扇体积和温度记录仪体积；R为气体常数（8.3144）；A为箱体覆盖面积（m2）；T为测定时箱内平均气温（℃）；d c／d t为采样箱内CO2和CH4浓度（ppm）对时间t（s）的变化率；M为CO2或CH4相对分子质量（g／mol）；S为当天日照长度（s）。

由于CH4排放量极少，所以再次将日净交换量单位g／m2·d换算成mg／m2·d。通过计算两个相临测量时间点的日净交换量的平均值，可以算出这一段时间的CO2或CH4净交换总量。通过多个时间段净交换量的累加，可以算出整个稻油两熟周期CO2或CH4净交换总量。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2007和SPSS 18.0软件进行单因素方差分析及显著性检验（p＜0.05），并采用Excel 2007做图。

2 结果与分析

2.1 CO2日净交换量及全年净交换总量

图1表明，全年翻耕与免耕处理对稻田系统温室气体CO2排放通量的影响趋势基本一致。CO2日净交换量主要表现为稻田系统对CO2的“汇”，即“净吸收”，说明种植作物有利于稻田系统对CO2吸收。从耕作方式来看，免耕处理CO2净交换量在水稻种植阶段和油菜种植阶段分别比翻耕高14.47%和5.87%。免耕处理CO2净交换总量（净吸收）比翻耕处理高11.75%。说明免耕处理模式下更有利于CO2的吸收。

图1 稻田生态系统CO2日净交换量的动态变化Fig.1 Dynam ic trend of daily CO2NEE in rice－cole cropping system

从作物生长时期分析（图1），水稻种植阶段CO2日净交换量在大体上呈现“先升后降”趋势，从分蘖初期（第20天）开始上升，孕穗期（第57天）时达到高峰，之后下降直至水稻收割。水稻种植阶段免耕处理CO2日净交换量最大值出现在水稻孕穗期（第57天），为37.28 g／m2·d，黄熟期（第102天）CO2日净交换量为0.19 g／m2·d，显著低于分蘖初期（第20天）、分蘖后期（第37天）和水稻孕穗期（第57天）（p＜0.05）。而翻耕处理CO2日净交换量在孕穗期（第57天）时达到最大值，为34.82 g／m2·d，分蘖后期CO2日净交换量显著高于扬花期和黄熟期。在油菜种植阶段，随着油菜的生长发育，CO2日净交换量逐渐增大，直到开花期转而降低。总的来看在作物生长旺盛时期稻田系统对CO2的吸收作用较为明显。

从不同作物分析，CO2净交换量（净吸收）在水稻种植阶段和油菜种植阶段差异较大（表1）。免耕处理水稻种植阶段CO2净交换量（净吸收）占总净交换量（净吸收）的70.04%，而油菜种植阶段只占30%左右；翻耕处理水稻种植阶段CO2净交换量占 总净交换量的68.38%，略低于免耕处理。

表1 不同耕作方式下的稻田系统CO2和CH4净交换量Table 1 Com parison of CO2and CH4NEE w ith different tillagemethods in rice－cole cropping system

2.2 温室气体CH4日净交换量及全年净交换总量

图2表明，两种耕作方式下稻田系统CH4日净交换量变化趋势基本一致。且CH4日净交换量主要为正值，表现为稻田系统对CH4的排放。在水稻种植阶段，CH4日净交换量自分蘖初期（第20天）出现排放高峰，分蘖盛期时CH4排放量迅速降低；之后，略有反弹，但维持在较低的排放水平；收获前20 d开始排水落干，再次下降。水稻种植阶段CH4日净交换量的变动范围较大，为－0.378～674.70 mg／m2·d，而油菜种植阶段变动范围为－4.28～3.29 mg／m2·d，变动幅度较小。这说明稻田系统CH4排放主要发生在水稻种植阶段，油菜种植阶段净交换量极其微少。

图2 稻田生态系统CH4日净交换量的动态变化Fig.2 Dynam ic trend of daily CH4NEE in rice－cole cropping system

不同作物种植模式下，CH4净交换量在水稻种植阶段和油菜种植阶段差异较大，水稻种植阶段占主要比重（表1）。免耕处理水稻种植阶段CH4净交换量为15.015 g／m2，占CH4净交换总量的99.59%，而油菜种植阶段只占0.41%；翻耕处理水稻种植阶段CH4净交换量为12.947 g／m2，而油菜种植阶段净交换量为－0.011 g／m2。总体来看，免耕处理水稻种植阶段 CH4净交换量比翻耕高15.98%，而在整个稻油两熟周期，免耕处理稻田系统CH4净交换总量比翻耕处理高16.55%。说明免耕模式下稻田系统CH4的排放增加。

3 讨论

3.1 稻油轮作系统CH4和CO2日净交换量和净交换总量的变化特征

本研究表明，CH4净交换总量主要发生在水稻种植阶段，而在油菜种植阶段极少，水稻生长前期CH4日净交换量较高，后期低，与前人研究结果一致［7，8］。这是由于前期淹水条件下，有利于产甲烷菌的生长活动，残留在土壤中的有机物质被分解，促进CH4排放［9，10］。而油菜旱作阶段为好气条件，CH4大部分被甲烷氧化菌所氧化，降低了土壤CH4排放。

本研究中CO2净交换总量主要发生在水稻种植阶段，而油菜旱作阶段较少。这可能是由于水稻光合作用逐渐比呼吸作用强，导致稻田系统CO2净吸收增大；而在冬油菜种植阶段，气温较低，土壤水分含量低，油菜根系自养呼吸作用和微生物活性均受到抑制，致使油菜种植时期CO2净交换量较低。本研究中还发现，水稻种植阶段，稻田CO2日净交换量自分蘖初期开始上升，至孕穗期达到高峰，之后下降，表明水稻在生长旺盛时期光合作用固定CO2的效率较高，这与朱咏莉［11］的研究结果基本一致。

3.2 耕作方式对稻田系统CH4和CO2日净交换量及净交换总量的影响

耕作方式通过影响土壤的物理性状、化学性质和生物学过程直接或间接地影响着CH4排放。目前关于耕作方式对稻田CH4排放的影响的报道并不一致。大多数研究表明，少耕或免耕会减少CH4的排放［12，13］，可能是因为破坏性低的耕作方式保持了土壤的原有结构，提高了土壤CH4氧化程度，也可大大增加土壤CH4汇集的强度。也有研究者认为免耕显著增加稻田CH4排放［7］。本研究表明，耕作方式对稻油两熟周期作物各生育期CH4日净交换量无明显影响，但免耕处理CH4净交换总量高于翻耕。这与其他研究者的结论不尽相同，可能是淹水条件下，免耕处理有机质富集在表层土壤，这有利于被微生物快速分解，一定程度上促进CH4合成速率。本研究还表明，在油菜种植阶段，翻耕处理稻田系统CH4净交换量表现为净吸收，而免耕表现为净排放。这可能与土壤水分含量有关。油菜板田旱作，免耕土壤水分高于翻耕［14］。随着土壤水分含量的增加，CH4通量由吸收转为排放［10］。

农田土壤CO2排放是气候与土壤生物、物理、化学性质复杂作用的结果。本研究结果表明，在整个稻油两熟周期，免耕处理稻田生态系统CO2的净吸收比翻耕高，与李成芳等［5］的研究基本一致，这可能由于耕作措施破坏了土壤的团粒结构，使稳定的、被吸附的有机质易于分解，释放大量CO2，而免耕有利于减少CO2排放［15～17］。然而，也有研究者指出，耕作方式对CO2排放的影响可能与免耕时长有关［18］。

4 结论

免耕处理稻田系统CO2净吸收量和CH4净排放量分别比翻耕处理高11.75%和16.55%。水稻种植阶段稻田系统CO2净吸收量占净吸收总量的70%左右，CH4净排放量占排放总量的99%以上。可见在稻油两熟周期内，稻田系统CO2和CH4净交换总量主要发生在水稻种植阶段；与翻耕相比，免耕模式下稻田系统CO2的吸收量增加和CH4的排放量增加。

种植水稻阶段稻田系统CO2日净交换量在水稻分蘖后期到孕穗期相对较高，而油菜种植阶段稻田系统CO2日净交换量在苗后期、蕾薹期和开花期相对较高，说明作物生长旺盛时期更有利于稻田系统吸收CO2。

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Effects of Different Tillage Methods on CO2and CH4Net Exchange in Rice－oilseed Rape Cropping System

CHENG Xiaolin，TANG Xianliang，WEIJiabin，ZHOU Linghong，XU Huaqin*，ZOU Yingbin，TANG Jianwu

（College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

To study the effect of different tillage methods on Net Ecosystem Exchange（NEE）of CO2and CH4fluxes in daytime from farm land ecosystem，the effects of long－term no－tillage（NT）and conventional tillage（CT）treatments on daily CO2and CH4NEE during the different developmentstages of rice and oilseed rapewere analyzed.The results showed that there was no significant difference in the daily CO2and CH4NEE between NT and CT.Over the entire season，the CO2NEE of NT（netuptake）was higher than thatof CT by 11.75%，and the CH4NEE of NT（emission）was higher than that of CT by 16.55%.CO2NEE during the rice growing season almostaccounted for70%of the total CO2NEE，and CH4NEE during the rice growing season accounted formore than 99%.The results suggested thatmost CO2and CH4NEE occur during rice growing season.During rice－oilseed rape cropping period，CO2uptake and CH4emission of the farm land ecosystem were increased by NT.

farmland ecosystem；tillagemethod；CO2；CH4；net ecosystem exchange

S314

A

1001-5280（2017）02-0110-05

10.16848／j.cnki.issn.1001-5280.2017.02.02

2016 12 15

成小琳（1991－），女，硕士研究生，Email：14789757550＠163.com。*通信作者：徐华勤，副教授，主要研究方向为农业生态学，Email：xu7541＠163.com。

教育部博士点基金（20134320110004）；湖南省科技计划项目（2016WK2009）。