稻田转为菜地初始阶段温室气体排放特征

邬磊，何志龙，汤水荣，吴限，张文菊，胡荣桂

稻田转为菜地初始阶段温室气体排放特征

邬磊1，何志龙2，汤水荣3，吴限2，张文菊1，胡荣桂2

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070；3海南大学热带作物学院，海口 570228）

【】近年来，随着我国社会经济的快速发展和人们生活水平的提高及膳食结构的改善，越来越多的稻田被转为蔬菜种植，影响了土壤碳氮转化过程及其引起的温室气体排放。因此有必要探究稻田转为蔬菜种植，特别是该土地利用方式转变初始阶段的温室气体（CH4和N2O）排放特征及其关键影响因素。试验选取了长期种植水稻的双季稻田，将其中一部分转为蔬菜种植，另一部分继续种植水稻，每个处理设置了3个重复，按照当地常规模式进行管理。采用静态暗箱—气相色谱法连续3年进行田间原位观测，比较分析稻田和由稻田转变的菜地CH4和N2O排放特征及其年际变化差异，明确稻田转为菜地初始阶段CH4和N2O排放的关键影响因素。稻田是重要的CH4排放源，其第一年的排放强度（183.91 kg CH4-C·hm-2∙a-1）明显低于后续两年（241.56—371.50 kg CH4-C·hm-2∙a-1），这主要归功于后两年降雨量的增加引起了土壤水分含量的升高。稻田转为菜地显著减少了CH4排放，减少量相当于稻田CH4年累积排放量的83%—100%。菜地第一年的CH4累积排放量（31.22 kg CH4-C·hm-2）显著高于第二年（0.45 kg CH4-C·hm-2）和第三年（0.89 kg CH4-C·hm-2），表明稻田转菜地对CH4排放的影响具有时间滞后效应。稻田是弱的N2O排放源（1.35—3.49 kg N2O-N·hm-2∙a-1），其转为菜地显著增强了N2O排放。菜地第一年的N2O累积排放量（95.12 kg N2O-N·hm-2）显著高于第二年（38.28 kg N2O-N∙hm-2）和第三年（40.07 kg N2O-N·hm-2）。菜地土壤异养呼吸对N2O排放的影响在第一年明显高于第二、三年，表明稻田转为蔬菜种植的第一年，有机质矿化对N2O排放有重要贡献。在100年尺度CO2当量下，稻田转为蔬菜种植第一和第二年的综合增温潜势（GWP）相对于稻田分别显著增加了390%和98%，主要是由于增加的N2O增温潜势超过了减少的CH4增温潜势。但是，稻田转为菜地的第三年，菜地的GWP（(16.72±3.25) Mg CO2-eq·hm-2）与稻田（(14.84±1.39) Mg CO2-eq·hm-2）相比无显著差异，主要是由于减少的CH4增温潜势完全抵消了增加的N2O增温潜势。这些研究结果表明稻田转菜地对GWP的影响主要集中在该土地利用方式转变的第一年。稻田转为菜地显著减少了CH4排放，增加了N2O排放，增强了菜地第一和第二年的综合增温潜势。有机质矿化过程对新转菜地第一年较高的N2O排放有重要贡献。这些研究结果表明了评价土地利用方式转变初始阶段温室气体排放特征的重要性，便于及时采取有效管理措施缓解温室气体排放，实现环境友好型农业可持续生产。

稻田；菜地；土地利用方式；CH4；N2O；综合增温潜势

0 引言

【研究意义】人类活动引起的大气中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等温室气体浓度的升高是造成全球气候变暖的主要原因之一[1]。其中，CH4和N2O因其较高的增温潜势而备受关注。农业生产活动是重要的人为CH4和N2O排放源，其排放量占人类活动引起的CH4和N2O排放总量的56%[1]，其中农业土地利用方式转变对温室气体排放存在重要影响[2-3]。因此，有必要探究农业土地利用方式转变对温室气体排放的影响，这对减缓农业源温室气体排放具有重要意义。【前人研究进展】中国的水稻种植面积高达0.3亿hm2，约占全国耕地总面积的23%[4]。我国稻田CH4和N2O排放强度分别为4.8 Tg CH4-C·a-1和114.5 Gg N2O-N·a-1，是重要的温室气体排放源[5]。近年来，随着社会经济的快速发展和人们膳食结构的改变，农业生产者为了追求较高的农产品收益，将大量稻田排水落干，转为玉米、蔬菜等旱地作物种植[6-8]。这种农业土地利用方式转变会显著影响农田温室气体排放[9-10]。NISHIMURA等[10]2002年将一直种植水稻的淹水稻田改种旱作稻和大豆-小麦轮作，并对比研究2002—2004年间不同种植模式下温室气体排放差异，发现淹水稻田改为旱地作物种植显著降低了CH4排放，而增强了N2O排放。JIANG等[11]2002—2005在我国川中地区开展的田间观测试验表明，冬水田转为水旱轮作20年后显著减少了CH4排放。稻-麦轮作和稻-油轮作的年CH4排放量相对于冬水稻田分别降低了56%和59%；而N2O年排放量提高了2—4倍。由此可见，农业土地利用方式的转变显著影响了CH4和N2O的排放。另外，农业土地利用方式转变也会对地表植被类型、土壤理化性质和微生物多样性等产生影响，从而影响土壤碳氮转化过程及其引起的温室气体排放特征[12-14]。【本研究切入点】目前，关于农业土地利用方式转变对温室气体排放影响的研究主要集中在转变多年达到稳定状态后的温室气体排放特征和规律[11,15]，而忽略了土地利用方式转变初始阶段的温室气体排放特征及综合温室效应。【拟解决的关键问题】本研究通过3年的田间观测试验，阐明稻田转为蔬菜种植初始阶段的CH4和N2O排放特征，明确不同转变年限下的综合温室效应。这对精确评估农业土地利用方式转变对温室气体排放的影响具有重要的参考意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概括

本研究的试验区域位于湖南省长沙县金井镇脱甲村的中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站内（28°32′46″ N, 113°19′50″ E，海拔80 m）。该区域近60年来的年均气温为17.5 °C，年降雨量为1 370 mm，降雨主要集中在每年的3-7月份。双季稻田面积占脱甲村区域总面积的27%。近年来，该区域有大量稻田排水、落干，转为蔬菜地。本研究选取的稻田土壤是由花岗岩风化形成的人为始成土[16]。该水稻土有机碳含量为18.80 g∙kg-1，全氮2.10 g∙kg-1，全磷0.41 g∙kg-1，全钾0.29 g∙kg-1，pH为4.95。土壤砂粒、粉粒和黏粒分别占比27%、29%和44%。

1.2 试验设计

在研究区域选取了6块长期种植水稻的双季稻田（15 m×20 m，早稻-晚稻-休闲）。2012年7月将选取的稻田全部种上晚稻，10月底晚稻收获后，随机选取3块稻田排水、落干，并将其转为蔬菜地（Veg），剩余的3块稻田（Rice）继续种植水稻并沿用之前的水稻田管理模式。每个处理设置3次重复。田间管理（包括肥料类型、施肥量和施肥时间、水分管理等）均采取当地的常规管理模式进行。试验期间，稻田和菜地施肥管理措施的详细信息参见表1。早稻和晚稻的磷、钾肥施入量相同：磷肥（过磷酸钙）40 kg P2O5·hm-2，钾肥（氯化钾）100 kg K2O·hm-2，磷肥和钾肥作为基肥在水稻移栽前一次性施入。早稻和晚稻的水分管理模式一致：水稻秧苗（30 d生育期）移栽后，持续淹水一个月左右，排水晒田两周，然后间歇性灌溉维持到水稻收获前7—10 d，最后排水落干。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 气体样品采集与测定 采用静态暗箱与气相色谱联用法采集测定气体样品。静态暗箱由底座（50 cm×50 cm×30 cm）、中箱（50 cm× 50 cm×50 cm）和顶箱（50 cm× 50 cm × 50 cm）三部分组成，均由不锈钢材质制成。底座上端安装有密封水槽，以便气体样品采集时阻止箱内与箱外气体交换；箱体用泡沫材料包裹，以便气体样品采集期间稳定箱内温度。箱体内部安装2个小风扇，用于混匀箱内气体。箱体侧面安有连接风扇的电源线、温度计探头接口和气体样品采集连接口。在每一块试验田中设置两个底座，其中一个底座中种有作物，而且底座内外作物密度一致，该底座主要用于测定CH4和N2O排放通量。另外一个底座置于作物行间（设置一块2 m× 2 m 不种作物的裸地），用于测定CO2排放通量（即异养呼吸速率，Rh），用于表征土壤有机碳矿化速率。在整个作物生长周期，采样底座固定在同一处采样点。气体样品采集前，往底座的密封水槽中灌水，使采样箱与底座之间密封。气体样品采集时，将箱体平稳罩在底座上，用60 mL注射器通过三通阀连接采样箱，采集气体。在采样箱密闭后立即采集第一针气体样品，然后每隔10 min采集一次，每个采样点连续采集气体样品5次，采集时间为上午9：30—11：30。在气体样品采集的同时，测量箱内温度和土壤温度。气体样品采集完后，24 h内用气相色谱（安捷伦7890A）分析CO2、CH4和N2O浓度。温室气体排放通量的观测时间段为2012年12月至2015年12月。一般情况下，气体样品采集频率为每周2次，但在施肥等田间管理期间，气体样品采集加密至每2天一次，持续一周。

1.3.2 土壤样品采集与测定 土壤样品的采集时间与气体样品采集保持一致，土壤样品每周采集一次，在施肥等田间管理期间每周采集两次。采集表层（0—20 cm）土壤，剔除可见凋落物和根系后，混均，装入自封袋，带回实验室，用于分析土壤理化性质。土壤质量含水量（SWC）采用烘干称重法测定[17]；土壤铵态氮和硝态氮采用K2SO4（0.5 mol·L-1）溶液浸提（30 g土样添加80 mL浸提液），流动注射分析仪测定；可溶性有机碳（DOC）浓度通过TOC自动分析仪测定；采用pH计测定土壤的pH[17]；SOC采用重铬酸钾容量法测定，土壤总氮（TN）使用硒粉-硫酸铜-硫酸消化法测定。土壤有机氮（SON）通过土壤总氮扣除矿质氮求得。

1.3.3 气象数据采集 降雨量和气温等气象数据通过观测研究站内的自动气象监测系统（Intelimet Advantage， Dynamax Inc.，USA；距离试验点80 m）获取（图1）。

表1 稻田和菜地施肥管理一览表

复合肥为 (NH4)H2PO4和KCl的混合物（N﹕P2O5﹕K2O = 15%﹕15%﹕15%）

Compound fertilizer is a mixture of (NH4)H2PO4and KCl, with N﹕P2O5﹕K2O = 15%﹕15%﹕15%

图1 观测期间降水和气温变化

1.4 数据计算与统计

CO2、CH4和N2O排放通量计算公式如下：

=/0×(/100)×/0×/0×d/d

式中，为待测气体相对分子质量（g·mol-1）；0为标准状况下的摩尔体积（L·mol-1），在标准大气压下0= 22.4 L·mol-1；为静态暗箱箱高（m）；为稻田水深，0和0分别为标准大气压力（101.3 kPa）和标准大气温度（273 K）；和为气体样品采集时箱内的压力和气温（K）；dd为气体样品采集期间箱内待测气体浓度（cm3·m-3）随时间（h）变化的回归曲线斜率。

CH4和N2O累积排放量计算公式如下：

=×(t+1–t) ×24

式中，表示气体的累积排放量，为观测次数，F和F为第次和+1次采样时目标气体的排放通量，t+1和t为第+1次和次的采样日期。

全球增温潜势（global warming potential（GWP），Mg CO2–equivalent·hm-2）是表征温室气体对全球温室效应总影响的一个指标。该指标以给定时间尺度的CO2质量当量计（CO2–eq）。对于100 年时间尺度的气候变化，CO2、CH4和N2O气体的GWP分别为1、28和265[1]。

100 年时间尺度CH4和N2O综合增温潜势按下式计算：

=CH4×16/12×28+N2O×44/28×265

式中，单位为t·hm-2（以CO2–eq计）；CH4为CH4的排放量（kgCH4-C·hm-2）；N2O为N2O的排放量（kgN2O-N·hm-2）。

在方差分析前，所有的数据采用Shapiro–Wilk进行正态分布检验，不服从正态分布的数据通过对数转化以实现正态分布。采用单因素和多因素方差分析评价土地利用方式转变、年份及其交互作用对土壤理化指标（土壤有机碳、有机氮、容重、pH、温度、水分、可溶性有机碳和矿质态氮含量）、CH4和N2O累积排放量及GWP的影响。采用回归模型分析稻田和菜地CH4和N2O排放通量与土壤温度、水分、异养呼吸速率、可溶性有机碳和矿质态氮含量的关系，统计分析的显著性水平设定为<0.05。使用SPSS软件进行数据统计分析（SPSS 20.0, SPSS Inc., IL, Chicago, USA）。采用Origin 8.0软件进行图形绘制。

2 结果

2.1 稻田和菜地土壤性质变化

稻田和菜地土壤性质在2012—2015年整个观测时间段及试验结束时都有所改变，且不同年份和处理间有差异（表2，图2）。2015年试验结束时菜地SOC、SON和pH与稻田相比均显著降低（＜0.05），土壤容重显著增加（表 2）。在观测期间，稻田和菜地土壤温度变化趋势基本一致，随着季节更替而起伏变化（图2-a），稻田土壤年平均温度显著高于菜地土壤（＜0.05，图2-b）。土壤质量含水量（SWC）也表现出季节性波动规律（图2-c），主要受到降雨和灌溉的影响，除第一年稻田与菜地间SWC无显著差异外，第二和第三年稻田SWC均高于菜地（＜0.05，图2-d）。稻田土壤DOC含量在不同年份间无显著变化；而菜地土壤DOC含量呈现出增加的趋势（图2-e、2-f）。稻田和菜地土壤矿质氮（NH4+-N和NO3--N）含量主要受施肥影响，施肥后稻田和菜地NH4+-N含量及菜地NO3--N含量均有大幅度提升；而稻田NO3--N含量在整个观测期均处于较低水平，无明显的规律性（表 1，图2-g、2-h、2-i、2-j）。稻田土壤NH4+-N年平均含量在年份间无显著差异；菜地NH4+-N含量在第一年高于后续两年（＜0.05，图2-h），菜地NO3--N含量在第一年低于后续两年（＜0.05，图2-j）。总体上，菜地NH4+-N和NO3--N的3年平均含量均显著高于稻田（图2-h，图2-j）。

Rice和Veg分别表示稻田和菜地；数据表示方式为平均值±标准误差；*表示同一年份不同土地利用方式在P<0.05水平上存在显著性差异；不同字母表示同一土地利用方式不同年份间在P<0.05水平上存在显著性差异。图3、图4、图7同

表2 试验前后稻田和菜地土壤的基本理化性质

Rice和Veg分别表示稻田和菜地；数据表示方式为平均值±标准误差；同一列中不同字母表示不同年份间稻田和菜地在<0.05水平上存在显著性差异

Rice and Veg represent rice paddy and vegetable field, respectively; Values denote as means ± standard errors of three replicates; Different lowercase letters within the same column indicate significant difference between rice paddy and vegetable field at<0.05 level

2.2 CH4和N2O排放

稻田CH4排放主要集中在水稻生长季，其累积排放量占全年CH4排放总量的90%以上；稻田休闲季处于排水落干状态，其CH4排放微弱（图3-a）。这些结果表明稻田CH4具有明显的季节性排放特征。稻田第一年的CH4排放强度（183.91 kg CH4-C·hm-2∙a-1）明显低于后续两年（241.56—371.50 kg CH4-C·hm-2∙a-1），具有明显的年际变化差异（图3-c）。相对于稻田，新转菜地的CH4排放量显著降低了83%—100%（图3-b、3-c）。稻田转菜地对CH4排放的影响具有时间滞后效应：菜地第一年出现了明显的CH4排放峰，使该年的CH4累积排放量（31.22 kg CH4-C·hm-2）显著高于第二年（0.45 kg CH4-C·hm-2）和第三年（0.89 kg CH4-C·hm-2）。在整个观测期，土地利用方式转变及其与年份的交互作用均显著影响CH4排放（图3-c）。

在水稻生长季，稻田由于长期淹水，其N2O排放通量在大部分观测期内维持在较低水平，甚至出现吸收大气N2O的现象，但在排水晒田和复水等阶段出现了脉冲式N2O排放峰的现象；稻田休闲季，N2O排放通量低且相对较稳定（图4-a）。稻田是弱的N2O排放源（1.35—3.49 kg N2O-N·hm-2∙a-1），其转为菜地促进了N2O排放（＜0.05，图4）。菜地N2O排放主要集中在耕作、施肥并伴随灌溉后的15 d内。而且菜地N2O排放通量在夏季较高，冬季较低，呈现明显的季节性变化规律。菜地N2O排放具有明显的年际变化差异，其第一年的N2O排放强度（95.12 kg N2O·hm-2∙a-1）显著高于第二年（38.28 kg N2O-N·hm-2∙a-1）和第三年（40.07 kg N2O-N·hm-2∙a-1）（图4-c）。在整个观测期内，年份、土地利用方式转变及其交互作用均显著影响N2O排放（图4-c）。

图3 观测期间稻田和菜地CH4排放通量及年累积排放量变化

图4 观测期间稻田和菜地N2O排放通量及年累积排放量变化

2.3 影响CH4和N2O排放的主要因子

2.3.1 CH4排放与环境因子间的关系 CH4排放是CH4产生和氧化过程综合作用的结果，其排放过程受诸多环境因子影响。本研究发现，土壤温度和水分均显著影响稻田CH4排放（图5）。在3年观测期间，稻田CH4排放通量随土壤温度的升高逐渐增强。当土壤温度＜20℃时，CH4排放通量对土壤温度的响应不明显；当土壤温度＞20℃时，CH4排放通量随土壤温度升高大幅度增加（图5-a）。土壤含水量与稻田CH4排放通量间也呈现出显著的正相关关系（＜0.05，图5-b）。稻田转为菜地降低了土壤含水量，形成了好氧环境，减少了CH4排放，使菜地CH4排放通量与测定的其他环境因子之间的关系不显著。

图5 稻田CH4排放通量与土壤温度和水分含量间的关系

2.3.2 N2O排放与环境因子间的关系 在整个观测期间，稻田由于长期处于淹水状态，其N2O排放低，与测定的环境因子之间不存在相关关系，说明土壤水分是限制稻田N2O排放的主要因子。菜地N2O排放通量与土壤异养呼吸（CO2排放通量）呈正相关关系（＜0.05，图6）。特别是在转化的第一年（2013年），菜地N2O与CO2排放通量的相关性达到了极显著水平（＜0.01），决定系数2为0.37。菜地土壤异养呼吸对其N2O排放的影响在第一年高于第二和第三年，说明了稻田转菜地的第一年，有机质矿化对较高的N2O排放有重要贡献。

2.4 综合增温潜势（GWP）估算

稻田和菜地的CH4和N2O排放特征在不同年份间存在差异。稻田CH4年累积排放量显著高于菜地，而N2O年累积排放量显著低于菜地。为进一步比较稻田和菜地的综合增温潜势（GWP），本研究对CH4和N2O在100 年尺度上的GWP进行了计算（图7）。稻田转为蔬菜种植的第一和第二年，增加的N2O增温潜势超过了减少的CH4增温潜势，导致菜地的GWP相对于稻田分别显著增加了390%和98%。但是，稻田转为菜地的第三年，减少的CH4增温潜势完全抵消了增加的N2O增温潜势，使菜地的GWP（16.72±3.25 Mg CO2-eq·hm-2）与稻田（14.84±1.39 Mg CO2-eq·hm-2）相比无显著差异。这些研究结果表明稻田转菜地对GWP的影响主要集中在该土地利用方式转变的第一年。

图6 菜地N2O排放通量与土壤异养呼吸（CO2排放通量）间的关系

3 讨论

3.1 稻田转菜地对CH4排放的影响

稻田是重要的CH4排放源，其年累积排放量在第一年明显低于后续两年，这主要归功于后两年降雨量的增加引起了土壤水分含量的升高，从而促进了CH4的产生和排放（图2-d，图3）。稻田转为菜地显著降低了CH4排放（图3）。在3年观测期间，稻田转为菜地引起的CH4排放减少量相当于稻田CH4累积排放量的96%，这与YUAN等[2]关于稻田转菜地降低CH4排放的研究结果一致。CH4的产生、氧化和传输等过程的综合作用导致了CH4的净排放[18-19]。稻田长期淹水形成的厌氧环境适合CH4的产生。稻田转菜地显著降低了土壤温度和含水量（图2），提高了土壤好氧状态，不仅导致CH4产生过程受到抑制，同时也提高了甲烷氧化菌的活性[2-3, 20-22]。然而，本研究发现稻田转为菜地第一年有CH4排放峰（图3-b）。这主要是由于稻田转为菜地初始阶段，土壤结构中存在大量的微厌氧区，适宜CH4的产生。排水落干也会使原来存储在土壤中的CH4释放出来。这些因素的综合作用导致了菜地第一年出现了CH4排放峰，使菜地在该年的CH4累积排放量明显高于后续两年（图3-c）。该研究结果表明CH4排放对稻田转菜地的响应存在时间滞后效应，在评价土地利用方式转变引起的环境效应时应充分考虑转变初始阶段CH4的排放特征。

图7 稻田和菜地CH4和N2O年累积排放量及综合增温潜势（GWP）

3.2 稻田转菜地对N2O排放的影响

稻田是弱的N2O排放源，甚至出现吸收大气N2O的现象（图4-a）。这主要是由于稻田长期处于淹水状态，土壤氧化还原电位较低，从而使有机质矿化和硝化过程受到限制。而且稻田土壤中NO3--N含量低，限制了反硝化过程的进行[24, 26]。稻田转为菜地促进了N2O的大量排放[5,24]。主要有以下几点原因：第一，稻田转为菜地改善了土壤的好氧状况，促进了硝化作用[25-26]；第二，菜地好气耕作会引起土壤团聚体结构的破坏，促进了原本被保护的土壤有机质的矿化，释放出大量的矿质态氮作为硝化和反硝化过程的底物[14,27]；第三，菜地相对较高的施氮量为硝化和反硝化过程提供了充足的底物[28-29]；第四，加速的土壤有机质矿化引起的氧气消耗容易形成厌氧微区，促进土壤硝化—反硝化耦合过程，从而增强了N2O产生速率[15, 30-32]。本研究观测期间，菜地的第一年N2O累积排放量显著高于后续两年（图4-c）。前人也有研究表明，在我国南方丘陵地区双季稻田转为蔬菜种植的初始阶段也存在大量的N2O排放[2]。这些现象与本研究结果一致。稻田排水落干转为菜地加速了土壤有机质矿化，释放出了大量的可利用性碳、氮（表2；图2），为土壤微生物硝化反硝化过程提供了能源物质和底物，从而引起N2O的大量排放[33-34]。菜地土壤异养呼吸与N2O排放的显著正相关关系进一步说明了有机质矿化过程对N2O排放有重要贡献（图6）。此外，稻田转菜地降低了土壤pH（表2），在一定条件下可促进异养反硝化[35]、氨氧化古菌主导的硝化[36]、异养硝化[37]、硝化-反硝化耦合[31]、共反硝化（NO3--N + Organic N →N2O）[38]和化学反硝化[39]等过程，同时也可能抑制N2O还原过程，从而增强了N2O排放[40]。综上所述，稻田转为菜地增强了土壤好气性，降低了pH，加速了土壤有机质矿化，为土壤微生物硝化—反硝化耦合过程提供了大量的能源物质和底物，从而导致N2O的大量排放，尤其是在稻田转为菜地的第一年。

3.3 稻田转菜地对综合增温潜势的影响

综合增温潜势（GWP）是评估陆地生态系统温室气体排放对气候变化潜在影响的重要指标[41-42]。在100年尺度CO2当量下，稻田转为菜地的第一和第二年，菜地的GWP显著高于稻田，这主要是由于菜地增加的N2O增温潜势高于减少的CH4增温潜势。然而，在稻田转为菜地的第三年，菜地的GWP与稻田相比无显著差异，这是由于菜地减少的CH4增温潜势完全抵消了其增加的N2O增温潜势（图7）。稻田转菜地第一年，土壤有机质矿化较快[43]，随后土壤有机质矿化速率逐渐降低，可利用性碳含量减少，限制了微生物氮转化过程，降低了N2O排放[27,34]。这些因素导致了菜地第三年的GWP显著低于第一和第二年，并与稻田GWP相比无明显差异。这表明GWP对稻田转菜地的响应主要集中在该土地利用方式转变的第一和第二年（图7）。因此，在评价农业土地利用方式转变引起的环境效应时，要重视转变初始阶段的温室气体排放特征，便于及时采取有效的温室气体减排措施，实现环境友好型农业可持续生产。

4 结论

稻田是重要的CH4排放源，其转为菜地显著减少了CH4排放。菜地第一年的CH4排放量（31.22kg CH4-C·hm-2）明显高于第二年（0.45 kg CH4-C·hm-2）和第三年（0.89 kg CH4-C·hm-2）。这些研究结果表明稻田转菜地对CH4排放的影响具有时间滞后效应。稻田转为菜地增强了N2O排放，且菜地第一年的N2O排放量（95.12 kg N2O-N·hm-2）显著高于第二年（38.28 kg N2O-N·hm-2）和第三年（40.07 kg N2O-N·hm-2）。稻田转为菜地初期土壤有机质矿化对N2O排放有重要贡献。在第一和第二年，菜地的GWP相对于稻田分别增加了390%和98%，主要是由于增加的N2O增温潜势超过了减少的CH4增温潜势。但是在第三年，菜地的GWP与稻田相比无显著差异，主要是由于减少的CH4增温潜势完全抵消了增加的N2O增温潜势。这些研究结果表明稻田转菜地对综合增温潜势的影响主要集中在该土地利用方式转变的第一年，表明了评价土地利用方式转变初始阶段温室气体排放特征的重要性，以便及时采取有效措施缓解农业土地利用方式转变引起的温室气体排放。

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Greenhouse Gas Emission During the Initial Years After Rice Paddy Conversion to Vegetable Cultivation

WU Lei1, HE ZhiLong2, TANG ShuiRong3, WU Xian2, ZHANG WenJu1, HU RongGui2

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2College of Recourses and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070;3College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou 570228)

【】In recent years, with the rapid development of social economy, the improvement of people’s living standards and shifting diets and the increasing demands of vegetables result in a considerable share of rice paddy fields conversion to vegetable production in China, thus influencing soil carbon and nitrogen cycling and associated greenhouse gas (GHG) emissions. Therefore, it is necessary to investigate the impacts of land-use conversion from rice into vegetable cultivation on methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) emissions and their key regulating factors, particularly during initial period upon conversion. 【】In this study, six rice paddies subjected to long-term double-rice planting were chosen, and the half of them were converted into vegetable cultivation (Veg) and the remaining still for rice production (Rice), with three replicates of each treatment. The Veg and Rice were managed according to local practices. The fluxes of CH4and N2O from the rice paddy and converted vegetable fields were measured with static chambers from December 2012 to December 2015, so as to investigate the characteristics and inter-annual variation of CH4and N2O emissions and to identify the key factors regulating the two GHGs during the initial period upon conversion. 【】Rice paddy acted as an important source of CH4, and CH4emission was significantly lower in the first year (183.91 kg CH4-C·hm-2∙a-1) relative to the later two years (241.56-371.50 kg CH4-C·hm-2∙a-1), mainly attributed to enhanced precipitation increasing soil water content during the latter two years. Conversion from rice to vegetable cultivation substantially reduced CH4emission from Veg by 83%-100% as compared to Rice over the study period. Annual CH4emissions from Veg were significantly higher in the first year (31.22 kg CH4-C·hm-2) relative to any later years (0.45-0.89 kg CH4-C·hm-2), suggesting that this land-use conversion had strong legacy effect on CH4emission. Paddy soil acted as a minor source of N2O (1.35-3.49 kg N2O-N·hm-2∙a-1). Rice conversion to vegetable cultivation led to substantial N2O emission, particularly in the first year during which the cumulative emissions were significantly larger (95.12 kg N2O-N·hm-2) than that in the second (38.28 kg N·hm-2) and third year (40.07 kg N2O-N·hm-2). N2O fluxes from Veg were significantly and positively related to soil heterotrophic respiration rates (Rh), and the dependence of N2O fluxes on Rhwas greater in the first year relative to the subsequent two years. These results suggested that soil organic matter mineralization contributed to N2O emissions during the first year upon land-use conversion from rice to vegetable production. Land-use conversion from rice to vegetable cultivation significantly increased the global warming potential (GWP) of Veg by 390% and 98% in the first and second year, respectively, relative to Rice, primarily due to the increased GWP of N2O emission far outweighing the decreased GWP of CH4emission. In contrast, the GWP of rice (14.84±1.39 Mg CO2-eq·hm-2) was similar to that of Veg (16.72±3.25 Mg CO2-eq·hm-2) in the third year after conversion, due to the decreased GWP of CH4emission fully offsetting the increased GWP of N2O emission. These results suggested that land-use conversion from rice to vegetable cultivation had significant impacts on the GWP only at the initial stage upon conversion. 【】Land-use conversion from rice to vegetable cultivation significantly decreased CH4while increasing N2O emissions over the whole study period, and increased the GWP only in the first and second year upon conversion. Soil organic matter mineralization significantly contributed to increased N2O emission from the converted vegetable field. This study suggested that soil GHG emissions in the first years upon conversion were the most important, therefore, which should be considered when evaluating the environmental consequences of land-use conversion. This study also helped us develop effective options to alleviate the effects of land-use conversion on GHG emissions, and for sustainable agricultural production and GHG mitigation.

rice paddy; vegetable field; land-use conversion; CH4; N2O; global warming potential (GWP)

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.24.008

2020-04-01；

2020-06-03

国家自然科学基金（41907093）、中央公益性科研院所基本科研业务费专项（1610132019013）

邬磊，E-mail：wulei01@caas.cn。通信作者胡荣桂，E-mail：rghu@mail.hzau.edu.cn

（责任编辑 李云霞）