巢湖圩区再生稻田甲烷及氧化亚氮的排放规律研究

王天宇，樊迪，宋开付，张广斌，徐华，马静*

（1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2.中国科学院大学，北京 100049）

甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是两种重要的温室气体，百年尺度上单位质量CH4和N2O 的全球增温潜势分别为CO2的34 倍和298 倍[1]。稻田处于淹水还原状态时，土壤中大量的有机物转化为CH4，因此稻田被认为是大气中CH4的重要来源之一[2]。由于氮肥的大量施用以及干湿交替的水分管理，稻田的N2O 排放也相当可观[3]。

中国是世界上最大的水稻（Oryza sativaL.）生产国，2019 年播种总面积为2 970 万hm2。长期以来，我国耕地开发利用强度过大，造成了土壤退化、农业面源污染等环境问题，成为了农业可持续性发展的限制因素。自“十三五”以来，我国对耕地轮休制度展开了试点探索，将长江流域的小麦（Triticum aestivumL.）、稻谷低质低效区纳入试点范围，实行稻油、稻菜、稻肥等轮作，以改良土壤、提高地力。

再生稻，即种一茬收获两次的水稻。头季水稻收割后，水稻植株利用稻桩重新发苗、长穗，再收一季。再生季水稻收割后通常种植绿肥进行养地。再生稻栽培模式是一种经济高效、增产增收的水稻管理措施[4]。在温、光、热资源充足的稻麦轮作区和双季稻区改种再生稻既能响应耕地轮休的国家政策、减轻土地耕作强度、缓解土壤退化，还能增加水稻产量、提升稻米品质，因此近年来得到了大面积的推广应用[5-6]。巢湖流域是典型的稻麦轮作区，气候温和、雨量适中、光照充分、热量条件较好，流域内多个县市已进行了5～7 a 的再生稻种植试点示范，且推广面积有望进一步增加[7]。

目前已有部分再生稻栽培模式和轮作方式影响温室气体排放的报道。张浪等[8]在湖南的研究发现，相比于双季稻，再生稻的CH4排放量降低33.89%，单位产量CH4排放量降低23.23%。SONG 等[9]在四川的研究发现，相比于覆膜单季稻，覆膜再生稻的CH4和N2O 排放量分别增加了8.01%和109.92%。邓桥江等[10]和吕泽芳等[11]在湖北的研究中比较了不同的再生稻栽培模式和轮作方式，发现通过对绿肥、肥料运筹、水分管理与稻桩留桩高度等方面进行优化可降低再生稻田CH4排放，从而降低总温室气体排放量，同时还可提高水稻产量。FIROUZI 等[12]通过模型估算得出，相比于单季稻农作系统，再生稻农作系统降低了每功能单位（100 kg 蛋白质）下CH4和N2O 的排放量。而有关稻麦轮作转变为再生稻的温室气体排放规律变化未见报道。

本研究进行了大田试验以及实验室试验，观测了巢湖圩区两种轮作方式（稻麦轮作和再生稻）下全年的CH4和N2O 排放通量，测定了土壤氧化还原电位（Eh）、土壤溶解性有机碳（DOC）、土壤铵态氮和硝态氮的含量及其季节变化，以期揭示稻麦轮作转变为再生稻后温室气体排放规律的变化及其影响因素。

1 材料与方法

1.1 试验设计

大田试验于2019 年10 月至2020 年10 月在安徽省合肥市庐江县白湖农场（117°26′47″E，31°18′05″N）开展。该地区属于北亚热带湿润性季风气候，年平均气温16 ℃，多年平均降水量为1 215 mm，活动积温在4 500 ℃以上，无霜期超过200 d，传统种植制度为冬小麦-水稻轮作。供试土壤类型为底潜铁聚水耕人为土，由湖相沉积物发育而成。土壤有机碳含量为17.38 g·kg-1，全氮含量为1.69 g·kg-1，土壤pH 为4.81，阳离子交换量为12.2 cmol·kg-1，黏粒、粉粒、砂粒含量分别为23.75%、66.65%、9.70%。

试验共设置稻麦轮作（SW）和再生稻（RR）2 个处理，试验小区面积为25 m2（5 m×5 m），每个处理3 次重复。水稻生长季，两处理田间水分管理均为间歇灌溉，即前期淹水，中期烤田，后期干湿交替，最后排水落干；小麦生长季或紫云英季，两处理田间不进行人工灌溉，所有水分均来自降水。SW 处理由冬小麦与单季稻轮作构成，水稻收获后秸秆不还田，小麦收获后秸秆翻耕还田，还田量为5.63 t·hm-2，麦秆碳氮比为77.65。RR 处理由紫云英（Astragalus sinicusL.）、中稻和再生稻轮作构成，紫云英于水稻移栽前15 d翻耕还田，还田量为3.28 t·hm-2，植株碳氮比为11.35，RR处理中稻季收割时，收割部分秸秆表面还田，还田量为6.19 t·hm-2，稻秆碳氮比为19.43。

SW 处理小麦供试品种为苏麦11，于2019 年10月27 日播种，2020 年5 月22 日收获，全生育期共208 d。麦季氮肥施用量为154 kg·hm-2（以N 计），磷肥施用量为98 kg·hm-2（以P2O5计），钾肥施用量为98 kg·hm-2（以K2O 计）。水稻供试品种为皖垦糯2 号，于2020 年6 月5 日移栽，2020 年10 月24 日收获，全生育期共141 d。稻季氮肥施用量为194 kg·hm-2（以N计），磷肥施用量为90 kg·hm-2（以P2O5计），钾肥施用量为90 kg·hm-2（以K2O计）。

RR 处理紫云英于2019 年11 月5 日播种，2020 年4 月4 日收获，全生育期共151 d。紫云英季的氮肥施用量为17 kg·hm-2（以N 计），磷肥施用量为17 kg·hm-2（以P2O5计），钾肥施用量为17 kg·hm-2（以K2O计）。水稻供试品种为丰两优香一号，于2020 年4 月17 日移栽，2020 年8 月14 日中稻季收获，2020 年10月26 日再生季收获，全生育期共192 d。稻季氮肥施用量为252 kg·hm-2（以N 计），磷肥施用量为79 kg·hm-2（以P2O5计），钾肥施用量为79 kg·hm-2（以K2O计）。具体的农田管理情况如表1所示。

表1 农田管理情况Table1 Management practice of different treatments from 2019 to 2020

1.2 田间样品采集

人工静态箱-气相色谱法测定CH4和N2O 排放通量：静态箱高0.6 m，水稻或小麦生长后期加高至1.2 m以保证其正常生长，长×宽为0.5 m×0.5 m，静态箱底座规格为0.5 m×0.5 m×0.15 m，底座上部有3 cm 深的凹槽，采样时先向槽内注入适量的水以保证采样时箱体内部的密封性。底座于2019年10月水稻收获后埋入各试验小区，底座顶端与小区土壤表面齐平，底座内小麦或紫云英播种量、水稻移栽密度、水分与施肥管理与底座外保持一致。采样时，将静态箱放置在底座加满水的凹槽上，用两通针将静态箱内气体导入20 mL 真空玻璃瓶中，各采样点以10 min 为间隔进行采样，共采集4 次。水稻生长季采样频率为2～4 d·次-1，非水稻生长季采样频率为4～7 d·次-1，采样时间为上午9：00—11：00。

采集气样的同时，用DMP-2 数字式mV/pH/温度计测定10 cm 深处土壤氧化还原电位（Eh），用数字温度计（Model 2455，Yokogawa，Japan）记录箱温。此外，每8～12 d 采集一次土壤样品并测定土壤中DOC、的含量。在植株的成熟期，随机选取小区内3 处样点，取1 m2内植株的全部地上部分，测定谷物产量和植株生物量。

1.3 样品分析

1.3.1 气体样品分析

CH4和N2O 浓度使用安捷伦气相色谱（Agilent 7890B）测定。色谱柱为80/100 目的Porapak Q 填充柱，柱箱温度60 ℃。CH4浓度使用氢火焰离子化检测器（FID）检测，检测器温度300 ℃，载气为氮气，流量5 mL·min-1，空气为助燃气，流量400 mL·min-1，氢气为燃气，流量45 mL·min-1；N2O 浓度使用63Ni 电子捕获检测器（ECD）检测，检测器温度300 ℃，载气为95%氩气+5%甲烷，流量5 mL·min-1。

1.3.2 土壤样品分析

用土钻采集0～20 cm 表层土壤样品，每小区分点采集4 份土壤样品后均匀混合，存储在冰盒中，尽快运送至实验室进行理化性质分析。称取20 g 新鲜土样，加入0.5 mol·L-1的K2SO4浸提液（土水比为1∶4），300 r·min-1振荡1 h 提取土壤DOC，然后通过自动TOC 分析仪（Multi N/C 3000，Jena，Germany）进行分析。称取20 g 新鲜土样，加入2 mol·L-1的KCl 浸提液（土水比为1∶5），300 r·min-1振荡1 h 提取土壤中的，然后通过连续流动分析仪（Skalar，Netherlands）进行测定。土样在105 ℃下烘干8 h测定土壤含水量。

1.4 数据处理

CH4和N2O排放通量的计算公式为：

式中：F为CH4或N2O 排放通量，mg·m-2·h-1（CH4）或µg·m-2·h-1（N2O）；ρ为标准状态下CH4或N2O 密度，0.71 kg·m-3（CH4）或1.96 kg·m-3（N2O）；V为采样箱内有效体积，m3；A为采样箱所覆盖的土壤面积，m2；dc/dt为单位时间内采样箱内CH4或N2O 浓度的变化，µL·L-1·h-1（CH4）或nL·L-1·h-1（N2O）；T为采样箱内温度，K；P为采样箱内大气压，kPa；P0为标准状态下大气压力，kPa。由于试验田地区气压与标准大气压相当，因此P/P0值等于1。

CH4和N2O 季节排放量或总排放量的计算公式为：

式中：T总为CH4或N2O 季节总排放量，kg·hm-2；Fi和Fi+1分别为第i次和第i+1 次采样时CH4或N2O 平均排放通量，mg·m-2·h-1；Di和Di+1分别为第i次和第i+1 次的采样时间，d。CH4和N2O季节排放总量是将每次的观测值按时间间隔加权求和后再平均，用3 个重复的平均值进行处理间的方差分析和多重比较。

根据单位质量的CH4和N2O 在100年时间尺度上的全球增温潜势（Global warming potential，GWP）分别是CO2的34 倍和298 倍[1]，计算出不同处理排放CH4和N2O产生的总温室气体排放量（TGHG），公式如下：

式中：TGHG为总温室气体排放量，t CO2e·hm-2；TCH4和TN2O分别为CH4和N2O的排放量，t·hm-2。

温室气体排放强度（GHGI）是农业生产温室效应的综合评价指标[13]，计算公式为：

式中：GHGI为温室气体排放强度，t·t-1；Y为农作物产量，t·hm-2。

2 结果与分析

2.1 CH4和N2O排放

两处理的CH4排放均集中在水稻生长季，且排放通量变化幅度较大（图1）。RR 处理的CH4排放峰出现在中稻季返青期、分蘖期、成熟期以及再生季前期，中稻季和再生季CH4排放通量分别为0～268 mg·m-2·h-1和0～36 mg·m-2·h-1，中稻季平均CH4排放通量为32.19 mg·m-2·h-1，是再生季的3.96 倍。SW 处理的CH4排放峰则出现在水稻返青期、分蘖期，其稻季CH4排放通量为0～217 mg·m-2·h-1，水稻生长季平均CH4排放通量为39.06 mg·m-2·h-1，高于RR 处理两季平均CH4排放通量23.08 mg·m-2·h-1。

RR 和SW 处理在非水稻生长季的CH4排放均较少（表2），其累积排放量仅占全年总排放量的0.05%和0.04%。水稻生长期间，RR处理中稻季CH4排放量占全年总排放量的86.30%，是再生季的6.32 倍。轮作方式显著影响了CH4排放量，RR 处理全年、中稻季CH4累积排放量分别显著低于SW 处理22.30%和32.92%（P＜0.05）。

两处理N2O 排放的季节变化规律并不一致（图1）。RR 处理紫云英季、中稻季和再生季的N2O 排放通量分别为0～390、0～517 µg·m-2·h-1和0～1 526 µg·m-2·h-1，N2O 排放峰主要出现在促苗肥施用后；RR 处理紫云英季、中稻季和再生稻季平均N2O 排放通量分别为49.02、45.48 µg·m-2·h-1和143.46 µg·m-2·h-1。SW 处理的麦季和稻季N2O 排放通量分别为0～4 004µg·m-2·h-1和0～3 019 µg·m-2·h-1，N2O 排放峰主要出现在麦季降雨后、稻季烤田及排水落干时；SW处理麦季平均N2O 排放通量为683.44 µg·m-2·h-1，是其稻季的2.86 倍。RR 处理全年平均N2O 排放通量为64.76µg·m-2·h-1，低于SW 处理的497.70 µg·m-2·h-1（P＜0.05）。

两处理的土壤N2O 累积排放量分布也并不一致（表2）。RR处理N2O排放主要集中在水稻生长季，其中再生季的N2O 累积排放量最大，占全年排放的41.54%，是中稻季的1.84 倍，紫云英季的1.16 倍；SW处理N2O 排放主要集中在小麦生长季，占全年排放的80.43%，是中稻季的4.11 倍。轮作方式显著影响N2O累计排放量，RR处理N2O全年总排放量仅为SW 处理的13.51%。

表2 2019—2020年各处理CH4和N2O季节排放量及年排放总量（kg·hm-2）Table2 Total seasonal CH4 and N2O emission throughout the experimental period of 2019—2020（kg·hm-2）

2.2 水稻产量、总温室气体排放量和温室气体排放强度

由表3 可知，RR 处理在非水稻生长季的TGHG较小，仅占全年的1.71%。RR 处理全年、稻季TGHG分别显著低于SW 处理36.31%和24.05%（P＜0.05）。RR 处理的水稻产量比SW 处理高16.19%（P＜0.05），但全年总谷物产量比SW 处理低24.33%（P＜0.05）。与SW 处理相比，RR 处理全年、稻季GHGI 降低15.85%和35.51%（P＜0.05）。

表3 2019—2020年各处理CH4和N2O的总温室气体排放量、产量及温室气体排放强度Table3 Total greenhouse gas emissions，grain yield and GHGI throughout the experimental period of 2019—2020

2.3 水稻生长季环境因素

轮作方式显著影响了土壤Eh（图2a）。RR 处理在淹水期间平均土壤Eh为-164 mV，在干湿交替时期及再生季平均土壤Eh 为-21 mV。SW 处理在淹水期间平均土壤Eh 为-182 mV，干湿交替时期平均土壤Eh为101 mV。

水稻生长季，RR 处理土壤DOC 含量为44.41～64.61 mg·kg-1，平均值为52.44 mg·kg-1，其中中稻季平均值为50.44 mg·kg-1，再生季平均值为56.04 mg·kg-1。SW 处理土壤DOC 为45.39～76.50 mg·kg-1，平均值为57.15 mg·kg-1（图2b）。

2.4 稻季CH4和N2O排放通量与环境因素相关性分析

相关性分析（表4）表明，两处理的稻季CH4排放通量均与土壤Eh 呈显著负相关（P＜0.01），但与土壤DOC 浓度无显著相关性（P＞0.05）；SW 处理的稻季CH4排放通量还与土壤含量呈显著正相关（P＜0.01）。RR 处理的稻季N2O 排放通量与土壤

表4 稻季CH4和N2O排放通量与土壤理化性质的相关关系Table4 Correlation coefficients of CH4 and N2O flux with soil properties in rice paddies under different ecosystems

含量呈显著正相关（P＜0.05）；SW 处理的稻季N2O 排放通量与土壤Eh 呈显著正相关（P＜0.01）。除SW 处理N2O 排放通量与箱温呈显著正相关（P＜0.05）外，其他温室气体排放通量与箱温无显著相关性。

3 讨论

本试验中，再生稻再生季生育期共73 d（表1），占水稻生长季的38.02%，而再生季CH4排放量仅占稻季CH4总排放量的13.66%。本研究发现，两处理CH4排放通量与土壤DOC无显著相关性，这与邓桥江等[10]的研究结果一致，说明土壤DOC的供应不是限制CH4排放的主要因素。不同地区的再生稻研究结果（表5）显示，再生季的CH4排放量占稻季CH4总排放量的2.02%～35.24%。SONG 等[9]认为再生季CH4排放量较少可能与土壤温度和水稻植株的生物量有关。再生稻是利用头季稻收割后稻桩上存活的休眠芽再生形成的一季水稻，再萌发的水稻矮于头季稻[4，14]，植株生物量明显减少，进而植株排放的CH4减少[15-16]。同时，再生季较低的土壤温度，降低了土壤产甲烷菌的活性、土壤有机质分解速率及土壤CH4产生和向大气传输的速率[17]。本研究两处理稻季CH4排放通量与箱温无显著相关性，可能是由于水分管理对土壤温度有

表5 不同地区种植再生稻对稻季CH4和N2O排放量、总温室气体排放量、产量和温室气体排放强度的影响Table5 Effects of different rotation systems on CH4and N2O emissions，total greenhouse gas emissions，yield and GHGI during rice growing season

注：a列出数据为3年平均值。

Note：aThe data listed is a three-year average.较强影响，因此箱温未能很好地反映实际的土壤温度。张浪等[8]认为，再生季期间水稻植株从收割部位重新抽穗，进而减少了由水稻分蘖造成的CH4排放；此外，水稻生长后期生理活性下降，从而降低了对CH4的传输力。与再生季不同，中稻季氮肥施用量大，较高的土壤抑制了甲烷氧化菌的活性，导致了较高的CH4排放[11]。另外，中稻季分蘖盛期水稻生长旺盛，通气组织发达[17]，此时较高的气温和较大的降水量促进了产甲烷菌的活性[18-19]，进而增大了中稻季的CH4排放量。

本研究结果显示，稻麦轮作改为再生稻种植，其稻季CH4排放量可降低22.31%（表2）。两处理CH4排放主要集中在水稻生长季，占全年总排放的99.95%～99.96%，再生稻处理中稻季CH4排放占稻季CH4排放的86.30%（表2）。因此，中稻季CH4排放量的差异是全年CH4排放总量差异的主要原因。稻麦轮作制度下，小麦收割后实施秸秆全量还田，大量还田的麦秆为土壤产甲烷菌提供了丰富的产甲烷基质，同时加速土壤Eh 的下降（图2a），为产甲烷菌的生长提供适宜的环境条件，从而显著促进稻田CH4的产生和排放[20-21]。而再生稻处理冬季栽种的是紫云英，与麦秆相比，紫云英还田量小，碳氮比也小，其还田后土壤Eh 下降幅度低于麦秆还田（图2a），因而其CH4排放量也相应较小（表2）。添加高生物量、高碳氮比的秸秆比添加低生物量、低碳氮比的绿肥产生了更多的CH4排放，在其他研究中也有报道[22-25]。不同轮作方式下，种植再生稻对CH4排放的影响不同，CH4排放量为37.13～1 034.18 kg·hm-2（表5）。吕泽芳等[11]通过对比3 种不同冬半年覆盖植被的再生稻田发现，与冬季休闲相比，冬半年种植紫云英降低再生稻CH4排放量61.87%。邓桥江等[10]发现，在优化栽培模式下，再生稻减少了CH4排放量的34.93%。本研究轮作方式和再生稻栽培模式与上述两研究试验设置相似，结果一致。

本研究中，再生季N2O 排放量占稻季N2O 总排放量的64.8%，略高于文献报道[8-11]。施用氮肥是保障再生稻高产的关键措施，其中，施用促芽肥可促进再生稻休眠芽的萌发，施用促苗肥可改善再生稻株碳氮代谢，提高结实率和穗实粒数[26]。促芽肥和促苗肥的施用为土壤硝化和反硝化作用提供了充足的底物，进而促进N2O 的产生和排放[9]。另外，再生季期间稻田仅保持浅水或无水层，此时的土壤水分状况有利于硝化和反硝化作用的进行，从而促进N2O 的产生和排放[27]。冬作紫云英还田对中稻季N2O 排放有明显抑制作用，一方面，紫云英腐解消耗土壤中的氧气，较低的土壤氧气分压不利于硝化作用的进行，从而减少N2O 产生；另一方面，紫云英还田后稻田长期处于淹水状态，使N2O 进一步还原为N2，进而减少反硝化过程所产生的N2O[11]。本研究中，紫云英在中稻移栽前还田，导致中稻季N2O 排放量较小，再生季N2O 排放量在整个稻季N2O 排放量中的占比较高。不同地区的再生稻研究结果（表5）显示，再生季的N2O 排放量占水稻生长季N2O总排放量的28.94%～49.09%。

本研究结果显示，稻麦轮作制度下非水稻生长季N2O 排放量占全年总排放量的80.43%，对全年N2O 排放量有决定性影响，稻麦轮作改为再生稻种植，非水稻生长季的N2O 排放量显著降低93.96%（表2），这是造成两处理全年N2O排放总量差异的主要原因。尽管由于氮肥施用和水分管理使水稻生长季观测到相当数量的N2O排放，但稻田大部分时间处于淹水状态，N2O闭蓄于土壤中被进一步还原为N2，因而稻田稻季的N2O 排放量显著低于其旱作季节的N2O 排放量[28-29]。旱作种植冬小麦，其N2O 排放量远高于旱作种植紫云英处理（表2），这与前人研究结果相同[30]。除小麦和紫云英植株之间存在差异可能影响N2O 排放外，冬小麦的施氮量明显高于紫云英，也有利于N2O 的产生与排放[30-33]。稻麦轮作改为再生稻种植，稻季N2O 排放量降低（表2），这可能与再生稻中稻季未施穗肥有关，观测到的再生稻田土壤含量的平均值也低于单季稻田（图2c、图2d）。轮作方式也影响稻田N2O排放（表5）。吕泽芳等[11]的研究结果表明：与再生稻-休闲和再生稻-紫云英轮作方式相比，再生稻-油菜处理冬半年和全年的N2O排放量最高。氮肥施用量的不同必然导致温室气体排放的差异，而再生稻和稻麦轮作这两种制度的氮肥施用量存在天然差异。本研究稻麦轮作处理非水稻生长季总施氮量为154 kg·hm2，水稻生长季为194 kg·hm2；再生稻处理非水稻生长季总施氮量为17 kg·hm2，水稻生长季为252 kg·hm2，总体上符合安徽省农田氮肥施用量水平[34-35]，两处理在施肥设置方面具有一定代表性，可在一定程度上代表安徽省这两种轮作制度的温室气体排放。

据报道，安徽省适宜发展再生稻的面积为4.0×105～6.0×105hm2[7]。以本试验得到的研究结果进行初步估算，安徽省全部适宜面积种上再生稻，可减少农田排放CH4和N2O 的总温室气体排放量8.41×106～1.26×107t CO2e。此外，冬季种植紫云英代替小麦，还可以降低土壤耕作强度、改善土壤结构、提高土壤肥力。因此，在安徽省推广种植再生稻具有良好的应用前景。

种植再生稻对稻田温室气体排放的影响可能是一个长期过程，未来研究应对再生稻制度下的CH4和N2O 排放进行长期观测，确定种植再生稻对稻田CH4和N2O 排放的长期影响、年际变化以及影响因素。目前，再生稻田温室气体排放相关微生物的研究仍然较少，从分子生物学水平上揭示温室气体排放规律的变化也是值得研究的方向。

4 结论

（1）再生稻的种植改变了稻田的CH4和N2O 排放规律，稻麦轮作处理与再生稻处理全年CH4排放均集中在水稻生长季，与稻麦轮作处理相比，再生稻处理降低了全年CH4排放量；两处理N2O 排放集中在不同作物生长季，再生稻处理的N2O 排放主要集中在再生季，而稻麦轮作处理的N2O 排放主要集中在小麦生长季，与稻麦轮作处理相比，再生稻处理降低了全年N2O排放量。

（2）与稻麦轮作处理相比，再生稻处理减少了全年总谷物产量，但同时降低了全年温室气体排放强度。

致谢：

感谢白湖农场为本研究提供的试验场地以及帮助。感谢中国科学院南京土壤研究所分析测试中心为本研究部分指标测定提供的科研设施仪器。