秸秆全量还田下晚稻季翻耕对双季稻田温室气体排放和产量的影响

唐 刚 廖 萍 眭 锋 吕伟生 张 俊 曾勇军 黄 山

（1教育部和江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室/江西农业大学农学院，330045，江西南昌；2赣州市烟草科学研究所，341000，江西赣州；3江西省红壤研究所，331717，江西南昌；4中国农业科学院作物科学研究所，100081，北京）

全球气候变暖已经成为人类面临的重要环境问题之一。人类活动产生的温室气体排放是造成全球气候变暖的主要原因[1-2]。研究[3]表明，农业活动对全球气候变暖具有显著影响，稻田是温室气体甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）的重要排放源。中国是世界上最重要的稻米生产国，稻田温室气体减排对降低农业源温室效应具有显著作用[4]。为此，如何减少稻田CH4和N2O排放是农业环境领域的研究热点之一[5-6]。

耕作方式通过影响土壤的理化性状和生物学过程可以直接或间接影响稻田CH4和N2O排放[7]。土壤中产甲烷菌具有垂直分布的特点，耕作强度的不同会直接影响CH4的产生和排放[8]。成臣等[9]研究表明，在秸秆还田条件下，翻耕处理降低了稻田土壤耕层总有机碳含量，抑制了土壤产甲烷菌的数量和活性，降低了稻田CH4排放。而肖小平等[10]研究表明，浅水灌溉下翻耕和旋耕均使稻草与土壤完全接触后产生大量CH4，二者的CH4排放速率无显著差异。张岳芳等[11]研究发现，麦秸还田条件下，翻耕处理在降低CH4排放的同时增加了N2O排放。白小琳等[12]研究表明，翻耕使秸秆埋布在土壤深层，导致N2O吸附在深层土壤上，从而达到降低排放的目的。由此可见，目前关于耕作方式对稻田CH4和N2O排放影响的研究结论不一。

秸秆全量原位还田有利于提高土壤肥力，减少大气污染，但大量有机质在淹水环境下会加剧稻田温室气体排放[13]。另外，在南方双季稻系统，早稻收获到晚稻移栽的间隔期很短，大量秸秆还田不利于土壤耕作。翻耕有利于秸秆还田，提高耕作质量。但是，关于翻耕对晚稻季稻田温室气体排放影响的研究较少，而且耕作方式对稻田温室气体排放是否具有持续效应也不甚清楚。因此，本研究在秸秆全量还田下开展晚稻季翻耕和浅旋耕对比试验，以阐明晚稻季翻耕对当季晚稻以及第2年早稻季温室气体排放和产量的影响，为南方双季稻系统水稻丰产和温室气体减排提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年7月-2019年7月在江西省南昌市进贤县江西省红壤研究所（28°15′30″ E，116°20′24″ N）进行。该地属于亚热带季风湿润气候，平均海拔137.5m，年均气温17.7°C，日照时数1900～2000h，年均降雨量1600～1700mm。试验地种植制度为双季稻，即早稻季（4-7月）、晚稻季（7-11月）和冬季休闲（11月-翌年4月）。供试土壤是由第四纪红色黏土发育而成的水稻土。0～20cm耕层土壤pH 5.04，有机质29.82g/kg，全氮1.74g/kg，碱解氮144.59mg/kg，有效磷21.92mg/kg，速效钾40.76mg/kg。

1.2 试验设计

采用单因素完全随机设计，设置当季晚稻浅旋耕（RT）和翻耕（PT）2个处理，第2年早稻季均采用传统浅旋耕耕作。传统浅旋耕处理的耕作深度为10～15cm，翻耕处理深度为20～25cm。3次重复，每个小区面积48m2（6m×8m）。

晚稻季和早稻季供试品种分别为杂交籼稻泰优871和常规籼稻中嘉早17。晚稻和早稻播种日期分别为6月25日和3月26日，移栽日期分别为7月28日和4月29日，收获日期分别为10月28日和7月21日。晚稻和早稻移栽密度分别为25cm×16cm和25cm×13cm，移栽基本苗分别为每穴2苗和 4苗。晚稻季氮、磷和钾肥施用量分别为 N 195kg/hm2、P2O575kg/hm2和 K2O 75kg/hm2。第 2年早稻季氮肥施用量为N 165kg/hm2，磷和钾肥施用量与上一年晚稻季相同。氮肥为尿素，磷肥为钙镁磷肥，钾肥为氯化钾。全部的磷肥、50%氮肥和50%钾肥作基肥；20%氮肥作分蘖肥；剩余30%氮肥和50%钾肥作穗肥。田间水分管理模式为水稻分蘖前期保持浅水灌溉，分蘖中期排水晒田，幼穗分化期再次灌水，抽穗后采用干湿交替灌溉直至收获前7～14d断水。晚稻季和第2年早稻季晒田日期分别为8月18日和5月24日，复水日期分别为8月25日和6月4日（图1）。田间病、虫、草害等管理措施与当地高产田一致。2018年早稻和晚稻均采用全喂入式联合收割机收割，并同时将秸秆粉碎全量原位还田。秋收后冬季休闲期稻田不作耕作处理，排干水分并做好病、虫、草害防控，在第2年早稻移栽前灌水泡田5d；然后浅旋耕（10～15cm）埋茬；施基肥，灌浅水（1～2cm水层），防止秸秆漂浮，常规旋耕平地，沉实2d后插秧。

图1 稻田水层深度变化（2018-2019）Fig.1 The dynamics of water depth in the field during 2018-2019

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成 在水稻成熟期，每个小区调查 150穴水稻，计算有效穗数。根据平均有效穗数，各小区取5穴水稻，考察穗粒结构。另外，每个小区人工收割 10m2水稻，机械脱粒后称重。同时，取1kg稻谷于70°C烘干至恒重，测定含水量，按照13.5%的标准含水量换算水稻产量（kg/hm2）。

1.3.2 温室气体排放 采用静态暗箱－气相色谱法连续监测稻田温室气体排放。温室气体采样箱（长×宽×高=50cm×50cm×50cm）和底座（长×宽×高=50cm×50cm×15cm）规格均已有详细报道[2]。水稻移栽前，将底座置于小区内离田埂约2m处，底座下部固定于土壤，上部设有凹槽，采集气体时，将底座凹槽注满水，以保证箱内气体不与外界环境进行交换。每次采集气体时，在田埂与底座之间搭设栈桥，防止在采集气体过程中对土壤环境造成扰动。晚稻收获后，将底座移出，第2年早稻移栽前再次将底座放入各小区。每隔6d采集1次稻田温室气体，每次取样时间为上午 8:00-10:00。每隔10min取1次气体注入真空气袋内，共采集4次。同时，记录取气时暗箱内温度和田间温度（图2）。

图2 田间温度变化（2018-2019）Fig.2 The dynamics of temperature in the field during 2018-2019

采用Agilent 7890b气相色谱仪（安捷伦科技有限公司，美国）测定CH4和N2O浓度。CH4和N2O检测器分别为氢火焰离子化检测器和电子捕获检测器。气相色谱仪参数设置参照文献[2,14]。温室气体排放通量计算公式为：

式中，F表示温室气体排放通量，CH4和N2O分别以 mg/(m2·h)和 μg/(m2·h)为单位；ρ为标准气压下温室气体密度；h为取气时净箱高；dc/dt为单位时间内气体浓度变化；T为取气时箱内平均温度。

根据加权平均法[2]计算稻田 CH4和 N2O累积排放总量（kg/hm2）。

1.3.3 综合温室效应和温室气体排放强度 在100年时间尺度上，单位质量CH4和N2O综合温室效应（global warming potential，GWP）分别为CO2的28倍和265倍[15]。因此，综合温室效应根据CO2当量进行换算。计算公式为：

式中，GWP表示综合温室效应（kg CO2-eq/hm2），T(CH4)和T(N2O)分别表示当季CH4和N2O累积排放总量。

温室气体排放强度（greenhouse gas intensity，GHGI，kg/kg）表示单位稻谷产量对气候变化的潜在影响。计算公式为：

式中，Y表示水稻产量（kg/hm2）。

1.4 数据处理

采用SPSS 18.0软件进行数据统计，采用最小显著性差异法（LSD）进行显著性检验（P＜0.05），采用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 晚稻季翻耕对双季水稻产量及其构成的影响

由表1可知，与浅旋耕处理相比，晚稻季翻耕对当季晚稻和第2年早稻产量及其构成均无显著影响。双季RT处理与晚稻季PT处理的早稻季产量均显著低于晚稻季，其平均产量分别降低了1217.46和1390.34kg/hm2。从产量构成看，双季RT处理与晚稻季PT处理的穗粒数早稻季均显著低于晚稻季，2个处理的晚稻季和早稻季有效穗数、千粒重和结实率均无显著差异。

表1 秸秆全量还田下晚稻季翻耕对双季水稻产量及其构成的影响Table 1 Effects of moldboard plow tillage under all straw return in the late rice season on grain yield and its components in double rice-cropping system

2.2 晚稻季翻耕对双季稻田CH4排放通量的影响

由图 3可知，稻田 CH4排放主要集中在晚稻季。晚稻季和第 2年早稻季稻田 CH4排放通量变化范围为 0.01～97.06mg/(m2·h)。晚稻季 CH4排放通量表现为移栽后快速上升，在水稻分蘖前期（7月29日-8月10日）出现排放高峰，RT和PT处理的最大排放值分别达到 97.06和 55.25mg/(m2·h)，分蘖中期排水晒田后CH4排放迅速下降，覆水后排放速率较低，收获前2周CH4排放趋近于零。第2年早稻季CH4排放通量表现为移栽后缓慢上升，在水稻分蘖期（5月10日-5月24日）出现排放高峰，RT和 PT处理的最大排放值分别达到 29.19和23.69mg/(m2·h)，晒田后下降，覆水后排放速率亦较低，生育后期CH4排放通量变化较小。

图3 秸秆全量还田下晚稻季翻耕对双季稻田CH4排放通量的影响Fig.3 Effects of moldboard plow tillage under all straw return in the late rice season on CH4 emission fluxes in double rice-cropping system

PT处理在晚稻季的CH4平均排放通量低于RT处理。PT与RT处理在晚稻季CH4平均排放通量分别为15.96和18.64mg/(m2·h)，第2年早稻季CH4平均排放通量分别为7.82和6.64mg/(m2·h)。

2.3 晚稻季翻耕对双季稻田N2O排放通量的影响

由图4可知，晚稻季和第2年早稻季稻田N2O排放幅度变化均较大。各处理N2O排放通量变化范围为-22.92～41.68μg/(m2·h)。PT 处理在晚稻中期（8月18日）晒田和后期（9月29日）干湿交替灌溉时监测到N2O排放高峰，排放通量最大值分别达到35.89和 31.74μg/(m2·h)；RT处理在后期（9月 15日）干湿交替灌溉时监测到N2O排放高峰，排放通量最大值达到41.68μg/(m2·h)。PT处理在第2年早稻生育前期（5月4日）、中期（5月24日）晒田和后期（6月24日）干湿交替灌溉时监测到N2O微弱的排放峰，排放通量最大值分别达到 7.34、15.24和 6.35μg/(m2·h)；RT 处理在第 2年早稻生育前期（5月10日）监测到N2O排放高峰，排放通量最大值达到29.93μg/(m2·h)。与RT处理相比，PT对晚稻季和第2年早稻季N2O排放通量的影响未发现明显规律。

图4 秸秆全量还田下晚稻季翻耕对双季稻田N2O排放通量的影响Fig.4 Effects of moldboard plow tillage under all straw return in the late rice season on N2O emission fluxes in double rice-cropping system

2.4 晚稻季翻耕对双季稻田CH4和N2O累积排放量、综合温室效应和温室气体排放强度的影响

由表2可知，与RT处理相比，PT处理显著降低了晚稻季 CH4累积排放总量（19.04%）、GWP（19.19%）和GHGI（22.02%），而对N2O累积排放总量无显著影响。在第2年早稻季，PT处理对稻田CH4和N2O累积排放总量、GWP和GHGI均无显著影响。2个处理下的早稻季 CH4累积排放量、N2O累积排放量、GWP和GHGI均显著低于晚稻季。

表2 秸秆全量还田下晚稻季翻耕对双季稻田CH4和N2O累积排放量、综合温室效应和温室气体排放强度的影响Table 2 Effects of moldboard plow tillage under all straw return in the late rice season on CH4 and N2O accumulation emission fluxes, GWP, and GHGI in double rice-cropping system

3 讨论

3.1 翻耕对稻田CH4和N2O排放的影响

稻田CH4排放是由产甲烷菌以有机质为底物，在严格厌氧条件下产生的[16]，并且CH4排放量与有机碳分解速率呈正相关[17]。本研究表明，双季稻田秸秆全量还田下，与传统浅旋耕相比，翻耕显著降低了晚稻季CH4累积排放量。主要原因有，稻田秸秆还田后，翻耕处理可能会破坏土壤产甲烷菌生存的厌氧环境，从而降低了CH4排放[18]。有研究[19]表明，与浅旋耕相比，稻田翻耕后，土壤耕作层变厚，土壤总孔隙度和通透性提高，有效抑制了稻田产甲烷菌的活性和数量。浅旋耕处理可能更容易粉碎水稻秸秆，使秸秆分解速率加快[20-22]。而在翻耕处理时，铧式犁深耕对秸秆的粉碎程度较小，有效地降低了秸秆腐解速率，因此降低了稻田CH4的排放[23]。然而，在本研究中，晚稻季PT处理对第2年早稻季稻田 CH4排放无显著影响。一方面可能是由于在南方双季稻系统中，从晚稻收获到第 2年早稻移栽有长达 5个月的冬闲季，晚稻收获后覆盖在稻田土壤表面的秸秆会被土壤微生物腐解，降低秸秆中有机碳，特别是易分解有机碳的含量[24-25]，导致在第2年早稻季翻耕与浅旋耕土壤产甲烷菌对底物碳利用的差异降低。另一方面，晚稻季水稻机械收获和第2年早稻季旋耕机的旋耕作业，以及小区内反复的机械压实可能会降低处理间土壤总孔隙度和通透性的差异[26]。因此导致上一年晚稻季翻耕对稻田CH4的减排效应在第2年早稻季已消失。

在本试验周期内，水稻生长季稻田N2O排放微弱，且处理间无显著差异。稻田耕作通过改变土壤性状和影响土壤微生物的硝化和反硝化作用，从而影响稻田 N2O排放[27]。目前有关不同耕作方式对稻田 N2O排放影响的研究结论不一[24,28]。这主要是与稻田 N2O排放的时空变异性大有关[9]。有研究[29-30]表明，秸秆还田能够吸附土壤中的NH4+，同时秸秆在腐解过程中消耗土壤中的O2，导致土壤微生物硝化速率下降。因此，与浅旋耕相比，翻耕使得秸秆掩埋更深，可能会减少稻田N2O排放。但在本试验中，未发现类似现象。原因可能是在水稻种植过程中，为了提高氮肥的利用效率和水稻产量，施用氮肥时均保持有一定水层，持续淹水导致稻田N2O排放量较低[31]。另外，在本试验水稻中期排水烤田时常遇到阴雨天气，导致土壤含水量较高，抑制了稻田N2O排放[32]。因此，微弱的稻田N2O排放以及较大的变异性导致本试验中浅旋耕与翻耕处理间稻田N2O排放的差异不显著[2,13]。

本研究显示，在南方双季稻生长季节中，晚稻季对CH4和N2O的排放贡献率显著高于早稻季。这与前人[12,33-34]关于南方双季稻系统下CH4和N2O排放特征的研究结果一致。晚稻季CH4排放高的主要原因，一方面是晚稻生育前期气温较高。另一方面，大量新鲜的早稻秸秆还田不仅为产甲烷菌提供了充足的碳源[35]，同时也降低了土壤的氧化还原电位[36]，从而促进了 CH4的产生。本试验中晚稻季N2O排放较低。汤宏[37]研究表明，秸秆还田可以有效降低稻田N2O排放。早稻季N2O排放出现负相关性的原因可能是此季节温度较低且试验区经常出现连续降雨，稻田土壤处于持续淹水状态，导致土壤孔隙中 O2含量极低，土壤反硝化过程较为彻底[31,38]，抑制了稻田N2O产生。

3.2 晚稻季翻耕对水稻产量的影响

与浅旋耕相比，晚稻季翻耕对当季晚稻和第2年早稻产量均无显著影响。目前有关稻田翻耕对水稻产量影响的研究结果也不一致[39-41]。汤军等[39]研究表明，与浅旋耕相比，深翻耕对机插条件下双季稻产量无显著影响。姚秀娟[18]研究表明，翻耕处理后，在第1年水稻产量低于传统浅旋耕处理，而在第2年和第3年则无明显差异。唐海明等[41]研究则认为，翻耕提高了水稻根系活力，提高了叶片的光合能力，从而促进干物质积累，提高水稻产量。本试验地的犁底层厚度约 15cm，可能并未限制水稻的生长。因此，在本试验中，翻耕加深耕层厚度对水稻产量的影响不显著。关于稻田耕作深度，代贵金等[42]研究表明，当耕层深度为12cm时，旋耕与翻耕 15cm的处理之间产量无显著差异。彭成林等[43]研究表明，土壤耕作深度对水稻产量没有显著影响。钱银飞等[44]研究表明，长年的单一旋耕和翻耕均会加速土壤中有机质和养分的流失，导致土壤地力降低，影响水稻生长和产量形成。因此，需要采取合理的轮耕模式，在维持土壤肥力的同时，保证水稻高产、稳产。

耕作方式对土壤性状和产量的影响可能存在多年的累积效应，且耕作措施的效应也受气候条件的影响，因此，还需要进行长期的定位试验观测。另外，在实际生产中，稻田铧式犁深耕会增加农机作业成本，农户一般不会进行连续多季翻耕。本研究表明，晚稻季翻耕的减排效应仅能保持1季。因此，需要进行适当的生态补偿以促进稻田翻耕措施的应用。

4 结论

在秸秆全量还田条件下，与传统浅旋耕处理相比，晚稻季翻耕显著降低了稻田CH4排放、综合温室效应和温室气体排放强度，对 N2O累积排放量无显著影响。翻耕的减排效应仅体现在当季，对第2年早稻季的CH4排放无显著影响。晚稻季翻耕对当季晚稻和第2年早稻产量及其构成因素均无显著影响。