稻田复种轮作下周年温室气体排放及综合效益评价

杨滨娟 邓丽萍 袁嘉欣 胡启良 黄国勤

摘要：为减缓温室气体排放和削弱长期连作障碍，在长期定位试验的基础上，通过设置不同复种方式，综合分析稻田复种轮作系统下周年温室气体排放规律和综合效益评价。结果表明，稻田CO2和CH4不同季节排放量趋势一致，均是晚稻>早稻>冬作物，而N2O排放与之相反。从温室气体的排放总量来看，CO2排放总量明显高于CH4、N2O排放总量。处理A（紫云英—早稻—晚稻）CO2排放总量最高，但N2O和CH4排放总量均最低，N2O和CH4排放总量最高的是处理C（油菜—早稻—晚稻）。无论是冬季作物生长季、水稻生长季还是全年，3种温室气体的综合GWP均是以处理A最低，处理C最高，双季稻田冬种油菜对全球增温贡献较大，对环境来说是不利的，从这一点考虑，冬种紫云英相对来说是对环境更有利的。“混播绿肥—早稻—玉米‖大豆→混播绿肥—早稻—晚稻”综合效益较好，最具可持续发展优势，有利于农业的绿色高效可持续发展。因此，“紫云英—早稻—晚稻”和“混播绿肥—早稻—玉米‖大豆→混播绿肥—早稻—晚稻”这2种模式是适合我国南方稻区大面积推广应用的稻田冬季农业开发与复种轮作模式。

关键词：复种轮作;温室气体排放;综合效益;稻田

中图分类号：S344.1;S344.3;S181   文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）02-0225-07

收稿日期：2021-05-19

基金项目：国家重点研发计划（编号：2016YFD0300208）;国家自然科学基金（编号：41661070）。

作者简介：杨滨娟（1985—），女，山东淄博人，博士，助理研究员，主要从事耕作制度与农业生态研究。E-mail：yangbinjuan@jxau.edu.cn。

通信作者：黄国勤，博士，教授，主要从事作物学、生态学、农业发展与区域农业、资源环境与可持续发展等研究。E-mail：hgqjxes@sina.com。

我国的耕地面积只占全世界的7%，其中“光热水土”等农业自然资源匹配的只占国土面积的9%，因此，如何改善土壤生态环境，保持土壤肥力，提高农田复种指数，提高粮食作物产量是重中之重。冬种作物主要是紫云英、油菜、肥田萝卜、黑麦草等绿肥作物，同时还有常见的小白菜、大蒜、菠菜等蔬菜，这种稻田周年复种轮作模式在作物持续增产、维持地力和土壤改良等方面发挥着重要作用，具有广阔的发展和研究前景[1-5]。但复种轮作体系中不同的施肥方式、水分管理措施以及作物种类都会影响农田生态系统的温室气体排放[6]。如何在保障粮食安全生产的前提下减缓稻田温室效应也是当前的研究热点问题。有研究表明，大气中80%的甲烷是由生物活动产生的，其中33%～49%来自稻田的厌氧分解[7]。Sass研究认为，我国稻田土壤甲烷排放量占全世界稻田土壤甲烷排放量的37.6%[8]。另外，我国农业资源长期受到资源衰竭和环境恶化等因素的挑战，且人均耕地少，耕地后备资源不足。因此，在有限的土地上取得更多的生态经济效益也成为了众多学者研究的重点问题，建立农业的可持续性综合评价指标并提供可持续发展建议也显得十分必要[9-10]。稻田复种轮作系统的综合评价是对复种轮作系统的经济效益、生态效益和社会效益进行综合分析与评价[11]。因此，丰富稻田种植制度，并深入研究不同种植制度下土壤生态环境效应和综合效益，有利于筛选出适合提高作物产量、保持土壤肥力的种植模式，对解决全国粮食安全问题具有重要意义。目前，关于复种轮作系统的研究较少。本研究在长期定位试验的基础上，为探明稻田复种轮作系统的综合效应，全面分析了稻田复种轮作系统下温室气体的排放状况，以期为保障国家粮食安全、减少温室气体排放、制定合理的减排措施提供可靠的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地地理位置与气候条件

试验于2014年9月至2016年11月在江西农业大学科技园进行，土壤类型为红壤，试验地属亚热带湿润季风气候，年平均气温17.0～17.7 ℃，年降水量1 600～1 700 mm，降水天数为147～157 d，年平均暴雨天数为5.6 d，年平均相对湿度为78.5%，年日照时数为1 723～1 820 h，日照率为40%，年平均风速为2.3 m/s，年无霜期为251～272 d。试验前各小区土壤肥力均匀一致，表层0～15 cm土壤肥力状况：pH值5.07，有机质含量 35.64 g/kg，全氮含量1.74 g/kg，碱解氮含量168.29 mg/kg，有效磷含量37.32 mg/kg，速效钾含量41.78 mg/kg。

1.2 试验材料与方法

根据试验要求及试验目的，本试验共设4个处理，4次重复，随机区组排列，共16个小区，各个小区之间用水泥埂隔开，小区面积为11 m×3 m=33 m2。具体试验处理详见表1。

作物材料与品种：冬季作物紫云英品种为余江大叶籽;小白菜品种为黑叶四月慢;肥田萝卜品种为南畔洲萝卜种;油菜品种为德核杂15号。玉米品种为赣糯二号;豆角品种为美国春秋无架豆;大豆品种为农家自留种。2年试验所用的早稻材料品种均为金优458，晚稻材料品种2015年为天优华占，2016年为五丰优T025。

2014—2015年冬季作物：紫云英于2014年9月28日撒播，以30 kg/hm2播种，不施肥;小白菜、肥田萝卜、油菜于2014年11月14日播种，待来年春季均作为肥料翻压还田。于2015年3月31日冬季作物测产并将所有秸秆翻耕还田。2015—2016年冬季作物：紫云英于2015年10月3日撒播，其他冬季作物肥田萝卜、油菜和小白菜于2015年11月14日播种。2016年4月1日冬季作物测产并且所有秸秆都翻耕还田。

2015年早稻于3月26日播种，于4月29日移栽，以行距22 cm，株距19 cm进行，7月28日收获。2015年旱地作物：单作玉米先进行深耕耙平，播前晒种3～4 h，用50 ℃的温水浸种15 min，冷却后再浸6～8 h，最后用清水冲洗再进行播种，采取直播栽培的方式种植，行距60 cm，株距30 cm。玉米间作豆角：在玉米长到30～40 cm时开始播种豆角，玉米行距60 cm，株距25 cm，豆角行距40 cm，株距 35 cm，间距30 cm。玉米间作大豆 ∶玉米与大豆行比为2 ∶3，大豆行距40 cm，株距25 cm，间距 40 cm。玉米行距 60 cm，株距 33 cm，每穴2粒，定苗保留1株。2016年早稻于3月27日播种，4月28日移栽，行距22 cm，株距19 cm，7月23日收獲。2016年晚稻于6月28日播种，7月28日犁田并施基肥，7月29日移栽，行距22 cm，株距20 cm，11月2日收获。

水稻施肥以基肥为主，磷肥全部作基肥在水稻移栽前施入，水稻氮、钾肥施用比例为基肥 ∶分蘖肥 ∶穗肥=5 ∶3 ∶2。施纯氮120 kg/hm2，纯磷 60 kg/hm2，纯钾75 kg/hm2，在移栽后5～7 d施分蘖肥，在主茎幼穗长1～2 cm时施穗肥，后期施少量氮肥以保证水稻生长的氮素需求。玉米种植中磷肥作为基肥，氮 ∶磷 ∶钾施用比例为5 ∶3 ∶2。大豆施钙镁磷肥与尿素时，按基肥 ∶花肥=2 ∶3施用，施钾肥时按基肥 ∶花肥=1 ∶1施用。早稻打药3次，晚稻打药4次。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 温室气体测定 气体样品用静态暗箱法采集。采样箱由不锈钢焊接而成，尺寸为50 cm×50 cm×50 cm，箱体外覆发光铝箔用于反光隔热，箱内安有一小电扇用于混匀箱内气体，在箱子的一侧设有三通阀采气孔，箱体外置有一个红液酒精温度计用于观测箱内温度。在进行采样时，首先将采样箱置于事先埋好的底座上，底座上设有水槽，采样前，将水槽灌满水用于阻断箱体内外气体交换。在0、10、20、30 min采集样品时，用100 mL注射器来回抽5～10次以混匀气体，随后抽取气体样品到气袋中，采样结束后带回实验室测定分析。采样时间在08：30～12：00点进行，采样频率为7 d采样1次。

全球增温效应：采用联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）推荐的综合增温潜势（GWP）计算3种温室气体在100年尺度的综合增温效应，CO2、CH4和N2O的排放量分别乘以25和298再相加，得到CO2排放当量，即为3种气体的综合增温潜势。计算公式为

GWP=fCO2+fCH4×25+fN2O×298。（1）

1.3.2 综合效益指标的测定与推算 记载农田农药、化肥、劳力等投入使用量以及农田各产品的输出量，根据农产品价格的变化，计算物质、能量的投入产出状况，并采用层次分析（AHP）法和综合指数法分别确立指标权重和进行综合评价。为满足评价因素的科学性，采用理论分析、频度统计和专家咨询等方法来设置、筛选因子，对具体因子进行主成分分析，对影响微小或不关联的指标进行合并或淘汰，最后选择内涵丰富并在实践中简便实用的因素构成最终评价因素指标体系。为确保因子权重的科学性，在对稻田冬季复种轮作系统综合效益评价中，结合已有的资料和其他研究者的经验，采用AHP法确定各因子权重。本研究采用综合指数法对稻田冬季复种轮作系统的效益进行综合评价，计算公式为

Vi=∑WjFj（Xi）。（2）

式中：Vi为综合效益的综合评价指数;Wj为第j指标权重;Fj（Xi）为第j个指标的评价函数。在评价过程中，本研究采用标准化将各指标的观测值变换到同一水平上，消除其量纲的影响，这种变换称为指标Xi观测值的评价函数Fj（Xi），计算公式为

Fj（Xi）=Xij/Xjmax。（3）

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据计算统计及绘图，采用SPSS 19.0软件进行各处理之间的方差分析和多重比较，在P<0.05水平下进行方差分析，采用Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 稻田复种轮作条件下周年农田温室气体排放特征

2.1.1 稻田CO2排放 从不同季节排放量（表2）来看，CO2平均累积排放量为晚稻（3 397.15 kg/hm2）>早稻（2 797.43 kg/hm2）>冬作物（1 395.00 kg/hm2）。冬作物、早稻各处理间差异均不显著，而晚稻是处理A（紫云英—早稻—晚稻）和处理C（油菜—早稻—晚稻）排放量较高，与处理B（小白菜—早稻—晚稻）、处理D（混播绿肥—早稻—晚稻）差异显著（P<0.05）。从各处理周年累积排放量来看，以处理A最高，为 8 068.45 kg/hm2，分别高出其他3个处理14.39%、1.84%、10.32%，与处理B、处理D差异显著。从各季节排放比例来看，冬作物、早稻和晚稻季分别是处理D、处理B和处理C最高。综上，“紫云英—早稻—晚稻”处理CO2周年排放量最高，这可能与紫云英翻压还田后水稻的生长发育以及土壤微生物活动等相关，紫云英生物量大，翻压还田后为土壤微生物活动提供能源与养分，有利于土壤呼吸，CO2释放量增加。

2.1.2 稻田CH4排放 由表3可知，与CO2趋势相反，处理A的CH4周年累积排放量最低，且與其他处理差异显著。从不同季节来看，与CO2趋势一致，也是晚稻>早稻>冬季作物，各生长季CH4累积排放量均是以处理C最高，且在冬作物和早稻季与处理A差异显著;晚稻季各处理间差异不显著。从不同处理的季节排放比例来，冬作物、早稻和晚稻季分别是处理C、处理D和处理A最高。

2.1.3 稻田N2O排放 从表4可以看出，稻田N2O排放以冬作物生长季排放为主，占周年排放总量的72.79%～78.82%，早晚稻生长季排放量较小，各生长季N2O排放量为冬季作物>早稻>晚稻，与CO2、CH4排放趋势相反。冬作物、早稻和周年N2O累积排放量各处理间差异均不显著。晚稻的处理A、B、C显著高于处理D。从季节排放比例来看，冬作物生长季排放比例整体较高，其中处理D的冬作物占全年N2O累积排放量最高，达78.72%，其次是处理C（76.66%），早稻与晚稻生长季均以处理A的排放比例最高，分别为17.46%和9.75%。因此，“小白菜—早稻—晚稻”N2O排放量较高，“紫云英—早稻—晚稻”排放量最少，而且冬作物生长季是N2O排放的主要来源。

2.2 稻田复种轮作条件下温室气体排放总量及综合温室效应

从温室气体的排放总量（表5）来看，CO2排放总量明显高于CH4、N2O排放总量。CO2排放总量最高的是处理A，达8 068.45 kg/hm2，分别高出其他3个处理14.39%、1.84%、10.32%。N2O排放总量最高的是处理C（5.44 kg/hm2），而处理A的N2O和CH4排放总量均最低。从表5还可以看出，无论是短时间尺度还是长时间尺度，3种气体的综合GWP均是处理C最高，分别高出其他3个处理18.88%、8.97%、5.67%和13.44%、9.35%、6.53%。因此，双季稻田冬季种植油菜对全球增温贡献较大，4种复种轮作模式中，以紫云英—早稻—晚稻复种模式的温室效应最低，从这一点考虑，冬种紫云英相对来说是更有利的。

2.3 稻田复种轮作系统的综合效益评价

各种植系统连续2年的综合效益评价指标初始值如表6所示。从表6可以看出，光能利用率、辅助能效率、气体调节和粮食产量均以处理A（紫云英—早稻—晚稻→紫云英—早稻—晚稻）最高;N素产投比和劳动净产值率以处理B（小白菜—早稻—玉米‖豆角→小白菜—早稻—晚稻）最高，分别为0.82和72.45元/d，分别高出其他3个处理12.33%、20.59%、3.80%和7.40%、4.61%、3.31%;经济产投比和消纳废弃物以处理C（油菜—早稻—玉米→油菜—早稻—晚稻）最高，分别高出其他3个处理18.96%、20.10%、8.66%和3.87%、12.84%、1.79%;经济总产值、纯产值、物资费用出益率、养地作物指数、土壤当量比和社会保障价值均以处理D（混播绿肥—早稻—玉米‖大豆→混播绿肥—早稻—晚稻）表现较好。

通过表6和表7可得出表8所示的稻田复种轮作系统综合效益评价指数。从表8中单项效益指数来看，经济效益指数各处理大小顺序表现为处理D>处理C>处理A>处理B，生态效益指数表现为处理D>处理A>处理B>处理C;社会效益指数各处理表现为处理D>处理A>处理C>处理B。然而单项效益指数反映有限，只能反映某一方面的效益功能，难以对稻田复种轮作系统的综合效益进行准确反映，如果仅根据单项效益指数进行评价，将得出不同的结论。而综合效益指数能更好地反映各系统的整体效益功能，它能将各单项效益结合在一起，通过综合指数加以排序或判别，从而能够科学客观地对稻田生态系统进行评价。由表8还可知，稻田复种轮作系统的综合效益指数各处理大小顺序表现为处理D>处理A>处理B>处理C，综合效益指数分别为0.966、0.927、0.885、0.876，由此可以得出，“混播绿肥—早稻—玉米‖大豆→混播绿肥—早稻—晚稻”复种轮作方式较其他3种复种模式更具有可持续发展优势，综合效益更好，更有利于农业的绿色高效可持续发展。

3 结论与讨论

农田生态系统中，3种主要温室气体中属CO2的情况最复杂，作物的自养呼吸和土壤的异养呼吸都会释放CO2，是稻田生态系统CO2的排放源，其排放通量随作物生长而发生变化[14]。有研究表明，农田土壤CO2排放通量有明显的季节变化，本研究中CO2季节变化也较明显，总体呈先升后降的趋势，其峰值的出现与温度、作物生长、施肥等因素有关[15]。轮作周期内CH4排放则集中在水稻生长季，且晚稻生长季CH4排放量要高于早稻生长季，与唐海明等的研究结果[16]相一致。早稻生长季初期CH4排放通量处于较低水平，这可能与冬季作物还田、腐烂分解有关，随后CH4排放通量随着水稻生长发育的加快不断增加，直到分孽盛期后的拔节期出现排放高峰，整个早稻季CH4排放趋势呈现出先增加后降低的抛物线型变化，这与前人研究结果[17]一致。随着拔节期的结束，排放通量有一定的减小，但后期又出现了一个排放高峰，此时正处抽穗杨花期，这与韩广轩等研究发现的水稻油菜轮作条件下CH4排放峰出现在水稻抽穗扬花期结果[18]一致，这个峰值产生的原因可能是水稻根系逐渐老化、死亡，根细胞随之脱落，使得土壤中碳源增多，为土壤甲烷细菌提供了充足的能源，增强了甲烷细菌的活动。稻田N2O的产生主要源于硝化与反硝化2个过程，而参与这些过程的微生物受土壤养分、氧气浓度、水分含量、温度、有机质含量、pH值等因素控制[19-22]，本研究中，随冬种作物种类的不同，N2O排放通量也有所差异。从整个生长季排放来看，N2O排放通量在中后期要高于播种初期，这可能是因为气温的逐渐升高，有利于土壤微生物的活动，同时冬季作物根系和地上部分生理活动的增强，促进了稻田N2O排放，这与O’Hara等的研究结果[23]一致。全球增温潜势作为一种相对的指标常用来估计不同温室气体对气候系统的潜在效应。本研究中无论是短时间尺度还是长时间尺度，3种气体的综合GWP均是油菜—早稻—晚稻最高，分别高出其他处理18.88%、8.97%、5.67%和13.44%、9.35%、6.53%。因此，双季稻田冬季种植油菜对全球增温贡献较大，4种复种轮作模式中，以紫云英—早稻—晚稻复种模式的温室效应最低，从这一点考虑，冬种紫云英相對来说是更有利的。

双季稻田复种轮作系统的综合效益即经济效益、生态效益和社会效益的综合[24]，综合效益评价是对稻田轮作系统的社会、经济、生态效益进行综合分析与评价。近年来，国内外学者对稻田复种轮作的综合效益进行了大量研究，研究主要涉及评价指标体系、指标权重的确定方法等，操作性强，因此得到了广泛的应用。如危向峰等运用层次分析法确定了土壤耕地的地力评价因子权重和对黑龙江生态环境质量进行了评价研究[25-26]。本研究采用综合指数法对不同稻田复种轮作模式的效益进行综合评价，结果表明“混播绿肥—早稻—玉米‖大豆→混播绿肥—早稻—晚稻”的综合效益指数最高（0.966），因此，“混播绿肥—早稻—玉米‖大豆→混播绿肥—早稻—晚稻”这种复种轮作方式较其他3种复种模式更具有可持续发展优势，综合效益更好，更有利于农业的绿色高效可持续发展。

稻田CO2和CH4不同季节排放量趋势一致，均是晚稻>早稻>冬季作物，而N2O排放与之相反。从温室气体的排放总量来看，CO2排放总量明显高于CH4、N2O排放总量。紫云英—早稻—晚稻CO2排放总量最高，但N2O和CH4排放总量均最低，N2O和CH4排放总量最高的是油菜—早稻—晚稻。3种温室气体的综合全球增温潜势在冬季作物生长季、水稻生长季和全年均是以紫云英—早稻—晚稻最低，油菜—早稻—晚稻最高，双季稻田冬种油菜对全球增温贡献较大，对环境来说是不利的，从这一点考虑，冬种紫云英相对来说是对环境更有利的。“混播绿肥—早稻—玉米‖大豆→混播绿肥—早稻—晚稻”综合效益较好，最具可持续发展优势，有利于农业的绿色高效可持续发展。因此，“紫云英—早稻—晚稻”和“混播绿肥—早稻—玉米‖大豆→混播绿肥—早稻—晚稻”这2种模式是适合我国南方稻区大面积推广应用的稻田冬季农业开发与复种轮作模式。

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