农田管理对夜间增温稻-麦农田CH4和N2O排放强度的影响

陈佳义，李君，娄运生1，*，张震，马莉，李睿

（1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044；2.南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室，南京 210044；3.江苏省淮安市淮阴区气象局，江苏 淮安 223300）

IPCC 第六次评估报告指出，未来20 年全球平均温度增幅预计将达到或超过1.5 ℃[1]。气候变暖表现为昼夜不对称增温，即夜间温度增幅大于白天[2]。大气中甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等温室气体浓度升高是气候变暖的主要原因。工业革命以来，全球CH4和N2O 的排放量分别增加了67%和20%，其中农业CH4和N2O 的排放量分别占排放总量的67% 和60%[3-5]。我国农业排放的CH4和N2O 各占总排放量的57%和90%[6-7]。夜间增温使长江中下游地区水稻、冬小麦生育期缩短[8-10]，水稻穗粒数、结实率、千粒质量和产量下降[11]，冬小麦千粒质量和穗实粒数减少，导致产量降低[12-13]。也有研究认为，夜间增温可明显提高东北地区水稻产量[14]，增加小麦穗粒数、千粒质量和产量[15-16]。这些差异可能与试验区气候条件、土壤条件及供试品种等有关。

夜间增温可通过影响土壤性质，如土壤温度、含水量、养分含量以及微生物活性，也可通过影响水稻植株生长，进而影响CH4排放[17-20]。水稻植株生长显著影响稻田CH4排放，60%~90%的稻田CH4通过植株通气组织排入大气[21-22]。研究认为，温度升高可增强土壤硝化反硝化相关微生物及酶活性，促进农田N2O产生与排放[23-25]。但也有研究认为，温度升高可通过促进植株生长和根系吸收土壤氮素，减少农田N2O 排放[26-27]。淹水灌溉的稻田土壤处于厌氧环境，氧化还原电位下降，产甲烷菌活性较高，有利于CH4排放，但N2O 排放量较低[28-29]，而间歇灌溉或湿润灌溉等节水灌溉，均可显著降低稻田CH4排放，但增加N2O 排放[30-32]。冬小麦生长季受降水、灌溉和施肥等影响，麦田表现为N2O排放和CH4弱排放或吸收[33-36]。

稻-麦轮作是长江中下游典型的水旱轮作方式。气候变化及极端天气气候事件对稻-麦粮食生产造成很大不确定性，如极端高温干旱造成水资源短缺，严重威胁水稻可持续生产。气候变暖使冬小麦冬前生长期延长，生长生育进程加快，影响冬小麦生产[37-38]。因此，节水灌溉和适时晚播可作为稻-麦农田粮食生产应对气候变化的重要管理措施。有关夜间增温影响水稻或冬小麦生长、生理、产量及节水灌溉或冬小麦延迟播种的研究已较多，但大多集中于单一因子对单一作物生长季（水稻或冬小麦）的影响，而多因子耦合作用对稻-麦轮作农田粮食生产、温室气体排放及排放强度有何影响尚不清楚。因此，本研究通过田间模拟增温试验，探讨了湿润灌溉/晚播对增温稻-麦轮作农田粮食产量及温室气体排放的影响，为保障长江下游地区稻-麦轮作粮食生产稳定、减缓温室气体排放及应对气候变化提供试验依据。

1 材料与方法

田间模拟试验于2017 年5 月至2018 年5 月在南京市浦口区农业科研试验站（32.0°N，118.8°E）进行。该站地处亚热带湿润季风气候区，年均降水量约为1 100 mm，年均气温15.6 ℃。供试土壤为潴育型水稻土，土壤质地为壤质黏土，土壤全碳、全氮含量分别为19.4 g·kg-1和1.45 g·kg-1，黏粒含量261 g·kg-1，pH 为6.2（1∶1水土比）。供试水稻为南粳5055，供试冬小麦为苏麦188。

1.1 试验设计

水稻田间模拟试验于2017 年5—10 月进行。采用2 因素2 水平完全区组试验设计，环境温度设2 水平，即夜间增温（NW，Nighttime warming）和常温对照（CK，不增温）；灌溉设2 水平，即常规灌溉（F，间歇淹水，5 cm 水层）和节水灌溉（M，湿润，无水层）。水稻试验处理为：①淹水+常温对照（F+CK），②湿润+常温对照（M+CK），③淹水+夜间增温（F+NW），④湿润+夜间增温（M+NW）。夜间增温采用开放式被动增温方法，夜间将铝箔反光膜置于高度可调的钢架上，以覆盖水稻冠层（19：00 至次日6：00），根据作物生长进程及时调整铝箔膜高度，使铝箔膜与作物冠层间距保持在0.3 m 左右。被动式增温原理：地面和空气夜间存在温差，物体放出的热能以红外线方式向外辐射，反光膜将红外线反射回地面，减少热量损失，达到升温目的。在降雨或大风（风速>10 m·s-1）等恶劣天气时不覆盖铝箔膜，以免恶劣天气对增温设施造成破坏。采用自动温度记录仪测定记录冠层温度，数据记录间隔为30 min。传统淹水灌溉的稻田小区保持5~10 cm水层，采用田间自动水位仪记录水层厚度变化。节水灌溉的稻田小区无水层，保持土壤湿润，除晒田阶段，节水灌溉总观测时期土壤含水量为47.63%~54.74%。每处理重复3 次，随机排列。每个小区面积4 m2。小区间通过田埂、塑料薄膜和保护行间隔，避免水肥侧渗及边际效应干扰。

水稻种子经10%H2O2（V/V）消毒、洗涤和浸泡后，于2017 年5 月7 日育苗，6 月7 日移栽，株行距为15 cm×20 cm。移栽前1 天，施入氮磷钾复合肥（15-15-15）200 kg·hm-2作为基肥。此外，水稻分蘖期和孕穗期分别追施尿素20 kg·hm-2（以N计）。自水稻分蘖期开始，进行夜间增温处理，直至成熟收获。2017 年8月1日至12日排水晒田。采用大田常规管理，依据实际情况进行除草和病虫害防治。

冬小麦田间模拟试验于2017年11月至2018年5月进行。采用2 因素2 水平完全区组试验设计，环境温度设2 水平，即夜间增温（NW）、常温对照（CK，不增温）；播期设2 水平，即正常播期（NS，Normal sow⁃ing，11 月6 号），适时晚播（LS，Late sowing，11 月13号）。试验处理为：①正常播期+常温对照（NS+CK），②晚播+常温对照（LS+CK），③正常播期+夜间增温（NS+NW），④晚播+夜间增温（LS+NW）。夜间增温方式和装置与水稻田间试验保持一致。小区随机排列，重复3 次。每个小区面积均为2 m×2 m，冬小麦分别于2017 年11 月6 日和11 月13 日播撒种子，撒播量为25 g·m-2。小麦播种前，施入氮磷钾复合肥（15-15-15）200 kg·hm-2作为基肥。根据田间实际情况，进行除草和病虫害防治。

1.2 测定方法

1.2.1 排放通量测定

农田CH4和N2O 排放通量采用密闭静态箱-气相色谱法测定。自水稻分蘖期至成熟期和冬小麦分蘖期至成熟期，根据天气（气温、降水）及施肥等情况调整采样时间，一般3~7 d采集气样1次，时间为上午8：00—11：00。密闭静态箱由透明PVC 材料制成。采样时将静态箱底部置于事先固定于土壤的底座上，通过向底座水槽加水密封保证静态箱气密性。抽气前接通采样箱顶部内置微型直流风扇电源20 s，以混匀采样箱内气体。用带有三通阀的注射器于封箱后0、15、30 min 采集50 mL 气样，注入事先抽成真空的采样瓶中。所采气样带回实验室，用气相色谱仪（Agi⁃lent 7890B GC）检测CH4和N2O 浓度。气相色谱仪检测条件为：色谱柱型号为P/N 19091J-413，柱箱温度50 ℃，载气为N2，FID 温度250 ℃，ECD 温度300 ℃，高纯H2（99.999%）和干燥无油压缩空气的流量分别为50 mL·min-1和450 mL·min-1，载 气 为 高 纯N2（99.999%）或高纯He（99.999%）。

气体排放通量计算公式[39]：

式中：F为气体排放通量，mg·m-2·h-1；ρ为标准状态下气体密度，CH4和N2O 的气体密度分别为0.714 kg·m-3和1.25 kg·m-3；H为采样箱的净高度，m；为单位时间内采样箱内气体的浓度变化率；T为采样过程中采样箱内的平均温度，℃。

各生育期CH4和N2O的累积排放通量计算公式：

式中：ET为气体累积排放总量，mg·m-2；Fi和Fi+1分别为第i次和第i+1 次采样时气体平均排放通量，mg·m-2·h-1；Di和Di+1分别是第i次和第i+1 次采样时的采样时间，d。

1.2.2 生物量及产量测定

在水稻和冬小麦成熟期采样，每小区随机选取代表性植株3 株，植株按叶片、茎鞘、穗和根分装，置于烘箱中105 ℃杀青30 min，然后80 ℃烘干至质量恒定，干燥冷却至室温后，测定植株各部位干物质量。作物成熟后，每小区取0.5 m×0.5 m 范围内作物，用常规方法进行脱粒、风干并对产量进行测算。

1.2.3 持续变化的全球增温/冷却潜势计算

全球变暖背景下，考虑到温室气体对全球辐射效应的影响，实际上是大气中持续存在的温室气体影响，而不是一次脉冲产生的温室气体影响，本文采用Neu⁃bauer 和Megonigal 提出的持续变化的全球增温潜势（SGWP）和持续变化的全球冷却潜势（SGCP）来评估CH4和N2O对气候的影响[40]。当气体排放通量为正时，表现为持续变化的全球增温潜势（SGWP）；当气体排放通量为负时，表现为持续变化的全球冷却潜势（SGCP）。

SGWP和SGCP计算公式[41-42]：

式中：SGWPCH4和SGWPN2O分别表示CH4和N2O导致的全球增温潜势，kg CO2e·hm-2）；SGCPCH4和SGCPN2O分别表示CH4和N2O 导致的全球冷却潜势，kg CO2e·hm-2；TCH4和TN2O分别为CH4和N2O 的累积排放总量，kg·hm-2；45 和270 分别为CH4和N2O 累积排放通量为正时所乘系数；203和349分别为CH4和N2O累积排放通量为负时所乘系数；TotalSGWP/SGCP为各处理的总SGWP/SGCP，kg CO2e·hm-2。

1.2.4 排放强度计算

为综合评价各处理的温室效应，本文采用温室气体排放强度（GHGI）评价农业生产对作物产量和温室气体排放的双重影响。

GHGI计算公式[43]：

式中：GHGI为温室气体排放强度，kg CO2e·t-1；TotalS⁃GWP/SGCP为各处理的总SGWP/SGCP，kg CO2e·hm-2；Yield为各处理单位面积平均产量，t·hm-2。

1.2.5 环境因子测定

常规气象要素（气温、降水等）通过常规气象观测系统自动记录采集。

1.3 数据处理与分析

用Microsoft Excel 和Origin 9 软件进行试验数据分析处理并绘制图表，用SPSS 20 统计分析软件进行统计分析。用最小差异显著法（LSD 法）进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 环境条件

2.1.1 日均气温和降水量

如图1 所示，水稻生育期内日均气温呈现为先波动上升，而后波动下降趋势，水稻生育期平均气温为26.52 ℃。水稻分蘖期至拔节期（2017 年7 月11 日至31 日）持续21 d 日均气温高于30 ℃，其中，最高日均气温为35.05 ℃，出现于7月27日。另外，还有几段短期持续高温和几天零散高温。水稻生育期内日均气温超过30 ℃的天数共有30 d。水稻生育期内累积降水量为695.9 mm，降水集中于晒田和生长后期，其中，晒田期（2017 年8 月1 日至12 日）累积降水量为204.8 mm，占全生育期累积降水量的29.43%；水稻生长后期（2017年9月20日至10月13日）累积降水量为279.5 mm，占全生育期累积降水量的40.16%。全生育期单日最高累积降水量为105 mm，出现于8月8日。

图1 稻、麦生育期内日均气温和降水量变化Figure 1 The variations of average daily temperature and precipitation during rice and wheat growth periods

如图1所示，冬小麦生育期内日均气温表现为先波动下降，而后波动上升趋势。冬小麦生育期平均气温为10.81 ℃，共有14 d 日均气温低于0 ℃，2018 年1月25 日至31 日持续7 d 日均气温低于0 ℃，其中，最低日均气温为-3.77 ℃，出现于1 月30 日。冬小麦生育期内日最高气温大于30 ℃的天数持续6 d（2018 年5月13日至18日），大于35 ℃的天数持续3 d（2018年5月14 日至16 日）。冬小麦生育期内累积降水量为446.9 mm，降水集中于冬小麦生育后期，2018年5月6日至23日累积降水量为163.3 mm，占全生育期累积降水量的36.54%。全生育期单日最高累积降水量为103.5 mm，出现于5月7日，此时，冬小麦处于成熟期。

2.1.2 冠层气温及活动积温

如表1 所示，水稻淹水灌溉下，与常温对照相比，夜间增温使水稻冠层夜间平均温度在分蘖期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期分别增加0.58、1.29、0.58、2.04 ℃和1.34 ℃；湿润灌溉下，与常温对照相比，夜间增温使冠层夜间平均温度在水稻分蘖期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期分别增加0.70、1.47、0.79、1.91 ℃和1.29 ℃。两种灌溉方式下，夜间增温与常温对照处理间的差异，均在水稻灌浆期最高。两种温度下，湿润灌溉下水稻冠层夜间平均温度在上述生育期中均高于淹水灌溉。水稻冠层夜间平均温度在各生育期的变化趋势均呈现为夜间增温+湿润灌溉>夜间增温+淹水灌溉>湿润灌溉>淹水灌溉。

表1 夜间增温对稻、麦主要生育期夜间冠层平均温度的影响Table 1 Effects of nighttime warming on mean nighttime canopy temperature in rice and wheat during main growth periods

如表1 所示，冬小麦正常播期下，与常温对照相比，夜间增温使冬小麦冠层夜间平均温度在分蘖期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期分别增加0.37、0.47、0.42、0.43 ℃和1.89 ℃；适时晚播下，与常温对照相比，夜间增温使冬小麦冠层夜间平均温度在分蘖期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期分别增加0.29、0.52、0.72、0.50 ℃和1.59 ℃。两种温度条件下，适时晚播冬小麦冠层夜间平均温度在分蘖期-灌浆期均高于正常播期。

如表2 所示，常规灌溉下，夜间增温使水稻不同生育期（分蘖期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期）夜间冠层活动积温（≥10 ℃）分别较常温对照增加12.5、46.9、28.5、61.6 ℃和42.3 ℃；湿润灌溉下，夜间增温使水稻上述生育期夜间冠层活动积温分别较常温对照增加20.0、68.0、42.7、107.2 ℃和61.8 ℃；两种灌溉情况下活动积温的最大增幅均在灌浆期。相同灌溉方式下（常规灌溉或湿润灌溉），夜间增温使总观测期内冠层活动积温分别较常温对照增加191.8 ℃和299.0 ℃。

表2 夜间增温对稻、麦主要生育期夜间冠层活动积温的影响Table 2 Effects of nighttime warming on canopy nighttime active accumulated temperature in rice and wheat during main growth periods

如表2 所示，正常播期下，夜间增温使冬小麦不同生育期（分蘖期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期）夜间冠层活动积温（≥0 ℃）分别较常温对照增加12.3、4.1、2.8、3.3 ℃和37.5 ℃；适时晚播下，夜间增温使上述生育期夜间冠层活动积温分别增加14.6、12.7、8.2、6.7 ℃和51.0 ℃。相同播期下（正常播期或适时晚播）夜间增温使总观测期内冬小麦冠层活动积温分别较常温对照增加60.1 ℃和92.9 ℃。与常温对照相比，夜间增温下冬小麦各生育期及总观测期内冠层活动积温增幅，适时晚播均高于正常播期。

2.1.3 稻田水层变化

水稻幼苗移栽后，常规灌溉处理的稻田处于淹水状态，日均水层厚度基本保持5~10 cm（图2）。晒田期间（2017年8月1日至12日）灌溉停止，期间降水较多，但经及时排水，加之气温较高，稻田无积水层。晒田结束，稻田开始灌溉覆水，日均水层厚度保持在5 cm 左右。进入成熟期（2017 年9 月21 日前后），灌溉减少，进入排水晒田状态。

图2 水稻生长季常规灌溉稻田水层厚度变化Figure 2 Variation of water layer thickness in paddy field under flooding irrigation in rice growing season

2.2 不同水分管理下夜间增温对稻田CH4和N2O 排放影响

2.2.1 稻田CH4和N2O排放通量

不同处理下稻田CH4季节性排放特点基本一致，排放呈多峰变化趋势（图3A）。水稻分蘖期（7 月7 日至14日），稻田CH4排放通量均呈下降趋势，随后除湿润灌溉下常温对照处理外，其他3 种处理稻田CH4排放通量均呈上升态势，各处理于晒田前（7月28日）达到峰值。随晒田进行，各处理稻田CH4排放通量迅速下降；晒田结束后重新灌溉覆水，稻田CH4排放通量又呈现上升趋势，并于8月25日达到第二个峰值，然后直至水稻成熟，各处理CH4排放通量均表现为波动下降趋势。与常温对照或淹水灌溉相比，夜间增温或湿润灌溉均显著降低稻田CH4排放通量，但湿润灌溉下，夜间增温则显著提高稻田CH4排放通量。

图3 不同水分管理下夜间增温对稻田CH4和N2O排放通量的影响Figure 3 Effects of nighttime warming on CH4 and N2O fluxes in rice field under different water management

不同处理下稻田N2O季节性排放均呈多峰变化趋势，而且与农田CH4排放通量存在互为消长关系（图3B）。水稻分蘖期，稻田N2O 排放通量基本呈上升趋势，随持续灌溉时间延长，稻田N2O 排放通量下降，并于晒田前降至低值。随晒田进行，稻田N2O 排放通量迅速上升至峰值；晒田结束后，随农田重新灌溉覆水，稻田N2O排放通量迅速下降，随水稻进入成熟期，灌溉强度减弱，稻田N2O排放通量又逐渐波动上升。

2.2.2 稻田CH4和N2O累积排放量

表3 表明，水稻生长前期，即分蘖期-拔节期，稻田CH4累积排放量最高，各处理稻田CH4累积排放量均占其总观测期总排放量的60%以上。淹水灌溉下，夜间增温使稻田分蘖期、拔节期、成熟期CH4累积排放量减少，抽穗开花期和灌浆期CH4累积排放量升高，总观测期CH4累积排放量减少57%，处理间差异均达显著水平（P<0.05）；湿润灌溉下，夜间增温使稻田各生长期CH4累积排放量均升高，总观测期CH4累积排放量升高192.90%，除分蘖期和灌浆期外，处理间差异均达显著水平（P<0.05）；夜间增温下，湿润灌溉使稻田分蘖期、拔节期、成熟期CH4累积排放量升高，抽穗开花期、灌浆期CH4累积排放量降低，总观测期CH4累积排放量升高39.98%。常温对照下，湿润灌溉使稻田各生育期CH4累积排放量降低，总观测期CH4累积排放量降低79.46%。

表3 不同水分管理下夜间增温对稻田CH4累积排放量的影响Table 3 Effects of water management on cumulative CH4 emissions from rice field under nighttime warming

表4 表明，水稻成熟期稻田N2O 累积排放量占主导地位，成熟期各处理稻田N2O 累积排放量占其总观测期总排放量的40%左右，分蘖期和灌浆期最少，仅占总排放量的5%左右。淹水条件下，夜间增温使稻田分蘖期、抽穗开花期、灌浆期和成熟期N2O 累积排放量增多，拔节期N2O 累积排放量减少，总观测期N2O 累积排放量增多30.52%，除分蘖期和灌浆期外，处理间差异均达显著水平（P<0.05）；湿润条件下，夜间增温使稻田分蘖期、拔节期和灌浆期N2O 累积排放量降低，抽穗开花期和成熟期N2O 累积排放量升高，总观测期N2O 累积排放量降低3.63%，除分蘖期和灌浆期外，处理间差异均达显著水平（P<0.05）。

表4 不同水分管理下夜间增温对稻田N2O累积排放量的影响Table 4 Effects of water management on cumulative N2O emissions from rice field under nighttime warming

常温对照下，湿润灌溉使稻田总观测期N2O 累积排放量增加97.21%，除分蘖期和灌浆期外，处理间差异均达显著水平（P<0.05）；夜间增温下，湿润灌溉使稻田总观测期N2O 累积排放量升高45.62%，仅成熟期处理间差异达显著水平（P<0.05）。

2.3 不同播期下夜间增温对麦田CH4和N2O排放的影响

2.3.1 麦田CH4和N2O排放通量

不同处理下麦田CH4季节性排放特点基本一致，排放呈多峰变化趋势（图4A）。拔节期到灌浆期，各处理麦田基本表现为CH4吸收，CH4吸收通量呈波动状态，其中两个较高吸收峰分别出现于2018 年3 月6日（拔节期）和4月15日（抽穗期或开花期）；4月15日后麦田CH4吸收通量逐渐减少，随冬小麦成熟，各处理麦田CH4排放通量均表现为迅速上升趋势。4月15日的吸收峰，与常温对照相比，夜间增温使麦田CH4吸收量在正常播期和晚播两种条件下均升高；与正常播期相比，晚播使麦田CH4吸收通量在夜间增温条件下降低。5月3日的排放峰，与常温对照相比，夜间增温使麦田CH4排放通量在正常播期和晚播两种条件下均升高；与正常播期相比，晚播使麦田CH4排放通量在常温对照和夜间增温两种条件下分别升高和降低。可见，相同播期下，当麦田表现为CH4汇时，夜间增温促进麦田对CH4的吸收；当麦田表现为CH4源时，夜间增温也会促进麦田CH4的排放。相同温度条件下，当麦田表现为CH4汇时，常温播期对麦田CH4吸收的影响不明显，夜间增温下晚播降低麦田CH4吸收；当麦田表现为CH4源时，播期对不同温度条件下麦田CH4的排放影响相反。

图4 不同播期下夜间增温对麦田CH4和N2O排放通量的影响Figure 4 Effects of nighttime warming on CH4 and N2O fluxes in wheat field under different sowing dates

不同处理下麦田N2O 季节性排放也呈现多峰变化趋势（图4B）。拔节期麦田N2O 排放呈先升后降趋势，出现第一个峰值后麦田N2O 排放一直处于小幅波动状态，直至4 月25 日出现第二个排放高峰，随后急剧下降，最后于成熟期（5 月10 日至15 日）再次升高。正常播期下，夜间增温麦田N2O平均排放通量为28.60 μg·m-2·h-1，比常温对照处理高29.12%；晚播条件下，夜间增温麦田N2O 平均排放通量为13.68 μg·m-2·h-1，比常温对照处理低23.58%。与正常播期相比，晚播使麦田N2O平均排放通量在常温对照和夜间增温两种条件下均降低。

2.3.2 麦田CH4和N2O累积排放量

表5 表明，冬小麦拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期和灌浆期，各处理麦田CH4累积排放量均为负值，即麦田均表现为对CH4的吸收；冬小麦成熟期，晚播条件下常温对照麦田CH4累积排放量为负值，表现为对CH4的吸收，其余3 种处理麦田CH4累积排放量为正值，即向大气排放CH4。正常播期下，夜间增温使冬小麦拔节期、孕穗期、开花期和灌浆期麦田CH4吸收量增加，抽穗期和成熟期CH4吸收量减少，仅拔节期和开花期，处理间差异达显著水平（P<0.05）；晚播条件下，夜间增温使冬小麦拔节期、灌浆期和成熟期麦田CH4吸收量减少，孕穗期、抽穗期、开花期麦田CH4吸收量增加，仅拔节期处理间差异达显著水平（P<0.05）。常温对照下，除抽穗期外，晚播使麦田各生育期CH4吸收量增加，仅拔节期处理间差异达显著水平（P<0.05）；夜间增温下，除抽穗期和成熟期外，晚播使麦田各生育期CH4吸收量降低，仅拔节期和开花期处理间差异达显著水平（P<0.05）。

表6 表明，冬小麦田N2O 排放主要集中于冬小麦生育后期，即灌浆期和成熟期，这两个时期各处理麦田N2O 累积排放量均占6 个生育期总排放量50%左右。正常播期下，夜间增温使冬小麦拔节期、开花期和成熟期麦田N2O 累积排放量增多，孕穗期、抽穗期和灌浆期麦田N2O 累积排放量减少，N2O 总累积排放量增多30.54%，仅开花期和成熟期的处理间差异达显著水平（P<0.05）；晚播条件下，夜间增温使冬小麦拔节期、孕穗期、灌浆期和成熟期麦田N2O 累积排放量降低，抽穗期和开花期麦田N2O 累积排放量升高，N2O总累积排放量降低23.16%，其中仅拔节期和孕穗期的处理间差异达显著水平（P<0.05）。常温对照下，晚播使麦田总观测期N2O 累积排放量降低21.46%，仅孕穗期的处理间差异达显著水平（P<0.05）；夜间增温下，晚播使麦田总观测期N2O 累积排放量降低53.77%，除抽穗期和灌浆期外，处理间差异均达显著水平（P<0.05）。可见，相同温度下，晚播均显著降低麦田N2O累积排放量。

表6 不同播期下夜间增温对麦田N2O累积排放量的影响Table 6 Effects of nighttime warming on cumulative N2O emissions from wheat field under different sowing dates

2.4 不同农田管理对稻、麦生物量及产量的影响

相同灌溉条件下夜间增温显著降低水稻生物量，降低幅度为14.69%~18.16%（P<0.05）（表7）。正常播期条件下，夜间增温使冬小麦生物量降低19.81%；晚播条件下，夜间增温使冬小麦生物量提高5.63%，但处理间差异均未达显著水平。

表7 不同农田管理下稻、麦生物量及产量的比较Table 7 Comparison of biomass and yield in rice and wheat under different field management

淹水灌溉下夜间增温使水稻产量显著降低9.14%（P<0.05）；湿润灌溉下夜间增温使水稻产量明显降低7.27%，但处理间差异未达显著水平。正常播期下夜间增温使冬小麦产量降低18.26%，晚播条件下夜间增温使冬小麦产量略有提高，增幅为0.72%，但处理间差异均未达显著水平。

2.5 不同农田管理对稻-麦轮作碳排放强度的影响

不同农田管理下稻田和麦田CH4和N2O 全球增温潜势和温室气体排放强度表现各异（表8）。在水稻生长季，淹水灌溉下，夜间增温显著降低稻田SGWPCH4、TotalSGWP和GHGI（P<0.05），但 提 高 稻 田SGWPN2O；湿润灌溉下，夜间增温显著提高稻田SGWPCH4、TotalSGWP和GHGI（P<0.05），但降低稻田SGWPN2O。两种温度条件下，湿润灌溉均增加稻田SGWPN2O，但对稻田SGWPCH4、TotalSGWP和GHGI的影响有差异。常温对照下，湿润灌溉显著降低稻田SGWPCH4、TotalSGWP和GHGI；夜间增温条件下，湿润灌溉增加稻田SGWPCH4、TotalSGWP、SGWPN2O和GHGI。

表8 不同农田管理下夜间增温对稻-麦系统SGWP/SGCP和GHGI的影响（kg CO2e·t-1）Table 8 Effects of nighttime warming on SGWP/SGCP and GHGI in rice and wheat system under field management（kg CO2e·t-1）

在冬小麦生长季，正常播期下，夜间增温降低麦田SGWPCH4，但增加麦田SGWPN2O、TotalSGWP/SGCP和GH⁃GI；晚播条件下，夜间增温增加麦田SGWPCH4，降低了麦田SGWPN2O、TotalSGWP/SGCP和GHGI。两种 温 度条件下，晚播均降低麦田SGWPN2O、TotalSGWP/SGCP和GHGI。

不同农田管理下夜间增温对稻-麦系统GHGI的影响不同。淹水灌溉/正常播期下，夜间增温显著降低稻-麦系统的GHGI（P<0.05），湿润灌溉/晚播下，夜间增温显著提高稻-麦系统的GHGI（P<0.05）。稻田GHGI对稻-麦轮作系统农田GHGI的贡献更大。

3 讨论

稻田CH4排放量与土壤产甲烷菌数量存在显著正相关关系，因此，控制稻田产甲烷菌数量可有效减少CH4排放量[44]。不同水分管理及水稻不同生育期土壤中CH4相关微生物的数量和活性均有差异。本研究中，水稻生长前期，随水稻生长，土壤处于淹水状态的时间逐渐延长，产甲烷菌的数量和活性不断提高，使晒田前稻田CH4排放达到最大值；随晒田进行，土壤通气性增强，产甲烷菌的生存环境受到破坏，产甲烷菌数量下降，甲烷氧化菌的活性上升，促进CH4的氧化，稻田CH4排放量急剧下降[45-46]；晒田结束，稻田重新灌溉覆水，产甲烷菌适宜生境逐渐恢复，CH4排放量又逐渐上升，随温度降低和植株通气组织衰老退化，CH4排放量处于波动下降趋势（图3）。冬小麦拔节-开花阶段（2018 年3 月6 日至4 月25 日），麦田CH4排放量基本为负值，可能在于该时期环境温度较低，降水较少（图1），土壤通气良好，不利于土壤有机质分解，产甲烷菌活性较弱，但甲烷氧化菌活性较强，导致麦田CH4吸收量增加；冬小麦灌浆-成熟期，麦田CH4排放量迅速增加，可能在于该时期温度升高，降水增多（图1），土壤局部形成厌氧环境，产甲烷菌活性增强[20，47]，有利于CH4产生并排放（图4）。

与常温对照相比，淹水灌溉下夜间增温显著降低稻田CH4排放，湿润灌溉下夜间增温显著促进稻田CH4排放（图3、表3）。淹水灌溉下夜间增温引起水稻植株分蘖数和干物质积累量降低，导致有机底物减少[19，48-49]，产甲烷菌活性降低，引起CH4产生量及排放量下降；湿润灌溉下夜间增温可促进稻田地表热量向下传递，下层土温升高，使CH4产生菌活性增强，促进CH4产生并排放[44-45，50]；此外，湿润灌溉下夜间增温处理的水稻植株冠层温度较高（表1），高温胁迫可刺激植株体内活性氧自由基累积，活性氧自由基与果胶、木质素等细胞壁组分的甲氧基作用产生CH4[51]。冬小麦两种播期下夜间增温均提高成熟期麦田CH4排放（图4、表5），冬小麦生长后期环境温度升高，降水增多（图1），土壤形成局部厌氧环境，增温加速植株衰老凋落，土壤有机底物增加，提高了产甲烷菌活性[47]；夜间增温可提高冬小麦植株冠层温度及土壤温度，温度升高促进土壤呼吸，消耗土壤氧气，产生厌氧环境，促进麦田CH4产生并排放[52-53]（表1）。

N2O 主要来自土壤相关微生物介导的硝化和反硝化过程[25]。本试验中（图3、表4），水稻生长前期N2O 排放量较低，稻田前期处于淹水或湿润饱和状态，土壤厌氧还原条件较强，反硝化过程的产物主要为N2；中期晒田改变了土壤厌氧还原条件，通气性改善，硝化和反硝化作用同时进行，促进了N2O 产生并排放；晒田结束，重新灌溉覆水使N2O 排放量迅速降低；而后出现二次峰值（2017 年9 月8 日），这与中期追施穗肥有关，稻田好氧层及土壤中的闭蓄氧有利于硝化及反硝化过程进行，促进土壤N2O 产生并排放[36，45]；水稻生长后期，临近收获，灌溉停止，干湿交替提高了硝化和反硝化细菌活性，导致N2O 产生量及排放量增加[54]。长江中下游冬小麦整个生育期的降水可满足植株生长需要，麦田土壤水分状况和通气性主要受降水影响。温度和降水的变化是影响麦田N2O 产生及排放的重要环境因素[55]。冬小麦返青后气温较低，麦田N2O 排放呈小幅波动状态，生长后期温度升高，降水增多，干湿交替引起麦田N2O 排放量增加[45，54]（图1、图4、表6）。

相同水分管理下，与常温对照相比，夜间增温对水稻生长前期稻田N2O 排放无明显促进作用，甚至降低分蘖-拔节期稻田N2O 排放，但显著增加成熟期稻田N2O 排放（图3、表4）。夜间增温促进了水稻生长前期植株分蘖及生物量积累[19]，提高植株对速效氮吸收利用，硝化和反硝化作用底物减少，抑制了N2O 产生及排放[56-57]；硝化和反硝化细菌活性需要适宜的土壤水、气、热条件。水稻生长后期，夜间增温加速了植株衰老退化，使土壤有机残体增加，后期气温下降（图1），增温则促进土壤微生物活性，且后期灌溉停止（图2），稻田干湿交替使硝化和反硝化作用交替进行，从而促进N2O 产生及排放[45，48]。与常规淹水灌溉相比，湿润灌溉促进稻田N2O 排放。淹水灌溉的稻田水层限制大气中氧气向土壤传输，使土壤形成厌氧还原环境，硝化作用受到抑制，反硝化产物以N2为主，N2O 产生量及排放量较低[45]；湿润灌溉的稻田没有水层阻挡，有利于大气中氧气向土壤输送，土壤通气性改善，土壤硝化和反硝化过程同时进行，有利于N2O 产生及排放[54-56]。与正常播期相比，晚播可明显降低麦田N2O 排放，其中夜间增温下晚播麦田各生育期N2O 排放量几乎均显著低于正常播期（图4、表6）。不同播期麦田N2O 排放量的差异，可能与前作稻田灌溉方式有关，常规灌溉稻田持续厌氧还原条件，降低土壤有机氮矿化，导致有机氮累积，而正常播期麦田土壤通气性改善，促进有机氮矿化形成较多无机氮，促进麦田N2O产生及排放[58]；而夜间增温下晚播冬小麦植株蒸腾速率较高，引起土壤含水量下降[12，19]，抑制土壤硝化和反硝化细菌活性，导致N2O产生量及排放量降低。

温度和水分是影响作物干物质积累和产量形成的重要因素。本试验中，相同灌溉条件下夜间增温显著降低水稻产量；相同温度条件下湿润灌溉使水稻产量下降，但差异不显著（表7）。原因可能与夜间增温引起水稻主要生育期夜间冠层温度升高及活动积温增加有关（表1、表2），其使生育期提前，加剧高温热害的发生，不利于产量形成[8-9，59]。本试验中，两种灌溉方式下夜间增温均提高水稻冠层平均温度和活动积温，最大增幅均在灌浆期（表1、表2），这可能引起籽粒灌浆过程中光合产物转运量减少，导致籽粒灌浆受抑，千粒质量降低[60]；夜间增温降低水稻植株净光合速率，增加荧光耗散，使呼吸作用增强，光合产物净积累量减少，降低植株有效穗数、每穗实粒数和结实率，引起产量下降[19]；此外，湿润灌溉可促使光合产物向地下部根系运输分配，促进根系生长，根系过于冗余和呼吸消耗增多，引起产量下降[40]。

气候变暖在冬、春季尤为明显，而长江中下游稻-麦轮作冬小麦生长期在11 月至翌年6 月，因此受影响较大[1-2，13]。正常播期下夜间增温降低冬小麦产量，适时晚播下夜间增温提高产量；无论常温对照或夜间增温下，适时晚播均可明显提高冬小麦产量（表7）。积温是影响作物生长发育的重要热量指标。与常温对照相比，夜间增温可明显提高冬小麦主要生育期夜间冠层活动积温，适时晚播积温增幅均高于正常播期，晚播冬小麦积温可满足其生长需要（表2）。正常播期下夜间增温促使冬小麦植株生长加快，生育期缩短，孕穗期光合作用减弱，穗粒数和千粒质量下降，引起产量降低[12-13，61]；晚播下夜间增温使冬小麦叶片净光合速率提高，荧光耗散减小，光合产物净积累量增多，穗粒数和千粒质量增加，从而使产量增加[62-63]。气候变化背景下极端天气气候事件频发，如高温热害、低温冷害等[12-13]。正常播种的冬小麦因冬前气温较高，幼苗易出现徒长，进入冬季气温较低（图1），低温胁迫导致叶面积指数和光合速率下降，小蘖穗高降低，穗长缩短，小花败育甚至小穗冻死，引起穗粒数、千粒质量和产量下降[64-66]。冬小麦中后期高温热害对产量形成有极为不利影响。本试验正常播种的冬小麦在灌浆-成熟期遭遇持续高温天气（图1），持续高温可导致灌浆期缩短，籽粒灌浆速率和千粒质量降低，引起产量下降[67-68]。适时晚播使冬小麦出苗及生育期延迟，冬季幼苗生长缓慢，有利于安全越冬。适时晚播可提高同化物向穗部的转运量，提高小花成活率，增加穗粒数，提高氮素吸收效率，使产量增加[69-71]。

4 结论

（1）夜间增温或湿润灌溉均降低水稻生物量和产量，而晚播则增加冬小麦产量。

（2）稻-麦轮作农田稻季CH4排放量占主导地位，远大于N2O 排放量。与常温淹水灌溉相比，湿润灌溉显著降低稻田CH4排放，显著增加稻田N2O 排放；而与夜间增温淹水灌溉相比，湿润灌溉则增加稻田CH4排放。夜间增温下晚播显著降低N2O排放。

（3）稻季温室气体排放强度（GHGI）对稻-麦轮作农田总GHGI的贡献最大，其中稻田CH4排放均起决定作用。夜间增温显著降低淹水/正常播期稻-麦轮作农田GHGI，显著增加了湿润/晚播稻麦轮作系统的GHGI。研究认为，综合考虑产量和环境效益，水稻采用常规灌溉（间歇灌溉）和冬小麦正常播种是长江下游稻-麦轮作农田应对气候变暖的有效技术措施。