秸稈還田對稻田溫室氣體排放的影響：Meta分析

李靜　馮淑怡　陳利根　朱利群

摘要 全球氣候變暖是人類面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，稻田生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變暖中起到重要的作用。目前已有許多學(xué)者通過大田試驗的方法研究了不同秸稈還田方式下溫室氣體排放的特征，但由于試驗地點等因素的不同導(dǎo)致最終的結(jié)果差異很大。通過整合這些結(jié)果來研究區(qū)域內(nèi)不同秸稈還田方式（翻耕秸稈還田（CTS）、免耕秸稈還田（NTS）和旋耕秸稈還田（RTS））下稻田溫室氣體排放的特征，能夠準確地反映一定區(qū)域內(nèi)稻田生態(tài)系統(tǒng)的凈減排潛力。本文基于長江中下游地區(qū)32篇關(guān)于秸稈還田對稻田溫室氣體排放的文獻收集173組數(shù)據(jù)，利用Meta分析方法研究了3種秸稈還田方式下稻田CH4和N20排放的特征，并估算出不同秸稈還田方式下稻田的全球增溫潛勢和凈增溫潛勢。結(jié)果表明，CTS、NTS和RTS處理下稻田CH4周年排放的效應(yīng)值分別為0.76、0.37和0.68，稻田N20周年排放的效應(yīng)值分別為0.44、0.36和0.52；在兩熟制下，不同秸稈還田方式下稻田CH4周年排放的效應(yīng)值的大小為RTS>CTS>NTS，但N₂O周年排放的效應(yīng)值的大小為RTS>NTS>CTS。在三熟制下，三種秸稈還田方式下稻田CH₄的周年排放的效應(yīng)值的高低為CTS>RTS>NTS，而N₂O周年排放的效應(yīng)值的高低為RTS>NTS>CTS。在相同的秸稈還田方式下，三熟制稻田溫室氣體周年排放的效應(yīng)值都高于兩熟制。此外，不同的還田秸稈種類影響稻田溫室氣體的排放；結(jié)合前期研究，估算出CTS、NTS和RTS處理下稻田的凈增溫潛勢分別為12375.55、11232.36和15982.87kg CO₂-equivalent·hm^-2。因此，免耕秸稈還田是長江中下流地區(qū)稻田凈減排條件下適宜的秸稈還田方式。

關(guān)鍵詞 秸稈還田；稻田；溫室氣體；Meta分析；長江中下游

中圖分類號 F323.22 文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104（2016）05-0091-10 doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2016.05.011

氣候變暖是當今全球性的環(huán)境問題，增強陸地土壤固碳能力和減少溫室氣體排放是當下緩解氣候變暖問題的常用方法。農(nóng)業(yè)活動對溫室氣體的吸收和排放具有重要的影響。利用秸稈還田可以有效增加農(nóng)田土壤固碳能力；但同時也為土壤產(chǎn)生CH4創(chuàng)造了條件，還可能為礦化氮和反硝化微生物釋放N₂O提供所需的碳源。因此，在評價秸稈還田方式的環(huán)境友好性問題上，須對農(nóng)田土壤固碳能力和溫室氣體排放兩方面進行綜合考慮，探索不同秸稈還田方式對這兩個因素產(chǎn)生的綜合影響，以期獲得凈減排條件下適宜的秸稈還田方式。近年來，很多學(xué)者從全國尺度、省域尺度或通過長期試驗區(qū)域?qū)Ρ葘ξ覈r(nóng)田在不同農(nóng)業(yè)管理措施下的溫室氣體排放進行了研究。水稻和小麥是我國主要的糧食作物，稻麥輪作和雙季稻是長江中下游地區(qū)的主體種植制度。故明確長江中下游稻田在不同的秸稈還田方式下的土壤凈減排潛力具有重要的意義。

目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對農(nóng)田土壤固碳和溫室氣體排放的影響已有較多的研究，但這些研究大都是局限于某一個試驗點等小范圍的研究，缺少對同類研究的綜合分析；與此同時，各個獨立研究結(jié)果具有不確定性甚至發(fā)表偏見，導(dǎo)致學(xué)者之間的研究結(jié)果差異較大。Meta分析是對各試驗研究結(jié)果的資料通過統(tǒng)計學(xué)方法進行分析和概括，以提供量化的平均效果（效應(yīng)值）來回答研究的問題。近幾年，Meta分析在全球變化大尺度生態(tài)學(xué)領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，尤其是在研究陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變暖的問題中。各界學(xué)者廣泛關(guān)注稻田溫室氣體的排放，并圍繞稻田CH₄和N₂O兩大溫室氣體排放開展了大量的田間試驗，這為從區(qū)域角度研究不同秸稈還田方式對稻田溫室氣體排放的影響提供豐富的理論基礎(chǔ)和參考數(shù)據(jù)。Akiyama et al.利用Meta分析方法評估了增效肥料作為農(nóng)田土壤N₂O和NO減排措施的有效性。石生偉等通過搜集全國25個試驗站點有關(guān)稻田CH₄和N₂O排放的試驗性文章，研究了稻田水分狀態(tài)和管理方法、肥料種類和施用方式等田間管理措施對我國稻田CH₄和N₂O0排放的影響。黃堅雄等闡述了農(nóng)田溫室氣體凈排放的涵義，并歸納總結(jié)了耕作方式、施肥、水分管理、間套作等農(nóng)業(yè)管理措施對農(nóng)田土壤有機碳含量、農(nóng)田土壤CH₄和N₂O、農(nóng)田生產(chǎn)物資的使用所造成的溫室氣體排放的影響。本研究基于長江中下游試驗點有關(guān)秸稈還田下稻田的CH₄和N₂O試驗觀測數(shù)據(jù)資料，采用Meta分析方法在研究了不同秸稈還田方式對稻田土壤固碳的基礎(chǔ)上，再進一步地研究稻田在不同還田方式下的土壤溫室氣體排放特征，據(jù)此得出長江中下游稻田不同秸稈還田方式下的土壤凈減排潛力，以期為長江中下游稻田固碳減排和糧食生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提出適宜的秸稈還田方式。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)位于我國長江中下游地區(qū)，包括湖南、湖北、江西、浙江、安徽、江蘇和上海等六省一市（見表1）。該區(qū)大部分屬北亞熱帶氣候，小部分屬中亞熱帶氣候，年均氣溫14-18℃，最冷月平均氣溫0-5.5℃，絕對最低氣溫-10--20℃，最熱月均溫27-28℃。年降雨量1000-1400mm，集中于春夏兩季。平原地帶土壤主要為水稻土，稻麥輪作和雙季稻是該地區(qū)的主體種植制度。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文收集了32篇（見表1）關(guān)于不同秸稈還田方式對長江中下游稻田溫室氣體排放影響的試驗性論文。文章的篩選標準：①通過開展大田試驗獲得數(shù)據(jù)，大田試驗地點（年均降雨量、年均氣溫）、土壤類型、種植制度、試驗方案、數(shù)據(jù)處理等信息完善。②試驗時間需持續(xù)或超過作物的一整個生長季度。③取樣測量的時間間隔不超過10天，在關(guān)鍵的時期如耕作后，曬田期間會增加采樣次數(shù)，每次采樣均在上午9：00-11：00完成。④采用季節(jié)累計排放量指標，單位為k·hm^-2或者kg·ha^-1。CH₄和N₂zO都采用上述單位衡量。

經(jīng)過篩選，最終確定采納16個試驗地點的CH4排放的研究數(shù)據(jù)，涉及文獻31篇，可供參考的數(shù)據(jù)100組；采納13個試驗地點的N₂O排放的研究數(shù)據(jù)，涉及文獻27篇，可供參考的數(shù)據(jù)73組。所采納的試驗地土壤類型多為水稻土。翻耕秸稈還田（CTS）樣本數(shù)為76，占樣本總數(shù)的43.9%；免耕秸稈還田（NTS）樣本數(shù)為38，占總樣本數(shù)的22.0%；旋耕秸稈還田（RTS）樣本數(shù)為59，占總樣本數(shù)的34.1%。

1.3 研究方法

研究數(shù)據(jù)通過收集文獻的表、圖以及正文文字獲得，并利用Get data v.2.22軟件獲取文獻中圖的數(shù)據(jù)。為了研究不同秸稈還田方式對農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響，需要扣除秸稈不還田（CK）下土壤溫室氣體的排放。本文利用式（1）計算效應(yīng)值（RR）：（1）

式中：GHG_r為不同秸稈還田方式下土壤溫室氣體排放，GHG_c為秸稈不還田處理（CK）下土壤溫室氣體排放。效應(yīng)值是無單位的。采用MetaWin2.0軟件作Meta分析，計算每一種處理下的平均效應(yīng)值并采用引導(dǎo)程序得出糾正偏差的95%的置信區(qū)間。

稻田耕層土壤固碳量計算公式如下：

SOCS=[（[SOC]_i-[SOC]₀）×p×T×k]/a （2）

式中：SOCS為土壤固碳量（kg·hm^-2·a^-1，以c計），[SOC]_i為試驗第i年后土壤有機碳含量（g·kg^-1），[SOC]₀為試驗前土壤有機碳含量（g·kg^-1），p為試驗前后土壤的平均容重（g·cm^-3），T為土壤深度（20 cm），a為試驗?zāi)晗?，k為換算系數(shù)。

本文通過式（3）將稻田土壤固碳量（SOCS）折算為稻田固持的大氣CO₂量（kg CO₂02-eqv·hm²）：

ASOCS=SOCS×44/12 （3）

基于CH₄和N₂O兩種溫室氣體的增溫效果存在差異，需要通過計算得到兩種溫室氣體的綜合效應(yīng)，才能準確地評價不同秸稈還田方式對溫室效應(yīng)的貢獻。全球增溫潛勢（global warming potential，GWP）可以作為一種相對指標，將待估算的溫室氣體值進行轉(zhuǎn)化，從而獲得其對氣候變化的潛在效應(yīng)。本研究采用GWP的估算公式，擬定CO₂作為CH₄和N₂O排放量的參考氣體，將兩種目標氣體的排放量換算為等效的CO₂排放量。以20年或者100年為時間尺度，單位質(zhì)量的CH₄和N₂O的增溫潛勢分別為CO₂的72倍和289倍或25倍和298倍。100年時間尺度上，單位質(zhì)量CH₄和N₂O全球增溫潛勢的計算公式如下：

GWP=EM（CH₄）×25+EM（N₂O）×298 （4）

式中：EM（CH₄）為一年內(nèi)CH₄的累積排放量，EM（N₂O）為一年內(nèi)N₂O的累積排放量。

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，作物通過光合作用吸收大氣中的CO₂，而根和秸稈還田后分解轉(zhuǎn)化成較穩(wěn)定的土壤有機質(zhì)，并以有機碳的形式將CO₂固定在土壤中，成為唯一的碳庫。土壤有機碳的形成和土壤呼吸是一個同時進行的過程，采用黑箱的理論方法可得出，農(nóng)田土壤固碳和土壤呼吸的共同作用最終體現(xiàn)為土壤有機碳變化量（[SOC]_i-[SOC]₀）。農(nóng)田土壤能排放CO₂、CH₄和N₂O，其中CO₂排放來自秸稈分解及土壤呼吸，包含在土壤有機碳變化量中，故不視為溫室氣體排放源。根據(jù)上述理論分析，本研究最終通過計算得出凈增溫潛勢，其值的正負表示稻田土壤固碳是溫室氣體排放的源或匯。在100年增溫尺度，農(nóng)田凈增溫潛勢（單位：kg CO₂-equivalent·hm^-2）的計算公式如下：

NGWP=GWP-ASOCS （5）

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田方式對長江中下游稻田周年溫室氣體

排放的影響

由圖1得，長江中下游稻田CH4周年排放的最大效應(yīng)值為CTS處理（0.76），大約為RTS的1.2倍，NTS的2.0倍。但RTS處理下稻田N20周年排放的效應(yīng)值是最大者，為0.52，大約為CTS的1.2倍，和NTS的1.4倍。由圖2可以看出，在兩熟制下，不同秸稈還田方式下稻田CH₄周年排放的效應(yīng)值的大小為RTS>CTS>NTS，但N₂O周年排放的效應(yīng)值為RTS>NTS>CTS。在三熟制下，稻田CH₄周年排放的效應(yīng)值的高低為CTS>RTS>NTS，但N₂O的周年排放的效應(yīng)值為RTS>NTS>CTS。同時，無論采取哪種秸稈還田方式，三熟制下稻田CH₄和N₂O周年排放的效應(yīng)值都高于兩熟制。

2.2 不同種類的秸稈在不同方式下還田對長江中下游稻

田溫室氣體排放的影響

稻麥輪作制和雙季稻是長江中下游地區(qū)的主體種植制度，故本文以還田秸稈的種類為分類依據(jù)，將還田秸稈分為麥秸、稻秸和其他秸稈（如綠肥、油菜秸稈等）。

由圖3可得，不同種類的秸稈在不同方式下還田對長江中下游稻田CH₄排放的效應(yīng)值不同，其中麥秸對稻田CH₄排放的效應(yīng)值的大小為CTS>RTS>NTS，稻秸為CTS>NTS>RTS，其他秸稈為CTS>NTS>RTS。對于N₂O排放的效應(yīng)值也有類似的結(jié)果，如麥秸對稻田N₂O排放的效應(yīng)值的高低為CTS>RTS>NTS，稻秸為NTS>RTS> CTS，其他秸稈為NTS>RTS>CTS。

2.3 不同秸稈還田方式對長江中下游稻田土壤碳固定和凈增溫潛勢的影響

由表2得出，RTS處理下的土壤碳固定量為1.54 t chm^-2，比CTS增加了73.0%，比NTS提高了52.5%。表3表明，在20年、100年的時間尺度上，3種秸稈還田方式下稻田的CH₄和N₂O周年累計排放量所產(chǎn)生的綜合增溫潛勢均是RTS顯著高于CTS和NTS處理。且NTS處理下的溫室氣體全球增溫潛勢在20年尺度上較RTS和CTS處理分別降低30.3%、9.7%，100年尺度上分別降低29.4%、8.1%。表明，隨著時間的延長，不同秸稈還田方式下全球增溫潛勢之間的差距略有減小。三種秸稈還田方式的凈增溫潛勢不同。無論是在20年還是在100年的時間尺度上，均以RTS處理下的凈增溫潛勢最大。在20年尺度上，RTS明顯大于NTS和CTS處理；不過在100年尺度上，RTS處理顯著大于NTS處理，但與CTS處理間的差異并不顯著。NTS處理下的凈增溫潛勢在20年尺度上較RTS和CTS處理分別降低30.5%、10.1%，100年尺度上分別降低29.7%、9.2%。表明，隨著時間的延長，不同秸稈還田方式的凈增溫潛勢之間的差距有縮小的趨勢。三種秸稈還田方式下的凈增溫潛勢均為正值，說明秸稈還田出現(xiàn)了明顯的溫室氣體泄露。其中，RTS處理對土壤固碳減緩全球變暖效益的抵消作用最大，NTS處理下最小。

3 討論與結(jié)論

本研究中的CTS、NTS和RTS三種秸稈還田方式下的CH₄周年排放的效應(yīng)值分別為0.76、0.37和0.68，均大于零，表明秸稈還田增加稻田CH₄的排放。這可能是因為秸稈厭氧分解的情況下，土壤的氧化還原電位會快速下降，促使產(chǎn)甲烷菌含量增多，同時秸稈的施入也為厭氧條件下產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的產(chǎn)甲烷基質(zhì)。三種秸稈還田方式下CH₄排放量的高低為CTS>RTS>NTS。其中，與CTS相比，RTS和NTS會減少CH₄的排放，這可能是由于耕作方式的不同會對CH₄的氧化速率產(chǎn)生影響，免耕和旋耕這類作業(yè)強度較低的耕作方式，將有利于稻田土壤氧化速率的提高，降低產(chǎn)甲烷菌含量，從而減少CH4排放。NTS處理下CH₄排放量最少，可能是因為免耕秸稈覆蓋在農(nóng)田的表面，秸稈與土壤之間的接觸量大大減小，大部分秸稈在土壤表層即可直接進行有氧腐解，這就為農(nóng)田土壤氧化速率的提高提供了良好的條件，從而使得CH4的產(chǎn)生量減少。

CTS、NTS和RTS三種秸稈還田方式下的N₂O周年排放的效應(yīng)值分別為0.44、0.36和0.52，均大于零，表明秸稈還田增加稻田N₂O的排放。這可能是因為秸稈還田為礦化氮和反硝化微生物釋放N₂O提供所需的碳源。三種方式下N₂O排放的效應(yīng)值的大小為RTS>CTS>NTS，NTS處理比其他兩種更易促進土壤礦質(zhì)氮的微生物固定，使土壤硝化和反硝化作用的底物減少，從而減少N₂O的排放。同種秸稈還田方式下，三熟制稻田溫室氣體周年排放的效應(yīng)值都高于兩熟制（見圖2）。不同種類的秸稈在不同還田方式下對稻田CH₄和N₂O排放的影響有差異（見圖3），表明稻田CH₄和N₂O的排放不僅受到秸稈還田方式的影響還受到還田秸稈種類的影響。因此，在減少稻田溫室氣體泄露方面，需要根據(jù)秸稈的種類考慮采取不同的還田方式。

無論是短時間尺度還是長時間尺度，稻田排放的CH₄和N₂O所產(chǎn)生的全球增溫潛勢由大到小為RTS>CTS>NTS。稻田土壤CH₄周年累計排放量的高低為RTS>CTS>NTS，N₂O的周年累計排放量為]ITS>NTS>CTS。秸稈還田后CH₄排放所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)遠高于N₂O所帶來的溫室效應(yīng)，但隨著時間的推移兩者的差距有明顯的縮小趨勢。因此，從短期上看，如何減少稻田CH₄排放對減緩全球溫室效應(yīng)具有十分重要的作用。本研究還得出，無論采取哪種秸稈還田方式，稻田的凈增溫潛勢均為正值。這表明秸稈還田增排的溫室氣體所帶來的溫室效應(yīng)對土壤固碳減緩全球變暖的貢獻的抵消作用非常明顯。

綜上所述，相對于其他秸稈還田方式來說，NTS處理下稻田土壤CH₄和N₂O排放的效應(yīng)值都最小，并且NTS處理下稻田土壤的凈增溫潛勢也最小。因此，在凈減排條件下，長江中下游地區(qū)應(yīng)推廣免耕秸稈還田方式。另外，雖然區(qū)域性的數(shù)據(jù)分析能夠有效地反映不同秸稈還田方式下土壤溫室氣體排放的特征，但由于本研究中稻田試驗點主要集中在江蘇、上海、湖南、湖北等地，并未完全覆蓋長江中下游地區(qū)的所有區(qū)域，故本研究存在一定的瑕疵。因此，在今后的研究中，我們應(yīng)在該區(qū)域的中部多開展一些不同秸稈還田方式對稻田土壤溫室氣體排放的試驗，以使研究結(jié)果更具有說服力。

（編輯：田紅）