再生稻栽培模式下冬半年覆蓋植被對土壤CH4和N2O排放的影響

呂澤芳 高珍珍 劉章勇

摘要：為研究冬半年覆蓋植被對再生稻（Oryza sativa L.）栽培模式下土壤CH4和N2O排放的影響，采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法觀測了再生稻-冬閑（CK）、再生稻-油菜（FR）和再生稻-紫云英（MR）等處理下CH4和N2O的排放通量。結(jié)果表明，所有處理的CH4和N2O排放通量在冬半年覆蓋植被生長期間較小，在水稻生長季較大。頭季稻生長期間土壤CH4累積排放量占全年的85.89%～97.48%，其中MR處理的土壤CH4累積排放量顯著低于CK和FR處理;再生季稻生長期間各處理間土壤CH4累積排放量差異不顯著，占全年的2.02%～14.11%。頭季稻生長期間土壤N2O累積排放量是再生季稻生長期間的1.74～2.43倍，其中頭季稻生長期間MR處理土壤N2O累積排放量顯著低于CK，再生季稻生長期間各處理差異不顯著。各處理CH4和N2O年全球增溫潛勢（GWP）從大到小依次為FR、CK、MR，且水稻生長季排放的CH4和N2O的GWP遠高于冬半年作物期。同時，水稻生長季CH4排放對GWP的貢獻遠高于N2O，是N2O的1.64～3.87倍。綜上，再生稻栽培模式下，頭季稻生長期間是控制溫室氣體CH4和N2O排放的關(guān)鍵時期;再生稻-紫云英模式有利于減少CH4和N2O的排放，是生態(tài)環(huán)境效益較高的再生稻栽培模式。

關(guān)鍵詞：再生稻（Oryza sativa L.）;油菜（Brassica napus L.）;紫云英（Astragalus sinicus Linn.）;冬閑;溫室氣體

中圖分類號：S511;X57 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）15-0060-06

Abstract： In order to study the effects of ?cover plant in winter on the CH4 and N2O emissions from ratoon rice system， the CH4 and N2O flux was observed by the static closed chamber-gas chromatography method under the treatment of ratoon rice-fallow （CK）， ratoon rice-rapeseed （FR）， and ratoon rice-milk vetch （MR）， respectively. Results showed that the CH4 and N2O flux of all treatments was low in the winter cover plant growing season， and was high in the rice growing season. The cumulative CH4 emissions in the main rice growing season occupied 85.89% to 97.48% of annual cumulative CH4 emissions. During the main rice growing season， the cumulative CH4 emissions in the treatment of MR was significantly lower than that in the treatment of CK and FR. Over the ratoon season， there was no significant difference in the cumulative CH4 emissions among each treatment， and which occupied 2.02% to 14.11% of annual cumulative CH4 emissions. The cumulative N2O emissions in the main rice growing season was 1.74 to 2.43 times of ratoon season. The cumulative N2O emissions of MR was significantly lower than that of CK in the main rice season， and there was no significant difference in the cumulative N2O emissions among each treatment in the ratoon season. The total annual global warming potential （GWP） of CH4 and N2O for each treatment was in decreased order of FR， CK， MR. And the GWP of CH4 and N2O in the rice growing season was significantly higher than that in the winter cover plant growing season. Meanwhile， the contribution of CH4 emission to GWP in rice growing season was much higher than that of N2O. Therefore， the main rice season is the key season for reducing the greenhouse gas emissions. And plant milk vetch in the winter season could reduce the CH4 and N2O emissions under the ratoon rice system compare plant rapeseed or fallow.

Key words： ratoon rice（Oryza sativa L.）; rapeseed（Brassica napus L.）; milk vetch（Astragalus sinicus Linn.）; fallow; greenhouse gas

稻田生態(tài)系統(tǒng)是CH4和N2O重要的排放源，對全球溫室效應(yīng)貢獻巨大[1， 2]。再生稻（Oryza sativa L.）作為國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部主推的栽培技術(shù)，是指通過一定栽培管理措施使頭季稻收割后稻樁上存活的休眠芽繼續(xù)萌發(fā)生長成穗而收獲水稻的一種種植模式。近年來再生稻在中國發(fā)展迅速，已成為中國中部及南方主要農(nóng)作物種植模式之一[3]。隨著社會對再生稻的重視，再生稻的相關(guān)研究倍受關(guān)注[4-6]，其中再生稻對生態(tài)環(huán)境的影響，尤其是溫室氣體排放的相關(guān)研究已成為研究熱點[7-9]。

利用再生稻栽培模式下冬半年空閑時間種植植被，可以提高土地利用率，增加復(fù)種指數(shù)。同時冬半年覆蓋作物秸稈還田不僅有利于提高稻田不同層次土壤有機碳儲量[10]、改善土壤結(jié)構(gòu)[11]、提高土壤肥力[12]，而且能夠促進水稻各部位干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運[13]。然而冬半年種植作物可能會導(dǎo)致稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4和N2O排放的增加[14]，且不同作物種類對農(nóng)田溫室氣體排放的影響存在差異[15]。因此，本試驗以再生稻模式為對象，研究冬半年覆蓋不同植被對CH4和N2O排放的影響，旨在探明再生稻栽培模式下CH4和N2O排放的規(guī)律，并進一步明確利于CH4和N2O減排的栽培模式，為進一步優(yōu)化再生稻栽培技術(shù)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗在湖北省荊州市長江大學農(nóng)業(yè)高科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)（30°06′N，111°54′E）進行。該試驗地位于江漢平原，年平均氣溫為16 ℃，無霜期為242～263 d;年平均降水量在1 100 mm左右，主要集中在4—7月，具有雨熱同季的亞熱帶季風性氣候特點。試驗地供試土壤為河流沖擊物發(fā)育的潴育型水稻土。試驗前土壤基本理化性質(zhì)為全氮含量2.08 g/kg、有機質(zhì)含量30.34 g/kg、速效磷含量3.57 mg/kg、pH 8.42。

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

試驗于2018年10月底至2019年10底開展，設(shè)再生稻-冬閑（CK）、再生稻-油菜（Brassica napus L.）（FR）和再生稻-紫云英（Astragalus sinicus Linn.）（MR）3個輪作模式處理，每個處理4次重復(fù)。試驗小區(qū)隨機排列，小區(qū)面積50 m2，各小區(qū)之間采用寬25 cm的水泥田埂隔開，每個小區(qū)均能夠獨立排灌。

試驗于2018年10月26日在冬半年植物播種前進行整田，同時施入基肥?；什捎脧?fù)合肥（N、P、K養(yǎng)分含量均為15%），一次性施入，油菜施肥量為600 kg/hm2，紫云英施肥量為250 kg/hm2。油菜和紫云英均采取撒播進行播種，油菜供試品種為T2159，播種量為4.50 kg/hm2，紫云英供試品種為當?shù)爻Ｒ?guī)品種，播種量為18.75 kg/hm2。油菜和紫云英均在2019年4月22日還田，油菜直接切成10 cm左右的小段翻壓還田，紫云英采取直接翻壓還田。

水稻供試品種為豐兩優(yōu)香1號，于2019年4月25日采取人工插秧進行移栽，移栽行株距分別為36.7、26.7 cm。水稻季N、P2O5、K2O肥料總用量分別為249.00、72.00、90.00 kg/hm2，減去各處理植物還田中的氮、磷、鉀養(yǎng)分含量后，用化學肥料補足。水稻移栽前施入基肥，氮肥為尿素（46%），磷肥為過磷酸鈣（12%），鉀肥為氯化鉀（60%）;頭季稻收割前后各追肥1次，均為尿素，促芽肥∶提苗肥=1∶1，各處理田間化肥施用量詳見表1。冬半年作物生長期間僅為自然降水，不進行灌溉。水稻的頭季和再生季生長期間均實行干濕交替的灌溉模式，頭季稻收割后田間立即復(fù)水，水稻成熟前約一周田間停止灌水。打藥、除草等田間管理措施參照當?shù)爻Ｒ?guī)管理措施進行。試驗期間的氣象數(shù)據(jù)從荊州市氣象局自動觀測站獲得，其日平均氣溫和日降水量如圖1所示。

1.3 氣體樣品的采集與測定

CH4和N2O排放通量采用密閉式靜態(tài)暗箱-氣相色譜法進行測定。密閉式暗箱分為箱體和底座兩部分，均由鋁材焊接而成。箱體高1 m、直徑0.5 m，箱體頂部內(nèi)側(cè)裝有4個小風扇以混勻氣體，另有1個小型溫度計用于測定采集氣樣時箱內(nèi)溫度，箱體外側(cè)包裹泡沫層和錫箔紙以保溫隔熱。底座高0.2 m、直徑0.5 m，上部設(shè)置盛水凹槽，深約0.03 m。采樣過程中，將底座插入土壤，深約10 cm，確保底座下沿深入土壤。整田時將底座從田間移出，其他時間保持底座位置不變。

氣體樣品采集頻率水稻生長期間約7 d/次，冬半年作物生長期間約14 d/次，施肥后采樣頻率適當增加。每次采樣均在上午8：00—11：00進行，采樣前先將底座凹槽內(nèi)灌滿水，利用水封隔絕箱內(nèi)外氣體交換形成密封環(huán)境。采用100 mL注射器分別將罩箱后0、6、20 min時的箱內(nèi)氣體轉(zhuǎn)移至1 000 mL的錫箔采樣袋中，備用。每次采集氣樣的同時用土溫計測定10 cm處土壤溫度，每個小區(qū)2次重復(fù)。

采集的氣體用GC-2014氣相色譜儀進行測定。FID檢測器用于測定CH4濃度，柱溫65 ℃，檢測器溫度200 ℃。ECD檢測器用于測定N2O濃度，柱溫65 ℃，檢測器溫度320 ℃。氣體排放通量的計算公式[16]：

[F=ρ×h×dcdt×273273+T]

式中，F(xiàn)表示氣體排放通量，[ρ]表示標準狀態(tài)下氣體密度，h表示采樣箱高度，[dcdt]表示采集氣樣過程中氣體濃度隨時間的變化率，T表示采集氣樣時箱內(nèi)攝氏溫度。全球增溫潛勢（GWP）以100年尺度計算，單位質(zhì)量CH4和N2O分別是CO2的25倍和265倍。

3 討論

水稻生長期CH4與N2O的GWP分別占年GWP的63.76%～77.78%和20.12%～38.98%，而冬半年覆蓋植被生長期間CH4和N2O的GWP僅占年GWP的-0.82%～0.28%和-1.92%～2.05%，表明水稻生長季是溫室氣體CH4與N2O排放的主要季節(jié)，且CH4對GWP的貢獻高于N2O。鄧橋江等[20]也指出，在再生稻栽培模式下，CH4對GWP的貢獻遠大于N2O的貢獻。

本研究中，水稻生長季CH4排放量顯著高于冬半年，這與徐馳等[21]、劉威[22]的研究結(jié)果一致。其主要原因可能是水稻生長季長期灌水，且降雨量較多，土壤水分達到飽和狀態(tài)，形成厭氧且還原性高的環(huán)境，促進了產(chǎn)甲烷菌的生殖繁育。而水稻季土壤產(chǎn)甲烷菌以土壤中的有機物為能源物質(zhì)產(chǎn)生CH4，導(dǎo)致CH4排放增加[23]。鄧橋江等[20]和張浪等[7]均指出再生稻栽培模式下CH4排放主要集中在頭季稻生長期間，而再生季相對較少，這與本研究結(jié)果一致。一方面由于頭季稻生長期間較高的氮肥用量，導(dǎo)致土壤NH4+-N較高，從而抑制CH4氧化菌的活性，導(dǎo)致較高的CH4排放。另一方面，頭季稻分蘗盛期水稻生長旺盛，且氣溫和降水均高于其余各時期，促進了產(chǎn)甲烷菌的活性，從而增強稻田CH4排放。

本研究油菜還田時處于結(jié)莢期，尚未成熟，油菜青稈外表面的蠟質(zhì)層在淹水條件下很難被腐解[24，25]，釋放養(yǎng)分較少。因此，與再生稻-冬閑相比，再生稻-油菜雖促進了稻田CH4和N2O排放，但效果并不顯著。而相比再生稻-冬閑和再生稻-油菜，再生稻-紫云英明顯降低了稻田CH4和N2O的累積排放量，表明冬種紫云英還田對稻田CH4和N2O排放均有抑制作用。紫云英是豆科固氮作物，還田后可能通過影響土壤氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化進程，提高土壤微生物活性，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，促進水稻根際部分有益微生物的生殖繁育，減少速效態(tài)氮素損失，抑制稻田N2O排放[26-28]。紫云英還田能夠減少稻田N2O排放，一是紫云英的腐解消耗了土壤中的氧氣，減弱了硝化強度，進而減少了N2O的產(chǎn)生[29];同時當土壤中氧氣供應(yīng)不足時，N2O可能作為O2-·的替代物，作為電子受體被還原為N2，從而減少N2O排放[30]。二是紫云英還田可能增加了土壤中的碳源。碳源的分解可能會消耗部分NO3--N，導(dǎo)致反硝化作用所需底物減少，進而減少了反硝化過程所產(chǎn)生的N2O[31，32]。鄧麗萍[33]和熊正琴等[34]的研究亦證實了冬種紫云英能夠減少稻田CH4和N2O排放。

4 小結(jié)

再生稻栽培模式下，頭季稻生長期間是溫室氣體CH4和N2O排放的主要時期，且CH4排放對溫室氣體全球增溫潛勢貢獻遠大于N2O。相比冬閑和種植油菜，冬半年種植紫云英可以顯著降低頭季稻生長期的CH4和N2O排放，從而降低再生稻栽培模式下的全年溫室氣體排放的全球增溫潛勢，是生態(tài)環(huán)境效益較高的再生稻栽培模式。

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