基于冬種不同作物的水旱輪作模式對(duì)水稻產(chǎn)量及稻田CH4、N2 O 排放的影響

鐘 川 楊濱娟 張 鵬 李 萍 黃國(guó)勤

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心,江西南昌 330045)

全球變暖是當(dāng)前世界環(huán)境的熱點(diǎn)問(wèn)題,也是當(dāng)今全球面臨的諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一[1]。 目前,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所排放的CH4和N2O 已經(jīng)成為影響全球變暖的主要溫室氣體[2]。 據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)報(bào)告,全球大氣中CH4、N2O 濃度已由工業(yè)革命前的715、270 μL·m-3增至2016年的1 853、329 μL·m-3[3]。農(nóng)田是大氣CH4和N2O 的重要排放源[4]。 據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)排放的溫室氣體量為5.1～6.1 Pg·a-1(以CO2當(dāng)量計(jì)),占全球人為活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體排放總量的10%～12%[5]。 我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),也是全球水稻播種面積第二的國(guó)家,2014年水稻種植面積達(dá)到30.31×106hm2,占全球水稻種植面積的18.57%[6],因此我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已成為主要的溫室氣體排放源。

冬種綠肥可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,改善土壤理化性狀[7],提高作物產(chǎn)量,是一種優(yōu)質(zhì)的生物肥料[8]。前人研究發(fā)現(xiàn)綠肥還田能夠顯著提高稻田溫室氣體排放量[9-10],但關(guān)于不同種類(lèi)綠肥對(duì)溫室氣體排放影響的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。 農(nóng)業(yè)管理措施如種植制度也是影響稻田CH4和N2O 排放的重要因素[11]。 盧維盛等[12]研究表明,雙季稻改為早稻-小白菜、早稻-茄瓜模式能明顯降低稻田CH4排放;陳書(shū)濤等[13]研究大豆-小麥、玉米-小麥和水稻-小麥3 種輪作制度,發(fā)現(xiàn)不同輪作制度對(duì)稻田N2O 排放影響顯著;江長(zhǎng)勝等[14]研究表明,水旱輪作模式能顯著降低冬灌田CH4排放量,而N2O 排放量則顯著增加,且綜合增溫潛勢(shì)顯著降低。 隨著世界人口持續(xù)增長(zhǎng),人們對(duì)糧食產(chǎn)品的需求日益增加,在評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)綜合增溫潛勢(shì)的同時(shí),結(jié)合考慮其產(chǎn)量要素尤顯必要。 Van Groenigen等[15]研究表明,溫室氣體排放強(qiáng)度(greenhouse gas intensity,GHGI) 相較于全球增溫潛勢(shì)(global warming potential,GWP)更能夠全面體現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)作物產(chǎn)量、農(nóng)田土壤溫室氣體排放的雙重影響。 孫丹平[16]研究表明,稻田冬種綠肥及水旱輪作復(fù)種模式可以提高作物產(chǎn)量,提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,同時(shí)干濕交替的種植模式也有利于減緩稻田溫室氣體排放。 目前,基于不同綠肥下水旱輪作種植模式的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道,且何種種植模式的產(chǎn)量和環(huán)境效益雙優(yōu)還有待進(jìn)一步明確。 本研究通過(guò)大田試驗(yàn),設(shè)置冬種不同作物及水旱輪作改良措施,研究5 種不同種植模式對(duì)水稻產(chǎn)量及全年稻田CH4、N2O 排放的影響,并通過(guò)分析5 不同種植模式的GWP 和GHGI,明確產(chǎn)量、環(huán)境效益雙優(yōu)的可持續(xù)生產(chǎn)模式,以期為長(zhǎng)江中游雙季稻區(qū)稻田豐產(chǎn)及溫室氣體減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年10月-2017年10月,在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園水稻試驗(yàn)田(28°46′N(xiāo)、 115°55′E) 進(jìn)行。試驗(yàn)地屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,年均太陽(yáng)總輻射量為4.79 ×1013J·hm-2,年均日照時(shí)數(shù)為1 852 h,7、8月最多、2、3月最少,光照分布與水稻生長(zhǎng)旺季基本同步,對(duì)水稻生產(chǎn)有利。年≥0℃日積溫達(dá)6 450℃,年降水量1 665.7 mm,年平均氣溫19.4℃。

供試土壤為發(fā)育于第四紀(jì)的紅粘土,為亞熱帶典型紅壤分布區(qū)。 試驗(yàn)田土壤基本理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)28.56 g·kg-1、 全 氮1.79 g·kg-1、 有 效 磷27.48 mg·kg-1、速 效 鉀160.74 mg·kg-1、 堿 解 氮171.5 mg·kg-1、pH 值5.15。

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料:紫云英(余江大葉子),由鄧家埠水稻原種場(chǎng)提供;油菜(中油821)、馬鈴薯(東農(nóng)303)、甘薯(廣薯87)、大豆(豐源一號(hào)),均由科源種業(yè)公司提供;早稻(中嘉早17)、晚稻(天優(yōu)華占),由泗溪鎮(zhèn)農(nóng)情種業(yè)公司提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5 個(gè)處理(表1),即紫云英-早稻-晚稻(記作CRR,對(duì)照)、紫云英-早稻-甘薯‖晚大豆(記作CRI)、油菜-早稻-晚稻(記作RRR)、油菜-早稻-甘薯‖晚大豆(記作RRI)、馬鈴薯-早稻-晚稻(記作PRR)。 每個(gè)處理3 次重復(fù),共15 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。 每個(gè)小區(qū)面積為33 m2(11 m×3 m),小區(qū)間用高30 cm的水泥田埂隔開(kāi)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

甘薯大豆采用開(kāi)溝起壟的方式種植,壟寬1.2 m,壟高0.35 m,每壟種4 行大豆1 行甘薯,甘薯兩邊各2行大豆,甘薯大豆間行距0.3 m,甘薯株距0.2 m,大豆間行距0.2 m,株距0.15 m。 紫云英播種量為37.5 kg·hm-2,播種時(shí)用鈣鎂磷肥(P2O512%)拌種均勻撒播,P2O5用量45 kg·hm-2,所用磷肥在水稻施肥總量中扣除,油菜播種量為15 kg·hm-2,播種時(shí)用沙質(zhì)土拌種均勻撒播;馬鈴薯種植密度為73 000 株·hm-2。 所有冬季作物秸稈均在水稻移栽前15 d 翻壓還田。 冬季作物秸稈還田量:CRR(CK)、CRI 處理的紫云英還田量均為4.3×104±3.7×103kg·hm-2;RRR、RRI 處理的油菜秸稈鮮重均為2.8×104±2.5×103kg·hm-2;PRR處理的馬鈴薯秸稈鮮重為2.0×104±2.3×103kg·hm-2。

化肥種類(lèi)及用量參照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥:所有作物施用化肥均為尿素(N 46%),鈣鎂磷肥(P2O512%),氯化鉀(K2O 60%)。 水稻當(dāng)?shù)厥┓食Ｒ?guī)用量為N 180 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、 K2O 120 kg·hm-2。 N 肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=3 ∶4 ∶3 施用;P 肥全部作基肥,一次性施入;K 肥按分蘗肥∶穗肥=7 ∶3 施用。 N、P 基肥在插秧前1 d 施入并與土壤混合均勻,分蘗肥在水稻移栽后5～7 d 時(shí)施用,穗肥在主莖幼穗長(zhǎng)1 ～2 cm 時(shí)施用。 其他田間管理措施同一般大田栽培。 大豆當(dāng)?shù)厥┓食Ｒ?guī)用量為N 150 kg·hm-2、P2O5375 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2。 N 肥和P 肥按基肥∶花肥=2 ∶3施用;K 肥按基肥∶花肥=1 ∶1施用。 甘薯當(dāng)?shù)厥┓食Ｒ?guī)用量 為N 80 kg·hm-2、P2O5375 kg·hm-2、K2O 80 kg·hm-2,其中P、K 肥作為基肥一次性施入,N 肥按基肥∶追肥= 1 ∶2 施用。 其他田間管理措施同一般大田栽培。

紫云英播種時(shí)間為2016年10月2日,油菜播種時(shí)間為2016年11月12日,馬鈴薯播種時(shí)間為2016年11月28日,所有冬作物均在4月13日收獲并秸稈翻壓還田。 早稻播種時(shí)間為2017年3月27日,4月28日移栽,7月22日收獲。 晚稻于2017年6月27日播種,7月29日移栽,10月29日收獲;甘薯,大豆種植時(shí)間為8月1日,11月1日收獲。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 作物測(cè)產(chǎn) 于水稻成熟期,各小區(qū)普查50 蔸作為有效穗計(jì)算的依據(jù),用平均法在各小區(qū)隨機(jī)選取有代表性的水稻植株5 蔸,風(fēng)干后作為考種材料。 用清水漂洗,去空秕粒晾干后,用百分之一分析天平測(cè)千粒重,考種項(xiàng)目包括有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)、千粒重。 水稻、旱作物每小區(qū)實(shí)收作為實(shí)際產(chǎn)量,其中油菜、馬鈴薯、甘薯、大豆產(chǎn)量按所形成的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,以原糧折算標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算產(chǎn)量進(jìn)行比較分析。

1.4.2 溫室氣體采集與測(cè)定 采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法測(cè)定田間小區(qū)溫室氣體排放。 靜態(tài)箱底橫截面積為0.5 m×0.5 m,采樣箱體由304 不銹鋼材質(zhì)制成,箱體高度隨水稻高度而增加(拔節(jié)期前放置一層0.5 m,拔節(jié)期后放置兩層共1 m)。 采樣箱箱內(nèi)安有一小電扇用于混勻箱內(nèi)氣體,箱子頂部設(shè)有3 個(gè)松緊閥,分別為風(fēng)扇電池接口、溫度計(jì)插口、采氣孔,外部包有白色海綿綿罩,防止太陽(yáng)照射導(dǎo)致箱內(nèi)溫度變化過(guò)大。采樣時(shí)間為上午9:00-11:00,采樣前將采樣箱體置于事先埋好的底座上,采樣時(shí)用100 mL 注射器來(lái)回抽5～10 次以混勻氣體,隨后抽取50 mL 氣體樣品到氣袋中,4 個(gè)連續(xù)樣品分別在箱體密閉后0、10、20 和30 min 采集,3 d 內(nèi)利用A7890b 安捷倫氣相色譜(美國(guó)安捷倫科技有限公司)完成CH4、N2O 濃度測(cè)定,其中,CH4檢測(cè)器FID 檢測(cè)溫度為250℃,柱溫60℃;N2O 檢測(cè)器ECD 檢測(cè)溫度為300℃,柱溫60℃。

1.5 計(jì)算方法與數(shù)據(jù)分析

1.5.1 計(jì)算方法

按照公式計(jì)算溫室氣體排放通量(F,單位kg·m-2·h-1):

式中,ρ:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫室氣體的密度,kg·m-3;H:密閉箱高度,m;ΔC/Δt:單位時(shí)間(h)密閉箱內(nèi)溫室氣體濃度的變化率;T:密閉箱內(nèi)平均溫度,℃[17]。

全球增溫效應(yīng):采用IPCC 推薦的綜合增溫潛勢(shì)計(jì)算CH4和N2O 在100 a 尺度的綜合增溫效應(yīng),CH4和N2O 排放量分別乘以25 和298,得到CO2排放當(dāng)量fCH4、fN2O,相加即為2 種氣體的全球增溫潛勢(shì)(GWP),其計(jì)算公式如下[18]:

按照公式計(jì)算CH4和N2O 排放強(qiáng)度(GHGI,單位為CO2kg·kg-1)[19]:

式中,Y:該處理單位面積平均產(chǎn)量,kg·hm-2。

1.5.2 數(shù)據(jù)分析 采用Microsoft Excel 2016 處理數(shù)據(jù);Origin8.0 作圖;SPSS 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析;LSD 進(jìn)行樣本平均數(shù)的差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素

水稻產(chǎn)量受有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重等因素的影響。 由表2 可知,CRR(CK)、CRI處理的有效穗、千粒重均高于其他處理,且差異顯著(P＜0.05);各處理的穗長(zhǎng)、結(jié)實(shí)率均無(wú)顯著性差異(P＞0.05);CRI 處理的每穗粒數(shù)最高,且與RRR、PRR 處理差異顯著(P＜0.05),但與處理CRR、RRI 無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。 CRI 處理的實(shí)際產(chǎn)量最高,CRR 處理次之,CRI 處理的產(chǎn)量較CRR、RRR、RRI、PRR 處理分別高1.73%、12.08%、7.48%、10.95%,且與RRR、RRI、PRR 均差異顯著(P＜0.05)。 結(jié)果表明,冬種紫云英相較于冬種油菜、馬鈴薯能夠增加早稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重,進(jìn)而提升早稻產(chǎn)量。

由圖1 可知,晚稻季,將CRI 和RRI 處理旱作物產(chǎn)量折算成稻谷產(chǎn)量后發(fā)現(xiàn),CRI 和RRI 處理間無(wú)顯著性差異(P＞0.05),但RRI 與其余3 個(gè)處理水稻產(chǎn)量均差異顯著(P＜0.05),RRI 處理較CRR、CRI、RRR、PRR 處 理 產(chǎn) 量 分 別 高22.54%、 5.70%、 29.83%、27.24%。 從水稻兩季總產(chǎn)方面分析,除CRI 處理外,RRI 與其他處理之間差異顯著(P＜0.05),RRI 處理的總產(chǎn)量最高,較CRR、CRI、RRR、PRR 處理分別高9.36%、1.43%、18.01%、16.19%。 結(jié)果表明,冬種紫云英對(duì)早稻有一定的增產(chǎn)效果,但對(duì)晚稻產(chǎn)量基本無(wú)影響,水旱輪作較雙季稻處理在晚稻季可以獲得更高的產(chǎn)量。

2.2 稻田CH4 排放通量動(dòng)態(tài)變化

由圖2 可知,各處理稻田CH4排放通量動(dòng)態(tài)變化基本一致,且早、晚稻季水稻田均出現(xiàn)3 個(gè)峰值。 冬季綠肥生長(zhǎng)季CH4排放通量遠(yuǎn)低于水稻季的排放水平,晚稻季旱地CH4排放通量遠(yuǎn)低于水稻季的排放水平,且無(wú)明顯排放峰值。

表2 各處理下早稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素Table 2 Rice yield and its components under different treatments

圖1 各處理的早晚稻產(chǎn)量Fig.1 The yields of late rice or early rice for different treatments

從冬季綠肥生長(zhǎng)季來(lái)看,冬季由于溫度普遍較低抑制了產(chǎn)甲烷細(xì)菌活動(dòng),各處理CH4排放通量基本維持在較低水平,在3月2日和4月1日達(dá)到排放高峰,分別為1.58 mg·m-2·h-1、1.62 mg·m-2·h-1,且峰值均出現(xiàn)在RRI 處理。

從早稻季來(lái)看,各處理在水稻移栽之后CH4排放通量均不斷升高,基肥的施用和冬作物秸稈的腐解為產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的C 源,使得產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)不斷增強(qiáng),在5月6日出現(xiàn)第1 個(gè)排放高峰。 5月20日處于水稻分蘗期,該時(shí)期田間水分、溫度狀況良好,蘗肥的施用使得CH4排放達(dá)到第2 個(gè)高峰,也是早稻季各處理CH4排放的最高峰(17.30 mg·m-2·h-1)。 隨后進(jìn)行曬田、復(fù)水等田間管理,CH4排放量先減后增,出現(xiàn)第3 個(gè)排放高峰。

從晚稻季來(lái)看,CRR、RRR、PRR 處理的變化趨勢(shì)基本一致,CRI 和RRI 變化基本一致。 CRR、RRR、PRR 種植晚水稻的變化趨勢(shì)與早稻基本一致,分別在8月3日、8月16日、9月21日達(dá)到排放高峰,峰值分別為13.59、19.44、7.9 mg·m-2·h-1。 CRI、RRI 種植旱作物(甘薯‖晚大豆)的CH4排放一直處于較低水平,排放的范圍為0.02～0.91 mg·m-2·h-1,這可能是由于旱作物采取開(kāi)溝起壟的方法種植作物,土壤一直保持較為干燥,不利于甲烷菌的活動(dòng),導(dǎo)致排放量較低。

圖2 各處理CH4排放通量動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of CH4 emission flux for different treatments

2.3 稻田N2O 排放通量動(dòng)態(tài)變化

稻田土壤微生物的硝化和反硝化作用是稻田N2O排放的主要來(lái)源,水分、溫度是影響這2 個(gè)生物過(guò)程的重要因素。 由圖3 可知,全年稻田N2O 排放通量均處于較低水平,冬季出現(xiàn)1 個(gè)排放峰值,早、晚稻季水稻田均出現(xiàn)2 個(gè)峰值,晚稻季旱地出現(xiàn)3 個(gè)排放峰值。

從冬季作物生長(zhǎng)季來(lái)看,冬季稻田田間持水量低,加之溫度較低,抑制了硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性,因而整個(gè)冬季N2O 均處于較低水平的排放量(29.39～209.54 μg·m-2·h-1)。 1月24日,各處理N2O 排放達(dá)到最高峰, 峰值出現(xiàn)在 RRI 處理(209.54 μg·m-2·h-1),這是由于連續(xù)幾天下雨,導(dǎo)致采氣當(dāng)天土壤濕度較大,硝化細(xì)菌的活動(dòng)增強(qiáng),促進(jìn)了N2O 的排放。

從早稻季來(lái)看,各處理的N2O 排放通量變化整體趨勢(shì)一致,且均無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。 從整個(gè)早稻生長(zhǎng)季來(lái)看,前期稻田一直處于淹水狀態(tài),由于N2O產(chǎn)生的最適環(huán)境是處于干濕交替的環(huán)境,因此前期N2O 排放通量較低,在6月3日各處理均達(dá)到當(dāng)季最高排放量,這是由于該段時(shí)期處于曬田期,稻田土壤干濕交替給了硝化細(xì)菌最合適的活動(dòng)環(huán)境,N2O 排放升高,之后隨著稻田復(fù)水,N2O 又回到排放的低水平;水稻成熟期稻田持水降低,硝化細(xì)菌活動(dòng)又再次增強(qiáng),在7月1日達(dá)到第2 個(gè)小高峰,但低于第1 個(gè)高峰的排放通量,這可能是溫度太高抑制了硝化細(xì)菌的活動(dòng)。

從晚稻季來(lái)看,旱作物處理出現(xiàn)3 個(gè)N2O 排放高峰,究其原因在于,8月21日第1 個(gè)高峰是施氮肥促進(jìn)了N2O 排放;9月1日第2 個(gè)高峰,前一天下雨和施肥導(dǎo)致N2O 排放達(dá)到最高峰;10月6日第3 個(gè)高峰可能是由于溫度較為適宜硝化細(xì)菌的活動(dòng)。 晚稻季水稻2 個(gè)N2O 排放高峰,原因可能是,9月7日第1 個(gè)高峰,該時(shí)間段處于曬田期,土壤處于干濕交替的環(huán)境利于N2O 產(chǎn)生;9月21日達(dá)到第2 個(gè)高峰,原因是水稻趨于成熟稻田持水排干。

圖3 各處理N2O 排放通量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of N2O emission flux for different treatments

2.4 稻田CH4 和N2O 累積排放量

不同種植模式條件下稻田CH4和N2O 每季及周年累積排放量如表2 所示。 結(jié)果表明,稻田CH4排放占主導(dǎo)地位,晚稻季旱作物N2O 排放量大,但仍低于CH4排放。 從CH4累積排放量看,冬種季,PRR 處理的CH4累積排放量最高,且與其他處理差異顯著(P＜0.05);早稻季,PRR 處理的CH4累積排放量最低,且與其他處理之間差異顯著(P＜0.05);晚稻季,CRI 與RRI 種植旱作物,其他處理種植水稻,旱地CH4排放量遠(yuǎn)低于水田,CH4排放量最高的PRR 處理較CRI 高17.81 倍,CRI、RRI 處理的CH4排放量顯著低于其他處理(P＜0.05);綜合3 季CH4的累積排放量來(lái)看,排放最高的為種植雙季稻處理RRR,較水稻接茬種植旱作物的處理CRI、RRI 分別高82.91%、88.77%,說(shuō)明種植水稻后接茬種植旱作物能顯著降低CH4排放。

從N2O 累積排放量來(lái)看,冬種季,N2O 排放處于極低水平,累積排放量最高的為RRI 處理,較最低的處理PRR 高25.00%,RRI 處理與CRR、RRR、PRR 處理間均差異顯著(P＜0.05)。 在冬季相同的環(huán)境及同樣的田間管理措施下,種植冬季綠肥種類(lèi)不同對(duì)N2O排放具有一定影響;早稻季所有處理均種植水稻,表現(xiàn)為CRI 處理的N2O 累積排放量最高,其次為CRR(CK),且CRR、CRI 顯著高于其他處理(P＜0.05),這可能是由于冬季所種植的不同綠肥翻壓入田所致。 晚稻季種植旱作物的處理N2O 累積排放量變化與CH4相反,其N(xiāo)2O 累積排放量遠(yuǎn)高于種植水稻的其他處理,其中CRI 最高,較PRR 高11.43 倍,且與CRR、RRR、PRR 均差異顯著(P ＜0.05),但同為旱作物的CRI 與RRI 間無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。

2.5 稻田CH4 和N2O 綜合增溫潛勢(shì)及排放強(qiáng)度

由表3 可知,在100 a 尺度下,RRI 處理的CH4全球增溫潛勢(shì)最低,較CRR、CRI、RRR、PRR 處理分別低43.33%、3.10%、47.03%、39.92%,且除CRI 處理外,與其他處理之間均差異顯著(P＜0.05)。 PRR 處理的N2O 全球增溫潛勢(shì)較CRR、CRI、RRR、PRI 處理分別低10.53%、81.85%、3.90%、71.42%,PRR 與CRI、RRI 處理均差異顯著(P＜0.05)。 RRI 處理的綜合增溫潛勢(shì)最低,較CRR、CRI、RRR、PRR 處理分別低15.88%、5.08%、20.65%、10.49%,且與CRR、RRR 處理差異顯著(P＜0.05)。 CH4和N2O 對(duì)稻田全球增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率差距較大,冬季綠肥-雙季稻的模式,CH4對(duì)全球增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率達(dá)到93.06% ～93.91%,而N2O 的貢獻(xiàn)率僅為6.09%～6.94%,冬季綠肥-水稻-旱作物的模式CH4對(duì)全球增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率為60%左右,N2O 的貢獻(xiàn)率約為40%,表明稻田CH4排放量高于N2O 排放量。 從綜合排放強(qiáng)度來(lái)看,RRI 處理的溫室氣體排放強(qiáng)度最低,較CRR、CRI、RRR、PRR 處理分別低32.51%、18.18%、30.77%、20.59%,且與其他處理均差異顯著(P＜0.05)。

表2 各處理CH4 和N2O 累積排放量Table 2 Cumulative emissions of CH4 and N2O during the annual for different treatments /(kg·hm-2)

表3 各處理CH4 和N2O 全球增溫潛勢(shì)及排放強(qiáng)度Table 3 GWP and greenhouse gas intensity of CH4 and N2O for different treatments /(kg·hm-2)

3 討論

3.1 不同種植模式對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

綠肥可以提高土壤肥力,提升作物產(chǎn)量[20],但不同綠肥對(duì)水稻的增產(chǎn)效果存在一定的差異。 楊濱娟等[21]研究表明,冬種紫云英相較于冬閑水稻增產(chǎn)10.48%,且增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于冬種油菜、黑麥草等綠肥。 田卡等[22]通過(guò)研究稻草還田和冬種綠肥的互作效應(yīng),發(fā)現(xiàn)稻草還田和冬種紫云英的處理組合的增產(chǎn)效果最為明顯。 這與本研究結(jié)果基本一致。 本研究中,CRR、CRI(冬種紫云英)處理的早稻產(chǎn)量明顯高于其他處理,其原因可能是紫云英還田可以促進(jìn)早稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)及千粒重等經(jīng)濟(jì)學(xué)性狀的形成,進(jìn)而提高早稻產(chǎn)量[23]。 本研究還發(fā)現(xiàn)CRR、RRR、PRR 處理間的晚稻產(chǎn)量無(wú)顯著性差異,但與CRI、RRI 處理均差異顯著,表明冬種綠肥對(duì)晚稻季水稻產(chǎn)量影響較小,而早稻后茬種植旱作物可以有效提高作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,這可能是由于早稻后茬種植旱作物可以均衡利用土壤養(yǎng)分,且水旱輪作可以改善土壤生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解,進(jìn)而提高了旱作物的產(chǎn)量。 這與孫丹平[16]和武際[24]的研究結(jié)果一致。

3.2 不同種植模式對(duì)CH4 和N2O 排放特征及累積排放的影響

稻田CH4的排放受施肥、田間水分管理、種植模式等因素影響[25]。 白小琳等[26]研究表明,冬季休閑期稻田CH4排放僅為早晚稻季排放量的1%;李大明等[27]研究秸稈覆蓋旱作對(duì)稻田甲烷排放影響,發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋可以保持土壤水分,并供給土壤有機(jī)質(zhì),降低土壤氧化還原電位,進(jìn)而使得CH4排放量上升。 這與本研究結(jié)果一致。 本研究結(jié)果表明,5 種不同種植模式冬季CH4排放量均處于極低水平,而PRR 處理冬季累積排放量最低,且與其他處理差異顯著。 這可能與種植馬鈴薯采用秸稈覆蓋有關(guān)。 本研究還發(fā)現(xiàn)5 種模式早、晚稻季水稻CH4排放的趨勢(shì)基本一致,均呈先升高后下降的趨勢(shì)。 這與胡安永等[17]的研究結(jié)果一致。 究其原因,可能與5 種種植模式均采用了相同的田間水分管理措施有關(guān)。 早稻季PRR 處理CH4排放量最低。 可能是由于PRR 處理冬季所種植的馬鈴薯作為綠肥所提供的有機(jī)質(zhì)最少,碳源少導(dǎo)致CH4排放量最低,這與Hou[28]和Tang 等[10]的研究結(jié)論一致。從周年CH4的累積排放量來(lái)看,RRI 處理的排放量最低,這是由于水旱輪作大幅度降低了CH4的排放。 這與張?jiān)婪嫉萚29]的研究結(jié)論一致。

稻田N2O 排放同樣受作物種類(lèi)、田間水分管理、施肥措施等因素的制約[30]。 唐海明等[31]研究表明,冬季作物種類(lèi)不同,土壤N2O 的排放量也不盡相同。本研究中,冬季各處理N2O 累積排放量依次為RRI＞CRI＞RRR＞CRR＞PRR,且RRI 與PRR 處理之間差異顯著,表明N2O 排放與冬季作物種類(lèi)有關(guān)。 胡安永等[17]研究太湖地區(qū)不同輪作模式對(duì)稻田溫室氣體排放的影響,發(fā)現(xiàn)整個(gè)稻季各輪作模式均有4 個(gè)較明顯的N2O 排放峰。 這與本研究結(jié)果不一致。 本研究中,早稻季有4 個(gè)排放峰,晚稻除CRI 處理有4 個(gè)排放峰外,其他處理均為3 個(gè)排放峰值。 這可能是由于晚稻季作物生長(zhǎng)后期,N2O 排放處于極低水平,試驗(yàn)誤差導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)了最后一個(gè)排放峰值。 謝義琴等[32]和柳文麗等[33]研究表明,施用氮肥可以有效增加N2O 的排放。本研究中,早稻CRR、CRI 的N2O 排放量顯著高于其他處理,說(shuō)明相比其他種類(lèi)綠肥,紫云英具有固氮功能可以替代部分氮肥[8],進(jìn)而促進(jìn)了N2O 的排放。 本研究還發(fā)現(xiàn)CRI、RRI 處理全年N2O 累積排放量遠(yuǎn)高于其他處理,其原因可能是CRI、RRI 晚稻季種植旱作物,旱作物灌溉、下雨等易造成土壤干濕交替,促進(jìn)N2O 排放[34],說(shuō)明水旱輪作可以降低CH4的排放量,但同時(shí)也會(huì)增加N2O 排放量。

3.3 不同種植模式對(duì)稻田CH4 和N2O 綜合增溫潛勢(shì)及排放強(qiáng)度的影響

本研究中,CH4和N2O 對(duì)稻田綜合增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率不同,其中CRR、RRR、PRR 這3 種冬種-雙季稻模式CH4排放對(duì)GWP 的貢獻(xiàn)率達(dá)90%以上,而N2O貢獻(xiàn)率不足10%。 這與董艷芳等[18]的研究結(jié)論相似。CRI、RRI 冬種-水旱輪作模式CH4排放貢獻(xiàn)率降至60%左右,而N2O 貢獻(xiàn)率極大提升。 這與張?jiān)婪嫉萚29]的研究結(jié)果相似。 同為冬種-雙季稻模式,種植不同種類(lèi)的冬季作物對(duì)GWP 和GHGI 均會(huì)造成影響,其中RRR(冬種油菜)對(duì)GWP 和GHGI 的增加尤為明顯。這與鄧麗萍[35]的研究結(jié)果一致。 黃太慶等[36]研究表明,稻田旱作季CH4排放較低,這與本研究結(jié)果相同。本研究發(fā)現(xiàn)水旱輪作可以顯著降低CH4的排放,進(jìn)而降低稻田GWP 與GHGI。 RRR(油菜-雙季稻)的周年GWP 和GHGI 最高,而RRI(油菜-早稻-甘薯‖晚大豆)的周年GWP 和GHGI 最低,這可能是由于油菜秸稈還田對(duì)CH4的排放影響較大,而水旱輪作模式旱作季N2O 排放量劇增,CH4排放量低[29],周年CH4排放的GWP 貢獻(xiàn)比較低,加之冬種油菜可獲得部分經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,導(dǎo)致處理RRI 周年GWP 和GHGI 均為最低,其在5 種模式的溫室氣體減排方面表現(xiàn)最好。

4 結(jié)論

不同種植模式對(duì)水稻產(chǎn)量和CH4、N2O 的排放均會(huì)產(chǎn)生影響。 綠肥能提高早稻的產(chǎn)量,但對(duì)晚稻產(chǎn)量基本無(wú)影響,其中紫云英對(duì)早稻產(chǎn)量增效最好;水旱輪作處理相較于雙季稻處理可以獲得更高的產(chǎn)量(旱作物產(chǎn)量折算成水稻產(chǎn)量比較),從兩季水稻產(chǎn)量來(lái)看處理CRI、RRI 表現(xiàn)較好,而處理RRI 在減少溫室氣體排放方面在5 種模式中表現(xiàn)最好,說(shuō)明油菜-早稻-甘薯‖晚大豆模式在產(chǎn)量、溫室氣體減排方面較優(yōu)。