南方雙季稻區(qū)不同復種方式對稻田綜合溫室效應(yīng)的影響

伍思平 眭 鋒 肖小軍 張 俊 吳自明 曾勇軍 黃 山

(1江西農(nóng)業(yè)大學教育部/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點實驗室,江西 南昌 330045;2 江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部江西耕地保育科學觀測實驗站,江西 南昌 331717;3中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所,北京 100081)

甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是導致全球變暖的重要溫室氣體[1-2]。大氣CH4和N2O 濃度已經(jīng)由工業(yè)革命前的715 μL·m-3和270 μL·m-3分別增加到1 803 μL·m-3和324 μL·m-3,并且以每年0.2% ～0.3%的速度增長[2]。全球農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)每年溫室氣體排放總量為5.1～6.1 Pg,占人為活動所引起的溫室氣體排放總量的10%～12%[3]。我國是世界上最大的稻米生產(chǎn)國[4]。同時,稻田也是大氣溫室氣體的重要排放源[2,5]。因此,研究如何協(xié)同實現(xiàn)水稻增產(chǎn)和稻田溫室氣體減排具有重要意義。

南方雙季稻區(qū)是我國重要的糧油生產(chǎn)基地[6-7]。雙季稻區(qū)具有長達5 個多月的冬閑季,期間種植紫云英或油菜,能夠利用該地區(qū)冬閑季充足的光溫水資源,提高雙季稻系統(tǒng)的周年生產(chǎn)力[8-9]。在不同長期定位試驗中,胡安永等[10]研究表明,稻田旱作期間CH4和N2O 排放量表現(xiàn)為冬小麥高于休閑和紫云英處理;與冬閑處理相比,冬小麥處理顯著增加稻田全球變暖潛勢,冬閑和紫云英處理間總變暖潛勢無顯著差異。相比于冬水田,水旱輪作有利于降低CH4排放,但會促進N2O 的排放[11]。張嘯林[12]研究表明,雙季稻-油菜輪作體系中CH4累積排放量顯著高于單季稻-小麥輪作體系。由于農(nóng)村勞動力的大量轉(zhuǎn)移、種糧收益低等原因,雙季稻區(qū)中稻的面積有增大趨勢[13]。但是,前人研究多集中在雙季稻系統(tǒng)下不同冬閑處理對稻田溫室氣體排放的影響[14-15],對單、雙季稻系統(tǒng)的比較研究較少。為此,本研究于2016-2017 年在南方雙季稻區(qū)開展田間試驗,設(shè)置油菜-一季中稻、冬季綠肥(紫云英)-早稻-晚稻,冬閑-早稻-晚稻3 種輪作方式,監(jiān)測不同復種方式的作物產(chǎn)量、CH4和N2O 氣體排放,以期為南方雙季稻田作物豐產(chǎn)和溫室氣體減排提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016 年10 月-2017 年10 月在江西省南昌市進賢縣紅壤研究所(116°17′E,28°35′N)進行。該試驗地屬于亞熱帶季風氣候,2016-2017 年平均降水量1 588 mm。供試土壤為第四紀紅色粘土發(fā)育的潴育型水稻土。試驗前0 ～20 cm 耕作層土壤理化性質(zhì)為pH 值5.9、有機質(zhì)31.8 g·kg-1、堿解氮160.8 mg·kg-1、有效磷56.0 mg·kg-1、速效鉀126.8 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計,各小區(qū)面積均為48 m2。設(shè)置3 個處理:油菜-一季中稻(記作R-MR),油菜種子于2016 年10 月12 日(中稻收獲后)人工均勻撒播入稻田,播種量為6.0 kg·hm-2,在2017 年5 月10 日人工收獲后,將油菜秸稈切成約10 cm 小段原位還田,種植中稻;冬季綠肥(紫云英)-早稻-晚稻(記作GM-ER-LR),紫云英種子于2016 年10 月12 日(雙季晚稻收獲前10 d 左右)人工均勻撒播入稻田,播種量為30 kg·hm-2,在2017 年4 月28 日將紫云英原位翻耕入稻田,種植雙季早稻和晚稻;冬閑-早稻-晚稻(記作WF-ER-LR),冬季休閑,種植雙季早稻和晚稻。每個處理3 次重復。

供試品種:油菜品種為湘油1035,由湖南農(nóng)業(yè)大學提供;冬種紫云英品種為余江大葉,為當?shù)胤狈N;中稻品種為常規(guī)稻金農(nóng)絲苗,由廣東省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所超級稻育種研究室提供;早、晚稻品種相同,均為常規(guī)稻中早39,購自江西進賢惠農(nóng)種業(yè)有限公司。早稻收獲后將秸稈切成約10 cm 小段原位還田,中稻和晚稻收獲后秸稈均勻平鋪在原位土壤表層。早、中、晚稻季秧苗均采用大田水育秧方式,早稻播種日期為為4 月8 日,秧齡28 d 移栽,栽插規(guī)格為25.0 cm×11.0 cm,基本苗為4 株/穴;中稻播種日期為5 月11日,秧齡25 d 移栽,栽插規(guī)格為25.0 cm×15.0 cm,基本苗4 株/穴。晚稻播種日期為7 月6 日,秧齡20 d移栽,栽插規(guī)格為25.0 cm×11.0 cm,基本苗為3 株/穴。油菜季和中稻季氮肥、磷肥和鉀肥用量相同,分別為純氮150 kg·hm-2、P2O567.5 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2。其中油菜季以包膜尿素作為氮肥,按基肥∶苗肥∶薹肥=5∶2∶3 施用,中稻季以常規(guī)尿素作為氮肥,按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3施用;油菜季和中稻季均以鈣鎂磷肥作為磷肥,做基肥一次性施用;油菜季和中稻季均以氯化鉀作為鉀肥,油菜季按基肥∶薹肥=5∶5施用,中稻季按基肥∶穗肥=5∶5施用。早晚稻季均以常規(guī)尿素作為氮肥,施用量為純氮120 kg·hm-2,磷肥和鉀肥施用量和施用方式與中稻季一致。

在油菜季、紫云英季和休閑季田間水分自然排干;在早、中、晚稻季田間水分管理模式為秧苗移栽后保持3 cm 左右水層,分蘗末期排水烤田,復水后采用干濕交替灌溉方式,直至水稻收獲前10 d 左右稻田水分自然排干。早、中、晚稻季開始排水曬田日期分別為5 月30 日、7 月5 日和8 月12 日,復水日期分別為6 月14日、7 月20 日和9 月1 日,試驗期各處理水層深度動態(tài)變化如圖1 所示。本試驗始于2015 年,氣體監(jiān)測從2016 年油菜季開始。

圖1 試驗周期內(nèi)田間水層深度和氣溫動態(tài)變化Fig.1 The dynamic change of water depth and air temperature during the experimental period

1.3 測定項目與方法

1.3.1 溫室氣體排放 采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法監(jiān)測田間溫室氣體的排放通量[16]。暗箱規(guī)格為50 cm×50 cm×50 cm,暗箱由不銹鋼金屬材質(zhì)制成,當水稻或油菜高度＞50 cm 時,需額外增添一個或兩個相同尺寸的雙向開口的箱體,此時箱體總高度為100 或150 cm。箱體表面包裹海綿和錫箔紙,避免氣體采集過程中太陽照射導致暗箱內(nèi)溫度升高過快。暗箱內(nèi)頂部安裝一個電壓為12 Ⅴ的小型風扇,外接便攜式蓄電池,氣體采集過程中,使暗箱內(nèi)氣體充分混勻。油菜季、紫云英季和冬閑季溫室氣體采集時,在油菜和紫云英種植小區(qū)內(nèi),選取出苗均勻、長勢基本一致的地點,固定一個上部留有3 cm 深的凹槽,下部15 cm 深的底座,將底座直接插入土壤。在早稻季、中稻季和晚稻季,稻田翻耕前底座移出稻田,秧苗移栽后,底座再次埋入稻田。早晚稻季底座內(nèi)秧苗均為8 穴,中稻季底座內(nèi)秧苗為6 穴。田間氣體采集時,暗箱與底座或暗箱與暗箱連接處的凹槽內(nèi)注水以隔絕空氣。水稻生長季,稻田溫室氣體每7 d 采集一次,油菜季、紫云英季和冬閑季每15 d 采集一次。氣體采集時,同步記錄田間氣溫動態(tài)變化(圖1)。田間氣體采集時間為上午9:00-11:00,分別在0、10、20、30 min 用50 mL 針孔注射器來回抽取箱內(nèi)氣體多次后,采集50 mL 氣體轉(zhuǎn)入100 mL 預先抽真空采氣袋,迅速帶回實驗室用Agilent 7890b 氣象色譜儀(美國安捷倫科技有限公司)測定樣品CH4和N2O 氣體濃度。CH4和N2O 檢測器分別為氫火焰離子化檢測器(flame ionization detecter,FID)和電子捕獲檢測器(electroncapture detector,ECD)。溫室氣體測定時儀器具體參數(shù)設(shè)定參照文獻[17]。溫室氣體排放通量計算公式如下:

式中,F 為溫室氣體排放通量(CH4,mg·m-2·h-1,N2O,μg·m-2·h-1);ρ表示標準狀態(tài)下的氣體密度(kg·m-3);h 為采氣暗箱的凈高度(cm);dc/dt 為單位時間內(nèi)暗箱內(nèi)溫室氣體的排放速率;T 為采氣過程中暗箱內(nèi)的平均溫度(℃);273 為氣態(tài)方程常數(shù)。

根據(jù)測定CH4和N2O 氣體濃度與氣體采集時間的關(guān)系曲線計算溫室氣體排放通量(擬合曲線相關(guān)系數(shù)大于0.90);當測定的CH4或N2O 氣體濃度較低時,氣體濃度與時間擬合曲線相關(guān)系數(shù)大于0.80 亦可。加權(quán)平均得到試驗周期內(nèi)CH4累積排放總量[Ac(CH4),kg·hm-2]和N2O 累積排放總量[Ac(N2O),g·hm-2]。

1.3.2 綜合溫室效應(yīng)、籽粒能量產(chǎn)出和全球增溫潛勢強度 綜合溫室效應(yīng)在100 年時間尺度上,單位質(zhì)量的CH4和N2O 的綜合溫室效應(yīng)(global warming potential,GWP)分別為CO2的25 倍和298 倍[2],其計算公式如下:

采用全球增溫潛勢強度(global warming potential intensity,GWPI)表示溫室氣體的排放強度。GWPI 表示生產(chǎn)單位等效籽粒能量產(chǎn)出(grain energy yield,GEY)的稻谷對氣候變暖的潛勢(以每kg 稻谷產(chǎn)量的綜合溫室效應(yīng)CO2當量計算)[2,18],GEY 和GWPI 計算公式如下:

水稻籽粒能源轉(zhuǎn)換因子為14.5 MJ·kg-1,油菜籽粒能源轉(zhuǎn)換因子為29.9 MJ·kg-1。采用作物的等效籽粒能量產(chǎn)出計算GWPI,而不是作物的絕對產(chǎn)量,以消除油菜和水稻的物種差異。

1.3.3 產(chǎn)量 在油菜和水稻成熟期,各小區(qū)人工收割10 m2,機械脫粒,稱重,取1 kg 烘干測定含水量,計算干重再統(tǒng)一換算成14%的含水率,測定各小區(qū)的實際產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 9.0 軟件作圖,運用SPSS 18.0 進行數(shù)據(jù)處理,采用LSD 法于P=0.05 水平上進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 CH4 排放通量季節(jié)變化

在本試驗周期內(nèi),各處理CH4排放通量的季節(jié)變化范圍為-0.05 ～53.83 mg·m-2·h-1(圖2)。在油菜季、紫云英季和冬閑季,CH4排放通量均趨近于零,而在早、中、晚稻季,CH4排放通量動態(tài)變化幅度較大。在R-MR 的中稻季,水稻移栽后CH4排放通量逐漸增加,在6 月29 日監(jiān)測到排放最高峰,中期排水曬田后迅速下降,后期覆水及干濕交替灌溉模式中未監(jiān)測到較大排放峰。在GM-ER-LR 和WF-ER-LR 的早稻季,水稻移栽后CH4排放通量迅速增加,均在5 月26 日監(jiān)測到排放最高峰,中期排水曬田后亦迅速下降,復水后施用穗肥,在6 月23 日監(jiān)測到較大排放高峰,直至水稻收獲前一周,CH4排放通量趨近于零。而在GMER-LR 和WF-ER-LR 的晚稻季,水稻移栽后淹水條件下,前三次CH4排放通量均監(jiān)測到較大排放高峰,中期排水曬田及后期干濕交替灌溉模式中,CH4排放通量趨近于零。GM-ER-LR 和WF-ER-LR 試驗周期內(nèi)CH4累積排放總量均顯著高于R-MR,而GM-ER-LR與WF-ER-LR 間無顯著差異(表1)。

圖2 不同復種方式對稻田CH4 排放動態(tài)的影響Fig.2 Effects of different multiple cropping pattern on CH4 emission fluxes

表1 不同復種方式對稻田CH4 累積排放總量的影響Table 1 Effects of different multiple cropping regimes on total CH4 emissions /kg·hm-2

2.2 N2O 排放通量季節(jié)變化

由圖3 可知,各處理N2O 排放規(guī)律不一,R-MR在3 月23 日、GM-ER-LR 及WF-ER-LR 在2 月6 日均監(jiān)測到排放最高峰。3 個處理在水稻生育前中期N2O 排放通量趨近于零,均表現(xiàn)為大氣N2O 較弱的源或匯。R-MR 臨近中稻收獲前僅監(jiān)測到一次排放高峰(9 月3 日),GM-ER-LR 和WF-ER-LR 在晚稻季復水后施用穗肥及后期干濕交替灌溉模式下,N2O排放通量動態(tài)變化幅度很大,兩處理均在9 月17 日監(jiān)測到排放最高峰。R-MR 試驗周期內(nèi)N2O 累積排放總量顯著高于GM-ER-LR 和WF-ER-LR,分別提高51.8%和97.7%,而GM-ER-LR 與WF-ER-LR 間無顯著差異(表2)。

圖3 不同復種方式對稻田N2O 排放動態(tài)的影響Fig.3 Effects of different multiple cropping pattern on seasonal variations of N2O emission fluxes

表2 不同復種方式對稻田N2O 累積排放總量的影響Table 2 Effects of different multiple cropping pattern on total N2O emissions /(g·hm-2)

2.3 稻田GWP、GEY、GWPI 和周年總產(chǎn)量

GM-ER-LR 和WF-ER-LR 試驗周期內(nèi)稻田GWP、GEY 和GWPI 均顯著高于R-MR(表3)。與WF-ERLR 相比,GM-ER-LR 周年總產(chǎn)量提高1.2%,而GWP增加4.3%,GM-ER-LR 和WF-ER-LR 兩處理間GWPI無顯著差異,分別較R-MR 提高100%和50%。

3 討論

3.1 不同復種方式對稻田CH4 和N2O 排放的影響

本研究結(jié)果表明,稻田CH4排放主要集中在水稻季(早、中、晚稻季);而在非水稻季(油菜季、紫云英季和冬閑季),稻田CH4排放通量均趨近于零,這與前人研究結(jié)果相同[19-21]。究其原因,主要是在水稻季,水稻前期淹水條件下,秸稈有機物還田為產(chǎn)甲烷菌提供本底基質(zhì)導致CH4排放速率加劇[21-22],且水稻分蘗前期地上部和地下部生物量較小,通氣組織不發(fā)達,對稻田CH4氧化能力有限[23];而在非水稻季,田間管理為水分自然排干,甲烷氧化菌占絕對主導地位,即使能產(chǎn)生CH4,大部分也被氧化了[22]。本研究中,與RMR 相比,GM-ER-LR 和WF-ER-LR 顯著增加了試驗周期內(nèi)稻田CH4累積排放總量,主要是因為R-MR水稻周年累積淹水天數(shù)(60 d)低于GM-ER-LR 和WF-ER-LR(83 d),稻田淹灌環(huán)境下有利于產(chǎn)甲烷菌的存活從而促進稻田CH4的排放[24-25]。且R-MR 油菜秸稈還田量低于GM-ER-LR 紫云英加早稻秸稈還田量和WF-ER-LR 早稻秸稈還田量,有機物外源添加顯著提高稻田CH4累積排放總量[21,26-27]。此外,R-MR 稻季周年施氮量(150 kg·hm-2)低于GM-ER-LR和WF-ER-LR 中雙季早晚稻氮素施用總量(240 kg·hm-2),CH4排放通量隨施氮量的增加而增加[28]。本研究中雙季晚稻的日排放量較RM-R 的中稻低,主要是南方雙季晚稻區(qū)稻田整體氣溫較低,抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性[29-30]。

表3 不同復種方式對稻田綜合溫室效應(yīng)、溫室氣體排放強度和產(chǎn)量的影響Table 3 Effects of different multiple cropping pattern on the GWP,GEY,GEPI and crop yield

在非水稻季,3 種輪作方式中稻田N2O 排放通量動態(tài)變化幅度均較大,并且在中、晚稻季生育后期也監(jiān)測到較大幅度的N2O 排放通量。其原因可能是本試驗在非水稻季稻田采取水分自然排干及在R-MR 油菜季施用氮素,且在水稻季生育后期采取干濕交替灌溉模式。這種水分管理模式和氮素施用均可能會引起土壤微生物硝化與反硝化過程加劇,促進稻田N2O 氣體排放[17,24,31]。而在早稻季和中稻季前中期均未監(jiān)測到N2O 排放高峰,原因可能是在南方雙季稻區(qū)此季節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)陰雨天氣,當?shù)咎锿寥揽紫逗枯^高時(＞90%),土壤孔隙中O2利用率極低,影響土壤微生物硝化-反硝化進程[21-22],從而抑制稻田N2O 產(chǎn)生及排放。本試驗中R-MR 試驗周期內(nèi)N2O 累積排放總量顯著高于GM-ER-LR 和WF-ER-LR。在R-MR 試驗周期內(nèi)N2O 累積排放主要是在油菜季,占稻田周年N2O 累積排放總量的76.5%。黃太慶等[32]研究表明,在非水稻季,油菜施氮處理N2O 季節(jié)累積排放量顯著高于冬閑處理,本研究結(jié)果與之相似,即油菜施氮處理為土壤硝化和反硝化微生物提供足夠的N 源。此外,本研究還發(fā)現(xiàn),GM-ER-LR 紫云英季N2O 累積排放總量高于WF-ER-LR 冬閑季,這與前人研究結(jié)果類似[30],主要原因是紫云英根系較發(fā)達,會顯著提高土壤中有機碳含量和土壤碳庫管理指數(shù),從而促進N2O排放量;其次,化學氮肥的施用,也是促進稻田N2O 排放的主要因素。

3.2 不同復種方式對稻田GWP、GEY、GWPI 的影響

本研究結(jié)果表明,GM-ER-LR 和WF-ER-LR 周年GEY 顯著高于R-MR。盡管R-MR 中稻季產(chǎn)量高于GM-ER-LR 和WF-ER-LR 的雙季早稻或晚稻季產(chǎn)量,且油菜能量轉(zhuǎn)換因子＞水稻能量轉(zhuǎn)換因子,但其周年GEY 累積總量仍低于GM-ER-LR 和WF-ER-LR。此外,GM-ER-LR 周年總產(chǎn)量最高,較WF-ER-LR 提高1.2%。在本試驗3 種復種方式中,GM-ER-LR 周年總產(chǎn)量提高主要體現(xiàn)在早稻季。主要原因可能是GMER-LR 在非水稻季種植紫云英,紫云英翌年直接翻入土壤,有利于土壤培肥,促進作物養(yǎng)分吸收從而提高產(chǎn)量[8]。GM-ER-LR 和WF-ER-LR試驗周期內(nèi)稻田GWP 顯著高于R-MR,其GWPI 較R-MR 也顯著增加,這可能與GM-ER-LR 和WF-ER-LR 中CH4排放量高有很大關(guān)系。本試驗中GM-ER-LR 和WF-ER-LR稻田N2O 累積排放總量極低,但CH4累積排放總量顯著高于R-MR。前人研究發(fā)現(xiàn),在稻作系統(tǒng)中GWP 的大小主要由CH4累積排放總量決定[22,24,33],本研究結(jié)果與之類似。GM-ER-LR 和WF-ER-LR 雖然較顯著增加周年總產(chǎn)量,但也顯著提高稻田GWP 和GWPI,為全球氣候變暖帶來一定的風險。本研究僅為1 年田間試驗,研究期限較短,今后會繼續(xù)對不同輪作方式的雙季稻田溫室氣體排放進行長期監(jiān)測。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,與R-MR 相比,GM-ER-LR 和WF-ER-LR 均顯著提高試驗周期內(nèi)CH4累積排放總量,但也顯著降低了N2O 累積排放總量。與R-MR 相比,GM-ER-LR 和WF-ER-LR 均顯著提高周年GEY,但也增加了試驗周期內(nèi)稻田GWP。綜上,與R-MR 相比,雖然在南方雙季稻區(qū)GM-ER-LR 和WF-ER-LR 均增加了糧食產(chǎn)出,但也會增加稻田的溫室效應(yīng)和溫室氣體排放強度。因此,鑒于雙季稻區(qū)中稻面積有增大趨勢,綜合環(huán)境效益和經(jīng)濟效益,油菜-一季中稻的增產(chǎn)減排效果更好,可為南方雙季稻低碳高效栽培提供理論依據(jù)。