生物可降解膜覆蓋對水稻溫室氣體排放及產(chǎn)量的影響

胡國輝，王軍可，王亞梁，朱德峰，陳惠哲，向鏡，張義凱，張玉屏

中國水稻研究所水稻生物學(xué)國家重點實驗室，浙江 杭州 310006

稻田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體的主要排放源之一，其產(chǎn)生并排放的甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是僅次于二氧化碳（CO2）的重要溫室氣體（Zhang et al.，2011；IPCC，2013），在一個世紀的時間尺度上，單位質(zhì)量CH4和N2O的增溫潛勢分別是CO2的25倍和298倍，對溫室效應(yīng)的貢獻率分別為15%和 5%（Hansen et al.，1990；Bridgham et al.，2013；Kirschke et al.，2013）。對于水稻種植大國來說，中國稻田的CH4和N2O排放量較大，其中CH4排放量約占全球稻田的29.2%（Yan et al.，2009）。因此，為了實現(xiàn)水稻綠色生態(tài)和高產(chǎn)高效生產(chǎn)目標(biāo)，減少稻田溫室氣體排放成為水稻生產(chǎn)面臨的新挑戰(zhàn)，近些年來，稻田溫室氣體減排措施開始成為稻作生態(tài)環(huán)境的研究熱點。

稻田溫室氣體產(chǎn)生主要來自微生物參與的復(fù)雜生物化學(xué)過程，其中CH4排放與土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的數(shù)量關(guān)系密切（Conrad，2007；Mooney et al.，1987），N2O排放則主要通過土壤硝化和反硝化細菌參與硝化和反硝化作用而成的結(jié)果（李香蘭等，2009a；Ineson et al.，1998），因而能夠影響到相關(guān)微生物參與生物化學(xué)反應(yīng)的因素均會影響CH4和N2O的排放。前人研究結(jié)果表明土壤屬性（質(zhì)地、溫度、Eh、pH）（蔡祖聰?shù)龋?998；李香蘭等，2009b）、土壤有機碳含量（吳家梅等，2017；易瓊等，2013）、土壤微生物（秦曉波等，2012a）都會直接或間接的影響稻田CH4和N2O的排放，其中溫度和水分是影響其排放的關(guān)鍵因子，溫度對稻田CH4和N2O的排放有明顯的控制作用（于心科等，1994），通過改變土壤生物學(xué)性質(zhì)和理化性質(zhì)來影響其產(chǎn)生和傳輸；在厭氧環(huán)境下，產(chǎn)甲烷菌通過對有機質(zhì)的消耗過程產(chǎn)生甲烷（王楷等，2017；Chidthaisong et al.，1997），而厭氧環(huán)境很大程度上取決于土壤水分含量；劉芳等（2013）研究顯示覆膜種植能夠減少CH4排放，且發(fā)現(xiàn)土壤5 cm處溫度和水分與水稻生育期稻田CH4的排放有顯著正相關(guān)，張怡等（2013）研究也表明覆膜栽培改淹水灌溉為濕潤栽培，能夠改善土壤通氣性，減少稻田CH4排放量；而石將來等（2017）研究指出與常規(guī)處理相比，地膜覆蓋顯著提高了水稻季和休閑期的CH4排放總量，還有一些研究顯示，與常規(guī)栽培相比，覆膜種植可以減少CH4排放，但會增加N2O的排放量（Xu et al.，2004；Yao et al.，2014）；前人關(guān)于覆膜種植對溫室氣體排放的研究中結(jié)果不盡相同，其產(chǎn)生的原因可能是不同生態(tài)區(qū)的雨熱、土壤條件差異導(dǎo)致的，同時，關(guān)于生物可降解膜覆蓋對稻田溫室氣體排放是如何影響的報道較少，為此本文選取南北差異較大的兩個試驗區(qū)，進行對比研究生物可降解膜覆蓋對機插水稻溫室氣體排放及產(chǎn)量的影響，以期為不同生態(tài)區(qū)水稻綠色高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地和生物可降解膜概況

大田試驗于 2018年在中國水稻研究所富陽試驗基地（30°5′N，119°55′E）和吉林省通化市柳河國信社稷尚品農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司種植基地（42°25′N，126°08′E）進行。富陽基地位于長江三角洲南翼，屬中緯度亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，2018年平均氣溫17.5 ℃，年平均降水量為1715 mm。試驗地土質(zhì)為黏性水稻土，冬閑；0—20 cm土層有機質(zhì)含量為 52.0 g·kg?1，全氮 2.66 g·kg?1，全磷 0.82 g·kg?1，速效磷 19.7 mg·kg?1，速效鉀 138.5 mg·kg?1；柳河基地位于長白山向松遼平原過渡地帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，2018年平均氣溫6.1 ℃，年平均降水量657 mm。試驗地土質(zhì)為灰棕色土壤，0—20 cm 土層有機質(zhì)含量為 59.3 g·kg?1，全氮 2.71 g·kg?1，全磷 0.92 g·kg?1，速效磷 34.7 mg·kg?1，速效鉀 226.2 mg·kg?1。生物可降解膜為巴斯夫公司（BASF）提供的 Ecovio生物可降解農(nóng)用地膜，其寬度為 1.85 m，厚度為0.01 mm，南方45 d左右開始降解，北方55 d左右開始降解，生育期內(nèi)可完全降解。

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

1.2.1 試驗設(shè)計

為研究不同生態(tài)區(qū)生物可降解膜覆蓋機插對稻田溫室氣體排放及水稻產(chǎn)量的影響，在南北方均種植單季稻，設(shè)置生物可降解膜覆蓋機插（BM）和不覆膜機插（CK）處理。

北方單季稻：供試品種為五優(yōu)稻4號；兩處理均施生物有機肥2400 kg·hm?2，作為基肥一次施用，有機肥全氮含量為 46.3 g·kg?1，有效磷含量為 1.6 g·kg?1，速效鉀含量為 2.2 g·kg?1。每個處理設(shè)置 3個重復(fù)，每個重復(fù)小區(qū)面積 1000 m2（長×寬=100 m×10 m），種植方式為覆膜機插種植（掛覆膜機的洋馬插秧機），行株距 30 cm×20 cm，密度每公頃16.7萬叢，每叢4—5本。

南方單季稻：供試品種為甬優(yōu) 538；兩處理均施用純氮量240 kg·hm?2的包膜控釋氮肥，磷肥為過磷酸鈣（含 P2O5的質(zhì)量分數(shù)為 12.5%）450 kg·hm?2，鉀肥為氯化鉀（含 K2O質(zhì)量分數(shù)為 57%）225 kg·hm?2，肥料全部作基肥一次施用；每個處理設(shè)置3個重復(fù)，每個重復(fù)小區(qū)面積 70.2 m2（長×寬=18 m×3.9 m），種植方式為覆膜機插種植（掛覆膜機的洋馬插秧機），行株距 30 cm×16 cm，密度每公頃20.9萬叢，每叢1—2本。

1.2.2 田間管理

種植管理：北方單季稻于2018年4月15日播種，5月18日移栽，7月10日為穗分化期，8月9日為齊穗期，9月20日成熟；南方單季稻于2018年5月15日播種，6月11日移栽，8月5日為穗分化期，9月3日為齊穗期，11月6日成熟。

水分管理：CK處理采用淺濕交替灌溉；BM處理采用覆膜濕潤栽培水分管理，保持田面沒有水層，灌溉溝中有水，保證田間土壤含水量基本為飽和狀態(tài)；北方單季稻于6月25日進行排水烤田，持續(xù)到7月6日，南方單季稻于7月20日進行排水烤田，排水持續(xù)到7月27日。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 溫室氣體采集與測定

采用靜態(tài)箱?氣相色譜法測定稻田甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）。氣體采樣箱由不銹鋼底座和采樣箱組成，采樣箱包括中段箱和頂箱兩部分，高均為50 cm，底面積為50 cm×50 cm，箱體材質(zhì)為不銹鋼，表面采用海綿和錫箔紙包裹進行隔熱，以此保持箱體內(nèi)溫度恒定；底座和中段箱頂部設(shè)有密封用水槽，采樣時將靜態(tài)箱罩在事先埋入田間地下約15 cm深處的不銹鋼底座上；根據(jù)實際天氣情況每 5—10天采氣 1次，每次采樣時間固定在上午08:00—12:00，抽氣時間點分別為罩箱后的0、10、20、30 min，每次自動抽樣約500 mL，并記錄密閉箱內(nèi)的溫度。氣體樣品采用島津（GC-2030）氣相色譜儀分析，檢測 CH4的檢測器 FID，檢測溫度200 ℃，柱溫 60 ℃，檢測 N2O的檢測器 ECD，檢測溫度300 ℃，柱溫60 ℃，氮氣為載氣，流速30 mL·min?1；氫氣為燃氣，流速 40 mL·min?1；空氣為助燃氣，流速 400 mL·min?1。

1.3.2 土壤微生物豐度測定

分別于水稻穗分化期和齊穗期按照5點取樣法取樣，利用取土器采集每個小區(qū)植株中間位置，耕層（0—20 cm）土壤樣品，去雜質(zhì)后混合待用。產(chǎn)甲烷菌（mcrA）、甲烷氧化菌（pmoA）、反硝化細菌（nosZ），硝化細菌包括氨氧化古菌（AOA）、氨氧化細菌（AOB）基因豐度采用實時熒光定量PCR分析。即用土壤DNA快速提取試劑盒提取土壤DNA，用質(zhì)量分數(shù)為 0.8%的瓊脂糖凝膠電泳檢測所提 DNA片段大小，并用超微量紫外分光光度計測定 DNA濃度及質(zhì)量。設(shè)計mcrA、pmoA、nosZ、AOA、AOB基因引物，進行實時熒光定量PCR分析。

1.3.3 土壤溫度

移栽當(dāng)天安裝 HOBO（HOBO H8 Pro Temp/RH，Onset Computer Corporation，Bourne，MA，USA）溫度監(jiān)測裝置，將感應(yīng)探頭放置土壤 5 cm處，每隔兩小時自動記錄數(shù)據(jù)1次，每天的土壤溫度數(shù)據(jù)為一天12次記錄的平均值。

1.3.4 土壤養(yǎng)分測定

土壤全氮（Soil total nitrogen）采用H2SO4-H2O2消煮，并用FOSS全自動凱氏定氮儀測定含氮量；土壤有機碳（Soil organic carbon）采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定（鮑士旦，2005）。

1.3.5 測產(chǎn)

每小區(qū)隨機劃定6.67 m2進行測產(chǎn)，單打單收和曬干后，測定稻谷質(zhì)量和含水率，然后折算成標(biāo)準含水量14.5%記為實收產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

溫室氣體排放通量由該氣體在箱中濃度隨時間的變化率計算得出，計算方程為甲烷（mg·m?2·h?1）和氧化亞氮（ μg·m?2·h?1）排放通量計算公式如下：

圖1 不同生態(tài)區(qū)覆膜栽培對水稻生育期稻田甲烷排放通量的影響Fig. 1 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on methane emission fluxes during rice growth period

F為排放通量；ρ為標(biāo)準狀態(tài)下氣體的密度（CH4為 0.714 kg·m?3，N2O 為 1.25 kg·m?3）；H為采樣箱體高度；?c/?t為采樣過程中箱內(nèi)氣體濃度隨時間的變化率（mL·m?3·h?1)）；θ為采樣時箱內(nèi)平均溫度（℃），273為氣態(tài)方程常數(shù)。每次觀測時各處理氣體排放通量用3次重復(fù)的平均值表示；氣體累積排放量用全生育期平均排放通量和全生長季時間的乘積表示。

以100 a為時間尺度，單位質(zhì)量的CH4和N2O全球增溫潛勢（Global warming potential，GWP）分別為二氧化碳的25倍和298倍，計算溫室氣體排放二氧化碳當(dāng)量（IPCC，2013），GWP=CH4季節(jié)排放總量×25+N2O 季節(jié)排放總量×298。根據(jù)Timothy et al.（2006）計算溫室氣體排放強度（Greenhousegas intensity，GHGI），GHGI=GWP/水稻產(chǎn)量。

運用Excel 2010和SAS 9.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用單因素（One-way ANOVA）方差分析和Duncan法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生育期內(nèi)CH4排放規(guī)律

如圖1所示，水稻全生育期內(nèi)稻田CH4日排放通量的動態(tài)變化曲線，稻田CH4排放通量具有明顯的階段性變化規(guī)律，其排放主要集中在生育前期和中期，但由于不同生態(tài)區(qū)的水熱條件有所差異，導(dǎo)致南北兩個試驗點稻田CH4排放規(guī)律不同，南北生態(tài)區(qū)處理間在生育期內(nèi)都出現(xiàn)了一大一小兩個明顯的CH4排放峰，其差異表現(xiàn)在峰值大小與相對應(yīng)的移栽時間有所不同；北方單季稻（圖1a）CK處理稻田在移栽后43 d和71 d出現(xiàn)了明顯的排放峰，其最高 CH4排放通量分別達到 16.8 mg·m?2·h?1和38.9 mg·m?2·h?1，而 BM 處理稻田的 CH4排放峰則出現(xiàn)在移栽后78 d和99 d，且峰值明顯低于CK處理，分別為 15.6 mg·m?2·h?1和 6.8 mg·m?2·h?1，從全生育期來看，在齊穗期前BM處理稻田的CH4排放通量小于CK處理，但在之后，CH4排放通量開始高于CK；南方單季稻（圖1b）CK和BM處理稻田均在移栽后24 d和52 d出現(xiàn)了明顯的排放峰，CK處理的 CH4排放通量峰值分別為 38.0 mg·m?2·h?1和 11.9 mg·m?2·h?1，BM 處理的 CH4排放峰值分別為 16.8 mg·m?2·h?1和 5.6 mg·m?2·h?1，與CK相比，BM 處理的峰值分別顯著降低 55.8%和52.9%，且全生育期內(nèi)，BM 處理的 CH4排放通量均低于 CK，在水稻齊穗期后，兩個處理稻田 CH4排放通量均小于 1 mg·m?2·h?1。

2.2 水稻生育期內(nèi)N2O排放規(guī)律

如圖2所示，不同生態(tài)區(qū)及不同處理之間稻田N2O排放規(guī)律不同，在生育期內(nèi) BM 處理改變了N2O的排放特征，其排放主要集中在生育前中期，且南北生態(tài)區(qū)在水稻生育期內(nèi)均出現(xiàn)3次明顯的排放高峰；北方單季稻（圖2a）BM處理在移栽后15 d 出現(xiàn)排放高峰，峰值為 72.1 μg·m?2·h?1，CK 處理在移栽后 71 d出現(xiàn)排放高峰，峰值為和 88.2 μg·m?2·h?1，BM 處理與 CK 相比，稻田 N2O 排放峰值降低18.3%，在移栽后106 d，BM與CK處理同時出現(xiàn)排放峰，峰值分別為 16.3 μg·m?2·h?1和 44.2 μg·m?2·h?1，BM 處理與 CK 相比，稻田 N2O 排放峰值顯著降低63.1%；南方單季稻（圖2b）在移栽后31 d，BM和CK處理均出現(xiàn)排放峰，峰值分別為57.0 μg·m?2·h?1和 40.4 μg·m?2·h?1，但差異未達到顯著水平，在移栽后59 d和107 d，CK處理均出現(xiàn)排放 峰 ， 峰 值 分 別 為 116.6 μg·m?2·h?1和74.6 μg·m?2·h?1，而 BM 處理沒有產(chǎn)生排放高峰，趨于穩(wěn)定。兩個生態(tài)區(qū)在水稻生育期內(nèi)N2O的排放通量出現(xiàn)多次峰可能與取樣測定前由于降雨導(dǎo)致大田濕度溫度不同造成的。

2.3 溫室氣體排放量

由表1所示，南北生態(tài)區(qū)BM處理均能有效地降低稻田CH4排放量，與CK相比，北方BM處理顯著降低了52.4%，南方BM處理顯著降低43.5%，但BM處理對稻田N2O排放量的影響，南北方存在差異，北方BM處理的N2O排放量略高于CK，沒有達到顯著水平，主要是由于 BM 處理生育前期N2O排放量遠高于CK；而南方BM處理與CK相比，N2O排放量顯著減少了47.9%。

2.4 產(chǎn)量及溫室氣體排放強度

從表2可以看出，南北生態(tài)區(qū)BM處理均能有效的降低稻田增溫潛勢（GWP）和提高水稻產(chǎn)量，與CK相比，北方BM處理GWP顯著降低52.9%，并顯著增產(chǎn) 8.7%，南方 BM處理 GWP顯著降低45.5%，并顯著增產(chǎn)4.1%，南北方BM處理稻田溫室氣體排放強度（GHGI）也隨之下降，與CK相比，北方BM處理GHGI顯著降低56%，南方BM處理GHGI顯著降低46.6%。

表1 不同生態(tài)區(qū)覆膜栽培對溫室氣體排放量的影響Table 1 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on greenhouse gas emissions

圖2 不同生態(tài)區(qū)覆膜處理對水稻生育期氧化亞氮排放通量的影響Fig. 2 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on nitrous oxide emission fluxes during rice growth period

表2 不同生態(tài)區(qū)覆膜栽培水稻產(chǎn)量及溫室氣體排放強度Table 2 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on rice yields and greenhouse gas emission intensity (GHGI)

2.5 不同生態(tài)區(qū)的降雨量變化及覆膜對土壤5 cm處溫度的影響

如圖3所示，水稻生育期內(nèi)南北生態(tài)區(qū)之間的降雨量變化差異很大，全生育期南方降雨量比北方多降89.4%；不同生態(tài)區(qū)BM處理對5 cm處土壤溫度均有增溫作用，其增溫效果有所不同；北方單季稻（圖3a）BM處理增溫效果明顯，增溫作用主要集中在生育前期（5月和6月），且與CK相比，月平均增溫達到2.9 ℃，全生育期平均增溫1.4 ℃；南方單季稻BM處理（圖3b）增溫效應(yīng)不明顯，增溫效果也集中在生育前期，與CK相比，月平均增溫0.7 ℃。

2.6 土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌

土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌豐度在不同生態(tài)區(qū)、不同處理及不同生育期之間都存在明顯的差異（表3）；其變化規(guī)律與稻田CH4排放通量變化基本一致，CH4排放集中在水稻生育前期和中期，對應(yīng)的水稻穗分化期土壤產(chǎn)甲烷菌豐度遠大于齊穗期；北方單季稻穗分化期在移栽后51 d，BM處理的CH4排放通量顯著低于CK，相對應(yīng)CK的土壤產(chǎn)甲烷菌豐度與BM處理相比顯著提高17.8倍，而BM處理的土壤甲烷氧化菌豐度比 CK顯著提高了 11.4倍；南方單季稻穗分化期在移栽后52 d，正好是第2個CH4排放峰，BM處理的CH4排放通量顯著低于CK，相應(yīng)的土壤產(chǎn)甲烷菌豐度與CK相比顯著降低51.1%，而土壤甲烷氧化菌豐度與CK相比顯著提高3倍；北方單季稻齊穗期在移栽后78 d，正好處在第2個CH4排放峰，BM處理的CH4排放通量顯著高于 CK，相應(yīng)的土壤產(chǎn)甲烷菌豐度與 CK相比顯著增加5.6倍，土壤甲烷氧化菌豐度在處理之間沒有顯著差異；南方單季稻齊穗期在移栽后81 d，BM處理的CH4排放通量與CK相比沒有顯著差異，但BM處理的產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌豐度均顯著高于CK，增加倍數(shù)基本一致。

2.7 土壤硝化細菌和反硝化細菌

圖3 不同生態(tài)區(qū)降雨量的變化和覆膜栽培對土壤5 cm處溫度的影響Fig. 3 In different ecological areas variation of rainfall and effects of mulching cultivation on soil temperature at 5 cm

表3 不同生態(tài)區(qū)覆膜栽培對產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌豐度的影響Table 3 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on abundance of methanogens and methanotrophs

表4 不同生態(tài)區(qū)覆膜栽培對硝化細菌和反硝化細菌豐度的影響Table 4 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on abundance of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria

在不同生態(tài)區(qū)、不同處理和不同生育時期之間土壤硝化細菌和反硝化細菌豐度（表4）差異較大，與稻田N2O日排放通量曲線（圖2）對應(yīng)來看，在水稻生育前期和中期，N2O排放相對較多，對應(yīng)的水稻穗分化期土壤硝化細菌和反硝化細菌豐度也遠大于齊穗期；在穗分化期，北方單季稻BM處理的N2O排放通量大于CK，但未達到顯著水平，相對應(yīng)的土壤硝化細菌豐度與 CK相比顯著降低32%，而土壤反硝化細菌豐度與CK相比顯著提高了82.8%；南方單季稻BM處理的N2O排放通量略高于CK處理，相對應(yīng)的土壤硝化細菌豐度與CK相比顯著增加 48.8%，土壤反硝化細菌豐度與 CK相比顯著提高91.2%；在齊穗期在，北方單季稻BM處理與CK的N2O排放通量沒有顯著差異，但對應(yīng)的土壤硝化細菌豐度與CK相比顯著增加92.6%，土壤反硝化細菌豐度與CK相比沒有顯著差異；南方單季稻N2O排放通量在處理間沒有顯著差異，相應(yīng)的土壤硝化細菌和反硝化細菌豐度也未出現(xiàn)顯著差異。

2.8 土壤全氮和有機碳

如下圖所示，南北生態(tài)區(qū)覆膜種植對水稻各生育時期土壤全氮（圖 4）和有機碳（圖 5）含量的影響；北方生態(tài)區(qū)土壤全氮含量（圖4a）全生育期內(nèi)呈先上升后下降的趨勢，與CK相比，BM處理在穗分化期、齊穗期和成熟期均有增加的趨勢，且在后兩個時期增加差異達到顯著水平，BM處理成熟期土壤全氮含量與CK相比顯著提高14.8%；南方生態(tài)區(qū)土壤全氮（圖4b）在全生育期內(nèi)整體上有上升的趨勢，與CK相比，BM處理在穗分化期顯著增加18.3%，其他時期差異不顯著。北方生態(tài)區(qū)BM和CK處理的土壤有機碳含量（圖5a）全生育期內(nèi)呈先上升后下降的趨勢，BM處理的土壤有機碳含量在齊穗期和成熟期與CK相比分別顯著增加19.9%和 27.1%；南方生態(tài)區(qū)土壤有機碳含量（圖5b）全生育期內(nèi)呈先上升后下降的趨勢，與CK相比，BM處理在下降階段降幅較小，其土壤有機碳含量在成熟期顯著增加5.1%。

3 討論

3.1 稻田溫室氣體排放

圖4 不同生態(tài)區(qū)覆膜栽培對土壤全氮的影響Fig. 4 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on soil total nitrogen

圖5 不同生態(tài)區(qū)覆膜栽培對土壤有機碳的影響Fig. 5 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on soil organic carbon

CH4排放是由產(chǎn)生、傳輸以及消耗3個過程共同作用的結(jié)果（Timothy et al.，2006；Mer et al.，2001），因而，影響到其中任一個過程的因素都會改變稻田CH4排放量；本研究表明，生物可降解膜覆蓋機插種植改變了CH4的排放特征，南北生態(tài)區(qū)BM處理均能顯著降低稻田CH4排放量（表1），降幅分別為43.5%和52.4%，其主要作用體現(xiàn)在降低了稻田CH4排放高峰值，這與劉芳等（2013）和張怡等（2016）研究結(jié)果基本一致；在CH4產(chǎn)生和消耗這兩個過程中，本研究發(fā)現(xiàn)BM處理能夠顯著減少產(chǎn)甲烷菌豐度，并顯著增加甲烷氧化菌豐度，在南北生態(tài)區(qū)均表現(xiàn)出一致的結(jié)果（表3），Watanabe et al.（2007）研究顯示土壤產(chǎn)甲烷菌是稻田甲烷產(chǎn)生的關(guān)鍵微生物，唐海明等（2014）研究表明稻田CH4排放與產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的數(shù)量變化密切相關(guān)，其中產(chǎn)甲烷菌需要在極度厭氧條件下才能作用于土壤有機物質(zhì)產(chǎn)生CH4，甲烷氧化菌卻是一種專性好氧菌，以 CH4作為唯一能源和主要碳源（Bedard et al.，1989；Conrad et al.，2012），這兩種關(guān)鍵功能微生物的數(shù)量變化影響著CH4的生成和消耗，BM處理田間不需要水層，改善了土壤本身通氣性是導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌群落變化的關(guān)鍵因素，如果稻田長期處于淹水狀態(tài)，會減少氧氣的傳輸和擴散，降低土壤氧化還原電位，易于產(chǎn)甲烷菌的快速繁殖，導(dǎo)致CH4的大量排放，而良好的通氣性能抑制厭氧的產(chǎn)甲烷菌的生存和繁殖，卻促進甲烷氧化菌的增殖，其次BM處理能增加水稻生育前期土壤溫度，提高土壤微生物活性，尤其是甲烷氧化菌，F(xiàn)lessa et al.（1995）研究甲烷氧化的日變化發(fā)現(xiàn)CH4的氧化與溫度呈顯著正相關(guān)，因此，稻田CH4排放量不僅取決于CH4的生成能力，還在于對內(nèi)源CH4的氧化能力，土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌群落動態(tài)變化是稻田CH4釋放的關(guān)鍵所在，吳訥等（2016）研究也顯示稻田CH4排放并不是取決于產(chǎn)甲烷菌或甲烷氧化菌中某一個，而是兩種細菌基因豐度比值；此外，在CH4的傳輸過程中，薄膜的存在會直接阻隔或延緩CH4向外界擴散（陶麗佳等，2013），增加其被氧化的時間，使得甲烷氧化菌將未排放的CH4作為碳源進行氧化，從而減少其釋放，這可能是BM處理能夠顯著降低CH4排放峰的原因之一；進一步分析土壤養(yǎng)分變化，與CK相比，北方BM處理在齊穗期和成熟期顯著增加了土壤全氮（圖4a）和有機碳含量（圖5a），南方BM處理在穗分化期顯著提高土壤全氮含量（圖 4b），在成熟期顯著提高土壤有機碳含量（圖5b），Hou et al.（2013）研究發(fā)現(xiàn)稻田CH4排放和總氮含量呈負相關(guān)關(guān)系，Minamikaw et al.（2005）研究顯示稻田CH4排放與土壤有機碳含量呈顯著正相關(guān)，還有學(xué)者研究認為土壤碳氮比越高，提供碳源和能量就越豐富，土壤有關(guān)微生物活性也越高，對應(yīng)的CH4排放就會增多（Zhang et al.，2016），這與本實驗結(jié)果趨勢相吻合，尤其是南方CK處理，碳氮比顯著高于BM處理，對應(yīng)的CH4排放量也顯著增多；但本試驗就水稻植株生長特性對CH4排放的影響研究較少，一些研究表明（江瑜等，2018）稻田產(chǎn)生的60%—90%的CH4通是過植株通氣組織排放到大氣中，而水稻根系作為土壤和植株的紐帶，其根系形態(tài)和生理特征也會影響CH4排放，因而，對于BM處理如何減少CH4排放的內(nèi)在機理還需深入的研究。

對于稻田N2O排放，張怡等（2013）研究顯示，水稻覆膜種植下稻田 N2O季節(jié)總排放量顯著高于常規(guī)種植，與Cuello et al.（2015）的研究結(jié)果一致，而本研究在南北生態(tài)區(qū)得出的結(jié)果存在差異，與CK相比，北方BM處理的N2O排放量略有增加，其增加量主要體現(xiàn)在水稻生育前期，這與于海洋等（2017）的研究結(jié)果相同，原因可能是本實驗的肥料均是作為基肥一次性施用，導(dǎo)致生長前期土壤中底物豐富，而植株較小，根系發(fā)育不健全，對土壤中N的吸收能力還處于較低水平，導(dǎo)致土壤中富集的氮素通過硝化或反硝化作用來生成N2O，尤其是北方BM處理，其生育前期雨水多，增溫效果好，月平均增溫達到2.9 ℃（圖3），在溫度較低的北方，土壤溫度的升高能夠活化土壤微生物，更好地促進細菌的硝化和反硝化作用，從而積累的 N發(fā)生轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生大量的N2O，而南方BM處理N2O生育期內(nèi)排放量顯著減少47.9%（表1），南北生態(tài)區(qū)試驗結(jié)果出現(xiàn)差異，可能是各種復(fù)雜因素綜合導(dǎo)致的結(jié)果，其中土壤水分是影響稻田N2O排放的重要因素（Lydie et al.，2007），而且其排放通量在一定程度上取決于土壤含水量的變化頻率（蔡祖聰?shù)龋?999），土壤干濕交替階段會使硝化和反硝化作用發(fā)生劇烈，導(dǎo)致稻田 N2O大量排放（徐文彬等，2002），而長期使稻田處于淹水狀態(tài)會大大降低N2O的排放（Zou et al.，2007），水稻全生育期內(nèi)南方降雨量比北方多降89.4%，由于降雨多，在大田條件下不能及時控制田間水分，從而影響到了N2O的排放，其次土壤全氮含量的變化趨勢也有所不同，全生育期看，北方稻田土壤全氮含量呈下降趨勢（圖4a），與BM處理相比，CK全氮含量在齊穗期和成熟期都顯著下降，而南方稻田土壤全氮含量整體有上升趨勢（圖 4b），這就導(dǎo)致兩個生態(tài)區(qū)在土壤氮素的消耗上存在差異，對應(yīng)其為硝化和反硝化過程提供的反應(yīng)底物也會有影響，通過對土壤微生物的進一步研究，總體上南方稻田土壤硝化和反硝化細菌豐度遠大于北方稻田，特別是在穗分化期，這也是北方稻田 N2O排放量比南方稻田少的原因，與CK相比，在穗分化期北方BM處理土壤反硝化細菌豐度顯著增加82.8%，南方BM處理土壤硝化和反硝化細菌豐度分別顯著提高48.8%和91.2%（表4），Yue et al.（2005）和秦曉波等（2012a）試驗結(jié)果顯示 N2O排放通量與土壤硝化細菌和反硝化細菌數(shù)量密切相關(guān)，而本研究南方稻田BM處理提高了土壤硝化和反硝化細菌豐度，卻反而減少了稻田N2O的排放，這可能與水稻植株的生長及對土壤氮素吸收利用的差異有關(guān)，也有可能是薄膜覆蓋阻礙其向外釋放的結(jié)果；因而，關(guān)于覆膜種植對稻田N2O的排放還需要進一步研究其對水稻根系及土壤氮素吸收利用的影響。

3.2 溫室氣體排放強度

溫室氣體排放強度作為衡量農(nóng)田溫室效應(yīng)和經(jīng)濟效益的綜合指標(biāo)（Mer et al.，2001），采用全球增溫潛勢來估算不同溫室氣體對氣候系統(tǒng)的潛在效應(yīng)，稻田中的CH4的增溫潛勢在一個世紀的時間尺度上遠遠高于N2O的增溫潛勢，BM處理雖然會增加N2O的排放量，但顯著降低了稻田CH4的排放量，使整體的增溫潛勢下降，秦曉波等（2012b）研究也表明減少稻田CH4排放就能有效降低稻田溫室氣體排放強度，與CK相比，南北生態(tài)區(qū)BM處理均能顯著降低稻田溫室氣體排放強度，由此可見，生物可降解膜覆蓋種植既能減緩溫室氣體排放和氣候變化，又能增加水稻產(chǎn)量，符合當(dāng)前可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展所要求的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益平衡統(tǒng)一。

4 結(jié)論

生物可降解膜覆蓋機插種植模式能增加土壤溫度和土壤全氮和有機碳含量，并提高水稻產(chǎn)量，在南北試驗點分別增產(chǎn)4.1%和8.7%。覆膜種植改善土壤通氣性，降低了土壤產(chǎn)甲烷菌豐度，并提高甲烷氧化菌豐度，進而減少了稻田CH4排放量，在南北方分別降低43.5%和52.4%，與CK相比，南北方覆膜種植的增溫潛勢（GWP）和稻田溫室氣體排放強度（GHGI）均顯著降低，其中采用生物可降解膜替代塑料薄膜，降低了水稻覆膜生產(chǎn)中對環(huán)境的污染，從環(huán)境效益和經(jīng)濟效益考慮，生物可降解膜覆蓋機插種植模式是水稻綠色高效生產(chǎn)的有效途徑。