遮陰對(duì)南方稻?麥土壤CH4和N2O碳排放強(qiáng)度的影響*

馬 莉，婁運(yùn)生，楊曉軍，茍 尚，李 君，李 睿，張 震

（1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044；2.蘭州中心氣象臺(tái)，蘭州 730020；3.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044）

人類活動(dòng)引起的大氣污染、氣溶膠濃度增加導(dǎo)致太陽(yáng)輻射減弱[1]。IPCC第五次報(bào)告指出，1750?2011年氣溶膠輻射使到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射減弱了0.9W·m?2[2]。據(jù)報(bào)道，中國(guó)東南部和南京地區(qū)的太陽(yáng)輻射下降速率分別為10.17MJ·m?2·a?1和0.2MJ·m?2·d?1[3?4]。太陽(yáng)輻射減弱、連續(xù)陰雨天數(shù)增加導(dǎo)致江蘇沿江及蘇南地區(qū)稻麥輪作種植區(qū)水稻成熟期延長(zhǎng)，冬小麥適播期推遲[5?6]，使水稻和冬小麥植株干物質(zhì)重、產(chǎn)量、葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率顯著降低[7?9]。冬小麥晚播使植株干物質(zhì)重降低，但仍可保持較高產(chǎn)量[10]。CH4和N2O是僅次于CO2的主要溫室氣體，自1750年以來(lái)，CH4和N2O的濃度分別增加了150%和20%，分別占溫室氣體排放總量的16%和6.2%[2]。據(jù)估計(jì)，大氣中15%～30%的CH4和80%～90%的N2O源自農(nóng)田土壤[11]。稻麥輪作是中國(guó)主要的種植制度，約占全國(guó)水稻種植面積的16%，稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放量占農(nóng)田總排放量25%～35%[12]。因此，在穩(wěn)定稻?麥生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)一的需求形勢(shì)下，減少稻?麥土壤溫室氣體排放及降低碳排放強(qiáng)度已成為稻?麥生產(chǎn)應(yīng)對(duì)氣候變化的研究熱點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于遮陰、不同農(nóng)田管理（水稻水分管理，冬小麥播期管理）等單因子對(duì)水稻、冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育及其農(nóng)田溫室氣體排放的研究較多。研究表明，在稻麥輪作系統(tǒng)中，稻田是CH4和N2O的排放源，冬小麥田是N2O的排放源，CH4的吸收匯[12?13]。水分管理對(duì)稻田CH4和N2O的產(chǎn)生、氧化和傳輸排放有著決定性的影響，直接影響稻田CH4和N2O的排放量，水分對(duì)減少稻田CH4和N2O排放有相反作用[14]。Hou等研究表明，稻麥輪作系統(tǒng)CH4和N2O的排放與田間含水量息息相關(guān)，常規(guī)灌溉的CH4排放量明顯高于控制灌溉、濕潤(rùn)灌溉和間歇灌溉，而長(zhǎng)期淹水灌溉的N2O排放量較低[15?16]。節(jié)水灌溉可提高水分利用率，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)發(fā)育，提高產(chǎn)量，同時(shí)可降低稻田CH4排放量，但促進(jìn)N2O排放[6，15]。遮陰抑制水稻和冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育，降低生物量和產(chǎn)量，同時(shí)可降低稻田CH4排放[17]。麥田土壤是CH4弱排放源，主要與降水和溫度有關(guān)[18]。稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放主要通過(guò)土壤微生物硝化?反硝化機(jī)制排放到大氣中[18]。研究表明，水稻曬田、節(jié)水灌溉以及冬小麥田，改善了土壤的通氣性，提高了土壤中硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌等微生物的數(shù)量和活性，有利于硝化作用與反硝化作用共同進(jìn)行，可促進(jìn)稻?麥土壤N2O排放[19?20]。

有關(guān)太陽(yáng)輻射減弱或不同農(nóng)田管理（水分管理/播期）單因子對(duì)稻?麥土壤溫室氣體排放影響的研究報(bào)道較多，但二者耦合對(duì)稻?麥生產(chǎn)、CH4和N2O排放及全球增溫潛勢(shì)和碳排放強(qiáng)度的影響，迄今尚不清楚。因此，本研究通過(guò)田間模擬試驗(yàn)，闡明太陽(yáng)輻射減弱下不同農(nóng)田管理（水分管理/播期）對(duì)稻?麥生產(chǎn)的影響，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一，對(duì)提高稻?麥生產(chǎn)應(yīng)對(duì)和適應(yīng)氣候變化的能力有積極意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間模擬試驗(yàn)于2017年6月?2018年5月在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站（32.0°N，118.8°E）進(jìn)行。該站地處亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均降水量1100mm，年平均氣溫15.6℃。稻?麥生長(zhǎng)期內(nèi)累積降水量分別為708.3mm和503.9mm，其中水稻曬田前期、曬田期間和曬田結(jié)束?收獲的累積降水量分別為89.4、210.4和408.5mm。供試土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬，質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，黏粒含量為26.1%，有機(jī)碳、全氮含量分別為1.94%、0.15%，pH為6.2。供試水稻和冬小麥品種，分別為南粳5055和蘇麥188，適宜在江蘇沿江及蘇南地區(qū)種植。供試肥料為氮磷鉀高濃度復(fù)合肥料（15?15?15）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

稻麥輪作共設(shè)6個(gè)處理。第一季為水稻，水稻種子經(jīng)消毒后于2017年5月7日育苗，6月7日移栽，8月1?13日中期曬田，10月1日停止灌溉曬田，10月28日收獲。第二季為冬小麥，于2017年11月播種，2018年5月28日收獲，每小區(qū)播種100g。每小區(qū)分別在水稻移栽前、冬小麥播種前施復(fù)合肥料315g。小區(qū)面積2m×2m。每處理重復(fù)3次，隨機(jī)排列。

稻麥輪作系統(tǒng)采用雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，遮陰強(qiáng)度設(shè)3個(gè)水平，包括對(duì)照（即CK，不遮陰）、輕度遮陰（S1，單層遮陰）和重度遮陰（S2，雙層遮陰）。農(nóng)田管理（水分管理/播期）設(shè)2個(gè)水平，常規(guī)淹水/常規(guī)播期（F/P），即水稻生育期內(nèi)保持田面水層深度為5cm，冬小麥播種時(shí)間為2017年11月6日；濕潤(rùn)灌溉/晚播（M/L），即水稻生育期內(nèi)田面無(wú)水層，冬小麥播種時(shí)間為2017年11月13日。水稻、冬小麥生長(zhǎng)季兩因素隨機(jī)區(qū)組排列，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)組合見(jiàn)表1。

兩作物生長(zhǎng)季遮陰處理方式和時(shí)間：水稻遮陰處理在拔節(jié)?灌漿期（2017年7月14日?10月19日），冬小麥遮陰處理在孕穗?灌漿期，常規(guī)播期處理遮陰時(shí)間為2018年3月23日?5月3日，晚播處理遮陰時(shí)間為2018年3月30日?5月10日。采用普通黑色遮陽(yáng)網(wǎng)覆蓋水稻和冬小麥植株冠層，根據(jù)稻麥輪作生長(zhǎng)進(jìn)程及時(shí)調(diào)整遮陽(yáng)網(wǎng)的高度，使遮陽(yáng)網(wǎng)與冠層之間距離保持0.3m以上，以保證冠層通風(fēng)良好及便于田間觀測(cè)和采樣，遮陰裝置如圖1所示。不同處理的平均遮陰率分別為0、61.26%和83.65%（表2）。

表2 各處理水稻和冬小麥主要生育期的實(shí)際遮陰率（%）Table 2 Shading rate at rice-wheat main growth stages under different treatments（%）

1.3 項(xiàng)目觀測(cè)

1.3.1 CH4和N2O采集與分析

采用密閉靜態(tài)箱?氣相色譜法測(cè)定CH4和N2O排放通量。每周采樣1次（間隔5～7d），采樣時(shí)間為8：00?11：00。采樣時(shí)將PVC靜態(tài)箱底部置于固定底座上，通過(guò)淹水層密封保證靜態(tài)箱氣密性，封箱后0、15、30min用帶有三通閥的針筒采集50mL氣樣，將所采氣樣注入事先抽成真空的玻璃瓶中。氣樣帶回實(shí)驗(yàn)室用帶有氫火焰離子檢測(cè)器（FID）的氣相色譜儀（Agilent 7890B GC）檢測(cè)CH4氣體濃度。色譜柱選用Porapak Q填充柱，型號(hào)為G3591?81013；載氣N2（流量校正不會(huì)影響尾吹氣或燃?xì)饬髁浚恢錅囟?0℃，F(xiàn)ID檢測(cè)器溫度為200℃，空氣和H2流量分別為400和45mL·min?1。

甲烷排放通量計(jì)算式為[21]

式中，F(xiàn)為氣體排放通量（mg·m?2·h?1），ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度（kg·m?3），H為采樣箱的凈高度（m），為單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體的濃度變化率，273為氣態(tài)方程常數(shù)，t為采樣過(guò)程中采樣箱內(nèi)的平均溫度（℃）。

稻麥輪作系統(tǒng)CH4和N2O累積排放量計(jì)算式為

式中，T為氣體累積排放總量（mg·m?2）；Fi和Fi+1分別為第i次和第i+1次采樣時(shí)氣體平均排放通量（mg·m?2·h?1）；Di和Di+1分別是第i次和第i+1次采樣時(shí)的采樣時(shí)間（d）。

1.3.2 生物量及產(chǎn)量測(cè)定

在水稻和冬小麥成熟期，每小區(qū)隨機(jī)選取有代表性的3株植株，將植株分為莖、葉、穗，稱取鮮重，放入烘箱，在80℃下烘干至恒重，再稱取干重。在稻?麥植株成熟收獲期，每個(gè)小區(qū)選取50cm×50cm長(zhǎng)勢(shì)均一的稻?麥植株采集穗，用常規(guī)方法進(jìn)行脫粒、風(fēng)干，計(jì)算產(chǎn)量。

1.3.3 遮陰率測(cè)定

采用AccuPAR植物冠層分析儀（DECAGOB LP?80，美國(guó)）測(cè)定遮陰率。每個(gè)生育期測(cè)定1次，測(cè)定時(shí)選擇晴朗無(wú)云、風(fēng)力小于3級(jí)的天氣，在11：00?14：00完成。先對(duì)儀器進(jìn)行校正，然后在每個(gè)小區(qū)水稻和冬小麥冠層處測(cè)量網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)外的光合有效輻射（PAR），計(jì)算遮陰率，即

1.3.4 全球增溫潛勢(shì)（GWPs）和碳強(qiáng)度（GHGI）計(jì)算

GWPs（global warming potentials）是評(píng)價(jià)各種溫室氣體產(chǎn)生溫室效應(yīng)及對(duì)氣候變化影響相對(duì)能力的一個(gè)指數(shù)。以百年尺度衡量，當(dāng)土壤排放氣體時(shí)，將CH4和N2O全生育期累積排放量分別乘以45和270轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量增溫潛勢(shì)；當(dāng)土壤吸收氣體時(shí)，將CH4和N2O全生育期累積排放量分別乘以203和349轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量冷卻潛勢(shì)[22?23]。計(jì)算式分別為

式中，SGWP和SGCP分別為CH4和N2O的增溫潛勢(shì)和冷卻潛勢(shì)（CO2kg·hm?2），GWPs為稻?麥系統(tǒng)CH4和N2O的綜合增溫潛勢(shì)，TC和TN分別為CH4和N2O的累計(jì)排放量（mg·m?2）。

小麥成熟后測(cè)產(chǎn)，計(jì)算稻麥輪作土壤CH4和N2O的碳強(qiáng)度，即單位產(chǎn)量溫室效應(yīng)碳當(dāng)量，計(jì)算式為[24]

式中，GHGI指碳強(qiáng)度（排放強(qiáng)度或吸收強(qiáng)度），是衡量1t水稻或冬小麥平均釋放或吸收溫室氣體的參數(shù)（CO2kg·t?1），Y指單位面積的水稻或冬小麥產(chǎn)量（t·hm?2）。

1.3.5 環(huán)境因子的測(cè)定

在水稻和冬小麥生長(zhǎng)期，每個(gè)處理配置溫度自動(dòng)記錄儀（型號(hào)L93-4），每30min記錄一次數(shù)據(jù)（稻?麥冠層溫度和5cm土壤溫度）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel、SPSS 21和Origin 9軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及作圖，根據(jù)最小顯著差數(shù)法（LSD法）進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮陰對(duì)稻?麥環(huán)境溫度及CH4和N2O排放的影響

2.1.1 溫度

由表3可見(jiàn)，不同遮陰處理對(duì)稻?麥田間氣溫會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在稻麥輪作系統(tǒng)中水稻生長(zhǎng)季內(nèi)，各種輻射條件下濕潤(rùn)灌溉（M）處理中冠層高度氣溫和5cm土壤溫度總體上均低于常規(guī)淹水處理（F），但無(wú)論常規(guī)淹水（F）還是濕潤(rùn)灌溉（M）處理，遮陰（輕度S1和重度S2）都會(huì)使水稻冠層氣溫明顯降低，冠層平均氣溫分別比各自對(duì)照處理（正常輻射）降低0.49、0.79、0.42 和2.30℃。進(jìn)一步分析可見(jiàn)，兩種灌溉方式下，遮陰對(duì)5cm土壤溫度的影響卻表現(xiàn)出相反的情況，在濕潤(rùn)灌溉（M）處理中，遮陰（輕度S1和重度S2）使逐日5cm土壤平均溫度比正常輻射（M+CK）條件下分別降低0.73和2.28℃，而常規(guī)淹水（F）處理中，遮陰（輕度S1和重度S2）使逐日5cm土壤平均溫度比正常輻射（F+CK）條件下分別升高0.25和0.08℃。在稻麥輪作系統(tǒng)冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)，無(wú)論是常規(guī)播期（P）還是晚播（L）處理，遮陰（輕度S1和重度S2）均使冬小麥冠層氣溫明顯降低，冠層平均氣溫分別比各自對(duì)照處理（正常輻射）降低0.63、0.71、0.87 和0.86℃；而遮陰對(duì)5cm土壤溫度的影響表現(xiàn)出相反情況，與各自對(duì)照處理相比，5cm土壤溫度分別升高0.09、1.10、0.75和0.89℃。可見(jiàn)，兩種遮陰條件可使稻?麥冠層氣溫及冬小麥田間5cm土壤溫度降低，而遮陰對(duì)水稻田間5cm土壤溫度的影響則與灌水方式有關(guān)，土壤溫度的變化可能對(duì)土壤溫室氣體排放帶來(lái)影響。

表3 各處理稻?麥生長(zhǎng)季冠層氣溫和5cm土壤溫度的比較（℃）Table 3 Comparison of canopy air temperature and soil temperature at 5cm depth during rice growth period under different shading intensity and water management（℃）

2.1.2 CH4和N2O排放通量

由圖2可見(jiàn)，各處理下稻麥輪作土壤CH4排放/吸收通量的季節(jié)性變化趨勢(shì)基本一致。稻麥輪作系統(tǒng)中，水稻生長(zhǎng)季稻田CH4排放通量表現(xiàn)為先升高后降低趨勢(shì)，于移栽后第51天（拔節(jié)期）達(dá)到峰值，移栽后第58?65天（曬田期）CH4排放通量急劇降低，曬田結(jié)束復(fù)水后，CH4通量又緩慢上升，之后逐漸降低并維持較低水平直至水稻成熟（圖2a）。稻麥輪作系統(tǒng)中，冬小麥生長(zhǎng)季麥田總體表現(xiàn)為對(duì)CH4的吸收，返青?灌漿前期，吸收通量呈波動(dòng)狀態(tài)，常規(guī)播期（P）和晚播（L）分別于播種后的第160天、第153天出現(xiàn)吸收谷（圖2b）。

稻麥輪作系統(tǒng)中，遮陰（S1、S2）顯著降低了常規(guī)淹水處理（F）下水稻田CH4排放通量，促進(jìn)了濕潤(rùn)灌溉處理（M）下稻田CH4排放通量和麥田對(duì)CH4的吸收。與各自的對(duì)照（CK）相比，遮陰（S1，S2）使稻麥輪作系統(tǒng)中常規(guī)淹水條件下稻田平均CH4排放通量分別降低68.41%和40.91%，濕潤(rùn)灌溉條件下稻田平均CH4排放通量分別升高49.87%和4.62%，常規(guī)播期和晚播處理下麥田平均CH4吸收通量分別提高61.35%、67.60%、47.07%和53.69%。無(wú)論遮陰與否，稻麥輪作系統(tǒng)中濕潤(rùn)灌溉處理較常規(guī)淹水處理降低了稻田平均CH4排放通量，各處理（CK、S1、S2）分別降低84.23%、0.43%和72.08%，晚播處理較常規(guī)播期處理促進(jìn)麥田平均CH4吸收通量，各處理（CK、S1、S2）分別升高48.66%、29.70%、26.63%。

圖2 各處理水稻（a）和冬小麥（b）生長(zhǎng)季CH4排放通量觀測(cè)值的逐日變化Fig.2 Daily variation of CH4emission flux observed in the growing season of rice（a） and winter wheat（b） in different treatments

圖3 各處理水稻（a）和冬小麥（b）生長(zhǎng)季N2O排放通量觀測(cè)值的逐日變化Fig.3 Daily variation of CH4emission flux observed in the growing season of rice （a） and winter wheat （b） in different treatments

如圖3所示，6種處理下稻麥輪作土壤N2O排 放通量的變化趨勢(shì)基本一致。稻麥輪作系統(tǒng)中各處理稻田N2O排放通量在分蘗期較低，曬田期間急劇上升，于第65天達(dá)到峰值，曬田結(jié)束復(fù)水后，N2O排放通量迅速降低，之后呈現(xiàn)波動(dòng)變化；生長(zhǎng)后期停止灌水后，N2O排放通量又開(kāi)始波動(dòng)上升直至收獲。稻麥輪作系統(tǒng)中各處理麥田N2O排放通量呈現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢(shì)，常規(guī)播期和晚播處理分別于播種后的第170天和第163天達(dá)到峰值。

從整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)來(lái)看，與各自的對(duì)照相比，遮陰促進(jìn)了稻麥輪作系統(tǒng)稻田和麥田N2O排放，稻田中常規(guī)淹水和濕潤(rùn)灌溉處理下的N2O平均排放通量分別升高56.17%、65.69%、50.34%和59.87%，麥田中常規(guī)播期和晚播處理的N2O平均排放通量分別升高32.85%、40.34%、20.96%和33.95%。無(wú)論遮陰與否，濕潤(rùn)灌溉處理促進(jìn)了稻麥輪作系統(tǒng)中稻田N2O排放，比常規(guī)淹水處理（CK、S1、S2）高出39.34%、31.37%和29.14%；晚播處理降低了稻麥輪作系統(tǒng)中麥田N2O平均排放量，比常規(guī)播期處理降低了25.65%、36.83%和32.84%?？梢?jiàn)，遮陰可促進(jìn)稻麥輪作土壤N2O排放，濕潤(rùn)灌溉處理可促進(jìn)稻麥輪作系統(tǒng)稻田N2O排放通，而晚播處理可緩減稻麥輪作系統(tǒng)麥田N2O排放。

2.1.3 CH4和N2O累積排放量

如表4所示，在稻麥輪作系統(tǒng)中，不同處理的CH4累積排放量均以稻田為主導(dǎo)，占100%左右；各處理中，不遮陰下常規(guī)淹水/常規(guī)播期（F/P+CK）處理CH4累積排放量最高，為7734.93mg·m?2，其次是重度遮陰下常規(guī)淹水/常規(guī)播期（F/P+S2）處理，為4469.56mg·m?2，不遮陰下濕潤(rùn)灌溉/晚播（M/L+CK）處理最低，為1035.40mg·m?2。不同農(nóng)田管理下（F/P和M/L），與各自的對(duì)照（CK）相比，遮陰（S1、S2）顯著降低了稻麥輪作系統(tǒng)常規(guī)淹水/常規(guī)播期（F/P）條件下的CH4累積排放量，降幅分別為68.08%、42.22%，達(dá)顯著差異水平（P＜0.05）；遮陰提高了濕潤(rùn)灌溉/晚播（M/L）條件下CH4累積排放量，增幅分別為101.19%、25.79%，但差異不顯著。無(wú)論遮陰與否，濕潤(rùn)灌溉/晚播（M/L）處理均降低了稻麥輪作系統(tǒng)CH4累積排放量。與常規(guī)淹水/常規(guī)播期處理相比較，濕潤(rùn)灌溉/晚播處理CH4累積排放量在各遮陰（不遮陰CK、輕度遮陰S1、重度遮陰S2）條件下分別降低了86.61%、15.63%和70.86%，除輕度遮陰外，各處理間的差異均達(dá)5%顯著水平?？梢?jiàn)，遮陰可緩解稻麥輪作系統(tǒng)常規(guī)淹水/常規(guī)播期條件下CH4累積排放，促進(jìn)濕潤(rùn)灌溉/晚播條件下CH4累積排放；濕潤(rùn)灌溉/晚播可降低稻麥輪作系統(tǒng)CH4累積排放量。

由表5可看出，稻麥輪作系統(tǒng)中常規(guī)淹水/常規(guī)播期處理（F/P）N2O累積排放以冬小麥田為主導(dǎo)，占稻麥輪作系統(tǒng)的56.82%～68.72%；濕潤(rùn)灌溉/晚播處理（M/L）N2O累積排放以稻田為主導(dǎo)，占稻麥輪作系統(tǒng)的51.34%～62.13%。各處理中，重度遮陰下濕潤(rùn)灌溉/晚播（M/L+S2）處理的N2O累積排放量最高，為124.74mg·m?2，其次是重度遮陰下常規(guī)淹水/常規(guī)播期（F/P+S2）處理，為123.88mg·m?2，不遮陰下常規(guī)淹水/常規(guī)播期（F/P+CK）處理最低，為58.60mg·m?2。遮陰（S1、S2）顯著提高了稻麥輪作系統(tǒng)各處理（F/P和M/L）N2O累積排放量，與各自的對(duì)照（CK）相比，增幅分別為75.63%、111.40%、63.59%、103.56%，且與對(duì)照間的差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。與常規(guī)淹水/常規(guī)播期（F/P）處理相比，除輕度遮陰（S1）外，濕潤(rùn)灌溉/晚播（M/L）處理略降低了稻麥系統(tǒng)其它處理的N2O累積排放，但差異不顯著?？梢?jiàn)，遮陰可促進(jìn)稻麥輪作系統(tǒng)各處理N2O累積排放；濕潤(rùn)灌溉/晚播降低了稻麥系統(tǒng)N2O累計(jì)排放量。

表4 各處理水稻/冬小麥生長(zhǎng)季CH4的累積排放量Table 4 Cumulative emissions of CH4during the rice/winter wheat growing season of different treatments

表5 各處理水稻/冬小麥生長(zhǎng)季N2O的累積排放量Table 5 Cumulative emissions of N2O during the rice/winter wheat growing season of different treatments

2.2 遮陰對(duì)稻?麥生物量及產(chǎn)量的影響

由表6可見(jiàn)，遮陰顯著降低了水稻和冬小麥生物量。在相同遮陰（對(duì)照CK、輕度S1和重度S2）條件下，濕潤(rùn)灌溉和晚播處理分別降低了水稻和冬小麥生物量，但處理間差異不顯著。在相同的灌溉（常規(guī)灌溉F和濕潤(rùn)灌溉M）條件下，與各自的對(duì)照相比（CK），遮陰（輕度S1和重度S2）使水稻生物量分別顯著降低35.68%、35.10%、36.69%和40.53%（P＜0.05）。在相同的播期（常規(guī)播期P和晚播L）條件下，與各自的對(duì)照相比（CK），遮陰（輕度S1和重度S2）使冬小麥生物量分別顯著降低38.41%、43.56%、28.90%和39.28%。

遮陰導(dǎo)致水稻和冬小麥產(chǎn)量顯著下降。與各自對(duì)照（CK）相比，不同灌溉（F和M）條件下水稻顯著減產(chǎn)43.43%、58.23%、22.63%和45.96%（P＜0.05），不同播期條件下冬小麥（P和L）顯著減產(chǎn)26.84%、35.05%、28.08%和61.89%（P＜0.05）。在同一遮陰（對(duì)照CK、輕度S1和重度S2）條件下，濕潤(rùn)灌溉導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降，晚播（L+CK和L+S1）可提高冬小麥產(chǎn)量，但差異均未達(dá)顯著水平。

2.3 遮陰對(duì)稻麥輪作田增溫潛勢(shì)及碳排放強(qiáng)度的影響

如圖4所示，稻麥輪作系統(tǒng)中以常規(guī)淹水/常規(guī)播期處理下不遮陰（F/P+CK）的增溫潛勢(shì)最高，以濕潤(rùn)灌溉/晚播處理（M/L+CK）最低。在常規(guī)淹水/常規(guī)播期（F/P）條件下，遮陰（S1、S2）顯著降低稻麥系統(tǒng)全球增溫潛勢(shì)，與對(duì)照相比顯著降低了36.32%～62.51%（P＜0.05）；在濕潤(rùn)灌溉/晚播（M/L）條件下，遮陰（S1、S2）增加了稻麥系統(tǒng)全球增溫潛勢(shì)，但處理間差異不顯著。無(wú)論遮陰與否，濕潤(rùn)灌溉/晚播（M/L）處理顯著降低了稻麥系統(tǒng)的全球增溫潛勢(shì)，與常規(guī)淹水/常規(guī)播期（F/P）處理相比，濕潤(rùn)灌溉/晚播（M/L）條件下各處理對(duì)全球增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)降低了12.10%～83.22%，除S1外，均達(dá)極顯著水平?？梢?jiàn)，遮陰下常規(guī)淹水/常規(guī)播期處理和濕潤(rùn)灌溉/晚播處理降低了稻麥系統(tǒng)CH4和N2O對(duì)全球增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)。

表6 各處理稻?麥生物量及產(chǎn)量的比較Table 6 Comparison of the biomass and yield of rice-wheat rotation system among treatments

圖4 各處理稻?麥輪作系統(tǒng)CH4和N2O的累積排放量換算成CO2當(dāng)量的增溫/冷卻潛勢(shì)（SGWP/SGCP）比較Fig.4 Comparison of the SGWP/SGCP （global warming potentials） calculated from emissions of CH4and N2O in rice-winter wheat rotation systems among treatments

如圖5所示，稻麥系統(tǒng)中稻田對(duì)CHGI（碳強(qiáng)度）貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于麥田，約為麥田的14倍。遮陰顯著提高了稻麥系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度，與各自對(duì)照相比，不同農(nóng)田管理（常規(guī)淹水/常規(guī)播期F/P和濕潤(rùn)灌溉/晚播M/L）條件下，除F/P+S1外，遮陰（S1、S2）使稻麥系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度顯著增加23.53%～64.40% （P＜0.05）。不論遮陰與否，濕潤(rùn)灌溉/晚播（M/L）處理顯著降低了稻麥系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度，與常規(guī)淹水/常規(guī)播期（F/P）處理相比，降幅為25.91%～79.94%，除S1外均達(dá)5%顯著水平?？梢?jiàn)，不同農(nóng)田管理下遮陰可顯著促進(jìn)稻麥系統(tǒng)碳排放，而濕潤(rùn)灌溉/晚播處理可有效緩減稻麥系統(tǒng)的碳排放。

圖5 各處理稻?麥輪作系統(tǒng)碳強(qiáng)度（GHGI）比較Fig.5 Comparison of the carbon intensity（GHGI） in rice-winter wheat rotation systems among treatments

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 遮陰對(duì)稻麥輪作CH4和N2O排放的影響

遮陰對(duì)CH4排放的影響。農(nóng)田CH4排放和吸收主要由土壤和植株根際微生物活動(dòng)引起。研究表明，稻?麥土壤CH4的產(chǎn)生、排放與作物本身的生長(zhǎng)狀況、環(huán)境溫度、土壤溫度、土壤微生物、太陽(yáng)輻射、土壤含水量等因素密切相關(guān)[16?17]。本試驗(yàn)中，稻麥系統(tǒng)CH4排放主要在水稻季，在水稻拔節(jié)?灌漿期，遮陰降低了常規(guī)淹水處理下CH4的排放，但促進(jìn)了濕潤(rùn)處理下的CH4排放，其原因有，（1）光照、溫度等因素影響稻田CH4排放，遮陰引起稻田環(huán)境溫度降低、濕度增加，減弱了光照強(qiáng)度，減少了常規(guī)淹水處理CH4排放量[16]，但可能導(dǎo)致M+S1和M+S2的CH4排放略高；（2）研究表明，常規(guī)淹水情況下，稻田80%～90%的CH4排放是通過(guò)植株莖和葉鞘等通氣組織完成的[25?26]，根系在CH4的產(chǎn)生、氧化和傳輸中起著重要作用[27?28]，而遮陰降低了生物量、產(chǎn)量及植株根系活力[29]，減少了水稻根系分泌物使根際產(chǎn)CH4微生物的活性和數(shù)量[30]，從而抑制了根系對(duì)CH4的輸送，使稻麥系統(tǒng)稻田CH4排放量降低；（3）研究表明，水稻植株本身可釋放CH4，環(huán)境脅迫會(huì)刺激植株體內(nèi)CH4的產(chǎn)生和排放[31?32]，而M+S1和M+S2處理受水分脅迫和光照減弱雙重脅迫，可能導(dǎo)致M+S1和M+S2處理的甲烷排放略高于M+CK處理。拔節(jié)?灌漿期常規(guī)淹水下重度遮陰的CH4排放高于輕度遮陰，濕潤(rùn)灌溉下輕度遮陰的CH4排放略高于重度遮陰，可能是因?yàn)?，?）F+S1處理的干物質(zhì)重低于F+S2處理，M+S1處理的生物量高于M+S2處理，生物量減少使CH4排放降低[29]；（2）收獲指數(shù)高，CH4排放少[27]，F(xiàn)+S1處理的產(chǎn)量高于F+S2處理，生物量略低于F+S2處理，減少了F+S1處理的CH4排放；（3）植株接收的散射輻射隨遮陰強(qiáng)度的增加而增加，散射輻射增加提高了水稻植株群體光能利用率，有利于水稻植株生長(zhǎng)發(fā)育，可能導(dǎo)致F+S1處理CH4排放較低[17]；（4）溫度對(duì)農(nóng)田CH4排放有著至關(guān)重要的影響，M+S1處理的冠層溫度和5cm土壤溫度均高于M+S2處理，導(dǎo)致M+S1處理CH4排放略高于M+S2處理。濕潤(rùn)灌溉明顯減少了稻麥系統(tǒng)稻田CH4的排放，主要因?yàn)闈駶?rùn)灌溉下稻田處于無(wú)水層狀態(tài)，土壤通氣性得以改善，破壞了CH4產(chǎn)生的條件和環(huán)境[33]；其次，節(jié)水灌溉顯著增加了稻田CH4氧化菌的數(shù)量，降低了CH4的排放[34]。不同遮陰程度在不同水分管理下對(duì)稻麥系統(tǒng)稻田CH4排放影響的具體原因還有待進(jìn)一步研究。

稻麥輪作系統(tǒng)冬小麥田對(duì)CH4主要表現(xiàn)為吸收，在返青?灌漿前期表現(xiàn)為吸收，后期表現(xiàn)為排放。有學(xué)者研究表明，稻麥系統(tǒng)中水稻季土壤通氣性差，易形成產(chǎn)CH4菌所需的厭氧條件，冬小麥季土壤通氣性好，不利于稻麥系統(tǒng)麥田CH4的產(chǎn)生、運(yùn)輸以及排放，有利于CH4氧化菌的形成，使土壤吸收和氧化CH4[35]，從而使稻麥系統(tǒng)麥田表現(xiàn)為對(duì)CH4的吸收。研究表明，稻麥輪作系統(tǒng)中冬小麥季產(chǎn)CH4菌的豐富度顯著低于水稻季[34]，且溫度是影響CH4產(chǎn)生、氧化和釋放的重要因素，而本試驗(yàn)中冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)，土壤和環(huán)境溫度較低，不利于產(chǎn)CH4菌的生存和活動(dòng)。在冬小麥孕穗?灌漿前期，隨著遮陰程度增加，稻麥系統(tǒng)對(duì)CH4的吸收加劇，原因在于，（1）隨著太陽(yáng)輻射減弱，土壤微生物活性和數(shù)量降低，對(duì)碳源利用率降低，且太陽(yáng)輻射減弱降低了作物有效光合利用率，減少了光合產(chǎn)物向地下的輸送，微生物可利用的底物減少[36]，缺乏CH4產(chǎn)生的機(jī)制；（2）隨著遮陰程度的增加，生物量隨之降低，且冬小麥冠層溫度也隨著降低，光強(qiáng)減弱，抑制CH4產(chǎn)生，導(dǎo)致土壤中CH4濃度低于大氣，引起了土壤對(duì)CH4的吸收[35]。在冬小麥生長(zhǎng)后期，由于環(huán)境溫度升高，降水量增加，且生長(zhǎng)后期植株衰老凋萎，為產(chǎn)CH4菌等微生物提供了更多的碳源，有利于CH4產(chǎn)生和釋放。晚播處理使稻麥系統(tǒng)冬小麥田CH4排放量總體低于傳統(tǒng)播期，主要因?yàn)橥聿ナ苟←湷雒鐣r(shí)間延長(zhǎng)，出苗率、越冬前分蘗數(shù)和生物量的降低，從而導(dǎo)致CH4排放減少。

遮陰對(duì)N2O排放的影響。土壤微生物硝化與反硝化過(guò)程是稻麥系統(tǒng)N2O產(chǎn)生和排放的主要來(lái)源，硝化和反硝化過(guò)程均能產(chǎn)生N2O，但反硝化過(guò)程產(chǎn)生的N2O量遠(yuǎn)高于硝化過(guò)程。本試驗(yàn)結(jié)果表明，遮陰加劇了稻麥系統(tǒng)N2O排放和累積排放，其原因有，（1）吳芳芳等表明，遮陰使農(nóng)田土壤中反硝化細(xì)菌增多，加強(qiáng)了土壤微生物的反硝化作用[36?38]，從而促進(jìn)了稻麥系統(tǒng)N2O的產(chǎn)生。（2）麥季遮陰處理下的5cm土壤溫度高于不遮陰處理，導(dǎo)致遮陰處理下的N2O排放量較高。（3）太陽(yáng)輻射減弱使水稻和冬小麥光合作用降低，植株體內(nèi)碳氮不平衡，導(dǎo)致NO3—和NO2—積累，加強(qiáng)了異化還原作用，促進(jìn)稻麥輪作土壤N2O的排放[39]。（4）植株本身可產(chǎn)生釋放N2O，隨著光照強(qiáng)度增加，N2O排放量降低，也可能產(chǎn)生N2O吸收[39]，從而導(dǎo)致CK處理N2O排放量降低。在水稻生長(zhǎng)季，濕潤(rùn)灌溉顯著促進(jìn)了稻田N2O排放，主要是因?yàn)闈駶?rùn)灌溉改善了土壤通透性，為水稻根系提供大量氧氣，有氧條件會(huì)促進(jìn)硝化作用和3NO?生成，有利于土壤微生物硝化作用和反硝化作用共同進(jìn)行，從而導(dǎo)致總N2O排放量增加；而常規(guī)淹水形成的厭氧環(huán)境，稻田土壤處于極端還原狀態(tài)，導(dǎo)致產(chǎn)生的N2O被進(jìn)一步還原為N2，降低了稻田N2O產(chǎn)生和排放[40]。在冬小麥生長(zhǎng)季節(jié)，晚播處理顯著降低了冬小麥田N2O排放，因?yàn)?，?）在水稻季，常規(guī)灌溉使土壤長(zhǎng)期處于厭氧狀態(tài)，停止灌溉后水分落干，淹水土壤累積了大量銨態(tài)氮，為冬小麥田土壤的硝化和反硝化過(guò)程提供充分的氮源，且水稻季淹水降低了土壤中有機(jī)氮的礦化，累積了大量的有機(jī)氮，而小麥季土壤通氣性改善，提高了有機(jī)氮礦化速度，從而加劇冬小麥田N2O的產(chǎn)生和排放[12]，使常規(guī)播期處理下的N2O顯著高于晚播處理。（2）晚播處理有利于花前各個(gè)器官對(duì)氮素的累積和花后氮素向穗部的運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了對(duì)土壤氮的吸收利用率[41]，Gaihre等研究表明，農(nóng)田N2O的排放與植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[42]，可能導(dǎo)致晚播處理N2O排放量降低。

3.1.2 遮陰對(duì)稻麥輪作增溫潛勢(shì)和碳強(qiáng)度的影響

全球增溫潛勢(shì)（GWPs）是評(píng)價(jià)各種溫室氣體對(duì)氣候變化影響的指數(shù)，GHGI（碳強(qiáng)度）表示農(nóng)業(yè)中生產(chǎn)1t糧食對(duì)氣候的影響，是一個(gè)將生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益相協(xié)調(diào)統(tǒng)一的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)[43]。因此，用GWPs和GHGI可揭示不同農(nóng)田管理下遮陰是否能緩減稻麥系統(tǒng)CH4和N2O排放對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)及其生態(tài)效益。稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)GHGI的大小與水稻和冬小麥的產(chǎn)量、土壤固碳能力及土壤向大氣中排放CH4和N2O的量有直接關(guān)系[44]，結(jié)果表明，在F/P條件下，遮陰降低了稻麥系統(tǒng)綜合持續(xù)變化的全球增溫潛勢(shì)（SGWP），在M/L條件下，遮陰提高了稻麥輪作系統(tǒng)綜合全球增溫潛勢(shì)。稻麥輪作系統(tǒng)中GHGI總體表現(xiàn)為：F/P+S2＞F/P+CK＞F/P+S1＞M/L+S2＞M/L+S1＞M/L+CK，其中，M/L+CK的GHGI和SGWP最低，且產(chǎn)量較高，在保證產(chǎn)量的同時(shí)，顯著提高了生態(tài)效益，降低了CH4和N2O排放對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)，有利于稻麥系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。不同農(nóng)田管理下遮陰處理排放強(qiáng)度均較高，且產(chǎn)量顯著降低，使環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯降低。因此，在未來(lái)氣候變化情景下，研究稻麥輪作系統(tǒng)溫室氣體減排時(shí)，需要權(quán)衡稻麥系統(tǒng)的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，在提高稻麥產(chǎn)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的雙重目標(biāo)，保證稻麥農(nóng)田的可持續(xù)生產(chǎn)。

3.2 結(jié)論

遮陰抑制了稻麥輪作系統(tǒng)中水稻和冬小麥植株的生長(zhǎng)發(fā)育，從而導(dǎo)致水稻、冬小麥生物量和產(chǎn)量降低。而水稻生育期采用濕潤(rùn)灌溉和冬小麥采用適當(dāng)晚播的處理能夠緩解輕度遮陰對(duì)兩種作物的不利影響，使產(chǎn)量提高，但晚播+重度遮陰處理則無(wú)此效果。

在稻麥輪作系統(tǒng)中，CH4對(duì)總排放量的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N2O。在水稻常規(guī)淹水和冬小麥常規(guī)播期條件下，遮陰可明顯降低稻麥輪作系統(tǒng)CH4排放量及累積排放量，但在水稻濕潤(rùn)灌溉和冬小麥晚播條件下遮陰則會(huì)提高CH4排放量及累積排放量。遮陰對(duì)N2O排放的影響與CH4相反，遮陰可顯著促進(jìn)稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放及累積排放，將水稻的灌溉方式改變?yōu)闈駶?rùn)灌溉和冬小麥適當(dāng)推遲播種（即晚播處理）可能會(huì)加劇遮陰對(duì)N2O排放量及累積排放量的影響。

從全球增溫潛勢(shì)和碳排放強(qiáng)度看，稻麥輪作系統(tǒng)中稻田對(duì)全球增溫潛勢(shì)和碳排放強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于冬小麥田。在水稻常規(guī)淹水/冬小麥常規(guī)播期處理下，遮陰會(huì)降低稻麥輪作系統(tǒng)CH4和N2O對(duì)全球增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)，而在水稻濕潤(rùn)灌溉/冬小麥晚播處理下則會(huì)提高CH4和N2O的貢獻(xiàn)。相反，遮陰提高了稻麥輪作系統(tǒng)CH4和N2O對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)，而濕潤(rùn)灌溉/晚播處理可緩減遮陰對(duì)碳排放強(qiáng)度的促進(jìn)作用。