稻田轉(zhuǎn)為菜地初始階段溫室氣體排放特征

鄔磊，何志龍，湯水榮，吳限，張文菊，胡榮桂

稻田轉(zhuǎn)為菜地初始階段溫室氣體排放特征

鄔磊1，何志龍2，湯水榮3，吳限2，張文菊1，胡榮桂2

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070；3海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，?？?570228）

【】近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高及膳食結(jié)構(gòu)的改善，越來越多的稻田被轉(zhuǎn)為蔬菜種植，影響了土壤碳氮轉(zhuǎn)化過程及其引起的溫室氣體排放。因此有必要探究稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植，特別是該土地利用方式轉(zhuǎn)變初始階段的溫室氣體（CH4和N2O）排放特征及其關(guān)鍵影響因素。試驗選取了長期種植水稻的雙季稻田，將其中一部分轉(zhuǎn)為蔬菜種植，另一部分繼續(xù)種植水稻，每個處理設(shè)置了3個重復(fù)，按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)模式進行管理。采用靜態(tài)暗箱—氣相色譜法連續(xù)3年進行田間原位觀測，比較分析稻田和由稻田轉(zhuǎn)變的菜地CH4和N2O排放特征及其年際變化差異，明確稻田轉(zhuǎn)為菜地初始階段CH4和N2O排放的關(guān)鍵影響因素。稻田是重要的CH4排放源，其第一年的排放強度（183.91 kg CH4-C·hm-2?a-1）明顯低于后續(xù)兩年（241.56—371.50 kg CH4-C·hm-2?a-1），這主要歸功于后兩年降雨量的增加引起了土壤水分含量的升高。稻田轉(zhuǎn)為菜地顯著減少了CH4排放，減少量相當(dāng)于稻田CH4年累積排放量的83%—100%。菜地第一年的CH4累積排放量（31.22 kg CH4-C·hm-2）顯著高于第二年（0.45 kg CH4-C·hm-2）和第三年（0.89 kg CH4-C·hm-2），表明稻田轉(zhuǎn)菜地對CH4排放的影響具有時間滯后效應(yīng)。稻田是弱的N2O排放源（1.35—3.49 kg N2O-N·hm-2?a-1），其轉(zhuǎn)為菜地顯著增強了N2O排放。菜地第一年的N2O累積排放量（95.12 kg N2O-N·hm-2）顯著高于第二年（38.28 kg N2O-N?hm-2）和第三年（40.07 kg N2O-N·hm-2）。菜地土壤異養(yǎng)呼吸對N2O排放的影響在第一年明顯高于第二、三年，表明稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植的第一年，有機質(zhì)礦化對N2O排放有重要貢獻。在100年尺度CO2當(dāng)量下，稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植第一和第二年的綜合增溫潛勢（GWP）相對于稻田分別顯著增加了390%和98%，主要是由于增加的N2O增溫潛勢超過了減少的CH4增溫潛勢。但是，稻田轉(zhuǎn)為菜地的第三年，菜地的GWP（(16.72±3.25) Mg CO2-eq·hm-2）與稻田（(14.84±1.39) Mg CO2-eq·hm-2）相比無顯著差異，主要是由于減少的CH4增溫潛勢完全抵消了增加的N2O增溫潛勢。這些研究結(jié)果表明稻田轉(zhuǎn)菜地對GWP的影響主要集中在該土地利用方式轉(zhuǎn)變的第一年。稻田轉(zhuǎn)為菜地顯著減少了CH4排放，增加了N2O排放，增強了菜地第一和第二年的綜合增溫潛勢。有機質(zhì)礦化過程對新轉(zhuǎn)菜地第一年較高的N2O排放有重要貢獻。這些研究結(jié)果表明了評價土地利用方式轉(zhuǎn)變初始階段溫室氣體排放特征的重要性，便于及時采取有效管理措施緩解溫室氣體排放，實現(xiàn)環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)。

稻田；菜地；土地利用方式；CH4；N2O；綜合增溫潛勢

0 引言

【研究意義】人類活動引起的大氣中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）等溫室氣體濃度的升高是造成全球氣候變暖的主要原因之一[1]。其中，CH4和N2O因其較高的增溫潛勢而備受關(guān)注。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動是重要的人為CH4和N2O排放源，其排放量占人類活動引起的CH4和N2O排放總量的56%[1]，其中農(nóng)業(yè)土地利用方式轉(zhuǎn)變對溫室氣體排放存在重要影響[2-3]。因此，有必要探究農(nóng)業(yè)土地利用方式轉(zhuǎn)變對溫室氣體排放的影響，這對減緩農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】中國的水稻種植面積高達0.3億hm2，約占全國耕地總面積的23%[4]。我國稻田CH4和N2O排放強度分別為4.8 Tg CH4-C·a-1和114.5 Gg N2O-N·a-1，是重要的溫室氣體排放源[5]。近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們膳食結(jié)構(gòu)的改變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者為了追求較高的農(nóng)產(chǎn)品收益，將大量稻田排水落干，轉(zhuǎn)為玉米、蔬菜等旱地作物種植[6-8]。這種農(nóng)業(yè)土地利用方式轉(zhuǎn)變會顯著影響農(nóng)田溫室氣體排放[9-10]。NISHIMURA等[10]2002年將一直種植水稻的淹水稻田改種旱作稻和大豆-小麥輪作，并對比研究2002—2004年間不同種植模式下溫室氣體排放差異，發(fā)現(xiàn)淹水稻田改為旱地作物種植顯著降低了CH4排放，而增強了N2O排放。JIANG等[11]2002—2005在我國川中地區(qū)開展的田間觀測試驗表明，冬水田轉(zhuǎn)為水旱輪作20年后顯著減少了CH4排放。稻-麥輪作和稻-油輪作的年CH4排放量相對于冬水稻田分別降低了56%和59%；而N2O年排放量提高了2—4倍。由此可見，農(nóng)業(yè)土地利用方式的轉(zhuǎn)變顯著影響了CH4和N2O的排放。另外，農(nóng)業(yè)土地利用方式轉(zhuǎn)變也會對地表植被類型、土壤理化性質(zhì)和微生物多樣性等產(chǎn)生影響，從而影響土壤碳氮轉(zhuǎn)化過程及其引起的溫室氣體排放特征[12-14]。【本研究切入點】目前，關(guān)于農(nóng)業(yè)土地利用方式轉(zhuǎn)變對溫室氣體排放影響的研究主要集中在轉(zhuǎn)變多年達到穩(wěn)定狀態(tài)后的溫室氣體排放特征和規(guī)律[11,15]，而忽略了土地利用方式轉(zhuǎn)變初始階段的溫室氣體排放特征及綜合溫室效應(yīng)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過3年的田間觀測試驗，闡明稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植初始階段的CH4和N2O排放特征，明確不同轉(zhuǎn)變年限下的綜合溫室效應(yīng)。這對精確評估農(nóng)業(yè)土地利用方式轉(zhuǎn)變對溫室氣體排放的影響具有重要的參考意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概括

本研究的試驗區(qū)域位于湖南省長沙縣金井鎮(zhèn)脫甲村的中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測研究站內(nèi)（28°32′46″ N, 113°19′50″ E，海拔80 m）。該區(qū)域近60年來的年均氣溫為17.5 °C，年降雨量為1 370 mm，降雨主要集中在每年的3-7月份。雙季稻田面積占脫甲村區(qū)域總面積的27%。近年來，該區(qū)域有大量稻田排水、落干，轉(zhuǎn)為蔬菜地。本研究選取的稻田土壤是由花崗巖風(fēng)化形成的人為始成土[16]。該水稻土有機碳含量為18.80 g?kg-1，全氮2.10 g?kg-1，全磷0.41 g?kg-1，全鉀0.29 g?kg-1，pH為4.95。土壤砂粒、粉粒和黏粒分別占比27%、29%和44%。

1.2 試驗設(shè)計

在研究區(qū)域選取了6塊長期種植水稻的雙季稻田（15 m×20 m，早稻-晚稻-休閑）。2012年7月將選取的稻田全部種上晚稻，10月底晚稻收獲后，隨機選取3塊稻田排水、落干，并將其轉(zhuǎn)為蔬菜地（Veg），剩余的3塊稻田（Rice）繼續(xù)種植水稻并沿用之前的水稻田管理模式。每個處理設(shè)置3次重復(fù)。田間管理（包括肥料類型、施肥量和施肥時間、水分管理等）均采取當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)管理模式進行。試驗期間，稻田和菜地施肥管理措施的詳細(xì)信息參見表1。早稻和晚稻的磷、鉀肥施入量相同：磷肥（過磷酸鈣）40 kg P2O5·hm-2，鉀肥（氯化鉀）100 kg K2O·hm-2，磷肥和鉀肥作為基肥在水稻移栽前一次性施入。早稻和晚稻的水分管理模式一致：水稻秧苗（30 d生育期）移栽后，持續(xù)淹水一個月左右，排水曬田兩周，然后間歇性灌溉維持到水稻收獲前7—10 d，最后排水落干。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 氣體樣品采集與測定 采用靜態(tài)暗箱與氣相色譜聯(lián)用法采集測定氣體樣品。靜態(tài)暗箱由底座（50 cm×50 cm×30 cm）、中箱（50 cm× 50 cm×50 cm）和頂箱（50 cm× 50 cm × 50 cm）三部分組成，均由不銹鋼材質(zhì)制成。底座上端安裝有密封水槽，以便氣體樣品采集時阻止箱內(nèi)與箱外氣體交換；箱體用泡沫材料包裹，以便氣體樣品采集期間穩(wěn)定箱內(nèi)溫度。箱體內(nèi)部安裝2個小風(fēng)扇，用于混勻箱內(nèi)氣體。箱體側(cè)面安有連接風(fēng)扇的電源線、溫度計探頭接口和氣體樣品采集連接口。在每一塊試驗田中設(shè)置兩個底座，其中一個底座中種有作物，而且底座內(nèi)外作物密度一致，該底座主要用于測定CH4和N2O排放通量。另外一個底座置于作物行間（設(shè)置一塊2 m× 2 m 不種作物的裸地），用于測定CO2排放通量（即異養(yǎng)呼吸速率，Rh），用于表征土壤有機碳礦化速率。在整個作物生長周期，采樣底座固定在同一處采樣點。氣體樣品采集前，往底座的密封水槽中灌水，使采樣箱與底座之間密封。氣體樣品采集時，將箱體平穩(wěn)罩在底座上，用60 mL注射器通過三通閥連接采樣箱，采集氣體。在采樣箱密閉后立即采集第一針氣體樣品，然后每隔10 min采集一次，每個采樣點連續(xù)采集氣體樣品5次，采集時間為上午9：30—11：30。在氣體樣品采集的同時，測量箱內(nèi)溫度和土壤溫度。氣體樣品采集完后，24 h內(nèi)用氣相色譜（安捷倫7890A）分析CO2、CH4和N2O濃度。溫室氣體排放通量的觀測時間段為2012年12月至2015年12月。一般情況下，氣體樣品采集頻率為每周2次，但在施肥等田間管理期間，氣體樣品采集加密至每2天一次，持續(xù)一周。

1.3.2 土壤樣品采集與測定 土壤樣品的采集時間與氣體樣品采集保持一致，土壤樣品每周采集一次，在施肥等田間管理期間每周采集兩次。采集表層（0—20 cm）土壤，剔除可見凋落物和根系后，混均，裝入自封袋，帶回實驗室，用于分析土壤理化性質(zhì)。土壤質(zhì)量含水量（SWC）采用烘干稱重法測定[17]；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用K2SO4（0.5 mol·L-1）溶液浸提（30 g土樣添加80 mL浸提液），流動注射分析儀測定；可溶性有機碳（DOC）濃度通過TOC自動分析儀測定；采用pH計測定土壤的pH[17]；SOC采用重鉻酸鉀容量法測定，土壤總氮（TN）使用硒粉-硫酸銅-硫酸消化法測定。土壤有機氮（SON）通過土壤總氮扣除礦質(zhì)氮求得。

1.3.3 氣象數(shù)據(jù)采集 降雨量和氣溫等氣象數(shù)據(jù)通過觀測研究站內(nèi)的自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)（Intelimet Advantage， Dynamax Inc.，USA；距離試驗點80 m）獲?。▓D1）。

表1 稻田和菜地施肥管理一覽表

復(fù)合肥為 (NH4)H2PO4和KCl的混合物（N﹕P2O5﹕K2O = 15%﹕15%﹕15%）

Compound fertilizer is a mixture of (NH4)H2PO4and KCl, with N﹕P2O5﹕K2O = 15%﹕15%﹕15%

圖1 觀測期間降水和氣溫變化

1.4 數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計

CO2、CH4和N2O排放通量計算公式如下：

=/0×(/100)×/0×/0×d/d

式中，為待測氣體相對分子質(zhì)量（g·mol-1）；0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的摩爾體積（L·mol-1），在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下0= 22.4 L·mol-1；為靜態(tài)暗箱箱高（m）；為稻田水深，0和0分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力（101.3 kPa）和標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度（273 K）；和為氣體樣品采集時箱內(nèi)的壓力和氣溫（K）；dd為氣體樣品采集期間箱內(nèi)待測氣體濃度（cm3·m-3）隨時間（h）變化的回歸曲線斜率。

CH4和N2O累積排放量計算公式如下：

=×(t+1–t) ×24

式中，表示氣體的累積排放量，為觀測次數(shù)，F和F為第次和+1次采樣時目標(biāo)氣體的排放通量，t+1和t為第+1次和次的采樣日期。

全球增溫潛勢（global warming potential（GWP），Mg CO2–equivalent·hm-2）是表征溫室氣體對全球溫室效應(yīng)總影響的一個指標(biāo)。該指標(biāo)以給定時間尺度的CO2質(zhì)量當(dāng)量計（CO2–eq）。對于100 年時間尺度的氣候變化，CO2、CH4和N2O氣體的GWP分別為1、28和265[1]。

100 年時間尺度CH4和N2O綜合增溫潛勢按下式計算：

=CH4×16/12×28+N2O×44/28×265

式中，單位為t·hm-2（以CO2–eq計）；CH4為CH4的排放量（kgCH4-C·hm-2）；N2O為N2O的排放量（kgN2O-N·hm-2）。

在方差分析前，所有的數(shù)據(jù)采用Shapiro–Wilk進行正態(tài)分布檢驗，不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)通過對數(shù)轉(zhuǎn)化以實現(xiàn)正態(tài)分布。采用單因素和多因素方差分析評價土地利用方式轉(zhuǎn)變、年份及其交互作用對土壤理化指標(biāo)（土壤有機碳、有機氮、容重、pH、溫度、水分、可溶性有機碳和礦質(zhì)態(tài)氮含量）、CH4和N2O累積排放量及GWP的影響。采用回歸模型分析稻田和菜地CH4和N2O排放通量與土壤溫度、水分、異養(yǎng)呼吸速率、可溶性有機碳和礦質(zhì)態(tài)氮含量的關(guān)系，統(tǒng)計分析的顯著性水平設(shè)定為<0.05。使用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析（SPSS 20.0, SPSS Inc., IL, Chicago, USA）。采用Origin 8.0軟件進行圖形繪制。

2 結(jié)果

2.1 稻田和菜地土壤性質(zhì)變化

稻田和菜地土壤性質(zhì)在2012—2015年整個觀測時間段及試驗結(jié)束時都有所改變，且不同年份和處理間有差異（表2，圖2）。2015年試驗結(jié)束時菜地SOC、SON和pH與稻田相比均顯著降低（＜0.05），土壤容重顯著增加（表 2）。在觀測期間，稻田和菜地土壤溫度變化趨勢基本一致，隨著季節(jié)更替而起伏變化（圖2-a），稻田土壤年平均溫度顯著高于菜地土壤（＜0.05，圖2-b）。土壤質(zhì)量含水量（SWC）也表現(xiàn)出季節(jié)性波動規(guī)律（圖2-c），主要受到降雨和灌溉的影響，除第一年稻田與菜地間SWC無顯著差異外，第二和第三年稻田SWC均高于菜地（＜0.05，圖2-d）。稻田土壤DOC含量在不同年份間無顯著變化；而菜地土壤DOC含量呈現(xiàn)出增加的趨勢（圖2-e、2-f）。稻田和菜地土壤礦質(zhì)氮（NH4+-N和NO3--N）含量主要受施肥影響，施肥后稻田和菜地NH4+-N含量及菜地NO3--N含量均有大幅度提升；而稻田NO3--N含量在整個觀測期均處于較低水平，無明顯的規(guī)律性（表 1，圖2-g、2-h、2-i、2-j）。稻田土壤NH4+-N年平均含量在年份間無顯著差異；菜地NH4+-N含量在第一年高于后續(xù)兩年（＜0.05，圖2-h），菜地NO3--N含量在第一年低于后續(xù)兩年（＜0.05，圖2-j）。總體上，菜地NH4+-N和NO3--N的3年平均含量均顯著高于稻田（圖2-h，圖2-j）。

Rice和Veg分別表示稻田和菜地；數(shù)據(jù)表示方式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；*表示同一年份不同土地利用方式在P<0.05水平上存在顯著性差異；不同字母表示同一土地利用方式不同年份間在P<0.05水平上存在顯著性差異。圖3、圖4、圖7同

表2 試驗前后稻田和菜地土壤的基本理化性質(zhì)

Rice和Veg分別表示稻田和菜地；數(shù)據(jù)表示方式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；同一列中不同字母表示不同年份間稻田和菜地在<0.05水平上存在顯著性差異

Rice and Veg represent rice paddy and vegetable field, respectively; Values denote as means ± standard errors of three replicates; Different lowercase letters within the same column indicate significant difference between rice paddy and vegetable field at<0.05 level

2.2 CH4和N2O排放

稻田CH4排放主要集中在水稻生長季，其累積排放量占全年CH4排放總量的90%以上；稻田休閑季處于排水落干狀態(tài)，其CH4排放微弱（圖3-a）。這些結(jié)果表明稻田CH4具有明顯的季節(jié)性排放特征。稻田第一年的CH4排放強度（183.91 kg CH4-C·hm-2?a-1）明顯低于后續(xù)兩年（241.56—371.50 kg CH4-C·hm-2?a-1），具有明顯的年際變化差異（圖3-c）。相對于稻田，新轉(zhuǎn)菜地的CH4排放量顯著降低了83%—100%（圖3-b、3-c）。稻田轉(zhuǎn)菜地對CH4排放的影響具有時間滯后效應(yīng)：菜地第一年出現(xiàn)了明顯的CH4排放峰，使該年的CH4累積排放量（31.22 kg CH4-C·hm-2）顯著高于第二年（0.45 kg CH4-C·hm-2）和第三年（0.89 kg CH4-C·hm-2）。在整個觀測期，土地利用方式轉(zhuǎn)變及其與年份的交互作用均顯著影響CH4排放（圖3-c）。

在水稻生長季，稻田由于長期淹水，其N2O排放通量在大部分觀測期內(nèi)維持在較低水平，甚至出現(xiàn)吸收大氣N2O的現(xiàn)象，但在排水曬田和復(fù)水等階段出現(xiàn)了脈沖式N2O排放峰的現(xiàn)象；稻田休閑季，N2O排放通量低且相對較穩(wěn)定（圖4-a）。稻田是弱的N2O排放源（1.35—3.49 kg N2O-N·hm-2?a-1），其轉(zhuǎn)為菜地促進了N2O排放（＜0.05，圖4）。菜地N2O排放主要集中在耕作、施肥并伴隨灌溉后的15 d內(nèi)。而且菜地N2O排放通量在夏季較高，冬季較低，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。菜地N2O排放具有明顯的年際變化差異，其第一年的N2O排放強度（95.12 kg N2O·hm-2?a-1）顯著高于第二年（38.28 kg N2O-N·hm-2?a-1）和第三年（40.07 kg N2O-N·hm-2?a-1）（圖4-c）。在整個觀測期內(nèi)，年份、土地利用方式轉(zhuǎn)變及其交互作用均顯著影響N2O排放（圖4-c）。

圖3 觀測期間稻田和菜地CH4排放通量及年累積排放量變化

圖4 觀測期間稻田和菜地N2O排放通量及年累積排放量變化

2.3 影響CH4和N2O排放的主要因子

2.3.1 CH4排放與環(huán)境因子間的關(guān)系 CH4排放是CH4產(chǎn)生和氧化過程綜合作用的結(jié)果，其排放過程受諸多環(huán)境因子影響。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤溫度和水分均顯著影響稻田CH4排放（圖5）。在3年觀測期間，稻田CH4排放通量隨土壤溫度的升高逐漸增強。當(dāng)土壤溫度＜20℃時，CH4排放通量對土壤溫度的響應(yīng)不明顯；當(dāng)土壤溫度＞20℃時，CH4排放通量隨土壤溫度升高大幅度增加（圖5-a）。土壤含水量與稻田CH4排放通量間也呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（＜0.05，圖5-b）。稻田轉(zhuǎn)為菜地降低了土壤含水量，形成了好氧環(huán)境，減少了CH4排放，使菜地CH4排放通量與測定的其他環(huán)境因子之間的關(guān)系不顯著。

圖5 稻田CH4排放通量與土壤溫度和水分含量間的關(guān)系

2.3.2 N2O排放與環(huán)境因子間的關(guān)系 在整個觀測期間，稻田由于長期處于淹水狀態(tài)，其N2O排放低，與測定的環(huán)境因子之間不存在相關(guān)關(guān)系，說明土壤水分是限制稻田N2O排放的主要因子。菜地N2O排放通量與土壤異養(yǎng)呼吸（CO2排放通量）呈正相關(guān)關(guān)系（＜0.05，圖6）。特別是在轉(zhuǎn)化的第一年（2013年），菜地N2O與CO2排放通量的相關(guān)性達到了極顯著水平（＜0.01），決定系數(shù)2為0.37。菜地土壤異養(yǎng)呼吸對其N2O排放的影響在第一年高于第二和第三年，說明了稻田轉(zhuǎn)菜地的第一年，有機質(zhì)礦化對較高的N2O排放有重要貢獻。

2.4 綜合增溫潛勢（GWP）估算

稻田和菜地的CH4和N2O排放特征在不同年份間存在差異。稻田CH4年累積排放量顯著高于菜地，而N2O年累積排放量顯著低于菜地。為進一步比較稻田和菜地的綜合增溫潛勢（GWP），本研究對CH4和N2O在100 年尺度上的GWP進行了計算（圖7）。稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植的第一和第二年，增加的N2O增溫潛勢超過了減少的CH4增溫潛勢，導(dǎo)致菜地的GWP相對于稻田分別顯著增加了390%和98%。但是，稻田轉(zhuǎn)為菜地的第三年，減少的CH4增溫潛勢完全抵消了增加的N2O增溫潛勢，使菜地的GWP（16.72±3.25 Mg CO2-eq·hm-2）與稻田（14.84±1.39 Mg CO2-eq·hm-2）相比無顯著差異。這些研究結(jié)果表明稻田轉(zhuǎn)菜地對GWP的影響主要集中在該土地利用方式轉(zhuǎn)變的第一年。

圖6 菜地N2O排放通量與土壤異養(yǎng)呼吸（CO2排放通量）間的關(guān)系

3 討論

3.1 稻田轉(zhuǎn)菜地對CH4排放的影響

稻田是重要的CH4排放源，其年累積排放量在第一年明顯低于后續(xù)兩年，這主要歸功于后兩年降雨量的增加引起了土壤水分含量的升高，從而促進了CH4的產(chǎn)生和排放（圖2-d，圖3）。稻田轉(zhuǎn)為菜地顯著降低了CH4排放（圖3）。在3年觀測期間，稻田轉(zhuǎn)為菜地引起的CH4排放減少量相當(dāng)于稻田CH4累積排放量的96%，這與YUAN等[2]關(guān)于稻田轉(zhuǎn)菜地降低CH4排放的研究結(jié)果一致。CH4的產(chǎn)生、氧化和傳輸?shù)冗^程的綜合作用導(dǎo)致了CH4的凈排放[18-19]。稻田長期淹水形成的厭氧環(huán)境適合CH4的產(chǎn)生。稻田轉(zhuǎn)菜地顯著降低了土壤溫度和含水量（圖2），提高了土壤好氧狀態(tài)，不僅導(dǎo)致CH4產(chǎn)生過程受到抑制，同時也提高了甲烷氧化菌的活性[2-3, 20-22]。然而，本研究發(fā)現(xiàn)稻田轉(zhuǎn)為菜地第一年有CH4排放峰（圖3-b）。這主要是由于稻田轉(zhuǎn)為菜地初始階段，土壤結(jié)構(gòu)中存在大量的微厭氧區(qū)，適宜CH4的產(chǎn)生。排水落干也會使原來存儲在土壤中的CH4釋放出來。這些因素的綜合作用導(dǎo)致了菜地第一年出現(xiàn)了CH4排放峰，使菜地在該年的CH4累積排放量明顯高于后續(xù)兩年（圖3-c）。該研究結(jié)果表明CH4排放對稻田轉(zhuǎn)菜地的響應(yīng)存在時間滯后效應(yīng)，在評價土地利用方式轉(zhuǎn)變引起的環(huán)境效應(yīng)時應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)變初始階段CH4的排放特征。

圖7 稻田和菜地CH4和N2O年累積排放量及綜合增溫潛勢（GWP）

3.2 稻田轉(zhuǎn)菜地對N2O排放的影響

稻田是弱的N2O排放源，甚至出現(xiàn)吸收大氣N2O的現(xiàn)象（圖4-a）。這主要是由于稻田長期處于淹水狀態(tài)，土壤氧化還原電位較低，從而使有機質(zhì)礦化和硝化過程受到限制。而且稻田土壤中NO3--N含量低，限制了反硝化過程的進行[24, 26]。稻田轉(zhuǎn)為菜地促進了N2O的大量排放[5,24]。主要有以下幾點原因：第一，稻田轉(zhuǎn)為菜地改善了土壤的好氧狀況，促進了硝化作用[25-26]；第二，菜地好氣耕作會引起土壤團聚體結(jié)構(gòu)的破壞，促進了原本被保護的土壤有機質(zhì)的礦化，釋放出大量的礦質(zhì)態(tài)氮作為硝化和反硝化過程的底物[14,27]；第三，菜地相對較高的施氮量為硝化和反硝化過程提供了充足的底物[28-29]；第四，加速的土壤有機質(zhì)礦化引起的氧氣消耗容易形成厭氧微區(qū)，促進土壤硝化—反硝化耦合過程，從而增強了N2O產(chǎn)生速率[15, 30-32]。本研究觀測期間，菜地的第一年N2O累積排放量顯著高于后續(xù)兩年（圖4-c）。前人也有研究表明，在我國南方丘陵地區(qū)雙季稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植的初始階段也存在大量的N2O排放[2]。這些現(xiàn)象與本研究結(jié)果一致。稻田排水落干轉(zhuǎn)為菜地加速了土壤有機質(zhì)礦化，釋放出了大量的可利用性碳、氮（表2；圖2），為土壤微生物硝化反硝化過程提供了能源物質(zhì)和底物，從而引起N2O的大量排放[33-34]。菜地土壤異養(yǎng)呼吸與N2O排放的顯著正相關(guān)關(guān)系進一步說明了有機質(zhì)礦化過程對N2O排放有重要貢獻（圖6）。此外，稻田轉(zhuǎn)菜地降低了土壤pH（表2），在一定條件下可促進異養(yǎng)反硝化[35]、氨氧化古菌主導(dǎo)的硝化[36]、異養(yǎng)硝化[37]、硝化-反硝化耦合[31]、共反硝化（NO3--N + Organic N →N2O）[38]和化學(xué)反硝化[39]等過程，同時也可能抑制N2O還原過程，從而增強了N2O排放[40]。綜上所述，稻田轉(zhuǎn)為菜地增強了土壤好氣性，降低了pH，加速了土壤有機質(zhì)礦化，為土壤微生物硝化—反硝化耦合過程提供了大量的能源物質(zhì)和底物，從而導(dǎo)致N2O的大量排放，尤其是在稻田轉(zhuǎn)為菜地的第一年。

3.3 稻田轉(zhuǎn)菜地對綜合增溫潛勢的影響

綜合增溫潛勢（GWP）是評估陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放對氣候變化潛在影響的重要指標(biāo)[41-42]。在100年尺度CO2當(dāng)量下，稻田轉(zhuǎn)為菜地的第一和第二年，菜地的GWP顯著高于稻田，這主要是由于菜地增加的N2O增溫潛勢高于減少的CH4增溫潛勢。然而，在稻田轉(zhuǎn)為菜地的第三年，菜地的GWP與稻田相比無顯著差異，這是由于菜地減少的CH4增溫潛勢完全抵消了其增加的N2O增溫潛勢（圖7）。稻田轉(zhuǎn)菜地第一年，土壤有機質(zhì)礦化較快[43]，隨后土壤有機質(zhì)礦化速率逐漸降低，可利用性碳含量減少，限制了微生物氮轉(zhuǎn)化過程，降低了N2O排放[27,34]。這些因素導(dǎo)致了菜地第三年的GWP顯著低于第一和第二年，并與稻田GWP相比無明顯差異。這表明GWP對稻田轉(zhuǎn)菜地的響應(yīng)主要集中在該土地利用方式轉(zhuǎn)變的第一和第二年（圖7）。因此，在評價農(nóng)業(yè)土地利用方式轉(zhuǎn)變引起的環(huán)境效應(yīng)時，要重視轉(zhuǎn)變初始階段的溫室氣體排放特征，便于及時采取有效的溫室氣體減排措施，實現(xiàn)環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)。

4 結(jié)論

稻田是重要的CH4排放源，其轉(zhuǎn)為菜地顯著減少了CH4排放。菜地第一年的CH4排放量（31.22kg CH4-C·hm-2）明顯高于第二年（0.45 kg CH4-C·hm-2）和第三年（0.89 kg CH4-C·hm-2）。這些研究結(jié)果表明稻田轉(zhuǎn)菜地對CH4排放的影響具有時間滯后效應(yīng)。稻田轉(zhuǎn)為菜地增強了N2O排放，且菜地第一年的N2O排放量（95.12 kg N2O-N·hm-2）顯著高于第二年（38.28 kg N2O-N·hm-2）和第三年（40.07 kg N2O-N·hm-2）。稻田轉(zhuǎn)為菜地初期土壤有機質(zhì)礦化對N2O排放有重要貢獻。在第一和第二年，菜地的GWP相對于稻田分別增加了390%和98%，主要是由于增加的N2O增溫潛勢超過了減少的CH4增溫潛勢。但是在第三年，菜地的GWP與稻田相比無顯著差異，主要是由于減少的CH4增溫潛勢完全抵消了增加的N2O增溫潛勢。這些研究結(jié)果表明稻田轉(zhuǎn)菜地對綜合增溫潛勢的影響主要集中在該土地利用方式轉(zhuǎn)變的第一年，表明了評價土地利用方式轉(zhuǎn)變初始階段溫室氣體排放特征的重要性，以便及時采取有效措施緩解農(nóng)業(yè)土地利用方式轉(zhuǎn)變引起的溫室氣體排放。

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Greenhouse Gas Emission During the Initial Years After Rice Paddy Conversion to Vegetable Cultivation

WU Lei1, HE ZhiLong2, TANG ShuiRong3, WU Xian2, ZHANG WenJu1, HU RongGui2

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2College of Recourses and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070;3College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou 570228)

【】In recent years, with the rapid development of social economy, the improvement of people’s living standards and shifting diets and the increasing demands of vegetables result in a considerable share of rice paddy fields conversion to vegetable production in China, thus influencing soil carbon and nitrogen cycling and associated greenhouse gas (GHG) emissions. Therefore, it is necessary to investigate the impacts of land-use conversion from rice into vegetable cultivation on methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) emissions and their key regulating factors, particularly during initial period upon conversion. 【】In this study, six rice paddies subjected to long-term double-rice planting were chosen, and the half of them were converted into vegetable cultivation (Veg) and the remaining still for rice production (Rice), with three replicates of each treatment. The Veg and Rice were managed according to local practices. The fluxes of CH4and N2O from the rice paddy and converted vegetable fields were measured with static chambers from December 2012 to December 2015, so as to investigate the characteristics and inter-annual variation of CH4and N2O emissions and to identify the key factors regulating the two GHGs during the initial period upon conversion. 【】Rice paddy acted as an important source of CH4, and CH4emission was significantly lower in the first year (183.91 kg CH4-C·hm-2?a-1) relative to the later two years (241.56-371.50 kg CH4-C·hm-2?a-1), mainly attributed to enhanced precipitation increasing soil water content during the latter two years. Conversion from rice to vegetable cultivation substantially reduced CH4emission from Veg by 83%-100% as compared to Rice over the study period. Annual CH4emissions from Veg were significantly higher in the first year (31.22 kg CH4-C·hm-2) relative to any later years (0.45-0.89 kg CH4-C·hm-2), suggesting that this land-use conversion had strong legacy effect on CH4emission. Paddy soil acted as a minor source of N2O (1.35-3.49 kg N2O-N·hm-2?a-1). Rice conversion to vegetable cultivation led to substantial N2O emission, particularly in the first year during which the cumulative emissions were significantly larger (95.12 kg N2O-N·hm-2) than that in the second (38.28 kg N·hm-2) and third year (40.07 kg N2O-N·hm-2). N2O fluxes from Veg were significantly and positively related to soil heterotrophic respiration rates (Rh), and the dependence of N2O fluxes on Rhwas greater in the first year relative to the subsequent two years. These results suggested that soil organic matter mineralization contributed to N2O emissions during the first year upon land-use conversion from rice to vegetable production. Land-use conversion from rice to vegetable cultivation significantly increased the global warming potential (GWP) of Veg by 390% and 98% in the first and second year, respectively, relative to Rice, primarily due to the increased GWP of N2O emission far outweighing the decreased GWP of CH4emission. In contrast, the GWP of rice (14.84±1.39 Mg CO2-eq·hm-2) was similar to that of Veg (16.72±3.25 Mg CO2-eq·hm-2) in the third year after conversion, due to the decreased GWP of CH4emission fully offsetting the increased GWP of N2O emission. These results suggested that land-use conversion from rice to vegetable cultivation had significant impacts on the GWP only at the initial stage upon conversion. 【】Land-use conversion from rice to vegetable cultivation significantly decreased CH4while increasing N2O emissions over the whole study period, and increased the GWP only in the first and second year upon conversion. Soil organic matter mineralization significantly contributed to increased N2O emission from the converted vegetable field. This study suggested that soil GHG emissions in the first years upon conversion were the most important, therefore, which should be considered when evaluating the environmental consequences of land-use conversion. This study also helped us develop effective options to alleviate the effects of land-use conversion on GHG emissions, and for sustainable agricultural production and GHG mitigation.

rice paddy; vegetable field; land-use conversion; CH4; N2O; global warming potential (GWP)

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.24.008

2020-04-01；

2020-06-03

國家自然科學(xué)基金（41907093）、中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項（1610132019013）

鄔磊，E-mail：wulei01@caas.cn。通信作者胡榮桂，E-mail：rghu@mail.hzau.edu.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）