秸稈全量還田下晚稻季翻耕對雙季稻田溫室氣體排放和產(chǎn)量的影響

唐 剛 廖 萍 眭 鋒 呂偉生 張 俊 曾勇軍 黃 山

（1教育部和江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，330045，江西南昌；2贛州市煙草科學(xué)研究所，341000，江西贛州；3江西省紅壤研究所，331717，江西南昌；4中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，100081，北京）

全球氣候變暖已經(jīng)成為人類面臨的重要環(huán)境問題之一。人類活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體排放是造成全球氣候變暖的主要原因[1-2]。研究[3]表明，農(nóng)業(yè)活動(dòng)對全球氣候變暖具有顯著影響，稻田是溫室氣體甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）的重要排放源。中國是世界上最重要的稻米生產(chǎn)國，稻田溫室氣體減排對降低農(nóng)業(yè)源溫室效應(yīng)具有顯著作用[4]。為此，如何減少稻田CH4和N2O排放是農(nóng)業(yè)環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[5-6]。

耕作方式通過影響土壤的理化性狀和生物學(xué)過程可以直接或間接影響稻田CH4和N2O排放[7]。土壤中產(chǎn)甲烷菌具有垂直分布的特點(diǎn)，耕作強(qiáng)度的不同會(huì)直接影響CH4的產(chǎn)生和排放[8]。成臣等[9]研究表明，在秸稈還田條件下，翻耕處理降低了稻田土壤耕層總有機(jī)碳含量，抑制了土壤產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和活性，降低了稻田CH4排放。而肖小平等[10]研究表明，淺水灌溉下翻耕和旋耕均使稻草與土壤完全接觸后產(chǎn)生大量CH4，二者的CH4排放速率無顯著差異。張?jiān)婪嫉萚11]研究發(fā)現(xiàn)，麥秸還田條件下，翻耕處理在降低CH4排放的同時(shí)增加了N2O排放。白小琳等[12]研究表明，翻耕使秸稈埋布在土壤深層，導(dǎo)致N2O吸附在深層土壤上，從而達(dá)到降低排放的目的。由此可見，目前關(guān)于耕作方式對稻田CH4和N2O排放影響的研究結(jié)論不一。

秸稈全量原位還田有利于提高土壤肥力，減少大氣污染，但大量有機(jī)質(zhì)在淹水環(huán)境下會(huì)加劇稻田溫室氣體排放[13]。另外，在南方雙季稻系統(tǒng)，早稻收獲到晚稻移栽的間隔期很短，大量秸稈還田不利于土壤耕作。翻耕有利于秸稈還田，提高耕作質(zhì)量。但是，關(guān)于翻耕對晚稻季稻田溫室氣體排放影響的研究較少，而且耕作方式對稻田溫室氣體排放是否具有持續(xù)效應(yīng)也不甚清楚。因此，本研究在秸稈全量還田下開展晚稻季翻耕和淺旋耕對比試驗(yàn)，以闡明晚稻季翻耕對當(dāng)季晚稻以及第2年早稻季溫室氣體排放和產(chǎn)量的影響，為南方雙季稻系統(tǒng)水稻豐產(chǎn)和溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年7月-2019年7月在江西省南昌市進(jìn)賢縣江西省紅壤研究所（28°15′30″ E，116°20′24″ N）進(jìn)行。該地屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，平均海拔137.5m，年均氣溫17.7°C，日照時(shí)數(shù)1900～2000h，年均降雨量1600～1700mm。試驗(yàn)地種植制度為雙季稻，即早稻季（4-7月）、晚稻季（7-11月）和冬季休閑（11月-翌年4月）。供試土壤是由第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育而成的水稻土。0～20cm耕層土壤pH 5.04，有機(jī)質(zhì)29.82g/kg，全氮1.74g/kg，堿解氮144.59mg/kg，有效磷21.92mg/kg，速效鉀40.76mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)置當(dāng)季晚稻淺旋耕（RT）和翻耕（PT）2個(gè)處理，第2年早稻季均采用傳統(tǒng)淺旋耕耕作。傳統(tǒng)淺旋耕處理的耕作深度為10～15cm，翻耕處理深度為20～25cm。3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積48m2（6m×8m）。

晚稻季和早稻季供試品種分別為雜交秈稻泰優(yōu)871和常規(guī)秈稻中嘉早17。晚稻和早稻播種日期分別為6月25日和3月26日，移栽日期分別為7月28日和4月29日，收獲日期分別為10月28日和7月21日。晚稻和早稻移栽密度分別為25cm×16cm和25cm×13cm，移栽基本苗分別為每穴2苗和 4苗。晚稻季氮、磷和鉀肥施用量分別為 N 195kg/hm2、P2O575kg/hm2和 K2O 75kg/hm2。第 2年早稻季氮肥施用量為N 165kg/hm2，磷和鉀肥施用量與上一年晚稻季相同。氮肥為尿素，磷肥為鈣鎂磷肥，鉀肥為氯化鉀。全部的磷肥、50%氮肥和50%鉀肥作基肥；20%氮肥作分蘗肥；剩余30%氮肥和50%鉀肥作穗肥。田間水分管理模式為水稻分蘗前期保持淺水灌溉，分蘗中期排水曬田，幼穗分化期再次灌水，抽穗后采用干濕交替灌溉直至收獲前7～14d斷水。晚稻季和第2年早稻季曬田日期分別為8月18日和5月24日，復(fù)水日期分別為8月25日和6月4日（圖1）。田間病、蟲、草害等管理措施與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田一致。2018年早稻和晚稻均采用全喂入式聯(lián)合收割機(jī)收割，并同時(shí)將秸稈粉碎全量原位還田。秋收后冬季休閑期稻田不作耕作處理，排干水分并做好病、蟲、草害防控，在第2年早稻移栽前灌水泡田5d；然后淺旋耕（10～15cm）埋茬；施基肥，灌淺水（1～2cm水層），防止秸稈漂浮，常規(guī)旋耕平地，沉實(shí)2d后插秧。

圖1 稻田水層深度變化（2018-2019）Fig.1 The dynamics of water depth in the field during 2018-2019

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成 在水稻成熟期，每個(gè)小區(qū)調(diào)查 150穴水稻，計(jì)算有效穗數(shù)。根據(jù)平均有效穗數(shù)，各小區(qū)取5穴水稻，考察穗粒結(jié)構(gòu)。另外，每個(gè)小區(qū)人工收割 10m2水稻，機(jī)械脫粒后稱重。同時(shí)，取1kg稻谷于70°C烘干至恒重，測定含水量，按照13.5%的標(biāo)準(zhǔn)含水量換算水稻產(chǎn)量（kg/hm2）。

1.3.2 溫室氣體排放 采用靜態(tài)暗箱－氣相色譜法連續(xù)監(jiān)測稻田溫室氣體排放。溫室氣體采樣箱（長×寬×高=50cm×50cm×50cm）和底座（長×寬×高=50cm×50cm×15cm）規(guī)格均已有詳細(xì)報(bào)道[2]。水稻移栽前，將底座置于小區(qū)內(nèi)離田埂約2m處，底座下部固定于土壤，上部設(shè)有凹槽，采集氣體時(shí)，將底座凹槽注滿水，以保證箱內(nèi)氣體不與外界環(huán)境進(jìn)行交換。每次采集氣體時(shí)，在田埂與底座之間搭設(shè)棧橋，防止在采集氣體過程中對土壤環(huán)境造成擾動(dòng)。晚稻收獲后，將底座移出，第2年早稻移栽前再次將底座放入各小區(qū)。每隔6d采集1次稻田溫室氣體，每次取樣時(shí)間為上午 8:00-10:00。每隔10min取1次氣體注入真空氣袋內(nèi)，共采集4次。同時(shí)，記錄取氣時(shí)暗箱內(nèi)溫度和田間溫度（圖2）。

圖2 田間溫度變化（2018-2019）Fig.2 The dynamics of temperature in the field during 2018-2019

采用Agilent 7890b氣相色譜儀（安捷倫科技有限公司，美國）測定CH4和N2O濃度。CH4和N2O檢測器分別為氫火焰離子化檢測器和電子捕獲檢測器。氣相色譜儀參數(shù)設(shè)置參照文獻(xiàn)[2,14]。溫室氣體排放通量計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)表示溫室氣體排放通量，CH4和N2O分別以 mg/(m2·h)和 μg/(m2·h)為單位；ρ為標(biāo)準(zhǔn)氣壓下溫室氣體密度；h為取氣時(shí)凈箱高；dc/dt為單位時(shí)間內(nèi)氣體濃度變化；T為取氣時(shí)箱內(nèi)平均溫度。

根據(jù)加權(quán)平均法[2]計(jì)算稻田 CH4和 N2O累積排放總量（kg/hm2）。

1.3.3 綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體排放強(qiáng)度 在100年時(shí)間尺度上，單位質(zhì)量CH4和N2O綜合溫室效應(yīng)（global warming potential，GWP）分別為CO2的28倍和265倍[15]。因此，綜合溫室效應(yīng)根據(jù)CO2當(dāng)量進(jìn)行換算。計(jì)算公式為：

式中，GWP表示綜合溫室效應(yīng)（kg CO2-eq/hm2），T(CH4)和T(N2O)分別表示當(dāng)季CH4和N2O累積排放總量。

溫室氣體排放強(qiáng)度（greenhouse gas intensity，GHGI，kg/kg）表示單位稻谷產(chǎn)量對氣候變化的潛在影響。計(jì)算公式為：

式中，Y表示水稻產(chǎn)量（kg/hm2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用最小顯著性差異法（LSD）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 晚稻季翻耕對雙季水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

由表1可知，與淺旋耕處理相比，晚稻季翻耕對當(dāng)季晚稻和第2年早稻產(chǎn)量及其構(gòu)成均無顯著影響。雙季RT處理與晚稻季PT處理的早稻季產(chǎn)量均顯著低于晚稻季，其平均產(chǎn)量分別降低了1217.46和1390.34kg/hm2。從產(chǎn)量構(gòu)成看，雙季RT處理與晚稻季PT處理的穗粒數(shù)早稻季均顯著低于晚稻季，2個(gè)處理的晚稻季和早稻季有效穗數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率均無顯著差異。

表1 秸稈全量還田下晚稻季翻耕對雙季水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Table 1 Effects of moldboard plow tillage under all straw return in the late rice season on grain yield and its components in double rice-cropping system

2.2 晚稻季翻耕對雙季稻田CH4排放通量的影響

由圖 3可知，稻田 CH4排放主要集中在晚稻季。晚稻季和第 2年早稻季稻田 CH4排放通量變化范圍為 0.01～97.06mg/(m2·h)。晚稻季 CH4排放通量表現(xiàn)為移栽后快速上升，在水稻分蘗前期（7月29日-8月10日）出現(xiàn)排放高峰，RT和PT處理的最大排放值分別達(dá)到 97.06和 55.25mg/(m2·h)，分蘗中期排水曬田后CH4排放迅速下降，覆水后排放速率較低，收獲前2周CH4排放趨近于零。第2年早稻季CH4排放通量表現(xiàn)為移栽后緩慢上升，在水稻分蘗期（5月10日-5月24日）出現(xiàn)排放高峰，RT和 PT處理的最大排放值分別達(dá)到 29.19和23.69mg/(m2·h)，曬田后下降，覆水后排放速率亦較低，生育后期CH4排放通量變化較小。

圖3 秸稈全量還田下晚稻季翻耕對雙季稻田CH4排放通量的影響Fig.3 Effects of moldboard plow tillage under all straw return in the late rice season on CH4 emission fluxes in double rice-cropping system

PT處理在晚稻季的CH4平均排放通量低于RT處理。PT與RT處理在晚稻季CH4平均排放通量分別為15.96和18.64mg/(m2·h)，第2年早稻季CH4平均排放通量分別為7.82和6.64mg/(m2·h)。

2.3 晚稻季翻耕對雙季稻田N2O排放通量的影響

由圖4可知，晚稻季和第2年早稻季稻田N2O排放幅度變化均較大。各處理N2O排放通量變化范圍為-22.92～41.68μg/(m2·h)。PT 處理在晚稻中期（8月18日）曬田和后期（9月29日）干濕交替灌溉時(shí)監(jiān)測到N2O排放高峰，排放通量最大值分別達(dá)到35.89和 31.74μg/(m2·h)；RT處理在后期（9月 15日）干濕交替灌溉時(shí)監(jiān)測到N2O排放高峰，排放通量最大值達(dá)到41.68μg/(m2·h)。PT處理在第2年早稻生育前期（5月4日）、中期（5月24日）曬田和后期（6月24日）干濕交替灌溉時(shí)監(jiān)測到N2O微弱的排放峰，排放通量最大值分別達(dá)到 7.34、15.24和 6.35μg/(m2·h)；RT 處理在第 2年早稻生育前期（5月10日）監(jiān)測到N2O排放高峰，排放通量最大值達(dá)到29.93μg/(m2·h)。與RT處理相比，PT對晚稻季和第2年早稻季N2O排放通量的影響未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律。

圖4 秸稈全量還田下晚稻季翻耕對雙季稻田N2O排放通量的影響Fig.4 Effects of moldboard plow tillage under all straw return in the late rice season on N2O emission fluxes in double rice-cropping system

2.4 晚稻季翻耕對雙季稻田CH4和N2O累積排放量、綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體排放強(qiáng)度的影響

由表2可知，與RT處理相比，PT處理顯著降低了晚稻季 CH4累積排放總量（19.04%）、GWP（19.19%）和GHGI（22.02%），而對N2O累積排放總量無顯著影響。在第2年早稻季，PT處理對稻田CH4和N2O累積排放總量、GWP和GHGI均無顯著影響。2個(gè)處理下的早稻季 CH4累積排放量、N2O累積排放量、GWP和GHGI均顯著低于晚稻季。

表2 秸稈全量還田下晚稻季翻耕對雙季稻田CH4和N2O累積排放量、綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體排放強(qiáng)度的影響Table 2 Effects of moldboard plow tillage under all straw return in the late rice season on CH4 and N2O accumulation emission fluxes, GWP, and GHGI in double rice-cropping system

3 討論

3.1 翻耕對稻田CH4和N2O排放的影響

稻田CH4排放是由產(chǎn)甲烷菌以有機(jī)質(zhì)為底物，在嚴(yán)格厭氧條件下產(chǎn)生的[16]，并且CH4排放量與有機(jī)碳分解速率呈正相關(guān)[17]。本研究表明，雙季稻田秸稈全量還田下，與傳統(tǒng)淺旋耕相比，翻耕顯著降低了晚稻季CH4累積排放量。主要原因有，稻田秸稈還田后，翻耕處理可能會(huì)破壞土壤產(chǎn)甲烷菌生存的厭氧環(huán)境，從而降低了CH4排放[18]。有研究[19]表明，與淺旋耕相比，稻田翻耕后，土壤耕作層變厚，土壤總孔隙度和通透性提高，有效抑制了稻田產(chǎn)甲烷菌的活性和數(shù)量。淺旋耕處理可能更容易粉碎水稻秸稈，使秸稈分解速率加快[20-22]。而在翻耕處理時(shí)，鏵式犁深耕對秸稈的粉碎程度較小，有效地降低了秸稈腐解速率，因此降低了稻田CH4的排放[23]。然而，在本研究中，晚稻季PT處理對第2年早稻季稻田 CH4排放無顯著影響。一方面可能是由于在南方雙季稻系統(tǒng)中，從晚稻收獲到第 2年早稻移栽有長達(dá) 5個(gè)月的冬閑季，晚稻收獲后覆蓋在稻田土壤表面的秸稈會(huì)被土壤微生物腐解，降低秸稈中有機(jī)碳，特別是易分解有機(jī)碳的含量[24-25]，導(dǎo)致在第2年早稻季翻耕與淺旋耕土壤產(chǎn)甲烷菌對底物碳利用的差異降低。另一方面，晚稻季水稻機(jī)械收獲和第2年早稻季旋耕機(jī)的旋耕作業(yè)，以及小區(qū)內(nèi)反復(fù)的機(jī)械壓實(shí)可能會(huì)降低處理間土壤總孔隙度和通透性的差異[26]。因此導(dǎo)致上一年晚稻季翻耕對稻田CH4的減排效應(yīng)在第2年早稻季已消失。

在本試驗(yàn)周期內(nèi)，水稻生長季稻田N2O排放微弱，且處理間無顯著差異。稻田耕作通過改變土壤性狀和影響土壤微生物的硝化和反硝化作用，從而影響稻田 N2O排放[27]。目前有關(guān)不同耕作方式對稻田 N2O排放影響的研究結(jié)論不一[24,28]。這主要是與稻田 N2O排放的時(shí)空變異性大有關(guān)[9]。有研究[29-30]表明，秸稈還田能夠吸附土壤中的NH4+，同時(shí)秸稈在腐解過程中消耗土壤中的O2，導(dǎo)致土壤微生物硝化速率下降。因此，與淺旋耕相比，翻耕使得秸稈掩埋更深，可能會(huì)減少稻田N2O排放。但在本試驗(yàn)中，未發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。原因可能是在水稻種植過程中，為了提高氮肥的利用效率和水稻產(chǎn)量，施用氮肥時(shí)均保持有一定水層，持續(xù)淹水導(dǎo)致稻田N2O排放量較低[31]。另外，在本試驗(yàn)水稻中期排水烤田時(shí)常遇到陰雨天氣，導(dǎo)致土壤含水量較高，抑制了稻田N2O排放[32]。因此，微弱的稻田N2O排放以及較大的變異性導(dǎo)致本試驗(yàn)中淺旋耕與翻耕處理間稻田N2O排放的差異不顯著[2,13]。

本研究顯示，在南方雙季稻生長季節(jié)中，晚稻季對CH4和N2O的排放貢獻(xiàn)率顯著高于早稻季。這與前人[12,33-34]關(guān)于南方雙季稻系統(tǒng)下CH4和N2O排放特征的研究結(jié)果一致。晚稻季CH4排放高的主要原因，一方面是晚稻生育前期氣溫較高。另一方面，大量新鮮的早稻秸稈還田不僅為產(chǎn)甲烷菌提供了充足的碳源[35]，同時(shí)也降低了土壤的氧化還原電位[36]，從而促進(jìn)了 CH4的產(chǎn)生。本試驗(yàn)中晚稻季N2O排放較低。湯宏[37]研究表明，秸稈還田可以有效降低稻田N2O排放。早稻季N2O排放出現(xiàn)負(fù)相關(guān)性的原因可能是此季節(jié)溫度較低且試驗(yàn)區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)降雨，稻田土壤處于持續(xù)淹水狀態(tài)，導(dǎo)致土壤孔隙中 O2含量極低，土壤反硝化過程較為徹底[31,38]，抑制了稻田N2O產(chǎn)生。

3.2 晚稻季翻耕對水稻產(chǎn)量的影響

與淺旋耕相比，晚稻季翻耕對當(dāng)季晚稻和第2年早稻產(chǎn)量均無顯著影響。目前有關(guān)稻田翻耕對水稻產(chǎn)量影響的研究結(jié)果也不一致[39-41]。湯軍等[39]研究表明，與淺旋耕相比，深翻耕對機(jī)插條件下雙季稻產(chǎn)量無顯著影響。姚秀娟[18]研究表明，翻耕處理后，在第1年水稻產(chǎn)量低于傳統(tǒng)淺旋耕處理，而在第2年和第3年則無明顯差異。唐海明等[41]研究則認(rèn)為，翻耕提高了水稻根系活力，提高了葉片的光合能力，從而促進(jìn)干物質(zhì)積累，提高水稻產(chǎn)量。本試驗(yàn)地的犁底層厚度約 15cm，可能并未限制水稻的生長。因此，在本試驗(yàn)中，翻耕加深耕層厚度對水稻產(chǎn)量的影響不顯著。關(guān)于稻田耕作深度，代貴金等[42]研究表明，當(dāng)耕層深度為12cm時(shí)，旋耕與翻耕 15cm的處理之間產(chǎn)量無顯著差異。彭成林等[43]研究表明，土壤耕作深度對水稻產(chǎn)量沒有顯著影響。錢銀飛等[44]研究表明，長年的單一旋耕和翻耕均會(huì)加速土壤中有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的流失，導(dǎo)致土壤地力降低，影響水稻生長和產(chǎn)量形成。因此，需要采取合理的輪耕模式，在維持土壤肥力的同時(shí)，保證水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

耕作方式對土壤性狀和產(chǎn)量的影響可能存在多年的累積效應(yīng)，且耕作措施的效應(yīng)也受氣候條件的影響，因此，還需要進(jìn)行長期的定位試驗(yàn)觀測。另外，在實(shí)際生產(chǎn)中，稻田鏵式犁深耕會(huì)增加農(nóng)機(jī)作業(yè)成本，農(nóng)戶一般不會(huì)進(jìn)行連續(xù)多季翻耕。本研究表明，晚稻季翻耕的減排效應(yīng)僅能保持1季。因此，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)補(bǔ)償以促進(jìn)稻田翻耕措施的應(yīng)用。

4 結(jié)論

在秸稈全量還田條件下，與傳統(tǒng)淺旋耕處理相比，晚稻季翻耕顯著降低了稻田CH4排放、綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體排放強(qiáng)度，對 N2O累積排放量無顯著影響。翻耕的減排效應(yīng)僅體現(xiàn)在當(dāng)季，對第2年早稻季的CH4排放無顯著影響。晚稻季翻耕對當(dāng)季晚稻和第2年早稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均無顯著影響。