覆蓋對(duì)水稻田溫室氣體排放效應(yīng)的影響

王雅霏，楊喜愛，潘婷，高峰峰，江先民，銀敏華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

氣候變暖所引發(fā)的一系列問題嚴(yán)重威脅著人類生存與健康，已成為全球普遍關(guān)注的社會(huì)問題與面臨的重大挑戰(zhàn)。人類生產(chǎn)生活排放的溫室氣體是氣候變暖的主要原因，其中農(nóng)業(yè)土地的溫室氣體排放量占人類活動(dòng)排放總量的14%[1]。三大溫室氣體(CO2、CH4和N2O)中，20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O 來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率高達(dá)80%[2]。與CO2相比，CH4和N2O 占溫室氣體總量的比例較小，但在100 a 時(shí)間尺度上，單位質(zhì)量CH4和N2O 的全球增溫潛勢(shì)分別為CO2的28倍和265 倍，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率分別約為15%和5%。水稻是主要的糧食作物，水稻生產(chǎn)對(duì)保障糧食安全具有重要作用，但稻田也是重要的溫室氣體排放源[3-4]，一直受到國(guó)際社會(huì)的普遍關(guān)注。因此，開展稻田溫室氣體排放的相關(guān)研究尤為重要。

稻田的溫室氣體排放與耕作措施和田間管理等密切相關(guān)[5]。覆蓋栽培因其具有改善耕層土壤水熱環(huán)境、抑制雜草生長(zhǎng)、防止水土流失和減少養(yǎng)分淋溶等優(yōu)點(diǎn)，已成為多種糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物和牧草生產(chǎn)的重要農(nóng)田管理措施[6]。水稻屬高耗水作物，其生育期需水量為600～900 mm，其中生態(tài)需水占比高達(dá)70%～85%[7]。水稻覆蓋旱作可在保障一定產(chǎn)量水平的基礎(chǔ)上節(jié)約稻田生態(tài)耗水，有效緩解南方地區(qū)的季節(jié)性缺水問題，目前已廣泛應(yīng)用于水稻生產(chǎn)中[5]。然而，覆蓋栽培在改善稻田微環(huán)境的同時(shí)也會(huì)影響溫室氣體的產(chǎn)生與排放。研究表明，冬季稻田覆蓋綠色作物，可減輕稻田水土流失，富集土壤碳氮養(yǎng)分，減少溫室氣體排放[8]。也有研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)淹水稻田相比，秸稈覆蓋旱作會(huì)在一定程度上增加稻田甲烷的排放量[9]。覆膜種植條件下，稻—油輪作農(nóng)田全年CH4排放量較對(duì)照提高147.9%，而CO2和N2O 的排放量與對(duì)照差異不顯著[10]。可見，覆蓋栽培對(duì)稻田溫室氣體的排放效應(yīng)因覆蓋材料、種植模式等不同而存在差異。

國(guó)內(nèi)外均已開展了很多覆蓋對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放影響的相關(guān)研究。我國(guó)關(guān)于覆蓋條件下農(nóng)田溫室氣體排放的研究主要集中在干旱半干旱地區(qū)，而水稻田溫室氣體排放的研究尚處于起步階段。Meta分析是對(duì)同一主題的多個(gè)研究結(jié)果進(jìn)行綜合分析的方法，通過效應(yīng)指標(biāo)量化，將各個(gè)研究結(jié)果進(jìn)行整合，系統(tǒng)分析特定措施的綜合效應(yīng)及影響因素[11-12]。本研究從環(huán)境視角出發(fā)，整合覆蓋對(duì)水稻田溫室氣體排放的已發(fā)表文獻(xiàn)，采用Meta 分析方法從大區(qū)域尺度上進(jìn)行分析，旨在全面和系統(tǒng)地總結(jié)覆蓋對(duì)水稻田溫室氣體的排放效應(yīng)及可能的影響因素，為探索高效的稻田減排栽培模式及合理的稻田覆蓋管理技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

通過對(duì)中國(guó)知網(wǎng)(http://www.cnki.net)和Web of Science(http://apps.webofknowledge.com) 等中英文數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，收集截至2020 年9 月國(guó)內(nèi)外公開發(fā)表的關(guān)于覆蓋種植條件下水稻田溫室氣體排放的研究論文(會(huì)議論文和溫室、盆栽試驗(yàn)論文除外)。為減少文獻(xiàn)收集引起的偏差，基于以下標(biāo)準(zhǔn)篩選本研究的分析樣本:①研究對(duì)象為中國(guó)范圍內(nèi)的水稻田；②試驗(yàn)中同時(shí)包含覆蓋與不覆蓋處理；③論文提供了覆蓋與不覆蓋水稻田溫室氣體(CO2、N2O、CH4中的任意1 種、2 種或3 種都有)的排放量，或根據(jù)論文提供的數(shù)據(jù)可計(jì)算得到；④試驗(yàn)采用的農(nóng)田覆蓋措施清楚。經(jīng)采用以上標(biāo)準(zhǔn)篩選，共獲得13 篇可用文獻(xiàn)(表1)，包含66 組數(shù)據(jù)，其中CO2、N2O 和CH4分別為6、31 和29 組。

表1 Meta 分析的數(shù)據(jù)來源文獻(xiàn)Table 1 Literatures used in the meta-analysis

1.2 數(shù)據(jù)分類

所收集的66 組數(shù)據(jù)，主要涉及湖南、四川、重慶、江蘇和湖北共5 個(gè)省(市)，具體樣本信息如表2。

表2 樣本基本信息Table 2 Basic information of the samples

續(xù)表2

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)差是Meta 分析的一個(gè)重要參數(shù)，可反映各樣本的重要性。當(dāng)文獻(xiàn)提供標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，直接使用；當(dāng)文獻(xiàn)沒有提供標(biāo)準(zhǔn)差但有多個(gè)重復(fù)試驗(yàn)的溫室氣體排放量，或既未提供標(biāo)準(zhǔn)差也無重復(fù)試驗(yàn)的溫室氣體排放量，但包含多年試驗(yàn)時(shí)，自行計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差；當(dāng)文獻(xiàn)未列出標(biāo)準(zhǔn)差且無法通過計(jì)算獲得時(shí)，將前述研究論文中某一溫室氣體排放比例作為該溫室氣體排放的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值[13]。

1.3.2 效應(yīng)量計(jì)算

利用各樣本中覆蓋處理(試驗(yàn)組)和不覆蓋處理(對(duì)照組)的平均溫室氣體排放量、標(biāo)準(zhǔn)差及重復(fù)數(shù)計(jì)算效應(yīng)值lnR[14]:

式中:R—反應(yīng)比；Ye—覆蓋處理的平均溫室氣體排放量(kg/hm2)；Yc—不覆蓋處理的平均溫室氣體排放量(kg/hm2)。

為了更加直觀地反映覆蓋對(duì)水稻田溫室氣體的排放效應(yīng)，將效應(yīng)值lnR轉(zhuǎn)化為減排率Z[15]:

Z的95%置信區(qū)間若全部大于0，說明覆蓋對(duì)減少水稻田溫室氣體排放具有顯著正效應(yīng)；若全部小于0，說明覆蓋對(duì)減少水稻田溫室氣體排放具有顯著負(fù)效應(yīng)；若包含0，則說明覆蓋對(duì)減少水稻田溫室氣體排放無顯著影響。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

采用R(v.3.6.3) 編程軟件中的Metafor 包(v.2.4-0)處理數(shù)據(jù)，顯著性水平取P＜0.05；使用Origin 9.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆蓋與不覆蓋條件下水稻田溫室氣體的排放量

本研究涉及來自5 個(gè)省(市)的13 篇研究論文中的66 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)(表3)。對(duì)于CO2，共有6 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，覆蓋和不覆蓋水稻田的排放量分別為15.23～506.93 kg/hm2和18.21～ 347.28 kg/hm2；對(duì) 于N2O，共有31 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，覆蓋和不覆蓋水稻田的排放量分別為0.01～3.12 kg/hm2和0.01～3.95 kg/hm2；對(duì)于CH4，共有29 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，覆蓋和不覆蓋水稻田的排放量分別為2.47～207.13 kg/hm2和3.38～277.01 kg/hm2。

表3 覆蓋與不覆蓋條件下水稻田溫室氣體的排放量Table 3 Greenhouse gas emissions from paddy fields under mulching and non-mulching

2.2 覆蓋對(duì)水稻田溫室氣體排放的綜合效應(yīng)

分別計(jì)算覆蓋條件下水稻田的3 種溫室氣體排放的綜合效應(yīng)量(表4)。與不覆蓋相比，覆蓋水稻田的CO2排放量平均增加21.9%(置信區(qū)間2.6%～44.8%)，N2O 排放量平均減少43.9%(置信區(qū)間32.3%～53.5%)，CH4排放量平均減少58.5%(置信區(qū)間50.8%～65.0%)。由于所收集的覆蓋與不覆蓋條件下稻田CO2排放的樣本較少(僅6 個(gè))，故后續(xù)僅對(duì)覆蓋條件下水稻田CH4和N2O 的排放效應(yīng)進(jìn)行影響因素分析。

表4 覆蓋對(duì)水稻田溫室氣體排放的綜合效應(yīng)Table 4 Comprehensive effect of mulching on greenhouse gas emission from paddy field

2.3 覆蓋對(duì)水稻田N2O 排放效應(yīng)的影響

2.3.1 區(qū)域效應(yīng)

湖南、重慶、江蘇、湖北4 個(gè)省(市)均表現(xiàn)為覆蓋顯著降低了水稻田N2O 排放量(圖1)，其中湖南和江蘇的平均減排率基本接近，前者為54.9%(置信區(qū)間30.2%～79.6%)，后者為53.2%(置信區(qū)間20.0%～86.4%)；重慶和湖北的平均減排率基本接近，前者為34.4%(置信區(qū)間2.1%～66.7%)，后者為33.9%(置信區(qū)間10.3%～57.5%)。

圖1 覆蓋下不同地區(qū)水稻田N2O 的減排率Fig.1 N2O emission reduction rate of rice field under different coverage

2.3.2 影響因素

表5 為不同影響因素下覆蓋對(duì)水稻田N2O 的排放效應(yīng)。覆蓋水稻田N2O 減排率隨施氮量的增加呈降低趨勢(shì)，施氮量為＜100 kg/hm2、100～200 kg/hm2和＞200 kg/hm2的稻田平均減排率分別為53.2%(置信區(qū)間20.4%～ 86.0%)、38.9%(置信區(qū)間16.4%～ 61.4%) 和35.6% (置信區(qū)間5.1%～66.1%)。在基肥+追肥施氮模式下，覆蓋水稻田N2O 減排效應(yīng)略高于一次性基施，前者平均為48.6%(置信區(qū)間30.9%～ 66.3%)，后者平均為38.9%(置信區(qū)間16.4%～61.4%)。地膜覆蓋水稻田的N2O 減排率(平均38.2%，置信區(qū)間26.6%～49.8%)略低于秸稈覆蓋(平均48.1%，置信區(qū)間29.6%～66.6%)。與全地面覆蓋(平均51.2%，置信區(qū)間32.2%～70.2%)相比，部分地面覆蓋(平均35.9%，置信區(qū)間24.7%～47.1%)水稻田的N2O 減排率較低。平作覆蓋水稻田的N2O 減排率(平均54.5%，置信區(qū)間34.2%～74.8%)略高于壟作覆蓋(平均54.5%，置信區(qū)間34.2%～74.8%)。與連作(平均37.7%，置信區(qū)間23.0%～52.4%)相比，輪作(平均53.2%，置信區(qū)間33.7%～72.7%)條件下進(jìn)行覆蓋更有利于提高水稻田的N2O 減排率。

表5 覆蓋對(duì)水稻田N2O 排放效應(yīng)的影響因素分析Table 5 Influencing factors of mulching on N2O emission from paddy field

2.4 覆蓋對(duì)水稻田CH4 排放效應(yīng)的影響

2.4.1 區(qū)域效應(yīng)

5 省(市)均表現(xiàn)為覆蓋顯著降低了水稻田的CH4排放量(圖2)。四川的平均減排率最高(77.7%，置信區(qū)間60.2%～95.2%)，其次為江蘇(69.3%，置信區(qū)間63.2%～ 75.3%)和湖北(61.9%，置信區(qū)間53.9%～69.9%)，3 省之間無顯著差異，湖南的平均減排率為49.0%(置信區(qū)間42.6%～ 55.5%)，重慶的平均減排率最低，為33.9%(置信區(qū)間23.8%～44.0%)。

圖2 覆蓋條件下不同地區(qū)水稻田的CH4 減排率Fig.2 CH4 emission reduction rate of rice field in different areas under mulching

2.4.2 影響因素

由表6 可知，覆蓋水稻田CH4減排率隨施氮量增加呈增加趨勢(shì)，當(dāng)施氮量≤100 kg/hm2時(shí)，平均減排率為53.2%(置信區(qū)間43.7%～62.7%)，當(dāng)施氮量＞100 kg/hm2時(shí)，平均減排率為65.0%(置信區(qū)間47.6%～82.4%)。在一次性基施和基肥+追肥兩種施氮模式下，覆蓋水稻田的CH4減排效應(yīng)無顯著差異，前者平均為67.1% (置信區(qū)間48.9%～85.3%)，后者平均為51.3%(置信區(qū)間42.1%～60.5%)。地膜覆蓋水稻田的CH4減排率(平均62.2%，置信區(qū)間50.2%～74.2%)略高于秸稈覆蓋(平均54.4%，置信區(qū)間45.0%～63.8%)。與全地面覆蓋(平均50.1%，置信區(qū)間38.8%～61.4%)相比，部分地面覆蓋水稻田的CH4減排率(平均63.1%，置信區(qū)間53.4%～72.8%)較高。平作覆蓋水稻田的CH4減排率(平均62.4%，置信區(qū)間50.1%～74.7%)略高于壟作覆蓋(平均55.4%，置信區(qū)間45.0%～65.8%)。與輪作(平均48.6%，置信區(qū)間37.2%～60.0%)相比，連作(平均63.6%，置信區(qū)間54.4%～72.8%)條件下進(jìn)行覆蓋更有利于提高水稻田的CH4減排率。

表6 覆蓋條件下水稻田CH4 排放效應(yīng)的影響因素分析Table 6 Influence factors of mulching on CH4 emission from paddy field

3 討論

3.1 覆蓋對(duì)水稻田CO2 排放的影響

農(nóng)田覆蓋可改變土壤微氣候條件，使土壤微生物種類和數(shù)量發(fā)生變化并提高微生物活性，從而影響CO2等溫室氣體的排放[16]。在免耕稻田中，油菜秸稈還田條件下，適宜的土壤溫度可促進(jìn)微生物繁殖，加快秸稈分解及土壤碳礦化過程，使土壤CO2排放速率及排放量顯著增加，其中秸稈不還田處理的土壤CO2累積排放量分別是秸稈還田量為3 000、4 000 和6 000 kg/hm2處理的59%、36%和33%[17]。在水稻—小麥復(fù)種連作系統(tǒng)中，與秸稈未還田相比，秸稈還田和秸稈還田+秸稈腐熟劑的土壤CO2累積排放通量分別增加了23.2%和52.9%[18]。在稻蝦共作模式中，冬泡+秸稈還田和冬泡+秸稈還田+養(yǎng)蝦的稻田CO2累積排放量分別較冬泡+無秸稈還田提高了15.0%和10.1%[19]。本研究也得出了類似的結(jié)果:與不覆蓋相比，覆蓋種植水稻田的CO2排放量平均增加了21.9%(置信區(qū)間2.6%～44.8%)。然而，Naser 等[20]在日本北海道中部開展的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田會(huì)降低稻田CO2排放量。這可能與秸稈還田方式和秸稈類型等有關(guān)。

3.2 覆蓋對(duì)水稻田N2O 排放的影響

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是重要的N2O 排放源，全球農(nóng)田每年N2O 排放量可達(dá)(3.8～6.8)×106t，占N2O 總排放量的25%～39%[21]。研究表明，在稻麥輪作系統(tǒng)中，與秸稈不還田相比，秸稈還田可顯著降低N2O的排放通量，且隨秸稈還田年限的增加，降低幅度呈增大趨勢(shì)[18，22]。這主要是由于秸稈還田會(huì)促進(jìn)土壤礦質(zhì)氮的微生物固定，減少硝化與反硝化作用底物，降低反硝化反應(yīng)速率，從而減少反硝化過程中N2O 的排放。當(dāng)秸稈C/N 比較高時(shí)，該效應(yīng)更為明顯。此外，秸稈還田在腐熟過程中會(huì)消耗氧氣，也可在一定程度上減少N2O 排放。本研究也發(fā)現(xiàn)，與不覆蓋相比，覆蓋水稻田的N2O 排放量平均減少了43.9%(置信區(qū)間32.3%～ 53.5%)。但石將來等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在稻—油輪作模式下，覆膜和不覆膜稻田水稻季N2O 排放量分別為3.26 kg/hm2和2.91 kg/hm2，且均集中在分蘗期，分別占全季排放總量的66.8%和82.8%。這可能與覆蓋材料、田間管理等因素有關(guān)。施加氮肥可為硝化和反硝化作用提供反應(yīng)底物。在水稻生育期中，N2O 排放通量在每次追施氮肥后第1 天出現(xiàn)峰值，之后逐漸降低[17]。本文分析表明，覆蓋水稻田的N2O 減排率隨施氮量的增加呈降低趨勢(shì)，且基肥+追肥施氮模式的減排效應(yīng)優(yōu)于一次性基施。這也說明減少氮肥施用量與少量多次的氮肥施用模式有利于降低稻田的N2O 排放量。

3.3 覆蓋對(duì)水稻田CH4 排放的影響

稻田是大氣CH4的重要來源。據(jù)報(bào)道，每年有(20～100)×109kg 的CH4從水稻田排放到大氣中，約占全球總排放量的4%～19%[24]。李成芳等[17]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可顯著降低免耕稻田的CH4排放，且CH4累積排放量隨秸稈還田量的增加呈降低趨勢(shì)。秸稈不還田條件下的稻田CH4累積排放量分別是秸稈還田量為3 000、4 000 和6 000 kg/hm2條件下的1.48、2.39 和3.56 倍。張軍科等[25]在耕作方式對(duì)紫色水稻土CH4排放的影響研究中發(fā)現(xiàn)，稻田CH4年平均排放通量表現(xiàn)為傳統(tǒng)冬水田平作＞壟作免耕＞廂作免耕＞水旱輪作。本研究利用Meta 分析方法整合前人田間試驗(yàn)結(jié)果，表明覆蓋種植水稻田的CH4排放量較不覆蓋平均減少58.5%(置信區(qū)間50.8%～65.0%)。這與Das 等[26]和徐祥玉等[19]關(guān)于秸稈還田提高CH4排放的結(jié)論不一致，其原因可能與秸稈還田的方式和深度有關(guān)。秸稈覆蓋在稻田表面時(shí)，由于秸稈與土壤的接觸面較少，部分秸稈在土壤表層有氧降解，其降解產(chǎn)物在土壤氧化層中還原產(chǎn)生CH4的幾率較小。相反，當(dāng)秸稈通過耕作與土壤充分接觸時(shí)，秸稈受土壤微生物作用分解，CH4排放隨之增強(qiáng)。一般而言，耕作會(huì)破壞土壤原有結(jié)構(gòu)，減少土壤CH4氧化程度，少耕或免耕可大幅度降低土壤CH4的匯集程度[27]。本研究盡管沒有分析覆蓋條件下不同耕作方式對(duì)水稻田CH4的排放效應(yīng)，但發(fā)現(xiàn)與壟作覆蓋相比，平作覆蓋水稻田的CH4減排率較高。另外，由于本研究是以已有的文獻(xiàn)為對(duì)象，對(duì)湖南、四川、重慶、江蘇和湖北的研究結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果具有一定的局限性。若針對(duì)某一特定區(qū)域，還需考慮其具體的氣候條件、田間管理等因素的影響。

4 結(jié)論

(1)與不覆蓋相比，覆蓋水稻田的CO2排放量平均增加21.9%(置信區(qū)間2.6%～44.8%)，N2O 排放量平均減少43.9%(置信區(qū)間32.3%～53.5%)，CH4排放量平均減少58.5%(置信區(qū)間50.8%～65.0%)。

(2)覆蓋降低水稻田N2O 排放的效應(yīng)在不同地區(qū)存在差異，其中湖南和江蘇的平均減排率高于重慶和湖北。覆蓋水稻田N2O 的減排率隨施氮量增加呈降低趨勢(shì)，與一次性基施、地膜覆蓋、部分地面覆蓋、壟作和連作相比，基肥+追肥、秸稈覆蓋、全地面覆蓋、平作和輪作更有利于提高覆蓋水稻田的N2O 減排率。

(3)覆蓋降低水稻田CH4排放的效應(yīng)在不同地區(qū)存在差異，平均減排率表現(xiàn)為四川＞江蘇＞湖北＞湖南＞重慶。覆蓋水稻田CH4的減排率隨施氮量增加呈增加趨勢(shì)，與基肥+追肥、秸稈覆蓋、全地面覆蓋、壟作和輪作相比，一次性基施、地膜覆蓋、部分地面覆蓋、平作和連作更有利于提高覆蓋水稻田的CH4減排率。