江漢平原不同稻作模式下溫室氣體排放特征

葉 佩 宋春燕 劉凱文 劉志雄 謝青蕓 胡嚴炎 朱 波 王 斌*

1)(湖北省荊州農業(yè)氣象試驗站，荊州 434000)2)(中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081)3)(武漢區(qū)域氣候中心，武漢 430074)4)(長江大學農學院，荊州 434025)

引 言

人類活動產生大量溫室氣體是全球氣候變暖的主要原因[1-2]。農業(yè)溫室氣體排放約占全球人類活動產生溫室氣體排放總量的12%[3]。CH4和N2O作為兩類重要的農業(yè)溫室氣體，在百年尺度上增溫潛勢分別為CO2的25倍和298倍[4]。農業(yè)排放的CH4和N2O分別占全球CH4和N2O排放總量的60%和50%，而稻田是農業(yè)CH4和N2O的重要排放源[5]。中國是世界上重要的稻米生產國和消費國，全國每年稻田CH4和N2O排放量分別約為7.41 Tg和32 Gg[6-8]，占農業(yè)源溫室氣體排放的22%，稻田生態(tài)系統(tǒng)減排對降低農業(yè)源溫室效應將起積極作用[9]。為此，有必要對各類稻田CH4和N2O排放特征及綜合溫室效應進行研究，開發(fā)適宜地區(qū)低碳減排的農業(yè)生產模式，對實現國家雙碳戰(zhàn)略目標和減緩全球氣候變暖意義重大。

人們針對稻田溫室氣體排放在水稻品種[10]、水肥管理[11-13]、輪作方式[14]、耕作制度[15]等方面開展了大量研究。除氣候條件、土壤特性、施肥、灌溉等因素外，不同稻作模式也是影響稻田CH4和N2O排放的重要因素[16]。研究表明：與雙季稻相比，單季稻-小麥、單季稻-油菜、單季稻-玉米等水旱輪作模式能顯著降低稻田CH4和N2O排放[17-19]，晚稻季稻田的總增溫潛勢和綜合溫室強度高于早稻季[20]。稻蝦種養(yǎng)模式下秸稈還田、土壤長期持續(xù)淹水、小龍蝦掘洞覓食活動等諸多因素對稻田CH4和N2O排放的影響尚存在爭議[21-22]。再生稻是頭季水稻收獲后，稻樁生芽萌發(fā)再生、成穗再收獲的一季水稻，其水肥管理、種植周期等多項田間管理不同于單季稻，其稻田溫室氣體的排放特征區(qū)別于傳統(tǒng)水稻[23]。林志敏等[24]指出再生稻全球增溫潛勢和綜合溫室氣體排放強度低于雙季稻和單季晚稻；王天宇等[25]發(fā)現再生稻CH4，N2O的總增溫潛勢和綜合溫室氣體排放強度較稻麥輪作分別降低22.3%，86.5%，36.3%和15.9%。徐祥玉[26]對比研究中稻-冬泡、稻田養(yǎng)蝦、中稻-小麥3種模式稻田溫室氣體排放規(guī)律，發(fā)現稻麥輪作減排效益最高、稻蝦共作次之、冷浸稻田最低。由此可見，不同稻作生態(tài)系統(tǒng)由于種養(yǎng)模式、水稻品種以及農田管理措施等多方面的差異使其在農業(yè)生產過程中CH4和N2O的排放特征存在不確定性。

國內外學者已選擇有限稻作類型開展溫室氣體排放對比研究，但同時開展早稻、晚稻、中稻、蝦稻、再生稻等典型稻作模式溫室氣體排放對比研究的報道較少，不同稻作模式下稻田溫室氣體排放差異、時間變化規(guī)律和溫室氣體排放強度特征還不夠明確。江漢平原素有“江漢糧倉”的美譽，是國家重要商品糧生產基地，該地區(qū)水稻常年播種面積和產量分別達到9×105hm2和7.5×103t，主要稻作模式包括傳統(tǒng)的早稻-晚稻、中稻-小麥、中稻-油菜以及新興的中稻-蝦共作、再生稻等模式。水稻種植面積廣闊，種植模式豐富，對稻田溫室氣體排放貢獻大[27]。因此，本研究以江漢平原典型稻作區(qū)為研究對象，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，在稻田同步原位監(jiān)測早稻、晚稻、中稻、蝦稻以及再生稻5種稻作模式稻田溫室氣體排放通量，揭示不同稻作模式CH4和N2O排放特征，從溫室氣體排放總量、綜合溫室效應、溫室氣體排放強度3個角度進行評估，以期為江漢平原稻田溫室氣體排放核算評估和減排技術制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗時間為2021年4—10月，試驗地點為江漢平原典型稻作區(qū)(湖北省荊州農業(yè)氣象試驗站)，供試稻作類型為江漢平原典型稻作模式(早稻、晚稻、中稻、蝦稻和再生稻)，供試土壤為內陸河湖交替沉積的潴育型水稻土，質地為粉質中壤土。江漢平原屬北亞熱帶季風性濕潤氣候，水熱資源豐富，年降水量為800～1600 mm，年平均日照時數約為1700 h，年平均氣溫為17.2℃，全年無霜期為251 d。試驗期間降水量和氣溫日變化如圖1所示。

圖1 2021年試驗點水稻生育期降水量和氣溫日變化

1.2 試驗設計

稻田試驗設置5種稻作模式，分別為冬閑-早稻、晚稻-冬閑落干、中稻-油菜輪作、蝦稻-冬閑淹水和再生稻頭茬-再生茬-冬閑落干，每種稻作模式進行3次重復。不同稻作類型水稻移栽、曬田和收獲時間見表1。供試肥料包括氮肥(N 46%)、磷肥(P2O512%)、鉀肥(K2O 60%)，早稻、晚稻、中稻和蝦稻試驗中磷肥和鉀肥全部作為基肥使用，氮肥按5∶2∶3比例分別在移栽、分蘗和孕穗施入。早稻和晚稻氮肥用量均為391 kg·hm-2，磷肥用量為500 kg·hm-2，鉀肥用量為150 kg·hm-2。中稻和蝦稻氮肥用量為391 kg·hm-2，磷肥用量為750 kg·hm-2，鉀肥用量為200 kg·hm-2。再生稻氮肥用量為803 kg·hm-2，磷肥用量為750 kg·hm-2，鉀肥用量為200 kg·hm-2，其中頭季稻基肥的氮肥、磷肥、鉀肥施用量分別為217 kg·hm-2，750 kg·hm-2，117 kg·hm-2，中間補施130 kg·hm-2的氮肥作為分蘗肥，后期分別追施130 kg·hm-2氮肥和83 kg·hm-2鉀肥作為孕穗肥，頭季稻收獲前16 d(8月1日)和收割后10 d(8月28日)均施入163 kg·hm-2氮肥作為再生季促芽肥和提苗肥。田間水分管理過程中蝦稻長期處于淹水狀態(tài)，成熟期田間水分落干，其他稻作模式在分蘗期保持淹水灌溉，分蘗末期排水曬田，幼穗分化期再次灌水，抽穗后保持干濕交替直至收獲前7～10 d斷水。蝦稻田前一年蝦稻收獲后秸稈還田，留茬高度為30～40 cm，供試蝦為克氏原螯蝦，蝦苗于2021年3月按照300 kg·hm-2(約50尾·kg-1)投放，每日16：00—18:00(北京時，下同)進行蝦飼料投喂，投入量平均為600 kg·hm-2。4月上中旬適時捕撈上市，6月上旬捕撈成蝦完畢，降低田間水位使未成熟蝦遷移至蝦溝，待整田、播種、曬田及復水后使其再次進入稻田。田間病、蟲、草害等管理與當地高產田措施保持一致。

表1 2021年不同稻作模式水稻移栽、曬田和收獲時間

1.3 溫室氣體與產量測定

1.3.1 溫室氣體測定

稻田CH4和N2O采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定。采樣箱采用PVC板制成，直徑為55 cm，高為120 cm，箱外包有錫箔紙和海綿，避免箱體吸收太陽輻射而引起箱內氣溫變化過大。水稻移栽后開始采樣，采樣時間為09:00—11:00，采樣頻率為抽穗前3～5 d 1次，抽穗到成熟5～7 d 1次。采氣時，先將采集箱搖晃2～3次以充分混勻箱內氣體，加水密封，用注射器分別在0，10，20，30 min從箱中抽取氣體，并通過旋轉三通閥轉移到真空瓶備測，同時記錄此時箱內的溫度。采樣后24 h內采用氣相色譜儀(Agilent 7890A)和自動進樣器測定CH4和N2O濃度。CH4和N2O檢測器分別為氫火焰離子檢測器(FID)和微電子捕獲檢測器(μECD)，進樣口溫度分別為200℃和330℃，分析柱為PQ填充柱，柱溫為55℃。

1.3.2 產量測定

在水稻成熟收獲期，不同種植模式稻田均選取有代表性的稻株地塊作為采樣區(qū)，每個采樣區(qū)進行3次重復采樣，每個樣點用測產框取面積為1 m2的水稻收割，經過自然晾曬、人工脫粒后分別測產，以各樣點的平均值估算全田總產量。

1.4 數據及分析方法

1.4.1 CH4和N2O排放通量

(1)

1.4.2 CH4和N2O累積排放量

水稻生育期內CH4和N2O累積排放量為相鄰兩次采樣的氣體日排放通量平均值與觀測間隔日數的乘積，依次累加[29]。

(2)

式(2)中，fn為水稻生育期內CH4或N2O累積排放量(單位：kg·hm-2)；Fi為相鄰兩次CH4或N2O日排放通量平均值(單位：mg·m-2·h-1或μg·m-2·h-1)；Di為兩次采樣間隔日數(單位：d)，i為第1次，…，第n次不連續(xù)溫室氣體排放通量觀測樣本量。

1.4.3 總增溫潛勢

總增溫潛勢為水稻生育期內CH4和N2O累積排放量的總CO2排放當量。在百年時間尺度上，單位質量CH4和N2O全球增溫潛勢分別為CO2的25倍和298倍[30]。

E=fCH4×25+fN2O×298。

(3)

式(3)中，fCH4為水稻生育期內CH4累積排放量(單位：kg·hm-2)；fN2O為水稻生育期內N2O累積排放量(單位：kg·hm-2)；E為CH4和N2O排放量的總CO2當量，即CH4和N2O總增溫潛勢(單位：kg·hm-2)。

1.4.4 溫室氣體排放強度

溫室氣體排放強度是農業(yè)生產溫室效應的綜合評價指標，是水稻單位產量的CO2當量(單位：kg·kg-1)[31]，通過總增溫潛勢排放量除以水稻產量求得。

1.4.5 數據處理

采用SPSS 24.0軟件進行數據統(tǒng)計，采用單因素方差法分析不同稻作模式間的排放差異，采用最小顯著性差異法(LSD)進行顯著性檢驗(顯著性水平P<0.05)，采用Microsoft Excel 2010軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 CH4排放通量

不同稻作模式CH4排放均呈現顯著的季節(jié)變化(圖2)。主要特征為水稻前期淹水階段出現高排放峰，排水曬田期稻田CH4排放通量迅速下降，干濕交替階段出現較小CH4排放峰，成熟期稻田CH4為零排放或負排放。不同稻作模式下CH4最高排放峰值均處于淹水階段，從大到小依次為蝦稻、中稻、晚稻、早稻、再生稻，其中蝦稻最高排放峰值為85.7 mg·m-2·h-1，分別高出中稻、晚稻、早稻、再生稻排放峰值的71.7%，114.8%，134.2%，191.5%。早稻、晚稻、再生稻分別在移栽后第8天、第11天、第7天達到峰值，而中稻、蝦稻在分蘗淹水階段一直保持較高排放。

圖2 2021年不同稻作模式下CH4排放通量動態(tài)變化(虛線箭頭表示施肥，下同)

2.2 N2O排放通量

N2O排放通量與CH4排放呈此消彼長的關系(圖3)。排放峰值主要出現于中期曬田和施肥后，生育期內排放通量變化范圍為-41.7～1100.7 μg·m-2·h-1。各稻作模式下N2O最高排放峰值從大到小依次為再生稻、早稻、晚稻、蝦稻、中稻，其中再生稻最高排放峰值為1100.7 μg·m-2·h-1，分別高出早稻、晚稻、蝦稻、中稻排放峰值的16.8%，109.3%，649.8%，654.9%。不同稻作模式N2O最高排放峰值出現時間存在差異，但均出現在施肥后，其中早稻、晚稻在施入穗肥后(6月5日和9月21日)出現N2O最高排放峰值；中稻、蝦稻以及再生稻均在施入分蘗肥后(7月10日、7月18日和4月30日)出現N2O最高排放峰值。復水后各稻作模式稻田N2O排放顯著降低，直至水稻齊穗期再次出現排放小高峰。

圖3 2021年不同稻作模式N2O排放通量動態(tài)變化

2.3 CH4和N2O累積排放量

不同稻作模式下稻田CH4累積排放量從大到小依次為蝦稻、再生稻、早稻、晚稻、中稻，相比蝦稻模式，早稻、晚稻、中稻和再生稻CH4累積排放顯著降低，分別為67.3%，75.3%，78.7%和45.7%(P<0.05)；晚稻和中稻CH4累積排放較再生稻顯著降低，為54.5%和60.7%；早稻、晚稻和中稻間差異不顯著；對于雙季稻總生長季而言，CH4總排放量為310.9 kg·hm-2，高于中稻和再生稻(圖4)。N2O累積排放大小依次為再生稻、早稻、晚稻、中稻、蝦稻，相比再生稻模式，早稻、晚稻、中稻和蝦稻N2O累積排放顯著降低，分別為58.8%，80.4%，88.2% 和92.2%(P<0.05)；相比早稻模式，晚稻、中稻和蝦稻N2O累積排放顯著偏低52.4%，71.4%和81.0%；晚稻、中稻和蝦稻模式間無顯著差異；雙季稻N2O總排放量為3.1 kg·hm-2，高于中稻和蝦稻。

圖4 不同稻作模式CH4和N2O累積排放量(不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05))

2.4 綜合溫室效應和溫室氣體排放強度

各稻作模式下水稻生長季總增溫潛勢從大到小依次為蝦稻、再生稻、早稻、晚稻、中稻，相比蝦稻模式，早稻、晚稻、中稻和再生稻增溫潛勢顯著降低，分別為62.9%，73.3%，77.6%，35.2%(P<0.05)(表2)。增溫潛勢主要貢獻來源于CH4排放，各稻作類型排放占比分別為87.4%，91.9%，94.2%，99.0%和82.9%，N2O與CH4排放占比呈相反趨勢。再生稻模式包含頭季和再生季兩茬，單產明顯高于其他模式，其次為蝦稻和中稻，早稻和晚稻產量較低。不同稻作類型溫室氣體排放強度從大到小依次為蝦稻、早稻、再生稻、晚稻、中稻，相比蝦稻模式，早稻、晚稻、中稻、再生稻的溫室氣體排放強度顯著降低43.6%，62.1%，75.7%和59.3%，其他稻作模式間溫室氣體排放強度差異不顯著。

表2 不同稻作模式下綜合溫室效應、增溫潛勢和溫室氣體排放強度

3 稻田CH4和N2O產生原因及不同模式差異

3.1 稻田CH4產生原因及不同模式差異

研究表明：水稻生長前期稻田CH4高排放主要由于土壤處于持續(xù)淹水的嚴格厭氧狀態(tài)，產甲烷菌生長代謝加快，施用基肥加速土壤中根茬和植物殘體的分解，提供大量產甲烷基質[32]。在稻田曬田和水稻成熟后期，水層落干使稻田土壤通氣變好，產甲烷菌生長受到抑制且甲烷氧化菌活性得到提高，促進CH4氧化，最終使CH4排放驟降甚至出現負排放[33]。本試驗結果表明：5種不同稻作模式下CH4排放高峰均發(fā)生在淹水階段，干濕交替階段出現較小CH4排放峰，曬田期稻田CH4排放通量迅速下降，成熟期稻田CH4為零排放或負排放，與已有研究結論一致。

徐祥玉等[22]研究表明：蝦稻模式下深度淹水使土壤氧化還原電位降低，但小龍蝦的覓食活動增加稻田水土界面含氧量，降低CH4排放。本試驗結果為蝦稻模式CH4排放明顯高于其他模式，結果不一致的原因可能是本試驗中稻蝦模式采用秸稈還田，在土壤持續(xù)淹水條件下，大量外源碳的投入對CH4排放存在強烈的激發(fā)作用。由此可知，優(yōu)化稻蝦模式水肥管理、飼料投喂、秸稈還田等方面對CH4減排至關重要。再生稻生長期較蝦稻長，但CH4排放較蝦稻少，主要原因可能是再生稻頭季收獲后稻樁上再生腋芽長勢較頭季、再生季營養(yǎng)生長速率低，且頭季成熟水層落干后采用干濕交替水分管理，提高了土壤氧化還原電位，促進甲烷氧化菌生長，抑制CH4產生[34]。另外，本研究還表明不同稻作模式CH4排放峰值與累積排放量排序存在變化，如再生稻CH4排放峰值明顯低于早稻、晚稻以及中稻，整個生長季保持較低排放，其累積排放卻高于早稻、晚稻和中稻，這主要是因為再生稻包含頭季稻及其收割后稻樁再次萌芽成穗的再生稻，生育周期遠大于早稻、晚稻和中稻。早稻和晚稻均在移栽后達到CH4排放峰值，晚稻移栽后生長季氣溫明顯高于早稻，因此其CH4排放峰值稍高于早稻，但早稻生長季雨水充沛，淹水時間明顯長于晚稻，促進CH4的產生，整體上增加了早稻CH4累積排放。中稻在分蘗期淹水階段出現較高CH4排放峰值，由于稻田水層落干過早，后期自然落干狀態(tài)至成熟收獲期維持時間較長，導致CH4排放驟降。從雙季稻整體看，包含早稻和晚稻兩茬的CH4總累積排放量明顯高于中稻，相比雙季稻，中稻一般為麥稻、稻油等水旱輪作模式，可以增加土壤通透性，從而破壞甲烷菌所需的厭氧環(huán)境，導致CH4累積排放降低[35]。

3.2 稻田N2O產生原因及不同模式差異

稻田CH4由產甲烷菌在厭氧條件下對有機質的分解產生，而N2O為好氧條件下進行硝化作用產生，因此，稻田CH4和N2O排放呈現“此消彼長”的關系[36]，本試驗稻田CH4和N2O排放結果也符合該規(guī)律。此外，N2O排放與稻田水肥管理密切相關，研究表明N2O排放主要集中于施肥和干濕交替階段，N2O排放隨施氮量增加而增加[37]。主要原因是田間施肥為硝化與反硝化作用提供了重要的氮素底物，不同稻作類型施肥后，均會出現N2O排放高峰。而在中期烤田和成熟前稻田落干階段，土壤微生物活性和有效氧增加，有利于土壤硝化反應和反硝化反應同時進行，極大促進了N2O的產生[38]。

由于不同稻作模式田間管理措施不同，N2O排放存在明顯差異。如Li等[39]研究表明：土壤氮肥轉化以及不同品種稻作類型對氮形態(tài)吸收能力也會影響N2O的排放，使早稻N2O排放明顯高于中稻和晚稻等常規(guī)稻作類型。本研究表明再生稻N2O排放峰值和累積排放量均為最高，其主要原因可能是再生稻頭季頭分蘗肥的施用為硝化和反硝化作用提供了充足的底物，再生季施促芽肥使水稻腋芽再生旺盛，土壤微生物活性增強，加上頻繁的干濕交替水分管理模式導致N2O排放明顯高于其他稻作類型[40]。不同稻作模式N2O排放峰值與累積排放量的排序并未呈現完全一致性，中稻和蝦稻均在施肥后出現N2O排放峰值，此時正值水稻快速生長分蘗期，秸稈還田和飼料投入的有機氮可能使蝦稻N2O排放峰值短時間內高于中稻，但整體上蝦稻長期處于淹水狀態(tài)，極厭氧狀態(tài)不利于N2O排放，導致N2O累積排放低于中稻。

4 結論和討論

本研究基于2021年4—10月水稻生育期觀測數據，重點研究江漢平原冬閑-早稻、晚稻-冬閑落干、中稻-油菜輪作、蝦稻-冬閑淹水以及再生稻頭茬-再生茬-冬閑落干5種典型稻作模式水稻生長季CH4和N2O排放特征，反映不同稻作模式對稻田CH4和N2O排放的短期影響，得到以下結論：

1)不同稻作模式下稻田CH4和N2O排放特征既有顯著規(guī)律又存在一定差異。CH4排放主要集中在水稻前期淹水階段，排放峰值最高為蝦稻(85.7 mg·m-2·h-1)，較其他模式高71.7%～191.5%；N2O排放峰值主要出現于中期曬田和施肥階段，排放峰值最高為再生稻(1100.7 μg·m-2·h-1)，較其他模式高16.8%～654.9%。

2)不同稻作模式對水稻生長季CH4和N2O累積排放影響較大，CH4累積排放從大到小依次為蝦稻、再生稻、早稻、晚稻、中稻，其中早稻、晚稻、中稻和再生稻較蝦稻CH4累積排放顯著降低，分別為67.3%，75.3%，78.7%和45.7%(P<0.05)；N2O累積排放從大到小依次為再生稻、早稻、晚稻、中稻、蝦稻，其中早稻、晚稻、中稻和蝦稻較再生稻N2O累積排放顯著降低，分別為58.8%，80.4%，88.2%和92.2%(P<0.05)。

3)CH4是稻田綜合溫室效應的主要貢獻者，降低CH4排放是實現稻田溫室氣體減排的關鍵。早稻、晚稻、中稻和再生稻綜合溫室效應和溫室氣體強度較蝦稻顯著降低，分別為62.9%，73.3%，77.6%，35.2%和43.6%，62.1%，75.7%，59.3%(P<0.05)。稻蝦田高排放主要原因是持續(xù)淹水時間長、秸稈還田和飼料投入；中稻由于水旱輪作，稻田溫室氣體排放最低，可作為低碳減排的主要稻作類型。

中稻作為目前江漢平原乃至長江中下游主要稻作類型，因其水旱輪作的特性具有較低的溫室氣體排放，從低碳角度而言是值得推廣的輪作模式；雙季稻連續(xù)種植兩季，稻米總產高，對保證糧食安全具有重要意義，但溫室氣體排放較高；再生稻是在種植一季中稻的基礎上發(fā)展再生稻，具有節(jié)水、節(jié)肥、稻谷產量高和經濟效益高的特點，是一項相對低碳高產的稻作模式，適用于熱量條件不足以種植兩季作物的地區(qū)；蝦稻模式雖然既保證糧食生產又滿足水產養(yǎng)殖需求，但其生產模式易造成大量溫室氣體排放。未來可重點優(yōu)化稻蝦種養(yǎng)系統(tǒng)的水肥管理，合理開展秸稈還田和餌料精確投入，在保證作物產量的同時減少水分、養(yǎng)分的消耗，調控碳氮收支平衡，實現稻蝦種養(yǎng)綠色生產。為更好發(fā)揮稻田生產與生態(tài)功能，合理選擇稻作模式以適應水稻綠色低碳生產發(fā)展新要求，兼顧糧食安全和減排增效的雙贏。

本研究關注稻田CH4和N2O排放的短期影響，下一步將開展不同稻作區(qū)長期定位試驗，獲取多年、多區(qū)域的觀測數據進一步分析其長期效應。此外，不同稻作模式下前茬作物輪作機制或不同冬閑管理方式可引起稻田土壤水分、養(yǎng)分及理化性質變化，從而對下茬水稻生育期CH4和N2O排放產生影響，在未來的研究還需擴寬時間尺度，觀測全年溫室氣體排放，這對全面和準確評估不同稻作模式周年溫室氣體排放特征至關重要。