壟作直播控制灌溉對(duì)水稻產(chǎn)量和溫室氣體排放的影響

謝軍，尹學(xué)偉,，魏靈，王子芳，李清虎，張曉春，魯遠(yuǎn)源，王秋月，高明?

1西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院特色作物研究所，重慶 402160

0 引言

【研究意義】CH4、N2O和CO2等溫室氣體的人為過度排放是全球變暖的主要原因[1-2]。中國稻田CH4排放量占人為排放總量的20%，N2O排放量占農(nóng)業(yè)排放總量的8%—11%，因此稻田是溫室氣體的重要排放源[2-3]。中國23%的耕地種植水稻，其面積約占世界水稻種植總面積的20%[4-5]。深入研究豐產(chǎn)減排的稻作模式，對(duì)糧食安全和緩解全球變暖具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】水旱輪作是中國主要種植制度，其種植面積約470萬hm2，占中國水稻種植總面積的60%[6-8]。壟作作為水旱輪作制度中的一種重要耕作方式，它是在平作稻田（傳統(tǒng)栽培）基礎(chǔ)上人工或機(jī)械起壟[9-11]。與傳統(tǒng)平作相比，壟作既能改善土壤肥力，提高作物產(chǎn)量[10,12-13]，又能顯著降低全球增溫潛勢(shì)（GWP）[11,13]。有研究表明壟作可減少作物生長季 CH4累積排放量33%—77%，增加 N2O排放量約 3.3%—200%，最終GWP減少5%—75%[13-15]。水稻季的水分管理是稻田溫室氣體排放的重要影響因素，控制灌溉條件下稻田的土壤性質(zhì)和微生物活性與淹水稻田不同，從而會(huì)影響CH4和N2O等溫室氣體的產(chǎn)生和排放[16-18]。前人研究表明控制灌溉條件下稻田的氧化還原物質(zhì)含量會(huì)隨著灌水量的減少而降低，含氧量和氧化還原電位則會(huì)隨著灌水量的減少升高，從而降低產(chǎn)甲烷菌的活性和數(shù)量，最終降低CH4排放[14,16]；同時(shí)控制灌溉會(huì)影響土壤中硝化和反硝化細(xì)菌的活性和數(shù)量，從而影響硝化和反硝化作用的進(jìn)行，最終影響N2O排放[17-18]。與傳統(tǒng)淹水相比，控制灌溉可減少水旱輪作系統(tǒng)作物生長季 CH4排放量 71.30%—81.73%，同時(shí)卻顯著增加N2O排放量5.75%—138.71%，最終GWP減少27.30%—63.90%[19-22]?？刂乒喔瓤赡軙?huì)影響水稻生長發(fā)育，最終增加了水稻產(chǎn)量降低的風(fēng)險(xiǎn)[23-24]。CARRIJO等[23]和FENG等[25]研究表明，與傳統(tǒng)淹水相比，控制灌溉會(huì)導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降5.4%—33.04%；而其他研究卻表明控制灌溉對(duì)水稻產(chǎn)量無顯著影響[26-28]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】我國壟作方式下的稻田面積達(dá)1 000萬hm2，主要分布于西南地區(qū)，已成為該地區(qū)重要的水稻種植模式[29]。隨著農(nóng)村勞動(dòng)力減少和農(nóng)業(yè)機(jī)械化的普及，人工起壟逐漸被機(jī)械起壟直播水稻所替代[30-31]。已有研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械起壟直播水稻可減少生產(chǎn)成本并縮短水稻生育期[31-33]，但其對(duì)稻田溫室氣體排放的影響卻知之甚少，特別是控制灌溉對(duì)機(jī)械起壟直播模式下的溫室減排效應(yīng)和水稻生產(chǎn)力的綜合影響還不清楚。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以西南紫色土區(qū)的水稻-蘿卜輪作系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究機(jī)械壟作直播模式下不同灌溉深度對(duì)該系統(tǒng)N2O和CH4排放、水稻產(chǎn)量及土壤性質(zhì)的影響，明確壟作直播條件下水稻季控制灌溉對(duì)水稻-蘿卜系統(tǒng)溫室氣體排放和全球增溫潛勢(shì)的影響，探討機(jī)械壟作直播模式下豐產(chǎn)減排的灌溉方式，以期為紫色土區(qū)水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)的低碳減排和水稻增產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于中國重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院渝西作物試驗(yàn)站（E105°50′00″，N29°11′00″），屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，海拔297 m，年均溫17.7℃，年均降雨量1 015 mm，年累計(jì)日照1 218.7 h，無霜期317 d，試驗(yàn)期間日平均氣溫和每日累積降雨量的動(dòng)態(tài)變化如圖 1所示。試驗(yàn)土壤為侏羅紀(jì)沙溪廟組紫色泥頁巖發(fā)育形成的紫色土，中性紫色土亞類，灰棕紫泥土屬。耕層（0—20 cm）土壤理化性質(zhì)為 pH 6.2，有機(jī)質(zhì) 35.80 g·kg-1，全氮 1.68 g·kg-1，堿解氮 152.60 mg·kg-1，速效磷 24.10 mg·kg-1，速效鉀 98.40 mg·kg-1。

圖1 試驗(yàn)期間每日平均氣溫和每日累積降雨量的變化Fig.1 Changes in daily mean air temperature and cumulative rainfall during the experimental period

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田塊采用機(jī)械起壟，起壟規(guī)格為壟面寬80 cm，壟溝寬35 cm，壟高約25 cm。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置4個(gè)處理，分別為傳統(tǒng)溝灌淹水（TFI）：水分高于壟面約 5 cm；控制溝灌 1（CFI1）：壟溝水分低于壟面約5 cm；控制溝灌2（CFI2）：水分低于壟面約 10 cm；控制溝灌 3（CFI3）：水分低于壟面約15 cm（圖2）。3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，小區(qū)長5 m，寬4.6 m，面積為23 m2，小區(qū)獨(dú)立排灌。

圖2 壟作直播水稻不同控制灌溉處理示意圖Fig.2 Schematic diagram of different control irrigation treatments for ridge-growing direct-seeding rice

種植模式為水稻-蘿卜輪作，水稻品種選用川華優(yōu)320，蘿卜品種為冬銀。于每年的5月5—15日起壟直播水稻，待水稻生長至三葉期開始灌水至壟面，保持水分高于壟面 3 cm至水稻分蘗期即水稻分蘗期之前各處理的灌水深度一致。水稻分蘗期開始進(jìn)行水分管理，每個(gè)小區(qū)的壟溝中心處插有高度標(biāo)識(shí)牌用于指示灌水的高度，高度標(biāo)識(shí)牌設(shè)置為0—30 cm，每隔一天的早上7：00—8：00進(jìn)行水分高度的檢查，當(dāng)各小區(qū)的水分高度低于預(yù)設(shè)高度的2—3 cm時(shí)，即進(jìn)行水分管理，直至水稻收獲前10—15 d，將水分排干。水稻收獲后，免耕直播旱地作物蘿卜，水稻和蘿卜播種和收獲期如表1。

表1 不同試驗(yàn)?zāi)晗薜乃尽⑻}卜的生育期Table 1 Growth period of rice and radish in different years

水稻季和蘿卜季施肥量均為尿素150 kg·hm-2，過磷酸鈣 90 kg·hm-2，氯化鉀 75 kg·hm-2，其中尿素的純氮含量約為 46.7%，過磷酸鈣的 P2O5含量為 14%—20%，氯化鉀的K2O含量為50%—60%。水稻季氮肥按照基肥60%，追肥40%的比例施入，其中追肥時(shí)期為拔節(jié)期即水稻播種后約1個(gè)月，約為每年的6月5—15日；磷、鉀肥作基肥一次性施入，施用方式均為撒施。蘿卜季氮、磷、鉀肥作基肥一次性施入。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤性質(zhì)和作物產(chǎn)量測(cè)定 于溫室氣體排放高峰期即水稻拔節(jié)孕穗期和抽穗結(jié)實(shí)期取樣兩次，分別為2021年7月23日和8月8日，用原狀取土鉆進(jìn)行采樣，取土深度為0—20 cm。每個(gè)小區(qū)按照5點(diǎn)采樣法在壟上進(jìn)行土壤樣品的采樣，隨后混合均勻裝入密閉好的自封袋中，排除自封袋中的空氣以防止土壤還原性物質(zhì)被氧化影響最終測(cè)定[34-35]。因每個(gè)處理的灌水高度不一致，水分對(duì)土壤性質(zhì)的影響有所差異，所以同一小區(qū)多點(diǎn)采樣混合均勻，不同處理小區(qū)取樣深度保持一致，以最大限度保持不同處理耕層（0—20 cm）土壤性質(zhì)不受采樣措施的影響[35]。樣品采集好后立即返回實(shí)驗(yàn)室，將一部分新鮮土樣進(jìn)行還原物質(zhì)測(cè)定，剩下一部分土樣進(jìn)行銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測(cè)定。土壤銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法；硝態(tài)氮采用雙波長紫外分光光度法；還原性物質(zhì)總量采用硫酸鋁浸提，重鉻酸鉀滴定法；活性還原性物質(zhì)采用硫酸鋁浸提，高錳酸鉀滴定法；亞鐵含量采用硫酸鋁浸提，鄰菲羅啉比色法；還原性錳含量采用硫酸鋁浸提，高碘酸鉀比色法[36]。水稻和蘿卜收獲期，各小區(qū)實(shí)收計(jì)產(chǎn)。

1.3.2 溫室氣體測(cè)定及計(jì)算 采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定溫室氣體排放通量，采樣箱材質(zhì)為不銹鋼材料，由底座和頂箱兩部分組成，底座橫截面為50 cm×50 cm，水稻移栽前將底座嵌入稻田中，底座位于壟面的中間位置。底座內(nèi)有作物，底座內(nèi)和底座外的作物種植密度幾乎一致，水稻種植密度約為3×105株/hm2，蘿卜種植密度約為6.75×105株/hm2。底壁插入土中約10 cm，底座頂端有深、寬均為3 cm的密封水槽，采樣前往槽內(nèi)注水以防底座和頂箱結(jié)合處漏氣。頂箱（50 cm×50 cm×100 cm）外覆絕熱材料以減少采樣箱內(nèi)溫度隨外界氣溫升高對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。同時(shí)，頂箱內(nèi)部安裝2個(gè)小風(fēng)扇，用于混合箱內(nèi)氣體。頂箱側(cè)面安裝電源插頭、溫度探頭和采樣管。

采樣頻率為每周1次，每次控制在上午9：00—11：00間進(jìn)行，用60 mL注射器采集第1次樣品，之后每間隔15 min采樣1次，罩箱時(shí)間為30 min，共采集3個(gè)氣體樣品。在氣體樣品采集的同時(shí)，記下5 cm深土壤溫度，并采集表層土樣。遇到下雨及施肥情況，采樣頻率增加，為每兩天一次，持續(xù)一周，其中水稻季應(yīng)控制在晴天采集氣體樣品。

溫室氣體排放通量（F）的計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)表示溫室氣體（CH4或 N2O）排放通量（mg·m-2·h-1）；ρ表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 N2O（CH4）的密度；V為采樣箱體積（m3）；A為采樣底座面積（m2）；ΔC/Δt表示氣體的排放速率，即通過每個(gè)小區(qū)每次采集的3個(gè)樣品的氣體濃度與時(shí)間進(jìn)行一次線性回歸，回歸方程的系數(shù)就是ΔC/Δt；T為采樣箱內(nèi)溫度（℃）。

溫室氣體累積排放量（C）的計(jì)算公式為：

式中，C為N2O、CH4的累積排放量；F為溫室氣體排放通量；i為第i次監(jiān)測(cè)；ti+1-ti為兩次連續(xù)監(jiān)測(cè)間隔的時(shí)間（d）；n為監(jiān)測(cè)的總次數(shù)。

土壤的全球增溫潛勢(shì)（global warming potential，GWP）表示不同溫室氣體排放的綜合指標(biāo)，一般以CO2為標(biāo)準(zhǔn)，用CO2當(dāng)量表示（kg CO2eq·hm-2）。計(jì)算公式為：

式中，GWP為作物生長季溫室氣體排放的全球增溫潛勢(shì)（kg·hm-2），R(CH4)和R(N2O)分別為作物生長季CH4和N2O的排放總量（kg·hm-2）。

按照公式計(jì)算溫室氣體綜合排放強(qiáng)度（greenhouse gas intensity，GHGI）

式中，GHGI為排放強(qiáng)度（kg·kg-1），Y為作物產(chǎn)量（kg·hm-2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

溫室氣體相關(guān)數(shù)據(jù)的整理和計(jì)算使用Excel 2010，用SPSS 26.0軟件的One-way ANOVA檢驗(yàn)不同處理之間各指標(biāo)的差異顯著性，采用重復(fù)測(cè)量方差分析比較不同作物季、試驗(yàn)處理及其交互作用對(duì)溫室氣體累積排放量的影響，并采用 Last significance difference法進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn)（P＜0.05）。所有測(cè)定結(jié)果數(shù)據(jù)均以3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來表達(dá)。作圖采用Origin 2019。

2 結(jié)果

2.1 壟溝水分管理下稻田土溫（5 cm土層）的變化特征

2019—2021年壟溝水分管理下稻田5 cm深度土溫隨時(shí)間變化幅度較大，但各個(gè)處理的變化趨勢(shì)基本一致（圖3）。3個(gè)水稻季土溫變化范圍在19.83—31.50℃，兩個(gè)蘿卜季的變化范圍在2.87—26.20℃。4個(gè)處理5 cm深度的土溫?zé)o顯著差異。

圖3 壟溝水分管理下稻田土溫（5 cm土層）的變化特征Fig.3 Variation characteristics of soil temperature (5 cm soil layer)in paddy field under furrow water management

2.2 壟溝水分管理對(duì)稻田溫室氣體排放通量和累積排放量的影響

2019—2021年3個(gè)水稻季CH4排放通量變化幅度很大，而在兩個(gè)蘿卜季CH4排放通量變化幅度相對(duì)較小，且各個(gè)處理的變化趨勢(shì)基本一致（圖4-a）。在水稻分蘗期CH4排放通量較穩(wěn)定，抽穗期CH4排放通量逐漸升高，到了成熟期時(shí)排放通量逐漸下降。2019—2021年3個(gè)水稻季CH4均只有一個(gè)排放高峰，排放高峰分別為 25.71、52.19 和 25.10 mg·m-2·h-1。在 2019—2021年的兩個(gè)蘿卜季CH4排放均處于相對(duì)較低水平，其排放通量在0.05—1.18 mg·m-2·h-1。其中水分管理前，2019—2021年 TFI、CFI1、CFI2、CFI3處理的 CH4排放峰值范圍分別為1.36—2.35、1.16—2.66、0.97—2.70、1.06—2.59 mg·m-2·h-1，處理間差異不大；而水分管理之后，2019—2021年TFI、CFI1、CFI2、CFI3處理的CH4排放峰值范圍分別為25.10—52.19、17.23—35.99、9.06—12.29、7.38—11.86 mg·m-2·h-1，處理間差異較大。因此各處理之間CH4排放的差異主要來源于水分管理之后。

圖4 壟溝水分管理對(duì)稻田溫室氣體排放通量的影響Fig.4 The impact of water management in furrows on greenhouse gas emission fluxes from rice fields

2019—2021年3個(gè)水稻季N2O排放通量變化幅度很大，而在兩個(gè)蘿卜季N2O排放通量變化幅度則相對(duì)較小，且各個(gè)處理的變化趨勢(shì)基本一致（圖 4-b）。在3個(gè)水稻季的分蘗期時(shí)N2O排放通量比較穩(wěn)定，隨后在水稻拔節(jié)和抽穗期N2O排放通量先逐漸升高而后下降，隨后又再次升高，到了水稻成熟期，N2O排放通量逐漸下降。在2019—2021年3個(gè)水稻季的N2O均有兩個(gè)排放高峰，2019年時(shí)排放高峰分別為371.00和 465.03 μg·m-2·h-1，2020 年時(shí)排放高峰分別為 377.76和 617.02 μg·m-2·h-1，2021 年時(shí)排放高峰分別為 371.00和 374.95 μg·m-2·h-1。2019—2021 年兩個(gè)蘿卜季 N2O排放均處于相對(duì)較低水平，在兩個(gè)蘿卜季的生育初期和生育盛期均有排放高峰，2019—2020年為 108.78和 78.00 μg·m-2·h-1，2020—2021 年為 88.56 和 69.66 μg·m-2·h-1。其中水分管理前，2019—2021 年 TFI、CFI1、CFI2、CFI3處理的N2O排放峰值范圍分別為21.01—23.42、17.06—26.44、19.12—21.32、17.56—23.21 μg·m-2·h-1，處理間差異不大；而水分管理之后，2019—2021年TFI、CFI1、CFI2、CFI3處理的N2O排放峰值范圍分別為 222.52—324.46、124.33—465.03、314.99—617.02、137.93—153.92 μg·m-2·h-1，處理間差異較大。因此各處理間N2O排放量的差異主要在水分管理之后。

壟溝水分管理下不同處理CH4和N2O水稻季累積排放量均具有顯著差異（表2）。與TFI處理相比，2019年水稻季控制灌溉處理能顯著降低 CH4排放量39.27%—55.71%，2020年能顯著降低 27.36%—78.47%，2021年則降低22.81%—46.16%，其中CFI3處理效果均為最顯著。與TFI處理相比，CFI1處理3個(gè)年份水稻季的 N2O排放量均無顯著差異，CFI2在2019、2020、2021年分別顯著增加N2O排放量43.17%、59.90%和20.45%，CFI3在2019、2020、2021年分別能顯著降低N2O排放量41.41%、12.08%和68.64%。與TFI處理相比，2019—2021年3個(gè)控制灌溉處理能顯著減少GWP約20.24%—74.87%，其中3個(gè)年份的CFI3處理均為最顯著。綜上所述，CFI2處理顯著增加水稻季N2O累積排放量，CFI3處理顯著降低N2O累積排放量；控制灌溉所有處理均能顯著降低水稻季CH4累積排放量，CFI3處理最顯著。最終，控制灌溉能顯著減少全球增溫潛勢(shì)。

表2 壟溝水分管理對(duì)水稻季溫室氣體累積排放量和全球增溫潛勢(shì)的影響Table 2 Effects of furrow water management on cumulative greenhouse gas emissions and GWP in rice season

壟溝水分管理下不同處理CH4和N2O蘿卜季累積排放量均具有顯著差異（圖5、圖6）。與TFI相比，2019—2020年蘿卜季控制灌溉能顯著降低 CH4排放量 34.87%—44.63%，2020—2021年蘿卜季則顯著降低43.25%—53.31%，其中CFI2和CFI3處理效果最顯著。與TFI處理相比，2019—2020年蘿卜季CFI2和CFI3處理分別能顯著增加 N2O排放量 72.64%和40.57%，CFI1無顯著差異；2020—2021年蘿卜季CFI1、CFI2和 CFI3處理分別顯著增加 N2O排放量35.00%、66.67%和120.00%。綜上所述，控制灌溉處理能夠增加蘿卜季的N2O累積排放量，降低CH4累積排放量。雙因素方差分析結(jié)果表明，控制灌溉、試驗(yàn)?zāi)攴菁翱刂乒喔取猎囼?yàn)?zāi)攴莸慕换プ饔镁鶎?duì) N2O累積排放量具有極顯著影響（P＜0.01），控制灌溉和控制灌溉×試驗(yàn)?zāi)攴莸慕换プ饔镁鶎?duì)CH4累積排放量具有極顯著影響（P＜0.01），年份對(duì)CH4累積排放量無顯著影響（表3）。

表3 2019—2021年N2O和CH4累積排放量的雙因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA of cumulative emissions of N2O and CH4 from 2019 to 2021

圖5 壟溝水分管理對(duì)蘿卜季CH4累積排放量的影響Fig.5 The impact of water management in furrow on CH4 cumulative emission in radish season

圖6 壟溝水分管理對(duì)蘿卜季N2O累積排放量的影響Fig.6 The impact of water management in furrow on N2O cumulative emission in radish season

2.3 壟溝水分管理對(duì)水稻產(chǎn)量和水稻季GHGI的影響

壟溝水分管理下3個(gè)水稻季的產(chǎn)量和GHGI均具有顯著差異（圖 7、圖 8）。與 TFI處理相比，2019—2021年3個(gè)水稻季中CFI1和CFI2處理能顯著增加水稻產(chǎn)量12.34%—33.97%；而CFI3處理無顯著增加。因此，不同年份處理之間水稻產(chǎn)量的變化基本一致，且CFI1和CFI2處理增產(chǎn)效果最好。與TFI處理相比，2019年 3個(gè)控制灌溉處理均能顯著減少 GHGI約50%，3個(gè)控制灌溉處理之間無顯著差異；2020年控制灌溉處理能顯著減少GHGI 44.50%—75.92%，其中CFI2和CFI3處理效果最顯著；2021年控制灌溉處理能顯著減少GHGI約29.37%—47.62%，3個(gè)控制灌溉處理之間無顯著差異。因此，不同年份處理之間溫室氣體排放強(qiáng)度的差異基本一致，控制灌溉的3個(gè)處理均能顯著降低水稻季溫室氣體排放強(qiáng)度。

圖7 壟溝水分管理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響Fig.7 The impact of water management in furrows on rice yield

圖8 壟溝水分管理對(duì)水稻季溫室氣體排放強(qiáng)度的影響Fig.8 The impact of water management in furrow on GHGI in rice season

2.4 壟溝水分管理對(duì)土壤還原性物質(zhì)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的影響

壟溝水分管理下不同灌溉處理的土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量具有顯著差異（表4）。與TFI處理相比，CFI2和CFI3處理顯著增加硝態(tài)氮含量5.81%—8.55%，CFI1處理無顯著差異；3個(gè)控制灌溉處理的銨態(tài)氮含量則顯著降低7.51%—9.87%，而控制灌溉處理間無顯著差異。

表4 壟溝水分管理對(duì)2021年水稻季0—20 cm土層土壤性質(zhì)的影響Table 4 The impact of water management in furrows on soil properties in 2021 rice season

壟溝水分管理下不同灌溉處理的土壤還原性總量、活性還原物質(zhì)和還原性鐵具有顯著差異（表4）。與TFI處理相比，CFI1和CFI3處理分別顯著降低還原物質(zhì)總量15.00%和30.84%，CFI2和CFI3處理分別顯著降低活性還原物質(zhì)53.45%和71.65%，CFI3處理顯著降低還原性鐵60.47%。而4個(gè)處理的還原性錳含量無顯著差異。

3 討論

3.1 壟溝水分管理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

稻田壟作直播條件下，水分管理對(duì)水稻產(chǎn)量影響較大。與傳統(tǒng)溝灌相比，CFI1和CFI2處理顯著增加了水稻產(chǎn)量 12.34%—33.97%，這與 YANG 等[21]和HOU等[22]研究結(jié)果不一致即控制灌溉與傳統(tǒng)淹水處理之間水稻產(chǎn)量無顯著差異。這可能是因?yàn)閅ANG等[21]和HOU等[22]研究中的耕作方式為傳統(tǒng)平作，而本研究則為機(jī)械壟作。耕作方式不同，水分管理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響也會(huì)不同。本研究中CFI1和CFI2處理能顯著提高水稻產(chǎn)量可能是因?yàn)榕c傳統(tǒng)溝灌淹水相比，控制溝灌不僅能夠增加土壤通氣性，增強(qiáng)水稻根系活力，提高根系吸收水分和養(yǎng)分的能力，為水稻地上部生長提供更多的養(yǎng)分，促進(jìn)水稻地上部生長[16,34]，還能夠顯著增加水稻生長期的分蘗數(shù)、有效穗數(shù)量和千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因子[7,15]，最終增加水稻產(chǎn)量。而傳統(tǒng)平作方式下，與完全淹水處理相比，控制灌溉對(duì)水稻的千粒重、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、成熟粒數(shù)百分比等產(chǎn)量構(gòu)成因素?zé)o顯著影響[4,37]，最終導(dǎo)致水稻產(chǎn)量無顯著變化。CFI3處理對(duì)水稻產(chǎn)量無顯著影響，這可能是因?yàn)檫M(jìn)行水分管理后 CFI3處理的灌溉深度只有壟高的2/5（圖2），與TFI處理相比，CFI3雖然能夠增加土壤通氣性，但是此時(shí)的土壤水分含量相對(duì)較低，難以滿足水稻生長發(fā)育所需，這可能會(huì)導(dǎo)致水稻小穗敗育、有效穗數(shù)減少、千粒重下降等[7,16]，最終CFI3產(chǎn)量無顯著變化。因此，與傳統(tǒng)平作方式下的控制灌溉相比，壟作方式下的控制灌溉能夠在一定程度上提高水稻產(chǎn)量，且控制灌溉深度為傳統(tǒng)淹水溝灌的1/2或者2/3時(shí)效果最佳。

3.2 壟溝水分管理對(duì)溫室氣體排放的影響

水稻季的水分管理對(duì)稻田N2O排放的影響顯著，N2O主要通過土壤中硝化和反硝化過程產(chǎn)生，這些過程受土壤水分狀況的影響很大[16]。在好氧條件下，N2O的形成主要來源于硝化作用；而厭氧條件下，N2O的形成則主要來源于反硝化作用[15,38-39]。本研究中CFI2處理顯著增加N2O累積排放量45.49%，這與前人的研究結(jié)果相似，即控制溝灌顯著增加了N2O累積排放量 5.75%—138.71%[19,21]。與傳統(tǒng)溝灌相比，CFI2處理能夠增加土壤的含氧量并提高土壤氧化條件，增加硝化細(xì)菌的數(shù)量和活性，增強(qiáng)了硝化作用，最終會(huì)增加N2O的排放量[17,22]。雖然氧化條件同時(shí)會(huì)對(duì)反硝化過程產(chǎn)生抑制，但土壤通氣性的增加能夠縮短N(yùn)2O擴(kuò)散到空氣的時(shí)間，抑制了N2O還原成N2的過程[17,26]。硝化過程是硝化細(xì)菌在好氧條件下將銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的過程，其中硝化細(xì)菌包括亞硝酸菌和硝酸菌，是一類好氧性細(xì)菌[22,25-26]。而 CFI3處理降低了 N2O累積排放量，可能是因?yàn)镃FI3處理中的灌溉深度只有壟高的2/5（圖2），此時(shí)土壤水分含量相對(duì)較低，這會(huì)限制硝化過程反應(yīng)底物的擴(kuò)散，減少底物對(duì)亞硝酸菌和硝酸菌的供應(yīng)，導(dǎo)致這些細(xì)菌的數(shù)量和活性降低，最終N2O累積排放量減少[40]。王蕾等[40]也研究表明低水分條件下的硝化過程中幾乎不產(chǎn)生N2O，而在高水分含量條件下會(huì)同時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈的硝化和反硝化反應(yīng)從而產(chǎn)生大量N2O。與TFI處理相比，控制灌溉處理顯著增加NO3-含量，卻降低了NH4+含量（表4），這與FENG等[25]研究結(jié)果一致。這是因?yàn)樵赥FI處理中，由于淹水導(dǎo)致土壤中含氧量較低，缺氧條件會(huì)在一定程度上限制硝化亞硝酸菌和硝酸菌的數(shù)量和活性，從而限制 NH4+的硝化過程[17,25]。而在控制灌溉條件下，土壤氧氣含量相對(duì)較高，亞硝酸菌和硝酸菌的數(shù)量和活性也會(huì)升高，NH4+的硝化過程幾乎不會(huì)受到抑制[17,25]。

稻田CH4排放的季節(jié)變化取決于水稻季的水分管理，控制溝灌能顯著降低稻田CH4累積排放量22.81%—78.47%，這與 YANG等[21]和向偉等[41]結(jié)果類似，即控制灌溉顯著降低稻田 CH4累積排放量 71.30%—81.73%。土壤中CH4是厭氧條件下有機(jī)物分解的產(chǎn)物，主要與土壤水分狀況和土壤氧化還原狀態(tài)有關(guān)[28,42]。在傳統(tǒng)溝灌的淹水條件下，土壤厭氧條件不僅給產(chǎn)甲烷古菌提供了合適的生存環(huán)境，同時(shí)也增加了土壤還原性物質(zhì)含量（表 4），使土壤呈強(qiáng)還原狀態(tài)，因此產(chǎn)甲烷古菌的數(shù)量增加及活性增強(qiáng)，有利于其分解有機(jī)物產(chǎn)生 CH4，最終增加CH4的累積排放量[4,5,7]?？刂乒喔葴p少了土壤水分含量，增加了土壤含氧量，不僅會(huì)降低土壤還原性物質(zhì)總量、活性還原物質(zhì)、還原性鐵等還原性物質(zhì)的含量（表 4），使土壤呈弱氧化狀態(tài)，還會(huì)抑制產(chǎn)甲烷古菌的數(shù)量和活性[4,15,17]，此外控制灌溉還會(huì)活化CH4的氧化過程，降低土壤中溶解性有機(jī)碳的含量，而溶解性有機(jī)碳是 CH4產(chǎn)生的基質(zhì)[28]，因此這一系列的變化會(huì)抑制產(chǎn)甲烷古菌分解有機(jī)物的過程，最終減少 CH4排放量[20-21]。隨著水稻收獲前水分排出稻田，蘿卜季 CH4排放量迅速下降。整體上，蘿卜季CH4的累積排放量為TFI處理相對(duì)最高，控制灌溉處理顯著降低 CH4排放量34.87%—53.31%，其中 CFI3處理降幅最顯著。這與XU等[28]的研究結(jié)果一致，即水稻季的水分管理會(huì)顯著影響下一個(gè)作物生長季的CH4排放。這是因?yàn)樗炯镜目刂乒喔葧?huì)顯著改變產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生存環(huán)境和活性[20-21,28]，導(dǎo)致控制灌溉各處理的產(chǎn)甲烷細(xì)菌的數(shù)量和活性相對(duì)會(huì)低于TFI處理，因此控制灌溉各處理蘿卜季CH4累積排放量會(huì)降低。

3.3 壟溝水分管理對(duì)GWP和GHGI的影響

考慮到控制灌溉下稻田溫室氣體N2O和CH4排放波動(dòng)較大的關(guān)系，因此可通過計(jì)算 GWP評(píng)估兩種溫室氣體排放對(duì)氣候的潛在影響。相對(duì)于TFI處理，2019—2021年3個(gè)控制灌溉處理顯著降低水稻季GWP，降幅最大達(dá)74.87%（表2）。這與FENG等[25]和ISLAM等[43]研究結(jié)果略有差異，即傳統(tǒng)平作方式下的控制灌溉最多能減少水稻季約40%的GWP。這主要是因?yàn)閴抛鞣绞较碌目刂乒喔饶軌虼蠓葴p少 CH4累積排放量，減幅最高達(dá) 78.47%。而傳統(tǒng)平作方式下控制灌溉最高只能減少約 60%的 CH4累積排放量[25,44]。因此壟作方式下控制灌溉的減排效應(yīng)相對(duì)好于傳統(tǒng)平作方式。

GHGI可用于評(píng)價(jià)全球變暖潛能和作物產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)效益[42]。控制灌溉可顯著降低水稻季 GHGI 29.37%—75.92%（圖8），雖然這與FENG等[25]、LIANG等[27]和XU等[28]的研究（結(jié)果傳統(tǒng)平作方式下的控制灌溉能降低GHGI 30.03%—76.73%）相似，但是前人研究中控制灌溉處理下 GHGI的變化主要來源于水稻季GWP的降低，水稻產(chǎn)量無顯著變化甚至出現(xiàn)了降低的情況[25,27-28]。然而本文中GHGI的降低不僅來源于水稻季GWP的降低，還來源于CFI1和CFI2處理水稻產(chǎn)量的增加（圖7）。因此壟作方式下，CFI1和CFI2處理是既能增加水稻產(chǎn)量又能降低溫室效應(yīng)的最佳灌水方式。

4 結(jié)論

4.1 與傳統(tǒng)淹水溝灌相比，CFI2處理顯著增加N2O累積排放量，CFI3處理則相反；控制溝灌的3個(gè)處理均能顯著降低CH4累積排放量，其中CFI3處理的效果最顯著。3個(gè)控制灌溉處理能顯著減少水稻季的GWP和GHGI，其中CFI1和CFI2處理還顯著增加水稻產(chǎn)量。

4.2 壟溝直播模式下水分管理通過土壤性質(zhì)影響溫室氣體排放。與傳統(tǒng)淹水溝灌相比，控制灌溉處理不僅能顯著降低銨態(tài)氮含量，增加硝態(tài)氮含量，改變土壤不同形態(tài)氮的含量從而影響N2O排放，同時(shí)還能夠在一定程度上降低還原物質(zhì)總量、活性還原物質(zhì)和還原性鐵等還原性物質(zhì)，改變土壤氧化還原狀況，最終影響CH4的排放。

4.3 兼顧綜合溫室氣體減排效應(yīng)和作物增產(chǎn)兩方面，CFI1和CFI2處理效果均為最好。因此在稻田壟作直播條件下，控制灌溉深度為傳統(tǒng)溝灌淹水深度的 2/3或者1/2是降低溫室效應(yīng)并增加水稻產(chǎn)量的最佳水分管理方式。