農(nóng)田管理對夜間增溫稻-麥農(nóng)田CH4和N2O排放強(qiáng)度的影響

陳佳義，李君，婁運生1，*，張震，馬莉，李睿

（1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044；3.江蘇省淮安市淮陰區(qū)氣象局，江蘇 淮安 223300）

IPCC 第六次評估報告指出，未來20 年全球平均溫度增幅預(yù)計將達(dá)到或超過1.5 ℃[1]。氣候變暖表現(xiàn)為晝夜不對稱增溫，即夜間溫度增幅大于白天[2]。大氣中甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）等溫室氣體濃度升高是氣候變暖的主要原因。工業(yè)革命以來，全球CH4和N2O 的排放量分別增加了67%和20%，其中農(nóng)業(yè)CH4和N2O 的排放量分別占排放總量的67% 和60%[3-5]。我國農(nóng)業(yè)排放的CH4和N2O 各占總排放量的57%和90%[6-7]。夜間增溫使長江中下游地區(qū)水稻、冬小麥生育期縮短[8-10]，水稻穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量下降[11]，冬小麥千粒質(zhì)量和穗實粒數(shù)減少，導(dǎo)致產(chǎn)量降低[12-13]。也有研究認(rèn)為，夜間增溫可明顯提高東北地區(qū)水稻產(chǎn)量[14]，增加小麥穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量[15-16]。這些差異可能與試驗區(qū)氣候條件、土壤條件及供試品種等有關(guān)。

夜間增溫可通過影響土壤性質(zhì)，如土壤溫度、含水量、養(yǎng)分含量以及微生物活性，也可通過影響水稻植株生長，進(jìn)而影響CH4排放[17-20]。水稻植株生長顯著影響稻田CH4排放，60%~90%的稻田CH4通過植株通氣組織排入大氣[21-22]。研究認(rèn)為，溫度升高可增強(qiáng)土壤硝化反硝化相關(guān)微生物及酶活性，促進(jìn)農(nóng)田N2O產(chǎn)生與排放[23-25]。但也有研究認(rèn)為，溫度升高可通過促進(jìn)植株生長和根系吸收土壤氮素，減少農(nóng)田N2O 排放[26-27]。淹水灌溉的稻田土壤處于厭氧環(huán)境，氧化還原電位下降，產(chǎn)甲烷菌活性較高，有利于CH4排放，但N2O 排放量較低[28-29]，而間歇灌溉或濕潤灌溉等節(jié)水灌溉，均可顯著降低稻田CH4排放，但增加N2O 排放[30-32]。冬小麥生長季受降水、灌溉和施肥等影響，麥田表現(xiàn)為N2O排放和CH4弱排放或吸收[33-36]。

稻-麥輪作是長江中下游典型的水旱輪作方式。氣候變化及極端天氣氣候事件對稻-麥糧食生產(chǎn)造成很大不確定性，如極端高溫干旱造成水資源短缺，嚴(yán)重威脅水稻可持續(xù)生產(chǎn)。氣候變暖使冬小麥冬前生長期延長，生長生育進(jìn)程加快，影響冬小麥生產(chǎn)[37-38]。因此，節(jié)水灌溉和適時晚播可作為稻-麥農(nóng)田糧食生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化的重要管理措施。有關(guān)夜間增溫影響水稻或冬小麥生長、生理、產(chǎn)量及節(jié)水灌溉或冬小麥延遲播種的研究已較多，但大多集中于單一因子對單一作物生長季（水稻或冬小麥）的影響，而多因子耦合作用對稻-麥輪作農(nóng)田糧食生產(chǎn)、溫室氣體排放及排放強(qiáng)度有何影響尚不清楚。因此，本研究通過田間模擬增溫試驗，探討了濕潤灌溉/晚播對增溫稻-麥輪作農(nóng)田糧食產(chǎn)量及溫室氣體排放的影響，為保障長江下游地區(qū)稻-麥輪作糧食生產(chǎn)穩(wěn)定、減緩溫室氣體排放及應(yīng)對氣候變化提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

田間模擬試驗于2017 年5 月至2018 年5 月在南京市浦口區(qū)農(nóng)業(yè)科研試驗站（32.0°N，118.8°E）進(jìn)行。該站地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量約為1 100 mm，年均氣溫15.6 ℃。供試土壤為潴育型水稻土，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，土壤全碳、全氮含量分別為19.4 g·kg-1和1.45 g·kg-1，黏粒含量261 g·kg-1，pH 為6.2（1∶1水土比）。供試水稻為南粳5055，供試冬小麥為蘇麥188。

1.1 試驗設(shè)計

水稻田間模擬試驗于2017 年5—10 月進(jìn)行。采用2 因素2 水平完全區(qū)組試驗設(shè)計，環(huán)境溫度設(shè)2 水平，即夜間增溫（NW，Nighttime warming）和常溫對照（CK，不增溫）；灌溉設(shè)2 水平，即常規(guī)灌溉（F，間歇淹水，5 cm 水層）和節(jié)水灌溉（M，濕潤，無水層）。水稻試驗處理為：①淹水+常溫對照（F+CK），②濕潤+常溫對照（M+CK），③淹水+夜間增溫（F+NW），④濕潤+夜間增溫（M+NW）。夜間增溫采用開放式被動增溫方法，夜間將鋁箔反光膜置于高度可調(diào)的鋼架上，以覆蓋水稻冠層（19：00 至次日6：00），根據(jù)作物生長進(jìn)程及時調(diào)整鋁箔膜高度，使鋁箔膜與作物冠層間距保持在0.3 m 左右。被動式增溫原理：地面和空氣夜間存在溫差，物體放出的熱能以紅外線方式向外輻射，反光膜將紅外線反射回地面，減少熱量損失，達(dá)到升溫目的。在降雨或大風(fēng)（風(fēng)速>10 m·s-1）等惡劣天氣時不覆蓋鋁箔膜，以免惡劣天氣對增溫設(shè)施造成破壞。采用自動溫度記錄儀測定記錄冠層溫度，數(shù)據(jù)記錄間隔為30 min。傳統(tǒng)淹水灌溉的稻田小區(qū)保持5~10 cm水層，采用田間自動水位儀記錄水層厚度變化。節(jié)水灌溉的稻田小區(qū)無水層，保持土壤濕潤，除曬田階段，節(jié)水灌溉總觀測時期土壤含水量為47.63%~54.74%。每處理重復(fù)3 次，隨機(jī)排列。每個小區(qū)面積4 m2。小區(qū)間通過田埂、塑料薄膜和保護(hù)行間隔，避免水肥側(cè)滲及邊際效應(yīng)干擾。

水稻種子經(jīng)10%H2O2（V/V）消毒、洗滌和浸泡后，于2017 年5 月7 日育苗，6 月7 日移栽，株行距為15 cm×20 cm。移栽前1 天，施入氮磷鉀復(fù)合肥（15-15-15）200 kg·hm-2作為基肥。此外，水稻分蘗期和孕穗期分別追施尿素20 kg·hm-2（以N計）。自水稻分蘗期開始，進(jìn)行夜間增溫處理，直至成熟收獲。2017 年8月1日至12日排水曬田。采用大田常規(guī)管理，依據(jù)實際情況進(jìn)行除草和病蟲害防治。

冬小麥田間模擬試驗于2017年11月至2018年5月進(jìn)行。采用2 因素2 水平完全區(qū)組試驗設(shè)計，環(huán)境溫度設(shè)2 水平，即夜間增溫（NW）、常溫對照（CK，不增溫）；播期設(shè)2 水平，即正常播期（NS，Normal sow?ing，11 月6 號），適時晚播（LS，Late sowing，11 月13號）。試驗處理為：①正常播期+常溫對照（NS+CK），②晚播+常溫對照（LS+CK），③正常播期+夜間增溫（NS+NW），④晚播+夜間增溫（LS+NW）。夜間增溫方式和裝置與水稻田間試驗保持一致。小區(qū)隨機(jī)排列，重復(fù)3 次。每個小區(qū)面積均為2 m×2 m，冬小麥分別于2017 年11 月6 日和11 月13 日播撒種子，撒播量為25 g·m-2。小麥播種前，施入氮磷鉀復(fù)合肥（15-15-15）200 kg·hm-2作為基肥。根據(jù)田間實際情況，進(jìn)行除草和病蟲害防治。

1.2 測定方法

1.2.1 排放通量測定

農(nóng)田CH4和N2O 排放通量采用密閉靜態(tài)箱-氣相色譜法測定。自水稻分蘗期至成熟期和冬小麥分蘗期至成熟期，根據(jù)天氣（氣溫、降水）及施肥等情況調(diào)整采樣時間，一般3~7 d采集氣樣1次，時間為上午8：00—11：00。密閉靜態(tài)箱由透明PVC 材料制成。采樣時將靜態(tài)箱底部置于事先固定于土壤的底座上，通過向底座水槽加水密封保證靜態(tài)箱氣密性。抽氣前接通采樣箱頂部內(nèi)置微型直流風(fēng)扇電源20 s，以混勻采樣箱內(nèi)氣體。用帶有三通閥的注射器于封箱后0、15、30 min 采集50 mL 氣樣，注入事先抽成真空的采樣瓶中。所采氣樣帶回實驗室，用氣相色譜儀（Agi?lent 7890B GC）檢測CH4和N2O 濃度。氣相色譜儀檢測條件為：色譜柱型號為P/N 19091J-413，柱箱溫度50 ℃，載氣為N2，F(xiàn)ID 溫度250 ℃，ECD 溫度300 ℃，高純H2（99.999%）和干燥無油壓縮空氣的流量分別為50 mL·min-1和450 mL·min-1，載 氣 為 高 純N2（99.999%）或高純He（99.999%）。

氣體排放通量計算公式[39]：

式中：F為氣體排放通量，mg·m-2·h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度，CH4和N2O 的氣體密度分別為0.714 kg·m-3和1.25 kg·m-3；H為采樣箱的凈高度，m；為單位時間內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體的濃度變化率；T為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度，℃。

各生育期CH4和N2O的累積排放通量計算公式：

式中：ET為氣體累積排放總量，mg·m-2；Fi和Fi+1分別為第i次和第i+1 次采樣時氣體平均排放通量，mg·m-2·h-1；Di和Di+1分別是第i次和第i+1 次采樣時的采樣時間，d。

1.2.2 生物量及產(chǎn)量測定

在水稻和冬小麥成熟期采樣，每小區(qū)隨機(jī)選取代表性植株3 株，植株按葉片、莖鞘、穗和根分裝，置于烘箱中105 ℃殺青30 min，然后80 ℃烘干至質(zhì)量恒定，干燥冷卻至室溫后，測定植株各部位干物質(zhì)量。作物成熟后，每小區(qū)取0.5 m×0.5 m 范圍內(nèi)作物，用常規(guī)方法進(jìn)行脫粒、風(fēng)干并對產(chǎn)量進(jìn)行測算。

1.2.3 持續(xù)變化的全球增溫/冷卻潛勢計算

全球變暖背景下，考慮到溫室氣體對全球輻射效應(yīng)的影響，實際上是大氣中持續(xù)存在的溫室氣體影響，而不是一次脈沖產(chǎn)生的溫室氣體影響，本文采用Neu?bauer 和Megonigal 提出的持續(xù)變化的全球增溫潛勢（SGWP）和持續(xù)變化的全球冷卻潛勢（SGCP）來評估CH4和N2O對氣候的影響[40]。當(dāng)氣體排放通量為正時，表現(xiàn)為持續(xù)變化的全球增溫潛勢（SGWP）；當(dāng)氣體排放通量為負(fù)時，表現(xiàn)為持續(xù)變化的全球冷卻潛勢（SGCP）。

SGWP和SGCP計算公式[41-42]：

式中：SGWPCH4和SGWPN2O分別表示CH4和N2O導(dǎo)致的全球增溫潛勢，kg CO2e·hm-2）；SGCPCH4和SGCPN2O分別表示CH4和N2O 導(dǎo)致的全球冷卻潛勢，kg CO2e·hm-2；TCH4和TN2O分別為CH4和N2O 的累積排放總量，kg·hm-2；45 和270 分別為CH4和N2O 累積排放通量為正時所乘系數(shù)；203和349分別為CH4和N2O累積排放通量為負(fù)時所乘系數(shù)；TotalSGWP/SGCP為各處理的總SGWP/SGCP，kg CO2e·hm-2。

1.2.4 排放強(qiáng)度計算

為綜合評價各處理的溫室效應(yīng)，本文采用溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）評價農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對作物產(chǎn)量和溫室氣體排放的雙重影響。

GHGI計算公式[43]：

式中：GHGI為溫室氣體排放強(qiáng)度，kg CO2e·t-1；TotalS?GWP/SGCP為各處理的總SGWP/SGCP，kg CO2e·hm-2；Yield為各處理單位面積平均產(chǎn)量，t·hm-2。

1.2.5 環(huán)境因子測定

常規(guī)氣象要素（氣溫、降水等）通過常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)自動記錄采集。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 和Origin 9 軟件進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)分析處理并繪制圖表，用SPSS 20 統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。用最小差異顯著法（LSD 法）進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境條件

2.1.1 日均氣溫和降水量

如圖1 所示，水稻生育期內(nèi)日均氣溫呈現(xiàn)為先波動上升，而后波動下降趨勢，水稻生育期平均氣溫為26.52 ℃。水稻分蘗期至拔節(jié)期（2017 年7 月11 日至31 日）持續(xù)21 d 日均氣溫高于30 ℃，其中，最高日均氣溫為35.05 ℃，出現(xiàn)于7月27日。另外，還有幾段短期持續(xù)高溫和幾天零散高溫。水稻生育期內(nèi)日均氣溫超過30 ℃的天數(shù)共有30 d。水稻生育期內(nèi)累積降水量為695.9 mm，降水集中于曬田和生長后期，其中，曬田期（2017 年8 月1 日至12 日）累積降水量為204.8 mm，占全生育期累積降水量的29.43%；水稻生長后期（2017年9月20日至10月13日）累積降水量為279.5 mm，占全生育期累積降水量的40.16%。全生育期單日最高累積降水量為105 mm，出現(xiàn)于8月8日。

圖1 稻、麥生育期內(nèi)日均氣溫和降水量變化Figure 1 The variations of average daily temperature and precipitation during rice and wheat growth periods

如圖1所示，冬小麥生育期內(nèi)日均氣溫表現(xiàn)為先波動下降，而后波動上升趨勢。冬小麥生育期平均氣溫為10.81 ℃，共有14 d 日均氣溫低于0 ℃，2018 年1月25 日至31 日持續(xù)7 d 日均氣溫低于0 ℃，其中，最低日均氣溫為-3.77 ℃，出現(xiàn)于1 月30 日。冬小麥生育期內(nèi)日最高氣溫大于30 ℃的天數(shù)持續(xù)6 d（2018 年5月13日至18日），大于35 ℃的天數(shù)持續(xù)3 d（2018年5月14 日至16 日）。冬小麥生育期內(nèi)累積降水量為446.9 mm，降水集中于冬小麥生育后期，2018年5月6日至23日累積降水量為163.3 mm，占全生育期累積降水量的36.54%。全生育期單日最高累積降水量為103.5 mm，出現(xiàn)于5月7日，此時，冬小麥處于成熟期。

2.1.2 冠層氣溫及活動積溫

如表1 所示，水稻淹水灌溉下，與常溫對照相比，夜間增溫使水稻冠層夜間平均溫度在分蘗期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期分別增加0.58、1.29、0.58、2.04 ℃和1.34 ℃；濕潤灌溉下，與常溫對照相比，夜間增溫使冠層夜間平均溫度在水稻分蘗期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期分別增加0.70、1.47、0.79、1.91 ℃和1.29 ℃。兩種灌溉方式下，夜間增溫與常溫對照處理間的差異，均在水稻灌漿期最高。兩種溫度下，濕潤灌溉下水稻冠層夜間平均溫度在上述生育期中均高于淹水灌溉。水稻冠層夜間平均溫度在各生育期的變化趨勢均呈現(xiàn)為夜間增溫+濕潤灌溉>夜間增溫+淹水灌溉>濕潤灌溉>淹水灌溉。

表1 夜間增溫對稻、麥主要生育期夜間冠層平均溫度的影響Table 1 Effects of nighttime warming on mean nighttime canopy temperature in rice and wheat during main growth periods

如表1 所示，冬小麥正常播期下，與常溫對照相比，夜間增溫使冬小麥冠層夜間平均溫度在分蘗期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期分別增加0.37、0.47、0.42、0.43 ℃和1.89 ℃；適時晚播下，與常溫對照相比，夜間增溫使冬小麥冠層夜間平均溫度在分蘗期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期分別增加0.29、0.52、0.72、0.50 ℃和1.59 ℃。兩種溫度條件下，適時晚播冬小麥冠層夜間平均溫度在分蘗期-灌漿期均高于正常播期。

如表2 所示，常規(guī)灌溉下，夜間增溫使水稻不同生育期（分蘗期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期）夜間冠層活動積溫（≥10 ℃）分別較常溫對照增加12.5、46.9、28.5、61.6 ℃和42.3 ℃；濕潤灌溉下，夜間增溫使水稻上述生育期夜間冠層活動積溫分別較常溫對照增加20.0、68.0、42.7、107.2 ℃和61.8 ℃；兩種灌溉情況下活動積溫的最大增幅均在灌漿期。相同灌溉方式下（常規(guī)灌溉或濕潤灌溉），夜間增溫使總觀測期內(nèi)冠層活動積溫分別較常溫對照增加191.8 ℃和299.0 ℃。

表2 夜間增溫對稻、麥主要生育期夜間冠層活動積溫的影響Table 2 Effects of nighttime warming on canopy nighttime active accumulated temperature in rice and wheat during main growth periods

如表2 所示，正常播期下，夜間增溫使冬小麥不同生育期（分蘗期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期）夜間冠層活動積溫（≥0 ℃）分別較常溫對照增加12.3、4.1、2.8、3.3 ℃和37.5 ℃；適時晚播下，夜間增溫使上述生育期夜間冠層活動積溫分別增加14.6、12.7、8.2、6.7 ℃和51.0 ℃。相同播期下（正常播期或適時晚播）夜間增溫使總觀測期內(nèi)冬小麥冠層活動積溫分別較常溫對照增加60.1 ℃和92.9 ℃。與常溫對照相比，夜間增溫下冬小麥各生育期及總觀測期內(nèi)冠層活動積溫增幅，適時晚播均高于正常播期。

2.1.3 稻田水層變化

水稻幼苗移栽后，常規(guī)灌溉處理的稻田處于淹水狀態(tài)，日均水層厚度基本保持5~10 cm（圖2）。曬田期間（2017年8月1日至12日）灌溉停止，期間降水較多，但經(jīng)及時排水，加之氣溫較高，稻田無積水層。曬田結(jié)束，稻田開始灌溉覆水，日均水層厚度保持在5 cm 左右。進(jìn)入成熟期（2017 年9 月21 日前后），灌溉減少，進(jìn)入排水曬田狀態(tài)。

圖2 水稻生長季常規(guī)灌溉稻田水層厚度變化Figure 2 Variation of water layer thickness in paddy field under flooding irrigation in rice growing season

2.2 不同水分管理下夜間增溫對稻田CH4和N2O 排放影響

2.2.1 稻田CH4和N2O排放通量

不同處理下稻田CH4季節(jié)性排放特點基本一致，排放呈多峰變化趨勢（圖3A）。水稻分蘗期（7 月7 日至14日），稻田CH4排放通量均呈下降趨勢，隨后除濕潤灌溉下常溫對照處理外，其他3 種處理稻田CH4排放通量均呈上升態(tài)勢，各處理于曬田前（7月28日）達(dá)到峰值。隨曬田進(jìn)行，各處理稻田CH4排放通量迅速下降；曬田結(jié)束后重新灌溉覆水，稻田CH4排放通量又呈現(xiàn)上升趨勢，并于8月25日達(dá)到第二個峰值，然后直至水稻成熟，各處理CH4排放通量均表現(xiàn)為波動下降趨勢。與常溫對照或淹水灌溉相比，夜間增溫或濕潤灌溉均顯著降低稻田CH4排放通量，但濕潤灌溉下，夜間增溫則顯著提高稻田CH4排放通量。

圖3 不同水分管理下夜間增溫對稻田CH4和N2O排放通量的影響Figure 3 Effects of nighttime warming on CH4 and N2O fluxes in rice field under different water management

不同處理下稻田N2O季節(jié)性排放均呈多峰變化趨勢，而且與農(nóng)田CH4排放通量存在互為消長關(guān)系（圖3B）。水稻分蘗期，稻田N2O 排放通量基本呈上升趨勢，隨持續(xù)灌溉時間延長，稻田N2O 排放通量下降，并于曬田前降至低值。隨曬田進(jìn)行，稻田N2O 排放通量迅速上升至峰值；曬田結(jié)束后，隨農(nóng)田重新灌溉覆水，稻田N2O排放通量迅速下降，隨水稻進(jìn)入成熟期，灌溉強(qiáng)度減弱，稻田N2O排放通量又逐漸波動上升。

2.2.2 稻田CH4和N2O累積排放量

表3 表明，水稻生長前期，即分蘗期-拔節(jié)期，稻田CH4累積排放量最高，各處理稻田CH4累積排放量均占其總觀測期總排放量的60%以上。淹水灌溉下，夜間增溫使稻田分蘗期、拔節(jié)期、成熟期CH4累積排放量減少，抽穗開花期和灌漿期CH4累積排放量升高，總觀測期CH4累積排放量減少57%，處理間差異均達(dá)顯著水平（P<0.05）；濕潤灌溉下，夜間增溫使稻田各生長期CH4累積排放量均升高，總觀測期CH4累積排放量升高192.90%，除分蘗期和灌漿期外，處理間差異均達(dá)顯著水平（P<0.05）；夜間增溫下，濕潤灌溉使稻田分蘗期、拔節(jié)期、成熟期CH4累積排放量升高，抽穗開花期、灌漿期CH4累積排放量降低，總觀測期CH4累積排放量升高39.98%。常溫對照下，濕潤灌溉使稻田各生育期CH4累積排放量降低，總觀測期CH4累積排放量降低79.46%。

表3 不同水分管理下夜間增溫對稻田CH4累積排放量的影響Table 3 Effects of water management on cumulative CH4 emissions from rice field under nighttime warming

表4 表明，水稻成熟期稻田N2O 累積排放量占主導(dǎo)地位，成熟期各處理稻田N2O 累積排放量占其總觀測期總排放量的40%左右，分蘗期和灌漿期最少，僅占總排放量的5%左右。淹水條件下，夜間增溫使稻田分蘗期、抽穗開花期、灌漿期和成熟期N2O 累積排放量增多，拔節(jié)期N2O 累積排放量減少，總觀測期N2O 累積排放量增多30.52%，除分蘗期和灌漿期外，處理間差異均達(dá)顯著水平（P<0.05）；濕潤條件下，夜間增溫使稻田分蘗期、拔節(jié)期和灌漿期N2O 累積排放量降低，抽穗開花期和成熟期N2O 累積排放量升高，總觀測期N2O 累積排放量降低3.63%，除分蘗期和灌漿期外，處理間差異均達(dá)顯著水平（P<0.05）。

表4 不同水分管理下夜間增溫對稻田N2O累積排放量的影響Table 4 Effects of water management on cumulative N2O emissions from rice field under nighttime warming

常溫對照下，濕潤灌溉使稻田總觀測期N2O 累積排放量增加97.21%，除分蘗期和灌漿期外，處理間差異均達(dá)顯著水平（P<0.05）；夜間增溫下，濕潤灌溉使稻田總觀測期N2O 累積排放量升高45.62%，僅成熟期處理間差異達(dá)顯著水平（P<0.05）。

2.3 不同播期下夜間增溫對麥田CH4和N2O排放的影響

2.3.1 麥田CH4和N2O排放通量

不同處理下麥田CH4季節(jié)性排放特點基本一致，排放呈多峰變化趨勢（圖4A）。拔節(jié)期到灌漿期，各處理麥田基本表現(xiàn)為CH4吸收，CH4吸收通量呈波動狀態(tài)，其中兩個較高吸收峰分別出現(xiàn)于2018 年3 月6日（拔節(jié)期）和4月15日（抽穗期或開花期）；4月15日后麥田CH4吸收通量逐漸減少，隨冬小麥成熟，各處理麥田CH4排放通量均表現(xiàn)為迅速上升趨勢。4月15日的吸收峰，與常溫對照相比，夜間增溫使麥田CH4吸收量在正常播期和晚播兩種條件下均升高；與正常播期相比，晚播使麥田CH4吸收通量在夜間增溫條件下降低。5月3日的排放峰，與常溫對照相比，夜間增溫使麥田CH4排放通量在正常播期和晚播兩種條件下均升高；與正常播期相比，晚播使麥田CH4排放通量在常溫對照和夜間增溫兩種條件下分別升高和降低?？梢?，相同播期下，當(dāng)麥田表現(xiàn)為CH4匯時，夜間增溫促進(jìn)麥田對CH4的吸收；當(dāng)麥田表現(xiàn)為CH4源時，夜間增溫也會促進(jìn)麥田CH4的排放。相同溫度條件下，當(dāng)麥田表現(xiàn)為CH4匯時，常溫播期對麥田CH4吸收的影響不明顯，夜間增溫下晚播降低麥田CH4吸收；當(dāng)麥田表現(xiàn)為CH4源時，播期對不同溫度條件下麥田CH4的排放影響相反。

圖4 不同播期下夜間增溫對麥田CH4和N2O排放通量的影響Figure 4 Effects of nighttime warming on CH4 and N2O fluxes in wheat field under different sowing dates

不同處理下麥田N2O 季節(jié)性排放也呈現(xiàn)多峰變化趨勢（圖4B）。拔節(jié)期麥田N2O 排放呈先升后降趨勢，出現(xiàn)第一個峰值后麥田N2O 排放一直處于小幅波動狀態(tài)，直至4 月25 日出現(xiàn)第二個排放高峰，隨后急劇下降，最后于成熟期（5 月10 日至15 日）再次升高。正常播期下，夜間增溫麥田N2O平均排放通量為28.60 μg·m-2·h-1，比常溫對照處理高29.12%；晚播條件下，夜間增溫麥田N2O 平均排放通量為13.68 μg·m-2·h-1，比常溫對照處理低23.58%。與正常播期相比，晚播使麥田N2O平均排放通量在常溫對照和夜間增溫兩種條件下均降低。

2.3.2 麥田CH4和N2O累積排放量

表5 表明，冬小麥拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期和灌漿期，各處理麥田CH4累積排放量均為負(fù)值，即麥田均表現(xiàn)為對CH4的吸收；冬小麥成熟期，晚播條件下常溫對照麥田CH4累積排放量為負(fù)值，表現(xiàn)為對CH4的吸收，其余3 種處理麥田CH4累積排放量為正值，即向大氣排放CH4。正常播期下，夜間增溫使冬小麥拔節(jié)期、孕穗期、開花期和灌漿期麥田CH4吸收量增加，抽穗期和成熟期CH4吸收量減少，僅拔節(jié)期和開花期，處理間差異達(dá)顯著水平（P<0.05）；晚播條件下，夜間增溫使冬小麥拔節(jié)期、灌漿期和成熟期麥田CH4吸收量減少，孕穗期、抽穗期、開花期麥田CH4吸收量增加，僅拔節(jié)期處理間差異達(dá)顯著水平（P<0.05）。常溫對照下，除抽穗期外，晚播使麥田各生育期CH4吸收量增加，僅拔節(jié)期處理間差異達(dá)顯著水平（P<0.05）；夜間增溫下，除抽穗期和成熟期外，晚播使麥田各生育期CH4吸收量降低，僅拔節(jié)期和開花期處理間差異達(dá)顯著水平（P<0.05）。

表6 表明，冬小麥田N2O 排放主要集中于冬小麥生育后期，即灌漿期和成熟期，這兩個時期各處理麥田N2O 累積排放量均占6 個生育期總排放量50%左右。正常播期下，夜間增溫使冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期麥田N2O 累積排放量增多，孕穗期、抽穗期和灌漿期麥田N2O 累積排放量減少，N2O 總累積排放量增多30.54%，僅開花期和成熟期的處理間差異達(dá)顯著水平（P<0.05）；晚播條件下，夜間增溫使冬小麥拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期和成熟期麥田N2O 累積排放量降低，抽穗期和開花期麥田N2O 累積排放量升高，N2O總累積排放量降低23.16%，其中僅拔節(jié)期和孕穗期的處理間差異達(dá)顯著水平（P<0.05）。常溫對照下，晚播使麥田總觀測期N2O 累積排放量降低21.46%，僅孕穗期的處理間差異達(dá)顯著水平（P<0.05）；夜間增溫下，晚播使麥田總觀測期N2O 累積排放量降低53.77%，除抽穗期和灌漿期外，處理間差異均達(dá)顯著水平（P<0.05）。可見，相同溫度下，晚播均顯著降低麥田N2O累積排放量。

表6 不同播期下夜間增溫對麥田N2O累積排放量的影響Table 6 Effects of nighttime warming on cumulative N2O emissions from wheat field under different sowing dates

2.4 不同農(nóng)田管理對稻、麥生物量及產(chǎn)量的影響

相同灌溉條件下夜間增溫顯著降低水稻生物量，降低幅度為14.69%~18.16%（P<0.05）（表7）。正常播期條件下，夜間增溫使冬小麥生物量降低19.81%；晚播條件下，夜間增溫使冬小麥生物量提高5.63%，但處理間差異均未達(dá)顯著水平。

表7 不同農(nóng)田管理下稻、麥生物量及產(chǎn)量的比較Table 7 Comparison of biomass and yield in rice and wheat under different field management

淹水灌溉下夜間增溫使水稻產(chǎn)量顯著降低9.14%（P<0.05）；濕潤灌溉下夜間增溫使水稻產(chǎn)量明顯降低7.27%，但處理間差異未達(dá)顯著水平。正常播期下夜間增溫使冬小麥產(chǎn)量降低18.26%，晚播條件下夜間增溫使冬小麥產(chǎn)量略有提高，增幅為0.72%，但處理間差異均未達(dá)顯著水平。

2.5 不同農(nóng)田管理對稻-麥輪作碳排放強(qiáng)度的影響

不同農(nóng)田管理下稻田和麥田CH4和N2O 全球增溫潛勢和溫室氣體排放強(qiáng)度表現(xiàn)各異（表8）。在水稻生長季，淹水灌溉下，夜間增溫顯著降低稻田SGWPCH4、TotalSGWP和GHGI（P<0.05），但 提 高 稻 田SGWPN2O；濕潤灌溉下，夜間增溫顯著提高稻田SGWPCH4、TotalSGWP和GHGI（P<0.05），但降低稻田SGWPN2O。兩種溫度條件下，濕潤灌溉均增加稻田SGWPN2O，但對稻田SGWPCH4、TotalSGWP和GHGI的影響有差異。常溫對照下，濕潤灌溉顯著降低稻田SGWPCH4、TotalSGWP和GHGI；夜間增溫條件下，濕潤灌溉增加稻田SGWPCH4、TotalSGWP、SGWPN2O和GHGI。

表8 不同農(nóng)田管理下夜間增溫對稻-麥系統(tǒng)SGWP/SGCP和GHGI的影響（kg CO2e·t-1）Table 8 Effects of nighttime warming on SGWP/SGCP and GHGI in rice and wheat system under field management（kg CO2e·t-1）

在冬小麥生長季，正常播期下，夜間增溫降低麥田SGWPCH4，但增加麥田SGWPN2O、TotalSGWP/SGCP和GH?GI；晚播條件下，夜間增溫增加麥田SGWPCH4，降低了麥田SGWPN2O、TotalSGWP/SGCP和GHGI。兩種 溫 度條件下，晚播均降低麥田SGWPN2O、TotalSGWP/SGCP和GHGI。

不同農(nóng)田管理下夜間增溫對稻-麥系統(tǒng)GHGI的影響不同。淹水灌溉/正常播期下，夜間增溫顯著降低稻-麥系統(tǒng)的GHGI（P<0.05），濕潤灌溉/晚播下，夜間增溫顯著提高稻-麥系統(tǒng)的GHGI（P<0.05）。稻田GHGI對稻-麥輪作系統(tǒng)農(nóng)田GHGI的貢獻(xiàn)更大。

3 討論

稻田CH4排放量與土壤產(chǎn)甲烷菌數(shù)量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，因此，控制稻田產(chǎn)甲烷菌數(shù)量可有效減少CH4排放量[44]。不同水分管理及水稻不同生育期土壤中CH4相關(guān)微生物的數(shù)量和活性均有差異。本研究中，水稻生長前期，隨水稻生長，土壤處于淹水狀態(tài)的時間逐漸延長，產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和活性不斷提高，使曬田前稻田CH4排放達(dá)到最大值；隨曬田進(jìn)行，土壤通氣性增強(qiáng)，產(chǎn)甲烷菌的生存環(huán)境受到破壞，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量下降，甲烷氧化菌的活性上升，促進(jìn)CH4的氧化，稻田CH4排放量急劇下降[45-46]；曬田結(jié)束，稻田重新灌溉覆水，產(chǎn)甲烷菌適宜生境逐漸恢復(fù)，CH4排放量又逐漸上升，隨溫度降低和植株通氣組織衰老退化，CH4排放量處于波動下降趨勢（圖3）。冬小麥拔節(jié)-開花階段（2018 年3 月6 日至4 月25 日），麥田CH4排放量基本為負(fù)值，可能在于該時期環(huán)境溫度較低，降水較少（圖1），土壤通氣良好，不利于土壤有機(jī)質(zhì)分解，產(chǎn)甲烷菌活性較弱，但甲烷氧化菌活性較強(qiáng)，導(dǎo)致麥田CH4吸收量增加；冬小麥灌漿-成熟期，麥田CH4排放量迅速增加，可能在于該時期溫度升高，降水增多（圖1），土壤局部形成厭氧環(huán)境，產(chǎn)甲烷菌活性增強(qiáng)[20，47]，有利于CH4產(chǎn)生并排放（圖4）。

與常溫對照相比，淹水灌溉下夜間增溫顯著降低稻田CH4排放，濕潤灌溉下夜間增溫顯著促進(jìn)稻田CH4排放（圖3、表3）。淹水灌溉下夜間增溫引起水稻植株分蘗數(shù)和干物質(zhì)積累量降低，導(dǎo)致有機(jī)底物減少[19，48-49]，產(chǎn)甲烷菌活性降低，引起CH4產(chǎn)生量及排放量下降；濕潤灌溉下夜間增溫可促進(jìn)稻田地表熱量向下傳遞，下層土溫升高，使CH4產(chǎn)生菌活性增強(qiáng)，促進(jìn)CH4產(chǎn)生并排放[44-45，50]；此外，濕潤灌溉下夜間增溫處理的水稻植株冠層溫度較高（表1），高溫脅迫可刺激植株體內(nèi)活性氧自由基累積，活性氧自由基與果膠、木質(zhì)素等細(xì)胞壁組分的甲氧基作用產(chǎn)生CH4[51]。冬小麥兩種播期下夜間增溫均提高成熟期麥田CH4排放（圖4、表5），冬小麥生長后期環(huán)境溫度升高，降水增多（圖1），土壤形成局部厭氧環(huán)境，增溫加速植株衰老凋落，土壤有機(jī)底物增加，提高了產(chǎn)甲烷菌活性[47]；夜間增溫可提高冬小麥植株冠層溫度及土壤溫度，溫度升高促進(jìn)土壤呼吸，消耗土壤氧氣，產(chǎn)生厭氧環(huán)境，促進(jìn)麥田CH4產(chǎn)生并排放[52-53]（表1）。

N2O 主要來自土壤相關(guān)微生物介導(dǎo)的硝化和反硝化過程[25]。本試驗中（圖3、表4），水稻生長前期N2O 排放量較低，稻田前期處于淹水或濕潤飽和狀態(tài)，土壤厭氧還原條件較強(qiáng)，反硝化過程的產(chǎn)物主要為N2；中期曬田改變了土壤厭氧還原條件，通氣性改善，硝化和反硝化作用同時進(jìn)行，促進(jìn)了N2O 產(chǎn)生并排放；曬田結(jié)束，重新灌溉覆水使N2O 排放量迅速降低；而后出現(xiàn)二次峰值（2017 年9 月8 日），這與中期追施穗肥有關(guān)，稻田好氧層及土壤中的閉蓄氧有利于硝化及反硝化過程進(jìn)行，促進(jìn)土壤N2O 產(chǎn)生并排放[36，45]；水稻生長后期，臨近收獲，灌溉停止，干濕交替提高了硝化和反硝化細(xì)菌活性，導(dǎo)致N2O 產(chǎn)生量及排放量增加[54]。長江中下游冬小麥整個生育期的降水可滿足植株生長需要，麥田土壤水分狀況和通氣性主要受降水影響。溫度和降水的變化是影響麥田N2O 產(chǎn)生及排放的重要環(huán)境因素[55]。冬小麥返青后氣溫較低，麥田N2O 排放呈小幅波動狀態(tài)，生長后期溫度升高，降水增多，干濕交替引起麥田N2O 排放量增加[45，54]（圖1、圖4、表6）。

相同水分管理下，與常溫對照相比，夜間增溫對水稻生長前期稻田N2O 排放無明顯促進(jìn)作用，甚至降低分蘗-拔節(jié)期稻田N2O 排放，但顯著增加成熟期稻田N2O 排放（圖3、表4）。夜間增溫促進(jìn)了水稻生長前期植株分蘗及生物量積累[19]，提高植株對速效氮吸收利用，硝化和反硝化作用底物減少，抑制了N2O 產(chǎn)生及排放[56-57]；硝化和反硝化細(xì)菌活性需要適宜的土壤水、氣、熱條件。水稻生長后期，夜間增溫加速了植株衰老退化，使土壤有機(jī)殘體增加，后期氣溫下降（圖1），增溫則促進(jìn)土壤微生物活性，且后期灌溉停止（圖2），稻田干濕交替使硝化和反硝化作用交替進(jìn)行，從而促進(jìn)N2O 產(chǎn)生及排放[45，48]。與常規(guī)淹水灌溉相比，濕潤灌溉促進(jìn)稻田N2O 排放。淹水灌溉的稻田水層限制大氣中氧氣向土壤傳輸，使土壤形成厭氧還原環(huán)境，硝化作用受到抑制，反硝化產(chǎn)物以N2為主，N2O 產(chǎn)生量及排放量較低[45]；濕潤灌溉的稻田沒有水層阻擋，有利于大氣中氧氣向土壤輸送，土壤通氣性改善，土壤硝化和反硝化過程同時進(jìn)行，有利于N2O 產(chǎn)生及排放[54-56]。與正常播期相比，晚播可明顯降低麥田N2O 排放，其中夜間增溫下晚播麥田各生育期N2O 排放量幾乎均顯著低于正常播期（圖4、表6）。不同播期麥田N2O 排放量的差異，可能與前作稻田灌溉方式有關(guān)，常規(guī)灌溉稻田持續(xù)厭氧還原條件，降低土壤有機(jī)氮礦化，導(dǎo)致有機(jī)氮累積，而正常播期麥田土壤通氣性改善，促進(jìn)有機(jī)氮礦化形成較多無機(jī)氮，促進(jìn)麥田N2O產(chǎn)生及排放[58]；而夜間增溫下晚播冬小麥植株蒸騰速率較高，引起土壤含水量下降[12，19]，抑制土壤硝化和反硝化細(xì)菌活性，導(dǎo)致N2O產(chǎn)生量及排放量降低。

溫度和水分是影響作物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的重要因素。本試驗中，相同灌溉條件下夜間增溫顯著降低水稻產(chǎn)量；相同溫度條件下濕潤灌溉使水稻產(chǎn)量下降，但差異不顯著（表7）。原因可能與夜間增溫引起水稻主要生育期夜間冠層溫度升高及活動積溫增加有關(guān)（表1、表2），其使生育期提前，加劇高溫?zé)岷Φ陌l(fā)生，不利于產(chǎn)量形成[8-9，59]。本試驗中，兩種灌溉方式下夜間增溫均提高水稻冠層平均溫度和活動積溫，最大增幅均在灌漿期（表1、表2），這可能引起籽粒灌漿過程中光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運量減少，導(dǎo)致籽粒灌漿受抑，千粒質(zhì)量降低[60]；夜間增溫降低水稻植株凈光合速率，增加熒光耗散，使呼吸作用增強(qiáng)，光合產(chǎn)物凈積累量減少，降低植株有效穗數(shù)、每穗實粒數(shù)和結(jié)實率，引起產(chǎn)量下降[19]；此外，濕潤灌溉可促使光合產(chǎn)物向地下部根系運輸分配，促進(jìn)根系生長，根系過于冗余和呼吸消耗增多，引起產(chǎn)量下降[40]。

氣候變暖在冬、春季尤為明顯，而長江中下游稻-麥輪作冬小麥生長期在11 月至翌年6 月，因此受影響較大[1-2，13]。正常播期下夜間增溫降低冬小麥產(chǎn)量，適時晚播下夜間增溫提高產(chǎn)量；無論常溫對照或夜間增溫下，適時晚播均可明顯提高冬小麥產(chǎn)量（表7）。積溫是影響作物生長發(fā)育的重要熱量指標(biāo)。與常溫對照相比，夜間增溫可明顯提高冬小麥主要生育期夜間冠層活動積溫，適時晚播積溫增幅均高于正常播期，晚播冬小麥積溫可滿足其生長需要（表2）。正常播期下夜間增溫促使冬小麥植株生長加快，生育期縮短，孕穗期光合作用減弱，穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量下降，引起產(chǎn)量降低[12-13，61]；晚播下夜間增溫使冬小麥葉片凈光合速率提高，熒光耗散減小，光合產(chǎn)物凈積累量增多，穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量增加，從而使產(chǎn)量增加[62-63]。氣候變化背景下極端天氣氣候事件頻發(fā)，如高溫?zé)岷?、低溫冷害等[12-13]。正常播種的冬小麥因冬前氣溫較高，幼苗易出現(xiàn)徒長，進(jìn)入冬季氣溫較低（圖1），低溫脅迫導(dǎo)致葉面積指數(shù)和光合速率下降，小蘗穗高降低，穗長縮短，小花敗育甚至小穗凍死，引起穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量下降[64-66]。冬小麥中后期高溫?zé)岷Ξa(chǎn)量形成有極為不利影響。本試驗正常播種的冬小麥在灌漿-成熟期遭遇持續(xù)高溫天氣（圖1），持續(xù)高溫可導(dǎo)致灌漿期縮短，籽粒灌漿速率和千粒質(zhì)量降低，引起產(chǎn)量下降[67-68]。適時晚播使冬小麥出苗及生育期延遲，冬季幼苗生長緩慢，有利于安全越冬。適時晚播可提高同化物向穗部的轉(zhuǎn)運量，提高小花成活率，增加穗粒數(shù)，提高氮素吸收效率，使產(chǎn)量增加[69-71]。

4 結(jié)論

（1）夜間增溫或濕潤灌溉均降低水稻生物量和產(chǎn)量，而晚播則增加冬小麥產(chǎn)量。

（2）稻-麥輪作農(nóng)田稻季CH4排放量占主導(dǎo)地位，遠(yuǎn)大于N2O 排放量。與常溫淹水灌溉相比，濕潤灌溉顯著降低稻田CH4排放，顯著增加稻田N2O 排放；而與夜間增溫淹水灌溉相比，濕潤灌溉則增加稻田CH4排放。夜間增溫下晚播顯著降低N2O排放。

（3）稻季溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）對稻-麥輪作農(nóng)田總GHGI的貢獻(xiàn)最大，其中稻田CH4排放均起決定作用。夜間增溫顯著降低淹水/正常播期稻-麥輪作農(nóng)田GHGI，顯著增加了濕潤/晚播稻麥輪作系統(tǒng)的GHGI。研究認(rèn)為，綜合考慮產(chǎn)量和環(huán)境效益，水稻采用常規(guī)灌溉（間歇灌溉）和冬小麥正常播種是長江下游稻-麥輪作農(nóng)田應(yīng)對氣候變暖的有效技術(shù)措施。