秸稈還田和種植制度對(duì)長(zhǎng)江中游稻田溫室氣體排放的影響

摘要：為研究長(zhǎng)江中游地區(qū)不同稻作種植制度下溫室氣體排放對(duì)秸稈還田的響應(yīng)，本研究通過(guò)田間試驗(yàn)，連續(xù)監(jiān)測(cè)秸稈還田和不還田條件下，雙季稻、再生稻和春玉米—晚稻（玉稻）3種稻作模式甲烷（CH4）、氧化亞氮（N20）排放通量及土壤理化性質(zhì)和相關(guān)環(huán)境因子的變化差異。結(jié)果表明：雙季稻和再生稻周年CH4累積排放量分別比玉稻模式高175.5%和203.4%（秸稈還田）及109.6%和126.4%（秸稈不還田）；秸稈還田導(dǎo)致雙季稻周年CH4累積排放量提高了31.4%，再生稻提高了33 .g%，但對(duì)玉稻模式周年CH4累積排放沒(méi)有顯著影響。無(wú)論是否秸稈還田，玉稻模式周年N2O累積排放量顯著高于雙季稻和再生稻模式；秸稈還田導(dǎo)致玉稻模式周年N2O累積排放量增加36.3qo，雙季稻模式增加43.7%，但對(duì)再生稻模式周年N20累積排放量沒(méi)有顯著影響。相關(guān)分析顯示，CH4排放量與氣溫及土壤含水量呈顯著正相關(guān)，與硝態(tài)氮呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0．05），而N20排放量與硝態(tài)氮、銨態(tài)氮呈顯著正相關(guān)。在100年尺度CO2當(dāng)量下，玉稻模式的周年全球增溫潛勢(shì)（CD7P）顯著低于雙季稻和再生稻模式；相對(duì)于秸稈不還田，秸稈還田下雙季稻模式的周年GWP顯著增加31.8%，再生稻模式周年CWP顯著增加32.8%，玉稻模式的周年CD7P在秸稈還田和不還田下無(wú)顯著差異。在所有處理中，周年GWP主要由CH4排放貢獻(xiàn)，N2O排放引起的增溫潛勢(shì)占比較小，表明減少稻作系統(tǒng)CH4排放對(duì)減緩溫室效應(yīng)至關(guān)重要。無(wú)論秸稈是否還田，玉稻模式周年溫室氣體排放強(qiáng)度（GHCI）均低于雙季稻和再生稻模式，秸稈還田對(duì)不同稻作系統(tǒng)的周年GHGI均無(wú)顯著影響。綜上所述，秸稈還田對(duì)溫室氣體排放的影響程度因稻作模式而異，玉米-晚稻輪作是一種生態(tài)環(huán)境友好型的稻田種植模式。

關(guān)鍵詞：再生稻；玉米水稻輪作；甲烷；氧化亞氮；全球增溫潛勢(shì)；溫室氣體排放強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：S181 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024） 08-1915-13 doi：10.11654/jaes.2023-0814

甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是兩種重要的溫室氣體，100年尺度下其全球增溫潛勢(shì)（GWP）分別是二氧化碳（CO2）的29.8倍和273倍。大氣中CH4和N20的濃度分別以每年0.6%和0.2%-0.3%的速度增長(zhǎng)，其排放量分別占溫室氣體排放總量的18.3%和6.0%。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是溫室氣體的重要排放源，占人類活動(dòng)排放總量的12.0%。水稻種植過(guò)程長(zhǎng)期淹水及大量氮肥施用，導(dǎo)致其成為N2O和CH4的關(guān)鍵排放源。因此，如何緩解稻田溫室氣體排放已成為一個(gè)近年來(lái)亟待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。

由于人們生活水平的提高和膳食結(jié)構(gòu)的變化，我國(guó)存在多種多樣的稻作模式，不同稻作模式下的作物類型、水稻品種、耕作方式、水肥管理等存在一定差異，由此導(dǎo)致土壤物理化學(xué)及生物學(xué)性質(zhì)存在差異，從而影響了稻田CH4和N2O的產(chǎn)生和排放。例如，葉佩等在江漢平原對(duì)雙季稻、再生稻、蝦稻、油菜—中稻輪作等稻作模式開(kāi)展研究，其結(jié)果表明不同的稻作模式對(duì)溫室氣體排放有顯著影響，其中再生稻CH4累積排放量比蝦稻低45.7%，油菜—中稻輪作的N2O累積排放量比再生稻低88.2%。此外，有相關(guān)研究報(bào)道，再生稻CH4累積排放量及單位產(chǎn)量CH4排放量均顯著低于雙季稻。姜振輝等的研究表明，相比于早稻—晚稻模式，春玉米—晚稻輪作模式減少了CH4排放，其綜合增溫潛勢(shì)比早稻—晚稻模式低60.5%。王肖娟等的研究結(jié)果顯示，由于玉米屬于旱作，春玉米—晚稻輪作模式下N2O排放量顯著高于早稻—晚稻模式。由此可見(jiàn)，合理的稻田種植模式是減少碳排放的有效措施。

稻作系統(tǒng)中常通過(guò)秸稈還田來(lái)增加土壤固碳量、減少養(yǎng)分損失以及增加作物產(chǎn)量。蔣靜艷等在添加秸稈對(duì)稻田影響的研究中發(fā)現(xiàn)，秸稈還田在連續(xù)淹水環(huán)境條件下一方面會(huì)消耗土壤中的氧，降低土壤氧化還原電位，另一方面可為土壤產(chǎn)甲烷菌提供底物，繼而使土壤產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)及數(shù)量發(fā)生改變，促進(jìn)CH4排放。另外，秸稈還田改變了土壤中供應(yīng)給硝化和反硝化微生物利用的活性有機(jī)碳和氮含量，從而對(duì)N2O的排放產(chǎn)生了影響。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來(lái)看，秸稈還田對(duì)N2O排放的影響并不一致，且存在抑制、促進(jìn)和無(wú)影響3種結(jié)果，這主要取決于秸稈本身的碳氮比。此外，以上的研究結(jié)果僅考慮了單一稻作系統(tǒng)下秸稈還田對(duì)CH4和N2O排放的影響，且提及稻作模式是影響CH4和N2O排放的關(guān)鍵因素，但目前為止，很少有研究關(guān)注稻作模式與秸稈還田對(duì)稻田溫室氣體排放的互作效應(yīng)，且對(duì)其相關(guān)排放機(jī)理的研究也還未見(jiàn)報(bào)道。

長(zhǎng)江中游地區(qū)，春玉米—晚稻和再生稻模式逐漸成為可替代雙季稻的重要種植模式。因此，本研究以春玉米—晚稻（玉稻）、再生稻和雙季稻3種稻作模式為對(duì)象，分別設(shè)置秸稈還田與不還田2種處理，通過(guò)田間定位試驗(yàn)觀測(cè)周年溫室氣體排放規(guī)律，并結(jié)合相關(guān)環(huán)境指標(biāo)的變化規(guī)律，評(píng)估稻作模式與秸稈還田互作對(duì)稻田N2O和CH4的影響及其原因，并通過(guò)計(jì)算綜合增溫潛勢(shì)，明確秸稈還田條件下不同稻作模式的碳減排潛力，以期為長(zhǎng)江中游地區(qū)低碳稻作模式的選擇提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

大田試驗(yàn)于2022年4月至2023年4月在湖北省荊州市長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)業(yè)科技示范基地（30°21＇N，112°09＇E）進(jìn)行，該地屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候帶，試驗(yàn)期間年平均氣溫為16.4℃，積溫為5 204.3℃，年平均降水量為831.6 mm。試驗(yàn)期間降水量和氣溫日變化情況如圖1所示。試驗(yàn)地供試土壤為潴育型土，種植前土壤的基本理化性質(zhì)：pH 6.8，總氮（TN）含量2.5 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量30.3 g·kg-1，速效磷含量13.57 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主處理為2種秸稈還田處理[秸稈還田（S+）與不還田（S-）]，副處理為3種稻作模式[雙季稻（DR）、再生稻（RR）和春玉米-晚稻（玉稻，MR）模式]，共計(jì)6個(gè)處理，分別為雙季稻+秸稈不還田（DR）、雙季稻+秸稈還田（DR+S）、再生稻+秸稈不還田（RR）、再生稻+秸稈還田（RR+S）、玉稻+秸稈不還田（MR）、玉稻+秸稈還田（MR+S）。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為50 m2（12.5 m×4 m），各小區(qū)之間用25cm寬的水泥隔開(kāi)，以防止串水串肥。

雙季稻模式：早稻（兩優(yōu)152）和晚稻（隆優(yōu)4945）均采用移栽的方式種植，早稻于2022年4月26日移栽，晚稻于2022年7月24日移栽，種植密度均為26.7cmx16.7 cm。早、晚稻施肥量相同，水稻全生育期施氮總量為180 kg·hm-2、施磷（P20s）總量為75 kg·hm-2、施鉀（K20）總量為180 kg·hm-2。早稻按基肥：分蘗肥：穗肥=5：2：3的比例施肥，晚稻按基肥：分蘗肥：穗肥=2：2：1的比例施肥。

再生稻模式：再生稻（兩優(yōu)金絲占）種植密度為26.7 cm×16.7 cm。2022年4月26日移栽，2022年8月15日收獲第一季，留樁30 cm后灌水。第一季施氮200 kg·hm-2、施磷（P2O5）75 kg·hm-2、施鉀（K2O） 180kg·hm-2，按基肥：分蘗肥：穗肥=5：2：3的比例施肥；第二季促芽肥（氮肥75 kg·hm-2）在第一季齊穗后10 d施入，在2022年8月15日收獲后10 d施入提苗肥（氮肥75 kg·hm-2），促芽肥與提苗肥按1：1施入。

玉稻模式：春玉米（鄭單958）和晚稻（隆優(yōu)4945）分別采用直播與移栽的方式種植。春玉米于2022年4月5日以覆膜廂作栽培方式直播，溝寬0.2 m，廂寬1.0 m，按0.8 m+0.4 m寬窄行，0.278 m株距播種，播種密度為6.0萬(wàn)株·hm-2，播種后進(jìn)行人工覆膜。春玉米種植期間肥料作基肥一次性施入，全生育期施氮量為240 kg·hm-2、施磷（P2O5）量為135 kg·hm-2、施鉀（K2O）總量為180 kg·hm-2。春玉米收獲后泡田平整土地，于2022年7月24日移栽晚稻，移栽密度為26.7 cm×16.7 cm，肥料施用量同雙季稻模式中的晚稻。

所有模式定位田塊進(jìn)行，每茬作物收獲后秸稈全量還田。用家用小型粉碎機(jī)將秸稈粉碎至2 cm左右，均勻撒施至相應(yīng)小區(qū)，在水稻移栽（再生稻除外）前1-2 d泡田，用手扶旋耕機(jī)將秸稈與土壤混合。試驗(yàn)開(kāi)始前每個(gè)小區(qū)的土壤肥力狀況一致，田間水分管理采取前期淺水分蘗、中期曬田、水稻生育后期干濕變換的方式，在水稻收獲的前1周斷水曬田。

1.3 氣體樣品采集與分析

CH4和N2O排放通量的測(cè)定采用人工靜態(tài)箱-氣相色譜法。靜態(tài)箱為鋁制，結(jié)構(gòu)分箱體（45 cm×45cm×100 cm）和底座（45 cm×45 cm×20 cm）兩部分，箱體外層以錫箔紙包裹以減緩箱內(nèi)升溫速度，底座設(shè)2 cm凹槽，采氣時(shí)注水密封。采氣頻率為1周1次，遇到降雨和施肥后增加采樣次數(shù)。采氣時(shí)間為上午9：00-11：00，在采氣箱蓋箱后立即用注射器采集第一針氣體，然后每隔8 min依次采集，每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采集3次氣體樣品。將采集的氣體帶回實(shí)驗(yàn)室用Agilent 7890B氣相色譜儀測(cè)定樣品中CH4和NO2的濃度，CH4檢測(cè)器FID檢測(cè)溫度為300℃，柱溫為50℃，N2O檢測(cè)器ECD檢測(cè)溫度為300℃，柱溫為40℃。

1.4 土壤與植株樣品采集與分析

土壤樣品采集時(shí)間與氣體采集時(shí)間保持一致。通過(guò)五點(diǎn)法在水稻分蘗期、抽穗期及成熟期（玉米則在成熟期）用內(nèi)徑為5 cm的土鉆取深度為0-5、5-10cm以及10-20 cm的土樣混合帶回實(shí)驗(yàn)室，放入4℃冰箱中保存用于土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）、銨態(tài)氮（NH4-N）、硝態(tài)氮（NO-3-N）和微生物量碳（MBC）的測(cè)定，測(cè)定方法分別為重鉻酸鉀氧化—外加熱方法、紫外分光光度計(jì)法、靛酚藍(lán)比色法、氯仿熏蒸提取法。

水稻收獲時(shí)，每個(gè)小區(qū)在保證長(zhǎng)勢(shì)均勻的條件下隨機(jī)收割3個(gè)1 m2區(qū)域的稻谷，樣品自然風(fēng)干測(cè)定產(chǎn)量。玉米收獲時(shí)，在中間一個(gè)廂面收獲兩個(gè)連續(xù)20株的果穗，樣品自然風(fēng)干后進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

CH4和N2O排放通量的計(jì)算公式：

F=ρ×H×△/Ct△t×273/（273+T）（1）

式中：F為溫室氣體排放速率，N2O的單位為μg·m-2·h-1，CH4的單位為mg·m-2·h-1;ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度，N2O為1.964 kg·m-3，CH4為0.7 14 kg·m-3；H為采樣箱高度，m；△C/△t為單位時(shí)間靜態(tài)箱內(nèi)氣體濃度變化；T為靜態(tài)箱內(nèi)溫度，℃；273為氣態(tài)方程常數(shù)。

溫室氣體累積排放量的計(jì)算公式：

E=∑[（Fn+1+Fn）／2]×（tn+1-tn）×24（2）

式中：E為CH4或N2O的季節(jié)總排放量，kg·hm-2；Fn和Fn+1分別為第n次和第n+1次采樣時(shí)CH4或N2O的排放通量，mg·m-2·h-1或μg·m-2·h-1；tn和tn+1分別為第n次和第n+1次的采樣時(shí)間，d。

全球增溫潛勢(shì)（GWP）計(jì)算公式：

GWP=ECH4×29.8+EN2O×273（3）

式中：ECH4、EN2O分別為CH4和N2O的排放量，kg·hm-2。

溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）計(jì)算公式：

GHCI=CWP/Y（4）

式中：Y為作物籽粒產(chǎn)量，kg·hm-2。

本研究利用Excel整理數(shù)據(jù)，利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用雙因素方差分析明確稻作模式和秸稈還田對(duì)CH4、N2O的累積排放量、GWP和GHGI的影響，并采用最小顯著差異法（LSD法）分析處理間差異的顯著性。采用Pearson相關(guān)性分析明確CH4和N2O與土壤性質(zhì)之間的關(guān)系，所有統(tǒng)計(jì)分析的顯著性水平都為P＜0.05。采用Origin制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CH4和N2O的排放通量

3種稻作模式的CH4排放通量動(dòng)態(tài)存在差異（圖2a）。雙季稻模式下早稻與晚稻的排放高峰出現(xiàn)在分蘗期、孕穗期及抽穗期；再生稻模式下，頭季稻的排放峰出現(xiàn)在分蘗期、孕穗期及抽穗期，再生季的排放峰出現(xiàn)在抽穗期；玉稻模式下，在整個(gè)玉米生長(zhǎng)期間CH4排放通量一直處于較低水平，晚稻的排放峰出現(xiàn)在分蘗期和孕穗期。秸稈還田和不還田條件下不同稻作模式的CH4排放通量變化范圍分別為-0.7-26.1mg·m-2·h-1和-5.3-24.0 mg·m-2·h-1（圖2a）。

3種稻作模式下N2O的排放規(guī)律變化不一致（圖2b），但均在施肥后出現(xiàn)N2O排放峰。玉稻模式下較高的N2O排放通量出現(xiàn)在玉米種植前期，晚稻種植期間N2O排放通量較低。雙季稻和再生稻模式下N2O排放通量在大部分觀測(cè)時(shí)期內(nèi)維持在較低水平。秸稈還田下N2O排放通量變化范圍為-132.3-580.0μg·m-2·h-1，秸稈不還田下N2O排放通量變化范圍為-152.3-212.9 μg·m-2·h-1。

2.2 CH4和N2O的累積排放量

稻作模式對(duì)第二季CH4累積排放量影響顯著（表1），無(wú)論秸稈是否還田，雙季稻模式第二季CH4累積排放量高于再生稻和玉稻模式（圖3a）。稻作模式和秸稈管理顯著影響了第一季和周年CH4累積排放（表1），在再生稻模式下，秸稈還田的第一季CH4累積排放比秸稈不還田提高了44.3%。雙季稻和再生稻模式間周年CH4累積排放量均顯著高于玉稻模式；與秸稈不還田相比，秸稈還田使雙季稻周年CH4累積排放增加31.5%，再生稻模式增加了33.9%（圖3a）。

稻作模式與秸稈管理兩者交互作用對(duì)第一季N20累積排放量有顯著影響（表1）。玉稻模式第一季N2O累積排放分別為1.7 kg·hm-2（還田）和1.2 kg·hm-2（不還田），均高于雙季稻與再生稻模式（圖3b）；秸稈還田使玉稻模式下N2O累積排放量增加了49.7%。秸稈管理、稻作模式及其兩者交互作用對(duì)第二季N2O累積排放量均有顯著影響（表1）。不論秸稈是否還田，再生稻模式第二季N2O累積排放量均顯著低于雙季稻和玉稻模式（圖3b）。稻作模式、稻作模式與秸稈管理交互作用對(duì)冬閑期N2O累積排放量存在顯著影響，不論秸稈是否還田，3種稻作模式冬閑期的N2O累積排放量大小順序均為玉稻＞再生稻＞雙季稻（圖3b）。稻作模式、秸稈管理及二者的交互作用顯著影響了周年N2O排放量（表1）。無(wú)論秸稈是否還田，玉稻模式周年N2O累積排放量顯著高于雙季稻和再生稻模式；與秸稈不還田相比，秸稈還田使玉稻模式周年N2O累積排放增加36.3%。

2.3 GWP、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和GHGI

秸稈管理與稻作模式對(duì)第一季和周年GWP影響顯著（表1）。周年GWP主要由CH4排放貢獻(xiàn)（78.6%-98.5%），N2O排放引起的貢獻(xiàn)較?。ū?）。雙季稻模式下秸稈還田處理的周年GWP分別比不還田處理增加了31.8%，再生稻模式下秸稈還田處理的周年GWP分別比不還田處理增加了32.8%，玉稻模式周年GWP在秸稈還田和不還田間差異不顯著。無(wú)論秸稈是否還田，玉稻周年GWP顯著低于再生稻和雙季稻模式（圖4a）。

秸稈還田影響雙季稻產(chǎn)量（圖4b），稻作模式顯著影響第一季和第二季的產(chǎn)量（P＜0.05，表1）。相比秸稈不還田，秸稈還田下玉稻模式的第一季產(chǎn)量增加了48.5%（P＞0.05）；第一季再生稻產(chǎn)量分別比雙季稻和玉稻模式高33.8%和105.8%（秸稈不還田）及27.9%和46.7%（秸稈還田）。第二季玉稻產(chǎn)量分別比雙季稻和再生稻模式高6.7%和28．0%（秸稈不還田）及17.0%和89.7%（秸稈還田）。稻作模式對(duì)周年的GHGI影響顯著（表1）；無(wú)論秸稈還田與否，玉稻模式CHGI均低于再生稻和雙季稻模式（圖4c）。

2.4 土壤環(huán)境因子的變化及相關(guān)性分析

在水稻生長(zhǎng)期間，田間處于淹水階段，同時(shí)氣溫明顯高于冬季。土壤NO-3-N含量受施肥的影響，施肥后出現(xiàn)第一個(gè)峰值，最大峰值出現(xiàn)在抽穗期。從周年來(lái)看，秸稈還田下雙季稻和再生稻的平均NO-3-N濃度分別比不還田下高12.0%和8.4%，而玉稻模式還田處理平均NO-3-N濃度比不還田處理減少了9.3%（圖Sa）。從周年來(lái)看，相比于秸稈不還田，秸稈還田下雙季稻、再生稻和玉稻模式平均NH+4-N濃度分別增加了26.1%、11.8%和18.4%（圖Sb）。

秸稈還田下，3種稻作模式的DOC平均濃度在3個(gè)土層中均為第一季高于第二季，且隨土層加深而減少（圖6a、圖6c、圖6e）。秸稈還田下的DOC平均濃度均高于秸稈不還田處理，秸稈還田下雙季稻、再生稻和玉稻模式比不還田分別增加了38.2%、20.9%和25.9%。在5-10 cm雙季稻模式中秸稈還田增加了土壤DOC含量。

秸稈還田下，第一季與第二季MBC平均濃度在3個(gè)土層中均以雙季稻最高（圖6b、圖6d、圖6f）。秸稈不還田下，第一季在3個(gè)土層中MBC平均濃度以玉稻最低，0-5 cm玉稻模式最低為71.2 mg·kg-1，5-10 cm土層中為56.5 mg·kg-1，10-20 cm土層為51.9 mg·kg-。3種模式MBC平均濃度均是秸稈還田高于不還田，與秸稈不還田相比，秸稈還田下雙季稻、再生稻和玉稻模式MBC平均濃度分別增加了24.3%、10.1%和16.0%。

相關(guān)分析結(jié)果顯示（圖7），CH4排放與氣溫和土壤含水量呈極顯著正相關(guān)（P＜0．01），而N2O排放量與NO-3-N、NH+4-N呈極顯著正相關(guān)（P＜0．01）。此外，DOC與CH4和N2O呈負(fù)相關(guān)（P＞0.01），而MBC與N2O呈正相關(guān)（P＞0.05）。

3 討論

3.1 秸稈還田對(duì)不同稻作模式CH4排放的影響

秸稈還田對(duì)玉稻模式周年CH4累積排放沒(méi)有顯著影響，這說(shuō)明秸稈還田對(duì)CH4排放的影響程度因稻田耕作模式而異，其原因可能是由于CH4的產(chǎn)生主要集中于淹水厭氧條件下，而玉稻模式下的管理方式不一致，土壤水分含量顯著低于雙季稻和再生稻田，該“干旱”條件抑制了CH4的產(chǎn)生。另外，雙季稻和再生稻對(duì)秸稈響應(yīng)之間的差異或與品種以及生育期長(zhǎng)短有關(guān)，水分管理、溫度等都會(huì)影響CH4的排放。土壤甲烷生成菌和甲烷氧化菌在CH4的產(chǎn)生和氧化過(guò)程中起著重要作用，它們的繁殖需要充足的底物和適宜的環(huán)境條件。作物秸稈本身含有大量的含碳基質(zhì)，秸稈還田后逐漸分解可為產(chǎn)甲烷菌提供有效的碳底物，從而促進(jìn)CH4的產(chǎn)生。本研究結(jié)果顯示雙季稻模式中秸稈還田增加了土壤DOC含量，說(shuō)明秸稈還田增加了CH4產(chǎn)生的含碳物質(zhì)。還田后的秸稈在分解過(guò)程中會(huì)消耗土壤中的氧氣，降低土壤氧化還原電位，一方面有利于產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，另一方面較低的氧化還原電位可抑制甲烷氧化菌的活性，降低CH4的消耗量。

再生稻模式第一季、第二季CH4累積排放量差異較大（圖3），再生季的CH4排放量?jī)H占水稻季排放總量的21.5%（還田）及22.2%（不還田），這與樊迪等的研究結(jié)果相當(dāng)。這一方面可能是因?yàn)轭^季生長(zhǎng)較好，具有較大的CH4排放量。不同的水稻品種通過(guò)自身的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程、植株長(zhǎng)勢(shì)以及根際來(lái)影響稻田CH4的產(chǎn)生與排放。土壤中的CH4是由產(chǎn)甲烷菌在極端厭氧環(huán)境中作用于產(chǎn)甲烷底物產(chǎn)生的。另一方面可能是由于稻田CH4排放量與土壤NH+4-N含量呈正相關(guān)（圖7），外源無(wú)機(jī)氮的施入增加了NH+4-N含量，提高了產(chǎn)甲烷菌活性。不同的是，玉稻模式第一季CH4排放量低于第二季，在玉稻模式中，玉米生長(zhǎng)期間土壤長(zhǎng)期處于好氧狀態(tài)，該環(huán)境不僅抑制了CH4產(chǎn)生過(guò)程，充足的氧也有利于好氧甲烷氧化菌活性的提高，因此玉米生長(zhǎng)期間CH4累積排放量顯著低于雙季稻模式的早稻季和再生稻模式的頭季。此外，玉稻模式的晚稻季CH4排放量低于雙季稻模式的晚稻季和再生稻模式的再生季，可能是因?yàn)榍耙患镜暮底鲿r(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致土壤中存在大量的電子受體，尤其是高價(jià)鐵和錳，從而形成了較強(qiáng)的氧化體系，這種情況抑制了土壤中產(chǎn)甲烷菌的活性。有研究表明，在稻田灌溉淹水之前，土壤排水干燥的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)于恢復(fù)產(chǎn)甲烷菌活性越不利。只有當(dāng)土壤中的氧化態(tài)物質(zhì)完全還原后，土壤才能提供給產(chǎn)甲烷菌所需的適宜生存環(huán)境。

3.2 秸稈還田對(duì)不同稻作模式N2O排放的影響

由于受到溫度、還田量、施肥等因素的影響，秸稈還田對(duì)N20排放尚未有統(tǒng)一的結(jié)論。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田增加了雙季稻和玉稻模式周年N2O累積排放量，但對(duì)再生稻模式周年N2O累積排放量沒(méi)有顯著影響，這說(shuō)明秸稈還田對(duì)N2O排放的影響程度也因稻田利用模式而異。前人的研究結(jié)果表明秸稈還田增加農(nóng)田土壤N2O排放。土壤N2O的產(chǎn)生主要來(lái)自于微生物的硝化和反硝化過(guò)程。秸稈還田增加了土壤DOC和NH+4-N含量，由此可為硝化和反硝化菌提供充足的能源，此外秸稈分解消耗了部分氧形成微厭氧區(qū)為反硝化微生物提供了一個(gè)良好環(huán)境，充足的碳底物和微厭氧區(qū)有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。

本研究結(jié)果表明無(wú)論秸稈是否還田，玉稻模式周年N2O排放量均高于雙季稻和再生稻模式（圖3），這種差異主要來(lái)自于第一季。這主要是因?yàn)樵谟竦灸Ｊ街?，玉米生長(zhǎng)期間土壤的通氣狀況較好，促進(jìn)了硝化過(guò)程的進(jìn)行，從而增強(qiáng)了N2O產(chǎn)生速率；而雙季稻和再生稻模式第一季干濕交替，再生季持續(xù)淹水，過(guò)程中的厭氧環(huán)境有利于完全反硝化過(guò)程的進(jìn)行，使得大量N2O被還原為N2，從而降低了N2O排放通量。雙季稻和再生稻模式N2O排放差異主要來(lái)自于第二季，這可能是由于晚稻施肥次數(shù)多于再生季且有曬田期，王伊琨等的研究表明施肥促進(jìn)硝化反硝化作用，秸稈覆蓋增加土壤濕度，促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)，增加了N2O的排放；再生稻的再生季由于高溫長(zhǎng)期淹水狀態(tài)，土壤處于強(qiáng)還原狀態(tài)，反硝化作用進(jìn)行徹底，N2O排放量較低。

3.3 秸稈還田對(duì)不同稻作模式GWP和GHGI的影響

GWP可用于評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放對(duì)氣候變化的潛在影響。在所有處理中，周年GWP主要由CH4排放貢獻(xiàn)，N2O排放的貢獻(xiàn)占比較?。ū?），這與成臣等的研究結(jié)果一致，表明減少稻田CH4排放對(duì)減緩溫室效應(yīng)至關(guān)重要。無(wú)論秸稈是否還田，玉稻模式的周年GWP顯著低于雙季稻和再生稻模式，這主要是由于玉稻模式增加的N2O增溫潛勢(shì)低于減少的CH4增溫潛勢(shì)。秸稈還田增加了雙季稻模式與再生稻模式的周年GWP，但對(duì)玉稻模式周年GWP沒(méi)有顯著影響，說(shuō)明在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中考慮秸稈是否還田時(shí)，不應(yīng)忽視當(dāng)?shù)氐牡咎锓N植模式。

CHGI將GWP與作物產(chǎn)量相結(jié)合，是一個(gè)溫室效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。本研究結(jié)果顯示玉稻模式周年GHGI顯著低于雙季稻和再生稻模式。相關(guān)研究表明不同稻田種植模式涉及不同的作物類型和田間管理方式，因此溫室氣體排放和農(nóng)作物產(chǎn)量之間存在較大差異，進(jìn)而導(dǎo)致GHGI存在一定差異。本研究結(jié)果顯示秸稈還田并未顯著改變3種稻作模式的季節(jié)和周年經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，因此，秸稈還田對(duì)不同稻作模式GHGI的影響程度取決于GWP。

綜上所述，在雙季稻、再生稻和玉稻輪作模式中，玉稻輪作的GWP和CHGI顯著低于其他兩種稻作模式，在平衡經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益中具有一定的優(yōu)勢(shì)，是一種生態(tài)環(huán)境友好型的稻田種植模式。

4 結(jié)論

（1）雙季稻和再生稻模式周年CH4累積排放量均顯著高于玉稻模式，雙季稻和再生稻模式周年N2O累積排放量顯著低于玉稻模式。秸稈還田對(duì)CH4和N2O排放的影響程度因稻作模式而異。秸稈還田提高了雙季稻和再生稻周年CH4累積排放量及雙季稻和玉稻模式周年N2O累積排放量。

（2）秸稈還田下玉稻模式的全球增溫潛勢(shì)（CWP）和溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）均為最低，主要由于其周年CH4排放量較低。秸稈還田增加了雙季稻和再生稻的周年GWP，但對(duì)玉稻模式周年GWP沒(méi)有顯著影響。

（3）玉稻模式在平衡經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益中具有一定的優(yōu)勢(shì)，是一種生態(tài)環(huán)境友好型的稻田種植模式。此外，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中考慮秸稈是否還田時(shí)，不應(yīng)忽視當(dāng)?shù)氐姆N植模式。

（責(zé)任編輯：李丹）

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFE0209200-04）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31870424）；長(zhǎng)江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部I程研究中心開(kāi)放基金項(xiàng)目（KF202308. KF202309）