生物可降解膜覆盖对水稻温室气体排放及产量的影响

胡国辉，王军可，王亚梁，朱德峰，陈惠哲，向镜，张义凯，张玉屏

中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室，浙江 杭州 310006

稻田生态系统是温室气体的主要排放源之一，其产生并排放的甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是仅次于二氧化碳（CO2）的重要温室气体（Zhang et al.，2011；IPCC，2013），在一个世纪的时间尺度上，单位质量CH4和N2O的增温潜势分别是CO2的25倍和298倍，对温室效应的贡献率分别为15%和 5%（Hansen et al.，1990；Bridgham et al.，2013；Kirschke et al.，2013）。对于水稻种植大国来说，中国稻田的CH4和N2O排放量较大，其中CH4排放量约占全球稻田的29.2%（Yan et al.，2009）。因此，为了实现水稻绿色生态和高产高效生产目标，减少稻田温室气体排放成为水稻生产面临的新挑战，近些年来，稻田温室气体减排措施开始成为稻作生态环境的研究热点。

稻田温室气体产生主要来自微生物参与的复杂生物化学过程，其中CH4排放与土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌的数量关系密切（Conrad，2007；Mooney et al.，1987），N2O排放则主要通过土壤硝化和反硝化细菌参与硝化和反硝化作用而成的结果（李香兰等，2009a；Ineson et al.，1998），因而能够影响到相关微生物参与生物化学反应的因素均会影响CH4和N2O的排放。前人研究结果表明土壤属性（质地、温度、Eh、pH）（蔡祖聪等，1998；李香兰等，2009b）、土壤有机碳含量（吴家梅等，2017；易琼等，2013）、土壤微生物（秦晓波等，2012a）都会直接或间接的影响稻田CH4和N2O的排放，其中温度和水分是影响其排放的关键因子，温度对稻田CH4和N2O的排放有明显的控制作用（于心科等，1994），通过改变土壤生物学性质和理化性质来影响其产生和传输；在厌氧环境下，产甲烷菌通过对有机质的消耗过程产生甲烷（王楷等，2017；Chidthaisong et al.，1997），而厌氧环境很大程度上取决于土壤水分含量；刘芳等（2013）研究显示覆膜种植能够减少CH4排放，且发现土壤5 cm处温度和水分与水稻生育期稻田CH4的排放有显著正相关，张怡等（2013）研究也表明覆膜栽培改淹水灌溉为湿润栽培，能够改善土壤通气性，减少稻田CH4排放量；而石将来等（2017）研究指出与常规处理相比，地膜覆盖显著提高了水稻季和休闲期的CH4排放总量，还有一些研究显示，与常规栽培相比，覆膜种植可以减少CH4排放，但会增加N2O的排放量（Xu et al.，2004；Yao et al.，2014）；前人关于覆膜种植对温室气体排放的研究中结果不尽相同，其产生的原因可能是不同生态区的雨热、土壤条件差异导致的，同时，关于生物可降解膜覆盖对稻田温室气体排放是如何影响的报道较少，为此本文选取南北差异较大的两个试验区，进行对比研究生物可降解膜覆盖对机插水稻温室气体排放及产量的影响，以期为不同生态区水稻绿色高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地和生物可降解膜概况

大田试验于 2018年在中国水稻研究所富阳试验基地（30°5′N，119°55′E）和吉林省通化市柳河国信社稷尚品农业开发有限公司种植基地（42°25′N，126°08′E）进行。富阳基地位于长江三角洲南翼，属中纬度亚热带季风性气候区，2018年平均气温17.5 ℃，年平均降水量为1715 mm。试验地土质为黏性水稻土，冬闲；0—20 cm土层有机质含量为 52.0 g·kg−1，全氮 2.66 g·kg−1，全磷 0.82 g·kg−1，速效磷 19.7 mg·kg−1，速效钾 138.5 mg·kg−1；柳河基地位于长白山向松辽平原过渡地带，属温带大陆性季风气候，2018年平均气温6.1 ℃，年平均降水量657 mm。试验地土质为灰棕色土壤，0—20 cm 土层有机质含量为 59.3 g·kg−1，全氮 2.71 g·kg−1，全磷 0.92 g·kg−1，速效磷 34.7 mg·kg−1，速效钾 226.2 mg·kg−1。生物可降解膜为巴斯夫公司（BASF）提供的 Ecovio生物可降解农用地膜，其宽度为 1.85 m，厚度为0.01 mm，南方45 d左右开始降解，北方55 d左右开始降解，生育期内可完全降解。

1.2 试验设计与田间管理

1.2.1 试验设计

为研究不同生态区生物可降解膜覆盖机插对稻田温室气体排放及水稻产量的影响，在南北方均种植单季稻，设置生物可降解膜覆盖机插（BM）和不覆膜机插（CK）处理。

北方单季稻：供试品种为五优稻4号；两处理均施生物有机肥2400 kg·hm−2，作为基肥一次施用，有机肥全氮含量为 46.3 g·kg−1，有效磷含量为 1.6 g·kg−1，速效钾含量为 2.2 g·kg−1。每个处理设置 3个重复，每个重复小区面积 1000 m2（长×宽=100 m×10 m），种植方式为覆膜机插种植（挂覆膜机的洋马插秧机），行株距 30 cm×20 cm，密度每公顷16.7万丛，每丛4—5本。

南方单季稻：供试品种为甬优 538；两处理均施用纯氮量240 kg·hm−2的包膜控释氮肥，磷肥为过磷酸钙（含 P2O5的质量分数为 12.5%）450 kg·hm−2，钾肥为氯化钾（含 K2O质量分数为 57%）225 kg·hm−2，肥料全部作基肥一次施用；每个处理设置3个重复，每个重复小区面积 70.2 m2（长×宽=18 m×3.9 m），种植方式为覆膜机插种植（挂覆膜机的洋马插秧机），行株距 30 cm×16 cm，密度每公顷20.9万丛，每丛1—2本。

1.2.2 田间管理

种植管理：北方单季稻于2018年4月15日播种，5月18日移栽，7月10日为穗分化期，8月9日为齐穗期，9月20日成熟；南方单季稻于2018年5月15日播种，6月11日移栽，8月5日为穗分化期，9月3日为齐穗期，11月6日成熟。

水分管理：CK处理采用浅湿交替灌溉；BM处理采用覆膜湿润栽培水分管理，保持田面没有水层，灌溉沟中有水，保证田间土壤含水量基本为饱和状态；北方单季稻于6月25日进行排水烤田，持续到7月6日，南方单季稻于7月20日进行排水烤田，排水持续到7月27日。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 温室气体采集与测定

采用静态箱−气相色谱法测定稻田甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）。气体采样箱由不锈钢底座和采样箱组成，采样箱包括中段箱和顶箱两部分，高均为50 cm，底面积为50 cm×50 cm，箱体材质为不锈钢，表面采用海绵和锡箔纸包裹进行隔热，以此保持箱体内温度恒定；底座和中段箱顶部设有密封用水槽，采样时将静态箱罩在事先埋入田间地下约15 cm深处的不锈钢底座上；根据实际天气情况每 5—10天采气 1次，每次采样时间固定在上午08:00—12:00，抽气时间点分别为罩箱后的0、10、20、30 min，每次自动抽样约500 mL，并记录密闭箱内的温度。气体样品采用岛津（GC-2030）气相色谱仪分析，检测 CH4的检测器 FID，检测温度200 ℃，柱温 60 ℃，检测 N2O的检测器 ECD，检测温度300 ℃，柱温60 ℃，氮气为载气，流速30 mL·min−1；氢气为燃气，流速 40 mL·min−1；空气为助燃气，流速 400 mL·min−1。

1.3.2 土壤微生物丰度测定

分别于水稻穗分化期和齐穗期按照5点取样法取样，利用取土器采集每个小区植株中间位置，耕层（0—20 cm）土壤样品，去杂质后混合待用。产甲烷菌（mcrA）、甲烷氧化菌（pmoA）、反硝化细菌（nosZ），硝化细菌包括氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）基因丰度采用实时荧光定量PCR分析。即用土壤DNA快速提取试剂盒提取土壤DNA，用质量分数为 0.8%的琼脂糖凝胶电泳检测所提 DNA片段大小，并用超微量紫外分光光度计测定 DNA浓度及质量。设计mcrA、pmoA、nosZ、AOA、AOB基因引物，进行实时荧光定量PCR分析。

1.3.3 土壤温度

移栽当天安装 HOBO（HOBO H8 Pro Temp/RH，Onset Computer Corporation，Bourne，MA，USA）温度监测装置，将感应探头放置土壤 5 cm处，每隔两小时自动记录数据1次，每天的土壤温度数据为一天12次记录的平均值。

1.3.4 土壤养分测定

土壤全氮（Soil total nitrogen）采用H2SO4-H2O2消煮，并用FOSS全自动凯氏定氮仪测定含氮量；土壤有机碳（Soil organic carbon）采用重铬酸钾容量法-外加热法测定（鲍士旦，2005）。

1.3.5 测产

每小区随机划定6.67 m2进行测产，单打单收和晒干后，测定稻谷质量和含水率，然后折算成标准含水量14.5%记为实收产量。

1.4 数据处理

温室气体排放通量由该气体在箱中浓度随时间的变化率计算得出，计算方程为甲烷（mg·m−2·h−1）和氧化亚氮（ μg·m−2·h−1）排放通量计算公式如下：

图1 不同生态区覆膜栽培对水稻生育期稻田甲烷排放通量的影响Fig. 1 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on methane emission fluxes during rice growth period

F为排放通量；ρ为标准状态下气体的密度（CH4为 0.714 kg·m−3，N2O 为 1.25 kg·m−3）；H为采样箱体高度；∆c/∆t为采样过程中箱内气体浓度随时间的变化率（mL·m−3·h−1)）；θ为采样时箱内平均温度（℃），273为气态方程常数。每次观测时各处理气体排放通量用3次重复的平均值表示；气体累积排放量用全生育期平均排放通量和全生长季时间的乘积表示。

以100 a为时间尺度，单位质量的CH4和N2O全球增温潜势（Global warming potential，GWP）分别为二氧化碳的25倍和298倍，计算温室气体排放二氧化碳当量（IPCC，2013），GWP=CH4季节排放总量×25+N2O 季节排放总量×298。根据Timothy et al.（2006）计算温室气体排放强度（Greenhousegas intensity，GHGI），GHGI=GWP/水稻产量。

运用Excel 2010和SAS 9.0软件对数据进行统计分析。采用单因素（One-way ANOVA）方差分析和Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 水稻生育期内CH4排放规律

如图1所示，水稻全生育期内稻田CH4日排放通量的动态变化曲线，稻田CH4排放通量具有明显的阶段性变化规律，其排放主要集中在生育前期和中期，但由于不同生态区的水热条件有所差异，导致南北两个试验点稻田CH4排放规律不同，南北生态区处理间在生育期内都出现了一大一小两个明显的CH4排放峰，其差异表现在峰值大小与相对应的移栽时间有所不同；北方单季稻（图1a）CK处理稻田在移栽后43 d和71 d出现了明显的排放峰，其最高 CH4排放通量分别达到 16.8 mg·m−2·h−1和38.9 mg·m−2·h−1，而 BM 处理稻田的 CH4排放峰则出现在移栽后78 d和99 d，且峰值明显低于CK处理，分别为 15.6 mg·m−2·h−1和 6.8 mg·m−2·h−1，从全生育期来看，在齐穗期前BM处理稻田的CH4排放通量小于CK处理，但在之后，CH4排放通量开始高于CK；南方单季稻（图1b）CK和BM处理稻田均在移栽后24 d和52 d出现了明显的排放峰，CK处理的 CH4排放通量峰值分别为 38.0 mg·m−2·h−1和 11.9 mg·m−2·h−1，BM 处理的 CH4排放峰值分别为 16.8 mg·m−2·h−1和 5.6 mg·m−2·h−1，与CK相比，BM 处理的峰值分别显著降低 55.8%和52.9%，且全生育期内，BM 处理的 CH4排放通量均低于 CK，在水稻齐穗期后，两个处理稻田 CH4排放通量均小于 1 mg·m−2·h−1。

2.2 水稻生育期内N2O排放规律

如图2所示，不同生态区及不同处理之间稻田N2O排放规律不同，在生育期内 BM 处理改变了N2O的排放特征，其排放主要集中在生育前中期，且南北生态区在水稻生育期内均出现3次明显的排放高峰；北方单季稻（图2a）BM处理在移栽后15 d 出现排放高峰，峰值为 72.1 μg·m−2·h−1，CK 处理在移栽后 71 d出现排放高峰，峰值为和 88.2 μg·m−2·h−1，BM 处理与 CK 相比，稻田 N2O 排放峰值降低18.3%，在移栽后106 d，BM与CK处理同时出现排放峰，峰值分别为 16.3 μg·m−2·h−1和 44.2 μg·m−2·h−1，BM 处理与 CK 相比，稻田 N2O 排放峰值显著降低63.1%；南方单季稻（图2b）在移栽后31 d，BM和CK处理均出现排放峰，峰值分别为57.0 μg·m−2·h−1和 40.4 μg·m−2·h−1，但差异未达到显著水平，在移栽后59 d和107 d，CK处理均出现排放 峰 ， 峰 值 分 别 为 116.6 μg·m−2·h−1和74.6 μg·m−2·h−1，而 BM 处理没有产生排放高峰，趋于稳定。两个生态区在水稻生育期内N2O的排放通量出现多次峰可能与取样测定前由于降雨导致大田湿度温度不同造成的。

2.3 温室气体排放量

由表1所示，南北生态区BM处理均能有效地降低稻田CH4排放量，与CK相比，北方BM处理显著降低了52.4%，南方BM处理显著降低43.5%，但BM处理对稻田N2O排放量的影响，南北方存在差异，北方BM处理的N2O排放量略高于CK，没有达到显著水平，主要是由于 BM 处理生育前期N2O排放量远高于CK；而南方BM处理与CK相比，N2O排放量显著减少了47.9%。

2.4 产量及温室气体排放强度

从表2可以看出，南北生态区BM处理均能有效的降低稻田增温潜势（GWP）和提高水稻产量，与CK相比，北方BM处理GWP显著降低52.9%，并显著增产 8.7%，南方 BM处理 GWP显著降低45.5%，并显著增产4.1%，南北方BM处理稻田温室气体排放强度（GHGI）也随之下降，与CK相比，北方BM处理GHGI显著降低56%，南方BM处理GHGI显著降低46.6%。

表1 不同生态区覆膜栽培对温室气体排放量的影响Table 1 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on greenhouse gas emissions

图2 不同生态区覆膜处理对水稻生育期氧化亚氮排放通量的影响Fig. 2 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on nitrous oxide emission fluxes during rice growth period

表2 不同生态区覆膜栽培水稻产量及温室气体排放强度Table 2 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on rice yields and greenhouse gas emission intensity (GHGI)

2.5 不同生态区的降雨量变化及覆膜对土壤5 cm处温度的影响

如图3所示，水稻生育期内南北生态区之间的降雨量变化差异很大，全生育期南方降雨量比北方多降89.4%；不同生态区BM处理对5 cm处土壤温度均有增温作用，其增温效果有所不同；北方单季稻（图3a）BM处理增温效果明显，增温作用主要集中在生育前期（5月和6月），且与CK相比，月平均增温达到2.9 ℃，全生育期平均增温1.4 ℃；南方单季稻BM处理（图3b）增温效应不明显，增温效果也集中在生育前期，与CK相比，月平均增温0.7 ℃。

2.6 土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌

土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度在不同生态区、不同处理及不同生育期之间都存在明显的差异（表3）；其变化规律与稻田CH4排放通量变化基本一致，CH4排放集中在水稻生育前期和中期，对应的水稻穗分化期土壤产甲烷菌丰度远大于齐穗期；北方单季稻穗分化期在移栽后51 d，BM处理的CH4排放通量显著低于CK，相对应CK的土壤产甲烷菌丰度与BM处理相比显著提高17.8倍，而BM处理的土壤甲烷氧化菌丰度比 CK显著提高了 11.4倍；南方单季稻穗分化期在移栽后52 d，正好是第2个CH4排放峰，BM处理的CH4排放通量显著低于CK，相应的土壤产甲烷菌丰度与CK相比显著降低51.1%，而土壤甲烷氧化菌丰度与CK相比显著提高3倍；北方单季稻齐穗期在移栽后78 d，正好处在第2个CH4排放峰，BM处理的CH4排放通量显著高于 CK，相应的土壤产甲烷菌丰度与 CK相比显著增加5.6倍，土壤甲烷氧化菌丰度在处理之间没有显著差异；南方单季稻齐穗期在移栽后81 d，BM处理的CH4排放通量与CK相比没有显著差异，但BM处理的产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度均显著高于CK，增加倍数基本一致。

2.7 土壤硝化细菌和反硝化细菌

图3 不同生态区降雨量的变化和覆膜栽培对土壤5 cm处温度的影响Fig. 3 In different ecological areas variation of rainfall and effects of mulching cultivation on soil temperature at 5 cm

表3 不同生态区覆膜栽培对产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度的影响Table 3 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on abundance of methanogens and methanotrophs

表4 不同生态区覆膜栽培对硝化细菌和反硝化细菌丰度的影响Table 4 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on abundance of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria

在不同生态区、不同处理和不同生育时期之间土壤硝化细菌和反硝化细菌丰度（表4）差异较大，与稻田N2O日排放通量曲线（图2）对应来看，在水稻生育前期和中期，N2O排放相对较多，对应的水稻穗分化期土壤硝化细菌和反硝化细菌丰度也远大于齐穗期；在穗分化期，北方单季稻BM处理的N2O排放通量大于CK，但未达到显著水平，相对应的土壤硝化细菌丰度与 CK相比显著降低32%，而土壤反硝化细菌丰度与CK相比显著提高了82.8%；南方单季稻BM处理的N2O排放通量略高于CK处理，相对应的土壤硝化细菌丰度与CK相比显著增加 48.8%，土壤反硝化细菌丰度与 CK相比显著提高91.2%；在齐穗期在，北方单季稻BM处理与CK的N2O排放通量没有显著差异，但对应的土壤硝化细菌丰度与CK相比显著增加92.6%，土壤反硝化细菌丰度与CK相比没有显著差异；南方单季稻N2O排放通量在处理间没有显著差异，相应的土壤硝化细菌和反硝化细菌丰度也未出现显著差异。

2.8 土壤全氮和有机碳

如下图所示，南北生态区覆膜种植对水稻各生育时期土壤全氮（图 4）和有机碳（图 5）含量的影响；北方生态区土壤全氮含量（图4a）全生育期内呈先上升后下降的趋势，与CK相比，BM处理在穗分化期、齐穗期和成熟期均有增加的趋势，且在后两个时期增加差异达到显著水平，BM处理成熟期土壤全氮含量与CK相比显著提高14.8%；南方生态区土壤全氮（图4b）在全生育期内整体上有上升的趋势，与CK相比，BM处理在穗分化期显著增加18.3%，其他时期差异不显著。北方生态区BM和CK处理的土壤有机碳含量（图5a）全生育期内呈先上升后下降的趋势，BM处理的土壤有机碳含量在齐穗期和成熟期与CK相比分别显著增加19.9%和 27.1%；南方生态区土壤有机碳含量（图5b）全生育期内呈先上升后下降的趋势，与CK相比，BM处理在下降阶段降幅较小，其土壤有机碳含量在成熟期显著增加5.1%。

3 讨论

3.1 稻田温室气体排放

图4 不同生态区覆膜栽培对土壤全氮的影响Fig. 4 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on soil total nitrogen

图5 不同生态区覆膜栽培对土壤有机碳的影响Fig. 5 Effects of mulching cultivation in different ecological areas on soil organic carbon

CH4排放是由产生、传输以及消耗3个过程共同作用的结果（Timothy et al.，2006；Mer et al.，2001），因而，影响到其中任一个过程的因素都会改变稻田CH4排放量；本研究表明，生物可降解膜覆盖机插种植改变了CH4的排放特征，南北生态区BM处理均能显著降低稻田CH4排放量（表1），降幅分别为43.5%和52.4%，其主要作用体现在降低了稻田CH4排放高峰值，这与刘芳等（2013）和张怡等（2016）研究结果基本一致；在CH4产生和消耗这两个过程中，本研究发现BM处理能够显著减少产甲烷菌丰度，并显著增加甲烷氧化菌丰度，在南北生态区均表现出一致的结果（表3），Watanabe et al.（2007）研究显示土壤产甲烷菌是稻田甲烷产生的关键微生物，唐海明等（2014）研究表明稻田CH4排放与产甲烷菌和甲烷氧化菌的数量变化密切相关，其中产甲烷菌需要在极度厌氧条件下才能作用于土壤有机物质产生CH4，甲烷氧化菌却是一种专性好氧菌，以 CH4作为唯一能源和主要碳源（Bedard et al.，1989；Conrad et al.，2012），这两种关键功能微生物的数量变化影响着CH4的生成和消耗，BM处理田间不需要水层，改善了土壤本身通气性是导致产甲烷菌和甲烷氧化菌群落变化的关键因素，如果稻田长期处于淹水状态，会减少氧气的传输和扩散，降低土壤氧化还原电位，易于产甲烷菌的快速繁殖，导致CH4的大量排放，而良好的通气性能抑制厌氧的产甲烷菌的生存和繁殖，却促进甲烷氧化菌的增殖，其次BM处理能增加水稻生育前期土壤温度，提高土壤微生物活性，尤其是甲烷氧化菌，Flessa et al.（1995）研究甲烷氧化的日变化发现CH4的氧化与温度呈显著正相关，因此，稻田CH4排放量不仅取决于CH4的生成能力，还在于对内源CH4的氧化能力，土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌群落动态变化是稻田CH4释放的关键所在，吴讷等（2016）研究也显示稻田CH4排放并不是取决于产甲烷菌或甲烷氧化菌中某一个，而是两种细菌基因丰度比值；此外，在CH4的传输过程中，薄膜的存在会直接阻隔或延缓CH4向外界扩散（陶丽佳等，2013），增加其被氧化的时间，使得甲烷氧化菌将未排放的CH4作为碳源进行氧化，从而减少其释放，这可能是BM处理能够显著降低CH4排放峰的原因之一；进一步分析土壤养分变化，与CK相比，北方BM处理在齐穗期和成熟期显著增加了土壤全氮（图4a）和有机碳含量（图5a），南方BM处理在穗分化期显著提高土壤全氮含量（图 4b），在成熟期显著提高土壤有机碳含量（图5b），Hou et al.（2013）研究发现稻田CH4排放和总氮含量呈负相关关系，Minamikaw et al.（2005）研究显示稻田CH4排放与土壤有机碳含量呈显著正相关，还有学者研究认为土壤碳氮比越高，提供碳源和能量就越丰富，土壤有关微生物活性也越高，对应的CH4排放就会增多（Zhang et al.，2016），这与本实验结果趋势相吻合，尤其是南方CK处理，碳氮比显著高于BM处理，对应的CH4排放量也显著增多；但本试验就水稻植株生长特性对CH4排放的影响研究较少，一些研究表明（江瑜等，2018）稻田产生的60%—90%的CH4通是过植株通气组织排放到大气中，而水稻根系作为土壤和植株的纽带，其根系形态和生理特征也会影响CH4排放，因而，对于BM处理如何减少CH4排放的内在机理还需深入的研究。

对于稻田N2O排放，张怡等（2013）研究显示，水稻覆膜种植下稻田 N2O季节总排放量显著高于常规种植，与Cuello et al.（2015）的研究结果一致，而本研究在南北生态区得出的结果存在差异，与CK相比，北方BM处理的N2O排放量略有增加，其增加量主要体现在水稻生育前期，这与于海洋等（2017）的研究结果相同，原因可能是本实验的肥料均是作为基肥一次性施用，导致生长前期土壤中底物丰富，而植株较小，根系发育不健全，对土壤中N的吸收能力还处于较低水平，导致土壤中富集的氮素通过硝化或反硝化作用来生成N2O，尤其是北方BM处理，其生育前期雨水多，增温效果好，月平均增温达到2.9 ℃（图3），在温度较低的北方，土壤温度的升高能够活化土壤微生物，更好地促进细菌的硝化和反硝化作用，从而积累的 N发生转化，产生大量的N2O，而南方BM处理N2O生育期内排放量显著减少47.9%（表1），南北生态区试验结果出现差异，可能是各种复杂因素综合导致的结果，其中土壤水分是影响稻田N2O排放的重要因素（Lydie et al.，2007），而且其排放通量在一定程度上取决于土壤含水量的变化频率（蔡祖聪等，1999），土壤干湿交替阶段会使硝化和反硝化作用发生剧烈，导致稻田 N2O大量排放（徐文彬等，2002），而长期使稻田处于淹水状态会大大降低N2O的排放（Zou et al.，2007），水稻全生育期内南方降雨量比北方多降89.4%，由于降雨多，在大田条件下不能及时控制田间水分，从而影响到了N2O的排放，其次土壤全氮含量的变化趋势也有所不同，全生育期看，北方稻田土壤全氮含量呈下降趋势（图4a），与BM处理相比，CK全氮含量在齐穗期和成熟期都显著下降，而南方稻田土壤全氮含量整体有上升趋势（图 4b），这就导致两个生态区在土壤氮素的消耗上存在差异，对应其为硝化和反硝化过程提供的反应底物也会有影响，通过对土壤微生物的进一步研究，总体上南方稻田土壤硝化和反硝化细菌丰度远大于北方稻田，特别是在穗分化期，这也是北方稻田 N2O排放量比南方稻田少的原因，与CK相比，在穗分化期北方BM处理土壤反硝化细菌丰度显著增加82.8%，南方BM处理土壤硝化和反硝化细菌丰度分别显著提高48.8%和91.2%（表4），Yue et al.（2005）和秦晓波等（2012a）试验结果显示 N2O排放通量与土壤硝化细菌和反硝化细菌数量密切相关，而本研究南方稻田BM处理提高了土壤硝化和反硝化细菌丰度，却反而减少了稻田N2O的排放，这可能与水稻植株的生长及对土壤氮素吸收利用的差异有关，也有可能是薄膜覆盖阻碍其向外释放的结果；因而，关于覆膜种植对稻田N2O的排放还需要进一步研究其对水稻根系及土壤氮素吸收利用的影响。

3.2 温室气体排放强度

温室气体排放强度作为衡量农田温室效应和经济效益的综合指标（Mer et al.，2001），采用全球增温潜势来估算不同温室气体对气候系统的潜在效应，稻田中的CH4的增温潜势在一个世纪的时间尺度上远远高于N2O的增温潜势，BM处理虽然会增加N2O的排放量，但显著降低了稻田CH4的排放量，使整体的增温潜势下降，秦晓波等（2012b）研究也表明减少稻田CH4排放就能有效降低稻田温室气体排放强度，与CK相比，南北生态区BM处理均能显著降低稻田温室气体排放强度，由此可见，生物可降解膜覆盖种植既能减缓温室气体排放和气候变化，又能增加水稻产量，符合当前可持续农业发展所要求的环境效益和经济效益平衡统一。

4 结论

生物可降解膜覆盖机插种植模式能增加土壤温度和土壤全氮和有机碳含量，并提高水稻产量，在南北试验点分别增产4.1%和8.7%。覆膜种植改善土壤通气性，降低了土壤产甲烷菌丰度，并提高甲烷氧化菌丰度，进而减少了稻田CH4排放量，在南北方分别降低43.5%和52.4%，与CK相比，南北方覆膜种植的增温潜势（GWP）和稻田温室气体排放强度（GHGI）均显著降低，其中采用生物可降解膜替代塑料薄膜，降低了水稻覆膜生产中对环境的污染，从环境效益和经济效益考虑，生物可降解膜覆盖机插种植模式是水稻绿色高效生产的有效途径。