再生稻栽培模式下冬半年覆盖植被对土壤CH4和N2O排放的影响

吕泽芳 高珍珍 刘章勇

摘要：为研究冬半年覆盖植被对再生稻（Oryza sativa L.）栽培模式下土壤CH4和N2O排放的影响，采用静態暗箱-气相色谱法观测了再生稻-冬闲（CK）、再生稻-油菜（FR）和再生稻-紫云英（MR）等处理下CH4和N2O的排放通量。结果表明，所有处理的CH4和N2O排放通量在冬半年覆盖植被生长期间较小，在水稻生长季较大。头季稻生长期间土壤CH4累积排放量占全年的85.89%～97.48%，其中MR处理的土壤CH4累积排放量显著低于CK和FR处理;再生季稻生长期间各处理间土壤CH4累积排放量差异不显著，占全年的2.02%～14.11%。头季稻生长期间土壤N2O累积排放量是再生季稻生长期间的1.74～2.43倍，其中头季稻生长期间MR处理土壤N2O累积排放量显著低于CK，再生季稻生长期间各处理差异不显著。各处理CH4和N2O年全球增温潜势（GWP）从大到小依次为FR、CK、MR，且水稻生长季排放的CH4和N2O的GWP远高于冬半年作物期。同时，水稻生长季CH4排放对GWP的贡献远高于N2O，是N2O的1.64～3.87倍。综上，再生稻栽培模式下，头季稻生长期间是控制温室气体CH4和N2O排放的关键时期;再生稻-紫云英模式有利于减少CH4和N2O的排放，是生态环境效益较高的再生稻栽培模式。

关键词：再生稻（Oryza sativa L.）;油菜（Brassica napus L.）;紫云英（Astragalus sinicus Linn.）;冬闲;温室气体

中图分类号：S511;X57         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）15-0060-06

Abstract： In order to study the effects of  cover plant in winter on the CH4 and N2O emissions from ratoon rice system， the CH4 and N2O flux was observed by the static closed chamber-gas chromatography method under the treatment of ratoon rice-fallow （CK）， ratoon rice-rapeseed （FR）， and ratoon rice-milk vetch （MR）， respectively. Results showed that the CH4 and N2O flux of all treatments was low in the winter cover plant growing season， and was high in the rice growing season. The cumulative CH4 emissions in the main rice growing season occupied 85.89% to 97.48% of annual cumulative CH4 emissions. During the main rice growing season， the cumulative CH4 emissions in the treatment of MR was significantly lower than that in the treatment of CK and FR. Over the ratoon season， there was no significant difference in the cumulative CH4 emissions among each treatment， and which occupied 2.02% to 14.11% of annual cumulative CH4 emissions. The cumulative N2O emissions in the main rice growing season was 1.74 to 2.43 times of ratoon season. The cumulative N2O emissions of MR was significantly lower than that of CK in the main rice season， and there was no significant difference in the cumulative N2O emissions among each treatment in the ratoon season. The total annual global warming potential （GWP） of CH4 and N2O for each treatment was in decreased order of FR， CK， MR. And the GWP of CH4 and N2O in the rice growing season was significantly higher than that in the winter cover plant growing season. Meanwhile， the contribution of CH4 emission to GWP in rice growing season was much higher than that of N2O. Therefore， the main rice season is the key season for reducing the greenhouse gas emissions. And plant milk vetch in the winter season could reduce the CH4 and N2O emissions under the ratoon rice system compare plant rapeseed or fallow.

Key words： ratoon rice（Oryza sativa L.）; rapeseed（Brassica napus L.）; milk vetch（Astragalus sinicus Linn.）; fallow; greenhouse gas

稻田生態系统是CH4和N2O重要的排放源，对全球温室效应贡献巨大[1， 2]。再生稻（Oryza sativa L.）作为国家农业农村部主推的栽培技术，是指通过一定栽培管理措施使头季稻收割后稻桩上存活的休眠芽继续萌发生长成穗而收获水稻的一种种植模式。近年来再生稻在中国发展迅速，已成为中国中部及南方主要农作物种植模式之一[3]。随着社会对再生稻的重视，再生稻的相关研究倍受关注[4-6]，其中再生稻对生态环境的影响，尤其是温室气体排放的相关研究已成为研究热点[7-9]。

利用再生稻栽培模式下冬半年空闲时间种植植被，可以提高土地利用率，增加复种指数。同时冬半年覆盖作物秸秆还田不仅有利于提高稻田不同层次土壤有机碳储量[10]、改善土壤结构[11]、提高土壤肥力[12]，而且能够促进水稻各部位干物质积累和转运[13]。然而冬半年种植作物可能会导致稻田生态系统CH4和N2O排放的增加[14]，且不同作物种类对农田温室气体排放的影响存在差异[15]。因此，本试验以再生稻模式为对象，研究冬半年覆盖不同植被对CH4和N2O排放的影响，旨在探明再生稻栽培模式下CH4和N2O排放的规律，并进一步明确利于CH4和N2O减排的栽培模式，为进一步优化再生稻栽培技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验在湖北省荆州市长江大学农业高科技产业园区（30°06′N，111°54′E）进行。该试验地位于江汉平原，年平均气温为16 ℃，无霜期为242～263 d;年平均降水量在1 100 mm左右，主要集中在4—7月，具有雨热同季的亚热带季风性气候特点。试验地供试土壤为河流冲击物发育的潴育型水稻土。试验前土壤基本理化性质为全氮含量2.08 g/kg、有机质含量30.34 g/kg、速效磷含量3.57 mg/kg、pH 8.42。

1.2 试验设计与田间管理

试验于2018年10月底至2019年10底开展，设再生稻-冬闲（CK）、再生稻-油菜（Brassica napus L.）（FR）和再生稻-紫云英（Astragalus sinicus Linn.）（MR）3个轮作模式处理，每个处理4次重复。试验小区随机排列，小区面积50 m2，各小区之间采用宽25 cm的水泥田埂隔开，每个小区均能够独立排灌。

试验于2018年10月26日在冬半年植物播种前进行整田，同时施入基肥。基肥采用复合肥（N、P、K养分含量均为15%），一次性施入，油菜施肥量为600 kg/hm2，紫云英施肥量为250 kg/hm2。油菜和紫云英均采取撒播进行播种，油菜供试品种为T2159，播种量为4.50 kg/hm2，紫云英供试品种为当地常规品种，播种量为18.75 kg/hm2。油菜和紫云英均在2019年4月22日还田，油菜直接切成10 cm左右的小段翻压还田，紫云英采取直接翻压还田。

水稻供试品种为丰两优香1号，于2019年4月25日采取人工插秧进行移栽，移栽行株距分别为36.7、26.7 cm。水稻季N、P2O5、K2O肥料总用量分别为249.00、72.00、90.00 kg/hm2，减去各处理植物还田中的氮、磷、钾养分含量后，用化学肥料补足。水稻移栽前施入基肥，氮肥为尿素（46%），磷肥为过磷酸钙（12%），钾肥为氯化钾（60%）;头季稻收割前后各追肥1次，均为尿素，促芽肥∶提苗肥=1∶1，各处理田间化肥施用量详见表1。冬半年作物生长期间仅为自然降水，不进行灌溉。水稻的头季和再生季生长期间均实行干湿交替的灌溉模式，头季稻收割后田间立即复水，水稻成熟前约一周田间停止灌水。打药、除草等田间管理措施参照当地常规管理措施进行。试验期间的气象数据从荆州市气象局自动观测站获得，其日平均气温和日降水量如图1所示。

1.3 气体样品的采集与测定

CH4和N2O排放通量采用密闭式静态暗箱-气相色谱法进行测定。密闭式暗箱分为箱体和底座两部分，均由铝材焊接而成。箱体高1 m、直径0.5 m，箱体顶部内侧装有4个小风扇以混匀气体，另有1个小型温度计用于测定采集气样时箱内温度，箱体外侧包裹泡沫层和锡箔纸以保温隔热。底座高0.2 m、直径0.5 m，上部设置盛水凹槽，深约0.03 m。采样过程中，将底座插入土壤，深约10 cm，确保底座下沿深入土壤。整田时将底座从田间移出，其他时间保持底座位置不变。

气体样品采集频率水稻生长期间约7 d/次，冬半年作物生长期间约14 d/次，施肥后采样频率适当增加。每次采样均在上午8：00—11：00进行，采样前先将底座凹槽内灌满水，利用水封隔绝箱内外气体交换形成密封环境。采用100 mL注射器分别将罩箱后0、6、20 min时的箱内气体转移至1 000 mL的锡箔采样袋中，备用。每次采集气样的同时用土温计测定10 cm处土壤温度，每个小区2次重复。

采集的气体用GC-2014气相色谱仪进行测定。FID检测器用于测定CH4浓度，柱温65 ℃，检测器温度200 ℃。ECD检测器用于测定N2O浓度，柱温65 ℃，检测器温度320 ℃。气体排放通量的计算公式[16]：

[F=ρ×h×dcdt×273273+T]

式中，F表示气体排放通量，[ρ]表示标准状态下气体密度，h表示采样箱高度，[dcdt]表示采集气样过程中气体浓度随时间的变化率，T表示采集气样时箱内摄氏温度。全球增温潜势（GWP）以100年尺度计算，单位质量CH4和N2O分别是CO2的25倍和265倍。

3 讨论

水稻生长期CH4与N2O的GWP分别占年GWP的63.76%～77.78%和20.12%～38.98%，而冬半年覆盖植被生长期间CH4和N2O的GWP仅占年GWP的-0.82%～0.28%和-1.92%～2.05%，表明水稻生长季是温室气体CH4与N2O排放的主要季节，且CH4对GWP的贡献高于N2O。邓桥江等[20]也指出，在再生稻栽培模式下，CH4对GWP的贡献远大于N2O的贡献。

本研究中，水稻生长季CH4排放量显著高于冬半年，这与徐驰等[21]、刘威[22]的研究结果一致。其主要原因可能是水稻生长季长期灌水，且降雨量较多，土壤水分达到饱和状态，形成厌氧且还原性高的环境，促进了产甲烷菌的生殖繁育。而水稻季土壤产甲烷菌以土壤中的有机物为能源物质产生CH4，导致CH4排放增加[23]。邓桥江等[20]和张浪等[7]均指出再生稻栽培模式下CH4排放主要集中在头季稻生长期间，而再生季相对较少，这与本研究结果一致。一方面由于头季稻生长期间较高的氮肥用量，导致土壤NH4+-N较高，从而抑制CH4氧化菌的活性，导致较高的CH4排放。另一方面，头季稻分蘖盛期水稻生长旺盛，且气温和降水均高于其余各时期，促进了产甲烷菌的活性，从而增强稻田CH4排放。

本研究油菜还田时处于结荚期，尚未成熟，油菜青秆外表面的蜡质层在淹水条件下很难被腐解[24，25]，释放养分较少。因此，与再生稻-冬闲相比，再生稻-油菜虽促进了稻田CH4和N2O排放，但效果并不显著。而相比再生稻-冬闲和再生稻-油菜，再生稻-紫云英明显降低了稻田CH4和N2O的累积排放量，表明冬种紫云英还田对稻田CH4和N2O排放均有抑制作用。紫云英是豆科固氮作物，还田后可能通过影响土壤氮素形态转化进程，提高土壤微生物活性，改善土壤微生物群落结构，促进水稻根际部分有益微生物的生殖繁育，减少速效态氮素损失，抑制稻田N2O排放[26-28]。紫云英还田能够减少稻田N2O排放，一是紫云英的腐解消耗了土壤中的氧气，减弱了硝化强度，进而减少了N2O的产生[29];同时当土壤中氧气供应不足时，N2O可能作为O2-·的替代物，作为电子受体被还原为N2，从而减少N2O排放[30]。二是紫云英还田可能增加了土壤中的碳源。碳源的分解可能会消耗部分NO3--N，导致反硝化作用所需底物減少，进而减少了反硝化过程所产生的N2O[31，32]。邓丽萍[33]和熊正琴等[34]的研究亦证实了冬种紫云英能够减少稻田CH4和N2O排放。

4 小结

再生稻栽培模式下，头季稻生长期间是温室气体CH4和N2O排放的主要时期，且CH4排放对温室气体全球增温潜势贡献远大于N2O。相比冬闲和种植油菜，冬半年种植紫云英可以显著降低头季稻生长期的CH4和N2O排放，从而降低再生稻栽培模式下的全年温室气体排放的全球增温潜势，是生态环境效益较高的再生稻栽培模式。

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