遮阴对南方稻−麦土壤CH4和N2O碳排放强度的影响*

马 莉，娄运生，杨晓军，苟 尚，李 君，李 睿，张 震

（1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京210044；2.兰州中心气象台，兰州 730020；3.南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室，南京210044）

人类活动引起的大气污染、气溶胶浓度增加导致太阳辐射减弱[1]。IPCC第五次报告指出，1750−2011年气溶胶辐射使到达地球表面的太阳辐射减弱了0.9W·m−2[2]。据报道，中国东南部和南京地区的太阳辐射下降速率分别为10.17MJ·m−2·a−1和0.2MJ·m−2·d−1[3−4]。太阳辐射减弱、连续阴雨天数增加导致江苏沿江及苏南地区稻麦轮作种植区水稻成熟期延长，冬小麦适播期推迟[5−6]，使水稻和冬小麦植株干物质重、产量、叶片光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著降低[7−9]。冬小麦晚播使植株干物质重降低，但仍可保持较高产量[10]。CH4和N2O是仅次于CO2的主要温室气体，自1750年以来，CH4和N2O的浓度分别增加了150%和20%，分别占温室气体排放总量的16%和6.2%[2]。据估计，大气中15%～30%的CH4和80%～90%的N2O源自农田土壤[11]。稻麦轮作是中国主要的种植制度，约占全国水稻种植面积的16%，稻麦轮作系统N2O排放量占农田总排放量25%～35%[12]。因此，在稳定稻−麦生产，实现环境和经济效益统一的需求形势下，减少稻−麦土壤温室气体排放及降低碳排放强度已成为稻−麦生产应对气候变化的研究热点。

目前国内外关于遮阴、不同农田管理（水稻水分管理，冬小麦播期管理）等单因子对水稻、冬小麦生长发育及其农田温室气体排放的研究较多。研究表明，在稻麦轮作系统中，稻田是CH4和N2O的排放源，冬小麦田是N2O的排放源，CH4的吸收汇[12−13]。水分管理对稻田CH4和N2O的产生、氧化和传输排放有着决定性的影响，直接影响稻田CH4和N2O的排放量，水分对减少稻田CH4和N2O排放有相反作用[14]。Hou等研究表明，稻麦轮作系统CH4和N2O的排放与田间含水量息息相关，常规灌溉的CH4排放量明显高于控制灌溉、湿润灌溉和间歇灌溉，而长期淹水灌溉的N2O排放量较低[15−16]。节水灌溉可提高水分利用率，促进水稻生长发育，提高产量，同时可降低稻田CH4排放量，但促进N2O排放[6，15]。遮阴抑制水稻和冬小麦的生长发育，降低生物量和产量，同时可降低稻田CH4排放[17]。麦田土壤是CH4弱排放源，主要与降水和温度有关[18]。稻麦轮作系统N2O排放主要通过土壤微生物硝化−反硝化机制排放到大气中[18]。研究表明，水稻晒田、节水灌溉以及冬小麦田，改善了土壤的通气性，提高了土壤中硝化细菌和反硝化细菌等微生物的数量和活性，有利于硝化作用与反硝化作用共同进行，可促进稻−麦土壤N2O排放[19−20]。

有关太阳辐射减弱或不同农田管理（水分管理/播期）单因子对稻−麦土壤温室气体排放影响的研究报道较多，但二者耦合对稻−麦生产、CH4和N2O排放及全球增温潜势和碳排放强度的影响，迄今尚不清楚。因此，本研究通过田间模拟试验，阐明太阳辐射减弱下不同农田管理（水分管理/播期）对稻−麦生产的影响，以实现环境和经济效益的统一，对提高稻−麦生产应对和适应气候变化的能力有积极意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间模拟试验于2017年6月−2018年5月在南京信息工程大学农业气象试验站（32.0°N，118.8°E）进行。该站地处亚热带湿润气候区，年均降水量1100mm，年平均气温15.6℃。稻−麦生长期内累积降水量分别为708.3mm和503.9mm，其中水稻晒田前期、晒田期间和晒田结束−收获的累积降水量分别为89.4、210.4和408.5mm。供试土壤为潴育型水稻土，灰马肝土属，质地为壤质黏土，黏粒含量为26.1%，有机碳、全氮含量分别为1.94%、0.15%，pH为6.2。供试水稻和冬小麦品种，分别为南粳5055和苏麦188，适宜在江苏沿江及苏南地区种植。供试肥料为氮磷钾高浓度复合肥料（15−15−15）。

1.2 试验设计

稻麦轮作共设6个处理。第一季为水稻，水稻种子经消毒后于2017年5月7日育苗，6月7日移栽，8月1−13日中期晒田，10月1日停止灌溉晒田，10月28日收获。第二季为冬小麦，于2017年11月播种，2018年5月28日收获，每小区播种100g。每小区分别在水稻移栽前、冬小麦播种前施复合肥料315g。小区面积2m×2m。每处理重复3次，随机排列。

稻麦轮作系统采用双因素试验设计，遮阴强度设3个水平，包括对照（即CK，不遮阴）、轻度遮阴（S1，单层遮阴）和重度遮阴（S2，双层遮阴）。农田管理（水分管理/播期）设2个水平，常规淹水/常规播期（F/P），即水稻生育期内保持田面水层深度为5cm，冬小麦播种时间为2017年11月6日；湿润灌溉/晚播（M/L），即水稻生育期内田面无水层，冬小麦播种时间为2017年11月13日。水稻、冬小麦生长季两因素随机区组排列，实验设计组合见表1。

两作物生长季遮阴处理方式和时间：水稻遮阴处理在拔节−灌浆期（2017年7月14日−10月19日），冬小麦遮阴处理在孕穗−灌浆期，常规播期处理遮阴时间为2018年3月23日−5月3日，晚播处理遮阴时间为2018年3月30日−5月10日。采用普通黑色遮阳网覆盖水稻和冬小麦植株冠层，根据稻麦轮作生长进程及时调整遮阳网的高度，使遮阳网与冠层之间距离保持0.3m以上，以保证冠层通风良好及便于田间观测和采样，遮阴装置如图1所示。不同处理的平均遮阴率分别为0、61.26%和83.65%（表2）。

表2 各处理水稻和冬小麦主要生育期的实际遮阴率（%）Table 2 Shading rate at rice-wheat main growth stages under different treatments（%）

1.3 项目观测

1.3.1 CH4和N2O采集与分析

采用密闭静态箱−气相色谱法测定CH4和N2O排放通量。每周采样1次（间隔5～7d），采样时间为8：00−11：00。采样时将PVC静态箱底部置于固定底座上，通过淹水层密封保证静态箱气密性，封箱后0、15、30min用带有三通阀的针筒采集50mL气样，将所采气样注入事先抽成真空的玻璃瓶中。气样带回实验室用带有氢火焰离子检测器（FID）的气相色谱仪（Agilent 7890B GC）检测CH4气体浓度。色谱柱选用Porapak Q填充柱，型号为G3591−81013；载气N2（流量校正不会影响尾吹气或燃气流量）；柱箱温度50℃，FID检测器温度为200℃，空气和H2流量分别为400和45mL·min−1。

甲烷排放通量计算式为[21]

式中，F为气体排放通量（mg·m−2·h−1），ρ为标准状态下气体密度（kg·m−3），H为采样箱的净高度（m），为单位时间内采样箱内气体的浓度变化率，273为气态方程常数，t为采样过程中采样箱内的平均温度（℃）。

稻麦轮作系统CH4和N2O累积排放量计算式为

式中，T为气体累积排放总量（mg·m−2）；Fi和Fi+1分别为第i次和第i+1次采样时气体平均排放通量（mg·m−2·h−1）；Di和Di+1分别是第i次和第i+1次采样时的采样时间（d）。

1.3.2 生物量及产量测定

在水稻和冬小麦成熟期，每小区随机选取有代表性的3株植株，将植株分为茎、叶、穗，称取鲜重，放入烘箱，在80℃下烘干至恒重，再称取干重。在稻−麦植株成熟收获期，每个小区选取50cm×50cm长势均一的稻−麦植株采集穗，用常规方法进行脱粒、风干，计算产量。

1.3.3 遮阴率测定

采用AccuPAR植物冠层分析仪（DECAGOB LP−80，美国）测定遮阴率。每个生育期测定1次，测定时选择晴朗无云、风力小于3级的天气，在11：00−14：00完成。先对仪器进行校正，然后在每个小区水稻和冬小麦冠层处测量网内和网外的光合有效辐射（PAR），计算遮阴率，即

1.3.4 全球增温潜势（GWPs）和碳强度（GHGI）计算

GWPs（global warming potentials）是评价各种温室气体产生温室效应及对气候变化影响相对能力的一个指数。以百年尺度衡量，当土壤排放气体时，将CH4和N2O全生育期累积排放量分别乘以45和270转化为CO2当量增温潜势；当土壤吸收气体时，将CH4和N2O全生育期累积排放量分别乘以203和349转化为CO2当量冷却潜势[22−23]。计算式分别为

式中，SGWP和SGCP分别为CH4和N2O的增温潜势和冷却潜势（CO2kg·hm−2），GWPs为稻−麦系统CH4和N2O的综合增温潜势，TC和TN分别为CH4和N2O的累计排放量（mg·m−2）。

小麦成熟后测产，计算稻麦轮作土壤CH4和N2O的碳强度，即单位产量温室效应碳当量，计算式为[24]

式中，GHGI指碳强度（排放强度或吸收强度），是衡量1t水稻或冬小麦平均释放或吸收温室气体的参数（CO2kg·t−1），Y指单位面积的水稻或冬小麦产量（t·hm−2）。

1.3.5 环境因子的测定

在水稻和冬小麦生长期，每个处理配置温度自动记录仪（型号L93-4），每30min记录一次数据（稻−麦冠层温度和5cm土壤温度）。

1.4 数据处理与分析

使用Excel、SPSS 21和Origin 9软件对试验数据进行统计分析及作图，根据最小显著差数法（LSD法）进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 遮阴对稻−麦环境温度及CH4和N2O排放的影响

2.1.1 温度

由表3可见，不同遮阴处理对稻−麦田间气温会产生一定的影响。在稻麦轮作系统中水稻生长季内，各种辐射条件下湿润灌溉（M）处理中冠层高度气温和5cm土壤温度总体上均低于常规淹水处理（F），但无论常规淹水（F）还是湿润灌溉（M）处理，遮阴（轻度S1和重度S2）都会使水稻冠层气温明显降低，冠层平均气温分别比各自对照处理（正常辐射）降低0.49、0.79、0.42 和2.30℃。进一步分析可见，两种灌溉方式下，遮阴对5cm土壤温度的影响却表现出相反的情况，在湿润灌溉（M）处理中，遮阴（轻度S1和重度S2）使逐日5cm土壤平均温度比正常辐射（M+CK）条件下分别降低0.73和2.28℃，而常规淹水（F）处理中，遮阴（轻度S1和重度S2）使逐日5cm土壤平均温度比正常辐射（F+CK）条件下分别升高0.25和0.08℃。在稻麦轮作系统冬小麦生长季内，无论是常规播期（P）还是晚播（L）处理，遮阴（轻度S1和重度S2）均使冬小麦冠层气温明显降低，冠层平均气温分别比各自对照处理（正常辐射）降低0.63、0.71、0.87 和0.86℃；而遮阴对5cm土壤温度的影响表现出相反情况，与各自对照处理相比，5cm土壤温度分别升高0.09、1.10、0.75和0.89℃。可见，两种遮阴条件可使稻−麦冠层气温及冬小麦田间5cm土壤温度降低，而遮阴对水稻田间5cm土壤温度的影响则与灌水方式有关，土壤温度的变化可能对土壤温室气体排放带来影响。

表3 各处理稻−麦生长季冠层气温和5cm土壤温度的比较（℃）Table 3 Comparison of canopy air temperature and soil temperature at 5cm depth during rice growth period under different shading intensity and water management（℃）

2.1.2 CH4和N2O排放通量

由图2可见，各处理下稻麦轮作土壤CH4排放/吸收通量的季节性变化趋势基本一致。稻麦轮作系统中，水稻生长季稻田CH4排放通量表现为先升高后降低趋势，于移栽后第51天（拔节期）达到峰值，移栽后第58−65天（晒田期）CH4排放通量急剧降低，晒田结束复水后，CH4通量又缓慢上升，之后逐渐降低并维持较低水平直至水稻成熟（图2a）。稻麦轮作系统中，冬小麦生长季麦田总体表现为对CH4的吸收，返青−灌浆前期，吸收通量呈波动状态，常规播期（P）和晚播（L）分别于播种后的第160天、第153天出现吸收谷（图2b）。

稻麦轮作系统中，遮阴（S1、S2）显著降低了常规淹水处理（F）下水稻田CH4排放通量，促进了湿润灌溉处理（M）下稻田CH4排放通量和麦田对CH4的吸收。与各自的对照（CK）相比，遮阴（S1，S2）使稻麦轮作系统中常规淹水条件下稻田平均CH4排放通量分别降低68.41%和40.91%，湿润灌溉条件下稻田平均CH4排放通量分别升高49.87%和4.62%，常规播期和晚播处理下麦田平均CH4吸收通量分别提高61.35%、67.60%、47.07%和53.69%。无论遮阴与否，稻麦轮作系统中湿润灌溉处理较常规淹水处理降低了稻田平均CH4排放通量，各处理（CK、S1、S2）分别降低84.23%、0.43%和72.08%，晚播处理较常规播期处理促进麦田平均CH4吸收通量，各处理（CK、S1、S2）分别升高48.66%、29.70%、26.63%。

图2 各处理水稻（a）和冬小麦（b）生长季CH4排放通量观测值的逐日变化Fig.2 Daily variation of CH4emission flux observed in the growing season of rice（a） and winter wheat（b） in different treatments

图3 各处理水稻（a）和冬小麦（b）生长季N2O排放通量观测值的逐日变化Fig.3 Daily variation of CH4emission flux observed in the growing season of rice （a） and winter wheat （b） in different treatments

如图3所示，6种处理下稻麦轮作土壤N2O排 放通量的变化趋势基本一致。稻麦轮作系统中各处理稻田N2O排放通量在分蘖期较低，晒田期间急剧上升，于第65天达到峰值，晒田结束复水后，N2O排放通量迅速降低，之后呈现波动变化；生长后期停止灌水后，N2O排放通量又开始波动上升直至收获。稻麦轮作系统中各处理麦田N2O排放通量呈现为先升高后降低的变化趋势，常规播期和晚播处理分别于播种后的第170天和第163天达到峰值。

从整个生长季节来看，与各自的对照相比，遮阴促进了稻麦轮作系统稻田和麦田N2O排放，稻田中常规淹水和湿润灌溉处理下的N2O平均排放通量分别升高56.17%、65.69%、50.34%和59.87%，麦田中常规播期和晚播处理的N2O平均排放通量分别升高32.85%、40.34%、20.96%和33.95%。无论遮阴与否，湿润灌溉处理促进了稻麦轮作系统中稻田N2O排放，比常规淹水处理（CK、S1、S2）高出39.34%、31.37%和29.14%；晚播处理降低了稻麦轮作系统中麦田N2O平均排放量，比常规播期处理降低了25.65%、36.83%和32.84%。可见，遮阴可促进稻麦轮作土壤N2O排放，湿润灌溉处理可促进稻麦轮作系统稻田N2O排放通，而晚播处理可缓减稻麦轮作系统麦田N2O排放。

2.1.3 CH4和N2O累积排放量

如表4所示，在稻麦轮作系统中，不同处理的CH4累积排放量均以稻田为主导，占100%左右；各处理中，不遮阴下常规淹水/常规播期（F/P+CK）处理CH4累积排放量最高，为7734.93mg·m−2，其次是重度遮阴下常规淹水/常规播期（F/P+S2）处理，为4469.56mg·m−2，不遮阴下湿润灌溉/晚播（M/L+CK）处理最低，为1035.40mg·m−2。不同农田管理下（F/P和M/L），与各自的对照（CK）相比，遮阴（S1、S2）显著降低了稻麦轮作系统常规淹水/常规播期（F/P）条件下的CH4累积排放量，降幅分别为68.08%、42.22%，达显著差异水平（P＜0.05）；遮阴提高了湿润灌溉/晚播（M/L）条件下CH4累积排放量，增幅分别为101.19%、25.79%，但差异不显著。无论遮阴与否，湿润灌溉/晚播（M/L）处理均降低了稻麦轮作系统CH4累积排放量。与常规淹水/常规播期处理相比较，湿润灌溉/晚播处理CH4累积排放量在各遮阴（不遮阴CK、轻度遮阴S1、重度遮阴S2）条件下分别降低了86.61%、15.63%和70.86%，除轻度遮阴外，各处理间的差异均达5%显著水平。可见，遮阴可缓解稻麦轮作系统常规淹水/常规播期条件下CH4累积排放，促进湿润灌溉/晚播条件下CH4累积排放；湿润灌溉/晚播可降低稻麦轮作系统CH4累积排放量。

由表5可看出，稻麦轮作系统中常规淹水/常规播期处理（F/P）N2O累积排放以冬小麦田为主导，占稻麦轮作系统的56.82%～68.72%；湿润灌溉/晚播处理（M/L）N2O累积排放以稻田为主导，占稻麦轮作系统的51.34%～62.13%。各处理中，重度遮阴下湿润灌溉/晚播（M/L+S2）处理的N2O累积排放量最高，为124.74mg·m−2，其次是重度遮阴下常规淹水/常规播期（F/P+S2）处理，为123.88mg·m−2，不遮阴下常规淹水/常规播期（F/P+CK）处理最低，为58.60mg·m−2。遮阴（S1、S2）显著提高了稻麦轮作系统各处理（F/P和M/L）N2O累积排放量，与各自的对照（CK）相比，增幅分别为75.63%、111.40%、63.59%、103.56%，且与对照间的差异均达显著水平（P＜0.05）。与常规淹水/常规播期（F/P）处理相比，除轻度遮阴（S1）外，湿润灌溉/晚播（M/L）处理略降低了稻麦系统其它处理的N2O累积排放，但差异不显著。可见，遮阴可促进稻麦轮作系统各处理N2O累积排放；湿润灌溉/晚播降低了稻麦系统N2O累计排放量。

表4 各处理水稻/冬小麦生长季CH4的累积排放量Table 4 Cumulative emissions of CH4during the rice/winter wheat growing season of different treatments

表5 各处理水稻/冬小麦生长季N2O的累积排放量Table 5 Cumulative emissions of N2O during the rice/winter wheat growing season of different treatments

2.2 遮阴对稻−麦生物量及产量的影响

由表6可见，遮阴显著降低了水稻和冬小麦生物量。在相同遮阴（对照CK、轻度S1和重度S2）条件下，湿润灌溉和晚播处理分别降低了水稻和冬小麦生物量，但处理间差异不显著。在相同的灌溉（常规灌溉F和湿润灌溉M）条件下，与各自的对照相比（CK），遮阴（轻度S1和重度S2）使水稻生物量分别显著降低35.68%、35.10%、36.69%和40.53%（P＜0.05）。在相同的播期（常规播期P和晚播L）条件下，与各自的对照相比（CK），遮阴（轻度S1和重度S2）使冬小麦生物量分别显著降低38.41%、43.56%、28.90%和39.28%。

遮阴导致水稻和冬小麦产量显著下降。与各自对照（CK）相比，不同灌溉（F和M）条件下水稻显著减产43.43%、58.23%、22.63%和45.96%（P＜0.05），不同播期条件下冬小麦（P和L）显著减产26.84%、35.05%、28.08%和61.89%（P＜0.05）。在同一遮阴（对照CK、轻度S1和重度S2）条件下，湿润灌溉导致水稻产量下降，晚播（L+CK和L+S1）可提高冬小麦产量，但差异均未达显著水平。

2.3 遮阴对稻麦轮作田增温潜势及碳排放强度的影响

如图4所示，稻麦轮作系统中以常规淹水/常规播期处理下不遮阴（F/P+CK）的增温潜势最高，以湿润灌溉/晚播处理（M/L+CK）最低。在常规淹水/常规播期（F/P）条件下，遮阴（S1、S2）显著降低稻麦系统全球增温潜势，与对照相比显著降低了36.32%～62.51%（P＜0.05）；在湿润灌溉/晚播（M/L）条件下，遮阴（S1、S2）增加了稻麦系统全球增温潜势，但处理间差异不显著。无论遮阴与否，湿润灌溉/晚播（M/L）处理显著降低了稻麦系统的全球增温潜势，与常规淹水/常规播期（F/P）处理相比，湿润灌溉/晚播（M/L）条件下各处理对全球增温潜势的贡献降低了12.10%～83.22%，除S1外，均达极显著水平。可见，遮阴下常规淹水/常规播期处理和湿润灌溉/晚播处理降低了稻麦系统CH4和N2O对全球增温潜势的贡献。

表6 各处理稻−麦生物量及产量的比较Table 6 Comparison of the biomass and yield of rice-wheat rotation system among treatments

图4 各处理稻−麦轮作系统CH4和N2O的累积排放量换算成CO2当量的增温/冷却潜势（SGWP/SGCP）比较Fig.4 Comparison of the SGWP/SGCP （global warming potentials） calculated from emissions of CH4and N2O in rice-winter wheat rotation systems among treatments

如图5所示，稻麦系统中稻田对CHGI（碳强度）贡献远大于麦田，约为麦田的14倍。遮阴显著提高了稻麦系统碳排放强度，与各自对照相比，不同农田管理（常规淹水/常规播期F/P和湿润灌溉/晚播M/L）条件下，除F/P+S1外，遮阴（S1、S2）使稻麦系统的碳排放强度显著增加23.53%～64.40% （P＜0.05）。不论遮阴与否，湿润灌溉/晚播（M/L）处理显著降低了稻麦系统碳排放强度，与常规淹水/常规播期（F/P）处理相比，降幅为25.91%～79.94%，除S1外均达5%显著水平。可见，不同农田管理下遮阴可显著促进稻麦系统碳排放，而湿润灌溉/晚播处理可有效缓减稻麦系统的碳排放。

图5 各处理稻−麦轮作系统碳强度（GHGI）比较Fig.5 Comparison of the carbon intensity（GHGI） in rice-winter wheat rotation systems among treatments

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 遮阴对稻麦轮作CH4和N2O排放的影响

遮阴对CH4排放的影响。农田CH4排放和吸收主要由土壤和植株根际微生物活动引起。研究表明，稻−麦土壤CH4的产生、排放与作物本身的生长状况、环境温度、土壤温度、土壤微生物、太阳辐射、土壤含水量等因素密切相关[16−17]。本试验中，稻麦系统CH4排放主要在水稻季，在水稻拔节−灌浆期，遮阴降低了常规淹水处理下CH4的排放，但促进了湿润处理下的CH4排放，其原因有，（1）光照、温度等因素影响稻田CH4排放，遮阴引起稻田环境温度降低、湿度增加，减弱了光照强度，减少了常规淹水处理CH4排放量[16]，但可能导致M+S1和M+S2的CH4排放略高；（2）研究表明，常规淹水情况下，稻田80%～90%的CH4排放是通过植株茎和叶鞘等通气组织完成的[25−26]，根系在CH4的产生、氧化和传输中起着重要作用[27−28]，而遮阴降低了生物量、产量及植株根系活力[29]，减少了水稻根系分泌物使根际产CH4微生物的活性和数量[30]，从而抑制了根系对CH4的输送，使稻麦系统稻田CH4排放量降低；（3）研究表明，水稻植株本身可释放CH4，环境胁迫会刺激植株体内CH4的产生和排放[31−32]，而M+S1和M+S2处理受水分胁迫和光照减弱双重胁迫，可能导致M+S1和M+S2处理的甲烷排放略高于M+CK处理。拔节−灌浆期常规淹水下重度遮阴的CH4排放高于轻度遮阴，湿润灌溉下轻度遮阴的CH4排放略高于重度遮阴，可能是因为，（1）F+S1处理的干物质重低于F+S2处理，M+S1处理的生物量高于M+S2处理，生物量减少使CH4排放降低[29]；（2）收获指数高，CH4排放少[27]，F+S1处理的产量高于F+S2处理，生物量略低于F+S2处理，减少了F+S1处理的CH4排放；（3）植株接收的散射辐射随遮阴强度的增加而增加，散射辐射增加提高了水稻植株群体光能利用率，有利于水稻植株生长发育，可能导致F+S1处理CH4排放较低[17]；（4）温度对农田CH4排放有着至关重要的影响，M+S1处理的冠层温度和5cm土壤温度均高于M+S2处理，导致M+S1处理CH4排放略高于M+S2处理。湿润灌溉明显减少了稻麦系统稻田CH4的排放，主要因为湿润灌溉下稻田处于无水层状态，土壤通气性得以改善，破坏了CH4产生的条件和环境[33]；其次，节水灌溉显著增加了稻田CH4氧化菌的数量，降低了CH4的排放[34]。不同遮阴程度在不同水分管理下对稻麦系统稻田CH4排放影响的具体原因还有待进一步研究。

稻麦轮作系统冬小麦田对CH4主要表现为吸收，在返青−灌浆前期表现为吸收，后期表现为排放。有学者研究表明，稻麦系统中水稻季土壤通气性差，易形成产CH4菌所需的厌氧条件，冬小麦季土壤通气性好，不利于稻麦系统麦田CH4的产生、运输以及排放，有利于CH4氧化菌的形成，使土壤吸收和氧化CH4[35]，从而使稻麦系统麦田表现为对CH4的吸收。研究表明，稻麦轮作系统中冬小麦季产CH4菌的丰富度显著低于水稻季[34]，且温度是影响CH4产生、氧化和释放的重要因素，而本试验中冬小麦生长季内，土壤和环境温度较低，不利于产CH4菌的生存和活动。在冬小麦孕穗−灌浆前期，随着遮阴程度增加，稻麦系统对CH4的吸收加剧，原因在于，（1）随着太阳辐射减弱，土壤微生物活性和数量降低，对碳源利用率降低，且太阳辐射减弱降低了作物有效光合利用率，减少了光合产物向地下的输送，微生物可利用的底物减少[36]，缺乏CH4产生的机制；（2）随着遮阴程度的增加，生物量随之降低，且冬小麦冠层温度也随着降低，光强减弱，抑制CH4产生，导致土壤中CH4浓度低于大气，引起了土壤对CH4的吸收[35]。在冬小麦生长后期，由于环境温度升高，降水量增加，且生长后期植株衰老凋萎，为产CH4菌等微生物提供了更多的碳源，有利于CH4产生和释放。晚播处理使稻麦系统冬小麦田CH4排放量总体低于传统播期，主要因为晚播使冬小麦出苗时间延长，出苗率、越冬前分蘖数和生物量的降低，从而导致CH4排放减少。

遮阴对N2O排放的影响。土壤微生物硝化与反硝化过程是稻麦系统N2O产生和排放的主要来源，硝化和反硝化过程均能产生N2O，但反硝化过程产生的N2O量远高于硝化过程。本试验结果表明，遮阴加剧了稻麦系统N2O排放和累积排放，其原因有，（1）吴芳芳等表明，遮阴使农田土壤中反硝化细菌增多，加强了土壤微生物的反硝化作用[36−38]，从而促进了稻麦系统N2O的产生。（2）麦季遮阴处理下的5cm土壤温度高于不遮阴处理，导致遮阴处理下的N2O排放量较高。（3）太阳辐射减弱使水稻和冬小麦光合作用降低，植株体内碳氮不平衡，导致NO3—和NO2—积累，加强了异化还原作用，促进稻麦轮作土壤N2O的排放[39]。（4）植株本身可产生释放N2O，随着光照强度增加，N2O排放量降低，也可能产生N2O吸收[39]，从而导致CK处理N2O排放量降低。在水稻生长季，湿润灌溉显著促进了稻田N2O排放，主要是因为湿润灌溉改善了土壤通透性，为水稻根系提供大量氧气，有氧条件会促进硝化作用和3NO−生成，有利于土壤微生物硝化作用和反硝化作用共同进行，从而导致总N2O排放量增加；而常规淹水形成的厌氧环境，稻田土壤处于极端还原状态，导致产生的N2O被进一步还原为N2，降低了稻田N2O产生和排放[40]。在冬小麦生长季节，晚播处理显著降低了冬小麦田N2O排放，因为，（1）在水稻季，常规灌溉使土壤长期处于厌氧状态，停止灌溉后水分落干，淹水土壤累积了大量铵态氮，为冬小麦田土壤的硝化和反硝化过程提供充分的氮源，且水稻季淹水降低了土壤中有机氮的矿化，累积了大量的有机氮，而小麦季土壤通气性改善，提高了有机氮矿化速度，从而加剧冬小麦田N2O的产生和排放[12]，使常规播期处理下的N2O显著高于晚播处理。（2）晚播处理有利于花前各个器官对氮素的累积和花后氮素向穗部的运转，提高了对土壤氮的吸收利用率[41]，Gaihre等研究表明，农田N2O的排放与植株营养生长存在竞争关系[42]，可能导致晚播处理N2O排放量降低。

3.1.2 遮阴对稻麦轮作增温潜势和碳强度的影响

全球增温潜势（GWPs）是评价各种温室气体对气候变化影响的指数，GHGI（碳强度）表示农业中生产1t粮食对气候的影响，是一个将生态效益与经济效益相协调统一的综合评价指标[43]。因此，用GWPs和GHGI可揭示不同农田管理下遮阴是否能缓减稻麦系统CH4和N2O排放对温室效应的贡献及其生态效益。稻麦轮作生态系统GHGI的大小与水稻和冬小麦的产量、土壤固碳能力及土壤向大气中排放CH4和N2O的量有直接关系[44]，结果表明，在F/P条件下，遮阴降低了稻麦系统综合持续变化的全球增温潜势（SGWP），在M/L条件下，遮阴提高了稻麦轮作系统综合全球增温潜势。稻麦轮作系统中GHGI总体表现为：F/P+S2＞F/P+CK＞F/P+S1＞M/L+S2＞M/L+S1＞M/L+CK，其中，M/L+CK的GHGI和SGWP最低，且产量较高，在保证产量的同时，显著提高了生态效益，降低了CH4和N2O排放对温室效应的贡献，有利于稻麦系统的可持续发展。不同农田管理下遮阴处理排放强度均较高，且产量显著降低，使环境效益和经济效益明显降低。因此，在未来气候变化情景下，研究稻麦轮作系统温室气体减排时，需要权衡稻麦系统的生态效益和经济效益，在提高稻麦产量的同时，实现温室气体减排的双重目标，保证稻麦农田的可持续生产。

3.2 结论

遮阴抑制了稻麦轮作系统中水稻和冬小麦植株的生长发育，从而导致水稻、冬小麦生物量和产量降低。而水稻生育期采用湿润灌溉和冬小麦采用适当晚播的处理能够缓解轻度遮阴对两种作物的不利影响，使产量提高，但晚播+重度遮阴处理则无此效果。

在稻麦轮作系统中，CH4对总排放量的贡献远远大于N2O。在水稻常规淹水和冬小麦常规播期条件下，遮阴可明显降低稻麦轮作系统CH4排放量及累积排放量，但在水稻湿润灌溉和冬小麦晚播条件下遮阴则会提高CH4排放量及累积排放量。遮阴对N2O排放的影响与CH4相反，遮阴可显著促进稻麦轮作系统N2O排放及累积排放，将水稻的灌溉方式改变为湿润灌溉和冬小麦适当推迟播种（即晚播处理）可能会加剧遮阴对N2O排放量及累积排放量的影响。

从全球增温潜势和碳排放强度看，稻麦轮作系统中稻田对全球增温潜势和碳排放强度的贡献远高于冬小麦田。在水稻常规淹水/冬小麦常规播期处理下，遮阴会降低稻麦轮作系统CH4和N2O对全球增温潜势的贡献，而在水稻湿润灌溉/冬小麦晚播处理下则会提高CH4和N2O的贡献。相反，遮阴提高了稻麦轮作系统CH4和N2O对碳排放的贡献，而湿润灌溉/晚播处理可缓减遮阴对碳排放强度的促进作用。