双季稻减排增收的水氮优化管理模式筛选

李如楠，李玉娥，王 斌，万运帆，李健陵，马 娉，翁士梅，秦晓波，高清竹

双季稻减排增收的水氮优化管理模式筛选

李如楠1,2，李玉娥1※，王 斌1，万运帆1，李健陵1，马 娉1，翁士梅3，秦晓波1，高清竹1

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.丹东市气象局，丹东 118000； 3.华东师范大学生态与环境科学学院，上海 200241）

为筛选出“低投入-低排放-高收益”的稻田水氮管理模式，该研究以汉江平原双季稻为研究对象，设计4 种氮肥管理方式：1）普通尿素；2）树脂包膜控释尿素；3）普通尿素减氮20%；4）控释尿素减氮20%，和2 种水分管理方式：1）常规灌溉；2）薄浅湿晒节水灌溉。采用静态箱-气相色谱法测定甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）的排放量，应用生命周期法（Life Cycle Assessment,LCA）计算水稻生产碳足迹，基于成本收益核算分析单位水稻产量和单位净收益的碳排放强度。结果表明，控释尿素能有效提高双季稻产量，节水灌溉和减氮20%能节约投入成本，对双季稻产量存在一定负效应，但差异不显著。相比普通尿素和常规灌溉，不同水氮优化处理可不同程度降低水稻生产的碳足迹和排放强度，并有助于提高收益。其中节水灌溉搭配控释尿素减氮的综合减排效果最好，早、晚稻总减排量分别为45.8%和42.5%（P＜0.05），同时全年净利润最高，达14 340 元/hm2。因此，节水灌溉、控释尿素同时减氮20%的组合技术可实现稻田节本减排增收。

温室气体；氮肥；水氮管理；生命周期评价（LCA）；碳足迹；成本收益；双季稻

0 引 言

水稻是重要的粮食作物之一，全球一半以上人口以水稻为营养来源[1]，而水稻种植是农业温室气体（CH4和N2O）的重要排放源[2-3]。中国是全球最大的水稻生产国和消费国，水稻种植面积约占世界的19%[4]。中国农业CH4排放占全国CH4总排放量的40.2%，而稻田CH4排放占全国农业CH4总排放量的40.1%[5]；稻田N2O 的直接排放量约为3.57 万t/a，约占全国农田N2O 总排放量的11.4%[6]。因此，在保证产量的前提下，开发低碳水稻生产技术，降低水稻生产过程中的温室气体（CH4和N2O）排放，对减少中国农业源温室气体排放和农业清洁生产具有重要意义。

水分和氮素管理是影响水稻产量和温室气体排放的重要因素[7-8]。近年来，节水灌溉、高效氮肥和减氮施肥在水稻低碳清洁生产中越发被重视，也是政府大力提倡推广的技术。薄浅湿晒节水灌溉作为一种新型水分管理模式已发展成熟且在中国逐渐推广使用[9]。董艳芳等[10]研究表明，节水灌溉能进一步减少稻田灌溉用水量，提高水分利用率，同时有效减少CH4排放，但会导致N2O排放量大量增加。不同水氮管理模式对水稻产量的影响也存在差异[11-14]：Lahue 等[11]研究表明，在施氮量相同的情况下，节水灌溉能保持水稻产量；Linquist 等[14]研究则表示，严重的节水灌溉对水稻产量会产生不利影响。在高氮肥投入背景下，适度减少稻田施氮量有助于提高氮素利用率，并减少N2O 排放，但是否能维持高产，不同试验研究结果不一致[15-19]：刘立军等[15]研究表明，减少30%氮肥投入，能有效提升氮素利用率，并能保持产量；苏荣瑞等[18]的试验结果则表明，相比于低氮和中氮处理，高氮处理的水稻产量最高。控释尿素作为国家重点推广的高效肥料之一，具有氮素利用率高、增产效果明显和环境友好等优点[20-21]。稻田施用控释尿素能同时减少CH4和N2O 排放，并促进产量增长[22-26]。但相比普通尿素，控释尿素价格偏高，投入较大，水稻减量施用控释尿素的情况下是否能达到减排和增产的效果，并保证经济收益，仍有待探究。

目前，多数研究在单一变量和双变量条件下设计试验，较少将稻田温室气体排放与投入产出进行综合比较book=106,ebook=2分析。郭晨等[27]设计了控释尿素、常量普通尿素和减量普通尿素对稻田CH4和N2O 排放量影响的对比试验；王孟雪等[8]设计了不同灌溉模式和不同氮肥种类对稻田CH4和N2O 排放量影响的单一试验和对比试验。但节水灌溉、控释尿素和减量施氮的组合技术是否能有效减少碳排放，降低成本投入，提高农户经济收入，仍需进一步论证。因此，本研究基于大田试验，设计了6 种水氮管理模式，综合评估薄浅湿晒节水灌溉、树脂包膜控释尿素和减氮20%的不同水氮组合对双季稻种植碳排放的影响，并采用经济成本分析筛选出“低投入-低排放-高收益”的水氮管理措施，以期为水稻低碳清洁生产技术提供试验支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年4－11月在湖北省荆州市荆州区农业气象站（30°21′N，112°09′E）进行。试验地位于汉江平原腹地，属亚热带季风性气候，雨热同季。水稻种植期间（2017年5月5日－10月26日）平均气温24.6 ℃，降水量734.9 mm，日照时数951.2 h。试验种植区土壤类型为内陆河湖交替沉积形成的水稻土，质地为粉质中壤土。试验田土壤基本理化性质为：土壤pH 值7.7，有机碳11.14 g/kg，全氮1.37 g/kg，速效磷15.38 mg/kg，速效钾62.51 mg/kg，容重1.44 g/cm3。

1.2 试验设计

试验采用4 种氮肥管理方式：1）普通尿素（N≥46%），U；2）树脂包膜控释尿素（N≥42%），CRU，养分释放周期为90 d；3）普通尿素减氮20%，US；4）树脂包膜控释尿素减氮20%，CRUS。采用2 种水分管理方式：1）常规灌溉，CI；2）薄浅湿晒节水灌溉，SWD。常规灌溉为间歇性灌溉模式，薄浅湿晒节水灌溉是在此基础上，根据水稻不同生长阶段实际需水量的差异进行水分管理。2 种水分管理方式在各生育期的灌溉标准详见表1。

表1 2 种灌溉方式在水稻不同生育期田间水分管理标准 Table 1 Water management standards of two irrigation in different growth periods of rice mm

试验设置6 个不同处理组合：1）U+CI，作为对照；2）U+SWD；3）US+SWD；4）CRU+CI；5）CRU+SWD；6）CRUS+SWD，各处理3 次重复，共18 小区，采用单因素随机区组排列。由于试验场地限制，并未设计US+CI和CRUS+CI 2 个处理。常量氮肥处理（U+CI，U+SWD，CRU+CI，CRU+SWD）总施氮量（以纯氮计）早、晚稻均为180 kg/hm2，减氮20%处理（US+SWD，CRUS+SWD）总施氮量早、晚稻为144 kg/hm2。尿素分3 次施用，水稻移栽前施基肥，分蘖期和抽穗期各追肥一次，3 次施肥比例为2:1:1；控释尿素由于养分释放具有长效性，因此只施基肥和分蘖肥，2 次施肥比例为2:1。磷肥（以P2O5计）用量均为60 kg/hm2，作为基肥全部施入；钾肥（以K2O计）用量均为90 kg/hm2，基肥、分蘖肥和穗肥按比例2:1:3施入。

早稻品种为两优287，晚稻为T 优118，采购于湖北种子集团公司，为当地主推品种，移栽密度为21 万穴/hm2，每穴2 或3 株。早稻于2017年5月5日移栽，7月19日收割；晚稻于7月24日移栽，10月26日收割。各个小区长6 m，宽4.5 m，小区间以宽30 cm，高20 cm 的田埂分隔，并覆盖尼龙膜，保证水肥互不干扰。每个进水管处安装数字电控水表，灌溉时刷不同水量水卡，各小区皆可单独灌溉和排水。各个小区除水肥管理外，其余田间管理全部依照当地的耕作习惯进行。

1.3 CH4 和N2O 的采集与计算

稻田CH4和N2O 采用静态箱-气相色谱法进行采集和测定。静态箱为可自动采气的明箱，主体材料为透明聚碳酸酯板，由中枢控制箱门开关并自动采气，采样频率为晒田前间隔1 或2 d，晒田期间隔1 d，晒田后间隔2或3 d。采气时间于上午9:00－11:00 之间进行。具体自动箱结构、自动采气方法以及气相色谱仪测试方法与王斌等[28]相同。成熟测产时，在每个试验小区选取长、宽均1m 的正方形区域进行产量测定。CH4和N2O 排放通量计算公式参照蔡祖聪等[29]的方法，用内插加权法计算气体排放总量。

教师将要学的生字进行有意识的整理，侧重进行音、形、义的教学，并牵一发动全身，让课文生字在具体的语言环境中再现和被理解，由词引导到课文相关板块的学习，从而达成理清文脉的目标。

1.4 碳足迹计算方法

采用生命周期法（Life Cycle Assessment,LCA）对双季稻碳足迹进行核算。核算边界从与水稻种植有关的农资原料开采开始，至水稻成熟收获结束。核算内容包括农资原料的开采、加工和运输等环节的碳排放量、双季稻生长过程中灌溉用电的碳排放量、耕作过程中农机柴油消耗造成的碳排放量和从早稻移栽至晚稻收获期间稻田CH4和N2O 的排放量。计算如式（1）

式中Cf 为水稻生产的碳足迹，kg/hm2；Ei表示水稻生产过程第i个排放源的排放量，包括水稻生产过程中的CH4book=107,ebook=3和N2O 排放量、农业投入品生产过程中的CO2排放量、灌溉耗电和农机使用过程中的能源消耗CO2排放量，kg/hm2；n表示水稻生产链条中涉及排放源的个数。

水稻生产过程中CH4和N2O 的排放量采用静态箱-气相色谱法实测，CH4和N2O 的排放量转换成二氧化碳当量的系数分别为CO2的25 和298 倍。

农业投入品生产和能源消耗CO2排放量由式（2）计算

式中Adi为第i种农业生产相关投入品的能源消耗量，kg/hm2或kW/hm2；Efi为第i种农业投入品生产、电力生产和化石能源燃烧的CO2排放因子。排放因子及来源见表2。需说明的是，由于国内外尚无树脂包膜控释尿素生产的碳排放因子数据报道，因此本研究中控释尿素和普通尿素采用同一排放因子计算。化肥、水稻种子和农药的使用量，灌溉用电量均为试验中的实际值，其中灌溉用电量通过灌溉用水量和潜水泵功率和流量计算得出。水稻种子使用量为 30 kg/hm2，早稻柴油使用量为12.7 kg/hm2，晚稻柴油使用量为11 kg/hm2，除草剂使用量为3 kg/hm2，杀虫剂使用量为4.5 kg/hm2，灌溉潜水泵功率1.8 kW，流量为40 m3/h。

表2 农用能源及农用投入品的碳排放因子Table 2 Carbon emission factor of agricultural energy and input

1.5 成本及收益计算

成本核算内容包含早稻及晚稻种子、化肥（包括氮肥、磷肥、钾肥）、农药、灌溉用电、柴油、各项田间管理（耕播、施肥、灌溉、喷洒农药、收获）所需的人工费用以及间接成本（包括括技术服务成本、修理维护成本和固定资产折旧成本）。

本研究中，双季稻种植过程中的种子、化肥、农药、柴油、灌溉用电及人工的费用均为试验中的实际值。其中普通尿素3.8 元/kg、控释尿素6.4 元/kg、磷肥1.25 元/kg、钾肥2 元/kg、除草剂175 元/kg、杀虫剂100 元/kg、种子20 元/kg、柴油6 元/kg、湖北电费为0.58 元/kW·h；各处理收益仅考虑净产值，即各处理产量乘以单位水稻售价，荆州地区成熟水稻售价2.8 元/kg。不同处理的净收入和单位净收入碳排放强度分别由式（3）和式（4）计算

1.6 数据处理

数据计算和方差分析使用Microsoft Excel 2016 和SPSS 22.0 软件完成，以P＜0.05 作为显著性检验标准，用最小显著性差异法（Least Significant Difference,LSD）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 双季稻CH4 和N2O 累积排放量

不同水氮处理早、晚稻CH4累计排放量范围分别为65.6～171.2 和63.7～151.6 kg/hm2，早稻和晚稻的CH4排放量均以CK 最高（图1a）。施用普通尿素的条件下，U+SWD 全年CH4排放量比U+CI 下降16.6%，减排效果达显著水平（P＜0.05）；在施用控释尿素条件下，CRU+SWD 的全年CH4排放量相比CRU+CI 也有显著降低（P＜0.05）。相对于 U+CI，减排效果顺序为CRUS+SWD＞CRU+SWD＞CRU+CI＞US+SWD＞U+SWD，减排效果均达到显著水平（P＜0.05）。因此采用节水灌溉，控释尿素，以及减少施氮量均能够有效地减少稻田CH4排放。

图1 不同处理的早、晚稻CH4 和N2O 累计排放量 Fig.1 Cumulative CH4 and N2O emissions of early rice and late rice under different treatments

对比U+SWD 和 US+SWD ，CRU+SWD 和CRUS+SWD，减量施用普通尿素或控释尿素能同时降低稻田CH4和N2O 的排放量。因此，减量施氮和控释尿素能进一步降低稻田CH4的排放，并且能部分抵消节水灌溉增加的N2O 的排放量，能达到更好的减排效果。

2.2 双季稻生产碳足迹

不同处理早、晚稻各部分排放量占总量的比例排序相同，其中温室气体排放（CH4和N2O）所占比例最高，为50.7%～69.9%（图2），其次为氮肥生产（21.6%～33.4%）。各处理早稻和晚稻碳足迹均以U+CI 处理最高，分别为6 354 和6 119 kg/hm2。节水灌溉、控释尿素和减氮处理均能有效降低碳足迹总量。

图2 不同处理的早、晚稻碳足迹构成 Fig.2 Carbon footprint composition of early rice and late rice under different treatments

在普通尿素条件下，US+SWD 与U+CI 相比，早、晚稻碳排放分别降低28.1%和18.1%，均达到显著性水平（P＜0.05）。在常规灌溉条件下，控释尿素显著降低了双季稻温室气体的排放（P＜0.05），早、晚稻分别减排27.7%和21.7%。在控释尿素条件下，节水灌溉和减氮施肥也具有很好的减排效果。CRUS+SWD 减排效果最好，与U+CI相比，早、晚稻碳足迹分别下降45.8%和42.5%，减排效果均达显著性水平（P＜0.05）。因此，节水灌溉，控释尿素减氮20%的组合技术能有效降低水稻生产碳足迹。

2.3 双季稻产量及碳排放强度

在水分管理相同的条件下，施用控释尿素对早、晚稻产量存在正效应（图3）；在氮肥管理相同的条件下，节水灌溉处理的产量都略微下降，但差异不显著；同等条件下再减少氮肥施用量之后，早、晚稻产量也相应减少，但差异不显著。综合两季水稻试验数据来看，两季产量均以CUR+CI 处理最高，US+SWD 处理最低。可见采用控释尿素具有较好的增产效果，节水灌溉和减氮20%对水稻产量存在一定负效应。

图3 不同处理的早、晚稻产量 Fig.3 Yield of early rice and late rice under different treatments

不同水氮处理的早稻温室气体排放强度（Green House Gas Emission Intensity,GHGI）范围为0.48～0.94 kg/kg，晚稻为0.42～0.81 kg/kg，两季GHGI 变化趋势大致一致，控释尿素各处理减排效果均优于普通尿素处理（图4）。其中CRUS+SWD 处理排放强度最低，与U+CI处理相比，早、晚稻GHGI 分别减少49.1%和48.2%，均达显著性水平（P＜0.05）。因此，节水灌溉、控释尿素和减氮20%的组合能够在保持或者增加产量的基础上，有效降低温室气体排放。

book=109,ebook=5

图4 不同处理的早、晚稻温室气体排放强度 Fig.4 Greenhouse gas emission intensity (GHGI) of early rice and late rice under different treatments

2.4 双季稻成本收益分析

各处理成本间差异主要是由氮肥施用、灌溉用电、施肥用工以及灌溉用工的差异造成的（表3）。控释尿素各处理（CRU+C、CRU+SWD 和CRUS+SWD）的氮肥成本均高于普通尿素处理（U+CI、U+SWD 和US+SWD）；减量施用控释尿素能节约成本；同时控释尿素只需要2 次施肥，施肥用工成本是常规尿素的2/3；节水灌溉在减少灌溉用电成本的同时，还减少了灌溉用工的成本。与U+CI 相比，U+SWD、US+SWD、CRUS+SWD 处理均能有效降低双季稻的生产成本。从投入成本和产量2 方面考虑，控释尿素和节水灌溉都能有效降低单位净收入排放强度，控释尿素的提升效果更佳（表4）。其中CRUS+SWD 净利润最高（14 340 元/hm2），其次是CRU+CI（14 073 元/hm2）。结合碳足迹结果，与尿素和常规灌溉相比，其他处理的单位纯收入碳排放强度均显著降低，其中CRUS+SWD 处理的碳排放强度最低（0.51 kg/元），比U+CI 低62.7%。

表3 不同处理的早、晚稻成本Table 3 Cost of early rice and late rice under different treatments 元·hm-2

表4 不同处理的经济效益分析 Table 4 Benefit of different fertilization treatments

3 讨 论

3.1 优化水氮管理降低稻田CH4和N2O 排放的机理分析

田间水分管理措施是影响稻田温室气体排放的重要因素。土壤水分状况直接影响土壤好氧或厌氧环境的形成，进而影响到稻田CH4和N2O 的产生、转化和传输过程[28]。节水灌溉的土壤通透性得以提高，在有氧状态和无氧状态的交替中，既促进CH4氧化又部分抑制CH4产生，但会促进硝化和反硝化过程交替进行，增加了N2O的排放[8]。相比普通尿素，控释尿素养分释放的长效性要更好一些。普通尿素快速水解释放大量的NH4+，能抑制CH4氧化菌活性，使得前期CH4排放通量较高[3]。后期水稻处于干湿交替阶段，此时控释尿素仍存在较好的氮素供应，在好氧环境条件下，有效提高了CH4氧化菌活性，使得更多的CH4被氧化，从而降低稻田CH4的排放量[27]。同时，由于控释尿素按水稻生长需肥特性释放养分，有效减少了土壤中过剩的无机氮含量，进一步减少了无机氮转化为气态氮排放，因此减少了稻田N2O 的释放[19]。N2O的排放量与施氮量呈显著的正相关关系，降低施氮量也能有效减少稻田N2O 的排放量。

目前，多数研究是在施用普通尿素的条件下讨论节book=110,ebook=6水灌溉的效应，或是在常规灌溉的条件下讨论缓控释肥和减量施用缓控释肥的影响，缺乏对三者耦合措施下综合效应的研究。在不同灌溉模式下施用缓控释肥或减氮施肥在温室气体综合效应方面产生的效果也有所差异。本研究虽然表明了在节水灌溉条件下减少20%控释尿素的施用能做到减排增收，但却没有设置氮肥施用量梯度，无法确定最佳的氮肥施用量，因此，协调水稻产量和温室气体排放量之间的矛盾，以合适的施氮量达到减排高产的最佳效果，是今后研究的重点。

3.2 优化水氮管理对水稻碳排放强度和碳足迹的影响

水稻种植过程的碳足迹受到施肥条件、水分因素，田间管理、气候因素和社会经济因素等多方面的影响，王兴等[32]基于2004－2014年中国各省份水稻种植相关统计数据，发现生产条件不同，水稻生产碳足迹存在很大差异。因此，通过改进农田管理措施（如节水灌溉、改良施肥、合理使用农业投入品等），提高水稻机械化生产效率以减少水稻温室气体排放，能够有效降低生态环境可持续发展的压力。曹黎明等[33]应用生命周期发对上海地区水稻种植的碳足迹进行评估，试验采用干湿交替灌溉和277.5 kg/hm2的水氮管理，测算出碳排放强度为1.23 kg/kg。徐小明等[34]通过模拟与计算得出180 kg/hm2无机肥和22.5～30.0 t/hm2有机肥混施和“三排三灌”的水氮管理条件下，吉林西部水稻生产碳排放强度为1.33 kg/kg。本研究较为详尽地统计了双季稻种植过程中涉及碳足迹的各项目，并计算得到6 种不同水氮管理模式下早、晚种植的单位产量碳排放强度分别为0.48～0.94和0.42～0.81 kg/kg。由于CH4和N2O 排放在水稻碳足迹中所占比例约在60%左右，在优化的稻田水氮管理模式下，稻田CH4和N2O 排放量明显降低，同时氮肥和灌溉用水用电投入的减少，可进一步减少水稻生产碳足迹，导致本研究中碳足迹和碳排放强度的数值均低于曹黎明和徐小明等的研究，这也从另一个角度表明优化水氮管理模式对于减少环境压力是有可靠效果的。但是在计算碳足迹的过程中，本研究未将施肥后土壤氮素的淋溶和挥发造成的间接排放以及土壤碳储量的变化考虑在内。同时由于控释尿素的排放因子暂无具体数据，碳足迹计算时采用的排放因子与常规尿素一致，而实际上生产控释尿素的碳排放应高于普通尿素，因此本研究也会一定程度高估控释尿素的减排效果。

3.3 优化水氮管理的可推广性分析

水稻产量代表农户的收入，增产增收是水氮管理模式可推广的前提。前人研究结果认为，适宜轻度或中度干湿交替灌溉，能够减少农田灌溉量，同时保证了水稻产量[34-36]。在常规尿素条件下，在一定范围内，水稻产量随施氮量的增加而增多[37]。合理确定施氮量，以达到最高的氮素利用率，是水稻减氮生产的关键。在施用缓控释尿素条件下，水稻氮素利用率明显提高，植株可利用氮素增多，有助于籽粒产量的增长[38-39]。因此在满足籽粒养分的基础上，可适当减少缓控释氮肥的施入量，既可以保持产量，又能提高氮素利用率，并进一步减少温室气体排放。尽管控释尿素能达到增产增收的效果，但是在实际推广过程中，并未得到大规模的应用，其主要的限制因素是控释尿素价格要普遍高于普通尿素价格。因此，在制定政策与实际推广中，为提高普通农户对减排技术和优化管理措施的接受度，政府应采用提供补贴或提升碳交易价格的方式，降低农户种植成本，提高净收益。按照本研究的标准计算，假定常规管理模式转化为最优水氮管理模式，农户每减少1 t 碳排放，政府补贴190 元，或碳交易价格制定为190 元/t，才可抵消投入成本的增长。目前，国内碳市场交易价格为32.55 元/t[40]，还需进一步完善碳交易机制，将碳交易价格提升至190 元/t 以上，农户即可从最优水氮管理模式中获益，有助于其推广和被农户接受。

4 结 论

1）薄浅湿晒节水灌溉在有效降低稻田CH4排放的同时，增加了N2O 的排放，但由于CH4的减排量远大于N2O的增排量，从综合温室效应来看，仍能有效降低稻田温室气体排放，并维持产量。

2）节水灌溉、控释尿素同时减氮20%的组合技术能在保证高产的前提下，有效降低双季稻种植过程中的碳足迹，与常规水氮管理相比，早、晚稻总减排量分别45.8%和42.5%，同时能节约成本，增加全年净利润，是水稻生产中“低投入-低排放-高收益”的低碳清洁水氮管理模式。

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Pattern selection of water and nitrogen practices to reduce greenhouse gas emission and increase profit in a double rice system

Li Runan1,2,Li Yu'e1※,Wang Bin1,Wan Yunfan1,Li Jianling1,Ma Ping1,Weng Shimei3,Qin Xiaobo1,Gao Qingzhu1

(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing100081,China; 2.Dandong Meteorological Bureau,Dandong118000,China; 3.School of Ecological and Environmental Sciences,East China Normal University,Shanghai200241,China)

Abstract:Rice paddy field has been an important emission source of greenhouse gas.A combination of water-saving irrigation,controlled release urea,and reduced nitrogen can offer the promising potential to decrease the emissions of greenhouse gas,while,to increase grain yield simultaneously in rice cultivation.Aiming to verify which the water and nitrogen practice can achieve the goal of “low input-low emission-high benefit”,a field experiment was conducted in a double rice cropping system in the Jianghan Plain,Hubei province,China.Four nitrogen practices were designed: 1) urea (U),2) polymer-coated controlled release urea (CRU),3) 20% reduced urea application (US),and 4) 20% reduced polymer-coated controlled release urea application.Two water practices were integrated,1) the conventional irrigation with mid-season drainage (CI),and 2) water-saving irrigation with shallow water depth and alternation of wetting and drying (SWD).The automatic static chamber method equipped with gas chromatography was applied to the sample,further to measure the emissions of greenhouse gas (CH4and N2O) during the rice growing season under various treatments.A life cycle analysis (LCA) was used to calculate the carbon footprint in the rice production system.The intensity of carbon emission per unit grain yield was estimated using cost-benefit analysis,together with the unit net income.The results showed that the controlled release urea and reduced rate of nitrogen application can alleviate both emissions of CH4and N2O,while,the water-saving irrigation decreased CH4emissions but increased N2O emissions.The yield of grain increased with the application of controlled release urea,while,decreased with the water-saving irrigation,and 20% reduction in nitrogen application,but these negative effects can be ignored in the practical case.The LCA indicated that CH4and N2O emissions in the double rice cultivation contributed the highest portion to total carbon footprint (50.7%-69.9%),followed by nitrogen input (21.6%-33.4%).The carbon footprint and net income decreased at varied levels under the treatments of water-saving irrigation,controlled release urea,and reduced rate of nitrogen application.Compared with the treatment of U + CI,the CRUS + SWD treatment achieved the highest reduction in carbon emissions (P＜0.05),followed by CRU + SWD,US + SWD,CRU + CI,and U + SWD.It infers that the application of controlled-release urea led to much higher input cost,while,the reduction of nitrogen application amount can decrease this cost.The water-saving irrigation directly saved the water,electricity and manpower consumption,showing a lower cost.Considering both input cost and yield production,the controlled-release urea contributed to the increase of net profit for the double rice,where the CRUS + SWD achieved the highest net profit,followed by CRU + CI.The net income of carbon footprint decreased noticeably under all other treatments,compared with the urea and conventional irrigation.Particularly,the treatment of CRUS + SWD achieved the lowest intensity of carbon emission (0.51 kg/yuan),62.7% lower than that of U + CI.The data confirmed that the combination of water-saving irrigation,controlled release urea with 20% reduction in nitrogen application rate can be used to save the input cost,while to improve net profit,and thereby to effectively reduce carbon emission intensity in a double rice cropping system.These findings can also provide a promising theoretical support for the production of low carbon rice in China.

Keywords:greenhouse gases; nitrogen fertilizers; water and nitrogen practices; life cycle assessment (LCA); carbon footprint; cost-benefit; double rice

2020-07-17

2020-10-25

国家自然科学基金项目（41905102）；国家重点研发计划项目（2017YFD0300400）；国家科技支撑计划项目（2015BAC02B06）

李如楠，主要从事农田温室气体排放研究。 Email：lirunan_caas@163.com

李玉娥，研究员，博士生导师。主要从事农田温室气体排放核算与减排技术研究。Email：liyue@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.013

S511.4+2; S-1

A

1002-6819(2020)-21-0105-09

李如楠，李玉娥，王斌，等.双季稻减排增收的水氮优化管理模式筛选[J].农业工程学报，2020，36(21)：105-113. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.013 http://www.tcsae.org

Li Runan,Li Yu'e,Wang Bin,et al.Pattern selection of water and nitrogen practices to reduce greenhouse gas emission and increase profit in a double rice system[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2020,36(21): 105-113.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.013 http://www.tcsae.org