不同水旱轮作模式全生命周期温室效应及经济效益评价

岳骞，吴思远，*，张岳芳，盛婧，郭智，陈丹艳，汪超，徐向瑞，王鑫，宗焦

（1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室，南京 210014；2.金陵科技学院园艺园林学院，南京 210038；3.江苏龙环环境科技有限公司，江苏 常州 213000；4.南京农业大学资源与环境科学学院，南京 210095）

水稻是我国主要的粮食作物之一，我国水稻种植面积约占全球水稻种植面积的23%。在水稻种植生产过程中，其田间管理活动产生的大量温室气体会加速全球变暖，同时全球增温也会反作用于农业生产，影响粮食安全、生态环境以及物种多样性。CH和NO是重要的温室气体，稻田的淹水管理是农业CH的主要排放源之一，同时稻田采取的干湿交替管理也会大幅增加NO 的排放。据统计，稻田CH周年排放量占全球CH排放总量的7%～17%，稻田排放的NO 也占到我国农田氮肥直接排放NO总量的7%～11%。

水旱轮作是水稻生产的重要模式，在粮食产量连增的背景下，研究“藏粮于地、藏粮于技”的可持续轮作技术模式是实现作物持续稳产与增产的重要基础。稻麦轮作是我国传统且重要的农业生产体系之一，轮作面积保持在467 万hm以上，主要集中在我国长江流域。但由于水稻种植品种的改变，水稻迟收、小麦迟播逐渐成为常态，再加上土壤耕地的退化，造成小麦季经济效益大幅下降。因此，向绿肥-水稻、经济作物-水稻轮作等模式的转变不仅可解决农业发展的突出矛盾，而且可推进农业供给侧改革，实现稻田提质增效的双赢目标。但水旱轮作模式的改变会对生态环境效益产生影响，使生态环境效益随之发生变化。

不同水旱轮作方式对稻田周年CH和NO 的排放有着重要的影响差异。张岳芳等指出由于旱作季施肥差异，水旱轮作旱作季种植的不同作物NO 排放量表现为油菜＞冬小麦＞黑麦草＞休闲＞紫云英，随着施肥量的增加，土壤CH和NO 排放量也增多。不同水旱轮作方式中的旱作季作物，由于其不同的根系形态与根际分泌物特征，对土壤养分活化、微生物活动均有显著影响。张顺涛等的研究表明长江中下游地区油菜-水稻轮作的稻谷产量较小麦-水稻轮作增幅4.6%～17.3%。水稻季产量的影响差异，也会间接影响水稻季CH的排放。黄耀等发现稻田CH日排放通量与水稻干物质积累呈正相关关系，CH排放的季节总量随水稻产量水平的提高而增加。此外，不同水旱轮作方式的生物量输入（秸秆、根系等）与输出（秸秆、籽粒等）也决定整个系统的碳氮养分收支平衡状态。

目前针对水旱轮作温室气体排放的研究较多，但大多研究只关注单季的温室效应，或者只对少数轮作模式进行生态效益评价，而综合评价多种轮作模式的周年温室效应以及环境、经济效益的研究鲜少，不同水旱轮作模式的优势生态服务功能尚不够明确。因此，本研究主要监测休闲-水稻、紫云英-水稻、小麦-水稻、油菜-水稻、青饲小麦-水稻、蚕豆-水稻6 种轮作方式的周年CH和NO 的排放特征，评估不同水旱轮作方式的温室效应及经济效益，并分析水旱轮作对土壤环境的影响，通过结构方程模型分析田间管理措施、土壤性质等因素对水旱轮作生态效益的影响，挖掘影响水旱轮作CH和NO 排放的主要驱动因素，为下一步不同水旱轮作可持续生产能力评估工作打下基础，也为不同水旱轮作方式的温室气体排放评估提供数据基础，以及为稻田温室气体减排提供科学理论和决策依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验在江苏省南京市溧水区白马镇江苏省农科院溧水植物科学基地（31°36′N，119°11′E）进行，该地属北亚热带向中亚热带的过渡区，气候温和，四季分明，年均气温15.5 ℃，年均降水量1 036 mm，年均湿度78%，日照2 145 h，无霜期237 d。田间试验依托于2017年10月开展的稻田不同冬季作物轮茬培肥技术研究。试验土壤类型为水稻土，质地为壤土，基本理化性质：pH 6.2，有机质16.6 g·kg，总氮0.87 g·kg，总磷0.24 g·kg，碱解氮13.1 mg·kg，有效磷11.8 mg·kg，速效钾89.2 mg·kg。温室气体监测时间为2020 年6 月25 日—2021 年5 月16 日，试验期间的日均温和日降水量见图1。

图1 试验期间的日均温和日降水量（2020.06.25—2021.05.16）Figure 1 Seasonal patterns of daily average air temperature and precipitation during field experiment（2020.06.25—2021.05.16）

1.2 试验设计

本研究设置6 个水旱轮作模式处理，分别为休闲-水稻（CK）、紫云英-水稻（T1）、小麦-水稻（T2）、油菜-水稻（T3）、青饲小麦-水稻（T4）、蚕豆-水稻（T5），每个模式设置3个小区重复。试验采用大田小区试验，共18个小区，小区面积均为35 m，具体小区布置方案见图2。试验以南粳9108为供试水稻品种，栽插规格为25 cm×13 cm；小麦品种为宁麦16，撒播，播种量为225 kg·hm；紫云英播种量为60 kg·hm；蚕豆品种为丰邦1号，栽种规格为80 cm×20 cm；油菜品种为秦油10号，栽种规格为50 cm×25 cm。

图2 试验处理各小区布置示意图Figure 2 Schematic diagram of plot layout for experimental treatment

水稻季田间管理措施按照当地高产栽培技术进行，冬季轮茬作物按各自常规管理进行，详见表1。对于田间水分管理，本研究只保证了外界水分输入的一致性，未考虑田间水分条件改变对温室气体排放的影响。各处理具体水分管理方式：水稻季为前期浅水、中期搁田、后期干湿交替的模式；冬季均无灌水，完全靠雨养。

表1 不同水旱轮作方式的田间管理信息Table 1 Field management practices for different paddy rice-upland rotation systems

1.3 样品采集与测定分析

1.3.1 气样采集与分析

采用静态箱-气相色谱法测定农田CH和NO 气体排放。静态箱箱体材料为PVC，规格为50 cm×50 cm×50 cm，整个箱身由一层泡沫和铝箔覆盖，用以隔热、减少传导与反射光。每个试验小区固定1 个采样底座，底座上部有5 cm 深的凹槽，采集气体时加水密封。同时，采样箱内顶部装有12 V 小风扇以充分混匀箱内气体，并留有一孔插温度计以观测箱内温度，箱体中部安装抽气孔，用于气体采集。采样起始日为2020 年6 月25 日，采样频率为每周1 次；此外在施肥后第1、3、5 天分别增加一次采样监测。采样时间为当日上午8：00—10：00，分别在静态箱放置后的第0、10、20、30 分钟时采集，共4 次。均匀收集气体，抽出约50 mL 气样保存于气体采样袋中，及时带回实验室分析。

CH和NO 浓度通过气相色谱仪（Agilent 7890A GC，美国）测定。分析CH的检测器为FID，分析NO的检测器为ECD，关于气相色谱仪的参数设置、工作条件设置详见文献[8]。静态箱法测定气体排放通量的方法参考文献[16]，具体公式为：

式中：F为温室气体排放通量，排放通量的单位CH为mg·m·h，NO为μg·m·h；为标准状态下气体密度，kg·m；/为静态箱气室内温室气体的初始浓度变化率，m·m·min；为静态箱的净高度，m；T为静态箱气室内的温度，℃；为标准状态下的气温，273 K；60为时间单位转换系数。

不同轮作方式的周年CH和NO 全球增温趋势（Global warming potential，，t COe·hm）和单位收益排放强度（，kg COe·元）计算方法参考文献[17]，具体公式为：

式中：和分别为CH和NO 的累积排放量，kg·hm；为各轮作模式的周年单位面积效益，元·hm；28和265分别是100年尺度下CH和NO的全球增温潜势。

1.3.2 土壤样品采集与指标分析

土壤样品采集于2021 年冬茬作物收获前。土壤样品采集使用S 形布点采样法，取土壤表层（0～15 cm）样，多点混合，用四分法对角取适量混合样，标记后带回实验室待测。

监测指标包括土壤有机质、全氮、碱解氮、总磷、有效磷、速效钾等。有机质采用稀释热法（NY/T 1121.6—2006）；全氮采用自动定氮仪法（NY/T 1121.24—2012）；碱解氮采用碱解扩散法（LY/T 1228—2015）；总磷采用碱熔-钼锑抗分光光度法（HJ632—2011）；有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法（HJ 704—2014）；速效钾采用乙酸铵提取法（NY/T 889—2004）。

1.3.3 植株样品采集与指标分析

在旱作季，于绿肥压青前和其他作物收获前，对不同轮茬作物进行割方测产，在每个小区中选择具有代表性的1 m样方，准确收集整个样方的植株，称量其鲜质量；然后随机选取适量植株样品带回实验室进行含水率、全氮、全磷、全钾含量测定。

植株样品粉碎后经浓硫酸-双氧水消煮，氮、磷养分采用全自动流动分析仪（SKALAR San++）测定，钾养分采用火焰光度计法（NY/T 2420—2013）测定。

在水稻季，于水稻成熟收获前，测定每个小区的水稻籽粒实际产量。

1.4 周年经济效益分析

在经济效益分析中，考虑了不同轮作模式下种子、农药、肥料、机械、灌水、人工等费用成本，相应单价参照中国农资网（http：//www.ampcn.com/）。农产品价格参照2021 年国家收购指导价：稻谷按优质稻价格约2.8 元·kg计；小麦价格按2.3 元·kg计；油菜籽粒价格按4.9 元·kg计；青饲小麦价格参照青饲料紫花苜蓿价格（约2 000 元·t）和粗蛋白含量（约16%）进行折算，青饲小麦粗蛋白含量约10%，则青饲小麦价格以1.2元·kg计；蚕豆经济产物价格按8.0元·kg计。

1.5 水旱轮作温室效应的关键影响因素

通过结构方程模型（Structural equation modeling，SEM）研究水旱轮作温室气体排放的关键影响因素。SEM 是通过线性方程来表示观测变量与潜在变量之间的关系，能将两个或多个结构模型联合起来，实现对多元关系进行建模的统计框架。多元关系指变量之间直接和间接相互作用的总和。通过R语言，采用Lavaan 功能包，综合考虑土壤性质（pH、有机质、全氮、碱解氮、总磷、有效磷、速效钾）、养分还田量（N、PO、KO）、冬茬秸秆还田生物量、化肥用量（N、PO、KO）等潜在影响因素，建立结构方程模型，挖掘影响水旱轮作CH和NO气体排放的关键影响因素。

1.6 数据统计与分析

数据采用Microsoft excel 2016进行整理、分析、计算以及相应的图表绘制；利用IBM SPSS Statistics 22对不同种植模式间各因素的差异显著性（＜0.05表示差异显著）进行单因素方差分析，采用Duncan 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水旱轮作方式的周年CH4排放特征

水旱轮作方式下的CH排放主要集中在水稻季，约占周年排放总量的98%～99%（表2）。在水稻季，前期由于持续淹水管理，同时伴随大量的冬季作物秸秆还田，所有处理CH排放通量均表现出先快速升高，随后逐渐下降的趋势，其中T2 处理CH日排放通量最高，可达39 mg·m·h（图3）。水稻在落干期时，所有处理的CH排放通量均急剧下降，且有负值出现。随水稻进入间歇淹水期，CH日排放通量无较大波动，各处理的CH排放通量也无明显差异，8月下旬后大部分时期的CH日排放通量处于0～2 mg·m·h之间。不同水旱轮作模式下水稻季CH累积排放量具有显著差异（表2），T1 处理排放量最低，为93.9 kg·hm，显著低于T2 处理。总体来说，不同轮作模式周年CH累积排放量由高到低依次为T2＞T3＞T4＞CK＞T5＞T1。

表2 不同水旱轮作稻田的温室气体排放特征Table 2 Greenhouse gas fluxes for paddy rice-upland rotation systems

图3 不同水旱轮作方式的CH4排放通量季节变化Figure 3 Seasonal variation of CH4 fluxes for different paddy rice-upland rotation systems

在旱作季，CH日排放通量较低，且不同轮作方式的CH排放通量日变化趋势相似。旱作初期，因为施肥和温度的影响，各处理的CH排放通量较高；随着温度的逐渐降低，CH排放通量降低，且趋近于0。随后在2021 年4 月中旬和5 月上旬，部分处理再次出现CH排放高峰，原因可能与强降雨有关。不同轮作模式的旱作季CH累积排放总量中，T2处理累积排放量最高（2.0 kg·hm），T5 处理最低（0.9 kg·hm），但两处理间无显著差异。

不同轮作模式的周年CH累积排放量也具有显著差异（表2），与水稻季累积排放量规律相似，T1 处理的CH周年累积排放总量最低（95.6 kg·hm），显著低于T2 处理的173.3 kg·hm。总体上，小麦、油菜、青饲小麦、蚕豆与水稻轮作的CH周年总累积排放量分别比紫云英-水稻轮作增加80%、45%、28%和17%。

2.2 不同水旱轮作方式的周年N2O排放特征

不同轮作方式的周年NO 排放趋势如图4 所示，水旱轮作方式的周年NO 排放主要集中在水稻季，约占总量的62%～76%（表2）。在水稻季秧苗移栽后，由于施基肥的原因，NO 日排放通量有小幅上升，随后保持在较低的排放水平。当水稻进入落干期，从厌氧状态快速转变为好氧状态，有利于土壤NO 的排放，各处理的NO 排放通量在此时急剧上升，达到峰值，排放通量在145.0～450.5 μg·m·h范围内；随后NO排放通量开始下降。水稻进入间歇淹水期，各处理NO 排放通量在两次施肥后略有升高，穗肥后NO 的排放通量始终保持在较低水平，低于100 μg·m·h。总体上，T2、T3和T5处理的水稻季NO累积排放量相同，为1.5 kg·hm，无明显差异，而T4 处理显著高于CK和T1处理。

图4 不同水旱轮作方式的N2O排放通量季节变化Figure 4 Seasonal variation of N2O fluxes for different paddy rice-upland rotation systems

在整个旱作季，CK、T1 和T5 处理的NO 日排放通量处于较低水平，分别维持在-6.3～102.5、2.5～97.3 μg·m·h和3.3～191.5 μg·m·h之间。原因可能是冬季温度低，平均温度只达到10.5 ℃；另外CK 不施肥、T1和T5处理施氮量低（45 kg·hm）也是造成冬季无明显NO 排放高峰的原因。其他处理由于氮肥的施用，种植前期的NO 排放量有一定幅度的增加，但随后也趋于平稳。同样在2021年5月初，部分处理出现一个NO 排放高峰，可能是由于受到强降雨的影响。由表2 可知，水旱轮作中的旱作季NO 累积排放量大小顺序依次为T3＞T2＞T4＞T1=T5＞CK，由于施肥的差异，CK 处理显著低于T2 和T3 处理，T1 处理显著低于T3处理。

不同水旱轮作模式的周年NO 累积排放量有显著差异（表2），表现为CK（1.5 kg·hm）＜T1（1.8 kg·hm）＜T5（2.0 kg·hm）＜T2（2.2 kg·hm）＜T3（2.4 kg·hm）＜T4（2.5 kg·hm），其中CK处理的NO周年累积排放总量显著低于除T1 处理外的其他处理，水稻与青饲小麦、油菜、冬小麦、蚕豆和紫云英等作物轮作的NO 周年排放总量依次比CK 增加68%、57%、47%、34%和19%。

2.3 不同水旱轮作方式的周年增温潜势

由表2 可知，水旱轮作稻田的周年增温潜势高低顺序为T2（小麦-水稻）＞T3（油菜-水稻）＞T4（青饲小麦-水稻）＞CK（空闲-水稻）=T5（蚕豆-水稻）＞T1（紫云英-水稻），T2 处理的周年增温潜势最大，达到5.4 t COe·hm，较T1 处理（3.1 t COe·hm）显著增加约74%。

2.4 不同水旱轮作方式的周年经济效益

对于周年经济效益来说（表3），T4 处理最高，达到10 139 元·hm，是最低效益T3 处理的1.6 倍。与T2 处理相比，T1 处理的周年经济效益降低15.2%（1 291 元·hm），但却可减少2.3 t COe·hm的排放效应（表2）。水旱轮作方式下的水稻产量为8 148（T4）～8 854（T2）kg·hm，各处理间无显著差异。

表3 不同水旱轮作方式的作物产量与周年经济效益Table 3 Crop yield and annual economic benefits for paddy rice-upland rotation systems

从单位收益排放强度来看，T4 处理最低，为0.41 kg COe·元，T3 处理最高，高达T4 处理的2.2 倍。紫云英-水稻轮作的单位收益排放强度分别比油菜、小麦、休闲、蚕豆与水稻的轮作方式低51%、33%、20%和4%。总体上，相比于CK 处理，T1 处理能够降低周年增温潜势（降幅为16.2%），提高周年效益（增幅为4.4%），同时也降低了单位收益排放强度（降幅为19.6%）。

2.5 不同水旱轮作方式对土壤性质的影响

经过轮作周年种植后（2020 年6 月—2021 年5月），各轮作处理的土壤理化性质无处理间的显著差异（表4），但T3 处理的有机质、全氮、总磷、有效磷含量均处于较高水平；T1 处理的碱解氮含量相对较高，为15.1 mg·kg；T5 处理的速效钾含量最高，达到102.7mg·kg。

表4 不同水旱轮作方式下的土壤理化性质Table 4 Soil physical and chemical properties under different paddy rice-upland rotation systems

与2017 年试验前土壤有机质含量相比，经过3 a的连续轮作后，各处理的有机质含量均有一定程度的增加，其中T1 处理的有机质增加量高于T2 处理，但总体上，T3 处理的有机质增加最多，约4.5 g·kg。各处理pH 均略有下降，但整体无显著差异。土壤全氮在3 a 时间尺度上暂未表现出差异。土壤的总磷、有效磷、速效钾含量经过连续轮作后均一致提高，增幅分别高达83%（T3）、110%（T3）和15%（T5）。

2.6 水旱轮作温室气体排放的关键影响因素

如图5 所示，水旱轮作模式对全球变暖影响的周年增温潜势主要受CH累积排放量的影响，回归系数（值）为0.99（＜0.001），周年NO 累积排放量的值为0.06（＜0.001）。水旱轮作稻田的NO 周年排放通量与多种因素有关：与周年施氮量（重要影响因素，值为1.12，＜0.001）、土壤有机质含量（值为0.26，＜0.1）呈正相关关系；与秸秆还田量（值为-0.63，＜0.05）和水稻产量（值为-0.44，＜0.01）呈负相关关系。而周年CH累积排放量主要受冬季作物秸秆还田量（值为0.67）的影响，其次是受水稻产量（值为0.23）的影响，均为正相关关系。对于水稻产量，整个结构方程的为0.12，主要与土壤有机质和周年施氮量有关。土壤有机质含量与土壤有效磷含量呈正相关关系，但与周年施肥量（值为-0.14）存在一定负相关关系。

图5 水旱轮作模式的CH4和N2O排放驱动因素Figure 5 Driving factors for CH4 and N2O in paddy rice-upland rotation system

3 讨论

3.1 水旱轮作对农田CH4和N2O排放的影响

不同水旱轮作方式对稻田CH排放具有显著影响，5种水旱轮作处理的周年CH累积排放量为95.6～173.3 kg·hm，与已有研究的监测结果相似（91.6～283.3 kg·hm），其中小麦-水稻轮作具有最高的CH排放通量，与胡安永等的研究结果一致。水旱轮作稻田CH排放主要集中在水稻季，因为秸秆还田和淹水环境可以迅速激发产甲烷菌生长，促使大量CH产生并排放。因此，由于大量的冬茬秸秆还田，小麦-水稻、油菜-水稻轮作相比于休闲-水稻均不同程度地增加了CH周年累积排放量，这与黄太庆等、唐海明等、张岳芳等的研究结果相同。稻田CH排放是由土壤中的产甲烷菌和氧化菌共同控制，在秸秆持续还田约3 a后，土壤肥力明显提高，促进了水稻根系和植株生长，进一步促进了氧气的输送，使土壤含氧量迅速增加，因此氧化菌快速增长，将CH氧化为CO，最终使得CH排放量显著下降。另外，冬茬作物秸秆的C/N 也会影响稻田CH排放量，还田秸秆的C/N 越高，能源物质越丰富，土壤微生物的活性就越高，从而提高了CH的排放速率。紫云英（C/N：14）、蚕豆（C/N：17）的水旱轮作都表现出很低的周年CH累积排放量。值得注意的是，紫云英-水稻轮作下稻季CH累积排放量低于休闲-水稻轮作，原因可能是紫云英翻压还田促进了水稻植株根系发育及通气组织形成，促使CH被氧化。除了秸秆C/N 的影响外，CH排放量还可能与豆科作物培肥作用有关，稻田土壤肥力显著提高，水稻的植株和根系生长旺盛，激发了氧化菌的快速增长，将更多的CH氧化为CO，从而降低CH排放量。此外，张岳芳等和DONG 等在研究中还发现，在环境条件都适宜的情况下，氮肥的施用也可能影响稻田土壤氧化CH的量，氮肥的使用促进了植物根系的快速生长，使得根际分泌物和土壤可溶性有机物增加，间接为喜好有机物料的产甲烷菌提供了良好的生长底物，导致CH排放量增加。SUN 等研究发现CH排放量与土壤容重呈负相关关系，高容重的土壤通常较重且致密，可保护有机物免受微生物分解。农田土壤水分、关键酶等因素对温室气体排放也具有重要影响，作者前期研究结果已发现轮作种植系统的CH排放与土壤充水孔隙率（WFPS）呈正相关关系，而NO 排放与WFPS 呈负相关关系，在本研究中并未做相应的指标监测。

水旱轮作NO 周年累积排放量的范围为1.5（休闲-水稻）～2.5（青饲小麦-水稻）kg·hm，与已有研究结果一致。NO 累积排放量主要受施氮量影响，施氮较多会使局部土壤氮含量过高，促进土壤氮循环微生物活动，导致NO大量排放。相比于休闲-水稻轮作，稻麦、稻油轮作会使农田NO 排放显著增加1.5～3.7 倍。但前人研究也发现，不施肥的休闲-水稻轮作模式的旱作季NO排放量可能大于紫云英-水稻轮作模式，其原因可能与紫云英将土壤氮素转变为有机氮有关。另外，ALBANITO等分析得出施肥次数增多也会导致NO 排放增加。在水稻季，尽管施肥量相同，青饲小麦-水稻轮作的NO 累积排放量显著高于休闲-水稻、紫云英-水稻轮作，可能因为小麦季收获后残留在土壤中的肥料氮会影响水稻生长季的NO 排放。不同轮作方式的根际状态差异也会影响耕层土壤的微环境，进而影响土壤氮循环相关微生物的活动，导致不同水旱轮作方式的NO 排放呈现显著差异。例如，ZHANG 等发现紫云英-水稻长期轮作条件下，土壤根际细菌群落中的优势菌群主要是具有植物促生根瘤菌的不动杆菌（31%～41%）和假单胞菌（14%～28%），而在休闲-水稻轮作中此类菌的占比不超过5%。FANG等研究发现紫云英-水稻轮作显著增加了土壤有机质含量和潜在硝化活性。此外，水旱轮作方式中，水稻季稻田淹水方式也会影响NO 排放，干湿交替的环境会改变土壤结构和通气性，好氧与厌氧状态的频繁交替循环也会加速土壤氮的循环，从而促进了土壤NO 的排放，因此间歇淹水管理条件下的NO排放量会高于持续淹水管理。

3.2 水旱轮作的可持续性分析

农业活动的温室气体减缓可概括为两类，分别为固碳（汇）和减排（源）。由于大量的秸秆还田，水旱轮作系统在长期种植后均表现出土壤有机质含量提高（表4），但这也直接加速了CH的排放（图5）。逯非等估算出我国稻田秸秆还田每年可引起CH增排约22.4 Tg（以C 计），而秸秆还田的固碳潜力为10.5 Tg，可见秸秆还田增排CH的温室效应会大幅抵消土壤固碳的减排效益。科学的秸秆还田是减排的关键，可实现既能提高稻田固碳潜力，又能降低稻田温室气体排放。农田土壤秸秆等有机物质投入过高，会加速因土壤有机物质矿化导致的土壤养分大量流失，投入过低则可能出现土壤肥力、农田生产力下降。例如，YANG 等通过大田试验得出小麦-水稻轮作系统中，相比于作物秸秆半量还田，全量还田虽然明显提高土壤的有机质含量，但也增加了水稻季土壤硝态氮的淋溶。不同轮作方式的生物量输出也决定了整个系统的碳氮养分收支平衡状态。小麦-水稻、油菜-水稻、青饲小麦-水稻3 种轮作方式均为一年两熟，具有较高的经济效益，但长期的高强度生物量（包括秸秆与籽粒）输出会加速土壤矿化，且年施氮量达到540 kg·hm，也会造成一定的环境污染风险。但本研究暂未综合分析碳、氮等养分输出对温室气体排放的影响。此外，油菜-水稻轮作可提高后茬水稻的产量及养分累积量，因为油菜强大的根系结构可改善土壤性质和土壤微生物菌群，而且油菜后期脱落的叶片会将大量的氮、磷、钾养分归还到土壤系统中。由于油菜的培肥增产功能，油菜（绿肥）-水稻也是较常见的轮作方式，但实际生产中，在油菜作为绿肥情况下，很多农户都是按常规施肥管理油菜，翻压还田后，常造成油菜季所有养分都作用到水稻季，而水稻季又未实施相应的减氮措施，最终使水稻季养分过剩，造成前期秧苗僵化、后期植株倒伏现象，同时也造成温室气体排放增加、农田面源污染等环境问题。青饲小麦-水稻是本研究中经济效益最高的轮作方式，其单位收益排放强度也最低，但其土壤固碳能力相对较弱。

相对于其他轮作方式，紫云英-水稻、蚕豆-水稻轮作具有较低的温室效应，土壤固碳能力也高于休闲-水稻轮作方式。豆科作物-水稻轮作模式具备增强土壤碳、氮储存及改善土壤性质的功能，其对土壤健康和环境质量的改善可能会抵消甚至超过CO排放造成的影响。但绿肥生物量还田也需配套相应技术才能达到优良培肥的作用，过多的绿肥生物量还田不仅对水稻增产无用，还可能造成作物后期贪青迟熟、倒伏或土壤养分流失等问题。聂良鹏等的报道指出，豫南稻区紫云英翻压量为22 500 kg·hm时，配合化肥减施20%的培肥效果最优。唐先干等在江西地区研究发现，紫云英还田22 500 kg·hm+减量20%化肥处理既能保障早稻产量，又能有效增加稻米整精米率、降低垩白粒率。而王赟等在江西的试验却得出，37 500 kg·hm紫云英+减量20%化肥才能实现水稻产量提高以及稻米品质提升的双重目标。可见，紫云英最优还田量与土壤背景性质也有密切的关系，土壤肥力较差的情况下绿肥培肥能力可能更明显。对于长江中下游地区，由于水稻生育期长，紫云英播种时期推迟，加上温度降低，紫云英很难达到理想的生物量，这也大幅降低了紫云英的培肥能力，因此长江下游绿肥紫云英的种植需要更精准的科学配套种植技术。综上所述，轮作模式的可持续发展需要考虑生态环境、土壤健康、经济效益等因素，归一化分析不同轮作方式的供给服务、调节服务、支持服务和文化服务，明确不同轮作方式的最优生态系统服务功能，为决策者合理布局种植结构提供科学的理论与实践支撑。

4 结论

（1）紫云英-水稻轮作能够明显降低稻田水旱轮作的温室效应，周年增温潜势（3.1 t COe·hm）显著低于小麦-水稻轮作（5.4 t COe·hm），而且单位收益排放强度也较低，分别比油菜、小麦、休闲、蚕豆轮作减少51%、33%、20%和4%。青饲小麦-水稻轮作具有最高的经济收益，单位收益排放强度也最低（0.41 kg COe·元），但周年NO 排放量最高，土壤固碳能力低于其他轮作模式。

（2）CH累积排放量主要与冬茬还田生物量有关，小麦、油菜、青饲小麦、蚕豆轮作的稻田CH周年累积排放量分别比紫云英轮作增加80%、45%、28%和17%；NO 累积排放量主要受施氮量、冬茬秸秆还田量及土壤有机质影响，种植青饲小麦、油菜、冬小麦、蚕豆和紫云英的NO 周年排放量依次比休闲增加68%、57%、47%、34%和19%。