江汉平原不同稻作模式下温室气体排放特征

叶 佩 宋春燕 刘凯文 刘志雄 谢青芸 胡严炎 朱 波 王 斌*

1)(湖北省荆州农业气象试验站，荆州 434000)2)(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)3)(武汉区域气候中心，武汉 430074)4)(长江大学农学院，荆州 434025)

引 言

人类活动产生大量温室气体是全球气候变暖的主要原因[1-2]。农业温室气体排放约占全球人类活动产生温室气体排放总量的12%[3]。CH4和N2O作为两类重要的农业温室气体，在百年尺度上增温潜势分别为CO2的25倍和298倍[4]。农业排放的CH4和N2O分别占全球CH4和N2O排放总量的60%和50%，而稻田是农业CH4和N2O的重要排放源[5]。中国是世界上重要的稻米生产国和消费国，全国每年稻田CH4和N2O排放量分别约为7.41 Tg和32 Gg[6-8]，占农业源温室气体排放的22%，稻田生态系统减排对降低农业源温室效应将起积极作用[9]。为此，有必要对各类稻田CH4和N2O排放特征及综合温室效应进行研究，开发适宜地区低碳减排的农业生产模式，对实现国家双碳战略目标和减缓全球气候变暖意义重大。

人们针对稻田温室气体排放在水稻品种[10]、水肥管理[11-13]、轮作方式[14]、耕作制度[15]等方面开展了大量研究。除气候条件、土壤特性、施肥、灌溉等因素外，不同稻作模式也是影响稻田CH4和N2O排放的重要因素[16]。研究表明：与双季稻相比，单季稻-小麦、单季稻-油菜、单季稻-玉米等水旱轮作模式能显著降低稻田CH4和N2O排放[17-19]，晚稻季稻田的总增温潜势和综合温室强度高于早稻季[20]。稻虾种养模式下秸秆还田、土壤长期持续淹水、小龙虾掘洞觅食活动等诸多因素对稻田CH4和N2O排放的影响尚存在争议[21-22]。再生稻是头季水稻收获后，稻桩生芽萌发再生、成穗再收获的一季水稻，其水肥管理、种植周期等多项田间管理不同于单季稻，其稻田温室气体的排放特征区别于传统水稻[23]。林志敏等[24]指出再生稻全球增温潜势和综合温室气体排放强度低于双季稻和单季晚稻；王天宇等[25]发现再生稻CH4，N2O的总增温潜势和综合温室气体排放强度较稻麦轮作分别降低22.3%，86.5%，36.3%和15.9%。徐祥玉[26]对比研究中稻-冬泡、稻田养虾、中稻-小麦3种模式稻田温室气体排放规律，发现稻麦轮作减排效益最高、稻虾共作次之、冷浸稻田最低。由此可见，不同稻作生态系统由于种养模式、水稻品种以及农田管理措施等多方面的差异使其在农业生产过程中CH4和N2O的排放特征存在不确定性。

国内外学者已选择有限稻作类型开展温室气体排放对比研究，但同时开展早稻、晚稻、中稻、虾稻、再生稻等典型稻作模式温室气体排放对比研究的报道较少，不同稻作模式下稻田温室气体排放差异、时间变化规律和温室气体排放强度特征还不够明确。江汉平原素有“江汉粮仓”的美誉，是国家重要商品粮生产基地，该地区水稻常年播种面积和产量分别达到9×105hm2和7.5×103t，主要稻作模式包括传统的早稻-晚稻、中稻-小麦、中稻-油菜以及新兴的中稻-虾共作、再生稻等模式。水稻种植面积广阔，种植模式丰富，对稻田温室气体排放贡献大[27]。因此，本研究以江汉平原典型稻作区为研究对象，采用静态箱-气相色谱法，在稻田同步原位监测早稻、晚稻、中稻、虾稻以及再生稻5种稻作模式稻田温室气体排放通量，揭示不同稻作模式CH4和N2O排放特征，从温室气体排放总量、综合温室效应、温室气体排放强度3个角度进行评估，以期为江汉平原稻田温室气体排放核算评估和减排技术制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验时间为2021年4—10月，试验地点为江汉平原典型稻作区(湖北省荆州农业气象试验站)，供试稻作类型为江汉平原典型稻作模式(早稻、晚稻、中稻、虾稻和再生稻)，供试土壤为内陆河湖交替沉积的潴育型水稻土，质地为粉质中壤土。江汉平原属北亚热带季风性湿润气候，水热资源丰富，年降水量为800～1600 mm，年平均日照时数约为1700 h，年平均气温为17.2℃，全年无霜期为251 d。试验期间降水量和气温日变化如图1所示。

图1 2021年试验点水稻生育期降水量和气温日变化

1.2 试验设计

稻田试验设置5种稻作模式，分别为冬闲-早稻、晚稻-冬闲落干、中稻-油菜轮作、虾稻-冬闲淹水和再生稻头茬-再生茬-冬闲落干，每种稻作模式进行3次重复。不同稻作类型水稻移栽、晒田和收获时间见表1。供试肥料包括氮肥(N 46%)、磷肥(P2O512%)、钾肥(K2O 60%)，早稻、晚稻、中稻和虾稻试验中磷肥和钾肥全部作为基肥使用，氮肥按5∶2∶3比例分别在移栽、分蘖和孕穗施入。早稻和晚稻氮肥用量均为391 kg·hm-2，磷肥用量为500 kg·hm-2，钾肥用量为150 kg·hm-2。中稻和虾稻氮肥用量为391 kg·hm-2，磷肥用量为750 kg·hm-2，钾肥用量为200 kg·hm-2。再生稻氮肥用量为803 kg·hm-2，磷肥用量为750 kg·hm-2，钾肥用量为200 kg·hm-2，其中头季稻基肥的氮肥、磷肥、钾肥施用量分别为217 kg·hm-2，750 kg·hm-2，117 kg·hm-2，中间补施130 kg·hm-2的氮肥作为分蘖肥，后期分别追施130 kg·hm-2氮肥和83 kg·hm-2钾肥作为孕穗肥，头季稻收获前16 d(8月1日)和收割后10 d(8月28日)均施入163 kg·hm-2氮肥作为再生季促芽肥和提苗肥。田间水分管理过程中虾稻长期处于淹水状态，成熟期田间水分落干，其他稻作模式在分蘖期保持淹水灌溉，分蘖末期排水晒田，幼穗分化期再次灌水，抽穗后保持干湿交替直至收获前7～10 d断水。虾稻田前一年虾稻收获后秸秆还田，留茬高度为30～40 cm，供试虾为克氏原螯虾，虾苗于2021年3月按照300 kg·hm-2(约50尾·kg-1)投放，每日16：00—18:00(北京时，下同)进行虾饲料投喂，投入量平均为600 kg·hm-2。4月上中旬适时捕捞上市，6月上旬捕捞成虾完毕，降低田间水位使未成熟虾迁移至虾沟，待整田、播种、晒田及复水后使其再次进入稻田。田间病、虫、草害等管理与当地高产田措施保持一致。

表1 2021年不同稻作模式水稻移栽、晒田和收获时间

1.3 温室气体与产量测定

1.3.1 温室气体测定

稻田CH4和N2O采用静态箱-气相色谱法测定。采样箱采用PVC板制成，直径为55 cm，高为120 cm，箱外包有锡箔纸和海绵，避免箱体吸收太阳辐射而引起箱内气温变化过大。水稻移栽后开始采样，采样时间为09:00—11:00，采样频率为抽穗前3～5 d 1次，抽穗到成熟5～7 d 1次。采气时，先将采集箱摇晃2～3次以充分混匀箱内气体，加水密封，用注射器分别在0，10，20，30 min从箱中抽取气体，并通过旋转三通阀转移到真空瓶备测，同时记录此时箱内的温度。采样后24 h内采用气相色谱仪(Agilent 7890A)和自动进样器测定CH4和N2O浓度。CH4和N2O检测器分别为氢火焰离子检测器(FID)和微电子捕获检测器(μECD)，进样口温度分别为200℃和330℃，分析柱为PQ填充柱，柱温为55℃。

1.3.2 产量测定

在水稻成熟收获期，不同种植模式稻田均选取有代表性的稻株地块作为采样区，每个采样区进行3次重复采样，每个样点用测产框取面积为1 m2的水稻收割，经过自然晾晒、人工脱粒后分别测产，以各样点的平均值估算全田总产量。

1.4 数据及分析方法

1.4.1 CH4和N2O排放通量

(1)

1.4.2 CH4和N2O累积排放量

水稻生育期内CH4和N2O累积排放量为相邻两次采样的气体日排放通量平均值与观测间隔日数的乘积，依次累加[29]。

(2)

式(2)中，fn为水稻生育期内CH4或N2O累积排放量(单位：kg·hm-2)；Fi为相邻两次CH4或N2O日排放通量平均值(单位：mg·m-2·h-1或μg·m-2·h-1)；Di为两次采样间隔日数(单位：d)，i为第1次，…，第n次不连续温室气体排放通量观测样本量。

1.4.3 总增温潜势

总增温潜势为水稻生育期内CH4和N2O累积排放量的总CO2排放当量。在百年时间尺度上，单位质量CH4和N2O全球增温潜势分别为CO2的25倍和298倍[30]。

E=fCH4×25+fN2O×298。

(3)

式(3)中，fCH4为水稻生育期内CH4累积排放量(单位：kg·hm-2)；fN2O为水稻生育期内N2O累积排放量(单位：kg·hm-2)；E为CH4和N2O排放量的总CO2当量，即CH4和N2O总增温潜势(单位：kg·hm-2)。

1.4.4 温室气体排放强度

温室气体排放强度是农业生产温室效应的综合评价指标，是水稻单位产量的CO2当量(单位：kg·kg-1)[31]，通过总增温潜势排放量除以水稻产量求得。

1.4.5 数据处理

采用SPSS 24.0软件进行数据统计，采用单因素方差法分析不同稻作模式间的排放差异，采用最小显著性差异法(LSD)进行显著性检验(显著性水平P<0.05)，采用Microsoft Excel 2010软件作图。

2 结果与分析

2.1 CH4排放通量

不同稻作模式CH4排放均呈现显著的季节变化(图2)。主要特征为水稻前期淹水阶段出现高排放峰，排水晒田期稻田CH4排放通量迅速下降，干湿交替阶段出现较小CH4排放峰，成熟期稻田CH4为零排放或负排放。不同稻作模式下CH4最高排放峰值均处于淹水阶段，从大到小依次为虾稻、中稻、晚稻、早稻、再生稻，其中虾稻最高排放峰值为85.7 mg·m-2·h-1，分别高出中稻、晚稻、早稻、再生稻排放峰值的71.7%，114.8%，134.2%，191.5%。早稻、晚稻、再生稻分别在移栽后第8天、第11天、第7天达到峰值，而中稻、虾稻在分蘖淹水阶段一直保持较高排放。

图2 2021年不同稻作模式下CH4排放通量动态变化(虚线箭头表示施肥，下同)

2.2 N2O排放通量

N2O排放通量与CH4排放呈此消彼长的关系(图3)。排放峰值主要出现于中期晒田和施肥后，生育期内排放通量变化范围为-41.7～1100.7 μg·m-2·h-1。各稻作模式下N2O最高排放峰值从大到小依次为再生稻、早稻、晚稻、虾稻、中稻，其中再生稻最高排放峰值为1100.7 μg·m-2·h-1，分别高出早稻、晚稻、虾稻、中稻排放峰值的16.8%，109.3%，649.8%，654.9%。不同稻作模式N2O最高排放峰值出现时间存在差异，但均出现在施肥后，其中早稻、晚稻在施入穗肥后(6月5日和9月21日)出现N2O最高排放峰值；中稻、虾稻以及再生稻均在施入分蘖肥后(7月10日、7月18日和4月30日)出现N2O最高排放峰值。复水后各稻作模式稻田N2O排放显著降低，直至水稻齐穗期再次出现排放小高峰。

图3 2021年不同稻作模式N2O排放通量动态变化

2.3 CH4和N2O累积排放量

不同稻作模式下稻田CH4累积排放量从大到小依次为虾稻、再生稻、早稻、晚稻、中稻，相比虾稻模式，早稻、晚稻、中稻和再生稻CH4累积排放显著降低，分别为67.3%，75.3%，78.7%和45.7%(P<0.05)；晚稻和中稻CH4累积排放较再生稻显著降低，为54.5%和60.7%；早稻、晚稻和中稻间差异不显著；对于双季稻总生长季而言，CH4总排放量为310.9 kg·hm-2，高于中稻和再生稻(图4)。N2O累积排放大小依次为再生稻、早稻、晚稻、中稻、虾稻，相比再生稻模式，早稻、晚稻、中稻和虾稻N2O累积排放显著降低，分别为58.8%，80.4%，88.2% 和92.2%(P<0.05)；相比早稻模式，晚稻、中稻和虾稻N2O累积排放显著偏低52.4%，71.4%和81.0%；晚稻、中稻和虾稻模式间无显著差异；双季稻N2O总排放量为3.1 kg·hm-2，高于中稻和虾稻。

图4 不同稻作模式CH4和N2O累积排放量(不同小写字母表示差异显著(P<0.05))

2.4 综合温室效应和温室气体排放强度

各稻作模式下水稻生长季总增温潜势从大到小依次为虾稻、再生稻、早稻、晚稻、中稻，相比虾稻模式，早稻、晚稻、中稻和再生稻增温潜势显著降低，分别为62.9%，73.3%，77.6%，35.2%(P<0.05)(表2)。增温潜势主要贡献来源于CH4排放，各稻作类型排放占比分别为87.4%，91.9%，94.2%，99.0%和82.9%，N2O与CH4排放占比呈相反趋势。再生稻模式包含头季和再生季两茬，单产明显高于其他模式，其次为虾稻和中稻，早稻和晚稻产量较低。不同稻作类型温室气体排放强度从大到小依次为虾稻、早稻、再生稻、晚稻、中稻，相比虾稻模式，早稻、晚稻、中稻、再生稻的温室气体排放强度显著降低43.6%，62.1%，75.7%和59.3%，其他稻作模式间温室气体排放强度差异不显著。

表2 不同稻作模式下综合温室效应、增温潜势和温室气体排放强度

3 稻田CH4和N2O产生原因及不同模式差异

3.1 稻田CH4产生原因及不同模式差异

研究表明：水稻生长前期稻田CH4高排放主要由于土壤处于持续淹水的严格厌氧状态，产甲烷菌生长代谢加快，施用基肥加速土壤中根茬和植物残体的分解，提供大量产甲烷基质[32]。在稻田晒田和水稻成熟后期，水层落干使稻田土壤通气变好，产甲烷菌生长受到抑制且甲烷氧化菌活性得到提高，促进CH4氧化，最终使CH4排放骤降甚至出现负排放[33]。本试验结果表明：5种不同稻作模式下CH4排放高峰均发生在淹水阶段，干湿交替阶段出现较小CH4排放峰，晒田期稻田CH4排放通量迅速下降，成熟期稻田CH4为零排放或负排放，与已有研究结论一致。

徐祥玉等[22]研究表明：虾稻模式下深度淹水使土壤氧化还原电位降低，但小龙虾的觅食活动增加稻田水土界面含氧量，降低CH4排放。本试验结果为虾稻模式CH4排放明显高于其他模式，结果不一致的原因可能是本试验中稻虾模式采用秸秆还田，在土壤持续淹水条件下，大量外源碳的投入对CH4排放存在强烈的激发作用。由此可知，优化稻虾模式水肥管理、饲料投喂、秸秆还田等方面对CH4减排至关重要。再生稻生长期较虾稻长，但CH4排放较虾稻少，主要原因可能是再生稻头季收获后稻桩上再生腋芽长势较头季、再生季营养生长速率低，且头季成熟水层落干后采用干湿交替水分管理，提高了土壤氧化还原电位，促进甲烷氧化菌生长，抑制CH4产生[34]。另外，本研究还表明不同稻作模式CH4排放峰值与累积排放量排序存在变化，如再生稻CH4排放峰值明显低于早稻、晚稻以及中稻，整个生长季保持较低排放，其累积排放却高于早稻、晚稻和中稻，这主要是因为再生稻包含头季稻及其收割后稻桩再次萌芽成穗的再生稻，生育周期远大于早稻、晚稻和中稻。早稻和晚稻均在移栽后达到CH4排放峰值，晚稻移栽后生长季气温明显高于早稻，因此其CH4排放峰值稍高于早稻，但早稻生长季雨水充沛，淹水时间明显长于晚稻，促进CH4的产生，整体上增加了早稻CH4累积排放。中稻在分蘖期淹水阶段出现较高CH4排放峰值，由于稻田水层落干过早，后期自然落干状态至成熟收获期维持时间较长，导致CH4排放骤降。从双季稻整体看，包含早稻和晚稻两茬的CH4总累积排放量明显高于中稻，相比双季稻，中稻一般为麦稻、稻油等水旱轮作模式，可以增加土壤通透性，从而破坏甲烷菌所需的厌氧环境，导致CH4累积排放降低[35]。

3.2 稻田N2O产生原因及不同模式差异

稻田CH4由产甲烷菌在厌氧条件下对有机质的分解产生，而N2O为好氧条件下进行硝化作用产生，因此，稻田CH4和N2O排放呈现“此消彼长”的关系[36]，本试验稻田CH4和N2O排放结果也符合该规律。此外，N2O排放与稻田水肥管理密切相关，研究表明N2O排放主要集中于施肥和干湿交替阶段，N2O排放随施氮量增加而增加[37]。主要原因是田间施肥为硝化与反硝化作用提供了重要的氮素底物，不同稻作类型施肥后，均会出现N2O排放高峰。而在中期烤田和成熟前稻田落干阶段，土壤微生物活性和有效氧增加，有利于土壤硝化反应和反硝化反应同时进行，极大促进了N2O的产生[38]。

由于不同稻作模式田间管理措施不同，N2O排放存在明显差异。如Li等[39]研究表明：土壤氮肥转化以及不同品种稻作类型对氮形态吸收能力也会影响N2O的排放，使早稻N2O排放明显高于中稻和晚稻等常规稻作类型。本研究表明再生稻N2O排放峰值和累积排放量均为最高，其主要原因可能是再生稻头季头分蘖肥的施用为硝化和反硝化作用提供了充足的底物，再生季施促芽肥使水稻腋芽再生旺盛，土壤微生物活性增强，加上频繁的干湿交替水分管理模式导致N2O排放明显高于其他稻作类型[40]。不同稻作模式N2O排放峰值与累积排放量的排序并未呈现完全一致性，中稻和虾稻均在施肥后出现N2O排放峰值，此时正值水稻快速生长分蘖期，秸秆还田和饲料投入的有机氮可能使虾稻N2O排放峰值短时间内高于中稻，但整体上虾稻长期处于淹水状态，极厌氧状态不利于N2O排放，导致N2O累积排放低于中稻。

4 结论和讨论

本研究基于2021年4—10月水稻生育期观测数据，重点研究江汉平原冬闲-早稻、晚稻-冬闲落干、中稻-油菜轮作、虾稻-冬闲淹水以及再生稻头茬-再生茬-冬闲落干5种典型稻作模式水稻生长季CH4和N2O排放特征，反映不同稻作模式对稻田CH4和N2O排放的短期影响，得到以下结论：

1)不同稻作模式下稻田CH4和N2O排放特征既有显著规律又存在一定差异。CH4排放主要集中在水稻前期淹水阶段，排放峰值最高为虾稻(85.7 mg·m-2·h-1)，较其他模式高71.7%～191.5%；N2O排放峰值主要出现于中期晒田和施肥阶段，排放峰值最高为再生稻(1100.7 μg·m-2·h-1)，较其他模式高16.8%～654.9%。

2)不同稻作模式对水稻生长季CH4和N2O累积排放影响较大，CH4累积排放从大到小依次为虾稻、再生稻、早稻、晚稻、中稻，其中早稻、晚稻、中稻和再生稻较虾稻CH4累积排放显著降低，分别为67.3%，75.3%，78.7%和45.7%(P<0.05)；N2O累积排放从大到小依次为再生稻、早稻、晚稻、中稻、虾稻，其中早稻、晚稻、中稻和虾稻较再生稻N2O累积排放显著降低，分别为58.8%，80.4%，88.2%和92.2%(P<0.05)。

3)CH4是稻田综合温室效应的主要贡献者，降低CH4排放是实现稻田温室气体减排的关键。早稻、晚稻、中稻和再生稻综合温室效应和温室气体强度较虾稻显著降低，分别为62.9%，73.3%，77.6%，35.2%和43.6%，62.1%，75.7%，59.3%(P<0.05)。稻虾田高排放主要原因是持续淹水时间长、秸秆还田和饲料投入；中稻由于水旱轮作，稻田温室气体排放最低，可作为低碳减排的主要稻作类型。

中稻作为目前江汉平原乃至长江中下游主要稻作类型，因其水旱轮作的特性具有较低的温室气体排放，从低碳角度而言是值得推广的轮作模式；双季稻连续种植两季，稻米总产高，对保证粮食安全具有重要意义，但温室气体排放较高；再生稻是在种植一季中稻的基础上发展再生稻，具有节水、节肥、稻谷产量高和经济效益高的特点，是一项相对低碳高产的稻作模式，适用于热量条件不足以种植两季作物的地区；虾稻模式虽然既保证粮食生产又满足水产养殖需求，但其生产模式易造成大量温室气体排放。未来可重点优化稻虾种养系统的水肥管理，合理开展秸秆还田和饵料精确投入，在保证作物产量的同时减少水分、养分的消耗，调控碳氮收支平衡，实现稻虾种养绿色生产。为更好发挥稻田生产与生态功能，合理选择稻作模式以适应水稻绿色低碳生产发展新要求，兼顾粮食安全和减排增效的双赢。

本研究关注稻田CH4和N2O排放的短期影响，下一步将开展不同稻作区长期定位试验，获取多年、多区域的观测数据进一步分析其长期效应。此外，不同稻作模式下前茬作物轮作机制或不同冬闲管理方式可引起稻田土壤水分、养分及理化性质变化，从而对下茬水稻生育期CH4和N2O排放产生影响，在未来的研究还需扩宽时间尺度，观测全年温室气体排放，这对全面和准确评估不同稻作模式周年温室气体排放特征至关重要。