环境科学  2020, Vol. 41 Issue (10): 4701-4710   PDF    
引用本文
陈友德, 赵杨, 高杜娟, 罗先富, 崔婷, 童中权, 吴家梅. 稻油不同轮作模式对农田甲烷和氧化亚氮排放的影响[J]. 环境科学, 2020, 41(10): 4701-4710.
CHEN You-de, ZHAO Yang, GAO Du-juan, LUO Xian-fu, CUI Ting, TONG Zhong-quan, WU Jia-mei. Effects of Different Rotation Patterns of Oil-Rice on Methane and Nitrous Oxide Emissions in Rice Fields[J]. Environmental Science, 2020, 41(10): 4701-4710.
稻油不同轮作模式对农田甲烷和氧化亚氮排放的影响
陈友德1, 赵杨1, 高杜娟1, 罗先富1, 崔婷2, 童中权2, 吴家梅3     
1. 湖南省水稻研究所, 长沙 410125;
2. 湖南省南县农业农村局, 南县 413200;
3. 湖南省农业科学院农业环境生态研究所, 洞庭湖流域农业面源污染防治工程技术研究中心, 长沙 410125
收稿日期: 2020-02-17; 修订日期: 2020-04-29
基金项目: 国家重点研发计划项目（2016YFD0300207-05）
作者简介: 陈友德(1969~), 男, 研究员, 主要研究方向为水稻栽培与病害防治, E-mail:chenyoude1003@126.com
通信作者: 吴家梅, E-mail:waloe@163.com
摘要: 以南方稻区不同轮作模式为研究对象，采用静态箱-气相色谱法研究水稻-油菜轮作处理的甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）排放特征，并估算稻田增温潜势（GWP）和温室气体排放强度（GHGI）.结果表明，双季稻田、一季中（晚）稻田、油菜地和休闲地CH4平均排放量分别为135.25，55.64、5.05和1.89 kg ·hm-2，稻季CH4排放占不同轮作周年CH4排放的91.8%~98.5%，稻田土壤水溶性有机碳与CH4排放呈显著正相关，常规晚稻稻田CH4排放比杂交晚稻高18.7%（P < 0.05）；双季稻田、一季中（晚）稻田、油菜地和休闲地N2O平均排放量分别为0.94、0.64、1.38和0.24 kg ·hm-2，油菜地的N2O排放占周年排放的57.2%~70.2%，双季稻和一季稻处理的冬闲农田N2O排放占周年排放的17.8%和30.6%，杂交稻和常规稻稻田N2O排放无显著性差异；双季稻-冬闲和双季稻-油菜的GWP处理高于稻-油和稻-冬闲处理，稻季排放CH4的GWP占轮作周年GWP排放的71.2%~90.9%；GHGI以稻-稻-油菜最高，稻-油和稻-冬闲处理较低，综合环境效益和经济效益，建议南方稻区选择杂交晚稻-油菜的种植模式，有利于南方多熟制稻田的温室气体减排.
关键词: 稻田      甲烷      氧化亚氮      轮作模式      温室气体排放强度     
Effects of Different Rotation Patterns of Oil-Rice on Methane and Nitrous Oxide Emissions in Rice Fields
CHEN You-de1 , ZHAO Yang1 , GAO Du-juan1 , LUO Xian-fu1 , CUI Ting2 , TONG Zhong-quan2 , WU Jia-mei3     
1. Hunan Rice Research Institute, Changsha 410125, China;
2. Nanxian Agricultural and Rural Bureau, Nanxian 413200, China;
3. Hunan Engineering Research Center for Prevention and Control of Agricultural Non-point Source Pollution in the Basin of Lake Dongting, Institute of Agriculture Environment and Ecology, Hunan Academy of Agricultural Science, Changsha 410125, China
Abstract: A field experiment was carried out to investigate the effects of different rice-rape rotation systems on methane and nitrous oxide emissions, which were measured using the static chamber/gas chromatography method, prediction of their global warming potentials (GWP), and greenhouse gas intensity (GHGI) in paddy fields. The results showed that the average cumulative emissions of CH4from a double cropping paddy field, single season rice field (including middle or late), rape field, and leisure land were 135.25, 55.64, 5.05, and 1.89 kg ·hm-2, respectively. The CH4 emission during the rice season accounted for 91.8%-98.5% of the annual CH4 emission in different rotation years, and the contents of dissolved organic carbon in paddy soil exhibited a significantly positive correlation with CH4 emission. The CH4 emission in conventional late rice paddy was 18.7% higher than that of hybrid late rice paddy (P < 0.05). The average cumulative emissions of N2O from double cropping paddy field, single season rice field (including middle or late), rape field, and leisure land were 0.94, 0.64, 1.38, and 0.24 kg ·hm-2, respectively. Out of the total annual N2O emission, 57.2% to 70.2% was from the rape field; 17.8% and 30.6% was due to the winter fallow treatments with previous crop type of double corpping rice and single season rice, respectively. There was no significant difference in N2O emission between hybrid rice and conventional rice paddy fields. The GWP of double cropping rice-winter fallow and double cropping rice-rape was higher than that of rice-rape and rice-winter fallow, and the GWP of CH4 in rice season accounted for 71.2% to 90.9% of the annual GWP of rotation. The highest treatment of GHGI was rice-rice-rape, and the treatment of rice-oil and rice-winter slack was lower. According to the comprehensive environmental and economic benefits, the late hybrid rice-rape patterns should be selected to reduce greenhouse gases in multiple cropping rice fields of South China.
Key words: paddy field      methane      nitrous oxide      rotation patterns      greenhouse gas intensity     

甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是仅次于二氧化碳的重要温室气体, 对地球系统能量收支和气候变化有重要的影响[1].由于人类活动的影响, 大气中CH4和N2O的浓度目前分别以每年0.6%和0.2%~0.3%的速率增长[2].大气中大约有50%~65%的CH4排放由人为活动产生[3], 而稻田CH4是一个重要的人为排放源, 年排放量占全球CH4总排放的7%~17%[3, 4], 稻田排放的N2O约占我国农田氮肥直接排放N2O总量的7.0%~11.0%[5].由于全球人口增长, 预计到2030年, 大米的需求量将增加35%[6], 导致CH4和N2O排放增加, 因此研究稻田生态系统温室气体的排放现状, 对稳定粮食生产和缓解区域气候具有重要意义.

我国南方地区是双季稻的主产区, 而随着农村劳动力的减少, 加上双季早稻的收与晚稻种的时间间隔短, 越来越多的农民愿意种植一季稻, 致使南方双季稻区的面积逐渐减少, 一季稻种植逐渐增多[7].南方地区双季稻田CH4排放特征的研究颇多, 而一季稻稻田CH4排放监测报道较少, 尤其在相同的生长季节和地点, 一季稻和双季稻的排放量的差别还有待于进一步研究.水旱轮作是水稻生产中常见的一种管理制度, 对稻田温室气体排放有重要的影响.与双季稻田相比, 水稻-小麦、水稻-玉米等水旱轮作模式能显著改变稻田CH4和N2O排放[8~11].稻-油、稻-稻-油是洞庭湖流域的主要种植制度, 在利用光热资源、养地等方面发挥重要作用, 而不同熟制稻田的CH4和N2O排放差异也待进一步研究.

随着农村劳动力的减少和对生态环境认识重要性的提升, 越来越多的农民愿意采用免耕的方式管理农田, 因此, 本研究选择南方稻区生产中的免耕轮作模式, 探讨常规的水肥管理条件下稻-油轮作和稻-稻-油轮作模式稻田中CH4和N2O排放现状, 评估其综合温室效应, 以期为估算多熟制稻田不同种植模式的CH4和N2O排放提供区域观测数据, 对保障粮食生产和温室气体减排具有重要的现实意义.

1 材料与方法 1.1 试验设计

不同轮作模式的免耕定位试验在湖南省益阳市南县三仙湖镇太平村(N29°09′, E112°24′)开展, 试验点年平均温度为16.6℃, 年降水量1238 mm, 年日照时间1776 h, 为南方典型的水稻生产区.土壤类型为湖积物发育的紫潮泥.化学性状：土壤pH值8.0, 有机质33.8 g·kg-1、水解性氮202.1 mg·kg-1、有效磷11.5 mg·kg-1和速效钾80.1 mg·kg-1.

本试验于2009年开始免耕, 2016年布置试验, 设置5个处理分别为：①常规晚稻-油菜(LR-R)、②杂交晚稻-油菜(LHR-R)、③杂交中稻-冬闲(MHR-F)、④常规早稻-杂交晚稻-油菜(ER-LHR-R)、⑤常规早稻-杂交晚稻-冬闲(ER-LHR-F).每个处理3个重复, 由于不同轮作模式水分管理不同, 本试验采用大区设计, 每个处理一个大区, 每个大区设置3个小区(3个重复), 小区面积为94 m2, 每个大区之间用30 cm宽、20 cm深的沟隔开, 每个小区田埂和排灌水沟田埂均用塑料膜包裹隔开.2018年4月至2019年6月开展研究, 2018~2019年试验点气象要素变化趋势见图 1.

图 1 2018~2019年试验点水稻生长期气温和降水日变化 Fig. 1 Variation in daily air temperature and precipitation in 2018 to 2019 at the research station

2018年4月26日安装收集温室气体的静态箱底座.双季早、晚稻的肥料均为抛秧7 d后和幼穗分化期施用, 一季中、晚稻为水稻苗期和幼穗分化期施用.油菜的肥料为3~4叶1心和5~6叶1心分次施用.一季中、晚稻的种植方式为直播, 双季早、晚稻的种植方式为移栽, 不同处理作物的施肥、播种、移栽和收获时间见表 1和表 2.水稻保持前期淹水, 分蘖盛期排水晒田, 幼穗分化期保持田面薄水层, 灌浆期见干见湿, 乳熟期和成熟期保持田面干燥.水稻成熟时人工收获, 每个小区单独测定籽粒产量.

表 1 不同处理作物品种及肥料用量1)/kg·hm-2 Table 1 Variety of crop and application amount of fertilizers/kg·hm-2

表 2 不同作物播种和收获日期 Table 2 Planting and harvesting dates of crops

1.2 测定项目及方法

气体样品于2018年4月27日开始采集, 持续到2019年6月5日, 油菜3叶1心到抽薹期每两周采集1次(施肥时保持每周1次), 水稻生长季节和油菜其他时期每周采样1次.气体采用密闭静态箱收集, 每次采样时间固定在上午9:00~10:00, 采样时间分别为罩箱后的0、6、12、18和24 min, 每次抽取45 mL气体样品.气体样品运回实验室保存并一周内测定.气体样品采用气相色谱仪(Agilent 7890A, 美国)分析, CH4的检测器为FID, 检测温度250℃, 柱温50℃; N2O的检测器为ECD, 检测温度300℃, 柱温50℃, 标准气体由国家标准物质中心提供.稻田CH4和N2O排放通量的计算方法见文献[12].每种作物生育期内气体排放总量的计算方法见文献[13].

土壤样品于水稻和油菜不同生育时期时取样.土壤取样深度0~15 cm, 采样结束后运回实验室冷藏保存并一周内测定.土壤中水溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)的测定, 采用25℃去离子水浸提, 振荡, 离心, 用0.45 μm滤膜抽滤, 滤液用总有机碳分析仪(vario TOC, 德国)测定[14].

1.3 全球增温潜势及温室气体排放强度估算

以100 a为时间尺度, 单位质量的CH4和N2O全球增温潜势(global warming potential, GWP)分别为二氧化碳的25和298倍, 计算温室气体排放二氧化碳当量[4], 见公式(1)：

(1)

根据Timothy等[15]计算温室气体排放强度(greenhouse gas intensity, GHGI), 见公式(2)：

(2)
1.4 统计分析

最终的数据采用3次重复测定结果的平均值±标准偏差, 文中的数据统计采用Microsoft Office 2008(Excel)和SPSS 13.0统计, 按照随机区组设计, 比较不同处理间的差异显著性, L.S.D多重比较进行分析.

2 结果与分析 2.1 稻田CH4季节排放通量

双季早稻和一季稻(中、晚)稻田CH4有相似的季节排放规律(图 2), 均随着水稻生育期的延长, CH4排放通量逐渐增加, 水稻分蘖盛期达到排放高峰, 之后排放逐渐降低, 成熟期排放最低.双季晚稻的CH4排放也是前高后低, 有两个排放高峰, 分别是水稻分蘖盛期和抽穗期.双季早稻、双季晚稻和一季稻的排放高峰分别为9.89、8.47和7.93 mg·(m2·h)-1.由于早稻两个处理生育期不同, 其CH4排放高峰出现的时间不同, ER-LHR-F处理的早稻生育期比ER-LHR-R多10 d, 其排放高峰早了7 d.早稻分蘖盛期之后, ER-LHR-R处理的CH4排放明显高于ER-LHR-F处理, 双季晚稻不同处理间CH4排放无显著性差异.一季稻在水稻分蘖盛期之前, LR-R处理明显高于其他处理.

图 2 不同处理水稻生长季节2018年甲烷排放通量 Fig. 2 Seasonal variation of methane fluxes under different treatments from rice paddy in 2018

油菜和冬闲地的CH4排放处于较低水平, 排放通量在-0.03~0.33 mg·(m2·h)-1之间(图 3).冬闲地的CH4排放始终较低, 油菜地的CH4排放在5~6叶和初花期有两个排放高峰, 排放通量明显高于休闲地排放, 其他时期与冬闲地的排放差异不大.

图 3 不同处理冬季稻田2018~2019年甲烷排放通量 Fig. 3 Seasonal variation of methane fluxes from rice paddy in winter in 2018 to 2019

2.2 稻田N2O季节排放通量

双季早稻稻田N2O排放时高时低(图 4), 拔节期达到最大值, 为70.68 μg·(m2·h)-1, 之后排放急剧降低.晚稻稻田N2O排放在分蘖末期田面水排干后达到排放高峰, 之后排放略有下降, 在抽穗期有个排放峰, 之后呈波浪下降.一季稻稻田N2O排放有一个峰值, 在分蘖末期, 达到102.26 μg·(m2·h)-1, 水稻抽穗后稻田N2O排放时高时低, 无明显规律.

图 4 不同处理水稻生长季节2018年氧化亚氮排放通量 Fig. 4 Seasonal variation of nitrous oxide fluxes under different treatments from rice paddy in 2018

油菜地N2O排放高峰为两次施肥后的一周(图 5), 排放高峰达到172.13 μg·(m2·h)-1, 油菜其它生育时期排放时高时低, 与冬闲田N2O排放无显著差异; 冬闲田的N2O排放始终维持在较低的水平, 为-5.51~24.54 μg·(m2·h)-1.

图 5 不同处理冬季稻田2018~2019年氧化亚氮排放通量 Fig. 5 Seasonal variation of nitrous oxide fluxes under different treatments from rice paddy in winter in 2018 to 2019

2.3 温室气体排放总量

晚稻和一季稻稻田CH4排放量见表 3, 以ER- LHR-R处理的晚稻排放最高, 明显高于一季稻稻田, ER-LHR-R处理的晚稻稻田CH4排放量比LR-R、LHR-R和MHR-R处理的水稻稻田增加21.4%(P < 0.05)、44.1%(P < 0.05)和61.7%(P < 0.05); ER-LHR-F处理的晚稻稻田CH4排放比LHR-R和MHR-R处理增加24.2%(P < 0.05)和39.4%(P < 0.05), 与LR-R处理无显著性差异; LR-R的CH4排放比LHR-R和MHR-F增加18.7%(P < 0.05)和33.2%(P < 0.05), LHR-R和MHR-F的CH4排放无显著性差异.

表 3 不同处理甲烷和氧化亚氮排放量1)/kg·hm-2 Table 3 Amount of methane and nitrous oxide emissions under different treatments/kg·hm-2

整个水稻生长季节, 双季稻稻田CH4排放明显高于其他处理, 双季稻田冬季种油菜处理的CH4排放比冬闲处理高19.3%(P < 0.05);一季稻中, 以MHR-F处理CH4排放最低, LR-R处理明显高于其他处理.

油菜地CH4排放明显高于休闲地处理, 油菜地和休闲地的CH4平均排放量为5.05 kg·hm-2和1.89kg·hm-2, 油菜地之间, 休闲地之间的CH4排放量无显著性差异.

不同轮作模式周年CH4排放总量为50.26~148.71 kg·hm-2.双季稻田CH4排放量明显高于一季稻田, 一季常规晚稻显著高于一季杂交中稻稻田.水稻季节CH4排放占比大, 占总排放的91.8%~98.5%.

不同处理一季稻稻田N2O的排放总量高于双季早稻, 双季早稻高于双季晚稻.一季晚稻N2O的平均排放总量比双季早、双季晚稻高18.8%和60.3%.一季稻稻田之间、晚稻稻田之间的N2O排放无显著性差异.

整个水稻生长季节, 双季稻稻田N2O的排放总量明显高于一季稻田.ER-LHR-R水稻生育期稻田N2O排放比LR-R、LHR-R和MHR-R处理的水稻稻田增加61.7%(P < 0.05)、50.2%(P < 0.05)和56.7%(P < 0.05), ER-LHR-F水稻生育期稻田N2O排放比LR-R、LHR-R和MHR-R处理的水稻稻田增加42.1%(P < 0.05)、32.0%(P < 0.05)和37.7%(P < 0.05), ER-LHR-R水稻生育期N2O的排放量比ER-LHR-F高13.8%(P < 0.05), 一季稻各处理间无显著性差异.

油菜地N2O排放明显高于休闲地处理, 油菜地的N2O平均排放总量比休闲地高1.14 kg·hm-2, 油菜地之间, 休闲地之间的CH4排放量无显著性差异.

不同轮作模式周年N2O排放总量为0.92~2.33 kg·hm-2, ER-LHR-R处理的N2O排放明显高于其他处理, LR-R和LHR-R处理明显高于MHR-F和ER-LHR-F处理.油菜的N2O排放占周年稻田排放的57.2%~70.2%, 冬闲N2O排放占周年排放的17.8%和30.6%.

2.4 稻田综合温室效应、温室气体排放强度和产量

不同处理CH4的GWP为ER-LHR-R处理最高(表 4), ER-LHR-R处理CH4的GWP分别比LR-R、LHR-R和MHR-F处理高116.5%(P < 0.05)、158.8%(P < 0.05)和200.3%(P < 0.05), ER-LHR-F处理CH4的GWP分别比LR-R、LHR-R和MHR-F处理高81.4%(P < 0.05)、114.1%(P < 0.05)和151.6%(P < 0.05), LR-R处理CH4总GWP比MHR-F处理高38.7%(P < 0.05), LHR-R与MHR-F处理CH4的GWP无显著性差异.

表 4 不同处理水稻产量及温室气体排放强度1) Table 4 Rice yields and greenhouse gas emission intensity under different treatments

不同处理N2O的GWP为ER-LHR-R处理最高, 分别比LR-R、LHR-R和MHR-F处理高12.5%(P < 0.05)、16.1%(P < 0.05)和154.1%(P < 0.05); LR-R和LHR-R处理N2O总GWP, 比MHR-F分别高55.7%(P < 0.05)和54.3%(P < 0.05), 比ER-LHR-F分别高48.5%(P < 0.05)和46.8%(P < 0.05); ER-LHR-F与MHR-F处理N2O的GWP无显著性差异.

不同轮作模式周年稻田GWP, 种植双季稻稻田显著高于一季稻, 双季稻田冬季种植油菜比冬闲处理高28.4%(P < 0.05);一季稻冬季种植油菜的农田GWP明显高于冬闲处理, LR-R与LHR-R间无显著性差异, 分别比MHR-F处理高54.3%和35.6%.稻季CH4的GWP占总GWP的71.2%~90.9%.

双季稻处理的水稻产量间无显著性差异; 一季杂交中稻和杂交晚稻产量明显高于常规晚稻; 不同处理油菜产量无显著性差异.

不同轮作模式周年稻田GHGI为:ER-LHR-R>LR-R>ER-LHR-F>LHR-R>MHR-F.ER-LHR-R处理的GHGI比其它处理高23.4%~101.8%, ER-LHR-F处理GHGI分别比LHR-R和MHR-F处理高41.5%(P < 0.05)和59.8%(P < 0.05), LR-R处理GHGI分别比LHR-R和MHR-F处理高44.8%(P < 0.05)和63.5%(P < 0.05).

2.5 土壤水溶性有机碳及与CH4关系

稻田土壤中DOC不同季节差异较大, 5.96~134.52 mg·kg-1(表 5).一季中稻和晚稻的土壤DOC含量随着生育期的延长而逐渐增加, 在水稻分蘖盛期DOC含量最高, 水稻生育后期的DOC含量低于生育前期.双季早晚稻均为分蘖盛期土壤的DOC含量最高.

表 5 不同处理稻田水溶性有机碳含量1)/mg·kg-1 Table 5 Content of dissolved organic carbon under different treatments/mg·kg-1

通过不同时期的土壤DOC与CH4排放通量做相关分析, 可见不同时期的土壤有机碳与CH4排放通量均呈现显著正相关关系.

3 讨论 3.1 稻田CH4排放

不同学者对湖南省长沙县金井镇、长沙县干杉镇和桃源县双季稻田的CH4排放进行了监测[13, 16, 17], 双季早稻稻田CH4平均排放量分别43.94、71.15和147.2 kg·hm-2, 晚稻为114.25、130.50和377.8 kg·hm-2, 本研究双季早稻CH4的平均排放量为62.51 kg·hm-2, 与其他研究者的排放结果相差不大, 但处于较低水平, 晚稻CH4的平均排放量为71.65 kg·hm-2, 远低于其他研究者的结果.可能是本试验为连续10 a免耕稻田, 大量的研究表明免耕能有效减少稻田CH4排放[18~20], 加上本试验的土壤pH值达8.0, 甲烷菌的生长和繁殖受到抑制[21], 可能导致本研究稻田CH4排放较低.

傅志强等[22]的研究发现常规稻CH4排放量高于杂交稻(其中的超级稻品种是杂交稻), 本研究中也发现常规晚稻LR-R的CH4排放总量比LHR-R的CH4高18.7%(P < 0.05).可能的原因是水稻CH4的主要排放集中水稻生育前期, 抽穗期以前的杂交稻比常规水稻的根系秘氧能力强[23], 杂交水稻CH4的排放速率、根际溶解CH4浓度低于籼稻, 根际土壤CH4产量潜力与常规品种相近, 但CH4氧化潜力高于常规品种[24, 25], 本研究中所有的水稻品种均是籼稻, 因此杂交水稻CH4排放比常规水稻低.

ER-LHR-R和ER-LHR-F处理的晚稻品种为杂交稻, 但排放总明显高于LHR-R处理, 可能的原因是, 前茬作物早稻根系等新鲜有机物带来的碳为产甲烷菌提供丰富的基质[26], 造成后茬稻田的CH4排放, 也有可能是水稻的不同种植方式.有研究表明水稻直播稻田CH4排放通量比抛秧排放通量小32.3%[27], ER-LHR-R和ER-LHR-F的晚稻为抛秧, 而LHR-R处理为直播, 从而造成了两者CH4排放的差异.

与ER-LHR-F处理相比, ER-LHR-R冬季种植油菜, 两季水稻和整个轮作周期的CH4排放分别增加了16.2%(P < 0.05)和19.3(P < 0.05), LR-R比MHR-F的稻季和整个轮作周期的CH4排放分别增加了33.2%(P < 0.05)和38.7(P < 0.05), LHR-R处理在水稻季节和轮作周年CH4排放总量与MHR-F处理无显著性差异, 但均表现为LR-R比MHR-F的排放量高.油菜地CH4平均排放总量是休闲地的2.67倍.可见, 冬季种植作物增加稻季和冬季作物CH4的排放, 这与其他学者的研究结论保持一致[28~30].而张岳芳等[31]的研究中, 休闲-水稻的CH4季节总排放量高于油菜-水稻, 可能是其研究中休闲期的杂草原位还田, 从而显著促进了CH4的排放.

不同轮作模式周年的CH4排放总量, 以双季稻最高, 相同的轮作模式, 以种植油菜处理高于休闲处理, 与伍思平[32]等研究保持一致.

3.2 稻田N2O排放

不同的研究者对水稻N2O的排放量结果不同, Wang等[33]研究早、晚稻N2O的排放为0.015~0.19kg·hm-2和0.099~0.14 kg·hm-2, 但石生伟等[34]的研究结果却高得多, 早、晚稻N2O的排放为0.42~0.90kg·hm-2和0.21~0.87 kg·hm-2, Akiyama等[35]的研究指出在不同水、肥管理下N2O排放为0.34~0.99 kg·hm-2, 本研究早、晚/中稻田N2O的排放为0.49~0.58 kg·hm-2和0.38~0.66 kg·hm-2, 其N2O的排放量处于较高水平.

本研究一季杂交晚稻与一季常规稻稻田的N2O排放无显著区别, 可能与土壤的肥料残留和水稻生长状况有关系密切.高帅等[36]的研究表明, 杂交稻对氮素的利用效率比常规稻高, 但杂交稻生育前期(移栽-开花期)的生长速率显著大于常规稻, 对氮素利用能力高于常规稻, 开花期之后常规稻与杂交稻的生长速率无显著差异, 由此可推测杂交稻在移栽-开花前期的排放N2O比常规稻高, 本研究移栽到开花期杂交稻和常规稻的N2O排放为0.19 kg·hm-2和0.16 kg·hm-2, 水稻生育后期, 稻田见干见湿, 稻田N2O排放无明细规律, 杂交晚稻的生育期比常规晚稻长9 d, 造成稻田见干见湿时间长于常规稻田, 致使成熟期的杂交晚稻N2O排放高于常规稻, 由此可能造成杂交晚稻和常规晚稻整个生育期稻田N2O排放无显著区别.

双季晚稻稻田的N2O排放明显低于一季晚稻, 可能是双季晚稻的氮肥用量比一季晚稻少了18.3 kg·hm-2, 也有可能是双季早、晚稻的淹水时间比一季稻长, 稻田淹水N2O排放弱, 导致双季晚稻稻田的氧化亚氮排放高于一季晚稻.

稻-油菜轮作中的油菜季N2O排放高峰主要在施肥后1周, 其排放总量为1.33~1.46 kg·hm-2, 比文献[37, 38]的研究结果高, 但是低于川东丘陵区的稻-油菜地的排放[9], 与湖南桃源稻-稻-油菜的排放差别不大[33], 可能是不同轮作方式在冬季的水分管理、氮肥的施用量和土壤的养分状况等差异造成[39].本研究中油菜季节对整个轮作周期N2O排放总量的贡献为57.2%~70.2%, 与于亚军[39]的油菜季N2O排放总量占整个轮作周期的贡献率为65%接近.

油菜地N2O的排放量明显高于冬闲地, 与其它研究结果保持一致[28, 30].本研究中冬闲田N2O的平均排放为0.26 kg·hm-2, 接近Wang[17]的研究中休闲期的N2O排放为0.18~0.46 kg·hm-2的结果, 但其研究中休闲期的N2O排放高于水稻期, 本研究中休闲期N2O排放仅占轮作周年排放17.8%和30.6%, 可能的原因是, 分蘖盛期晒田之后, 稻田水分灌溉比前期少, 后期的干湿交替等水分管理均有利于稻田N2O的排放, 而且追肥在幼穗分化期施用, 此时期稻田土壤水分含量比水稻生育前期少, 更利于N2O的产生与排放, 加上稻季施肥而休闲期不施肥等造成了本研究中休闲期N2O排放不高的主因.

3.3 土壤DOC

稻田表层土壤中DOC浓度的变化受到管理措施的强烈影响[40].本研究中稻田土壤中的DOC含量差异大, 变幅为5.96~134.52 mg·kg-1, 随着水稻不同生育期的变化而变化.有研究表明[17, 40, 41], 稻田CH4排放与DOC呈现显著正相关关系.主要的原因是DOC是一种活性有机碳, 是产CH4的一种优质基质[26, 42], 甲烷菌对碳底物的供应减少, DOC的减少将导致CH4产量的减少[40].

3.4 温室气体排放强度

温室气体GHGI是平衡农田温室效益与经济效益的综合指标.水稻季节CH4排放占比大, 占总排放的91.8%~98.5%.稻季CH4的GWP占总GWP的71.2%~90.9%.可见, 缓解稻田CH4的排放能有效减少稻田温室气体GHGI[17, 32].

本研究中, 虽然双季稻的产量高, 但是由于ER-LHR-R排放的CH4和N2O较高, 因此其GHGI最高.而MHR-F处理, 稻季排放CH4少, 冬季休闲排放的N2O比油菜地也少, MHR-F的GWP和GHGI比其他处理分别减少26.3%~65.8%和11.4%~50.4%, 基于环境效应和生产效应的综合考虑, MHR-F处理是有效减排温室气体的有效途径.考虑是南方多熟制稻田, 为充分利用南方地区的光热资源和提高地力, 建议农业生产中选择LHR-R的轮作模式, 虽然GHGI比MHR-F高12.9%(P < 0.05), 但GWP占比较大的CH4排放差异不大, 通过各种农艺措施减少冬季作物N2O的排放, 对提高农业产出和减缓温室气体排放具有重要的意义.

4 结论

(1) 不同轮作模式稻季CH4的GWP占轮作周年GWP的71.2%~90.9%;土壤DOC与稻田CH4排放呈显著正相关; 与冬闲相比, 冬季种植油菜促进稻季和冬季农田CH4的排放.

(2) 一季杂交晚稻与一季常规稻稻田的N2O排放无显著区别; 冬季种植油菜农田N2O的排放显著高于冬闲农田.

(3) 农田周年的GWP和GHGI, 稻-稻-油三熟制农田显著高于稻-油两熟制农田, 稻-油显著高于稻-闲; 结合南方的光热条件、环境效益与生态效益综合考虑, 多熟制农田采用一季杂交晚稻与油菜轮作, 是值得推荐的减缓温室气体排放的合理轮作模式.

参考文献
[1] Ghosh S, Majumdar D, Jain M C. Methane and nitrous oxide emissions from an irrigated rice of North India[J]. Chemosphere, 2003, 51(3): 181-195.
[2] Simpson I J, Edwards G C, Thurtell G W. Variations in methane and nitrous oxide mixing ratios at the southern boundary of a Canadian boreal forest[J]. Atmospheric Environment, 1999, 33(7): 1141-1150. DOI:10.1016/S1352-2310(98)00235-0
[3] Stocker T F, Qin D, Plattner G K, et al. Climate change 2013:the physical science basis[M]. New York: Cambridge University Press, 2013.
[4] Liu Y C, Whitman W B. Metabolic, phylogenetic, and ecological diversity of the methanogenic archaea[J]. Annals of the New York Academy of Sciences, 2008, 1125(1): 171-189. DOI:10.1196/annals.1419.019
[5] Zou J W, Huang Y, Zheng X H, et al. Quantifying direct N2O emissions in paddy fields during rice growing season in mainland China:dependence on water regime[J]. Atmospheric Environment, 2007, 41(37): 8030-8042. DOI:10.1016/j.atmosenv.2007.06.049
[6] Van Nguyen N, Ferrero A. Meeting the challenges of global rice production[J]. Paddy Water Environ, 2006, 4(1): 1-9. DOI:10.1007/s10333-005-0031-5
[7] 吴家梅, 纪雄辉, 彭华, 等. 不同有机肥对稻田温室气体排放及产量的影响[J]. 农业工程学报, 2018, 34(4): 162-169.
Wu J M, Ji X H, Peng H, et al. Effects of different organic fertilizers on greenhouse gas emissions and yield in paddy soils[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(4): 162-169.
[8] Liu S W, Qin Y M, Zou J W, et al. Effects of water regime during rice-growing season on annual direct N2O emission in a paddy rice-winter wheat rotation system in southeast China[J]. Science of the Total Environment, 2010, 408: 906-913. DOI:10.1016/j.scitotenv.2009.11.002
[9] 江长胜, 王跃思, 郑循华, 等. 耕作制度对川中丘陵区冬灌田CH4和N2O排放的影响[J]. 环境科学, 2006, 27(2): 207-213.
Jiang C S, Wang Y S, Zheng X H, et al. Effects of tillage-cropping systems on methane and nitrous oxide emissions from permanently flooded rice fields in a Central Sichuan Hilly Area of Southwest China[J]. Environmental Science, 2006, 27(2): 207-213.
[10] Weller S, Janz B, Jörg L, et al. Greenhouse gas emissions and global warming potential of traditional and diversified tropical rice rotation systems[J]. Global Change Biology, 2016, 22(1): 432-448. DOI:10.1111/gcb.13099
[11] Zhou M H, Zhu B, Brüggemann N, et al. Nitrous oxide and methane emissions from a subtropical rice-rapeseed rotation system in China:a 3-year field case study[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2015, 212: 297-309.
[12] 王聪, 沈健林, 郑亮, 等. 猪粪化肥配施对双季稻田CH4和N2O排放及其全球增温潜势的影响[J]. 环境科学, 2014, 35(8): 3120-3127.
Wang C, Shen J L, Zheng L, et al. Effects of combined applications of pig manure and chemical fertilizers on CH4 and N2O emissions and their global warming potentials in paddy fields with Double-Rice Cropping[J]. Environmental Science, 2014, 35(8): 3120-3127.
[13] 王迎红.陆地生态系统温室气体排放观测方法研究、应用及结果比对分析[D].北京: 中国科学院研究生院(大气物理研究所), 2005. 28-29.
Wang Y H. Chamber method measurement of greenhouse gas emissions form typical terrestrial ecosystems of China: method research, application and results discussion[D]. Beijing: The Institute of atmospheric physics, Chinese Academy of Sciences, 2005. 28-29. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-80058-2006044908.htm
[14] Liang B C, MacKenzie A F, Schnitzer M, et al. Management-induced change in labile soil organic matter under continuous corn in eastern Canadian soils[J]. Biology and Fertility of Soils, 1998, 26(2): 88-94.
[15] Herzog T, Baumert K A, Pershing J. Target-intensity:an analysis of greenhouse gas intensity targets[M]. Washington D.C.: World Resources Institute, 2006.
[16] 傅志强, 龙攀, 刘依依, 等. 水氮组合模式对双季稻甲烷和氧化亚氮排放的影响[J]. 环境科学, 2015, 36(9): 3365-3372.
Fu Z Q, Long P, Liu Y Y, et al. Effects of water and nitrogenous fertilizer coupling on CH4 and N2O emission from double-season rice paddy field[J]. Environmental Science, 2015, 36(9): 3365-3372.
[17] Wang W, Wu X H, Chen A L, et al. Mitigating effects of ex situ application of rice straw on CH4 and N2O emissions from paddy-upland coexisting system[J]. Scientific Reports, 2016, 6(1): 37402. DOI:10.1038/srep37402
[18] Zhang Z S, Cao C G, Guo L J, et al. Emissions of CH4 and CO2 from paddy fields as affected by tillage practices and crop residues in central China[J]. Paddy and Water Environment, 2016, 14(1): 85-92. DOI:10.1007/s10333-015-0480-4
[19] Ali M A, Lee C H, Lee Y B, et al. Silicate fertilization in no-tillage rice farming for mitigation of methane emission and increasing rice productivity[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2009, 132(1-2): 16-22.
[20] Li C F, Zhang Z S, Guo L J, et al. Emissions of CH4 and CO2 from double rice cropping systems under varying tillage and seeding methods[J]. Atmospheric Environment, 2013, 80: 438-444. DOI:10.1016/j.atmosenv.2013.08.027
[21] Le Mer J, Roger P. Production, oxidation, emission and consumption of methane by soils:a review[J]. European Journal of Soil Biology, 2001, 37(1): 25-50. DOI:10.1016/S1164-5563(01)01067-6
[22] 傅志强, 黄璜, 谢伟, 等. 高产水稻品种及种植方式对稻田甲烷排放的影响[J]. 应用生态学报, 2009, 20(12): 3003-3008.
Fu Z Q, Huang H, Xie W, et al. Effects of high-yielding rice cultivar and cultivation pattern on methane emission from paddy field[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(12): 3003-3008.
[23] Zhang H, Xue Y G, Wang Z Q, et al. Morphological and physiological traits of roots and their relationships with shoot growth in "super" rice[J]. Field Crops Research, 2009, 113(1): 31-40. DOI:10.1016/j.fcr.2009.04.004
[24] Jiang Y, Wang L L, Yan X J, et al. Super rice cropping will enhance rice yield and reduce CH4 emission:a case study in Nanjing, China[J]. Rice Science, 2013, 20(6): 427-433. DOI:10.1016/S1672-6308(13)60157-2
[25] 马二登, 纪洋, 马静, 等. 耕种方式对稻田甲烷排放的影响[J]. 生态与农村环境学报, 2010, 26(6): 513-518.
Ma E D, Ji Y, Ma J, et al. Effects of soil tillage and rice cultivation pattern on methane emission from paddy field[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2010, 26(6): 513-518.
[26] Ye R Z, Horwath W R. Influence of rice straw on priming of soil C for dissolved organic C and CH4 production[J]. Plant and Soil, 2017, 417(1): 231-241.
[27] 臧英, 罗锡文, 张国忠, 等. 开沟起垄穴直播方式对水稻分蘖前期甲烷排放的影响[J]. 华南农业大学学报, 2014, 35(2): 96-100.
Zang Y, Luo X W, Zhang G Z, et al. Effects on methane emission in the precision rice hill-drop drilled field during the early tillering stage[J]. Journal of South China Agricultural University, 2014, 35(2): 96-100.
[28] 唐海明, 肖小平, 帅细强, 等. 双季稻田种植不同冬季作物对甲烷和氧化亚氮排放的影响[J]. 生态学报, 2012, 32(5): 1481-1489.
Tang H M, Xiao X P, Shuai X Q, et al. Effects of different winter covering crops cultivation on methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) emission fluxes from double-cropping paddy field[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(5): 1481-1489.
[29] 周艳飞, 刘念, 刘章勇, 等. 不同冬季覆盖作物对稻田CH4和CO2排放的影响[J]. 生态科学, 2018, 37(5): 94-101.
Zhou Y F, Liu N, Liu Z Y, et al. Effects of winter cover crop on methane and carbon dioxide emissions from paddy field[J]. Ecological Science, 2018, 37(5): 94-101.
[30] Tang H M, Xiao X P, Tang W G, et al. Effects of winter covering crop residue incorporation on CH4 and N2O emission from double-cropped paddy fields in southern China[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22(16): 12689-12698. DOI:10.1007/s11356-015-4557-9
[31] 张岳芳, 周炜, 陈留根, 等. 太湖地区不同水旱轮作方式下稻季甲烷和氧化亚氮排放研究[J]. 中国生态农业学报, 2013, 21(3): 290-296.
Zhang Y F, Zhou W, Chen L G, et al. Methane and nitrous oxide emission under different paddy-upland crop rotation systems during rice growth season in Taihu Lake Region[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(3): 290-296.
[32] 伍思平, 眭锋, 肖小军, 等. 南方双季稻区不同复种方式对稻田综合温室效应的影响[J]. 核农学报, 2020, 34(2): 376-382.
Wu S P, Sui F, Xiao X J, et al. Effects of different multiple cropping pattern on the global warming potential in southern double cropping rice fields[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2020, 34(2): 376-382.
[33] Wang W, Chen C L, Wu X H, et al. Effects of reduced chemical fertilizer combined with straw retention on greenhouse gas budget and crop production in double rice fields[J]. Biology and Fertility of Soils, 2019, 55(1): 89-96. DOI:10.1007/s00374-018-1330-5
[34] 石生伟, 李玉娥, 李明德, 等. 不同施肥处理下双季稻田CH4和N2O排放的全年观测研究[J]. 大气科学, 2011, 35(4): 707-720.
Shi S W, Li Y E, Li M D, et al. Annual CH4 and N2O emissions from double rice cropping systems under various fertilizer regimes in Hunan province, China[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2011, 35(4): 707-720.
[35] Akiyama H, Yagi K, Yan X Y. Direct N2O emissions from rice paddy fields:summary of available data[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2005, 19(1): GB1005.
[36] 高帅, 潘勇辉, 孙玉明, 等. 不同供氮水平对常规稻与杂交稻产量及氮素利用效率的影响[J]. 南京农业大学学报, 2018, 41(6): 1061-1069.
Gao S, Pan Y H, Sun Y M, et al. Effects of different nitrogen supply on yield and nitrogen utilization of conventional rice and hybrid rice[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2018, 41(6): 1061-1069.
[37] 徐鹏, 蒋梦蝶, 邬磊, 等. 华中地区水旱轮作模式下水稻季施氮肥对油菜季施氮肥土壤N2O排放的影响[J]. 环境科学学报, 2018, 38(2): 798-804.
Xu P, Jiang M D, Wu L, et al. Effects of nitrogen fertilization during rice growing season on N2O emission from the subsequent rapeseed season in central China[J]. Acta Scientiage Circumstantiae, 2018, 38(2): 798-804.
[38] 伍延正, 张苗苗, 秦红灵, 等. 不同土地利用方式下冬季N2O排放及其影响因素[J]. 环境科学, 2013, 34(8): 2968-2974.
Wu Y Z, Zhang M M, Qin H L, et al. N2O flux in winter and its affecting factors under different land use patterns[J]. Environmental Science, 2013, 34(8): 2968-2974.
[39] 于亚军, 朱波, 王小国, 等. 成都平原水稻-油菜轮作系统氧化亚氮排放[J]. 应用生态学报, 2008, 19(6): 1277-1282.
Yu Y J, Zhu B, Wang X G, et al. N2O emission from rice-rapeseed rotation system in Chengdu Plain of Sichuan Basin[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(6): 1277-1282.
[40] Bertora C, Cucu M A, Lerda C, et al. Dissolved organic carbon cycling, methane emissions and related microbial populations in temperate rice paddies with contrasting straw and water management[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2018, 265: 292-306.
[41] 肖志祥, 傅志强, 徐华勤, 等. 双季稻品种根际特征与甲烷排放差异及其关系[J]. 环境科学, 2019, 40(2): 904-914.
Xiao Z X, Fu Z Q, Xu H Q, et al. Differences and relationship between rhizosphere characteristics and methane emissions of double-cropping rice variety[J]. Environmental Science, 2019, 40(2): 904-914.
[42] Aulakh M S, Wassmann R, Bueno C, et al. Impact of root exudates of different cultivars and plant development stages of rice (Oryza sativa L.) on methane production in a paddy soil[J]. Plant and Soil, 2001, 230(1): 77-86. DOI:10.1023/A:1004817212321