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Effects of different rotation systems on greenhouse gas (CH4 and N2O) emissions in the Taihu Lake region, China.

太湖地区不同轮作模式对稻田温室气体(CH4和N2O)排放的影响


通过田间试验,研究了太湖地区不同轮作模式下稻季温室气体排放规律.结果表明: 水稻生长季CH4排放呈先升高后降低趋势,CH4排放主要集中在水稻生育前期,烤田后至水稻收获期间CH4排放量较低;N2O的排放主要集中在3次施肥及烤田期.稻季排放的CH4对全球增温潜势(GWP)的贡献远高于N2O,各处理所占比例为94.7%~99.6%,是温室气体减排的主要对象.不同轮作模式下,稻季CH4排放总量及其GWP存在显著差异,表现为小麦-水稻>紫云英-水稻>休闲-水稻轮作;稻季N2O排放总量及其GWP没有显著性差异.与不施肥处理相比,紫云英-水稻轮作模式下施加氮肥显著降低了CH4排放量和GWP,但不同氮肥用量下的CH4排放量和GWP没有显著性差异,而紫云英还田稻季施氮240 kg·hm-2下的水稻产量却最高.综合经济效益和环境效益,紫云英还田稻季施氮240 kg·hm-2下的增产减排综合效果更好,是值得当地推广的耕作制度.

We conducted a greenhouse gas emissions study of different rice-based cropping systems in the Taihu Lake region. The results indicated that the seasonal CH4 emission initially increased, but declined over time. CH4 emission mainly occurred during the early stages of rice growth and decreased after the paddy soil dried. N2O emission mainly occurred during the fertilizer application and paddy field drying stages. Compared with N2O emission, CH4 emission contributed significantly more to the global warming potential (GWP) during the rice season. The proportion of CH4 emission to the total greenhouse gas emissions, which this study aimed to reduce, ranged from 94.7%-99.6%. CH4 emissions and their GWP during the rice season varied significantly under different rotation systems, with the order of wheat-rice rotation>Chinese milk vetch-rice rotation>fallowrice rotation, while the N2O emissions and their GWP exhibited no significant differences. Compared with no nitrogen fertilization, applying N fertilizer significantly reduced CH4 emission and GWP of the Chinese milk vetch-rice rotation. However, CH4 emission and GWP did not vary with N application rates. The rice yield was largest when the N application rate was 240 kg·hm-2. Taking economic and environmental benefits into account, we found that a N application rate of 240 kg·hm-2 and a strawreturn application of Chinese milk vetch not only reduced greenhouse gas emissions but also achieved the highest rice grain yield, which was recommended as a suitable cropping system for the Taihu Lake region.


全 文 :太湖地区不同轮作模式对稻田温室气体
(CH4和 N2 O)排放的影响
胡安永1,2  孙  星1  刘  勤1∗
( 1中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008; 2中国科学院大学, 北京 100049)
摘  要  通过田间试验,研究了太湖地区不同轮作模式下稻季温室气体排放规律.结果表明:
水稻生长季 CH4 排放呈先升高后降低趋势,CH4 排放主要集中在水稻生育前期,烤田后至水
稻收获期间 CH4 排放量较低;N2O的排放主要集中在 3 次施肥及烤田期.稻季排放的 CH4 对
全球增温潜势(GWP)的贡献远高于 N2O,各处理所占比例为 94.7%~99.6%,是温室气体减排
的主要对象.不同轮作模式下,稻季 CH4 排放总量及其 GWP 存在显著差异,表现为小麦⁃水稻>
紫云英⁃水稻>休闲⁃水稻轮作;稻季 N2O 排放总量及其 GWP 没有显著性差异.与不施肥处理
相比,紫云英⁃水稻轮作模式下施加氮肥显著降低了 CH4 排放量和 GWP,但不同氮肥用量下
的 CH4 排放量和 GWP 没有显著性差异,而紫云英还田稻季施氮 240 kg·hm
-2下的水稻产量
却最高.综合经济效益和环境效益,紫云英还田稻季施氮 240 kg·hm-2下的增产减排综合效果
更好,是值得当地推广的耕作制度.
关键词  轮作模式; 稻季; 温室气体; 全球增温潜势; 紫云英
Effects of different rotation systems on greenhouse gas (CH4 and N2O ) emissions in the
Taihu Lake region, China. HU An⁃yong1,2, SUN Xing1, LIU Qin1∗ ( 1 Institute of Soil Science,
Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2University of Chinese Academy of Sciences,
Beijing 100049, China) .
Abstract: We conducted a greenhouse gas emissions study of different rice⁃based cropping systems
in the Taihu Lake region. The results indicated that the seasonal CH4 emission initially increased,
but declined over time. CH4 emission mainly occurred during the early stages of rice growth and de⁃
creased after the paddy soil dried. N2O emission mainly occurred during the fertilizer application
and paddy field drying stages. Compared with N2O emission, CH4 emission contributed significantly
more to the global warming potential (GWP) during the rice season. The proportion of CH4 emission
to the total greenhouse gas emissions, which this study aimed to reduce, ranged from 94. 7% -
99.6%. CH4 emissions and their GWP during the rice season varied significantly under different ro⁃
tation systems, with the order of wheat⁃rice rotation>Chinese milk vetch⁃rice rotation>fallow⁃rice ro⁃
tation, while the N2O emissions and their GWP exhibited no significant differences. Compared with
no nitrogen fertilization, applying N fertilizer significantly reduced CH4 emission and GWP of the
Chinese milk vetch⁃rice rotation. However, CH4 emission and GWP did not vary with N application
rates. The rice yield was largest when the N application rate was 240 kg·hm-2 . Taking economic
and environmental benefits into account, we found that a N application rate of 240 kg·hm-2 and a
straw⁃return application of Chinese milk vetch not only reduced greenhouse gas emissions but also
achieved the highest rice grain yield, which was recommended as a suitable cropping system for the
Taihu Lake region.
Key words: rotation system; rice season; greenhouse gas; global warming potential; Chinese milk
vetch.
本文由国家自然科学基金项目(41271208)和国家科技支撑计划项目(2013BAD11B00)资助 This work was supported by the National Natural
Science Foundation of China (41271208) and the National Key Technology R&D Program (2013BAD11B00).
2015⁃05⁃12 Received, 2015⁃11⁃05 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: qliu@ issas.ac.cn
应 用 生 态 学 报  2016年 1月  第 27卷  第 1期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2016, 27(1): 99-106                    DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201601.031
    全球气候变暖已经成为当今世界重大的环境问
题,其主要原因是大气中温室气体浓度的不断增加.
甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是仅次于二氧化碳
(CO2)的重要温室气体[1],在 100 年时间尺度上其
单位质量的全球增温潜势(GWP)分别为 CO2 的 25
和 298倍[2] .中国的稻田面积约占世界水稻种植总
面积的 23%,因此,深入研究中国稻田 CH4 和 N2O
排放特点及其影响因素,并在此基础上制定相应的
减排措施,对缓解全球增温效应意义重大.稻田甲烷
的产生是土壤有机质厌氧微生物分解的最终结果,
作物秸秆或者绿肥还田会为产甲烷菌提供大量的易
分解的活性有机物质,因此能够增加稻田甲烷的排
放[3-4] .施用氮肥对稻田甲烷排放的影响结果不一
致,一些研究认为会增加稻田甲烷排放[5-6],另有研
究认为,随着施氮量的增加稻田甲烷排放减少[7] .化
学氮肥是控制稻田 N2O排放的主要因子,稻田 N2O
的排放量小于旱地[8],但在水稻生长期间采用烤田
措施会明显促进 N2O的排放[7,9] .
我们前期的研究表明,紫云英连续还田提高了
水稻的基础产量和最高产量,明显降低了最高产量
的施肥量;紫云英还田配施氮肥,既能保证水稻获得
高产,同时减少了稻季施氮的氨挥发损失,有效降低
了氮素农田施用所带来的环境风险[10] .紫云英还田
为土壤中产甲烷菌提供了大量的有机物质,因此增
加了稻田甲烷排放[4];此外,紫云英还田配施氮肥
会大幅增加 N2O 的排放[11
-12] .然而,对紫云英单独
还田或者配施氮肥及与其他轮作模式相比对水稻季
温室气体排放的影响如何却鲜有报道.本文通过田
间试验研究了太湖地区 3种长期不同轮作方式下稻
季 CH4 和 N2O的排放及其温室效应,以期为太湖地
区最优农田生产方式的选择提供科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
研究稻田位于中国科学院常熟农业生态系统国
家实验站(31°33′ N, 120°42′ E).该站位于太湖流
域,属北亚热带湿润气候,年平均气温 15.5 ℃,年降
雨量 1038 mm,无霜期 224 d.供试水稻土为普通简
育水耕人为土(乌栅土).试验前 0~15 cm 耕层土壤
的初始基本性质: pH 7. 6,有机质 38􀆰 2 g·kg-1,
全氮 2.17 g·kg-1,全磷 0.82 g·kg-1,速效磷 13􀆰 1
mg·kg-1,速效钾 174 mg·kg-1 .
1􀆰 2  试验设计
轮作试验共设 3 种,分别为紫云英⁃水稻轮作
(GR)、小麦⁃水稻轮作 (WR)及冬休闲⁃水稻轮作
(FR),其中紫云英⁃水稻轮作设置了 4 个施氮水平,
分别为 0 ( GR0 )、 120 ( GR120 )、 240 ( GR240 )、 300
kg·hm-2(GR300),小麦⁃水稻轮作和休闲⁃水稻轮作
施氮 240 kg·hm-2,分别用 WR240和 FR240表示.各处
理施氮量均指水稻季氮肥施用量,小区面积为 25.76
m2,3次重复.紫云英⁃水稻轮作处理紫云英盛花期全
量还田,轮作试验已进行了 6 年.稻季 N 肥(尿素)
按基肥 ∶ 分蘖肥 ∶ 穗肥= 4 ∶ 2 ∶ 4的比例施入;P 肥
(过磷酸钙)以基肥一次性施入;K 肥则基肥和穗肥
各占一半施入.不同轮作处理开始于 2007 年,2013
年测定不同处理温室气体排放,2013 年稻季基肥、
分蘖肥和穗肥分别于 6月 22日、7月 7日和 8 月 14
日施用,每次施肥均在傍晚进行,均匀撒施.灌水为
试验田旁的河水.
1􀆰 3  样品采集与分析
采用静态暗箱⁃气相色谱法测定紫云英⁃水稻轮
作稻季施氮 0、120、240 和 300 kg·hm-2及休闲⁃水
稻轮作和小麦⁃水稻轮作稻季施氮 240 kg·hm-2下
的田间小区温室气体排放,静态箱底横截面积为 0.5
m×0.5 m,采样箱由 PVC材质制成,箱体高度随水稻
高度而增加(拔节前 0.5 m、拔节后 1.2 m),采样箱
外部包有海绵和铝箔纸,防止太阳照射导致箱内温
度变化过大.稻田施肥后一周及烤田期间(2013 年 7
月 31日—8月 8日)每 2 d采样 1次,其余时间平均
1周采样 1次,采样时间在 8:00—10:00.采气样前,
将采样箱垂直安放在底座 5 cm 深的凹槽内并加水
密封,采样时用注射器抽取箱内气体 20 mL,4 个连
续样品分别在箱体密闭后 0、10、20 和 30 min 采集.
48 h内用安捷伦气相色谱 7890A 完成浓度测定,检
测器为 FID,检测器温度 300 ℃,色谱柱为 80 ~ 100
目 poropack Q,CH4 检测器为 FID,检测温度 300
℃,柱温 60 ℃,载气为 99. 9%高纯 N2,流速为 30
mL·min-1;N2O 检测器为 ECD,检测温度 300 ℃,
柱温 60 ℃,载气为 99.9%高纯氩甲烷气(95% Ar+
5% CH4),流速 40 mL·min
-1 .
1􀆰 4  数据处理
气体排放通量计算公式为:
F= ρ×h×dC / dt×[273 / (273+T)]
式中: F 为气体的排放通量 ( mg · m-2 · h-1 或
μg·m-2·h-1); ρ 为 标 准 状 况 下 气 体 密 度
(kg·m-3);h为采样箱的净高度(m);dc / dt 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气温(℃).每次
001 应  用  生  态  学  报                                      27卷
观测时各处理气体排放通量用 3次重复的平均值表
示;作物生长季节气体平均排放通量的计算则以相
邻两次采样时间间隔为权重,将各次排放通量进行
加权平均;气体累积排放量用平均排放通量和全生
长季时间的乘积表示.本文采用 Excel 2010 和 SPSS
20.0软件对数据结果进行计算和分析,采用 Duncan
法分析数据间的差异显著性(α= 0.05).
2  结果与分析
2􀆰 1  不同轮作模式对稻季 CH4 排放通量的影响
从图 1 可以看出,不同轮作模式下水稻生长期
间 CH4 排放通量均呈现明显的季节变化.各处理在
水稻移栽后 10 d(水稻返青期)内的 CH4 排放通量
较小,然后逐渐增大;在烤田措施前,小麦⁃水稻轮作
模式分别在水稻移栽后 16、22、28 和 37 d 出现 4 次
排放峰,紫云英⁃水稻轮作模式在 18、28和 37 d出现
3次排放峰,各轮作模式均在水稻移栽后 37 d 出现
最大排放值,小麦⁃水稻轮作、紫云英⁃水稻轮作及休
闲⁃水稻轮作模式在此时的排放通量分别为 15.7、
11.9和 11.5 mg·m-2·h-1;在水稻生长中期(移栽
后 40 d)采用烤田措施后,所有处理的 CH4 排放通
量急剧下降,烤田后第 3天降到最低值;烤田结束至
水稻收获期间,各轮作处理在移栽后 58 和 98 d 时
出现 2个较明显的排放峰.不同轮作模式下水稻生
长季 CH4 平均排放通量的大小顺序表现为小麦⁃水
稻>紫云英⁃水稻>休闲⁃水稻,平均排放通量依次为
图 1  不同轮作模式下稻季 CH4 和 N2O 排放通量的季节
变化
Fig.1  Seasonal variations of CH4 and N2O fluxes in rice season
under different rotation systems.
6.03、3.54、2.46 mg·m-2·h-1 .
2􀆰 2  不同轮作模式对稻季 N2O排放通量的影响
从图 1可以看出,不同轮作模式 N2O 排放的季
节变化趋势基本相同.在水稻整个生育期,各轮作模
式均有 4个较明显的 N2O排放峰,分别出现在 2013
年 6月 22日、7 月 7 日、7 月 31 日及 8 月 14 日后,
即水稻移栽后 3 d(基肥期)、18 d(分蘖肥期)、40 d
(烤田期)和 56 d(穗肥期),其中,小麦⁃水稻轮作模
式在基肥期出现峰值后,N2O 排放通量一直处于较
低水平,明显低于紫云英⁃水稻轮作和休闲⁃水稻轮
作模式.穗肥期以后,各轮作模式 N2O排放通量一直
处于较低水平.不同轮作模式下水稻生长季 N2O 平
均排放通量大小顺序为休闲⁃水稻>紫云英⁃水稻>小
麦⁃水稻,平均排放通量分别为 9. 26、 7. 90、 7􀆰 89
μg·m-2·h-1 .
2􀆰 3  紫云英还田轮作模式不同施氮量下稻季 CH4
和 N2O排放通量
从图 2 可以看出,紫云英还田不同施氮量下水
稻生长期间 CH4 排放通量均呈现明显的季节变化.
各施氮处理在水稻移栽后 10 d(水稻返青期)内的
CH4 排放通量较小,然后逐渐增大;在烤田措施前,
紫云英还田稻季施氮 0、120 和 300 kg·hm-2下的
CH4 排放峰均出现在水稻移栽后 22 和 37 d,且在
22 d时达到最大排放值,排放通量分别为17 .15、
图 2  紫云英还田不同施氮量下稻季 CH4 和 N2O 排放通量
的季节变化
Fig.2  Seasonal variations of CH4 and N2O fluxes in rice season
under different N fertilizer rates of Chinese milk vetch⁃rice rota⁃
tion system.
1011期                胡安永等: 太湖地区不同轮作模式对稻田温室气体(CH4 和 N2O)排放的影响       
12􀆰 09 和 13. 46 mg · m-2 · h-1; 稻季施氮 240
kg·hm-2下的 CH4 排放峰出现在水稻移栽后 18、28
和 37 d,且在水稻移栽后 37 d 出现最大排放值,排
放通量为 11.94 mg·m-2·h-1;在水稻生长中期(移
栽后 40 d)采用烤田措施后,所有处理的 CH4 排放
通量急剧下降,烤田后第 3天降到最低值;烤田结束
至水稻收获期间,由于采用干湿交替的水分管理模
式,各施氮处理的 CH4 排放通量呈现出明显的高低
波动.紫云英还田不同施氮量下水稻生长季 CH4 平
均排放通量的大小顺序表现为 GR0 >GR300 >GR240 >
GR120,平均排放通量依次为 4.99、3.90、3.54 和 3􀆰 26
mg·m-2·h-1 .
紫云英还田各施氮处理下水稻生长季 N2O 排
放的季节变化趋势基本相同(图 2).在整个稻季,各
轮作模式均有 4个较明显的 N2O 排放峰,分别出现
在移栽后 3 d(基肥期)、18 d(分蘖肥期)、40 d(烤田
期)和 58 d(穗肥期),且 N2O 排放峰值随着施氮量
的增加而增加.穗肥期以后,各施氮处理 N2O排放通
量一直处于较低水平,但施氮 300 kg·hm-2下的
N2O排放通量一直较高.水稻生长季 N2O 平均排放
通量大小顺序为 GR300>GR240>GR120>GR0,平均排放
通量分别为 18.26、7.90、7.59和 1.92 μg·m-2·h-1 .
2􀆰 4  不同轮作模式对稻季 CH4 和 N2O累积排放量
的影响
为进一步分析比较不同轮作模式下 CH4 和
N2O排放的差异,明确不同轮作模式对稻田 CH4 和
N2O排放的影响,将水稻全生育期分为移栽至有效
分蘖期、拔节期至抽穗期、抽穗期至成熟期 3 个阶
段.由图 3可知,不同轮作方式下水稻不同生育阶段
CH4 累积排放量均表现为移栽至有效分蘖期>拔节
期至抽穗期>抽穗期至成熟期,各处理在移栽至有
效分蘖期 CH4 累积排放量所占比例为 43% ~ 64%,
说明 CH4 排放量主要集中在水稻生育前期,特别是
移栽至有效分蘖期.不同轮作方式对水稻不同生育
阶段 CH4 累积排放量的影响达显著水平,移栽至有
效分蘖期阶段 CH4 累积排放量以小麦⁃水稻轮作方
式最大,紫云英⁃水稻轮作方式次之,且两者都显著
大于休闲⁃水稻轮作方式,分别为 75.0、64􀆰 9 和 37.6
kg·hm-2;拔节期至抽穗期 CH4 累积排放量以小麦⁃
水稻轮作方式最大,显著大于休闲⁃水稻轮作及紫云
英⁃水稻轮作,分别为 57.6、23.2 和 19.2 kg·hm-2,
休闲⁃水稻轮作及紫云英⁃水稻轮作方式没有达到显
著差异;抽穗期至成熟期 CH4 累积排放量休闲⁃水稻
轮作处理最小,与紫云英⁃水稻轮作方式没有达到显
著差异,但显著低于小麦⁃水稻轮作方式,分别为
11􀆰 8、17.8和 41.0 kg·hm-2 .
除小麦⁃水稻轮作方式在移栽至有效分蘖期
N2O累积排放量最大外,紫云英⁃水稻轮作方式及休
闲⁃水稻轮作方式的 N2O 累积排放量均在拔节期至
抽穗期达到最大(图 3).不同轮作方式对水稻不同
生育阶段 N2O累积排放量有显著影响,N2O 累积排
放量在移栽至有效分蘖期普遍较高,此阶段 N2O 累
积排放量表现为小麦⁃水稻>休闲⁃水稻>紫云英⁃水
稻,且小麦⁃水稻轮作方式显著大于休闲⁃水稻和紫
云英⁃水稻轮作方式;各处理在拔节期至抽穗期的
N2O累积排放量为休闲⁃水稻轮作方式最大,显著大
于小麦⁃水稻轮作方式,但与紫云英⁃水稻轮作方式
没有显著差异;各处理在抽穗期至成熟期的 N2O 累
积排放量表现为紫云英⁃水稻>小麦⁃水稻>休闲⁃水
稻,但是不同轮作方式间没有显著差异.
2􀆰 5  不同轮作模式对稻季 CH4 和 N2O排放总量及
温室效应的影响
从整个水稻生长季来看,紫云英还田不同施氮
量下CH4排放总量存在显著差异,紫云英还田配施
图 3  不同轮作模式下水稻不同生育阶段 CH4 和 N2O 的累
积排放量
Fig.3   CH4 and N2O accumulation emissions at different rice
growth periods under different rotation systems.
Ⅰ: 移栽至有效分蘖期 Transplanting stage to active tillering stage; Ⅱ:
拔节期至抽穗期 Elongation stage to heading stage; Ⅲ: 抽穗期至成熟
期 Heading stage to mature stage. 同一生育阶段不同小写字母表示不
同轮作方式间差异显著(P< 0.05) Different small letters in the same
growth period indicated significant difference among different rotation sys⁃
tems at 0.05 level.
201 应  用  生  态  学  报                                      27卷
表 1  不同轮作模式下稻季 CH4 和 N2O排放量及其全球增温潜势
Table 1  Emission amounts of CH4 and N2O during rice season and their GWP under different rotation systems
轮作模式
Rotation
system
施氮量
N application
rate
(kg·hm-2)
CH4 排放总量
Total CH4
emission
(kg·hm-2)
N2O排放总量
Total N2O
emission
(kg·hm-2)
全球增温潜势
GWP (kg CO2·hm-2)
CH4 N2O CH4+N2O
产量
Grain yield
(kg·hm-2)
单位产量的
GWP
GWP per
unit yield
(kg CO2·
kg-1grain)
紫云英⁃水稻 0 143.8±8.1a 0.06±0.01b 3595±202a 16.5±0.8b 3611±202a 7434±124c 0.49a
Chinese milk 120 93.8±4.8b 0.22±0.03b 2345±119b 65.2±7.8b 2410±115c 8710±221a 0.28b
vetch⁃rice 240 102.0±5.5bB 0.23±0.06bA 2549±137bB 67.8±16.9bA 2617±153bcB 9098±158aA 0.29bB
300 112.3±5.7b 0.53±0.07a 2807±144b 156.7±21.3a 2963±124b 9041±135a 0.33b
休闲⁃水稻
Fallow⁃rice
240 72.5±5.5C 0.27±0.07A 1813±137C 79.4±22.0A 1892±58C 8384±110A 0.23C
小麦⁃水稻
Wheat⁃rice
240 173.7±5.8A 0.23±0.01A 4342±146A 67.7±3.0A 4410±145A 8529±457A 0.52A
同列不同小写字母表示同一轮作方式不同施氮量间差异显著,同列不同大写字母表示稻季施氮 240 kg·hm-2下不同轮作方式间差异显著
(P<0.05)Different small letters in the same column indicated significant difference among different N application rates under the same rotation system, and
different capital letters indicated significant difference among different rotation systems under the same N application rate of 240 kg·hm-2 at 0.05 level.
氮肥显著降低了水稻季 CH4 排放总量,但不同氮肥
用量下的稻季 CH4 排放量没有显著差异.紫云英还
田水稻季 CH4 排放总量具体表现为 GR0 >GR300 >
GR240>GR120(表 1),分别为 143.8、112.3、102.0、93.8
kg·hm-2 .
本研究表明,与不施氮肥相比,紫云英还田配施
氮肥明显增加了稻季 N2O 排放总量,并且随着施氮
量的增加而增加,施氮量为 300 kg·hm-2时的 N2O
排放总量最大.紫云英还田不同施氮量下稻季排放
的 CH4 对总增温潜势的贡献远高于 N2O,各处理所
占比例为 94.7%~99.6%,是温室气体减排的主要对
象.采用单位产量的 GWP 这一指标来评价稻季 CH4
和 N2O排放的综合影响,由表 1 可知,紫云英还田
不同施氮量下 “单位产量的 GWP”依次为 GR0 >
GR300>GR240>GR120 .
不同轮作模式稻季施氮 240 kg·hm-2下的稻季
CH4 排放总量存在显著差异(表 1),具体表现为小
麦⁃水稻>紫云英⁃水稻>休闲⁃水稻轮作,各处理分别
为 173.7、102.0、72.5 kg·hm-2 .不同轮作方式下稻
季 N2O排放总量表现为休闲⁃水稻>紫云英⁃水稻 =
小麦⁃水稻,依次为 0.27、0.23 和 0.23 kg·hm-2,但
不同轮作模式之间差异没有达到显著水平.将不同
轮作处理排放的 CH4 和 N2O换算为等 GWP 的平均
CO2 量,结果表明各处理稻季排放的 CH4 和 N2O 所
产生的 GWP 以小麦⁃水稻轮作方式最高,为 4410 kg
CO2·hm
-2,比紫云英⁃水稻和休闲⁃水稻轮作方式高
68.5%和 133.1%,差异显著.不同轮作方式下稻季排
放的 CH4 对总增温潜势的贡献远高于 N2O,是减排
的主要对象.采用“单位产量的 GWP”这一指标来评
价不同轮作方式对 CH4 和 N2O排放的综合影响(表
1)可知,不同轮作方式“单位产量的 GWP”存在显
著差异,依次为小麦⁃水稻>紫云英⁃水稻>休闲⁃水
稻,分别为 0.52、0.29、0.23.
3  讨    论
无论采取何种轮作方式,均未改变稻田 CH4 季
节排放规律,即水稻生长期 CH4 排放呈先升高后降
低趋势,CH4 最大排放峰值出现在水稻生育前期,烤
田后直至水稻收获土壤 CH4 排放较低,这可能与不
同处理采用相同稻田水分管理模式(前期淹水、中
期烤田、后期干湿交替)有关,采用此种水分管理模
式后稻季 CH4 排放量一般主要集中在水稻生育前
期,其他时期(如拔节抽穗期、灌浆结实期)相对较
少[13-14] .水稻生长季 N2O 排放通量变化趋势相似,
均有 4个明显的排放高峰,分别在基肥期、分蘖肥
期、烤田期以及穗肥期.
本研究中,紫云英⁃水稻轮作和小麦⁃水稻轮作
模式下在移栽至有效分蘖期的 CH4 累积排放量最
大,显著大于休闲⁃水稻轮作;在拔节期至抽穗期以
及抽穗期至成熟期,小麦⁃水稻轮作方式下的 CH4 累
计排放量最大,紫云英⁃水稻轮作和休闲⁃水稻轮作
模式下的 CH4 累计排放量小且无显著差异. Cai
等[15]研究认为,紫云英或油菜还田下,在晚稻生育
期间的 CH4 排放量比在早稻生育期间的排放量大
大减少.因此,对于单季稻,CH4 排放必然主要集中
在水稻生育前期.本研究中,不同轮作方式下水稻在
移栽至有效分蘖期 CH4 累积排放量所占比例为
43%~64%,说明水稻移栽后前 6 周(移栽至有效分
蘖期)为稻季 CH4 排放最重要的时期,且水稻生长
3011期                胡安永等: 太湖地区不同轮作模式对稻田温室气体(CH4 和 N2O)排放的影响       
季后期绿肥还田与否对 CH4 排放的影响很小,这可
能是由于绿肥作物与其他有机物质的组分不同,
使其对 CH4 排放的影响持续时间更短,这与 Gon
等[16]的研究结果一致.前人研究表明,新鲜绿肥作
物的加入会增加土壤中不稳定性有机质的有效性,
从而增加土壤中不稳定性碳的浓度,为土壤产甲烷
菌提供更多的反应底物从而促进厌氧条件下 CH4
的大量排放[17-20],由于拔节期至抽穗期和抽穗期至
成熟期距离紫云英还田时间较长,紫云英残体大部
分可能已经被微生物分解形成了腐殖质,并与土壤
矿物质颗粒紧密结合,成为土壤有机质存在的主要
形态类型,不易被产甲烷菌分解而产生大量 CH4 .本
研究中,水稻移栽插秧距离紫云英还田达 40 d 之
久,而紫云英中的碳素释放主要集中在 0 ~ 40 d,碳
素累计释放率达到 65%以上[21] .
本研究表明,太湖地区不同轮作方式对稻季
CH4 排放总量有显著影响,这与前人研究结果一
致[22-23] .其中,以小麦⁃水稻轮作方式稻季 CH4 排放
总量最大,显著大于紫云英⁃水稻和休闲⁃水稻轮作
方式,紫云英⁃水稻轮作又显著大于休闲⁃水稻轮作
方式,分别为 173.7、102.0 和 72.5 kg·hm-2 .前人研
究表明[24-25],小麦秸秆还田显著增加了稻季 CH4 的
排放,甚至达到 3 ~ 11 倍.本研究认为,小麦⁃水稻轮
作方式下稻季 CH4 排放量最大,这可能是由于稻麦
轮作方式下小麦收获后约有 20~25 cm 残留麦秆及
根系被直接翻耕还田,从而有效补充了稻田土壤有
机质,为产甲烷菌提供了大量的基质和反应底物.
Kuzyakov等[26]研究发现,小麦同化产物的 20% ~
30%被分配进入地下.张岳芳等[14]研究认为,麦季免
耕的土壤耕作方式下水稻生长季 CH4 排放总量达
到 203.04、175.36 kg·hm-2,显著高于麦季旋耕和麦
季翻耕,平均增加 53%和 24%.本试验稻麦轮作中采
用的是麦季免耕的土壤耕作方式,这也可能是造成
小麦⁃水稻轮作方式下稻季 CH4 排放总量较高的一
个重要因素.Kim等[27-28]认为,绿肥还田显著增加了
稻季甲烷排放量,绿肥还田下 CH4 排放量较 NPK
处理显著增加 28% ~ 121%,其中,紫云英还田下的
增产减排效果更好,其 CH4 排放较 NPK 处理高
28%~61%,水稻产量增加 18% ~ 31%;黑麦草处理
CH4 排放增加 86% ~ 121%,水稻产量增加 - 3% ~
6%.黑麦草还田下单位产量的 CH4 排放显著增加,
但紫云英+NPK与 NPK处理结果相似.总之,低 C / N
作物紫云英比高 C / N 作物黑麦草增产减排效果更
好,是更值得推荐的绿肥作物.
紫云英还田配施氮肥显著降低了稻季 CH4 排
放,但不同氮肥用量下的稻季 CH4 排放量没有显著
差异,具体表现为 GR0>GR300>GR240 >GR120,分别为
143.8、112.3、102.0、93.8 kg·hm-2,要明显低于前人
关于紫云英还田下水稻季 CH4 排放总量[27,29],这可
能是由于紫云英还田后移栽插秧的时间不同所引起
的,本研究是在紫云英还田后 40 d 时进行水稻移
栽,而前人研究则是在紫云英还田 7 d 左右移栽水
稻,此时紫云英处于碳素集中释放时期.紫云英还田
配施氮肥较紫云英单独还田能够减缓温室气体排
放,这与 Zhu 等[29]研究结果一致. Cai 等[7]研究表
明,施加硫酸铵和尿素 100、300 kg N·hm-2分别比
对照不施氮肥处理减少稻季 CH4 排放 42%、60%和
7%、14%.Zou等[30]研究也证明,随着氮肥用量的增
加,稻季 CH4 排放逐渐减少.此外,本试验中,紫云英
还田不同氮肥用量下的 CH4 排放量没有显著差异,
但施氮 120 kg·hm-2时的 CH4 排放量最小,随着施
氮量的增加,氮肥对 CH4 排放的抑制作用减小,这
与 Ma 等[24]研究结果相似.目前,关于秸秆还田对
N2O排放的影响结果并不一致.有研究认为,紫云英
还田配施氮肥显著增加了 N2O 排放量[11];还有研
究认为,绿肥或者秸秆还田对 N2O 的排放没有明显
影响[31];还有研究报道,紫云英还田配施氮肥较仅
施氮肥处理显著减少了水稻季 N2O的排放[29] .本研
究中,紫云英还田下随着氮肥施用量的增加,水稻生
长季 N2O 排放总量逐渐增加,当施氮量达到 300
kg·hm-2时达到最大,此时的 N2O 排放量显著大于
施氮 120和 240 kg·hm-2下的 N2O 排放量.不同轮
作方式下稻季 N2O排放量没有达到显著差异,这可
能与不同轮作方式稻季施氮量都是 240 kg·hm-2有
关,因为稻田 N2O排放量随氮肥用量的增加呈增加
趋势,氮肥的施用对 N2O的排放有促进作用.对太湖
地区不同轮作模式下稻季排放 CH4 和 N2O 的全球
增温潜势(GWP)的分析结果表明,各处理 GWP 以
小麦⁃水稻轮作方式最高,显著高于其他处理,小麦⁃
水稻轮作方式较休闲⁃水稻轮作仅增产 1.7%,但其
单位产量的 GWP 却显著高于后者,比休闲⁃水稻轮
作高 126.1%;紫云英⁃水稻轮作较休闲⁃水稻轮作方
式增产 8.5%,其单位产量的 GWP 虽显著高于休闲⁃
水稻轮作方式,但仅比后者高 26.1%,与小麦⁃水稻
轮作方式相比,具有明显的增产减排作用.
太湖流域是经济发达地区,该区劳动力紧缺,由
于小麦产量不高,且 NO3
- ⁃N 淋失对水环境威胁较
401 应  用  生  态  学  报                                      27卷
大,专家提倡冬季压缩小麦种植面积.根据张岳芳
等[32]研究表明,稻田旱作季 CH4 和 N2O 平均排放
通量表现为冬小麦大于紫云英和休闲处理,冬小麦
较对照休闲处理显著增加稻田旱作季总增温潜势,
而紫云英和休闲处理间总增温潜势无显著差异.同
时,根据本试验结果,冬小麦⁃水稻轮作模式下稻季
温室气体排放和总增温潜势最高,而冬闲田⁃水稻轮
作模式下获得的水稻产量最低.所以,综合生产效
益、经济效益和环境效益,本研究推荐紫云英还田配
施氮肥 240 kg·hm-2管理方式,这既能保证水稻获
得高产同时对全球增温潜势影响较小.可见,紫云英
与水稻轮作是一种值得当地广泛提倡和推广的耕作
制度.
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作者简介  胡安永,男,1988年生,硕士研究生. 主要从事农
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责任编辑  张凤丽
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