全 文 ：不同冬季覆盖作物对稻田甲烷和氧化亚氮
排放的影响*
唐海明1 摇 汤文光1 摇 帅细强2 摇 杨光立1 摇 汤海涛1 摇 肖小平1**
( 1 湖南省土壤肥料研究所, 长沙 410125; 2 湖南省气象科学研究所, 长沙 410007)
摘摇 要摇 采用静态箱鄄气相色谱法对不同冬季覆盖作物处理[免耕直播黑麦草鄄双季稻(T1)、
免耕直播紫云英鄄双季稻(T2)、翻耕移栽油菜鄄双季稻(T3)、免耕直播油菜鄄双季稻(T4)和冬闲鄄
双季稻(CK)]下稻田甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)排放进行观测,分析了不同冬季覆盖作物
对稻田 CH4 和 N2O排放的影响.结果表明:在冬季作物生长期,不同冬季覆盖作物稻田 CH4
和 N2O总排放量与对照(CK)的差异均达到极显著水平(P<0郾 01);T3 和 T1 处理的稻田 CH4
和 N2O排放量最高,其 CH4 排放量分别为 0郾 88 和 0郾 60 g·m-2,N2O 排放量分别为 0郾 23 和
0郾 20 g·m-2;冬季作物还田后,各处理早、晚稻田 CH4 排放量均明显高于对照.早稻田 CH4 排
放量最高的为 T1 和 T2 处理,分别达 21郾 70 和 20郾 75 g·m-2;晚稻田 CH4 排放量最高的为 T3
和 T4 处理,分别为 58郾 90 和 54郾 51 g·m-2 .各处理早、晚稻田 N2O总排放量均显著高于对照,
T1、T2、T3 和 T4 处理的早稻田 N2O 总排放量分别比对照增加 53郾 7% 、12郾 2% 、46郾 3% 和
29郾 3% ,晚稻田分别比对照增加 28郾 6% 、3郾 8% 、34郾 3%和 27郾 6% .
关键词摇 冬季覆盖作物摇 稻田摇 CH4 摇 N2O摇 排放
文章编号摇 1001-9332(2010)12-3191-09摇 中图分类号摇 S181摇 文献标识码摇 A
Effects of winter cover crop on methane and nitrous oxide emission from paddy field. TANG
Hai鄄ming1, TANG Wen鄄guang1, SHUAI Xi鄄qiang2, YANG Guang鄄li1, TANG Hai鄄tao1, XIAO Xi鄄
ao鄄ping1 ( 1Hunan Soil and Fertilizer Institute, Changsha 410125, China; 2Hunan Institute of Mete鄄
orological Science, Changsha 410007, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(12): 3191-3199.
Abstract: Static chamber鄄GC technique was employed to study the effects of different treatment
winter cover crops, including no鄄tillage and directly sowing ryegrass (T1), no鄄tillage and directly
sowing Chinese milk vetch (T2), tillage and transplanting rape (T3), no鄄tillage and directly so鄄
wing rape (T4), and fallowing (CK), on the CH4 and N2O emission from double cropping rice
paddy field. During the growth period of test winter cover crops, the CH4 and N2O emission in
treatments T1-T4 was significantly higher than that in CK (P<0郾 01). Treatments T1 and T3 not on鄄
ly had the largest CH4 emission (0郾 60 and 0郾 88 g·m-2), but also had the largest N2O emission
(0郾 20 and 0郾 23 g·m-2, respectively). After the winter cover crops returned to field, the CH4
emission from early and late rice fields in treatments T1, T2, T3, and T4 was larger than that in CK.
In early rice field, treatments T1 and T2 had the largest CH4 emission (21郾 70 and 20郾 75 g·m-2);
while in late rice field, treatments T3 and T4 had the largest one (58郾 90 and 54郾 51 g·m-2,
respectively) .` Treatments T1-T4 also had larger N2O emission from early and late rice fields than
the CK did. The N2O emission from early rice field in treatments T1, T2, T3, and T4 was increased
by 53郾 7% , 12郾 2% , 46郾 3% , and 29郾 3% , and that from late rice field in corresponding treat鄄
ments was increased by 28郾 6% , 3郾 8% , 34郾 3% , and 27郾 6% , respectively, compared with CK.
Key words: winter cover crop; rice field; CH4; N2O; emission.
*国家“十一五冶科技支撑计划项目(2008BAD95B02,2007BAD89B11鄄04)资助.
**通讯作者. E鄄mail: hntfsxxping@ 163. com
2010鄄04鄄06 收稿,2010鄄09鄄28 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 12 月摇 第 21 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2010,21(12): 3191-3199
摇 摇 大气中温室气体浓度的增加是导致全球变暖的
主要因素.甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是大气中
两种重要的温室气体,对地球系统的能量收支和地
球气候的形成有重要影响[1] . CH4 和 N2O 单位分子
的增温潜能分别是 CO2 的 25 和 298 倍[2],其气体
浓度分别以每年约 1%和 0郾 2% ~ 0郾 3%的速度增
长[3] .水稻是世界主要的粮食作物之一,占粮食作
物面积的 1 / 3,其生产过程中伴随着 CH4 和 N2O 等
温室气体的产生,稻田在全球温室气体的预算中具
有重要作用[4] . 因此,稻田温室气体的排放是目前
农田环境的研究热点.
稻田耕作释放的 CH4 约占大气 CH4 总来源的
8% ~ 13% ,全球稻田 CH4 年总排放量达 30 Tg(20
~ 40 Tg) [5-8] . 尽管厌氧条件下 N2O 被进一步还原
成 N2 而使稻田耕作不被认为是重要的 N2O 源,但
有研究表明,厌氧鄄有氧循环可促进 N2O 的形成[9] .
近年来,约 57%的中国稻田在水稻生长期采用间隙
灌溉的水分管理措施,更加大了稻田 N2O 的排
放[10] .目前,有关稻田 CH4 和 N2O 排放的研究大多
集中在水稻生长期内,对冬闲稻田温室气体排放的
研究较少[11-12],而在稻田生长季节内及冬季覆盖作
物还田后,系统研究不同冬季覆盖作物对稻田 CH4
和 N2O排放的影响尚未见报道.农田冬季覆盖作物
是农业可持续发展的重要组成部分,有利于提高土
壤质量、土壤养分利用和作物产量、减少土壤侵蚀和
化学径流,并且能抑制杂草生长[13] . 若能充分利用
稻田冬、春自然资源,可增加冬季稻田绿色作物覆盖
度,增加单位面积生物产量和土壤有机碳,抑制硝态
氮淋溶,增加碳氮蓄积,有利于确保粮油作物生产安
全.为此,本文以冬闲鄄双季稻为对照,初步探讨了免
耕直播黑麦草鄄双季稻、免耕直播紫云英鄄双季稻、翻
耕移栽油菜鄄双季稻和免耕直播油菜鄄双季稻 4 种冬
季覆盖作物稻田的 CH4 和 N2O排放特征,旨在合理
利用冬闲稻田,为发展冬季覆盖作物生产及合理评
价不同种植模式提供科学依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验地概况
试验地点位于湖南省长沙县干杉乡(28毅08忆18义
N,113毅12忆0义 E),海拔 42 m.试验土壤为第四纪红壤
母质发育的红黄泥. 试验前耕层土壤基础养分性状
为:有机质 33郾 9 g·kg-1,全氮 2郾 02 g·kg-1,全磷
0郾 64 g·kg-1,全钾 9郾 2 g·kg-1,碱解氮 172郾 0 mg·
kg-1,有效磷 84郾 0 mg·kg-1,速效钾 87郾 0 mg·kg-1,
pH值 5郾 4.试验地属亚热带季风性湿润气候,年均
气温 17郾 1 益,年均降水量 1500 mm,逸10 益活动积
温 5300 益 ~6500 益,无霜期 260 ~ 310 d.冬季作物
和水稻生长期降水情况见图 1.
1郾 2摇 试验设计及田间管理
试验设 5 个处理:冬闲鄄双季稻(CK)、免耕直播
黑麦草鄄双季稻(T1)、免耕直播紫云英鄄双季稻(T2)、
翻耕移栽油菜鄄双季稻(T3)和免耕直播油菜鄄双季稻
(T4),每处理 3 次重复,随机区组排列,小区面积 32
m2 .小区四周加设保护行,小区间采用完全阻渗处
理,即小区四周和田埂用塑料膜(厚 0郾 06 mm)围
墙,至土表下 25 ~ 30 cm深,以防止侧渗对试验的影
响.冬季作物黑麦草供试品种为 “多花黑麦草超
高冶,紫云英供试品种为“宁波大桥冶,油菜供试品种
图 1摇 研究区冬季作物和水稻生长期降水量变化
Fig. 1摇 Variation characteristics of precipitation during growth period of winter crop and rice in the study area.
2913 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
均为“湘杂油 7 号冶. 冬季作物播种和移栽前,基肥
均施 75 kg N·hm-2和 45 kg P2O5·hm-2 .早稻供试
品种为 “中嘉早 17 号冶,晚稻供试品种为 “岳优
360冶.冬季作物和水稻具体的肥料用量及田间管理
措施见表 1 和表 2.
表 1摇 稻田田间管理措施
Tab. 1摇 Different management practices in field paddy
作物 Plant 日期 Date 管理措施 Field management practices
冬季作物
Winter crop
2008鄄10鄄08 播种黑麦草和紫云英,22郾 5 和 37郾 5
kg·hm-2
2008鄄10鄄25 翻耕移栽油菜进行移栽(移栽密度
为 5郾 4伊104 plant·hm-2),免耕直播
油菜播种(3郾 0 kg·hm-2)
2008鄄11鄄25 各处理追施尿素,120 kg·hm-2
2008鄄12鄄01 紫云英追施过磷酸钙,270 kg·hm-2
2009鄄02鄄05 油菜追施尿素 120 kg·hm-2;黑麦草
第 1 次刈割后,追施尿素,120 kg·
hm-2
2009鄄03鄄10 黑麦草第 2 次刈割后,追施尿素,120
kg·hm-2
2009鄄04鄄18 冬季作物翻压(冬闲田杂草、黑麦草
和紫云英还田量分别为 621郾 9、
22500 和 22500 kg·hm-2)
2009鄄04鄄30 油菜收获后,部分秸秆直接翻压还
田,7500 kg·hm-2
早稻 2009鄄04鄄15 播种育苗
Early rice 2009鄄05鄄05 翻耕
2009鄄05鄄07 移栽(20 cm伊30 cm)
2009鄄05鄄12 追施提苗肥(尿素 150 kg·hm-2)
2009鄄06鄄07—06鄄19 晒田
2009鄄06鄄20—07鄄14 复水,干湿交替灌溉
2009鄄07鄄17 收获
晚稻 2009鄄07鄄01 播种育苗
Late rice 2009鄄07鄄18 翻耕(早稻秸秆还田量 4694 kg·
hm-2)
2009鄄07鄄20 移栽(20 cm伊30 cm)
2009鄄07鄄26 追施提苗肥(尿素 192 kg·hm-2)
2009鄄08鄄20—09鄄01 晒田
2009鄄09鄄02—10鄄17 复水,干湿交替灌溉
2009鄄10鄄20 收获
1郾 3摇 气样采集与测定
用静态暗箱鄄气相色谱法采集 CH4 和 N2O 气
体.采样箱由 5 mm 厚 PVC 板制成,规格为 50 cm伊
50 cm伊120 cm,外部包有海绵和锡箔纸,以防止太
阳照射导致的箱内气温变化过大. 分别在冬季作物
播种和移栽后、早稻和晚稻移栽后,于各处理稻田安
装静态箱底座,底座入土 5 cm,底座内分别含生长
的冬季作物和水稻.分别在冬季作物播种和移栽后、
早稻和晚稻移栽后的第 2 天开始进行气体采集,以
后每隔 7 d 采集 1 次. 每次采样时间为 9:00—
11:00,取样时将采样箱垂直安放在底座凹槽内并用
水密封,保证箱内气体与大气不进行气体交换.箱盖
上装有 2 个 12 V小风扇,采样前将箱内顶部风扇打
开,使箱内气体混和均匀. 盖箱之后的 0、10、20 和
30 min采样,用 50 ml注射器从箱中抽取气体,通过
旋转三通阀转移到 0郾 5 L气体采样袋,备测.
采用经改装的气相色谱(Agilent 7890A,美国)
和自动进样器测定 CH4 和 N2O浓度,检测器分别是
火焰离子检测器(FID)和电子捕获检测器(ECD),
温度分别为 200 益和 330 益 . 分离材料为 PQ 填充
柱,柱温 55 益 .标准气体由国家标准物质中心提供.
1郾 4摇 数据处理
稻田 CH4(mg·m-2·h-1)和 N2O(滋g·m-2·
h-1)排放通量的(F)算式如下[14]:
F= 籽h[273 / (273+T)] dC / dt
式中:籽 为 CH4 和 N2O 标准状态下的密度,分别为
0郾 714 kg·m-3和 1郾 964 kg·m-3;h为经过水层高度
调整后采样箱顶部距水面的实际高度(m);dC / dt
为采样过程中采样箱内 CH4 和 N2O的浓度变化率;
T为采样箱内的平均温度(益).
根据气样浓度与时间的关系曲线计算CH4和
表 2摇 不同处理早稻和晚稻的肥料施用量
Tab. 2摇 Amount of applied fertilizer in different treatments for early and late rice
处 理
Treat鄄
ment
早 稻 Early rice
冬季作物养分含量
Nutrient content of
different winter cover
crop (kg·hm-2)
N P2O5 K2O
肥料用量
Applying amount of
fertilizer (kg·hm-2)
N P2O5 K2O
总肥料用量
Total amount of applied
fertilizer (kg·hm-2)
N P2O5 K2O
晚 稻 Late rice
总肥料用量
Total amount of applied
fertilizer (kg·hm-2)
N P2O5 K2O
T1 32郾 6 3郾 9 40郾 8 192郾 4 41郾 1 71郾 7 225 45 112郾 5 288 45 112郾 5
T2 33郾 9 2郾 8 36郾 6 191郾 1 42郾 2 75郾 9 225 45 112郾 5 288 45 112郾 5
T3 19郾 95 2郾 93 36郾 0 205郾 05 42郾 07 76郾 5 225 45 112郾 5 288 45 112郾 5
T4 19郾 95 2郾 93 36郾 0 205郾 05 42郾 07 76郾 5 225 45 112郾 5 288 45 112郾 5
CK 7郾 84 1郾 12 14郾 12 217郾 16 43郾 88 98郾 38 225 45 112郾 5 288 45 112郾 5
T1:免耕直播黑麦草鄄双季稻 No鄄tillage ryegrass鄄double cropping rice; T2:免耕直播紫云英鄄双季稻 No鄄tillage Chinese milk vetch鄄double cropping
rice; T3:翻耕移栽油菜鄄双季稻 Tillage rape鄄double cropping rice; T4:免耕直播油菜鄄双季稻 No鄄tillage rape鄄double cropping rice; CK:冬闲鄄双季稻
Fallow鄄double cropping rice. 下同 The same below.
391312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 唐海明等: 不同冬季覆盖作物对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
N2O的排放通量[15],然后估算 CH4 和 N2O 的排放
量[16](平均通量值与整个作物生长期总小时数的乘
积),CH4 和 N2O 排放总量为冬季作物整个生长期
和水稻各生育期排放量的总和.
用 Excel软件对试验数据进行处理和制图,用
DPS软件进行试验数据的方差分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 冬季作物生长期稻田 CH4 和 N2O排放通量的
动态
由图 2 可以看出,在冬季作物生长前期,由于气
温较低,植株生长缓慢,稻田表现为对大气 CH4 微
弱的吸收,为 CH4 汇;随着气温升高和作物生长,各
处理稻田 CH4 排放通量逐渐增加,在次年 3 月上
旬,各处理稻田 CH4 出现了一个排放高峰. 在冬季
作物整个生长期,不同处理稻田 CH4 的平均排放通
量表现为 T3>T1>T4>T2>CK.
不同冬季覆盖作物对冬闲期稻田 N2O 排放具
有一定影响. 在冬季作物生长前期,不同处理稻田
图 2摇 冬季作物生长期不同冬季覆盖作物下稻田 CH4 和
N2O排放通量的动态
Fig. 2 摇 Dynamic of CH4 and N2O flux in rice fields during
growth period under different winter cover crops.
T1:免耕直播黑麦草鄄双季稻 No鄄tillage ryegrass鄄double cropping rice;
T2:免耕直播紫云英鄄双季稻 No鄄tillage Chinese milk vetch鄄double crop鄄
ping rice;T3:翻耕移栽油菜鄄双季稻 Tillage rape鄄double cropping rice;
T4:免耕直播油菜鄄双季稻 No鄄tillage rape鄄double cropping rice;CK:冬
闲鄄双季稻 Fallow鄄double cropping rice. 下同 The same below.
N2O排放通量表现为 T3 >T1 >T2 >T4 >CK;在生长后
期,则表现为 T3>T4>T1 >T2 >CK(图 2). T1、T2、T3 和
T4 处理均于 2008 年 11 月 30 日出现一个 N2O 排放
高峰,这可能是由于 11 月 25 日对各种冬季作物进
行追肥,追施尿素所致;T2 处理的 N2O 排放高峰继
续维持,这可能是由于 12 月 1 日对其追施过磷酸钙
所致. 2009 年 2 月 10 日,T1、T3 和 T4 处理稻田出现
了一个 N2O排放高峰,这可能是由于 2 月 5 日对翻
耕移栽油菜和免耕直播油菜追施了尿素、黑麦草进
行第一次刈割后追施尿素所致. 2009 年 3 月 17 日,
T1 处理稻田又出现一个 N2O排放高峰,这可能是由
于 3 月 10 日对黑麦草进行第二次刈割后施用尿素
所致.在冬季作物生长期,稻田出现了几个不同的
N2O排放高峰,这可能是每次对不同冬季作物施用
氮肥(尿素)后为土壤硝化及反硝化的进行提供了
丰富的氮素基础,使稻田释放出大量 N2O.
2郾 2摇 冬季覆盖作物还田对早稻田和晚稻田 CH4 及
N2O排放通量的影响
2郾 2郾 1 早稻田摇 早稻插秧后,稻田 CH4 排放通量较
低,随着翻压有机物的腐解及水稻生长发育加快,
CH4 排放通量呈现出先增加后降低的抛物线变化趋
势(图 3a). 各处理在插秧后第 17 天出现第 1 个
CH4 排放高峰,此峰值来自翻压有机物的腐解和水
稻旺盛的生长;T3 和 T4 处理在插秧后第 28 天出现
第 2 个排放峰值,这可能是随着气温的升高,翻压的
油菜秸秆继续进行分解.在水稻生长前期,各处理稻
田 CH4 排放通量表现为 T1 >T2 >T3 >T4 >CK;在水稻
移栽 30 d以后,表现为 T3>T4>T2>T1>CK.
不同冬季覆盖作物还田后,对早稻田 N2O 排放
通量有一定影响.各处理稻田 N2O 排放的变化规律
较一致,晒田之前,稻田 N2O 排放较少,N2O 排放高
峰主要集中在晒田期,以后的干湿交替及落干期也
有部分 N2O排放. 在早稻插秧后 10 d 出现了一个
N2O排放峰,该峰值较小、持续时间较短,随后降低;
早稻插秧至晒田期间,各处理稻田 N2O 排放通量表
现为 T1>T3>T4>T2>CK.晒田开始后,各处理出现最
大的 N2O排放峰,持续到复水,即 N2O 排放峰值出
现在烤田期(水稻移栽后 30 d). 此后,各处理 N2O
排放通量持续偏低. 晒田复水后,各处理稻田 N2O
排放通量表现为 T3>T1>T4>T2>CK.
2郾 2郾 2 晚稻田 摇 由图 3b 可以看出,各处理晚稻田
CH4 排放规律较一致,呈明显的单峰型,主要集中在
移栽后晒田前的一个月(水稻分蘖期). 晚稻插秧
后,各处理稻田CH4排放通量开始增加,在插秧后
4913 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
图 3摇 冬季覆盖作物还田对早稻田(a)和晚稻田(b)CH4、N2O排放通量的影响
Fig. 3摇 Effects of different winter cover crops on CH4 and N2O flux in early rice field (a) and late rice field (b).
第 13 天出现 CH4 排放峰值;第 32 天后落水晒田,
则保持较低的 CH4 排放水平至收获.在晚稻大田生
育期,各处理稻田 CH4 排放通量表现为 T3 >T4 >T1 >
T2>CK.
各处理晚稻田 N2O排放呈单峰型,排放峰出现
于晒田之后,且持续较长时间,到齐穗期才结束,
N2O排放集中于孕穗期.晚稻施基肥和移栽后,各处
理稻田 N2O排放通量表现为 T1 >T3 >T4 >T2 >CK;晒
田复水后,表现为 T3>T4 >T1 >T2 >CK.在晚稻大田生
育期,T1、T2、T3、T4 和 CK处理的稻田 N2O平均排放
通量分别为 73郾 67、41郾 78、80郾 77、63郾 73 和 31郾 70 滋g
·m-2·h-1 .
2郾 3摇 冬季作物生长期稻田生态系统 CH4 和 N2O排
放量
在冬季作物整个生长期,T1、T2、T3、T4 和 CK 处
理稻田的 CH4 排放量分别为 0郾 60、0郾 42、0郾 88、0郾 43
和 0郾 34 g·m-2,不同处理间的差异均达极显著水平
(P<0郾 01);各处理稻田的 CH4 排放量表现为 T3 >
T1>T4>T2(表 3).
冬季作物生长期,T1、T2、T3、T4 和 CK 处理稻田
的 N2O 排放量分别为 0郾 20、0郾 17、 0郾 23、 0郾 19 和
0郾 13 g·m-2,不同处理间的差异均达极显著水平
(P<0郾 01);各处理稻田的 N2O 排放量表现为 T3 >
T1>T4>T2(表 3).
表 3 摇 不同冬季覆盖作物下生长期稻田生态系统 CH4 和
N2O排放量
Tab. 3摇 CH4 and N2O emission from rice fields during whole
growth stage of different winter cover crops (mean依SE)
处 理
Treatment
排放量 Emission (g·m-2)
CH4 N2O
T1 0郾 60依0郾 02bB 0郾 20依0郾 00bB
T2 0郾 42依0郾 01cC 0郾 17依0郾 01cC
T3 0郾 88依0郾 03aA 0郾 23依0郾 01aA
T4 0郾 43依0郾 01cC 0郾 19依0郾 01bcBC
CK 0郾 34依0郾 01dD 0郾 13依0郾 00dD
同列不同大、小写字母分别表示差异达极显著(P<0郾 01)和显著水平
(P<0郾 05) Different capital and small letters in the same column meant
significant difference at 0郾 01 and 0郾 05 levels, respectively. 下同 The
same below.
2郾 4摇 水稻生长期稻田生态系统 CH4 和 N2O排放量
在早稻大田生育期,各处理稻田 CH4 总排放量
均显著高于 CK,稻田 CH4 排放量表现为 T1>T2>T3>
T4>CK(表 4). 可见不同冬季作物还田处理为早稻
生长提供了较好的土壤肥力和土壤物理结构,同时
也为土壤 CH4 的产生提供了更多的反应底物,使
CH4 排放量高于 CK.在晚稻大田生育期,T1、T2、T3、
T4 和 CK 处理稻田 CH4 总排放量分别为 38郾 41、
36郾 60、58郾 90、54郾 51 和 32郾 84 g·m-2,表现为 T3 >
T4>T1>T2>CK.
在早稻大田生育期,T1、T2、T3和T4处理的稻田
591312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 唐海明等: 不同冬季覆盖作物对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 4摇 冬季覆盖作物还田对水稻生长期稻田生态系统 CH4 和 N2O排放量的影响
Tab. 4摇 Effects of different winter cover crop on CH4 and N2O emission from rice fields during growth stages of early and
late rice (mean依SE, g·m-2)
作物
Crop
处 理
Treat鄄
ment
移栽鄄分蘖始期
Transplanting鄄
initial tillering
stage
分蘖始鄄分蘖盛期
Initial tillering
stage鄄full
tillering stage
分蘖盛鄄孕穗期
Full tillering
stage鄄boot
stage
孕穗鄄齐穗期
Boot stage鄄
complete panicle
stage
齐穗鄄成熟期
Complete panicle
stage鄄maturity
stage
总 和
Total
CH4 早稻 T1 3郾 33依0郾 10aA 12郾 97依0郾 37aA 2郾 82依0郾 08cA 1郾 66依0郾 05cA 0郾 93依0郾 03cA 21郾 70依0郾 63aA
Early rice T2 2郾 73依0郾 08bA 11郾 48依0郾 33bA 3郾 20依0郾 09bA 2郾 31依0郾 07bA 1郾 03依0郾 03cA 20郾 75依0郾 60abA
T3 2郾 21依0郾 06cA 10郾 49依0郾 30cA 3郾 56依0郾 10aA 2郾 57依0郾 07aA 1郾 73依0郾 05aA 20郾 56依0郾 59abA
T4 2郾 12依0郾 06cA 10郾 42依0郾 30cA 3郾 40依0郾 10abA 2郾 37依0郾 07bA 1郾 25依0郾 04bA 19郾 56依0郾 57bA
CK 1郾 19依0郾 03dA 4郾 61依0郾 13dA 2郾 59依0郾 08cA 1郾 33依0郾 04dA 0郾 77依0郾 02dA 10郾 48依0郾 30cB
晚稻 T1 12郾 29依0郾 36cA 21郾 11依0郾 61bA 2郾 05依0郾 06cA 1郾 42依0郾 04cA 1郾 54依0郾 04c 38郾 41依1郾 11cB
Late rice T2 11郾 54依0郾 33cdA 20郾 69依0郾 60bcA 1郾 84依0郾 05dA 1郾 12依0郾 03dA 1郾 41依0郾 04cdA 36郾 60依1郾 06cdB
T3 18郾 20依0郾 53aA 33郾 80依0郾 98aA 2郾 71依0郾 08aA 2郾 06依0郾 05aA 2郾 14依0郾 06aA 58郾 90依1郾 70aA
T4 16郾 28依0郾 47bA 32郾 61依0郾 94aA 2郾 24依0郾 07bA 1郾 67依0郾 05bA 1郾 71依0郾 05bA 54郾 51依1郾 57bA
CK 10郾 62依0郾 31dA 18郾 36依0郾 53cA 1郾 70依0郾 05dA 0郾 82依0郾 02eA 1郾 34依0郾 04dA 32郾 84依0郾 95dB
N2O 早稻 T1 0郾 014依0郾 001aA -0郾 011依0郾 000aA 0郾 044依0郾 001aA 0郾 012依0郾 000abA 0郾 005依0郾 000bA 0郾 063依0郾 002aA
Early rice T2 0郾 010依0郾 000bA -0郾 018依0郾 001dA 0郾 039依0郾 001bcA 0郾 011依0郾 000bcA 0郾 004依0郾 000bcA 0郾 046依0郾 001cBC
T3 0郾 011依0郾 000bA -0郾 014依0郾 000bA 0郾 044依0郾 001aA 0郾 012依0郾 000aA 0郾 006依0郾 000aA 0郾 060依0郾 002aA
T4 0郾 011依0郾 000bA -0郾 015依0郾 000cA 0郾 042依0郾 001abA 0郾 011依0郾 000bcA 0郾 004依0郾 000bcA 0郾 053依0郾 002bB
CK 0郾 009依0郾 000cA -0郾 020依0郾 001eA 0郾 037依0郾 001cA 0郾 010依0郾 000cA 0郾 004依0郾 000cA 0郾 041依0郾 001dC
晚稻 T1 0郾 015依0郾 000aA 0郾 021依0郾 0016aA 0郾 049依0郾 001abA 0郾 029依0郾 001bcA 0郾 021依0郾 001cA 0郾 135依0郾 004aA
Late rice T2 0郾 009依0郾 000cdA 0郾 010依0郾 000bA 0郾 048依0郾 001abA 0郾 027依0郾 001cdA 0郾 015依0郾 000dA 0郾 109依0郾 003bB
T3 0郾 010依0郾 000bA 0郾 020依0郾 001aA 0郾 052依0郾 002aA 0郾 032依0郾 001aA 0郾 026依0郾 001aA 0郾 141依0郾 004aA
T4 0郾 010依0郾 000bcA 0郾 019依0郾 001aA 0郾 050依0郾 001abA 0郾 031依0郾 001abA 0郾 024依0郾 001bA 0郾 134依0郾 004aA
CK 0郾 009依0郾 000dA 0郾 009依0郾 000bA 0郾 047依0郾 001bA 0郾 026依0郾 001dA 0郾 014依0郾 000dA 0郾 105依0郾 003bB
N2O总排放量分别比 CK 高 0郾 022、0郾 005、0郾 019 和
0郾 012 g·m-2,分别增加 53郾 7% 、12郾 2% 、46郾 3%和
29郾 3% .在晚稻大田生育期,各处理稻田 N2O 总排
放量均明显高于 CK,T1、T2、T3 和 T4 处理分别比 CK
高 0郾 030、0郾 004、0郾 036 和 0郾 029 g·m-2,分别增加
28郾 6% 、3郾 8% 、34郾 3%和 27郾 6% (表 4).
2郾 5摇 CH4 和 N2O综合温室效应分析
稻田 CH4 和 N2O产生和排放是不同耕作制度、
土壤特性、气候特征和田间管理措施等综合影响下
的产物.由表 5 可以看出,CH4 周年总排放量(冬季
作物生长期稻田排放量和早、晚稻田排放量之和)
表 5摇 不同种植模式下稻田 CH4 和 N2O排放的增温潜势
Tab. 5摇 GWPs of CH4 and N2O from rice field of different
cropping patterns
处 理
Treat鄄
ment
CH4排放量
CH4
emission
(g·m-2)
N2O排放量
N2O
emission
(g·m-2)
CH4
增温潜势
GWPs of
CH4(kg
CO2·hm-2)
N2O
增温潜势
GWPs of
N2O(kg
CO2·hm-2)
总增温潜势
GWPs of
CH4 and N2O
(kg CO2
·hm-2)
T1 60郾 71 0郾 39 15199郾 50 1173郾 68 16373郾 18
T2 57郾 76 0郾 33 14460郾 97 975郾 82 15436郾 79
T3 80郾 34 0郾 43 20112郾 37 1271郾 56 21383郾 93
T4 74郾 50 0郾 37 18652郾 08 1111郾 31 19763郾 39
CK 43郾 66 0郾 28 10931郾 03 833郾 48 11764郾 51
以 T3 和 T4 处理最高,T1 和 T2 处理次之;N2O周年总
排放量以 T3 和 T1 处理最高,分别为 0郾 43、0郾 39 g·
m-2,T4(0郾 37 g·m-2)和 T2(0郾 33 g·m-2)处理次之.
稻田生态系统 CH4 和 N2O 气体排放对全球变
暖具有重要影响,通常用增温潜势( global warming
potentials, GWPs,CO2 的 GWPs 为 1)来表示相同质
量的不同温室气体对温室效应增强的相对辐射效
应.对于 100 a时间尺度的气候变化,CH4 和 N2O气
体的 GWPs 分别为 25 和 298[17] . 本研究中 T3 处理
稻田 CH4 和 N2O 温室效应总和最大,为 21383郾 93
kg CO2·hm-2;T4 和 T1 处理次之,分别为 19763郾 39
和 16373郾 18 kg CO2 · hm-2; T2 处理最低, 为
15436郾 79 kg CO2·hm-2 .且稻田 CH4 对全球变暖的
贡献远大于 N2O.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 冬季作物生长期稻田 CH4 和 N2O排放通量的
动态
本研究结果表明,冬闲稻田的 N2O 排放通量在
测定前期维持在较低水平,12 月中旬后 N2O排放通
量明显升高;CH4 排放通量在晚稻收获后表现为负
排放或净吸收,这与刘惠等[11]的研究结果一致. 在
6913 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
冬季作物生长期,各处理稻田 CH4 平均排放通量和
总排放量均表现为翻耕移栽油菜>免耕直播黑麦草
>免耕直播油菜>免耕直播紫云英>冬闲,这可能与
不同冬季作物的生长及生理活动强弱有关.其中,翻
耕移栽油菜采取育苗移栽,移栽后植株能迅速恢复
生长,保持植株的旺盛生长,地下和地上部分代谢活
动较强,增加了稻田 CH4 的排放;在免耕直播黑麦
草的整个生长期,对其进行二次刈割,每次刈割后追
施氮肥,促进了地上部和地下部生长,使植株代谢较
强,呼吸旺盛;免耕直播油菜和免耕直播紫云英在生
长期内,植株长势弱于翻耕移栽油菜和免耕直播黑
麦草,但仍能进行正常的生理活动,也有部分 CH4
排放.翻耕移栽油菜、免耕直播黑麦草、免耕直播油
菜、免耕直播紫云英和冬闲田杂草的生物产量(地
下和地上部分的干质量总和)分别为 12768郾 45、
9535郾 50、6847郾 05、4479郾 0 和 563郾 70 kg·hm-2,与稻
田 CH4 排放顺序一致,这可能是造成各处理间 CH4
排放差异的主要原因.
土壤的 N2O 主要是由土壤微生物的硝化和反
硝化过程所产生. 作物种类不同,土壤 N2O 的排放
量也不同.陈书涛等[18]研究表明,作物类型显著影
响农田 N2O 排放,种植作物促进了农田生态系统
N2O的排放.李虎等[19]研究表明,耕作土壤比免耕
土壤能产生和排放更多的 N2O,采用免耕法的 N2O
排放量将减少 5郾 2% . 封克等[20]认为,机械搅动可
在短期内增加 N2O 的排放. 本研究中,不同处理稻
田 N2O平均排放通量和总排放量均表现为翻耕移
栽油菜>免耕直播黑麦草>免耕直播油菜>免耕直播
紫云英>冬闲,这可能与不同冬季作物植株的生长
及生物学特性有关.翻耕移栽油菜处理的 N2O 排放
量大于其他处理,这可能是由于翻耕改变了土壤结
构和通透性,促进了土壤硝化和反硝化过程,增加了
稻田 N2O排放.冬季作物生长后期,各处理稻田 N2O
排放通量均大于生长前期,这可能是由于气温逐渐增
加,有利于土壤微生物的活动、冬季作物根系和地上
部分生理活动的增强,从而促进了稻田 N2O排放,这
与 O爷Hara等[21]的研究结果一致.在本试验中,晚稻
收获后,水稻秸秆全部移至稻田外后种植冬季作物,
稻田冬闲期间无稻草覆盖,CH4 和 N2O 排放受秸秆
还田的影响较少,耕作措施和作物的生理活动是造成
各处理 CH4 和 N2O排放差异的主要原因.
3郾 2摇 冬季覆盖作物还田对稻田 CH4 和 N2O排放通
量的影响
稻田 CH4 排放受耕作制度、施肥方式和作物类
型等多种因素的影响,稻田长期施用化肥、翻压绿肥
和秸秆直接还田等加入有机质的耕作措施,为产甲
烷菌提供了极为丰富的生长条件和产甲烷基质,能
明显促进稻田 CH4 的排放[22-23] . 韩广轩等[24]研究
表明,水稻油菜轮作条件下,稻田 CH4 排放表现为
明显的季节变化,呈前低后高的变化趋势,CH4 排放
峰出现在水稻抽穗扬花期. 本试验中,早稻插秧后,
稻田 CH4 排放通量较低,随着翻压有机物的腐解及
水稻生长发育的加快,CH4 排放通量呈先增加后降
低的抛物线型变化趋势.各处理稻田的 CH4 平均排
放通量和总排放量均明显高于冬闲,这可能是不同
冬季作物还田后,由于大量新鲜冬季作物秸秆的加
入,为微生物活动提供了大量的碳源和能源,促进了
微生物生长,使土壤氧消耗加速,土壤氧化还原电位
(Eh)迅速下降. 另外,大量碳源的存在还为产甲烷
菌提供了充足的基质,能为土壤 CH4 的产生提供更
多的反应底物. 其中,在早稻生育期,各处理稻田
CH4 排放通量和排放量的顺序不同,这可能受还田
冬季作物秸秆类型及秸秆分解速率、还田量差异的
影响;各处理晚稻田 CH4 排放规律较一致,呈明显
的单峰型,主要集中在移栽后晒田前的一个月;不同
生育期稻田 CH4 排放集中于水稻分蘖期;在水稻生
育后期,则保持较低的 CH4 排放水平. 在水稻生长
中后期,稻田 CH4 排放较少的原因可能是,一方面
晒田期间田间土壤处于较强的氧化状态,产 CH4 菌
活性受损,复水后也没能很好地恢复,导致土壤中的
CH4 产生较少,而且产生的 CH4 又多被氧化;另一
方面,在水稻生长后期,水稻生理活动减弱,对 CH4
的传输能力下降,导致 CH4 排放较少. 在晚稻生育
期,早稻秸秆已部分还田(还田量均为 4694郾 0 kg·
hm-2),翻耕还田处理的稻草完全与土壤接触,处于
还原状态,还原产生较多的 CH4;同时,受不同还田
作物秸秆还田量及作物秸秆在晚稻生育期分解程度
的影响,各处理晚稻田 CH4 排放通量和排放量有所
差别.
稻田排放的 N2O 主要源于硝化和反硝化土壤
微生物的产生过程,前者是好氧过程,后者是厌氧过
程.农田 N2O排放既受土壤通气状况和温度、O2 供
给状况及反应底物浓度的制约,也受所施用的肥料
种类、田间水分管理、农作物品种和耕作制度等因素
的影响[25-26] .熊正琴等[27]研究表明,绿肥和化肥均
能显著促进稻田 N2O 的排放. 本研究结果表明,早
稻大田生育期,各处理稻田 N2O 排放变化规律基本
一致,稻田 N2O 排放高峰集中在晒田期;各处理稻
791312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 唐海明等: 不同冬季覆盖作物对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
田 N2O排放量均明显高于冬闲,这可能是由于不同
冬季作物还田后,在土壤中进行分解,发生化学反
应,能同时满足土壤微生物反应底物和能量的需要,
为土壤的硝化和反硝化过程提供了条件,促进了土
壤反硝化作用的进行,对稻田土壤 N2O 排放有极大
的促进效应,从而增加了 N2O 排放;同时,各处理稻
田 N2O排放通量和排放量的大小顺序不同,这可能
与各作物秸秆还田量及秸秆在水稻生育期分解速率
不同有关. 晚稻大田生育期,不同处理稻田的 N2O
排放量均明显高于冬闲,其原因在于,一方面不同冬
季作物还田后,早稻田土壤中的还田物质进行了大
部分分解,晚稻田土壤中的还田物质仍有部分分解
活动,从而影响土壤中硝化和反硝化作用的相对强
弱、N2O在土壤中的扩散速率及土壤有机质的分解
速率,进而影响产生 N2O 微生物的基质;另一方面,
早稻的秸秆部分还田加上翻耕处理,对土壤搅动程
度较大,促进了硝化和反硝化过程,从而促进了 N2O
排放.
3郾 3摇 冬季覆盖作物对综合温室效应的影响
本研究的各处理中,翻耕移栽油菜处理的 CH4
和 N2O综合温室效应最大,免耕直播油菜和免耕直
播黑麦草次之,免耕直播紫云英最低.考虑到既要提
高稻田全年综合生产能力和经济效益,又要减少稻
田温室气体的排放,建议在长江中下游双季稻区可
因地制宜地发展免耕直播油菜鄄双季稻、免耕直播黑
麦草鄄双季稻和免耕直播紫云英鄄双季稻. 本文仅针
对 4 种不同冬季覆盖作物处理稻田 CH4 和 N2O 的
温室效应总和进行了初步分析比较,未综合考虑当
地的实际生产情况,如果将不同冬季作物、水稻的生
物学和经济学产量等计算进去,尚需深入研究.
本文在相应肥水措施的条件下,针对 4 种不同
冬季覆盖作物对稻田 CH4 和 N2O 排放的影响进行
了初步探讨,尚需对影响稻田 CH4 和 N2O排放的相
关因素作进一步研究.
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作者简介 摇 唐海明,男,1980 年生,博士,助理研究员. 主要
从事耕作生态学和农作制度研究,发表论文 20 余篇.
E鄄mail: tanghaiming66@ 163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
991312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 唐海明等: 不同冬季覆盖作物对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇