全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(9): 16661675 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家“十一五”科技支撑计划项目(2008BAD95B02)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 肖小平, E-mail: hntfsxxping@163.com, Tel: 0731-84691345
Received(收稿日期): 2011-01-28; Accepted(接受日期): 2011-04-27; Published online(网络出版日期): 2011-06-28.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20110628.1007.007.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.01666
双季稻区冬季覆盖作物残茬还田对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响
唐海明 肖小平* 汤文光 杨光立
湖南省农业科学院土壤肥料研究所, 湖南长沙 410125
摘 要: 研究冬季不同覆盖作物还田后稻田的甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)排放特征, 对合理利用冬闲稻田, 发展冬
季覆盖作物, 以及科学评价不同种植模式具有重要意义。本研究采用静态箱-气相色谱法, 对冬季不同覆盖作物处理
(免耕直播黑麦草-双季稻、免耕直播紫云英-双季稻、翻耕移栽油菜-双季稻、翻耕稻草覆盖马铃薯-双季稻和冬闲-双
季稻)的稻田进行监测, 以分析不同覆盖作物残茬还田对稻田 CH4和 N2O排放的影响。结果表明, 冬季覆盖作物还田
后, 各处理早、晚稻田 CH4排放量均明显高于冬闲-双季稻(对照)。早稻田 CH4排放量最高的为翻耕稻草覆盖马铃薯-
双季稻和免耕直播黑麦草-双季稻, 分别达 20.713 g m2和 16.068 g m2; 晚稻田 CH4排放量最高的为翻耕稻草覆盖马
铃薯-双季稻和翻耕移栽油菜-双季稻, 分别为 60.421 g m2和 48.666 g m2。各处理早、晚稻田 N2O总排放量均显著
高于冬闲-双季稻, 免耕直播黑麦草-双季稻、免耕直播紫云英-双季稻、翻耕移栽油菜-双季稻和翻耕稻草覆盖马铃薯
-双季稻处理的早稻田 N2O 总排放量分别比对照增加 265.00%、320.00%、275.00%和 65.00%, 晚稻田分别比对照增
加 157.89%、113.16%、134.21%和 42.11%。稻田 CH4和 N2O 综合温室效应总和表现为翻耕稻草覆盖马铃薯-双季稻
>翻耕移栽油菜-双季稻>免耕直播黑麦草-双季稻>免耕直播紫云英-双季稻>冬闲-双季稻, 冬季覆盖作物还田明显提
高稻田 CH4和 N2O排放。
关键词: 冬季覆盖作物; 稻田; 双季稻; CH4; N2O
Effects of Straw Recycling of Winter Covering Crop on Methane and Nitrous
Oxide Emissions in Paddy Field
TANG Hai-Ming, XIAO Xiao-Ping*, TANG Wen-Guang, and YANG Guang-Li
Soil and Fertilizer Institute, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, China
Abstract: To learn the characteristics of CH4 and N2O emissions from paddy fields with different double rice cropping patterns
will significantly benefit the exploitation of winter fallow paddy with covering crops and the assessment of rice cropping patterns.
Therefore, the static chamber-GC technique with manual method was used to determine the effects of double rice cropping sys-
tems with different winter covering crops on the emissions of CH4 and N2O. These systems included ryegrass with no-tillage and
double rice cropping (T1), Chinese milk vetch with no-tillage and double rice cropping (T2), rape seed with tillage and double rice
cropping (T3), potato with straw mulching and tillage and double rice cropping (T4) and fallow and double rice cropping (CK).
The results showed that straw recycling of winter crops significantly increased the emissions of CH4 both during the early and
later rice growing seasons than the CK. The T4 and T1 treatments had the largest CH4 emissions during the early rice growing
season with 20.713 and 16.068 g m2, respectively, while the T4 and T3 treatments had the largest CH4 emission during the later
rice growing season with 60.421 and 48.666 g m2, respectively. The four treatments with winter covering crops also had larger
N2O emissions both during the early and later rice growing seasons than the CK. N2O emissions during the early rice growing
season under T1, T2, T3, and T4 treatments were increased by 265.00%, 320.00%, 275.00%, and 65.00%, and during the later rice
growing season by 157.89%, 113.16%, 134.21%, and 42.11%, respectively, compared with the CK. Meanwhile, the global warm-
ing potentials (GWPs) from paddy fields with different cropping patterns were T4>T3>T1>T2>CK. As a result, straw recycling of
winter covering crops will significantly increase the emissions of CH4 and N2O from paddy field under double rice cropping sys-
tems.
Keywords: Winter cover crop; Paddy field; Double rice cropping; CH4; N2O
第 9期 唐海明等: 双季稻区冬季覆盖作物残茬还田对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响 1667


大气中温室气体浓度的增加是导致全球变暖的
主要因素之一, 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
地球气候变化有重要影响[1]。CH4和 N2O 单位分子
的增温潜能分别是 CO2的 25 倍和 298倍[2], 其气体
浓度分别以每年约 1.0%和 0.2%~0.3%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。水稻生产过程中伴随着大量的 CH4和 N2O
等温室气体排放, 稻田在全球温室气体的预算中占
有重要份额[4]。因此, 稻田温室气体的排放特征及减
排措施是目前农田环境领域的研究热点。
全球稻田 CH4年总排放量达 30 Tg (20~40 Tg),
约占大气 CH4总来源的 8%~13% [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-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]。现有关于稻田 CH4和 N2O
排放的研究大多集中在不同的耕作制度、作物类型、
肥料种类、施肥方式、田间水分管理等方面[11-16], 但
对不同冬季覆盖作物还田后稻田 CH4和 N2O排放的
系统研究迄今未见报道。稻田冬季作物覆盖不仅有
利于提高土壤质量、土壤养分利用和作物产量, 而
且可以减少土壤侵蚀和化学径流 , 抑制杂草生长 ,
生态效应显著[17-18]。稻田冬季作物覆盖, 可以充分
利用冬春季光热资源, 增加单位面积生物产量和土
壤有机碳, 增加碳氮蓄积, 保障粮油作物生产安全。
但稻田冬季作物覆盖后, 将可能增加稻田有机物的
投入, 从而影响稻田温室气体的排放。为了科学评
价稻田冬季作物覆盖的生态效应, 本文以冬闲-双季
稻为对照, 初步探讨了 4 种冬季覆盖作物还田后稻
田的 CH4和 N2O 排放特征, 旨在为合理开发利用冬
闲稻田资源提供决策依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地点位于湖南省长沙县干杉乡(28°08′18″N,
113°12′0″E), 海拔 42 m。试验土壤为第四纪红壤母
质发育的红黄泥。试验由 2008 年 10 月开始, 试验
前耕层土壤含有机质 33.9 g kg 1、全氮 2.02 g kg1、
全磷 0.64 g kg 1、全钾 9.2 g kg 1、碱解氮 172.0 mg
kg 1、有效磷 84.0 mg kg 1、速效钾 87.0 mg kg 1 ,
pH 5.4。试验区属亚热带季风性湿润气候, 年均气温
17.1℃, 年均降水量1 500 mm, ≥10℃活动积温5 300~
6 500℃, 无霜期 270~310 d。水稻生长季日降水和平
均气温情况见图 1。
1.2 试验设计及田间管理
设冬闲-双季稻(CK)、免耕直播黑麦草-双季稻
(T1)、免耕直播紫云英-双季稻(T2)、翻耕移栽油菜-
双季稻(T3)和翻耕稻草覆盖马铃薯-双季稻(T4) 5 个
处理, 每处理 3 次重复, 随机区组排列, 小区面积
24.2 m2。小区四周加设保护行, 小区间采用完全阻
渗处理。即在小区四周和田埂用塑料膜(厚 0.06 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”, 紫云英供试品种为“宁波大桥”, 油菜供试品种
为“湘杂油 7号”。冬季作物播种和移栽前, 基肥均施
氮 75 kg hm2和 P2O5 45 kg hm2。早稻供试品种为
“株两优 211”, 晚稻供试品种为“丰源优 299”。冬季
作物还田量和水稻具体的肥料用量及田间管理措施
见表 1和表 2。
1.3 气样采集与测定
用静态暗箱-气相色谱法采集 CH4和 N2O气体。
在 2009年 5月~2010年 10月进行田间监测, 采样箱
由 5 mm厚 PVC板制成, 规格为 50 cm×50 cm×120
cm, 外部包有海绵和锡箔纸, 以防止太阳照射导致
箱内气温变化过大。分别在早稻和晚稻移栽后, 于
各处理稻田安装静态箱底座, 底座入土 5 cm, 底座
内分别含生长的水稻植株。分别在早稻和晚稻移栽
后的第 2天开始采集气体, 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
气不交换气体。箱盖上装有 2个 12 V小风扇, 采样
前将箱内顶部风扇打开, 使箱内气体混合均匀。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 0.5 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℃和 330℃。分离材料为 PQ填充柱, 柱
温 55℃。标准气体由国家标准物质中心提供。
1.4 数据处理
稻田CH4 (mg m2 h1)和N2O (μg m2 h1)排放通
量的计算公式如下[19]:
F = ρh[273/(273+T)] dC/dt (1)
1668 作 物 学 报 第 37卷



图 1 研究区水稻生长季日降水量和平均气温变化特征
Fig. 1 Characteristics of precipitation and daily mean temperature during rice growing seasons in the study area

表 1 稻田田间管理措施
Table 1 Management practices of different cropping systems
作物
Crop
日期(月/日)
Date (month/day)
田间管理措施
Field management practices
4/23 冬季作物翻压(冬闲田杂草、黑麦草和紫云英还田量分别为 694、22 500和 22 500 kg hm2)
4/30 油菜收获后, 部分秸秆直接翻压还田(还田量为 7 500.0 kg hm2)
冬季作物
Winter crop
5/3 马铃薯收获后, 部分秸秆和稻草直接翻压还田(还田量分别为 6 000和 15 000 kg hm2)
4/18 播种育苗
5/9 翻耕
5/11 移栽(20 cm×30 cm)
5/18 追施提苗肥(尿素 150 kg hm2)
6/3–6/10 晒田
6/11–7/17 复水, 干湿交替灌溉
早稻
Early rice
7/22 收获
7/2 播种育苗
7/23 翻耕(早稻秸秆还田量均为 4 500 kg hm2)
7/24 移栽(20 cm×30 cm)
7/31 追施提苗肥(尿素 192 kg hm2)
8/22–9/5 晒田
9/6–10/24 复水, 干湿交替灌溉
晚稻
Late rice
10/29 收获
第 9期 唐海明等: 双季稻区冬季覆盖作物残茬还田对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响 1669


表 2 不同处理早稻和晚稻的肥料施用量
Table 2 Amount of applied fertilizer of different treatments in early and late rice
早稻 Early rice 晚稻 Late rice
处理
Treatment
冬季作物养分含量
Nutrient content of different
winter covering crops (kg hm2)
补施肥料用量
Applying amount of fertilizer
(kg hm2)
总肥料用量
Total amount of applied
fertilizer (kg hm2)
总肥料用量
Total amount of applied
fertilizer (kg hm2)
T1 N,33.4; P2O5,3.4; K2O,39.1 N,191.6; P2O5,41.6; K2O,73.4 N,225; P2O5,45; K2O,112.5 N,288; P2O5,45; K2O,112.5
T2 N,33.65; P2O5,3.35; K2O,39.6 N,191.35; P2O5,41.65; K2O,72.9 N,225; P2O5,45; K2O,112.5 N,288; P2O5,45; K2O,112.5
T3 N,19.88; P2O5,2.92; K2O,35.7 N,205.12; P2O5,42.08; K2O,76.8 N,225; P2O5,45; K2O,112.5 N,288; P2O5,45; K2O,112.5
T4 N,47.74; P2O5,5.15; K2O,37.1 N,177.26; P2O5,39.85; K2O,75.4 N,225; P2O5,45; K2O,112.5 N,288; P2O5,45; K2O,112.5
CK N,8.32; P2O5,1.21; K2O,14.96 N,216.68; P2O5,43.79; K2O,97.54 N,225; P2O5,45; K2O,112.5 N,288; P2O5,45; K2O,112.5
T1: 免耕直播黑麦草-双季稻; T2: 免耕直播紫云英-双季稻; T3: 翻耕移栽油菜-双季稻; T4: 翻耕稻草覆盖马铃薯-双季稻; CK: 冬
闲-双季稻。
T1: ryegrass with no-tillage and double rice cropping; T2: Chinese milk vetch with no-tillage and double rice cropping; T3: rape seed with tillage
and double rice cropping; T4: potato with straw mulching and tillage and double rice cropping; CK: fallow and double rice cropping.

式中 F 为排放通量; ρ 为 CH4和 N2O 标准状态下的
密度(0.714 kg m3和 1.964 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( )℃ 。
根据气样浓度与时间的关系曲线计算 CH4 和
N2O的排放通量[20]及水稻整个生长期 CH4和 N2O的
排放总量 [21](平均通量值与水稻整个生长期总小时
数的乘积), 后者是水稻各生育期排放量的总和。
文中所用数据为 2009年与 2010年数据平均值,
用 Microsoft Excel 软件处理试验数据和制图 , 用
DPS软件进行试验数据的方差分析。
2 结果与分析
2.1 早稻田 CH4和 N2O排放特征
2.1.1 早稻田 CH4排放特征 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 排放通量呈现先增加后降低的
抛物线变化趋势(图 2)。各处理在插秧后第 16 天出
现第 1 个 CH4排放高峰值, 此峰来自翻压有机物的
腐解和水稻旺盛的生长; 各处理在插秧后第 35天出
现第 2 个排放峰值, 这可能是随着气温的升高, 各
翻压有机物继续分解。在水稻生长前期, 稻田 CH4
排放通量为 T4>T1>T2>T3>CK; 在水稻移栽 30 d 以
后, 表现为 T4>T3>T1>T2>CK。
2.1.2 早稻田 N2O排放特征 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, 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 6 d出现了一个N2O排放峰, 随后降低; 早稻
插秧至晒田, 稻田 N2O 排放通量表现为 T2>T1>T3>
T4>CK。晒田开始后, 各处理均出现最大的 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 23 d)。此后, 各处理 N2O排放通量持续
偏低, 晒田复水后表现为 T3>T1>T2>T4>CK (图 2)。
2.2 晚稻田 CH4和 N2O排放特征
2.2.1 晚稻田 CH4 排放特征 由图 3 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, 在插秧后第 16天出现排放峰值; 第 29天后落水
晒田, 则保持较低的排放水平至收获。在晚稻大田
生育期, 稻田 CH4 排放通量表现为 T4>T3>T1>T2>
CK。
2.2.2 晚稻田 N2O排放特征 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
(图 3)。晚稻施基肥和移栽后, 稻田 N2O排放通量表
现为 T1>T2>T3>T4>CK; 晒田复水后为 T3>T1>T2>
T4>CK。在晚稻大田生育期, T1、T2、T3、T4和冬闲
处理稻田的 N2O 平均排放通量分别为 80.477、
65.595、71.167、43.479和 30.652 μg m2 h1。
2.3 水稻生长季 CH4和 N2O排放量
在早稻大田生育期, 各处理稻田 CH4 总排放量
均显著高于对照, 稻田 CH4 排放量表现为 T4>T1>
T2>T3>CK (表 3)。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排放量高于对照。在晚稻大田生育期, T1、T2、
1670 作 物 学 报 第 37卷



图 2 冬季覆盖作物还田对早稻田 CH4和 N2O排放通量的影响
Fig. 2 Effects of different winter cover crops on CH4 and N2O flux in early rice fields
T1: 免耕直播黑麦草-双季稻; T2: 免耕直播紫云英-双季稻; T3: 翻耕移栽油菜-双季稻; T4: 翻耕稻草覆盖马铃薯-双季稻; CK: 冬闲-双季稻。
T1: ryegrass with no-tillage and double rice cropping; T2: Chinese milk vetch with no-tillage and double rice cropping; T3: rape seed with
tillage and double rice cropping; T4: potato with straw mulching and tillage and double rice cropping; CK: fallow and double rice cropping.

T3、T4和冬闲处理稻田 CH4总排放量分别为 34.545、
30.787、48.666、60.421和 27.403 g m2, 表现为 T4>
T3>T1>T2>CK。
在早稻大田生育期, T1、T2、T3和 T4处理的稻
田 N2O总排放量分别比对照高 0.053、0.064、0.055
和 0.013 g m2, 分别增加 265.00%、320.00%、
275.00%和 65.00%。在晚稻大田生育期, 各处理稻田
N2O总排放量均明显高于对照, T1、T2、T3和 T4处理
分别比对照高 0.120、0.086、0.102和 0.032 g m2, 分
别增加 157.89%、113.16%、134.21%和 42.11% (表 4)。
2.4 稻田 CH4和 N2O排放的增温潜势比较
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
的结果。由表 5可以看出, CH4在水稻生长期总排放
量(早、晚稻田排放量之和)以 T4和 T3处理最高, T1
和 T2 处理次之; 水稻生长期稻田 N2O 总排放量以
T1和 T3处理最高, 分别为 0.269、0.253 g m2, T2
(0.246 g m2)和 T4 (0.141 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 (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 年时间尺度的
气候变化, CH4和 N2O 气体的 GWPs 分别为 25 和
298[2]。本研究中 T4处理稻田 CH4和 N2O 温室效应
总和最大, 为 20 732.67 kg CO2 hm2; T3和 T1处理次
之, 分别为 16 266.44和 13 473.70 kg CO2 hm2; T2
处理最低, 为 11 890.96 kg CO2 hm2 (表 5)。且稻田
CH4对全球变暖的贡献远大于 N2O。
3 讨论
稻田 CH4和 N2O排放受耕作制度、作物类型、
肥料种类、施肥方式和田间水分管理等多种因素的
第 9期 唐海明等: 双季稻区冬季覆盖作物残茬还田对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响 1671




图 3 冬季覆盖作物还田对晚稻田 CH4和 N2O排放通量的影响
Fig. 3 Effects of different winter cover crops on CH4 and N2O flux in late rice fields
T1: 免耕直播黑麦草-双季稻; T2: 免耕直播紫云英-双季稻; T3: 翻耕移栽油菜-双季稻; T4: 翻耕稻草覆盖马铃薯-双季稻; CK: 冬闲-双季稻。
T1: ryegrass with no-tillage and double rice cropping; T2: Chinese milk vetch with no-tillage and double rice cropping; T3: rape seed with
tillage and double rice cropping; T4: potato with straw mulching and tillage and double rice cropping; CK: fallow and double rice cropping.

表 3 冬季覆盖作物还田对水稻生长期稻田生态系统 CH4排放量的影响
Table 3 Effects of different winter cover croping on CH4 emission from rice fields during whole growth stages of early and late rice (g m2)
处理
Treatment
移栽–分蘖始期
Transplanting–
Initial tillering stage
分蘖始期–分蘖盛期
Initial tillering
stage–Full tillering
stage
分蘖盛期–孕穗期
Full tillering
stage–Boot stage
孕穗期–齐穗期
Boot stage–
Complete panicle
stage
齐穗期–成熟期
Complete panicle
stage–Maturity
stage
总和
Total
早稻 Early rice
T1 1.959±0.047 bB 7.617±0.189 bB 2.768±0.071 bB 2.093±0.074 cC 1.631±0.060 cC 16.068±0.398 bB
T2 1.643±0.033 cC 6.554±0.144 cC 2.473±0.099 cB 1.812±0.085 dC 1.296±0.073 dD 13.778±0.384 cC
T3 1.134±0.067 dD 4.981±0.274 dD 2.551±0.074 bcB 2.552±0.052 bB 2.075±0.037 bB 13.293±0.598 cC
T4 2.332±0.057 aA 9.490±0.220 aA 3.425±0.080 aA 2.933±0.060 aA 2.533±0.047 aA 20.713±0.464 aA
CK 0.676±0.020 eE 2.998±0.087 eE 1.706±0.049 dC 1.509±0.044 eD 1.049±0.030 eE 7.938±0.229 dD
晚稻 Late rice
T1 3.901±0.160 cC 26.403±1.079 cC 2.209±0.080 cC 0.920±0.042 cC 1.112±0.043 cC 34.545±1.405 cC
T2 3.417±0.208 dCD 23.566±1.326 cdCD 2.022±0.097 cdCD 0.759±0.053 dD 1.023±0.061 cCD 30.787±1.744 cdCD
T3 5.545±0.099 bB 37.384±0.680 bB 2.777±0.058 bB 1.457±0.022 bB 1.503±0.030 bB 48.666±0.889 bB
T4 7.193±0.113 aA 45.924±0.762 aA 3.370±0.064 aA 1.834±0.027 aA 2.100±0.032 aA 60.421±0.997 aA
CK 2.920±0.084 eD 21.226±0.613 dD 1.814±0.052 dD 0.556±0.016 eE 0.887±0.026 dD 27.403±0.791 dD
T1: 免耕直播黑麦草-双季稻; T2: 免耕直播紫云英-双季稻; T3: 翻耕移栽油菜-双季稻; T4: 翻耕稻草覆盖马铃薯-双季稻; CK: 冬
闲-双季稻。结果表示为平均值±标准误。同列不同大、小写字母分别表示其所标数值差异达极显著(P<0.01)和显著水平(P<0.05)。
T1: ryegrass with no-tillage and double rice cropping; T2: Chinese milk vetch with no-tillage and double rice cropping; T3: rape seed
with tillage and double rice cropping; T4: potato with straw mulching and tillage and double rice cropping; CK: fallow and double rice crop-
ping. Results stand for means ± standard errors. Valued followed by different capital and small letters within the same column are significantly
different at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.
1672 作 物 学 报 第 37卷

表 4 不同冬季覆盖作物还田对水稻生长期稻田生态系统 N2O排放量的影响
Table 4 Effects of different winter cover croping on N2O emission from rice fields during whole growth stages of early and late rice (g m2)
处理
Treatment
移栽–分蘖始期
Transplanting–
Initial tillering stage
分蘖始期–分蘖盛期
Initial tillering stage–
Full tillering stage
分蘖盛期–孕穗期
Full tillering stage–
Boot stage
孕穗期–齐穗期
Boot stage–
Complete panicle
stage
齐穗期–成熟期
Complete panicle
stage–Maturity stage
总和
Total
早稻 Early rice
T1 0.014±0.001 bB 0.005±0.000 cB 0.032±0.001 bB 0.011±0.000 bB 0.011±0.000 bB 0.073±0.002 bB
T2 0.018±0.000 aA 0.011±0.000 aA 0.037±0.001 aA 0.008±0.000 cC 0.010±0.000 cB 0.084±0.002 aA
T3 0.011±0.000 cC 0.006±0.000 bB 0.029±0.001 cB 0.015±0.000 aA 0.014±0.000 aA 0.075±0.002 bB
T4 0.007±0.000 dD –0.006±0.000 dC 0.021±0.001 dC 0.005±0.000 dD 0.006±0.000 dC 0.033±0.001 cC
CK 0.005±0.000 eE –0.010±0.000 eD 0.019±0.001 dC 0.003±0.000 eE 0.003±0.000 eD 0.020±0.001 dD
晚稻 Late rice
T1 0.017±0.001 aA 0.039±0.001 aA 0.062±0.002 aA 0.034±0.001 aAB 0.044±0.001 bB 0.196±0.006 aA
T2 0.014±0.000 bB 0.029±0.001 bB 0.056±0.002 bAB 0.031±0.001 bB 0.032±0.001 cC 0.162±0.005 cB
T3 0.012±0.000 cC 0.020±0.001 cC 0.050±0.001 cB 0.035±0.001 aA 0.061±0.001 aA 0.178±0.005 bAB
T4 0.010±0.000 dD 0.009±0.000 dD 0.042±0.001 dC 0.025±0.001 cC 0.022±0.001 dD 0.108±0.003 dC
CK 0.006±0.000 eE 0.002±0.000 eE 0.037±0.000 eC 0.020±0.001 dD 0.011±0.000 eE 0.076±0.002 eD
T1: 免耕直播黑麦草-双季稻; T2: 免耕直播紫云英-双季稻; T3: 翻耕移栽油菜-双季稻; T4: 翻耕稻草覆盖马铃薯-双季稻; CK: 冬
闲-双季稻。结果表示为平均值±标准误。同列不同大、小写字母分别表示其所标数值差异达极显著(P<0.01)和显著水平(P<0.05)。
T1: ryegrass with no-tillage and double rice cropping; T2: Chinese milk vetch with no-tillage and double rice cropping; T3: rape seed
with tillage and double rice cropping; T4: potato with straw mulching and tillage and double rice cropping; CK: fallow and double rice crop-
ping. Results stand for means ± standard errors. Valued followed by different capital and small letters within the same column are significantly
different at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

表 5 不同种植模式下稻田 CH4和 N2O排放的温室效应
Table 5 GWPs of CH4 and N2O from rice field of different cropping patterns
处理
Treatment
CH4排放量
CH4 emission
(g m2)
N2O排放量
N2O emission
(g m2)
CH4温室效应
GWPs of CH4
(kg CO2 hm2)
N2O温室效应
GWPs of N2O
(kg CO2 hm2)
总温室效应
GWPs of CH4 and N2O
(kg CO2 hm2)
T1 50.613 0.269 12670.96 802.74 13473.70
T2 44.565 0.246 11156.85 734.11 11890.96
T3 61.959 0.253 15511.44 755.00 16266.44
T4 81.134 0.141 20311.90 420.77 20732.67
CK 35.341 0.096 8847.62 286.48 9134.10
T1: 免耕直播黑麦草-双季稻; T2: 免耕直播紫云英-双季稻; T3: 翻耕移栽油菜-双季稻; T4: 翻耕稻草覆盖马铃薯-双季稻; CK: 冬
闲-双季稻。GWPs: 增温潜势。
T1: ryegrass with no-tillage and double rice cropping; T2: Chinese milk vetch with no-tillage and double rice cropping; T3: rape seed
with tillage and double rice cropping; T4: potato with straw mulching and tillage and double rice cropping; CK: fallow and double rice crop-
ping. GWPs: global warming potentials.

影响[11,13,22-23]。韩广轩等[24]研究表明, 水稻油菜轮作
条件下, 稻田 CH4 排放具明显的季节变化, 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 CH4排放通量, 早稻插秧后较低, 随着
翻压有机物的腐解及水稻生长发育的加快, 呈先增
加后降低的抛物线型变化趋势。蔡祖聪等[25]的研究
结果表明, 在间歇灌溉条件下, 随着土壤氧化还原
电位(Eh)的下降, 稻田 CH4排放通量极显著地增加。
刘金剑等[13]结果表明, 晚稻田 CH4排放的季节变化
和土壤 Eh呈显著负相关。在本研究中, 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,
这与胡立峰等[26]的研究结果相一致, 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 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还田
量、秸秆类型及秸秆分解速率差异的影响[27]; 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
第 9期 唐海明等: 双季稻区冬季覆盖作物残茬还田对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响 1673


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 排放较少的可能原因, 一方面是晒田期间田
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, 且产生的 CH4 又多被氧
化; 另一方面是在水稻生长后期, 水稻生理活动减
弱, 对 CH4的传输能力下降[19]。稻田 CH4氧化率受
耕种方式的影响, 采用耕作强度低的少耕或免耕的
管理方法, 可增加土壤 CH4氧化能力, 减少 CH4排
放[13,28]。秸秆还田是为了保持土壤肥力和保护环境,
但秸秆还田显著促进 CH4排放。蒋静艳等[29]研究结
果表明, 在连续淹水条件下, CH4排放量与秸秆施用
量成正比, N2O排放与秸秆施用量成反比。在晚稻生
育期, 早稻秸秆已部分还田(还田量均为 4 500 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, 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 N2O的产生和排放与水分、氧气、温度、
有机质含量、pH 等因素有关[22-23,27,29]。选择合适的
耕种方法是减少 N2O 释放量的重要途径, 有研究表
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N2O排放量将减少 5.2% [30]。熊正琴等[31]
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; 各处理稻田 N2O 排放量均明显高于冬
闲, 这可能是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。各处理稻田 N2O
排放通量和排放量的大小顺序不同, 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, 早稻田土壤中大部分被分解, 晚稻田土
壤中仍有部分分解活动, 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
其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。
全球增温潜势(GWP)作为一种相对的指标常用
来估计不同温室气体对气候系统的潜在效应。袁伟
玲等[32]认为间歇灌溉能有效地抑制稻田温室气体的
排放并显著地降低 CH4和 N2O的总温室效应。展茗
等[33]研究结果表明, 稻田养鸭能显著减少甲烷排放,
降低增温潜势。本研究的各处理中, 翻耕稻草覆盖
马铃薯-双季稻处理的 CH4和 N2O 综合温室效应最
大, 翻耕移栽油菜-双季稻和免耕直播黑麦草-双季
稻次之, 免耕直播紫云英-双季稻最低。在考虑稻田
CH4和 N2O 排放综合温室效应的同时, 综合考虑其
生产效益是十分必要的, 持续农业的发展要求环境
效益与生产效益的和谐统一[34]。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紫云英-双季稻和免耕直播黑
麦草-双季稻。本文仅针对 4种不同冬季覆盖作物还
田后对稻田 CH4和 N2O的温室效应总和进行了初步
分析比较 , 不同冬季作物还田后对土壤微生物活
动、水稻的生物学和经济学产量等方面的影响, 以及
影响稻田 CH4和 N2O排放的相关因素尚需深入研究。
4 结论
不同冬季覆盖作物还田后对稻田 CH4和 N2O排
放具有明显的促进作用。在水稻(早稻和晚稻)生长期,
稻田 CH4 总排放量表现为翻耕稻草覆盖马铃薯-双
季稻>翻耕移栽油菜-双季稻>免耕直播黑麦草-双季
稻>免耕直播紫云英-双季稻>冬闲-双季稻。稻田 N2O
总排放量表现为免耕直播黑麦草-双季稻>翻耕移栽
油菜-双季稻>免耕直播紫云英-双季稻>翻耕稻草覆
盖马铃薯-双季稻>冬闲-双季稻。
不同的还田冬季作物种类与其对稻田综合温室
效应的影响关系密切。翻耕稻草覆盖马铃薯-双季稻
处理的 CH4和 N2O 综合温室效应最大, 翻耕移栽油
菜-双季稻和免耕直播黑麦草-双季稻处理次之, 免
耕直播紫云英-双季稻处理最低。
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