雙季稻減排增收的水氮優化管理模式篩選

李如楠，李玉娥，王 斌，萬運帆，李健陵，馬 娉，翁士梅，秦曉波，高清竹

雙季稻減排增收的水氮優化管理模式篩選

李如楠1,2，李玉娥1※，王 斌1，萬運帆1，李健陵1，馬 娉1，翁士梅3，秦曉波1，高清竹1

（1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2.丹東市氣象局，丹東 118000； 3.華東師范大學生態與環境科學學院，上海 200241）

為篩選出“低投入-低排放-高收益”的稻田水氮管理模式，該研究以漢江平原雙季稻為研究對象，設計4 種氮肥管理方式：1）普通尿素；2）樹脂包膜控釋尿素；3）普通尿素減氮20%；4）控釋尿素減氮20%，和2 種水分管理方式：1）常規灌溉；2）薄淺濕曬節水灌溉。采用靜態箱-氣相色譜法測定甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）的排放量，應用生命周期法（Life Cycle Assessment,LCA）計算水稻生產碳足跡，基于成本收益核算分析單位水稻產量和單位凈收益的碳排放強度。結果表明，控釋尿素能有效提高雙季稻產量，節水灌溉和減氮20%能節約投入成本，對雙季稻產量存在一定負效應，但差異不顯著。相比普通尿素和常規灌溉，不同水氮優化處理可不同程度降低水稻生產的碳足跡和排放強度，并有助于提高收益。其中節水灌溉搭配控釋尿素減氮的綜合減排效果最好，早、晚稻總減排量分別為45.8%和42.5%（P＜0.05），同時全年凈利潤最高，達14 340 元/hm2。因此，節水灌溉、控釋尿素同時減氮20%的組合技術可實現稻田節本減排增收。

溫室氣體；氮肥；水氮管理；生命周期評價（LCA）；碳足跡；成本收益；雙季稻

0 引 言

水稻是重要的糧食作物之一，全球一半以上人口以水稻為營養來源[1]，而水稻種植是農業溫室氣體（CH4和N2O）的重要排放源[2-3]。中國是全球最大的水稻生產國和消費國，水稻種植面積約占世界的19%[4]。中國農業CH4排放占全國CH4總排放量的40.2%，而稻田CH4排放占全國農業CH4總排放量的40.1%[5]；稻田N2O 的直接排放量約為3.57 萬t/a，約占全國農田N2O 總排放量的11.4%[6]。因此，在保證產量的前提下，開發低碳水稻生產技術，降低水稻生產過程中的溫室氣體（CH4和N2O）排放，對減少中國農業源溫室氣體排放和農業清潔生產具有重要意義。

水分和氮素管理是影響水稻產量和溫室氣體排放的重要因素[7-8]。近年來，節水灌溉、高效氮肥和減氮施肥在水稻低碳清潔生產中越發被重視，也是政府大力提倡推廣的技術。薄淺濕曬節水灌溉作為一種新型水分管理模式已發展成熟且在中國逐漸推廣使用[9]。董艷芳等[10]研究表明，節水灌溉能進一步減少稻田灌溉用水量，提高水分利用率，同時有效減少CH4排放，但會導致N2O排放量大量增加。不同水氮管理模式對水稻產量的影響也存在差異[11-14]：Lahue 等[11]研究表明，在施氮量相同的情況下，節水灌溉能保持水稻產量；Linquist 等[14]研究則表示，嚴重的節水灌溉對水稻產量會產生不利影響。在高氮肥投入背景下，適度減少稻田施氮量有助于提高氮素利用率，并減少N2O 排放，但是否能維持高產，不同試驗研究結果不一致[15-19]：劉立軍等[15]研究表明，減少30%氮肥投入，能有效提升氮素利用率，并能保持產量；蘇榮瑞等[18]的試驗結果則表明，相比于低氮和中氮處理，高氮處理的水稻產量最高。控釋尿素作為國家重點推廣的高效肥料之一，具有氮素利用率高、增產效果明顯和環境友好等優點[20-21]。稻田施用控釋尿素能同時減少CH4和N2O 排放，并促進產量增長[22-26]。但相比普通尿素，控釋尿素價格偏高，投入較大，水稻減量施用控釋尿素的情況下是否能達到減排和增產的效果，并保證經濟收益，仍有待探究。

目前，多數研究在單一變量和雙變量條件下設計試驗，較少將稻田溫室氣體排放與投入產出進行綜合比較book=106,ebook=2分析。郭晨等[27]設計了控釋尿素、常量普通尿素和減量普通尿素對稻田CH4和N2O 排放量影響的對比試驗；王孟雪等[8]設計了不同灌溉模式和不同氮肥種類對稻田CH4和N2O 排放量影響的單一試驗和對比試驗。但節水灌溉、控釋尿素和減量施氮的組合技術是否能有效減少碳排放，降低成本投入，提高農戶經濟收入，仍需進一步論證。因此，本研究基于大田試驗，設計了6 種水氮管理模式，綜合評估薄淺濕曬節水灌溉、樹脂包膜控釋尿素和減氮20%的不同水氮組合對雙季稻種植碳排放的影響，并采用經濟成本分析篩選出“低投入-低排放-高收益”的水氮管理措施，以期為水稻低碳清潔生產技術提供試驗支撐和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年4－11月在湖北省荊州市荊州區農業氣象站（30°21′N，112°09′E）進行。試驗地位于漢江平原腹地，屬亞熱帶季風性氣候，雨熱同季。水稻種植期間（2017年5月5日－10月26日）平均氣溫24.6 ℃，降水量734.9 mm，日照時數951.2 h。試驗種植區土壤類型為內陸河湖交替沉積形成的水稻土，質地為粉質中壤土。試驗田土壤基本理化性質為：土壤pH 值7.7，有機碳11.14 g/kg，全氮1.37 g/kg，速效磷15.38 mg/kg，速效鉀62.51 mg/kg，容重1.44 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗采用4 種氮肥管理方式：1）普通尿素（N≥46%），U；2）樹脂包膜控釋尿素（N≥42%），CRU，養分釋放周期為90 d；3）普通尿素減氮20%，US；4）樹脂包膜控釋尿素減氮20%，CRUS。采用2 種水分管理方式：1）常規灌溉，CI；2）薄淺濕曬節水灌溉，SWD。常規灌溉為間歇性灌溉模式，薄淺濕曬節水灌溉是在此基礎上，根據水稻不同生長階段實際需水量的差異進行水分管理。2 種水分管理方式在各生育期的灌溉標準詳見表1。

表1 2 種灌溉方式在水稻不同生育期田間水分管理標準 Table 1 Water management standards of two irrigation in different growth periods of rice mm

試驗設置6 個不同處理組合：1）U+CI，作為對照；2）U+SWD；3）US+SWD；4）CRU+CI；5）CRU+SWD；6）CRUS+SWD，各處理3 次重復，共18 小區，采用單因素隨機區組排列。由于試驗場地限制，并未設計US+CI和CRUS+CI 2 個處理。常量氮肥處理（U+CI，U+SWD，CRU+CI，CRU+SWD）總施氮量（以純氮計）早、晚稻均為180 kg/hm2，減氮20%處理（US+SWD，CRUS+SWD）總施氮量早、晚稻為144 kg/hm2。尿素分3 次施用，水稻移栽前施基肥，分蘗期和抽穗期各追肥一次，3 次施肥比例為2:1:1；控釋尿素由于養分釋放具有長效性，因此只施基肥和分蘗肥，2 次施肥比例為2:1。磷肥（以P2O5計）用量均為60 kg/hm2，作為基肥全部施入；鉀肥（以K2O計）用量均為90 kg/hm2，基肥、分蘗肥和穗肥按比例2:1:3施入。

早稻品種為兩優287，晚稻為T 優118，采購于湖北種子集團公司，為當地主推品種，移栽密度為21 萬穴/hm2，每穴2 或3 株。早稻于2017年5月5日移栽，7月19日收割；晚稻于7月24日移栽，10月26日收割。各個小區長6 m，寬4.5 m，小區間以寬30 cm，高20 cm 的田埂分隔，并覆蓋尼龍膜，保證水肥互不干擾。每個進水管處安裝數字電控水表，灌溉時刷不同水量水卡，各小區皆可單獨灌溉和排水。各個小區除水肥管理外，其余田間管理全部依照當地的耕作習慣進行。

1.3 CH4 和N2O 的采集與計算

稻田CH4和N2O 采用靜態箱-氣相色譜法進行采集和測定。靜態箱為可自動采氣的明箱，主體材料為透明聚碳酸酯板，由中樞控制箱門開關并自動采氣，采樣頻率為曬田前間隔1 或2 d，曬田期間隔1 d，曬田后間隔2或3 d。采氣時間于上午9:00－11:00 之間進行。具體自動箱結構、自動采氣方法以及氣相色譜儀測試方法與王斌等[28]相同。成熟測產時，在每個試驗小區選取長、寬均1m 的正方形區域進行產量測定。CH4和N2O 排放通量計算公式參照蔡祖聰等[29]的方法，用內插加權法計算氣體排放總量。

教師將要學的生字進行有意識的整理，側重進行音、形、義的教學，并牽一發動全身，讓課文生字在具體的語言環境中再現和被理解，由詞引導到課文相關板塊的學習，從而達成理清文脈的目標。

1.4 碳足跡計算方法

采用生命周期法（Life Cycle Assessment,LCA）對雙季稻碳足跡進行核算。核算邊界從與水稻種植有關的農資原料開采開始，至水稻成熟收獲結束。核算內容包括農資原料的開采、加工和運輸等環節的碳排放量、雙季稻生長過程中灌溉用電的碳排放量、耕作過程中農機柴油消耗造成的碳排放量和從早稻移栽至晚稻收獲期間稻田CH4和N2O 的排放量。計算如式（1）

式中Cf 為水稻生產的碳足跡，kg/hm2；Ei表示水稻生產過程第i個排放源的排放量，包括水稻生產過程中的CH4book=107,ebook=3和N2O 排放量、農業投入品生產過程中的CO2排放量、灌溉耗電和農機使用過程中的能源消耗CO2排放量，kg/hm2；n表示水稻生產鏈條中涉及排放源的個數。

水稻生產過程中CH4和N2O 的排放量采用靜態箱-氣相色譜法實測，CH4和N2O 的排放量轉換成二氧化碳當量的系數分別為CO2的25 和298 倍。

農業投入品生產和能源消耗CO2排放量由式（2）計算

式中Adi為第i種農業生產相關投入品的能源消耗量，kg/hm2或kW/hm2；Efi為第i種農業投入品生產、電力生產和化石能源燃燒的CO2排放因子。排放因子及來源見表2。需說明的是，由于國內外尚無樹脂包膜控釋尿素生產的碳排放因子數據報道，因此本研究中控釋尿素和普通尿素采用同一排放因子計算。化肥、水稻種子和農藥的使用量，灌溉用電量均為試驗中的實際值，其中灌溉用電量通過灌溉用水量和潛水泵功率和流量計算得出。水稻種子使用量為 30 kg/hm2，早稻柴油使用量為12.7 kg/hm2，晚稻柴油使用量為11 kg/hm2，除草劑使用量為3 kg/hm2，殺蟲劑使用量為4.5 kg/hm2，灌溉潛水泵功率1.8 kW，流量為40 m3/h。

表2 農用能源及農用投入品的碳排放因子Table 2 Carbon emission factor of agricultural energy and input

1.5 成本及收益計算

成本核算內容包含早稻及晚稻種子、化肥（包括氮肥、磷肥、鉀肥）、農藥、灌溉用電、柴油、各項田間管理（耕播、施肥、灌溉、噴灑農藥、收獲）所需的人工費用以及間接成本（包括括技術服務成本、修理維護成本和固定資產折舊成本）。

本研究中，雙季稻種植過程中的種子、化肥、農藥、柴油、灌溉用電及人工的費用均為試驗中的實際值。其中普通尿素3.8 元/kg、控釋尿素6.4 元/kg、磷肥1.25 元/kg、鉀肥2 元/kg、除草劑175 元/kg、殺蟲劑100 元/kg、種子20 元/kg、柴油6 元/kg、湖北電費為0.58 元/kW·h；各處理收益僅考慮凈產值，即各處理產量乘以單位水稻售價，荊州地區成熟水稻售價2.8 元/kg。不同處理的凈收入和單位凈收入碳排放強度分別由式（3）和式（4）計算

1.6 數據處理

數據計算和方差分析使用Microsoft Excel 2016 和SPSS 22.0 軟件完成，以P＜0.05 作為顯著性檢驗標準，用最小顯著性差異法（Least Significant Difference,LSD）進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 雙季稻CH4 和N2O 累積排放量

不同水氮處理早、晚稻CH4累計排放量范圍分別為65.6～171.2 和63.7～151.6 kg/hm2，早稻和晚稻的CH4排放量均以CK 最高（圖1a）。施用普通尿素的條件下，U+SWD 全年CH4排放量比U+CI 下降16.6%，減排效果達顯著水平（P＜0.05）；在施用控釋尿素條件下，CRU+SWD 的全年CH4排放量相比CRU+CI 也有顯著降低（P＜0.05）。相對于 U+CI，減排效果順序為CRUS+SWD＞CRU+SWD＞CRU+CI＞US+SWD＞U+SWD，減排效果均達到顯著水平（P＜0.05）。因此采用節水灌溉，控釋尿素，以及減少施氮量均能夠有效地減少稻田CH4排放。

圖1 不同處理的早、晚稻CH4 和N2O 累計排放量 Fig.1 Cumulative CH4 and N2O emissions of early rice and late rice under different treatments

對比U+SWD 和 US+SWD ，CRU+SWD 和CRUS+SWD，減量施用普通尿素或控釋尿素能同時降低稻田CH4和N2O 的排放量。因此，減量施氮和控釋尿素能進一步降低稻田CH4的排放，并且能部分抵消節水灌溉增加的N2O 的排放量，能達到更好的減排效果。

2.2 雙季稻生產碳足跡

不同處理早、晚稻各部分排放量占總量的比例排序相同，其中溫室氣體排放（CH4和N2O）所占比例最高，為50.7%～69.9%（圖2），其次為氮肥生產（21.6%～33.4%）。各處理早稻和晚稻碳足跡均以U+CI 處理最高，分別為6 354 和6 119 kg/hm2。節水灌溉、控釋尿素和減氮處理均能有效降低碳足跡總量。

圖2 不同處理的早、晚稻碳足跡構成 Fig.2 Carbon footprint composition of early rice and late rice under different treatments

在普通尿素條件下，US+SWD 與U+CI 相比，早、晚稻碳排放分別降低28.1%和18.1%，均達到顯著性水平（P＜0.05）。在常規灌溉條件下，控釋尿素顯著降低了雙季稻溫室氣體的排放（P＜0.05），早、晚稻分別減排27.7%和21.7%。在控釋尿素條件下，節水灌溉和減氮施肥也具有很好的減排效果。CRUS+SWD 減排效果最好，與U+CI相比，早、晚稻碳足跡分別下降45.8%和42.5%，減排效果均達顯著性水平（P＜0.05）。因此，節水灌溉，控釋尿素減氮20%的組合技術能有效降低水稻生產碳足跡。

2.3 雙季稻產量及碳排放強度

在水分管理相同的條件下，施用控釋尿素對早、晚稻產量存在正效應（圖3）；在氮肥管理相同的條件下，節水灌溉處理的產量都略微下降，但差異不顯著；同等條件下再減少氮肥施用量之后，早、晚稻產量也相應減少，但差異不顯著。綜合兩季水稻試驗數據來看，兩季產量均以CUR+CI 處理最高，US+SWD 處理最低。可見采用控釋尿素具有較好的增產效果，節水灌溉和減氮20%對水稻產量存在一定負效應。

圖3 不同處理的早、晚稻產量 Fig.3 Yield of early rice and late rice under different treatments

不同水氮處理的早稻溫室氣體排放強度（Green House Gas Emission Intensity,GHGI）范圍為0.48～0.94 kg/kg，晚稻為0.42～0.81 kg/kg，兩季GHGI 變化趨勢大致一致，控釋尿素各處理減排效果均優于普通尿素處理（圖4）。其中CRUS+SWD 處理排放強度最低，與U+CI處理相比，早、晚稻GHGI 分別減少49.1%和48.2%，均達顯著性水平（P＜0.05）。因此，節水灌溉、控釋尿素和減氮20%的組合能夠在保持或者增加產量的基礎上，有效降低溫室氣體排放。

book=109,ebook=5

圖4 不同處理的早、晚稻溫室氣體排放強度 Fig.4 Greenhouse gas emission intensity (GHGI) of early rice and late rice under different treatments

2.4 雙季稻成本收益分析

各處理成本間差異主要是由氮肥施用、灌溉用電、施肥用工以及灌溉用工的差異造成的（表3）。控釋尿素各處理（CRU+C、CRU+SWD 和CRUS+SWD）的氮肥成本均高于普通尿素處理（U+CI、U+SWD 和US+SWD）；減量施用控釋尿素能節約成本；同時控釋尿素只需要2 次施肥，施肥用工成本是常規尿素的2/3；節水灌溉在減少灌溉用電成本的同時，還減少了灌溉用工的成本。與U+CI 相比，U+SWD、US+SWD、CRUS+SWD 處理均能有效降低雙季稻的生產成本。從投入成本和產量2 方面考慮，控釋尿素和節水灌溉都能有效降低單位凈收入排放強度，控釋尿素的提升效果更佳（表4）。其中CRUS+SWD 凈利潤最高（14 340 元/hm2），其次是CRU+CI（14 073 元/hm2）。結合碳足跡結果，與尿素和常規灌溉相比，其他處理的單位純收入碳排放強度均顯著降低，其中CRUS+SWD 處理的碳排放強度最低（0.51 kg/元），比U+CI 低62.7%。

表3 不同處理的早、晚稻成本Table 3 Cost of early rice and late rice under different treatments 元·hm-2

表4 不同處理的經濟效益分析 Table 4 Benefit of different fertilization treatments

3 討 論

3.1 優化水氮管理降低稻田CH4和N2O 排放的機理分析

田間水分管理措施是影響稻田溫室氣體排放的重要因素。土壤水分狀況直接影響土壤好氧或厭氧環境的形成，進而影響到稻田CH4和N2O 的產生、轉化和傳輸過程[28]。節水灌溉的土壤通透性得以提高，在有氧狀態和無氧狀態的交替中，既促進CH4氧化又部分抑制CH4產生，但會促進硝化和反硝化過程交替進行，增加了N2O的排放[8]。相比普通尿素，控釋尿素養分釋放的長效性要更好一些。普通尿素快速水解釋放大量的NH4+，能抑制CH4氧化菌活性，使得前期CH4排放通量較高[3]。后期水稻處于干濕交替階段，此時控釋尿素仍存在較好的氮素供應，在好氧環境條件下，有效提高了CH4氧化菌活性，使得更多的CH4被氧化，從而降低稻田CH4的排放量[27]。同時，由于控釋尿素按水稻生長需肥特性釋放養分，有效減少了土壤中過剩的無機氮含量，進一步減少了無機氮轉化為氣態氮排放，因此減少了稻田N2O 的釋放[19]。N2O的排放量與施氮量呈顯著的正相關關系，降低施氮量也能有效減少稻田N2O 的排放量。

目前，多數研究是在施用普通尿素的條件下討論節book=110,ebook=6水灌溉的效應，或是在常規灌溉的條件下討論緩控釋肥和減量施用緩控釋肥的影響，缺乏對三者耦合措施下綜合效應的研究。在不同灌溉模式下施用緩控釋肥或減氮施肥在溫室氣體綜合效應方面產生的效果也有所差異。本研究雖然表明了在節水灌溉條件下減少20%控釋尿素的施用能做到減排增收，但卻沒有設置氮肥施用量梯度，無法確定最佳的氮肥施用量，因此，協調水稻產量和溫室氣體排放量之間的矛盾，以合適的施氮量達到減排高產的最佳效果，是今后研究的重點。

3.2 優化水氮管理對水稻碳排放強度和碳足跡的影響

水稻種植過程的碳足跡受到施肥條件、水分因素，田間管理、氣候因素和社會經濟因素等多方面的影響，王興等[32]基于2004－2014年中國各省份水稻種植相關統計數據，發現生產條件不同，水稻生產碳足跡存在很大差異。因此，通過改進農田管理措施（如節水灌溉、改良施肥、合理使用農業投入品等），提高水稻機械化生產效率以減少水稻溫室氣體排放，能夠有效降低生態環境可持續發展的壓力。曹黎明等[33]應用生命周期發對上海地區水稻種植的碳足跡進行評估，試驗采用干濕交替灌溉和277.5 kg/hm2的水氮管理，測算出碳排放強度為1.23 kg/kg。徐小明等[34]通過模擬與計算得出180 kg/hm2無機肥和22.5～30.0 t/hm2有機肥混施和“三排三灌”的水氮管理條件下，吉林西部水稻生產碳排放強度為1.33 kg/kg。本研究較為詳盡地統計了雙季稻種植過程中涉及碳足跡的各項目，并計算得到6 種不同水氮管理模式下早、晚種植的單位產量碳排放強度分別為0.48～0.94和0.42～0.81 kg/kg。由于CH4和N2O 排放在水稻碳足跡中所占比例約在60%左右，在優化的稻田水氮管理模式下，稻田CH4和N2O 排放量明顯降低，同時氮肥和灌溉用水用電投入的減少，可進一步減少水稻生產碳足跡，導致本研究中碳足跡和碳排放強度的數值均低于曹黎明和徐小明等的研究，這也從另一個角度表明優化水氮管理模式對于減少環境壓力是有可靠效果的。但是在計算碳足跡的過程中，本研究未將施肥后土壤氮素的淋溶和揮發造成的間接排放以及土壤碳儲量的變化考慮在內。同時由于控釋尿素的排放因子暫無具體數據，碳足跡計算時采用的排放因子與常規尿素一致，而實際上生產控釋尿素的碳排放應高于普通尿素，因此本研究也會一定程度高估控釋尿素的減排效果。

3.3 優化水氮管理的可推廣性分析

水稻產量代表農戶的收入，增產增收是水氮管理模式可推廣的前提。前人研究結果認為，適宜輕度或中度干濕交替灌溉，能夠減少農田灌溉量，同時保證了水稻產量[34-36]。在常規尿素條件下，在一定范圍內，水稻產量隨施氮量的增加而增多[37]。合理確定施氮量，以達到最高的氮素利用率，是水稻減氮生產的關鍵。在施用緩控釋尿素條件下，水稻氮素利用率明顯提高，植株可利用氮素增多，有助于籽粒產量的增長[38-39]。因此在滿足籽粒養分的基礎上，可適當減少緩控釋氮肥的施入量，既可以保持產量，又能提高氮素利用率，并進一步減少溫室氣體排放。盡管控釋尿素能達到增產增收的效果，但是在實際推廣過程中，并未得到大規模的應用，其主要的限制因素是控釋尿素價格要普遍高于普通尿素價格。因此，在制定政策與實際推廣中，為提高普通農戶對減排技術和優化管理措施的接受度，政府應采用提供補貼或提升碳交易價格的方式，降低農戶種植成本，提高凈收益。按照本研究的標準計算，假定常規管理模式轉化為最優水氮管理模式，農戶每減少1 t 碳排放，政府補貼190 元，或碳交易價格制定為190 元/t，才可抵消投入成本的增長。目前，國內碳市場交易價格為32.55 元/t[40]，還需進一步完善碳交易機制，將碳交易價格提升至190 元/t 以上，農戶即可從最優水氮管理模式中獲益，有助于其推廣和被農戶接受。

4 結 論

1）薄淺濕曬節水灌溉在有效降低稻田CH4排放的同時，增加了N2O 的排放，但由于CH4的減排量遠大于N2O的增排量，從綜合溫室效應來看，仍能有效降低稻田溫室氣體排放，并維持產量。

2）節水灌溉、控釋尿素同時減氮20%的組合技術能在保證高產的前提下，有效降低雙季稻種植過程中的碳足跡，與常規水氮管理相比，早、晚稻總減排量分別45.8%和42.5%，同時能節約成本，增加全年凈利潤，是水稻生產中“低投入-低排放-高收益”的低碳清潔水氮管理模式。

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Pattern selection of water and nitrogen practices to reduce greenhouse gas emission and increase profit in a double rice system

Li Runan1,2,Li Yu'e1※,Wang Bin1,Wan Yunfan1,Li Jianling1,Ma Ping1,Weng Shimei3,Qin Xiaobo1,Gao Qingzhu1

(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing100081,China; 2.Dandong Meteorological Bureau,Dandong118000,China; 3.School of Ecological and Environmental Sciences,East China Normal University,Shanghai200241,China)

Abstract:Rice paddy field has been an important emission source of greenhouse gas.A combination of water-saving irrigation,controlled release urea,and reduced nitrogen can offer the promising potential to decrease the emissions of greenhouse gas,while,to increase grain yield simultaneously in rice cultivation.Aiming to verify which the water and nitrogen practice can achieve the goal of “low input-low emission-high benefit”,a field experiment was conducted in a double rice cropping system in the Jianghan Plain,Hubei province,China.Four nitrogen practices were designed: 1) urea (U),2) polymer-coated controlled release urea (CRU),3) 20% reduced urea application (US),and 4) 20% reduced polymer-coated controlled release urea application.Two water practices were integrated,1) the conventional irrigation with mid-season drainage (CI),and 2) water-saving irrigation with shallow water depth and alternation of wetting and drying (SWD).The automatic static chamber method equipped with gas chromatography was applied to the sample,further to measure the emissions of greenhouse gas (CH4and N2O) during the rice growing season under various treatments.A life cycle analysis (LCA) was used to calculate the carbon footprint in the rice production system.The intensity of carbon emission per unit grain yield was estimated using cost-benefit analysis,together with the unit net income.The results showed that the controlled release urea and reduced rate of nitrogen application can alleviate both emissions of CH4and N2O,while,the water-saving irrigation decreased CH4emissions but increased N2O emissions.The yield of grain increased with the application of controlled release urea,while,decreased with the water-saving irrigation,and 20% reduction in nitrogen application,but these negative effects can be ignored in the practical case.The LCA indicated that CH4and N2O emissions in the double rice cultivation contributed the highest portion to total carbon footprint (50.7%-69.9%),followed by nitrogen input (21.6%-33.4%).The carbon footprint and net income decreased at varied levels under the treatments of water-saving irrigation,controlled release urea,and reduced rate of nitrogen application.Compared with the treatment of U + CI,the CRUS + SWD treatment achieved the highest reduction in carbon emissions (P＜0.05),followed by CRU + SWD,US + SWD,CRU + CI,and U + SWD.It infers that the application of controlled-release urea led to much higher input cost,while,the reduction of nitrogen application amount can decrease this cost.The water-saving irrigation directly saved the water,electricity and manpower consumption,showing a lower cost.Considering both input cost and yield production,the controlled-release urea contributed to the increase of net profit for the double rice,where the CRUS + SWD achieved the highest net profit,followed by CRU + CI.The net income of carbon footprint decreased noticeably under all other treatments,compared with the urea and conventional irrigation.Particularly,the treatment of CRUS + SWD achieved the lowest intensity of carbon emission (0.51 kg/yuan),62.7% lower than that of U + CI.The data confirmed that the combination of water-saving irrigation,controlled release urea with 20% reduction in nitrogen application rate can be used to save the input cost,while to improve net profit,and thereby to effectively reduce carbon emission intensity in a double rice cropping system.These findings can also provide a promising theoretical support for the production of low carbon rice in China.

Keywords:greenhouse gases; nitrogen fertilizers; water and nitrogen practices; life cycle assessment (LCA); carbon footprint; cost-benefit; double rice

2020-07-17

2020-10-25

國家自然科學基金項目（41905102）；國家重點研發計劃項目（2017YFD0300400）；國家科技支撐計劃項目（2015BAC02B06）

李如楠，主要從事農田溫室氣體排放研究。 Email：lirunan_caas@163.com

李玉娥，研究員，博士生導師。主要從事農田溫室氣體排放核算與減排技術研究。Email：liyue@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.013

S511.4+2; S-1

A

1002-6819(2020)-21-0105-09

李如楠，李玉娥，王斌，等.雙季稻減排增收的水氮優化管理模式篩選[J].農業工程學報，2020，36(21)：105-113. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.013 http://www.tcsae.org

Li Runan,Li Yu'e,Wang Bin,et al.Pattern selection of water and nitrogen practices to reduce greenhouse gas emission and increase profit in a double rice system[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2020,36(21): 105-113.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.013 http://www.tcsae.org