楊濱娟 鄧麗萍 袁嘉欣 胡啟良 黃國勤

摘要：為減緩溫室氣體排放和削弱長期連作障礙，在長期定位試驗的基礎上，通過設置不同復種方式，綜合分析稻田復種輪作系統下周年溫室氣體排放規律和綜合效益評價。結果表明，稻田CO2和CH4不同季節排放量趨勢一致，均是晚稻>早稻>冬作物，而N2O排放與之相反。從溫室氣體的排放總量來看，CO2排放總量明顯高于CH4、N2O排放總量。處理A（紫云英—早稻—晚稻）CO2排放總量最高，但N2O和CH4排放總量均最低，N2O和CH4排放總量最高的是處理C（油菜—早稻—晚稻）。無論是冬季作物生長季、水稻生長季還是全年，3種溫室氣體的綜合GWP均是以處理A最低，處理C最高，雙季稻田冬種油菜對全球增溫貢獻較大，對環境來說是不利的，從這一點考慮，冬種紫云英相對來說是對環境更有利的。“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”綜合效益較好，最具可持續發展優勢，有利于農業的綠色高效可持續發展。因此，“紫云英—早稻—晚稻”和“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”這2種模式是適合我國南方稻區大面積推廣應用的稻田冬季農業開發與復種輪作模式。

關鍵詞：復種輪作;溫室氣體排放;綜合效益;稻田

中圖分類號：S344.1;S344.3;S181 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）02-0225-07

收稿日期：2021-05-19

基金項目：國家重點研發計劃（編號：2016YFD0300208）;國家自然科學基金（編號：41661070）。

作者簡介：楊濱娟（1985—），女，山東淄博人，博士，助理研究員，主要從事耕作制度與農業生態研究。E-mail：yangbinjuan@jxau.edu.cn。

通信作者：黃國勤，博士，教授，主要從事作物學、生態學、農業發展與區域農業、資源環境與可持續發展等研究。E-mail：hgqjxes@sina.com。

我國的耕地面積只占全世界的7%，其中“光熱水土”等農業自然資源匹配的只占國土面積的9%，因此，如何改善土壤生態環境，保持土壤肥力，提高農田復種指數，提高糧食作物產量是重中之重。冬種作物主要是紫云英、油菜、肥田蘿卜、黑麥草等綠肥作物，同時還有常見的小白菜、大蒜、菠菜等蔬菜，這種稻田周年復種輪作模式在作物持續增產、維持地力和土壤改良等方面發揮著重要作用，具有廣闊的發展和研究前景[1-5]。但復種輪作體系中不同的施肥方式、水分管理措施以及作物種類都會影響農田生態系統的溫室氣體排放[6]。如何在保障糧食安全生產的前提下減緩稻田溫室效應也是當前的研究熱點問題。有研究表明，大氣中80%的甲烷是由生物活動產生的，其中33%～49%來自稻田的厭氧分解[7]。Sass研究認為，我國稻田土壤甲烷排放量占全世界稻田土壤甲烷排放量的37.6%[8]。另外，我國農業資源長期受到資源衰竭和環境惡化等因素的挑戰，且人均耕地少，耕地后備資源不足。因此，在有限的土地上取得更多的生態經濟效益也成為了眾多學者研究的重點問題，建立農業的可持續性綜合評價指標并提供可持續發展建議也顯得十分必要[9-10]。稻田復種輪作系統的綜合評價是對復種輪作系統的經濟效益、生態效益和社會效益進行綜合分析與評價[11]。因此，豐富稻田種植制度，并深入研究不同種植制度下土壤生態環境效應和綜合效益，有利于篩選出適合提高作物產量、保持土壤肥力的種植模式，對解決全國糧食安全問題具有重要意義。目前，關于復種輪作系統的研究較少。本研究在長期定位試驗的基礎上，為探明稻田復種輪作系統的綜合效應，全面分析了稻田復種輪作系統下溫室氣體的排放狀況，以期為保障國家糧食安全、減少溫室氣體排放、制定合理的減排措施提供可靠的科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地地理位置與氣候條件

試驗于2014年9月至2016年11月在江西農業大學科技園進行，土壤類型為紅壤，試驗地屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫17.0～17.7 ℃，年降水量1 600～1 700 mm，降水天數為147～157 d，年平均暴雨天數為5.6 d，年平均相對濕度為78.5%，年日照時數為1 723～1 820 h，日照率為40%，年平均風速為2.3 m/s，年無霜期為251～272 d。試驗前各小區土壤肥力均勻一致，表層0～15 cm土壤肥力狀況：pH值5.07，有機質含量 35.64 g/kg，全氮含量1.74 g/kg，堿解氮含量168.29 mg/kg，有效磷含量37.32 mg/kg，速效鉀含量41.78 mg/kg。

1.2 試驗材料與方法

根據試驗要求及試驗目的，本試驗共設4個處理，4次重復，隨機區組排列，共16個小區，各個小區之間用水泥埂隔開，小區面積為11 m×3 m=33 m2。具體試驗處理詳見表1。

作物材料與品種：冬季作物紫云英品種為余江大葉籽;小白菜品種為黑葉四月慢;肥田蘿卜品種為南畔洲蘿卜種;油菜品種為德核雜15號。玉米品種為贛糯二號;豆角品種為美國春秋無架豆;大豆品種為農家自留種。2年試驗所用的早稻材料品種均為金優458，晚稻材料品種2015年為天優華占，2016年為五豐優T025。

2014—2015年冬季作物：紫云英于2014年9月28日撒播，以30 kg/hm2播種，不施肥;小白菜、肥田蘿卜、油菜于2014年11月14日播種，待來年春季均作為肥料翻壓還田。于2015年3月31日冬季作物測產并將所有秸稈翻耕還田。2015—2016年冬季作物：紫云英于2015年10月3日撒播，其他冬季作物肥田蘿卜、油菜和小白菜于2015年11月14日播種。2016年4月1日冬季作物測產并且所有秸稈都翻耕還田。

2015年早稻于3月26日播種，于4月29日移栽，以行距22 cm，株距19 cm進行，7月28日收獲。2015年旱地作物：單作玉米先進行深耕耙平，播前曬種3～4 h，用50 ℃的溫水浸種15 min，冷卻后再浸6～8 h，最后用清水沖洗再進行播種，采取直播栽培的方式種植，行距60 cm，株距30 cm。玉米間作豆角：在玉米長到30～40 cm時開始播種豆角，玉米行距60 cm，株距25 cm，豆角行距40 cm，株距 35 cm，間距30 cm。玉米間作大豆 ∶玉米與大豆行比為2 ∶3，大豆行距40 cm，株距25 cm，間距 40 cm。玉米行距 60 cm，株距 33 cm，每穴2粒，定苗保留1株。2016年早稻于3月27日播種，4月28日移栽，行距22 cm，株距19 cm，7月23日收獲。2016年晚稻于6月28日播種，7月28日犁田并施基肥，7月29日移栽，行距22 cm，株距20 cm，11月2日收獲。

水稻施肥以基肥為主，磷肥全部作基肥在水稻移栽前施入，水稻氮、鉀肥施用比例為基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶3 ∶2。施純氮120 kg/hm2，純磷 60 kg/hm2，純鉀75 kg/hm2，在移栽后5～7 d施分蘗肥，在主莖幼穗長1～2 cm時施穗肥，后期施少量氮肥以保證水稻生長的氮素需求。玉米種植中磷肥作為基肥，氮 ∶磷 ∶鉀施用比例為5 ∶3 ∶2。大豆施鈣鎂磷肥與尿素時，按基肥 ∶花肥=2 ∶3施用，施鉀肥時按基肥 ∶花肥=1 ∶1施用。早稻打藥3次，晚稻打藥4次。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 溫室氣體測定 氣體樣品用靜態暗箱法采集。采樣箱由不銹鋼焊接而成，尺寸為50 cm×50 cm×50 cm，箱體外覆發光鋁箔用于反光隔熱，箱內安有一小電扇用于混勻箱內氣體，在箱子的一側設有三通閥采氣孔，箱體外置有一個紅液酒精溫度計用于觀測箱內溫度。在進行采樣時，首先將采樣箱置于事先埋好的底座上，底座上設有水槽，采樣前，將水槽灌滿水用于阻斷箱體內外氣體交換。在0、10、20、30 min采集樣品時，用100 mL注射器來回抽5～10次以混勻氣體，隨后抽取氣體樣品到氣袋中，采樣結束后帶回實驗室測定分析。采樣時間在08：30～12：00點進行，采樣頻率為7 d采樣1次。

全球增溫效應：采用聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）推薦的綜合增溫潛勢（GWP）計算3種溫室氣體在100年尺度的綜合增溫效應，CO2、CH4和N2O的排放量分別乘以25和298再相加，得到CO2排放當量，即為3種氣體的綜合增溫潛勢。計算公式為

GWP=fCO2+fCH4×25+fN2O×298。（1）

1.3.2 綜合效益指標的測定與推算 記載農田農藥、化肥、勞力等投入使用量以及農田各產品的輸出量，根據農產品價格的變化，計算物質、能量的投入產出狀況，并采用層次分析（AHP）法和綜合指數法分別確立指標權重和進行綜合評價。為滿足評價因素的科學性，采用理論分析、頻度統計和專家咨詢等方法來設置、篩選因子，對具體因子進行主成分分析，對影響微小或不關聯的指標進行合并或淘汰，最后選擇內涵豐富并在實踐中簡便實用的因素構成最終評價因素指標體系。為確保因子權重的科學性，在對稻田冬季復種輪作系統綜合效益評價中，結合已有的資料和其他研究者的經驗，采用AHP法確定各因子權重。本研究采用綜合指數法對稻田冬季復種輪作系統的效益進行綜合評價，計算公式為

Vi=∑WjFj（Xi）。（2）

式中：Vi為綜合效益的綜合評價指數;Wj為第j指標權重;Fj（Xi）為第j個指標的評價函數。在評價過程中，本研究采用標準化將各指標的觀測值變換到同一水平上，消除其量綱的影響，這種變換稱為指標Xi觀測值的評價函數Fj（Xi），計算公式為

Fj（Xi）=Xij/Xjmax。（3）

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據計算統計及繪圖，采用SPSS 19.0軟件進行各處理之間的方差分析和多重比較，在P<0.05水平下進行方差分析，采用Duncan’s新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 稻田復種輪作條件下周年農田溫室氣體排放特征

2.1.1 稻田CO2排放 從不同季節排放量（表2）來看，CO2平均累積排放量為晚稻（3 397.15 kg/hm2）>早稻（2 797.43 kg/hm2）>冬作物（1 395.00 kg/hm2）。冬作物、早稻各處理間差異均不顯著，而晚稻是處理A（紫云英—早稻—晚稻）和處理C（油菜—早稻—晚稻）排放量較高，與處理B（小白菜—早稻—晚稻）、處理D（混播綠肥—早稻—晚稻）差異顯著（P<0.05）。從各處理周年累積排放量來看，以處理A最高，為 8 068.45 kg/hm2，分別高出其他3個處理14.39%、1.84%、10.32%，與處理B、處理D差異顯著。從各季節排放比例來看，冬作物、早稻和晚稻季分別是處理D、處理B和處理C最高。綜上，“紫云英—早稻—晚稻”處理CO2周年排放量最高，這可能與紫云英翻壓還田后水稻的生長發育以及土壤微生物活動等相關，紫云英生物量大，翻壓還田后為土壤微生物活動提供能源與養分，有利于土壤呼吸，CO2釋放量增加。

2.1.2 稻田CH4排放 由表3可知，與CO2趨勢相反，處理A的CH4周年累積排放量最低，且與其他處理差異顯著。從不同季節來看，與CO2趨勢一致，也是晚稻>早稻>冬季作物，各生長季CH4累積排放量均是以處理C最高，且在冬作物和早稻季與處理A差異顯著;晚稻季各處理間差異不顯著。從不同處理的季節排放比例來，冬作物、早稻和晚稻季分別是處理C、處理D和處理A最高。

2.1.3 稻田N2O排放 從表4可以看出，稻田N2O排放以冬作物生長季排放為主，占周年排放總量的72.79%～78.82%，早晚稻生長季排放量較小，各生長季N2O排放量為冬季作物>早稻>晚稻，與CO2、CH4排放趨勢相反。冬作物、早稻和周年N2O累積排放量各處理間差異均不顯著。晚稻的處理A、B、C顯著高于處理D。從季節排放比例來看，冬作物生長季排放比例整體較高，其中處理D的冬作物占全年N2O累積排放量最高，達78.72%，其次是處理C（76.66%），早稻與晚稻生長季均以處理A的排放比例最高，分別為17.46%和9.75%。因此，“小白菜—早稻—晚稻”N2O排放量較高，“紫云英—早稻—晚稻”排放量最少，而且冬作物生長季是N2O排放的主要來源。

2.2 稻田復種輪作條件下溫室氣體排放總量及綜合溫室效應

從溫室氣體的排放總量（表5）來看，CO2排放總量明顯高于CH4、N2O排放總量。CO2排放總量最高的是處理A，達8 068.45 kg/hm2，分別高出其他3個處理14.39%、1.84%、10.32%。N2O排放總量最高的是處理C（5.44 kg/hm2），而處理A的N2O和CH4排放總量均最低。從表5還可以看出，無論是短時間尺度還是長時間尺度，3種氣體的綜合GWP均是處理C最高，分別高出其他3個處理18.88%、8.97%、5.67%和13.44%、9.35%、6.53%。因此，雙季稻田冬季種植油菜對全球增溫貢獻較大，4種復種輪作模式中，以紫云英—早稻—晚稻復種模式的溫室效應最低，從這一點考慮，冬種紫云英相對來說是更有利的。

2.3 稻田復種輪作系統的綜合效益評價

各種植系統連續2年的綜合效益評價指標初始值如表6所示。從表6可以看出，光能利用率、輔助能效率、氣體調節和糧食產量均以處理A（紫云英—早稻—晚稻→紫云英—早稻—晚稻）最高;N素產投比和勞動凈產值率以處理B（小白菜—早稻—玉米‖豆角→小白菜—早稻—晚稻）最高，分別為0.82和72.45元/d，分別高出其他3個處理12.33%、20.59%、3.80%和7.40%、4.61%、3.31%;經濟產投比和消納廢棄物以處理C（油菜—早稻—玉米→油菜—早稻—晚稻）最高，分別高出其他3個處理18.96%、20.10%、8.66%和3.87%、12.84%、1.79%;經濟總產值、純產值、物資費用出益率、養地作物指數、土壤當量比和社會保障價值均以處理D（混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻）表現較好。

通過表6和表7可得出表8所示的稻田復種輪作系統綜合效益評價指數。從表8中單項效益指數來看，經濟效益指數各處理大小順序表現為處理D>處理C>處理A>處理B，生態效益指數表現為處理D>處理A>處理B>處理C;社會效益指數各處理表現為處理D>處理A>處理C>處理B。然而單項效益指數反映有限，只能反映某一方面的效益功能，難以對稻田復種輪作系統的綜合效益進行準確反映，如果僅根據單項效益指數進行評價，將得出不同的結論。而綜合效益指數能更好地反映各系統的整體效益功能，它能將各單項效益結合在一起，通過綜合指數加以排序或判別，從而能夠科學客觀地對稻田生態系統進行評價。由表8還可知，稻田復種輪作系統的綜合效益指數各處理大小順序表現為處理D>處理A>處理B>處理C，綜合效益指數分別為0.966、0.927、0.885、0.876，由此可以得出，“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”復種輪作方式較其他3種復種模式更具有可持續發展優勢，綜合效益更好，更有利于農業的綠色高效可持續發展。

3 結論與討論

農田生態系統中，3種主要溫室氣體中屬CO2的情況最復雜，作物的自養呼吸和土壤的異養呼吸都會釋放CO2，是稻田生態系統CO2的排放源，其排放通量隨作物生長而發生變化[14]。有研究表明，農田土壤CO2排放通量有明顯的季節變化，本研究中CO2季節變化也較明顯，總體呈先升后降的趨勢，其峰值的出現與溫度、作物生長、施肥等因素有關[15]。輪作周期內CH4排放則集中在水稻生長季，且晚稻生長季CH4排放量要高于早稻生長季，與唐海明等的研究結果[16]相一致。早稻生長季初期CH4排放通量處于較低水平，這可能與冬季作物還田、腐爛分解有關，隨后CH4排放通量隨著水稻生長發育的加快不斷增加，直到分孽盛期后的拔節期出現排放高峰，整個早稻季CH4排放趨勢呈現出先增加后降低的拋物線型變化，這與前人研究結果[17]一致。隨著拔節期的結束，排放通量有一定的減小，但后期又出現了一個排放高峰，此時正處抽穗楊花期，這與韓廣軒等研究發現的水稻油菜輪作條件下CH4排放峰出現在水稻抽穗揚花期結果[18]一致，這個峰值產生的原因可能是水稻根系逐漸老化、死亡，根細胞隨之脫落，使得土壤中碳源增多，為土壤甲烷細菌提供了充足的能源，增強了甲烷細菌的活動。稻田N2O的產生主要源于硝化與反硝化2個過程，而參與這些過程的微生物受土壤養分、氧氣濃度、水分含量、溫度、有機質含量、pH值等因素控制[19-22]，本研究中，隨冬種作物種類的不同，N2O排放通量也有所差異。從整個生長季排放來看，N2O排放通量在中后期要高于播種初期，這可能是因為氣溫的逐漸升高，有利于土壤微生物的活動，同時冬季作物根系和地上部分生理活動的增強，促進了稻田N2O排放，這與O’Hara等的研究結果[23]一致。全球增溫潛勢作為一種相對的指標常用來估計不同溫室氣體對氣候系統的潛在效應。本研究中無論是短時間尺度還是長時間尺度，3種氣體的綜合GWP均是油菜—早稻—晚稻最高，分別高出其他處理18.88%、8.97%、5.67%和13.44%、9.35%、6.53%。因此，雙季稻田冬季種植油菜對全球增溫貢獻較大，4種復種輪作模式中，以紫云英—早稻—晚稻復種模式的溫室效應最低，從這一點考慮，冬種紫云英相對來說是更有利的。

雙季稻田復種輪作系統的綜合效益即經濟效益、生態效益和社會效益的綜合[24]，綜合效益評價是對稻田輪作系統的社會、經濟、生態效益進行綜合分析與評價。近年來，國內外學者對稻田復種輪作的綜合效益進行了大量研究，研究主要涉及評價指標體系、指標權重的確定方法等，操作性強，因此得到了廣泛的應用。如危向峰等運用層次分析法確定了土壤耕地的地力評價因子權重和對黑龍江生態環境質量進行了評價研究[25-26]。本研究采用綜合指數法對不同稻田復種輪作模式的效益進行綜合評價，結果表明“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”的綜合效益指數最高（0.966），因此，“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”這種復種輪作方式較其他3種復種模式更具有可持續發展優勢，綜合效益更好，更有利于農業的綠色高效可持續發展。

稻田CO2和CH4不同季節排放量趨勢一致，均是晚稻>早稻>冬季作物，而N2O排放與之相反。從溫室氣體的排放總量來看，CO2排放總量明顯高于CH4、N2O排放總量。紫云英—早稻—晚稻CO2排放總量最高，但N2O和CH4排放總量均最低，N2O和CH4排放總量最高的是油菜—早稻—晚稻。3種溫室氣體的綜合全球增溫潛勢在冬季作物生長季、水稻生長季和全年均是以紫云英—早稻—晚稻最低，油菜—早稻—晚稻最高，雙季稻田冬種油菜對全球增溫貢獻較大，對環境來說是不利的，從這一點考慮，冬種紫云英相對來說是對環境更有利的。“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”綜合效益較好，最具可持續發展優勢，有利于農業的綠色高效可持續發展。因此，“紫云英—早稻—晚稻”和“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”這2種模式是適合我國南方稻區大面積推廣應用的稻田冬季農業開發與復種輪作模式。

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