不同播栽方式對稻田CH4、N2O排放及產量的影響

夏天龍， 時 紅， 時元智， 洪大林， 馮中華

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210029；2.江西省灌溉試驗中心站，江西南昌 330201)

水稻為我國的主要糧食作物，2021年種植面積約為3 000萬hm2，約占全球水稻種植面積的18.5%[1]。據統計，我國稻田CH4和N2O年排放量分別達到700萬t[2]和19萬t[3]。過去的稻田溫室氣體排放研究主要針對人工移栽等傳統播栽方式，但近年來隨著農村勞動力轉移以及農業機械化的發展，耗時費力的人工育秧—插秧方式正逐步被輕簡栽培方式所取代。與傳統播栽方式相比，輕簡栽培方式對土壤的擾動程度不同，可能引起微生物群落結構和功能多樣性的改變[4]，從而導致溫室氣體排放量的差異。基于此，有必要開展不同播栽方式下稻田溫室氣體排放研究，探索水稻高產低碳的種植模式。

已有研究表明，土壤水分狀況、溫度、pH值、施肥等因素均會對CH4和N2O的排放產生影響[5-6]。此外，播栽方式不同會引起稻田CH4和N2O排放差異，適宜的播栽方式可改善稻田土壤結構以及通氣性，進而降低稻田土壤微生物的數量和活性，減少溫室氣體排放[7]。已有研究表明，拋秧播栽模式的全球增溫潛勢(GWP)明顯低于移栽模式[8]，而直播的稻田CH4排放量和GWP顯著低于機械插秧[9]。國內外針對直播與人工移載的溫室氣體排放差異，指出直播方式相對于人工移載方式能顯著降低CH4排放量，同時會不同程度增加N2O排放量[10-11]。

目前，基于多種播栽方式對稻田CH4和N2O排放進行研究的報道還較少，特別是在糧食安全與碳達峰、碳中和背景下，針對南方典型稻作區，亟待開展結合作物產量進行高產低碳綜合分析的研究。

鄱陽湖平原是我國重要的雙季稻作區，本研究利用靜態箱-氣相色譜法，研究不同播栽方式對鄱陽湖平原典型雙季稻田CH4、N2O排放量及產量的影響，旨在提出適宜該區域的稻田高產量、低溫室氣體排放的播栽方式。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2017年在江西省灌溉試驗中心站(115°58′E，28°26′N)水稻試驗田進行。該試驗站位于鄱陽湖平原，屬亞熱帶季風性氣候。2017年早稻季平均氣溫為25.0 ℃，溫度呈上升走勢，返青期最低溫度為10.9 ℃，黃熟期最高溫度為31.7 ℃。晚稻生長季的平均溫度為26.4 ℃，溫度呈波動下降趨勢，返青期氣溫最高，為34.0 ℃，黃熟期氣溫最低，為13.8 ℃。早、晚稻生長季的總降水量分別為505.5、363.7 mm，早稻生長季降水量的52.7%集中在拔節孕穗期至乳熟期，晚稻生長季降水量的82.0%集中在返青期和分蘗期。試驗田土壤容重為1.36 g/cm3，土壤類型為水稻土，有機質、氮、磷、鉀含量分別為1.74、0.82、0.25、1.18 g/kg。

1.2 試驗設計

本研究設直接播種(DS)、人工插秧(AT)、機械插秧(MT)、拋秧(SP)4種播栽方式。在各播栽方式下，水稻播種、栽種、收割日期及生育期時長見表1。DS播種模式的播種量為13 kg/hm2；AT模式的插秧行距×株距=23.3 cm×13.3 cm；SP種植模式的栽植密度為35株/m2；MT模式使用富來威 2Z-455 型水稻插秧機插秧，栽插平均行距為 26.9 cm，株距為13.3 cm。早稻于25 d秧齡時移栽，晚稻于15 d秧齡時移栽。

表1 不同試驗小組播種/移栽、收獲日期及生育期時長

試驗為大田試驗，各小區面積為100 m2。早稻品種采用中嘉早稻17，晚稻品種采用H優518。播種/移栽前翻耕稻田土壤。田間水分管理采用間歇灌溉模式，各小區用水表控制灌排水量，田埂用塑料薄膜覆蓋，防止水肥流失。氮肥用量為180 kg/hm2，鉀肥用量為150 kg/hm2，早、晚稻氮、磷、鉀肥料來源分別為尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀。其中磷肥用量(P2O5)為90 kg/hm2，均作基肥施用，基肥、分蘗肥、穗肥中氮肥施用質量比為3 ∶3 ∶4，基蘗肥、穗肥中鉀肥施用質量比為7 ∶3。基肥施用時間為水稻播栽前1 d，分蘗肥施用時間為水稻播栽后5～7 d，穗肥施用時間為葉齡余數為1～2張葉時。

1.3 樣品采集與監測

采用靜態箱-氣相色譜法測定CH4、N2O排放通量。靜態箱結構分為不銹鋼底座和箱體，底座用于固定箱體，箱體長、寬、高皆為50 cm，當水稻株高接近50 cm時，通過疊加相同尺寸的雙向開口箱體，使箱體高度增加到100 cm。氣體采集時間為 08：00—11：00，按照0、10、20、30 min的間隔采集氣體，同時記錄箱內溫度；每隔 5～7 d觀測1次，抽樣完成后立即通過氣相色譜儀(Agilent7890b)測定氣體濃度。

1.4 數據的處理與分析

溫室氣體排放通量的計算方法[12]見如下公式：

(1)

(2)

式中：c為溫室氣體總排放量，kg/hm2；i為采樣次數；n為總采樣次數；D為相鄰采樣相隔時間，d。

全球增溫潛勢表示單位質量的溫室氣體在某個時間尺度上的累計輻射強迫；溫室氣體排放強度(GHGI)指單位質量水稻生產產生的全球增溫潛勢。CO2作為參考氣體，CH4、N2O的排放量通過GWP值轉換為CO2當量(CO2-eq)。在100年尺度下，單位質量CH4、N2O的GWP分別為CO2的28、273倍[13]，GWP、GHGI的計算公式分別如下：

GWP=28×FCH4+273×FN2O

。

(3)

式中：GWP為增溫潛勢(以單位面積的CO2當量計算，下同)，kg/hm2；FCH4為CH4總排放量，kg/hm2；FN2O為N2O總排放量，kg/hm2。

(4)

式中：GHGI為溫室氣體排放強度(以CO2當量計算，下同)，kg/kg；GWP為早晚稻增溫潛勢之和，kg/hm2；Y為早晚稻總產量，kg/hm2。

2 結果與分析

2.1 不同播栽方式下稻田CH4的排放規律

由圖1可見，在不同播栽方式下，早、晚稻的CH4排放通量走勢基本一致，各處理的CH4排放通量在分蘗期內達到最大值后，迅速下降，拔節期后一直維持低的排放水平。根據表2可以看出，生長期CH4排放規律的不同之處主要在于水稻早期生長階段的排放程度，各處理晚稻的CH4排放量占生育期累計排放量的主體地位，占比為75.7%～88.2%。

從生育期來看，早稻的CH4排放主要集中在水稻植株生長階段的分蘗期到拔節孕穗期，4種播栽方式的平均排放通量為27.20 mg/(m2·h)。在分蘗期內的不同處理下，CH4排放有2～3個峰值，過峰后迅速變為低排放狀態，在抽穗開花末期，各處理的CH4排放通量到達1個小高峰，其余時間的CH4排放通量均維持在較低水平(圖1)。早稻季首個CH4排放峰值在分蘗前期，不同播栽方式的平均排放通量為3.43 mg/(m2·h)，主要因為這段時間氣溫上升至水稻的最適生長溫度，土溫升高也增強了產甲烷菌的整體活性。分蘗期CH4的排放達到早稻生育期的峰值，4種播栽方式的最大平均排放通量為9.91 mg/(m2·h)。曬田后，CH4通量迅速下降至較低水平，主要是由于曬田行為增加了土壤通氣性，破壞了甲烷菌生存繁殖所需的嚴格厭氧環境。在拔節初期，AT、SP處理下的CH4通量有明顯回升，AT的最高排放通量達到12.44 mg/(m2·h)。在6月，隨著降水和氣溫的增加，田面淹水狀況增多，小幅增強了產甲烷菌活性，使得CH4通量略微升高。晚季稻的CH4排放也呈現出先高后低的變化趨勢，但排放峰出現的時間較早稻明顯提前。在分蘗前期，CH4排放通量便迅速上升到峰值，4種不同播栽方式的平均CH4排放通量為51.45 mg/(m2·h)。在水稻分蘗末期進行曬田處理后，土壤的通氣性大幅提升，土壤有效氧供應得到改善，導致CH4排放通量迅速下降。在拔節期復水施肥后，各處理的CH4排放通量開始回升，但由于間歇灌溉模式水層控制及反復落干晾曬，甲烷菌的繁殖、氣體排放回升程度受限。

在不同播栽方式下，CH4的排放差異較明顯。早稻總CH4排放量從低到高排序為DS、SP、AT、MT。早稻平均 CH4排放量為49.49 kg/hm2，DS處理比平均排放量低47.4%。AT、MT處理的CH4排放通量峰值明顯高于其他處理，在早稻季分蘗期，AT、MT處理的最高CH4排放通量分別達到9.35、20.56 mg/(m2·h)，晚稻季AT、MT處理的最高CH4排放通量分別達到56.94、69.72 mg/(m2·h)。早、晚稻季分蘗期AT、MT處理的CH4排放量比其他處理高，AT處理的累計排放量分別占早稻季、晚稻季、總排放量的31.8%、29.4%、29.8%，MT處理的累計排放量分別占早稻季、晚稻季、總排放量的36.7%、33.9%、34.4%。在SP處理下，晚稻CH4排放通量峰值明顯低于其他處理。早稻季的最高CH4排放通量為7.01 mg/(m2·h)，晚稻季的減排效果顯著，最高CH4排放通量為22.40 mg/(m2·h)，晚稻SP播栽方式的累計CH4排放量比其他處理低42.2%～60.2%。由于直播稻不存在返青期，所以DS處理CH4排放峰值較其他處理稍有提前和集中，分蘗前期的CH4排放量僅次于MT處理，為60.18 mg/(m2·h)，但從晚稻累計排放量上看，DS處理的排放量分別比AT、MT處理減少了20.6%、31.2%(表2)。

表2 不同播栽方式下稻田CH4的累計排放量

2.2 不同播栽方式下稻田N2O的排放規律

由圖2可以看出，早稻、晚稻稻田中N2O的排放通量呈波浪式，在水稻種植/移栽初期，N2O的排放通量普遍較低，到分蘗后期上升到第1個峰值；在拔節孕穗初期，N2O排放出現谷值，之后保持波動。不同播栽方式的N2O排放總量見表3，可見各處理間年際累計N2O排放量無明顯差異，AT、SP、MT處理的年際累計N2O排放量為1 325.09～1 361.36 g/hm2，DS處理略高于其他3種處理，為1 621.48 g/hm2。

對于早稻而言，各N2O處理在整個生育期內有2～3個排放峰，較明顯的峰值分別出現在分蘗末期、拔節孕穗末期。DS、AT、SP處理的最高排放通量在拔節孕穗末期，而MT處理的高排放峰在乳熟期，排放通量為91.42 μg/(m2·h)。在晚稻生育前期，N2O的排放通量較低，在分蘗前期甚至呈現為N2O的匯。在分蘗末期，各處理達到第1個N2O排放峰，至拔節孕穗初期復水后，N2O排放通量迅速下降到谷值，在拔節末期，各處理的N2O排放通量有不同程度的上升。

早稻季各處理之間的N2O排放規律差異較小，DS與SP處理的N2O排放通量契合程度較高，在返青初期都為微量的負排放，峰值出現頻次與時期都較契合，主要集中于拔節孕穗末期，DS、SP處理的最高N2O排放峰值分別為105.27、82.22 μg/(m2·h)，在分蘗末期也有較高的排放通量，其余時間N2O呈微量排放甚至吸收狀態。在AT處理下，N2O排放主要集中在拔節期與抽穗開花期，這2個時期的N2O排放量占晚稻季累計排放量的62.1%，略高于其他處理。在MT處理下，N2O排放主要發生在分蘗末期、乳熟期，這2個時期排放量對累計排放量的貢獻相近。在晚季稻SP處理下，N2O排放通量在返青后 7 d 到達最低值-6.88 μg/(m2·h)，DS、AT和MT處理的N2O排放通量在返青后14 d達到最低值，排放通量為-16.56～-10.75 μg/(m2·h)。在拔節孕穗初期，各處理均監測出N2O的排放峰，DS處理的N2O排放通量為87.22 μg/(m2·h)，另外3種處理間的N2O排放通量差異不大，為43.60～52.77 μg/(m2·h)。從拔節孕穗期至收獲期，N2O的累計排放量呈SP處理(503.03 g/hm2)>DS處理(465.94 g/hm2)>AT處理(454.01 g/hm2)>MT處理(232.20 g/hm2)，分別占晚稻累計排放量的80.3%、59.4%、78.6%、62.8%(表3)。由計算結果可看出，在間歇灌溉模式下，晚稻分蘗末期后為N2O的主要排放時期，而該時期MT處理的N2O排放量相對較小。

表3 不同播栽方式下稻田N2O的累計排放量

2.3 不同播栽方式下早、晚稻產量分析

早稻實際產量中DS、SP、MT處理的產量為 6 327.43～6 445.78 kg/hm2，其中DS處理的產量最高，SP處理的產量最低；AT處理的產量為 7 233.70 kg/hm2，相較于其他播栽方式的增產效益為12.2%～14.3%，主要由于AT處理秧苗成活率高，種植密度均勻，后期維護全面等因素產生了增產效益。晚稻產量呈AT處理(7 947.11 kg/hm2)>SP處理(7 719.65 kg/hm2)>MT處理(7 713.70 kg/hm2)>DS處理(7 276.58 kg/hm2)，AT處理僅比SP處理增產3%，結合產量對比結果可知，AT處理的優勢在晚季稻期并不明顯，可能是由于晚季稻秧苗在早期具有生長環境帶來的優勢，在一定程度上彌補了其他播栽方式對產量造成的影響(圖3)。各稻季AT處理的產量都最高，AT處理的早季稻具有較高的穗粒數，平均為139.7粒/穗，晚季稻具有較高的有效穗數，為376.7 萬穗/hm2。在早、晚季稻產量數據中，SP與MT處理的產量數據非常相近。均呈早稻產量低的特征，早稻SP處理的穗粒數較少，平均為78.7粒/穗；早稻MT處理的結實率低于各處理平均水平，為73.0%。由此可見，在不同播栽方式中，AT處理具有一定的增產效果，而SP與MT處理之間的產量受播栽方式的影響較小。DS處理受外界環境影響，使得其產量具有一定的波動性，呈早稻較高、晚稻較低的現象，晚稻產量下降可能是由于生長環境或培養方式的影響，穗粒數為135.8粒/穗，其他處理的穗粒數為152.4～155.8粒/穗(圖3)。

2.4 不同播栽方式下GWP、GHGI的分析

如表4所示，在4種播栽方式下，雙季稻田的GWP范圍為4.5～10.3 t/hm2；在不同處理下，CH4排放量的CO2當量占GWP的主要部分，N2O占比明顯較小；晚稻的CH4排放量皆大于早稻，因此溫室效應的貢獻主要來源于晚稻，各處理晚稻的CH4增溫潛勢占總GWP貢獻的69.5%～82.3%。

在早晚稻生育期內，各處理的GWP、GHGI由小到大依次為SP處理、DS處理、AT處理、MT處理，其中DS處理、SP處理的CH4排放量明顯低于其他處理，彌補了N2O較高排放量帶來的減排劣勢。SP處理的GHGI相比AT處理減少了45.8%，比DS處理減少了33.3%。MT處理的GWP大部分來源于晚稻的CH4排放量，占該播栽方式GWP的76.8%。

3 討論

表4 CH4和N2O全球增溫潛勢

由本研究結果可以看出，雙季稻CH4排放主要來自晚稻，晚稻GWP貢獻大于早稻。N2O對水稻生育期的GWP貢獻較小[8-9，30]，本試驗中僅占3.5%～8.2%，因此溫室氣體減排仍然以控制CH4排放為主[31]。雙季稻以SP處理的減排效果顯著，總生育期GWP比DS、AT和MT處理低31.5%～56.1%。在產量方面，AT處理始終具有最高經濟效益，DS處理更易受外界氣候和種植期間人工維護的影響，MT處理產量與拋秧播栽方式接近。因此計劃產出量較高的稻作區可考慮人工插秧，而在結合節能減排以及穩定增產的角度，拋秧播栽方式為最優方法。

4 結論

在本試驗中，4種播栽方式的CH4累計排放量為148.79～355.84 kg/hm2，N2O的累計排放量為 1 325.09～1 621.48 g/hm2。早稻季的CH4總排放量呈MT處理>AT處理>SP處理>DS處理，晚稻季呈MT處理>AT處理>DS處理>SP處理，其中晚稻SP處理的CH4總排放量比其他處理低42.2%～60.2%。在水稻生育期，AT、SP、MT處理的N2O累計排放量為1 325.09～1 361.36 g/hm2，DS處理為1 621.48 g/hm2。N2O的GWP貢獻較小，因此從減排角度出發，主要考慮CH4排放的影響。早稻產量中，AT處理與其他處理間差異較大，AT處理比其他處理增產12.2%～14.3%。晚稻產量呈AT處理>SP處理>MT處理>DS處理，AT處理較SP處理的增產效果不明顯，僅為3%。早晚稻的GHGI為MT處理>AT處理>DS處理>SP處理。