秸稈還田和水旱輪作模式對稻季土壤溫室氣體排放的影響

關鍵詞： 輪作模式； 秸稈還田； 增溫潛勢； 排放強度； 土壤可溶性有機碳； 微生物量碳； 有效氮

大氣中溫室氣體濃度的增加是導致氣候變化的主要原因之一。甲烷（CH4） 和氧化亞氮（N2O） 是大氣中兩種重要的溫室氣體[1]，其全球增溫潛勢（globalwarming potential，GWP） 分別是二氧化碳（CO2） 的29.8 和 273 倍[2]。稻田是農業溫室氣體排放的主要來源之一，分別占全球農田CH4 和N2O 總排放量的50% 和10%[3]。因此，探索稻田溫室氣體的減排措施，對緩解氣候變化和農田可持續發展意義重大。

合理的秸稈還田能夠改善土壤理化性質，提高土壤有機質含量，減少農藥和化肥的施用，促進農田土壤的良性循環。然而，秸稈添加會增加農田土壤中CH4 排放，其主要原因是秸稈還田可以提供有機物質和養分，為產甲烷細菌的生長和繁殖提供大量的底物，從而促進CH4 排放[4]。此外，秸稈還田釋放的氮促使稻田水土環境中的微生物氮循環過程發生變化，影響稻田土壤硝化?反硝化過程，從而影響N2O 的產生與排放[5]。然而，當前秸稈還田對于N2O排放的影響還存在爭議[6]，即存在促進[7]、抑制[8]和無影響[9] 3 種矛盾結果，這種差異主要取決于秸稈本身的碳氮比。如紫云英作為一種豐富的自然資源，其根系的根瘤菌能固定大氣中的氮素，紫云英在分解過程中是緩慢釋放氮素，從而降低N2O 的排放[10]；小麥秸稈通過氮素保持、微生物作用和水分管理等措施，減少土壤中氮素的流失和淋溶，降低N2O 的生成和排放[11]；油菜秸稈可以促進土壤中的微生物活動，包括參與氮循環的微生物，通過增加土壤中的微生物數量和活性，提高氮素的利用效率，減少氮素在硝化和反硝化過程中產生N2O[12]。另外，大量研究證實，稻田土壤N2O 和CH4 的排放存在此消彼長的關系[10?13]。因此，需采用 GWP 綜合評估秸稈還田下稻田N2O 和 CH4 排放導致的增溫效應。

水旱輪作是我國長江中下游地區主要的稻作模式，主要包括稻麥、稻油和稻肥等不同模式。不同水旱輪作下CH4 和N2O 排放存在一定差異[13]。研究表明，水旱輪作中不同旱季作物N2O 排放量表現為油菜gt;冬小麥gt;休閑gt;紫云英輪作[14]。然而，張岳芳等[15]研究則表明在水旱輪作下對稻季N2O 排放影響為紫云英gt;油菜gt;小麥，對CH4 排放影響為紫云英gt;小麥gt;油菜。總的來看，輪作方式的改變對于溫室氣體排放的影響，主要通過改變土壤物理和化學特性[16]，進而影響產甲烷菌、甲烷氧化菌、硝化細菌和反硝化細菌的活性，最終影響CH4 和N2O 的產生和排放[17]。盡管如此，以往的研究多關注于某單一輪作模式下秸稈還田對溫室氣體排放的影響，忽略了不同輪作模式下秸稈還田對溫室氣體排放的影響及差異。

水旱輪作模式（水稻–紫云英，水稻–小麥和水稻–油菜） 為研究對象，設置秸稈還田與不還田兩種處理，采用靜態箱—氣相色譜法監測水稻季CH4 和N2O 的排放規律，同時監測土壤環境因子的動態變化，闡明秸稈還田對不同水旱輪作模式溫室氣體排放的影響及原因，明確秸稈還田條件下不同水旱輪作模式綜合溫室效應的差異，以期為稻田輪作方式的選擇及農業綠色發展提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于湖北省荊州市長江大學農業科技示范基地 （30°21′N；112°09′E），該地屬亞熱帶濕潤季風氣候，近10 年的年平均氣溫16.5℃，年平均降水量1095 mm，有效積溫5094.9℃～5204.3℃，無霜期200 天。試驗期間水稻季（2022-06-01—2022-09-05） 逐日降水及氣溫變化見圖1。本研究土壤類型為長江沖積潮土，pH 6.8，堿解氮106.2 mg/kg，速效磷 25 mg/kg，速效鉀105.5 mg/kg，有機質18.5 g/kg。

1.2 試驗設計與管理

采用裂區試驗，主因素為3 種水旱輪作模式：水稻–小麥（RW）、水稻–油菜（RR） 和水稻–紫云英（RC），副因素為秸稈還田（S+） 和秸稈不還田（S?），每個處理3 次重復，小區面積為50 m2 。相鄰小區間設有水泥田埂以防串水串肥。水稻生長期間水分管理采取前期淹水，中期曬田，后期干濕交替的方式。

供試小麥品種為‘鄂麥26’，于11 月初進行人工條種，次年5 月中旬收獲；播種前基施600 kg/hm2復合肥（N–P2O5–K2O 為16–10–22）。供試油菜品種為‘華油雜50’，于9 月底育秧，11 月初移栽，次年5 月中旬收獲；移栽前基施6 0 0 k g / h m 2 復合肥（N–P2O5–K2O 為16–10–22）。紫云英品種為‘閩紫一號’，播種量為30 kg/hm2，紫云英在10 月初撒播。在水稻種植前一周左右翻耕入土。

秸稈還田處理下，小麥、油菜和紫云英收獲后實行秸稈粉碎翻耕全量還田，油菜秸稈還田量約為7.61 t/hm2，小麥秸稈還田量約為 5.05 t/hm2，紫云英（鮮草） 還田量約為22.5 t/hm2。

供試水稻品種為‘隆兩優華占’，水稻于5 月初育秧，6 月初采用人工插秧方式進行移栽，水稻種植密度為26.7 cm×16.7 cm，9 月中旬收獲 ；水稻整個生育期氮肥施用量為N 225 kg/hm2 （基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3），鉀肥施用量為K 180 kg/hm2 （基肥∶穗肥=1∶1），磷肥施用量為P 75 kg/hm2，作基肥一次性施入。

1.3 氣體采集與測定

CH4 和N2O 排放速率采用人工靜態箱—氣相色譜法測定。采氣箱由箱體和底座組成，箱體規格為45 cm × 45 cm × 100 cm，箱體外層用錫箔紙包裹以防止箱內升溫過快；底座規格為45 cm × 45 cm × 20 cm，底座上端裝有2 cm 的凹槽。水稻移栽后，在各小區中心區域將底座安放牢固。氣體采集前將一定的水注入底座上部深槽內用于保證箱體的密封性。在箱體密封后立即用100 mL 注射器采集氣體樣品，分別在箱體密封后0、10、20 、30 min 時采集氣體樣品。采氣時間為上午9：00—11：00，氣體采集頻率為1 周1 次，氣體樣品采集完成后，帶回實驗室用Agilent 7890B 氣相色譜儀測定樣品中CH4 和N2O 濃度。其中，CH4 用FID 檢測器進行測定，檢測溫度為250℃，柱溫50℃；N2O 用ECD 檢測器測定，檢測溫度為330℃，柱溫50℃。

1.4 土壤和水稻植株樣品采集與分析

在水稻分蘗期、抽穗期和成熟期，采用“五點取樣法”在各小區采集0—20 cm 土樣，用于測定土壤銨態氮（NH4+-N） 和硝態氮（NO3?-N） 含量；同時采集0—5、5—10 和10—20 cm 土層土壤樣品用于測定微生物量碳（MBC） 和可溶性有機碳（DOC） 含量。土壤NH4+-N 采用靛酚藍比色法測定，土壤NO3?-N 采用雙波長紫外分光光度法測定。土壤MBC 含量采用氯仿熏蒸法測定，土壤可溶性有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[18]。水稻收獲時，在每個小區選取3個1 m2 長勢均勻的區域進行收割，測定水稻產量。

1.5 數據處理

1.6 數據分析

所有數據用 Excel 進行分析整理，用Origin 2021作圖，通過SPSS 19 進行統計分析。采用雙因素方差分析評價秸稈還田、水旱輪作模式及其交互作用對水稻產量、CH4、N2O 累積排放量、GWP 和GHGI的影響，并采用最小顯著法（LSD） 分析處理間差異的顯著性。采用 Pearson 相關性分析探究CH4 和N2O 排放與土壤理化性質的關系。數據呈現方式為均值±標準差，樣本數為3。

2 結果與分析

2.1 水稻季 CH4 和N2O 排放

各處理CH4 排放通量隨時間的變化趨勢基本一致。CH4 排放峰值出現在水稻分蘗前期（圖2A），隨后降低并趨于平穩狀態。其中，在CH4 排放峰期間，秸稈還田下稻麥、稻油模式的CH4 通量高于秸稈不還田，而稻肥模式秸稈不還田處理前期排放較高，后期明顯降低。與秸稈不還田相比，秸稈還田增加3 種輪作模式CH4 累計排放量（圖2B）。其中，秸稈還田下稻油、稻麥和稻肥模式的CH4 累計排放量分別比秸稈不還田下高出36.36%、25.83%和39.49%。秸稈還田下，稻油模式具有最高的CH4累計排放量（610.3 kg/hm2 ），分別比稻麥和稻肥高13.76% 和58.06%；秸稈不還田下，稻麥具有最高的CH4 累計排放量（319.8 kg/hm2），分別比稻油和稻肥高了14.09% 和72.08%。與稻肥輪作相比，稻油和稻麥輪作水稻季土壤CH4 排放在秸稈還田下高出44%～58%，在秸稈不還田下則高出58%～72%。

在水稻生長期間，N2O 排放峰值出現在移栽后到水稻分蘗前（圖2C），隨后開始逐漸降低并趨于平穩狀態。3 種輪作模式下，秸稈還田處理N2O 排放峰值均高于秸稈不還田處理。秸稈還田條件下稻油、稻麥和稻肥模式的 N2O 累計排放量分別比秸稈不還田下高29.14%，20.45% 和21.99% （圖2D）。秸稈還田下，稻油具有最高的N2O 累積排放量（4.2 kg/hm2），分別比稻麥和稻肥高12.97% 和30.30%；秸稈不還田下，稻麥N2O 累計排放量最高（2.4 kg/hm2），分別比稻油和稻肥高6.89% 和21.66%。與稻肥輪作相比，稻油和稻麥輪作水稻季土壤N2O 排放在秸稈還田下高出17%～30%，在秸稈不還田下則高出15%～22%。

2.2 秸稈還田和輪作模式對水稻季綜合增溫潛勢和溫室氣體排放強度的影響

水旱輪作模式和秸稈還田對水稻季綜合增溫潛勢（GWP） 均有顯著影響（表1，Plt;0.05）。秸稈還田下3 種輪作模式平均GWP 較秸稈不還田顯著增加31% （Plt;0.01）。秸稈還田條件下，稻油和稻麥輪作GWP 分別比稻肥模式高18.77% 和14.20%，而在秸稈不還田條件下的增幅分別為18.25% 和22.76%。

秸稈還田、輪作模式對GHGI 的影響分別達到0.01、0.05 顯著水平，秸稈還田的效應大于輪作模式，二者對GHGI 交互作用不顯著。秸稈還田下，稻油和稻麥輪作的GHGI 分別比稻肥模式高19.43%和11.93%；秸稈不還田下，稻油和稻麥模式的GHGI分別比稻肥模式高14.54% 和23.72%。秸稈還田下 3種輪作模式稻季土壤平均GHGI 較秸稈不還田高出32%。秸稈還田與不同輪作模式對后茬水稻產量均無顯著影響（表1，P gt;0.05）。

2.3 水稻季土壤溫度、含水量、NH4+-N 和NO3?-N含量的變化

土壤溫度隨著氣溫的升高而升高，種植到分蘗期間溫度穩定在30°C 以下，抽穗期間隨著溫度上升土溫也保持在30°C 以上，在成熟期降低（圖3A）。土壤含水量在水稻成熟期前保持在30% 左右，成熟期的曬田措施導致土壤含水量在該時期呈現出下降的趨勢（圖3B）。

不同處理下土壤NH4+-N 的變化趨勢基本一致，在分蘗期間出現較大的峰值，在水稻成熟期出現相對較小的峰值（圖3C）。秸稈還田下稻麥、稻油、稻肥模式的土壤NH4+-N 含量高于秸稈不還田。秸稈還田處理中，稻油NH4+-N 含量均值最高（5.31 mg/kg）；秸稈不還田下，稻肥NH4+-N 含量均值最高（4.86 mg/kg）。

土壤NO3?-N 含量的變化趨勢和土壤NH4+-N 含量的變化趨勢基本一致，峰值出現在移栽—分蘗期，整體呈現出先增加后降低的趨勢，隨后在穗期—成熟期出現較小峰值（圖3D）。另外秸稈還田處理下稻麥、稻油模式的NO3?-N 含量要高于秸稈不還田，稻肥模式NO3?-N 含量則呈現出相反的趨勢。秸稈還田下，稻麥NO3?-N 含量均值最高（1.11 mg/kg）。秸稈不還田下，稻肥NO3?-N 含量均值最高（1.14 mg/kg）。

2.4 水稻季土壤微生物量碳和可溶性碳含量的變化

水稻季土壤微生物量碳（MBC） 含量波動較大（圖4）。在0—5 cm 土層中，分蘗期、抽穗期微生物量碳含量表現為稻麥gt;稻油gt;稻肥，成熟期則呈現相反趨勢。在5—10 cm 土層中，稻肥輪作土壤微生物量碳含量分蘗期低，抽穗期和成熟期高，稻油、稻麥輪作土壤微生物量碳無明顯變化規律。在10—20cm 土層中，稻肥輪作土壤微生物量碳分蘗期和抽穗期高，成熟期低，在成熟期，秸稈還田條件下稻麥、稻油、稻肥輪作土壤微生物量碳依次降低。總體來看，秸稈還田下3 種輪作模式各土層微生物量碳含量均高于秸稈不還田處理，而且稻麥輪作土壤微生物量碳含量高于稻肥、稻油輪作。

水稻季土壤可溶性有機碳含量隨著土層深度的增加而降低（圖4），在秸稈還田下，0—5 cm 土層中稻油、稻麥、稻肥輪作土壤可溶性有機碳含量隨水稻生長而降低，稻肥輪作整個水稻生育期0—5、5—10 cm 土層可溶性有機碳含量均高于秸稈不還田，而稻麥、稻油輪作只在分蘗期、抽穗期可溶性有機碳含量大于秸稈不還田。10—20 cm 土層可溶性有機碳含量變化無明顯規律。總的來看，稻麥輪作0—5、5—10 cm 土層可溶性有機碳含量與稻油、稻肥輪作的差異主要出現在秸稈還田條件下的分蘗期和抽穗期。

2.5 稻田CH4 和N2O 排放與土壤理化因子的相關關系

相關分析（圖5） 顯示，秸稈還田條件下土壤CH4和N2O 排放與NO3?-N 含量正相關（Plt;0.01），秸稈不還田條件下，CH4 排放與NO3?-N 正相關（Plt;0.01），而N2O 排放與NH4+-N 正相關（Plt;0.01）。無論秸稈還田與否，CH4 和N2O 排放與土壤可溶性有機碳和微生物量碳均呈正相關（Plt;0.05）。秸稈還田處理下，5—10 cm 土層可溶性有機碳與0—5 cm 土層可溶性有機碳正相關（Plt;0.01），與10—20 cm 土層可溶性有機碳呈負相關（Plt;0.01）。0—5、5—10 cm 土層可溶性有機碳和微生物量碳間呈正相關（Plt;0.01）。秸稈不還田條件下，各土層微生物量碳和可溶性有機碳間均呈正相關（Plt;0.01）。

3 討論

3.1 秸稈還田對不同水旱輪作模式下水稻季CH4排放的影響

在水稻–油菜、水稻–小麥和水稻–紫云英3 種輪作模式下，前茬旱作秸稈還田均顯著增加了水稻季CH4 排放（圖2），這與陳乾[20]的研究結果一致。土壤中的產甲烷菌和甲烷氧化菌在CH4 產生和氧化過程中起著重要作用，它們的繁殖需要充足的底物和適宜的環境條件。而秸稈還田后釋放了大量的活性碳，提高了土壤微生物量碳和可溶性有機碳含量，為產甲烷菌提供了大量的含碳底物，進而促進了CH4 排放[21]。另一方面，本研究結果顯示無論秸稈是否還田，稻油和稻麥模式CH4 排放均顯著高于稻肥模式（表1）。其原因可能歸結于以下幾點：首先，相比于小麥和油菜，紫云英綠肥的秸稈還田生物量更少，繼而導致秸稈還田下在水稻季產生了較少的CH4；此外，紫云英是一種豆科綠肥，其秸稈碳氮比較低，更易于被微生物利用，也更有助于植物吸收，從而降低了土壤中碳底物的可用性[22]，如MBC和DOC （圖4），導致無秸稈還田下稻肥模式的CH4排放量最低。總之，3 種水旱輪作模式下稻肥具有較低的CH4 排放，而秸稈還田處理會增加CH4 排放。

3.2 秸稈還田對不同水旱輪作模式下水稻季N2O排放的影響

本研究結果表明，N2O 排放峰值出現在水稻移栽至分蘗期間。這主要是因為土壤N2O 的排放與NO3?-N 和NH4+-N 呈正相關（圖5），而移栽前基肥的施用增加了土壤 NO3?-N、NH4+-N 含量，為土壤硝化和反硝化作用提供了更多的反應底物，從而增加了N2O 的排放[23]；另一方面，水稻生長期間土壤長期處于淹水狀態，其氧化還原電位較低，不利于硝化過程的進行[24]，而分蘗前稻田排水曬田改善了土壤的好氧狀況，促進了硝化作用，例如，前人有研究表明淹水落干和干濕交替能顯著增加 N2O 排放[25]，因此我們在曬田期間同樣觀測到了N2O 的排放峰值。此外，本研究還發現，在稻油、稻麥和稻肥3 種模式下秸稈還田均增加了水稻季N2O 排放，主要原因在于N2O 產生主要來自于微生物的硝化和反硝化過程，而秸稈分解產生的活性碳可為反硝化菌提供電子受體，促進N2O 的產生[26]；此外，秸稈分解過程中釋放的有效氮可為硝化和反硝化菌提供能量，進而刺激N2O 的產生[27]。

稻油和稻麥輪作水稻季N2O 排放高于稻肥模式（圖2）。主要原因在于，首先冬季作物收獲后，油菜和小麥收獲后根茬仍然保留在稻田里，進行翻耕后增加了稻田土壤有機物含量，為硝化和反硝化微生物提供了大量底物[28]，而稻肥雖然也有紫云英根茬留在土中，但經過冬季的腐解，可為水稻季N2O 排放提供的底物有限[29]，繼而無秸稈還田下稻肥模式具有較低的N2O 排放。其次，與CH4 排放類似，受限于可利用底物（如硝態氮和銨態氮） 供應水平，相比于小麥和油菜秸稈還田，紫云英綠肥的秸稈還田生物量更少，繼而導致秸稈還田下在水稻季產生了較少的N2O[ 2 8 ? 2 9 ]。盡管如此，以往的研究卻表明短期內秸稈還田與不還田溫室氣體排放變化不大[30]，因而對于秸稈還田對溫室氣體排放的影響應進行長期的試驗驗證。

3.3 秸稈還田對不同水旱輪作模式下水稻季GWP和GHGI 的影響

本研究結果表明，秸稈還田對產量有一定的影響，但差異并不顯著，主要因為秸稈還田在短期內提高土壤養分含量的物質有限，因而對作物產量的提升效果有限，這一結果與劉麗華等[31]研究相符。秸稈還田顯著增加了3 種水旱輪作模式下單位面積的溫室氣體排放（GWP），這主要由于秸稈還田增加了CH4 和N2O 的排放[32]，然而由于這兩種溫室氣體的增加幅度高于產量的增幅，因此導致單位產量的溫室氣體排放（GHGI） 增加。與稻麥和稻油模式相比，由于稻肥模式的稻季CH4 和N2O 排放均較低，因此產生了更低的GWP，這說明水稻種植過程中引起的溫室效應受輪作模式影響。由于3 種輪作模式水稻產量差異不明顯，因此，稻肥模式較低的GWP 導致該模式的GHGI 最低，表明水稻?紫云英輪作在平衡水稻季環境和經濟效益中具有一定的優勢。

4 結論

秸稈還田顯著增加了3 個輪作模式水稻季的N2O和CH4 排放，進而增加了3 個輪作體系的綜合增溫潛勢（GWP） 和溫室氣體排放強度（GHGI）。不論秸稈還田與否，稻麥和稻油輪作由于較高的CH4 和N2O累積排放量，其水稻季單位面積和單位產量溫室氣體的增溫潛勢均顯著高于稻肥輪作。相關性分析表明，CH4 和N2O 的排放與土壤可利用性碳、氮濃度的升高有關。綜合分析，水稻–紫云英輪作是一種相對生態環境友好型的種植制度。