甲烷（CH₄）是与全球气候变化关系密切的痕量温室气体，其对温室效应的贡献仅次于二氧化碳（CO₂）。稻田是大气CH₄重要的生物排放源，年排放量为3100万t~11 200万t，占全球总排量的5%~19%^[1]。中国稻田面积约占世界水稻种植总面积的23%，水稻播种面积位居世界第二^[2]，中国稻田CH₄排放受到国际社会的普遍关注。双季稻在我国具有广泛的种植面积，其播种面积占我国水稻总播种面积的64.7%^[3]，因而双季稻区温室气体CH₄排放的研究也是近年来国内农田生态环境的研究热点。

周年的观测数据是准确估算稻田CH₄排放量的重要依据。前人对稻田温室气体排放的观测主要集中在水稻生长季，而包含休闲期或非水稻生长季的完整观测资料仅有少数研究报道^{[4, 5]}，南方双季稻田CH₄排放周年的观测资料相对较为缺乏（观测年份≥1年）。因此，对南方双季稻区稻田CH₄周年排放进行观测是对中国稻田CH₄排放数据库的重要补充。

我国农作物秸秆资源相当丰富，被燃烧和废弃的秸秆高达45%~60%^[6]，不仅浪费了有机物资源，同时也污染了环境。稻草还田是稻草资源综合利用、促进农田生态系统良性循环的一种重要方式，也是稻田有机碳重要的补充形式，但稻草还田显著增加稻田CH₄排放^{[7, 8]}。已有研究表明，通过适当调整稻季不同耕作模式^{[9, 10]}、稻草还田方式^{[11, 12, 13]}可显著降低稻田CH₄排放，但冬闲季稻草还田对稻田CH₄排放的影响研究鲜有报道，周年稻草还田和耕作调控措施对双季稻田CH₄排放及其综合温室效应的影响也有待进一步研究。因此，采用田间试验研究双季稻田不同稻草还田方式及耕作模式下对全年CH₄排放及其温室效应的影响，为探索双季稻田CH₄减排的稻草还田和耕作综合调控模式提供理论基础。 1 材料与方法 1.1 试验地点

试验地点位于湖南省长沙县干杉乡大屋组水稻田（28°08′18″N，113°12′0″E），当地海拔42 m，年平均温度为17.1 ℃，年降水量1500 mm，年积温（≥10 ℃）5300~6500 ℃，为南方典型的双季稻种植区。土壤类型为第四纪红壤发育的红黄泥水稻土，土壤pH（H₂O） 6.1，有机碳15.7 g·kg^-1，全氮1.56 g·kg^-1，全磷0.61 g·kg^-1，全钾8.7 g·kg^-1，碱解氮146 mg·kg^-1，有效磷7.1 mg·kg^-1，速效钾53 mg·kg^-1。 1.2 试验处理

大田试验始于2011年4月，共设置5个处理，每个处理3次重复，试验小区为24 m²，田间随机排列。5个处理分别为：

（1）无草翻耕（CK）处理：水稻翻耕且周年稻草不还田；（2）焚烧翻耕（BST）处理：早稻翻耕稻草不还田，晚稻翻耕焚烧稻草还田，冬季休闲焚烧稻草还田；（3）稻草覆盖（SNTH）处理：早稻免耕稻草不还田，晚稻免耕覆盖早稻草还田，冬季休闲稻草高桩还田；（4）冬埋稻免（SNTB）处理：早稻免耕稻草不还田，晚稻免耕覆盖早稻草还田，冬季休闲稻草翻埋还田；（5）冬埋稻翻（STB）处理：早稻翻耕稻草不还田，晚稻翻耕稻草还田，冬季休闲稻草翻埋还田。

各处理早、晚稻季施用化肥量保持一致，均按照当地农民习惯进行施肥（表 1）。氮肥80%做基肥与磷肥、钾肥一次性施入，另外20%的氮肥做分蘖期肥施入。稻草还田量：晚稻季稻草还田量为3675 kg·hm^-2；休闲季稻草还田量6750 kg·hm^-2。稻草切割成约30 cm长均匀撒施土表（覆盖还田）、利用耕作与土混匀（翻耕还田）、翻埋在土壤15 cm处（翻埋还田）、机收后保留高桩并将碎草撒于表面（高桩还田）。水稻品种为湘早籼24号（早稻）和岳优9113（晚稻）。早稻和晚稻分别于3月26日和6月18日播种，4月27日和7月20日移栽，5月30日和8月15日开始晒田，6月11日和8月25日覆水，6月25日和9月8日田面落干，7月10日和10月23日收获。

表 1 不同处理施肥情况 （kg · hm^-2 ） Table 1 Fertilizer rates for different treatments

表选项

从2011年晚稻收获后至2012年晚稻收割后对周年CH₄排放进行田间原位观测，CH₄气体采用密闭静态箱法，采样箱箱底直径55 cm，高120 cm。每周采集气体样品1次，每次采集均在上午9：00—11：00完成。分别在罩箱后的0、10、20、30 min用50 mL注射器从箱中抽取气体。气体样品采用Agilent 7890A气相色谱仪进行分析，检测器FID，检测温度250 ℃，柱温50 ℃，标准气体由国家标准物质中心提供。稻田CH₄排放通量计算公式参阅文献^[14]。增温潜势计算：在100 a尺度上CH₄的相对增温潜势（Global warming potential，GWP）为CO₂的25倍，由此计算出CH₄的二氧化碳当量。甲烷增温潜势：GWP=25×CH₄；GWP表示温室气体增温潜势，单位kg CO₂·hm^-2。 1.4 数据统计与分析

运用Excel 软件和SPSS 17.0软件进行数据统计与分析，多重比较的显著性检验均采用Fisher′s LSD法。 2 结果与分析 2.1 不同稻草还田模式对冬闲季CH₄排放通量变化的影响

不同稻草还田模式冬闲季CH₄排放通量情况如图 1所示。晚稻收割后稻田开始休闲，CH₄排放强度逐渐减弱，CH₄排放较少，2012年早春各处理CH₄排放有所上升，但升高幅度并不大，而STB和SNTB处理从3月开始CH₄排放通量迅速增加，这种较高的CH₄排放通量一直持续到早稻移栽后。冬闲季不同处理CH₄平均排放通量范围在0.17~0.38 mg·m^-2·h^-1之间，稻草还田的STB、SNTB、SNTH和BST处理CH₄平均排放通量较CK处理分别显著（P<0.05）增加126.7%、95.8%、22.2%和28.4%，而STB与SNTB处理排放通量差异不显著，但均比SNTH和BST处理CH₄平均排放通量显著（P<0.05）增加43.4%和46.1%。该结果表明冬闲季翻埋稻草增加CH₄排放通量，在早稻移栽前期尤其明显。

图 1 不同稻草还田模式下冬闲季 CH4 排放通量变化 Figure 1 CH4 fluxes of rice fields under different rice straw returning during winter fallow

图选项

不同模式对双季稻CH₄排放通量季节变化的影响如图 2所示。可以看出，水稻生长季CH₄排放具有明显的季节性特征，呈先增后降的单峰型排放规律。

图 2 不同稻草还田模式下双季稻 CH4 排放通量季节变化 Figure 2 CH4 fluxes of double cropping rice fields under different straw returning during rice growth

图选项

早稻移栽后各处理CH₄排放迅速升高，20 d左右，除STB和SNTB处理外，其他各处理CH₄排放通量降低，而STB和SNTB处理CH₄排放通量持续增加直至最高峰，但SNTB处理CH₄排放通量持续升高时间至水稻移栽后30 d左右（开始晒田）有所降低，STB处理持续时间更长，至水稻移栽后的47 d左右各处理CH₄排放通量达到峰值，排放峰值大小顺序为：STB（22.92 mg·m^-2·h^-1）>CK（17.51 mg·m^-2·h^-1）>SNTH（17.07 mg·m^-2·h^-1）>BST（15.93 mg·m^-2·h^-1）> SNTB（14.86 mg·m^-2·h^-1）。不同处理的CH₄平均排放通量范围在5.73~10.65 mg·m^-2·h^-1之间，与CK处理相比，STB、BST和SNTB处理CH₄平均排放通量显著（P<0.05）增加85.9%、15.1%、17.2%，而SNTH处理较CK处理CH₄排放通量增加不显著，晚稻季CH₄平均排放通量在4.55~8.97 mg·m^-2·h^-1之间。与CK处理相比，稻草还田显著增加CH₄排放，增加幅度为43.2%~97.1%（P<0.05），与STB处理相比，BST、SNTH和SNTB处理的CH₄排放显著（P<0.05）降低27.3%、25.9%和27.2%。 2.3 不同稻草还田模式双季稻各生育期CH₄累积排放贡献率

不同稻草还田模式下双季稻各生育期CH₄累积排放贡献率见表 2。早稻不同生长时期CH₄累积排放量，除SNTB处理分蘖期CH₄累积排放量占季节排放总量比例最大外，其他各处理均以孕穗乳熟期CH₄累积排放量占季节排放总量比例最大，占排放总量的53.5%~63.1%，返青期和成熟期CH₄排放量均较小。晚稻季水稻分蘖期则是CH₄排放的主要时期，各处理分蘖期排放占季节累积排放总量的68.4%~76.0%，稻草还田分蘖期CH₄排放量是稻草不还田处理的1.3~1.8倍，除稻草直接还田外，其他稻草还田方式各处理之间分蘖期CH₄累积排放量差异不显著，但均较稻草不还田显著增加CH₄排放，表现出增加稻田外源有机质对CH₄排放的显著刺激作用。

表 2 双季稻各生育期 CH₄ 累积排放量的贡献率 Table 2 Percentages of cumulative CH₄ fluxes of different growth stages in double cropping rice fields

表选项

不同稻草还田模式CH₄排放总量及增温潜势见表 3。双季稻季CH₄排放总量大小顺序为STB> SNTB>BST>SNTH>CK，其中SNTH、BST和SNTB处理间差异不显著。稻草还田均显著（P<0.05）增加CH₄排放，增幅为25.9%~92.8%，各处理周年CH₄排放量范围在214.40~413.32 kg·hm^-2，与STB处理相比，BST、SNTH和SNTB处理分别降低了136.86、143.42、130.37 kg·hm^-2的CH₄排放，差异均达显著水平。冬闲季CH₄累积排放量占全年总排放量的3.3%~5.2%，平均值为4.0%，而双季稻田早、晚稻季CH₄排放量占全年CH₄排放总量比例平均为43.9%和52.1%。

表 3 不同稻草还田模式 CH₄ 周年排放量及其增温潜势 Table 3 Annual CH₄ emission and GWP of double cropping rice fields with different rice straw returning

表选项

各处理CH₄周年温室效应大小顺序为STB> BST>SNTB>SNTH>CK。与CK处理相比，各稻草还田处理CH₄增温潜势较稻草不还田显著增加1.2~1.9倍，与STB处理相比，BST、SNTH和SNTB处理温室效应显著（P<0.05）降低33.1%、34.7%和31.5%。结果表明焚烧稻草还田、稻季稻草覆盖还田和冬季留桩或翻埋稻草处理能够显著降低CH₄排放引起的温室效应，但是焚烧稻草还田可能会引起其他环境问题，该方法不可取，而覆盖免耕还田和稻季免耕覆盖稻草，加上冬闲季翻埋稻草则可以作为双季稻田的稻草还田并减排CH₄的稻草利用模式。 3 讨论 3.1 稻季CH₄排放特征

本研究得出双季稻田早、晚稻CH₄季节排放均呈单峰型。无论早稻、晚稻，在水稻移栽后CH₄排放迅速，形成排放高峰，晒田期由于田面水迅速落干，导致CH₄排放迅速降低至最低点，随后覆水CH₄排放略有回升；水稻成熟期，田面落干，土壤通气性增强，厌氧环境被破坏，因此CH₄排放减少，与其他研究结果基本一致^{[14, 15]}。晚稻分蘖期CH₄排放占稻季累积排放总量比例最大，与前人研究^[16]结果一致。早稻季节以孕穗乳熟期CH₄累积排放量占排放总量比例最大，可能原因是冬闲季稻草还田对后续季稻田CH₄排放产生了影响：（1）稻田CH₄排放与土壤有机物含量具有密切关系，稻草还田为微生物活动提供了大量的碳源，促进微生物生长，有机物在分解过程中消耗O₂，创造厌氧环境，土壤Eh迅速下降，加剧CH₄产生的发酵过程；（2）不同稻草还田方式及其分解速率存在差异^[17]，本研究中冬季稻草还田为焚烧、留桩和翻埋还田，不同稻草还田方式稻草腐解情况及对早稻季CH₄产生提供有机底物的贡献有待进一步研究；（3）早稻季节降雨丰富，田面淹水形成厌氧环境或厌氧微区，增加了CH₄排放。 3.2 冬闲季CH₄排放特征

冬闲季CH₄排放整体呈现高-低-高的变化趋势，主要是2011年11—12月CH₄排放通量相对较高，可能水稻收获后长势良好的再生稻出现，增加了CH₄的排放，2012年1—2月，由于气温较低，微生物活性减弱，CH₄排放降低，3月开始由于温度升高，CH₄排放通量又逐渐加大，与马秀梅等^[18]研究四川冬闲季CH₄排放和余佳等^[19]研究江西冬水田CH₄排放规律基本一致。冬闲季平均排放通量范围在0.17~0.38 mg·m^-2·h^-1之间，与白小琳等^[20]研究结果一致，而与江长胜等^[21]研究川中丘陵区冬灌田CH₄平均排放通量为1.43~5.82 mg·m^-2·h^-1相比，两者相差8~15倍。这主要是因为本研究中冬季田没有淹水环境，且气温较低，微生物活性弱导致CH₄排放较低。冬闲季排放总量与唐海明等^[16]的结果相似，而比余佳等^[19]的结果高近10倍，与刘惠等^[22]研究得出的华南地区冬闲稻田是大气CH₄的汇以及白小琳等^[20]研究冬闲季稻田CH₄排放接近于零的结论相悖，主要原因可能是地域、气候条件、土壤结构存在差异，另外冬闲季稻田是否淹水对CH₄排放影响很大。 3.3 稻草还田对CH₄排放的影响

稻草还田一方面可作为氮肥投入抑制CH₄的吸收，另一方面，稻草还田增加了产CH₄的基质，这种抑制吸收和促进生成的双重作用使得稻草还田显著增加CH₄排放^[23]。在施入等量有机肥时，施用方式会对水稻生产系统的经济和环境效应有较大的影响。本研究表明，稻季稻草还田较稻草不还田显著增加CH₄排放，稻草直接还田CH₄排放最高，可能是因为翻耕还田稻草与土壤接触完全，处于还原状态，产生CH₄的可能性较大。这与前人研究^{[9, 13]} 结果一致。翻耕稻草焚烧还田较免耕稻草覆盖还田的CH₄排放较高，可能是因为稻草焚烧灰分里仍含有一定量的有机碳，有机碳的快速分解加速了土壤淹水后氧化还原电位的下降^[12]。覆盖还田稻草主要在农田表面，同时采取免耕措施，减少了稻草与土壤的接触，部分稻草在土壤表层进行有氧降解，其降解产物在土壤氧化层中还原产生CH₄的可能性较小，主要以最终分解产物CO₂形式排放，降低了因施稻草CH₄排放的增加值^[24]。冬闲季稻草翻埋较留桩或稻草焚烧还田显著增加CH₄排放，主要是增加了早稻移栽前的CH₄排放通量。其原因是冬闲季稻田温度较低，微生物活性减弱，翻埋于土壤中的稻草腐解和矿化作用十分缓慢，保留了大量的有机物料，为产甲烷细菌提供了丰富了基质，另外冬闲季稻草翻埋，导致耕层土松动，土壤孔隙较多，土壤还原层与土表的通气性增强，因此CH₄排放较其他处理显著升高。与冬季焚烧稻草还田相比，高桩还田增加了CH₄排放量，表明高桩有利于根系有机质的补充，更有利于CH₄向大气的传输，再生稻的生长也是增加CH₄排放的原因，而焚烧稻草还田的土壤表层稻草灰分等有机质不易渗入水稻根系产CH₄区，导致CH₄排放相对较小。

不同稻草还田方式中，焚烧稻草或稻草覆盖还田方式均较稻草直接还田显著降低了CH₄排放，稻草焚烧还田，其稻草含有的大部分有机碳在燃烧过程中以气体形式损失掉^[25]，带来了新的环境问题，故稻草覆盖免耕才是降低双季稻田CH₄排放的有效措施。 3.4 耕作措施对稻田CH₄排放的影响

耕作方式对土壤的生态环境有重要的影响，通过影响土壤的物理性质、化学性质和生物学过程直接或间接地影响CH₄排放^[26]。本研究表明，稻田免耕能够显著降低CH₄排放，与前人研究结论一致^{[20, 27]}。原因可能是翻耕破坏了土壤原有结构，降低了土壤对CH₄的氧化^[28]，免耕则增加了CH₄的氧化，降低土壤CH₄汇集强度^[29]，同时稻田免耕使得更多的毛孔连贯在一起，更多的有利甲烷氧化菌繁殖的生态位使得免耕稻田对CH₄吸收强于翻耕稻田^[30]，免耕稻草覆盖于土壤表面导致土壤不能接收太阳辐射而升温较慢，产生的CH₄相应较少^[31]。土壤微生物主要集中在0~10 cm的土层，免耕处理秸秆直接覆盖表面还田，秸秆富集土壤表层，土壤内部产甲烷基质供应能力下降时CH₄排放量小。研究表明，稻季稻草覆盖免耕，冬闲季翻埋稻草比冬闲季留桩周年CH₄排放量高，但两者差异不显著，冬闲季留桩不利于充分利用晚稻收获后的稻草资源，故冬闲季翻埋稻草是一种合理的稻草还田方式。在输入等量外源有机质前提下，稻季免耕显著降低CH₄排放，而长期免耕对水稻生态系统的生态和经济的综合效应评价有待进一步研究，双季稻免、翻耕周年的调控模式也有待继续研究，这些研究将为今后稻田增碳减排政策的制定提供更多选择。如需减少稻草还田引起的CH₄显著排放，应采取科学的措施处理水稻残茬。双季稻稻季免耕稻草覆盖还田，减少了将稻草移除的用工，结合良好的现代农机作业，在晚稻收获后冬闲季稻草翻埋于土壤深层或留桩还田，将有利于充分利用稻草资源，并减少CH₄排放引起的温室效应，其中冬闲季翻埋稻草更有效。 4 结论

双季稻田早、晚稻季CH₄排放量占全年CH₄排放总量比例平均为43.9%和52.1%，冬闲季CH₄排放比例很小，仅为4.0%；稻草还田显著增加了周年CH₄排放总量，增加幅度为25.9%~92.8%，与稻草直接还田相比，稻季免耕覆盖稻草还田，结合冬闲季稻草留桩和翻埋稻草显著降低CH₄排放。周年温室效应大小顺序为STB>BST>SNTB>SNTH>CK，双季稻田稻季稻草覆盖免耕还田、冬季翻埋稻草还田或留桩还田处理能显著减缓稻草直接还田下CH₄排放引起的温室效应，其在南方双季稻区是一项可行的CH₄周年减排的稻草还田调控技术模式。