我国稻草资源丰富，2009年稻草资源总量达1.84亿t，占全国秸秆总量的21%^[1]。一些农民为省工省力，往往直接在田间焚烧稻草，不仅造成土壤有机质投入减少和资源浪费，还造成环境污染，严重影响农业的可持续发展。随着水稻机械收割技术的发展，稻草直接还田已经作为可持续的秸秆资源利用方式被广为提倡。目前，关于稻草还田对水稻产量的影响报道较多，有研究认为稻草还田可以显著提高晚稻产量^[2]，也有报道认为稻草还田有利于提高早稻产量，但对晚稻产量无影响^[3]，还有研究表明不管是早稻还是晚稻，稻草还田均能增加水稻产量^[4]。众多的研究一致指出稻草还田增加稻田CH₄的排放量^{[5, 6, 7, 8, 9, 10]}。总体上看，稻草还田对水稻产量和稻田CH₄排放均有较大影响。绿肥具有固定氮素、改善土壤物理性状、提高土壤养分含量等效果，对稻田培肥有着重要作用。我国南方稻区利用冬闲田种植绿肥是传统的生产方式之一。紫云英是我国南方稻区重要的冬种绿肥，研究表明，绿肥紫云英回田不仅能够提高水稻产量^{[11, 12]}，而且可以降低稻田CH₄的排放^[13]。

在华南双季稻区，由于农村劳动力的大量转移，水稻生产中有机肥的施用日趋减少，稻草还田和冬种绿肥成为维持地力的重要途径。由于稻草还田和绿肥对水稻产量及CH₄排放的影响都是分开研究的，关于稻草还田和冬种绿肥对水稻产量和稻田CH₄排放的共同影响及交互作用还未见报道，本文通过两年的田间试验，研究了稻草还田和冬种紫云英及其互作对华南双季稻产量和稻田CH₄排放的影响，旨在为华南双季稻高产低碳生产技术研究提供依据。 1 材料与方法 1.1 供试材料

供试水稻品种为常规稻合丰占，试验田位于广州市白云区钟落潭镇（23°17′N，113°23′E）的广东省农业科学院白云试验基地，土壤类型为砂质壤土，成土母质为河流冲积物和宽谷冲积物，有机质21.4 g·kg^-1，全氮1.13 g·kg^-1，铵态氮69.4 mg·kg^-1，有效磷65.6 mg·kg^-1，速效钾67.2 mg·kg^-1。2011年早季稻3月4日播种，4月10日移栽，晚季稻7月21日播种，8月7日移栽。2012年早季3月2日播种，4月4日移栽，晚季7月26日播种，8月12日移栽。株行距20 cm×20 cm，每穴插植3苗。 1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主因素为稻草处理，设稻草不还田和稻草全量还田2个水平，副因素为冬种绿肥处理，设冬闲和冬种紫云英2个水平，共4个处理：冬闲-稻草不还田（T1）、冬绿肥-稻草不还田（T2）、冬闲-稻草全量还田（T3）、冬绿肥-稻草全量还田（T4），每个处理重复4次，小区面积40 m²，小区间筑埂包膜以防肥料渗漏。各处理施肥量见表 1。双季稻氮肥（尿素）均按照基肥40%、分蘖肥20%、穗肥30%和粒肥10%的比例分配，磷肥（过磷酸钙）全部做基肥施用，稻草不还田处理（T1和T2）的钾肥（氯化钾）在分蘖中期和穗分化始期各施一半，稻草还田处理（T3和T4）的钾肥（氯化钾）在穗分化始期施用（为减少稻草还田带来的各处理钾素营养差异，稻草还田处理化学钾肥的量较稻草不还田处理减少一半）。早稻收割后将稻草全部切碎回田，平均还田量为5290 kg·hm^-2，晚稻收割后稻草不切碎全部直接覆盖还田，平均还田量为5493 kg·hm^-2。双季稻全生育期水分等按常规高产栽培管理，严格防治病虫草害。2011年冬种紫云英（T2和T4）仅施磷肥，全部在紫云英播种后30 d施用，2012年冬种紫云英（T2和T4）除在紫云英播种后30 d施用磷肥外，至60 d施用氮肥。2011年和2012年紫云英产量分别为10 900、14 467 kg·hm^-2，全部于早稻移栽前15 d翻沤还田。

表 1 2011 年和 2012 年早稻、 晚稻及冬种绿肥的化肥施用量 （kg · hm^-2 ） Table 1 Chemical fertilizer inputs for early and late season rice and winter green manure in 2011 and 2012 （ kg · hm^-2 ）

表选项

用静态暗箱-气相色谱法采集CH₄气体。采样箱分为顶箱、中段箱和底座三部分，顶箱和中段箱由4 mm厚PVC板制成，规格为60 cm×60 cm×60 cm，外部包有海绵和锡箔，用来反射太阳光及限制采样箱壁温度和箱内气温升高，保持取样时段箱内外温度的相对一致。底座由6 mm厚PVC板制成，上端有密封水槽。水稻移栽后在各处理小区安装静态箱底座，底座入土10 cm，其中有9株水稻。水稻移栽后的第3 d开始进行气体采集，以后每隔7 d采集1次。每次采样时间为上午9：00—11：00，取样时将采样箱垂直安放在底座凹槽内并用水密封，保证箱内气体与大气不进行气体交换。顶箱顶壁装有1个12 V的小电风扇，采样前将箱内风扇打开，使箱内气体混合均匀。于盖箱之后0、5、10、15 min采样，每次抽样70 mL放入真空玻璃瓶中备测。

采用经改装的气相色谱（Agilent 7890A，安捷伦科技有限公司，美国）测定CH₄，检测器是火焰离子检测器（FID），温度250 ℃，色谱柱温度为50 ℃。标准气体购于北京兆格气体科技有限公司。 1.3.2 产量及其构成

成熟期调查有效穗数，每小区取样12穴考种，测定每穗粒数、结实率和千粒重。各小区实收5 m²，脱粒，晒干扬净，称重，测水分，换算为含水量为14%的稻谷产量。 1.4 数据处理

稻田CH₄排放通量的计算公式如下：

F=ρ×h×[273/（273+T）] ×dC/dt

根据气样浓度与时间的关系曲线计算CH₄气体的排放通量，然后估算其排放量（平均通量值与整个作物生长期总小时数的乘积）。CH₄的排放强度为CH₄的排放量与水稻产量的比值。

数据处理及作图使用Excel 2007，统计分析采用Statistix 8.0软件进行，将年份、季节、冬作、稻草还田作为试验因子，分析各因子的主效应及互作效应，并比较差异显著性。 2 结果与分析 2.1 处理效应的方差分析

方差分析表明（表 2），水稻产量在不同稻草处理、不同季节、不同冬作处理间存在显著或极显著差异，不同年份间差异不显著，年份×季节的互作效应显著，其余的互作效应均不显著。CH₄排放量和CH₄排放强度在不同稻草处理间分别存在极显著和显著差异，在不同年份间、不同季节间也存在极显著差异，在不同冬作处理间无显著差异，除年份×季节×稻草的互作效应显著外，其余的互作效应均不显著。

表 2 产量、 CH₄ 排放量和 CH₄ 排放强度在年度间、 季节间及 稻草还田、 冬种绿肥处理间的方差分析 （ F 值 ） Table 2 Analysis-of-variance （ F-Values ） for grain yield， CH₄ emissions and CH₄ emission intensity between years， seasons， and straw incorporation and winter green manure treatments

表选项

从表 3可以看出，不同年份之间，产量无显著差异；产量构成因素中，有效穗数（F=17.7**，P<0.01）、每穗粒数（F=40.0**，P<0.01）和收获指数（F=19.0**，P<0.01）存在极显著差异，有效穗数和收获指数是2011年高于2012年，每穗粒数则是2012年高于2011年。不同季节之间，晚季产量高于早季，达极显著水平（F=190.6**，P<0.01）；产量构成因素中有效穗数（F=20.4**，P<0.01）、结实率（F=54.3**，P<0.01）和千粒重（F=55.2**，P<0.01）都存在极显著差异，且均是晚季高于早季，每穗粒数差异则不显著。不同稻草处理之间产量存在极显著差异（F=9.79**，P<0.01），2年4季平均，稻草还田处理较稻草不还田处理增产4.8%。稻草还田对每穗粒数（F=35.0**，P<0.01）和干物质积累量（F=26.4**，P<0.01）有极显著影响，稻草还田处理比稻草不还田处理分别提高7.2%和7.6%，而对有效穗数、结实率、千粒重和收获指数均无显著影响。冬种绿肥对水稻产量有显著影响（F=5.52*，P<0.05），2年4季平均，冬种绿肥处理较冬闲处理增产3.6%；在产量构成因素中，有效穗数（F=24.7**，P<0.01）和干物质积累量（F=13.4**，P<0.01）存在极显著差异，冬种绿肥处理比冬闲处理分别提高8.6%和5.3%，而每穗粒数、结实率、千粒重和收获指数均无显著差异。

表 3 不同处理的水稻产量及其构成因素 Table 3 Yield and its components of rice grains in different treatments

表选项

各处理稻田CH₄排放通量的季节性变化如图 1所示。2年4季稻田CH₄排放规律相似，各处理稻田CH₄排放通量都在水稻幼穗分化前达到峰值，在水稻幼穗分化后呈现排放低值，但2012年早季抽穗后的排放通量也较高。稻草还田处理提高了水稻幼穗分化前稻田CH₄的排放通量，冬种绿肥对稻田CH₄的排放通量影响不大。

图 1 稻草还田和冬种绿肥对稻田 CH4 排放动态的影响 Figure 1 Effects of rice straw and winter green manure incorporations on seasonal variations of CH4 emissions from paddy field

图选项

由表 4可知，在不同年份、季节和稻草还田处理之间，稻田CH₄排放量存在极显著差异。2011年高于2012年（F=18.5**，P<0.01），早季高于晚季（F=14.2**，P<0.01）。稻草还田处理的稻田CH₄排放量比稻草不还田处理提高41.8%（F=11.1**，P<0.01）。冬种绿肥处理的稻田CH₄排放量比冬闲处理略有提高，增幅为11.3%，但差异未达显著水平。CH₄排放强度与CH₄排放量趋势一致，2011年高于2012年（F=12.0**，P<0.01），早季高于晚季（F=25.0**，P<0.01）。稻草还田处理高于稻草不还田处理（F=6.35*，P<0.05），提高幅度为32.9%。冬种绿肥处理的稻田CH₄排放强度比冬闲处理提高7.6%，但差异未达显著水平。

表 4 不同处理的稻田 CH₄ 排放量和 CH₄ 排放强度 Table 4 Quantity and intensity of CH₄ emissions in different treatments

表选项

许多研究发现稻草还田可提高水稻产量^{[2, 3, 4, 14, 15, 16]}。本研究认为，在化学氮、磷养分量相同、化学钾肥减半的情况下，稻草全量还田具有极显著的增产作用，其主要原因是每穗粒数增加，干物质积累量提高，与周江明等^[17]和陈万明等^[18]结论一致。然而，彭英湘等^[4]认为稻草还田增产的主要原因是增加了有效穗数，而何虎等^[14]报道稻草全量还田配施适量的氮肥，水稻增产8.8%，产量构成因子中有效穗数、结实率和千粒重均显著提高，与本研究的结果不同。我们的前期研究表明，稻草还田显著促进水稻幼穗分化期间的氮素吸收，可能是稻草还田处理每穗粒数增加的主要原因^[19]。

众多研究指出稻草还田增加了稻田CH₄排放量。江淮地区研究报道，湿润直播稻和移栽稻稻草还田显著提高稻田CH₄排放量，而旱直播稻中稻草还田对稻田CH₄排放量影响不显著^[5]。南京的研究指出，稻草不还田减少稻田59.0%的CH₄排放量^[6]。据伍芬琳等^[7]报道，在翻耕的情况下，稻草还田主要增大晚稻生长季和冬闲季节的CH₄排放，对早稻生长季的影响较小。Naser等^[8]指出，稻草还田显著提高稻田CH₄排放量，并且稻田CH₄排放量随着还田稻草量的增加而增加。陈苇等^[9]研究指出，稻草无论翻施或表施均显著提高稻田CH₄排放量，但稻草表施明显降低水稻分蘖期的CH₄排放速率，使稻田CH₄总排放量降低11.3%。Yagi等^[10] 的研究也发现，稻草还田提高了稻田CH₄排放速率。本研究2年4季综合分析表明，稻草还田极显著增加稻田CH₄排放量，增幅达41.8%，与前人的研究结论一致。

稻草还田一方面提高了水稻产量，另一方面却增加了稻田CH₄排放量。如何缓解这两方面的矛盾，实现高产低碳生产，还需要进一步研究。以往的研究表明，稻草覆盖还田和免耕还田可减少稻田CH₄的排放^{[20, 21, 22]}，改进水分管理可显著减少CH₄排放^[23]。在稻草还田情况下，如何改进水分管理、减少CH₄排放，值得进一步探讨。 3.2 冬种绿肥对水稻产量和稻田CH₄排放的影响

冬种绿肥促进水稻增产^{[11, 12]}。黄庆裕^[24]在广西的研究结果表明，紫云英适宜压青量为15 000~22 500 kg·hm^-2，可使早稻增产7.1%~10.4%，晚稻增产2.6%~4.5%。刘英等^[25]在安徽的试验指出，配施22 500 kg·hm^-2紫云英绿肥，水稻产量最高，而继续增施紫云英水稻产量反而下降。本试验2年紫云英的产量分别为10 900、14 467 kg·hm^-2，全部回田，双季稻平均产量比冬闲处理提高3.6%，与前人的研究结果基本一致。紫云英回田增加了早季水稻的产量，增产的主要原因是增加了有效穗数，与他人的研究结果一致^{[25, 26]}，这可能与紫云英前期腐解较快，增加了水稻分蘖期氮素供应，从而促进了水稻分蘖发育有关^{[27, 28]}。

以往关于种植绿肥对稻田CH₄排放影响的报道结论不尽一致。荣湘民等^[13]对比研究了4种稻作制，结果显示：稻-稻-绿肥（紫云英）CH₄的排放量最小，明显低于稻-稻-冬闲的耕作制。而Van der Gon^[29]在菲律宾的研究则表明，施用绿肥（田菁）增加了稻田CH₄的排放。本研究结果显示，冬种绿肥（紫云英）处理的稻田CH₄排放量比冬闲处理增加了10.2%，差异不显著。化肥生产是中国能源消耗和温室气体排放的重要组成部分^[30]。紫云英是典型的固氮植物，冬种紫云英回田可以替代部分化学氮肥，从而减少水稻化学氮肥用量和化学氮肥生产过程中的温室气体排放。综合考虑绿肥的增产、固氮、减排和土壤培肥等效应，冬种紫云英可作为华南双季稻区低碳高产栽培的有效技术措施之一。 3.3 稻草还田和冬种绿肥的互作效应

以往关于稻草还田与冬种绿肥互作方面的研究鲜有报道。本研究中，稻草还田×冬种绿肥的互作效应不显著，说明稻草还田和冬种绿肥对水稻产量和稻田CH₄排放的作用是彼此独立的，最佳稻草处理与最佳冬种处理的组合是最优的处理组合。从增产效果来看，稻草还田和冬种紫云英的处理组合是最优的，但其稻田CH₄排放也是最多的。在稻草还田结合冬种紫云英的条件下如何减少稻田CH₄排放，是水稻低碳高产栽培中亟待解决的问题。 4 结论

（1）与稻草不还田相比，稻草全量还田显著提高水稻产量，增产幅度为4.8%。稻草还田极显著增加稻田CH₄排放量和CH₄排放强度，增幅分别为41.8%和32.9%。

（2）与冬闲处理相比，冬种紫云英绿肥处理的水稻产量提高3.6%，增产达到显著水平；稻田CH₄排放量和CH₄排放强度提高，增幅分别为11.3%和7.6%，但差异均未达到显著水平。综合考虑水稻产量和CH₄排放等方面的表现，冬种紫云英可作为华南双季稻区低碳高产栽培的有效技术措施之一。

（3）稻草还田和冬种绿肥之间不存在显著的互作效应。