2018, Vol. 37文章信息
- 成臣, 杨秀霞, 汪建军, 程慧煌, 罗亢, 曾勇军, 石庆华, 商庆银
- CHENG Chen, YANG Xiu-xia, WANG Jian-jun, CHENG Hui-huang, LUO Kang, ZENG Yong-jun, SHI Qing-hua, SHANG Qing-yin
- 秸秆还田条件下灌溉方式对双季稻产量及农田温室气体排放的影响
- Effect of different irrigation methods on rice yield and greenhouse gas emissions under crop residue incorporation in double rice-cropping systems
- 农业环境科学学报, 2018, 37(1): 186-195
- Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(1): 186-195
- http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2017-0893
文章历史
- 收稿日期: 2017-06-22
- 录用日期: 2017-09-01
近百年来，全球气候正在发生以变暖为主要特征的显著变化，人类社会生产生活引起的温室气体排放是全球气候变暖的主要原因[1]。农田作为陆地的主要组成部分，它是温室气体的重要排放源。据估计，全球每年农业温室气体排放量为5.1~6.1 Pg CO2-equivalents（CO2-eq），其中农业CH4和N2O排放量分别占全球排放总量的60%和50%[2]。因此，如何减缓农田温室气体排放受到各国政府和农业环境科学家的广泛关注。秸秆还田可以改善农田土壤理化性状，提高土壤质量和养分循环利用效率，增加作物产量，对我国农业可持续发展具有重要作用[3]。然而诸多研究表明，在淹水条件下秸秆还田会导致稻田CH4大量排放，而稻田CH4和N2O排放又存在互为消长的关系[4-6]。为此，在评价秸秆还田生产效益的同时，不仅需要考虑如何实现稻田温室气体减排，还需综合评估各种温室气体所产生的综合温室效应。
南方稻区是我国最重要的粮食主产区之一，对保障我国粮食安全起着不可替代的作用。双季稻种植是我国南方稻区重要的农业生产模式，秸秆资源丰富且相对集中。近年来，以秸秆还田为核心内容的保护性耕作技术在南方稻区被广泛推广应用[7]。但在秸秆利用过程中存在一系列的问题，通过何种方式合理利用秸秆资源，降低秸秆还田对作物生长和温室效应的负面影响，是目前南方双季稻生产最重要问题之一。在秸秆还田过程中，不同利用方式对秸秆腐解、稻田温室气体排放及水稻生产发育的影响不同[4]。大量研究表明秸秆配施化肥[8]、腐解剂[9]、石灰[10]、生物炭[11]等可以改善秸秆利用。不同灌溉方式是影响稻田CH4排放和水稻产量的又一重要农田管理措施[12]，同时我国还是水资源严重短缺的国家，因此，在双季稻生产中如何优化灌溉方式将对我国南方稻区秸秆及水资源合理利用具有重要意义。然而目前在秸秆还田条件下开展的灌溉方式研究并不多，能否通过改变灌溉方式同步实现水稻高产与温室气体减排还不够明确。为此，本研究以双季稻为对象，通过田间定位试验，系统分析了秸秆还田条件下不同灌溉方式对双季稻产量、稻田CH4和N2O排放以及综合温室效应的影响，以期为采取适宜灌溉措施，减缓稻田温室气体排放提供参考。
1 材料与方法 1.1 试验点概况试验地点位于江西省进贤县温圳镇杨溪村（116°5′28″E，28°20′10″N）。供试土壤为第四纪红色粘土发育的潴育型水稻土，属酸性简育水耕人为土。年均温度为17.5 ℃，全年1月平均温度最低，为5 ℃；7月平均温度最高，为29 ℃；日照时数平均为1900~2000 h；年均降雨量为1587 mm，水资源丰富。试验前耕层土壤（0~20 cm）有机碳含量为21.8 g·kg-1，全氮为3.74 g·kg-1，速效钾为98.0 mg·kg-1，速效磷为24.5 mg·kg-1，土壤pH值为5.31。
1.2 试验设计试验时间为2013年3月至2016年3月。试验设3种灌溉方式：①持续淹水（F），插秧后田间一直保持淹水状态，在收获前1~2周排水落干；②中期烤田（F-D-F），插秧后淹水，在分蘖末期烤田，复水后保持淹水状态至收获前1~2周；③间歇灌溉（F-D-F-M），插秧后淹水，在分蘖末期烤田，复水后采用干湿交替的灌溉方式至收获前1~2周。每个处理分别设3个小区，各小区面积均为54 m2，所有小区随机区组排列。各处理水层深度实际情况见图 1（以2014年为例）。本试验每年种植制度为早稻-晚稻-紫云英，早稻和晚稻移栽前分别采用旋耕机耕地4遍，冬季采用免耕种植方式。其他管理措施采用当地常规种植方式。
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| 图 1 2014年水稻生长季田间水层深度变化 Figure 1 Temporal variation of water depth during the double rice-growing seasons in 2014 |
所有小区均采取双季稻秸秆全量还田和冬种紫云英的保护性耕作制度。早稻和晚稻供试品种分别为中嘉早17和五丰优T025。紫云英在晚稻收割前25 d播种，播种量为30~37.5 kg·hm-2。秸秆采用全量还田方式，水稻秸秆由久保田半喂入式联合收割机在收割水稻时同步进行粉碎，其切割长度为5 cm左右。晚稻收获后，各小区水稻秸秆粉碎施入相应小区表层作为紫云英的覆盖物，次年紫云英鲜草按三等分与晚稻秸秆共同耕翻至相应小区，作早稻基肥。早稻收获后，将各小区水稻秸秆粉碎施入相应小区中，作晚稻基肥。本试验施用氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾，分别以N、P2O5和K2O计，早稻季三者用量分别为150、75 kg·hm-2和135 kg·hm-2，其中氮肥按基肥:分蘖肥:穗肥=5:2:3施用，磷肥作基肥一次性施用，钾肥按基肥:穗肥=7:3施用。晚稻季用量分别为180、75 kg·hm-2和150 kg·hm-2，其中氮肥按基肥:分蘖肥:穗肥=4:2:4施用，磷肥和钾肥施肥比例同早稻。
1.3 样品获取与测定 1.3.1 产量及其构成因素在成熟期每处理调查3个重复，每重复调查100蔸水稻的有效穗数。按平均有效穗选取考种样，每小区分别取样5蔸，调查每穗粒数、结实率及千粒重。每小区选取6 m2进行实际测产。
1.3.2 干物质生产抽穗期和成熟期按照平均有效穗法取样，每小区取5蔸，将水稻植株根减除、清洗，置于烘箱内105 ℃杀青15 min后，将烘箱温度调至80 ℃至样品恒重。
1.3.3 CH4和N2O的采集与测定CH4和N2O采用静态箱法采集。静态箱采用不锈钢板制成，规格为50 cm×50 cm×50 cm（当水稻生长高度超过50 cm时增加一个同规格双向开口的箱体，即高度变为100 cm）。每小区固定采样底座1个，底座上部有5 cm深的凹槽，测定时加水密封。水稻生长季（早稻和晚稻）采样间隔为3~4 d，紫云英生长季（冬季）一般为15 d。采气时间为上午9：00-11：00，CH4和N2O气体浓度采用Agilent 7890b气相色谱测定，CH4检测器为FID，N2O检测器为ECD。CH4和N2O采集和测定方法参考文献[13]。CH4和N2O气体排放通量计算公式为：
(1) 式中：F为气体排放通量，mg·m-2·h-1或μg·m-2·h-1；ρ为标准状态下气体的密度，kg·m-3；h为采样箱的净高度，m；dc/dt为单位时间内采样箱内气体的浓度变化，10-6 mol·mol-1·min-1或10-9 mol·mol-1·min-1；T为采样过程中采样箱内的平均温度，℃。
1.4 数据计算与统计方法 1.4.1稻田CH4和N2O周年累积排放量计算公式为：
(2) 式中：Tn为CH4或N2O周年累积排放量，kg·hm-2或kg N·hm-2；Fi为两次采样间CH4、N2O日排放通量平均值，mg·m-2·h-1或μg·m-2·h-1；Di为两次采样间隔天数，d。
1.4.2 全球增温潜势和温室气体强度的计算本研究估算了2013-2015年3个处理的CH4和N2O排放的全球增温潜势（Global Warming Potential，GWP）和温室气体排放强度（Greenhouse Gas Intensity，GHGI）。GWP是将气体和相同质量CO2相比较下，造成全球暖化的相对能力，其中100年CH4的GWP为25，N2O的GWP为298[14]。GWP（kg CO2-eq·hm-2·a-1）计算公式如下：
(3) GHGI表示农业中生产单位产量的粮食对气候的潜在影响（kg CO2-eq·kg-1）。
(4) 式中：Y为周年产量，kg·hm-2。
1.4.3 结实率及收获指数结实率是指禾谷类作物饱满谷粒占颖花总数的百分率。
收获指数是作物收获时经济产量（籽粒、果实等）与生物产量之比，又名经济系数。就水稻的收获指数而言，其为水稻产量与成熟期总干物质的比值。
1.4.4 数据处理试验数据均采用Microsoft excel 2010和DPS 7.05软件进行分析和处理，制图采用Origin 9.0软件，用LSD法进行差异显著性检验（α=0.05）。
2 结果与分析 2.1 产量及温室气体排放的年际差异分析方差分析（表 1）表明，周年产量、周年CH4排放、周年N2O排放、全球增温潜势和温室气体强度在不同年份和不同灌溉处理间均呈极显著差异，在年份与灌溉方式互作上均表现为差异不显著。
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从双季稻周年产量年际变化来看，F、F-D-F和F-D-F-M处理2014年周年产量比2013年分别增加5.8%、5.2%和4.5%，而2015年周年产量与2014年相比变化波动较小。其中产量呈增加趋势的主要原因来自晚稻产量的逐渐增加。与F处理相比，2013-2015年F-D-F和F-D-F-M处理早稻平均产量分别增加9.8%和2.7%，晚稻平均产量分别增加4.8%和2.0%，其中F-D-F早晚和晚稻产量均显著增加（2013年晚稻除外），而F和F-D-F-M之间早稻和晚稻产量差异均未达到显著水平（2015年晚稻除外）（表 2）。
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与F处理相比，2013-2015年F-D-F处理早稻每穗平均粒数增加12.5%，二者差异显著（2014年除外）；F-D-F-M处理每穗平均粒数也增加5.7%，显著高于F处理（2013年除外）。与F处理相比，2013-2015年F-D-F和F-D-F-M处理晚稻每穗平均粒数分别增加9.7%和3.1%，其中F-D-F处理显著高于F处理（2013年除外）。不同灌溉方式有效穗数、结实率和千粒重变化规律不明显（表 2）。
2.3 干物质生产与F处理相比，F-D-F处理早稻抽穗期干物质量增加3.3%~8.5%，而成熟期干物质量降低1.0%~2.4%；与F处理相比，F-D-F-M处理抽穗期和成熟期干物质量分别降低1.8%~2.5%和5.4%~8.5%（表 3）。除2014年抽穗期外，与F处理相比，F-D-F处理晚稻抽穗期和成熟期干物质量分别降低8.8%~11.0%和0.7%~2.9%；与F处理相比，F-D-F-M处理抽穗期和成熟期干物质量也分别降低6.9%~15.0%和1.3%~7.7%。方差分析表明，不同灌溉方式在不同年份、不同季节间抽穗期和成熟期干物质量均无显著性差异。
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不同灌溉方式对收获指数具有显著影响（图 2），不同年份和季节各处理间变化趋势一致。与F处理相比，F-D-F和F-D-F-M处理收获指数分别增加3.6%~13.2%和2.4%~10.9%，其中早稻F-D-F和F-D-F-M处理收获指数显著高于F处理。
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| 图中不同小写字母表示同一季节不同处理间差异达5%显著水平。下同 Different lowercase letters indicate significantly different treatment of the same year at 5%. The same below 图 2 秸秆还田条件下不同灌溉方式对双季稻收获指数的影响 Figure 2 The influence of different irrigation methods on the harvest index under crop residue incorporated in double rice-cropping systems |
在双季稻系统3年轮作周期中，F、F-D-F和F-D-F-M处理CH4周年累积排放量分别为678.2~988.4、322.6~661.7、208.3~520.6 kg·hm-2·a-1，其中各处理CH4周年累积排放量随定位年限均呈增加趋势（图 3A）。与F处理相比，F-D-F和F-D-F-M处理CH4周年累积排放量分别降低33.1%~52.4%和46.3%~69.3%。方差分析表明，与F处理相比，F-D-F和F-D-F-M处理CH4周年累积排放量均显著降低，而F-D-F和F-D-F-M处理之间无显著性差异。
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| 图 3 秸秆还田条件下不同灌溉方式对双季稻田CH4和N2O周年累积排放量的影响 Figure 3 Annual CH4 and N2O emissions of different irrigation methods under crop residue incorporated in double rice-cropping systems |
不同灌溉制度N2O周年累积排放量年际间无明显变化规律，但各处理间趋势一致（图 3B）。在双季稻系统3年轮作周期中，F、F-D-F和F-D-F-M处理N2O周年累积排放量分别为5.86~12.64、4.25~11.24、9.14~14.91 kg N·hm-2·a-1。与F处理相比，F-D-F处理N2O周年累积排放量降低11.1%~27.5%，而F-D-F-M处理N2O周年累积排放量增加10.2%~60.9%。
2.6 全球增温潜势在双季稻系统3年轮作周期中，F、F-D-F和F-D-F-M处理GWP分别为20.7~27.2、11.4~18.7和9.7~15.7 t CO2-eq·hm-2·a-1（图 4A）。不同灌溉方式各处理GWP均呈增加趋势，其中F、F-D-F和F-D-F-M处理2015年GWP比2013年分别增加31.2%、63.0%和63.1%。方差分析表明，不同水分管理对GWP具有显著影响，且不同年份表现规律一致。其中，F-D-F和F-D-F-M处理GWP分别显著低于F处理31.5%~44.9%和38.2%~53.4%，而F-D-F和F-D-F-M处理之间GWP没有显著差异。
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| 图 4 秸秆还田条件下不同灌溉方式对双季稻田GWP及CH4排放对其贡献率的影响 Figure 4 The effect of different irrigation methods on the GWP and CH4 to the contribution rate under crop residue incorporated in double rice-cropping systems |
在双季稻系统中，不同灌溉方式稻田GWP的主要贡献来源于CH4排放，F、F-D-F和F-D-F-M处理CH4排放贡献率分别为81.5%~92.3%、70.6%~91.4%和53.2%~82.7%（图 4B）。与F处理相比，F-D-F和F-D-F-M处理CH4贡献率分别降低1.0%~13.4%和7.0%~24.6%，其中F-D-F-M处理CH4贡献率显著低于F处理。
2.7 温室气体排放强度在双季稻系统3年轮作周期中，F、F-D-F和F-D-F-M处理GHGI分别为1.32~1.66、0.68~1.06、0.60~0.92 kg CO2-eq·kg-1。2013-2015年，不同灌溉方式的GHGI均呈增加趋势，F、F-D-F和F-D-F-M处理分别增加了25.4%、55.8%和53.6%（图 5）。与F处理相比，F-D-F和F-D-F-M处理GHGI分别降低36.2%~48.7%和38.8%~54.6%。方差分析表明，与F处理相比，F-D-F和F-D-F-M处理GHGI均显著降低，而F-D-F和F-D-F-M处理之间没有显著差异。
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| 图 5 秸秆还田条件下不同灌溉方式对双季稻田GHGI的影响 Figure 5 The effect of different irrigation methods on the greenhouse gas emissions intensity(GHGI) under crop residue incorporated in double rice-cropping systems |
在水稻生长发育过程中，灌溉方式通过改变稻田水层深度、土壤温湿度等水稻生长环境，直接或者间接影响水稻生长发育和产量[15]。本研究表明，与F处理相比，2013-2015年F-D-F和F-D-F-M处理早稻平均产量分别增加9.8%和2.7%，晚稻平均产量分别增加4.8%和2.0%。与F处理相比，F-D-F和F-D-F-M处理有效穗数和总干物质量没有显著差异，因此每穗粒数增多和收获指数增加是这两种灌溉方式高产的主要原因。这与一些研究结果相似，张彬等[16]研究表明，不同水分管理间水稻总干物质量和有效穗数没有显著差异，在物质转运、成穗率和结实率等方面差异达到显著水平，干湿交替处理产量较淹灌和畦灌处理分别增加9.2%和5.4%。赵黎明等[17]的研究也表明，干湿交替和持续淹水处理都具有较高的总干物质量，但节水灌溉处理形成高质量群体，生育后期群体光合生产和物质运转能力强，收获指数提高，从而增加水稻籽粒产量。究其原因，徐芬芬等[18]研究认为，与常规淹灌相比，间歇灌溉处理水稻根系活力高、生育后期干物质生产能力和氮素吸收与利用能力强，从而产量显著提高。张自常等[19]研究表明，与习惯水层淹灌相比，干湿交替灌溉和畦沟灌溉提高分蘖成穗率和倒3叶的叶面积比率，剑叶光合速率、根量和根系活力得到提升，增加抽穗期至成熟阶段的干物质积累量，从而显著改善群体质量，增加水稻产量。这些研究说明中期烤田和间歇灌溉等节水灌溉方式加强了干物质积累与转运能力，有效协调“源”的积累和“库”的形成，是其水稻高产主要原因。
本研究还发现，F-D-F-M处理产量低于F-D-F处理。可能是在生育后期土壤干湿交替过程中灌溉的土壤水势较低，严重影响水稻生长发育，从而降低水稻产量[20-21]。杨生龙等[22]研究认为，适当节水对产量影响差异不显著，但在节水过度栽培条件下会降低水稻产量。说明在干湿交替灌溉过程中，土壤落干程度的合理控制是获得高产的原因，如何把握土壤适宜干湿程度成为干湿交替灌溉的技术关键。因此，水稻后期干湿交替过程中土壤水势下限与产量的关系还有待进一步研究。
3.2 秸秆还田条件下不同灌溉方式对稻田温室效应的影响不同灌溉方式对CH4和N2O排放影响显著，不同灌溉模式能够形成不同的稻田土壤水分状况，水分状况是影响土壤硝化与反硝化过程的最重要因素之一。其中稻田土壤N2O排放主要集中在水分变化剧烈的干湿交替阶段，因而直接影响稻田土壤N2O排放；而稻田CH4气体排放的差异主要是由于不同灌溉方式下土壤水分含量及水层深度不同，进而使稻田CH4产生和氧化等过程发生改变[23-25]。本试验中F处理N2O周年累积排放量低于F-D-F-M，但差异不显著，而CH4周年累积排放量显著高于F-D-F和F-D-F-M处理。与N2O相比，尽管CH4具有较低的GWP，但F处理稻田CH4累积排放量对GWP的贡献高达81.5%~92.3%。与F处理相比，F-D-F和F-D-F-M处理CH4贡献率分别降低1.0%~13.4%和7.0%~24.6%，从而导致F处理GWP显著高于F-D-F和F-D-F-M两个处理。本研究结果表明，在双季稻系统中，与F处理相比，F-D-F和F-D-F-M处理GWP分别显著降低31.5%~44.9%和38.2%~53.4%。Win等[26]和Ahn等[27]研究也表明，不同灌溉方式对稻田GWP影响不同，其中非充分灌溉能显著降低稻田GWP。此外本研究还表明，江西双季稻区GWP与Chen等[28]在湖南双季稻区开展的施氮量对稻田GWP影响的研究结果相似（13.5~18.7 t CO2-eq·hm-2·a-1），但高于王斌等[29]在湖北双季稻区开展的外施控释肥和添加剂对稻田GWP影响的研究结果（2.8~5.1 t CO2-eq·hm-2·a-1），而本研究得到双季稻区GWP的范围也与谢立勇等[30]研究结果较为一致。
在水稻生产过程中既要考虑稻田温室气体排放也要兼顾水稻产量。本试验中，江西双季稻区GHGI与Chen等[28]和孔宪旺等[31]在湖南双季稻区研究结果相似（GHGI分别为0.99~1.26 kg CO2-eq·kg-1和0.97~1.89 kg CO2-eq·kg-1），但高于王斌等[29]在湖北双季稻区开展外施控释肥和添加剂对稻田GHGI影响的研究结果（0.12~0.33 kg CO2-eq·kg-1）。本试验不同灌溉方式GHGI结果表明，与F处理相比，双季稻田F-D-F和F-D-F-M处理GHGI分别显著降低36.2%~48.7%和38.8%~54.6%。灌溉方式通过影响作物产量和稻田GWP的方式对GHGI产生影响[24]。F-D-F和F-D-F-M处理在水稻增产的同时通过有效降低稻田CH4排放使GWP显著降低，从而使稻田GHGI显著下降。这与秦晓波[32]、Cook等[33]和Zschornack等[34]研究结果相一致。因此，中期烤田和间歇灌溉处理能在保证双季稻高产的基础上，显著降低稻田温室气体排放，是南方双季稻区秸秆还田条件下比较适宜的灌溉方式。
此外本研究还发现，秸秆还田条件下不同灌溉方式各处理CH4周年累积排放量和综合温室效应随定位年限均呈增加趋势。可能原因是外施秸秆和紫云英等有机物质，其分解的累积效应及后效使土壤有机碳含量增加，从而使稻田综合温室效应逐年增加[30, 35-36]。至于其长期效果还有待研究。
4 结论（1）在南方双季稻区，不同灌溉方式干物质积累没有显著差异，与持续淹水处理相比，中期烤田和间歇灌溉处理收获指数分别增加3.6%~13.2%和2.4%~10.9%，同时每穗粒数也均呈增加趋势，从而提高了水稻产量。
（2）CH4是双季稻田综合温室效应的主要贡献者。与持续淹水处理相比，中期烤田和间歇灌溉处理均能显著降低CH4周年累积排放量。与持续淹水相比，中期烤田和间歇灌溉处理可显著降低双季稻田全球增温潜势和温室气体排放强度。
因此，在南方双季稻区实施秸秆还田，采用中期烤田和间歇灌溉的水分管理方式都可以实现水稻高产和温室气体减排的双赢。
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