2020, Vol. 39
2. 上海低碳农业工程技术研究中心, 上海 201403
2. Shanghai Engineering Research Centre of Low-carbon Agriculture, Shanghai 201403, China
全球气候变化不仅影响经济的可持续发展而且也将影响人类生存环境。人类活动排放大量温室气体进入大气层，是导致全球气候变化的主要原因，农业生产也是温室气体排放的主要来源之一。根据我国政府报告[1]，2014年中国温室气体净排放总量为111.86亿t二氧化碳（CO2）当量，其中CO2排放量约为91.24亿t，甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）分别为11.61亿t和6.10亿t（CO2当量）；40%的CH4和60%的N2O来源于农业活动，其中水稻种植排放的CH4占农业活动排放量的40%，农用地土壤排放N2O占79%。
栽培稻生产是我国最重要的粮食生产方式之一。栽培稻在长期的选育过程中倾向于适应淹水环境，使栽培稻在淹水条件下能维持较高的产量。因此，为满足水稻高产稳产需求，在稻季进行淹水种植成为保障粮食安全的必然选择。稻田水分状况对温室气体的产生和排放起到重要的调控作用，通过管理稻田灌溉方式和土壤水分状况，调控稻田土壤中温室气体产生和消耗过程，可以实现减少稻田温室气体排放的目的。我国在20世纪80年代以后，为了减少水稻的无效分蘖、强化根系活力从而达到增产目的，稻田水分管理从传统持续淹灌转变为淹灌+中期烤田，该措施在达到水稻增产目的的同时，大幅减少了稻田CH4排放量（至2000年大约降低了500万t CH4排放量，相当于1.25亿t CO2当量）[2]，验证了水分管理减排稻田温室气体的巨大潜力。
另外，农业生产过程中产生的秸秆资源十分丰富，据估算我国每年作物秸秆产生量可达6亿~8亿t[3]。秸秆还田对稻田土壤有机质积累、土壤结构改善、地力提升等均具有明显的效果[4]。对于实施秸秆还田的稻田，秸秆还田措施在提升稻田土壤肥力的同时，为稻田CH4的产生提供了大量外源性有机质代谢底物。稻田淹水过程中，土壤中的秸秆等有机质在厌氧环境下进行分解，促进了稻田CH4的产生与排放，间接上降低了秸秆还田的环境效益[5]。而与持续淹灌相比，采用节水灌溉技术，可大幅降低稻田CH4排放，虽然一定程度上会促进土壤N2O的产生与排放[6-7]，但总体上，可在保障水稻产量的前提下，降低稻田综合温室气体效应。因此，合理的水分管理不仅能大幅降低淹水稻田CH4的产生与排放，还能抑制因秸秆还田造成的CH4排放量增加的趋势，水分与秸秆的协同管理可保障秸秆还田在土壤保育和温室气体减排方面的综合环境效益，对于我国水稻生产的可持续发展具有重要指导意义。
1 水分管理对稻田温室气体排放的影响 1.1 节水灌溉管理减排稻田温室气体的效果常见的稻田水分管理方式可分为常规灌溉和节水灌溉（图 1）。常规灌溉根据水稻生育与需水特点，为了减少无效分蘖、提高水稻产量，已经从传统的持续淹灌（常规灌溉①）逐步发展到淹灌+中期烤田（常规灌溉②），或者前期淹灌+中期烤田+后期间隙式灌溉（常规灌溉③）。由于几种常规灌溉方式下稻田水分条件不同，温室气体排放也具有不同的规律。中期烤田使稻田土壤通气状况变好，O2含量升高，抑制了土壤中CH4的产生，促进了CH4的氧化[8]。因此，与常规灌溉①相比，常规灌溉②的中期烤田使CH4排放量降低20%~60%[9]；水稻移栽28 d后进行为期9 d的中期烤田，CH4降低50%~53%，N2O增加20%~37%，有效降低46%~50%的全球增温潜势（Global warming potential，GWP）[10]；和单次烤田相比，在水稻生长期间进行多次烤田可减少更多的CH4排放量[11]；如果中期烤田后进行间歇灌溉（常规灌溉③），同样可有效减少CH4排放，从而降低综合GWP[12]。
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图 1 稻田常规灌溉和节水灌溉管理方式 Figure 1 Conventional irrigation and water-saving irrigation management of paddy field |
节水灌溉以满足水稻基本需水要求为基础，根据种植区域水利条件、气候环境和土壤条件等制定详细的技术规程，在减少灌溉量的同时获得稳定产量。与常规灌溉保持一定深度的田面水层相比，节水灌溉一般保持土壤湿润或薄水层。水稻生产上较为成熟的节水灌溉技术主要有湿润灌溉、干湿交替（Alternate wetting and drying，AWD）和覆膜栽培等。水稻生产过程中减少灌溉量可显著降低温室气体排放量，与常规灌溉②相比，减少30%灌溉量可以降低30%~53%的CH4排放量，减少70%灌溉量可以降低51%~77%的CH4排放量[13]。
节水灌溉技术中的湿润灌溉模式基于水稻需水规律，满足水稻生长关键期需水，控制非关键期的灌溉量，可分为控制灌溉、滴灌以及浅灌模式。控制灌溉要求返青期水层0.5~2.5 cm，除施肥、打药、除草等外不再建立水层（降雨除外），以稻田土壤体积含水率作为灌水的调控指标，与常规灌溉②相比，稻田CH4排放量显著降低60%以上[14-15]；水稻滴灌生产模式下稻田CH4排放量比常规灌溉②降低90%，综合GWP降低36%[16]，从全生命周期角度进行评价的结果也表明滴灌减少50%的灌溉用水，显著降低66%的综合GWP[17]；浅灌模式仅需维持稻田1~2 cm的水层，与常规灌溉②相比，CH4排放未出现高峰值，总体排放通量显著降低，综合GWP减少78%[18]。
干湿交替基于设定的土壤水分阈值进行淹水-落干-复水-落干的水分管理，主要在我国南方和东南亚地区（如印度、印尼及菲律宾）主要水稻种植国家推广应用。与常规灌溉①相比，我国南方移栽稻田进行干湿交替管理，在节约19%~30%灌溉用水的同时，显著降低了37%~77%的CH4排放量[19]。在泰国直播稻田，干湿交替管理增加了12%的水稻产量，虽然CH4排放量降低的同时N2O排放量增加，但是综合GWP降低了22%[20]。N2O排放量增加主要是因为干湿交替管理造成土壤在润湿和干燥两种状况之间频繁切换，好氧环境下铵态氮通过硝化作用生成硝态氮，在润湿的厌氧环境中硝态氮又容易反硝化产生N2O，所以干湿交替的稻田水分状况加剧了土壤中氮素的硝化-反硝化过程[21]，促进了N2O的生成和排放。另外，水稻覆膜栽培技术是将水稻直播或秧苗移栽至有地膜覆盖的地畦上，可有效降低灌溉用水[22-23]。与常规灌溉①移栽相比，覆膜移栽稻田在保持水稻稳产的同时，降低了63%的CH4排放量，虽然N2O排放量增加了4.1倍，但综合GWP降低了58%[24]。N2O排放量的增加可能是由于qnorB和AOA转录增强以及nifH转录降低的综合效应，促进了土壤矿化、硝化和反硝化作用[25]。
综上所述，节水灌溉措施在节约灌溉用水的同时，能大幅降低稻田CH4排放量，但由于促进了硝化和反硝化作用，会增加N2O排放量，但总体上降低了稻田综合GWP。另外，为降低劳动力投入和农资消耗量，减少水稻生产环节，实际生产中从传统育秧移栽改为稻田直播并配合节水灌溉是今后轻简化栽培的发展趋势，能达到稳产减排的目的[26-28]。与常规灌溉③的育秧移栽稻田相比，直播浅灌可显著降低CH4排放量，虽然N2O排放量增加，但综合GWP明显下降[29-30]。不同栽培模式下水分管理对稻田温室气体排放量和产量的影响效果见表 1。综合而言，插秧移栽采用控制灌溉或浅灌，基本能兼顾稳产减排；插秧移栽进行覆膜栽培时，能在保持水稻产量的同时，大幅降低CH4排放量，但N2O增加较大；干湿交替无论是对插秧移栽还是直播都有增产效果，同时具有较好的减排效果；而直播栽培采用滴灌或覆膜，减产幅度较大。因此，插秧移栽采用控制灌溉或浅灌，以及不管插秧移栽还是直播都可采用干湿交替管理方式，均有利于实现作物稳产和温室气体减排的目标。
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表 1 不同节水灌溉措施对稻田温室气体排放量及产量的影响效果 Table 1 Effect of water-saving irrigation measures on greenhouse gas emission and yield in rice field |
的影响由于水稻种植区域的环境条件不同，水稻种植类型及其水分管理方式具有鲜明的地域特色。除传统淹灌稻田外，常见的基于当地环境条件的水分管理还包括雨养稻、深水稻和旱稻等。雨养稻和深水稻多见于东南亚地区，是为充分适应季节性洪涝或干旱环境而衍生出来的水分管理模式。雨养稻在稻季排放的CH4是淹灌稻季的40%[40]；深水稻的CH4排放通量比常规灌溉①减少42%，但因其稻季持续时间长，总排放量反而增加了32%[41]。
与传统水稻淹水种植不同，旱稻多种植于没有田埂的地里，传统意义上的旱稻产量较低。在菲律宾旱季分别对水稻进行淹水灌溉和旱管种植管理（旱管种植是指整个生长发育期间以利用雨水为主，或缺水敏感期适当灌溉的种植方式）[42]，与淹灌相比，旱管种植条件下CH4排放量显著降低90%以上，N2O排放量增加了50%，但旱管种植条件下稻谷产量显著下降[43]；与水稻淹灌相比，旱稻生长期间维持70%的田间持水量可以大幅度降低CH4排放量，降低幅度高达90%以上，N2O显著增加，增加量为188%，同时产量保持相对稳定[44]。近年来我国研发出不同于水稻和旱稻的新型栽培稻品种——节水抗旱稻，节水抗旱稻既具有水稻的高产优质特性又具有旱稻的节水抗旱特性，具有较好的抗旱能力，适用于旱管种植，在节水50%时产量和品质与传统水稻持平[45]。节水抗旱稻在接近旱管（灌溉量减少70%）种植条件下，与常规灌溉②相比，CH4排放量降低了51%~77%，而产量能够保持相对稳定[13]。
1.3 水肥耦合管理对稻田温室气体排放的影响一般情况下，稻田CH4排放和N2O排放呈现此消彼长的关系。室内培养试验表明，在土壤深层（7.5 cm）氧化还原电位（Eh）低于-150 mV时CH4排放增强；土壤表层（2 cm）Eh高于140 mV时N2O排放增强[46]；但是当土壤水分增加到土壤孔隙含水量为75%时，N2O排放达到最高。这主要是因为N2O不仅来源于硝化作用，也来自反硝化作用[47]。利用节水灌溉措施对稻田CH4进行减排时，由于稻田土壤氧化还原状况的交替变化，会促进N2O的排放，而产生N2O的氮素主要来自田间施肥。氮肥是硝化和反硝化作用的重要底物，当氮肥施入稻田后，稻田土壤从淹水到落干阶段硝化作用加强，有利于铵态氮转化为硝态氮，促进N2O的排放；灌溉复水后，土壤通气性变差，为反硝化作用提供了厌氧环境，同时前期生成的大量硝态氮为反硝化作用提供了充足的底物，硝化和反硝化的共同作用促进了N2O的排放。因此，通过水分管理耦合施肥措施控制N2O的生成和排放是综合减排稻田温室气体的重要途径。
研究证实，N2O排放量随氮肥施用量的增加而增加[48]，因此，降低氮肥施入量是最基本的减排措施。合适的施氮量可使土壤中的有效氮素在分蘖盛期被消耗掉，从而减少产生N2O的底物浓度；采用干湿交替等节水灌溉措施时，铵态氮转化为硝态氮是产生N2O的重要途径，通过施加缓释肥或在氮肥中添加硝化抑制剂、脲酶抑制剂等可有效降低N2O排放[49]。因此，采用节水灌溉减排稻田CH4时，通过耦合氮肥施用措施可同时降低N2O排放，从而减少稻田综合温室气体排放强度。例如干湿交替灌溉模式下通过耦合缓释肥、硝化抑制剂+脲酶抑制剂的施肥管理措施，在降低CH4排放量的同时，有效降低了N2O排放量，降低幅度分别为28%~49%和12%~44%[50]。
2 秸秆管理对稻田温室气体排放的影响 2.1 秸秆离田与还田管理对稻田温室气体排放的影响作物秸秆是重要的生物质资源，2015年我国秸秆综合利用率达到80.1%，主要利用方式有秸秆肥料化、饲料化、燃料化、原料化和基料化。从秸秆类型来看，小麦、水稻秸秆以肥料化利用为主，利用率分别为63.1%和55.2%[51]。除了秸秆作为肥料还田利用外，其他几种利用方式均属于秸秆离田综合利用。秸秆离田使生产过程中产生的大部分秸秆生物质被带离稻田土壤。因此，水稻季的CH4排放量大幅下降，只有秸秆还田的22%~33%[52-53]。离田秸秆经过加工处理，有的作为肥料或改良剂等又返还到稻田，例如近年来研究较多的秸秆生物质炭的加工与施用，其对稻田温室气体排放的影响不同于秸秆直接还田。有的研究表明，在常规氮肥施用条件下，稻田土壤添加小麦秸秆生物质炭可显著降低水稻季N2O排放量，但对稻田CH4排放量没有显著影响[54]；而有的研究则表明，水稻和小麦秸秆加工而成的生物质炭，均可显著降低稻田CH4排放量，同时稻田CH4排放量与生物质炭施用量成显著负相关，并且水稻和小麦秸秆生物质炭之间没有显著差异[55]。总体而言，在相同水肥管理条件下，离田秸秆进行炭化后再还田可不同程度地降低稻田综合温室气体排放强度。
和秸秆离田利用相比，水稻和小麦秸秆的直接还田肥料化利用仍是目前最主要的管理方式，根据还田秸秆量的多寡可分为全量还田和减量还田。在相同水肥管理条件下，小麦秸秆还田可导致水稻季稻田CH4排放量显著增加，但同时会一定程度抑制N2O排放，但在总体上导致水稻季CH4和N2O排放产生的综合GWP显著升高[6, 56-57]。水稻秸秆是双季稻田秸秆还田的主要投入物料，双季稻的水稻秸秆还田对稻田CH4和N2O排放量的影响与小麦秸秆还田效果一致[58-59]，并且晚稻季的CH4排放量受秸秆还田的影响比早稻季大[58]。秸秆还田导致水稻季CH4排放量增加，主要是由于秸秆直接还田导致稻田土壤系统中外源性碳源增加，在水稻季前期，还田秸秆在稻田土壤厌氧环境中分解，为产甲烷微生物提供额外的能量和碳代谢底物，从而促进了稻田土壤CH4的产生与排放，并且秸秆还田量与稻田CH4排放量呈正相关关系[53, 60-61]；而稻田N2O排放受到抑制，秸秆还田量与稻田N2O排放量之间则呈现负相关关系[62]，这可能是由于作物秸秆在分解过程中快速消耗稻田土壤中的O2，造成秸秆分解区域周围的稻田土壤处于强还原环境，由于在强还原环境下N2O易被还原为N2，因此降低了稻田N2O排放量[56]。此外由于秸秆施用导致稻田土壤C/N增加，影响稻田土壤中硝化与反硝化过程可利用的氮素量，从而抑制产生N2O的相关氮循环过程，最终影响稻田N2O的产生与排放[63]。
2.2 秸秆还田方式对稻田温室气体排放的影响秸秆还田从施用方式上主要包括旋耕还田、翻耕还田、沟埋还田、免耕还田（表层覆盖）等形式，其中旋耕、翻耕和沟埋方式为秸秆埋施还田，以秸秆和稻田土壤混合为特点。秸秆在旋耕与翻耕还田过程中与土壤混合比较充分，而沟埋还田以开沟秸秆集中覆埋为特点，相对减少了秸秆与稻田土壤的接触；免耕还田则多为秸秆直接覆盖于土壤表面。无论秸秆以何种形式施入稻田土壤，和无秸秆还田相比，温室气体排放量均有较大幅度提高，但秸秆还田也相应地提高了作物产量。
秸秆以旋耕或翻耕方式还田的稻田CH4排放速率较高，旋耕还田的稻田CH4排放速率一般大于翻耕还田方式[64-65]，或者基本相同[66]。与旋耕和翻耕还田方式相比，秸秆免耕还田可使稻田CH4排放速率降低27%和24.3%，并且推迟了CH4排放峰值出现的时间，主要是与水稻季前期实行浅灌有关；同时免耕还田降低N2O排放速率16.7%和42.1%[66]。在浅灌条件下，免耕还田秸秆与旋耕、翻耕还田秸秆相比，处于非严格厌氧环境，其好氧分解程度更高，因此减少了分解产物向CH4的转化。但如果水稻季前期免耕还田（表层覆盖）秸秆与土壤接触少，分解速度慢，不仅降低了水稻季前期稻田土壤Eh，为CH4的产生提供了有利环境，而且增加了淹水期稻田的有机质供应量，为产甲烷菌提供了更多的反应底物，反而会促进水稻季的CH4累积排放量，使秸秆免耕还田的CH4累积排放量比旋耕还田或均匀混施还要高[67-68]。因此，秸秆免耕还田（表层覆盖）需要协同合适的水分管理，才能达到降低稻田温室气体排放的目的。另外，与秸秆旋耕或翻耕还田相比，沟埋还田可降低稻田温室气体排放强度[67, 69]。与翻耕还田相比，沟埋还田条件下CH4排放量平均减少了11%~42%，虽然N2O排放量增至1.0~ 1.4倍[69]，但综合温室气体排放强度降低了6%~35%。N2O排放量的增加表明秸秆沟埋还田对于稻田N2O的抑制作用可能具有时滞效应。一般来说，在长年秸秆还田条件下，稻田土壤碳库的累积效应可导致土壤C/N升高，进而增加土壤固持氮的能力，相应地减少土壤硝化和反硝化过程可利用的氮素含量，从而减少N2O的产生[61, 63]。
2.3 秸秆还田时机对稻田温室气体排放的影响秸秆还田本质上是外源性有机质向稻田土壤系统的输入过程，该过程通过增加外源碳、氮底物供给刺激稻田土壤碳氮循环过程，从而促进了稻田CH4的产生和排放。秸秆还田的时机选择对水稻季稻田温室气体排放也具有重要影响，水稻秸秆在休闲季施用，与水稻移栽前还田相比，可以使秸秆在好氧条件下一定程度地分解，从而减少水稻季稻田土壤中秸秆厌氧分解过程中产生CH4的相关底物，进而显著降低秸秆对水稻季CH4排放的促进效应[70]。另外，与休闲季后的整田期施用水稻秸秆相比，休闲季前施用水稻秸秆可减少水稻季11%的CH4排放[71]，该结果也印证了上述研究结果，即延长水稻种植前的好氧分解过程，可有效减少还田秸秆在水稻季对CH4排放的促进作用。IPCC发布的《国家温室气体清单指南》中也指出，与水稻移栽前施用秸秆相比，休闲季施用秸秆会降低由秸秆还田引起的水稻季CH4排放[72]。上述结果均表明，与秸秆在农田淹水状态下还田或还田后立即淹水相比，休闲季或旱作季施用秸秆，使秸秆在土壤中经历更长的好氧分解过程，可以部分减缓由秸秆还田引起的CH4产生与排放。
2.4 绿肥还田对稻田温室气体排放的影响稻-绿肥茬口轮作是一种重要的稻田生产模式。稻田绿肥作物主要以豆科作物为主，常见绿肥作物包括：蚕豆、豌豆、苜蓿和紫云英。利用DNDC模型结合实测数据的研究结果表明，水稻季苜蓿和蚕豆全量还田均显著增加水稻季CH4排放量，其中蚕豆全量还田对稻田CH4排放的促进作用大于苜蓿还田[73]。双季稻田施用紫云英，在早、晚稻季均导致稻田CH4排放量显著增加，而N2O排放量则显著降低[74]。绿肥还田对稻田CH4排放的影响机制与稻、麦秸秆还田对稻田CH4排放的促进机制基本相同。例如紫云英施用导致稻田土壤CH4排放量增加，主要是由于绿肥还田增加了稻田土壤还原性物质含量，降低土壤Eh，促进了CH4排放[62]。
绿肥还田对稻田N2O排放的抑制作用与稻、麦秸秆还田对稻田N2O排放的影响机制基本相似，但略有差异。与稻、麦等禾本科作物秸秆相比，豆科绿肥作物植株C/N更低，其平均值在15:1~20:1之间[75]。在此基础上，相比于稻、麦秸秆还田，绿肥还田及其分解过程中，基本不会对稻田土壤N2O排放产生的关键氮循环过程产生氮素胁迫。因此，绿肥还田对稻田N2O排放的抑制作用，主要被认为是绿肥分解过程中释放的还原性物质，改变了稻田土壤氧化还原特征，促进淹水稻田土壤中N2O向N2的转化，从而抑制稻田N2O排放[62]。
3 水分和秸秆协同管理对稻田温室气体排放的影响 3.1 水分和秸秆协同管理对稻田CH4排放的影响无论是在常规灌溉还是节水灌溉条件下，和无秸秆还田相比，秸秆还田均会促进CH4排放[53]。与常规灌溉相比，节水灌溉措施可显著降低秸秆还田条件下稻田CH4排放量[9, 11]。在同等秸秆还田量条件下，控制灌溉与常规灌溉②相比，稻田CH4排放量下降了58%~63%[53]。另外，如前文所述，秸秆免耕还田时水稻季前期实行浅水灌溉管理，可促进秸秆有机质的好氧分解，减少分解产物向CH4转化，显著降低CH4排放量。虽然秸秆还田条件下稻田覆膜滴灌的相关研究资料较少，但与常规灌溉①相比，绿肥还田条件下的覆膜滴灌可显著降低稻田CH4排放量[38]，秸秆还田条件下的覆膜湿润灌溉和秸秆覆盖湿润灌溉亦显著降低稻田CH4排放量[26]。
3.2 水分和秸秆协同管理对稻田N2O排放的影响稻田N2O排放主要受氮肥施用水平和土壤水分条件的影响，常规灌溉时的中期烤田或节水灌溉措施会刺激稻田N2O排放[56, 76]。在相同水肥管理条件下，受外源性有机质输入和稻田土壤氧化还原响应特征的调控，和无秸秆还田稻田相比，秸秆还田稻田的N2O排放有降低的趋势。相较常规灌溉①稻田，覆膜湿润灌溉和秸秆覆盖湿润灌溉的稻田N2O排放量均显著增加[7]，且两种节水灌溉方式之间无显著差异。在绿肥还田条件下，覆膜滴灌稻田与常规灌溉①稻田N2O排放量之间无显著差异[38]。两项研究结果的差异，可能是由于实验过程中土壤水分控制差异所导致。另一项土壤培养实验结果则表明，在一定的土壤含水量（0.25 g·g-1）条件下，秸秆等外源性有机质输入可导致土壤系统N2O排放量显著增加[77]，主要是由于肥料和秸秆中的氮源参与了硝化反应，促进N2O的产生与排放；同样，如果稻田土壤处于水分不饱和状态，土壤氧化还原状态利于硝化作用的发生，从而导致N2O排放量显著增加[7]。综上所述，与稻田CH4排放响应相似，水分管理与秸秆还田协同作用下，水分管理是影响稻田N2O排放的主导因素。常规灌溉①增加稻田土壤还原性，抑制稻田土壤硝化作用的同时促进N2O向N2转化，因此，N2O排放量低。而节水灌溉（湿润灌溉、干湿交替及覆膜等）条件下，土壤处于好氧-厌氧的交替状态，硝化-反硝化作用增强，最终促进稻田N2O的产生与排放。
3.3 水分和秸秆协同管理对稻田综合温室效应的影响由于稻田CH4的产生途径主要是产甲烷菌参与下的有机质厌氧分解，而好氧条件下的硝化作用是N2O产生的主要反应过程，因此水分管理条件下稻田CH4和N2O排放之间通常具有相反的消长趋势[56, 63, 78]，例如干湿交替造成稻田水分落干和淹水之间频繁交替，导致CH4和N2O排放峰交替出现，虽然CH4排放引起的温室效应显著低于常规灌溉①，但N2O排放引起的温室效应可能会增加；另外，秸秆还田是大量外源有机质输入稻田土壤系统的过程，显著增加水稻季CH4排放引起的温室效应。与常规灌溉①稻田相比，秸秆免耕还田（表层覆盖）条件下的湿润灌溉可降低稻田CH4排放量达94.6%，但同时也使稻田N2O排放量提高5.16倍，最终仅使稻田综合温室效应降低9.8%，基本抵消了稻草免耕还田产生的CH4减排贡献[7]。因此，协同运筹管理水分与秸秆还田，是降低秸秆还田对环境不利影响的重要手段。在秸秆还田条件下，通过协同节水灌溉可大幅减少稻田CH4排放量，但同时需要采取减少施氮量、添加硝化抑制剂等降低N2O排放的措施，避免大量产生N2O，防止减排CH4的环境效益被增加的N2O排放所抵消。
4 结论与展望 4.1 主要结论水分管理对稻田温室气体减排至关重要。中期烤田、间隙灌溉等常规灌溉中的措施不仅有利于增产，也降低了稻田CH4排放量。节水灌溉基于水稻需水特性减少灌溉量，进一步改变了稻田土壤氧化还原状况，从而抑制CH4的生成并促进CH4的氧化，大幅减少稻田CH4排放量，但由于稻田土壤中CH4和N2O此消彼长的排放规律，节水灌溉在显著降低CH4排放的同时，也可能促进N2O的排放。因此，为进一步提升节水灌溉技术减排稻田温室气体的效果，水肥耦合管理是关键所在。通过文献分析可知，插秧移栽采用控制灌溉或浅灌，以及无论插秧移栽还是直播采用干湿交替管理方式，均有利于实现作物稳产和温室气体减排的目标，尤其是采用干湿交替等节水灌溉耦合缓释肥或添加硝化抑制剂，在降低稻田CH4排放量的同时，能有效抑制N2O的生成和排放。
秸秆还田是最重要的秸秆利用方式，既改良土壤肥力，又有利于作物增产。秸秆还田虽然有抑制N2O生成与排放的潜力，但增加了稻田土壤有机质的输入，促进了稻田CH4的排放。减少因秸秆还田造成的CH4排放关键在于采用合适的秸秆还田方式与时机，创造秸秆好氧分解环境，减少秸秆处于厌氧环境的时间。因此，秸秆还田与稻田水分状况的耦合就显得尤为重要，可行的措施包括秸秆在稻田休闲季还田、秸秆沟埋还田适当降低秸秆与土壤的混合程度、秸秆免耕还田配合湿润灌溉等，以上均可显著降低CH4排放量。
4.2 研究展望稻田生态系统对于保障我国粮食安全、维护经济社会可持续发展具有重要的作用。为更好发挥稻田生态系统的生产与生态功能，适应水稻生产发展新趋势，降低稻田温室气体排放强度，今后需要考虑从以下几个方面开展研究：
（1）为进一步减少节水灌溉模式下的N2O排放，一方面，今后需要深入研究如何优化节水灌溉条件下的施肥措施，研发适用于节水稻田水分特性的专用缓释肥，提高作物氮素利用率，增强土壤氮素固持能力，从而抑制N2O的生成与排放，达到同时减少稻田CH4和N2O排放的目的。另一方面，秸秆还田是对稻田土壤碳库的有效补充，本质上是将一部分光合作用固定下来的CO2通过秸秆还田储存于稻田土壤。因此，为综合评估稻田温室效应，需要针对秸秆还田土壤有机质（碳库）变化和温室气体排放开展长期的观测，综合定量评估秸秆还田形成的土壤固碳与温室气体排放之间的关系。
（2）近年来新型品种与栽培管理技术不断成熟与推广。例如新型栽培稻品种——节水抗旱稻结合旱管种植的栽培方式，生长发育期间以利用雨水为主，或仅在缺水敏感期适当灌溉，整个稻季田间基本处于无淹水状况，彻底改变了传统稻田土壤的水分状况，在保证产量稳定的同时大幅减少灌溉用水量和CH4排放量。因此，深入研究新型栽培稻品种在旱管种植条件下的稻田CH4和N2O协同减排机制、土壤有机质变迁与碳氮动态等，可为大规模推广旱管种植减排稻田温室气体技术提供科学依据和技术支撑。
（3）利用稻田的水环境养殖虾蟹类、鱼类、鸭等水产或水禽的新型稻田种养结合模式近年来得到了迅速发展，此类“水稻+水产/水禽”的互利共生模式提高了稻田综合利用率，增加了农民收益，是实现稻作供给侧改革的重要措施。稻田种养模式的水肥管理不仅要满足水稻的生长需要，养殖期间还必须维持一定的水层，有些养殖甚至需要投入饵料，这增加了水土环境的有机质含量，在厌氧环境下可能会促进CH4的大量排放。因此，如何优化稻田种养系统的水分管理，合理移除水稻秸秆，减少饵料等有机物料投入，调控整个系统的碳氮收支平衡，从而降低温室气体排放总量，是减少新型种养结合模式综合温室效应的重要研究方向。
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