鄧橋江，曹湊貴，2，李成芳，2*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室/華中農(nóng)業(yè)大學植物科學技術學院，武漢 430070；2.長江大學/長江大學主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 荊州 434023）

甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是影響全球變暖的重要的兩種溫室氣體[1]。稻田是大氣CH4的重要排放源。稻田CH4年排放量約占全球CH4總排放量的6%[2]。研究指出，由于氮肥施用與灌溉，我國稻田每年產(chǎn)生50 Gg N的N2O[3]。因此完善稻田溫室氣體減排措施對于稻田可持續(xù)利用和緩解全球變暖具有重要的意義。

再生稻是在水稻收獲第一季后，開發(fā)頭季腋芽再次種植收獲的一季水稻[4]。在種植一季稻熱量有余，而種植雙季稻熱量不足的地區(qū)及雙季稻只種植一季中稻的稻田發(fā)展再生稻，是提高復種指數(shù)，增加稻田生產(chǎn)面積、稻谷產(chǎn)量和經(jīng)濟收入的有效措施之一[5-6]。由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，使得南方主要稻作區(qū)勞動力向沿海發(fā)達地區(qū)轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)勞動力緊張現(xiàn)象。南方雙季稻區(qū)再生稻的播、栽期安排在早稻與中稻之間，可以緩解雙季稻區(qū)“雙搶”季節(jié)勞動力緊張的矛盾，降低勞動力成本[5]。同時，與雙季稻作和水旱輪作相比，再生稻具有節(jié)水節(jié)肥、稻谷品質(zhì)優(yōu)和經(jīng)濟效益高等優(yōu)點[7]，已逐漸發(fā)展成為我國重要的水稻種植制度。當前，國內(nèi)外從栽培的角度研究了不同農(nóng)藝措施對再生稻的光合特性、生長規(guī)律與產(chǎn)量構成、肥料利用率和品種的影響[5，7-10]。再生稻是在頭季收割后稻樁再生芽的萌發(fā)再生、成穗，其肥料、水分等管理措施不同于一季稻[5]，其稻田溫室氣體的排放特征勢必有別于傳統(tǒng)的水稻栽培稻田。然而，當前對于再生稻稻田溫室氣體排放的研究尚少[11-12]。Firous等[11]通過生命周期評估法（Life cycle assessment）探討了單季稻模式與中稻-再生稻模式稻田溫室氣體排放的差異，指出中稻-再生稻模式N2O和CH4排放量均明顯低于單季稻模式。Lindau等[12]比較了不同品種再生稻稻田CH4排放特征，發(fā)現(xiàn)不同品種再生稻CH4排放的差異來自于穗莖發(fā)育、根系分泌和根凋零物的差異。上述研究只是分析了不同耕作制度或不同再生稻品種下稻田N2O和CH4排放的差異，但未能對不同再生稻栽培模式稻田N2O和CH4排放特征及其差異進行研究。因此，本文研究了不同再生稻栽培模式對稻田N2O與CH4排放和頭季與再生季水稻產(chǎn)量的影響，旨在探明再生稻稻田溫室氣體排放規(guī)律，這對于推廣再生稻及發(fā)展低碳稻作具有重要的理論意義。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

選取湖北省沙洋廣華農(nóng)工貿(mào)有限公司二分場進行試驗。該農(nóng)場位于長江中游稻區(qū)（112°43′E，30°23′N），亞熱帶季風氣候，年均溫16.1℃，年降雨量1100 mm，潮土性水稻土，為河流沖積物發(fā)育。試驗地初始耕層土壤基本理化性狀為:容重1.05 g·cm-3、pH 7.44、銨態(tài)氮 2.39 mg·kg-1、硝態(tài)氮 5.22 mg·kg-1、有機碳 20.63 g·kg-1、全氮1.86 g·kg-1、全磷0.58 g·kg-1。試驗田從2015年開始中稻（Oryza sativaL.）-再生稻-油菜（Brassica napusL.）復種，本文選取2017年4月至11月上旬進行試驗研究。試驗使用水稻品種為天兩優(yōu)616。

1.2 試驗設計與田間管理

試驗采用完全隨機區(qū)組設計，設常規(guī)栽培與優(yōu)化栽培兩個模式，每個模式面積40 m×60 m，重復3次。對于所有栽培模式，頭季稻肥料用量均為180 kg N·hm-2、90 kg P2O5·hm-2與150 kg K2O·hm-2，再生季稻肥料用量為 120 kg N·hm-2、60 kg P2O5·hm-2與 120 kg K2O·hm-2。4月19日采用洋馬VP6插秧機（常州洋馬動力機械有限公司）插秧，行、株距分別為30、20 cm，每穴3株；8月10日頭季收獲，11月8日再生季收獲。

對于常規(guī)栽培模式，頭季稻氮肥按基肥（4月18日）∶分蘗肥（5月14日）為6∶4施用，磷、鉀肥全作基肥一次性施用；再生季氮肥在8月6日頭季收割留樁后7 d配合灌溉作為促苗肥一次性施用，磷、鉀肥也同時一次性施用。頭季與再生季均采用久保田收割機收獲，其中頭季留20 cm稻樁，兩季收獲的秸稈整體覆蓋在稻樁行間。再生稻收獲后冬季稻田休閑。除分蘗盛期（5月30日）與收獲前2周（7月25日）排水曬干外，頭季與再生季稻田均保持3～5 cm水層。

優(yōu)化栽培模式相對于常規(guī)栽培模式主要從肥料運籌、頭季稻茬留樁高度、水分管理、秸稈管理、冬季綠肥管理等方面進行優(yōu)化。與常規(guī)栽培模式相同，頭季稻氮肥按基肥∶分蘗肥為6∶4施用，磷、鉀肥全作基肥一次性施用；而對于再生季，在頭季稻齊穗后15 d和頭季收割留樁后7 d氮肥按7.5∶2.5、磷肥按6∶4、鉀肥按7.5∶2.5施用催芽肥（8月1日）和促苗肥。頭季稻成熟后采用華中農(nóng)業(yè)大學設計的再生稻割穗機[13]收割，留35 cm稻樁，秸稈粉碎覆蓋還田。頭季秧苗移栽4～6 d后，采用普航手扶PH-KG開溝機（山東普航機械有限公司）在田間每隔10 m開-排水溝，溝深15～20 cm，溝寬20～25 cm，要求成溝明顯、排灌通暢；稻季采用間歇灌溉的水分管理方式[14]。在再生稻收割前7 d，以撒播方式套種油菜，播種量為15 kg·hm-2，轉(zhuǎn)年4月油菜就地粉碎作為綠肥還田。

1.3 溫室氣體測定和全球增溫潛勢計算

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定稻田CH4和N2O 通量[15]。采樣箱由不銹鋼制成，半徑0.38 m，高1 m，外面包裹保溫膜，箱體頂部裝有一個采樣孔，連接一個帶有三通閥的注射器。在采樣箱內(nèi)頂部安置4個小風扇以充分混合箱內(nèi)氣體，并安裝一個電子溫度計用以測定箱內(nèi)溫度。水稻插秧后每7 d采樣一次，直至再生稻收獲。每日上午8:00—11:00進行采樣，采樣時間分別為閉箱后0、10、20、30 min，采集混合氣體25 mL注入到預先抽真空的玻璃瓶中，帶回室內(nèi)測定。CH4和N2O濃度、通量和累計排放量的具體測定與計算方法見文獻[16]。

在過去100年尺度上，CH4和N2O相對于CO2的增溫系數(shù)分別為30和268[1]，因此不同栽培模式的全球增溫潛勢（Global warming potential，GWP）計算如下:

GWP=N2O×268+CH4×30

1.4 樣品采集與測定

頭季稻與再生稻收獲后，在每個模式用內(nèi)徑5 cm取土鉆隨機取18點0～20 cm土層的土壤，混合過2 mm篩，去除根系、植物殘體以及其他雜質(zhì)，用于土壤NH+4-N、NO-3-N與可溶性有機碳（DOC）含量測定。

頭季稻和再生稻成熟時，在每個模式中央處留0.067 hm2作為測產(chǎn)區(qū)，收割計產(chǎn)。稻谷曬干后測定其質(zhì)量和含水量，按標準含水量13.5%折算水稻產(chǎn)量。

采用KCl浸提-FIAstar5000連續(xù)流動注射分析儀測定土壤NH+4-N和NO-3-N[17]，采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法測定DOC[18]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2013進行整理和繪圖，采用SPSS 17.0軟件t檢驗程序進行兩個模式均值的顯著性差異分析。試驗結果均以每次測得的3次重復的平均值與標準差來表示。

2 結果與分析

2.1 N2O和CH4排放通量的季節(jié)性變化

不同模式稻田N2O通量的季節(jié)性變化基本一致（圖1），即在每次氮肥施用后出現(xiàn)峰值；同時，在稻田排干期和水稻生長旺盛的齊穗期也出現(xiàn)排放峰值。常規(guī)栽培模式頭季稻N2O通量為-15.70～536.24μg·m-2·h-1，再生季稻為 18.04～168.38 μg·m-2·h-1。優(yōu)化栽培模式頭季稻N2O通量為9.53～1 031.99μg·m-2·h-1，再生季稻為16.54～338.90 μg·m-2·h-1。常規(guī)栽培模式頭季稻和再生季稻N2O平均通量分別為102.31μg·m-2·h-1和 57.62 μg·m-2·h-1，是優(yōu)化栽培模式的56.2%和56.9%。

圖1 不同再生稻栽培模式稻田N2O通量的季節(jié)性變化Figure 1 Seasonal changes in N2O fluxes from different ratooning rice cultivation models

如圖2所示，各模式均在頭季水稻分蘗期、齊穗期與再生季齊穗期出現(xiàn)CH4排放峰值。常規(guī)栽培模式頭季稻 CH4通量為3.07～88.36 mg·m-2·h-1，再生季稻為 0.83～42.42 mg·m-2·h-1。優(yōu)化栽培模式頭季稻CH4通量為2.53～44.30 mg·m-2·h-1，再生季稻為0.91～15.56 mg·m-2·h-1。常規(guī)栽培模式頭季稻和再生季稻CH4平均通量分別為30.06 mg·m-2·h-1和4.20 mg·m-2·h-1，是優(yōu)化栽培模式的1.54倍和1.80倍。

栽培模式顯著影響頭季、再生季和全生育期N2O排放、CH4排放和GWP（表1）。與常規(guī)栽培模式相比，優(yōu)化栽培模式N2O累積排放量在頭季、再生季和全生育期分別顯著增加了82.0%、45.3%和64.0%，而CH4累積排放量分別降低了55.0%、260.0%和34.9%，GWP分別降低了52.7%、218.6%和31.9%。CH4對GWP的貢獻為80.7%～98.3%，N2O則為1.7%～19.3%，CH4對GWP的貢獻大于N2O。

2.2 土壤無機氮與可溶性碳

由表2可知，栽培模式顯著影響頭季稻和再生稻收獲后土壤NH+4-N、NO-3-N和DOC含量。與常規(guī)栽培模式相比，優(yōu)化栽培模式頭季稻收獲后土壤NH+4-N、NO-3-N和DOC含量分別提高了73.1%、23.1%和36.2%，再生稻收獲后土壤NH+4-N、NO-3-N和DOC含量分別提高了78.7%、31.8%和25.3%。

2.3 產(chǎn)量

栽培模式顯著影響水稻產(chǎn)量（表3）。與常規(guī)栽培模式相比，優(yōu)化栽培模式頭季產(chǎn)量、再生季產(chǎn)量和總產(chǎn)量分別提高了23.8%、30.0%與25.4%。

2.4 相關分析

由表4可知，常規(guī)栽培與優(yōu)化栽培模式頭季與再生季土壤NH+4-N、NO-3-N和DOC均與N2O累積排放量呈顯著正相關，但與CH4累積排放量不相關。

3 討論

3.1 N2O和CH4排放

氮肥施用后的短期內(nèi)即出現(xiàn)N2O排放峰值（圖1），這可能是氮肥施用提高了土壤無機氮含量（表2），從而為土壤硝化與反硝化作用提供了更多的反應底物[19]。在水稻分蘗盛期和收獲前2周的排水過程中也出現(xiàn)了N2O排放峰值（圖1），其原因可能是排干稻田改善土壤通氣性，增加土壤的有效氧，促進土壤硝化作用[20]，因此導致大量N2O產(chǎn)生。此外，頭季和再生季齊穗期也觀測到N2O排放峰值（圖1），原因可能在于頭季稻與再生季稻齊穗期再生芽的萌發(fā)與伸長、籽粒灌漿，水稻對肥料吸收旺盛，根系生長旺盛[5]，分泌物增加，導致大量N2O產(chǎn)生。

圖2 不同再生稻栽培模式稻田CH4通量的季節(jié)性變化Figure 2 Seasonal changes in CH4fluxes from different ratooning rice cultivation models

表1 不同再生稻栽培模式頭季與再生季稻田溫室氣體累積排放量與GWP的變化Table 1 Cumulative emissions of N2O and CH4and global warming potential from different ratooning rice cultivation models

表2 不同再生稻栽培模式頭季稻與再生稻收獲后土壤無機氮與可溶性碳含量的變化（mg·kg-1）Table 2 Changes in soil inorganic N and dissolved organic C contents under different ratooning rice cultivation models at first and ratooning rice harvest（mg·kg-1）

表3 不同再生稻栽培模式水稻產(chǎn)量變化（t·hm-2）Table 3 Changes in rice grain yields under different ratooning rice cultivation models（t·hm-2）

表4 不同處理頭季與再生季N2O與CH4累積排放量與土壤無機氮與可溶性碳的相關性（n=18）Table 4 Linear correlation between cumulative N2O and CH4emissions and soil inorganic N and dissolved organic C at first and ratooning rice seasons（n=18）

在頭季稻分蘗盛期、齊穗期與再生季稻齊穗期均觀察到CH4排放峰值（圖1）。在頭季稻分蘗期，水稻植株生長旺盛，呼吸作用強烈，大量CH4通過植株排放[20]。在頭季與再生季稻齊穗期，根系生長旺盛[5]，分泌物增加，這為產(chǎn)甲烷菌提供了更多的基質(zhì)，促進了CH4產(chǎn)生。

本研究表明，優(yōu)化栽培相對于常規(guī)栽培提高了稻田N2O排放（表1），其原因有幾方面:第一，本研究結果（表4）指出，土壤無機氮和DOC與土壤N2O排放呈顯著正相關，表明二者是影響N2O排放的重要因素。N2O是土壤硝化與反硝化作用的中間產(chǎn)物[2]，無機氮與DOC為土壤硝化與反硝化作用提供了反應底物，因此促進了N2O排放。優(yōu)化栽培模式冬季種植的綠肥還田，提高土壤無機氮和DOC含量（表2），增加土壤硝化與反硝化的作用底物，促進N2O排放。第二，優(yōu)化栽培模式的間歇灌溉改善土壤通氣性，促進土壤硝化作用[21-22]。N2O的排放不僅受土壤氧有效性和無機氮含量的影響，還受到其在土壤中遷移擴散的影響[20，23]。常規(guī)栽培模式的淹水水分管理措施雖然能提高土壤反硝化速率，但延長N2O的擴散時間，增加N2O被還原為N2的幾率，降低N2O的排放。第三，本課題組前期的研究指出，與常規(guī)淹灌相比，間歇灌溉能促進根系的良好發(fā)育和生長及養(yǎng)分的吸收，促使葉片早生快發(fā)，為水稻生長提供了更大葉面積，提高了水稻產(chǎn)量[24]。本研究中優(yōu)化栽培相較于常規(guī)栽培有更高的水稻產(chǎn)量（表3），意味著優(yōu)化栽培模式有更好的水稻根系生長和隨后更強的根際泌氧[25]，因此其促進了N2O的釋放。

與N2O排放相反，優(yōu)化栽培較常規(guī)栽培降低稻田CH4排放（表1）。本研究指出，土壤DOC與稻田CH4排放不相關（表4），其原因可能是稻田土壤CH4排放主要來自于土壤原有機質(zhì)的分解，外源有機物質(zhì)可能主要對土壤微生物活性及代謝途徑有影響[26]。因此，雖然優(yōu)化栽培模式頭季秸稈粉碎還田相對于常規(guī)栽培模式秸稈整體行間還田導致秸稈降解速率增加，促使土壤DOC含量提高（表2），但是正如之前所述，優(yōu)化栽培模式更好的水稻根系生長和隨后更強的根際泌氧，勢必增強甲烷氧化菌活性，進而抑制了CH4排放。同時，優(yōu)化栽培模式間歇灌溉實行的淺水層和無水層管理，明顯改善土壤通氣性，提高土壤氧有效性，抑制產(chǎn)甲烷菌活性[27]，也可降低稻田CH4排放。

本研究再生稻栽培模式GWP為19 831～29 139 kg CO2eq·hm-2，大于本課題組在湖北省同一緯度帶的單季稻[19]的 16 245～23 151 kg CO2eq·hm-2和雙季稻[28]的15 720 kg CO2eq·hm-2。這可能與本試驗點土壤有機碳（20.63 g·kg-1）高于其他兩個點（單季稻點10.95 g·kg-1，雙季稻點 16.89 g·kg-1）有關。本研究中CH4對GWP的貢獻（80.7%～98.3%）遠大于N2O的貢獻，表明發(fā)展稻田CH4減排的農(nóng)藝措施對于稻田的可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。本研究還表明，與常規(guī)栽培模式相比，優(yōu)化栽培模式CH4排放減少34.9%，GWP降低31.9%，進一步說明了減少稻田CH4排放對于稻田生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展的作用。有研究表明，作物生產(chǎn)中農(nóng)藝投入與操作（例如農(nóng)藥、化肥使用，機械整地與收獲等），對農(nóng)田溫室效應具有很大的貢獻[29]，然而本文未對此進行研究，因此今后應加強此方面研究，這對于綜合評估稻田的生態(tài)效益和發(fā)展可持續(xù)稻田生產(chǎn)意義重大。

3.2 水稻產(chǎn)量

本研究表明，與常規(guī)栽培模式相比，優(yōu)化栽培模式提高了頭季與再生季水稻產(chǎn)量，最終使總產(chǎn)增幅達25.4%（表3），這可能與綠肥、肥料運籌、水分管理與稻樁留樁高度等方面的優(yōu)化有關。第一，有報道指出，種植綠肥具有固氮、改善土壤物理性狀、提高土壤速效養(yǎng)分供應等作用[30]，因此提高了水稻產(chǎn)量。第二，優(yōu)化栽培模式優(yōu)化了肥料運籌，在頭季齊穗期多施用一次促芽肥。有研究指出，促芽肥是使再生稻高產(chǎn)的關鍵措施之一，合理的施用促芽肥能促使水稻腋芽再生旺盛[5]。同時，頭季根系對再生稻的生長發(fā)育起主導作用[31]，依據(jù)水稻養(yǎng)分需求特點進行施用肥料，促進再生季根系的生長[5]，因此提高再生稻產(chǎn)量。第三，先前的研究指出，間歇灌溉較常規(guī)淹灌能促進根系的良好發(fā)育和生長、養(yǎng)分的吸收，促使葉片早生快發(fā)，為水稻生長提供了更大葉面積，提高了水稻產(chǎn)量。林文雄等[5]的研究也指出，頭季稻在灌漿時進行間歇灌溉和促芽肥后進行輕烤田能保證頭季稻后期根系不早衰，提高活力，最終提高再生稻休眠芽的萌發(fā)和再生苗的生長。第四，留樁高度與再生稻休眠芽萌發(fā)數(shù)量密切相關[6]。相對于常規(guī)留低稻樁（20 cm），優(yōu)化栽培模式的高留樁（35 cm）使再生稻容易再生，不易受到田間不利環(huán)境影響，盡可能保住可再生的節(jié)位，促進再生芽多發(fā)和高位芽再生；同時，有更多稻樁營養(yǎng)可利用，并且可多利用頭季留下的葉片成為再生稻的功能葉[5]。

再生稻輕簡化、效益高，在我國南方稻作區(qū)已得到大力發(fā)展[5]。國內(nèi)外眾多的研究者在再生稻的生理生態(tài)和栽培技術方面已取得了較大的進展，并且在不同的生態(tài)區(qū)域形成了不盡相同的栽培技術體系[32]。然而，當前的研究未能考慮再生稻種植對稻田溫室氣體排放的影響。本試驗指出，優(yōu)化栽培模式相對于常規(guī)栽培模式能有效降低GWP，且提高頭季與再生季水稻產(chǎn)量，因此是一項低碳高產(chǎn)的再生稻栽培模式，值得推廣。溫室氣體排放因氣候與土壤等不同而具有明顯的時空異質(zhì)性[33]，本研究只是針對一個中稻-再生稻復種季節(jié)的研究，還缺乏多年的定點研究，因此進行長期的定點研究將有助于消除短期研究的不確定性。

4 結論

與常規(guī)再生稻栽培模式相比，優(yōu)化再生稻栽培模式從綠肥種植、肥料運籌、水分管理、秸稈管理與稻茬留樁高度等方面進行了優(yōu)化，使得稻田CH4排放降低，從而降低GWP，同時也提高了頭季與再生季水稻產(chǎn)量。結果表明，優(yōu)化栽培模式是一項可持續(xù)發(fā)展的再生稻栽培模式，值得在湖北稻區(qū)推廣。