李如楠，李玉娥，王 斌，萬運(yùn)帆，李健陵，馬 娉，翁士梅，秦曉波，高清竹

雙季稻減排增收的水氮優(yōu)化管理模式篩選

李如楠1,2，李玉娥1※，王 斌1，萬運(yùn)帆1，李健陵1，馬 娉1，翁士梅3，秦曉波1，高清竹1

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.丹東市氣象局，丹東 118000； 3.華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200241）

為篩選出“低投入-低排放-高收益”的稻田水氮管理模式，該研究以漢江平原雙季稻為研究對象，設(shè)計4 種氮肥管理方式：1）普通尿素；2）樹脂包膜控釋尿素；3）普通尿素減氮20%；4）控釋尿素減氮20%，和2 種水分管理方式：1）常規(guī)灌溉；2）薄淺濕曬節(jié)水灌溉。采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）的排放量，應(yīng)用生命周期法（Life Cycle Assessment,LCA）計算水稻生產(chǎn)碳足跡，基于成本收益核算分析單位水稻產(chǎn)量和單位凈收益的碳排放強(qiáng)度。結(jié)果表明，控釋尿素能有效提高雙季稻產(chǎn)量，節(jié)水灌溉和減氮20%能節(jié)約投入成本，對雙季稻產(chǎn)量存在一定負(fù)效應(yīng)，但差異不顯著。相比普通尿素和常規(guī)灌溉，不同水氮優(yōu)化處理可不同程度降低水稻生產(chǎn)的碳足跡和排放強(qiáng)度，并有助于提高收益。其中節(jié)水灌溉搭配控釋尿素減氮的綜合減排效果最好，早、晚稻總減排量分別為45.8%和42.5%（P＜0.05），同時全年凈利潤最高，達(dá)14 340 元/hm2。因此，節(jié)水灌溉、控釋尿素同時減氮20%的組合技術(shù)可實(shí)現(xiàn)稻田節(jié)本減排增收。

溫室氣體；氮肥；水氮管理；生命周期評價（LCA）；碳足跡；成本收益；雙季稻

0 引 言

水稻是重要的糧食作物之一，全球一半以上人口以水稻為營養(yǎng)來源[1]，而水稻種植是農(nóng)業(yè)溫室氣體（CH4和N2O）的重要排放源[2-3]。中國是全球最大的水稻生產(chǎn)國和消費(fèi)國，水稻種植面積約占世界的19%[4]。中國農(nóng)業(yè)CH4排放占全國CH4總排放量的40.2%，而稻田CH4排放占全國農(nóng)業(yè)CH4總排放量的40.1%[5]；稻田N2O 的直接排放量約為3.57 萬t/a，約占全國農(nóng)田N2O 總排放量的11.4%[6]。因此，在保證產(chǎn)量的前提下，開發(fā)低碳水稻生產(chǎn)技術(shù)，降低水稻生產(chǎn)過程中的溫室氣體（CH4和N2O）排放，對減少中國農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放和農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)具有重要意義。

水分和氮素管理是影響水稻產(chǎn)量和溫室氣體排放的重要因素[7-8]。近年來，節(jié)水灌溉、高效氮肥和減氮施肥在水稻低碳清潔生產(chǎn)中越發(fā)被重視，也是政府大力提倡推廣的技術(shù)。薄淺濕曬節(jié)水灌溉作為一種新型水分管理模式已發(fā)展成熟且在中國逐漸推廣使用[9]。董艷芳等[10]研究表明，節(jié)水灌溉能進(jìn)一步減少稻田灌溉用水量，提高水分利用率，同時有效減少CH4排放，但會導(dǎo)致N2O排放量大量增加。不同水氮管理模式對水稻產(chǎn)量的影響也存在差異[11-14]：Lahue 等[11]研究表明，在施氮量相同的情況下，節(jié)水灌溉能保持水稻產(chǎn)量；Linquist 等[14]研究則表示，嚴(yán)重的節(jié)水灌溉對水稻產(chǎn)量會產(chǎn)生不利影響。在高氮肥投入背景下，適度減少稻田施氮量有助于提高氮素利用率，并減少N2O 排放，但是否能維持高產(chǎn)，不同試驗(yàn)研究結(jié)果不一致[15-19]：劉立軍等[15]研究表明，減少30%氮肥投入，能有效提升氮素利用率，并能保持產(chǎn)量；蘇榮瑞等[18]的試驗(yàn)結(jié)果則表明，相比于低氮和中氮處理，高氮處理的水稻產(chǎn)量最高?？蒯屇蛩刈鳛閲抑攸c(diǎn)推廣的高效肥料之一，具有氮素利用率高、增產(chǎn)效果明顯和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[20-21]。稻田施用控釋尿素能同時減少CH4和N2O 排放，并促進(jìn)產(chǎn)量增長[22-26]。但相比普通尿素，控釋尿素價格偏高，投入較大，水稻減量施用控釋尿素的情況下是否能達(dá)到減排和增產(chǎn)的效果，并保證經(jīng)濟(jì)收益，仍有待探究。

目前，多數(shù)研究在單一變量和雙變量條件下設(shè)計試驗(yàn)，較少將稻田溫室氣體排放與投入產(chǎn)出進(jìn)行綜合比較book=106,ebook=2分析。郭晨等[27]設(shè)計了控釋尿素、常量普通尿素和減量普通尿素對稻田CH4和N2O 排放量影響的對比試驗(yàn)；王孟雪等[8]設(shè)計了不同灌溉模式和不同氮肥種類對稻田CH4和N2O 排放量影響的單一試驗(yàn)和對比試驗(yàn)。但節(jié)水灌溉、控釋尿素和減量施氮的組合技術(shù)是否能有效減少碳排放，降低成本投入，提高農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收入，仍需進(jìn)一步論證。因此，本研究基于大田試驗(yàn)，設(shè)計了6 種水氮管理模式，綜合評估薄淺濕曬節(jié)水灌溉、樹脂包膜控釋尿素和減氮20%的不同水氮組合對雙季稻種植碳排放的影響，并采用經(jīng)濟(jì)成本分析篩選出“低投入-低排放-高收益”的水氮管理措施，以期為水稻低碳清潔生產(chǎn)技術(shù)提供試驗(yàn)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年4－11月在湖北省荊州市荊州區(qū)農(nóng)業(yè)氣象站（30°21′N，112°09′E）進(jìn)行。試驗(yàn)地位于漢江平原腹地，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，雨熱同季。水稻種植期間（2017年5月5日－10月26日）平均氣溫24.6 ℃，降水量734.9 mm，日照時數(shù)951.2 h。試驗(yàn)種植區(qū)土壤類型為內(nèi)陸河湖交替沉積形成的水稻土，質(zhì)地為粉質(zhì)中壤土。試驗(yàn)田土壤基本理化性質(zhì)為：土壤pH 值7.7，有機(jī)碳11.14 g/kg，全氮1.37 g/kg，速效磷15.38 mg/kg，速效鉀62.51 mg/kg，容重1.44 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用4 種氮肥管理方式：1）普通尿素（N≥46%），U；2）樹脂包膜控釋尿素（N≥42%），CRU，養(yǎng)分釋放周期為90 d；3）普通尿素減氮20%，US；4）樹脂包膜控釋尿素減氮20%，CRUS。采用2 種水分管理方式：1）常規(guī)灌溉，CI；2）薄淺濕曬節(jié)水灌溉，SWD。常規(guī)灌溉為間歇性灌溉模式，薄淺濕曬節(jié)水灌溉是在此基礎(chǔ)上，根據(jù)水稻不同生長階段實(shí)際需水量的差異進(jìn)行水分管理。2 種水分管理方式在各生育期的灌溉標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 2 種灌溉方式在水稻不同生育期田間水分管理標(biāo)準(zhǔn) Table 1 Water management standards of two irrigation in different growth periods of rice mm

試驗(yàn)設(shè)置6 個不同處理組合：1）U+CI，作為對照；2）U+SWD；3）US+SWD；4）CRU+CI；5）CRU+SWD；6）CRUS+SWD，各處理3 次重復(fù)，共18 小區(qū)，采用單因素隨機(jī)區(qū)組排列。由于試驗(yàn)場地限制，并未設(shè)計US+CI和CRUS+CI 2 個處理。常量氮肥處理（U+CI，U+SWD，CRU+CI，CRU+SWD）總施氮量（以純氮計）早、晚稻均為180 kg/hm2，減氮20%處理（US+SWD，CRUS+SWD）總施氮量早、晚稻為144 kg/hm2。尿素分3 次施用，水稻移栽前施基肥，分蘗期和抽穗期各追肥一次，3 次施肥比例為2:1:1；控釋尿素由于養(yǎng)分釋放具有長效性，因此只施基肥和分蘗肥，2 次施肥比例為2:1。磷肥（以P2O5計）用量均為60 kg/hm2，作為基肥全部施入；鉀肥（以K2O計）用量均為90 kg/hm2，基肥、分蘗肥和穗肥按比例2:1:3施入。

早稻品種為兩優(yōu)287，晚稻為T 優(yōu)118，采購于湖北種子集團(tuán)公司，為當(dāng)?shù)刂魍破贩N，移栽密度為21 萬穴/hm2，每穴2 或3 株。早稻于2017年5月5日移栽，7月19日收割；晚稻于7月24日移栽，10月26日收割。各個小區(qū)長6 m，寬4.5 m，小區(qū)間以寬30 cm，高20 cm 的田埂分隔，并覆蓋尼龍膜，保證水肥互不干擾。每個進(jìn)水管處安裝數(shù)字電控水表，灌溉時刷不同水量水卡，各小區(qū)皆可單獨(dú)灌溉和排水。各個小區(qū)除水肥管理外，其余田間管理全部依照當(dāng)?shù)氐母髁?xí)慣進(jìn)行。

1.3 CH4 和N2O 的采集與計算

稻田CH4和N2O 采用靜態(tài)箱-氣相色譜法進(jìn)行采集和測定。靜態(tài)箱為可自動采氣的明箱，主體材料為透明聚碳酸酯板，由中樞控制箱門開關(guān)并自動采氣，采樣頻率為曬田前間隔1 或2 d，曬田期間隔1 d，曬田后間隔2或3 d。采氣時間于上午9:00－11:00 之間進(jìn)行。具體自動箱結(jié)構(gòu)、自動采氣方法以及氣相色譜儀測試方法與王斌等[28]相同。成熟測產(chǎn)時，在每個試驗(yàn)小區(qū)選取長、寬均1m 的正方形區(qū)域進(jìn)行產(chǎn)量測定。CH4和N2O 排放通量計算公式參照蔡祖聰?shù)萚29]的方法，用內(nèi)插加權(quán)法計算氣體排放總量。

教師將要學(xué)的生字進(jìn)行有意識的整理，側(cè)重進(jìn)行音、形、義的教學(xué)，并牽一發(fā)動全身，讓課文生字在具體的語言環(huán)境中再現(xiàn)和被理解，由詞引導(dǎo)到課文相關(guān)板塊的學(xué)習(xí)，從而達(dá)成理清文脈的目標(biāo)。

1.4 碳足跡計算方法

采用生命周期法（Life Cycle Assessment,LCA）對雙季稻碳足跡進(jìn)行核算。核算邊界從與水稻種植有關(guān)的農(nóng)資原料開采開始，至水稻成熟收獲結(jié)束。核算內(nèi)容包括農(nóng)資原料的開采、加工和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的碳排放量、雙季稻生長過程中灌溉用電的碳排放量、耕作過程中農(nóng)機(jī)柴油消耗造成的碳排放量和從早稻移栽至晚稻收獲期間稻田CH4和N2O 的排放量。計算如式（1）

式中Cf 為水稻生產(chǎn)的碳足跡，kg/hm2；Ei表示水稻生產(chǎn)過程第i個排放源的排放量，包括水稻生產(chǎn)過程中的CH4book=107,ebook=3和N2O 排放量、農(nóng)業(yè)投入品生產(chǎn)過程中的CO2排放量、灌溉耗電和農(nóng)機(jī)使用過程中的能源消耗CO2排放量，kg/hm2；n表示水稻生產(chǎn)鏈條中涉及排放源的個數(shù)。

水稻生產(chǎn)過程中CH4和N2O 的排放量采用靜態(tài)箱-氣相色譜法實(shí)測，CH4和N2O 的排放量轉(zhuǎn)換成二氧化碳當(dāng)量的系數(shù)分別為CO2的25 和298 倍。

農(nóng)業(yè)投入品生產(chǎn)和能源消耗CO2排放量由式（2）計算

式中Adi為第i種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)投入品的能源消耗量，kg/hm2或kW/hm2；Efi為第i種農(nóng)業(yè)投入品生產(chǎn)、電力生產(chǎn)和化石能源燃燒的CO2排放因子。排放因子及來源見表2。需說明的是，由于國內(nèi)外尚無樹脂包膜控釋尿素生產(chǎn)的碳排放因子數(shù)據(jù)報道，因此本研究中控釋尿素和普通尿素采用同一排放因子計算。化肥、水稻種子和農(nóng)藥的使用量，灌溉用電量均為試驗(yàn)中的實(shí)際值，其中灌溉用電量通過灌溉用水量和潛水泵功率和流量計算得出。水稻種子使用量為 30 kg/hm2，早稻柴油使用量為12.7 kg/hm2，晚稻柴油使用量為11 kg/hm2，除草劑使用量為3 kg/hm2，殺蟲劑使用量為4.5 kg/hm2，灌溉潛水泵功率1.8 kW，流量為40 m3/h。

表2 農(nóng)用能源及農(nóng)用投入品的碳排放因子Table 2 Carbon emission factor of agricultural energy and input

1.5 成本及收益計算

成本核算內(nèi)容包含早稻及晚稻種子、化肥（包括氮肥、磷肥、鉀肥）、農(nóng)藥、灌溉用電、柴油、各項田間管理（耕播、施肥、灌溉、噴灑農(nóng)藥、收獲）所需的人工費(fèi)用以及間接成本（包括括技術(shù)服務(wù)成本、修理維護(hù)成本和固定資產(chǎn)折舊成本）。

本研究中，雙季稻種植過程中的種子、化肥、農(nóng)藥、柴油、灌溉用電及人工的費(fèi)用均為試驗(yàn)中的實(shí)際值。其中普通尿素3.8 元/kg、控釋尿素6.4 元/kg、磷肥1.25 元/kg、鉀肥2 元/kg、除草劑175 元/kg、殺蟲劑100 元/kg、種子20 元/kg、柴油6 元/kg、湖北電費(fèi)為0.58 元/kW·h；各處理收益僅考慮凈產(chǎn)值，即各處理產(chǎn)量乘以單位水稻售價，荊州地區(qū)成熟水稻售價2.8 元/kg。不同處理的凈收入和單位凈收入碳排放強(qiáng)度分別由式（3）和式（4）計算

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)計算和方差分析使用Microsoft Excel 2016 和SPSS 22.0 軟件完成，以P＜0.05 作為顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，用最小顯著性差異法（Least Significant Difference,LSD）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙季稻CH4 和N2O 累積排放量

不同水氮處理早、晚稻CH4累計排放量范圍分別為65.6～171.2 和63.7～151.6 kg/hm2，早稻和晚稻的CH4排放量均以CK 最高（圖1a）。施用普通尿素的條件下，U+SWD 全年CH4排放量比U+CI 下降16.6%，減排效果達(dá)顯著水平（P＜0.05）；在施用控釋尿素條件下，CRU+SWD 的全年CH4排放量相比CRU+CI 也有顯著降低（P＜0.05）。相對于 U+CI，減排效果順序?yàn)镃RUS+SWD＞CRU+SWD＞CRU+CI＞US+SWD＞U+SWD，減排效果均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。因此采用節(jié)水灌溉，控釋尿素，以及減少施氮量均能夠有效地減少稻田CH4排放。

圖1 不同處理的早、晚稻CH4 和N2O 累計排放量 Fig.1 Cumulative CH4 and N2O emissions of early rice and late rice under different treatments

對比U+SWD 和 US+SWD ，CRU+SWD 和CRUS+SWD，減量施用普通尿素或控釋尿素能同時降低稻田CH4和N2O 的排放量。因此，減量施氮和控釋尿素能進(jìn)一步降低稻田CH4的排放，并且能部分抵消節(jié)水灌溉增加的N2O 的排放量，能達(dá)到更好的減排效果。

2.2 雙季稻生產(chǎn)碳足跡

不同處理早、晚稻各部分排放量占總量的比例排序相同，其中溫室氣體排放（CH4和N2O）所占比例最高，為50.7%～69.9%（圖2），其次為氮肥生產(chǎn)（21.6%～33.4%）。各處理早稻和晚稻碳足跡均以U+CI 處理最高，分別為6 354 和6 119 kg/hm2。節(jié)水灌溉、控釋尿素和減氮處理均能有效降低碳足跡總量。

圖2 不同處理的早、晚稻碳足跡構(gòu)成 Fig.2 Carbon footprint composition of early rice and late rice under different treatments

在普通尿素條件下，US+SWD 與U+CI 相比，早、晚稻碳排放分別降低28.1%和18.1%，均達(dá)到顯著性水平（P＜0.05）。在常規(guī)灌溉條件下，控釋尿素顯著降低了雙季稻溫室氣體的排放（P＜0.05），早、晚稻分別減排27.7%和21.7%。在控釋尿素條件下，節(jié)水灌溉和減氮施肥也具有很好的減排效果。CRUS+SWD 減排效果最好，與U+CI相比，早、晚稻碳足跡分別下降45.8%和42.5%，減排效果均達(dá)顯著性水平（P＜0.05）。因此，節(jié)水灌溉，控釋尿素減氮20%的組合技術(shù)能有效降低水稻生產(chǎn)碳足跡。

2.3 雙季稻產(chǎn)量及碳排放強(qiáng)度

在水分管理相同的條件下，施用控釋尿素對早、晚稻產(chǎn)量存在正效應(yīng)（圖3）；在氮肥管理相同的條件下，節(jié)水灌溉處理的產(chǎn)量都略微下降，但差異不顯著；同等條件下再減少氮肥施用量之后，早、晚稻產(chǎn)量也相應(yīng)減少，但差異不顯著。綜合兩季水稻試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，兩季產(chǎn)量均以CUR+CI 處理最高，US+SWD 處理最低?？梢姴捎每蒯屇蛩鼐哂休^好的增產(chǎn)效果，節(jié)水灌溉和減氮20%對水稻產(chǎn)量存在一定負(fù)效應(yīng)。

圖3 不同處理的早、晚稻產(chǎn)量 Fig.3 Yield of early rice and late rice under different treatments

不同水氮處理的早稻溫室氣體排放強(qiáng)度（Green House Gas Emission Intensity,GHGI）范圍為0.48～0.94 kg/kg，晚稻為0.42～0.81 kg/kg，兩季GHGI 變化趨勢大致一致，控釋尿素各處理減排效果均優(yōu)于普通尿素處理（圖4）。其中CRUS+SWD 處理排放強(qiáng)度最低，與U+CI處理相比，早、晚稻GHGI 分別減少49.1%和48.2%，均達(dá)顯著性水平（P＜0.05）。因此，節(jié)水灌溉、控釋尿素和減氮20%的組合能夠在保持或者增加產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，有效降低溫室氣體排放。

book=109,ebook=5

圖4 不同處理的早、晚稻溫室氣體排放強(qiáng)度 Fig.4 Greenhouse gas emission intensity (GHGI) of early rice and late rice under different treatments

2.4 雙季稻成本收益分析

各處理成本間差異主要是由氮肥施用、灌溉用電、施肥用工以及灌溉用工的差異造成的（表3）?？蒯屇蛩馗魈幚恚–RU+C、CRU+SWD 和CRUS+SWD）的氮肥成本均高于普通尿素處理（U+CI、U+SWD 和US+SWD）；減量施用控釋尿素能節(jié)約成本；同時控釋尿素只需要2 次施肥，施肥用工成本是常規(guī)尿素的2/3；節(jié)水灌溉在減少灌溉用電成本的同時，還減少了灌溉用工的成本。與U+CI 相比，U+SWD、US+SWD、CRUS+SWD 處理均能有效降低雙季稻的生產(chǎn)成本。從投入成本和產(chǎn)量2 方面考慮，控釋尿素和節(jié)水灌溉都能有效降低單位凈收入排放強(qiáng)度，控釋尿素的提升效果更佳（表4）。其中CRUS+SWD 凈利潤最高（14 340 元/hm2），其次是CRU+CI（14 073 元/hm2）。結(jié)合碳足跡結(jié)果，與尿素和常規(guī)灌溉相比，其他處理的單位純收入碳排放強(qiáng)度均顯著降低，其中CRUS+SWD 處理的碳排放強(qiáng)度最低（0.51 kg/元），比U+CI 低62.7%。

表3 不同處理的早、晚稻成本Table 3 Cost of early rice and late rice under different treatments 元·hm-2

表4 不同處理的經(jīng)濟(jì)效益分析 Table 4 Benefit of different fertilization treatments

3 討 論

3.1 優(yōu)化水氮管理降低稻田CH4和N2O 排放的機(jī)理分析

田間水分管理措施是影響稻田溫室氣體排放的重要因素。土壤水分狀況直接影響土壤好氧或厭氧環(huán)境的形成，進(jìn)而影響到稻田CH4和N2O 的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化和傳輸過程[28]。節(jié)水灌溉的土壤通透性得以提高，在有氧狀態(tài)和無氧狀態(tài)的交替中，既促進(jìn)CH4氧化又部分抑制CH4產(chǎn)生，但會促進(jìn)硝化和反硝化過程交替進(jìn)行，增加了N2O的排放[8]。相比普通尿素，控釋尿素養(yǎng)分釋放的長效性要更好一些。普通尿素快速水解釋放大量的NH4+，能抑制CH4氧化菌活性，使得前期CH4排放通量較高[3]。后期水稻處于干濕交替階段，此時控釋尿素仍存在較好的氮素供應(yīng)，在好氧環(huán)境條件下，有效提高了CH4氧化菌活性，使得更多的CH4被氧化，從而降低稻田CH4的排放量[27]。同時，由于控釋尿素按水稻生長需肥特性釋放養(yǎng)分，有效減少了土壤中過剩的無機(jī)氮含量，進(jìn)一步減少了無機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮排放，因此減少了稻田N2O 的釋放[19]。N2O的排放量與施氮量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，降低施氮量也能有效減少稻田N2O 的排放量。

目前，多數(shù)研究是在施用普通尿素的條件下討論節(jié)book=110,ebook=6水灌溉的效應(yīng)，或是在常規(guī)灌溉的條件下討論緩控釋肥和減量施用緩控釋肥的影響，缺乏對三者耦合措施下綜合效應(yīng)的研究。在不同灌溉模式下施用緩控釋肥或減氮施肥在溫室氣體綜合效應(yīng)方面產(chǎn)生的效果也有所差異。本研究雖然表明了在節(jié)水灌溉條件下減少20%控釋尿素的施用能做到減排增收，但卻沒有設(shè)置氮肥施用量梯度，無法確定最佳的氮肥施用量，因此，協(xié)調(diào)水稻產(chǎn)量和溫室氣體排放量之間的矛盾，以合適的施氮量達(dá)到減排高產(chǎn)的最佳效果，是今后研究的重點(diǎn)。

3.2 優(yōu)化水氮管理對水稻碳排放強(qiáng)度和碳足跡的影響

水稻種植過程的碳足跡受到施肥條件、水分因素，田間管理、氣候因素和社會經(jīng)濟(jì)因素等多方面的影響，王興等[32]基于2004－2014年中國各省份水稻種植相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)條件不同，水稻生產(chǎn)碳足跡存在很大差異。因此，通過改進(jìn)農(nóng)田管理措施（如節(jié)水灌溉、改良施肥、合理使用農(nóng)業(yè)投入品等），提高水稻機(jī)械化生產(chǎn)效率以減少水稻溫室氣體排放，能夠有效降低生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的壓力。曹黎明等[33]應(yīng)用生命周期發(fā)對上海地區(qū)水稻種植的碳足跡進(jìn)行評估，試驗(yàn)采用干濕交替灌溉和277.5 kg/hm2的水氮管理，測算出碳排放強(qiáng)度為1.23 kg/kg。徐小明等[34]通過模擬與計算得出180 kg/hm2無機(jī)肥和22.5～30.0 t/hm2有機(jī)肥混施和“三排三灌”的水氮管理條件下，吉林西部水稻生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度為1.33 kg/kg。本研究較為詳盡地統(tǒng)計了雙季稻種植過程中涉及碳足跡的各項目，并計算得到6 種不同水氮管理模式下早、晚種植的單位產(chǎn)量碳排放強(qiáng)度分別為0.48～0.94和0.42～0.81 kg/kg。由于CH4和N2O 排放在水稻碳足跡中所占比例約在60%左右，在優(yōu)化的稻田水氮管理模式下，稻田CH4和N2O 排放量明顯降低，同時氮肥和灌溉用水用電投入的減少，可進(jìn)一步減少水稻生產(chǎn)碳足跡，導(dǎo)致本研究中碳足跡和碳排放強(qiáng)度的數(shù)值均低于曹黎明和徐小明等的研究，這也從另一個角度表明優(yōu)化水氮管理模式對于減少環(huán)境壓力是有可靠效果的。但是在計算碳足跡的過程中，本研究未將施肥后土壤氮素的淋溶和揮發(fā)造成的間接排放以及土壤碳儲量的變化考慮在內(nèi)。同時由于控釋尿素的排放因子暫無具體數(shù)據(jù)，碳足跡計算時采用的排放因子與常規(guī)尿素一致，而實(shí)際上生產(chǎn)控釋尿素的碳排放應(yīng)高于普通尿素，因此本研究也會一定程度高估控釋尿素的減排效果。

3.3 優(yōu)化水氮管理的可推廣性分析

水稻產(chǎn)量代表農(nóng)戶的收入，增產(chǎn)增收是水氮管理模式可推廣的前提。前人研究結(jié)果認(rèn)為，適宜輕度或中度干濕交替灌溉，能夠減少農(nóng)田灌溉量，同時保證了水稻產(chǎn)量[34-36]。在常規(guī)尿素條件下，在一定范圍內(nèi)，水稻產(chǎn)量隨施氮量的增加而增多[37]。合理確定施氮量，以達(dá)到最高的氮素利用率，是水稻減氮生產(chǎn)的關(guān)鍵。在施用緩控釋尿素條件下，水稻氮素利用率明顯提高，植株可利用氮素增多，有助于籽粒產(chǎn)量的增長[38-39]。因此在滿足籽粒養(yǎng)分的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)減少緩控釋氮肥的施入量，既可以保持產(chǎn)量，又能提高氮素利用率，并進(jìn)一步減少溫室氣體排放。盡管控釋尿素能達(dá)到增產(chǎn)增收的效果，但是在實(shí)際推廣過程中，并未得到大規(guī)模的應(yīng)用，其主要的限制因素是控釋尿素價格要普遍高于普通尿素價格。因此，在制定政策與實(shí)際推廣中，為提高普通農(nóng)戶對減排技術(shù)和優(yōu)化管理措施的接受度，政府應(yīng)采用提供補(bǔ)貼或提升碳交易價格的方式，降低農(nóng)戶種植成本，提高凈收益。按照本研究的標(biāo)準(zhǔn)計算，假定常規(guī)管理模式轉(zhuǎn)化為最優(yōu)水氮管理模式，農(nóng)戶每減少1 t 碳排放，政府補(bǔ)貼190 元，或碳交易價格制定為190 元/t，才可抵消投入成本的增長。目前，國內(nèi)碳市場交易價格為32.55 元/t[40]，還需進(jìn)一步完善碳交易機(jī)制，將碳交易價格提升至190 元/t 以上，農(nóng)戶即可從最優(yōu)水氮管理模式中獲益，有助于其推廣和被農(nóng)戶接受。

4 結(jié) 論

1）薄淺濕曬節(jié)水灌溉在有效降低稻田CH4排放的同時，增加了N2O 的排放，但由于CH4的減排量遠(yuǎn)大于N2O的增排量，從綜合溫室效應(yīng)來看，仍能有效降低稻田溫室氣體排放，并維持產(chǎn)量。

2）節(jié)水灌溉、控釋尿素同時減氮20%的組合技術(shù)能在保證高產(chǎn)的前提下，有效降低雙季稻種植過程中的碳足跡，與常規(guī)水氮管理相比，早、晚稻總減排量分別45.8%和42.5%，同時能節(jié)約成本，增加全年凈利潤，是水稻生產(chǎn)中“低投入-低排放-高收益”的低碳清潔水氮管理模式。

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Pattern selection of water and nitrogen practices to reduce greenhouse gas emission and increase profit in a double rice system

Li Runan1,2,Li Yu'e1※,Wang Bin1,Wan Yunfan1,Li Jianling1,Ma Ping1,Weng Shimei3,Qin Xiaobo1,Gao Qingzhu1

(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing100081,China; 2.Dandong Meteorological Bureau,Dandong118000,China; 3.School of Ecological and Environmental Sciences,East China Normal University,Shanghai200241,China)

Abstract:Rice paddy field has been an important emission source of greenhouse gas.A combination of water-saving irrigation,controlled release urea,and reduced nitrogen can offer the promising potential to decrease the emissions of greenhouse gas,while,to increase grain yield simultaneously in rice cultivation.Aiming to verify which the water and nitrogen practice can achieve the goal of “l(fā)ow input-low emission-high benefit”,a field experiment was conducted in a double rice cropping system in the Jianghan Plain,Hubei province,China.Four nitrogen practices were designed: 1) urea (U),2) polymer-coated controlled release urea (CRU),3) 20% reduced urea application (US),and 4) 20% reduced polymer-coated controlled release urea application.Two water practices were integrated,1) the conventional irrigation with mid-season drainage (CI),and 2) water-saving irrigation with shallow water depth and alternation of wetting and drying (SWD).The automatic static chamber method equipped with gas chromatography was applied to the sample,further to measure the emissions of greenhouse gas (CH4and N2O) during the rice growing season under various treatments.A life cycle analysis (LCA) was used to calculate the carbon footprint in the rice production system.The intensity of carbon emission per unit grain yield was estimated using cost-benefit analysis,together with the unit net income.The results showed that the controlled release urea and reduced rate of nitrogen application can alleviate both emissions of CH4and N2O,while,the water-saving irrigation decreased CH4emissions but increased N2O emissions.The yield of grain increased with the application of controlled release urea,while,decreased with the water-saving irrigation,and 20% reduction in nitrogen application,but these negative effects can be ignored in the practical case.The LCA indicated that CH4and N2O emissions in the double rice cultivation contributed the highest portion to total carbon footprint (50.7%-69.9%),followed by nitrogen input (21.6%-33.4%).The carbon footprint and net income decreased at varied levels under the treatments of water-saving irrigation,controlled release urea,and reduced rate of nitrogen application.Compared with the treatment of U + CI,the CRUS + SWD treatment achieved the highest reduction in carbon emissions (P＜0.05),followed by CRU + SWD,US + SWD,CRU + CI,and U + SWD.It infers that the application of controlled-release urea led to much higher input cost,while,the reduction of nitrogen application amount can decrease this cost.The water-saving irrigation directly saved the water,electricity and manpower consumption,showing a lower cost.Considering both input cost and yield production,the controlled-release urea contributed to the increase of net profit for the double rice,where the CRUS + SWD achieved the highest net profit,followed by CRU + CI.The net income of carbon footprint decreased noticeably under all other treatments,compared with the urea and conventional irrigation.Particularly,the treatment of CRUS + SWD achieved the lowest intensity of carbon emission (0.51 kg/yuan),62.7% lower than that of U + CI.The data confirmed that the combination of water-saving irrigation,controlled release urea with 20% reduction in nitrogen application rate can be used to save the input cost,while to improve net profit,and thereby to effectively reduce carbon emission intensity in a double rice cropping system.These findings can also provide a promising theoretical support for the production of low carbon rice in China.

Keywords:greenhouse gases; nitrogen fertilizers; water and nitrogen practices; life cycle assessment (LCA); carbon footprint; cost-benefit; double rice

2020-07-17

2020-10-25

國家自然科學(xué)基金項目（41905102）；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2017YFD0300400）；國家科技支撐計劃項目（2015BAC02B06）

李如楠，主要從事農(nóng)田溫室氣體排放研究。 Email：lirunan_caas@163.com

李玉娥，研究員，博士生導(dǎo)師。主要從事農(nóng)田溫室氣體排放核算與減排技術(shù)研究。Email：liyue@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.013

S511.4+2; S-1

A

1002-6819(2020)-21-0105-09

李如楠，李玉娥，王斌，等.雙季稻減排增收的水氮優(yōu)化管理模式篩選[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(21)：105-113. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.013 http://www.tcsae.org

Li Runan,Li Yu'e,Wang Bin,et al.Pattern selection of water and nitrogen practices to reduce greenhouse gas emission and increase profit in a double rice system[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2020,36(21): 105-113.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.013 http://www.tcsae.org