岳騫，吳思遠，*，張岳芳，盛婧，郭智，陳丹艷，汪超，徐向瑞，王鑫，宗焦

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，南京 210014；2.金陵科技學院園藝園林學院，南京 210038；3.江蘇龍環(huán)環(huán)境科技有限公司，江蘇 常州 213000；4.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，南京 210095）

水稻是我國主要的糧食作物之一，我國水稻種植面積約占全球水稻種植面積的23%。在水稻種植生產(chǎn)過程中，其田間管理活動產(chǎn)生的大量溫室氣體會加速全球變暖，同時全球增溫也會反作用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，影響糧食安全、生態(tài)環(huán)境以及物種多樣性。CH和NO是重要的溫室氣體，稻田的淹水管理是農(nóng)業(yè)CH的主要排放源之一，同時稻田采取的干濕交替管理也會大幅增加NO 的排放。據(jù)統(tǒng)計，稻田CH周年排放量占全球CH排放總量的7%～17%，稻田排放的NO 也占到我國農(nóng)田氮肥直接排放NO總量的7%～11%。

水旱輪作是水稻生產(chǎn)的重要模式，在糧食產(chǎn)量連增的背景下，研究“藏糧于地、藏糧于技”的可持續(xù)輪作技術(shù)模式是實現(xiàn)作物持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)與增產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。稻麥輪作是我國傳統(tǒng)且重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系之一，輪作面積保持在467 萬hm以上，主要集中在我國長江流域。但由于水稻種植品種的改變，水稻遲收、小麥遲播逐漸成為常態(tài)，再加上土壤耕地的退化，造成小麥季經(jīng)濟效益大幅下降。因此，向綠肥-水稻、經(jīng)濟作物-水稻輪作等模式的轉(zhuǎn)變不僅可解決農(nóng)業(yè)發(fā)展的突出矛盾，而且可推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革，實現(xiàn)稻田提質(zhì)增效的雙贏目標。但水旱輪作模式的改變會對生態(tài)環(huán)境效益產(chǎn)生影響，使生態(tài)環(huán)境效益隨之發(fā)生變化。

不同水旱輪作方式對稻田周年CH和NO 的排放有著重要的影響差異。張岳芳等指出由于旱作季施肥差異，水旱輪作旱作季種植的不同作物NO 排放量表現(xiàn)為油菜＞冬小麥＞黑麥草＞休閑＞紫云英，隨著施肥量的增加，土壤CH和NO 排放量也增多。不同水旱輪作方式中的旱作季作物，由于其不同的根系形態(tài)與根際分泌物特征，對土壤養(yǎng)分活化、微生物活動均有顯著影響。張順濤等的研究表明長江中下游地區(qū)油菜-水稻輪作的稻谷產(chǎn)量較小麥-水稻輪作增幅4.6%～17.3%。水稻季產(chǎn)量的影響差異，也會間接影響水稻季CH的排放。黃耀等發(fā)現(xiàn)稻田CH日排放通量與水稻干物質(zhì)積累呈正相關(guān)關(guān)系，CH排放的季節(jié)總量隨水稻產(chǎn)量水平的提高而增加。此外，不同水旱輪作方式的生物量輸入（秸稈、根系等）與輸出（秸稈、籽粒等）也決定整個系統(tǒng)的碳氮養(yǎng)分收支平衡狀態(tài)。

目前針對水旱輪作溫室氣體排放的研究較多，但大多研究只關(guān)注單季的溫室效應(yīng)，或者只對少數(shù)輪作模式進行生態(tài)效益評價，而綜合評價多種輪作模式的周年溫室效應(yīng)以及環(huán)境、經(jīng)濟效益的研究鮮少，不同水旱輪作模式的優(yōu)勢生態(tài)服務(wù)功能尚不夠明確。因此，本研究主要監(jiān)測休閑-水稻、紫云英-水稻、小麥-水稻、油菜-水稻、青飼小麥-水稻、蠶豆-水稻6 種輪作方式的周年CH和NO 的排放特征，評估不同水旱輪作方式的溫室效應(yīng)及經(jīng)濟效益，并分析水旱輪作對土壤環(huán)境的影響，通過結(jié)構(gòu)方程模型分析田間管理措施、土壤性質(zhì)等因素對水旱輪作生態(tài)效益的影響，挖掘影響水旱輪作CH和NO 排放的主要驅(qū)動因素，為下一步不同水旱輪作可持續(xù)生產(chǎn)能力評估工作打下基礎(chǔ)，也為不同水旱輪作方式的溫室氣體排放評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以及為稻田溫室氣體減排提供科學理論和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本試驗在江蘇省南京市溧水區(qū)白馬鎮(zhèn)江蘇省農(nóng)科院溧水植物科學基地（31°36′N，119°11′E）進行，該地屬北亞熱帶向中亞熱帶的過渡區(qū)，氣候溫和，四季分明，年均氣溫15.5 ℃，年均降水量1 036 mm，年均濕度78%，日照2 145 h，無霜期237 d。田間試驗依托于2017年10月開展的稻田不同冬季作物輪茬培肥技術(shù)研究。試驗土壤類型為水稻土，質(zhì)地為壤土，基本理化性質(zhì)：pH 6.2，有機質(zhì)16.6 g·kg，總氮0.87 g·kg，總磷0.24 g·kg，堿解氮13.1 mg·kg，有效磷11.8 mg·kg，速效鉀89.2 mg·kg。溫室氣體監(jiān)測時間為2020 年6 月25 日—2021 年5 月16 日，試驗期間的日均溫和日降水量見圖1。

圖1 試驗期間的日均溫和日降水量（2020.06.25—2021.05.16）Figure 1 Seasonal patterns of daily average air temperature and precipitation during field experiment（2020.06.25—2021.05.16）

1.2 試驗設(shè)計

本研究設(shè)置6 個水旱輪作模式處理，分別為休閑-水稻（CK）、紫云英-水稻（T1）、小麥-水稻（T2）、油菜-水稻（T3）、青飼小麥-水稻（T4）、蠶豆-水稻（T5），每個模式設(shè)置3個小區(qū)重復。試驗采用大田小區(qū)試驗，共18個小區(qū)，小區(qū)面積均為35 m，具體小區(qū)布置方案見圖2。試驗以南粳9108為供試水稻品種，栽插規(guī)格為25 cm×13 cm；小麥品種為寧麥16，撒播，播種量為225 kg·hm；紫云英播種量為60 kg·hm；蠶豆品種為豐邦1號，栽種規(guī)格為80 cm×20 cm；油菜品種為秦油10號，栽種規(guī)格為50 cm×25 cm。

圖2 試驗處理各小區(qū)布置示意圖Figure 2 Schematic diagram of plot layout for experimental treatment

水稻季田間管理措施按照當?shù)馗弋a(chǎn)栽培技術(shù)進行，冬季輪茬作物按各自常規(guī)管理進行，詳見表1。對于田間水分管理，本研究只保證了外界水分輸入的一致性，未考慮田間水分條件改變對溫室氣體排放的影響。各處理具體水分管理方式：水稻季為前期淺水、中期擱田、后期干濕交替的模式；冬季均無灌水，完全靠雨養(yǎng)。

表1 不同水旱輪作方式的田間管理信息Table 1 Field management practices for different paddy rice-upland rotation systems

1.3 樣品采集與測定分析

1.3.1 氣樣采集與分析

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定農(nóng)田CH和NO 氣體排放。靜態(tài)箱箱體材料為PVC，規(guī)格為50 cm×50 cm×50 cm，整個箱身由一層泡沫和鋁箔覆蓋，用以隔熱、減少傳導與反射光。每個試驗小區(qū)固定1 個采樣底座，底座上部有5 cm 深的凹槽，采集氣體時加水密封。同時，采樣箱內(nèi)頂部裝有12 V 小風扇以充分混勻箱內(nèi)氣體，并留有一孔插溫度計以觀測箱內(nèi)溫度，箱體中部安裝抽氣孔，用于氣體采集。采樣起始日為2020 年6 月25 日，采樣頻率為每周1 次；此外在施肥后第1、3、5 天分別增加一次采樣監(jiān)測。采樣時間為當日上午8：00—10：00，分別在靜態(tài)箱放置后的第0、10、20、30 分鐘時采集，共4 次。均勻收集氣體，抽出約50 mL 氣樣保存于氣體采樣袋中，及時帶回實驗室分析。

CH和NO 濃度通過氣相色譜儀（Agilent 7890A GC，美國）測定。分析CH的檢測器為FID，分析NO的檢測器為ECD，關(guān)于氣相色譜儀的參數(shù)設(shè)置、工作條件設(shè)置詳見文獻[8]。靜態(tài)箱法測定氣體排放通量的方法參考文獻[16]，具體公式為：

式中：F為溫室氣體排放通量，排放通量的單位CH為mg·m·h，NO為μg·m·h；為標準狀態(tài)下氣體密度，kg·m；/為靜態(tài)箱氣室內(nèi)溫室氣體的初始濃度變化率，m·m·min；為靜態(tài)箱的凈高度，m；T為靜態(tài)箱氣室內(nèi)的溫度，℃；為標準狀態(tài)下的氣溫，273 K；60為時間單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

不同輪作方式的周年CH和NO 全球增溫趨勢（Global warming potential，，t COe·hm）和單位收益排放強度（，kg COe·元）計算方法參考文獻[17]，具體公式為：

式中：和分別為CH和NO 的累積排放量，kg·hm；為各輪作模式的周年單位面積效益，元·hm；28和265分別是100年尺度下CH和NO的全球增溫潛勢。

1.3.2 土壤樣品采集與指標分析

土壤樣品采集于2021 年冬茬作物收獲前。土壤樣品采集使用S 形布點采樣法，取土壤表層（0～15 cm）樣，多點混合，用四分法對角取適量混合樣，標記后帶回實驗室待測。

監(jiān)測指標包括土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、總磷、有效磷、速效鉀等。有機質(zhì)采用稀釋熱法（NY/T 1121.6—2006）；全氮采用自動定氮儀法（NY/T 1121.24—2012）；堿解氮采用堿解擴散法（LY/T 1228—2015）；總磷采用堿熔-鉬銻抗分光光度法（HJ632—2011）；有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法（HJ 704—2014）；速效鉀采用乙酸銨提取法（NY/T 889—2004）。

1.3.3 植株樣品采集與指標分析

在旱作季，于綠肥壓青前和其他作物收獲前，對不同輪茬作物進行割方測產(chǎn)，在每個小區(qū)中選擇具有代表性的1 m樣方，準確收集整個樣方的植株，稱量其鮮質(zhì)量；然后隨機選取適量植株樣品帶回實驗室進行含水率、全氮、全磷、全鉀含量測定。

植株樣品粉碎后經(jīng)濃硫酸-雙氧水消煮，氮、磷養(yǎng)分采用全自動流動分析儀（SKALAR San++）測定，鉀養(yǎng)分采用火焰光度計法（NY/T 2420—2013）測定。

在水稻季，于水稻成熟收獲前，測定每個小區(qū)的水稻籽粒實際產(chǎn)量。

1.4 周年經(jīng)濟效益分析

在經(jīng)濟效益分析中，考慮了不同輪作模式下種子、農(nóng)藥、肥料、機械、灌水、人工等費用成本，相應(yīng)單價參照中國農(nóng)資網(wǎng)（http：//www.ampcn.com/）。農(nóng)產(chǎn)品價格參照2021 年國家收購指導價：稻谷按優(yōu)質(zhì)稻價格約2.8 元·kg計；小麥價格按2.3 元·kg計；油菜籽粒價格按4.9 元·kg計；青飼小麥價格參照青飼料紫花苜蓿價格（約2 000 元·t）和粗蛋白含量（約16%）進行折算，青飼小麥粗蛋白含量約10%，則青飼小麥價格以1.2元·kg計；蠶豆經(jīng)濟產(chǎn)物價格按8.0元·kg計。

1.5 水旱輪作溫室效應(yīng)的關(guān)鍵影響因素

通過結(jié)構(gòu)方程模型（Structural equation modeling，SEM）研究水旱輪作溫室氣體排放的關(guān)鍵影響因素。SEM 是通過線性方程來表示觀測變量與潛在變量之間的關(guān)系，能將兩個或多個結(jié)構(gòu)模型聯(lián)合起來，實現(xiàn)對多元關(guān)系進行建模的統(tǒng)計框架。多元關(guān)系指變量之間直接和間接相互作用的總和。通過R語言，采用Lavaan 功能包，綜合考慮土壤性質(zhì)（pH、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、總磷、有效磷、速效鉀）、養(yǎng)分還田量（N、PO、KO）、冬茬秸稈還田生物量、化肥用量（N、PO、KO）等潛在影響因素，建立結(jié)構(gòu)方程模型，挖掘影響水旱輪作CH和NO氣體排放的關(guān)鍵影響因素。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft excel 2016進行整理、分析、計算以及相應(yīng)的圖表繪制；利用IBM SPSS Statistics 22對不同種植模式間各因素的差異顯著性（＜0.05表示差異顯著）進行單因素方差分析，采用Duncan 法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水旱輪作方式的周年CH4排放特征

水旱輪作方式下的CH排放主要集中在水稻季，約占周年排放總量的98%～99%（表2）。在水稻季，前期由于持續(xù)淹水管理，同時伴隨大量的冬季作物秸稈還田，所有處理CH排放通量均表現(xiàn)出先快速升高，隨后逐漸下降的趨勢，其中T2 處理CH日排放通量最高，可達39 mg·m·h（圖3）。水稻在落干期時，所有處理的CH排放通量均急劇下降，且有負值出現(xiàn)。隨水稻進入間歇淹水期，CH日排放通量無較大波動，各處理的CH排放通量也無明顯差異，8月下旬后大部分時期的CH日排放通量處于0～2 mg·m·h之間。不同水旱輪作模式下水稻季CH累積排放量具有顯著差異（表2），T1 處理排放量最低，為93.9 kg·hm，顯著低于T2 處理?？傮w來說，不同輪作模式周年CH累積排放量由高到低依次為T2＞T3＞T4＞CK＞T5＞T1。

表2 不同水旱輪作稻田的溫室氣體排放特征Table 2 Greenhouse gas fluxes for paddy rice-upland rotation systems

圖3 不同水旱輪作方式的CH4排放通量季節(jié)變化Figure 3 Seasonal variation of CH4 fluxes for different paddy rice-upland rotation systems

在旱作季，CH日排放通量較低，且不同輪作方式的CH排放通量日變化趨勢相似。旱作初期，因為施肥和溫度的影響，各處理的CH排放通量較高；隨著溫度的逐漸降低，CH排放通量降低，且趨近于0。隨后在2021 年4 月中旬和5 月上旬，部分處理再次出現(xiàn)CH排放高峰，原因可能與強降雨有關(guān)。不同輪作模式的旱作季CH累積排放總量中，T2處理累積排放量最高（2.0 kg·hm），T5 處理最低（0.9 kg·hm），但兩處理間無顯著差異。

不同輪作模式的周年CH累積排放量也具有顯著差異（表2），與水稻季累積排放量規(guī)律相似，T1 處理的CH周年累積排放總量最低（95.6 kg·hm），顯著低于T2 處理的173.3 kg·hm。總體上，小麥、油菜、青飼小麥、蠶豆與水稻輪作的CH周年總累積排放量分別比紫云英-水稻輪作增加80%、45%、28%和17%。

2.2 不同水旱輪作方式的周年N2O排放特征

不同輪作方式的周年NO 排放趨勢如圖4 所示，水旱輪作方式的周年NO 排放主要集中在水稻季，約占總量的62%～76%（表2）。在水稻季秧苗移栽后，由于施基肥的原因，NO 日排放通量有小幅上升，隨后保持在較低的排放水平。當水稻進入落干期，從厭氧狀態(tài)快速轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚鯛顟B(tài)，有利于土壤NO 的排放，各處理的NO 排放通量在此時急劇上升，達到峰值，排放通量在145.0～450.5 μg·m·h范圍內(nèi)；隨后NO排放通量開始下降。水稻進入間歇淹水期，各處理NO 排放通量在兩次施肥后略有升高，穗肥后NO 的排放通量始終保持在較低水平，低于100 μg·m·h?？傮w上，T2、T3和T5處理的水稻季NO累積排放量相同，為1.5 kg·hm，無明顯差異，而T4 處理顯著高于CK和T1處理。

圖4 不同水旱輪作方式的N2O排放通量季節(jié)變化Figure 4 Seasonal variation of N2O fluxes for different paddy rice-upland rotation systems

在整個旱作季，CK、T1 和T5 處理的NO 日排放通量處于較低水平，分別維持在-6.3～102.5、2.5～97.3 μg·m·h和3.3～191.5 μg·m·h之間。原因可能是冬季溫度低，平均溫度只達到10.5 ℃；另外CK 不施肥、T1和T5處理施氮量低（45 kg·hm）也是造成冬季無明顯NO 排放高峰的原因。其他處理由于氮肥的施用，種植前期的NO 排放量有一定幅度的增加，但隨后也趨于平穩(wěn)。同樣在2021年5月初，部分處理出現(xiàn)一個NO 排放高峰，可能是由于受到強降雨的影響。由表2 可知，水旱輪作中的旱作季NO 累積排放量大小順序依次為T3＞T2＞T4＞T1=T5＞CK，由于施肥的差異，CK 處理顯著低于T2 和T3 處理，T1 處理顯著低于T3處理。

不同水旱輪作模式的周年NO 累積排放量有顯著差異（表2），表現(xiàn)為CK（1.5 kg·hm）＜T1（1.8 kg·hm）＜T5（2.0 kg·hm）＜T2（2.2 kg·hm）＜T3（2.4 kg·hm）＜T4（2.5 kg·hm），其中CK處理的NO周年累積排放總量顯著低于除T1 處理外的其他處理，水稻與青飼小麥、油菜、冬小麥、蠶豆和紫云英等作物輪作的NO 周年排放總量依次比CK 增加68%、57%、47%、34%和19%。

2.3 不同水旱輪作方式的周年增溫潛勢

由表2 可知，水旱輪作稻田的周年增溫潛勢高低順序為T2（小麥-水稻）＞T3（油菜-水稻）＞T4（青飼小麥-水稻）＞CK（空閑-水稻）=T5（蠶豆-水稻）＞T1（紫云英-水稻），T2 處理的周年增溫潛勢最大，達到5.4 t COe·hm，較T1 處理（3.1 t COe·hm）顯著增加約74%。

2.4 不同水旱輪作方式的周年經(jīng)濟效益

對于周年經(jīng)濟效益來說（表3），T4 處理最高，達到10 139 元·hm，是最低效益T3 處理的1.6 倍。與T2 處理相比，T1 處理的周年經(jīng)濟效益降低15.2%（1 291 元·hm），但卻可減少2.3 t COe·hm的排放效應(yīng)（表2）。水旱輪作方式下的水稻產(chǎn)量為8 148（T4）～8 854（T2）kg·hm，各處理間無顯著差異。

表3 不同水旱輪作方式的作物產(chǎn)量與周年經(jīng)濟效益Table 3 Crop yield and annual economic benefits for paddy rice-upland rotation systems

從單位收益排放強度來看，T4 處理最低，為0.41 kg COe·元，T3 處理最高，高達T4 處理的2.2 倍。紫云英-水稻輪作的單位收益排放強度分別比油菜、小麥、休閑、蠶豆與水稻的輪作方式低51%、33%、20%和4%?？傮w上，相比于CK 處理，T1 處理能夠降低周年增溫潛勢（降幅為16.2%），提高周年效益（增幅為4.4%），同時也降低了單位收益排放強度（降幅為19.6%）。

2.5 不同水旱輪作方式對土壤性質(zhì)的影響

經(jīng)過輪作周年種植后（2020 年6 月—2021 年5月），各輪作處理的土壤理化性質(zhì)無處理間的顯著差異（表4），但T3 處理的有機質(zhì)、全氮、總磷、有效磷含量均處于較高水平；T1 處理的堿解氮含量相對較高，為15.1 mg·kg；T5 處理的速效鉀含量最高，達到102.7mg·kg。

表4 不同水旱輪作方式下的土壤理化性質(zhì)Table 4 Soil physical and chemical properties under different paddy rice-upland rotation systems

與2017 年試驗前土壤有機質(zhì)含量相比，經(jīng)過3 a的連續(xù)輪作后，各處理的有機質(zhì)含量均有一定程度的增加，其中T1 處理的有機質(zhì)增加量高于T2 處理，但總體上，T3 處理的有機質(zhì)增加最多，約4.5 g·kg。各處理pH 均略有下降，但整體無顯著差異。土壤全氮在3 a 時間尺度上暫未表現(xiàn)出差異。土壤的總磷、有效磷、速效鉀含量經(jīng)過連續(xù)輪作后均一致提高，增幅分別高達83%（T3）、110%（T3）和15%（T5）。

2.6 水旱輪作溫室氣體排放的關(guān)鍵影響因素

如圖5 所示，水旱輪作模式對全球變暖影響的周年增溫潛勢主要受CH累積排放量的影響，回歸系數(shù)（值）為0.99（＜0.001），周年NO 累積排放量的值為0.06（＜0.001）。水旱輪作稻田的NO 周年排放通量與多種因素有關(guān)：與周年施氮量（重要影響因素，值為1.12，＜0.001）、土壤有機質(zhì)含量（值為0.26，＜0.1）呈正相關(guān)關(guān)系；與秸稈還田量（值為-0.63，＜0.05）和水稻產(chǎn)量（值為-0.44，＜0.01）呈負相關(guān)關(guān)系。而周年CH累積排放量主要受冬季作物秸稈還田量（值為0.67）的影響，其次是受水稻產(chǎn)量（值為0.23）的影響，均為正相關(guān)關(guān)系。對于水稻產(chǎn)量，整個結(jié)構(gòu)方程的為0.12，主要與土壤有機質(zhì)和周年施氮量有關(guān)。土壤有機質(zhì)含量與土壤有效磷含量呈正相關(guān)關(guān)系，但與周年施肥量（值為-0.14）存在一定負相關(guān)關(guān)系。

圖5 水旱輪作模式的CH4和N2O排放驅(qū)動因素Figure 5 Driving factors for CH4 and N2O in paddy rice-upland rotation system

3 討論

3.1 水旱輪作對農(nóng)田CH4和N2O排放的影響

不同水旱輪作方式對稻田CH排放具有顯著影響，5種水旱輪作處理的周年CH累積排放量為95.6～173.3 kg·hm，與已有研究的監(jiān)測結(jié)果相似（91.6～283.3 kg·hm），其中小麥-水稻輪作具有最高的CH排放通量，與胡安永等的研究結(jié)果一致。水旱輪作稻田CH排放主要集中在水稻季，因為秸稈還田和淹水環(huán)境可以迅速激發(fā)產(chǎn)甲烷菌生長，促使大量CH產(chǎn)生并排放。因此，由于大量的冬茬秸稈還田，小麥-水稻、油菜-水稻輪作相比于休閑-水稻均不同程度地增加了CH周年累積排放量，這與黃太慶等、唐海明等、張岳芳等的研究結(jié)果相同。稻田CH排放是由土壤中的產(chǎn)甲烷菌和氧化菌共同控制，在秸稈持續(xù)還田約3 a后，土壤肥力明顯提高，促進了水稻根系和植株生長，進一步促進了氧氣的輸送，使土壤含氧量迅速增加，因此氧化菌快速增長，將CH氧化為CO，最終使得CH排放量顯著下降。另外，冬茬作物秸稈的C/N 也會影響稻田CH排放量，還田秸稈的C/N 越高，能源物質(zhì)越豐富，土壤微生物的活性就越高，從而提高了CH的排放速率。紫云英（C/N：14）、蠶豆（C/N：17）的水旱輪作都表現(xiàn)出很低的周年CH累積排放量。值得注意的是，紫云英-水稻輪作下稻季CH累積排放量低于休閑-水稻輪作，原因可能是紫云英翻壓還田促進了水稻植株根系發(fā)育及通氣組織形成，促使CH被氧化。除了秸稈C/N 的影響外，CH排放量還可能與豆科作物培肥作用有關(guān)，稻田土壤肥力顯著提高，水稻的植株和根系生長旺盛，激發(fā)了氧化菌的快速增長，將更多的CH氧化為CO，從而降低CH排放量。此外，張岳芳等和DONG 等在研究中還發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境條件都適宜的情況下，氮肥的施用也可能影響稻田土壤氧化CH的量，氮肥的使用促進了植物根系的快速生長，使得根際分泌物和土壤可溶性有機物增加，間接為喜好有機物料的產(chǎn)甲烷菌提供了良好的生長底物，導致CH排放量增加。SUN 等研究發(fā)現(xiàn)CH排放量與土壤容重呈負相關(guān)關(guān)系，高容重的土壤通常較重且致密，可保護有機物免受微生物分解。農(nóng)田土壤水分、關(guān)鍵酶等因素對溫室氣體排放也具有重要影響，作者前期研究結(jié)果已發(fā)現(xiàn)輪作種植系統(tǒng)的CH排放與土壤充水孔隙率（WFPS）呈正相關(guān)關(guān)系，而NO 排放與WFPS 呈負相關(guān)關(guān)系，在本研究中并未做相應(yīng)的指標監(jiān)測。

水旱輪作NO 周年累積排放量的范圍為1.5（休閑-水稻）～2.5（青飼小麥-水稻）kg·hm，與已有研究結(jié)果一致。NO 累積排放量主要受施氮量影響，施氮較多會使局部土壤氮含量過高，促進土壤氮循環(huán)微生物活動，導致NO大量排放。相比于休閑-水稻輪作，稻麥、稻油輪作會使農(nóng)田NO 排放顯著增加1.5～3.7 倍。但前人研究也發(fā)現(xiàn)，不施肥的休閑-水稻輪作模式的旱作季NO排放量可能大于紫云英-水稻輪作模式，其原因可能與紫云英將土壤氮素轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C氮有關(guān)。另外，ALBANITO等分析得出施肥次數(shù)增多也會導致NO 排放增加。在水稻季，盡管施肥量相同，青飼小麥-水稻輪作的NO 累積排放量顯著高于休閑-水稻、紫云英-水稻輪作，可能因為小麥季收獲后殘留在土壤中的肥料氮會影響水稻生長季的NO 排放。不同輪作方式的根際狀態(tài)差異也會影響耕層土壤的微環(huán)境，進而影響土壤氮循環(huán)相關(guān)微生物的活動，導致不同水旱輪作方式的NO 排放呈現(xiàn)顯著差異。例如，ZHANG 等發(fā)現(xiàn)紫云英-水稻長期輪作條件下，土壤根際細菌群落中的優(yōu)勢菌群主要是具有植物促生根瘤菌的不動桿菌（31%～41%）和假單胞菌（14%～28%），而在休閑-水稻輪作中此類菌的占比不超過5%。FANG等研究發(fā)現(xiàn)紫云英-水稻輪作顯著增加了土壤有機質(zhì)含量和潛在硝化活性。此外，水旱輪作方式中，水稻季稻田淹水方式也會影響NO 排放，干濕交替的環(huán)境會改變土壤結(jié)構(gòu)和通氣性，好氧與厭氧狀態(tài)的頻繁交替循環(huán)也會加速土壤氮的循環(huán)，從而促進了土壤NO 的排放，因此間歇淹水管理條件下的NO排放量會高于持續(xù)淹水管理。

3.2 水旱輪作的可持續(xù)性分析

農(nóng)業(yè)活動的溫室氣體減緩可概括為兩類，分別為固碳（匯）和減排（源）。由于大量的秸稈還田，水旱輪作系統(tǒng)在長期種植后均表現(xiàn)出土壤有機質(zhì)含量提高（表4），但這也直接加速了CH的排放（圖5）。逯非等估算出我國稻田秸稈還田每年可引起CH增排約22.4 Tg（以C 計），而秸稈還田的固碳潛力為10.5 Tg，可見秸稈還田增排CH的溫室效應(yīng)會大幅抵消土壤固碳的減排效益?？茖W的秸稈還田是減排的關(guān)鍵，可實現(xiàn)既能提高稻田固碳潛力，又能降低稻田溫室氣體排放。農(nóng)田土壤秸稈等有機物質(zhì)投入過高，會加速因土壤有機物質(zhì)礦化導致的土壤養(yǎng)分大量流失，投入過低則可能出現(xiàn)土壤肥力、農(nóng)田生產(chǎn)力下降。例如，YANG 等通過大田試驗得出小麥-水稻輪作系統(tǒng)中，相比于作物秸稈半量還田，全量還田雖然明顯提高土壤的有機質(zhì)含量，但也增加了水稻季土壤硝態(tài)氮的淋溶。不同輪作方式的生物量輸出也決定了整個系統(tǒng)的碳氮養(yǎng)分收支平衡狀態(tài)。小麥-水稻、油菜-水稻、青飼小麥-水稻3 種輪作方式均為一年兩熟，具有較高的經(jīng)濟效益，但長期的高強度生物量（包括秸稈與籽粒）輸出會加速土壤礦化，且年施氮量達到540 kg·hm，也會造成一定的環(huán)境污染風險。但本研究暫未綜合分析碳、氮等養(yǎng)分輸出對溫室氣體排放的影響。此外，油菜-水稻輪作可提高后茬水稻的產(chǎn)量及養(yǎng)分累積量，因為油菜強大的根系結(jié)構(gòu)可改善土壤性質(zhì)和土壤微生物菌群，而且油菜后期脫落的葉片會將大量的氮、磷、鉀養(yǎng)分歸還到土壤系統(tǒng)中。由于油菜的培肥增產(chǎn)功能，油菜（綠肥）-水稻也是較常見的輪作方式，但實際生產(chǎn)中，在油菜作為綠肥情況下，很多農(nóng)戶都是按常規(guī)施肥管理油菜，翻壓還田后，常造成油菜季所有養(yǎng)分都作用到水稻季，而水稻季又未實施相應(yīng)的減氮措施，最終使水稻季養(yǎng)分過剩，造成前期秧苗僵化、后期植株倒伏現(xiàn)象，同時也造成溫室氣體排放增加、農(nóng)田面源污染等環(huán)境問題。青飼小麥-水稻是本研究中經(jīng)濟效益最高的輪作方式，其單位收益排放強度也最低，但其土壤固碳能力相對較弱。

相對于其他輪作方式，紫云英-水稻、蠶豆-水稻輪作具有較低的溫室效應(yīng)，土壤固碳能力也高于休閑-水稻輪作方式。豆科作物-水稻輪作模式具備增強土壤碳、氮儲存及改善土壤性質(zhì)的功能，其對土壤健康和環(huán)境質(zhì)量的改善可能會抵消甚至超過CO排放造成的影響。但綠肥生物量還田也需配套相應(yīng)技術(shù)才能達到優(yōu)良培肥的作用，過多的綠肥生物量還田不僅對水稻增產(chǎn)無用，還可能造成作物后期貪青遲熟、倒伏或土壤養(yǎng)分流失等問題。聶良鵬等的報道指出，豫南稻區(qū)紫云英翻壓量為22 500 kg·hm時，配合化肥減施20%的培肥效果最優(yōu)。唐先干等在江西地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，紫云英還田22 500 kg·hm+減量20%化肥處理既能保障早稻產(chǎn)量，又能有效增加稻米整精米率、降低堊白粒率。而王赟等在江西的試驗卻得出，37 500 kg·hm紫云英+減量20%化肥才能實現(xiàn)水稻產(chǎn)量提高以及稻米品質(zhì)提升的雙重目標?？梢姡显朴⒆顑?yōu)還田量與土壤背景性質(zhì)也有密切的關(guān)系，土壤肥力較差的情況下綠肥培肥能力可能更明顯。對于長江中下游地區(qū)，由于水稻生育期長，紫云英播種時期推遲，加上溫度降低，紫云英很難達到理想的生物量，這也大幅降低了紫云英的培肥能力，因此長江下游綠肥紫云英的種植需要更精準的科學配套種植技術(shù)。綜上所述，輪作模式的可持續(xù)發(fā)展需要考慮生態(tài)環(huán)境、土壤健康、經(jīng)濟效益等因素，歸一化分析不同輪作方式的供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)，明確不同輪作方式的最優(yōu)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，為決策者合理布局種植結(jié)構(gòu)提供科學的理論與實踐支撐。

4 結(jié)論

（1）紫云英-水稻輪作能夠明顯降低稻田水旱輪作的溫室效應(yīng)，周年增溫潛勢（3.1 t COe·hm）顯著低于小麥-水稻輪作（5.4 t COe·hm），而且單位收益排放強度也較低，分別比油菜、小麥、休閑、蠶豆輪作減少51%、33%、20%和4%。青飼小麥-水稻輪作具有最高的經(jīng)濟收益，單位收益排放強度也最低（0.41 kg COe·元），但周年NO 排放量最高，土壤固碳能力低于其他輪作模式。

（2）CH累積排放量主要與冬茬還田生物量有關(guān)，小麥、油菜、青飼小麥、蠶豆輪作的稻田CH周年累積排放量分別比紫云英輪作增加80%、45%、28%和17%；NO 累積排放量主要受施氮量、冬茬秸稈還田量及土壤有機質(zhì)影響，種植青飼小麥、油菜、冬小麥、蠶豆和紫云英的NO 周年排放量依次比休閑增加68%、57%、47%、34%和19%。