夏天龙， 时 红， 时元智， 洪大林， 冯中华
(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029；
2.江西省灌溉试验中心站，江西南昌 330201)
水稻为我国的主要粮食作物，2021年种植面积约为3 000万hm2，约占全球水稻种植面积的18.5%[1]。据统计，我国稻田CH4和N2O年排放量分别达到700万t[2]和19万t[3]。过去的稻田温室气体排放研究主要针对人工移栽等传统播栽方式，但近年来随着农村劳动力转移以及农业机械化的发展，耗时费力的人工育秧—插秧方式正逐步被轻简栽培方式所取代。与传统播栽方式相比，轻简栽培方式对土壤的扰动程度不同，可能引起微生物群落结构和功能多样性的改变[4]，从而导致温室气体排放量的差异。基于此，有必要开展不同播栽方式下稻田温室气体排放研究，探索水稻高产低碳的种植模式。
已有研究表明，土壤水分状况、温度、pH值、施肥等因素均会对CH4和N2O的排放产生影响[5-6]。此外，播栽方式不同会引起稻田CH4和N2O排放差异，适宜的播栽方式可改善稻田土壤结构以及通气性，进而降低稻田土壤微生物的数量和活性，减少温室气体排放[7]。已有研究表明，抛秧播栽模式的全球增温潜势(GWP)明显低于移栽模式[8]，而直播的稻田CH4排放量和GWP显著低于机械插秧[9]。国内外针对直播与人工移载的温室气体排放差异，指出直播方式相对于人工移载方式能显著降低CH4排放量，同时会不同程度增加N2O排放量[10-11]。
目前，基于多种播栽方式对稻田CH4和N2O排放进行研究的报道还较少，特别是在粮食安全与碳达峰、碳中和背景下，针对南方典型稻作区，亟待开展结合作物产量进行高产低碳综合分析的研究。
鄱阳湖平原是我国重要的双季稻作区，本研究利用静态箱-气相色谱法，研究不同播栽方式对鄱阳湖平原典型双季稻田CH4、N2O排放量及产量的影响，旨在提出适宜该区域的稻田高产量、低温室气体排放的播栽方式。
1.1 试验区概况
本试验于2017年在江西省灌溉试验中心站(115°58′E，28°26′N)水稻试验田进行。该试验站位于鄱阳湖平原，属亚热带季风性气候。2017年早稻季平均气温为25.0 ℃，温度呈上升走势，返青期最低温度为10.9 ℃，黄熟期最高温度为31.7 ℃。晚稻生长季的平均温度为26.4 ℃，温度呈波动下降趋势，返青期气温最高，为34.0 ℃，黄熟期气温最低，为13.8 ℃。早、晚稻生长季的总降水量分别为505.5、363.7 mm，早稻生长季降水量的52.7%集中在拔节孕穗期至乳熟期，晚稻生长季降水量的82.0%集中在返青期和分蘖期。试验田土壤容重为1.36 g/cm3，土壤类型为水稻土，有机质、氮、磷、钾含量分别为1.74、0.82、0.25、1.18 g/kg。
1.2 试验设计
本研究设直接播种(DS)、人工插秧(AT)、机械插秧(MT)、抛秧(SP)4种播栽方式。在各播栽方式下，水稻播种、栽种、收割日期及生育期时长见表1。DS播种模式的播种量为13 kg/hm2；
AT模式的插秧行距×株距=23.3 cm×13.3 cm；
SP种植模式的栽植密度为35株/m2；
MT模式使用富来威 2Z-455 型水稻插秧机插秧，栽插平均行距为 26.9 cm，株距为13.3 cm。早稻于25 d秧龄时移栽，晚稻于15 d秧龄时移栽。
表1 不同试验小组播种/移栽、收获日期及生育期时长
试验为大田试验，各小区面积为100 m2。早稻品种采用中嘉早稻17，晚稻品种采用H优518。播种/移栽前翻耕稻田土壤。田间水分管理采用间歇灌溉模式，各小区用水表控制灌排水量，田埂用塑料薄膜覆盖，防止水肥流失。氮肥用量为180 kg/hm2，钾肥用量为150 kg/hm2，早、晚稻氮、磷、钾肥料来源分别为尿素、钙镁磷肥、氯化钾。其中磷肥用量(P2O5)为90 kg/hm2，均作基肥施用，基肥、分蘖肥、穗肥中氮肥施用质量比为3 ∶3 ∶4，基蘖肥、穗肥中钾肥施用质量比为7 ∶3。基肥施用时间为水稻播栽前1 d，分蘖肥施用时间为水稻播栽后5～7 d，穗肥施用时间为叶龄余数为1～2张叶时。
1.3 样品采集与监测
采用静态箱-气相色谱法测定CH4、N2O排放通量。静态箱结构分为不锈钢底座和箱体，底座用于固定箱体，箱体长、宽、高皆为50 cm，当水稻株高接近50 cm时，通过叠加相同尺寸的双向开口箱体，使箱体高度增加到100 cm。气体采集时间为 08：00—11：00，按照0、10、20、30 min的间隔采集气体，同时记录箱内温度；
每隔 5～7 d观测1次，抽样完成后立即通过气相色谱仪(Agilent7890b)测定气体浓度。
1.4 数据的处理与分析
温室气体排放通量的计算方法[12]见如下公式：
(1)
(2)
式中：c为温室气体总排放量，kg/hm2；
i为采样次数；
n为总采样次数；
D为相邻采样相隔时间，d。
全球增温潜势表示单位质量的温室气体在某个时间尺度上的累计辐射强迫；
温室气体排放强度(GHGI)指单位质量水稻生产产生的全球增温潜势。CO2作为参考气体，CH4、N2O的排放量通过GWP值转换为CO2当量(CO2-eq)。在100年尺度下，单位质量CH4、N2O的GWP分别为CO2的28、273倍[13]，GWP、GHGI的计算公式分别如下：
GWP=28×FCH4+273×FN2O
。
(3)
式中：GWP为增温潜势(以单位面积的CO2当量计算，下同)，kg/hm2；
FCH4为CH4总排放量，kg/hm2；
FN2O为N2O总排放量，kg/hm2。
(4)
式中：GHGI为温室气体排放强度(以CO2当量计算，下同)，kg/kg；
GWP为早晚稻增温潜势之和，kg/hm2；
Y为早晚稻总产量，kg/hm2。
2.1 不同播栽方式下稻田CH4的排放规律
由图1可见，在不同播栽方式下，早、晚稻的CH4排放通量走势基本一致，各处理的CH4排放通量在分蘖期内达到最大值后，迅速下降，拔节期后一直维持低的排放水平。根据表2可以看出，生长期CH4排放规律的不同之处主要在于水稻早期生长阶段的排放程度，各处理晚稻的CH4排放量占生育期累计排放量的主体地位，占比为75.7%～88.2%。
从生育期来看，早稻的CH4排放主要集中在水稻植株生长阶段的分蘖期到拔节孕穗期，4种播栽方式的平均排放通量为27.20 mg/(m2·h)。在分蘖期内的不同处理下，CH4排放有2～3个峰值，过峰后迅速变为低排放状态，在抽穗开花末期，各处理的CH4排放通量到达1个小高峰，其余时间的CH4排放通量均维持在较低水平(图1)。早稻季首个CH4排放峰值在分蘖前期，不同播栽方式的平均排放通量为3.43 mg/(m2·h)，主要因为这段时间气温上升至水稻的最适生长温度，土温升高也增强了产甲烷菌的整体活性。分蘖期CH4的排放达到早稻生育期的峰值，4种播栽方式的最大平均排放通量为9.91 mg/(m2·h)。晒田后，CH4通量迅速下降至较低水平，主要是由于晒田行为增加了土壤通气性，破坏了甲烷菌生存繁殖所需的严格厌氧环境。在拔节初期，AT、SP处理下的CH4通量有明显回升，AT的最高排放通量达到12.44 mg/(m2·h)。在6月，随着降水和气温的增加，田面淹水状况增多，小幅增强了产甲烷菌活性，使得CH4通量略微升高。晚季稻的CH4排放也呈现出先高后低的变化趋势，但排放峰出现的时间较早稻明显提前。在分蘖前期，CH4排放通量便迅速上升到峰值，4种不同播栽方式的平均CH4排放通量为51.45 mg/(m2·h)。在水稻分蘖末期进行晒田处理后，土壤的通气性大幅提升，土壤有效氧供应得到改善，导致CH4排放通量迅速下降。在拔节期复水施肥后，各处理的CH4排放通量开始回升，但由于间歇灌溉模式水层控制及反复落干晾晒，甲烷菌的繁殖、气体排放回升程度受限。
在不同播栽方式下，CH4的排放差异较明显。早稻总CH4排放量从低到高排序为DS、SP、AT、MT。早稻平均 CH4排放量为49.49 kg/hm2，DS处理比平均排放量低47.4%。AT、MT处理的CH4排放通量峰值明显高于其他处理，在早稻季分蘖期，AT、MT处理的最高CH4排放通量分别达到9.35、20.56 mg/(m2·h)，晚稻季AT、MT处理的最高CH4排放通量分别达到56.94、69.72 mg/(m2·h)。早、晚稻季分蘖期AT、MT处理的CH4排放量比其他处理高，AT处理的累计排放量分别占早稻季、晚稻季、总排放量的31.8%、29.4%、29.8%，MT处理的累计排放量分别占早稻季、晚稻季、总排放量的36.7%、33.9%、34.4%。在SP处理下，晚稻CH4排放通量峰值明显低于其他处理。早稻季的最高CH4排放通量为7.01 mg/(m2·h)，晚稻季的减排效果显著，最高CH4排放通量为22.40 mg/(m2·h)，晚稻SP播栽方式的累计CH4排放量比其他处理低42.2%～60.2%。由于直播稻不存在返青期，所以DS处理CH4排放峰值较其他处理稍有提前和集中，分蘖前期的CH4排放量仅次于MT处理，为60.18 mg/(m2·h)，但从晚稻累计排放量上看，DS处理的排放量分别比AT、MT处理减少了20.6%、31.2%(表2)。
表2 不同播栽方式下稻田CH4的累计排放量
2.2 不同播栽方式下稻田N2O的排放规律
由图2可以看出，早稻、晚稻稻田中N2O的排放通量呈波浪式，在水稻种植/移栽初期，N2O的排放通量普遍较低，到分蘖后期上升到第1个峰值；
在拔节孕穗初期，N2O排放出现谷值，之后保持波动。不同播栽方式的N2O排放总量见表3，可见各处理间年际累计N2O排放量无明显差异，AT、SP、MT处理的年际累计N2O排放量为1 325.09～1 361.36 g/hm2，DS处理略高于其他3种处理，为1 621.48 g/hm2。
对于早稻而言，各N2O处理在整个生育期内有2～3个排放峰，较明显的峰值分别出现在分蘖末期、拔节孕穗末期。DS、AT、SP处理的最高排放通量在拔节孕穗末期，而MT处理的高排放峰在乳熟期，排放通量为91.42 μg/(m2·h)。在晚稻生育前期，N2O的排放通量较低，在分蘖前期甚至呈现为N2O的汇。在分蘖末期，各处理达到第1个N2O排放峰，至拔节孕穗初期复水后，N2O排放通量迅速下降到谷值，在拔节末期，各处理的N2O排放通量有不同程度的上升。
早稻季各处理之间的N2O排放规律差异较小，DS与SP处理的N2O排放通量契合程度较高，在返青初期都为微量的负排放，峰值出现频次与时期都较契合，主要集中于拔节孕穗末期，DS、SP处理的最高N2O排放峰值分别为105.27、82.22 μg/(m2·h)，在分蘖末期也有较高的排放通量，其余时间N2O呈微量排放甚至吸收状态。在AT处理下，N2O排放主要集中在拔节期与抽穗开花期，这2个时期的N2O排放量占晚稻季累计排放量的62.1%，略高于其他处理。在MT处理下，N2O排放主要发生在分蘖末期、乳熟期，这2个时期排放量对累计排放量的贡献相近。在晚季稻SP处理下，N2O排放通量在返青后 7 d 到达最低值-6.88 μg/(m2·h)，DS、AT和MT处理的N2O排放通量在返青后14 d达到最低值，排放通量为-16.56～-10.75 μg/(m2·h)。在拔节孕穗初期，各处理均监测出N2O的排放峰，DS处理的N2O排放通量为87.22 μg/(m2·h)，另外3种处理间的N2O排放通量差异不大，为43.60～52.77 μg/(m2·h)。从拔节孕穗期至收获期，N2O的累计排放量呈SP处理(503.03 g/hm2)>DS处理(465.94 g/hm2)>AT处理(454.01 g/hm2)>MT处理(232.20 g/hm2)，分别占晚稻累计排放量的80.3%、59.4%、78.6%、62.8%(表3)。由计算结果可看出，在间歇灌溉模式下，晚稻分蘖末期后为N2O的主要排放时期，而该时期MT处理的N2O排放量相对较小。
表3 不同播栽方式下稻田N2O的累计排放量
2.3 不同播栽方式下早、晚稻产量分析
早稻实际产量中DS、SP、MT处理的产量为 6 327.43～6 445.78 kg/hm2，其中DS处理的产量最高，SP处理的产量最低；
AT处理的产量为 7 233.70 kg/hm2，相较于其他播栽方式的增产效益为12.2%～14.3%，主要由于AT处理秧苗成活率高，种植密度均匀，后期维护全面等因素产生了增产效益。晚稻产量呈AT处理(7 947.11 kg/hm2)>SP处理(7 719.65 kg/hm2)>MT处理(7 713.70 kg/hm2)>DS处理(7 276.58 kg/hm2)，AT处理仅比SP处理增产3%，结合产量对比结果可知，AT处理的优势在晚季稻期并不明显，可能是由于晚季稻秧苗在早期具有生长环境带来的优势，在一定程度上弥补了其他播栽方式对产量造成的影响(图3)。各稻季AT处理的产量都最高，AT处理的早季稻具有较高的穗粒数，平均为139.7粒/穗，晚季稻具有较高的有效穗数，为376.7 万穗/hm2。在早、晚季稻产量数据中，SP与MT处理的产量数据非常相近。均呈早稻产量低的特征，早稻SP处理的穗粒数较少，平均为78.7粒/穗；
早稻MT处理的结实率低于各处理平均水平，为73.0%。由此可见，在不同播栽方式中，AT处理具有一定的增产效果，而SP与MT处理之间的产量受播栽方式的影响较小。DS处理受外界环境影响，使得其产量具有一定的波动性，呈早稻较高、晚稻较低的现象，晚稻产量下降可能是由于生长环境或培养方式的影响，穗粒数为135.8粒/穗，其他处理的穗粒数为152.4～155.8粒/穗(图3)。
2.4 不同播栽方式下GWP、GHGI的分析
如表4所示，在4种播栽方式下，双季稻田的GWP范围为4.5～10.3 t/hm2；
在不同处理下，CH4排放量的CO2当量占GWP的主要部分，N2O占比明显较小；
晚稻的CH4排放量皆大于早稻，因此温室效应的贡献主要来源于晚稻，各处理晚稻的CH4增温潜势占总GWP贡献的69.5%～82.3%。
在早晚稻生育期内，各处理的GWP、GHGI由小到大依次为SP处理、DS处理、AT处理、MT处理，其中DS处理、SP处理的CH4排放量明显低于其他处理，弥补了N2O较高排放量带来的减排劣势。SP处理的GHGI相比AT处理减少了45.8%，比DS处理减少了33.3%。MT处理的GWP大部分来源于晚稻的CH4排放量，占该播栽方式GWP的76.8%。
表4 CH4和N2O全球增温潜势
由本研究结果可以看出，双季稻CH4排放主要来自晚稻，晚稻GWP贡献大于早稻。N2O对水稻生育期的GWP贡献较小[8-9，30]，本试验中仅占3.5%～8.2%，因此温室气体减排仍然以控制CH4排放为主[31]。双季稻以SP处理的减排效果显著，总生育期GWP比DS、AT和MT处理低31.5%～56.1%。在产量方面，AT处理始终具有最高经济效益，DS处理更易受外界气候和种植期间人工维护的影响，MT处理产量与抛秧播栽方式接近。因此计划产出量较高的稻作区可考虑人工插秧，而在结合节能减排以及稳定增产的角度，抛秧播栽方式为最优方法。
在本试验中，4种播栽方式的CH4累计排放量为148.79～355.84 kg/hm2，N2O的累计排放量为 1 325.09～1 621.48 g/hm2。早稻季的CH4总排放量呈MT处理>AT处理>SP处理>DS处理，晚稻季呈MT处理>AT处理>DS处理>SP处理，其中晚稻SP处理的CH4总排放量比其他处理低42.2%～60.2%。在水稻生育期，AT、SP、MT处理的N2O累计排放量为1 325.09～1 361.36 g/hm2，DS处理为1 621.48 g/hm2。N2O的GWP贡献较小，因此从减排角度出发，主要考虑CH4排放的影响。早稻产量中，AT处理与其他处理间差异较大，AT处理比其他处理增产12.2%～14.3%。晚稻产量呈AT处理>SP处理>MT处理>DS处理，AT处理较SP处理的增产效果不明显，仅为3%。早晚稻的GHGI为MT处理>AT处理>DS处理>SP处理。
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