2023, Vol. 55
全球变暖已成为不争的事实，而人为活动造成的温室气体排放很可能是气候改变的主要原因。甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是仅次于二氧化碳(CO2)的最重要的温室气体。以100年为时间尺度进行测算，CH4和N2O的增温效应分别是CO2的28倍和265倍[1]，这对全球气候变暖起着非常重要的作用。据估计，农业源温室气体排放量约占全球人为活动产生的温室气体排放总量的10% ~ 12%，农业产生的CH4和N2O分别约占全球温室气体CH4和N2O排放总量的50% 和60%，水稻(Oryza sativa)是主要的粮食作物，同时稻田也是CH4和N2O排放的重要来源[2]。因此，在保证稻田高产稳产的同时，采取有效生产措施减少稻田温室气体排放，对缓解全球变暖至关重要。
稻田生态系统具有较大的温室效应缓解潜力，生产实践中可通过采取适当的措施提高土壤碳库储量或减少CH4和N2O排放，从而降低温室气体的增温潜势[2]。秸秆还田是一种低投入、可持续的秸秆资源利用方式。在农业生产中，秸秆还田能够有效促进农田养分的循环利用，增加土壤的养分含量，提高土壤生产力，进而提高作物产量[3]。但施用秸秆会增加稻季CH4和N2O温室气体排放及综合增温潜势[4]。稻鸭共作农作系统是我国大多数水稻生态区种养结合的主要模式之一。在该模式中，可通过鸭子的不间断活动达到控制稻田病虫草害、减少化肥农药施用、增强土壤肥力、促进水稻生长的目的，进而提高水稻经济效益和生态效益。大多数研究显示，稻鸭共作能够降低稻田CH4排放，但增加N2O排放[1, 5]。自进入21世纪以来，防虫网覆盖在生态有机水稻生产中得以应用，这不仅改变了稻田微生境，而且有效阻断了灰飞虱等虫害对水稻植株的入侵，减少了化学农药的施用[6]，具有较好的绿色防控效应[7]。而目前有关网室栽培对稻田温室气体排放的影响未见报道。鉴于此，本研究在两种栽培环境(露地栽培和网室栽培)条件下，探究稻鸭共作对秸秆全量还田稻田CH4和N2O排放量、稻田土壤氧化还原电位变化、产CH4潜力及CH4氧化潜力、N2O高峰期土壤反硝化酶活性、全球增温潜势和水稻实际产量的影响程度及关联效应，以揭示稻田生态系统全球增温潜势的主导因子及生态减排途径，为稻田综合种养温室气体有效减排提供参考。
1 材料与方法 1.1 试验地点试验于2015—2016年在南京农业大学试验农场(32°34′N, 120°24′E) 进行。该农场属北亚热带海洋季风性湿润气候，全年平均气温14.5 ℃，水稻生长季平均气温为22.5 ℃，全年平均降水量1 025 mm，全年太阳总辐射为4.99×109 J/m2，水稻生长季太阳辐射总量为3.01×109 J/m2。试验地前茬为小麦(Triticum aestivum)，土壤质地为黏土，耕作层有机质含量24.6 g/kg，pH 6.3，全氮含量1.26 g/kg，速效氮含量97.2 mg/kg，有效磷含量24.3 mg/kg，速效钾含量95.7 mg/kg。
1.2 试验设计采用裂区试验设计，设置露地栽培和网室栽培两种栽培环境，再分别设置氮磷钾等养分的4个处理：常规稻作+无机氮肥(CR+IN)，常规稻作+秸秆还田(CR+WS)，稻鸭共作+无机氮肥(RD+IN)和稻鸭共作+秸秆还田(RD+WS)。网室栽培采用钢架结构外套防虫网覆盖，网架净高度2.5 m，面积8 hm2，防虫网筛孔为0.6 mm。有机物还田量为6 000 kg/hm2，在整地时施入，每个处理投入当季稻田的N、P2O5、K2O量分别为300、150、150 kg/hm2。氮肥运筹为15% 作基肥，45% 作分蘖肥(水稻移栽后7 d和14 d后等量施入)，40% 作穗肥；磷肥全部作基肥；钾肥50% 作基肥，50% 作促花肥。
供试水稻品种为南粳9108，5月24日播种，6月15日移栽，机插水稻基质育秧的秧龄为3.5叶，机插株行距为13.3 cm×30 cm，每穴4苗。田间小区面积为200 m2(16 m×12.5 m)，各处理重复3次，小区间筑埂隔离，薄膜包埂，单独灌排。田间水分采用干干湿湿的灌溉方式。水稻移栽后17 d将育雏1周的鸭苗以每公顷225只的密度放养于稻鸭共作区，四周用尼龙网作1 m高围栏防止鸭子外逃，并在共作区的角落建一个鸭舍，抽穗期时将鸭子收回。
1.3 测定项目及方法 1.3.1 气象条件水稻生长期间(6—10月)的气温和降雨量通过当地气象站获得。图 1显示了两年间水稻生育期试验地点的日均气温和日降雨量。与露地栽培相比，两年间网室栽培的日均气温分别下降2.54% 和2.08%。2016年露地栽培和网室栽培日均气温较2015年同期分别上升3.73% 和4.23%，总降雨量增加40.66%。
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图 1 水稻生育期的日均气温和降雨量 Fig. 1 Daily mean temperature and precipitation in rice season in 2015 and 2016 |
稻田CH4与N2O采集和测定采用静态箱–气相色谱法[1]。自水稻移栽后3 d起1周取气1次，中期晒田期间2 d取气1次。气体采集时间为上午8:00—10:00，分别在罩箱后0、5、10、15 min后用50 mL注射器抽取箱内气体样品，并将气体转移至真空玻璃瓶中。每个处理的3次重复同时取样。气样采集完毕后立即送回实验室用气相色谱仪(Agilent 7890A) 分析CH4和N2O浓度。利用FID检测分析CH4浓度，ECD检测分析N2O浓度。CH4测定载气为氮气，N2O测定载气为氩气和CH4组成的混合气体。柱箱和FID检测器温度分别为55 ℃和200 ℃。根据不同时间间隔采集的温室气体浓度的线性变化(相关性大于0.90)，计算排放通量。气体排放通量计算公式[1]为：
| $ F=ρ×h×(\text{d}c/\text{d}t)×[273/(273+T)] $ | (1) |
式中：F为气体排放通量(mg/(μg∙m2∙h))；ρ为标准状态下气体的密度(kg/m3)；h为采样箱的净高度，即箱顶至水面的距离(m)；dc/dt为单位时间内采样箱内气体的浓度变化率；273为气态方程常数；T为采样过程中采样箱内的平均温度(℃)。
全球增温潜势(Global Warming Potential，GWP)的计算：基于100年时间尺度，CH4和N2O全球增温潜势分别是CO2的28倍和265倍[1]，通过计算不同处理排放CH4和N2O的CO2当量(CO2-eq)获得。公式如下：
| $ \text{GWP}=Q_\text{CH4}×28+Q_\text{N2O}×265 $ | (2) |
式中：GWP为全球增温潜势(CO2-eq，kg/hm2)，QCH4和QN2O分别代表CH4和N2O排放量(kg/hm2)。
1.3.3 土壤氧化还原电位和反硝化酶活性气体采集时用pH/mV原位仪(pH 3110，WTW，Weilheim，Germany)同步测定10 cm深度土壤氧化还原电位(Eh)，每个小区选取5个点测定。土壤反硝化酶活性(Denitrifying Enzyme Activity，DEA)在水稻移栽后45 d进行5点取样，采用乙炔抑制法[8]测定。
1.3.4 土壤产CH4潜力、CH4氧化潜力土壤产CH4潜力和CH4氧化潜力测定参照王殳屹等[9]、Conrad等[10]方法。土壤取样在水稻移栽后30 d进行，每个小区取5个点土样混匀。
土壤产CH4潜力(Methanogenic Potential，MP)：称取15 g鲜土，置于300 mL血清瓶中，调至水土质量比为2∶1，通入惰性气体进行稀释，使之处于严格厌氧条件下，置于30 ℃培养，于不同时间采用气相色谱仪(Agilent 7890A) 分析测定瓶内CH4浓度。
土壤CH4氧化潜力(Methanogenic Oxidation Potential，MOP)：300 mL血清瓶中加入12 g鲜土，然后用异丁基橡胶塞密封，再注入1.5 mL纯CH4，28 ℃培养，在培养的不同时间测血清瓶中CH4的残留量。
1.3.5 水稻产量在水稻成熟期每个小区收割50 m2，测定水稻产量。
1.4 数据处理与统计分析采用SPSS19.0软件以及Office 2007对数据进行处理和统计分析，LSD法进行处理间显著性检验；采用Origin 8.1软件进行绘图。
2 结果与分析 2.1 稻田CH4和N2O排放通量图 2为稻鸭共作对秸秆还田稻季CH4排放通量的影响。随着水稻的不断生长，稻田CH4排放通量逐渐增加，在移栽后30 d左右CH4的排放通量达到最大值，之后CH4排放通量显著下降，在移栽后60 d左右出现一个小的排放高峰，之后保持较低水平直至水稻收获。秸秆还田显著增加了CH4排放通量，与无机氮肥处理相比，两年间分别上升101.22% ~ 116.55% 和105.19% ~ 129.82%。与无鸭的常规稻作处理相比，稻鸭共作显著降低了稻田平均CH4排放通量，两年间分别降低7.53% ~ 13.65% 和4.23% ~ 14.51%。与露地栽培相比，网室栽培显著降低稻田平均CH4排放通量，两年间分别下降6.66% ~ 11.11% 和7.00% ~ 13.11%。
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图 2 稻鸭共作对稻季CH4排放的影响 Fig. 2 Effects of rice-duck farming on CH4 emission flux in rice season |
图 3为稻鸭共作对秸秆还田稻季N2O排放的影响。N2O排放通量在稻田处于淹水状态时维持较低水平，在中期晒田时急剧上升。水稻生育期N2O平均排放通量为39.34 ~ 73.13 μg/(m2∙h)。秸秆还田显著降低了稻田平均N2O排放通量，与无机氮肥处理相比，两年间秸秆还田处理稻田平均N2O排放通量分别下降18.42% ~ 24.87% 和11.44% ~ 27.57%。稻鸭共作显著增加了稻田平均N2O排放通量，与无鸭的常规稻作相比，两年间稻田N2O排放通量分别上升6.33% ~ 16.05% 和3.74% ~ 17.69%。与露地栽培相比，网室栽培降低了稻田N2O排放通量4.64% ~ 17.29%。
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图 3 稻鸭共作对稻季N2O排放的影响 Fig. 3 Effects of rice-duck farming on N2O emission flux in rice season |
不同栽培环境条件下，稻鸭共作对秸秆还田稻田土壤Eh的影响见图 4。在移栽后20 d之内，稻田土壤Eh逐渐下降，中期晒田后逐渐上升，之后再下降，移栽60 d后，呈现出持续增加的趋势。与无机氮肥处理相比，秸秆还田处理降低了稻田土壤Eh，两年间稻田土壤Eh分别下降24.20 ~ 38.02 mV和16.75 ~ 29.41 mV。稻鸭共作提高了稻田土壤Eh，与无鸭的常规稻作相比，两年间稻田土壤Eh分别上升5.80 ~ 11.30 mV和5.61 ~ 10.06 mV。与露地栽培相比，网室栽培两年间稻田土壤Eh分别上升9.17 ~ 24.94 mV和5.81 ~ 17.83 mV。
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图 4 稻鸭共作对稻季土壤氧化还田电位的影响 Fig. 4 Effects of rice-duck farming on soil redox potential in rice season |
表 1显示了稻鸭共作和秸秆还田对不同栽培环境稻田CH4、N2O总排放量及全球增温潜势的影响。由表 1可知，秸秆还田显著增加了稻田CH4总排放量和全球增温潜势，两年间稻田CH4总排放量分别上升102.39% ~ 118.43% 和107.19% ~ 131.30%，全球增温潜势分别上升96.89% ~ 110.51% 和103.16% ~ 123.02%，但显著降低了稻田N2O总排放量，两年间稻田N2O总排放量分别下降23.25% ~ 41.17% 和14.67% ~ 51.56%。与无鸭的常规稻作相比，稻鸭共作显著降低了稻田CH4总排放量和全球增温潜势，两年间稻田CH4总排放量分别下降8.72% ~ 14.50% 和5.11% ~ 14.18%，全球增温潜势分别下降8.45% ~ 12.64% 和4.92% ~ 13.38%。网室栽培和露地栽培对稻田N2O排放总量影响无明显规律。与露地栽培相比，网室栽培模式显著降低了稻田CH4总排放量和全球增温潜势，两年间稻田CH4的总排放量分别下降6.65% ~ 11.17% 和6.86% ~ 13.26%，全球增温潜势分别下降6.35% ~ 11.12% 和6.82% ~ 13.14%。
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表 1 稻鸭共作对稻季CH4和N2O排放总量、全球增温潜势(GWP)以及水稻产量的影响 Table 1 Effects of rice-duck farming on total CH4 and N2O emissions, global warming potential (GWP) and rice yield |
从水稻产量来看，秸秆还田处理水稻产量高于秸秆不还田处理，高出4.67% ~ 8.60%；稻鸭共作较常规稻作实际产量提高1.13% ~ 4.99%；网室栽培降低了水稻实际产量，两年间分别下降1.19% ~ 4.49% 和1.87% ~ 5.48%。
2.4 土壤产CH4潜力、CH4氧化潜力和反硝化酶活性稻田土壤产CH4潜力和CH4氧化潜力见表 2，可见，秸秆还田处理的产CH4潜力显著高于无机氮肥处理，稻鸭共作与常规稻作差异不显著。CH4氧化潜力在不同处理间差异显著，网室栽培的土壤CH4氧化潜力各处理高于对应的露地栽培；不同处理间的土壤CH4氧化潜力为常规稻作+秸秆还田(CR+WS) > 稻鸭共作+秸秆还田(RD+WS) > 稻鸭共作+无机氮肥(RD+IN) > 常规水稻+无机氮肥(CR+IN)。总之，稻田土壤的CH4氧化潜力是产CH4潜力的9.46倍~ 12.20倍；网室栽培增大了土壤CH4氧化潜力，降低CH4的排放通量。
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表 2 稻鸭共作对稻田土壤产CH4潜力和CH4氧化潜力的影响(μg/(g∙h)) Table 2 Effects of rice-duck farming on soil methanogenic potential and CH4 oxidation potential |
图 5显示了不同栽培环境条件下稻鸭共作对水稻移栽后45 d稻田土壤反硝化酶活性的影响。由图 5可知，秸秆还田显著降低土壤反硝化酶活性，两年间分别较无机氮肥处理降低7.29 ~ 8.39和7.20 ~ 8.29 μg/(g∙h)。稻鸭共作显著增强了土壤反硝化酶活性，两年间分别较常规稻作提高8.80 ~ 12.48和10.29 ~ 12.37 μg/(g∙h)。网室栽培降低了土壤反硝化酶活性，两年间分别较露地栽培减少9.02 ~ 11.99和9.11 ~ 11.51 μg/(g∙h)。
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图 5 稻鸭共作对稻季土壤反硝化酶活性的影响 Fig. 5 Effects of rice-duck farming on soil denitrifying enzyme activity in rice season |
表 3显示，在本试验条件下，稻田CH4排放总量与土壤产CH4潜力、CH4氧化潜力、全球增温潜势(GWP)和水稻产量显著正相关，特别是与产CH4潜力、GWP及水稻产量相关性较高；与N2O排放总量、土壤反硝化酶活性显著负相关。N2O排放总量与产CH4潜力和GWP显著负相关，与土壤反硝化酶活性显著正相关。GWP与N2O排放总量显著负相关，可能是因为在GWP计算中CH4占比最大，其波动对GWP影响很大，而N2O对其影响很小。产CH4潜力与CH4氧化潜力、GWP和水稻产量显著正相关。CH4氧化潜力与土壤反硝化酶活性显著负相关。土壤反硝化酶活性与GWP显著负相关，而与水稻产量显著正相关。GWP与水稻产量显著正相关，说明在水稻产量提高的同时，全球增温潜势有增大的趋势，水稻生产中应注重减排，以降低GWP。秸秆还田增加稻田生态系统GWP和水稻实际产量，稻鸭共作降低GWP但提升水稻产量，网室栽培较露地栽培由于遮光、增湿和降温导致降低GWP和水稻产量(图 6)。
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表 3 稻田生态系统CH4和N2O排放生态因子与水稻产量的相关性(n=48) Table 3 Correlation among CH4 and N2O emission related factors and rice yield |
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(↑和↓分别表示增加和减少) 图 6 本试验条件下稻田生态系统CH4和N2O排放的影响机制 Fig. 6 Mechanism of CH4 and N2O emissions from rice paddy under the experimental conditions |
稻田CH4是产甲烷菌在利用土壤中碳水化合物的代谢过程中产生的，稻田CH4排放是CH4形成、氧化和排放共同作用的结果[1, 11]。本研究结果表明，稻田CH4的排放分别在分蘖期和抽穗期呈现出大、小两个排放峰值，这与Huang等[12]研究结果基本一致。主要是因为一方面，水稻分蘖期秸秆全量还田和浅水促蘖，水稻植株呼吸旺盛，并随着植株的生长，根系逐渐壮大，根系的分泌物也逐渐增加[13]，从而促进产甲烷菌生长，有利于稻田CH4的产生；另一方面，低的氧化还原电位是CH4产生的必要条件，不断的淹水条件造成土壤处于厌氧环境，从而导致土壤的氧化还原电位降低，CH4产生量增加。水稻灌浆后期，稻田干湿灌溉增强了土壤通气性，使土壤氧化还原电位上升，导致土壤厌氧细菌繁殖受到抑制，从而降低了稻田CH4排放[2]。
稻田生态系统N2O排放主要是土壤微生物的硝化作用和反硝化作用的结果，具有产生、转化和传输等过程；N2O的释放量取决于硝化和反硝化的反应速率、N2O在反应产物中的比例、N2O逸散进入大气前在土壤中的扩散程度及土壤水层[2]。土壤耕作方式、施肥管理、灌溉制度、微生境因子等是影响稻田土壤CH4和N2O产生和排放过程的重要因素[14]。温度不仅影响N2O的产生和释放，而且影响土壤N2O的扩散和运移[15]。本研究表明，稻田土壤在淹水状态下N2O排放通量处于较低水平，N2O排放峰值出现在中期晒田时期。本试验中期晒田时的大气日平均气温在28 ~ 33 ℃，有利于微生物的硝化和反硝化作用，土壤反硝化酶活性增强，进而有利于N2O的产生。氧气含量是影响硝化和反硝化的重要因素。水层深度是N2O产生的决定性因子[16]。稻田排干为N2O创造了一个良好的有氧环境，提高了稻田土壤的氧化还原电位，较高的氧化还原电位有利于铵态氮转化过程中N2O的形成[17]，而淹水状态下，由于土壤氧含量不足，从而抑制了N2O的形成与释放。
本试验结果显示，无论是露地栽培还是网室栽培，稻田N2O排放高峰较CH4排放晚2周左右；与相应的无机氮肥处理比较，秸秆还田稻田CH4高峰值增幅在188.79% ~ 264.26%；N2O高峰值减少6.40% ~ 37.25%。稻鸭共作较无鸭放养的常规稻作CH4高峰值下降2.52% ~ 18.43%，N2O高峰值增加4.81% ~ 23.93%。网室栽培较露地栽培相应的CH4高峰值以下降为主，减少幅度4.84% ~ 11.85%，N2O高峰值减少2.40% ~ 13.19%。
3.2 稻鸭共作与秸秆还田对稻田CH4和N2O排放的影响本试验结果表明，无论是露地栽培还是网室栽培，秸秆还田增大了稻田土壤产CH4潜力，降低了CH4氧化潜力，从而增加了稻田CH4的排放(图 2)。这主要是由于秸秆还田后秸秆逐渐腐解，秸秆的可溶性有机物质释放到土壤中，为产甲烷菌提供了大量的碳源和养分，增加了土壤中的微生物数量和活性，从而使CH4产生量迅速增加[18]；并且秸秆中高的碳氮比为土壤中产甲烷菌的活动提供了丰富的碳源，从而有利于CH4的释放[19]。本试验中，秸秆还田处理CH4排放量是无机氮肥处理的2.02倍~ 2.31倍。本试验还表明，秸秆还田降低土壤反硝化酶活性而减少稻田N2O的排放，一方面可能是因为秸秆还田腐解过程中土壤微生物迅速增加，加速了土壤中氧气的消耗，同时秸秆还田为反硝化细菌的活动提供了充足的碳源，有利于N2O通过反硝化作用转化为氮气，从而减少N2O的释放[20]；另一方面可能是因为秸秆还田会引起土壤微生物对氮源的争夺利用，从而减少硝化和反硝化过程中间产物N2O的释放[21]。但Shang等[22]研究认为，多年的秸秆还田增加了土壤碳、氮的供应，为稻田土壤硝化和反硝化作用提供了充足的碳、氮反应底物，从而提高了N2O的排放，这与本试验结果相反，可能是试验土壤条件及碳氮固持能力不同所致。
稻鸭共作降低了稻田土壤产CH4潜力，从而显著降低了稻田CH4的排放，这主要是由于一方面鸭子抑制了稻田杂草、浮游生物和其他稻田需氧生物的生长，导致被有机体消耗的氧气减少[2]；一方面鸭子的不间断活动增加了土壤与氧气的接触，提高了土壤氧化还原电位，增加了土壤甲烷氧化的几率，促使土壤产生的CH4氧化较快；另一方面鸭子清除了水稻田间无效分蘖和杂草，从而减少了因其腐烂分解产生的CH4排放，且鸭子的活动增强了水稻根系活力，对水稻生长具有明显促进作用[3]。
本研究还表明，稻鸭共作增强了土壤反硝化酶活性而增加了稻田N2O的排放。这可能是由于鸭子的栖息和觅食等活动加速了水体和土壤的交换，加快了水溶性N2O的扩散速度，从而促进了N2O的释放。另外，鸭子的活动增加了土壤与水体的溶解氧含量，促使鸭粪便中高浓度的铵离子进入土壤后被迅速硝化，提高了土壤中硝酸根离子的含量，同时鸭粪含有丰富的氮源，这为土壤反硝化微生物提供了底物和能量，从而提高了N2O排放。
3.3 栽培环境对稻田CH4和N2O排放的影响本试验表明，网室栽培水稻的田间温度较露地通常下降1 ~ 1.5℃，但湿度增大5 ~ 10个百分点，因而网室栽培是较为复杂的过程[1]。网室栽培降低了稻田土壤产CH4潜力，提高了土壤CH4氧化潜力，从而降低稻田CH4排放。首先，网室栽培提高了土壤氧化还原电位，CH4的排放量随土壤氧化还原电位的增加而降低[2]。其次，水稻根系分泌物及植株脱落物为土壤产甲烷菌提供了底物条件而影响甲烷产生[23]，防虫网覆盖降低了太阳辐射强度，也降低了水稻群体生物量，从而影响产甲烷菌活性，导致稻田CH4排放量降低。再次，网室栽培的温度低于外界大气温度，有利于降低稻田CH4的排放[24-25]。稻田CH4排放通量与相对湿度呈极显著或显著负相关[26]，网室栽培稻田湿度增加也有助于CH4减排。同时，网室栽培的土壤反硝化酶活性下降，从而减少稻田N2O的排放量，最终降低了稻田生态系统的全球增温潜势。但本试验表明，网室栽培降低了稻田CH4氧化潜力，也减少了水稻产量，因此，在水稻生产上还需优化管理，以实现降低全球增温潜势和增产的目的。
4 结论由于鸭子在稻田不间断的活动，稻鸭共作提升了稻田土壤氧化还原电位，产CH4潜力有下降趋势，土壤反硝化酶活性上升，水稻全生育期CH4排放总量下降，N2O排放增加，整体上全球增温潜势下降，水稻产量增加。秸秆还田导致稻田土壤氧化电位下降，产CH4潜力上升，土壤反硝化酶活性下降，CH4排放量增加而N2O排放量降低，水稻全生育期全球增温潜势和水稻产量均上升。网室栽培较露地栽培，土壤氧化还原电位和CH4氧化潜力上升，产CH4潜力、土壤反硝化酶活性和全球增温潜势下降，水稻产量较露地栽培降低1.19% ~ 5.48%。总之，稻鸭共作和秸秆还田能较好地减轻全球增温潜势和增加水稻总产量，网室栽培虽能降低全球增温潜势，但有降低水稻产量的风险。
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