本文作者：张岳芳、陈留根、朱普平、张传胜、盛 婧、王子臣、郑建初                 单位： 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所、农业部农业机械试验鉴定总站

二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是与全球气候变化关系密切的重要温室气体，由于人类活动的影响，2005年大气中这3种气体的浓度分别比工业革命前增加了大约35%、153%和18%。农业活动每年可向大气排放5100～6100MtCO2-equivalents，占全球人为温室气体排放总量的10%～12%[1]；同时，农业技术的减排潜力巨大，Smith等[2]估计，到2030年全球农业技术的温室气体减排潜力可达5500～6000MtCO2-equivalents，其主要通过增加土壤碳固定以及减少CH4或N2O的排放来实现。研究表明，秸秆还田的推广应用是增加我国农田耕层土壤有机碳含量的主要原因之一，秸秆还田可以通过增加土壤有机碳的直接输入实现农田固碳[1-3]。稻田是大气CH4和N2O的重要生物排放源，已有研究证明，秸秆还田在增加稻田土壤碳固定的同时增加了CH4的排放[4-9]，对N2O的排放也存在影响[4-6，8-11]。由于CO2、CH4和N2O这3种温室气体的增温效应不同，只有计算它们的综合温室效应才能全面评价某一农业管理措施对温室效应的贡献[12-15]。全球增温潜势（GWP）作为一种相对指标常用来估算不同温室气体对气候系统的潜在效应。在GWP的估算中，以CO2作为参考气体，CH4和N2O的排放量通过GWP值转换成CO2的等效量。净增温潜势表示农田排放CH4和N2O的综合增温潜势与土壤固碳减缓全球变暖的贡献的差值，其正值或负值表示大气温室气体的源或汇[13]。稻麦两熟是我国长江流域主要的粮食生产模式之一，2005年的面积超过8×106hm2，实现稻麦两熟农田的可持续高产稳产对于保证地区乃至全国粮食安全至关重要[16]。秸秆还田是目前稻麦两熟农田普遍盛行的农业措施之一，但稻麦秸秆的施用对周年农田净增温潜势的影响如何未见报道。为此，本试验以长江下游典型稻麦两熟高产农田为对象，初步探讨稻麦秸秆周年全量直接还田对农田净增温潜势的影响，以期为评价秸秆还田对农业温室气体排放的影响提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验设计试验在江苏省常熟市辛庄镇苏州市现代农业（水稻）示范区（31°33′N，120°37′E）进行，该区位于阳澄湖低洼湖荡平原，属亚热带湿润性季风气候，年平均气温为15.5℃，降水量为1042mm，日照2130h，太阳辐射4.94×105J•cm-2，无霜期242d，主要实行水稻-冬小麦两熟种植制度。试验开始于2007年11月冬小麦生长季，稻田土壤类型属乌栅土，试验前0～20cm耕层土壤有机质含量3.3%，全氮1.9g•kg-1，速效氮113.2mg•kg-1，速效磷7.1mg•kg-1，速效钾101.4mg•kg-1，pH6.3，土壤容重1.2g•cm-3。试验设秸秆还田（稻麦秸秆周年全量还田）和秸秆不还田（自然留茬，茬高约10cm）2个处理，3次重复，每小区面积为60（5m×12m）m2。小麦播种和水稻移栽前均采用旋耕（旋耕机旋地1遍，耕深10～12cm）翻地。麦季供试品种扬麦16号于2009年11月16日播种、2010年的6月3日收获，播种量150kg•hm-2，各处理的施肥量和施肥方法相同，氮肥（尿素，含N46.4%）、磷肥（过磷酸钙，含P2O512%）和钾肥（氯化钾，含K2O60%）用量分别为N210kg•hm-2、P2O590kg•hm-2、K2O90kg•hm-2，氮肥按基肥∶拔节肥∶孕穗肥=4∶3∶3施用，磷肥一次性基施，钾肥作基肥和拔节肥施用，每次50%。基肥的施用时间为2009年11月16日，拔节肥和孕穗肥分别为2010年的3月4日和4月5日。供试水稻品种为杂交粳稻常优1号，2010年5月25日播种，6月13日机械插秧移栽（移栽规格为行距30cm、株距13.3cm，每穴3苗），11月16日收获。氮肥、磷肥和钾肥用量分别为N240kg•hm-2、P2O5120kg•hm-2、K2O120kg•hm-2，氮肥按基肥∶分蘖肥∶长粗肥∶穗肥=3∶3∶2∶2施用，磷肥一次性基施，钾肥作基肥和长粗肥施用，每次50%，追肥分别于6月20日、7月16日、7月23日施用。水稻生长期间水分管理采用前期浅水（移栽至7月25日）、中期烤田（7月26日至8月9日）、后期干湿交替（8月10日至收获前15d）的管理模式，其他田间管理措施同一般高产大田。

1.2CH4和N2O采集与分析于2009年11月至2010年11月冬小麦和水稻生长期间进行CH4和N2O排放的观测。CH4和N2O气体采用静态箱法测定，静态箱底横截面积为0.25m2（0.5m×0.5m），采样箱由PVC材质制成，采样箱外部包有海绵和铝箔纸，防止太阳照射导致箱内温度变化过大。每小区固定采样底座3个，底座上部有5cm深的凹槽，测定时加水密封，采样箱内顶部装有12V小风扇以充分混匀箱内气体，箱体中部安装抽气孔，采样时按0、10、20min的时间间隔用50mL注射器抽取箱内气体，来回抽动3次以完全混匀气体，抽出50mL保存于气体采样袋后迅速带回实验室分析。冬小麦生长季每周采气1次（春节假日除外），水稻自移栽后第3d起每周采气2次，烤田期间2d1次，抽穗后每周1次，采样时间在上午8：00—10：00。CH4和N2O气体浓度由经改装的Agilent7890A气相色谱测定，CH4检测器为FID，检测温度300℃，柱温60℃，载气为99.999%高纯氮气，流速30mL•min-1；N2O检测器为ECD，检测温度300℃，柱温60℃，载气为99.999%高纯氩甲烷气（95%氩气+5%甲烷），流速40mL•min-1。气体排放通量计算公式如下：式中：F为气体排放通量（mg•m-2•h-1或μg•m-2•h-1）；ρ为标准状态下气体的密度（kg•m-3）；h是采样箱的净高度（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（℃）。

1.3土壤样品采集与分析供试土样分别于2009年11月、2010年11月水稻收获后采集，环刀法测定土壤容重。在田间按蛇形采样法每小区随机采集9点，采样深度为0～20cm，土样充分混匀后拣去植物残根和石砾等，经风干、磨碎过筛，采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量。耕层土壤有机碳储量（SOC）计算公式如下：SOC=conc×ρb×A×T[17-18]式中：conc为土壤有机碳含量（g•kg-1）；ρb为土壤容重（g•cm-3）；A为面积（hm2）；T为土壤深度，本研究为0.2m。相应的，土壤碳固定（SOCS）计算公式为：SOCS=SOC2010年11月-SOC2009年11月

1.4农田净增温潜势的计算全球增温潜势（GWP）是用于定量衡量不同温室气体对全球变暖的相对影响，本研究中，农田净增温潜势以农田排放CH4和N2O的综合增温潜势与土壤固碳减缓全球变暖贡献的差值来表示[13]。在100a时间尺度上，单位质量CH4和N2O的GWP分别为CO2的25倍和298倍[1]，农田净增温潜势GWP（kgCO2-equivalent•hm-2）计算公式如下：GWP=25×CH4+298×N2O-SOCS×44/12试验数据处理和作图采用MicrosoftExcelforWindows2007完成，试验结果均以每次测得的3次重复的平均值和标准差来表示，用SPSS11.5软件进行统计分析。

2结果与分析

2.1秸秆还田对甲烷排放的影响两种秸秆还田方式下小麦生长期间CH4排放通量的季节变化见图1。可以看出，麦季的CH4排放通量较低，并且多次出现负值，秸秆不还田处理的CH4排放通量在-76.0~150μgCH4•m-2•h-1之间，秸秆还田处理的CH4排放通量在-50.3~154μgCH4•m-2•h-1之间，负值的出现可能是大气扩散进入土壤的CH4被甲烷氧化菌还原的量大于土壤自身排放量。麦季CH4平均排放通量秸秆不还田处理大于秸秆还田处理，分别为20.0、16.6μgCH4•m-2•h-1（表1）。稻季CH4排放通量较高（图2），水稻移栽后土壤处于淹水状态，CH4排放通量不断增加，两个处理的CH4排放通量均呈先升高后降低的单峰排放趋势，排放峰值出现在7月5日，秸秆不还田处理的CH4排放高峰为30.3mgCH4•m-2•h-1，秸秆还田处理为131mgCH4•m-2•h-1，烤田（7月26日—8月9日）后CH4排放通量始终维持较低水平直至水稻收获。秸秆还田处理的稻季CH4平均排放通量为10.5mgCH4•m-2•h-1，明显大于秸秆不还田处理的4.13mgCH4•m-2•h-1（表1）。从CH4累积排放量来看（表1），秸秆还田和不还田处理的CH4排放主要集中在稻季，累积排放量分别占周年排放总量的100%和99%。秸秆还田和不还田处理CH4麦季累积排放量分别为0.80、0.96kgCH4•hm-2，差异达显著水平。两个处理的CH4稻季累积排放量和周年排放总量存在极显著差异，秸秆还田处理分别为394、394kgCH4•hm-2，秸秆不还田处理分别为155、156kgCH4•hm-2，秸秆还田比不还田增加CH4周年排放总量238kgCH4•hm-2，增排幅度为152%。

2.2秸秆还田对氧化亚氮排放的影响由N2O排放通量的季节变化曲线可知（图3），两种秸秆还田方式下稻田周年出现4次较为明显的N2O排放高峰，其余时间N2O排放波动很小。麦季的2个排放高峰分别出现在施用基肥后1个月内和次年的小麦灌浆成熟期，前一次可能是耕作和施用基肥的作用，后一次可能是小麦施用孕穗肥的结果；稻季N2O排放高峰的出现与稻田水分状况关系密切，2个排放高峰分别出现在水稻烤田断水期和水稻收获前15d的水分落干期。表2显示，麦季、稻季N2O累积排放量以及周年排放总量秸秆还田处理分别为1.64、0.75、2.39kgN2O•hm-2，秸秆不还田处理分别为1.93、0.86、2.79kgN2O•hm-2。处理间N2O麦季累积排放量和周年排放总量的差异达到了显著水平，两个处理麦季的N2O累积排放量及其占周年排放总量百分比均大于稻季，与秸秆不还田相比，秸秆还田处理分别减少麦季、稻季和周年N2O排放0.29、0.11、0.40kgN2O•hm-2，减排幅度分别为15%、13%和14%。说明稻麦两熟高产农田在采用秸秆周年还田措施后有利于减少N2O排放。

2.3秸秆还田对土壤碳固定和净增温潜势的影响表3表明，秸秆还田明显增加稻麦两熟高产农田土壤碳固定。本试验测定期间（2009年11月至2010年11月）秸秆还田处理的土壤碳固定为1.14tC•hm-2，明显高于秸秆不还田处理的0.18tC•hm-2，秸秆还田的土壤碳固定量比秸秆不还田提高531%，处理间的差异达到极显著水平。但从农田周年净增温潜势来看，秸秆还田和秸秆不还田处理的净增温潜势分别为6383、4058kgCO2-equivalents•hm-2，秸秆还田较秸秆不还田提高2325kgCO2-equivalents•hm-2，增加温室效应57%，差异达到极显著水平。与秸秆不还田相比，秸秆还田提高稻麦周年产量0.81t•hm-2，增产5%，处理间的产量差异达到显著水平。采用单位产量的净增温潜势这一指标来评价秸秆还田对温室效应的综合影响[13]，结果表明，秸秆还田和秸秆不还田处理单位产量的净增温潜势分别为0.37kgCO2-equiva－lents•hm-2和0.25kgCO2-equivalents•hm-2，前者比后者高约48%，差异达到极显著水平。这表明，稻麦两熟高产农田在采用秸秆周年还田措施后极大地提高了周年土壤碳固定，但由于CH4排放激增使农田净增温潜势以及单位产量的净增温潜势明显高于秸秆不还田处理，最终导致了温室效应的提高。

3讨论
秸秆还田具有培肥地力、改善土壤理化性质和提高作物产量等优点[19-20]。本试验结果也显示，稻麦秸秆周年还田有一定的增产作用（表3），这有利于该项技术的大面积推广应用，但我们发现秸秆还田后稻季温室气体CH4排放显著增加（表1），原因是秸秆还田给土壤微生物活动提供了丰富的碳源，使产甲烷菌有了充足的基质，在稻田淹水条件下，大量碳源在促进土壤微生物生长的同时使土壤中的氧被迅速消耗，加速了土壤Eh的下降，为产甲烷菌活动创造了适宜的环境条件，最终导致CH4的大量产生和排放[15]。这与蒋静艳等[4]、Zou等[5]、Ma等[6，9]、刘金剑等[7]、Shang等[13]、蔡祖聪等[15]以及刘晓雨等[21]的结果一致，他们均证实秸秆还田会大大促进稻季CH4排放，但是明显不同于李成芳等[11]的结果，即秸秆还田显著减少稻季CH4排放，CH4累积排放量随秸秆施用量的增加而降低。虽然本研究还发现稻麦秸秆周年还田减少了麦季CH4排放，但其减少的量与稻季增排的量相比微乎其微，基本可以忽略不计。综上说明，如何减少秸秆还田后稻季CH4排放是稻麦两熟高产农田亟待解决的问题。目前，有关秸秆还田对稻田N2O排放影响的报道结果不尽一致。Aulakh等[10]、李成芳等[11]认为秆秸还田会增加稻季N2O排放，而多数研究则表明，秸秆还田减少了稻季N2O排放[4-6，8-9]，这是因为农田N2O主要来自土壤微生物的硝化和反硝化过程，秸秆还田会导致土壤矿质氮的微生物固定，使硝化和反硝化作用的底物减少，从而减少N2O的排放。本研究初步结果表明，与秸秆不还田相比，秸秆还田使稻季N2O排放略减，但未达显著水平，而秸秆还田显著减少了麦季N2O排放，使稻麦两熟高产农田周年N2O排放总量显著减少（表2）。从以往的研究来看，无论是短期还是长期试验，秸秆还田是我国农田有机碳增加的主导因素之一[22-24]，土壤固碳速率与秸秆还田量存在显著正相关关系[25]。逯非等[12]估算，在全国尺度上，秸秆还田通过稻田土壤固碳对大气CO2的减少效果为38.4MtCO2-equiva－lents，年秸秆还田量在1.27～7.23t•hm-2时，水旱轮作农田的年固碳速率为532.6～873.9kgC•hm-2；潘根兴等[24]认为，20世纪80年代以来全国秸秆还田的耕地土壤年固碳速率达到0.5～1t•hm-2；Pan等[26]对太湖地区稻油轮作农田的长期定位试验表明，每年水稻秸秆还田量为4.5t•hm-2时，土壤年固碳速率为0.51tC•hm-2；王振忠等[27]在对江苏苏南地区稻麦两熟农田研究后指出，秸秆还田量在5～6t•hm-2时，估计当年就可提高土壤有机碳含量1g•kg-1以上。本研究初步结果表明，稻麦秸秆周年还田的土壤年固碳速率为1.14tC•hm-2，极显著高于秸秆不还田的0.18tC•hm-2（表3），这与前人[11-12，14，22-27]关于秸秆还田能提高土壤固碳速率的结论一致；本文的土壤年固碳速率要高于以往的研究[12，24，26-27]，可能与本试验稻麦产量水平较高导致秸秆还田量较高（约17t•hm-2）有关，还可能与实验地气候条件、土壤条件及农业管理措施等的不同有关[25]。由于秸秆还田增排稻田CH4的温室效应对土壤固碳减缓全球变暖效益的抵消作用也非常明显，在评价农田固碳措施的潜力时，应全面考虑温室气体收支[12]。Shang等[13]通过长期定位试验研究了湖南双季稻区早稻秸秆还田（还田量约6t•hm-2）对农田年净增温潜势的影响，结果显示秸秆还田增加周年净增温潜势56%；刘晓雨等[21]的研究表明，太湖地区稻油轮作农田秸秆还田量在6t•hm-2时，水稻生长季农田净增温潜势提高了48%；李成芳等[11]则认为，湖北稻油轮作农田水稻生长季净增温潜势有随油菜秸秆还田量增加而减少的趋势。但迄今为止，秸秆还田对稻麦两熟农田净增温潜势的影响尚不清楚。从本研究的初步结果来看，稻麦秸秆周年全量还田的净增温潜势为6383kgCO2-equivalents•hm-2，极显著高于秸秆不还田的2325kgCO2-equivalents•hm-2，增加温室效应57%，秸秆还田使单位产量的净增温潜势提高48%（表3），表明稻麦两熟高产农田秸秆还田的土壤固碳减排效益在短期内完全被增排的温室效应所抵消。但这个初步结果是在未计算秸秆其他利用方式（如焚烧等）对温室效应影响的前提下获得的，如何更加全面地评价秸秆还田的温室效应，其方法尚待深入研究。本文只初步研究了秸秆还田对稻麦两熟高产农田净增温潜势影响的短期效应，由此推断秸秆还田肯定会大大增加农田净增温潜势还有一定的不确定性，这有待通过长期定位试验来进一步验证。

4结论

秸秆还田影响稻麦两熟高产农田的CH4和N2O排放、土壤碳固定以及净增温潜势。稻麦秸秆周年全量还田条件下稻麦两熟高产农田的周年CH4和N2O排放总量、土壤碳固定量以及净增温潜势分别为394kgCH4•hm-2、2.39kgN2O•hm-2、1.14tC•hm-2、6383kgCO2-equivalents•hm-2，较秸秆不还田增加CH4排放总量152%、减少N2O排放总量14%、增加土壤碳固定量531%、增加净增温潜势57%。稻麦两熟高产农田采用秸秆还田措施能起到一定的增产作用，但使短期内的温室效应明显提高，其长期效果如何还有待观测。

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