周艷飛, 劉念, 劉章勇, 金濤*

?

不同冬季覆蓋作物對稻田CH4和CO2排放的影響

周艷飛, 劉念, 劉章勇, 金濤*

長江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心, 荊州 434025

冬季稻田排放的甲烷( CH4)和二氧化碳(CO2)是影響稻田溫室氣體排放的重要因素。為探求種植適宜的冬季覆蓋作物并減少稻田冬季CH4和CO2排放, 試驗采用靜態(tài)暗箱法對播種油菜的稻田(YC)、播種小麥的稻田(XM)及冬閑田(CK)三個處理下稻田的CH4和CO2排放進行了觀測, 分析了不同冬季覆蓋作物對稻田CH4和CO2的排放影響。結(jié)果表明, 不同處理CH4排放通量為YC＞XM＞CK, CO2排放通量為XM＞YC＞CK。不同冬季作物覆蓋下, 各處理CH4和CO2的累計排放量表現(xiàn)同其平均排放通量相同。YC處理的CH4累計排放量與冬閑田(CK)處理的相比較達到顯著水平(<0.05), XM處理CO2的累計排放量與YC和CK相比都有顯著性差異(p<0.05)。根據(jù)稻田CH4和 CO2季節(jié)排放量以及在 100 年尺度上的 CO2當(dāng)量計算, 不同處理溫室氣體全球增溫潛勢(GWP)大小順序為XM＞YC＞CK, 在YC、XM和CK中, 小麥(L.)處理的增溫潛勢最大, 且最大值達到6442.58 (kg·hm–2)。小麥處理的CO2和CH4的總溫室效應(yīng)最大, 機耕直播油菜(L.)次之, 冬閑田最小。研究水稻(L.)收獲后稻田種植不同冬季作物, 觀察在其生長季節(jié)內(nèi)CH4和 CO2和的排放特征, 為合理利用冬閑稻田控制溫室效應(yīng)提供理論依據(jù)。

油菜; 冬稻田; 冬小麥; 溫室氣體

1 前言

全球變暖是人類面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題之一, 引起全球氣候變暖是因為大氣中溫室氣體持續(xù)增長[1-16]。CO2是最主要的溫室氣體, CH4是一種重要的溫室氣體, 盡管其絕對量顯著小于 CO2, 但是單位質(zhì)量的CH4的全球增溫潛勢(global warming potential, GWP) 是 CO2的 25倍[7], 近年研究表明CH4氣體濃度以每年約1%的速度增長[8]。中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)每年的 CO2凈排放量約 9500 萬 t C、CH4約 920 萬 t C[9]為CH4重要的排放源, 其排放量約占全球CH4排放總量的8.85%—18.79%[10], 稻田耕作釋放的CH4約占大氣CH4總來源的8%—13%, 全球稻田CH4年總排放量達30 Tg(20—40 Tg)[11-12], 大氣中有 20%的 CO2來源于農(nóng)業(yè)活動及其相關(guān)過程[13]。

農(nóng)業(yè)活動對CH4和CO2的排放有著重要的影響作用, 研究表明農(nóng)田溫室氣體減排的潛力巨大[14-15]。目前, 為了減少稻田溫室氣體的排放, 不少學(xué)者探索研究了不同方法。近來一系列的農(nóng)業(yè)管理措施被提出來, 比如以發(fā)展新的品種、實施恰當(dāng)?shù)乃止芾碇贫?、調(diào)整施肥計劃等方法來提高作物產(chǎn)量并同時減緩溫室氣體的排放速度[16-19]。也有學(xué)者研究施用生物炭、堆肥、硅酸鹽爐渣及某些特定品種的除草劑來改善提高稻田土壤質(zhì)量和其生產(chǎn)力[20-23]。有關(guān)稻田CH4和CO2排放的研究大多集中在水稻生長期內(nèi)[24-25], 但是研究冬季稻田溫室氣體排放的相對較少, 系統(tǒng)研究不同冬季覆蓋作物對稻田CH4和CO2排放的更少。農(nóng)田冬季覆蓋作物是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分, 有利于提高土壤質(zhì)量、土壤養(yǎng)分利用和作物產(chǎn)量、減少土壤侵蝕和化學(xué)徑流, 并且能抑制雜草生長[26]。合理的利用稻田冬、春自然資源, 可增加冬季稻田綠色作物覆蓋度, 增加單位面積生物產(chǎn)量和土壤有機碳, 抑制硝態(tài)氮淋溶, 增加碳氮蓄積, 有利于確保糧油作物生產(chǎn)安全。

目前, 江漢平原水稻主產(chǎn)區(qū)主要實行單季水稻—小麥、雙季水稻—油菜、雙季水稻—休閑 3種種植制度, 其中水旱輪作體系占 86%[27]。為此, 本文以冬閑田為對照, 初步探討了直播油菜、直播小麥2種冬季覆蓋作物下稻田的CH4排放特征及排放量, 評估兩種冬季覆蓋作物對全球增溫潛勢(GWP)的影響, 旨在合理利用冬閑稻田, 為發(fā)展冬季覆蓋作物生產(chǎn)及合理評價不同種植模式提供科學(xué)依據(jù), 同時為有效控制溫室效應(yīng)提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗地概況

試驗于2013年9月-2014年6月在湖北省荊州市三紅村(30°22′ N、112°07′ E)進行。該地區(qū)位于長江中下游平原, 屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。年均日照 1970.5 h, 年平均氣溫為17.1 ℃, 無霜期 250 d, 年均降雨量1059.9 mm, 且降雨時間主要集中在6月份和9月份。土壤為潴育型水稻土(Hydromorphic paddy soils), 土壤(0—20 cm)有機質(zhì)為29.89 (g·kg–1), 全鉀含量為2.47 (g·kg–1), pH為6.20。

2.2 試驗設(shè)計及田間管理

試驗設(shè)3個處理：油菜(YC)、小麥(XM)、冬閑田(CK), 油菜和小麥?zhǔn)窃谥械臼崭詈笾辈サ? 每個處理設(shè)置3個重復(fù), 總共9個小區(qū), 單個小區(qū)面積為25 m2, 隨機區(qū)組設(shè)計。油菜和小麥處理施肥情況完全相同(冬閑田不施肥), 氮肥(尿素)折算成純氮為每公頃150 kg, 以尿素為肥源分3次施入; 磷肥(P2O5)為每公頃40 kg, 以過磷酸鈣作肥源一次施入; 鉀肥(K2O)為每公頃100 kg, 采用氯化鉀作肥源一次施入。冬季作物的肥料用量及病蟲害防治等田間管理條件都完全相同, 灌溉依靠自然降水。

2.3 樣品的采集及測定方法

土壤氣體采用靜態(tài)暗箱法采集[28]。采氣裝置分為上下兩部分, 底座常年埋于土壤中, 采集氣體時將采樣箱放置于底座上。分別在冬季作物播種后, 于各處理稻田安裝靜態(tài)箱底座, 底座入土5 cm, 底座內(nèi)含生長的冬季作物, 整個作物生育期底座不再移動。采樣箱由5 mm厚PVC板制成, 規(guī)格為桶底直徑為49 cm, 桶高46 cm, 外部包有海綿和錫箔紙, 以防止太陽照射導(dǎo)致的箱內(nèi)氣溫變化過大。在冬季作物播種后的第2天開始進行土壤氣體采集, 以后每隔14 d采集1次(春節(jié)期間除外), 施肥前后采樣次數(shù)增加。每次采樣時間為9: 00—11: 00(在上午9點左右采集的空氣樣品中的溫室氣體流量被認(rèn)定為等于日均溫室氣體流量, 該時間段對氣體通量日平均值的估算有較好的代表性[29-30])。取樣時采樣桶垂直安放在底座凹槽內(nèi), 保證桶內(nèi)氣體與大氣不進行氣體交換。在蓋桶之后的6 min、20 min時刻用50 ml注射器從箱中抽取氣體, 通過旋轉(zhuǎn)三通閥轉(zhuǎn)移到1 L氣體采樣袋, 備測。

氣體測定在長江大學(xué)濕地中心溫室氣體分析室進行, 測定使用的儀器為PICARRO G2301CO2/ CH4/H2O分析儀。稻田溫室氣體排放通量F計算公式如下[31]：

=××d/d×273/(273+) (1)

式中為氣體排放通量(mg·m–2·h–1);為密度, CH4標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度0.714 (kg·m–3), CO2標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度1.96 (kg·m–3);是采樣箱的凈高度(m); d/d為單位時間內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體的體積分?jǐn)?shù)變化率; 273為氣態(tài)方程常數(shù);為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度(°C)。根據(jù)氣樣濃度與時間的關(guān)系曲線計算CH4和CO2的排放通量, 然后估算CH4和CO2的排放量[32](平均通量值與整個作物生長期總小時數(shù)的乘積), CH4和CO2排放總量為冬季作物整個生長期排放量的總和。

用Microsoft Excel 2010對試驗原始數(shù)據(jù)進行處理, 用Origin9.2作圖, SPSS19.0軟件進方差分析和相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 冬季作物生長期氣溫、土溫、土壤含水量、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的季節(jié)變化

圖1顯示不同冬季作物生長期內(nèi)農(nóng)田土壤溫度、地表氣溫、土壤含水量、pH及銨態(tài)氮硝態(tài)氮含量的季節(jié)變化。作物生長期間土溫和氣溫的變化范圍分別為2—23 ℃ 和1—31 ℃, 最低溫都在12月22日; 土壤含水量最大值出現(xiàn)在作物成熟期, 最大值為37.94%, 最低含水量為9.76%; pH變化幅度不大, 保持在5.5—7.5之間; 銨態(tài)氮含量大于硝態(tài)氮含量, 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量范圍分別為2.22—23.88 (mg·kg–1)和5.12—1.01 (mg·kg–1)。

圖1 冬季覆蓋作物生長期內(nèi)溫度(土溫和氣溫)、土壤含水量、pH和氮平均含量的季節(jié)變化

3.2 冬季作物生長期稻田CH4和CO2平均排放通量的動態(tài)

圖1a顯示, 冬季作物生長期內(nèi)CH4平均排放通量的動態(tài)變化。剛播種時三個處理CH4的排放通量均出現(xiàn)最大值, YC、XM、CK的最大值分別為0.3189、0.2715、0.2393 (mg·m–2·h–1)。在播種后隨著溫度不斷降低CH4平均排放通量顯著下降, 在播種17天后稻田CH4排放通量趨近零, 播種后30天冬閑田處理(CK)CH4平均排放通量為負(fù)值。1月4日XM處理CH4的平均排放通量出現(xiàn)小的波動, 2天后恢復(fù)到0左右; 在作物生長后期即4月4日后即冬季作物生長后期, 三個處理的CH4平均排放通都出現(xiàn)較大的波動; 整個冬季覆蓋作物生長期內(nèi)稻田表現(xiàn)為對大氣CH4微弱的吸收, 表現(xiàn)為弱的CH4匯。

圖1b顯示在冬季覆蓋作物生長期內(nèi)CO2平均排放通量的動態(tài)變化。作物生長期內(nèi)三個處理的CO2平均排放通量都處于不斷變化的過程中, 且作物生長前期和中期變化趨勢大致相同, 處于緩慢的上升過程, YC和XM處理的CO2平均排放通量大于CK處理。從11月開始氣溫不斷降低, 在11月至次年1月之間各處理CO2平均排放通量趨勢相同, 均保持為冬季覆蓋作物CO2排放的最低水平; 2月開始, 隨著氣溫的回升, 各處理的CO2平均排放通量增加, 增加幅度最大的是XM處理, YC處理次之; 三個處理的CO2平均排放通量均在2月后出現(xiàn)最大值, 且YC、XM和CK處理的最大值分別為155.39 (mg·m–2·h–1)、173.42 (mg·m–2·h–1)和119.20 (mg·m–2·h–1); 在冬季覆蓋作物生長期內(nèi)冬季稻田表現(xiàn)為CO2源。

圖2A顯示冬季覆蓋作物生長期內(nèi)CH4累計排放量的比較。YC處理的CH4累計排放量最大。YC處理的CH4累計排放量與XM和冬閑田CK處理的相比較達到顯著水平; XM和CK處理相比較有差異, 但沒達到顯著水平。且YC和XM處理的CH4累積排放通量均高于冬閑田處理。圖2B顯示冬季覆蓋作物生長期內(nèi)CH4累計排放量的比較。XM處理的CO2累計排放量最高, 且與YC和CK處理相比均有顯著性差異; XM和CK處理相比無顯著差異。

3.3 冬季作物覆蓋下稻田CH4和CO2排放的影響因素

表1分析土壤溫度(5 cm和10 cm)、土壤含水量、pH、氣溫、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮與CH4和CO2排放通量的關(guān)系。由表1可知, YC處理的CH4平均排放通量與土溫和土壤含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P < 0.05), 且相關(guān)系數(shù)分別為0.52*、0.53*、0.57*; YC處理的CO2平均排放通量與土溫和氣溫呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P < 0.01), 且相關(guān)系數(shù)分別為0.82*、0.81**、0.75**; XM處理的CH4平均排放通量與土溫、土壤含水量、pH有負(fù)相關(guān)關(guān)系, 但不顯著; XM處理的CH4排放通量與已測的影響因素未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性, CO2排放通量與土溫、土壤含水量及氣溫分別0.01和0.05水平上有顯著正相關(guān)關(guān)系, 且相關(guān)系數(shù)分別為0.66**、0.63**、0.57*、0.58*, 與pH呈顯著負(fù)相關(guān), 且相關(guān)系數(shù)為–0.72**; CK的CH4和CO2排放通量與其影響因素未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

圖2 不同冬季覆蓋作物下CH4和CO2排放通量的季節(jié)變化

圖3 不同冬季覆蓋作物下CH4和CO2的累積排放量

3.4 油菜、小麥和冬閑田的CH4和CO2綜合溫室效應(yīng)評價

表2顯示的是不同冬季覆蓋作物稻田CH4和CO2的綜合溫室效應(yīng)。三個處理的CH4增溫潛勢小于CO2增溫潛勢; CH4和CO2的總增溫潛勢表現(xiàn)為XM>YC>CK, 且XM、YC和CK的總增溫潛勢分別為611552.5 (kg·hm–2)、3460644.37 (kg·hm–2)和296493.98 (kg·hm–2)。CO2對總增溫潛勢的貢獻率分別為99.02%、99.58%和99.71%, CH4對總增溫潛勢的貢獻率分別為0.98%、0.42%和0.29%。

稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4氣體排放對全球變暖具有重要影響, 通常用增溫潛勢(GWP)來表示相同質(zhì)量的不同溫室氣體對溫室效應(yīng)增強的相對輻射效應(yīng)。根據(jù)CH4在100年尺度上相對CO2的增溫潛勢(GWP)[33]：CO2為1, CH4為單位分子的增溫潛能是CO2的25倍, 將CH4的排放量乘以25, 轉(zhuǎn)化為CO2的排放量, 得出CH4排放量的二氧化碳當(dāng)量(E-CO2), 從而計算出各處理CH4排放量的二氧化碳當(dāng)量。

PGWP=RCH4×25+RCO2(2)

PGWP為綜合增溫潛勢, kg·hm–2, 以CO2計; RCO2為CO2季節(jié)累積排放量, kg·hm–2; RCH4為CH4季節(jié)累積排放量, kg·hm–2。

表1 不同處理CH4和CO2排放通量與土壤性質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)

注：**表示 P < 0.01, *表示 P < 0.05; SWC為土壤含水量。

表2 不同冬季覆蓋作物下CH4和CO2排放的增溫潛勢

注：YC為油菜處理, XM為冬小麥處理, CK為冬閑田。

4 討論

4.1 冬季覆蓋作物對稻田 CH4和CO2排放通量的影響

冬季覆蓋油菜和小麥生長期內(nèi)稻田的CH4的排放通量從剛播種有最大值并且不斷減小到零, 在冬季作物生長中期各處理CH4的排放通量均很穩(wěn)定, 穩(wěn)定值基本保持為零, 冬季稻田CH4排放極少, 各處理CH4排放均接近于零, 甚至表現(xiàn)為大氣CH4的弱匯, 這與白小琳等[34]和李建政等[35]的研究結(jié)果一致。剛播種時三個處理CH4平均排放通量均出現(xiàn)最大值, 試驗田的前期作物為中稻, 并且實施試驗時是采用機耕方式后直播, 在翻耕時埋入了部分秸稈, 同時由于翻耕改善了土壤的通氣狀況促進了微生物的生命活動; 中期, 外界溫度處于一年中最低, 土溫和氣溫均低于10 °C(圖1), 研究表明[36], 低溫降低產(chǎn)CH4菌活性, 同時減少由溫度主導(dǎo)的氣泡迸裂的 CH4傳輸; 后期CH4排放主要受溫度影響, 在冬季作物生長后期, 作物都成長到一定階段由于對土壤的影響不盡相同, 植株代謝較強, 呼吸旺盛, 促進了稻田CH4的排放。本試驗中, 冬季稻田CH4排放通量較低, 隨著翻壓有機物的逐漸腐解及水稻生長發(fā)育的加快, CH4排放通量呈先高后低的變化趨勢。各處理稻田的CH4平均排放通量和總排放量均明顯高于冬閑, 與唐海明等[37]研究結(jié)果一致, 但與韓廣軒等[38]研究表明, 在水稻油菜輪作條件下, 稻田 CH4排放有明顯的季節(jié)變化, 呈現(xiàn)出前低后高的變化趨勢的結(jié)論不一致。這可能是不同冬季作物還田后, 由于大量新鮮冬季作物秸稈的加入, 為微生物活動提供了大量的碳源和能源, 促進了微生物生長, 使土壤氧消耗加速, 土壤氧化還原電位(Eh) 迅速下降。從而使得油菜、小麥和冬閑田這三個處理的CH4平均排放通量出現(xiàn)差異。

油菜和小麥覆蓋下稻田CO2排放通量的大小與宋利娜等[39]的研究結(jié)果一致, 與袁野[40]等研究結(jié)果不一致, 原因可能是覆蓋作物種類及管理和測定方式不同。冬季稻田CO2平均排放通量在冬季覆蓋作物生長期內(nèi)都處于較高的水平, 2 月開始隨著溫度的升高CO2平均排放通量緩慢升高, 在冬季覆蓋作物生長期內(nèi)冬季稻田表現(xiàn)為CO2源。稻田排放的CO2主要源于稻田覆蓋作物及雜草的呼吸與土壤呼吸。農(nóng)田CO2排放除了受土壤溫度、土壤通氣狀況及反應(yīng)底物濃度等因素制約, 還受土壤生物碳、微生物、酶活性、度等因素的影響。由于試驗設(shè)計失誤未能對影響土壤碳排放的關(guān)鍵因子土壤有機碳測定分析和進一步對土壤CH4和CO2排放的影響因素進行測定分析, 所以在油菜和小麥冬季覆蓋作物下稻田土壤碳排放的影響因素尚需在以后的研究中進一步驗證。

4.2 冬季覆蓋作物對稻田N2O排放的影響

氧化亞氮(N2O)是大氣中一種重要的溫室氣體, 其增溫潛勢是CO2的298倍, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為重要的N2O排放源[7, 41]。土壤硝化反硝化過程中會產(chǎn)生N2O, 土壤N2O的排放量隨作物種類不同而不同。研究表明種植作物能促進土壤N2O排放, 其排放受到作物類型的顯著影響[42]。稻田N2O是在好氣和厭氧過程中產(chǎn)生的, 所以土壤通氣狀況、溫度、施肥類型、耕作制度及田間水分管理等因素均能影響稻田N2O的排放[43]。李虎等[44]研究認(rèn)為耕作土壤產(chǎn)生的N2O的排放量大于免耕土壤產(chǎn)生的, 且免耕法能減少5.2%的N2O排放量。唐海明等[37]通過對翻耕移栽油菜、免耕直播黑麥草、免耕直播油菜和免耕直播紫云英進行研究(冬閑稻田為對照), 結(jié)果表明翻耕移栽油菜處理的N2O平均排放通量和總排放量均大于其它處理。直播黑麥草N2O平均排放通量和總排放量大于直播油菜、直播紫云英及冬閑。還發(fā)現(xiàn)油菜、黑麥草和紫云英生長后期的N2O的排放通量大于前期, 與O’Hara 等[45]的研究結(jié)果一致。本試驗由于儀器限制原因并沒能對油菜和小麥覆蓋下稻田排放的N2O進行測定分析。

本文僅考慮了兩種冬季覆蓋作物, 只討論了冬季稻田CH4和CO2在油菜和小麥兩種覆蓋作物下的排放規(guī)律。由于試驗條件限制只有一年的數(shù)據(jù)并未綜合考慮當(dāng)?shù)氐膶嶋H生產(chǎn)情況, 特別是同冬季覆蓋作物收割后對水稻的生物學(xué)和經(jīng)濟學(xué)產(chǎn)量等方面的影響。此文只是在相同田間管理措施的條件下僅針對2種不同冬季覆蓋作物在其生長季節(jié)內(nèi)稻田CH4和CO2的溫室效應(yīng)總和進行了初步分析比較, 對影響稻田CH4和CO2排放的相關(guān)因素尚需深入研究。

5 結(jié)論

油菜和小麥這兩種冬季作物覆蓋作物對冬閑期稻田CH4和CO2具有明顯影響, 與冬閑田相比冬季覆蓋物整體上促進了CH4和CO2的排放。在整個冬季覆蓋作物生長期內(nèi)稻田表現(xiàn)為對大氣CH4微弱的吸收, 表現(xiàn)為弱的CH4匯; 三個處理CO2平均排放通量都處于不斷變化的過程中, 均呈現(xiàn)出緩慢的上升過程, 在冬季覆蓋作物生長期內(nèi)冬季稻田表現(xiàn)為CO2源。各處理CH4累計排放通量表現(xiàn)為油菜>小麥>冬閑, CO2累計排放通量表現(xiàn)為小麥>油菜>冬閑。綜合溫室效應(yīng)受種植作物種類、植物生長、稻田利用方式及肥料等因素共同影響, 直播小麥處理的 CH4和 CO2綜合溫室效應(yīng)最大, 冬閑田次之, 直播油菜最低。

[1] LOUPITIYA E, PAUSTIAN K. Agricultural soil greenhouse gas emissions: a review of national inventory methods[J]. Journal of Environmental Quality, 2006, 35: 1413–1427.

[2] TOMA Y, OOMORI S, MARUYAMA A, et al. Effect of the number of tillage in fallow season and fertilizer type on greenhouse gas emission from a rice (L.) paddy field in Ehime, southwestern Japan[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2015, 61: 1–11.

[3] VERMA A, TYAGI L, YADAV S, et al. Temporal changes in N2O efflux from cropped and fallow agricultural fields[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2006, 116: 209–215.

[4] WELLER S, JANZ B, JORG J, et al. Greenhouse gas emissions and global warming potential of traditional and diversified tropical rice rotation systems[J]. Global Change Biology, 2016, 22(1): 432–448.

[5] MULLER-STOVER D, AHERNFELDT J, HOLM J K, et al. Soil application of ash produced by low-temperature fluidized bed gasification: effects on soil nutrient dynamics and crop response[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2012, 94(2-3): 193–207.

[6] JING Y J, LIN M C, QING S, et al. Application of herbicides is likely to reduce greenhouse gas (N2O and CH4) emissions from rice-wheat cropping systems[J]. Atmospheric Environment, 2015, 107: 62–69.

[7] SOLOMON S, QIN D H, MANNING M, et al. Climate Change 2007 (M): The Physical Science Basis: Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the IPCC. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.

[8] VERGE X P, KINMPE C, DESJARDINS R L. Agricultural production greenhouse gas emissions and mitigation potentia1[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2007, 142(2/4): 255–269.

[9] 李長生, 肖向明, FROLKIN S, 等. 中國主要農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放及減排對策[J]. 第四紀(jì)研究, 2003, 23(5): 493–503.

[10] IPCC. Coupling Between Changes in the Climate System and Biogeochemistry[M]. M Climate Change 2007: The Physical Science as is Contribution of working Group I to the Fourth Assessment Report of the IPCC. New York: C am bridge University Press, 2007: 539–542.

[11] MATTHEWS R B, WASSMANN R, KNOX J W, et al. Using a crop/soil simulation model and GIS techniques to assess methane emissions from rice fields in Asia．IV．Upscaling to national levels[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2000, 58 (1/3): 201–217.

[12] ZHANG Z S, CAO C G, GUO L J, et al. Emissions of CH4and CO2from paddy fields as affected by tillage practices and crop residues in central China[J]. Paddy and Water Environment, 2016, 14(1): 85–92.

[13] CAIZC, KANGGD, TAURUTA H, et al. Estimate of CH4emissions from year-round flooded rice fields during rice growing season in China[J], Pedosphere, 2005, 15 (1): 66–71.

[14] HAQUE M M, BISWAS J C, KIM S Y, et al. Suppressing methane emission and global warming potential from rice fields through intermittent drainage and green biomass amendment[J], Soil Use and Management, 2016, 32(1): 72–79.

[15] 張玉銘, 胡春勝, 張佳寶, 等. 農(nóng)田土壤主要溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的源/匯強度及其溫室效應(yīng)研究進展[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2011, 4: 966–975.

[16] MA J, JI Y, ZHANG G, et al. Timing of midseason aeration to reduce CH4and N2O emissions from double rice cultivation in China[J]. Soil Science & Plant Nutrition, 2013, 59(1): 35–45.

[17] 鄭潔敏, 鐘一銘, 戈長水, 等. 不同施氮水平下水稻田溫室氣體排放影響研究[J], 核農(nóng)學(xué)報, 2016, 30(10): 2020– 2025.

[18] LINQUIST B A, ADVIENTO M A, PITTELKOV C M, et al. Fertilizer management practices and greenhouse gas emissions from rice systems: a quantitative review and analysis[J]. Field Crops Research, 2012, 135: 10–21.

[19] LIANG X Q, LI H, WANG S X, et al. Nitrogen management to reduce yield-scaled global warming potential in rice[J]. Field Crops Research, 2013, 146, 66–74.

[20] ZHANG A, PAN G, HUSSAIN Q, et al. Effect of biochar amendment on yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from Tai Lake plain[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2010, 139(4): 469–475.

[21] WANG W Q, LI P F, ZHENG C S, et al. Evaluation of silicate iron slag as a potential methane mitigating method [J]. Advanced Materials Research, 2014, 68: 1626–1630.

[22] 王妙瑩, 許旭萍, 王維奇, 等. 爐渣與生物炭施加對稻田溫室氣體排放及其相關(guān)微生物影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2017, 37 (3) : 1046–1056.

[23] JING Y J, LIN M C, QING S, et al. Application of herbicides is likely to reduce greenhouse gas (N2O and CH4) emissions from rice-wheat cropping systems[J]. Atmospheric Environment, 2015, 107, 62–69.

[24] ZSCHORNACK T, ROSA C M, PEDROSO G M, et al. Mitigation of yield-scaled greenhouse gas emissions in subtropical paddy rice under alternative irrigation systems [J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2016, 105(1): 61–73.

[25] XU Y, ZHANG M, CAO C G, et al. Improved water management to reduce greenhouse gas emissions in no-till rapeseed-rice rotations in Central China[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2016, 4(221): 87–98.

[26] BUGG R L, MCGOURTY G, SARRANTONIO M, et al. Comparison of 32 cover crops in an organic vineyard on the North Coast of California[J]. Biological Agriculture & Horticulture, 1996, 13(1): 63–81.

[27] 黃太慶, 馬煜春, 熊正琴, 等. 不同種植制度對稻田旱作季節(jié)CH4和N2O排放的影響[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報, 2010, 26(6): 519–523.

[28] YAN X, CAI Z, OHARA T, et al. Methane Emission from Rice Fields in Main land China: Amount and Seasonal and Spatial Distribution[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2003, 108(16): 1211–1222.

[29] WANG Y S, WANG Y H. Quick measurement of CH4, CO2and N2O emissions from a short-plant ecosystem[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2003, 20(5): 842–844.

[30] Costa F S, Bayer C, Lima M A．Varia??o diária da emiss?o de metano em solo cultivado com arroz irrigado no Sul do Brasil[J]. Cienc Rural, 2013, 38(2)2049–2053

[31] 湯潔, 韓源, 劉森．吉林西部不同土地利用方式下的生長季土壤 CO2排放通量日變化及影響因素[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2012, 21(1): 33–37.

[32] PARASHAR D C, GUPTA P K, RAI J, et al. Effect of soil temperature on methane emission from paddy field[J]. Chemosphere, 1993, 26: 247–250.

[33] BHAATIA A, PATHAK H, JAIN N, et al. Global warming potential of manure amended soils under rice-wheat system in the Indo-Gangetic plains[J]. Atmospheric Environment, 2005, 39(37): 6976–6984.

[34] 白小琳, 張海林, 陳阜, 等. 耕作措施對雙季稻田 CH4與 N2O 排放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2010, 26(1): 282–289.

[35] 李建政, 王迎春, 王立剛, 等. 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體減排技術(shù)評價指標(biāo)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2015, 26(1): 297–303.

[36] 胡雲(yún)飛, 李榮林, 楊亦揚．生物炭對茶園土壤 CO2和 N2O 排放量及微生物特性的影響[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2015, 26(7)：1954–1960.

[37] 唐海明, 湯文光, 帥細強, 等. 不同冬季覆蓋作物對稻田甲烷和氧化亞氮排放的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2010, 21(12)：3191–3199.

[38] 韓廣軒, 朱波, 高美榮. 稻田油菜輪作稻田甲烷排放量及其總量估算[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2006, 14(4): 134– 137.

[39] 宋利娜, 張玉銘, 胡春勝, 等. 華北平原高產(chǎn)農(nóng)區(qū)冬小麥農(nóng)田土壤溫室氣體排放及其綜合溫室效應(yīng)[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2013, 21(3): 297–307.

[40] 袁野, 劉長紅, 戴曉琴, 等. 中國南方雙季稻田轉(zhuǎn)菜地對CO2和CH4通量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2015, 26(1): 147–154.

[41] KROEZE C, MOSIER A, BOUWMAN L. Closing the global N2O budget: A retrospective analysis 1500-1994[J]. Global Biochemistry Cycles, 1999, 13(1): 1–8.

[42] 陳書濤, 黃耀, 鄭循華, 等. 輪作制度對農(nóng)田氧化亞氮排放的影響及驅(qū)動因子[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2005, 38(10): 2053–2060.

[43] 岳進, 黃國宏, 梁巍, 等. 不同水分管理下稻田土壤 CH4和 N2O 排放與微生物菌群的關(guān)系[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2003, 14(12): 2273–2277.

[44] 李虎, 王立剛, 邱建軍. 農(nóng)田土壤N2O排放和減排措施的研究進展[J]. 中國土壤與肥料, 2007, 5: 1–5.

[45] O’HARA G W, DANIEL R M. Rhizobia denitrification: A review[J]. Soil Biology&Biochemistry, 1985, 17: 1–9.

Effects of winter cover crop on methane and carbon dioxide emissions from paddy field

ZHOU Yanfei, LIU Nian, LIU Zhangyong, JING Tao*

Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland China Ministry of Education, Yangtze University, Jingzhou 434025, China

Methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) emissions from winter paddy fields are believed to produce great influence on greenhouses gas emissions from paddy field. Thus, it is necessary to explore suitable winter cover crops for reducing CH4and CO2emissions from paddy filed. Static chamber technique was employed to observe CH4and CO2emissions under three different treatments (tillage and directly sowing rape, YC; tillage and directly sowing winter wheat, XM; fallow was set as control, CK). Effects of different winter cover crops on emissions of CH4and CO2from paddy filed were analyzed during growth period. The results showed that CH4emission flux decreased in order of YC＞XM＞CK; instead, CO2emission flux decreased in order of XM＞YC＞CK. At the same time, cumulative emissions of CH4and CO2were observed keeping at the same decreased trends with their emission flux, respectively. CH4emission in YC treatments was significantly higher than that in CK( P＜0.05), However, CO2cumulative emission in YC treatment was significantly lower than XM and CK(＜0.05).Global warming potential (GWP)(Calculated as the CO2-equivalents on the scale over 100 years) from CH4and CO2emissions in different treatments was decreased in order of XM＞YC＞CK; XM treatment had the largest GWP, with a value of 6442.58 (kg·hm–2). Abovementioned results revealed that XM treatment had the largest total greenhouse effect; however, CK treatment had lowest total greenhouse effect when compared with XM and YC treatment. Object of this study is to seek a reasonable using way for winter paddy field, and expect to provide theoretical basis for effective control of greenhouse gas emissions from paddy field.

rape, fallow, winter wheat, greenhouse gases

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.013

A

1008-8873(2018)05-094-08

2017-12-22;

2018-09-03

國家自然科學(xué)基金(31501274);湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊項目(T201404);湖北省重大科技創(chuàng)新計劃(2016AHB023)

周艷飛(1991—), 女, 湖北恩施人, 在讀碩士, 主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài), E-mail: yanfeizhou-vanessa@hotmail.com

通信作者:金濤, 男, 講師, 長江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心, 研究方向為土壤碳氮循環(huán), E-mail：jintao@yangtzeu.edu.cn

周艷飛, 劉念, 劉章勇, 等. 不同冬季覆蓋作物對稻田CH4和CO2排放的影響[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(5): 94-101.

ZHOU Yanfei, LIU Nian, LIU Zhangyong, et al. Effects of winter cover crop on methane and carbon dioxide emissions from paddy field[J]. Ecological Science, 2018, 37(5): 94-101.