陳璐，陳燦，2*，黃璜，2*，任勃，王忍，梁玉剛，周晶

（1.湖南農業(yè)大學農學院，長沙410128；2.湖南省稻田生態(tài)種養(yǎng)工程技術研究中心，長沙410128；3.湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，長沙410128；4.湖南省農業(yè)科學院水稻研究所，長沙410125）

氧化亞氮（N2O）和甲烷（CH4）作為溫室氣體的重要組成部分，可導致全球氣候變暖[1]。稻田作為N2O和CH4的重要排放源，其中CH4年排放量占全球CH4總排放量的6%左右[2]。大量研究表明，耕作方式、肥料用量、灌溉用水等稻作生產管理措施均可影響稻田N2O和CH4的排放量[3-5]，其中耕作方式主要通過改變土壤緊實度、透氣性、水分和碳源等影響稻田N2O和CH4排放[3]，但是學者對于耕作方式影響稻田溫室氣體排放量的研究結果卻不一致，Zhang等[6]研究認為翻耕與免耕下稻田N2O排放量差異不顯著，也有學者認為免耕下稻田N2O排放量增加[7-8]。免耕或少耕作為農業(yè)耕作新技術的重要組成部分，有著穩(wěn)定土壤結構、提高土壤有機質、巨大固碳潛力等優(yōu)勢[9]。姜勇等[10]研究認為，稻田免耕的土壤有機碳的滯留時間較翻耕平均可以提升1倍，進而有利于提高土壤有機質含量。而土壤有機碳含量、土壤有機質含量及碳儲量的增加有利于土壤肥力的提高[11]，進而促進水稻根系對養(yǎng)分的吸收、轉運和利用，從而為水稻地上部生長和產量形成奠定基礎[12]，然而免耕能夠增加土壤濕度，降低土壤溫度，對土壤硝化起到反作用，并且土壤C/N較高，促進土壤反硝化作用，加之免耕具有較高的土壤碳儲量，最終導致土壤溫室氣體排放量增加[13-14]。因此，如何兼顧土壤有機質、碳庫含量增加與溫室氣體減排成為稻作可持續(xù)生產所面臨的緊迫問題。

稻田廂作免耕栽培是指在水田中按一定規(guī)格開溝作廂，在同一塊耕地上多年保持固定廂溝格局不變并連續(xù)進行免耕栽培[15]，將水稻栽插在廂面上，溝內灌水，并按水稻不同生育階段調節(jié)水位高低，實行浸潤灌的一種新型種稻方法。它能夠合理地解決種稻與蓄水養(yǎng)魚、養(yǎng)魚與曬田、化肥和農藥施用、雜草和病蟲防治等方面的問題，水稻與水產增產顯著，又較傳統(tǒng)稻田生態(tài)種養(yǎng)方便管理操作，便于機械化[16]。與平作翻耕栽培相比，稻田廂作免耕栽培能夠增加作物對養(yǎng)分的吸收能力，保持土壤結構穩(wěn)定，有利于培肥地力，增加土壤的通氣性[17-19]。

稻田綜合種養(yǎng)是在種植水稻后，選擇水稻生長適宜期將水產（禽類）動物投放在稻田內，實現水稻種植和水產（禽類）動物養(yǎng)殖互利共生，利用養(yǎng)殖動物捕食、活動等習性可有效防控田間病蟲草害的發(fā)生，進而減少化學農藥的使用，從而有利于生產出優(yōu)質的稻米和水產品，具有顯著的經濟、生態(tài)和社會效益，也是維持農業(yè)可持續(xù)發(fā)展、實施稻作供給側改革和鄉(xiāng)村振興的有效途徑[20-22]。稻鴨和稻魚共生作為稻作文化的重要組成部分，已在我國農耕文化中傳承千余年[23-24]，其中稻魚共生和稻魚鴨共生分別于2005年和2011年被聯(lián)合國糧農組織列入全球重要文化遺產系統(tǒng)。大量研究證實，稻鴨和稻魚共生均具有穩(wěn)定水稻產量[25]、改善土壤結構、土壤養(yǎng)分狀況，增加土壤速效N、速效P、速效K和土壤有機質含量[26]，改善土壤物理狀況、土壤透氣性，減小土壤容重，增大土壤總孔隙度[27-29]，提高水體含氧量[30-31]，增加土壤微生物種群及其豐富度等諸多優(yōu)勢[32-35]。稻鴨和稻魚共生還具有減排溫室氣體的作用[36-38]，養(yǎng)鴨可降低CH4排放[25，37]，增加N2O排放[39-40]，減緩全球增溫潛勢；稻田養(yǎng)鯽魚[39]、免耕稻鱉魚、免耕稻魚、免耕稻鱉全生育期的CH4、N2O排放量比水稻單作都有減少[41]。稻-禽類和稻-水產類在各地區(qū)比較普遍，推廣面積較大，水分管理是影響稻田溫室氣體的重要因素，而稻-禽類和稻-水產類的稻田水位相差較大，對稻田溫室氣體排放的影響大不相同。為進一步發(fā)揮稻田免耕、稻鴨和稻魚共生技術模式的優(yōu)勢，本研究采用雙季水稻廂作免耕和平作翻耕兩種模式研究稻鴨和稻魚共生對CH4、N2O排放量以及全球增溫潛勢（GWP）和溫室氣體排放強度（GHGI）的影響，以期進一步探明廂作免耕對稻鴨和稻魚共生溫室氣體排放的影響，從而為稻田免耕下開展養(yǎng)殖的溫室氣體排放提供一定理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與供試材料

1.1.1 試驗基地概況

試驗于2020年3—11月在湖南省長沙縣路口鎮(zhèn)明月村科研基地進行，該地區(qū)屬亞熱帶季風濕潤氣候。年降水量1 300～1 500 mm，無霜期260～300 d，年平均氣溫為16～20℃，≥10℃的有效積溫5 000～5 500℃，為南方典型的雙季稻生產區(qū)，試驗田土壤有機質含量為36.56 g·kg-1，全氮含量為0.95 g·kg-1，全磷含量為0.68 g·kg-1，全鉀含量為9.28 g·kg-1，堿解氮含量為95.81 mg·kg-1，速效磷含量為30.78 mg·kg-1，速效鉀含量為125.46 mg·kg-1，pH為5.89。

1.1.2 供試材料

供試早、晚稻水稻品種均為常規(guī)稻中早39。放養(yǎng)動物：魚以放養(yǎng)工程鯽魚為主，配養(yǎng)適量的本地草魚，鴨的品種為綠頭鴨。

1.2 試驗設計與田間管理

1.2.1 試驗設計

試驗設廂作免耕養(yǎng)鴨（W-RD）、廂作免耕養(yǎng)魚（W-RF）、廂作免耕對照（W-CK）、常規(guī)平作養(yǎng)鴨（FRD）、常規(guī)平作養(yǎng)魚（F-RF）和常規(guī)平作對照（F-CK）[W：廂作免耕栽培（Wide ridge cultivation with no-tillage）；F：平作翻耕栽培（Flatten plowing planting）；RD：稻鴨共作（Rice-duck farming）；CK：空白對照（Control check）；RF：稻魚共作（Rice-fish farming）]，共計6個處理，每個處理設置一個360 m2的大區(qū)，每個大區(qū)設置3個小區(qū)，每個小區(qū)面積為120 m2，每個大區(qū)之間用寬40 cm、高50 cm左右的田埂隔開，小區(qū)之間采用寬30 cm、高40 cm的田埂隔開，并覆膜，每個大區(qū)用高150 cm的尼龍網隔開，以防魚、鴨外逃及魚、鴨的天敵進入稻田。廂作免耕栽培為在早稻移栽前，不進行耕作，將稻田整理成廂，其中廂的規(guī)格為廂面180～200 cm，溝寬40 cm，深40 cm，早稻收割后清理廂溝，移栽晚稻；平作翻耕模式的早稻和晚稻均采用旋耕機進行整田，養(yǎng)魚試驗田挖寬50 cm、深75 cm的“田”字溝，并在試驗田中間開挖一個長、寬、深各100 cm的魚凼。水稻移栽規(guī)格為：每穴插4株，株距20 cm，行距25 cm。鯽魚苗與草魚苗規(guī)格為5～6 cm或質量0.1 kg左右，鯽魚和草魚投放比例為10∶1，其中鯽魚苗投放5 000尾·hm-2，草魚投放500尾·hm-2；鴨苗為兩周齡的雛鴨，投放150只·hm-2。

1.2.2 田間管理

早稻于3月27日播種育秧，4月27日移栽，5月22日投放魚苗和鴨苗，7月2日回收魚、鴨，7月17日收獲水稻；晚稻于6月24日播種育秧，7月23日移栽，8月14日放魚、放鴨，10月10日收魚、收鴨，10月25日收獲水稻。

養(yǎng)鴨處理需要在田間四角搭建鴨棚，以便投喂飼料和供鴨休息，養(yǎng)鴨和養(yǎng)魚處理每日采用定時、定點、定質、定量的方式投喂飼料，每日傍晚投喂一次（魚的飼料為玉米粉，早期投喂量為12 kg·hm-2，根據魚的生長情況逐漸增加投喂量至25 kg·hm-2；鴨的飼料為稻谷，早期投喂量為6 kg·hm-2，根據鴨的生長情況逐漸增加投喂量至12 kg·hm-2；飼料投喂后以2 h左右吃完為宜，投喂量視鴨和魚的攝食情況適時添減），飼料投喂初期采用人工輔助喂食方法引導鴨、魚在全田活動，以利于均勻作業(yè)，鴨、魚各時期在田間的活動區(qū)域相同，定時觀察鴨、魚的活動情況并檢查田間設施，防止天敵進入。水稻整個生育期內，所有處理均不噴施任何化學藥劑，肥料總用量為純N 160 kg·hm-2、P2O596 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2。復合肥料的養(yǎng)分含量為N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15，總養(yǎng)分≥45%，尿素的養(yǎng)分含量為總氮含量≥46.40%。早稻和晚稻整田前施入基肥，基肥施用量為氮肥總量的70%、鉀肥總量的80%和全量的磷肥，分蘗期追施氮肥總量的30%和剩余的20%鉀肥，后期不再追肥。廂作免耕的水稻與養(yǎng)魚、養(yǎng)鴨不產生用水矛盾，各處理可根據水稻各時期需水量控制水位；F-RD處理放鴨后，廂面水位保持在鴨的腳剛好觸碰到泥土的高度，隨著鴨的生長適當加深水位；F-RF處理放魚后，結合魚的活動所需水位，前期以便秧苗扎根、分蘗，保持6～8 cm的水位，中期加深田面水位至12～15 cm以便水稻抽穗，后期水稻水位不超過10 cm，F-CK處理田間水分以傳統(tǒng)水稻單作模式管理。魚、鴨收獲后將水排干為水稻收割做準備。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 CH4和N2O

稻田CH4和N2O氣體樣品采用靜態(tài)暗箱法采集，并通過氣相色譜法進行檢測分析。取樣箱包括箱體和底座兩個部分，箱體規(guī)格為長50 cm，寬50 cm，箱高120 cm，底座規(guī)格為長50 cm，寬50 cm，高度為20 cm，氣體箱外覆蓋泡沫板并用膠帶固定，箱內安裝溫度傳感器和12 V的小風扇。采樣箱底座在水稻移栽時按試驗要求（每個小區(qū)放置3個取樣箱，隨機擺放）插入各小區(qū)，底座插入土壤20 cm與土層表面保持齊平。待水稻生長穩(wěn)定后開始取樣，每4～6 d取1次稻田氣體樣品，選擇晴朗天氣8：00—11：00（進行田間監(jiān)測的最佳時段[42]）取樣，直至水稻成熟期結束，早稻季、晚稻季各取11次稻田氣體樣品。取樣時在扣上取樣箱之前，在底座凹槽放水，使箱內密閉不與箱外空氣串流，扣上取樣箱后，連接溫度傳感器和小風扇的電源，打開風扇，使箱內氣體充分均勻后用接有三通閥的50 mL針筒與取氣箱連接取樣，連續(xù)取體積約45 mL的氣體樣4次，每次取樣時間間隔10 min，每次取樣均記錄箱體內溫度和取樣時間。在湖南省農業(yè)科學院環(huán)境研究所采用Agilent 7890 A氣相色譜儀檢測分析氣體樣品。

1.3.2 計算公式

稻田溫室氣體排放通量計算公式[43]：式中：F為排放通量，mg·m-2·h-1；ρ為標準大氣壓下的CH4和N2O密度，分別為0.714 kg·m-3和1.98 kg·m-3；273為氣態(tài)方程常數；T為取樣過程中取樣箱內的平均溫度，℃；H表示取樣箱箱罩的凈高度，m；dC/dt為取樣箱內溫室氣體濃度的變化率[43]。

季節(jié)累積排放量計算公式[43]：

式中：C為溫室氣體排放總量，mg·m-2；n表示氣體檢測總次數；i為檢測次數；F為溫室氣體排放通量，mg·m-2·h-1；ti+1-ti為相鄰兩次取氣間隔時間，d。雙季稻累積排放量是早稻季累積排放量和晚稻季累積排放量之和。

全球增溫潛勢（Global warming potential，GWP）計算公式[41]：

式中：GWP為N2O和CH4綜合增溫潛勢，kg CO2-eq·hm-2；CH4和N2O排放折算為CO2當量，以100年時間尺度為計，CH4和N2O的增溫潛勢分別是CO2的34倍和298倍[44]，與IPCC第五次評估報告相比[41]，CH4和N2O的CO2當量倍數提高，反映了CH4和N2O對溫室氣體的貢獻有所上升。

溫室氣體排放強度（Greenhouse gas intensity，GHGI）計算公式[43]：

式中：Y為該處理單位面積平均產量，kg·hm-2，是綜合評價試驗各處理溫室效應的指標[45]。

1.4 數據處理

數據處理和圖表繪制在Microsoft Excel 2010下進行，采用SPSS24.0軟件和Microsoft Excel 2010進行數據的統(tǒng)計分析，采用最小顯著差法（LSD）進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 廂作免耕栽培下生態(tài)種養(yǎng)對稻田CH4排放的影響

2.1.1 早稻季CH4排放量

由圖1可知，早稻廂作免耕和平作翻耕的6個處理CH4排放通量均表現先升高后降低的趨勢，且在分蘗末期至孕穗期的稻田CH4排放量最多，占水稻生育期排放總量的41.51%～74.22%，孕穗-齊穗期占13.20%～27.43%，返青期-分蘗末期占8.35%～19.40%；齊穗-成熟期排放量最小。返青期-分蘗末期CH4排放通量，廂作免耕RD、CK、RF處理相比平作翻耕RD、CK、RF處理均有減少，降幅分別為13.40%、20.20%、52.40%，其中W-RF與F-RF處理達到顯著差異。分蘗末期-孕穗期CH4排放通量，除RD處理外，廂作免耕CK、RF處理相比平作翻耕的CK、RF處理均有減少，且達到顯著差異，降幅分別為19.64%、46.85%。孕穗期-齊穗期廂作免耕的RD、CK、RF處理的CH4排放通量相比平作翻耕各處理均顯著降低，降幅分別為44.61%、38.15%、57.71%。齊穗期-成熟期廂作免耕的RD、CK、RF處理的CH4排放通量相比平作翻耕各處理均有所降低；其中W-RD處理的CH4排放通量最小，為18.22 kg·hm-2，相比F-RD處理降幅最大，降幅為71.08%。

2.1.2 晚稻季CH4排放量

由圖2可以看出，晚稻廂作免耕和平作翻耕的6個處理CH4排放通量均表現為前高后低的趨勢，且在返青期-分蘗末期階段的稻田CH4排放量最多，占整個生育階段排放總量的23.90%～48.91%；其次是分蘗末期-孕穗期階段，占21.93%～33.44%；然后是孕穗期-齊穗期，占17.47%～35.41%；齊穗期-成熟期排放量最小。除孕穗期-齊穗期外其他3個時期，WRD、W-CK、W-RF處理CH4排放通量較F-RD、FCK、F-RF處理均顯著降低，其中返青期-分蘗末期階段降幅分別為16.37%、24.30%、46.29%，分蘗末期-孕穗期階段降幅分別為27.49%、64.08%、21.50%，齊穗期-成熟期階段降幅分別為62.73%、67.92%、35.68%。孕穗期-齊穗期廂作免耕CH4排放通量除RF處理外，RD、CK處理相比平作翻耕的RD、CK處理均有降低，降幅分別為12.19%、25.93%，其中W-CK與F-CK處理的CH4排放通量差異顯著。

2.2 廂作免耕栽培下生態(tài)種養(yǎng)對稻田N2O排放的影響

2.2.1 早稻季N2O排放量

由圖3可知，早稻季N2O排放通量整體表現為前高后低的趨勢，在返青期-分蘗末期階段的稻田N2O排放量最多，占整個生育階段排放總量的24.3%～52.21%，其次是分蘗末期-孕穗期階段，占17.99%～47.96%；然后是孕穗期-齊穗期，占6.55%～42.96%；齊穗期-成熟期排放量最小。CK處理在返青期-齊穗期廂作免耕稻田N2O排放量均較平作翻耕增加，其中以分蘗末期-孕穗期階段增幅最高，達472.60%，在齊穗期-成熟期階段廂作免耕稻田N2O排放量較平作翻耕降低，降幅為39.67%。RD處理在返青期-分蘗末期階段與分蘗末期-孕穗期階段廂作免耕稻田N2O排放量較平作翻耕降低，降幅分別為15.69%、7.16%，在孕穗期-齊穗期與齊穗期-成熟期廂作免耕稻田N2O排放量較平作翻耕增加，增幅分別為31.13%、24.39%。RF處理在返青期-分蘗末期階段與分蘗末期-孕穗期階段廂作免耕稻田N2O排放量較平作翻耕降低，降幅分別為14.13%、1.76%，在孕穗期-齊穗期與齊穗期-成熟期廂作免耕稻田N2O排放量較平作翻耕增加，增幅分別為738.18%、101.02%。

2.2.2 晚稻季N2O排放量

由圖4可知，晚稻的6個處理N2O排放通量均表現為先升高后降低的趨勢，且在分蘗末期-孕穗期階段的稻田N2O排放量最多，占整個生育階段排放總量的22.91%～60.60%；其次是孕穗期-齊穗期，占18.38%～38.36%；然后是齊穗期-成熟期，占9.61%～32.44%；返青期-分蘗末期排放量最小。CK處理在水稻各生長發(fā)育階段廂作免耕稻田N2O排放量較平作翻耕均顯著增加，其中以齊穗期-成熟期階段增幅最高，達327.51%。RD處理在返青期-分蘗末期階段廂作免耕稻田N2O排放量較平作翻耕顯著降低，降幅為40.23%，在分蘗末期-孕穗期階段、孕穗期-齊穗期階段、齊穗期-成熟期階段廂作免耕稻田N2O排放量均較平作翻耕增加，增幅分別為188.65%、58.42%、53.62%，在分蘗末期-孕穗期階段差異顯著。RF處理在返青期-分蘗末期階段與分蘗末期-孕穗期階段廂作免耕稻田N2O排放量較平作翻耕顯著增加，增幅分別為49.93%、213.77%，在孕穗期-齊穗期與齊穗期-成熟期廂作免耕稻田N2O排放量較平作翻耕顯著降低，降幅分別為36.71%、45.37%。

2.3 廂作免耕栽培下生態(tài)種養(yǎng)的溫室效應分析

2.3.1 不同處理對早稻產量和溫室氣體排放的影響

不同處理對早稻產量和溫室氣體排放的影響見表1，早稻CH4累積排放量以F-RF處理最高，為484.82 kg·hm-2，W-RF處理最低，為248.80 kg·hm-2；W-CK、W-RF處理較F-CK、F-RF處理顯著降低，分別降低了32.58%、48.68%。早稻N2O累積排放量以W-CK處理最高，為3.01 kg·hm-2，F-CK處理最低，為1.40 kg·hm-2；W-CK、W-RF處理較F-CK、F-RF處理顯著增加，分別增加了115.0%、50.98%。從各個處理CH4和N2O的綜合GWP可看出，CH4排放占GWP的91.84%～97.31%，是GWP的主要貢獻者；各處理綜合GWP大小排列為W-RD＞F-RF＞F-CK＞F-RD＞W-CK＞W-RF，其中W-CK、W-RF處理顯著低于F-CK、FRF處理。GHGI大小排列為W-RD＞F-RD＞F-RF＞FCK＞W-CK＞W-RF，其中W-CK、W-RF處理顯著低于F-CK、F-RF處理。早稻產量大小排列為F-RF＞FCK＞W-RD＞W-CK＞W-RF＞F-RD，其中W-RF處理顯著低于F-RF處理。早稻W-RD處理與F-RD處理之間的CH4累積排放量、N2O累積排放量、GWP、水稻產量及GHGI均無顯著差異。

2.3.2 不同處理對晚稻產量和溫室氣體排放的影響

由表2可知，晚稻CH4累積排放量表現為F-CK＞F-RF＞F-RD＞W-RF＞W-CK＞W-RD；廂作的W-RD、W-CK、W-RF處理CH4排放通量較對應平作的FRD、F-CK、F-RF處理，分別減少了25.24%、44.10%、30.64%，均達到顯著性差異。晚稻N2O累積排放量以W-CK處理最高，為4.84 kg·hm-2，F-RD處理最低，為0.82 kg·hm-2；W-RD、W-CK、W-RF處理N2O累積排放量與對應的F-RD、F-CK、F-RF處理相比，分別增加了85.37%、164.48%、28.83%，均達到顯著性差異。從各個處理CH4和N2O的綜合GWP可看出，早稻CH4占GWP的78.33%～96.43%，是GWP的主要貢獻者；各處理綜合GWP大小排列為F-CK＞F-RF＞F-RD＞W-CK＞W-RF＞W-RD，W-RD、W-CK、W-RF處理的綜合GWP較對應的F-RD、F-CK、F-RF處理，分別減少了21.26%、32.57%、28.14%，均達到顯著性差異；GHGI表現為F-CK＞F-RD＞F-RF＞W-CK＞W-RD＞WRF，W-RD、W-CK、W-RF處理的綜合GHGI較對應的F-RD、F-CK、F-RF處理，分別減少了35.73%、46.66%、38.67%，均達到顯著性差異。晚稻產量表現為W-RF＞W-RD＞F-RF＞W-CK＞F-RD＞F-CK，廂作產量整體高于平作；W-RD、W-CK、W-RF處理的產量較對應的F-RD、F-CK、F-RF處理，分別增加了22.24%、26.35%、16.54%，均達到顯著性差異。

2.3.3 雙季稻稻田總溫室氣體排放

從表3的各個處理CH4和N2O排放的CO2當量可看出，所有處理中CH4是總GWP的主要貢獻者，占總GWP的86.74%～96.83%。N2O排放的CO2當量以W-CK處理的最高，對兩者總GWP的貢獻為13.26%，顯著高于其他處理。雙季稻稻田總CH4的CO2當量大小排列為F-CK＞F-RF＞W-RD＞F-RD＞W-CK＞WRF，W-CK、W-RF處理較F-CK、F-RF處理顯著降低，分別降低了37.01%、43.01%。雙季稻稻田總N2O的CO2當量大小排列為W-CK＞W-RF＞W-RD＞F-CK＞F-RD＞F-RF，平作翻耕的F-RD、F-CK、F-RF處理N2O的CO2當量與對應廂作免耕的W-RD、W-CK、WRF處理比較均顯著降低，分別減少了19.24%、58.94%、29.42%?？侴WP大小排列為F-CK＞F-RF＞W-RD＞F-RD＞W-CK＞W-RF，W-CK、W-RF處理較F-CK、F-RF處理顯著降低，分別降低了30.14%、40.32%。水稻總產量大小排列為W-RF＞F-RF＞WRD＞W-CK＞F-CK＞F-RD，廂作的W-RD、W-CK、WRF處理總產量分別較對應平作的F-RD、F-CK、F-RF處理，增加了14.32%、8.56%、1.21%。不同處理總GHGI大小排列為F-CK＞F-RD＞F-RF＞W-RD＞W-CK＞W-RF，W-CK、W-RF處理較F-CK、F-RF處理顯著降低，分別降低了34.65%、37.93%。

表1不同處理對早稻產量和溫室氣體排放的影響Table 1 Effects of different treatments on early rice yield and greenhouse gas emissions

表2不同處理對晚稻產量和溫室氣體排放的影響Table 2 Effectsof different treatments on late rice yield and greenhouse gas emissions

表3不同處理對雙季稻稻田溫室效應的影響Table 3 Effects of different treatments on annual greenhouse effect of rice field

3 討論

3.1 廂作免耕栽培下稻鴨和稻魚共生雙季稻田CH4排放的影響

耕作方式能夠通過影響土壤結構、肥力水平和生化反應強度等直接或間接地對稻田N2O和CH4排放量產生影響[46]。然而有關耕作方式對稻田CH4排放量多少的結論卻并不一致，多數學者認為，少耕或免耕較翻耕可保持相對穩(wěn)定的土壤結構，避免了翻耕對土壤結構的破壞而導致土壤CH4氧化程度的降低，進而降低土壤CH4匯集強度，起到減少稻田CH4排放的作用[47-49]。本研究結果表明，常規(guī)廂作免耕以及養(yǎng)鴨、養(yǎng)魚模式下CH4累積排放量整體均低于常規(guī)平作翻耕、養(yǎng)鴨和養(yǎng)魚模式，主要原因一方面可能是稻田整理成一條條廂面和廂溝后，廂溝淹水，廂面保持干濕交替的狀態(tài)，有利于土壤與大氣的交換，進而使土壤氧化還原電位得到提高，破壞甲烷菌的生存條件，使甲烷的形成和排放得到抑制[50]，另一方面可能是廂作免耕通過鴨、魚的活動，能夠降低土壤容重和緊實度，增加土壤孔隙度，從而改善土壤結構，使得土壤透氣性得到改善，對CH4也起到減排作用。同時鴨和魚在稻田不間斷的活動，能夠擾動土壤和水體，提高土壤氧化還原和生化反應強度，豐富有氧微生物群落，進而加快產生降解CH4菌。陳建[51]和盧廷超等[52]的研究結果也表明，免耕處理稻田CH4排放通量低于常規(guī)耕作處理。

本研究結果表明，晚稻的CH4累積排放量低于早稻，可能是由于早稻前的冬閑期稻田長時間持續(xù)淹水，早稻季生育早期的CH4排放顯著增加，且南方上半年雨水豐沛，水稻在生育后期持續(xù)淹水，使稻田處于有利CH4產生的極端厭氧環(huán)境，而晚稻生育階段降雨整體較早稻減少，稻田土壤通透性增大，抑制了產CH4菌的活性，從而減少了晚稻季CH4排放[53]。

3.2 廂作免耕栽培下稻鴨和稻魚共生雙季稻田N2O排放的影響

本研究結果表明，早晚稻廂作免耕處理N2O排放量整體高于平作翻耕。免耕或少耕較傳統(tǒng)翻耕下N2O排放量高低的結論不一致，有些學者認為，免耕促進土壤N2O排放[54]；其他學者認為，免耕能夠降低土壤N2O的排放量[55]，還有些學者認為，不同耕作方式下N2O排放量差異不明顯[56]。諸多學者得出以上矛盾結果主要與N2O排放量不確定性有很大關系。

廂作免耕和平作翻耕下養(yǎng)鴨、養(yǎng)魚模式N2O排放規(guī)律有所不同，多位學者研究認為稻鴨共作增加了稻田N2O排放，這與本研究中F-RD處理結果相同，WRD處理結果相反。許國春等[28]認為，稻鴨共作的全生育期稻田N2O排放量比常規(guī)稻作高5.88%～12.46%；展茗等[40]研究指出，稻鴨共作稻田N2O排放量比常規(guī)稻作顯著增加了10%。盛鋒[57]研究表明，與常規(guī)稻作處理相比，稻鴨共作處理N2O排放量提高6.1～15.5倍，差異顯著。稻鴨共作增加了稻田N2O排放，一是稻鴨共作稻田水層深度較淺，鴨子的活動攪動土層和水層，增加了土壤與大氣交換的頻率，從而使土壤的氧化還原狀況得到改善，導致增加N2O釋放[58]；二是在稻鴨共作階段，一只鴨子的排泄物約10 kg，相當于純N 47 g、純P 70 g，因此鴨子的排泄物可以為硝化和反硝化作用提供反應底物，能促進N2O的排放[59]。李成芳等[60]研究表明，在水稻全生育期間，稻魚共生的稻田N2O排放量較常規(guī)稻作降低6.9%；袁偉玲等[39]兩年試驗表明，稻魚共生的稻田整個生育期N2O年排放通量相比于常規(guī)稻作減少了8%；Bhattacharyya等[61]研究表明，與常規(guī)稻作相比，稻-鯪魚共作可降低N2O排放量9%。以上學者通過研究認為稻魚共作能使稻田N2O排放量降低，與本研究結果相同。稻魚共作能使稻田N2O排放量降低的原因可能是：與常規(guī)稻作相比，稻田養(yǎng)魚為滿足魚的生存需要較深的水層，魚的活動攪渾了田面水，抑制了水體藻類的光合作用，同時魚的呼吸作用消耗氧氣，降低了溶氧量，使得水層-土壤界面呈還原狀態(tài)，因此減少了N2O的排放。

有研究認為，稻田N2O排放與硝化和反硝化反應有著密切的關系，而以上生化反應又受肥料用量、灌溉用水、土壤溫度、土壤微生物等多種因素的影響[38]，從而致使不同措施下稻田N2O排放并無明顯的規(guī)律；也有學者認為，不同耕作方式下稻田N2O排放量的多少主要表現在長時間尺度上，短期試驗研究所得出的結論并不具有充分的代表性[62]。因此，不同耕作方式耦合養(yǎng)鴨、養(yǎng)魚下稻田N2O的長期定位研究是十分必要的，其潛在溫室效應也不能完全忽略。

3.3 廂作免耕栽培下稻鴨和稻魚共生的稻田溫室效應

不同溫室氣體對氣候系統(tǒng)的潛在效應可用GWP來估計[36]。稻田綜合種養(yǎng)模式中飼養(yǎng)動物的生活習性及其不間斷活動可改變稻田生態(tài)系統(tǒng)的土壤結構、肥力水平、水體環(huán)境、生物多樣性以及C、N等物質循環(huán)，使得稻田CH4和N2O的排放通量發(fā)生改變[63]。因此，廂作免耕下養(yǎng)鴨、養(yǎng)魚的種養(yǎng)系統(tǒng)對溫室效應的影響需從GWP的綜合效應來進行全面評估。有研究認為，稻鴨共生能夠減緩GWP，稻鴨共生系統(tǒng)中CH4排放占GWP的85%以上，較常規(guī)水稻單作顯著降低CH4排放量[64]。本研究結果表明廂作免耕各處理均較平作翻耕的產量提高，與梅佐有[65]的研究結果相同，其增產原因可能是廂作免耕有提高土溫和土壤晝夜溫差、改善田間小氣候和土壤理化性狀等優(yōu)勢，能夠有效控制無效分蘗的產生，促進根系生長，有利于高產群體構建，達到增產效果。本研究結果表明W-RF和F-RF處理的產量顯著高于其他處理，與劉貴斌[66]和谷婕等[67]研究結果相同，增產原因可能是稻魚共生模式為水稻的生長提供了適宜的環(huán)境（溫度、水），保證了水稻的有效穗數，延長了灌漿時間。本研究結果表明，廂作免耕總GWP和總GHGI整體均低于平作翻耕，其中總GWP廂作免耕下W-RF處理最低，平作翻耕為F-RD最低，廂作免耕和平作翻耕的總GHGI均以RF處理最低。廂作免耕養(yǎng)鴨和養(yǎng)魚的早晚季稻田總增溫潛勢和溫室氣體排放強度低于平作翻耕，主要是鴨子和魚在稻田頻繁活動，對植株、土壤和水體起到擾動，利于水稻透風透光，增強土壤通氣性及水體流動，降低土壤和水體表層pH和溫度，提高Eh[68]，鴨子和魚可取食稻田雜草、綠藻、浮游動植物等，增加土壤和水體溶解氧濃度，降低水體發(fā)生富營養(yǎng)化的風險，稻田土壤和水體的生態(tài)環(huán)境得到改善[69]，從而使得厭氧菌的數量和繁殖速率得到控制，并且甲烷氧化菌的活性得到提高[37]。另外廂作免耕開挖的廂溝便于魚和鴨的生長，可實現廂面保持干濕交替的狀態(tài)，提高土壤含氧量和氧化還原電位，有利于抑制產甲烷菌的活性，提高甲烷氧化菌活性，減少稻田CH4的排放量，同時改善土壤硝化和反硝化反應的生化環(huán)境，抑制稻田N2O的排放，從而降低CH4和N2O雙季稻總增溫潛勢和排放強度[5]。然而，由于免耕、稻鴨、稻魚共生均能顯著影響土壤固碳的能力，并且稻田CH4和N2O排放量受到溫度、水分、田間管理措施等因素的影響，因此長期開展廂作免耕下養(yǎng)鴨、養(yǎng)魚的全球增溫潛勢效應和溫室氣體排放強度的研究是十分必要的。

4 結論

（1）早稻和晚稻CH4累積排放量分別在分蘗末期-孕穗期和返青期-分蘗末期達到最高，其中早稻CH4排放量占雙季稻稻田總排放量的61.60%～77.00%，N2O累積排放量均在分蘗末期-孕穗期階段排放最多。

（2）廂作免耕雙季稻稻田總CH4排放的CO2當量整體低于平作翻耕，廂作免耕各處理雙季稻稻田總N2O排放的CO2當量均顯著高于平作翻耕各處理。

（3）雙季稻中廂作免耕養(yǎng)魚模式（W-RF）的雙季稻稻田總全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度均最低，同時早稻和晚稻的產量均最高，因此，廂作免耕養(yǎng)魚模式（W-RF）在保證水稻產量穩(wěn)定的前提下，還可降低全球增溫潛勢和稻田溫室氣體排放強度。