稻麦两熟制农田不同土壤耕作方式对稻季CH4排放的影响

中国农业科学2010,43(16):3357-3366ScientiaAgriculturaSinicadoi:10.3864/j.issn.0578-1752.2010.16.011收稿日期：2010-01-05；接受日期：2010-02-25基金项目：国家科技支撑计划项目（2007BAD89B12，2006BAD02A15，2006BAD15B08）、农业部公益性行业科研专项（200803028）作者简介：张岳芳，副研究员，博士。Tel：[phone]；E-mail：[e-mail]。通信作者郑建初，研究员，博士。Tel：[phone]；E-mail：[e-mail]稻麦两熟制农田不同土壤耕作方式对稻季CH4排放的影响张岳芳，郑建初，陈留根，王子臣，朱普平，盛婧，王亚雷（江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，南京210014）摘要：【目的】研究稻麦两熟制农田不同土壤耕作方式对水稻生长季CH4排放的影响，为长江下游稻麦两熟制农田温室气体减排提供对策。【方法】采用裂区设计，利用静态暗箱-气相色谱法研究麦季土壤耕作方式(免耕、旋耕和翻耕)和稻季土壤耕作方式(旋耕和翻耕)对水稻生长季CH4排放的影响。【结果】稻麦两熟制农田不同土壤耕作方式下水稻生长季CH4排放呈先升高后降低的变化趋势，移栽至有效分蘖临界叶龄期CH4累积排放量占全生育期排放总量的比例为64.73%—86.84%。水稻生长季CH4排放总量麦季免耕极显著高于麦季旋耕和麦季翻耕，平均增加53%和24%；稻季翻耕较稻季旋耕平均增加CH4排放量10%，差异达显著水平。不同土壤耕作处理稻季CH4排放总量为：麦季免耕+稻季翻耕＞麦季免耕+稻季旋耕＞麦季翻耕+稻季翻耕＞麦季翻耕+稻季旋耕＞麦季旋耕+稻季翻耕＞麦季旋耕+稻季旋耕，“单位产量的CH4排放量”表现趋势相同。水稻生长期内CH4排放通量的季节变化和土壤Eh呈极显著负相关，CH4排放总量与0—5cm耕层土壤有机质含量呈极显著正相关。【结论】麦季土壤耕作方式和稻季土壤耕作方式对水稻生长季CH4排放总量有显著或极显著影响，在长江下游稻麦两熟制农田采用周年旋耕措施能有效减少水稻生长季CH4的排放。关键词：稻麦两熟；土壤耕作；CH4排放EffectsofSoilTillageonCH4EmissionDuringPaddySeasoninaRice-WheatDoubleCroppingSystemZHANGYue-fang,ZHENGJian-chu,CHENLiu-gen,WANGZi-chen,ZHUPu-ping,SHENGJing,WANGYa-lei(InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironments,JiangsuAcademyofAgriculturalSciences,Nanjing210014)Abstract:【Objective】CH4emissionduringpaddyseasonunderdifferentsoiltillagesinarice-wheatdoublecroppingsystemwereinvestigatedforprovidingscientificinstructionstodeveloprationalmeasuresofreducinggreenhousegasemissioninthelowerreachesoftheYangtzeRiver.【Method】AsplitplotexperimentwasconductedtostudytheeffectsofsoiltillagebeforewheatsowingandsoiltillagebeforericetransplantingonCH4emissionduringpaddyseasonbyusingthemethodofstaticchamber-gaschromatographictechniques.Soiltillagebeforewheatsowingwasdesignedasnotillagebeforewheatsowing(NTW),rotarytillagebeforewheatsowing(RTW)andplowtillagebeforewheatsowing(PTW).Soiltillagebeforericetransplantingwasdesignedasrotarytillagebeforericetransplanting(RTR)andplowtillagebeforericetransplanting(PTR)foreachsoiltillagebeforewheatsowingjustbeforericetransplanting.【Result】TheseasonalvariationcharacteristicsofCH4emissionunderdifferentsoiltillagesinarice-wheatdoublecroppingsystemweredefined,andrepresentedanincreasingatthebeginninganddeclininglateron.CH4accumulativeemissionsfromtransplantingstagetocriticalstageofproductivetilleringaccountedfor64.73%-86.84%ofthetotalemissionduringpaddyseason.UnderNTW,averageCH4emissionduringpaddyseasonwas53%and24%higherthanunderRTWandPTW,respectively,andtheyweresignificantlydifferent.AverageCH4emissionduringpaddyseasonunderPTRwassignificantlyhigherthanunderRTR.TotalCH4emissionsandtotalCH4emissionsperunitareayieldunderdifferentsoiltillagefollowedthesameorder:NTW+PTR＞NTW+RTR＞PTW+PTR＞PTW+RTR＞RTW+PTR＞RTW+RTR.CorrelationanalysisshowedthatCH4emissionfluxunderdifferentsoiltillageswasnegativelyrelatedtosoilEhduringpaddyseason,andasignificantlypositivecorrelationbetweentotalCH4emissionsandsoilorganicmattercontentat0-5cmsoillayerwasalsofound.【Conclusion】3358中国农业科学43卷TotalCH4emissionsduringpaddyseasonweresignificantlyinfluencedbysoiltillagebeforewheatsowingandsoiltillagebeforericetransplanting.AnnualrotarytillageisoneoftheeffectivemeasurestoreducetotalCH4emissionsduringpaddyseasonfromrice-wheatdoublecroppingsysteminthelowerreachesoftheYangtzeRiver.Keywords:rice-wheatdoublecropping;soiltillage;CH4emission0引言【研究意义】甲烷（CH4）是与全球气候变化关系密切的痕量温室气体，其对温室效应的贡献仅次于二氧化碳（CO2）[1]，2005年大气中CH4浓度为1.774ppm，比1998年增加约0.6%[2]。稻田是大气CH4的重要生物排放源，年排放量约为31—112Tg，占全球总排放量的5%—19%[2]。中国的稻田面积约占世界水稻种植总面积的23%，因此，深入研究中国稻田CH4排放特点及其影响因素，并在此基础上制定相应的减排措施，对缓解全球增温效应意义重大。【前人研究进展】CH4是强厌氧条件下产甲烷菌的活动产物，而稻田CH4排放主要是土壤中CH4的产生、再氧化和排放传输三个过程相互作用的结果[3-4]。近30年来国内外大量的研究表明，气候条件、土壤特性、农业管理措施等因素对稻田土壤CH4排放产生影响[2-7]。由于农业管理措施普遍认为是短期内昀易被大范围直接推广利用的CH4减排技术，因此，关于稻田CH4减排的研究多集中于水分管理模式[8-12]、肥料施用种类[5,9,13-14]、秸秆还田方式[15-16]、水稻品种[8,17]及种植方式[18-19]等，而有关土壤耕作方式对稻田CH4排放影响的报道相对较少[15,18,20]。土壤耕作是农作物生产中昀常用的农业管理措施之一，通过机械方法改善耕层土壤的物理状况（土壤容重、土壤孔隙度和土壤团聚体等）[21-23]，进而改善土壤化学和生物状况（土壤有机质、氮、磷、钾含量及其分布，土壤中动物、微生物的组成、数量和生物量及土壤酶活性等）[21-22,24-27]，充分发挥土壤肥力对作物生长的有利作用。因此，不同的土壤耕作方式可能会对土壤中CH4的产生、再氧化和排放传输过程产生影响。【本研究切入点】水稻-小麦轮作是水旱轮作的重要模式，以往有关水旱轮作模式稻田土壤耕作方式对稻季CH4排放的影响主要是研究稻季（种稻前）土壤耕作方式[18-19]，缺乏对周年（水旱两季）土壤耕作方式下稻季CH4排放的系统研究。【拟解决的关键问题】本文拟通过大田试验研究周年土壤耕作方式对水稻生长季CH4排放的影响及其温室效应，为长江下游稻麦两熟制农田温室气体减排提供对策。1材料与方法1.1试验区概况大田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°32′N，120°41′E）进行。该区位于阳澄湖低洼湖荡平原，海拔高度1.4m，属亚热带湿润性季风气候，年均降水量1042mm，平均温度15.5℃，≥10℃的有效积温4933.7℃，总日照时间2130h，太阳辐射总量490kJ·cm-2，年均无霜期242d，该区主要实行水稻-冬小麦两熟制度。试验开始于2007年11月，2008年稻季（6月—11月）进行甲烷气体排放的观测。试验稻田土壤类型属乌栅土，试验前0—20cm土壤理化性状：土壤容重1.2g·cm-3，有机质33.0g·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。1.2试验设计二因素裂区试验，以麦季土壤耕作方式为主区，设免耕（水稻收获前2d套种小麦）、旋耕（旋耕机旋地1遍，耕深10—12cm）、翻耕（铧式犁翻地1遍后旋耕机旋地1遍，耕深18—20cm）3种方式，以稻季土壤耕作方式为裂区，设旋耕和翻耕2种方式，组成6个处理：麦季免耕+稻季旋耕（T1）、麦季免耕+稻季翻耕（T2）、麦季旋耕+稻季旋耕（T3）、麦季旋耕+稻季翻耕（T4）、麦季翻耕+稻季旋耕（T5）、麦季翻耕+稻季翻耕（T6），稻麦秸秆不还田，小区面积60m2，重复3次，共18个小区。麦季供试小麦品种为扬麦16号，播种量150kg·hm-2，各处理的施肥量和施肥方法相同，氮肥、磷肥和钾肥用量分别为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%。小麦于2008年6月3日收获，麦季免耕、麦季旋耕和麦季翻耕处理的小麦产量分别为5237.0、5293.5