吳夢(mèng)琴, 李成芳,2, 盛 鋒, 馮珺珩, 胡權(quán)義, 陳淯琨, 周浩之, 劉天奇,2**

(1.農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 武漢 430070; 2.長(zhǎng)江大學(xué)/長(zhǎng)江大學(xué)主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 荊州 434023; 3.省部共建生物催化與酶工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/湖北大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)碳減排碳交易研究中心 武漢 430062)

近幾年, 全球變暖日益顯著, 災(zāi)害性天氣頻發(fā), 減少溫室氣體排放越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。CH4和N2O是除CO2外導(dǎo)致全球變暖最主要的溫室氣體。在百年尺度上, CH4和N2O的全球增溫潛勢(shì)分別是CO2的30倍和268倍[1]。農(nóng)業(yè)排放的CH4和N2O分別占全球人為排放CH4和N2O總量的50%和43%以上[2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 溫室氣體的主要排放源之一便是水稻(Oryza sativa)生產(chǎn)[3]。中國(guó)種植水稻的面積占世界種植面積的18.7%[4]。水稻在湖北省糧食作物中占重要地位, 其播種面積和產(chǎn)量分別為236.807萬(wàn)hm2和1927.16萬(wàn)t, 占全省糧食總播種面積和總產(chǎn)量的49.6%和68.9%[5]。湖北主要的水旱輪作模式有水稻-小麥(Triticum aestivum)、水稻-油菜(Brassica campestris)、水稻-綠肥和水稻-休耕模式。鄂西北地區(qū)水稻-小麥(rice-wheat, RW)模式和再生稻(riceratoon rice, RO)模式的種植面積占水稻種植面積的84.6%和15.4%; 其主要稻米生產(chǎn)區(qū)是襄陽(yáng), RW模式是襄陽(yáng)的主要稻作模式。鄂東南地區(qū)RO模式和水稻-油菜(rice-oilseed rape, RR)模式占水稻種植面積的75.4%和34.6%, 其主要稻米生產(chǎn)區(qū)是黃岡, RO模式是黃岡的主要稻作模式。江漢平原RW模式、RO模式和RR模式分別占水稻種植面積的50.1%、40.3%和9.6%[5], 江漢平原的潛江地區(qū)3種稻作系統(tǒng)均有種植, 且3種稻作系統(tǒng)的種植面積比較接近, 潛江的稻田生產(chǎn)模式對(duì)于江漢平原稻作管理具有一定代表性。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)管理方式為獲得高產(chǎn)投入高水肥, 其中大水淹灌以及漫灌等不當(dāng)水分管理方式導(dǎo)致CH4釋放增加[6], 肥料大量投入和氮肥利用率低下造成N2O大量排放[7], 因此研究合理的施肥方式及其配套栽培措施以減少稻田的溫室氣體排放十分有必要。前人的研究主要集中在單一的農(nóng)田管理措施、作物類(lèi)型和不同耕作制度對(duì)稻田溫室氣體的影響[8-10]。周文濤等[11]研究表明由于種植的作物不同, 因作物肥水利用不同和栽培措施差異, 會(huì)綜合影響土壤CH4和N2O的產(chǎn)生和排放。鄒鳳亮等[12]研究表明, 水稻-小麥和水稻-油菜輪作CH4排放量顯著高于水稻-冬閑模式, 而N2O的排放量表現(xiàn)為水稻-油菜輪作低于水稻-小麥輪作和水稻-冬閑模式。前人研究表明節(jié)水灌溉可以減少稻田CH4排放, 但會(huì)導(dǎo)致N2O大量釋放[13-14]。劉天奇[15]、Fan等[16]研究發(fā)現(xiàn)氮肥深施能有效減少稻田CH4和N2O的排放量。胡發(fā)龍[17]通過(guò)研究氮肥后移對(duì)玉米(Zea mays)溫室氣體的減排影響, 發(fā)現(xiàn)氮肥后移可以減少N2O。針對(duì)集成技術(shù)模式對(duì)稻作系統(tǒng)溫室氣體排放的影響鮮有報(bào)道, 因此通過(guò)綜合優(yōu)化調(diào)控施肥、灌溉和秸稈還田等管理措施相對(duì)優(yōu)化單一管理技術(shù)更加降低稻田溫室氣體排放還未可知。本研究基于DNDC模型, 探究了不同稻作系統(tǒng)下的優(yōu)化管理栽培模式和農(nóng)民常規(guī)栽培模式對(duì)溫室氣體排放的影響。

模型模擬可以比較全面地描述和預(yù)測(cè)溫室氣體的排放狀況, 但應(yīng)用前需進(jìn)行田間驗(yàn)證。Denitrification-Decomposition model (DNDC模型)是國(guó)際生態(tài)學(xué)界公認(rèn)的模擬CO2、CH4和N2O排放最成功的生物地球化學(xué)模型之一[18]。由于DNDC模型采用的參數(shù)主要是來(lái)自于北美的觀測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)于世界各個(gè)地區(qū)的適應(yīng)性受限, 因此我國(guó)研究者對(duì)此模型加以改進(jìn), 使DNDC模型更適于估算我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)下的溫室氣體排放情況。DNDC模型進(jìn)一步結(jié)合遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(ArcGIS)等技術(shù), 可以更為精確地模擬區(qū)域性溫室氣體排放[19-20]。DNDC模型對(duì)稻田溫室氣體排放具有較好的模擬效果, 并且得到了廣泛的驗(yàn)證[21-22], 其已經(jīng)成為研究中國(guó)稻田溫室氣體排放的重要方法。目前, DNDC模型的研究對(duì)象多是單個(gè)區(qū)域, 缺少對(duì)湖北省地區(qū)區(qū)域尺度上的研究, 也沒(méi)有關(guān)于DNDC模型模擬不同稻作系統(tǒng)下不同管理措施對(duì)稻田溫室氣體排放的影響研究。

本研究借助DNDC模型測(cè)算湖北省區(qū)域尺度溫室氣體排放, 評(píng)估湖北省3種主要稻作系統(tǒng)下優(yōu)化管理對(duì)溫室氣體排放的影響, 研究結(jié)果對(duì)于研究區(qū)域溫室氣體排放具有重要意義, 也可為優(yōu)化稻作系統(tǒng)和減少溫室氣體排放提供一些理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究于2019年在湖北省三大稻作區(qū)——鄂西北、鄂東南和江漢平原的核心區(qū)棗陽(yáng)市、武穴市和潛江市設(shè)置大田試驗(yàn)。各試驗(yàn)點(diǎn)的土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 湖北省不同稻作區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)土壤肥力狀況Table 1 Soil fertility status of the experimental sites in different rice planting regions in Hubei Province

鄂西北稻作區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)位于襄陽(yáng)棗陽(yáng)市吳店鎮(zhèn)肖灣村(31°84N, 112°88E), 氣候?qū)儆诘湫偷膩啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候, 年降雨量為500～1000 mm, 年均日照時(shí)數(shù)約為2100 h, 年均溫15.5 ℃, 全年無(wú)霜期232 d。土壤以砂質(zhì)壤土為主。設(shè)置水稻-小麥(RW)與水稻-再生稻(RO)稻作系統(tǒng), 2個(gè)稻作系統(tǒng)均設(shè)常規(guī)栽培管理模式和優(yōu)化栽培管理模式, 每個(gè)模式的田塊面積均為40 m×60 m, 進(jìn)行3次重復(fù), 水稻品種是‘黃華占’, 小麥品種是‘鄭麥9023’。

鄂東南稻作區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)位于黃岡武穴市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范中心的試驗(yàn)基地(30°01N, 115°74E), 氣候濕潤(rùn),屬于典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候, 擁有豐富的水熱資源。降雨主要集中4?8月, 年平均降雨量(1387±305) mm, 年平均氣溫為(17.7±0.5) ℃, 年均日照時(shí)數(shù)1900 h, 無(wú)霜期為260 d。土壤主要為潴育型水稻土, 土壤質(zhì)地是砂質(zhì)壤土。設(shè)置RO和水稻-油菜(RR)稻作系統(tǒng)。每個(gè)稻作系統(tǒng)均設(shè)常規(guī)栽培管理模式和優(yōu)化栽培管理模式, 每個(gè)模式的田塊面積均為40 m×60 m, 進(jìn)行3次重復(fù), 水稻品種同上, 油菜品種是‘華油雜7號(hào)’。

江漢平原稻作區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)位于潛江市沙洋廣華農(nóng)工貿(mào)有限公司二分場(chǎng)(112°43E, 30°23N), 氣候?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候, 年均氣溫為16.1 ℃, 年均降雨量為1100 mm, 年均日照時(shí)數(shù)為1945～1988 h,全年無(wú)霜期為249 d。土壤主要為潮土性水稻土, 是河流沖積物發(fā)育。設(shè)置RW、RO和RR稻作系統(tǒng)。每個(gè)稻作系統(tǒng)均設(shè)常規(guī)栽培管理模式和優(yōu)化栽培管理模式, 每個(gè)模式的田塊面積均為40 m×60 m, 進(jìn)行3次重復(fù), 水稻、小麥和油菜品種同上。

對(duì)于水稻-小麥系統(tǒng): 1)常規(guī)模式。水稻季的肥料施用總量為180 kg(N)?hm?2、90 kg(P2O5)?hm?2和180 kg(K2O)?hm?2, 氮肥使用含46%氮的尿素, 磷肥使用含12% P2O5的過(guò)磷酸鈣, 鉀肥使用含60% K2O的氯化鉀。大田試驗(yàn)中磷肥和鉀肥全部作為基肥, 采用一次性撒施, 氮肥按5∶2∶1.2∶1.8的比例在苗期、分蘗期、拔節(jié)期與齊穗期施用。稻田水分管理采用濕潤(rùn)灌溉, 每3～5 d進(jìn)行1次灌水。立苗期田間有1～2 cm的淺水層; 分蘗期采取間歇灌溉。水稻在每年6月拋秧, 拋秧密度是20萬(wàn)穴?hm?2, 10月收獲。小麥在每年10月中下旬進(jìn)行直播, 采用150 kg?hm?2的播種量。麥季的總施肥量為180 kg(N)?hm?2、90 kg(P2O5)?hm?2和180 kg(K2O)?hm?2。磷肥和鉀肥全部作為基肥一次性施用; 而氮肥則按5∶3∶2的比例在苗期、拔節(jié)期與齊穗期施用。采用除草劑和手工去除田間雜草。2)優(yōu)化模式。相比于常規(guī)模式, 采用秸稈粉碎覆蓋還田和肥料深施等措施進(jìn)行田間優(yōu)化管理。水稻和小麥秸稈在聯(lián)合收割機(jī)收割時(shí)同步粉碎, 并均勻覆蓋在土壤表面。氮基肥深施, 使用半自動(dòng)施肥器, 在大田水層落干后土壤含水量下降到25%～35%, 拋秧前的2～3 d開(kāi)始氮肥深施, 穴施點(diǎn)間距控制在20～30 cm, 施肥深度為8～10 cm。

對(duì)于水稻-再生稻系統(tǒng): 1)常規(guī)模式。肥料施用總量為180 kg(N)?hm?2、90 kg(P2O5)?hm?2和180 kg(K2O)?hm?2, 頭季稻的氮肥使用按照基肥∶分蘗肥為6∶4的比例, 磷、鉀肥作為基肥一次性施用。再生稻季氮肥的使用量為120 kg(N)?hm?2, 氮肥在頭季稻齊穗15 d后及頭季稻收割留樁7 d后施催芽肥和促苗肥, 施肥比例為7.5∶2.5。頭季稻留樁收割7 d后, 再生季的促苗肥配合灌溉一次性施用, 采用人工撒施的施肥方式。使用收割機(jī)對(duì)頭季稻以及再生季稻進(jìn)行收割, 在頭季稻收割時(shí)保留20 cm的稻樁, 將兩季收獲的水稻秸稈在稻樁的行間均勻覆蓋。收獲再生稻后, 稻田進(jìn)入冬閑期。分蘗盛期與收獲前2周進(jìn)行排水曬干, 頭季和再生季其他時(shí)期稻田均保持3～5 cm的水層。2)優(yōu)化模式: 與常規(guī)模式比較,對(duì)氮肥運(yùn)籌、田間水分管理以及秸稈管理等方面進(jìn)行優(yōu)化。頭季稻采用與常規(guī)管理模式相同的施肥方式; 再生季的促苗肥深施, 具體施肥操作見(jiàn)水稻-小麥模式優(yōu)化管理。成熟的頭季稻使用再生稻專(zhuān)用收割機(jī)[23]收割, 并且在收割時(shí)保留35 cm稻樁, 水稻秸稈采用粉碎覆蓋的方式還田。移植水稻4～6 d后, 在田間每隔10 m的位置用開(kāi)溝機(jī)開(kāi)一條排水溝, 溝的深度為15～20 cm, 寬度為20～25 cm; 頭季稻采用間歇灌溉進(jìn)行田間水分管理, 即從播種到3葉1心期, 田間保持溝中滿(mǎn)水, 并且?guī)嫠畬泳S持在1～2 cm。3葉1心期后, 再進(jìn)行1次灌水直至廂溝滿(mǎn)水, 廂溝中沒(méi)水而廂面濕潤(rùn)時(shí)再次灌水至廂溝滿(mǎn)水, 反復(fù)交替。水稻收獲前約15～20 d灌水停止。再生稻季田間保持3～5 cm水層。采用撒播的方式在收割再生稻前7 d套種油菜, 15 kg?hm?2的播種量, 翌年4月油菜就地進(jìn)行粉碎, 作綠肥還田。

對(duì)于水稻-油菜系統(tǒng): 1)常規(guī)模式: 稻季管理同水稻-小麥常規(guī)模式。油菜季肥料施用總量為180 kg(N)?hm?2、90 kg(P2O5)?hm?2和180 kg(K2O)?hm?2。磷、鉀肥全部作為基肥一次性施用; 氮肥按照5∶3∶2的比例在苗期、蕾薹期和初花期施用。油菜在每年10月中下旬直播, 采用6 kg?hm?2的播種量,翌年5月收獲。2)優(yōu)化模式: 相比常規(guī)模式, 將氮肥施用比例和水分管理等措施進(jìn)行優(yōu)化, 其中氮肥后移技術(shù)為稻季調(diào)整氮肥施用比例為4∶2∶2∶2 (苗期∶分蘗期∶拔節(jié)期∶齊穗期)。水分管理為從播種到3葉1心期, 田間保持溝中滿(mǎn)水, 而廂面維持有1～2 cm水層。3葉1心期后, 再進(jìn)行1次灌水直至廂溝滿(mǎn)水, 廂溝中沒(méi)水而廂面濕潤(rùn)時(shí)再次灌水至廂溝滿(mǎn)水, 進(jìn)行反復(fù)交替。水稻收獲前約15～20 d灌水停止。

1.2 樣品采集和測(cè)定

CH4和N2O排放通量的測(cè)定采取靜態(tài)暗箱-氣象色譜法。在稻季水稻移栽后每7 d收集1次CH4和N2O, 非稻季移栽后每10 d收集1次CH4和N2O。在收集氣體時(shí), 使用20 mL注射器在0 min、10 min、20 min和30 min將采樣箱內(nèi)的氣體抽進(jìn)真空瓶中,并記錄對(duì)應(yīng)時(shí)間箱子內(nèi)部的溫度。采集的氣體通過(guò)Shimadzu GC-14B型氣象色譜儀進(jìn)行測(cè)定。CH4和N2O通量按照如下公式計(jì)算：

式中：F指CH4或N2O的排放通量(mg?m?2?h?1),ρ指CH4或N2O標(biāo)準(zhǔn)條件下的密度(mg?m?3),h指采樣箱的有效高度(m),dc/dt指CH4或N2O的濃度變化率,T指在采樣時(shí)采樣箱內(nèi)部的平均溫度(℃)。

CH4和N2O的累積排放量計(jì)算公式為:

式中：CE指CH4或N2O累積排放量(kg?hm?2),Fi和Fi+1是指相鄰的兩個(gè)采樣時(shí)期的氣體排放通量(mg?m?2?h?1),d是相鄰兩個(gè)采樣時(shí)期間隔的天數(shù)。

CH4和N2O的增溫潛勢(shì)在100年時(shí)間尺度內(nèi)是CO2的30倍和268倍, 全球增溫潛勢(shì)GWP [t(CO2eq)?hm?2]按照如下計(jì)算公式:

式中: CH4和N2O分別代表CH4和N2O的排放總量(kg?hm?2)。

在試驗(yàn)地翻耕播種水稻、油菜以及小麥之前,采集試驗(yàn)地土壤樣品, 測(cè)量土壤有機(jī)質(zhì)和黏粒含量、pH以及容重等指標(biāo)。在作物成熟期, 采用五點(diǎn)取樣法在每小區(qū)選取大田穗數(shù)相似的植株, 去除根部, 將莖、葉、穗分開(kāi), 分別在105 ℃殺青30 min, 在80 ℃烘干至恒重, 測(cè)定植株地上部分干物質(zhì)重。當(dāng)水稻、小麥和油菜成熟后, 在各小區(qū)選取生長(zhǎng)均勻的5 m2樣方植株, 經(jīng)晾曬、烘干和脫粒后, 測(cè)量籽粒含水率, 計(jì)算產(chǎn)量。DNDC模型所需要的最高生物產(chǎn)量[kg(C)?hm?2]為作物產(chǎn)量除以0.4[24]。

1.3 DNDC模型驗(yàn)證

根據(jù)Gjettermann等[25]提出的歸一化均方根誤差(NRMSE), 當(dāng)NRMSE<25%時(shí)說(shuō)明該模型的擬合效果比較好, NRMSE=25%～30%是可以接受的。所以本文將NRMSE作為定量化判斷模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)值間一致性的主要依據(jù)。采用均方根誤差(RMSE)和平均相對(duì)誤差(MRE)來(lái)評(píng)估二者之間的吻合度。上述指標(biāo)根據(jù)以下公式計(jì)算:

式中:pi指第i個(gè)模擬值,oi指第i個(gè)實(shí)測(cè)值,om指實(shí)測(cè)值的平均值,pm指模擬值的平均值,n指觀測(cè)值個(gè)數(shù)。

1.4 DNDC模型區(qū)域數(shù)據(jù)的收集

DNDC模型利用核心試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證達(dá)到模擬準(zhǔn)確度要求后, 利用DNDC模型通過(guò)模擬測(cè)算獲取2019年鄂西北、鄂東南和江漢平原區(qū)域溫室氣體排放數(shù)據(jù)。從湖北省氣象局中獲取DNDC模型需要的氣象數(shù)據(jù), 其中包括湖北省1987?2019年各氣象站點(diǎn)每天的統(tǒng)計(jì)資料。使用FORTRAN將DNDC模型模擬所需的日最高溫度、日最低溫度和日降水量處理成DNDC模型要求的數(shù)據(jù)格式, 并構(gòu)建一個(gè)氣象數(shù)據(jù)庫(kù), 通過(guò)地理位置進(jìn)行就近分配。

1.5 土壤數(shù)據(jù)

從全球土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWAD, http://westdc.westgis.ac.cn)獲取所需的土壤數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)分辨率為0.0083×0.0083, 約為1 km×1 km。在試驗(yàn)中, 使用ArcGIS提取湖北省各地土壤0～30 cm耕作層中有機(jī)質(zhì)、黏粒含量、pH以及容重等數(shù)據(jù), 以構(gòu)建DNDC模型土壤數(shù)據(jù)庫(kù)。市域土壤數(shù)據(jù)庫(kù)的單位格點(diǎn)屬性是此市域行政區(qū)劃內(nèi)的土壤數(shù)據(jù)平均值。每個(gè)水稻格點(diǎn)的土壤屬性均取自ArcGIS提取的網(wǎng)格土壤數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.6 作物數(shù)據(jù)

湖北省各市域的作物數(shù)據(jù)從2019年《湖北省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》中獲取, 構(gòu)建以湖北省各市為單位的DNDC作物數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田CH4和N2O排放的周年變化

在棗陽(yáng)和潛江試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明, RW常規(guī)模式CH4排放通量周年變化范圍為6.0～38.6 mg?m?2?h?1,RW優(yōu)化模式的變化范圍為5.0～33.8 mg?m?2?h?1。對(duì)于棗陽(yáng)、黃岡和潛江試驗(yàn)點(diǎn), RO常規(guī)模式CH4周年排放通量范圍為7.8～42.4 mg?m?2?h?1, RO優(yōu)化模式的變化范圍為6.3～40.2 mg?m?2?h?1。對(duì)于黃岡和潛江試驗(yàn)點(diǎn), RR常規(guī)模式的CH4周年排放范圍為6.2～32.5 mg?m?2?h?1; RR常規(guī)模式變化范圍為4.1～28.3 mg?m?2?h?1。

對(duì)于N2O排放通量, RW常規(guī)模式在棗陽(yáng)和潛江試驗(yàn)點(diǎn)的周年變化范圍為51.2～455.3 μg?m?2?h?1, RW優(yōu)化模式的變化范圍為50.4～386.6 μg?m?2?h?1。對(duì)于棗陽(yáng)、黃岡和潛江試驗(yàn)點(diǎn), RO常規(guī)模式N2O周年排放通量為55.0～495.2 μg?m?2?h?1, RO優(yōu)化模式的變化范圍為48.3～444.3 μg?m?2?h?1。在黃岡和潛江試驗(yàn)點(diǎn), RR常規(guī)模式N2O周年排放通量為61.6～489.4 μg?m?2?h?1,RR優(yōu)化模式的變化范圍為51.7～398.9 μg?m?2?h?1(原始數(shù)據(jù)掃文章首頁(yè)OSID碼獲取)。

2.2 DNDC模型的驗(yàn)證

由表2和表3可知, 稻作管理模式下DNDC模型對(duì)RW、RO和RR模式的稻田溫室氣體排放模擬結(jié)果表明: DNDC模型對(duì)RW常規(guī)模式、RO常規(guī)模式和RR常規(guī)模式的CH4和N2O排放模擬的NRMSE值范圍為19.4%～24.4%, DNDC模型對(duì)RW優(yōu)化模式、RO優(yōu)化模式和RR優(yōu)化模式的CH4和N2O排放模擬的NRMSE值范圍為19.1%～23.2%, 均小于25.0%。這一驗(yàn)證結(jié)果可以說(shuō)明: DNDC模型對(duì)湖北省不同稻作系統(tǒng)下稻田溫室氣體CH4和N2O的排放具有良好的模擬效果。

表2 湖北省不同稻作區(qū)不同稻作管理模式CH4和N2O排放通量的DNDC模型擬合度(NRMSE)檢測(cè)Table 2 Fit check of CH4 and N2O fluxes under different rice cultivation modes based on DNDC model fit test(NRMSE) in different rice planting regions of Hubei Province %

表3 2019年湖北省不同稻作區(qū)不同管理模式下不同稻作系統(tǒng)周年CH4和N2O排放總量Table 3 Annual CH4 and N2O emissions of different rice-based cropping systems under different cultivation modes in different rice planting regions in Hubei Province in 2019

2.3 不同稻作區(qū)不同稻作系統(tǒng)下的稻田CH4、N2O周年排放量和增溫潛勢(shì)

如表3和表4結(jié)果所示, 湖北省不同稻作系統(tǒng)的CH4和N2O年平均單位面積排放量的趨勢(shì)總體呈現(xiàn)RW>RO>RR。不同稻作系統(tǒng)的GWP總體呈現(xiàn)RW>RO>RR的趨勢(shì)。RW、RO和RR稻作系統(tǒng)的CH4、N2O排放通量和GWP均表現(xiàn)為江漢平原>鄂東南>鄂西北。不同地區(qū)CH4和N2O的GWP順序,RW優(yōu)化模式為隨州>孝感>襄陽(yáng)>荊州>荊門(mén)>神農(nóng)架>天門(mén)>仙桃>潛江>十堰, RO優(yōu)化模式為黃岡>咸寧>隨州>黃石>鄂州>荊門(mén)>孝感>荊州>天門(mén)>襄陽(yáng)>仙桃>十堰>潛江>神農(nóng)架>武漢, RR優(yōu)化模式為孝感>荊門(mén)>鄂州>仙桃>天門(mén)>荊州>咸寧>黃岡>潛江>武漢>黃石。

表4 2019年湖北省不同稻作區(qū)不同管理模式下不同稻作系統(tǒng)周年增溫潛勢(shì)Table 4 Annual global warming potential of different rice-based cropping systems under different management modes in different rice planting regions in Hubei Province in 2019 t (CO2 eq)?hm?2

從表3和表4可以看出, 湖北省不同稻作系統(tǒng)下優(yōu)化模式與常規(guī)模式相比顯著降低單位面積CH4排放量、單位面積N2O排放量和GWP。RW優(yōu)化模式比常規(guī)模式減少9.5%～18.0%的單位面積CH4排放量、4.2%～14.2%的單位面積N2O排放量和10.2%～16.0%的GWP。與RO常規(guī)模式相比, RO優(yōu)化模式減少單位面積CH4排放量、單位面積N2O排放量和GWP分別為7.3%～18.4%、6.9%～24.7%和10.0%～16.0%。與RR常規(guī)模式相比, RR優(yōu)化模式能減少18.2%～22.4%、8.8%～18.1%和11.9%～18.9%單位面積CH4排放量、單位面積N2O排放量和GWP。

2.4 不同稻作區(qū)不同稻作系統(tǒng)稻田溫室氣體周年排放量

由表5可知, 湖北省不同稻作區(qū)3種稻作系統(tǒng)下優(yōu)化模式與常規(guī)模式相比明顯降低了CH4和N2O年平均排放量。不同稻作區(qū)RW常規(guī)模式和優(yōu)化模式的CH4和N2O年平均排放量為江漢平原>鄂西北。不同稻作區(qū)RO常規(guī)模式和優(yōu)化模式的CH4和N2O年平均排放量為江漢平原>鄂西北>鄂東南。不同稻作區(qū)RR常規(guī)模式和優(yōu)化模式的CH4和N2O年平均排放量為江漢平原>鄂東南, RR模式在鄂西北的種植面積很少, 忽略不計(jì)。

表5 2019年湖北省不同稻作區(qū)不同管理模式下不同稻作系統(tǒng)溫室氣體周年排放總量Table 5 Cumulative greenhouse gas emissions from different rice-based cropping systems under different cultivation modes in different rice planting regions in Hubei Province in 2019

RW優(yōu)化模式和常規(guī)模式下各個(gè)地區(qū)CH4年平均排放量的具體表現(xiàn)為襄陽(yáng)最大, 神農(nóng)架最小, 其他地區(qū)排放值范圍為10 000～66 000 t(C), 大小順序?yàn)?荊州>荊門(mén)>孝感>隨州>天門(mén)>十堰>潛江>仙桃。RW優(yōu)化模式和常規(guī)模式的N2O年平均排放值范圍均為2～3500 t(N), 與常規(guī)模式相比, 優(yōu)化模式減少了N2O排放, 各個(gè)地區(qū)按大小排序?yàn)? 襄陽(yáng)>荊州>荊門(mén)>孝感>隨州>天門(mén)>十堰>黃岡>潛江>仙桃>武漢>黃石>鄂州>咸寧>神農(nóng)架。RO優(yōu)化模式相比常規(guī)模式, 降低了CH4和N2O的排放值, 兩種模式下CH4的年平均排放量最大的是荊州, 最小的是神農(nóng)架, 其他地區(qū)CH4排放范圍為4000～64 000 t(C)。兩種模式下荊州的N2O排放量最大, 神農(nóng)架的最小, 其他各個(gè)地區(qū)N2O排放值范圍為50～290 t(N)。與RR常規(guī)模式比, RR優(yōu)化模式減少了15.4%～26.2%的CH4年均排放量和58.8%～83.2%的N2O年均排放量,兩種模式下各個(gè)地區(qū)的CH4和N2O排放順序均為:黃岡>荊州>荊門(mén)>咸寧>孝感>武漢>仙桃>天門(mén)>鄂州>黃石>潛江。

2.5 不同稻作區(qū)稻田CH4和N2O排放總量

2019年常規(guī)模式下湖北省稻田CH4年均排放總量為724 186 t(C), 優(yōu)化模式與常規(guī)模式相比減少了107 665 t(C)的CH4年排放量。其中江漢平原降低CH4排放量最大, 為68 268 t(C), 減少幅度最小的是鄂東南, 為17 803 t(C) (圖1a)。如圖1b所示, 常規(guī)模式下鄂西北、鄂東南和江漢平原的N2O年均排放量分別為4058 t(C)、844 t(C)和6770 t(C)。與常規(guī)模式相比, 優(yōu)化模式下鄂西北、鄂東南和江漢平原的N2O年均排放量分別減少3342 t(C)、654 t(C)和5622 t(C)。

圖1 湖北省不同稻作區(qū)常規(guī)模式與優(yōu)化模式下稻田CH4 (a)和N2O (b)周年排放總量Fig.1 Total cumulative CH4 (a) and N2O (b) emissions from different rice-based cropping systems under different cultivation modes in Hubei Province in 2019

3 討論

3.1 不同稻作系統(tǒng)對(duì)溫室氣體排放的影響

本研究表明, 3種稻作系統(tǒng)中CH4和N2O的排放存在顯著差異。在同一稻作區(qū)常規(guī)和優(yōu)化模式下CH4和N2O的排放均表現(xiàn)為RW>RO>RR(表3)。RW的CH4和N2O排放高于RR, 與鄒鳳亮等[12]和張?jiān)婪嫉萚26]研究一致。有研究表明作物自身的植物組織可以作為傳輸途徑, 將土壤中產(chǎn)生的CH4和N2O釋放到大氣中[27-28], 孫圓圓等[29]研究表明RW和RR模式稻季的根呼吸量相似, 但是油菜季的根呼吸量比小麥季的根呼吸量小, 根系呼吸是組成土壤呼吸的重要部分, 土壤呼吸與根系生物量之間表現(xiàn)顯著正相關(guān)性[30], 作物根系會(huì)影響稻田土壤微環(huán)境進(jìn)而影響土壤的生物化學(xué)過(guò)程, 成為驅(qū)動(dòng)稻田土壤CH4和N2O排放的重要因子[31], 這可能導(dǎo)致兩種模式下CH4和N2O排放差異。RR模式CH4和N2O排放低于RW和RO兩種模式, 可能是因?yàn)橛筒说母凳侵备?可以改善土壤結(jié)構(gòu), 進(jìn)而改變土壤的有機(jī)碳和有機(jī)氮含量, 影響土壤微生物的組成、數(shù)量和活性[32-33],導(dǎo)致RR模式可以減少CH4和N2O排放。RW模式的CH4排放高于RO模式, 由于RO模式頭季稻和RW模式稻季水肥管理等田間管理一致, 二者的CH4排放相似, 因此二者差異主要來(lái)源于再生稻和小麥季。雖然旱地的CH4排放低于稻田, 但是由于再生稻在水稻頭季完成了基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng), 相比RW模式小麥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)間大大縮短, 因此RO模式的生育周期比RW模式短, 從而導(dǎo)致RO的CH4累積排放量比RW小。RO模式的N2O排放低于RW, 這可能是由于RW模式和RO模式水稻季氮肥施用量相同, 小麥季氮肥施用量高于再生稻季, N2O的排放量隨著氮肥的增加而增加[34]。

3.2 不同管理模式對(duì)稻田溫室氣體排放的影響

在本研究中, RW模式, 與常規(guī)模式相比, 其優(yōu)化模式顯著降低了稻田年均CH4和N2O排放總量(表3)。稻田CH4累積排放量的下降可能是由于優(yōu)化模式中秸稈粉碎覆蓋還田方式對(duì)CH4生成產(chǎn)生影響。這與李成芳等[35]研究結(jié)果一致, 但與Naser等[36]認(rèn)為秸稈還田提高CH4排放相反, 可能是因?yàn)榻斩捀采w還田, 土壤透氣性較好, 有利于好氧生物繁殖,不利于產(chǎn)甲烷菌通過(guò)還原過(guò)程生成CH4, 并促進(jìn)CH4的氧化, 最終導(dǎo)致CH4排放減少。也有研究[37]表明秸稈覆蓋相比秸稈翻施, 秸稈在土壤表面富集, 會(huì)降低土壤內(nèi)部產(chǎn)CH4基質(zhì)的供應(yīng)能力, 減少了CH4的產(chǎn)生。還可能因?yàn)榻斩捴桓采w在土壤表面, 沒(méi)有擾動(dòng)土壤, 使土壤中郁閉的氣體難以釋放, 從而減少了CH4和N2O的排放[38]。優(yōu)化模式中氮肥深施技術(shù)也會(huì)對(duì)CH4和N2O排放產(chǎn)生影響, 氮肥深施增加深層土壤中銨態(tài)氮濃度, 刺激甲烷氧化菌引起CH4氧化,減少土壤CH4的排放[39]。另外, 氮肥深施增強(qiáng)了土壤還原性, 導(dǎo)致反硝化產(chǎn)物N2增多, 從而減少了N2O的排放[40]。還有可能是氮肥深施還會(huì)增加土壤的速效氮含量, 土壤速效氮含量的增加可以促進(jìn)反硝化作用功能微生物的群落代謝作用, 促進(jìn)nosZ型反硝化細(xì)菌對(duì)N2O的還原[15], 從而降低稻田N2O的排放。

在RO稻作系統(tǒng)下, 優(yōu)化模式與常規(guī)模式相比,顯著降低了CH4年均排放總量(表3)。這可能是因?yàn)榻斩掃€田和間歇灌溉對(duì)CH4的影響。影響土壤CH4排放的最重要因素之一就是土壤質(zhì)地[41], 秸稈覆蓋可以降低土壤容重, 有助于空氣中的O2和CH4向土壤中擴(kuò)散, 進(jìn)而增強(qiáng)了CH4氧化菌群活動(dòng)[40], 抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。有研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量與CH4排放量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系[42], 而間歇灌溉會(huì)降低土壤含水量, 從而減少CH4的排放。優(yōu)化模式與常規(guī)模式相比顯著減少N2O排放(表3), 原因可能是在秸稈分解過(guò)程中需要利用土壤中的氮, 出現(xiàn)了與土壤微生物爭(zhēng)氮現(xiàn)象, 降低土壤中的礦質(zhì)態(tài)氮, 減少了產(chǎn)生N2O需要的氮基質(zhì), 導(dǎo)致N2O的排放減少[43-45]。與RO常規(guī)管理模式相比, RO優(yōu)化管理模式可以減少N2O排放, 可能是間歇灌溉相比常規(guī)灌溉顯著改善土壤通氣條件, 使土壤溶解氧含量增加[46], 土壤溶氧量的升高會(huì)降低nirK和nirS型反硝化細(xì)菌豐度[47],進(jìn)而抑制反硝化作用N2O生成限速環(huán)節(jié)亞硝酸鹽還原過(guò)程[48], 從而減少了N2O的排放。

在RR稻作系統(tǒng)中, 與常規(guī)模式相比, 優(yōu)化模式顯著降低CH4年均排放總量和N2O年均排放總量(表3)。優(yōu)化模式降低CH4的排放, 這可能的原因有:第一, 水分管理對(duì)CH4的產(chǎn)生、氧化及排放起至關(guān)重要的作用, 水分管理對(duì)土壤中水分狀況產(chǎn)生影響,而土壤水分狀況又是影響土壤中硝化與反硝化作用的關(guān)鍵因素[49]。Xu等[13]和彭世彰等[50]也發(fā)現(xiàn)間歇灌溉可以降低CH4排放, 水分落干有利于空氣中的O2進(jìn)入土壤中, 改善土壤通氣狀況, 土壤中氧化還原電位升高, 增強(qiáng)甲烷氧化菌的活性, 并且抑制產(chǎn)甲烷菌的活性, 從而CH4排放減少。第二, 秸稈還田會(huì)增加土壤中相關(guān)固氮微生物的豐度, 增強(qiáng)土壤微生物對(duì)氮的固定作用, 阻礙硝化和反硝化作用的發(fā)生, 從而減少N2O的產(chǎn)生[51]。牛東等[52]研究表明氮肥運(yùn)籌比例對(duì)CH4影響不顯著, 主要顯著影響N2O的排放。優(yōu)化模式減少N2O的排放, 一方面可能是由于本研究對(duì)氮肥施用比例進(jìn)行了優(yōu)化。有研究表明水稻發(fā)育前期根系生長(zhǎng)緩慢, 氮素吸收能力低下, 積累量少[53], 在此時(shí)期過(guò)量施用氮肥氮素容易損失, 降低氮素利用效率。在生長(zhǎng)后期, 水稻植株需要更多的氮素來(lái)滿(mǎn)足其生長(zhǎng), 因此優(yōu)化模式中氮肥管理將氮肥后移可以有效減少N通過(guò)NH3、N2O等形式損失[54]。另一方面可能是秸稈還田引起土壤中相關(guān)微生物對(duì)礦質(zhì)氮的固定, 使進(jìn)行硝化和反硝化作用所需要的底物減少, 進(jìn)而降低N2O的產(chǎn)生。

3.3 不同稻作區(qū)溫室氣體排放變化

在不同稻作區(qū)中, RW模式的CH4和N2O累積排放量一般為江漢平原>鄂西北(表5), RO模式CH4和N2O累積排放量總體表現(xiàn)為江漢平>鄂東南>鄂西北(表5), RR模式下鄂東南和江漢平原CH4和N2O的累積排放量差異不明顯(表5)。這可能是由于各個(gè)地區(qū)各個(gè)稻作系統(tǒng)種植面積存在較大的差異所導(dǎo)致。還可能是因?yàn)椴煌貐^(qū)的pH、土壤容重、溫度、有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地和土壤氧化還原性存在差異, 導(dǎo)致不同稻作區(qū)的CH4和N2O排放差異顯著。張慶國(guó)等[55]通過(guò)對(duì)稻田CH4和N2O排放因素分析, 發(fā)現(xiàn)CH4的排放與溫度、土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系, N2O的排放水平也與溫度呈正相關(guān)關(guān)系, 對(duì)有機(jī)質(zhì)和pH變化也比較敏感。稻田CH4排放通量與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系[56],HWAD數(shù)據(jù)庫(kù)顯示鄂東南地區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量總體高于江漢平原地區(qū), 江漢平原地區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量總體高于鄂西北地區(qū), 這可能導(dǎo)致稻田CH4排放通量為鄂東南>江漢平原>鄂西北。另外, 還有可能是因?yàn)楫?dāng)土壤環(huán)境偏酸時(shí), 對(duì)N2O還原的抑制強(qiáng)于對(duì)NO3?的抑制, 所以pH下降, N2O排放增加[57], 當(dāng)pH在7～10范圍內(nèi), 隨著pH上升N2O排放呈遞減趨勢(shì)[27]。HWAD數(shù)據(jù)庫(kù)顯示江漢平原地區(qū)的pH一般高于鄂西北地區(qū)的pH, 這可能導(dǎo)致江漢平原的N2O排放量高于鄂西北地區(qū)。

同一稻作區(qū)優(yōu)化管理模式相比常規(guī)管理模式,江漢平原降低CH4和N2O排量的幅度最大。江漢平原采用優(yōu)化管理模式溫室氣體排放測(cè)算值大幅度下降的原因可能是: 第一, 閆翠萍等[38]認(rèn)為秸稈還田方式對(duì)溫室氣體排放影響顯著, 本文優(yōu)化模式的秸稈還田采用秸稈粉碎覆蓋的方式, 與一般的秸稈旋耕還田和翻耕還田相比, 秸稈覆蓋在土壤表面, 不會(huì)擾動(dòng)土壤, 使郁積在土壤中的氣體很難釋放, 可以有效降低溫室氣體排放。第二, 由于水分是影響CH4和N2O排放的關(guān)鍵因子[49], 優(yōu)化模式也從水分管理進(jìn)行優(yōu)化, 優(yōu)化模式采用了間歇灌溉, 殷欣等[58]研究表明水稻生產(chǎn)采用間歇灌溉, 與傳統(tǒng)灌溉相比可減少10.1%的CH4排放總量, 王孟雪等[59]的研究也表明間歇灌溉可以減少N2O排放。第三, 由于江漢平原稻作區(qū)的面積是湖北省三大稻作區(qū)中最大的, 運(yùn)用優(yōu)化模式后, 其整個(gè)區(qū)的累積排放量降低效果更明顯。

4 結(jié)論

本研究采用歸一化均方根誤差法對(duì)田間觀測(cè)數(shù)據(jù)與DNDC模型模擬值進(jìn)行比較, 證實(shí)DNDC模擬精確度高, 說(shuō)明DNDC模型可以用于湖北省溫室氣體排放的模擬和評(píng)估。本研究表明氮肥深施、氮肥后移、節(jié)水灌溉和秸稈粉碎覆蓋還田技術(shù)集成可以有效減少3種稻作系統(tǒng)產(chǎn)生的CH4和N2O排放, 各個(gè)稻作系統(tǒng)的常規(guī)模式與優(yōu)化模式的CH4和N2O排放以及GWP存在明顯的差異。與RW和RO稻作系統(tǒng)的優(yōu)化管理模式相比, RR稻作系統(tǒng)優(yōu)化管理模式的CH4排放量、N2O排放量和GWP更低。因此,對(duì)于減少溫室氣體排放, RR優(yōu)化管理栽培模式具有明顯的優(yōu)勢(shì), 是減排的最佳模式。根據(jù)DNDC模型模擬的數(shù)據(jù)表明, 鄂西北地區(qū)采用優(yōu)化管理栽培模式, 每年可以有效減少21 594 t(C) CH4和3342 t(N)N2O, 鄂東南采用優(yōu)化管理栽培模式后每年可以有效減少17 803 t(C)的CH4和654 t(N)的N2O, 江漢平原使用優(yōu)化管理栽培模式后, 每年能有效減少68 268 t(C)的CH4和5622 t(N)的N2O。