稻作方式和秸秆还田对稻麦产量和温室气体排放的影响研究

稻作方式和秸秆还田对稻麦产量和温室气体排放的影响研究在过去的100年,全球地表平均温度已经上升了0.74℃（0.56℃-0.92℃）,预计到本世纪末升高幅度将达到1.8-4.0℃。大气温度升高的主要原因之一是由于人类活动导致的温室气体排放剧烈增加。温室气体减排已经成为减缓气候变化的关键措施,CH₄和N₂O被认为是仅次于CO2的最主要的温室气体。农田生态系统是重要的温室气体排放源,其中CH₄主要来源于稻田,N₂O主要来自旱地系统。因此,研究农田生态系统,尤其是水旱轮作生产体系下的温室气体排放显得尤为必要。目前国内有关农田温室气体的排放研究主要基于常规生产方式下的单季作物,而有关周年尺度下的研究鲜有报道。本文以我国华东地区稻麦轮作系统为研究对象,在秸秆还田与不还田条件下,研究了水稻机械旱直播、机械水直播和机插秧对稻田和后季麦田的温室气体排放及排放强度,探讨了稻麦周年生产力及温室气体排放特征和强度,综合评价了稻麦周年生产的经济效益和碳足迹。本文还分析了不同稻作方式和秸秆还田对稻麦物质积累与转运和氮素利用效率的影响,以及对水稻倒伏性状及稻米品质的影响。本研究将为我国现代稻作理论与技术创新提供重要参考,为稻麦轮作区应对气候变化的作物增产、农民增收和农田温室气体减排的协调提供理论与技术支撑。田间试验从2010水稻季开始,到2012大麦收获结束。试验设水稻机插秧、机械旱直播和机械水直播三种稻作方式,秸秆全量还田和秸秆不还田两种还田模式,共六个处理,既分别为旱直播+秸秆不还田（MDS）、旱直播+秸秆还田（MDSS）、水直播+秸秆不还田（MWS）、水直播+秸秆还田（MWSS）、插秧+秸秆不还田（MTP）和插秧+秸秆还田（MTPS）。每个处理设3个重复,每个重复小区面积为10m*15m,以便于机械化操作。机械水直播和机插秧处理采用的是干湿交替的水分管理式;而旱直播采用的是全生育期厢沟浸润灌溉方式,即播种前田块不灌水,每隔三米开挖灌水沟（宽25cm,深30cm）,播种后,淹灌一天即落干,以后的全生育期内保持沟内满水而厢面上没有明显的水层。主要研究结果如下:（1）机械旱直播下水稻产量与机插秧水稻相当,但显著高于机械水直播产量。以2010年水稻为例,与MWS相比,MDS和MTP的产量分别增加了8.2%和12.0%,而MDSS、MWSS和MTPS的产量分别较对照增加了8.0%、-6.1%和10.2%,且差异显著。两年的试验结果表明在旱直播水稻的产量构成因子中,除有效穗数外,其他因子差异均不显著,因此,有效穗数可能是决定旱直播水稻产量的关键因素,在一定程度上增加旱直播水稻的有效穗数可以弥补穗粒数和千粒重的降低。不同稻作方式和秸秆田还田下,后季大麦的产量差异不显著。（2）不同稻作方式下,水稻茎杆的倒伏指数表现为机插秧<旱直播<水直播;两种直播方式下稻米品质均有不同程度的下降。在秸秆还田的条件下,水直播倒伏指数比旱直播、机插秧分别高37.95%和52.39%;在秸秆不还田时,分别高5.93%和7.43%。秸秆还田降低了机插秧和旱直播的倒伏指数,但提高了水直播下的水稻倒伏指数。种植方式对倒伏指数的影响达到了极显著水平（P<0.01）,种植方式和秸秆还田的互作效应对倒伏指数的影响也达到了显著水平（P<0.05）。与水直播相比,水稻机械旱直播后具有茎粗、茎壁厚、株高较矮、断面模数小和弯曲应力高的特点,最终表现为植株抗倒伏能力较强。秸秆还田对稻米的品质并无显著影响,稻米外观品质和加工品质对不同种植方式的响应趋势不一致。而稻米直链淀粉含量在机械水直播和机械旱直播下均有下降的趋势;分别降低了2.7%和3.2%。MTP处理下稻米蛋白质含量最高,分别较MDS和MWS高1.6%和0.2%。（3）三种种植方式下,机插秧水稻的氮素利用率均表现为最高,表现为机插秧>机械旱直播>机械水直播,且机插秧较旱直播、水直播分别高1.5%和15.8%。秸秆还田后,氮肥的干物质生产效率和产谷率都有所提高,在机械旱直播下,两者分别提高了1.8%和2.3%;机械水直播中分别提高了5.7%和16.2%;在机插秧中分别提高了1.2%和2.3%,这说明秸秆还田可以提高水稻的氮素利用效率。秸秆还田后,MDSS和MTPS处理下后季大麦氮肥的干物质生产效率和产谷率有所提高,在机械旱直播处理下,两者分别提高了7.9%和6.1%;在机插秧处理下分别提高了17.9%和20.6%;但在机械水直播处理下分别降低了8.8%和10.3%。（4）机械旱直播和机插秩生产方式下稻田的CH₄排放差异显著,N₂O排放差异不显著。机械旱直播显著减少了稻田CH₄的排放,但N₂O排放呈现递增趋势。以2010年为例,CH₄的累积排放量分别在MDS,MDSS,MWS,MWSS,MTPandMTPS中分别是80.97、28.41、256.03、329.76、321.76和488.76kgha-1单位产量的累计排放量在MTPS中最高,分别较MDS、MDSS、MWS、MWSS和MTP高437.7%、1467.1%、58.65%、16.45%和64.9%。在100年的时间尺度上,机插秧和机械水直播稻田各处理的CH₄和N₂O排放的综合GWP要显著高于机械旱直播稻田,不同种植方式下的GHGI差异也达到极显著水平。以上结果表明,机械旱直播相对于机插秧水稻在维持水稻产量的同时,可以大幅度降低稻田温室气体排放。（5）不同稻作方式和秸秆还田下,后季麦田CH₄的吸收和N₂O的排放不同。CH₄吸收在水直播处理下最大,而在旱直播中最小,但差异不显著。在所有处理下,N₂O排放均受降雨影响较大。在秸秆还田的条件下比较三种稻作方式对后季大麦田N₂O排放的影响发现,MTPS>MDSS>MWSS,而在秸秆不还田的条件下,则是MWS>MTP>MDS。水稻机插秧和水直播后的麦季的GWP低于水稻机械旱直播后的大麦GWP。秸秆还田显著降低后季麦田N₂O的排放,在旱直播、水直播和机插秧中,秸秆还田下N₂O排放分别降低了41.35%、50.56%和34.41%。（6）从周年效应来看,水稻旱直播的稻麦周年GWP显著低于水稻机插秧和水直播的GWP;秸秆还田提高稻麦周年GWP。利用碳足迹理论及研究方法评价发现,水稻旱直播下稻麦周年生产碳足迹显著小于水直播和机插秧,降幅分别达到40.90%和67.99%。旱直播下,秸秆还田没有提高稻麦种植的