碳在大气圈中主要以CO₂和CH₄的形式存在，作为主要温室气体，CO₂和CH₄对温室效应的贡献率分别为60%和15%^[1]。大气中的CH₄含量已从工业革命前（1750年）的0.72 mg·kg^-1上升到了2012年的1.82 mg·kg^-1，提高到约2.5倍^[2]。CO₂浓度从工业革命前的0.280 g·kg^-1增加到现在的0.393 g·kg^{-1 [2]}。稻田是重要的温室气体排放源，全球稻田CH₄年排放量为31~112 Tg，占全球总排放量的5%~19%^[1]，中国稻田CH₄排放量为7.2~9.5 Tg^[3]。

秸秆还田是增加土壤碳库、提高土壤有机质的有效方式，但其同时也增加了稻田CH₄排放^[4-5]。秸秆还田能极大地促进红壤稻田CO₂排放^[6]。秸秆不同的还田方式对农田系统温室气体排放的影响也多有研究，双季稻早稻免耕比翻耕和旋耕CH₄排放量低^[7]，翻耕高茬还田明显大于免耕高茬还田^[8]。

非水稻生长季节持续淹水和自然排干是2种不同的管理方式^[9-11]，持续淹水使稻季CH₄排放量远高于排水稻田^[12-13]。秸秆不还田条件下，非水稻生长季节持续淹水使稻季CH₄排放量显著高于休闲和种植小麦处理^[14]，秸秆还田下持续淹水稻田CH₄排放量远高于间歇灌溉^[15]，冬季秸秆翻耕还田后持续淹水比不还田稻季CH₄排放量显著提高^[16]。土壤水分状况含量过大或淹水时，都会抑制土壤CO₂的排放^[17-18]。秸秆高留茬及稻草覆盖还田是江汉平原常见的秸秆利用方式，在非稻季不同水分管理方式下其对稻季碳排放的影响目前尚不清楚，本研究以江汉平原典型中稻-休闲模式为对象，研究秸秆还田后非水稻生长季节淹水和排水对水稻生长季节稻田CH₄和CO₂的影响，为准确评估该模式下稻田温室效应提供数据支撑和理论依据。

研究区域选在湖北省潜江市后湖农场，属江汉平原低湖区，冬季静态地下水位40~60 cm，北亚热带季风湿润气候，年均气温16.1 ℃，无霜期246 d，年均降雨量1 100 mm，土壤类型为湖积物发育而成的潮土性水稻土，试验设计中稻-冬干（RD）和中稻-冬泡（RW）两种管理方式。试验于2014年实施，温室气体排放监测时间为2015年水稻大田生长季节。试验田土壤基本肥力性质见表 1。

表 1　试验区土壤肥力状况 Table 1　Basic properties of experimental topsoil

表选项

试验田总面积600 m²，其中中稻-淹水（RW）田面积300 m²，中稻-排水（RD）田面积300 m²，共分为6个小区，每小区100 m²，田间布置示意图见图 1。水稻高茬收割，稻草还田方式为高留茬及覆盖还田，稻草还田量为3 750 kg·hm^-2，施肥量N、P₂O₅、K₂O分别为180、90、144 kg·hm^-2，氮肥施用比例为基肥:分蘖肥:穗肥=5.8:1.8:2.4，磷肥一次性基肥施入，钾肥施用比例为：基肥:穗肥=5:5。基肥组成为复合肥（N:P₂O₅:K₂O=25:10:16）加过磷酸钙（P₂O₅≥12%），追肥为尿素（N≥46%）和氯化钾（K₂O≥60%），插秧前施入基肥，插秧后15 d施入分蘖肥，插秧后50 d施入穗肥。每公顷补充6 kg大粒锌（Zn≥25%）和60 kg大粒硅（SiO₂≥20%）。非水稻季节持续淹水田块，淹水时间为2014年10月5日-2015年6月15日，非水稻季节排水稻田水分管理为：2014年10月-2015年6月10日自然排水，2015年6月8日覆水。水稻生长季节，田间水分管理一致，2015年插秧后至7月22日淹水，7月23日晒田，8月3日淹水，收获前1周排水晒田。

图 1 田间试验布置图 Figure 1　The sketch of field experiment

图选项

供试水稻品种为鉴真2号，2014年6月15日手插秧，后期因天气原因倒伏严重，未计产。2015年水稻于6月17日手插秧，10月3日收获。

CO₂和CH₄气体采用静态箱采集，Agilent 7890A气相色谱仪分析测定，静态采样箱分为底座、中段箱和顶箱3部分。底座（长42 cm、宽42 cm、高20 cm）用不锈钢制成，上端有深3 cm、宽2 cm的密封水槽，底座四壁距上部10 cm处打两排直径为2 cm的孔，以利于水分和肥料的流动，底座于水稻移栽前埋入土壤10 cm。中段箱和顶箱（长42 cm、宽42 cm、高50 cm）均由不锈钢制作，中段箱顶部有有深3 cm、宽2 cm的密封水槽。箱体外包一层保温隔热层。在距离底座20 cm处埋设氧化还原单位参比电极，埋设深度为10、20、30、40、50 cm各1支。每7~10 d采样1次，采样时间为每日上午8：00-10：00。采气时，预先在底座水槽中注入水，然后盖上采气箱，在盖箱后0、5、10、15、20 min用30 mL医用注射器采集1个气体样品，24 h内带回实验室进行分析测定完毕。采气时不定期记录土壤氧化还原状况。

CO₂和CH₄气体通量计算公式为：

式中：F为气体通量，即F_CH4（以CH₄计，mg·m^-2·h^-1），F_CO2（以CO₂计，mg·m^-2·h^-1）；ρ为标准状态下CO₂和CH₄的密度（kg·m^-3）；V为密闭箱有效体积（m³）；S为底座面积（m²）；dC/dt表示单位时间内密闭箱内CO₂和CH₄的浓度变化量；T为密闭箱内平均气温。

增温潜势计算按照商庆银等方法^[15]，CH₄综合增温潜势（GWP）是CO₂的25倍，单位面积GWP（GWP_area-scaled（CO₂ kg·hm^-2））计算公式为：

GWP_area-scaled=25×CH₄累积排放量+CO₂累积排放量。

单位产量GWP（GWP_yield-scaled（CO₂ kg·kg^-1））计算公式为：

GWP_yield-scaled=GWP_area-scaled /Y。

式中，Y为水稻产量（kg·hm^-2）。

在采集气体的同时，用不锈钢土壤采集器采集0~20 cm土层土样，剔除可见根系和石块，4 ℃带回实验室，鲜样分析土壤可溶性土壤有机碳（DOC）、NO₃^--N、NH₄⁺-N、乙酸含量。DOC测定过程：首先以烘干法测定土壤水分，称取相当于烘干土10 g的新鲜土样，以土:水=1:5的比例加入去离子水，加入时扣除鲜土携带的水分。25 ℃恒温震荡30 min，4 ℃下8 000 r·min^-1离心10 min，上清液过0.45 μm滤膜，-18 ℃保存。一份在Elementar总有机碳分析仪测定DOC，另一份以Waters高效液相色谱仪测定乙酸。乙酸测定参考孙孙宝利等的方法^[19]：C18反向色谱柱，4.6 mm× 250 mm，5 μm，0.1%磷酸和乙腈（98:2），检测波长210 nm，流速1.0 ml·L^-1，进样体积20 μL，柱温35 ℃。高效液相所用试剂均为色谱纯。

数据归纳和计算通过EXCEL进行，显著性检验采用SPSS 17.0软件进行。

非稻季持续淹水显著提高了稻季CH₄排放。图 2A显示，在稻季期间，RD处理CH₄排放变化范围是1.41~16.63 mg·m^-2·h^-1，RW处理CH₄排放变化范围是0.06~19.48 mg·m^-2·h^-1，持续淹水使稻季稻田CH₄平均排放量从6.37±0.9 mg·m^-2·h^-1（RD）升至7.96±2.4 mg·m^-2·h^-1（RW）（图 3A），CH₄累积排放量显著提高，从10.42±1.39 g·m^-2（RD）提高到12.66±1.20 g·m^-2（RW），增加21.5%（图 4A）。从变化趋势看，CH₄排放主要集中在第一次排水晒田之前（7月31号之前），RW和RD分别占总排放量的97.2%和86.1%。

图 2 CH4和CO2排放动态 Figure 2　The seasonal variation fluxes of CH4 and CO2 emission

图选项

不同小写字母表示5%显著水平，下同 The different small letters indicate significant differences at the 5% level. The same below 图 3 CO2和CH4日平均通量 Figure 3　The average fluxes of CO2 and CH4 emission

图选项

图 4 CO2和CH4累积排放量 Figure 4　The accumulation emissions of CO2 and CH4 emission

图选项

非稻季持续淹水抑制了稻季CO₂排放。图 2B显示，在稻季期间，RD处理CO₂排放变化范围是322.1~2 348.1 mg·m^-2·h^-1, RW处理CO₂排放变化范围是289.2~2 495.4 mg·m^-2·h^-1，持续淹水使稻季稻田CO₂平均排放量从1 357.2±106.2 mg·m^-2·h^-1（RD）降低至1 246.0±25.6 mg·m^-2·h^-1（RW）（图 3B），CO₂累积排放量稍有降低，从2 435.57±191.7 g·m^-2（RD）降低到2 260.7±22.7 g·m^-2（RW）（图 4B）。从变化趋势看，CO₂排放主要集中在第一次排水晒田之后（7月31号之后），RW和RD分别占总排放量的59.6%和62.0%。

相比RD，RW降低稻季土壤NO₃^--N和NH₄⁺-N浓度（图 5），使NH₄⁺-N浓度从3.81~20.67 mg·kg^-1（RD）降低至3.68~16.32 mg·kg^-1（RW）, 平均浓度降低22.9%；NO₃^--N浓度则从0.83~2.64 mg·kg^-1（RD）降为0.20~3.32 mg·kg^-1（RW），平均浓度降低22.2%。从浓度值考虑，NH₄⁺-N远远高于NO₃^--N。从变化趋势看，NO₃^--N和NH₄⁺-N均存在随水稻生长浓度降低的趋势。

图 5 土壤NO3--N和NH4+-N含量 Figure 5　The contents of soil NO3--N and NH4+-N in rice growing season

图选项

RW显著降低稻季土壤DOC浓度（图 6）。图 6显示，DOC浓度从34.42~467.43 mg·kg^-1（RD）降低至7.15~341.11 mg·kg^-1（RW）, 平均浓度降低45.9%（P < 0.05）。RW使稻季土壤乙酸浓度从0.62~2.12 mg·kg^-1（RD）提高到0.39~2.29 mg·kg^-1，平均浓度提高14.5%（图 7）。非稻季RW使稻季稻田土壤氧化还原电位值降低（图 8），在10 cm土层上氧化还原电位均值从-19.78 mV降低至-34.63 mV，降幅为75%，在20 cm土层上则从-31.86 mV降低至-39.81 mV，降幅为24.95%。

图 6 水稻大田生长期土壤DOC变化状况 Figure 6　The seasonal variation of soil DOC in rice growing season

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图 7 水稻大田生长期土壤乙酸变化状况 Figure 7　The seasonal variation of soil acetic acid in rice growing season

图选项

图 8 水稻大田生长期土壤氧化还原电位状况 Figure 8　The seasonal variation of soil Eh value in rice growing season

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从水稻产量及构成因素看（表 2），RD处理水稻产量显著低于RW处理（P < 0.05），主要是由于有效穗数差异造成的。从温室效应看（表 3），RD和RW在单位面积温室效应方面没有差异，但在单位产量温室效应RD显著高于RW（P < 0.05），主要原因是RD产量偏低造成的。同时还可以看出，CO₂温室效应占RW总碳温室效应82.6%，RD总碳温室效应的79.4%。

表 2　各处理水稻产量及其构成因素 Table 2　Grain yield and its components under each treatment

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表 3　各处理温室气体排放状况 Table 3　The characteristic of CH4 and CO2 emission under each treatment

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现有资料表明，与持续淹水相比，干湿交替可以降低CH₄总排放量的33%~93%；中期烤田能减少稻田CH₄排放36%~65%^[20-21]。秸秆还田会增强土壤固碳潜力，同时也会增加CH₄排放^{[4, 22]}，同时，还田方式^[9]以及稻草还田耦合淹水^[23]对CH₄排放也有影响，稻季秸秆还田与持续淹水对稻田CH₄排放具有强烈的激发作用。上述研究均为水稻种植季节，本研究表明，与RD相比，RW处理稻季CH₄累积排放量显著升高（图 4A），其主要原因是非稻季持续淹水情况下稻田产甲烷潜力远高于自然排水^[14]，但因RW水稻产量显著高于RD，导致其产量温室效应显著低于RW（表 2和表 3）。

大多数研究结果显示，秸秆还田会促进土壤CO₂排放^[24-26]，也有研究表明秸秆还田会降低CO₂排放而提高CH₄排放^[27-28]，这种不一致的结果，主要是由于还田方式和耕作制度不同而造成的^[25]。上述研究中秸秆还田与后季作物衔接紧密，不存在冬闲管理方式，同时也没有研究冬闲排水与持续淹水方面的差异。本研究表明，非稻季秸秆还田后稻田水分管理对稻季CO₂排放通量影响不大，RW处理CO₂累积排放量比RD处理稍有降低（图 4B），这主要是由于持续淹水情况下，土壤微生物好氧呼吸受到抑制，即使在稻季有干湿交替措施，但微生物好氧呼吸恢复的滞后效应使CO₂排放很难在短时间内迅速增加。本研究同时表明，CO₂所导致的温室效应远高于CH₄（表 3）。

本研究结果表明，非稻季RW显著降低稻季土壤DOC浓度、提高了乙酸浓度、降低了还原电位值，同时RW降低稻季土壤NO₃^--N和NH₄^--N浓度。冬季作物残茬秸秆还田可提高土壤活性碳（333 mmol KMnO₄氧化）^[29-30]，稻季秸秆还田后持续淹水土壤DOC、NH₄⁺-N浓度明显高于间歇灌溉^[23]，相对于干湿交替，持续淹水以及持续淹水且稻草还田可显著提高土壤有机酸浓度^[31]，主要原因是秸秆还田增加土壤活性有机碳，在淹水条件下活性有机碳厌氧将降解为有机酸，在产CH₄菌作用下产生CH₄。这是导致CH₄排放量高的一个重要原因，另一个原因可能是持续淹水情况下，丙酸和丁酸等低分子脂肪酸累积量比较高^[32]，它们在土壤中可能存在互营氧化产乙酸的过程^[33]，这个过程可能导致RW处理下乙酸浓度持续偏高，从而导致CH₄排放量高。

在稻草秸秆还田情况下，非稻季自然排水（RD）比持续淹水（RW）显著降低稻季CH₄排放量，CH₄排放主要集中在第1次排水晒田之前；RW使稻季CO₂累积排放量比RD稍有降低，CO₂排放主要集中在第1次排水晒田之后。RW降低稻季土壤NO₃^--N、NH₄^--N和DOC浓度，同时降低了10 cm土层土壤Eh值，但使乙酸浓度升高，这可能是CH₄排放量增加的主要原因。从田间管理角度出发，RW在一定程度上抑制杂草生长，增加甲烷增温潜势，但对总增温潜势无显著影响。