稻作方式和秸稈還田對稻麥產(chǎn)量和溫室氣體排放的影響研究

稻作方式和秸稈還田對稻麥產(chǎn)量和溫室氣體排放的影響研究在過去的100年,全球地表平均溫度已經(jīng)上升了0.74℃（0.56℃-0.92℃）,預計到本世紀末升高幅度將達到1.8-4.0℃。大氣溫度升高的主要原因之一是由于人類活動導致的溫室氣體排放劇烈增加。溫室氣體減排已經(jīng)成為減緩氣候變化的關(guān)鍵措施,CH₄和N₂O被認為是僅次于CO2的最主要的溫室氣體。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是重要的溫室氣體排放源,其中CH₄主要來源于稻田,N₂O主要來自旱地系統(tǒng)。因此,研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),尤其是水旱輪作生產(chǎn)體系下的溫室氣體排放顯得尤為必要。目前國內(nèi)有關(guān)農(nóng)田溫室氣體的排放研究主要基于常規(guī)生產(chǎn)方式下的單季作物,而有關(guān)周年尺度下的研究鮮有報道。本文以我國華東地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)為研究對象,在秸稈還田與不還田條件下,研究了水稻機械旱直播、機械水直播和機插秧對稻田和后季麥田的溫室氣體排放及排放強度,探討了稻麥周年生產(chǎn)力及溫室氣體排放特征和強度,綜合評價了稻麥周年生產(chǎn)的經(jīng)濟效益和碳足跡。本文還分析了不同稻作方式和秸稈還田對稻麥物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運和氮素利用效率的影響,以及對水稻倒伏性狀及稻米品質(zhì)的影響。本研究將為我國現(xiàn)代稻作理論與技術(shù)創(chuàng)新提供重要參考,為稻麥輪作區(qū)應對氣候變化的作物增產(chǎn)、農(nóng)民增收和農(nóng)田溫室氣體減排的協(xié)調(diào)提供理論與技術(shù)支撐。田間試驗從2010水稻季開始,到2012大麥收獲結(jié)束。試驗設水稻機插秧、機械旱直播和機械水直播三種稻作方式,秸稈全量還田和秸稈不還田兩種還田模式,共六個處理,既分別為旱直播+秸稈不還田（MDS）、旱直播+秸稈還田（MDSS）、水直播+秸稈不還田（MWS）、水直播+秸稈還田（MWSS）、插秧+秸稈不還田（MTP）和插秧+秸稈還田（MTPS）。每個處理設3個重復,每個重復小區(qū)面積為10m*15m,以便于機械化操作。機械水直播和機插秧處理采用的是干濕交替的水分管理式;而旱直播采用的是全生育期廂溝浸潤灌溉方式,即播種前田塊不灌水,每隔三米開挖灌水溝（寬25cm,深30cm）,播種后,淹灌一天即落干,以后的全生育期內(nèi)保持溝內(nèi)滿水而廂面上沒有明顯的水層。主要研究結(jié)果如下:（1）機械旱直播下水稻產(chǎn)量與機插秧水稻相當,但顯著高于機械水直播產(chǎn)量。以2010年水稻為例,與MWS相比,MDS和MTP的產(chǎn)量分別增加了8.2%和12.0%,而MDSS、MWSS和MTPS的產(chǎn)量分別較對照增加了8.0%、-6.1%和10.2%,且差異顯著。兩年的試驗結(jié)果表明在旱直播水稻的產(chǎn)量構(gòu)成因子中,除有效穗數(shù)外,其他因子差異均不顯著,因此,有效穗數(shù)可能是決定旱直播水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,在一定程度上增加旱直播水稻的有效穗數(shù)可以彌補穗粒數(shù)和千粒重的降低。不同稻作方式和秸稈田還田下,后季大麥的產(chǎn)量差異不顯著。（2）不同稻作方式下,水稻莖桿的倒伏指數(shù)表現(xiàn)為機插秧<旱直播<水直播;兩種直播方式下稻米品質(zhì)均有不同程度的下降。在秸稈還田的條件下,水直播倒伏指數(shù)比旱直播、機插秧分別高37.95%和52.39%;在秸稈不還田時,分別高5.93%和7.43%。秸稈還田降低了機插秧和旱直播的倒伏指數(shù),但提高了水直播下的水稻倒伏指數(shù)。種植方式對倒伏指數(shù)的影響達到了極顯著水平（P<0.01）,種植方式和秸稈還田的互作效應對倒伏指數(shù)的影響也達到了顯著水平（P<0.05）。與水直播相比,水稻機械旱直播后具有莖粗、莖壁厚、株高較矮、斷面模數(shù)小和彎曲應力高的特點,最終表現(xiàn)為植株抗倒伏能力較強。秸稈還田對稻米的品質(zhì)并無顯著影響,稻米外觀品質(zhì)和加工品質(zhì)對不同種植方式的響應趨勢不一致。而稻米直鏈淀粉含量在機械水直播和機械旱直播下均有下降的趨勢;分別降低了2.7%和3.2%。MTP處理下稻米蛋白質(zhì)含量最高,分別較MDS和MWS高1.6%和0.2%。（3）三種種植方式下,機插秧水稻的氮素利用率均表現(xiàn)為最高,表現(xiàn)為機插秧>機械旱直播>機械水直播,且機插秧較旱直播、水直播分別高1.5%和15.8%。秸稈還田后,氮肥的干物質(zhì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)谷率都有所提高,在機械旱直播下,兩者分別提高了1.8%和2.3%;機械水直播中分別提高了5.7%和16.2%;在機插秧中分別提高了1.2%和2.3%,這說明秸稈還田可以提高水稻的氮素利用效率。秸稈還田后,MDSS和MTPS處理下后季大麥氮肥的干物質(zhì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)谷率有所提高,在機械旱直播處理下,兩者分別提高了7.9%和6.1%;在機插秧處理下分別提高了17.9%和20.6%;但在機械水直播處理下分別降低了8.8%和10.3%。（4）機械旱直播和機插秩生產(chǎn)方式下稻田的CH₄排放差異顯著,N₂O排放差異不顯著。機械旱直播顯著減少了稻田CH₄的排放,但N₂O排放呈現(xiàn)遞增趨勢。以2010年為例,CH₄的累積排放量分別在MDS,MDSS,MWS,MWSS,MTPandMTPS中分別是80.97、28.41、256.03、329.76、321.76和488.76kgha-1單位產(chǎn)量的累計排放量在MTPS中最高,分別較MDS、MDSS、MWS、MWSS和MTP高437.7%、1467.1%、58.65%、16.45%和64.9%。在100年的時間尺度上,機插秧和機械水直播稻田各處理的CH₄和N₂O排放的綜合GWP要顯著高于機械旱直播稻田,不同種植方式下的GHGI差異也達到極顯著水平。以上結(jié)果表明,機械旱直播相對于機插秧水稻在維持水稻產(chǎn)量的同時,可以大幅度降低稻田溫室氣體排放。（5）不同稻作方式和秸稈還田下,后季麥田CH₄的吸收和N₂O的排放不同。CH₄吸收在水直播處理下最大,而在旱直播中最小,但差異不顯著。在所有處理下,N₂O排放均受降雨影響較大。在秸稈還田的條件下比較三種稻作方式對后季大麥田N₂O排放的影響發(fā)現(xiàn),MTPS>MDSS>MWSS,而在秸稈不還田的條件下,則是MWS>MTP>MDS。水稻機插秧和水直播后的麥季的GWP低于水稻機械旱直播后的大麥GWP。秸稈還田顯著降低后季麥田N₂O的排放,在旱直播、水直播和機插秧中,秸稈還田下N₂O排放分別降低了41.35%、50.56%和34.41%。（6）從周年效應來看,水稻旱直播的稻麥周年GWP顯著低于水稻機插秧和水直播的GWP;秸稈還田提高稻麥周年GWP。利用碳足跡理論及研究方法評價發(fā)現(xiàn),水稻旱直播下稻麥周年生產(chǎn)碳足跡顯著小于水直播和機插秧,降幅分別達到40.90%和67.99%。旱直播下,秸稈還田沒有提高稻麥種植的