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(yù)計(jì)到本世紀(jì)末升高幅度將達(dá)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(dǎo)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(rèn)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(bào)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(jī)械旱直播、機(jī)械水直播和機(jī)插秧對稻田和后季麥田的溫室氣體排放及排放強(qiáng)度,探討了稻麥周年生產(chǎn)力及溫室氣體排放特征和強(qiáng)度,綜合評價(jià)了稻麥周年生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(yīng)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(yàn)從2010水稻季開始,到2012大麥?zhǔn)斋@結(jié)束。試驗(yàn)設(shè)水稻機(jī)插秧、機(jī)械旱直播和機(jī)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(shè)3個重復(fù),每個重復(fù)小區(qū)面積為10m*15m,以便于機(jī)械化操作。機(jī)械水直播和機(jī)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(jī)械旱直播下水稻產(chǎn)量與機(jī)插秧水稻相當(dāng),但顯著高于機(jī)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(yàn)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(bǔ)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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)到了極顯著水平（P<0.01）,種植方式和秸稈還田的互作效應(yīng)對倒伏指數(shù)的影響也達(dá)到了顯著水平（P<0.05）。與水直播相比,水稻機(jī)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(yīng)力高的特點(diǎn),最終表現(xiàn)為植株抗倒伏能力較強(qiáng)。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(yīng)趨勢不一致。而稻米直鏈淀粉含量在機(jī)械水直播和機(jī)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(jī)插秧水稻的氮素利用率均表現(xiàn)為最高,表現(xiàn)為機(jī)插秧>機(jī)械旱直播>機(jī)械水直播,且機(jī)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(jī)械旱直播下,兩者分別提高了1.8%和2.3%;機(jī)械水直播中分別提高了5.7%和16.2%;在機(jī)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(jī)械旱直播處理下,兩者分別提高了7.9%和6.1%;在機(jī)插秧處理下分別提高了17.9%和20.6%;但在機(jī)械水直播處理下分別降低了8.8%和10.3%。（4）機(jī)械旱直播和機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)插秧和機(jī)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(jī)械旱直播稻田,不同種植方式下的GHGI差異也達(dá)到極顯著水平。以上結(jié)果表明,機(jī)械旱直播相對于機(jī)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(jī)插秧和水直播后的麥季的GWP低于水稻機(jī)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(jī)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(yīng)來看,水稻旱直播的稻麥周年GWP顯著低于水稻機(jī)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(jià)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(jī)插秧,降幅分別達(dá)到40.90%和67.99%。旱直播下,秸稈還田沒有提高稻麥種植的