近百年来，全球气候正在发生以变暖为主要特征的显著变化，人类社会生产生活引起的温室气体排放是全球气候变暖的主要原因(张玉铭等，2011).其中，CO₂、CH₄和N₂O是最重要的温室气体，对温室效应的贡献率近80%(Kiehl et al., 1997).据IPCC(2007)评估报告，CO₂、CH₄和N₂O的浓度分别由工业革命之前的280 ppm、715 ppb和270 ppb增加到2005年的379 ppm、1774 ppb和319 ppb.农田作为陆地的主要组成部分，它是温室气体的重要排放源.全球每年农业温室气体排放量为5.1~6.1 Pg · a^-1(以CO₂当量计)，占全球人为温室气体排放总量的10%~12%(Smith et al., 2007).同时，农业技术具有较大的减排潜力.据估计，到2030年全球农业技术的温室气体减排潜力可达5.5~6.0 Pg(以CO₂当量计)，主要通过增加土壤碳固定及减少CH₄或N₂O的排放来实现(Smith et al., 2008).

免耕或少耕作为农业可持续发展的新技术，拥有巨大的固碳潜力.与常规耕作相比，免耕土壤有机碳的平均滞留时间可以增加1倍(姜勇等，2007).朱强根等(2010)研究发现，免耕对土壤有机质有明显的改善作用，且有机质随施秸秆量的增加而增加.据报道，旋耕处理土壤有机碳(SOC)含量比翻耕(0~15 cm土层)处理可以提高14.5%；就秸秆还田而言，旋耕秸秆还田处理的SOC含量比翻耕秸秆处理分别提高19.4%，旋耕秸秆还田处理SOC含量比旋耕提高9.8%，翻耕秸秆还田处理SOC含量比翻耕提高5.3%(van Groenigen et al., 2011).已有研究证明，土壤有机碳含量、碳储量代表了土壤肥力的高低(李秀英等，2005；孔凡磊等，2010)，然而较高的土壤碳储量又增强了农田土壤温室气体排放(Lal，2004).因此，在评价农田固碳措施的潜力时，还应考虑其温室效应.由于CO₂、CH₄和N₂O这3种温室气体的增温潜势不同，只有计算它们的综合温室效应才能准确评价某一农业管理措施对温室效应的贡献(Mosier et al., 2006；Shang et al., 2011；逯非等，2010).净综合增温潜势(Global Warming Potential，GWP)作为一种相对指标，可以用来比较不同温室气体对气候的潜在效应(Mosier et al., 2006；Shang et al., 2011).随着人口的增长，人类对稻谷的需求将继续增加.因此，在评价农田生态系统净GWP的同时，综合考虑其生产效益是十分必要的. van Groenigen等(2010)研究认为，产量尺度下的全球增温潜势即温室气体强度(Greenhouse Gas Intensity，GHGI)能够更加全面科学地评估农业生产对农田温室气体排放和作物产量的双重影响.

我国是世界上最大的水稻生产国，2012年水稻种植面积为30.14×10⁶ hm²，约占世界水稻种植面积的20%，约占我国作物种植面积的28%(朱德峰等，2013).少耕或免耕作为一种节省成本、保持水土、提高农业效益的新型耕作方法在我国南方稻区已得到广泛推广(章秀福等，2006；吴建富等，2009；Tang et al., 2012；汲文峰等，2013).然而，目前有关免耕对我国稻田净GWP和GHGI的影响还知之甚少.为此，本试验以南方双季稻稻田为研究对象，初步探讨不同耕作方式对农田净GWP和GHGI的影响，从而更全面地评价不同耕作方式对稻田生态环境带来的影响，并为稻田温室效应的有效控制提供理论依据.

试验地点位于江西省进贤县温圳镇杨溪村(116°5′28″E，28°20′10″N)，供试土壤为第四纪红色粘土发育的潴育型水稻土.试验前20 cm耕层土壤有机碳含量34.0 g · kg^-1，全氮2.8 g · kg^-1，速效钾107.7 mg · kg^-1，速效磷44.6 mg · kg^-1，pH=5.1.

试验时间为2013年3月至2014年4月，所有小区均采取双季稻和冬季紫云英的种植方式.试验设计3种耕作方式，分别为：①翻耕(CT)，即水稻移栽前用铧式犁深耕翻地1遍，再用旋耕机旋地2遍；②旋耕(RT)，即水稻移栽前用旋耕机旋地4遍；③免耕(NT)，即不进行整地，水稻免耕种植.每个处理分别设3次重复，各小区面积均为54 m²，随机区组排列.双季稻种植季水分管理统一采用间歇灌溉的模式，即插秧后田间保持浅水层，在分蘖末期烤田，复水后采用干湿交替的灌溉方式至收获前1~2周.各处理水层深度变化见图 1，其他管理措施采用当地常规方式.

图 1(Fig.1)

图 1 水稻生长季田间水层深度变化 Fig.1 Variation of water depth under different treatments during the double rice growing seasons in 2013

本试验中氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素(含N 46.4%)、过磷酸钙(含P₂O₅ 12%)和氯化钾(含K₂O 60%)，分别以N、P₂O₅和K₂O 计.早稻季N、P₂O₅和K₂O用量分别为150、75和135 kg · hm^-2，其中，氮肥按m(基肥)∶ m(分蘖肥)∶ m(穗肥)=5 ∶ 2 ∶ 3施用，磷肥做基肥一次性施用，钾肥按m(基肥)∶ m(穗肥)=7 ∶ 3施用.晚稻季N、P₂O₅和K₂O用量分别为180、75和150 kg · hm^-2，其中，氮肥按m(基肥)∶ m(分蘖肥)∶ m(穗肥)=4 ∶ 2 ∶ 4施用，磷肥和钾肥施肥比例同早稻.基肥在移栽前1 d 翻耕后施入，早稻分别于2013年5月2日和5月31日施分蘖肥和穗肥，晚稻分别于2013年7月30日和8月21日施分蘖肥和穗肥.冬季各处理所有小区种植紫云英，来年开春后将各处理收获的紫云英鲜草按三等分施于同处理的各小区中，作为早稻基肥；早稻收获后，将各小区水稻秸秆粉碎施入相应小区中作晚稻基肥.晚稻收获后各小区水稻秸秆施入相应小区表层作为紫云英的覆盖物，次年与紫云英一同施用作早稻基肥.

供试早稻和晚稻品种分别为中嘉早17和五丰优T025.早稻于2013年3月25日播种，采用塑盘育秧，4月22日移栽，7月12日收割；晚稻于6月30日播种，7月22日移栽，10月26日收割.紫云英在晚稻收割前25 d播种，播种量为30~37.5 kg · hm^-2.

CH₄和N₂O采用静态箱法采集，静态箱采用不锈钢板制成，规格为50 cm×50 cm×50 cm(当水稻生长高度超过50 cm 时增加一个同规格双向开口的箱体，即高度变为100 cm).箱体外部包有海绵和铝箔纸，以防太阳照射致使箱内温度升高过快.箱内顶部装有12 V小风扇用于混匀气体，箱体中部安装抽气孔.每小区固定采样底座1个，底座上部有5 cm深的凹槽，测定时加水密封.水稻生长季采样间隔为每3~4 d 1次，紫云英生长季一般为15 d 1次.采样期间同时记录日平均气温的变化(图 2).采集时间为8：00—11：00，采样时按0、10、20和30 min的时间间隔用50 mL注射器抽取箱内气体，来回抽动3次以完全混匀气体，抽出50 mL保存于真空采样袋后迅速带回实验室分析.CH₄和N₂O气体浓度采用Agilent 7890b气相色谱测定，CH₄检测器为FID，检测温度300 ℃，柱温60 ℃，载气为99.999%高纯氮气，流速30 mL · min^-1；N₂O检测器为ECD，检测温度300 ℃，柱温60 ℃，载气为99.999%高纯氩/甲烷气(95%氩气+5%甲烷)，流速40 mL · min^-1.气体排放通量计算公式为(蔡祖聪等，2009)：

图 2(Fig.2)

图 2 水稻生长季气温变化 Fig.2 Variation of air temperature during the double rice growing seasons in 2013

供试土样分别于2013年3月早稻移栽前和2014年4月紫云英收获后采集.采用环刀法测定土壤容重(中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室，1978).各小区按S形路线随机取5个点的土样，采样深度为20 cm.土样充分混匀后拣去植物残根和石砾等，经风干、磨碎过筛，采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量(鲍士旦，2006).耕层土壤固碳量由下式求得(Pan et al., 2003)：

农田净GWP以农田排放CH₄和N₂O的综合增温潜势与土壤固碳减缓全球变暖贡献的差值来表示(Shang et al., 2011).在GWP的估算中，CO₂常用来作为参考气体，CH₄和N₂O的排放量通过GWP值转换成CO₂的等效量(Mosier et al., 2006).在100年时间尺度上，单位质量CH₄和N₂O的GWP分别为CO₂的25倍和298倍(IPCC，2007).农田净GWP(kg · hm^-2，以CO₂当量计)计算公式如下：

GHGI表示农业中生产单位产量的粮食对气候的潜在影响(kg · kg^-1，以每kg 粮食产量产生的CO₂当量计)(Mosier et al., 2006)：

试验数据均采用Microsoft excel 2013和JMP10.0(SAS Institute，Cary，NC，USA，2011)统计软件处理.

早稻生长季，各处理CH₄排放量均在生育中期较高，前期和后期较低，但各处理变化幅度有较大差异(图 3).旋耕(RT)和翻耕(CT)处理在整个早稻季变化趋势较为一致；免耕处理(NT)在生育前期和中期的排放量较高，而生育后期与CT和RT处理接近.就整个早稻季而言，NT处理CH₄累积排放通量分别显著高于RT和CT处理77.4%和90.6%(p<0.05)，而RT和CT处理之间没有显著差异(表 1).

图 3(Fig.3)

图 3 双季稻种植季CH4排放通量季节变化(2013年) Fig.3 Variation of CH4 fluxes during double rice growing seasons under different tillage methods in 2013

表 1(Table 1)

表 1 不同耕作方式下CH4累积排放量(2013—2014年) Table 1 Seasonal and annual CH4 emissions under the different tillage methods in 2013—2014

表 1 不同耕作方式下CH4累积排放量(2013—2014年) Table 1 Seasonal and annual CH4 emissions under the different tillage methods in 2013—2014 处理 CH4累积排放通量/(kg·hm-2) 早稻季 晚稻季 紫云英生长季 周年 注：不同字母表示在0.05水平上差异显著(下同). NT 186.7±37.1a 217.1±30.5a 0.17±0.12b 404.0±17.5a CT 98.0±27.1b 135.1±43.5b 0.42±0.08a 233.5±64.7b RT 105.3±12.4b 209.8±12.2a 0.28±0.03ab 315.4±24.1ab

晚稻生长季，不同处理的CH₄排放速率变化趋势基本一致.晚稻移栽一周后CH₄排放通量即达到整个生育期的最高峰，尤其是NT和RT处理具有较高的CH₄排放峰；中期烤田以后，各处理CH₄排放速率迅速降低；复水以后，除了NT处理出现一个短暂且微弱的排放峰外，各处理一直维持极低的CH₄排放速率(图 3).整个晚稻季，NT和RT处理的CH₄累积排放通量没有显著差异，分别显著高于CT处理60.7%和55.3%(p<0.05，表 1).晚稻季较高的CH₄累积排放通量主要来自于生育初期的CH₄排放高峰，其中，NT、CT和RT处理从移栽至烤田期间CH₄累积排放通量分别占整个晚稻季排放总量的77.0%、77.5%和81.3%.

周年CH₄累积排放通量计算是从早稻移栽开始至次年早稻移栽之间，包括早稻季、晚稻季和紫云英生长季.统计表明，晚稻季CH₄排放占周年排放量的53.7%~66.5%，而紫云英生长季CH₄排放量几乎可以忽略不计(表 1). 与CT处理相比，NT和RT处理周年CH₄累积排放通量分别增加了73.1%和35.1%.方差分析表明，NT处理显著高于CT处理(p<0.05，表 1)，但RT和CT处理之间没有显著差异.

早稻生育前期田间处于淹水状态，所有处理均表现为大气N₂O微弱的源或汇；中期烤田以后开始干湿交替灌溉，N₂O排放速率不断增加，并出现较大的排放峰，但生育后期排放量相对微弱(图 4).晚稻季水分管理与早稻季基本一致，二者具有相似的排放规律，但在晚稻季没有观测到较高的排放峰.方差分析表明，不同耕作方式对稻田N₂O排放的影响并不显著，各处理在双季稻种植季N₂O累积排放通量均没有显著差异(表 2).

表 2(Table 2)

表 2 不同耕作方式下N2O累积排放量(以N计)(2013—2014年) Table 2 Seasonal and annual N2O emissions under different tillage methods in 2013—2014

表 2 不同耕作方式下N2O累积排放量(以N计)(2013—2014年) Table 2 Seasonal and annual N2O emissions under different tillage methods in 2013—2014 处理 N2O累积排放通量/(kg·hm-2) 早稻季 晚稻季 紫云英生长季 周年 NT 1.09±0.86a 0.94±0.34a 2.79±0.34 a 4.82±1.05 a CT 0.98±0.52a 0.92±0.24a 2.10±1.08 a 4.00±1.69 a RT 1.02±0.48a 1.05±0.32a 2.07±0.57 a 4.14±1.32 a

图 4(Fig.4)

图 4 双季稻种植季N2O排放通量季节变化(2013年) Fig.4 Variation of N2O fluxes during double rice growing seasons under different tillage methods in 2013

紫云英生长季田间处于无水层状态，CT、NT和RT处理N₂O排放通量较高，分别占周年累积排放通量的52.4%、57.9%和49.9%(表 2).就周年而言，各处理之间均没有显著差异，但NT和RT处理的N₂O累积排放通量分别比CT处理增加20.5%和3.6%.

方差分析表明，各处理之间的土壤容重没有显著差异，但不同耕作方式对耕层有机碳含量和土壤固碳量(以C计)有显著影响(表 3).其中，NT处理土壤固碳量分别比CT和RT处理增加了148.4%和261.0%.

表 3(Table 3)

表 3 不同耕作方式对土壤容重、有机碳含量和土壤固碳量的影响(2014年) Table 3 Soil bulk density，content and sequestration rate of soil organic carbon(SOC)under different tillage methods in 2014

表 3 不同耕作方式对土壤容重、有机碳含量和土壤固碳量的影响(2014年) Table 3 Soil bulk density，content and sequestration rate of soil organic carbon(SOC)under different tillage methods in 2014 处理 土壤容重/(g·cm-3) 土壤有机碳含量/(g·kg-1) 土壤固碳量/(t·hm-2·a-1) NT 0.97±0.05a 34.7±0.24a 1.31±0.47a CT 0.93±0.08a 34.3±0.16ab 0.53±0.30ab RT 0.93±0.13a 34.2±0.01b 0.36±0.02b

不同耕作方式对早稻和晚稻产量均没有显著影响，但对净GWP和GHGI有显著影响(表 4).与CT处理相比，RT和NT处理净GWP分别增加了52.8%和32.2%，其中，RT处理显著高于CT处理.温室气体强度由净GWP和双季稻产量的比值计算得出.RT和NT处理较高的净GWP对GHGI贡献较大，分别显著高于CT处理50.1%和45.3%.

表 4(Table 4)

表 4 不同耕作方式对双季稻产量、净增温潜势和温室气体强度的影响 Table 4 Annual rice grain yield，global warming potential(GWP) and greenhouse gas intensity(GHGI)under different tillage methods

表 4 不同耕作方式对双季稻产量、净增温潜势和温室气体强度的影响 Table 4 Annual rice grain yield，global warming potential(GWP) and greenhouse gas intensity(GHGI)under different tillage methods 处理 产量/(kg·hm-2) 净增温潜势GWP/ (kg·hm-2) 温室气体强度GHGI/ (kg·kg-1) 早稻 晚稻 周年 NT 8.01±1.36a 7.22±1.19a 15.23±0.88a 6735.0±1339.3ab 0.44±0.07a CT 7.79±0.41a 8.95±1.52a 16.74±1.85a 5095.4± 752.4b 0.30±0.02b RT 8.68±0.35a 8.41±0.63a 17.09±0.92a 7788.0± 724.9a 0.46±0.04a

本研究稻田CH₄累积排放量为233.5~404.0 kg · hm^-2 · a^-1，介于Huang 等(2004)和Cai等(2000)的研究范围之内，与前人采用中期烤田的稻田研究结果相一致，但显著低于持续淹水管理方式下的研究结果(Cai，1997；Yan et al., 2005；Zou et al., 2005；Khalil et al., 2008).从作物生长季节来看，对CH₄累积排放通量贡献最大的是晚稻生长季，而晚稻季较高的CH₄排放量主要来自于生育初期的排放高峰，占整个晚稻季排放总量的77.0%~81.3%.这与以往双季稻种植体系的研究结果大体相同(Yang et al., 2010；白小琳等，2010).主要由于晚稻移栽初期新鲜秸秆的施用，加之气温较高(图 2)，有利于产甲烷菌的生长活动.

在水稻种植季，稻田N₂O累积排放量较为微弱，这与以往的研究结果相一致(Akiyama et al., 2005；Zou et al., 2005；Liu et al., 2010).尽管冬季稻田不施用任何肥料，在非水稻种植季仍可观测到大量的N₂O排放，这可能受以下几方面因素的综合影响.首先，从水稻种植季间歇灌溉条件转变为排水晒田的好氧条件，有利于土壤N₂O的产生，故在水稻收获以后的冬闲期出现较高的N₂O排放量(表 2).其次，水稻种植季淹水环境为随后的非水稻季N₂O的产生创造更为有利的土壤湿度条件(Liu et al., 2010).土壤含水量适中，通气性良好，硝化细菌和反硝化细菌活性得以提高，此时土壤硝化作用及反硝化作用都能以较高速率进行且以N₂O为主要产物.第三，当土壤水分含量下降并由湿土逐渐变为干土的短时间内，土壤颗粒孔隙增大，有利于闭蓄态N₂O的快速释放.此外，淹水条件下抑制了水稻种植季土壤有机氮的矿化，但在随后的非水稻季可以产生更多的土壤矿质态氮，有利于N₂O的产生(Bouwman et al., 2002；Yan et al., 2003；Zheng et al., 2004；Akiyama et al., 2005；Liu et al., 2010).

耕作方式通过影响土壤的物理性状、化学性质和生物学过程直接或间接地影响着CH₄和N₂O排放(Zheng et al.，2004).目前关于耕作方式对稻田CH₄排放的影响的报道并不一致.大多数研究表明，少耕或免耕会减少CH₄的排放(伍芬琳等，2008；李成芳等，2009；白小琳等，2010).他们认为耕作破坏了土壤原有结构，减少了土壤CH₄氧化程度，对未扰动土壤进行耕作可大大降低土壤CH₄汇集的强度.还有研究者报道，在不施肥条件下，免耕可以显著增加稻田CH₄排放(代光照，2009).本研究表明，NT处理双季稻种植季CH₄累积排放通量均显著高于CT处理(表 1)，主要有以下几个方面的原因.首先，免耕可以更好地维持缺氧环境而产生更多的CH₄.从图 1可以看出，在中期烤田以前，免耕处理均具有较高的田间水层覆盖，这可能与免耕条件下表层土壤相对平坦有关，从而有利于维持较为理想的淹水厌氧环境.其次，免耕处理采用秸秆覆盖的方式进行还田，而这种还田方式不利于烤田和间歇灌溉期间土壤水分的蒸发散失.有研究表明，免耕覆盖作用可减小表层土壤水分蒸发，增强地面水入渗，从而改善土壤结构，增加土壤充水空隙(Beheydt et al., 2008；李玲玲等，2005).Simona等(2004)认为土壤充水空隙是决定CH₄释放情况的重要因素之一.在一定范围内，土壤充水空隙与CH₄的释放呈正相关(Jarecki et al., 2008).此外，土壤中CH₄的释放与土壤温度呈反比关系.Ussiri等(2009)研究认为，免耕引起土壤温度降低可能在一定程度上促进了CH₄的释放.因此，免耕方式下温室气体的排放情况是由不同免耕地区的环境条件决定的，它会随着影响因素的变化而变化，只有结合当地实际情况才能对温室气体的排放做出正确的评价.

相比传统翻耕，旋耕和免耕对N₂O排放的影响结果也不一致.有些研究认为，旋耕和免耕促进土壤N₂O排放(Steinbach et al.，2006；白小琳等，2010).还有一些研究者报道，旋耕和免耕能够减少土壤N₂O排放(代光照，2009；Gregorich et al., 2008)，或者没有明显影响(Choudhary et al., 2002；秦晓波等，2014).这些结果的出现主要与N₂O排放的时空变异和不确定性有很大关系.本研究表明，不同耕作方式对稻田N₂O排放的季节变化模式无明显影响，各处理之间N₂O季节累积排放通量也没有显著差异.有研究认为，免耕对稻田N₂O排放的影响主要表现在长时间尺度上，短期试验结果并不具充分的代表性(Six et al., 2004).因此，不同耕作方式下稻田N₂O的长期潜在温室效应不能完全忽略.

本研究表明，双季稻稻田净温室气体强度(GHGI)与Qin等(2010)施用有机肥但采取中期烤田的稻田测定结果相似(0.24~0.74 kg · kg^-1 · a^-1)，但低于Li等(2006)根据DNDC模型计算的持续淹水稻田的结果(3.22 kg · kg^-1 · a^-1).农田生态系统净GHGI的大小主要与土壤固碳量、作物产量、农田向大气释放CH₄和N₂O量有直接的关系(Mosier et al., 2006；Shang et al., 2011).从短期试验来看，不同耕作方式对双季稻产量没有影响显著，但在免耕条件下CH₄排放比常规翻耕显著增加，从而导致GHGI的显著增加.相反，免耕代替传统翻耕能有效增加土壤有机碳库(表 3)，主要因为免耕减少了土壤扰动，减缓了有机碳降解，土壤团聚体结构中的碳也更趋于稳定，使得SOC含量高于传统耕作的土壤(Wright et al., 2005).因此，与CT处理相比，NT处理下净增温潜势(GWP)有增加的趋势，但是二者之间并没有显著差异.与CT处理相比，RT处理可以显著增加稻田周年净GWP和GHGI，主要与RT处理下CH₄排放增加而土壤固碳量下降有很大的关系.因此，如何减少水稻种植季CH₄排放对减缓稻田温室效应具有十分重要的作用，这与以往的研究结果相一致(Shang et al., 2011；谭雪明等，2013).然而，由于不同耕作方式对土壤固碳的显著影响，并且稻田温室气体排放会随着环境因素的变化而变化，在长期条件下稻田净GWP和GHGI如何变化还有待进一步验证.

1)在短期试验条件下，不同耕作方式对双季稻稻田CH₄排放、土壤固碳、净增温潜势(GWP)及温室气体强度(GHGI)有显著影响，但对稻田N₂O排放和双季稻产量影响不大.晚稻生长季对周年CH₄累积排放通量贡献最大，而晚稻季较高的CH₄排放主要来自于移栽至烤田期，占整个晚稻季排放总量的77.0%~81.3%.

2)与翻耕相比，旋耕处理可以显著增加稻田周年净GWP和GHGI，主要与旋耕处理下CH₄排放增加而土壤固碳量下降有很大的关系.与常规翻耕相比，免耕处理可以显著提高水稻种植季CH₄排放，从而导致GHGI的显著增加.免耕处理净GWP比翻耕增加32.2%，但二者之间并没有显著差异，主要因为免耕条件下土壤有机碳固定量比翻耕增加148.4%.因此，免耕条件下稻田固碳减排的长期效应还有待观测.