稻田温室气体观测研究的一个重要目的就是寻求切实可行并易于推广的减排措施。早期研究结果表明:稻季实施排水或改稻季秸秆还田为冬季秸秆还田等措施操作简单,减排效果良好。尽管它们在全国范围内已得到了较好推广并获得了巨大成效,但以往的减排措施相对比较单一,从而存在地域上的局限性,导致在减排的同时可能影响水稻产量,进而降低农户收入。因此,有针对性的集成多种措施是未来进一步挖掘和扩大稻田温室气体减排潜力、增加土壤固碳、保证水稻高产稳产和提高农户收入的重要途径。近年来,南京土壤所徐华研究员团队对我国南方双季稻田和西南丘陵地区的常年淹水稻田进行了系统研究,在稻田温室气体减排、土壤固碳、增加经济效益等方面取得了新进展。

针对我国南方双季区冬季降雨量较大,且晚稻收割后秸秆还田量不一致、稻田抛荒(不翻耕、不排水,来年春季插秧之前稻田才翻耕)等现状可能导致稻田温室气体排放量大的实际问题,连续整4年的结果表明:与冬季稻田不翻耕不排水相比,排水和翻耕均分别显著减少CH4排放,排水和翻耕相结合进一步减少CH4排放量;排水增加N2O排放。排水破坏产CH4的极端厌氧环境导致CH4产生受到抑制,从而降低CH4排放;翻耕明显降低了秸秆的总C含量可能一定程度上减少了产甲烷底物,进而减少CH4排放。排水有利于土壤水分急剧变化,能促进土壤中的硝化和反硝化反应,增加N2O排放;翻耕既显著降低了秸秆的总N含量、减少了参与硝化和反硝化的N的底物,又明显提高了秸秆的C/N比,导致土壤N的净固定,从而减少N2O排放。总体上,排水和翻耕均分别显著减少GWP和单位产量的GWP(GHGI),且排水结合翻耕进一步减少GWP和GHGI(Zhang et al., Atmospheric Chemistry and Physics, 2016)。进一步研究发现:冬季排水条件下,稻田翻耕且3.5 t秸秆还田时的土壤有机碳固碳速率最大、净综合温室效应最低、产量最高,此时的GHGI最小。可见,改冬季稻田抛荒为排水且3.5 t秸秆翻耕还田是双季稻作区土壤固碳减排的有效管理措施(Yang et al., Soil & Tillage Research, 2018)。

针对我国西南丘陵地区农户为解决来年春季水稻满插满栽而导致冬季蓄水形成的温室气体CH4排放通量最大的一类稻田,我们尝试改当地传统栽培(全年淹水或雨养)为覆膜栽培(冬季排水、稻季节水灌溉)并结合控释肥和硝化抑制剂施用,连续5个稻季的测结果表明:与常年淹水稻田相比,覆膜栽培显著减少了投入和GWP,并能维持高产,从而使得净生态系统经济预估值(NEEB,等于产量收入−成本投入− GWP消耗)增加了约2600~8400 CNY ha1 yr1。覆膜栽培条件下控释肥和硝化抑制剂(DCD和HQ)施用尽管能一定程度上增加水稻产量并降低GWP,但同时也明显提高了成本投入,从而使得NEEB反而减少490~960 CNY ha1 yr1。刚好相反,覆膜栽培条件下施用硝化抑制剂CP却能进一步增加NEEB约210 CNY ha1 yr1,这主要是因为相对于DCD和HQ以及控释肥,其成本投入增加量最少且GWP消耗最低。上述结果表明,覆膜栽培是一项减排增收明显的水稻种植技术,且覆膜栽培结合硝化抑制剂CP施用能进一步增加NEEB,在该地区具有推广和应用价值(Zhang et al., Agricultural and Forest Meteorology, 2018)。

为指导我国南方双季区和西南丘陵地区常年淹水稻田的温室气体减排、固碳和增效提供科学借鉴。相关研究得到了国家重点研发计划项目(2017YFD0300105),中国科学院战略性先导科技专项(XDB15020103),国家科技支撑计划项目(2013BAD11B02),国家自然科学基金(41671241;41571232;41271259),以及所知识创新工程领域前沿课题等项目资助。