覆膜栽培对水稻产量和稻田温室气体排放的影响

Effects of film-covering cultivation on rice yield components and greenhouse gas emissions in China

摘要

为探索对环境较为友好的水稻栽培方式，明确覆膜处理对水稻的增产减排效果。以东北地区覆膜水稻为研究对象，基于2022和2023年这2年的大田试验，探究覆盖生物降解膜旱直播（Drip irrigation with biodegradable mulch，BMD）、不覆膜旱直播（Drip irrigation， DI）和淹水移栽（Continuous flooding in rice paddy field， CF）共3种不同栽培方式对水稻产量特征和生长季温室气体排放的影响。结果表明：从水稻产量来看，CF处理产量最高，DI处理水稻产量比CF处理至少降低了20.78%，覆盖生物降解膜处理可显著提高不覆膜旱直播水稻的产量，至少提高21.99%（P<0.05）；从温室气体排放特征来看，水稻生长季内各处理CH₄和N₂O排放量具有相似的排放特征，呈现增大与减少交替出现的趋势，各处理的排放量峰值出现在6—7月；此外，不同栽培模式的水稻全球变暖潜势（Global warming potential，GWP）和温室气体排放强度（Greenhouse gases intensity，GHGI）的变化呈现出相似的趋势，与CF处理相比，BMD和DI均降低了GWP和GHGI。其中，以BMD处理降低幅度最大，2年降低幅度均在60%以上，在3种处理中减排效果最好。综上，BMD处理在3种处理中增产和降低温室气体排放的效果最好。本研究可为制定东北地区水稻稳产、高产并减少碳排放量的种植措施提供科学依据。

Abstract

In order to explore a more environment friendly rice cultivation method， the effects of mulching treatment on rice yield increase and emission reduction were clarified. Studies with mulched rice in Northeast China， based on a 2-year field trial in 2022 and 2023， the effects of three different cultivation methods， drip irrigation with biodegradable mulching （BMD）， drip irrigation without mulching （DI）， and continuous flooding in rice paddy field （CF）， on rice yield characteristics and greenhouse gas emissions during the growing season in the northeastern region were investigated. The results showed that： In terms of rice yield， the CF treatment had the highest yield， the DI treatment was at least 20.78% lower than that of the CF treatment. The rice yield of BMD treatment significantly was increased by at least 21.99% than that of DI treatment （P<0.05）. In terms of the greenhouse gas emission characteristics， the CH₄ and N₂O emissions from all treatments within the growing season of rice displayed similar emission characteristics， showing an increasing and decreasing trend alternately， and the emission peaks of the treatments appeared in June and July. In addition， the changes of global warming potential （GWP） and greenhouse gases intensity （GHGI） of rice in different cultivation modes showed similar trends. Compared with the CF treatment， both BMD and DI reduced GWP and GHGI. The BMD treatment had the greatest reduction level， which was more than 60% for 2 years， and had the best emission reduction effect among the three treatments. Therefore， the BMD treatment had the best effect of increasing yield and reducing GHGI among the three treatments. This study can provide a scientific basis for the development of planting measures to stabilize and increase rice yield in the northeast region while reducing carbon emissions.

Graphical abstract

关键词

水稻 / 生物降解地膜 / 产量 / 温室气体排放 / 东北地区

Key words

rice / biodegradable mulch / yield / greenhouse gas emissions / Northeast China

在气候变化剧烈的今天，全球变暖等气候变化对全球土地生产潜力具有抑制作用^［1］，对农业生产资源产生了巨大负面影响^［2］。农业活动排放的温室气体是造成气候变化的主要原因之一^［3］。水稻作为全球的主要粮食作物之一，其生产种植过程产生大量的温室气体被认为是大气温室气体最大的人为来源^［4］。气温升高影响粮食种植的频率和产量，大量温室气体的排放对气候变化产生了正向反馈，加剧了气温升高对粮食生产的负面影响^［5］。为应对这些挑战，亟需找到既不降低粮食生产，又不加剧气候变化的水稻栽培技术。

我国于20世纪70年代从日本引进了地膜覆盖技术，经过数十年的实践推广，已经能够适应于不同的生产要求^［6］。覆膜可以增加土壤含水量，从而增加土壤蓄水保水的能力。与裸地相比，覆膜还可以增加土壤渗透深度，有助于干燥土层的恢复^［7］。同时，覆膜可以有效提高农作物全生育期的平均土壤温度，改善土壤环境，促进作物生长^［8］。另外，农作物覆盖处理可以通过影响土壤特性^［9］和土壤养分^［10］来影响农作物产量。地膜覆盖会改变细菌群落的多样性，进而影响甲烷和氧化亚氮的排放，从而抑制农田温室气体排放强度^［11］。虽然地膜覆盖技术有许多的积极作用，但由于聚乙烯地膜在自然环境下难以被降解^［12］，大量残留在农田里，导致农田塑料污染，该污染已成为影响区域农业生产可持续发展的重大阻碍^［13］。生物降解地膜具有在自然条件下可降解的特点，因此已有研究利用生物降解地膜作为聚乙烯地膜的替代品，从而降低农田塑料污染^［14］。

已有研究表明在南方稻作区覆膜旱直播水稻的温室气体排放通量可比淹水移栽水稻减少45%以上^［15］，可以达到减排的效果^［16］。另外，覆膜水稻可比常规淹水水稻实现增产18%以上^［17］，但在江苏的试验中又显示覆膜可导致水稻减产^［18］。因此，覆膜旱直播水稻相对于淹水移栽水稻能否增产仍然存在差异，覆膜旱直播的作用需要进一步论证。已有研究大多数聚焦于南方稻作区，且大都是覆盖普通聚乙烯地膜，而北方稻作区，特别是粳稻区面积广阔，大多采用传统的淹水移栽种植方式，水资源压力巨大，对于东北粳稻区覆生物降解膜旱直播、不覆膜旱直播和淹水移栽水稻的研究比较匮乏。因此，为探索对环境较为友好的水稻栽培方式，明确覆膜处理对水稻的增产减排效果，本研究拟以东北粳稻区为研究对象，采用覆盖生物降解地膜和不覆盖地膜旱直播的栽培方式，同时与传统淹水移栽水稻做对比，探究覆膜处理对水稻的增产减排效果。采用大田试验的方法，设置覆盖生物降解膜旱直播（Drip irrigation with biodegradable mulch， BMD）、不覆膜旱直播（Drip irrigation， DI）和淹水移栽（Continuous flooding in rice paddy field， CF）共3种处理，探究其对水稻产量特征和生长季温室气体排放的影响，以期为东北地区水稻稳产、高产，同时减少碳排放量的种植措施提供科学依据。

1　材料与方法

1.1　试验地概况

试验地点位于内蒙古自治区兴安盟东北部的扎赉特旗。试验地处于大兴安岭脉、呼伦贝尔高原和松嫩平原的交界处，地势由西北向东南逐渐降低，较为平缓。境内有大小河流74条，河流总长度达到1 209 km，流域面积21 456 km²，水资源丰富，为水稻种植提供了条件。试验地属于温带大陆性季风气候，降雨集中在7—8月，雨热同期。该地区日照充足，年内温差较大，平均气温约为4 ℃，年降水量550 mm左右，无霜期125~135 d，其气候条件能够满足水稻正常生长需要。

1.2　试验设计

按照完全随机区组设计，设置3个处理：1）淹水移栽水稻（Continuous flooding in rice paddy field，CF），水田自移栽至收获前2周保持田间地上有2 ~ 4 cm水层；2）不覆膜旱直播（Drip irrigation， DI），水稻种子不经育苗和插秧等环节，在旱整地条件下进行机械直播，结合浅埋滴灌水肥一体化技术，全生育期不建立水层，根据水稻对水分的需求规律进行补充灌溉；3）覆盖生物降解膜旱直播（Drip irrigation with biodegradable mulch， BMD），在旱直播滴灌的基础上覆盖全生物降解地膜。3个处理均使用机械移栽或播种。水稻品种为保农5号，生育期约为140 d。生物降解膜为黑色，主要材质为聚己二酸对苯二酸丁二醇酯（PBAT），符合国家性能标准。每种栽培模式采用3个重复，面积为9.9 m×10.0 m。

水田于5月中旬移栽，9月下旬收获。旱田于4月下旬播种，9月下旬收获。根据当地生产工艺，所有处理施用尿素（120 kg/hm²，以N计）、过磷酸钙（50 kg/hm²，以P₂O₅计）、氯化钾（75 kg/hm²以K₂O计）。其中，50%氮肥、全部磷肥、50%钾肥作为底肥，剩余氮肥按照分蘖∶促花∶保花=25%∶10%∶15%的比例配合灌溉施加，其余的钾肥配合氮肥在促花期配合灌溉施加。此外，在灌浆期喷施叶面肥促进早熟。农药使用量保持一致。试验期间，田间耕作、病虫害防治、杂草控制及休耕等农田操作均与当地农民的管理措施保持一致。

1.3　样品采集

气体样品采集。采用静态箱-气相色谱法收集水稻生长期间的温室气体通量。静态箱由PVC材料制成（底座和箱体），箱体内部配有循环风扇和数字温度计。采用为40 cm×75 cm×110 cm规格的静态箱。在每个小区中，幼苗生长均匀、距离边界2 m的测量地点永久固定一个带有5 cm凹槽的PVC底座。此外，在室内底座下的四个楔子被插入到15 cm深的土壤中。气体采样时，将箱体放置在底座凹槽内，槽内充水密封腔室，保证气密性。在测量点旁边安装了一条木板路，以防止对农田生态系统的干扰。从上午9：00—11：00，每隔10 min（封闭后0、10、20和30 min）采集气体。同时记录了静态箱室内的温度。在播种后，每隔7 d采样一次，直到水稻收获。采集的气体样品经过气袋从田间转移回实验室，并转移至真空瓶内。气体样品浓度通过使用带有电子捕获检测器（ECD）和氢火焰离子化检测器（FID）的气相色谱仪测定。

水稻产量及产量要素。水稻成熟后，在每个试验小区中随机选取长势均匀且具有代表性的8穴稻株，确定穗数及穗粒数。其中，穗粒数区分瘪粒和实粒。然后，全部收割小区内的样方，自然晒干，测量其产量（实际含水量14%）及千粒重。

1.4　计算方法

土壤CH₄和N₂O的排放通量用以下公式计算：

F=\rho \times \frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}c}\times \frac{V}{A}\times \frac{\mathrm{273}}{\mathrm{273}+T}(1)

式中：F为CH₄或N₂O的排放通量，mg/（m²·h）；ρ为标准状态下CH₄或N₂O的密度，kg/m³；dc/dt为单位时间内气体浓度变化量，mg/h；A为采样箱底座的面积，m²；V为采样箱的体积，m³；T为采样箱内气温，℃。

土壤CH₄和N₂O的温室气体累积排放量用以下公式计算：

M=∑[(F_n+1+F_n )×0.5×

(t_n+1-t_n )×24×0.01](2)

式中：M为测定时期内温室气体累积排放量，kg/hm²；F为温室气体排放通量，mg/（m²·h）；n 为采样次数；t_n+1-t_n 为2次采样之间的间隔天数。

水稻的全球变暖潜势（GWP）由土壤甲烷和氧化亚氮排放的CO₂当量之和计算为：

GWP=M（甲烷）×27+

M（氧化亚氮）×273(3)

式中：GWP为全球变暖潜势，kg/hm²；M（甲烷）为甲烷累计排放量，kg/hm²；M（氧化亚氮）为氧化亚氮累计排放量，kg/hm²。27和273为100年期间CH₄和N₂O对GWP的贡献倍数。

温室气体排放强度（GHGI）采用以下公式计算：

GHGI=GWP/Y(4)

式中：GHGI为生产单位水稻的温室气体排放，kg/kg；Y为水稻产量，kg。

1.5　数据处理

用Excel 2021整理和计算田间试验的原始数据，统计分析则采用SPSS 27，不同处理之间均值的显著性差异使用单因素方差分析比较，均值之间的差异使用最小显著性差异检验。P<0.05表示差异显著。

2　结果与分析

2.1　覆膜对东北水稻产量及产量构成的影响

2022—2023年试验小区的考种测产情况汇总如图1和2所示。可见水稻不同覆膜栽培下的产量特征表现出一定的差异性。由图1（a）可见∶在有效穗数方面，2年间，BMD处理单位面积有效穗数最多，DI处理次之，最高分别为738穗和652穗，且处理间没有显著性差异（P<0.05）；CF处理的穗数最少，为317穗；在2023—2022年，实行旱地管理用滴灌带进行灌溉的DI和BMD处理比淹水移栽水稻CF处理的单位面积有效穗数提高了66.25%以上，此外，覆生物降解膜BMD处理可比不覆膜DI处理最多提高40.04%的单位面积有效穗数，2年试验结果趋势相同。因此，水稻旱直播能提高水稻单位面积有效穗数，且以覆生物降解膜提高效果最佳。由图1（b）可见∶与有效穗数相反，在穗粒数方面，淹水移栽水稻种植要显著优于旱直播水稻种植（P<0.05）；淹水移栽水稻CF处理比旱地管理的DI和BMD处理的穗粒数最高可提高78.69%。2年试验中CF处理的穗粒数最多，可达109粒；BMD次之，DI最少，且BMD与DI处理间无显著性差异（P<0.05）。可见覆膜与不覆膜，对穗粒数的影响较小。由图1（c）可见∶结实率方面2年间略有不同，2022年CF处理与DI处理具有显著差异性（P<0.05），二者与BMD处理均无显著性差异（P<0.05），2023年各处理间都没有显著性差异（P<0.05）。可见旱直播与淹水移栽、覆膜与不覆膜，对水稻结实率的影响结果没有较强的规律性，影响效果并不强烈。由图1（d）可见∶在4种不同覆膜栽培的水稻中，对千粒重的影响与穗粒数的影响上存在类似的规律，且水稻移栽种植要显著优于旱直播种植（P<0.05）。

由图2可见∶在产量方面，2年间CF处理产量都最高，最高达到了8 820 kg/hm²，与BMD处理之间不存在显著差异性（P<0.05），DI处理的产量最低，最低为6 375.5 kg/hm²；DI处理水稻产量比CF处理至少降低20.78%，覆膜可显著增高旱直播水稻的产量，至少提高21.99%（P<0.05）。因此，覆生物降解膜处理可显著提高旱地管理水稻的产量。

2.2　覆膜对东北水稻生长季温室气体排放特征的影响

2.2.1　水稻生长季甲烷排放特征

在2022—2023年不同栽培方式下的水稻CH₄排放变化规律见图3。总体而言，在淹水移栽水稻移栽后和旱直播水稻播种后，3种不同栽培方式水稻的CH₄排放通量都存在着先上升，在6月和7月达到峰值，随后下降，最后趋于平缓的现象。其中∶DI和BMD处理比淹水CF处理的峰值要小，且起伏相对平缓。由图3（a）可见2022年CF处理存在2个峰值，DI和BDM处理存在3个明显的峰值。由图3（b）可见2023年各处理均在6月和7月出现3个峰值，这与2023年降雨充沛有关。降雨和间歇灌溉会导致CH₄排放存在波动。在水稻整个生长期间，CH₄排放通量主要在CF处理条件下最高，且峰值也最大，其CH₄排放通量为0.21~35.16 mg/（m²·h）。DI和BMD处理的CH₄排放通量为0.04~12.40 mg/（m²·h）和0.03~9.48 mg/（m²·h），远小于CF处理，差异显著。当水稻生长期间降雨或灌溉时，不同覆膜栽培的CH₄排放通量均产生一定的波动。由于BMD处理采用的是生物降解地膜覆盖，其在水稻生长季后期进入大裂期，因此BMD、DI处理在水稻生长季后期CH₄排放通量没有显著性差异。

2.2.2　水稻生长季氧化亚氮排放特征

在水稻生长季，采用不同覆膜栽培的水稻的N₂O排放通量存在差异。总体来说，N₂O排放呈现先增大后减少的趋势见图4。BMD和DI处理的N₂O通量在整个生长季都很高。与CF处理相比，BMD和DI处理增加了N₂O排放量。不同覆膜栽培的水稻在整个生长季中出现了3个N₂O排放通量峰值。由图4（a）可见2022年各处理在7月上旬N₂O排放通量峰值最高。由图4（b）可见2023年各处理在6月下旬N₂O排放通量峰值最高，这主要是因为追施氮肥的时间不同导致的现象。2022年各处理23年各处理的峰值出现了错峰现象，23年各处理的峰值比22年各处理提前10 d左右。这是由于23年比22年降水增多，各处理水稻长势旺盛，进行了提前追肥所导致的。由于水田长期处于淹水状态，CF处理下的稻田N₂O排放通量较低，而DI和BMD处理使稻田处于干湿交替的状态，稻田N₂O排放通量较高。在水稻生育后期，CF处理的N₂O排放通量先降低后升高，而DI和BMD处理则逐渐降低。在2年间，CF处理的N₂O排放通量范围为19.35~165.03 µg/（m²·h）；DI和BMD处理的N₂O排放通量范围分别为26.84~259.53 µg/（m²·h）和33.99~201.60 µg/（m²·h）。在6月中旬之前和8月中旬之后，DI和BMD处理的N₂O排放通量明显高于CF处理。在8月中旬后，由于生物降解地膜进入大裂期，BMD处理与DI处理之间无显著性差异。

2.3　覆膜对东北水稻稻田累积温室气体排放量的影响

2.3.1　稻田甲烷和氧化亚氮累积排放量

由图5（a）可见水稻不同覆膜栽培对生育期CH₄累积排放量的影响存在显著差异。CF处理下水稻CH₄平均累积排放量最高，最高可达556.75 kg/hm²；BMD处理下水稻CH₄平均累积排放量最低，最低约为126.29 kg/hm²。相较CF处理，DI和BMD处理显著降低了CH₄累积排放量（P<0.05），可降低57.46%和67.14%以上，且DI与BMD之间存在显著性差异（P<0.05）。

由图5（b）可见水稻不同覆膜栽培对生育期N₂O累积排放量的影响也存在显著差异。与对CH₄累积排放量的影响结果不同的是，CF处理下水稻N₂O平均累积排放量最低，最低约为1.52 kg/hm²；BMD处理下水稻N₂O平均累积排放量最高，最高可达2.46 kg/hm²。相较CF处理，DI和BMD处理显著增加了N₂O累积排放量（P<0.05），依次最少增加了37.48%和46.46%，且在2023年和2022年DI处理与BMD处理之间不存在显著性差异（P<0.05）。

2.3.2　稻田对全球增温潜势与温室气体排放强度的影响

由图5（c）可见不同覆膜栽培的水稻田的全球增温潜势（GWP）与CH₄累积排放量具有类似的趋势，这是因为水稻生长季GWP的影响主要来自CH₄累积排放量。CF、DI和BMD处理CH₄累积排放量对GWP的贡献率分别在96.85%、88.07%和83.55%以上。相较CF处理，DI和BMD处理显著降低了GWP（P<0.05），依次可降低60.00%和68.66%以上，BMD处理降幅最高，DI处理降幅最少。且各个处理之间均存在显著性差异（P<0.05）。CF处理下水稻GWP最高，BMD处理下水稻GWP最低。

由图5（d）可见根据产量与全球增温潜势的数量关系，计算得到不同栽培方式的水稻温室气体排放强度（GHGI），各个处理之间均存在显著性差异。与CF处理相比，DI和BMD处理在水稻生长季的GHGI均显著降低（P<0.05），分别可降低49.08%和67.41%以上，BMD处理的降幅最大。因此，BMD处理温室气体排放强度最低，在试验的3种处理中，对气候变化影响的程度最小。

3　讨 论

将水稻种子直接播种，在水稻生育期内不进行大水淹灌而是实行在作物生长需水期灌溉的旱地水分管理。这样的灌溉变化可以通过影响土壤水热气，进而影响水稻的生长发育，最终影响水稻产量。在本研究中，产量最高的依然是传统淹水移栽水稻CF处理，最低的是DI。覆生物降解膜BMD处理显著增加了旱直播水稻的产量，本研究的结果与付旭坤等^［19］在东北地区的研究结果类似，其设置的覆膜处理也可以增加20%以上的不覆膜旱直播水稻产量。这可能是由于覆膜的作用，使其在水稻生育前期比不覆膜旱直播可对水稻提供更适宜的土壤温度和土壤水分^［20］，保证了水稻分蘖，促进了水稻根的生长发育，为后续水稻积累干物质提供了强大的根系支撑^［21］。使其产量与CF处理的产量不存在显著性差异，保证了水稻产量的稳定。在祁通等^［22］的水稻覆膜试验中，覆膜仅可提高产量10%左右，与本研究结果有所差异。究其原因是该研究的试验地点为浙江，该地水分充足，温度较高，导致覆膜增温增产的效果不明显^［23］。

淹水移栽水稻是农业温室气体排放量巨大的原因之一，降低水稻田温室气体排放对农业温室气体减排具有重大意义^［24］。与水田C F处理相比，旱地管理的DI和BMD处理甲烷排放量在整个生育期中都较低，这是由于旱地实行关键生育期滴灌带补充水分^［25］，在整个生育期内土壤长期处于通气状态，产甲烷菌活动不剧烈。而CF处理水层长期存在，促进了稻田甲烷排放相关微生物的活动，导致甲烷的大量排放^［26］。稻田氧化亚氮排放量在七月中旬较高，原因可能是此时水稻正要进入关键生育期^［27］，需要追施氮肥来为孕穗提供营养，从而增加了土壤氮源，进而造成了氧化亚氮排放量的增高^［28］。旱地管理的累积氧化亚氮排放量要高于水田管理，主要是因为旱地土壤通过滴灌带进行水分管理，增加了土壤的干湿交替，促进了土壤碳氮循环，增强了土壤氮素硝化反硝化作用。

在本研究中，与CF处理相比，BMD处理可以显著降低累积甲烷排放量，但会增加累积氧化亚氮排放量，但经过综合计算，其显著降低了GWP。Tian等^［29］通过模型耦合证明水稻旱直播处理可在东北地区降低60%~70%的CH₄排放量，从而降低稻田温室效应，这与本研究结果一致。水稻旱直播种植可让土壤表面形成干湿交替状态，相较于常规淹水稻田，可显著降低稻田温室气体排放，这与Sriphirom等^［30］的研究也相吻合。为了体现各处理在不降低产量的前提下减少温室气体排放的能力，本研究引入计算了GHGI。GHGI将稻田产量考虑进来，综合衡量农田温室效应和产量，反应了农田单位产量下温室气体排放量，更准确地反应了农田温室气体排放强度。BMD处理可将稻田GHGI降低66%以上，是3种处理中最符合绿色发展的水稻栽培方式。

4　结 论

为探索对环境较为友好的水稻栽培方式，本研究以东北地区覆膜水稻为研究对象，通过覆生物降解膜旱直播、不覆膜旱直播和淹水移栽3种不同栽培方式的水稻大田试验，测定水稻生长季的温室气体排放和产量，研究覆膜对水稻生产的影响。主要结论如下∶

1）CF处理产量最高，与BMD处理之间不存在显著差异性，覆膜可显著提高旱直播水稻的产量，至少提高21.99%；

2）CF处理CH₄排放通量波动较大且日排放量较高，DI和BMD处理波动较小日排放量也较低，N₂O排放通量情况与CH₄相反。相较于CF处理，BMD处理可以最大程度降低稻田CH₄累积排放量增加N₂O累积排放量；

3）稻田GWP和GHGI与CH₄累积排放量具有类似的趋势，3种处理中BMD处理最大程度降低了GWP和GHGI，均可降低60%以上，减排效果最好。

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基金资助

国家重点研发计划(2021YFD1700704)

内蒙古自治区科技计划(2023YFHH0099)