氣候變暖爲水稻生(shēng)長提供更多的光熱資(zī)源，有利于傳統單季稻蓄留再生(shēng)稻，這不僅增加水稻總産量，還可能改變單季稻田的CH₄和N₂O排放(fàng)特征及排放(fàng)強度。我(wǒ)國西南(nán)丘陵山區常年淹水稻田CH₄減排潛力大(dà)，但通過排水控排CH₄可能導緻水稻減産。覆膜栽培下(xià)連續10年的觀測結果表明：覆膜栽培較傳統栽培不僅改變稻田持續淹水的耕作舊(jiù)習，還能避免季節性幹旱帶來減産風險，保證水稻高産穩産，同時顯著減少稻季灌溉用水和CH₄排放(fàng)量60%以上；覆膜栽培提高稻季土表平均溫度約2-3℃，有利于再生(shēng)稻種植，蓄留再生(shēng)稻能增加一(yī)季水稻産量，插秧、施肥時間的提前導緻CH₄和N₂O排放(fàng)峰值也有所提前，由于再生(shēng)稻多施用促芽肥和發苗肥且延長水稻觀測期，使得CH₄和N₂O排放(fàng)總量顯著增加，但總體(tǐ)上對稻季CH₄和N₂O排放(fàng)強度影響很小(xiǎo)；就全年而言（圖1），覆膜栽培較傳統栽培顯著降低CH₄和N₂O總排放(fàng)量與總排放(fàng)強度約50%、增加經濟環境效益3684元/公頃/年，蓄留再生(shēng)稻進一(yī)步減少總排放(fàng)強度、增加産量和經濟環境效益。可見，在我(wǒ)國西南(nán)丘陵山區施行覆膜栽培以及該栽培技術下(xià)蓄留再生(shēng)稻，能有效降低CH₄和N₂O排放(fàng)總量并協同水稻豐産增效。

大(dà)氣CO₂濃度（[CO₂]）升高對全球氣候變暖具有重要貢獻。長期以來，FACE（Free-Air CO₂ Enrichment）研究認爲：[CO₂]升高會進一(yī)步促進稻田CH₄和N₂O排放(fàng)，從而加劇氣候變暖。但基于中(zhōng)國揚州江都FACE平台連續3年（稻季[CO₂]連續升高第13-15年）的田間觀測和室内模拟實驗數據發現，[CO₂]升高大(dà)幅降低CH₄和N₂O排放(fàng)，其原因是：[CO₂]升高通過促進水稻生(shēng)長增強根系泌氧能力，提升土壤氧化還原電(diàn)位，使得甲烷氧化菌增長幅度遠高于産甲烷菌增加量，從而降低CH₄産生(shēng)、增強CH₄氧化，并顯著減少土壤中(zhōng)铵氮含量，這與早期研究報道恰好相反。進一(yī)步通過全球meta分(fēn)析發現，[CO₂]升高對稻田CH₄和N₂O排放(fàng)的促進效應随着升高年限的增加顯著下(xià)降，分(fēn)别從升高年限<5年、5-10年以及>10年的增加5.6-33%、27-28%，轉爲減少18-43%。相應的，全球稻田CH₄和N₂O排放(fàng)總量從增加35-136、60-123百萬噸CO₂當量/年，變爲減少22-92百萬噸CO₂當量/年。其原因可能是（圖2）：随着[CO₂]升高年限的增加，其對水稻生(shēng)長的促進作用逐步減弱，水稻産量、地上和地下(xià)生(shēng)物(wù)量增幅顯著下(xià)降，使得水稻可提供給産甲烷菌的底物(wù)增量減少，造成産甲烷菌豐度與甲烷氧化菌豐度的比值從顯著增加轉爲顯著降低，于是導緻CH₄産生(shēng)潛力與CH₄氧化潛力的比值從增加向減少轉變；其促進水稻對氮素吸收的同時，增強了硝化能力，從而大(dà)幅減少土壤中(zhōng)的铵氮含量。這一(yī)研究發現爲氣候變化條件下(xià)準确估算[CO₂]升高對稻田CH₄和N₂O排放(fàng)的影響提供了新視角。

有機肥替代化肥是順利實現我(wǒ)國農業“減肥減藥”目标的重要手段之一(yī)，但可能促進CH₄和N₂O排放(fàng)，并帶來重金屬污染風險。通過稻麥輪作系統有機肥（生(shēng)活污泥堆肥和豬糞堆肥）部分(fēn)（25%和50%）替代化肥研究發現：25%的有機替代較單施化肥對稻季CH₄和N₂O總排放(fàng)量以及總排放(fàng)強度無明顯影響，但具有最高的水稻産量并顯著降低稻米中(zhōng)Cd含量；有機替代較單施化肥顯著降低麥季N₂O排放(fàng)量并增加小(xiǎo)麥産量，且25%的生(shēng)活污泥堆肥替代化肥顯著降低小(xiǎo)麥籽粒中(zhōng)Ni和Cd含量；就全年而言（圖3），連續3年有機替代較單施化肥顯著增加土壤有機碳含量14-20%，降低淨排放(fàng)總量115-166%，50%的生(shēng)活污泥堆肥替代化肥的總産量最高、淨排放(fàng)總量和籽粒中(zhōng)Cd含量最低，且不會造成土壤和籽粒污染以及人體(tǐ)健康風險。鑒于有機肥本身還可能含有大(dà)量Hg、As以及其他有機污染物(wù)和抗生(shēng)素等，在稻田生(shēng)态系統中(zhōng)長期施用有機肥可能存在污染和健康風險，仍需繼續加強相關研究。

水肥管理是影響稻田CH₄和N₂O排放(fàng)的關鍵因子，亦是調控土壤有機碳氮含量的重要措施。我(wǒ)國雙季稻田連續6年的研究結果表明（圖4）：晚稻收割後稻田排水翻耕較抛荒（不排水、不翻耕）顯著降低全年CH₄排放(fàng)量和綜合溫室效應約28%；排水條件下(xià)稭稈翻耕還田具有最高的土壤固碳和固氮速率、最低的淨綜合溫室效應，以及最高的水稻産量。我(wǒ)國稻麥輪作系統連續13年的研究發現（圖5）：稭稈和尿素耦合相對于不施稭稈和尿素對CH₄排放(fàng)的促進效應随着施用年限的增加先增加後有所降低，具體(tǐ)表現爲1-2年3.7倍、6-7年15.8倍、12-13年7.6倍；對N₂O排放(fàng)的促進效應随着年限的增加而持續增加3.0倍、5.2倍和17.3倍；對土壤有機碳固存速率的促進效應随着年限的增加逐漸降低，分(fēn)别爲2.7、1.6和0.4噸C/公頃/年；對土壤有機氮固存速率的促進作用随着年限的增加在第7年達到最高值，爲57千克N/公頃/年。該研究可爲我(wǒ)國雙季稻田和稻麥輪作系統土壤有機碳氮的固存及其潛力評估提供參考和借鑒。

上述系列研究針對我(wǒ)國典型單季稻田和雙季稻田，提出簡便、易行、高效的固碳減排豐産增效技術模式，爲推進我(wǒ)國稻田“雙碳目标”的順利實施提供技術手段和科學依據。相關成果得到國家重點研發項目、國家自然科學基金項目、國家自然科學基金國際合作與交流項目、農業部公益性行業（農業）科研專項以及中(zhōng)科院青年創新促進會資(zī)助，覆膜栽培方面工(gōng)作與四川省農科院土肥所合作完成。

2020年以來相關成果已發表在《Journal of Cleaner Production》、《Science of the Total Environment》、《Agriculture, Ecosystems and Environment》、《Field Crops Research》、《European Journal of Agronomy》、《Journal of Environmental Management》、《中(zhōng)國科學：地球科學》等期刊上。

圖1、覆膜及覆膜栽培下(xià)種植再生(shēng)稻對CH₄和N₂O排放(fàng)、水稻産量、排放(fàng)強度及經濟環境效益的影響

圖2、[CO₂]升高年限對稻田CH₄和N₂O排放(fàng)影響的機理機制解析概念圖

圖3、有機肥部分(fēn)替代化肥對CH₄和N₂O排放(fàng)、作物(wù)産量及土壤和籽粒中(zhōng)重金屬含量的影響

圖4、冬季排水結合稭稈翻耕還田對雙季稻田土壤有機碳氮的影響

圖5、稭稈和氮肥耦合施用年限對稻麥輪作系統土壤有機碳氮的影響