赵清竹， 高 峰， 曹铁华， 辛贵民， 王天龙， 傅民杰*

(1.延边大学 农学院，吉林 延吉 133002；
2.吉林省松原市气象局，吉林 松原 138005；
3.吉林省农业科学院，吉林 长春 130000)

东北地区为我国粳稻的重要产区，独特的气候与水土资源使得该区生产的稻米品质优、口感好，闻名全国。然而由于该区域多为冷凉区，生育期短，积温少，前期升温慢，中期高温持续期短，后期降温快，低温冷害时有发生，导致水稻产量不稳，产量潜力发挥不足，甚至在冷害严重年份可造成水稻减产20%以上[1-3]。因此，如何在稳产前提下实现增产增收一直是冷凉区稻作生产关注的焦点[4]。耕作方式、水肥管理措施均会影响水稻生产，但近十几年片面依赖旋耕和肥料投入导致了土壤耕层变浅、肥力失衡，严重影响了水稻生产效益及农业生态。研究表明，栽培模式及田间管理措施对水稻产量有明显影响，同时也是影响温室气体排放的关键[5-6]。旋耕及浅耕导致犁底层上升、有效耕层变薄、抑制根系生长，根系难以吸收深土层养分，造成水稻生育后期倒伏以致减产[7-8]。间歇灌溉可提高水分利用率，有效防止倒伏，增产增收且减少耗水量[9-10]。氮肥施用量与施用比例为作物产量关键因素，对水稻产量具有重要影响，适时适量施肥对稳产、增产具有积极影响[11-13]。水分与养分在作物生育过程中相互制约，水肥耦合技术在灌溉与施肥方式上合理配合，以水促肥、以肥调水，从而可达到增产、稳产的目的[14-15]。农业温室气体(CO2、CH4和N2O)对温室效应的总贡献率达到80%，人类活动是关键因子[16]。水稻田是主要的农业用地，对温室气体排放有重要贡献。迄今为止，关于冷凉稻作区土壤耕作与水肥耦合研究少有报道。该研究以冷凉区气候条件为前提，将耕作措施与水肥管理措施进行组合，分析耕作与水肥耦合措施对水稻产量及生态效应的影响，探究适宜冷凉区水稻种植的栽培模式，以期为北方水稻种植提供有效抗逆丰产的栽培措施及理论依据。

1.1 试验地概况

试验地点位于吉林省延边朝鲜族自治州龙井市延边大学农学教学试验基地(129°48′E，42°21′N)，属于中温带大陆性季风气候区，年平均气温为5.6 ℃，极端最低气温-34.8 ℃。年平均降雨量549.3 mm，年平均日照时数2 429.1 h，5月初～7月下旬容易出现低温，试验地土壤为草甸型水稻土，其基本理化性质见表1。

表1 试验地基本理化性质

常规施肥：N∶P2O5∶K2O(130∶70∶80)，氮肥：基肥75%+返青肥10%+分蘖肥10%+穗肥5%，磷肥和70%钾肥做底肥，30%钾肥做分蘖肥施用。

减氮施肥：N∶P2O5∶ K2O(110∶70∶80)，氮肥：基肥75%+返青肥10%+分蘖肥10%+穗肥5%，磷肥和70%钾肥做底肥，30%钾肥做分蘖肥施用。

增氮施肥：N∶P2O5∶K2O(150∶70∶80)，氮肥：基肥75%+返青肥10%+分蘖肥10%+穗肥5%，磷肥和70%钾肥做底肥，30%钾肥做分蘖肥施用。

常流水灌溉：插秧后保持常流水灌溉(5～10 cm)，生育期无晒田，9月8日断水。

耐冷灌溉：返青期水深保持至苗高2/3；
分蘖期水深<5 cm；
有效分蘖终止期排水晒田4～5 d；
随后灌溉保持水深7～10 cm；

抽穗前15 d开始保持水深>15 cm；
抽穗期～黄熟期水深保持1～3 cm。9月8日断水。

1.2 试验设计与田间管理

水稻品种选用适宜当地种植的香型优质中晚熟品种吉宏6号。秧龄35 d，5月25日移栽，行距×株距为30 cm×17 cm，每穴3株苗，9月27日收获。试验共设置4种耕作与水肥耦合管理措施组合模式，每种模式设置3次重复，每次重复面积不低于300 m2。各模式具体信息见表2。其中，对照(CK)为当地农户常规采用的栽培模式。稻田病虫草害防治措施均采用农户常规方式。

表2 耕作、水、肥措施组合模式

1.3 测定项目

1.3.1 水稻农艺性状调查与测定

水稻农艺性状调查指标包括株高、叶龄、分蘖数及叶色(SPAD值)，各模式每个重复定点调查5穴。自6月4日开始每15 d调查1次。同时自6月19日开始，每15 d取样1次调查水稻地上干物质重及叶面积。各模式每个重复在每次取样时选择具有代表性的稻株3穴，除去根部，分为叶、茎、穗(抽穗后)分别测定。干物质测定时先105 ℃杀青30 min，再80 ℃烘干至样品恒重，冷却至室温后测重。

1.3.2 产量及构成因素测定

在水稻成熟后各模式每个重复分别取2穴，用于测定产量构成要素(有效穗数、穗粒数、结实率及千粒重)。同时,各模式取3个连续20穴测定实际产量(按14%标准水分折算)。

1.3.3 温室气体采集与测定

温室气体采集与测定采用静态暗箱-气相色谱法。静态暗箱材质为PVC圆柱管，分为3部分，箱体外径25.0 cm(箱壁厚2 mm)，高50.0 cm。箱盖内径25.3 cm，高5 cm，可嵌套在箱体上。为防止漏气，接口部分用胶带密封。箱盖上安装数显温度计、采气阀和电源接头，箱盖内安装风扇，以确保采样时箱内气体浓度均匀。另取一份箱盖材料，将其顶部切割出内径24.8 cm的圆孔(孔径与箱体内径相同)，将其提前安置于稻田采气点，作为箱底，每次采样时，将箱体固定于箱底上，防止对土壤扰动，影响试验结果。

样品采集时，各模式设3次重复，各箱体间距2 m以上。每隔10 d采样1次，采样时间为上午9:00-11:00，每次采样时长为30 min，即在30 min时间段内每隔15 min(0、15和30min)用密封性能良好的注射针管通过采气阀从箱中抽取30 mL气体，注入棕色真空气体采集瓶(容量为30 mL)，每箱共采集3个气体样品，低温保存，运回后完成室内测定。同时，记录水深、水面上箱体高度、箱内温度、土壤不同深度温度[0 cm(T0)、地下5 cm(T5)、地下10 cm(T10)]以及空气温度。

气体样品测定采用岛津2010型(日本SHIMADZU)气相色谱仪。每个样品分别测定计算CO2、CH4和N2O浓度。CO2检测器FID，检测器温度200 ℃，柱温35 ℃，载气流速400 mL/min；
CH4检测器FID，检测器温度180 ℃，柱温75 ℃，载气流速400 mL/min；
N2O检测器ECD，检测器温度300 ℃，柱温65 ℃，载气流速400 mL/min。

土壤表面温室气体(CO2、CH4和N2O)通量采用如下公式计算：

式中，F为单位时间单位面积静态箱内某一温室气体的质量变化；
ρ为标准状态下被测气体的密度；
V为箱内气体体积；
A为箱子覆盖面积；
P为采样点的大气压；
T为采样时的绝对温度；
P0和T0分别为标准状态下的标准大气压和绝对温度；
dc1/dt为采样时气体浓度随时间变化的直线斜率。

1.4 数据统计与分析

数据统计与分析均应用SPSS 20.0软件包，模式间各测定指标的差异显著性采用单因素方差分析法(One-way，ANOVA)，多重比较采用Duncan法。文中图表制作采用Excel 2003。

2.1 不同栽培模式对水稻生育动态的影响

由表3可知，水稻分蘖期各栽培模式水稻株高无显著差异，但自拔节期(7月19日)开始株高长势呈现显著差异，其中，T3与CK模式的株高相似且显著高于T1。水稻抽穗后(8月18日)4种模式株高109.5～118.6 cm，其中，CK模式的水稻最高，T1与T3次之，T2模式最低。

表3 4种栽培模式水稻农艺性状

4种栽培模式除7月4日与8月3日外，各测试期叶龄差异显著，T1、T2与T3模式叶龄增长速率均高于CK模式，其中，以T3模式最为明显，表现出生长优势。

不同模式水稻茎蘖动态均随着生育进程表现出先增加后降低的变化趋势。7月19日4种模式水稻分蘖数均到达峰值。末次调查结果显示T3模式分蘖数最多，T2与T1次之，CK分蘖数最少。CK、T1、T2与T3各模式成穗率分别为65.9%、67.1%、68.6%和68.4%，可见传统农户栽培模式下水稻无效分蘖较多，成穗率偏低。

移栽初期(6月4日)T2 模式水稻叶片SPAD值较高，返青较快，中期各模式叶绿素值无显著差异。末次调查结果显示，T1、T2与T3叶绿素值均高于CK，表明T1、T2和T3模式叶片衰老速度相对较慢，为高产打下基础。

叶面积指数4个模式均呈先升高后下降趋势，8月3日各模式均达生育期叶面积指数最高值。但测试末期各模式叶面积指数未呈现显著差异。4种栽培模式地上部干物质积累量随着生育进程的推进而逐渐增加，分蘖期(7月4日)开始地上干物质积累速率明显增快，黄熟期(9月18日)达测试期干物质积累最高值。黄熟期地上干物质积累量以T3模式最高，T2，T1和CK模式显著低于T3。

2.2 不同栽培模式对水稻产量的影响

由表4可知，与CK相比,其它3种栽培模式理论产量均有不同程度提高，其中T3模式产量最高，T2与T1次之。T1、T2与T3模式理论产量分别为9 783.0、11 394.6和11 827.0 kg/hm2，分别较CK提高9.4%、27.5%和32.3%。T1、T2与T3模式理论实际分别为8 792.7、9 484.0和9 770.8 kg/hm2，分别较CK提高8.3%、16.8%和20.4%。水稻产量构成因素中，每穴穗数与每穗实粒数的差异为增产主要原因，其中，T1、T2与T3模式每穴穗数较CK分别增加12.1%、19.0%和29.3%；
每穗实粒数较CK分别增加3.1%、10.2%和7.9%。

表4 4种栽培模式水稻构成因素及产量Table 4 Yield components and yield of four modes in rice cultivation

2.3 不同栽培模式对稻田土壤CO2排放通量的影响

由图1可知，水稻整个生育期中CO2均为正排放。4种模式CO2季节性排放动态趋势表现基本一致，均表现出双峰模式，且具有明显的季节性排放特征。缓苗期各模式CO2排放通量较低且无显著差异，分蘖期4种模式CO2排放通量开始出现差异性。4种模式首个排放高峰发生在分蘖期(7月4日)，CK与T1模式同为当地农户水肥模式，排放通量为323.7 mg·m-2·h-1与452.2 mg·m-2·h-1，明显高于T2(82.5 mg·m-2·h-1)与T3(137.9 mg·m-2·h-1)模式。可见，当地农户施肥模式明显提高了水稻分蘖期CO2排放量。各种模式第2次排放高峰均在黄熟期，黄熟期排水后(9月16日)达到排放高峰后又迅速下降。生育后期(9月6日～9月27日)4种栽培模式CO2排放通量间无显著差异。

图1 生育期4种栽培模式CO2排放通量变化

2.4 不同栽培模式对稻田土壤CH4排放通量的影响

由图2可知，各模式全生育期CH4排放动态表现不同。其中，CK模式CH4排放通量最高值出现在水稻生育前期(6月14日)，缓苗期～分蘖中期(6月4日～7月4日)CK模式CH4排放通量多显著高于其他3种模式，且此后一直处于较低排放水平，未出现明显排放高峰。T1、T2与T3模式CH4排放均呈现3峰模式，且T1与T3模式CH4排放趋势较为相似，3次排放高峰分别依次出现在分蘖初期(6月4日)、拔节孕穗期(7月25日)与收获期(9月27日)。T2模式首次与第2次排放高峰与T1、T3一致，而末次排放高峰出现在乳熟期(8月16日)， 且T2模式乳熟期(8月16日～8月27日)一直维持在较高排放水平，明显高于其它3个模式。可见，T2模式明显增加了乳熟期CH4排放通量。黄熟期(9月16日)～收获期(9月27日)4种模式CH4排放通量均接近零排放。

图2 生育期4种栽培模式CH4排放通量变化

2.5 不同栽培模式对稻田土壤N2O排放通量的影响

整个测试周期4种模式稻田N2O排放通量变化格局表现不同，生育初期4种模式N2O排放通量差异较小，随着水稻生育进程的发展，开始出现较大波动，且无明显规律性(图3)。其中，CK模式N2O排放呈3峰模式，首次峰值出现在分蘖中期(6月24日)，达25.4 μg·m-2·h-1；
第2次峰值发生在分蘖末期(7月14日)，达29.6 μg·m-2·h-1；
末次峰值出现在黄熟期，达13.9 μg·m-2·h-1。T1模式生长季N2O排放趋势呈双“W”形式，无连续性上升或下降，但测试末期N2O排放通量较前期呈上升趋势，最高排放通量出现在收获期(9月27日)，达30.8 μg·m-2·h-1。T2模式N2O排放通量呈明显3峰模式，首次与末次排放峰出现时期与CK相同，第2次排放峰值出现在拔节孕穗期(8月5日)。T3模式N2O整个测试期无负排放，也是波动最小模式，波动范围1.7～22.0 μg·m-2·h-1。

图3 生育期4种栽培模式N2O排放通量变化

2.6 不同栽培模式3种温室气体累计排放量

由图4可知，尽管4种栽培模式间CO2累计排放量无显著差异。但T1、T2和T3栽培模式CO2累计排放量较CK分别提高9.4%、26.4%和2.3%。T1、T2和T3栽培模式CH4累计排放量较CK分别提高-6.7%、12.2%和-17.6%。T1、T2和T3栽培模式N2O累计排放总量较CK分别提高51.0%、78.8%和63.1%。其中，CK与T1同为农户水肥模式，可见相同水肥施肥条件下，深翻耕作会提高稻田 CO2和 N2O温室气体生育期累计排放量。T2与T3为相同的深翻与灌溉模式，但施N量不同，此2种模式的温室气体排放量不同，说明施N肥也同样影响3种温室气体排放。另外，除T1与T3模式CH4积累排放量外，生育期T1、T2和T3模式3种温室气体累计排放量较CK均有所增加。

图4 水稻生育期4种栽培模式的3种温室气体累积排放通量

3.1 栽培模式对水稻生育期农艺性状的影响

生育期农艺性状是评价水稻生长的重要指标，且与产量关系密切。如胡远富[17]研究发现，水稻高产需增加分蘖及加深中后期叶色。物质积累与分配过程是水稻产量形成的实质，提高生物量是实现水稻高产栽培的主要途径，且干物质积累量与产量呈显著正相关[18-19]，凌启鸿等[20]也发现，提高产量的关键在于提高抽穗至成熟期的物质积累。该试验结果显示，T1、T2和T3模式与CK相比，显示出生育性状优势，具体表现为叶龄增长速率快，茎蘖数峰值与成穗率高，叶片衰老速度慢，测试末期叶面积指数值也相对较大，且较高干物质积累量为产量的增加奠定了基础。

3.2 栽培模式对水稻产量及构成因素的影响

产量构成因素间相互协调是水稻获得高产的关键[21]，有研究认为，水稻产量随有效穗数和穗粒数增加而增高[22]。该研究结果显示，T1、T2和T3栽培模式与当地传统农户栽培方式(CK)相比，产量均有明显增加，但增产幅度有所差异。这3种模式增科的主要原因在于增加单穴有效穗数与每穗实粒数(表4)。CK与T1模式同为农户施肥灌水方式，但T1模式为深翻栽培，产量比CK增长9.5%。深翻加深了稻田耕作层，促进了水稻根系的生长，使地上部植株生长健壮[23]。孔祥胜研究结果也表明，深耕促进了水稻产量的提高[24]。施肥与灌水模式为水稻增产、稳产关键技术[25]，该试验T2与T3模式在深翻措施基础上对施肥与灌水模式进行了调整，且产量也随之增长。水稻对氮肥需求量最大，并且延边地区7月中旬后容易出现低温冷害天气，造成减产，该研究发现，深翻和施肥、灌溉措施耦合可有效促进水稻生育前期早生快发，中期晒田减少无效分蘖，并且深水灌溉措施在低温时期可稳定土壤温度，使水稻免于低温天气影响，起到稳产作用。

3.3 不同栽培模式对稻田土壤3种温室气体季节性排放的影响

CO2生长季排放通量与作物生长有关，并且受植物根系呼吸作用的影响。一方面，植物通过光合作用固定大气中的CO2,另一方面，植物和土壤的呼吸作用向大气释放CO2。土壤表观呼吸主要来自于植物根系的自养呼吸和根际呼吸，以及土壤有机碳的异养分解[26-27]，是稻田土壤CO2排放主要途径。周群研究了2个水稻品种不同栽培模式稻田CO2排放通量变化趋势，结果显示2品种间变化趋势不同，但单个品种不同栽培模式间CO2排放通量变化趋势基本一致[28]。该研究发现，4种栽培模式稻田CO2排放通量变化趋势极为相似，说明稻田CO2排放通量变化趋势受季节性变化影响，但不同耕作措施和水肥耦合作用会导致CO2排放的差异。4种栽培模式共同CO2排放最高峰与黄熟期对应，分析认为这与此期稻田已经排水，土壤通气性增加，导致好氧微生物活动加剧所致。

目前认为CH4排放的主要人为源是水稻田[29]。该研究发现，4种栽培模式稻田CH4排放通量动态趋势与峰值出现时期不尽相同，但各模式稻田CH4排放峰值大多出现在水稻分蘖初期、拔节期以及乳熟期，这与前人试验结果相似[30-31]。另外，该研究还发现，水稻生育末期CH4排放通量明显降低，收获期接近零排放，分析认为这与生育末期水稻停止生长发育，稻田排水落干使土壤通透性增加，抑制产甲烷菌的活动，此时稻田产生的少量CH4被活跃的好氧甲烷氧化菌利用而不会排放到大气中有关。

农田N2O的排放由土壤微生物活动产生，是硝化作用与反硝化过程的产物[29]。稻田N2O排放特征规律复杂。研究表明，稻田N2O排放受耕作方式、土壤温度、通气性、水分状况、有机质含量与组成、土壤质地与结构等关键因素影响[32]。土壤温度与水分条件是影响稻田N2O排放的重要因素，且土壤N2O排放速率随土壤温度的升高而增加[33]。Khalil等通过对我国南方水稻田中N2O排放特性的测定发现水稻田很少释放N2O，而且部分为负排放,平均排放通量为-1.0 μgN·m-2·h-1[27]。该试验结果与之相似，除T3模式外，其它3种模式均出现部分负排放特征，但不同的是平均排放通量为正排放，原因可能与南北水稻种植土壤质地、栽培时间及气候等存在差异有关。

该研究结果显示，T1与T2模式稻田CH4生长季累计排放量较CK减少。除此之外，各模式3种温室气体生长季累计排放量与CK相比均有所增加。并且相同水肥管理下，深翻增加了CO2与N2O累计排放量，相同耕作及灌溉条件下，氮肥施用量与施肥时期亦会影响稻田3种温室气体累计排放量。分析认为，稻田深翻及水肥管理耦合措施的变化，改变了耕作层深度、影响微生物活动和土壤水分及温度以及水稻生长状况。这些原因对稻田温室气体累计排放量均存在不同程度影响。

1) 稻田深翻及水肥耦合措施可优化冷凉区水稻生育期农艺性状从而提高水稻产量。

2) 深翻+减氮施肥+耐冷灌溉模式(T2)增产同时有效地使冷凉区水稻抗逆、耐冷达到稳产的目的。深翻+增氮施肥+耐冷灌溉(T3)模式优化了施肥体系，产量最高，较CK增产32.3%。

3) CO2与CH4生育期排放通量动态变化具有季节性，N2O生育期排放通量动态变化则与季节性无密切相关。

4) 水肥条件相同时，深翻可增加CH4与N2O生长季累计排放量；
同为深翻栽培与耐冷灌溉条件下，增施氮肥会增加3种温室气体生长季累计排放量。

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