王雅霏，杨喜爱，潘婷，高峰峰，江先民，银敏华

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

气候变暖所引发的一系列问题严重威胁着人类生存与健康，已成为全球普遍关注的社会问题与面临的重大挑战。人类生产生活排放的温室气体是气候变暖的主要原因，其中农业土地的温室气体排放量占人类活动排放总量的14%[1]。三大温室气体(CO2、CH4和N2O)中，20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O 来源于农业生产活动，对温室效应的贡献率高达80%[2]。与CO2相比，CH4和N2O 占温室气体总量的比例较小，但在100 a 时间尺度上，单位质量CH4和N2O 的全球增温潜势分别为CO2的28倍和265 倍，对温室效应的贡献率分别约为15%和5%。水稻是主要的粮食作物，水稻生产对保障粮食安全具有重要作用，但稻田也是重要的温室气体排放源[3-4]，一直受到国际社会的普遍关注。因此，开展稻田温室气体排放的相关研究尤为重要。

稻田的温室气体排放与耕作措施和田间管理等密切相关[5]。覆盖栽培因其具有改善耕层土壤水热环境、抑制杂草生长、防止水土流失和减少养分淋溶等优点，已成为多种粮食作物、经济作物和牧草生产的重要农田管理措施[6]。水稻属高耗水作物，其生育期需水量为600～900 mm，其中生态需水占比高达70%～85%[7]。水稻覆盖旱作可在保障一定产量水平的基础上节约稻田生态耗水，有效缓解南方地区的季节性缺水问题，目前已广泛应用于水稻生产中[5]。然而，覆盖栽培在改善稻田微环境的同时也会影响温室气体的产生与排放。研究表明，冬季稻田覆盖绿色作物，可减轻稻田水土流失，富集土壤碳氮养分，减少温室气体排放[8]。也有研究发现，与传统淹水稻田相比，秸秆覆盖旱作会在一定程度上增加稻田甲烷的排放量[9]。覆膜种植条件下，稻—油轮作农田全年CH4排放量较对照提高147.9%，而CO2和N2O 的排放量与对照差异不显著[10]。可见，覆盖栽培对稻田温室气体的排放效应因覆盖材料、种植模式等不同而存在差异。

国内外均已开展了很多覆盖对农田温室气体排放影响的相关研究。我国关于覆盖条件下农田温室气体排放的研究主要集中在干旱半干旱地区，而水稻田温室气体排放的研究尚处于起步阶段。Meta分析是对同一主题的多个研究结果进行综合分析的方法，通过效应指标量化，将各个研究结果进行整合，系统分析特定措施的综合效应及影响因素[11-12]。本研究从环境视角出发，整合覆盖对水稻田温室气体排放的已发表文献，采用Meta 分析方法从大区域尺度上进行分析，旨在全面和系统地总结覆盖对水稻田温室气体的排放效应及可能的影响因素，为探索高效的稻田减排栽培模式及合理的稻田覆盖管理技术提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

通过对中国知网(http://www.cnki.net)和Web of Science(http://apps.webofknowledge.com) 等中英文数据库进行检索，收集截至2020 年9 月国内外公开发表的关于覆盖种植条件下水稻田温室气体排放的研究论文(会议论文和温室、盆栽试验论文除外)。为减少文献收集引起的偏差，基于以下标准筛选本研究的分析样本:①研究对象为中国范围内的水稻田；②试验中同时包含覆盖与不覆盖处理；③论文提供了覆盖与不覆盖水稻田温室气体(CO2、N2O、CH4中的任意1 种、2 种或3 种都有)的排放量，或根据论文提供的数据可计算得到；④试验采用的农田覆盖措施清楚。经采用以上标准筛选，共获得13 篇可用文献(表1)，包含66 组数据，其中CO2、N2O 和CH4分别为6、31 和29 组。

表1 Meta 分析的数据来源文献Table 1 Literatures used in the meta-analysis

1.2 数据分类

所收集的66 组数据，主要涉及湖南、四川、重庆、江苏和湖北共5 个省(市)，具体样本信息如表2。

表2 样本基本信息Table 2 Basic information of the samples

续表2

1.3 数据分析

1.3.1 标准差计算

标准差是Meta 分析的一个重要参数，可反映各样本的重要性。当文献提供标准差时，直接使用；当文献没有提供标准差但有多个重复试验的温室气体排放量，或既未提供标准差也无重复试验的温室气体排放量，但包含多年试验时，自行计算标准差；当文献未列出标准差且无法通过计算获得时，将前述研究论文中某一温室气体排放比例作为该温室气体排放的标准差与平均值的比值[13]。

1.3.2 效应量计算

利用各样本中覆盖处理(试验组)和不覆盖处理(对照组)的平均温室气体排放量、标准差及重复数计算效应值lnR[14]:

式中:R—反应比；Ye—覆盖处理的平均温室气体排放量(kg/hm2)；Yc—不覆盖处理的平均温室气体排放量(kg/hm2)。

为了更加直观地反映覆盖对水稻田温室气体的排放效应，将效应值lnR转化为减排率Z[15]:

Z的95%置信区间若全部大于0，说明覆盖对减少水稻田温室气体排放具有显著正效应；若全部小于0，说明覆盖对减少水稻田温室气体排放具有显著负效应；若包含0，则说明覆盖对减少水稻田温室气体排放无显著影响。

1.3.3 数据处理

采用R(v.3.6.3) 编程软件中的Metafor 包(v.2.4-0)处理数据，显著性水平取P＜0.05；使用Origin 9.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 覆盖与不覆盖条件下水稻田温室气体的排放量

本研究涉及来自5 个省(市)的13 篇研究论文中的66 个数据对(表3)。对于CO2，共有6 个数据对，覆盖和不覆盖水稻田的排放量分别为15.23～506.93 kg/hm2和18.21～ 347.28 kg/hm2；对 于N2O，共有31 个数据对，覆盖和不覆盖水稻田的排放量分别为0.01～3.12 kg/hm2和0.01～3.95 kg/hm2；对于CH4，共有29 个数据对，覆盖和不覆盖水稻田的排放量分别为2.47～207.13 kg/hm2和3.38～277.01 kg/hm2。

表3 覆盖与不覆盖条件下水稻田温室气体的排放量Table 3 Greenhouse gas emissions from paddy fields under mulching and non-mulching

2.2 覆盖对水稻田温室气体排放的综合效应

分别计算覆盖条件下水稻田的3 种温室气体排放的综合效应量(表4)。与不覆盖相比，覆盖水稻田的CO2排放量平均增加21.9%(置信区间2.6%～44.8%)，N2O 排放量平均减少43.9%(置信区间32.3%～53.5%)，CH4排放量平均减少58.5%(置信区间50.8%～65.0%)。由于所收集的覆盖与不覆盖条件下稻田CO2排放的样本较少(仅6 个)，故后续仅对覆盖条件下水稻田CH4和N2O 的排放效应进行影响因素分析。

表4 覆盖对水稻田温室气体排放的综合效应Table 4 Comprehensive effect of mulching on greenhouse gas emission from paddy field

2.3 覆盖对水稻田N2O 排放效应的影响

2.3.1 区域效应

湖南、重庆、江苏、湖北4 个省(市)均表现为覆盖显著降低了水稻田N2O 排放量(图1)，其中湖南和江苏的平均减排率基本接近，前者为54.9%(置信区间30.2%～79.6%)，后者为53.2%(置信区间20.0%～86.4%)；重庆和湖北的平均减排率基本接近，前者为34.4%(置信区间2.1%～66.7%)，后者为33.9%(置信区间10.3%～57.5%)。

图1 覆盖下不同地区水稻田N2O 的减排率Fig.1 N2O emission reduction rate of rice field under different coverage

2.3.2 影响因素

表5 为不同影响因素下覆盖对水稻田N2O 的排放效应。覆盖水稻田N2O 减排率随施氮量的增加呈降低趋势，施氮量为＜100 kg/hm2、100～200 kg/hm2和＞200 kg/hm2的稻田平均减排率分别为53.2%(置信区间20.4%～ 86.0%)、38.9%(置信区间16.4%～ 61.4%) 和35.6% (置信区间5.1%～66.1%)。在基肥+追肥施氮模式下，覆盖水稻田N2O 减排效应略高于一次性基施，前者平均为48.6%(置信区间30.9%～ 66.3%)，后者平均为38.9%(置信区间16.4%～61.4%)。地膜覆盖水稻田的N2O 减排率(平均38.2%，置信区间26.6%～49.8%)略低于秸秆覆盖(平均48.1%，置信区间29.6%～66.6%)。与全地面覆盖(平均51.2%，置信区间32.2%～70.2%)相比，部分地面覆盖(平均35.9%，置信区间24.7%～47.1%)水稻田的N2O 减排率较低。平作覆盖水稻田的N2O 减排率(平均54.5%，置信区间34.2%～74.8%)略高于垄作覆盖(平均54.5%，置信区间34.2%～74.8%)。与连作(平均37.7%，置信区间23.0%～52.4%)相比，轮作(平均53.2%，置信区间33.7%～72.7%)条件下进行覆盖更有利于提高水稻田的N2O 减排率。

表5 覆盖对水稻田N2O 排放效应的影响因素分析Table 5 Influencing factors of mulching on N2O emission from paddy field

2.4 覆盖对水稻田CH4 排放效应的影响

2.4.1 区域效应

5 省(市)均表现为覆盖显著降低了水稻田的CH4排放量(图2)。四川的平均减排率最高(77.7%，置信区间60.2%～95.2%)，其次为江苏(69.3%，置信区间63.2%～ 75.3%)和湖北(61.9%，置信区间53.9%～69.9%)，3 省之间无显著差异，湖南的平均减排率为49.0%(置信区间42.6%～ 55.5%)，重庆的平均减排率最低，为33.9%(置信区间23.8%～44.0%)。

图2 覆盖条件下不同地区水稻田的CH4 减排率Fig.2 CH4 emission reduction rate of rice field in different areas under mulching

2.4.2 影响因素

由表6 可知，覆盖水稻田CH4减排率随施氮量增加呈增加趋势，当施氮量≤100 kg/hm2时，平均减排率为53.2%(置信区间43.7%～62.7%)，当施氮量＞100 kg/hm2时，平均减排率为65.0%(置信区间47.6%～82.4%)。在一次性基施和基肥+追肥两种施氮模式下，覆盖水稻田的CH4减排效应无显著差异，前者平均为67.1% (置信区间48.9%～85.3%)，后者平均为51.3%(置信区间42.1%～60.5%)。地膜覆盖水稻田的CH4减排率(平均62.2%，置信区间50.2%～74.2%)略高于秸秆覆盖(平均54.4%，置信区间45.0%～63.8%)。与全地面覆盖(平均50.1%，置信区间38.8%～61.4%)相比，部分地面覆盖水稻田的CH4减排率(平均63.1%，置信区间53.4%～72.8%)较高。平作覆盖水稻田的CH4减排率(平均62.4%，置信区间50.1%～74.7%)略高于垄作覆盖(平均55.4%，置信区间45.0%～65.8%)。与轮作(平均48.6%，置信区间37.2%～60.0%)相比，连作(平均63.6%，置信区间54.4%～72.8%)条件下进行覆盖更有利于提高水稻田的CH4减排率。

表6 覆盖条件下水稻田CH4 排放效应的影响因素分析Table 6 Influence factors of mulching on CH4 emission from paddy field

3 讨论

3.1 覆盖对水稻田CO2 排放的影响

农田覆盖可改变土壤微气候条件，使土壤微生物种类和数量发生变化并提高微生物活性，从而影响CO2等温室气体的排放[16]。在免耕稻田中，油菜秸秆还田条件下，适宜的土壤温度可促进微生物繁殖，加快秸秆分解及土壤碳矿化过程，使土壤CO2排放速率及排放量显著增加，其中秸秆不还田处理的土壤CO2累积排放量分别是秸秆还田量为3 000、4 000 和6 000 kg/hm2处理的59%、36%和33%[17]。在水稻—小麦复种连作系统中，与秸秆未还田相比，秸秆还田和秸秆还田+秸秆腐熟剂的土壤CO2累积排放通量分别增加了23.2%和52.9%[18]。在稻虾共作模式中，冬泡+秸秆还田和冬泡+秸秆还田+养虾的稻田CO2累积排放量分别较冬泡+无秸秆还田提高了15.0%和10.1%[19]。本研究也得出了类似的结果:与不覆盖相比，覆盖种植水稻田的CO2排放量平均增加了21.9%(置信区间2.6%～44.8%)。然而，Naser 等[20]在日本北海道中部开展的研究发现，秸秆还田会降低稻田CO2排放量。这可能与秸秆还田方式和秸秆类型等有关。

3.2 覆盖对水稻田N2O 排放的影响

农田生态系统是重要的N2O 排放源，全球农田每年N2O 排放量可达(3.8～6.8)×106t，占N2O 总排放量的25%～39%[21]。研究表明，在稻麦轮作系统中，与秸秆不还田相比，秸秆还田可显著降低N2O的排放通量，且随秸秆还田年限的增加，降低幅度呈增大趋势[18，22]。这主要是由于秸秆还田会促进土壤矿质氮的微生物固定，减少硝化与反硝化作用底物，降低反硝化反应速率，从而减少反硝化过程中N2O 的排放。当秸秆C/N 比较高时，该效应更为明显。此外，秸秆还田在腐熟过程中会消耗氧气，也可在一定程度上减少N2O 排放。本研究也发现，与不覆盖相比，覆盖水稻田的N2O 排放量平均减少了43.9%(置信区间32.3%～ 53.5%)。但石将来等[23]研究发现，在稻—油轮作模式下，覆膜和不覆膜稻田水稻季N2O 排放量分别为3.26 kg/hm2和2.91 kg/hm2，且均集中在分蘖期，分别占全季排放总量的66.8%和82.8%。这可能与覆盖材料、田间管理等因素有关。施加氮肥可为硝化和反硝化作用提供反应底物。在水稻生育期中，N2O 排放通量在每次追施氮肥后第1 天出现峰值，之后逐渐降低[17]。本文分析表明，覆盖水稻田的N2O 减排率随施氮量的增加呈降低趋势，且基肥+追肥施氮模式的减排效应优于一次性基施。这也说明减少氮肥施用量与少量多次的氮肥施用模式有利于降低稻田的N2O 排放量。

3.3 覆盖对水稻田CH4 排放的影响

稻田是大气CH4的重要来源。据报道，每年有(20～100)×109kg 的CH4从水稻田排放到大气中，约占全球总排放量的4%～19%[24]。李成芳等[17]研究发现，秸秆还田可显著降低免耕稻田的CH4排放，且CH4累积排放量随秸秆还田量的增加呈降低趋势。秸秆不还田条件下的稻田CH4累积排放量分别是秸秆还田量为3 000、4 000 和6 000 kg/hm2条件下的1.48、2.39 和3.56 倍。张军科等[25]在耕作方式对紫色水稻土CH4排放的影响研究中发现，稻田CH4年平均排放通量表现为传统冬水田平作＞垄作免耕＞厢作免耕＞水旱轮作。本研究利用Meta 分析方法整合前人田间试验结果，表明覆盖种植水稻田的CH4排放量较不覆盖平均减少58.5%(置信区间50.8%～65.0%)。这与Das 等[26]和徐祥玉等[19]关于秸秆还田提高CH4排放的结论不一致，其原因可能与秸秆还田的方式和深度有关。秸秆覆盖在稻田表面时，由于秸秆与土壤的接触面较少，部分秸秆在土壤表层有氧降解，其降解产物在土壤氧化层中还原产生CH4的几率较小。相反，当秸秆通过耕作与土壤充分接触时，秸秆受土壤微生物作用分解，CH4排放随之增强。一般而言，耕作会破坏土壤原有结构，减少土壤CH4氧化程度，少耕或免耕可大幅度降低土壤CH4的汇集程度[27]。本研究尽管没有分析覆盖条件下不同耕作方式对水稻田CH4的排放效应，但发现与垄作覆盖相比，平作覆盖水稻田的CH4减排率较高。另外，由于本研究是以已有的文献为对象，对湖南、四川、重庆、江苏和湖北的研究结果进行分析，结果具有一定的局限性。若针对某一特定区域，还需考虑其具体的气候条件、田间管理等因素的影响。

4 结论

(1)与不覆盖相比，覆盖水稻田的CO2排放量平均增加21.9%(置信区间2.6%～44.8%)，N2O 排放量平均减少43.9%(置信区间32.3%～53.5%)，CH4排放量平均减少58.5%(置信区间50.8%～65.0%)。

(2)覆盖降低水稻田N2O 排放的效应在不同地区存在差异，其中湖南和江苏的平均减排率高于重庆和湖北。覆盖水稻田N2O 的减排率随施氮量增加呈降低趋势，与一次性基施、地膜覆盖、部分地面覆盖、垄作和连作相比，基肥+追肥、秸秆覆盖、全地面覆盖、平作和轮作更有利于提高覆盖水稻田的N2O 减排率。

(3)覆盖降低水稻田CH4排放的效应在不同地区存在差异，平均减排率表现为四川＞江苏＞湖北＞湖南＞重庆。覆盖水稻田CH4的减排率随施氮量增加呈增加趋势，与基肥+追肥、秸秆覆盖、全地面覆盖、垄作和轮作相比，一次性基施、地膜覆盖、部分地面覆盖、平作和连作更有利于提高覆盖水稻田的CH4减排率。