太湖地区典型轮作与休耕方式对稻田水稻季N2O和CH4排放量的影响

2021-03-09王书伟吴正贵孙永泉陈吉盛雪雯

生态环境学报 2021年1期

王书伟，吴正贵，孙永泉，陈吉，盛雪雯

1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室/江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站/中国科学院南京土壤研究所，江苏南京 210008；2.苏州市农业技术推广中心，江苏苏州 215006；3.苏州市耕地质量保护站，江苏苏州 215011

CH4和N2O是重要的温室气体，在100年尺度上，其全球增温潜势（GWP）分别是CO2的25倍和298倍（IPCC，2007）。为了减缓全球变暖趋势，实现到2050年将大气平均温度的升高限制在2 ℃的目标，温室气体排放量必须在 2010年的水平上减少40%—70%（IPCC，2014），因此，迫切需要在全球范围内减少CH4和N2O的排放量。稻田特殊的淹水环境和中期烤田管理模式被认为是大气中重要的CH4和 N2O 排放源（Cai et al.，1997；Xing，1998；Li et al.，2004；Yan et al.，2005；Yan et al.，2009），而我国是世界上最主要的稻米生产国，水稻种植面积约3000万公顷（Chen et al.，2010），在水稻生长期，每年我国稻田 CH4和 N2O 排放量分别为 7.4 Tg·a−1（Yan et al.，2009）和 50.3 Gg·a−1（Cai，2012），分别占人为和农业温室气体排放总量的 2.7%和 29.2%（Chen et al.，2010）。太湖地区一直以来是中国主要的稻米产区，也是“高复种、高投入、高产出”农业生产集约化程度最高的区域之一，耕作制度单一和过度追求单产，大量、过量施用化肥、农药、土壤改良剂、植物生长调节剂、饲料添加剂等化学制品，不仅大幅增加农业生产成本，也使得水土流失、土壤污染和贫瘠化越来越严重，造成水体富营养化、土壤酸化、温室效应等一系列环境问题（Chen et al.，2014）。

当前，已有结果证明，在非主要粮食作物生长期间实行轮作或休耕，可有效的减少CH4和N2O温室气体排放量（Xia et al.，2016），同时会改善土壤环境，提高下季作物产量（Bennett et al.，2012）。在太湖地区已开展的轮作休耕实验结果证实，与传统的水稻-小麦轮作相比，实行水稻-绿肥（紫云英、蚕豆或油菜）轮作，可有效地降低农业生产中CH4和N2O温室气体的排放，提高水稻产量（张岳芳等，2013；Xia et al.，2016；胡安永等，2016）。根据Xia et al.（2016）研究结果，与传统的水稻-小麦轮作相比，实行水稻-蚕豆轮作可减少29%—44% CH4排放量，56%—69% N2O排放量，并且能使水稻产量平均增加5.2%。

在太湖地区非水稻生长季推行轮作与休耕的耕地中，紫云英（AstragalussinicusL.）、豌豆（Pisum sativumL.）、蚕豆（ViciafabaL.）等固氮植物和油菜（BrassicanapusL.）常被用作绿肥种植，替代传统的冬小麦（TriticumaestivumL.）种植，与下季水稻进行轮作，在非水稻生长季休耕模式也被大力推广，而对紫云英-水稻轮作、油菜-水稻轮作和休耕-水稻轮作对水稻季CH4和 N2O减排效果已有报道结果不一，有的结果显示紫云英-水稻轮作对CH4和N2O减排效果好于油菜-水稻或休耕-水稻轮作方式（Kim et al.，2012；胡安永等，2016），而有的结果显示油菜-水稻轮作方式对CH4和N2O减排效果更好（张岳芳等，2013）。然而，在太湖流域典型轮作休耕稻田区域，紫云英-水稻、油菜-水稻和休耕-水稻3种轮作休耕方式都在推行，为了更好地评价3种轮作休耕方式对水稻产量、CH4和N2O排放量的影响，更好地指导当地轮作休耕工作开展，选定在东太湖生态保护区稻田开展轮作休耕方式对稻田土壤CH4和N2O影响研究，以期为当地轮作休耕方式选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验场地概况

本试验于 2018年在太湖苏州湾现代农业园开展，此农业园位于苏州吴中区横泾镇（31.1474°N，120.5202°E），属北亚热带季风气候，2018年平均气温和降雨量分别为17.5 ℃和1188 mm，水稻生长期间（6—10月）平均气温为25.6 ℃，降雨量为664 mm，其中降雨量占了年降雨总量的55.9%。土壤类型为黄泥土（系统分类为普通简育水耕人为土），耕作层（0—20 cm）土壤有机碳含量为16.7 g·kg−1，全氮含量为 1.77 g·kg−1，全磷含量为 0.61 g·kg−1，全钾含量为 19.2 g·kg−1，pH 为 5.56，CEC 为 19.4 cmol·kg−1；土壤粒径质量分数为：黏粒31.0%、粉粒39.4%、砂粒29.6%。太湖地区以冬小麦-水稻轮作为主，因该地区推广轮作休耕，将原来种植冬小麦的稻田改为种植其他作物或绿肥，或者实行休耕，目前主要有紫云英-水稻、油菜-水稻和休耕-水稻3种轮作休耕方式。

1.2 试验设计和田间管理

本试验在长期实行紫云英-水稻、油菜-水稻和休耕-水稻3种典型轮作休耕的稻田上开展，该区域稻田于 2015年开始在非稻季将原来种植冬小麦的稻田改成种植紫云英、油菜和实行休耕。在稻季实验中设置了两种氮肥梯度（不施氮肥处理和 300 kg·hm−2，以纯氮计，下同）共6个处理（表1），分别为紫云英-水稻轮作处理、油菜-水稻轮作处理和休耕-水稻处理，每个处理设置3个重复，各实验小区间采用长期耕作形成的自然田埂作为分隔，每个小区长33 m，宽20 m，便于机械化耕作。在非稻季期，不施用任何肥料，紫云英和油菜在每年10月中旬左右人工播撒种子，每亩用量为4 kg，休耕-水稻轮作方式下，在水稻收获后进行一次机翻深耕作业。在水稻季，3种轮作方式下，总施氮量为 300 kg·hm−2（纯氮，下同）的处理按基肥∶分蘖肥∶穗肥=6∶2∶2进行人工撒施，所有处理磷肥（以P2O5计，下同）和钾肥（以K2O计，下同）作为基肥一次性施入，施肥量分别为 30 kg·hm−2和 60 kg·hm−2，具体施肥量和比例见表 1。在水稻生长季，田面水分管理采用淹水-烤田-淹水-湿润模式，即从6月5日开始灌水，保持田面水在3—5 cm至7月18日开始烤田，至7月28日烤田结束，田面水自然落干，7月29日重新灌水，保持田面水3—5 cm至9月20日，此后一直保持间歇灌溉，保持田面湿润，在收获前两个星期停止灌溉。

表1 水稻生长季不同处理施肥比例Table 1 Rate of fertilizer application for different treatments during rice-growing season

1.3 N2O和CH4采样和测定

稻田土壤 N2O和CH4排放通量采用静态箱法进行观测，每个小区放置3个采样箱。采集气样时，将PVC采气箱（50 cm×50 cm×50 cm）放置在5 cm深的水槽（与顶端下 5 cm处盆钵外侧焊为一体）中，根据水稻生长高度，在水稻生长中后期，PVC采样箱长、宽、高改为50 cm×50 cm×110 cm。每次施肥后一般进行连续采样 3—5次，在非施肥期每隔一个星期采样一次，采样时间为 09:00—11:00。通过温室气体自动采样器采集箱内气体于真空气袋中，每次采样时，利用自动采样器先把箱内气体循环15 s，然后采集气体10 s，采气量约200 mL，每隔10 min采1次样，共采集4袋气体，同时记录空气温度，用于计算温室气体排放通量。用4次采样温室气体浓度与采样时间进行线性回归，如果R2＞0.9，说明此次样品有效，否则说明样品不合格，斜率代表CH4和 N2O每小时浓度的变化。再根据采样箱的底面积和高度，从而计算出温室气体排放通量（mg·m−2·h−1）。用安捷伦 7890A 气相色谱对样品进行分析，CH4用氢火焰离子检测器（FID）测定，N2O由63Ni电子捕获检测器（ECD）测定，分别用高纯N2和氩亚甲烷（氩气95%，CH45%）作为载气，流速为40 mL·min−1，箱温和检测器的温度分别保持在40 ℃和300 ℃。

1.4 N2O和CH4排放通量计算

N2O或CH4排放通量计算公式如下：

其中，F为 N2O（mg·m−2·h−1，以 N 计，下同）或 CH4（mg·m−2·h−1，以 C 计，下同）的排放通量；ρ为标准状态下 N2O-N（1.25 kg·m−3）或CH4-C（0.536 kg·m−3）的密度；V为采样箱的体积（m3）；A为采样箱底座的面积（m2）；dc/dt指单位时间内箱内气体浓度的变化量，用4次采样的气体N2O浓度与采样时间进行线性回归，取R2＞0.9的，斜率值就是dc/dt，mg·h−1；θ为箱体内的温度，℃；每次观测各个处理的N2O或CH4的排放通量用3个重复的平均值表示。

1.5 温室气体累积排放量计算

N2O（以N计，下同）或CH4（以C计，下同）累积排放量计算公式如下：

式中，E为 CH4或 N2O 的累积排放量，kg·hm−2；Fi为第i天采样日CH4和N2O排放通量，mg·m−2·h−1；i表示第i次采样；ti+1−ti表示两次采样测定的时间间隔，d。

1.6 氮素利用率（NUE）、GWP和GHGI计算公式

氮素利用率（%）和氮素农学利用率（NAUE，kg·kg−1）计算公式如下：

式中，UN为施氮处理下的籽粒 N吸收量（kg·hm−2）；U0为空白处理下籽粒 N素吸收量；YN和Y0分别为施氮处理和空白处理下水稻籽粒产量；FN为N肥施用量。

温室气体全球增温潜势（GWP，kg·hm−2·a−1，以CO2计）计算公式如下：

式中，R(CH4)和R(N2O)表示每种轮作和休耕方式下水稻生长季 N2O和 CH4累积排放量，单位为kg·hm−2；公式中的 25和 298分别表示 1 kg CH4和1 kg N2O增温潜势分别是 CO2的 25倍和 298倍（IPCC，2007）。

单位水稻产量温室气体排放强度（GHGI；kg·kg-1）计算公式如下：

式中，GWP表示温室气体相对于 CO2的全球增温潜势；Y代表每个处理下水稻籽粒产量（t·hm−2）。

1.7 土壤性质及其他环境因子测定

除稻田田面水落干状况外，每次温室气体采样时同时采集田面水，采样时，将塑料瓶绑在2 m长的竹竿上，伸到稻田里采集稻田表层田面水，在温室气体采样点周围内均匀采集 5个样品混合为一个样品，每个小区采集 3个重复样品。田面水带回实验室过滤（0.45 µm），用全自动化学分析仪（Smartchem140，AMS，Italy）分析 NO3−-N，NH4+-N，用TOC仪（Analytik Jena AG，Germany）分析可溶性有机碳（DOC）；收获期土壤pH（土∶水，1∶2.5）和田面水pH用便携式pH计测定；收获期土壤NO3−-N 和 NH4+-N 用 2 mol·L−1KCl按照土∶浸提液=1∶10进行浸提，然后用自动化学分析仪分析，土壤DOC用去离子水按照土∶水=1∶5浸提，然后用 TOC仪分析；土壤有机碳和全氮含量用C/N元素分析仪（Vario Max CN，Elementar，Hanau，Germany）测定。

1.8 统计分析方法

采用单因素方差分析（ANOVA）结合最小显著差法（LSD）对不同处理下水稻产量、N2O和CH4排放通量及累积排放量，田面水NO3−-N，NH4+-N、pH和DOC进行差异性显著性分析。采用Pearson相关性分析法分析N2O和CH4排放通量与田面水NO3−-N、NH4+-N、DOC和pH的相关性。数据统计分析采用SPSS（version 25.0，Chicago，IL，USA），画图采用 Origin（version 2016，Northampton，MA，USA）。所有显著性检验在P＜0.05水平。

2 结果与分析

2.1 不同轮作方式下收获期土壤性质、水稻产量和氮肥利用率

表 2为水稻收获期各处理下土壤基本理化性质，与非施用氮肥处理相比，施用氮肥可显著降低土壤 pH，增加土壤 NH4+-N含量（P＜0.05），与其他施氮轮作处理相比，紫云英-水稻轮作方式下，pH下降幅度最大；与其他轮作方式相比，长期实行休耕-水稻轮作方式可显著降低土壤有机碳和全氮含量（P＜0.05），而对土壤 DOC 影响不显著（P＞0.05）。

表2 轮作休耕试验区收获期表层（0—20 cm）土壤性质Table 2 Physical and chemical properties of the harvest topsoil (0-20 cm) under different treatment regimens

与空白氮处理相比，各轮作处理在施氮 300 kg·hm−2水平下，可显著增加水稻产量，增加幅度为53.7%—60.0%（表 3）。在当地常规施氮 300 kg·hm−2水平下，紫云英-水稻轮作方式下水稻产量最高，油菜-水稻轮作方式下次之，休耕-水稻方式下产量最低，但没有显著性差异（P＞0.05，表3），与RRN300和FRN300处理相比，MRN300处理下水稻产量分别提高了1.6%和6.0%。从表3可见，6个处理下作物吸氮量变化范围在 50.6—105 kg·hm−2，MRN300、RRN300、FRN300 3个处理下氮农学利用率、氮吸收利用率分别为 10.65、10.58、10.76 kg·kg−1，15.2%、15.9%、12.2%，休耕-水稻轮作方式下氮农学利用率最高，但氮吸收利用率最低，MRN300、RRN300和FRN300各处理间氮农学利用率和吸收利用率没有显著差异（P＞0.05）。

表3 不同处理间作物产量、作物吸氮量、氮肥利用率Table 3 Grain yields, N uptake and NUE under different treatments

2.2 稻田田面水无机氮、pH和DOC动态变化

图1是不同轮作处理田面水NH4+-N、NO3−-N、DOC和pH动态变化，MRN300、RRN300和FRN300田面水 NH4+-N和 NO3--N含量受氮肥施用影响明显，随着施肥天数呈现动态下降趋势，NO3−-N峰值出现一般晚于NH4+-N峰值，整个水稻生长周期内，3个处理NH4+-N和NO3−-N变化范围分别为0.15—25.4、0.10—25.1、0.10—24.3 mg·L−1和 0.02—2.72、0.12—3.13、0.06—1.57 mg·L−1。非施用氮肥情况下，MRN0、RRN0和FRN0 3个处理的田面水无机氮含量较低，NH4+-N和NO3--N含量范围分别为0.06—3.78 mg·L−1和 0.08—0.71 mg·L−1。不同处理间 DOC含量受氮肥施用影响不明显，整体动态变化表现为基肥期＞分蘖肥期＞穗肥期，整个水稻生长期，MRN300、RRN300、FRN300、MRN0、RRN0和FRN0 6个处理DOC含量均值分别为121.3、114.0、112.1、95.1、105.0、90.4 mg·L−1，在紫云英水稻轮作方式下DOC含量最高，但处理间差异不显著（P＞0.05）。不同轮作处理在N300氮肥梯度下，田面水pH受施肥影响明显，每次施肥过后，田面pH会出现一个峰值，pH变化范围为6.90—8.83，不同处理在N0梯度下变化范围为7.01—8.10，在N300水平下，与休耕-水稻轮作相比，实行紫云英-水稻和油菜-水稻轮作可显著提高整个水稻季田面pH（P＜0.05），在N0水平下，3种轮作方式下整个水稻生长季田面水pH差异不显著（P＞0.05）。

图1 不同轮作处理田面水NH4+-N、NO3−-N、DOC和pH动态变化Fig.1 Dynamics of surface water NH4+-N, NO3−-N, DOC and pH in different rotation treatments

2.3 不同轮作方式下N2O排放通量和累计排放量

图 2是不同轮作方式下 N2O排放通量动态变化图。不施氮肥下，各轮作处理下N2O稻季排放通量变化范围在 0.001—0.009 mg·m−2·h−1，各轮作处理间N2O排放通量均值差异不显著（表4，P＞0.05）。在施用300 kg·hm−2下，各轮作处理下N2O稻季排放通量变化范围在 0.001—0.144 mg·m-2·h-1，不同处理间N2O排放通量有相似的变化规律，受N肥施用影响显著，每次施肥后N2O排放就会出现一个峰值，随施肥天数N2O排放通量迅速下降，整个水稻生长季MRN300、RRN300、FRN300 3个处理N2O排放通量均值分别为 0.0142、0.0222、0.0145 mg·m−2·h-1，其中紫云英-水稻轮作体系下 N2O 排放通量最小，与RRN300处理相比，N2O排放通量显著降低了36.0%（P＜0.05，表4）。整个水稻生长季MRN300、RRN300、FRN300 3个处理累积N2O排放量分别为 0.498、0.778、0.508 kg·hm−2，与紫云英-水稻和休耕-水稻轮作方式相比，油菜-水稻轮作方式下能显著提高N2O累积排放量（P＜0.05，表4），分别提高了56.2%和53.1%。

图2 水稻生长季不同处理N2O排放通量Fig.2 Daily variations of the N2O fluxes from the treatment plots over the rice growing season

表4 不同处理间CH4、N2O排放通量和累积排放量、GWP和GHGITable 4 CH4 fluxes, N2O fluxes, cumulative emissions of CH4 and N2O, GWP and GHGI under different treatments

2.4 不同轮作方式下CH4排放通量和累积排放量

图3是水稻生长季不同处理CH4排放通量动态变化图。不同处理水稻生长季CH4变化趋势一致，受氮肥施用影响不明显，表现在水稻生长的前期，包括返青期和分蘖期，各处理CH4排放通量呈现上升趋势，在水稻生长中期拔节期前CH4排放通量达到峰值，各处理CH4排放通量变化范围在0.025—26.820 mg·m−2·h−1之间，其中 CH4最高排放通量出现在 MRN300处理。在水稻生长烤田期 CH4排放通量随土壤体积含水量降低而迅速下降，并且一直保持在一个很低的排放速率直到收获期。紫云英-水稻和油菜-水稻轮作方式下，CH4排放通量与氮肥施用量呈正相关关系，N300处理下的排放量大于N0处理下的排放量，其中 MRN300处理下 CH4排放通量显著高于MRN0（P＜0.05，表4），CH4排放通量提高了15.9%。

图3 水稻生长季不同处理CH4 排放通量Fig.3 Daily variations of the CH4 fluxes from the treatment plots over the rice growing season

在N0施氮水平下，以休耕-水稻轮作方式下CH4稻季平均排放通量最大，显著高于紫云英-水稻和油菜-水稻轮作方式（P＜0.05），分别高了 27.5%和15.5%，以紫云英-水稻轮作方式 CH4稻季平均排放通量和累积CH4排放量最小；在N300施氮水平下，同样以休耕-水稻轮作方式下 CH4排放通量和累积CH4排放量最大，与紫云英-水稻轮作和油菜-水稻轮作方式相比，CH4累积排放量分别提高了 6.7%和5.6%，但差异不显著（P＞0.05），同样以紫云英-水稻轮作方式下CH4排放通量和累积排放量最小（表4）。

2.5 不同轮作方式下GWP和GHGI

不同处理产生的稻季 GWP均值变化范围在4611.7—6029.6 kg·hm−2之间（表 4），其中以 CH4产生的增温潜势为主，贡献了97%的GWP。紫云英-水稻和油菜-水稻轮作方式下，N300处理下的GWP显著高于N0施氮水平下（P＜0.05，表4），高的N肥用量能提高土壤GWP，而在休耕-水稻轮作方式下，N300和 N0两种施氮水平下 GWP差异不显著（P＞0.05），氮肥用量对土壤GWP影响不明显。在N0和N300施氮水平下，都以紫云英-水稻轮作方式下的GWP最小，油菜-水稻轮作方式次之，休耕-水稻轮作方式下GWP最高，与油菜-水稻和休耕-水稻轮作方式下 GWP相比，紫云英-水稻轮作方式下的GWP降低了6.4%—9.1%。不同处理稻季GHGI变化范围在0.64—1.09 kg·hm−2之间（表4），以MRN300处理下的 GHGI最小，显著小于 RRN0、FRN0和FRN300（P＜0.05），主要由于增加了水稻产量（表 3）；在施氮300 kg·hm−2下，3种轮作方式下的GHGI差异不显著（P＞0.05，表4）；在紫云英-水稻轮作方式下，生产单位粮食所排放的温室气体最少。

3 讨论

3.1 不同轮作方式对氮肥利用率和水稻产量影响

已有研究表明，与传统的冬小麦-水稻轮作方式相比，在太湖地区实行紫云英、蚕豆或油菜与水稻轮作方式能提高水稻生产力和氮肥利用率（Xia et al.，2016；胡安永等，2016；Cai et al.，2018），而基于长期休耕-水稻轮作方式下对水稻产量影响研究结果证实，实行休耕-水稻轮作方式下对水稻产量增产不明显（胡安永等，2016）。本研究针对太湖地区主要推行的紫云英-水稻、油菜-水稻和休耕-水稻3种轮作方式中进行对比分析，发现以紫云英-水稻轮作方式下的水稻产量和氮肥利用率最高，油菜-水稻轮作方式下次之，休耕-水稻轮作方式下最低，与已有研究结果一致（张岳芳等，2013；胡安永等，2016）。实行紫云英-水稻轮作方式对水稻产量有明显的增产效果，主要由于紫云英是太湖地区常用的一种绿色培肥植物，不仅能通过生物固氮为土壤供氮，固氮量在 160—300 kg·hm−2之间（Rasmussen et al.，2012），并且还能改善土壤结构，增强土壤氮素的有效性，从而有利于稻季养分供给，对下一季水稻生长产生显著的残余氮效应（Watson et al.，2002；Mayer et al.，2003；Hauggaard-Nielsen et al.，2009），并且在紫云英-水稻轮作方式下，稻季收获期土壤无机氮含量最高（表2）。油菜也是太湖地区常用的一种绿色培肥植物，由于其碳氮比高于紫云英，腐殖化过程及氮矿化速率比紫云英慢，为下一季作物提供的残余氮效应稍弱（表2），因而在同一施氮水平下对水稻产量贡献次于紫云英-水稻轮作方式（Kim et al.，2012；张岳芳等，2013）。从表1来看，休耕-水稻方式下，对地力消耗最大，收获期土壤有机质和全氮含量显著低于其他两种轮作方式，并且外源氮输入量也小于紫云英-水稻和油菜-水稻轮作方式，产生的残余氮效应最不明显，因而水稻产量和氮肥利用率最低。

3.2 轮作方式对N2O排放通量及累积排放量影响

在本研究中，空白施氮处理不同轮作方式下N2O排放通量没有显著性差异（表4），N2O排放通量维持在一个较低的水平且无排放峰出现（图2），已有很多研究证明在稻季淹水厌氧条件下，N2O通过反硝化过程被进一步还原成N2，从而降低了N2O排放通量（Ma et al.，2009；Wang et al.，2017）。N2O主要是通过土壤硝化和反硝化过程产生，外源氮肥的施用能显著促进稻田N2O的排放，与空白施氮量相比，施氮300 kg·hm−2能显著增加稻田土壤N2O排放通量，增加了2—5倍（表4），与已有研究结果一致（Liu et al.，2010；Wang et al.，2019），其中以油菜-水稻轮作方式下N2O排放通量最高，显著高于紫云英-水稻和休耕-水稻轮作方式（表4）。以前研究已证实将C/N比较高的作物秸秆还田，能促进微生物固氮，减少了硝化和反硝化底物氮供应，因而会减少N2O排放量（Jensen，1997），本研究中以高碳氮比的油菜秸秆还田和水稻轮作下N2O排放通量最高，这可能与油菜作为绿肥，在水稻移栽前已经还田快一个月，在移栽前的淹水泡田已经让油菜秸秆可能已经矿化，且油菜的还田生物量是3种轮作方式中最多的（图4），从而为硝化和反硝化过程提供丰富的矿质氮供应，从而促进了N2O排放。

图4 不同轮作模式下地上部分生物量（B）及碳氮比Fig.4 The above-ground biomass and C/N in different rotation modes

3.3 轮作方式对CH4排放通量影响

本研究中，不同轮作方式在施氮300 kg·hm−2下对稻季CH4排放通量和累积排放量影响不显著，但在紫云英-水稻轮作方式下 CH4排放量最小。在空白施氮处理下，同样以紫云英-水稻轮作方式下CH4排放通量最小，与胡安永等（2016）研究结果以休闲-水稻轮作方式下 CH4排放通量最小不一致。本试验在非水稻生长季不施用肥料，紫云英、油菜及草类都是在自然状态下生长，3种轮作方式下单位面积生物量差异不显著（图4），以油菜和杂草碳氮比最高，以紫云英碳氮比最低。低碳氮比的紫云英更快速的分解和腐质化，可能已经被微生物分解形成了腐殖质，并与土壤矿物质颗粒紧密结合，成为土壤有机质存在的主要形态类型，不易被产甲烷菌分解而产生大量CH4；高碳氮比的油菜和杂草被分解过程更长，因而可能更有利于甲烷菌分解而产生大量CH4。已有的研究结果也证实低C/N作物紫云英比高C/N作物黑麦草增产减排效果更好，是更值得推荐的绿肥作物（Kim et al.，2012）。高碳氮比的油菜或杂草直接还田能增加土壤中不稳定有机碳含量，从而利于产甲烷菌在厌氧条件下的活性，促进CH4排放（Dalal et al.，2008）。从本研究结果中可以看到，DOC对紫云英-水稻轮作两个处理下的CH4排放通量有负相关影响，对油菜-水稻轮作两个处理下的CH4排放通量有正相关影响，虽然没有统计显著性，但对休耕-水稻轮作下的 CH4排放通量有显著正向影响（P＜0.05，表5）。

表5 N2O和CH4排放通量与环境因子的关系Table 5 Relationship between N2O and CH4 emissions and environmental factors

3.4 轮作方式对GWP和GHGI影响

在本研究中，实行紫云英-水稻轮作比实行油菜-水稻轮作和休耕-水稻轮作更有利于增加水稻产量，减少N2O和CH4排放量，降低因水稻种植产生的GWP和GHGI，这与以前的研究结果一致（Kim et al.，2012），主要是实行紫云英-水稻轮作减少CH4排放量和增加水稻产量的原因（Wang et al.，2019）。但与张岳芳等（2013）报道的紫云英-水稻轮作增加了太湖地区GWP结果不一致，主要原因是在张岳芳等（2013）研究中油菜的秸秆被移除，没有外源油菜秸秆等有机物质的还田，从而得到油菜-水稻轮作模式下 CH4排放量比紫云英-水稻轮作模式低，同时淹水稻田是产CH4主要的源，也是主导GWP的温室气体。在其他研究中，小麦和油菜等高C/N植物残基的掺入最初对水稻生长有负产量影响，主要由氮的固定引起（Azam et al.，1991；Verma et al.，1992）。实行紫云英-水稻轮作更有利于提高土壤氮含量，更有利于水稻产量提高，降低 GHGI，主要是由于紫云英植物残基C/N最小，更容易被微生物矿化，为水稻生长提供无机氮元素（Kim et al.，2012），这与在苏州轮作休耕与地力跟踪监测结果一致。本文没有考虑轮作休耕季不同轮作方式对N2O和CH4排放的影响，但已有研究证实，在轮作休耕季以油菜轮作下N2O和CH4排放通量最高（张岳芳等，2012），因而，从轮作休耕季和水稻生长季来看，实行紫云英-水稻轮作方式最有利于温室气体减排和水稻产量提高。