氣候變暖為水稻生長提供更多的光熱資源，有利于傳統(tǒng)單季稻蓄留再生稻，這不僅增加水稻總產(chǎn)量，還可能改變單季稻田的CH₄和N₂O排放特征及排放強度。我國西南丘陵山區(qū)常年淹水稻田CH₄減排潛力大，但通過排水控排CH₄可能導致水稻減產(chǎn)。覆膜栽培下連續(xù)10年的觀測結果表明：覆膜栽培較傳統(tǒng)栽培不僅改變稻田持續(xù)淹水的耕作舊習，還能避免季節(jié)性干旱帶來減產(chǎn)風險，保證水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，同時顯著減少稻季灌溉用水和CH₄排放量60%以上；覆膜栽培提高稻季土表平均溫度約2-3℃，有利于再生稻種植，蓄留再生稻能增加一季水稻產(chǎn)量，插秧、施肥時間的提前導致CH₄和N₂O排放峰值也有所提前，由于再生稻多施用促芽肥和發(fā)苗肥且延長水稻觀測期，使得CH₄和N₂O排放總量顯著增加，但總體上對稻季CH₄和N₂O排放強度影響很??；就全年而言（圖1），覆膜栽培較傳統(tǒng)栽培顯著降低CH₄和N₂O總排放量與總排放強度約50%、增加經(jīng)濟環(huán)境效益3684元/公頃/年，蓄留再生稻進一步減少總排放強度、增加產(chǎn)量和經(jīng)濟環(huán)境效益?？梢?，在我國西南丘陵山區(qū)施行覆膜栽培以及該栽培技術下蓄留再生稻，能有效降低CH₄和N₂O排放總量并協(xié)同水稻豐產(chǎn)增效。

大氣CO₂濃度（[CO₂]）升高對全球氣候變暖具有重要貢獻。長期以來，F(xiàn)ACE（Free-Air CO₂ Enrichment）研究認為：[CO₂]升高會進一步促進稻田CH₄和N₂O排放，從而加劇氣候變暖。但基于中國揚州江都FACE平臺連續(xù)3年（稻季[CO₂]連續(xù)升高第13-15年）的田間觀測和室內(nèi)模擬實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，[CO₂]升高大幅降低CH₄和N₂O排放，其原因是：[CO₂]升高通過促進水稻生長增強根系泌氧能力，提升土壤氧化還原電位，使得甲烷氧化菌增長幅度遠高于產(chǎn)甲烷菌增加量，從而降低CH₄產(chǎn)生、增強CH₄氧化，并顯著減少土壤中銨氮含量，這與早期研究報道恰好相反。進一步通過全球meta分析發(fā)現(xiàn)，[CO₂]升高對稻田CH₄和N₂O排放的促進效應隨著升高年限的增加顯著下降，分別從升高年限<5年、5-10年以及>10年的增加5.6-33%、27-28%，轉(zhuǎn)為減少18-43%。相應的，全球稻田CH₄和N₂O排放總量從增加35-136、60-123百萬噸CO₂當量/年，變?yōu)闇p少22-92百萬噸CO₂當量/年。其原因可能是（圖2）：隨著[CO₂]升高年限的增加，其對水稻生長的促進作用逐步減弱，水稻產(chǎn)量、地上和地下生物量增幅顯著下降，使得水稻可提供給產(chǎn)甲烷菌的底物增量減少，造成產(chǎn)甲烷菌豐度與甲烷氧化菌豐度的比值從顯著增加轉(zhuǎn)為顯著降低，于是導致CH₄產(chǎn)生潛力與CH₄氧化潛力的比值從增加向減少轉(zhuǎn)變；其促進水稻對氮素吸收的同時，增強了硝化能力，從而大幅減少土壤中的銨氮含量。這一研究發(fā)現(xiàn)為氣候變化條件下準確估算[CO₂]升高對稻田CH₄和N₂O排放的影響提供了新視角。

有機肥替代化肥是順利實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)“減肥減藥”目標的重要手段之一，但可能促進CH₄和N₂O排放，并帶來重金屬污染風險。通過稻麥輪作系統(tǒng)有機肥（生活污泥堆肥和豬糞堆肥）部分（25%和50%）替代化肥研究發(fā)現(xiàn)：25%的有機替代較單施化肥對稻季CH₄和N₂O總排放量以及總排放強度無明顯影響，但具有最高的水稻產(chǎn)量并顯著降低稻米中Cd含量；有機替代較單施化肥顯著降低麥季N₂O排放量并增加小麥產(chǎn)量，且25%的生活污泥堆肥替代化肥顯著降低小麥籽粒中Ni和Cd含量；就全年而言（圖3），連續(xù)3年有機替代較單施化肥顯著增加土壤有機碳含量14-20%，降低凈排放總量115-166%，50%的生活污泥堆肥替代化肥的總產(chǎn)量最高、凈排放總量和籽粒中Cd含量最低，且不會造成土壤和籽粒污染以及人體健康風險。鑒于有機肥本身還可能含有大量Hg、As以及其他有機污染物和抗生素等，在稻田生態(tài)系統(tǒng)中長期施用有機肥可能存在污染和健康風險，仍需繼續(xù)加強相關研究。

水肥管理是影響稻田CH₄和N₂O排放的關鍵因子，亦是調(diào)控土壤有機碳氮含量的重要措施。我國雙季稻田連續(xù)6年的研究結果表明（圖4）：晚稻收割后稻田排水翻耕較拋荒（不排水、不翻耕）顯著降低全年CH₄排放量和綜合溫室效應約28%；排水條件下秸稈翻耕還田具有最高的土壤固碳和固氮速率、最低的凈綜合溫室效應，以及最高的水稻產(chǎn)量。我國稻麥輪作系統(tǒng)連續(xù)13年的研究發(fā)現(xiàn)（圖5）：秸稈和尿素耦合相對于不施秸稈和尿素對CH₄排放的促進效應隨著施用年限的增加先增加后有所降低，具體表現(xiàn)為1-2年3.7倍、6-7年15.8倍、12-13年7.6倍；對N₂O排放的促進效應隨著年限的增加而持續(xù)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隨著年限的增加逐漸降低，分別為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隨著年限的增加在第7年達到最高值，為57千克N/公頃/年。該研究可為我國雙季稻田和稻麥輪作系統(tǒng)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、高效的固碳減排豐產(chǎn)增效技術模式，為推進我國稻田“雙碳目標”的順利實施提供技術手段和科學依據(jù)。相關成果得到國家重點研發(fā)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(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項以及中科院青年創(chuàng)新促進會資助，覆膜栽培方面工作與四川省農(nóng)科院土肥所合作完成。

2020年以來相關成果已發(fā)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》、《中國科學：地球科學》等期刊上。

圖1、覆膜及覆膜栽培下種植再生稻對CH₄和N₂O排放、水稻產(chǎn)量、排放強度及經(jīng)濟環(huán)境效益的影響

圖2、[CO₂]升高年限對稻田CH₄和N₂O排放影響的機理機制解析概念圖

圖3、有機肥部分替代化肥對CH₄和N₂O排放、作物產(chǎn)量及土壤和籽粒中重金屬含量的影響

圖4、冬季排水結合秸稈翻耕還田對雙季稻田土壤有機碳氮的影響

圖5、秸稈和氮肥耦合施用年限對稻麥輪作系統(tǒng)土壤有機碳氮的影響