旱直播稻与移栽稻温室气体排放：不同水分管理条件下农田尺度的比较分析

《Agricultural Water Management》：Greenhouse gas emissions from dry direct-seeded and transplanted rice: A comparative analysis under different water regimes in farmers’ rice fields

　　

水稻种植是亚洲农业温室气体（GHG）排放的重要组成部分，其中淹水移栽稻释放大量甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）。旱直播稻（DSR）作为一种节水、低碳的替代种植方式，其田间实际排放特征尚缺乏基于农民田块的原位观测数据。研究人员在孟加拉国拉杰沙希（Rajshahi）和朗布尔（Rangpur）两个地区，于两个Aus季（2023、2024）和两个Boro季（2024、2025）开展了田间对比试验，设置旱直播稻（DSR）、间歇灌溉移栽稻（TAD）和持续淹水移栽稻（TFI）三种处理，采用密闭静态箱-气相色谱法原位测定CH₄和N₂O排放通量，并计算全球增温潜势（GWP）、温室气体排放强度（GHGI）和排放因子（EF）。结果表明，DSR较TFI显著降低CH₄排放13–36%，虽然N₂O排放有所增加，但GWP仍降低13–36%；TAD较TFI降低CH₄排放4–20%，GWP降低9–19%。研究还发现，拉杰沙希的GWP高于朗布尔，土壤性质与水分管理是造成空间差异的主要原因。实测排放因子低于IPCC默认值。产量方面，Boro季拉杰沙希地区DSR较移栽稻减产约13–15%，朗布尔及Aus季各处理间产量无显著差异。区域情景分析表明，提高DSR采用率可显著降低全国尺度CH₄和GWP，同时提高碳效率。研究认为，DSR结合合理水分管理是减少水稻生产温室气体足迹、同时维持产量的气候智慧型技术，可为孟加拉国完善国家温室气体清单及制定减排策略提供重要参考。

论文解读：旱直播稻与移栽稻在不同水分管理下的温室气体排放比较研究

**一、研究背景与科学问题**

水稻是全球最重要的粮食作物之一，亚洲贡献了全球90%的水稻产量。在孟加拉国，水稻种植面积约1140万公顷，占农业用地的75%，是该国粮食安全的核心。传统水稻生产采用淹水移栽方式，长期淹水导致土壤处于强还原状态，有机质厌氧分解产生大量甲烷（CH₄），同时反硝化过程释放氧化亚氮（N₂O）。水稻生产的农业温室气体排放约占全球农业CH₄排放的30%和N₂O排放的11%。CH₄和N₂O的百年增温潜势分别为CO₂的27倍和273倍，对气候变化具有显著影响。

旱直播稻（dry direct-seeded rice, DSR）是一种直接播干种子于旱地土壤的种植方式，相比传统移栽稻可节省灌溉用水16–38%、降低生产成本30%、缩短生育期，并可能减少CH₄排放。然而，DSR在减少CH₄的同时可能增加N₂O排放，因此需要综合评估其全球增温潜势（global warming potential, GWP）和温室气体排放强度（greenhouse gas intensity, GHGI）。此前的研究多基于试验站或盆栽条件，缺乏在农民实际田块中进行的原位观测，尤其缺少孟加拉国条件下DSR与传统移栽稻及不同水分管理方式的系统比较。此外，关于DSR对水稻产量的影响结论尚不一致，其区域减排潜力也未得到量化评估。

基于上述问题，研究人员提出假设：与持续淹水移栽稻（transplanted rice with flooded irrigation, TFI）相比，DSR能够降低CH₄排放和GWP，同时不会显著降低产量。为验证该假设，研究在孟加拉国两个典型稻区开展了为期四年的田间试验，比较DSR、间歇灌溉移栽稻（transplanted rice with intermittent flooding-drying irrigation, TAD）和TFI三种种植方式下的水稻产量、CH₄和N₂O排放、GWP及GHGI，并通过区域情景分析评估DSR推广的减排潜力。

**二、研究设计与主要技术方法**

试验于孟加拉国拉杰沙希（Rajshahi）和朗布尔（Rangpur）两个地区的农民田块进行，覆盖2023–2025年两个Aus季（季风前稻）和两个Boro季（旱季稻）。采用随机完全区组设计，设置DSR、TAD和TFI三个处理，每个处理四次重复，小区面积5 m × 5 m。供试品种为BRRI dhan98，DSR采用机械条播（行距20 cm，播种量40 kg ha^?1），移栽稻移栽密度20 cm × 20 cm。氮肥总施用量一致，DSR按出苗后15、25–30、45–50天分三次追肥（20%:40%:40%），移栽稻按移栽后10–15天、最高分蘖期和孕穗前分三次追肥（30%:35%:35%）。TAD处理按安全干湿交替（AWD）原则，当水位降至土表下15 cm时灌溉；TFI保持淹水至收获前2周。

气体排放采用密闭静态箱法采集样品，每周上午9:30开始，每隔15分钟采集一次，共3个样品，持续30分钟。使用气相色谱仪（Shimadzu GC-2014）配备火焰离子化检测器（FID）和电子捕获检测器（ECD）分析CH₄和N₂O浓度。通过线性回归斜率计算排放通量，并依据IPCC方法计算排放因子（emission factor, EF）、GWP（以100年尺度换算，CH₄为27倍、N₂O为273倍CO₂当量）和GHGI（单位产量GWP）。使用R软件基于fmsb包绘制雷达图进行可持续性足迹评价，并基于区域水稻面积（Aus季115万公顷，Boro季480万公顷）构建DSR采用率30%、60%、100%的情景，估算CH₄减排量和产量变化。数据统计分析使用IRRI开发的STAR 2.0.1软件进行方差分析，处理均值比较采用Tukey HSD检验（α=0.05）。

**三、主要研究结果**

**3.1 CH₄排放与排放因子**

CH₄排放速率随水稻生长逐渐升高，在最高分蘖期和开花期出现明显峰值。整个生育期内，TFI的CH₄峰值显著高于DSR和TAD，且拉杰沙希的排放速率高于朗布尔。Boro季，DSR较TFI降低CH₄排放约16%（拉杰沙希）和37%（朗布尔），相应排放因子降低15%和34%；TAD在朗布尔较TFI降低约20%。Aus季，DSR较TFI降低CH₄排放约13%，较TAD降低约4%；TAD较TFI降低约4%。两个地点的实测CH₄排放因子（0.56–1.16 kg ha^?1 d^?1）均低于IPCC默认值（全球1.19 kg ha^?1 d^?1，南亚0.85 kg ha^?1 d^?1）。

**3.2 N₂O排放与排放因子**

N₂O排放峰值出现在尿素追肥期和土壤落干期。Boro季，DSR和TAD较TFI分别增加N₂O排放约34%和31%；Aus季分别增加约28%和12%。拉杰沙希的N₂O排放高于朗布尔，Boro季约高6%，Aus季约高14%。尽管DSR和TAD增加了N₂O排放，但其对GWP的贡献很小，仅占总GWP的0.61%–6.89%。

**3.3 GWP与GHGI**

Boro季，DSR较TFI降低GWP约15%（拉杰沙希）和34%（朗布尔），TAD较TFI降低GWP约18%和19%。Aus季，DSR较TFI降低GWP约12%，TAD降低约9%。DSR和TAD均显著降低GHGI，Boro季DSR和TAD较TFI分别低12%和14%，Aus季也呈一致趋势。拉杰沙希的GWP和GHGI显著高于朗布尔，Boro季分别高约28%和35%，Aus季GWP高约10%。

**3.4 可持续性足迹**

雷达图显示，TFI在产量指标上最优，但沿CH₄和GWP轴内缩明显，表明高产伴随高排放；DSR在气候指标上表现突出，虽然产量略低，但环境足迹显著减小；TAD则居于二者之间，显示出生产力和环境影响的平衡。

**3.5 区域影响情景分析**

当DSR采用率从30%提高到100%时，CH₄排放和GWP均呈显著下降趋势，Boro季的减排量大于Aus季。产量方面，两个季节均出现小幅减产，但环境效率（以GHGI衡量）均有所提升，Boro季效率提升幅度更大。

**3.6 水稻产量**

Boro季，拉杰沙希地区TFI和TAD的产量分别比DSR高约15%和13%，但朗布尔地区三种处理间无显著差异。Aus季，所有处理组合的产量均无显著差异，两个地点的产量水平相当。拉杰沙希的产量整体高于朗布尔，可能与其粉砂粘壤土、较高有机碳和养分有效性有关。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，DSR降低CH₄排放的关键机制在于旱作条件避免土壤长期淹水，促进氧气扩散，提高根际氧化还原电位，抑制产甲烷菌活性并增强甲烷氧化菌对CH₄的氧化作用。TAD通过间歇灌溉使土壤周期性好氧，同样达到减排效果。研究还发现，CH₄排放的时空差异主要取决于土壤性质（质地、有机碳含量）和水分管理的稳定性，而不是瞬时水深的绝对值。拉杰沙希土壤粉砂含量高、有机碳和可溶性有机碳含量高，排水性差，导致更强的厌氧环境和更高的CH₄产生；朗布尔砂质粘壤土透气性更好，有利于甲烷氧化。N₂O排放增加是DSR和TAD在减少CH₄后带来的权衡效应，但由于CH₄在GWP中占90%以上，总GWP仍然显著降低。DSR在Boro季拉杰沙希出现减产，可能与该地杂草压力大、出苗不齐和早期水分胁迫有关；Aus季雨水充足，水分和杂草问题缓和，因此无明显产量损失。区域情景分析表明，推广DSR能够有效降低孟加拉国水稻生产碳足迹，尤其在水资源消耗大的Boro季。研究人员认为，只要配合适宜的农艺和水管理措施，DSR是一种有吸引力的气候智慧型水稻种植方式。

研究结论为：水稻种植方式与水分管理协同显著影响温室气体排放、GWP、GHGI和产量。DSR和TAD较TFI可降低CH₄排放13–36%和4–20%，虽然N₂O排放增加，但CH₄减排量超过N₂O增量，因此GWP和GHGI均显著下降。减排效果和产量响应存在明显的空间和季节差异，强调需要因地制宜地制定管理策略。实测排放因子为孟加拉国提供了基准数据，有助于完善国家温室气体清单。总体而言，DSR结合合理水分管理是减少水稻温室气体足迹且不显著牺牲产量的可行选择，但需在更广泛的环境和更长时间尺度下开展综合评价，并加强土壤生物化学过程的直接测量，以支撑DSR作为低排放水稻发展策略的推广。