CN114793802A

CN114793802A - 一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法

Info

Publication number: CN114793802A
Application number: CN202210716983.3A
Authority: CN
Inventors: 王斌; 李玉娥; 宋春燕; 万运帆; 蔡岸冬; 高清竹; 秦晓波; 朱波; 胡严炎
Original assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Current assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Priority date: 2022-06-23
Filing date: 2022-06-23
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2042-06-23
Also published as: CN114793802B

Abstract

本发明公开了一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法。属于大气环境保护技术领域，管理方法如下：（1）秸秆粉碎还田，稻田落干状态维持5‑6个月；（2）早稻移栽前进行稻田管理，先旱耕，后湿耕；（3）早稻控水通气灌溉；（4）晚稻移栽前稻田秸秆粉碎还田，湿耕；（5）晚稻控水通气灌溉。通过自然降水和双季稻耕作栽培水分管理方法相结合，减少泡田时间、延长稻田湿润和脱水时间、减少灌溉量，充分促进土壤中秸秆好氧腐解，减少了双季稻田的甲烷排放量，同时也确保了水稻的稳产性。

Description

一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法

技术领域

本发明涉及大气环境保护技术领域，更具体的说是涉及一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法。

背景技术

甲烷是仅次于二氧化碳的强效短寿命温室气体，全球增温潜势在100年尺度上分别是二氧化碳的28倍。工业革命以来，全球大气甲烷浓度增加了两倍以上，造成了23%以上的全球变暖效果。

但是，目前常规的稻田水分管理方式，秸秆还田后，稻田长期处于淹水状态，稻田土壤中有机质被产甲烷菌厌氧分解形成甲烷，经过水土表层和根际土壤的甲烷氧化菌大部分氧化后，排放到大气，使甲烷排放量显著增长。水稻是我国主粮作物，稻田种植面积占全球水稻面积的18%。秸秆还田后甲烷排放量的增加，严重影响空气质量和全球气候变暖。

因此，如何提供一种轻简高效的双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法，有效控制甲烷排放，促进好氧腐解，并保证水稻产量，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法，通过对双季稻耕作和栽培过程中稻田的控水通气管理，增加了稻田的通气量和氧气含量，减少了甲烷菌的厌氧分解，有效降低了甲烷的排放量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法，包括如下步骤：

（1）冬闲期秸秆粉碎覆盖还田，稻田落干状态维持5-6个月；

（2）早稻移栽前稻田管理：先旱耕；后湿耕，在早稻移栽前3-5天灌浅水，保持1-2cm水层泡田1天，在土壤水层1cm或湿润状态下湿耕；施入基肥；

（3）早稻控水通气灌溉：早稻移栽至返青保持1-3cm水层；早稻分蘖期施入分蘖肥，采用薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，灌溉至分蘖末期；拔节期施入穗肥，采用薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，灌溉至拔节期结束；孕穗扬花期保持1-2cm水层；早稻成熟前7-10天，使稻田自然落干；

（4）晚稻移栽前稻田管理：秸秆粉碎还田，晚稻移栽前5-7天灌浅水1-2cm，自然落干，移栽前3天灌水，保持1-2cm水层泡田1天，水层1cm或湿润状态下湿耕，施入基肥；

（5）晚稻控水通气灌溉：晚稻移栽至返青保持2-4cm水层；晚稻分蘖期施入分蘖肥，采用薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，灌溉至分蘖末期；拔节期施入穗肥，采用薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，灌溉至拔节期结束；孕穗扬花期保持1-2cm水层；晚稻成熟前7-10天，使稻田自然落干。

上述步骤（1）的有益效果为：稻田落干状态下维持5-6个月，利用自然降水和稻田土壤干湿交替环境促进小段秸秆好氧腐解和养分的循环利用，减少后期甲烷排放。

上述步骤（2）的有益效果为：在早稻移栽前3-5天灌浅水，保持1-2cm水层泡田1天，减少了泡田时间，降低了产甲烷菌的厌氧分解。

上述步骤（3）的有益效果为：分蘖期采取薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，可以提高土壤通气性，有效减少秸秆还田后甲烷排放，促进好氧腐解，也有助于促进水稻生根；由于秸秆前期易分解部分基本已腐解，晒田后拔节至成熟阶段甲烷排放较低。

上述步骤（4）的有益效果为：晚稻移栽前5-7天灌浅水1-2cm，自然落干，可以促进新鲜秸秆好氧腐解。

优选地，早稻薄水层干湿交替灌溉法为单次灌溉2-3cm水层，稻田润湿脱水1-2天，并循环单次灌溉2-3cm水层和稻田润湿脱水1-2天这一操作。

优选地，晚稻薄水层干湿交替管理法为，单次灌溉3-4cm水层，稻田润湿脱水1-3天，并循环单次灌溉3-4cm水层和稻田润湿脱水1-3天这一操作。

优选地，早稻分蘖期，浇水灌溉3-7次，拔节期，浇水灌溉2-4次；晚稻分蘖期，浇水灌溉4-7次，拔节期，浇水灌溉2-5次。

优选地，步骤（2）和步骤（3）基于自然降水早稻和晚稻的控水通气灌溉管理为：在连阴雨、暴雨天气来临之前保持稻田无水层，若降雨量大于2cm，可当做一次灌水。

上述操作的有益效果为：将自然降水、双季稻栽培耕作和水分管理相结合，减少了灌溉频率和灌溉量，同时有效降低了甲烷的排放。

优选地，早稻控水通气灌溉和晚稻控水通气灌溉均还包括分蘖末期排水晒田5-7天。

上述操作的有益效果为：控制无效分蘖，大幅减少土壤中产甲烷菌的繁殖。

优选地，单季氮肥施用量为140-200kgN/ha，分3次施用，基肥占30-50%，分蘖肥占25-40%，穗肥占20-30%；单季磷肥施用量为50-90kgP₂O₅/ha，全部用作基肥；单季钾肥施用量为40-90kgK₂O/ha，可全部用作基肥施用，或分3次施用，基肥占30-60%，分蘖肥占0-20%，穗肥占40-50%。

优选地，早稻移栽前15-20天，稻田落干状态下旱耕，将冬闲期杂草、晚稻根茬和粉碎秸秆翻埋入地下，粉碎秸秆的长度为2-5cm。

上述操作的有益效果为：将冬闲期杂草、水稻根茬和小段秸秆翻埋入地下，利用土壤自身墒情促进好氧腐解，减少后期淹水下甲烷排放。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）与常规中期晒田间歇性灌溉技术相比，本发明通过减少泡田时间、延长稻田润湿和脱水时间、减少灌溉量，充分促进土壤中秸秆好氧腐解，减少了双季稻稻田的甲烷排放量，同时也确保了水稻的稳产性。

（2）本发明操作简便，利用南方双季稻地区降雨充沛的特点，将双季稻耕作栽培水分管理方法和自然降雨相结合，减少了灌溉次数和灌溉频率，同时也促进了秸秆的好氧腐解，提高了秸秆的腐解速率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为常规灌溉（CK）和控水通气灌溉（WS）下双季稻甲烷日排放通量，其中T为移栽到分蘖阶段，D为晒田阶段，H为晒田后复水到乳熟阶段，M为成熟落干阶段，数值为三个重复观测的平均值。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1和实施例2均于2020年，在湖北省荆州市国家农业气象试验站内（30°21'N，112°09'E）进行试验。该实施区为江汉平原代表站点，属于亚热带季风气候区，稻田为内陆河湖交替沉积形成的水稻土，质地为粉质中壤，保水保肥能力良好。当地年平均气温15.9-16.6℃，太阳年辐射总量为104-110k Cal/cm-2，年日照时数1800-2000h，年平均降雨量1100-1300mm。

早稻供试品种为杂交稻‘两优152’，晚稻供试品种为杂交稻‘隆优4945’，均为江汉平原适宜栽种籼稻品种，移栽行株距为25cm×13cm。早稻和晚稻各施肥3次，在水稻移栽前施用基肥1次，之后在水稻分蘖期和孕穗期各追肥1次。氮肥为尿素，单季施用量为144 kgN/ha，基肥、分蘖肥和穗肥按比例50%：25%：25%施入；磷肥均为过磷酸钙，单季施用量为60kg P₂O₅/ha，作为基肥一次性施入；钾肥为氯化钾，单季施用量为90 kg K₂O/ha，按比例33%：17%：50%施入；秸秆还田量为4500 kg/ha 。早稻和晚稻秸秆含碳率分别为42.5%、43.1%，含氮率分别为0.96%、0.88%。

实施例1

（1）晚稻收割后低留茬8cm，秸秆粉碎为2cm小段覆盖还田，冬闲期稻田处于落干无淹水状态5个月；

（2）在早稻移栽前15天，田面落干条件下旱耕，将冬闲期杂草、晚稻根茬和小段秸秆翻埋入地下；移栽前3天灌浅水1次，保持1cm水层泡田1天，随后在土壤湿润状态下湿耕，施入基肥打浆整地待插秧。

（3）早稻控水通气灌溉：早稻移栽至返青保持1cm水层；早稻分蘖期施入分蘖肥，采用薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，单次灌溉2cm水层，可使稻田保持淹水状态1-3天，湿润脱水2天后，循环灌溉4次，分蘖末期排水晒田7天；拔节期复水施入穗肥，采取薄水层干湿交替管理法，单次灌溉2cm水层，可使稻田保持淹水状态1-3天，湿润脱水2天，循环灌溉3次；孕穗、扬花期保持1cm水层；早稻成熟前10天，使稻田自然落干；

（4）晚稻移栽前稻田管理：秸秆粉碎还田，晚稻移栽前7天灌浅水1cm，自然落干，移栽前3天灌水，保持1cm水层泡田1天，湿润状态下湿耕，施入基肥；

（5）晚稻控水通气灌溉：晚稻移栽至返青保持2cm水层；晚稻分蘖期施入分蘖肥，采取薄水层管理法，单次灌溉3cm水层，可使稻田保持淹水状态1-3天，湿润脱水1天，循环灌溉5次；拔节期复水施入穗肥，采取浅水层干湿交替灌溉方式，单次灌溉3cm，可使稻田保持淹水状态1-3天，湿润脱水2天，循环灌溉3次；孕穗扬花期保持1cm水层；晚稻成熟前10天，使稻田自然落干，晚稻收割后按照冬闲期管理模式进行。

实施例2

（1）晚稻收割后低留茬10cm，秸秆粉碎为5cm小段覆盖还田，冬闲期稻田处于落干无淹水状态6个月；

（2）在早稻移栽前20天田面落干条件下旱耕，将冬闲期杂草、晚稻根茬和小段秸秆翻埋入地下；移栽前5天灌浅水1次，保持2cm水层泡田1天，随后在土壤湿润状态下湿耕，施入基肥打浆整地待插秧。

（3）早稻控水通气灌溉：早稻移栽至返青保持3cm水层；早稻分蘖期施入分蘖肥，采取薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，单次灌溉2cm水层，可使稻田保持淹水状态1-3天，湿润脱水1天，循环灌溉7次；分蘖末期排水晒田5天；拔节期复水施入穗肥，采取薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，单次灌溉2cm水层，可使稻田保持淹水状态1-3天，湿润脱水1天，循环灌溉3次；孕穗扬花期保持2cm水层；早稻成熟前7天，使稻田自然落干；

（4）晚稻移栽前稻田管理：秸秆粉碎还田，晚稻移栽前7天灌浅水2cm，自然落干，移栽前3天灌水，保持2cm水层泡田1天，水层1cm或湿润状态下湿耕，施入基肥；

（5）晚稻控水通气灌溉：晚稻移栽至返青保持4cm水层；晚稻分蘖期施入分蘖肥，采取薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，单次灌溉3cm水层，可使稻田保持淹水状态1-3天，湿润脱水1天，循环灌溉7次；拔节期复水施入穗肥，采取薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，单次灌溉2cm，可使稻田保持淹水状态1-3天，湿润脱水1天，循环灌溉5次；孕穗扬花期保持2cm水层；晚稻成熟前7天，使稻田自然落干，晚稻收割后按照冬闲期管理模式进行。

实施例3

以本申请实施例1控水通气灌溉模式作为试验组（WS），以双季稻的常规灌溉模式作为对照组（CK），进行对照实验。试验组和对照组均设置3个小区作为重复，随机区组排列，每个小区长6m，宽4.5m。试验组和对照组稻田耕作、施肥、打药和秸秆还田均保持一致。

对照组（CK）:早稻移栽前15天开始灌水泡田，保持3-6cm水层，移栽前3天在土壤淹水条件下湿耕，施入基肥打浆整地待插秧。早稻生长季返青至分蘖持续淹水，单次灌水深度为5cm，脱水后接着灌水，分蘖末期排水晒田7天，拔节期复水后采取浅水灌溉方式，水深为3cm，脱水1天后再灌水，孕穗、扬花关键需水阶段应当保持有水层2cm，成熟收获前10天自然落干。常规灌溉模式晚稻移栽前7天灌水泡田，保持3-6cm水层，移栽前3天在淹水条件下旋耕，施入基肥后打浆整地待插秧。晚稻生长季返青至分蘖持续淹水，单次灌水深度为6cm，脱水后接着灌水，分蘖末期排水晒田7天，拔节期复水后采取浅水灌溉方式，水深为3cm，脱水1天后再灌水，孕穗、扬花关键需水阶段应当保持有水层2cm，成熟收获前10天自然落干。

水稻生长季内采用“静态箱-气相色谱法”测定甲烷排放，在上午9:00~11:00进行气体采集，罩箱时间持续30 min，分别在第0、10、20、30 min采集气体，采样频率为晒田前间隔2-4天一次，晒田后间隔4-6天一次，通过安捷伦7890A气相色谱仪检测气样中的甲烷浓度，采用内插加权法计算稻田累积排放量，实验结果分别如附图1和表1：

数值为排放量的平均值±标准误差，不同小写字母表示同一品种下不同处理间存在显著差异（P<0.05）。

从监测结果来看，甲烷排放主要集中在晒田前移栽到分蘖阶段，占全生育期排放80%以上，单日最高甲烷排放峰值常规灌溉为67.6 mg m^-2 h^-1，控水通气灌溉为36.9 mg m^-2h^-1，减少了45.4%（附图1）。早稻控水通气灌溉的甲烷累积排放量（表1）比常规灌溉显著减少17.0%，晚稻减少23.1%，两种灌溉模式下水稻产量相差2%以内，无显著差异，表明控水通气灌溉可保证水稻稳产。

实施例4

采用“埋袋法”设置微区试验探究控水通气灌溉（WS）和常规灌溉（CK）对稻田秸秆腐解的影响。稻田微区管理模式与实施例3描述保持一致，共设置6个微区。在早稻收割后收取秸秆剪成5cm小段，烘干后装入200目的尼龙网袋，每一袋装入10g，于晚稻整地移栽时埋入土壤，每个微区埋4袋，埋袋深度为10cm，分别在第8、26、49、99天（收获）将袋子取出，样品经洗净烘干后测量残留秸秆干物质量，利用失重法测定秸秆残留率和腐解速率，实验结果如下所示：

数值为平均值±标准误差，不同小写字母表示常规灌溉和控水通气灌溉间存在显著差异（P<0.05）。腐解速率按0-8天、8-26天、26-49天、49-99天及全生长季0-99天计算。

实验结果显示，移栽后第8天控水通气灌溉秸秆残留率显著低于常规灌溉8.3个百分点，腐解速率提高64.7%；第26天秸秆残留率降低4.5个百分点，腐解速率提高9.1%；在第99天成熟收获时残留率仍低于常规灌溉5.2个百分点，全生长季秸秆平均腐解速率提高7.7%（表2）。可见，控水通气灌溉相比常规灌溉加速了秸秆腐解，特别是在秸秆还田后水稻前期生长阶段，稻田土壤间断性脱水通气促进秸秆好氧分解，并有利于甲烷减排。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法，其特征在于，包括如下步骤：

冬闲期秸秆粉碎覆盖还田，稻田落干状态维持5-6个月；

早稻移栽前稻田管理：先旱耕；后湿耕，在早稻移栽前3-5天灌浅水，保持1-2cm水层泡田1天，在土壤水层1cm或湿润状态下湿耕；施入基肥；

早稻控水通气灌溉：早稻移栽至返青保持1-3cm水层；早稻分蘖期施入分蘖肥，采用薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，灌溉至分蘖末期；拔节期施入穗肥，采用薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，灌溉至拔节期结束；孕穗期扬花期保持1-2cm水层；早稻成熟前7-10天，使稻田自然落干；

晚稻移栽前稻田管理：秸秆粉碎还田，晚稻移栽前5-7天灌浅水1-2cm，自然落干，移栽前3天灌水，保持1-2cm水层泡田1天，水层1cm或湿润状态下湿耕，施入基肥；

晚稻控水通气灌溉：晚稻移栽至返青保持2-4cm水层；晚稻分蘖期施入分蘖肥，采用薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，灌溉至分蘖末期；拔节期施入穗肥，采用薄水层干湿交替灌溉法进行灌溉，灌溉至拔节期结束；孕穗扬花期保持1-2cm水层；晚稻成熟前7-10天，使稻田自然落干。

2.根据权利要求1所述的一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法，其特征在于，步骤（3）早稻薄水层干湿交替灌溉法为单次灌溉2-3cm水层，稻田润湿脱水1-2天，并循环单次灌溉2-3cm水层和稻田润湿脱水1-2天这一操作。

3.根据权利要求1所述的一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法，其特征在于，步骤（5）晚稻薄水层干湿交替灌溉法为，单次灌溉3-4cm水层，稻田润湿脱水1-3天，并循环单次灌溉3-4cm水层和稻田润湿脱水1-3天这一操作。

4.根据权利要求1所述的一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法，其特征在于，早稻分蘖期，浇水灌溉3-7次，拔节期，浇水灌溉2-4次；晚稻分蘖期，浇水灌溉4-7次，拔节期，浇水灌溉2-5次。

5.根据权利要求1所述的一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法，其特征在于，步骤（2）到步骤（5）中基于自然降水早稻和晚稻的控水通气灌溉管理为：在连阴雨、暴雨天气来临之前保持稻田无水层，若降雨量大于2cm，可当做一次灌水。

6.根据权利要求1所述的一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法，其特征在于，早稻控水通气灌溉和晚稻控水通气灌溉均还包括分蘖末期排水晒田5-7天。

7.根据权利要求1所述的一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法，其特征在于，单季氮肥施用量为140-200kgN/ha，分3次施用，基肥占30-50%，分蘖肥占25-40%，穗肥占20-30%；单季磷肥施用量为50-90kgP₂O₅/ha，全部用作基肥；单季钾肥施用量为40-90kgK₂O/ha，可全部用作基肥施用，或分3次施用，基肥占30-60%，分蘖肥占0-20%，穗肥占40-50%。

8.根据权利要求1所述的一种双季稻秸秆还田减少甲烷排放的周年水分管理方法，其特征在于，步骤（1）中在早稻移栽前15-20天，稻田落干状态下旱耕，将冬闲期杂草、晚稻根茬和粉碎秸秆翻埋入地下，粉碎秸秆的长度为2-5cm。