（一） 项目简介（200字以内）

通过采用田间试验，监测各种复种模式下碳排放、活性氮排放的动态变化情况，探讨复种对减缓气候变化和改善生态环境的潜力。同时，通过生态系统服务价值评估，量化复种对生态系统健康和人类福祉的贡献。该研究将为优化稻田管理、减少排放、增加碳汇和氮汇以及提升生态系统服务水平提供科学依据，为可持续农业发展和生态环境保护提供支持。

（二） 研究目的

比较上海市不同稻田复种模式下的碳排放和活性氮排放规律，核算其碳汇和氮汇潜力，并评估不同稻田生态系统服务的价值。

（三） 研究内容

（1）不同稻田复种系统碳排放、活性氮排放规律

在上海市青浦现代农业园区内开展田间试验，研究上海市典型稻田复种类型，包括水稻-蚕豆（RB）、水稻-紫云英（RC）、水稻-休耕（RF）、水稻-油菜（RR）和水稻-小麦（RW），以探究它们在生长季内CH₄、N₂O、NH₃、HONO等气体的排放规律。同时，监测稻田主要环境因子，如温度、湿度、pH等，以全面了解复种系统对环境的影响。

（2）不同稻田复种系统碳汇氮汇潜力

基于监测数据和模型分析，结合生命周期评价法，系统分析不同复种方式下稻田生态系统中碳、氮的来源与去向，明确系统边界以及碳流、氮流路径。进而，计算不同稻田复种系统的碳汇量和氮汇量，评估其在固碳和固氮方面的潜力。

（3）不同稻田复种系统服务价值评估

收集土壤质量、水质监测、生物调查等相关数据，运用市场价格法、替代成本法等评估方法，综合考量各项生态系统服务在供给、调节、支持、文化等方面的价值。

（四） 国、内外研究现状和发展动态

1．稻田复种

绿色革命后，水稻生产在高强度的集约化模式下实现了短期内的显著增产。然而，随着稻田土壤环境的负担日益加重，土壤退化和污染问题逐渐凸显，对水稻产量造成了损害，并引发了诸多环境问题，严重威胁着生态安全。因此，实施良好规划的耕作制度显得尤为重要，这不仅能够促进自然资源的有效利用，长期保持土地的生产力，还能实现更高的作物产量，确保耕作制度的可持续性。作为土地养地相结合的耕作模式，稻田复种自古以来就被视为一种能够有效改善土壤理化性质、增加养分储存、促进有益微生物集合的耕作方式，从而显著提高水稻产量^[1]。除了对粮食生产的促进作用外，稻田复种还具有调节和改善土壤环境的功能。它能够降低土壤侵蚀、提升土壤保水能力、增强酶活性并促进团聚体的形成，有效修复由化学品和重金属造成的土壤污染^[2]。此外，稻田复种还丰富了稻田生态系统中的作物多样性^[3]，提高土壤细菌和真菌的多样性^[4]，进一步丰富了碎屑食物网中原生动物的多样性^[5]。这种多样性的增加不仅有助于维持生态系统的平衡与稳定，也为农田生态系统的可持续发展提供了有力支持。

2．稻田复种的温室气体排放、活性氮气体排放研究

2.1稻田复种温室气体排放

水稻生产过程中长期淹水的管理措施使得土壤长时间处于厌氧状态，为温室气体——甲烷（CH₄）的产生创造了有利条件。研究数据表明，稻田甲烷排放占全球人为甲烷排放的11%，成为影响全球气候变暖的重要因素^[6]。此外，水稻生产中的施肥、烤田以及非水稻种植季的旱地作物种植等活动，也导致另一种温室气体——氧化亚氮（N₂O）的大量排放。据统计，稻田氧化亚氮的排放量可达到农业土壤氧化亚氮排放总量的14%，进一步加剧了全球气候变暖的问题^[7]。

鉴于这些非二氧化碳温室气体的增温潜势远高于二氧化碳，水稻种植对全球气候变暖的贡献不容忽视。然而，研究表明，通过合理的耕作模式调整，可以有效降低稻田的温室气体排放。例如，冬旱地作物-夏水稻的稻田复种模式相较于双季水稻模式，在降低甲烷排放方面表现出显著优势，尽管氧化亚氮排放有所上升，但总体全球增温潜势仍显著降低^[8]。Su等研究发现，不同旱地作物与水稻的复种模式对温室气体排放的影响存在显著差异。将单季稻模式转变为稻麦复种后，由于淹水时期的缩短，甲烷排放显著降低^[9]。Xia等研究发现，水稻-蚕豆复种相较于稻麦复种，甲烷排放降低更为显著，且温室气体强度也显著降低^[10]。Hao等的研究表明水稻-油菜复种模式相较于水稻-休耕复种模式，不仅产量更高，而且温室气体排放更低^[11]。此外，基于长期田间试验的一项研究发现，水稻-油菜复种会导致单位产量全球增温潜势增加，而水稻-紫云英复种则能够降低单位产量全球增温潜势。这种影响主要归因于不同旱地作物对土壤DOC和C/N的影响。C/N比越高，甲烷排放越多，但低C/N可能会增加氧化亚氮的排放。因此，在选择稻田复种模式时，需要综合考虑作物种类、土壤条件以及环境影响，以实现产量提升与温室气体减排的双重目标^[12、13]。

2.2稻田复种活性氮气体排放

氧化亚氮不仅是温室气体，同时也是一种活性氮气体。土壤活性氮库是稻田复种不可或缺的营养物质库，同时也是最不稳定、最容易发生迁移的部分。除了氧化亚氮外，稻田复种也会产生氨气（NH₃）、气态亚硝酸（HONO）等其他活性氮气体。这些活性氮气体被稻田排出后在大气中发生一系列物理化学、光化学反应，产生气溶胶、臭氧（O₃）等衍生物，对大气环境质量造成负面影响^[14]。不同的施肥量、施肥方式、灌溉方式等措施对稻田活性氮气体排放影响显著^[15]。但是，目前关于稻田复种对活性氮气体排放的影响尚未探明，还需进一步研究。

3．稻田复种碳汇氮汇潜力

稻田碳汇方面，先前对于稻田碳排放的研究多关注直接温室气体排放而忽略了由各环节中包括物资生产、物资运输和能源消耗引起的间接碳排放，而这部分间接碳排放会对稻田生态系统温室气体总排放具有很大的影响^[16]。Huang等利用四年大田实验结果评估了水稻-麦、水稻-芸薹和双季水稻的碳足迹，发现稻田复种模式的碳足迹显著低于双季水稻模式的碳足迹^[17]。Cai等探究了华中地区不同稻田复种模式全生命周期碳足迹，发现稻-蚕豆和稻-紫云英的碳足迹相比稻-麦和稻-芸薹显著降低37-50%^[18]。Yue等对不同稻田复种模式的碳足迹、氮足迹和水足迹进行了评估，发现稻-紫云英模式具有最低的单位面积碳足迹，其土壤碳固定量达到碳足迹的57%，而稻-麦轮作具有最高的单位面积碳足迹，其固碳部分仅达到碳足迹的25%^[19]。一项针对绿肥在中国南部稻田碳足迹的meta分析显示，水稻绿肥轮作降低了31.4%的间接碳足迹，但增加了19.6%的直接甲烷排放，在甲烷排放较低的区域，水稻绿肥轮作的碳固定量可以弥补绿肥驱动的碳足迹增加，而在甲烷排放较高的区域则无法弥补^[20]。稻田氮汇方面，先前对于稻田活性氮排放的研究多关注氧化亚氮排放、氨排放而忽略了气态亚硝酸排放，关于稻田复种的活性氮排放的研究也较少。

4．稻田复种生态系统服务价值评估

冬旱地作物-夏水稻的稻田复种模式作为一种典型的保护性耕作模式，相比传统水稻种植模式具有更高的生态功能服务价值，尤其体现在冬季绿肥作物还田后对土壤养分的提升进而对夏季水稻产量的提升。许多研究都表明，绿肥还田显著增加了土壤有机碳含量、养分含量、微量元素含量并显著提高了水稻产量和可持续收益指数^[21、22]。除了对粮食生产功能的促进作用，稻田复种还具有调节改善土壤环境的功能，如降低土壤侵蚀，改善土壤性质如保水能力、酶活性和团聚体形成，修复化学品和重金属污染^[23]。另外，稻田复种增加了稻田生态系统中作物多样性，增加了根系微生物多样性（尤其增加了益生菌的相对丰度）^[24]，增加了土壤细菌和真菌多样性^[25]，增加了碎屑食物网中原生动物的多样性^[26]。

由于稻田复种具有很高的经济收益和生态效益，对稻田复种生态系统的服务价值评估正受到越来越多的重视。Li等计算了南方地区绿肥的生态服务价值，发现绿肥在华南水田的生态服务价值最高的两项为气体调节和土壤有机质累计，绿肥的生态服务价值远远超过其种植成本^[27]。Yang等对鄱阳湖地区多种稻田复种模式的生态经济效益进行了综合评估，结果显示，稻-紫云英模式的综合效益指数最高，远高于稻-休耕模式^[28]。Wang等的研究显示，在江南丘陵地区，稻-紫云英和稻-蚕豆的大气调节、水源涵养、土壤有机质累积等生态功能服务价值远高于稻-休耕，农产品经济收益与稻-休耕持平或略高^[29]。然而，对于稻田复种模式生态系统服务价值的具体指标体系和计算方法，以上研究差别很大而且没有充分考虑到不同稻田复种模式的特点。另外，稻田复种模式除了可以提供正向的生态系统服务外，仍然存在一些生态隐患，例如Tuan的研究就发现，绿肥作为农业害虫斜纹夜蛾的避难所促进了它们的种群增长^[30]，尚没有很多文献将稻田复种模式的生态系统负服务价值考虑在内。

参考文献：

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[30]Shu-Jen Tuan, Nian-Jhen Li, Chih-Chun Yeh, et al. Effects of Green Manure Cover Crops on Spodoptera litura (Lepidoptera: Noctuidae) Populations.  Journal of Economic Entomology, Volume 107, Issue 3, Pages 897–905, 2014.

（五） 创新点与项目特色

对稻田温室气体、活性氮气体同时进行长期监测；对稻田碳汇氮汇潜力同时进行评估。

（六） 技术路线、拟解决的问题及预期成果

1．技术路线：

2．拟解决的问题：

（1）不同复种方式下稻田温室气体、活性氮气体排放规律及影响因素

（2）不同复种方式下稻田碳汇氮汇潜力

（3）不同复种方式下稻田生态系统服务价值

3．预期成果：

（1）撰写项目研究报告1份

（2）撰写发表研究论文1~2篇

（七） 项目研究进度安排

2024.2-2024.3：查阅文献，明确试验方案

2024.3-2024.5：开展冬季田间试验，采集气体，收集气候数据，测定土壤理化指标；明确碳汇氮汇核算方法；构建生态系统服务价值评估体系

2024.6-2025.2：开展夏季田间试验，采集气体，收集气候数据，测定土壤理化指标；整理并分析试验数据，撰写项目报告和论文

（八） 已有基础

1．与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

课题组前期田间试验研究结果证明，不同复种方式下稻田温室气体差异显著。从甲烷和氧化亚氮的排放量情况来看，水稻-蚕豆、水稻-紫云英、水稻-休耕、水稻-油菜处理的稻田温室气体排放量显著低于水稻-小麦处理。

2．已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法