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人类活动引起的温室气体排放量的增加，导致了全球气候变暖、极端天气频发等一系列生态环境问题，给人类正常的生产生活造成了严重影响，已经成为亟待解决且极具挑战性的“全球性危机”[1]。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告[2]表明：2019年温室气体排放量达590亿t，比2010年提高约12%，其中全球农林生态系统温室气体排放量占温室气体总排放量的13%~20%，农田生态系统无疑成为了温室气体的重要来源之一[3]。
农业生产活动是重要的生物排放源[4]，其在生产经营过程中深刻影响着温室气体排放，每年贡献了温室气体总排放量的20%[5]，其中产生的甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是仅次于二氧化碳(CO2)的主要温室气体[6]，且具有更强的增温效应。全球约50%的CH4和60%的N2O来自农业生产活动[7]，非CO2温室气体减排的重要性愈发突出。农业领域内温室气体减排的研究已日益受到学术界、政策制定者以及相关利益群体的高度关注。
目前，全球约1.35亿hm2农田(12%的全球农田)用于作物轮作种植[8]，在热带和亚热带农业中是一种主要的土地管理策略。具体的轮作系统及其面积在全球不同地区的分布存在显著差异。中国幅员辽阔，地形复杂，不同地区形成了与其相适应的作物轮作模式，明显改变了土壤的理化性质，也影响农田温室气体的排放[9−10]。例如，旱地作物与水稻Oryza sativa轮作会导致频繁的水淹和干燥条件转换，影响土壤中的营养平衡和有机物分解速率，从而影响CH4排放[11]；豆科Leguminosae作物轮作系统中，由于豆科作物残留物富含氮，返还土壤后会提供额外的硝化和反硝化底物，从而导致N2O排放增加[12]等。
不同地区的气候、土壤类型、管理方式等对轮作系统的温室气体排放存在显著影响，但具体的影响机制和量化数据仍不充分，最佳管理措施仍需进一步研究。此外，目前的研究多集中在短期效应，长期效应尚不明确。鉴于此，本研究总结了不同轮作模式的耕作方式差异及其对农田温室气体排放的影响，分析当前不同轮作模式存在的问题，并讨论未来的主要研究方向，以期为减少农田温室气体排放提供思路与方案。
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目前，农业生产面临着粮食增产与环境保护之间、经济效益与生态效益之间的矛盾。单一的耕作模式，容易带来土壤理化性质的进一步恶化，作物产量不断降低等诸多负面影响，而多样化的轮作模式既可以提高粮食产量，又可以改善土壤环境、减少农业生产中温室气体的排放[10]。不同轮作模式的适用地区、水肥及管理措施不同，田间CH4与N2O的排放量存在差异，总结主要轮作模式对农田温室气体排放的影响，将有助于指导作物生产可持续发展。
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水旱轮作是在同一田块上，有顺序地轮换种植水稻和其他旱地作物的种植方式。长江中下游地区主要以水旱轮作模式为主，干湿交替是该模式的主要特征，其中包括以水稻-小麦Triticum aestivum轮作(稻麦轮作)、水稻-油菜Brassica chinensis轮作(稻油轮作)等为主体的轮作模式[13]。不同水旱轮作模式对农业生产中CH4和N2O的排放存在差异[14]。水稻季主要排放的温室气体是CH4，占全年总排放量的87.84%~98.16%，小麦季CH4排放量大于油菜季；旱作季集中排放的温室气体为N2O，占全年总排放量的41.48%~65.48%，油菜季N2O排放量大于小麦季[15]。对比几种水旱轮作模式，CH4排放量从大到小依次为双季稻模式、水稻-小麦轮作、水稻-油菜轮作、稻闲模式，N2O排放量从大到小依次为水稻-油菜轮作、水稻-小麦轮作、双季稻模式、稻闲模式[16−17]，主要由于小麦秸秆碳氮比高，还田后利于生物固氮从而减少N2O排放量[18]，使得水稻-油菜轮作N2O排放量高于水稻-小麦轮作。但也有研究表明：因油菜季根呼吸量小于小麦季，CH4和N2O排放量从大到小依次均为水稻-小麦轮作、水稻-油菜轮作[[19−21]，且油菜为直根系作物，可改善土壤及微生物状况[22]，从而减少CH4和N2O的排放量。
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水稻-小麦轮作作为中国最典型的水旱轮作模式，在水旱轮作体系中占据最大比例。该模式广泛应用于长江中下游的江苏、安徽、湖北等省市的稻作区，且应用面积占比较大，其可持续发展与国家粮食安全问题息息相关[23−24]。
总体来看，水稻-小麦轮作模式在水稻季的CH4排放量显著高于水稻单一种植模式。与单季稻相比，水稻-小麦轮作模式虽然在水稻季N2O排放量极低，但是CH4排放量呈现上升趋势，不能抵消CH4高排放量造成的温室效应[25]。因此，水稻-小麦轮作系统中稻田周年全球增温潜势(GWP)显著高于单季稻。水稻-小麦轮作模式中在小麦季N2O排放量也显著高于小麦单季种植模式；水稻-小麦轮作模式干湿交替水分管理方式会导致土壤孔隙度增加、通气性改善，促进N2O的产生和排放[26]，而小麦单季种植模式下，土壤保持相对稳定，孔隙度和通气性变化较小，因此N2O排放量较低。
CH4和N2O排放量与季节有较大关系。水稻-小麦轮作全球增温潜势主要受水稻季CH4排放的影响[26]，因为水稻生长处于全年气温最高的时期，气温增高加速了有机物分解，为甲烷菌提供能量[27]与缺氧环境[28]，进而加速CH4排放[29]，此外淹水环境有利于甲烷菌快速生长[30]，并且可以有效抑制甲烷氧化菌活性[31]；而旱季作物缺少厌氧条件，故CH4排放量较少。N2O对全球增温潜势的贡献只占小部分，其排放主要与硝化和反硝化作用有关[30]，水稻季气温高的环境有利于N2O的产生与排放。不过，由于水稻田长期处于淹水状态，N2O会转化为N2，但在干湿交替的晒田期，会出现N2O的排放高峰[32]。而在旱地作物生长期间，N2O的排放受养分、水分和气温等因素的影响。当氮肥施用量增加、降水量增多以及气温升高时，N2O排放量也会随之不断增加[33]。
不同种植方式和作物种类会对CH4和N2O的排放量产生影响。直播稻与移栽稻CH4排放通量均有双峰趋势，分别在分蘖中期和拔节孕穗期，其中直播稻的CH4排放通量明显低于移栽稻。而在旱作季，种植元麦Hordeum vulgar var. nudum和小麦的CH4排放量均较低，且排放量随气温的降低而减少。N2O主要在小麦季排放，小麦和元麦的N2O排放量呈现双峰变化趋势，峰值出现在拔节期，小麦比元麦N2O排放量高96.19%。在水稻季中，N2O排放量呈现单峰变化趋势，在分蘖末期N2O排放量急剧增加并达到峰值，其中直播稻的N2O排放量要高于移栽稻[33]。
不同施肥方式也会影响温室气体的产生与排放。与常规施肥相比，施用生物质炭3 a后，CH4、N2O等温室气体排放量显著降低，并且具有增产效果。生物质炭的影响较长久，在第4~6年仍然有使水稻-小麦轮作系统增产与减排的潜力[34]。有机肥部分替代化肥的施肥方式，可有效提高水稻-小麦轮作模式下的产量、氮素利用率与氮素吸收量[35]，会增加水稻-小麦轮作中CH4的排放量，但可以有效降低大田氮氧化物(N2O与NO)的排放量[36]。
稻、麦秸秆还田是生产上极被重视并长期推行的耕作方式，能够有效改善土壤理化性质，增加土壤有机质含量，提高作物产量[37]。在水稻-小麦轮作中，秸秆还田为甲烷菌提养分和底物，促进农田CH4的排放，CH4排放量与秸秆还田量呈显著正相关[38]，在稻田淹水条件下，CH4排放量显著增长[39]。有学者认为：秸秆还田并不能减少[40]甚至增加N2O的排放量[41]，N2O排放量随秸秆还田量的增加而增长[42]，小麦季排放量显著增长[43]；也有学者指出：在水稻-小麦轮作背景下，N2O排放量相较于不还田处理降低了19.00%[44]，水稻季N2O排放量明显减少[45]。总体上看，水稻-小麦轮作模式下，秸秆还田措施在短期内会增加CH4和N2O的排放量，但长期秸秆还田能够降低温室气体的排放量[46]。
目前，水稻-小麦轮作模式仍然是长江中下游地区覆盖最广、规模最大、最典型的水旱轮作模式，CH4和N2O是该模式排放的主要温室气体，分别集中于水稻季和小麦季。进一步研究耕作与水肥等栽培措施对CH4和N2O排放的调控及机制，将有助于实现水稻季降低CH4排放和小麦季降低N2O排放的“双降”目标。
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水稻-油菜轮作是代表性的水旱轮作生产模式，可有效改善土壤理化性质，提高复种指数以及土地利用率，对于农业可持续发展具有重要意义。水稻-油菜轮作模式广泛分布于中国南方稻区，尤其分布在以湖北和湖南为代表的长江中游地区。
与单季水稻种植模式相比，水稻-油菜轮作模式中全球增温潜势增长了26.3%~65.8%，稻季CH4排放量较多，冬季N2O排放量也有增长[47]。此外，水稻-油菜轮作模式中水稻季CH4排放量和油菜季N2O排放量均显著高于油菜单季种植模式。这与小麦单季种植模式类似，主要是因为土壤理化特性以及微生物活性的变化，导致CH4和N2O的排放量增加。水稻-油菜轮作模式下水稻季CH4排放量占周年总CH4排放量的91.80%~98.50%，油菜季N2O排放量占周年总N2O排放量的57.20%~70.20%。综合经济、生态、环境等多方效益以及南方水分、光热等条件，一季杂交晚稻-油菜轮作是值得推广的有效减少温室气体排放的轮作模式[47]。
不同田间管理方式影响水稻-油菜轮作的CH4和N2O产生与排放。与水稻-小麦轮作模式相同，秸秆还田会显著增加水稻-油菜轮作的CH4排放量[48]；相比于传统耕作土壤，免耕处理的土壤可以减少5.20%的N2O排放量[49]；水稻季净增温潜势随着油菜秸秆还田量的增加呈减少趋势[50]。地膜覆盖技术被称为“白色革命”[51]，在水稻-油菜轮作模式中已得到广泛应用，这种技术具有保墒、保温、抑制杂草生长等作用，同时也会改变土壤理化性质，影响农业生产中温室气体的排放。地膜覆盖显著提高了CH4和N2O排放量，减少了CO2固定量[52]。因为地膜覆盖提高了土壤温度，而CH4排放量与土壤温度呈正相关，导致CH4排放量增加；N2O排放量与施肥和土壤干湿有关，地膜覆盖在湿润冬季减少了N2O的排放量，在干旱冬季增加了N2O的排放量，且CH4和N2O排放量在水稻季呈此消彼长的趋势，在油菜季呈现同步的状态[53]。
水稻-油菜轮作模式的温室气体排放与水稻-小麦轮作模式相似，水稻季CH4排放量占比大，油菜季N2O排放量大。水稻-油菜轮作模式下CH4排放量小于水稻-小麦轮作，虽然在N2O排放上还存在着争议，但是一季杂交晚稻-油菜轮作已被证实是一种切实有效、能够降低温室气体排放的轮作模式，针对该模式下冬季作物N2O减排的栽培管理措施还有待深入研究。
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旱地轮作模式包括小麦-玉米Zea mays轮作、玉米-大豆Glycine max轮作、小麦-大豆轮作等轮作模式，主要分布于秦岭-淮河以北半干旱或半湿润易干旱的北方地区。旱地农田排放的主要温室气体为CO2和N2O，随着全球变暖问题的不断加剧，旱地农田温室气体排放逐渐成为研究重点[54]。不同旱地轮作模式对温室气体产生的影响不同，排放量也有明显差异。
总体来看，小麦-大豆轮作模式的N2O累计排放量比小麦-玉米轮作模式低10.7%，直接温室气体排放量比小麦-玉米轮作模式低11.1%[55]；农田生产过程碳排放量从大到小依次为冬小麦-夏玉米轮作、冬小麦-夏大豆轮作、冬小麦-夏闲轮作、冬油菜-夏玉米轮作。在旱地轮作模式中，小麦-玉米轮作模式下作物的产量和经济效益最优，温室气体排放量最高。与传统的禾本科Poaceae作物轮作相比，玉米-大豆、小麦-大豆和玉米-大豆轮作模式中，由于引入了豆科作物，N2O排放量显著降低，与玉米连作模式相比，玉米-大豆轮作模式下的CO2排放量比玉米-大豆轮作模式高18.0％[56]。
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小麦-玉米轮作主要分布在中国重要的粮食主产区之一——黄淮海地区。小麦-玉米轮作模式中温室气体排放量存在明显的季节性，冬季最低、夏季最高[57]。李新华等[58]研究表明：黄淮海小麦-玉米轮作模式下，周年CO2排放量呈波动性变化，最小值出现在2月，最大值出现在8月；周年N2O排放量呈双峰型变化，最小值也是出现在2月，最高峰值出现在3月，第2次峰值出现在8月；CH4排放量呈波动性变化，整体上表现为对CH4的吸收。因此，黄淮海区域小麦-玉米轮作农田是N2O和CO2的排放源，同时也是CH4的吸收汇。
小麦-玉米轮作体系中，CO2排放量通常高于小麦单季种植模式与玉米单季种植模式，且由于涉及2个作物较长的生长周期和较大的土壤扰动，施氮也显著增加了小麦-玉米轮作体系中N2O的排放量，明显增加了该轮作模式的全球增温潜势和温室气体排放强度[55]。合理的耕作和培肥方式可以有效降低小麦-玉米轮作中农田温室气体的排放量。张黛静等[59]研究表明：不同耕作和施肥方式的CO2、CH4、N2O等3种温室气体的排放强度、累计排放量和全球增温潜势从大到小依次为深耕、浅耕、免耕，增施有机肥大于单独施用氮肥。秸秆还田配合不同耕作方式是当前的研究热点，对冬小麦-夏玉米轮作下秸秆整秸覆盖免耕播种、秸秆粉碎覆盖免耕、秸秆粉碎还田旋耕、秸秆粉碎还田深翻耕和传统耕作等5种耕作方式的农田土壤N2O、CO2和CH4的年排放量监测表明：秸秆粉碎还田旋耕为最佳的耕作方式，既能保证作物的经济效益，同时也能减少温室气体的排放，也可兼顾生态效益[60]；与不还田相比，秸秆还田增加了N2O的排放强度，且增施氮磷肥进一步刺激N2O的排放量[61]。
小麦-玉米轮作是华北平原的主要种植制度[62]。该地区存在严重氮肥施用过量问题，导致土壤N2O排放超过全国农田N2O排放的50%，严重掣肘绿色农业发展[63−64]。减少不合理施氮量是降低农田N2O排放的有效措施，冬小麦-夏玉米轮作下施用控释掺混肥，起到了稳产作用，同时减少了N2O累计排放量[65]；不同配比控释掺混肥均能保持作物产量，且能显著降低小麦-玉米轮作体系下N2O的周年排放总量，降低小麦-玉米轮作体系中9.6%~11.5%的周年全球增温潜势和11.2%~13.8%的温室气体排放强度[66]。
综上所述，小麦-玉米轮作模式中，主要排放N2O和CO2等温室气体，是CH4重要的“汇”；采用秸秆粉碎还田旋耕和施用控释掺混肥能降低小麦-玉米轮作的温室气体排放，而不同栽培管理技术对小麦-玉米轮作模式下温室气体排放的影响及其机制仍需深入研究。
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小麦-大豆轮作模式主要分布在东北春大豆区、西北春大豆区、黄淮海夏大豆区和伊犁河谷等地区，作物包含小麦以及重要油料和蛋白作物大豆[67]，同时大豆具有生物固氮和提高土壤肥力等作用。小麦-大豆轮作模式中，N2O排放量和CH4吸收量在冬小麦季最高，在大豆生长前期中等，在后期最低[68]。在无其他因素干扰下，气温为10~30 ℃时，N2O排放量随着气温的升高呈增加趋势，但无明显的线性关系；气温为10~20 ℃时，CH4吸收量与气温呈正相关。对于CO2排放，小麦-玉米-大豆3种轮作作物中大豆季CO2排放量最高[69]。总体而言，小麦-大豆轮作体系下的温室气体排放量通常低于小麦单季种植。小麦-大豆轮作通过减少氮肥使用和增加土壤有机碳含量，显著降低了CO2和N2O的排放量，同时保持了较高的土壤CH4吸收量[70]，从而有效降低了全球增温潜势和温室气体排放强度。
小麦-大豆轮作模式下，施肥集中在小麦季。不论是小麦季还是大豆季，施用氮肥1~4 d后，土壤微生物活动增强，推动了硝化和反硝化作用，致使N2O排放量迅速上升至峰值，随后又迅速降至稳定值[71]，且大豆季N2O累积排放量要高于小麦季。小麦季施用有机肥，或者施用化肥和有机物配方肥，可显著促进当季CO2、CH4与N2O的排放量[72]；同时，小麦季施用有机肥对大豆季温室气体排放具有明显后效影响[73]，可显著提高大豆季CO2与N2O的排放量，而少量施肥的冬小麦-夏大豆轮作可以显著降低N2O排放量[74]。此外，小麦-大豆轮作中长期全量秸秆还田配减量施氮肥可以有效降低N2O排放量，明显改善土壤理化性质，同时可提高氮肥利用率，对小麦-大豆轮作种植系统中的固氮减排、土壤培肥、稳定产量具有积极作用[75]。
小麦-大豆轮作模式与其他旱地轮作模式类似，也是CH4重要的吸收“汇”与N2O和CO2的排放“源”。与小麦季、玉米季相比，虽然大豆季CO2的排放量最高，但大豆具有固氮和土壤培肥作用，是一种良好的用养结合方式，保证了大豆的产量，降低了生产投入成本，对中国农业的可持续发展有着重要意义，未来仍需进一步研究该模式N2O和CO2的减排技术和机制。
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油菜-玉米轮作模式通过合理种植时间和作物搭配，提高了土地利用率和单位面积产量，还通过油菜的多功能性改善土壤肥力，减少病虫害，实现粮油兼丰、绿色高效等目标。该种植模式在陕西关中、四川、湖北与河南地区得到了广泛的应用。与小麦-玉米轮作模式、小麦-大豆轮作模式、小麦单季种植模式相比，油菜-玉米轮作模式中CO2的排放速率和排放量最低，说明冬油菜-夏玉米轮作过程对农田CO2减排有重要作用，是良好的减排生产模式[76]。类似于小麦-玉米轮作模式，油菜-玉米轮作中CO2排放量也呈波浪式变化趋势，表现出夏季排放量高于冬季的现象[77]。适宜的肥料运筹措施，可以减轻油菜-玉米轮作模式中温室气体的排放。有机无机配施可在确保产量提升的基础上，达到减排的目的，N2O累积排放量降低24.42%~44.14%，CO2累积排放量有所增长[78]，但不影响其减排效果。
油菜-玉米轮作是一种可持续发展的减排绿色模式，但目前对油菜-玉米轮作模式的温室气体排放的研究较少，有待进一步研究其温室气体排放生态生理机制及规律，探索相关固碳减排的高效栽培管理措施。
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水旱轮作模式在中国南方地区较为常见。从整个轮作系统角度出发，周年尺度上的减排策略应综合考虑旱季作物和水稻季的管理措施。
通过不断优化水旱轮作模式下的肥料类型配置、施肥量以及施肥时间，可以有效减少CH4、N2O等温室气体的排放。秸秆还田可使全球增温潜势降低4.72%，但5 a时间尺度下没有显著差异[79]，而温室气体的排放量随着秸秆还田量的增加而增加。因此，在可溶性碳含量较高的田块，可以通过减少秸秆和粪肥的施用量，或在非水稻季进行秸秆还田，在保障产量的同时减少了温室气体的排放[80]；在前茬旱地作物生长季或休耕期间，提前施用水稻季碳氮比较高的绿肥，也可一定程度上减少温室气体排放的影响[81]。在秸秆还田基础上，根据土壤氮素残留率和秸秆还田的氮量，采取精准减施氮肥策略，不仅减少氮肥使用量，还降低因过量施氮导致的N2O排放[82]。施入生物质炭可降低17.1％的N2O和8.9％的CH4排放，长时间施用可有效降低水旱轮作中温室气体的排放[83]。对比水旱轮作模式下几种施肥策略发现：短期内，秸秆还田和精准减氮都可以显著减少温室气体排放，但从长期效应看，生物质炭的效果更为显著和持久。因此，考虑综合效果，生物质炭在水旱轮作模式中可能是最有效的温室气体减排措施。
通过改进栽培技术，有助于减少水旱轮作模式下温室气体的排放。不同旱季作物对氮素残留率和温室气体排放有不同的影响。因此，通过优化轮作结构，选择合适的、N2O排放量较低的旱季作物是减少温室气体排放的有效措施。在水稻季，相较于常规移栽方式，免耕直播可以有效降低CH4的排放量，但也增长了N2O的排放量[84]，在技术与设备允许的情况下，免耕直播是一种具有潜力的减排策略。为了尽可能减少水稻季CH4的排放量，可以采取多次搁田的策略，不论是单次还是多次搁田，都能有效降低CH4的排放量[85]。相比于传统的搁田措施，在水稻CH4排放高峰期进行排水搁田，可以大幅度减少CH4的排放量[86]
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旱地轮作模式在中国北方地区较为普遍，周年尺度上的减排策略同样需要从轮作系统整体出发，考虑不同作物的种植特点和管理措施。
对于旱地轮作，肥料管理对温室气体减排有着十分重要的意义。优化轮作周年的氮肥管理措施，能够显著降低N2O排放。如轮作周年施用控释氮肥可以协同实现N2O的减排和增产，采用控释氮肥一次性施用，可有效减少温室气体排放，且减少劳动力投入。合理减氮与施用控释氮肥结合的方式，也有良好的减排效果[87]。
通过调整耕作管理与优化轮作种植结构，可以调节旱地轮作系统的温室气体排放量。在旱地轮作中引入豆科作物，通过根瘤菌的固氮作用，减少对化肥氮的依赖，以降低N2O的排放量[88]。在适宜地区，可将部分耕地用于多年生牧草轮作或绿肥轮作，降低温室气体的排放[89]。秸秆覆盖可以减少氮素挥发，在冬小麦-夏玉米轮作中显著降低氨挥发量[90]。综合考虑减排效果和实施的可行性，秸秆覆盖是旱地轮作模式中减少温室气体排放效果最好的措施。增加豆科作物比例和多年生牧草轮作也是有效的减排策略，可以在不同地区和不同条件下灵活应用，以实现最佳的减排效果。
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目前，国内学者在研究中国农业碳足迹时，多采用国际碳足迹因子，而较少使用本地化参数。中国地域广阔，各地条件差异大，实际生产情况与国际标准存在显著差异。有研究发现：使用国际碳排放参数来测算国内碳排放时，偏差较大，难以完全符合中国的实际情况[91]。因此，在进行国内碳排放研究时，建立适应当地条件的碳足迹参数显得尤为重要。此外，尽管针对水旱轮作模式下温室气体排放研究较多，但大多集中于轮作模式中单一作物单季的温室气体排放[92]，对于轮作整体的温室效应和生态效益的研究相对不足[93]。同时，有关综合评价不同轮作模式周年温室效应环境及经济效益的研究也较为有限，优势生态服务功能和可持续发展功能的明确性仍有待提高，亟待开展更加深入细致的研究。
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由于水稻-小麦轮作中产生CH4和N2O等温室气体的原因和情况较为复杂，相关机制研究结果存在差异或不一致的现象，一定程度上阻碍了对水稻-小麦轮作模式中CH4和N2O排放的进一步了解与研究[36]。以往对水稻-小麦轮作中温室气体排放的研究，多侧重于其中1~2种温室气体的排放，缺乏较为全面的、系统的综合排放研究。同时，目前研究主要围绕水稻季温室气体排放的监测，但对水稻-小麦轮作模式下后茬作物冬小麦田间温室气体排放的后效性研究较少[94]。大多研究侧重于耕作方式对农田温室气体排放的影响，对水稻-小麦轮作模式下农业温室气体整体的评估较为缺乏[95]。
水稻-油菜轮作模式存在水稻-油菜轮作、水稻-水稻-油菜轮作等不同熟制。在南方水稻-油菜轮作制度下，对双季稻CH4的排放研究较多，鲜有对单季稻CH4的排放报道，特别是在相同的生长季节和地点，还需要更进一步研究单季稻和双季稻排放量之间的差异[47]。此外，地膜覆盖技术是当今农业生产上常用的方法，但是国内外地膜覆盖对水旱轮作模式的研究较少，成果不显著[96]。由于农田环境复杂、试验周期长等原因，地膜覆盖对土壤理化性质的改变、对农业温室气体的产生和排放研究较少，且已有报道有关地膜覆盖对水稻-油菜轮作温室气体排放的影响呈现不同结果[53]，针对地膜覆盖下的水稻-油菜轮作模式有待进一步深入研究。
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由于缺乏旱地轮作模式的长期监测数据，缺少区域估算模型的验证[70]，今后还需加大对旱地轮作的相关研究。目前，国内外针对旱地农田生态系统温室气体排放的研究主要包括：季节性排放特征、动态变化、原位观测和排放机制、排放通量估算等，且集中于小麦-玉米轮作模式，得到的研究结果差异性很大[97]。
在小麦-玉米轮作模式中，研究较多的是玉米季免耕条件下小麦季不同耕作方式的对比分析，而对玉米季不同耕作方式的轮作模式报道较少，无法确定该体系下最适宜的轮作方式组合。土壤pH能够显著影响农田N2O的排放量[98]，在碱性土壤环境下，小麦-玉米轮作对农田土壤N2O排放的差异和调控机制并不明确[99]。在小麦-玉米轮作模式中，秸秆还田的研究对象主要是小麦或玉米单季作物，不同种植季秸秆还田方式对农业温室气体排放的影响研究较少。小麦-玉米轮作模式体系中施氮量严重超标，引起了日益严重的土壤质量退化和温室气体排放量大等问题[100]，应是今后重点研究的方向。
中国生态循环农业近年来不断发展，但是以豆科作物作为生物固氮基础的可持续轮作模式下的农业温室气体排放的报道还较为少见，目前仍然不清楚以豆科作物生物固氮为基础的轮作方式对CO2、CH4和N2O等主要农业温室气体增汇减排的影响及潜力[101]。大豆-小麦轮作体系中，施肥只在小麦季进行[102]，而小麦季施肥对后季作物大豆的温室气体排放影响以及机制研究较为缺乏[73]。
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粮食生产需要综合平衡产量与环境之间的矛盾，实现可持续发展[103]。大量研究证明：轮作模式中代表性的作物多样化种植能够明显提高粮食产量，轮作种植模式可增加土壤碳的输入，提高土壤碳的固定效率，降低碳排放[104−105]，不同地区采用适用的轮作模式可以更加合理、充分地利用光热资源，提高生产力，减轻病虫草害的发生，增加生物多样性[106]。
农田生态系统既是温室气体的“源”，同时也是温室气体的“汇”。未来的生产活动中，应当在不同地区结合当地的轮作模式开展更多相关的研究，不断探索对相关农业温室气体的排放特征和规律。合理高效施肥是当今研究的重点，不合理的施肥方式会造成温室效应加剧等一系列不良的环境问题。在轮作周年系统中减少氮肥施用量进而降低农业碳排放，探索有机肥部分替代化肥对多种农田生态系统的影响，对当前热门的秸秆还田方式进行合理科学的改进。还需要不断加强实地调研考察，积极完善本地数据库与相关温室气体排放预测参数，更加全面且准确地评估农田生态系统的温室效应。
要加强在全球变暖大背景下生态系统温室气体排放的研究，不断促进多学科交叉与跨学科结合研究，利用生态学、生物学、土壤肥料学、耕作学、化学等学科，从“土壤-微生物-作物”的角度，进一步认识农业生态系统温室效应的机制与影响，综合考虑作物产量、经济效益与生态效益，建立环境友好型农业，为农田温室气体的减排措施提供更多强有力的理论依据。
Research progress on the impact of crop rotation patterns on greenhouse gas emissions
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摘要: 温室气体排放导致了日益严重的温室效应，加剧气候变暖和极端天气频发等全球环境问题。农业生产中排放的甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)等是温室气体排放的重要来源。中国是世界主要的农业大国，由于耕地有限，粮食需求量大，且地形种类丰富、气候多样，产生了多种适应当地生产条件的轮作模式。研究表明：轮作模式通过土壤管理、灌溉和施肥策略显著影响温室气体的排放。例如，水稻Oryza sativa-小麦Triticum aestivum轮作因水分管理导致较高的CH4排放，小麦-玉米Zea mays轮作因频繁耕作增加了N2O排放。不同轮作模式下，土壤微生物群落结构和功能的变化也对温室气体排放产生重要影响。尽管已有研究揭示了部分机制，但关于轮作模式长期效应及其与气候变化的互作仍需深入研究。本研究综述了水旱轮作、旱地轮作等常见轮作模式对农业温室气体排放影响的研究进展，提出了未来的研究方向，以期为环境保护和温室气体减排提供理论参考。参106Abstract: Greenhouse gas emissions have led to the increasingly severe greenhouse effect, exacerbating global environmental issues such as climate change and frequent extreme weather. The emissions of methane (CH4), nitrous oxide (N2O) and other gases in agricultural production are important sources of greenhouse gas emissions. They are important research topics in crop production. China is a major agricultural country in the world. Due to the limited cultivated land, large food demand, rich terrain and diverse climate, a variety of rotation modes adapted to local production conditions have been produced. Studies have shown that rotation patterns significantly affect greenhouse gas emissions by changing soil management, irrigation, and fertilization strategies. For example, rice-wheat rotation leads to higher methane emissions due to paddy field management, while wheat-maize rotation increases nitrous oxide emissions due to frequent tillage. Changes in the structure and function of soil microbial communities under different rotation patterns also have an important impact on greenhouse gas emissions. Although some mechanisms have been revealed, the long-term effects of rotation patterns and their interaction with climate change still need to be further studied. This paper summarized the research progress on the effects of common paddy-upland rotation and dryland rotation on agricultural greenhouse gas emissions, and put forward the future research direction, in order to provide theoretical reference for environmental protection and greenhouse gas emission reduction. [Ch, 106 ref.]
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Key words:
- rotation system /
- greenhouse gas /
- agricultural emission reduction /
- environmental protection /
- review
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