稻田水分管理不仅事关粮食安全和水资源节约,而且影响着固碳减排目标的实现。目前关于水稻高产节水技术的研究和应用较多,而水分管理的改变对稻田土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)库及其稳定性的影响及机制研究仍不充分。因此,探明节水灌溉技术对稻田温室气体(Greenhouse gases,GHGs)排放、SOC库的影响,综合评价其减排固碳、节水和水稻产量安全的协同效应具有重要意义。本研究于2012-2014年在湖北省武穴市现代农业示范中心试验基地进行,以我国长江中游平原区典型的稻-油轮作生态系统为研究对象,在水稻生长季采用常规淹灌(Continuous flooding,CF)、湿润式间歇灌溉(Flooded and wet intermittent irrigation,FWI)、干旱式间歇灌溉(Flooded and dry intermittent irrigation,FDI)和旱作栽培(Rain-fed with limited irrigation,RFL)4种水分管理方式,研究稻-油系统土壤理化因子和作物生产、周年GHGs[甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)和二氧化碳(CO2)]排放、土壤活性有机碳组分[土壤可溶性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)和土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)]及不同稳定态SOC库[未受保护轻组颗粒有机质(Unprotected free light particulate organic matter,fPOM)、微团聚体内物理-化学保护颗粒有机质(Physico-chemically protected particulate organic matter in microaggregates,iPOM)、微团聚体内受保护粉黏粒(Silt and clay protected in microaggregates,intra-SC)和非闭蓄态粉黏粒(Silt and clay non-occluded in microaggregates,free-SC)]对不同灌溉模式的响应。主要研究结果如下:(1)与CF处理相比,FWI、FDI和RFL灌溉模式能够分别减少1%~78%,21%~82%和54%~82%的灌溉水量。在干旱年份(2013年),相对于CF处理,FWI、FDI和RFL3节水灌溉处理的水稻产量分别减少了1%、10%和18%,其中由于RFL处理受到干旱胁迫,导致水稻产量显著下降;而在降水正常年份(2012年)和多雨年份(2014年),3种节水灌溉模式与CF处理之间水稻产量相当。此外,研究结果显示RFL处理显著的提高了2013年的油菜籽粒产量;而在2014年,稻田不同水分管理模式对油菜籽粒产量没有显著影响。整个稻-油轮作周期的作物产量,在2012-2013年,不同水分灌溉模式之间无显著影响;而在2013-2014年,CF、FWI和FDI处理作物产量较RFL处理分别增加了16%、15%和7%。(2)稻-油轮作系统中,水稻生长季的不同水分管理模式显著影响整个稻-油轮作周期的GHGs排放。与CF水分管理方式相比,各节水灌溉模式极显著减少了水稻生长季的CH4排放,但却明显增加N2O和土壤CO2的排放。水稻生长季的节水灌溉模式并没有对随后油菜生长季的土壤CO2排放产生影响;然而却减少了随后油菜生长季的CH4和N2O排放。就全轮作周期而言,FWI、FDI和RFL处理较CF处理全年轮作周期内油-稻生长季CH4累积排放量平均分别减少了62%、80%和90%;而CO2累积排放量平均分别增加了8%、28%和29%。稻田不同水分管理模式下的油-稻系统N2O累积排放总量相当。从各处理CH4、N2O和CO2排放的综合增温潜势(Global warming potential,GWP)来看,稻田节水灌溉模式能显著降低油-稻系统的GWP,与CF处理相比,FWI、FDI和RFL的GWP依次减少了20%,17%和21%。由于3种GHGs排放间的消长制衡关系,进一步减少灌溉用水并没有明显降低GWP。稻田不同水分管理模式对2012-2013年油-稻系统的单位产量综合增温潜势(Yield-scaled Global warming potential,Yield-scaled GWP)产生显著影响,FWI灌溉模式的Yield-scaled GWP最小,较CF处理减少了25%,而与FDI和RFL处理之间差异不显著。与节水灌溉方式相比,虽然CF处理对GWP有促进作用,但由于作物产量增加,导致2013-2014年油-稻系统的Yield-scaled GWP,不同水分管理模式之间均无显著差异。节水灌溉改变了土壤理化性状而导致GHGs排放的差异,最突出的贡献因子是土壤含水量(Soil water content,SWC)和土壤DOC。(3)3年稻田节水灌溉对稻-油系统不同稳定态SOC库的影响表现出组分及空间的差异性。在所有土层(0-5,5-10,10-20和0-20 cm),各水分处理SOC主要储存在iPOM组分之中,其占总SOC储量的35%~52%。与CF处理相比,FWI灌溉模式5-10 cm土层iPOM组分碳的浓度无显著差异,然而由于其iPOM组分含量明显增加,故FWI灌溉模式iPOM组分碳的储量显著高于CF处理。大量减少灌水量后,10-20 cm土层,RFL处理iPOM组分碳的浓度及其百分比含量显著下降,从而进一步导致iPOM组分碳的储量下降。不同水分管理模式对fPOM和intra-SC组分碳的储量无显著影响。然而,当整体考虑0-20 cm土层时,与FWI处理相比,RFL处理显著减少了全土有机碳储量,且CF与两间歇灌溉模式(FWI和FDI),或与RFL处理之间无显著差异。稻田FWI灌溉模式下稻-油系统SOC向较为稳定的iPOM组分的聚集有利于增强SOC的稳定性和碳的长期保存。综上所述,稻田3年节水灌溉模式能够维持稻-油系统作物生产力。与常规淹灌相比,各节水灌溉模式能显著降低油-稻系统的综合增温潜势,但由于3种温室气体排放间的消长制衡关系,进一步减少稻田灌溉用水并没有明显降低稻-油系统的综合增温潜势。在2013年水稻旱季,由于湿润式间歇灌溉较干旱式间歇灌溉表现出了一定程度上的水稻产量优势,2012-2013年油-稻系统的单位产量综合增温潜势最低。间歇灌溉模式在周期性干-湿交替循环条件下,刺激微团聚体的形成,导致不同土层微团聚体内物理-化学保护颗粒有机质含量及碳浓度不同程度的增加,从而最终导致0-20 cm土层总土壤有机碳的稳定性增强以及增加了土壤有机碳的积累。然而在0-20cm土层,由于湿润式间歇灌溉模式较干旱式间歇灌溉具有更高的土壤碳储量以及具有更高的固碳潜力,同时还能够显著降低温室气体排放,尤其是甲烷排放,是能显著改善土壤并实现稻-油系统固碳减排的较为理想节水灌溉模式。因此,从农业可持续发展的角度来看,在长江中游平原区,适宜的湿润式间歇灌溉模式能够协同实现节水、固碳减排、维持产量,是一种安全的节水灌溉模式。但是,这种适宜的节水灌溉模式仍需长期的研究和进一步的验证。