水稻品種對(duì)CH4產(chǎn)生、排放及δ13CH4的影響

張文宣，于海洋，張廣斌，馬靜，徐華*

1. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京210008；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

水稻品種對(duì)CH4產(chǎn)生、排放及δ13CH4的影響

張文宣1,2，于海洋1,2，張廣斌1，馬靜1，徐華1*

1. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京210008；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

水稻品種是調(diào)控CH4產(chǎn)生和排放的關(guān)鍵因素。關(guān)于水稻品種對(duì)稻田產(chǎn)生和排放CH4的穩(wěn)定性碳同位素組成（δ13CH4）的影響研究鮮見(jiàn)報(bào)道。通過(guò)溫室盆栽和室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)并結(jié)合穩(wěn)定性碳同位素方法，研究了持續(xù)淹水條件下4個(gè)水稻生育期鎮(zhèn)稻624、農(nóng)香98和中早33的土壤CH4產(chǎn)生潛力、土壤溶液CH4濃度、CH4排放通量及產(chǎn)生、排放CH4的δ13C值，為最終篩選優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)且低CH4排放的水稻品種提供CH4排放相關(guān)過(guò)程及其穩(wěn)定性碳同位素方面的參考數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：在分蘗期和拔節(jié)期，鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98的土壤CH4產(chǎn)生潛力顯著高于中早33，在灌漿期和成熟期顯著小于后者（P<0.05）。三者土壤CH4產(chǎn)生潛力、土壤溶液CH4濃度最高值和土壤Eh的最低值依次出現(xiàn)在拔節(jié)期（2.6 μg·g-1·d-1，346.9 μmol·L-1，-296 mV）、拔節(jié)期（3.2 μg·g-1·d-1，425.9 μmol·L-1，-316 mV）和灌漿期（2.4 μg·g-1·d-1、435.2 μmol·L-1，-308 mV）。各品種土壤CH4產(chǎn)生潛力均與相應(yīng)土壤溶液中CH4濃度顯著正相關(guān)（P<0.01），且與土壤Eh顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98在分蘗盛期CH4排放通量最大（67.1和68.7 mg·m-2·h-1），中早33則在拔節(jié)期（58.5 mg·m-2·h-1）。各品種CH4季節(jié)排放總量依次為55.29、55.74和40.82 g·m-2，前二者無(wú)顯著差異，顯著高于中早33，這可能是鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98的土壤CH4產(chǎn)生潛力在分蘗期和拔節(jié)期顯著大于中早33，而各品種CH4排放又相對(duì)集中在分蘗期和拔節(jié)期的緣故。相關(guān)分析表明，各生育期CH4排放通量與相應(yīng)的土壤CH4產(chǎn)生潛力顯著正相關(guān)（P<0.01）。可見(jiàn)水稻品種通過(guò)影響土壤的CH4產(chǎn)生，進(jìn)而影響稻田CH4的排放。鎮(zhèn)稻624和中早33土壤產(chǎn)生CH4的δ13C值從約-67.0‰增至-55.5‰，農(nóng)香98則先減后增，范圍為-64.2‰～-52.9‰，這說(shuō)明鎮(zhèn)稻624和中早33的土壤CH4產(chǎn)生途徑差異較小，而二者與農(nóng)香98差異較大。各品種排放CH4的δ13C值均先減后增，分別為-67.6‰～-48.5‰、-73.0‰～-47.3‰和-60.9‰～-46.7‰，季節(jié)平均值依次為-52.7‰、-52.5‰和-54.8‰。總體上，水稻品種影響排放δ13CH4值的季節(jié)變化。

水稻品種；CH4產(chǎn)生；CH4排放；δ13C；土壤Eh

全球氣候變暖問(wèn)題是人類(lèi)社會(huì)當(dāng)前所面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一，最主要原因是化石燃料燃燒和土地利用變化所導(dǎo)致的大氣溫室氣體濃度的增加（IPCC，2014；IPCC，2013；沈永平和王國(guó)亞，2013；IPCC，2007）。甲烷（CH4）是僅次于二氧化碳（CO2）的重要溫室氣體，其對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)為18%（IPCC，2007）。2012年大氣 CH4濃度達(dá)到 1.819 μL·L-1，比工業(yè)化前高出160%，為近80萬(wàn)年來(lái)最高（IPCC，2013；沈永平和王國(guó)亞，2013）。稻田是大氣 CH4的重要排放源，約占全球總排放量的5%～19%（IPCC，2007）。如何有效地進(jìn)一步減小甚至阻止稻田向大氣排放包括CH4在內(nèi)的溫室氣體，業(yè)已成為全球亟需解決的科學(xué)問(wèn)題。

稻田CH4排放是產(chǎn)生、氧化和傳輸綜合作用的結(jié)果，水稻植株強(qiáng)烈影響稻田CH4排放。首先，水稻根系分泌物和脫落物為產(chǎn)甲烷菌提供豐富的碳源和能源，促進(jìn) CH4的產(chǎn)生（Vandergon和Vanbreemen，1993；Kludze等，1993；Jia等，2001；Wang等，1997）；其次，水稻植株將大氣中的 O2傳輸?shù)街仓旮狄跃S持水稻生長(zhǎng)，形成根際氧化區(qū)，有利于稻田CH4氧化（Frenzel等，1992；Yagi和Minami；1991）；最后，水稻植株的通氣組織是稻田 CH4排放的最重要通道（Schutz等，1989；Vandergon和Neue，1995），加速稻田土壤中產(chǎn)生的CH4迅速釋放到大氣。因此，深入研究水稻植株對(duì)稻田CH4排放過(guò)程，特別是對(duì)CH4產(chǎn)生的影響有助于為尋求減緩稻田CH4排放的對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)和理論參考。

水稻品種是調(diào)控CH4產(chǎn)生和排放的關(guān)鍵因素。不同品種隨著水稻生長(zhǎng)期的變化，生理和形態(tài)特征都會(huì)發(fā)生明顯的改變，從而對(duì)稻田CH4排放的影響不同（Ma等，2010），種植和選育合適的水稻品種可減少CH4排放量達(dá)20%～30%（陶戰(zhàn)等，1994）。Jia等（2006）通過(guò)一年的溫室盆栽實(shí)驗(yàn)研究不同水稻品種（鹽選，72031，9516）對(duì)稻田 CH4排放的影響，發(fā)現(xiàn)整個(gè)稻季，鹽選水稻品種甲烷排放量最高（5.88 μg·m-2·h-1），其次是 72301品種（4.48 μg·m-2·h-1）和9516品種（3.41 μg·m-2·h-1）。目前有關(guān)水稻品種對(duì)稻田CH4排放通量影響的研究已有大量報(bào)道（Schutz等，1989；Vandergon和Neue，1995；Sass和Fisher，1995），但關(guān)于它們對(duì)稻田CH4產(chǎn)生的影響的報(bào)道還很少（Conrad等，2002；Jia等，2006；Zhang等，2013）。更重要的是，不同水稻品種的分泌物和凋落物種類(lèi)和含量可能存在差異，從而導(dǎo)致土壤產(chǎn)CH4的主要途徑（乙酸發(fā)酵和H2/CO2還原）可能并不一樣，進(jìn)而使得產(chǎn)生的CH4的穩(wěn)定性碳同位素組成（δ13CH4）會(huì)有所區(qū)別。此外，不同水稻品種的 CH4氧化和傳輸能力也存在很大差異，最終導(dǎo)致排放CH4的δ13CH4值也有所不同。然而關(guān)于這些方面的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道（張曉艷等，2010）。

我國(guó)是水稻生產(chǎn)大國(guó)，水稻種植面積大、品種多。本試驗(yàn)選用鎮(zhèn)稻624、農(nóng)香98和中早33為研究對(duì)象，通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)土壤的CH4產(chǎn)生潛力、土壤溶液CH4濃度、CH4排放通量以及它們的 δ13CH4值，旨在研究水稻品種對(duì)稻田CH4排放過(guò)程，特別是對(duì)產(chǎn)生和排放CH4的δ13CH4值的影響，為最終篩選優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)且低CH4排放的水稻品種提供CH4排放相關(guān)過(guò)程及其穩(wěn)定性碳同位素方面的參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤采自江蘇省句容市白兔鎮(zhèn)，母質(zhì)為發(fā)育于下蜀黃土的爽水性水稻土，土壤（0～15 cm土層）有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.9 g·kg-1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2 g·kg-1，pH值為6.91，土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性碳同位素組成為-26.8‰。試驗(yàn)為盆栽試驗(yàn)，盆缽為圓柱體，直徑25 cm，高35 cm，每盆裝16 kg風(fēng)干土。設(shè)置3個(gè)處理：中早33、鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98，每處理3次重復(fù)。各盆缽于2012年6月29日淹水，5月16日育苗，6月30日移栽。每個(gè)盆缽3穴，每穴1株秧苗。中早33、鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98分別于9月17日、10月21日和11月6日收獲。整個(gè)水稻生長(zhǎng)期，各盆缽均維持水層在2 cm以上，直至水稻收獲。

施用尿素共3.74 g，按m(基肥)∶m(分蘗肥)∶m(穗肥)＝2∶1∶1施用，磷、鉀肥分別為0.84 g的過(guò)磷酸鈣和0.24 g的氯化鉀，作為基肥一次性施入。中早33的基肥、分蘗肥、穗肥分別于6月29日、7月13日、8月1日施用。鎮(zhèn)稻624的基肥、分蘗肥、穗肥分別于6月29日、7月13日、8月17日施用。農(nóng)香98的基肥、分蘗肥、穗肥分別于6月29日、7月13日、8月23日施用。

1.2 樣品采集和測(cè)定

CH4氣樣用靜態(tài)箱法采集。水稻生長(zhǎng)期每隔3～ 4 d采樣1次，采樣時(shí)間為09:00—11:00，每15 min采樣1次，共采4次。為測(cè)定排放δ13CH4值，觀(guān)測(cè)到CH4排放后每隔10～15 d采樣1次，開(kāi)始和結(jié)束時(shí)所采樣品瓶?jī)?nèi)氣體測(cè)定完 CH4濃度后測(cè)定其δ13CH4值。采樣結(jié)束后移走采樣箱。在采氣的同時(shí)，用數(shù)字溫度計(jì)（Model 2455, Yokogawa, Japan）記錄箱溫及10 cm處土溫，通過(guò)便攜式土壤Eh計(jì)測(cè)定10 cm處土壤Eh。氣樣CH4濃度用帶有氫離子火焰檢測(cè)器的氣相色譜（島津 GC-12A）分析。根據(jù)瓶?jī)?nèi)CH4濃度與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)計(jì)算CH4排放通量。

CH4的穩(wěn)定性碳同位素組成用帶有全自動(dòng)預(yù)氣相色譜（GC）濃縮接口（PreCon）的 Thermo FinniganMAT-253同位素質(zhì)譜儀測(cè)定（曹亞澄等，2008）。PreCon接口是一種全自動(dòng)預(yù)GC濃縮接口，包括樣品瓶、化學(xué)阱、冷阱、燃燒反應(yīng)器、六通閥5個(gè)部分。向抽真空的玻璃瓶樣品瓶中注入100 mL氣體樣品，如果氣樣量少于 100 mL，須充入不含CH4的惰性氣體，使瓶?jī)?nèi)呈常壓。CH4被氧化成CO2和H2O，隨后由CH4產(chǎn)生的CO2流入GC進(jìn)行進(jìn)一步地分離。所用 CO2參比氣體經(jīng)過(guò)標(biāo)定（代號(hào)為L(zhǎng)ab.Gas，純度為99.999%，δ13CPDB值為-23.73‰）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CO2峰和樣品峰的m/z44、m/z45和m/z46 3種離子流強(qiáng)度的比值，即可得出由樣品中CH4轉(zhuǎn)化成的 CO2相對(duì)于國(guó)際碳同位素 PDB的值，即δ13CPDB‰。

土壤溶液采用根際土壤溶液采集器（Rhizon soil moisture sampler，簡(jiǎn)稱(chēng)Rhizon SMS）采集（Zhang等，2011）。盆缽淹水前將采集器平放在土壤25 cm處直至水稻收獲。每次取樣之前，先用18 mL真空瓶抽取約5 mL的土壤溶液以沖洗取樣器，然后再用另一只18 mL真空瓶采取約10 mL樣品。隨后將樣品瓶?jī)?nèi)充入適量純 N2，使之維持在 1 atm（1 atm=101.325 kPa）。震蕩、取氣，待測(cè) CH4濃度（Zhang等，2013）。

水稻主要生育期（分蘗期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期），將盆缽中水稻植株拔出，盡量全部取下根系上附著的土壤，仔細(xì)挑選并去掉殘留在土壤中的水稻根系和其他外來(lái)物質(zhì)，混合均勻。取出約50 g干質(zhì)量的土壤，加入無(wú)氧去離子水，攪拌成泥漿狀，使瓶?jī)?nèi)土水比為1∶1。將泥漿樣品迅速轉(zhuǎn)移到體積為250 mL的培養(yǎng)瓶中。培養(yǎng)瓶充N(xiāo)2后用硅橡膠塞密封，進(jìn)行厭氧培養(yǎng)試驗(yàn)。各生育期培養(yǎng)試驗(yàn)時(shí)間如表1。

表1 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排Table 1 Cultivation experiments schedule at different growth stages

1.3 CH4產(chǎn)生潛力的厭氧培養(yǎng)試驗(yàn)

培養(yǎng)瓶經(jīng)反復(fù)6次抽真空、充N(xiāo)2（最后充N(xiāo)2至 1 atm）后，參照實(shí)測(cè)土溫置于暗箱培養(yǎng)。CH4產(chǎn)生潛力通過(guò)測(cè)定密閉培養(yǎng) 1 h（作為初始值）和50 h（作為最終值）后瓶?jī)?nèi) CH4濃度的變化獲得（Wang等，1997）。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)CH4氣樣的δ13CH4值。

1.4 土壤溶液中CH4濃度的計(jì)算

土壤溶液中 CH4濃度用下式計(jì)算獲得：C=(m×Gv)/(GL×Mv)，式中：C為土壤溶液中 CH4濃度（μmol·L-1）；m為瓶中氣相CH4的濃度（μL·L-1）；Gv為瓶中氣相的體積（L）；GL為瓶中水樣的體積（L）；Mv為25 ℃下理想氣體的摩爾體積，即24.47 L·mol-1。

1.5 排放δ13CH4值的計(jì)算

排放的 δ13CH4值由以下公式計(jì)算：F=[(B×b)－(A×a)]/(B－A)，式中：F為排放的δ13CH4值；A和B分別為開(kāi)始和結(jié)束采氣箱內(nèi)氣樣中CH4濃度（μL·L-1）；a和b分別為開(kāi)始和結(jié)束采氣箱內(nèi)氣樣中相應(yīng)的δ13CH4值（‰）。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻品種對(duì)CH4產(chǎn)生的影響

各品種的土壤在分蘗期均有明顯的 CH4產(chǎn)生（圖1a），鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98的土壤CH4產(chǎn)生潛力增加較快，在拔節(jié)期出現(xiàn)峰值2.6和3.2 μg·g-1·d-1，而中早33在灌漿期才達(dá)到最大值2.4 μg·g-1·d-1。總體而言，農(nóng)香98在各生育期土壤的CH4產(chǎn)生潛力均大于鎮(zhèn)稻624，但僅在拔節(jié)期和灌漿期達(dá)到顯著差異水平（P<0.05）。在分蘗期和拔節(jié)期，鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98土壤的CH4產(chǎn)生潛力顯著高于中早33，但在隨后的灌漿期和成熟期急劇減小，明顯小于中早33（P<0.05）。尤其在灌漿期，中早33顯著大于農(nóng)香 98，農(nóng)香 98顯著大于鎮(zhèn)稻 624（P<0.05）。

隨著水稻的生長(zhǎng)，各品種的土壤Eh先減再增（圖1f）。鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98的土壤Eh在拔節(jié)期出現(xiàn)最低值，依次為-296和-316 mV，而中早33在灌漿期降至最低值-308 mV。各生育期，鎮(zhèn)稻 624和農(nóng)香98的土壤Eh均無(wú)顯著差異。僅在灌漿期，中早33的土壤Eh顯著小于鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98。各品種的土壤Eh與相應(yīng)土壤CH4產(chǎn)生潛力的時(shí)間變化趨勢(shì)一致（圖1a和圖1f），即分別在拔節(jié)期、拔節(jié)期和灌漿期出現(xiàn)最低值。統(tǒng)計(jì)分析表明，土壤的CH4產(chǎn)生潛力與土壤Eh顯著負(fù)相關(guān)（鎮(zhèn)稻624：r=-0.889，P<0.01；中早33：r=-0.787，P<0.01；農(nóng)香98：r=-0.990，P<0.01）。

鎮(zhèn)稻624、農(nóng)香98和中早33的土壤溶液CH4濃度與對(duì)應(yīng)的土壤 CH4產(chǎn)生潛力的變化趨勢(shì)一致（圖1a和圖1c），分別在拔節(jié)期和灌漿期達(dá)到最大值（346.9、425.9和435.2 μmol·L-1）。在分蘗期和拔節(jié)期，各品種的土壤溶液CH4濃度差異不明顯，在灌漿期，中早33的CH4濃度顯著大于農(nóng)香98，農(nóng)香98顯著大于鎮(zhèn)稻624（P<0.05）。統(tǒng)計(jì)分析表明：土壤溶液CH4濃度與土壤CH4產(chǎn)生潛力顯著正相關(guān)（鎮(zhèn)稻624：r=0.743，P<0.01；中早33：r=0.665，P<0.05；農(nóng)香98：r=0.832，P<0.01）。

CH4是嚴(yán)格厭氧條件下產(chǎn)甲烷菌作用于產(chǎn)甲烷底物的結(jié)果（Conrad，2007）。水稻生長(zhǎng)前期，持續(xù)淹水使土壤Eh均處于較適宜產(chǎn)CH4的水平。隨移栽時(shí)間延長(zhǎng)，可能由于水稻植株的通氣組織逐漸發(fā)育，大氣中的氧氣進(jìn)入根部區(qū)域形成一個(gè)很強(qiáng)的氧化微域，進(jìn)而氧化土壤復(fù)雜有機(jī)物形成大量的簡(jiǎn)單有機(jī)物質(zhì)，各品種水稻土壤的CH4產(chǎn)生潛力逐漸增強(qiáng)，均在水稻前、中期較大。由于生長(zhǎng)前期產(chǎn)甲烷菌消耗了大量底物，且土壤Eh不斷增大，各品種土壤CH4產(chǎn)生潛力逐漸減小，在成熟期均降至最小。鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98土壤CH4產(chǎn)生潛力和土壤Eh表現(xiàn)出基本相同的規(guī)律（圖1a和圖1f），二者的土壤Eh均在拔節(jié)期出現(xiàn)最小值-296和-316 mV（圖1f），此時(shí)它們土壤的CH4產(chǎn)生潛力達(dá)到峰值（圖1a）。中早33的土壤Eh在灌漿期才降至最低值-308 mV，此時(shí)其土壤CH4產(chǎn)生潛力亦最大。土壤Eh越低，相應(yīng)生育期的土壤CH4產(chǎn)生潛力就越高，且統(tǒng)計(jì)分析表明，各品種土壤的CH4產(chǎn)生潛力與土壤 Eh顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤 Eh是影響稻田CH4產(chǎn)生的重要因素。對(duì)于中早33而言，可能是由于該品種水稻植株發(fā)育較快，盡管其土壤CH4產(chǎn)生潛力和土壤 Eh最值出現(xiàn)的生育期均晚于鎮(zhèn)稻 624和農(nóng)香98，但達(dá)到峰值的時(shí)間均在水稻移栽后63 d（表1）。

圖1 各生育期CH4產(chǎn)生潛力、土壤溶液CH4濃度、CH4排放通量及δ13CH4和土壤EhFig. 1 CH4production potential, CH4conecentration in soil solution, CH4flux , δ13CH4and soil Eh at four stages

未被氧化且未立即釋放到大氣中的CH4以閉蓄和溶解的形式保留在土壤中。在拔節(jié)期鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98的土壤CH4產(chǎn)生潛力最大，其土壤溶液CH4濃度最大（347、426 μmol·L-1），在灌漿期中早33土壤CH4產(chǎn)生潛力最大，其土壤溶液CH4濃度亦最大（435 μmol·L-1）（圖 1c），這至少可以表明土壤的CH4產(chǎn)生潛力是影響土壤溶液CH4濃度的重要因素，土壤CH4產(chǎn)生潛力越大，土壤溶液CH4濃度相應(yīng)越高，這與張廣斌等（2013）大田實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，土壤的CH4產(chǎn)生潛力與土壤溶液中 CH4濃度顯著正相關(guān)（鎮(zhèn)稻 624：r=0.743，P<0.01；中早33：r=0.665，P<0.05；農(nóng)香98：r=0.789，P<0.01），這充分表明，土壤溶液CH4濃度是土壤CH4產(chǎn)生潛力重要的指示因子。

2.2 水稻品種對(duì)產(chǎn)生δ13CH4的影響

鎮(zhèn)稻624和中早33土壤產(chǎn)生的CH4逐漸變重，逐漸相對(duì)富集13C，它們的δ13CH4值總體上不斷增大，范圍為-67.0‰～-55.5‰左右（圖1d），各生育期二者無(wú)顯著差異（P>0.05）。農(nóng)香98土壤產(chǎn)生CH4的 δ13CH4值則先減小后增大，在灌漿期降至最低（-64‰），范圍為-64.2‰～-52.9‰左右。在分蘗期，農(nóng)香98土壤產(chǎn)生CH4的δ13CH4值顯著大于鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98。這說(shuō)明鎮(zhèn)稻624和中早33的土壤CH4產(chǎn)生途徑差異較小，而它們與農(nóng)香98的土壤CH4產(chǎn)生途徑差異較大。

產(chǎn)生的 δ13CH4主要取決于產(chǎn)甲烷底物的類(lèi)型以及 CH4產(chǎn)生途徑（乙酸和 H2/CO2）的相對(duì)貢獻(xiàn)率（Conrad等，2002；Krüger等，2002）。本試驗(yàn)不添加任何外源有機(jī)質(zhì)，且土壤有機(jī)碳本身的13C相對(duì)穩(wěn)定（Zhang等，2013），因此，土壤產(chǎn)生CH4的 δ13CH4值大小存在差異，且隨水稻生長(zhǎng)不斷變化，主要是由于它們的CH4產(chǎn)生途徑不同且受水稻植株生長(zhǎng)的影響（Zhang等，2013；Krüger等，2002）。與H2/CO2還原產(chǎn)生的CH4相比，乙酸形成的CH4相對(duì)富集13C，其δ13CH4值較大（Sugimoto和Wada，1993；Whiticar，1999）。張廣斌等（2012）田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)淹水條件下乙酸產(chǎn)CH4途徑貢獻(xiàn)率存在明顯的季節(jié)變化，由分蘗期時(shí)的70%以上逐漸下降到成熟期時(shí)的50%左右，恰好相反，Krüger等（2002；2001）的研究結(jié)果表明，乙酸產(chǎn)CH4僅在水稻后期處于主導(dǎo)地位，并認(rèn)為這可能與實(shí)驗(yàn)的水稻品種及其生長(zhǎng)狀況有關(guān)。隨著淹水時(shí)間延長(zhǎng)，鎮(zhèn)稻624和中早33品種土壤產(chǎn)生的CH4逐漸富集13C。這一方面表明，土壤本底有機(jī)質(zhì)在持續(xù)淹水條件下產(chǎn)生的產(chǎn)甲烷底物—乙酸可能逐漸增多，另一方面也預(yù)示了隨著水稻植株的生長(zhǎng)，根系分泌物乙酸的含量也可能逐漸增加，導(dǎo)致產(chǎn)生CH4的δ13CH4值不斷增大。以往研究發(fā)現(xiàn)，不同水稻品種水稻根系分泌物的種類(lèi)和含量確實(shí)并不一致（林敏和尤崇杓，1989）。遺憾的是，本實(shí)驗(yàn)并未同時(shí)觀(guān)測(cè)土壤和根系分泌的乙酸含量，相關(guān)研究尚有待進(jìn)一步完善與探討。盡管鎮(zhèn)稻624和中早33品種土壤的CH4產(chǎn)生潛力在4個(gè)主要生育期都明顯不同（圖1d），但相較于土壤中大量的產(chǎn)甲烷底物，少量的根系分泌物和脫落物使得它們的CH4產(chǎn)生途徑差異可能都很小，使得它們產(chǎn)生的δ13CH4值比較接近。在分蘗期，農(nóng)香98土壤產(chǎn)生CH4的δ13CH4值顯著大于鎮(zhèn)稻624和中早33，這可能是由于此時(shí)植株生長(zhǎng)發(fā)育稍遲緩的農(nóng)香98營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)消耗較少的土壤有機(jī)質(zhì)，與之競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)甲烷菌對(duì)乙酸的利用率因此更高。隨著水稻不斷生長(zhǎng)，植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)加強(qiáng)，同時(shí)根系分泌物和脫落物含量不斷增加，乙酸產(chǎn)CH4途徑的貢獻(xiàn)率降低，產(chǎn)生CH4的δ13CH4值不斷減小。在成熟期，植株的生殖生長(zhǎng)逐漸減弱，根系分泌物和脫落物中乙酸含量增加。土壤產(chǎn)生CH4又逐漸富集13C，其δ13CH4值有所上升。這總體可以說(shuō)明鎮(zhèn)稻624和中早33土壤CH4產(chǎn)生途徑差異較小，而它們與農(nóng)香98的土壤CH4產(chǎn)生途徑差異較大。

2.3 水稻品種對(duì)CH4排放的影響

3個(gè)品種的CH4排放通量的季節(jié)變化趨勢(shì)比較相似，但鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98均在分蘗盛期達(dá)到最大，為67.1和68.7 mg·m-2·h-1（圖2a和圖2c），而中早 33的峰值出現(xiàn)在拔節(jié)期，為 58.5 mg·m-2·h-1（圖 2b），隨后均逐漸減小直至水稻收獲。供試品種的CH4排放均集中在分蘗期和拔節(jié)期，鎮(zhèn)稻624在這兩個(gè)生育期的CH4排放量依次占總量的43.2%和42.8%，農(nóng)香98占總量的30.6%和36.4%，中早33則占22.0%和42.9%（表2）。全觀(guān)測(cè)期內(nèi)，鎮(zhèn)稻624、農(nóng)香98和中早33的CH4季節(jié)排放總量分別為55.29、55.74和40.82 g·m-2，中早33顯著低于鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98（P<0.05）。相關(guān)分析表明，各生育期CH4排放通量與相應(yīng)的土壤CH4產(chǎn)生潛力顯著正相關(guān)（鎮(zhèn)稻 624：r=0.652，P<0.01；中早 33：r=0.561，P<0.01；農(nóng)香33：r=0.678，P<0.01）。

表2 不同水稻生育期累積排放量Table 2 Accumulative CH4emissions at different growth stages

現(xiàn)有研究表明，水稻品種顯著影響稻田CH4排放通量（Jia等，2006；林而達(dá)，1993）。CH4的產(chǎn)生是CH4排放的基礎(chǔ)，本實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，4個(gè)生育期，各品種土壤的CH4產(chǎn)生潛力與CH4排放通量均顯著正相關(guān)。就季節(jié) CH4排放總量來(lái)看，中早 33顯著低于鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98，一方面可能與其較短的生育期有關(guān)；另一方面可能是由于在分蘗期和拔節(jié)期，鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98的土壤CH4產(chǎn)生潛力顯著大于中早33（圖1a），此時(shí)三者CH4排放所占整個(gè)生育期的比例較大（表 2），而在灌漿期和成熟期，盡管鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98的土壤CH4產(chǎn)生潛力顯著小于中早33，但此時(shí)CH4排放所占比例均已較小。Jia等（2002）研究也發(fā)現(xiàn)，稻田CH4排放通量與土壤CH4產(chǎn)生速率及水稻植株傳輸速率成正比，而與根際的CH4氧化成反比。這充分表明水稻品種通過(guò)影響土壤的CH4產(chǎn)生，進(jìn)而影響稻田CH4的排放。

2.4 水稻品種對(duì)排放δ13CH4的影響

隨著水稻生長(zhǎng)，各品種排放的CH4先貧13C后富13C，其δ13CH4值總體上均先減小后增大。鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98排放CH4的δ13CH4值變化趨勢(shì)相似，均在拔節(jié)期較其他生育期相對(duì)偏負(fù)，而中早 33在灌漿期相對(duì)偏負(fù)（圖1e，圖2d、圖2e、圖2f）。整個(gè)觀(guān)測(cè)期各品種排放 δ13CH4值分別為-67.6‰～-48.5‰（鎮(zhèn)稻 624）、-73.0‰～-47.3‰（農(nóng)香98）和-60.9‰～-46.7‰（中早33），季節(jié)平均值依次為-52.7‰、-52.5‰和-54.8‰。在拔節(jié)期，中早33排放CH4的δ13CH4值顯著大于鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98，而在成熟期顯著小于后兩者（P<0.05）。總體而言，水稻品種影響排放δ13CH4值的季節(jié)變化。

圖2 CH4排放通量、排放δ13CH4、土壤Eh的季節(jié)變化Fig. 2 Seasonal variations of CH4flux, δ13C-value of emitted CH4, soil Eh

稻田CH4排放是土壤中CH4的產(chǎn)生、氧化和向大氣傳輸3個(gè)過(guò)程共同作用的結(jié)果。稻田CH4的產(chǎn)生、氧化和傳輸這3個(gè)過(guò)程均存在同位素分餾，即產(chǎn)甲烷菌優(yōu)先利用12C、甲烷氧化菌優(yōu)先氧化12CH4、12CH4能更快地被傳輸進(jìn)入大氣（Tyler等，1997）。因此，排放的δ13CH4值受產(chǎn)CH4底物的組成、CH4產(chǎn)生途徑、CH4氧化程度和傳輸?shù)染C合過(guò)程的影響（Uzaki等，1991；Marik等，2002）。由于 CH4氧化細(xì)菌不僅消耗內(nèi)源產(chǎn)生的 CH4以減少CH4排放，還能使得剩余下來(lái)未被氧化的CH4富集13C，即排放δ13CH4值增大（Chanton等，1997；Bilek等，1999）。與氧化作用相反，植株傳輸則使排放δ13CH4值減小（Chanton，2005）。因此，CH4被氧化的越少且被傳輸?shù)脑娇欤瑒t將導(dǎo)致CH4排放通量越大，排放的δ13CH4值越小。鎮(zhèn)稻624和中早33品種排放的CH4分別在分蘗期、分蘗期和拔節(jié)期較產(chǎn)生的CH4明顯富集13C，而農(nóng)香98排放CH4的δ13CH4值與產(chǎn)生CH4的δ13CH4值相差較小（圖1d、圖1e），這可能是因?yàn)閷?duì)于鎮(zhèn)稻624和中早33而言，CH4在排放過(guò)程中可能受到了強(qiáng)烈的 CH4氧化作用，而對(duì)于農(nóng)香 98品種而言，因生長(zhǎng)發(fā)育相對(duì)遲緩，植株通氣組織尚不發(fā)達(dá)，CH4在排放過(guò)程中受到的CH4氧化作用較弱。隨后，鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98排放的CH4分在拔節(jié)期最貧13C，中早33則在灌漿期最貧13C（圖1d、圖1e），這可能是由于它們的CH4氧化百分率在此時(shí)減小而植株傳輸能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致排放的δ13CH4值變小。在成熟期，3個(gè)品種排放的CH4均又逐漸富集13C（圖1d、圖1e），這可能與該生育期土壤產(chǎn)生 CH4的δ13CH4值逐步增大有關(guān)（圖1d）。盡管供試水稻品種產(chǎn)生CH4的δ13CH4值存在較大差異，但排放CH4的 δ13CH4值的季節(jié)平均值總體上比較接近，這表明CH4氧化和傳輸產(chǎn)生的同位素分餾效應(yīng)彌補(bǔ)了CH4產(chǎn)生對(duì)排放δ13CH4值的影響。

3 結(jié)論

在分蘗期和拔節(jié)期,鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98的土壤CH4產(chǎn)生潛力顯著高于中早33, 在灌漿期和成熟期顯著小于后者。鎮(zhèn)稻624和農(nóng)香98在分蘗盛期CH4排放通量最大（67.1和68.7 mg·m-2·h-1），中早33在拔節(jié)期（58.5 mg·m-2·h-1）。各品種CH4季節(jié)排放總量依次為55.29、55.74和40.82 g·m-2，前二者無(wú)顯著差異，顯著高于中早33。各生育期CH4排放通量與相應(yīng)的土壤CH4產(chǎn)生潛力顯著正相關(guān)。可見(jiàn)水稻品種通過(guò)影響土壤的 CH4產(chǎn)生，進(jìn)而影響稻田CH4的排放。

鎮(zhèn)稻624和中早33土壤產(chǎn)生CH4的δ13C值從約-67.0‰增至-55.5‰，農(nóng)香98先減后增，范圍為-64.2‰～-52.9‰，說(shuō)明鎮(zhèn)稻 624和中早 33的土壤CH4產(chǎn)生途徑差異較小，而二者與農(nóng)香 98差異較大。各品種排放CH4的δ13C值均先減后增，分別為-67.6‰～-48.5‰、-73.0‰～-47.3‰和-60.9‰～-46.7‰。總體上，水稻品種影響排放δ13CH4值的季節(jié)變化。

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Effect of Rice Variety on Production and Emission of CH4and δ13CH4

ZHANG Wenxuan1,2, YU Haiyang1,2, ZHANG Guangbin1, MA Jing1, XU Hua1*
1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Rice variety is a key factor regulating CH4production and emission. However, little has so far been reported on effect of rice varieties on δ13C-value of CH4produced and emitted. Pot and indoor incubation experiments were carried out and with the aid of the stable carbon isotope method, CH4production potential of the paddy soil, CH4concentration in pore water, CH4production and emission flux as well as δ13C-value of the CH4emitted from the paddy soils cultivated with different varieties of rice (Zhendao 624, Nongxiang 98 and Zhongzao 33) under continuous flooding at four rice growing stages were studied and measured, with a view to providing some data in respect to CH4emission processes and δ13C-values of CH4emitted for reference in screening rice varieties for quality ones both high in yield and low in CH4emission. Results show that the paddy soils under Zhendao 624 and Nongxiang 98 were significantly higher than that under Zhongzao 33 at the tillering and booting stages in CH4production potential but significantly lower at the grain-filling and ripening stages. CH4production potentials, the highest CH4concentration in pore water and the lowest soil Eh of the three paddy soils under Zhendao 624, Nongxiang 98 and Zhongzao 33 appeared at the booting stage (2.6 μg·g-1·d-1, 346.9 μmol·L-1, -296 mV), booting stage (3.2 μg·g-1·d-1, 425.9 μmol·L-1, -316 mV) and grain-filling stage (2.4 μg·g-1·d-1, 435.2 μmol·L-1, -308 mV), respectively. Correlation analysis shows that CH4production potential of the paddy soil was significantly positively related to CH4concentration in pore water, but significantly negatively to soil Eh (P<0.01), regardless of rice varieties planted. CH4fluxes from the plots under Zhendao 624 and Nongxiang 98 peaked at the booting stage (67.1, 68.7 mg·m-2·h-1), while that from the plot under Zhongzao 33 did at the tillering stage (58.5 mg·m-2·h-1). The total CH4emission from the plots under Zhendao 624 and Nongxiang was 55.29 and 55.74 g·m-2, respectively, posing no obvious difference between the two, while that from the plot under Zhongzao 33 was 40.82 g·m-2(P=0.05), much lower than the former two, partly by reason that CH4production potentials of the former two were significantly higher than that of the latter at the tillering stage and booting stage, when CH4emissions occurred concentratedly in all the three. Correlation analysis also shows that CH4flux was significantly positively related to CH4production potential of the paddy soil at all the four stages (P<0.01), which fully demonstrates that rice plants different in variety affect CH4production and then CH4emission through regulating soil CH4production potential. δ13C-values of the CH4produced in the plots under Zhendao 624 and Zhongzao 33 gradually increased within the range of -67.0‰～-55.5‰, making no big difference between the two soils during the rice growing season, while that in the plot under Nongxiang 98 declined first and rose again within the range of -64.2‰～-52.9‰, which means that the soils in the plots under Zhendao 624 and Zhongzao 33 are quite similar in path way of CH4production, but sharply different from that under Nongxiang 98. The CH4emitted from the three plots all displayed a general trend in δ13C-value, declining first and rising again and varying in the range of -67.6‰～-48.5‰, -73.0‰～-47.3‰and -60.9‰～-46.7‰, respectively. To sum up, the effect of rice variety on δ13CH4varies with the season.

rice variety; CH4production; CH4emission; δ13C; soil Eh

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.02.003

X511

A

1674-5906（2015）02-0196-08

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中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（XDB15020103）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAD11B02）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271259；41201243）；江蘇省自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（BK2012497）

張文宣（1989年），女，碩士研究生，主要從事農(nóng)田溫室氣體排放規(guī)律及其機(jī)理研究。E-mail: wxzhang@issas.ac.cn *通信作者：E-mail: hxu@issas.ac.cn

2014-11-23