高溫少雨對不同品種水稻CH4和N2O排放量及產量的影響

孫會峰,周 勝*,付子軾,陳桂發,劉國蘭,宋祥甫(1.上海市農業科學院生態環境保護研究所,上海 20140；2.上海低碳農業工程技術研究中心,上海 201415；.上海市農業生物基因中心,上海 201106)

高溫少雨對不同品種水稻CH4和N2O排放量及產量的影響

孫會峰1,2,周 勝1,2*,付子軾1,2,陳桂發1,2,劉國蘭3,宋祥甫1,2(1.上海市農業科學院生態環境保護研究所,上海 201403；2.上海低碳農業工程技術研究中心,上海 201415；3.上海市農業生物基因中心,上海 201106)

利用兩個氣候條件差異較大的稻季,研究了較高的大氣溫度(較多年平均升高2.6℃)和較少的降雨量(較多年平均降低36%)對6個品種(花優14、秀水134、秋優金豐、旱優8號、旱優113和早玉香粳)稻田C H4和N2O排放量及產量的影響.研究結果表明,高溫少雨稻季中各品種的CH4排放量是常溫多雨稻季相應品種的1.8～9.6倍(平均4.0倍).對于花優14、秋優金豐、旱優8號和旱優113來說,高溫少雨相對降低2.4%～22.1%(平均12.5%)的水稻產量,其中節水抗旱稻品種(旱優8號和旱優113)平均減產8.6%,明顯低于普通稻品種(花優14和秋優金豐)的16.0%.稻田N2O的排放過程短暫而急促,主要取決于施肥和水分管理措施,與氣候條件或品種關系不大.CH4是稻田溫室氣體排放的主要貢獻者.在未來氣候變化情景下,稻田溫室氣體減排應以削減CH4排放量為主.

氣候變化；溫室氣體；水稻品種；節水抗旱稻

稻田被認為是CH4排放的重要人為排放源.氣溫或土溫升高可刺激相對較多的水稻根系分泌物或脫落物被釋放到土壤,并且很可能被產甲烷菌利用產生更多的CH4[1-2].水稻根系周邊的土溫升高有可能加快 CH4穿過根系并通過通氣組織排向大氣[3].因此氣溫或土溫升高將會促進稻田 CH4的產生和排放[2,4].但是,也有研究表明升溫對稻田 CH4排放沒有顯著影響[5-7].近些年來,大量氮肥的過度施用和田間水分管理措施(如中期排水擱田)是導致稻田N2O大量排放的主要原因[8].土溫的升高在一定程度上可刺激硝化或反硝化細菌的活性,從而促進 N2O的排放[9].但是,水稻在氣溫或土溫較高的環境下會吸收更多的N素養分,相對減少N素通過N2O的損失,最終引起稻田 N2O的排放對溫度升高沒有響應[6,10-11].另外,鄭循華等[8]在研究稻田N2O的排放規律時指出,在水稻的主要生育期內,適宜硝化和反硝化細菌活動的溫度下,明顯的 N2O排放只發生在排水或追施氮肥時,與氣溫或土溫關系不明顯.

氣溫升高通過影響水分、離子及有機溶解物在植物體內的移動,繼而影響植物的光合和呼吸作用.過度的高溫將會導致植物葉片光合作用的明顯下調,最終造成其地上部和地下部生物量的降低[12].水稻是世界上主要的糧食作物之一,特別是在亞洲地區,水稻的生產與全球半數人口的溫飽問題息息相關.很多研究顯示高溫往往會造成水稻的顯著減產[13-15].

降雨是影響旱地土壤CH4和N2O排放的重要因子.一定強度的降雨引起旱地土壤濕度的驟升,有利于刺激產甲烷菌、抑制甲烷氧化菌,增強CH4的排放[16-17].降雨引起土壤濕度的劇烈變化,提高反硝化細菌的活性,引起 N2O 的排放[18-19].但也有研究發現,過量降雨會抑制CH4和N2O的排放[17,19-20].在旱作農作物生產過程中,因降雨偏少引起干旱脅迫,如不能得到及時灌溉,往往會造成農作物減產.然而,在灌溉稻田中,人工灌溉在一定程度上可彌補水稻生產過程降雨的不足,可保證稻田土壤表面水層深度在一定范圍內.相對較頻繁的降雨會使大氣維持較高的濕度,有效降低氣溫[21],也許會對CH4和N2O的產生和排放造成一定影響.

關于稻田CH4和N2O排放對氣溫升高響應的研究中,不同的研究結果可能與不同的試驗方法、土壤性質、水稻品種或其他氣候條件等因素有關.以往的研究大多是利用 SPAR(Soil-Plant-Atmosphere Research)箱[2]、環境控制玻璃箱[3]、開放式加熱管[7]或者土壤中埋設加熱線路等[4]人為方式提高氣溫或土溫.這些研究只關注氣溫或土溫的變化對稻田CH4和N2O排放影響,而其他氣候條件(如降雨)基本一致,這并不是實際氣候情況.因為降雨帶來的較高濕度與氣溫是相互影響的,濕度高通常會使氣溫降低[21].也就是說,降雨較為頻繁的稻季氣溫相對較低;相反,降雨較為匱乏的稻季氣溫則相對較高.因此,在實際大田生產過程中,研究比較常溫多雨稻季和高溫少雨稻季中水稻產量和CH4和N2O排放量的情況,對于預測未來氣溫升高對水稻生態系統的影響具有更為重要的現實意義.

本研究以上海周邊地區種植較為廣泛的 3個普通水稻品種(花優14、秀水134、秋優金豐)以及具有節水、抗旱性能的3個節水抗旱稻(旱優8號、旱優113、早玉香粳)為研究對象,通過兩季(氣候條件:常溫多雨和高溫少雨)的栽培種植,闡明氣溫升高和降雨變化對水稻產量及 CH4和N2O排放的影響.具有抗旱性能的節水抗旱稻在灌溉稻田中,具有與普通水稻相似的產量和品質,然而在水分缺乏的環境下,它表現出較強的抗旱性并能減少產量損失[22].

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于上海市奉賢區,上海市農業科學院莊行綜合試驗站(30°53′N,121°23′E).該地區屬于北亞熱帶季風氣候,年平均氣溫 16℃左右,年平均降雨量在1200mm左右,其中約60%的雨量集中在5～9月的汛期.試驗時間為2013和2014年的6月中旬到10月中旬.從水稻移栽后120d的生育期內,2013和 2014年的大氣日均溫分別為27.3℃(19.0～33.5℃)和24.7℃(14.7～30.2℃),降雨量分別為491mm和763mm(圖1).

1.2 土壤基本理化性質

試驗地區的耕作層土壤深度約為 15cm,其基本理化性質為:有機質 23.7g/kg,全氮 1.4g/kg,堿解氮105.5mg/kg,土壤容重1.4g/cm,pH值(土水比1:2.5)7.6.

1.3 供試品種

試驗選取6個稻類品種作為研究對象.

普通水稻:花優 14(粳型雜交水稻)、秋優金豐(粳型雜交水稻)、秀水134(粳型常規水稻).

節水抗旱稻:旱優8號(粳型雜交旱稻)、旱優113(秈型雜交旱稻)、早玉香粳(粳型常規水稻).

圖1 2013和2014稻季大氣日均溫和日降雨量的季節變化Fig.1 Seasonal changes in daily mean air temperature and daily precipitation during 2013 and 2014 rice growing seasons

表1 不同品種的移栽和收獲日期Table 1 Transplant and harvest date of different rice varieties

1.4 栽培及田間管理

試驗采用二段育秧法:所有品種的稻種于2013和2014年的5月初進行浸種催芽、育苗盤育苗,5月下旬將育苗盤上的幼苗轉移到田間苗圃,6月中旬將苗圃中的幼苗人工移栽到試驗小區內(表1),株、行距分別為20、25cm,每穴種植1～2株.每個試驗小區的面積為25m2.

不同品種的成熟收獲期有所不同(表1).每個品種小區內收割 1m2范圍內的水稻(重復 3次),利用小型脫粒機人工脫粒,晾曬后得到曬干重量.再取少許曬干稻谷采用烘箱烘干法測定含水量,即得到烘干重量.標準產量的具體計算方法參考文獻[23].

所有品種的施肥、灌溉、打藥等田間管理措施一致.氮磷鉀的施用量為 225,112.5,255kg/hm2.氮肥按5:3:2的比例作為基肥、蘗肥和穗肥施入;磷肥作為基肥一次性施入;鉀肥施用量的 44%以基肥施入,56%以穗肥施入.水稻移栽后35d左右開始中期排水擱田,持續一周時間.

1.5 氣體樣品采集過程

試驗中采用靜態密閉有機玻璃箱和自主研發的氣體自動采樣裝置進行氣體樣品的采集.在水稻移栽后,每個品種小區內埋設 3個尺寸為50cm×40cm×20cm(長×寬×高),帶有水槽的有機玻璃底座(側邊有孔),埋入土壤深度為15cm.有機玻璃采氣頂箱的尺寸為 50cm×40cm×50cm(長×寬×高),內部頂端中心位置安裝12V電池驅動風扇以混勻箱內空氣.根據水稻植株的高度,選取 3種不同高度(20、40、60cm)、相同長寬度(50cm×40cm)的有機玻璃底座(側邊無孔)用來調整采氣頂箱的高度以進行氣體樣品的采集.氣體自動采樣裝置包含一個程序控制盒、一塊 12V的可充電蓄電池、一個小功率氣泵和一組控制氣流開關的電磁閥.

首先將采氣頂箱安放到底座的水槽中并加水密封,然后將氣體自動采樣裝置上的進氣和出氣管路與采氣箱兩側的通氣孔相連形成循環通路,再將風扇連接電源,最后啟動該裝置.該裝置能自動進行 4次氣體樣品的采集,每兩次的時間間隔為6min.氣體樣品用1L的鋁箔氣袋進行收集存儲.待氣體樣品采集完成后,將采氣頂箱和氣體自動采樣裝置搬回實驗室.樣品采集時間為無雨天氣的 8:00～10:00,采集頻率為1次/周.

1.6 排放通量及排放強度的計算

氣體樣品的CH4和N2O濃度分析測定由氣相色譜(安捷倫7820A)搭載自主研發的氣體自動進樣裝置完成.氣體自動進樣裝置可對50個氣體樣品依次自動進樣,間隔時間為 8min.氣相色譜設備中配置的氫離子火焰檢測器和電子捕獲檢測器分別用來測定氣體樣品的 CH4和 N2O濃度.CH4或N2O的排放通量是通過對同一個采氣頂箱所獲得的4個氣體樣品的CH4或N2O濃度進行線性回歸獲得.排放通量隨時間的累加計算可得累積排放量.

溫室氣體排放強度是反映生產單位產量的稻谷時所排放的CO2當量的能力.具體的計算公式參考文獻[23].

1.7 統計方法

采用SPSS20.0軟件中One-way ANOVA的LSD法對不同年份中不同品種的產量、CH4和 N2O累積排放量及溫室氣體排放強度之間進行多重比較.采用Microsoft Excel 2013軟件繪圖.

2 結果與分析

2.1 大氣溫度及降雨情況

試驗地點所在的區域,2008～2012年稻季的大氣日均溫為24.7℃、降雨量為775mm[24],這與本試驗中 2014稻季的大氣日均溫(24.7℃)及降雨量(763mm)基本一致.這說明2014稻季是該區域較為典型的常溫多雨稻季.相反,2013稻季具有較高大氣日均溫(27.3℃)和較低降雨量(491mm),是一個高溫少雨稻季.2013稻季的大氣日均溫比2014稻季高2.6℃,這個數值已超過《巴黎協議》中設定的2℃紅線.《巴黎協議》中的2℃是指未來全球平均氣溫與工業化前平均氣溫的差值.而本試驗中的 2.6℃是指兩個稻季平均氣溫的差值.然而,研究比較這種氣溫差異對水稻產量及溫室氣體排放的影響,對于預測未來氣溫升高對水稻生態系統的影響具有重要現實意義.

在水稻生長發育的主要需水期(6～9月)內, 2013稻季的降雨量僅為272mm,是2014稻季同期的36%.在未來氣候多變的情況下,稻季出現異常氣候的情況會時有發生.異常氣候情況(如較高氣溫伴隨著較低降雨量)將對水稻產量及溫室氣體排放量產生一定的影響.

2.2 CH4和N2O排放通量季節變化

圖2 不同品種CH4排放通量的季節變化Fig.2 Seasonal variations in CH4fluxes of different rice varieties圖中黑色箭頭所指示的時間為施肥日期,BF(Base Fertilizer)代表基肥,TF(Tillering Fertilizer)代表蘗肥,HF(Heading Fertilizer)代表穗肥

相同的水分管理下,CH4排放通量的季節變化趨勢不受品種的影響,與本課題組的前期結果[23,25]及其他研究結果一致[26-27].從圖 2可以看出,中期烤田階段是 CH4排放通量變化的關鍵時期.從水稻移栽開始到中期烤田前期,稻田基本上處于淹水狀態,氣溫逐步升高(圖1),土壤 Eh值逐漸降低[25],CH4排放通量逐漸增加,其與氣溫顯著線性相關(圖3);在中期烤田階段,稻田表層水消失,土壤氧化還原電位增加,氧氣介入,CH4的產生受到抑制,其排放通量迅速減小,在中期烤田末期幾乎為零.中期烤田結束復水至水稻收獲,稻田土壤處于干濕交替狀態, CH4排放通量震蕩起伏,其與氣溫也呈顯著線性相關關系(圖3).

圖3 CH4平均排放通量與大氣日均溫的關系Fig.3 The relationships between averaged CH4fluxes and daily mean air temperature圖中C H4平均排放量為同一采樣日期內所有品種的CH4排放量的平均值.中期烤田期間,土壤水分變化是影響CH4排放通量增加的主要因素,因此棄用這期間數據,選用烤田前、后兩個時間段內的CH4排放通量和大氣日均溫數據分別作相關關系圖

圖4 不同品種N2O排放通量的季節變化Fig.4 Seasonal variations in N2O fluxes of different rice varieties圖中黑色箭頭所指示的時間為施肥日期,BF(Base Fertilizer)代表基肥,TF(Tillering Fertilizer)代表蘗肥,HF(Heading Fertilizer)代表穗肥

稻田N2O的排放主要與N肥的施用和田間水分管理引起的土壤水分變動有關[8,28-29].在 2013稻季中,除了在施用基肥和穗肥后引起個別品種有較少的N2O排放外,其余時間里N2O的排放通量幾乎為零(圖4).在2014稻季中,基肥和穗肥的施用并沒有引起明顯的N2O排放峰的出現,但是在中期烤田初期(由濕變干過程),花優 14、旱優8號、旱優113和早玉香粳有較高的N2O排放通量(圖4).

2.3 CH4和N2O累積排放量

高溫少雨稻季(2013)中各品種的 CH4排放量是常溫多雨稻季(2014)的 1.8～9.6倍(平均 4.0倍)(表 2).這表明高溫少雨的氣候條件可極大地促進CH4的排放.很多研究同樣指出,較高的大氣或者土壤溫度提高稻田CH4的排放[1-3,30].大氣或者土壤溫度的增加,刺激產甲烷菌的活性,促進稻田CH4的產生和排放[30];升高的大氣或者土壤溫度條件下,相對更多的水稻根系分泌物或脫落物被釋放到土壤中,產甲烷菌利用這些有機碳源產生和排放更多的CH4[1-2];水稻根系周邊較高的土壤溫度有可能加速CH4進入根系,通過通氣組織排放到大氣中[3].另外,稻田田面水溫度的增加,會引起CH4的溶解度有所減小,相對促進其排放.這有可能是造成高溫少雨稻季的生長前期 CH4排放通量較大的原因之一.另外,在特定的溫度下,大氣濕度與植物的蒸騰速率呈負相關關系.高溫少雨稻季較低的大氣濕度可能會提高水稻的蒸騰速率,從而增加溶有CH4的水分被運移到地上部分,最終促進CH4通過葉鞘微孔釋放到大氣中.在不同稻季中,普通稻和節水抗旱稻品種的平均CH4排放量間并沒有明顯差異.秀水 134和早玉香粳的CH4排放量相對較低(表2).

稻田施用銨態氮肥后,硝化/反硝化細菌利用氮素養分,經硝化/反硝化作用產生并排放 N2O.稻田的水分管理措施(如中期烤田)致使土壤處于干濕交替狀態,非常有利于 N2O的產生和排放

[28].常溫多雨稻季中各品種的N2O排放量均高于高溫少雨稻季(表2),這可能與多雨稻季中較高頻率降雨引起土壤較頻繁的干濕交替有關.然而,從整個稻季來看,較為明顯的N2O排放是短暫而急促的,而且主要是由施肥和田間水分管理造成的.盡管不同品種水稻的根系、地上部生物量及對N肥的吸收利用效率會有所差異,但是N肥的施用量要高于水稻的需N量,因為當地常規施肥條件下N肥的吸收利用率僅為28.7%～40.2%[31].多余的 N素養分會在土壤微生物轉化過程中形成N2O.因此,稻田N2O的排放主要取決于施肥和田間水分管理,可能與品種無關.

CH4平均排放通量為同一采樣日期內所有品種的CH4排放通量的平均值.中期烤田期間,土壤水分變化是影響 CH4排放通量變動的主要因素,因此棄用這期間數據,選用中期烤田前、后兩個時間段內的 CH4排放通量和大氣日均溫數據分別作相關關系圖.

表2 不同品種的CH4和N2O累積排放量Table 2 Seasonal total CH4and N2O emissions ofdifferent rice varieties

2.4 產量及溫室氣體排放強度

Kim等[32]利用CERES-Rice 4.0作物模型模擬研究東亞溫帶季風氣候區域內氣候變化對水稻產量的影響時指出,大氣溫度的升高會顯著降低 22.1%～35.0%的水稻產量.本研究中,除秀水134和早玉香粳的產量小幅提高(3.5%～4.7%)以外,高溫少雨稻季中各品種的產量較常溫多雨稻季減產 2.4%～22.1%(表 3).較高的大氣溫度會引起葉綠體的損傷和光合作用強度的降低,花粉的生產減少和穎花的不育,較強呼吸作用增加能量損耗,最終造成水稻的減產[13].另外,大氣溫度升高也能縮短水稻的生育期,不利于水稻光合產物和營養元素向稻穗的轉移[14].

與常溫多雨稻季相比,高溫少雨稻季的普通稻品種(花優 14和秋優金豐)產量的平均降低幅度為16.0%,而節水抗旱稻品種(旱優8號和旱優113)產量的平均降低幅度只有8.6%(表3).就各品種的產量來說,節水抗旱稻具有較好的抗旱性,在高溫少雨稻季沒有較大幅度的減產.節水抗旱稻能夠在較為干燥的環境下相對減少產量損失,這源于其能夠維持較高的水勢以保證本身正常的新陳代謝[22].與普通稻相比,節水抗旱稻可能具有較強大的根系系統以高效地利用水分,較厚的葉片蠟質層以減少水分損失,或較發達的泡狀細胞以利于葉片卷縮、減弱蒸騰作用帶來的水分損失[22].在常溫多雨稻季,普通稻品種的平均產量(8.3t/hm2)略高于節水抗旱稻品種(7.9t/hm2);而在高溫少雨稻季,普通稻和節水抗旱稻品種的平均產量基本一致.

表3 不同品種的產量及溫室氣體排放強度Table 3 Rice yield and greenhouse gas emission intensity of different rice varieties

溫室氣體排放強度是反映生產單位產量的稻谷時所排放的CO2當量的能力.高溫少雨和常溫多雨稻季各品種的 CH4平均貢獻率分別為93.1%和 63.4%,由此可見,CH4是稻田溫室氣體排放強度的主要貢獻者.高溫少雨稻季各品種水稻的溫室氣體排放強度是常溫多雨稻季的1.3～6.9倍(平均2.7倍)(表3).高溫少雨稻季較大的 CH4排放量和較少的水稻產量最終引起較高的溫室氣體排放強度.在不同稻季中,普通稻和節水抗旱稻品種的溫室氣體排放強度變化范圍基本一致,沒有明顯差異.

3 結論

3.1 與常溫多雨稻季相比,高溫少雨稻季中各品種的CH4排放量平均增加3.3倍.高溫少雨氣候條件極大地促進稻田CH4的排放.

3.2 高溫少雨可明顯降低多數品種(花優14、秋優金豐、旱優8號和旱優113)的產量,其平均減產幅度為 12.5%.節水抗旱稻品種的減產幅度明顯低于普通稻品種.

3.3 稻田 N2O的排放短暫而急促,主要取決于施肥和水分管理措施,與品種關系不大.

3.4 稻田溫室氣體排放強度的主要貢獻者是CH4.因此,在未來氣候多變的環境下,要控制減少水稻生產過程中溫室氣體的排放量,應先選取合適的水稻品種,并以減少CH4排放為主,再適當調控N2O排放,從而達到減少溫室氣體排放強度的目的.

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Effects of high temperature and low precipitation on CH4and N2O emission and yield of different rice varieties.

SUN Hui-feng1,2, ZHOU Sheng1,2*, FU Zi-shi1,2, CHEN Gui-fa1,2, LIU Guo-lan3, SONG Xiang-fu1,2(1.Eco-Environmental Protection Research Institute, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai 201403, China；2.Shanghai Engineering Research Center of Low-carbon Agriculture, Shanghai 201415, China；3.Shanghai Agrobiological Gene Center, Shanghai 201106, China). China Environmental Science, 2016,36(12)：3540～3547

Two rice growing seasons with contrasting climate conditions was employed to study the effects of high temperature (2.6℃ above normal average) and low precipitation (36% lower than normal average) on CH4and N2O emission and yield of six rice varieties (Huayou 14, Xiushui 134, Qiuyoujinfeng, Hanyou 8, Hanyou 113, and Zaoyuxiangjing). The results showed that total CH4emissions of all varieties in the rice growing season with high temperature and low precipitation were 1.8～9.6times (4times in average) of that values in the normal season. High temperature and low precipitation condition caused yield loss by 2.4%～22.1% (12.5% in average) of four varieties (Huayou 14, Qiuyoujinfeng, Hanyou 8, and Hanyou 113), and the average reduction rate of 8.6% for Water-saving and Drought-resistance Rice (Hanyou 8 and Hanyou 113) was much lower than that of 16.0% for non-WDR rice (Huayou 14 and Qiuyoujinfeng). The N2O emission from rice paddies was characterized by pulse and short-interval, and dependent mainly on fertilization and water management rather than climate condition or rice variety. CH4emission was the major contributor in greenhouse gases emission in rice paddies under both climate conditions. The results indicated that CH4emission reduction should be paid attention to mitigate greenhouse gases emission from rice paddies in global climate change scenario in the future.

climate change；greenhouse gas；rice variety；water-saving and drought-resistant rice (WDR)

X511

A

1000-6923(2016)12-3540-08

孫會峰(1983-),男,山東沂水人,助理研究員,博士,主要從事農田溫室氣體減排、面源污染控制研究.已發表論文10余篇.

2016-04-16

國家自然科學基金項目(41375157);科技部國家科技支撐項目(2013BAD11B02)

* 責任作者, 研究員, zhous@263.net