夜間增溫品種混栽對稻田土壤CH4和N2O排放的影響

楊蕙琳,婁運生,*,劉 燕,周東雪

1 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/應用氣象學院,南京 210044 2 南京信息工程大學江蘇省農業(yè)氣象重點實驗室,南京 210044

IPCC第五次評估報告指出,1880—2012年全球地表平均溫度升高了0.85℃,1951—2012年全球平均地表溫度的升溫速率(0.12℃/10a)幾乎是1880年以來升溫速率的兩倍,未來仍將持續(xù)變暖[1]。由于地理、氣候因子的交互影響,溫度上升存在明顯的季節(jié)及晝夜不對稱性,即冬春季增幅顯著高于夏秋季,夜間增幅顯著高于白天[2- 3]。大氣中溫室氣體濃度增加是氣候變暖的重要原因。甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是兩種主要溫室氣體,稻田是CH4和N2O的重要排放源[4- 6]。水稻是我國最重要的口糧作物,全國60%以上的人口以稻米為主食,水稻種植面積約占全球的20%,總產量約占全球30%[7-8]。因此,在穩(wěn)定糧食生產的情況下,減少溫室氣體排放已成為水稻生產應對氣候變化研究普遍關注的問題。

氣候變暖對水稻生產及 CH4和 N2O 的排放的影響日益受到人們關注。模擬溫度升高導致熱帶、亞熱帶地區(qū)水稻分蘗數減少,生育期縮短,葉片衰老加快,生物量降低,有效穗數和穗粒數減少,導致籽粒產量下降[9- 12]。培養(yǎng)試驗發(fā)現,在一定溫度范圍內,CH4產生量隨溫度升高而增加。硝化和反硝化作用的N2O產生量均隨溫度升高而增加[6,13-14]。田間模擬增溫試驗表明,增溫可促進稻田CH4和N2O產生排放,但迄今有關田間增溫試驗的報道依然偏少,且多為短期試驗,還需進一步開展研究[15-17]。

氣候變暖將使農業(yè)生產的不穩(wěn)定性增加,增強農業(yè)生產的穩(wěn)定性是應對氣候變化的重要措施。生物多樣性增加可使系統(tǒng)穩(wěn)定性增強。研究發(fā)現,作物混合種植影響植株冠層、光能利用率、光合特性及生產力,增強作物抗病能力,可顯著提高產量,促進高產穩(wěn)產[18- 22]。物種多樣性對土壤溫室氣體排放也有影響。據報道,人工濕地的溫室氣體排放隨物種豐富度的增加而增加[23]；而自然濕地系統(tǒng)中,植物種群或物種豐富度增加,可提升固碳能力,顯著減少氨揮發(fā)及溫室氣體排放[24-25]；也有學者認為,濕地挺水植物的物種數量對CH4排放無顯著影響[26]?？梢?目前有關物種多樣性對溫室氣體排放的影響,尚無定論。此外,現有報道多基于自然濕地系統(tǒng),而對人工稻田系統(tǒng)尚缺少關注。

有關夜間增溫或品種混栽對水稻生產的影響已有報道,但二者耦合對水稻生產、稻田CH4和N2O排放、綜合增溫潛勢及溫室氣體強度的影響,目前尚不清楚。因此,通過田間試驗研究夜間增溫下品種混栽對水稻生產及稻田土壤CH4、N2O排放的影響,對提高水稻生產應對和適應氣候變化的能力有積極意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2018年5月至10月在南京信息工程大學農業(yè)氣象試驗站(32.0°N,118.8°E)內進行。該站地處亞熱帶濕潤氣候區(qū),年均降水量1100 mm,年均氣溫15.6℃。供試土壤為潴育型水稻土,灰馬肝土屬,質地為壤質粘土,粘粒含量為26.1%,pH為6.2(1:1土水比),全碳、全氮的含量分別為19.4、1.45 g/kg。供試水稻品種為南粳9108(主栽,粳型常規(guī)稻,江蘇省農業(yè)科學院選育)和深兩優(yōu)884(次栽,秈型兩系雜交稻,浙江勿忘農種業(yè)有限公司選育),兩個品種平均產量分別為9781.5 kg/hm2和8703.0 kg/hm2,株高分別為96 cm和118 cm,全生育期分別為153 d和132 d。供試氮磷鉀肥料為高濃度復合肥(15—15—15)。

1.2 試驗設計

采取兩因素隨機區(qū)組試驗設計,夜間增溫設2水平,即對照(CK,control)和增溫(NW,nighttime warming)。品種混栽2水平,即混作(I,intercropping),單作(M,monocropping)。品種混栽,即主栽品種(南粳9108)與次栽品種(雜交稻深兩優(yōu)884)以3:1的比例栽植,混栽小區(qū)內3行粳稻和1行雜交稻混栽。試驗設置4個處理,即(1)品種混栽+夜間增溫(I+NW)；(2)品種混栽+不增溫(I+CK)；(3)單作+不增溫(M+CK)；(4)單作+夜間增溫(M+NW)。夜間增溫處理,采用開放式被動增溫方式,增溫處理從水稻分蘗期開始,在小區(qū)四周安裝高度可調式鋼管支架(2 m×2 m×2 m),將鋁箔反光膜固定于支架頂端,夜間(19:00—6:00)用鋁箔反光膜覆蓋水稻冠層,隨水稻生長發(fā)育進程,及時調整鋼管支架,使鋁箔反光膜與水稻冠層之間的距離保持0.3 m左右。除特殊天氣(降雨、大風等)外,每天于日落(19:00)人工覆蓋反光膜,日出(次日6:00)揭開反光膜。同時,用溫度記錄儀自動記錄水稻冠層及5 cm土層溫度。每處理重復3次,隨機排列。小區(qū)面積為2 m×2 m=4 m2。

水稻種子經消毒、浸種,在35℃培養(yǎng)箱中催芽,于2018年5月10日播種、育苗。水稻幼苗于6月9日移栽,株行距為20 cm×20 cm。前茬作物為冬小麥,試驗田經耕作、整地,幼苗移栽前1d施肥,每小區(qū)施入復合肥(15—15—15)315 g,相當于氮磷鉀(N—P2O5—K2O)施用量均為200 kg/hm2。水稻生長期保持水層厚度5 cm,根據水層變化及降雨情況進行合理灌溉。7月27日至8月10日曬田,而后灌溉復水,9月22日停止灌溉直到10月20日收獲。大田常規(guī)管理,病蟲害防治依據田間實際情況進行。

1.3 測定方法

1.3.1生物量及產量測定

在水稻主要生育期內,即分蘗期、拔節(jié)期、抽穗-揚花期、乳熟期、成熟期,分別采集植株樣品,每個小區(qū)隨機選取長勢較一致的3株水稻,混栽小區(qū)選擇主栽品種。采集的水稻植株樣依根、莖、葉和穗部分開,稻根用自來水沖洗干凈,分別稱取鮮重,而后放入牛皮紙袋中于105℃鼓風烘箱內殺青20 min,之后將烘箱溫度調至70℃繼續(xù)烘干至恒重并稱取干重。

在成熟收獲期內,每個小區(qū)選取有代表性的水稻植株作為采樣區(qū)(0.5 m×0.5 m),采集稻穗后,先曬干,再用小型脫粒機脫粒后稱重得到稻谷干重。選取少量稻粒置于烘箱烘至恒重,測定含水量。稻谷標準產量計算公式如下：

RY=DW/(1-w)

(1)

式中,RY代表水稻的標準產量,單位是t/hm2；DW表示稻谷烘干重量,單位t/hm2；w代表稻谷標準含水量(適合存放的含水量)。

1.3.2氣體采集與分析

采用密閉靜態(tài)箱—氣相色譜法測定稻田CH4和N2O排放通量。自水稻移栽后30d(7月8日)至成熟收獲期(10月20日)每周采樣1次,采樣時間為上午8:00—11:00。所用密閉靜態(tài)箱由圓柱狀PVC材料制作,底部半徑為8.5 cm。為盡量降低采樣對大田試驗環(huán)境干擾,在采樣區(qū)域事先搭設棧橋。采氣時將靜態(tài)箱安置于事先固定于土壤中的底座上,通過大田淹水層密封以保證箱內氣密性。密封后,接通電源驅動固定于箱頂部的微型直流風扇15 s,以混勻箱內氣體。而后分別于封箱后0、15、30 min,用帶有三通閥的PVC注射器采集箱內氣樣50 mL,將所采氣樣注入事先抽成真空的玻璃瓶中,帶回實驗室,用氣相色譜儀(Agilent 7890B)測定氣樣中CH4和N2O濃度。色譜測定條件為：FID檢測器溫度200℃,柱箱溫度50℃,載氣N2(流量校正不會影響尾吹氣或燃氣流量),空氣和H2流量分別為400 mL/min和45 mL/min。在氣樣采集的同時,記錄箱內氣溫、環(huán)境氣溫及5 cm土溫。CH4和N2O排放通量計算公式為：

(2)

式中,F表示甲烷和氧化亞氮的排放通量(mg m-2h-1)；ρ表示標準狀態(tài)下的氣體密度,甲烷為0.714 kg/m3,氧化亞氮為1.25 kg/m3；H為靜態(tài)箱的氣室高度(m)；T表示理想氣體標準狀態(tài)下的空氣溫度,一般為273.15 K；t表示采氣時箱內的平均溫度,單位℃；dc/dt表示目標溫室氣體濃度隨時間變化的回歸曲線斜率。

水稻不同生育期和全生育期CH4和N2O累積排放量計算公式為：

(3)

式中,T表示溫室氣體累積排放量,單位為mg/m2；Fi+1與Fi分別是第i+1次和i次采氣時的平均氣體排放通量,單位為mg m-2h-1；Di+1、Di為第i+1次和i次試驗的時間(d)；f表示單位換算系數,無固定指定值。

1.3.3全球增溫潛勢計算

全球增溫潛勢(Global Warming Potential,GWP)的計算,是基于IPCC溫室氣體清單方法,以CO2作為參考氣體(CO2的GWP值為1),在百年尺度上,CH4和N2O的GWP值分別是CO2的28倍和265倍[1],其綜合增溫潛勢的計算公式如下：

GWP=TCH4×28+TN2O×265

(4)

式中,GWP表示全球增溫潛勢(kg/hm2),即甲烷和氧化亞氮排放量的總CO2當量；TCH4表示水稻全生育期的CH4累積排放量；TN2O表示水稻全生育期的N2O的累積排放量。

1.3.4溫室氣體排放強度計算

溫室氣體排放強度代表單位產量內的全球增溫潛勢。計算公式如下：

GHGI=GWP/RY

(5)

式中,GHGI是溫室氣體排放強度,單位是kg/t；GWP是全球增溫潛勢(kg/hm2)；RY是水稻的標準產量(t/hm2)。

1.3.5數據處理與分析

采用統(tǒng)計分析軟件(IBM SPSS Statistics 21.0)對不同處理的數據進行方差分析和多重比較(LSD)。利用Excel 2010進行數據處理與繪圖。

2 結果與分析

2.1 夜間增溫下品種混栽對水稻生長的影響

從表1可看出,品種混栽顯著降低水稻地上部干重、地下部干重(根干重)及分蘗數。夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)使地上部干重、根干重、總干物質量及分蘗數分別比對照(M+NW)減少13.14%、59.54%、19.59%和10.43%。不增溫條件下,品種混栽處理(I+CK)使地上部、地下部、全株干重及分蘗數分別比對照(M+CK)降低29.89%、37.46%、30.77%和2.66%?？梢?無論夜間增溫與否,品種混栽均顯著降低地上部干重、根干重、總干物質重及分蘗數。

夜間增溫也顯著降低地上部干重、地下部干重、全株干物質重及分蘗數。品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)使地上部干重、地下部干重、全株干物質重及分蘗數分別比對照(I+CK)降低9.46%、40.58%、12.64%和11.69%。粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)使地上部、地下部、全株干物質重及分蘗數分別比對照(M+CK)降低26.92%、8.16%、24.79%和4.04%,但根干重和分蘗數并沒有達到顯著性差異,說明增溫對地下部干重和分蘗數沒有顯著影響。品種混栽和夜間增溫交互作用(I×NW)顯著降低地上部干重、地下部干重和全株干物質重,而對單株分蘗數沒有顯著影響。

表1 夜間增溫下品種混栽對水稻干物重及分蘗數的影響

2.2 夜間增溫下品種混栽對水稻CH4排放通量的影響

圖1表明,整個水稻生長期間,不同處理的稻田土壤CH4排放通量變化趨勢基本一致,均為低—高—低的變化趨勢。水稻移栽后第30天內,CH4排放通量較低,之后逐漸上升,至移栽后第49天達排放峰值,之后排水曬田,至第63天結束。曬田期間,CH4排放通量急劇降低,在第63天降至最低。曬田結束后復水,CH4排放通量逐漸升高,在第84天出現一個高峰,成熟期停止灌水自然落干,之后CH4排放通量逐漸降低,直至成熟收獲,排放量接近0。

圖1 夜間增溫下品種混栽對水稻田CH4排放通量變化過程的影響Fig.1 Effect of rice intercropping on seasonal variation of CH4 fluxes in paddy field under nighttime warmingI+NW：品種混栽+夜間增溫,intercropping+nighttime warming；I+CK：品種混栽+不增溫,intercropping+non-warmed control；M+CK：單作+不增溫,monocropping+non-warmed control；M+NW：單作+夜間增溫,monocropping+nighttime warming

不同處理的水稻全生育期平均CH4排放通量呈現為：I+NW>M+NW>I+CK>M+CK。夜間增溫使稻田CH4排放通量呈增加趨勢。水稻移栽后第30天至49天(拔節(jié)初期),品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)的稻田CH4排放通量的4次觀測值,比對照(I+CK)提高184.74%、124.20%、135.99%和89.57%。而粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)的稻田CH4排放通量的4次觀測值,分別比對照(M+CK)高44.36%、43.46%、53.14%和34.27%。同樣,品種混栽也可明顯提高稻田CH4排放通量。夜間增溫條件下,第30—49天內,品種混栽處理(I+NW)的稻田CH4排放通量的4次觀測值,分別高于凈栽對照(M+NW)97.24%、56.29%、53.45%和41.18%。夜間不增溫或常溫條件下,品種混栽處理(I+CK)的稻田CH4排放通量的4次觀測值,分別高于凈栽對照(M+CK)39.91%、41.40%、19.29%和33.16%。可見,品種混栽或夜間增溫均明顯提高稻田CH4排放通量。

2.3 夜間增溫下品種混栽對水稻不同生育期CH4累積排放量的影響

由表2可見,不同處理的CH4累積排放量在不同生育期所占比例基本一致。CH4累積排放量在分蘗期最高,約占全生育期的61.41%—68.99%；拔節(jié)—孕穗期次之,占全生育期的18.28%—22.37%；抽穗—揚花期、灌漿—成熟期CH4排放較少,分別占全生育期的4.58%—7.58%和4.06%—12.24%。

表2 夜間增溫下品種混栽對水稻不同生育期CH4累積排放量的影響

不同生育期內,品種混栽或夜間增溫均顯著提高CH4累積排放量。品種混栽條件下,夜間增溫(I+NW)處理的稻田CH4累積排放量在分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、抽穗—揚花期、灌漿—成熟期及全生育期,均高于不增溫對照處理(I+CK)72.07%、50.30%、56.68%、93.33%和68.74%。粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)的稻田CH4累積排放量在上述生育期,分別比不增溫對照處理(M+CK)增加45.15%、39.11%、159.26%和231.43%,全生育期增加56.59%。品種混栽均使稻田CH4累積排放量顯著增加。夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)稻田CH4累積排放量在上述生育期及全生育期,分別高于凈栽對照處理(M+NW)55.32%、45.89%、43.49%、125.82%和58.61%。夜間不增溫或常溫條件下,品種混栽處理(I+CK)稻田CH4累積排放量,在上述生育期比凈栽對照處理(M+CK)分別增加31.02%、35.03%、137.44%和287.13%,全生育期則增加47.19%?？梢?水稻整個生育期內,夜間增溫或品種混栽均顯著增加稻田CH4累積排放量(P≤0.05),與單因素作用相比,夜間增溫和品種混栽交互作用(I×NW)顯著提高稻田分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、灌漿—成熟期和全生育期CH4累積排放量,而在抽穗—揚花期則沒有顯著影響。

2.4 夜間增溫下品種混栽對水稻N2O排放通量的影響

從圖2可知,水稻生長期內,不同處理稻田土壤N2O排放通量季節(jié)變化,均呈現為低—高—低的變化趨勢。水稻移栽后第30天開始,N2O排放通量較低,移栽后第49天排放通量逐漸增加,至第63天達排放峰值。隨后曬田結束復水,N2O排放通量逐漸降低,漸趨于平緩,成熟期停止灌水自然落干,N2O排放通量小幅上升。

圖2 夜間增溫下品種混栽對水稻田N2O排放通量變化過程的影響Fig.2 Effect of rice intercropping on seasonal variation of N2O fluxes in paddy field under nighttime warming

品種混栽使N2O排放通量顯著增加。夜間增溫條件下,水稻移栽后第57天至72天,品種混栽處理(I+NW)的稻田N2O排放通量的3次觀測值比粳稻凈栽處理(M+NW)提高71.30%、25.08%和259.76%。移栽后第134天(成熟期),夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)N2O排放通量觀測值高于粳稻凈栽處理(M+NW)142.13%。夜間不增溫或常溫條件下,移栽后第57天至72天,品種混栽處理(I+CK)比粳稻凈栽處理(M+CK)的稻田N2O排放通量的3次觀測值,分別提高45.77%、31.57%和106.84%。移栽后第134天 N2O排放通量觀測值品種混栽處理(I+CK)比凈栽處理(M+CK)提高5.05%。

夜間增溫對N2O排放通量的影響在不同生育期存在差異。水稻移栽后第57天至72天(拔節(jié)后期,抽穗初期),品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)的稻田N2O排放通量的3次觀測值與不增溫處理(I+CK)相比,分別提高131.65%、20.90%和162.48%。粳稻凈栽條件下,增溫處理(M+NW)的稻田N2O排放通量的3次觀測值分別高于不增溫處理(M+CK)97.13%、27.18%和50.91%。移栽后第134天,品種混栽條件下,增溫處理(I+NW)N2O排放通量比不增溫處理提高59.33%。而在粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)稻田N2O排放通量比不增溫處理(M+CK)降低44.67%?？梢?品種混栽顯著提高N2O排放,夜間增溫在水稻拔節(jié)—抽穗期顯著促進N2O排放,在成熟期,則降低粳稻凈栽處理(M+NW)N2O排放通量。

2.5 夜間增溫下品種混栽對水稻不同生育期N2O累積排放量的影響

由表3可見,N2O累積排放量在拔節(jié)—孕穗期最高,約占全生育期排放量的47.47%—63.78%；其次是灌漿—成熟期,占全生育期的15.11%—29.65%；分蘗期和抽穗—揚花期N2O排放較少,分別占全生育期的7.27%—10.18%和6.13%—12.75%。

夜間增溫顯著提高水稻全生育期N2O累積排放量,但不同生育期存在差異。品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)在分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、抽穗—揚花期及全生育期的N2O累積排放量,分別高于不增溫對照處理(I+CK)20.02%、54.25%、171.13%和36.54%,但在灌漿—成熟期卻低于不增溫對照處理(I+CK)24.25%。粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)稻田N2O累積排放量,在拔節(jié)—孕穗期、抽穗—揚花期及全生育期,均高于不增溫對照處理(M+CK)40.58%、2.85%和14.67%,在分蘗期和灌漿—成熟期低于不增溫對照(M+CK)17.68%和10.64%。品種混栽顯著促進對全生育期N2O累積排放量。夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)稻田N2O累積排放量,在分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、抽穗—揚花期及全生育期,分別高于凈栽處理(M+NW)64.44%、46.26%、42.07%和33.46%,在灌漿—成熟期低于凈栽處理(M+NW)12.73%。夜間不增溫或常溫條件下,品種混栽處理(I+CK)稻田N2O累積排放量,在分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、灌漿—成熟期及全生育期,分別比粳稻凈栽對照處理(M+CK)提高12.78%、33.29%、2.94%和12.08%,抽穗—揚花期低于凈栽對照處理(M+CK)46.11%。可見,水稻整個生育期內,夜間增溫或品種混栽均顯著增加稻田N2O累積排放量(P≤0.05),但在不同生育期存在差異。進一步分析表明,夜間增溫和品種混栽交互作用(I×NW)顯著提高稻田分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、抽穗—揚花期、灌漿—成熟期和全生育期N2O累積排放量。

表3 夜間增溫下品種混栽對水稻不同生育期N2O累積排放量的影響

2.6 夜間增溫下品種混栽對水稻綜合增溫潛勢的影響

由表4可見,不同處理稻田CH4增溫潛勢占綜合增溫潛勢的比例均較高,約為76.15%—83.84%；相反,N2O增溫潛勢占綜合增溫潛勢的比例均較低,約為16.16%—23.84%。

表4 夜間增溫下品種混栽對稻田增溫潛勢的影響

夜間增溫顯著提高了稻田CH4和N2O增溫潛勢。品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)稻田CH4和N2O的增溫潛勢及綜合增溫潛勢,分別高于不增溫對照處理(I+CK)68.74%、36.54%和62.55%。粳稻凈栽條件下,增溫處理(M+NW)稻田CH4和N2O增溫潛勢及綜合增溫潛勢,分別比不增溫對照處理(M+CK)升高56.77%、14.67%和46.71%。同樣,品種混栽也顯著提高了稻田CH4和N2O增溫潛勢。夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)稻田CH4和N2O增溫潛勢及綜合增溫潛勢,分別高于粳稻凈栽處理(M+NW)稻田58.61%、33.45%和53.92%。不增溫或常溫條件下,品種混栽處理(I+CK)稻田CH4和N2O增溫潛勢及綜合增溫潛勢,分別比凈栽對照處理(M+CK)稻田提高47.36%、12.08%和38.93%?？梢?夜間增溫或品種混栽均顯著增加稻田CH4和N2O增溫潛勢及其綜合增溫潛勢(P≤0.05)。夜間增溫和品種混栽(I×NW)交互作用顯著提高稻田CH4和N2O增溫潛勢及其綜合增溫潛勢。

2.7 夜間增溫下品種混栽對稻田排放強度的影響

從表5看出,夜間增溫顯著降低水稻標準產量。品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)水稻的標準產量比不增溫對照(I+CK)降低16.64%。粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)水稻的標準產量,顯著低于不增溫對照(M+CK)21.49%。相反,品種混栽顯著提高水稻標準產量。夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)水稻標準產量,比凈栽對照處理(M+NW)顯著提高20.14%。不增溫或常溫條件下,品種混栽(I+CK)處理水稻標準產量顯著高于凈栽(M+CK)處理13.14%。夜間增溫和品種混栽(I×NW)交互作用對水稻產量影響未達顯著水平,品種混栽在一定程度上可緩解夜間增溫對水稻產量的不利影響。

溫室氣體排放強度(Greenhouse gas emission intensity,簡稱排放強度)主要取決于標準產量和溫室氣體累積排放量。夜間增溫顯著提高稻田CH4和N2O排放強度。品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)稻田的排放強度,顯著高于不增溫對照處理(I+CK)95.72%。粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)稻田的排放強度,顯著高于不增溫處理(M+CK)86.96%。同樣,品種混栽也顯著提高稻田的排放強度。夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)與凈栽處理(M+NW)相比,稻田排放強度提高28.62%。不增溫或常溫條件下,品種混栽處理(I+CK)稻田排放強度,顯著高于凈栽對照處理(M+CK)22.86%?？梢?夜間增溫或品種混栽均顯著提高稻田排放強度(P≤0.05),但二者交互作用的影響未達顯著水平。

表5 夜間增溫下品種混栽對水稻標準產量及溫室氣體排放強度的影響

3 討論

3.1 夜間增溫下品種混栽對水稻生長的影響

夜間增溫顯著降低水稻植株分蘗數、地上部和根系干物質量及產量(表1,表5)。原因在于,夜間增溫下水稻生長發(fā)育受阻,干物質積累降低,葉片、莖稈衰老加快,穎花分化受抑,花粉萌發(fā)受阻,有效穗數降低,空秕率增加,產量下降[9-11]。

品種混栽使水稻地上部和根系干物質量、分蘗數顯著降低,而產量顯著增加(表1,表5)。原因在于,不同品種株高、株型等差異,使混栽水稻植株更有利于接收太陽有效輻射,提高光合速率,使有效穗數增加,產量提高[27- 33],但品種混栽可能因種間競爭,使植株生長受抑制,引起分蘗數、生物量下降。品種混栽表現為全株生物量和產量之間的反向變化機制,原因可能在于,(1)品種混栽所形成的生物群落存在補償、互補和助長效應[20],雜交稻可能比粳稻具有偏高的收獲指數,從而使水稻產量增加；(2)水稻產量可能是由于有效穗數,每穗粒數,結實率和千粒重的增加而提高的；(3)水稻生物量地上部分為莖、葉和穗,可能對于莖葉干物質重降低,而穗干物質重升高。

品種混栽可緩解夜間增溫對水稻產量的不利影響,原因可能在于,品種混栽存在互補效應,對水分、光照等資源的利用效率更高[34]；品種混栽形成特有系統(tǒng),增強系統(tǒng)穩(wěn)定性,改善不利于作物生長發(fā)育的環(huán)境,促進水稻穩(wěn)產。

3.2 夜間增溫下品種混栽對水稻CH4排放的影響

稻田CH4排放通量在水稻生育期存在2個峰值(圖1),第一個峰值出現于水稻移栽后第49天,此時水稻處于分蘗盛期,春夏之交氣溫逐漸升高,隨淹水時間的延長,極端厭氧環(huán)境形成,水稻分蘗加快,根系分泌增強,促進了產甲烷菌活動,CH4排放隨之升高,在移栽后第49天達到峰值。移栽后第63天曬田結束,復水灌溉,此時水稻處于拔節(jié)末期—抽穗初期,生長旺盛,CH4排放通量逐漸升高,至移栽后第84天出現第二個高峰,但數值遠低于第一個峰值,而后,CH4排放通量持續(xù)下降維持較低水平。本試驗中稻田全生育期CH4排放量偏低,原因可能在于,一是采用中期曬田的水分管理方式,曬田改善了土壤通氣性,提高了土壤氧化還原電位,覆水后閉蓄氧的存在抑制了CH4的產生；二是供試稻田質地粘重,粘粒的物理保護減少了有機質分解,粘質土壤中氣體擴散作用較弱不利于甲烷擴散,此外,粘質土壤的緩沖性強,有助于維持較高的氧化還原電位[35]。

夜間增溫下稻田CH4排放通量和累積排放量增加(圖1,表2),但顯著降低水稻植株分蘗數、地上部和根系干物質量(表1),可能是由于,(1)溫度升高使植株呼吸作用加強,引起CO2濃度增加,O2濃度減少,有利于土壤厭氧環(huán)境的形成[14,36- 38]；(2)夜間增溫使水稻植株分蘗提早凋萎,莖葉凋落物或根系脫落物為產甲烷菌提供較多有機物,促進CH4產生排放；(3)稻田CH4排放量與生物量成反比,生物量高的植株將較多的碳固定于植株中,以降低CH4排放,反之亦然[39]。品種混栽顯著提高稻田CH4排放通量和累積排放量(圖1,表2),其原因可能為,品種混栽下光利用率提高,光合速率提高,根系分泌增強,促進產甲烷菌活性,有利于CH4產生排放[24],夜間增溫和品種混栽。但也有學者認為,濕地生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性增加沒有導致CH4排放量增加[26]。迄今關于混栽或物種多樣性對稻田CH4排放的影響研究報道較少,還需進一步研究。

3.3 夜間增溫下品種混栽對水稻N2O排放的影響

水稻整個生育期內,稻田N2O排放通量呈單峰變化趨勢(圖2)。水稻移栽后,持續(xù)灌溉淹水狀態(tài)降低N2O產生排放。移栽后第49天排水曬田,干濕交替促進土壤硝化作用及反硝化作用,引起稻田N2O產生排放升高[40],至移栽后第63天(曬田結束)稻田N2O產生排放達峰值。曬田結束并灌溉覆水,N2O排放逐漸降低,并維持較低水平。成熟期N2O呈現波動變化趨勢,原因在于臨近收獲時停止灌溉,土壤表面逐漸干涸,破壞了淹水厭氧環(huán)境,干濕交替雖有利于土壤硝化細菌或反硝化細菌活動,但此時夏秋之交氣溫波動較大,引起N2O排放呈波動趨勢。本試驗中N2O排放因子偏高的原因可能是,中期曬田導致厭氧環(huán)境遭到破壞,促進土壤N2O的產生排放；植株根系活力增強,泌氧能力提高,促進硝化細菌及反硝化細菌代謝有機物質,利于N2O排放[41]；供試兩個水稻品種生育期存在差異,通量觀測延長至雜交稻成熟后4周,后期停止灌溉使N2O排放增加,導致累積排放量提高。

夜間增溫顯著提高稻田N2O排放通量和累積排放量(圖2,表3),原因可能在于,增溫促進了土壤N2O產生相關微生物活性,使N2O產生排放增加[42-43]。N2O排放較高的時期是拔節(jié)—孕穗期,與CH4排放表現為消長關系[44]。拔節(jié)—孕穗期是水稻生長關鍵期,此時處于排水曬田期間,土壤通氣性改善,土壤氧化還原電位升高,促進了硝化和反硝化細菌活性,而抑制了產甲烷菌活性[45]。品種混栽顯著促進稻田N2O排放(表3),原因可能在于,品種混栽下種間競爭使分蘗數減少,有效分蘗增加,氮素吸收消耗減少,土壤含氮量較高,硝化及反硝化細菌活性提高,促進N2O產生排放；促進作物根系分泌物分泌量的提高,促進反硝化細菌的生長和繁殖,從而提高N2O排放量,但相關作用機制或原因還需進一步深入研究。

4 結論

夜間增溫下品種混栽顯著抑制水稻生長發(fā)育,減少水稻分蘗數,降低干物質量。夜間增溫顯著降低產量,而品種混栽顯著提高產量。夜間增溫下品種混栽顯著提高稻田CH4、N2O排放通量及累積排放量,顯著提高全球增溫潛勢(GWP)和溫室氣體排放強度(GHGI)(P≤0.05)。未來將進一步研究夜間增溫下品種混栽對稻田土壤溫室氣體產生的影響機制及其應對措施。