旱管種植節水抗旱稻的溫室氣體減排效應研究

張鮮鮮,畢俊國,孫會峰,王 從,張繼寧,譚金松,周 勝?

(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 201403;3農業農村部東南沿海農業綠色低碳重點實驗室,上海 201403;4上海市農業生物基因中心,上海 201106)

當前全球溫室氣體年均排放量處于人類歷史上的最高水平[1],降低溫室氣體排放強度是各領域綠色低碳發展轉型的必經之路。農業是溫室氣體甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)的重要排放源,貢獻了全球人為溫室氣體排放的11%,其中CH4和N2O排放分別約占到全球人為排放量的36%和66%[1]。水稻作為農業的重要組成部分,在為全球一半以上人口提供糧食的同時[2],也是農業溫室氣體的重要排放源。稻田溫室氣體排放以CH4為主,約占全球人為CH4總排放量的8%[3]。因此,平衡水稻產量和溫室氣體排放二者之間的關系,在保證產量的同時降低綜合溫室效應,對我國糧食安全和雙碳目標的實現具有重要意義。

稻田水分狀況對水稻產量和溫室氣體排放起關鍵調控作用,淹灌稻田的極端厭氧環境是產生CH4的必要條件。薄淺濕曬[4-7]、干濕交替灌溉[8-10]等節水灌溉措施均能改善土壤通氣狀況,有效抑制稻田CH4排放,但會導致N2O排放大量增加;此外,水稻產量隨著土壤水分含量的降低存在一定的減產風險,且隨水分脅迫程度的加劇而加大[11-13]。因此,節水灌溉措施耦合抗旱性強的水稻品種,有利于保證產量穩定、進一步挖掘稻田減排潛力。

節水抗旱稻系我國自主研發,兼具水稻和旱稻特性,可采用旱管模式進行種植[14]。研究表明,節水抗旱稻在節水76%灌溉條件下CH4排放量降低89%,N2O增加37%,且減產幅度低于普通水稻[15];旱管模式下CH4排放降低70%—90%,且產量較為穩定[16],但節水灌溉和節水抗旱稻組合技術是否能在年際間穩定地平衡產量、灌溉量與綜合溫室效應三者之間的關系,仍需要進一步論證。本試驗基于已有研究基礎,持續開展水分管理模式和水稻類型雙因素試驗,綜合評估水分管理模式對節水抗旱稻田溫室效應的影響,篩選低投入、低排放和高產出的稻田減排技術,以期為水稻的低碳轉型提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 樣地概述

試驗區位于上海市農業科學院莊行綜合試驗站(30°53′N,121°23′E)內,屬北亞熱帶季風氣候,年平均氣溫16℃,年平均降水量1 200 mm,其中約60%的降水集中在5—9月的水稻生長季。本研究于2019—2021年稻季開展,年大氣平均溫度分別為25.9℃(19.9—32.0℃)、26.7℃(18.7—31.8℃)和27.2℃(20.2—30.9℃),降水量分別為845 mm、947 mm和1 050 mm。試驗地耕作層土壤深度約為15 cm,基礎理化性質為:土壤容重1.1 g∕cm3,pH(土水比1∶2.5)6.7,土壤有機碳含量16.5 g∕kg,全氮含量2.4 g∕kg。

1.2 試驗設計和田間管理

采用水分處理和水稻類型雙因素試驗設計,水分處理包括持續淹灌和旱管種植;供試品種為節水抗旱稻‘旱優73’及常規栽培稻‘H優518’(對照)。每個處理3個重復,共計12個小區。小區面積為36 m2,田埂覆膜并輔以保護行,防止小區間水分串擾。

5月下旬或6月上旬進行水直播種植,水直播前各小區淹水浸泡1周,平地。將供試稻種浸種24 h、培養24—26 h進行催芽。以20 cm×23 cm的株行距進行穴播,每穴5粒。

3葉1心時(播種后20—25 d)開始水分管理,具體為:淹灌小區田面水位在稻季長期保持在10 cm左右,水稻收獲前一周落干;參考行業標準NY∕T 2862—2015中旱管種植技術,整個生長發育期間用水以自然降水為主,在缺水敏感期(如出苗期、分蘗期和孕穗灌漿期)適當灌溉。

水稻播種前一次性施入600 kg∕hm2的復合肥(N∶P2O5∶K2O=16∶16∶16),無追肥。殺蟲劑等農藥遵照農事指導,田間雜草進行人工拔除,9月上中旬收獲。

1.3 氣體樣品采集與測定

采用靜態明箱-氣相色譜法進行氣體樣品的采集與測定[17]。靜態明箱采用有機玻璃制作,包括底座、延長箱和頂箱。底座帶有水槽,且側邊均勻打孔(直徑1 cm);頂箱內頂部中間位置安置一個電池驅動的12 V風扇,并隨著植株生長疊加延長箱。在水直播前,將底座插入土壤15 cm左右,內種植4穴植株。為降低誤差,每個小區設置兩個底座,每個處理重復6次。以半自動氣體采樣裝置采集氣體樣品,該裝置包括1個12 V的可充電電池、1個氣泵、1個電路板盒和1組三通直動式電磁閥,電磁閥末端連接4個1 L的鋁箔氣袋。樣品采集前,將箱體扣入底座水槽中并以水密封,連接箱體與氣體自動采樣裝置上的進氣和出氣管路,箱體內風扇接入電源后啟動裝置進行樣品采集。每個采樣點收集4個氣體樣品,存于鋁箔氣袋中,樣品采集時間間隔為6 min。于無雨天氣的上午8:30—11:00進行樣品采集,1周2次,整體采樣頻次約占大田生長期的30%。氣體樣品運回實驗室后,由配置了自主研發氣體自動進樣裝置的氣相色譜儀進行CH4和N2O濃度的批量測試分析。氣相色譜儀安裝了氫離子火焰檢測器和電子捕獲檢測器以測定CH4和N2O的濃度。假設采樣期間箱內CH4和N2O濃度線性增加,以線性擬合算法獲得CH4和N2O排放通量,并對全生育期的排放通量進行差值求和,計算稻季的溫室氣體排放總量。

綜合溫室效應以全球增溫潛勢(GWP,kg CO2-eq∕hm2)為指標衡量稻田溫室氣體對全球變暖的貢獻,溫室氣體排放強度(GHGI,kg CO2-eq∕kg yield)是以產量為基礎表征生產過程中溫室氣體排放能力的綜合性指標,計算公式如下:

其中,ECH4和EN2O分別為稻季CH4和N2O的排放總量(kg CH4∕hm2或kg N2O∕hm2),28和265分別表示百年尺度上,CH4和N2O增溫潛勢是CO2的28倍和265倍,RY表示稻谷標準產量(t∕hm2)。

1.4 產量

水稻收獲時每小區單獨收割,利用小型脫粒機進行人工脫粒后晾曬、去雜獲得曬干重,后取少量稻谷烘干獲得曬干稻谷的含水量,用于計算稻谷烘干質量(DW,t∕hm2)。稻谷標準產量(RY,t∕hm2)的計算公式為:

式中,13.8%為秈型稻類品種適合倉庫存儲的標準含水量。

2 結果與分析

2.1 稻田CH 4排放季節變化規律

稻田CH4排放通量的季節變化取決于水分管理模式,受水稻類型影響較小,如圖1A所示。不同年際間,淹灌稻田和旱管稻田的CH4排放通量差異較為一致,淹灌處理稻田的CH4排放通量顯著高于旱管稻田。2019—2021年淹灌處理的CH4平均排放通量分別為11.93 mg∕(m2·h)、9.99 mg∕(m2·h)和8.51 mg∕(m2·h),分別是旱管處理的6.23倍、2.95倍和12.84倍,二者之間存在顯著性差異。

淹灌處理下,節水抗旱稻品種‘旱優73’和常規栽培稻品種‘H優518’的CH4排放通量季節變化規律基本一致。淹灌稻田的CH4排放通量峰值出現在水稻分蘗期和抽穗期,而旱管處理的稻田CH4排放通量峰值發生在水分管理開始前,水分管理開始后由于田間水分落干導致CH4排放通量出現一個較大的峰值。

2.2 稻田N2O排放季節變化規律

稻田N2O排放主要是由施肥引起,受水分管理模式和水稻類型影響較小。由圖1B可知,淹灌稻田和旱管稻田的N2O排放峰值出現在水分管理處理前,主要是由水直播時一次性施肥引起。水分管理處理后各處理稻田的N2O排放峰值趨近于0。淹灌稻田和旱管稻田的N2O排放通量差異不顯著,2019—2021年淹灌處理的稻田N2O平均排放通量分別為0.47 mg∕(m2·h)、0.04 mg∕(m2·h)和0.03 mg∕(m2·h),而旱管稻田分別是0.63 mg∕(m2·h)、0.05 mg∕(m2·h)和0.01 mg∕(m2·h)。

圖1 稻田CH4排放通量(A)和N2 O排放通量(B)的變化規律Fig.1 Variations in CH 4 fluxes(A)and N2O fluxes(B)in rice fields

2.3 稻季CH 4和N2O的累積排放量

與淹灌處理相比,旱管稻田顯著降低了稻季CH4的累積排放量,年際間變化規律一致(圖2A)。方差分析結果表明,不同處理下稻季CH4的累積排放量存在年際間差異,受水分管理模式影響,但不受水稻類型影響(表1)。2019—2021年淹灌處理稻季CH4排放量分別為334.25 kg CH4∕hm2、252.95 kg CH4∕hm2和238.00 kg CH4∕hm2,與之相比,旱管處理顯著降低稻季CH4排放量,降低幅度為90.19%、70.02%和94.58%。與‘H優518’淹灌處理相比,‘旱優73’旱管處理在三年間CH4累積排放量的降低幅度分別為91.11%、77.09%和93.08%。

圖2 稻季CH 4累積排放量(A)、N2 O累積排放量(B)和全球增溫潛勢(C)Fig.2 Seasonal CH 4 emissions(A),N2 O emissions(B)and global warming potential(C)from rice fields

稻季N2O累積排放量在淹灌和旱管處理間、不同水稻類型間均差異不顯著(圖2B)。方差結果表明,稻季N2O累積排放量存在年際間差異,不受水分管理模式和水稻類型的影響(表1)。如圖2B所示,2019年旱管處理下稻季N2O累積排放量(11.98 kg N2O∕hm2)顯著高于淹灌處理(8.91 kg N2O∕hm2),增加幅度為34.43%,其中,與‘H優518’淹灌處理相比,‘旱優73’旱管處理在2019年的稻季N2O累積排放量增加幅度為38.77%;2020年和2021年不同水分管理模式下稻季N2O累積排放量不存在顯著差異。

2.4 稻田綜合溫室效應分析

如圖2C所示,淹灌處理下稻田CH4和N2O排放的綜合溫室效應(GWP)顯著高于旱管處理。方差分析結果表明,年際間和水分管理模式下CH4和N2O排放的綜合GWP存在極顯著差異,年際和水分管理模式存在顯著的交互效應,但在水分管理模式和水稻類型間并未有明顯的交互效應(表1)。稻田綜合GWP差異主要是由于淹水條件下產生了較高的CH4排放所致。相較于淹灌稻田,旱管稻田的綜合GWP在2019—2021年間分別降低了65.08%、65.79%和95.41%。與‘H優518’淹灌處理相比,‘旱優73’旱管處理在三年間綜合GWP降低幅度分別為65.44%、74.14%和93.05%。

表1 水稻類型和水分管理對水稻產量、稻田CH 4和N2O累積排放量及其綜合溫室效應、單位產量溫室氣體排放量的多因素方差分析(F值)Table 1 MANOVA for the effects of water management strategies and rice types on yields and greenhouse gas emissions in rice fields during three years(F-value)

綜合不同水稻類型,淹灌處理和旱管處理下水稻產量年際間變化一致,均值分別為8 951 kg∕hm2和7 720 kg∕hm2,旱管處理下水稻產量較淹灌處理平均降低了13.71%。然而,‘旱優73’旱管處理后水稻產量降幅為7.69%,顯著低于‘H優518’(19.87%)。方差分析表明,與綜合GWP結果一致,年際間和水分管理模式下GHGI具有顯著差異,二者之間存在顯著的交互效應(表1)。如表2所示,淹灌處理和旱管處理下GHGI均值分別為0.98 kg CO2-eq∕kg yield、0.30 kg CO2-eq∕kg yield,旱管處理下GHGI較淹灌處理平均降低了69.30%。不同處理下GHGI從小到大依次為‘旱優73’旱管處理＜‘H優518’旱管處理＜‘旱優73’淹灌處理＜‘H優518’淹灌處理。與‘H優518’淹灌處理相比,‘旱優73’旱管處理的GHGI降低了74.74%。

表2 水稻產量、稻季溫室氣體排放總量和溫室氣體排放強度Table 2 Rice yields,GHG emissions and GHGI during rice growing season

3 討論

3.1 水分管理模式對節水抗旱稻田CH 4和N2O排放的影響

土壤水分含量與氧化還原電位直接相關,稻田水分管理模式改變了土壤水分含量,影響了微生物群落,從而直接或間接影響CH4和N2O排放[18-19]。淹灌處理中稻田土壤處于厭氧環境,較低的土壤氧化還原電位利于產甲烷菌生成CH4[20];而旱管處理下田間長期無積水,土壤處于好氧狀態,抑制了CH4的產生,促進了CH4的氧化[21]。本研究中旱管稻田顯著降低了土壤水分含量,稻季CH4排放較淹灌稻田降低了70%—94%,降低幅度主要受年際間降雨分布的影響。前人研究表明[21],旱稻種植可有效降低90%以上的CH4排放,與本研究結果一致。

土壤水分狀況也是影響硝化與反硝化過程的關鍵因子。大量研究[22-24]證實,節水灌溉刺激N2O排放,其原因主要是節水灌溉條件下土壤持續處于好氧和厭氧交替的狀態,有利于土壤微生物進行硝化和反硝化作用。稻田在淹水時N2O通量較低,在濕-干變化過程中易出現峰值[25]。本研究各處理N2O排放集中在水直播后一周內,底物來自水分處理開始前的一次性施肥,因此不同處理間差異不顯著。后續可從優化施肥措施入手,以協同降低CH4和N2O排放為目標進一步加深對旱管處理下稻田溫室氣體排放機制和影響因素的認知。

3.2 水分管理模式對節水抗旱稻田綜合溫室效應的影響

水分管理模式能夠通過顯著降低CH4排放有效實現稻田綜合溫室效應的減排。Meta分析結果表明,非持續淹灌能夠在有效降低CH4排放、水稻減產幅度較低情況下降低44%的綜合溫室效應以及42%的溫室氣體排放強度[26]。綜合分析本研究中水分管理模式對節水抗旱稻田CH4、N2O的影響發現,節水抗旱稻旱管下綜合溫室效應最低。淹灌處理下,CH4對綜合溫室效應的貢獻高達90%以上,旱管處理的綜合溫室效應受N2O排放影響較大。與常規栽培稻淹灌處理相比,節水抗旱稻旱管處理的溫室氣體排放強度降低了近75%,主要原因是CH4排放量較低和水稻產量較高。Yu等[27]研究表明,當通過控制水分使土壤氧化還原電位處于-150—180 mV時,CH4和N2O排放量均最低,綜合溫室效應也最低。

溫室氣體排放強度(GHGI)受作物產量和綜合GWP共同影響。與前期結果類似[16],本研究中,旱管處理相較于淹灌處理能夠顯著降低GHGI,其中以旱管種植‘旱優73’的GHGI最低,這主要是由于旱管種植‘旱優73’具有較高的產量和較低的綜合GWP。因此,科學合理地優化水分管理,在結合抗旱性強的水稻類型基礎上,進一步減少稻田溫室氣體排放,以實現水稻生產碳中和。

4 結論

綜合水分管理和水稻類型處理下的稻田生態系統的產量和溫室效應,淹灌處理加劇了以稻季CH4排放為主要貢獻的綜合溫室效應。即使年際間稻季降雨量與平均氣溫變動較大,采用旱管種植模式也能夠穩定降低70%—95%的稻田CH4排放以及65%—95%的綜合溫室效應。然而,旱管處理會造成水稻不同程度減產,但節水抗旱稻減產幅度顯著低于常規栽培稻。綜上,旱管種植節水抗旱稻相對于常規栽培稻淹灌種植,不僅可以在維持水稻產量相對穩定的同時有效減緩稻田綜合溫室效應,降低單位產量的溫室氣體排放量,而且減排效果不受年際間氣候變化影響。因此,栽培種植節水抗旱稻并采取合理的水分管理模式能在節約灌溉用水、保證作物產量的前提下最大限度地提升稻田溫室氣體減排潛力,最終實現生產效益和生態效益雙贏的目標。