江漢平原不同類型“一種兩收”水稻品種對稻田CH4 和N2O 排放的影響

李紹秋，婁兵，李芝義，李心雨，鄧姣，劉章勇，朱波?，蔡鑫，曹鵬，張玉嬌，張石來，黃光福，胡鳳益

(1 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院/主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 荊州 434020；2 荊州市荊州區(qū)馬山鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，湖北 荊州 434020；3 湖北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，湖北 武漢 430070；4 云南省多年生稻工程技術(shù)研究中心/云南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，云南 昆明 650091)

甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是僅次于二氧化碳(CO2)的重要溫室氣體。稻田是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的溫室氣體排放源之一[1－2]，其CH4年排放量占全球CH4總排放量的7%～17%[3]，N2O 年排放量占農(nóng)業(yè)排放量的29%[4]。因此，稻田溫室氣體減排對保障糧食安全具有重要意義。

研究[5]表明，水稻品種和稻作模式對稻田CH4和N2O 排放具有顯著影響。不同水稻品種的植株特性不同，CH4的產(chǎn)生和其在水稻植株體內(nèi)的傳輸也存在差異[6]。Riya 等[7]發(fā)現(xiàn)不同水稻品種的CH4和N2O 排放差異可分別達到6 倍和14 倍。不同稻作模式的作物構(gòu)成、土壤耕作、水肥管理等方面具有差異，因此其稻田CH4和N2O 排放也不同。張浪等[8]研究發(fā)現(xiàn)，再生稻的CH4累積排放量比雙季稻低33.9%，單位產(chǎn)量CH4排放量比雙季稻低23.1%。Lee 等[9]認為，再生稻CH4累積排放量顯著低于雙季稻，單位產(chǎn)量CH4排放量也明顯低于一季稻和雙季稻。

多年生稻具有一次種植連續(xù)多年收獲的特點，可節(jié)省播種、育秧、犁田、移栽等生產(chǎn)環(huán)節(jié)費用，是一種輕簡高效的水稻生產(chǎn)新模式[10－11]。目前，關(guān)于多年生稻稻田CH4和N2O 排放的研究較少。本研究分析不同再生稻品種和多年生稻品種在稻谷產(chǎn)量、CH4和N2O 排放之間的差異，以期為構(gòu)建豐產(chǎn)減排的稻作模式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗地位于湖北省荊州市長江大學(xué)西校區(qū)試驗基地(29°26′N～31°37′N，111°15′E～114°05′E)。該地屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均氣溫15.9～16.6℃，有效積溫5 095～5 204 ℃，年無霜期242～263 d，年平均降水量1 100～1 300 mm。試驗土壤為潮土，土壤pH 6.1，含有機碳12.2 g/kg、全氮1.5 g/kg、有效磷12.6 mg/kg、速效鉀99.0 mg/kg。試驗前將土壤風(fēng)干、整碎，揀出石塊、根系等雜物，過2 cm 篩備用。采用直徑25 cm、高18 cm 的圓形塑料盆進行盆栽，每盆裝6.5 kg 風(fēng)干土。

試驗設(shè)置4 個品種處理(表1)，包括2 個再生稻品種和2 個多年生稻品種。再生稻品種為秈型兩系雜交稻豐兩優(yōu)香1 號(FLYX1)和秈型常規(guī)稻蝦稻1 號(XD1H)，多年生稻品種為粳型常規(guī)稻多年生稻23(PR23)和云大25(PR25)。設(shè)3 次重復(fù)，采用隨機區(qū)組排列。所有處理于2021 年3 月26 日播種，4 月27 日移栽，每盆2 穴，每穴3 苗。頭季每千克土施用N 100 mg、P2O568 mg、K2O 90 mg，所有肥料于4 月28 日作基肥一次施用；頭季稻收割時留樁20 cm。再生季施肥管理:頭季齊穗后10 d 每千克土施N 100 mg、K2O 217 mg 作促芽肥；在頭季收割后10 d 每千克土施N 100 mg、K2O 147 mg 作提苗肥。

表1 再生稻與多年生稻頭季、再生季收獲時期Table 1 The harvest time of first and regeneration season of ratoon rice and perennial rice

1.2 采樣及測定

采用靜態(tài)箱—氣相色譜法測定CH4和N2O 排放速率。箱體為高120 cm、直徑32 cm 的有機透明玻璃。在水稻移栽后第3 天開始采集氣體，采集頻率約7 d 一次，施肥后采樣頻率適當(dāng)增加。采樣時間均為上午8:00—11:00。采樣前先將底座凹槽內(nèi)灌滿水，以隔絕箱內(nèi)與外界的氣體流通。在箱體密封之后的0、10、20 min 用100 mL 注射器抽取箱內(nèi)氣體并通過三通閥轉(zhuǎn)入500 mL 采樣袋中，用氣相色譜儀Agilent 7890B 分析測定CH4和N2O 濃度。CH4檢測器為氫火焰離子化檢測器(FID)，檢測溫度為250 ℃，柱溫50 ℃；N2O 檢測器為電子捕獲檢測器(ECD)，檢測溫度為330 ℃，柱溫50 ℃。

1.3 數(shù)據(jù)處理

溫室氣體排放速率根據(jù)箱中該氣體濃度隨時間的變化率計算得出。氣體排放通量計算公式如下:

式中:F為氣體排放通量；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度(CH4:0.714 kg/m3，N2O:1.964 kg/m3)；h為采樣箱高度(m)；dc/dt為采集氣樣過程中氣體濃度隨時間的變化率；273 為氣態(tài)方程常數(shù)；T為采集氣樣時箱內(nèi)溫度(℃)。

溫室氣體累計排放量計算公式[12]:

式中:E為CH4或N2O 季節(jié)總排放量(g/m2)；Fn和Fn＋1為第n次和第n＋1 次采樣時CH4或N2O的平均排放通量(mg/m2?h 或μg/m2?h)；tn和tn＋1為第n次和第n＋1 次的采樣時間(d)。

CH4和N2O 的全球增溫潛勢(GWP)采用國際植物保護公約(IPCC)推薦的方法計算[13]:

式中:GWP(g/m2)為全球增溫潛勢；CH4(g/m2)和N2O(g/m2)分別為稻田CH4和N2O 排放的總二氧化碳當(dāng)量(g)，以CO2計。

結(jié)合水稻產(chǎn)量計算單位稻谷產(chǎn)量溫室氣體排放強度(GHGI)[14]。

式中:GHGI為溫室氣體排放強度(kg CO2－eq/kg)；Y為水稻總產(chǎn)量(g/m2)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

采用SPSS 24.0 統(tǒng)計軟件進行方差分析和差異顯著性檢驗，采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行多重比較；采用Excel 2010 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型水稻品種的CH4 排放規(guī)律

如圖1 所示，多年生稻和再生稻的CH4排放動態(tài)規(guī)律基本一致。在頭季齊穗期出現(xiàn)一個較高的CH4排放峰，之后在再生季齊穗期出現(xiàn)較小排放峰，然后趨于平緩。在第一個CH4排放峰，多年生稻的CH4排放速率高于再生稻，其中PR25 的CH4排放速率為11.0 mg/m2?h，分別較FLYX1 和XD1H 高391.1%和99.6%。第二個CH4排放峰，多年生稻PR23 的CH4排放速率為5.8 mg/m2?h，分別較FLYX1 和XD1H 高2.8%和98.6%。

圖1 再生稻與多年生稻的CH4 排放通量Fig.1 CH4 emission flux of ratoon rice and perennial rice

多年生稻PR25 全生育期的CH4累積排放量最高，顯著高于再生稻FLYX1(P<0.05)。與再生稻相比，多年生稻在頭季和再生季的CH4排放量分別增加了213.0%和55.8%，全生育期的CH4累積排放量提高了156.9%(表2)。

表2 再生稻與多年生稻的CH4 和N2O 累積排放量Table 2 Cumulative emissions of CH4 and N2O of ratoon rice and perennial rice g?cm－2

2.2 不同類型水稻品種的N2O 排放規(guī)律

再生稻和多年生稻的N2O 排放趨勢基本一致(圖2)。多年生稻和再生稻在頭季施基肥時出現(xiàn)第一個N2O 排放峰，之后在施促芽肥至提苗肥期間出現(xiàn)第二個N2O 排放峰，后期處于平緩狀態(tài)。在第一個排放峰，多年生稻PR23 的N2O 排放量為178.1 μg/m2?h，分別較FLYX1 和XD1H 高177.0%和478.2%。第二個N2O 排放峰，再生稻FLYX1 的N2O 排放量為57.9 μg/m2?h，分別較PR23 和PR25高200.0%和29.8%。但各水稻品種間N2O 排放量無顯著差異，且其N2O 排放峰主要出現(xiàn)在頭季。與再生稻相比，多年生稻頭季的N2O 排放量提高了13.7%，再生季卻降低了40.4%，全生育期的N2O累積排放量提高了2.2%(表2)。

圖2 再生稻與多年生稻的N2O 排放通量Fig.2 N2O emission flux of ratoon rice and perennial rice

2.3 不同類型水稻品種的全球增溫潛勢與溫室氣體排放強度

由表3 可知，多年生稻的稻谷產(chǎn)量較再生稻低61.0%。再生稻XD1H 的產(chǎn)量較FLYX1 高30.8%；多年生稻PR23 的產(chǎn)量較PR25 降低8.3%。本研究中多年生稻的全球增溫潛勢(GWP)較再生稻高139.3%。再生稻的GWP以FLYX1 較低，為80.9 g(CO2)/m2，較XD1H 低47.4%；再生稻FLYX1 和XD1H 排放的CH4對GWP的貢獻占82.4%～91.8%，而排放的N2O 對GWP的貢獻僅占8.2%～17.6%。多年生稻PR23 的GWP較PR25 低17.6%，兩者排放的CH4對GWP的貢獻率達到90%以上，而排放的N2O 貢獻率卻不足10%。

表3 再生稻與多年生稻全球增溫潛勢、產(chǎn)量和溫室氣體排放強度Table 3 Global warming potential，yield and greenhouse gas emission intensity of ratoon rice and perennial rice

結(jié)合水稻產(chǎn)量計算100 年尺度上的溫室氣體排放強度。從綜合排放強度來看，多年生稻的GHGI較再生稻高650.0%。再生稻FLYX1 和XD1H 的GHGI均為0.1 kg CO2－eq/kg；多年生稻PR23 的GHGI排放強度為0.7 kg CO2－eq/kg，較PR25 低12.5%。

3 討論

本試驗中，再生稻和多年生稻在分蘗期的CH4排放較低，其原因可能是水稻生長前期溫度較低，土壤生物活性較弱，土壤耗氧慢，不利于甲烷菌活動[15－16]；然而在頭季齊穗期、再生季前期和再生季齊穗期的CH4排放較高，這可能是由于水稻生長后期根系生長旺盛導(dǎo)致水稻根系分泌物增加，且后期溫度升高使土壤中微生物的活性增強，加快了土壤中溶解氧的消耗，為CH4產(chǎn)生和排放創(chuàng)造了適宜的環(huán)境[17－18]。其中，再生稻XD1H 和多年生稻PR23、PR25 在水稻頭季的CH4排放量要高于再生季，這可能是因為再生季的土壤溫度相對較低，抑制了CH4的產(chǎn)生和運輸，從而使植株的CH4排放量降低。與再生稻各品種相比，多年生稻的CH4排放量在頭季、再生季和全生育期分別增加了213.0%、55.8%和156.9%，這可能是因為水稻品種和生育期不同所造成的[19－20]。

本研究發(fā)現(xiàn)，在水稻施基肥、促芽肥和提苗肥后均有明顯的N2O 排放，這是因為氮肥為硝化和反硝化作用提供了充足的基質(zhì)，進而促進N2O 的排放[21]。其中，多年生稻全生育期的N2O 累積排放量較再生稻高2.2%，一方面可能是水稻根際釋放的O2減少導(dǎo)致微生物數(shù)量和活性發(fā)生變化，從而削弱了硝化和反硝化過程，減少了N2O 的產(chǎn)生和排放[22]；另一方面可能是不同水稻植株對氮的吸收和利用程度不同，從而影響了參與硝化反硝化的底物數(shù)量[23]。但本研究中不同品種水稻的N2O 的排放量無顯著差異，與樊迪等[24]研究結(jié)果一致。

程卯等[25]研究表明，多年生稻在云南種植有較好的產(chǎn)量，雙季稻區(qū)周年產(chǎn)量為15 000 kg/hm2左右，產(chǎn)量顯著高于再生稻品種。施繼芳[26]針對云南種植的多年生稻的研究發(fā)現(xiàn)，季節(jié)、密度和季節(jié)與密度的交互作用對水稻產(chǎn)量有顯著影響，這可能是本試驗中在江漢平原種植的多年生稻產(chǎn)量低于再生稻的主要原因。多年生稻的稻谷產(chǎn)量較再生稻低61.0%，進而導(dǎo)致全球增溫潛勢較高，這可能是由于多年生稻對江漢平原的土壤和氣候環(huán)境不適應(yīng)導(dǎo)致的，也與田間種植和管理措施有關(guān)，如留樁高度、種植密度、施肥制度等，具體原因需進一步深入研究。這也導(dǎo)致多年生稻的全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度比再生稻分別高139.3%和650.0%。CH4排放是稻田溫室氣體排放的主要組成部分[27]。本研究中多年生稻甲烷排放量高于再生稻，可能是由于品種本身特性和多年生稻生育期較長所導(dǎo)致的。因此，與多年生稻相比，再生稻的CH4排放量較小，溫室氣體排放強度也較低。

4 結(jié)論

在江漢平原，多年生稻的CH4季節(jié)性排放量和累積排放量高于再生稻，但N2O 排放與再生稻無顯著差異。所以，與多年生稻相比，再生稻豐兩優(yōu)香1號具有較高的稻谷產(chǎn)量和較低的溫室氣體排放，更適合在江漢平原地區(qū)推廣。為了進一步探索多年生稻在江漢平原的適應(yīng)性及溫室效應(yīng)，后期還需進一步深入探索多年生稻對江漢平原地理氣候特征的響應(yīng)，優(yōu)化多年生稻的田間種植和管理措施。