不同施氮量和剪穗處理下水稻源庫特征對稻田CH4排放的協同影響

摘要：為闡明水稻植株源、庫特征與稻田CH，排放間的關系，在大田條件下設置ON（不施氮）、150N（S0）（施氮量150 kg·hm-1，不剪穗）、210N（施氮量210 kg·hm-2）3個氮肥處理，并在150N處理下設置剪半穗處理，測定稻田CH4排放、根系分泌物有機碳含量、源庫大小和產量等指標。結果表明：與2ION處理相比，150N（So）處理下水稻單位面積穎花數和庫容分別顯著提高6.7%和6.6%；剪穗導致單位面積穎花數和庫容均下降55.9%。不同處理下的庫特征變化顯著影響水稻產量和稻田CH4排放，150N（S0）處理下CH4累積排放量比210N處理下顯著降低了29.5%，產量升高了7.2%；與不剪穗相比，剪穗導致產量降低53.0%，而CH4累積排放量升高76.8%。CH4累積排放量和單位產量的CH4累積排放量分別與庫容、單位面積穎花數、粒葉比及產量呈顯著負相關。與210N處理相比，150N（S0）處理下根系分泌物中總有機碳和碳水化合物總量分別降低18.9%和39.7%；與不剪穗相比，剪穗導致根系分泌物總有機碳和碳水化合物總量分別顯著增加65.8%和217.1%。CH4累積排放量和單位產量的CH4累積排放量與根系分泌物中總有機碳和碳水化合物總量顯著正相關，而根系分泌物中總有機碳和碳水化合物總量與單位面積穎花數、庫容、產量顯著負相關。研究表明，不同處理下水稻庫特征變化主要通過影響根系分泌物進而影響CH4排放，因此適量施氮可以增加庫容量，減少根系有機碳分泌，從而在實現較高水稻產量的同時減少稻田CH4排放。

關鍵詞：稻田；CH4排放；施氮量；剪穗；源庫特征；根系分泌物

中圖分類號：X144；S511 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）09-2166-08 doi：10.11654/jaes.2023-1049

水稻（Oryza sativa L．）是我國第二大糧食作物，播種面積約3 000萬hm2，對保障我國糧食安全具有重要作用。然而，稻田也是農業生產中主要的大氣CH4排放源之一，是我國“雙碳”目標實現面臨的嚴峻挑戰。因此，實現水稻高產、穩產與稻田CH4減排協同對保障我國糧食安全、助力雙碳目標具有重要意義。

水稻源庫關系影響其同化物的積累、轉運與分配，從而影響產量形成。葉片是水稻植株主要的“源”，葉片通過光合作用積累光合產物并向穗部轉運，充實水稻“庫”進而促進產量形成。同時，稻田排放的CH4有40%-60%來自水稻當季光合產物，這些光合產物主要以根系分泌物形式為產CH4菌提供底物，促進稻田CH4的產生和排放。由于水稻籽粒產量形成和CH4生成的底物均來自光合產物，而源庫特征可通過調控光合產物向土壤分泌進而影響CH4排放，因此降低水稻根系分泌物能降低稻田CH4排放。研究發現，將SUSIBA2基因導入水稻可調控更多的光合產物向籽粒分配，從而降低根系分泌物量，在提高產量的同時降低了CH4排放。最新研究也發現，水稻gs3缺失突變體促進了更多的光合產物分配到籽粒，減少了光合產物向土壤分泌，從而提高了水稻產量并降低了CH4排放。另外，水稻OsRGA1基因可調控光合產物用于根系生長，減少根系向土壤分泌有機物質，進而降低了CH4排放。因此，水稻源庫關系能夠通過調節水稻光合產物在植物—土壤系統間的分配進而調控稻田CH4的產生與排放。

施用氮肥是調節水稻源庫關系、促進水稻產量形成的栽培措施之一，同時施用氮肥也強烈地影響稻田CH4排放。然而，目前關于氮肥對稻田CH4排放影響的研究結果不盡相同，有研究表明增加施氮量會促進稻田CH4排放，但也有研究發現稻田CH4排放量會隨著氮肥施用量的增加而減少。施氮量對稻田CH4排放的影響機理尚不清晰。施氮量顯著影響水稻生長和產量形成，增施氮肥提高了水稻葉面積指數和庫容，進而可增加生物量積累、提高產量；也有研究發現，隨著施氮量增加，水稻莖葉干物質轉運量及其對穗部的貢獻率和水稻產量均呈先增加后下降的趨勢。這些研究表明施氮量能夠調控水稻源庫關系進而影響產量形成。水稻源庫關系和產量形成與稻田CH4排放關系密切。因此，氮肥可能在通過調控水稻源庫關系影響產量形成的同時也影響稻田CH4排放。另外，剪穗可直接改變水稻庫容大小，是調控光合產物分配的一種主要方式。然而，關于氮肥用量在調控水稻源庫關系的過程中對水稻產量和CH4排放的協同影響研究較少。

因此，本研究在不同氮肥處理下，研究稻田CH4排放特征及其與水稻葉面積指數、庫容量、粒葉比、根系分泌物等植株特征的關系，并結合剪穗處理進一步驗證水稻光合產物分配對水稻庫容、產量及稻田CH4排放的影響，從而闡明施氮量、源庫關系與稻田CH4排放間的內在聯系，以期為稻田合理施肥使CH4減排與水稻豐產相協同提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2022年5月至10月在湖北省武穴市現代農業示范中心試驗基地進行（30°00＇N，115°44＇E），該地位于長江中游北岸，鄂東邊緣，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均降水量為1 074.9 mm，年平均氣溫為23.06℃。試驗田土壤為黃棕壤，土壤pH值為6.30，偏弱酸性，土壤有機質含量為33.27 g·kg-1，全氮含量為1.68 g·kg-1，速效磷含量26.56 mg·kg-1，速效鉀含量105.2 mg·kg-1，堿解氮含量655.28 mg·kg-1。

1.2 試驗設計與田間管理

以兩優6326為試驗材料，設置3個施氮水平，總施氮量分別為0（0N）、150 kg·hm-2（150N）和210 kg·hm-2（210N），按照基肥：分蘗肥：穗肥=4：3：3的比例在移栽前、移栽后7 d以及幼穗分化期以尿素形式分3次施入。采用完全隨機區組設計，小區面積為20m2，每個水平3次重復。為進一步驗證水稻庫容對稻田CH4排放的影響，在150N處理下在齊穗期進行不同程度的剪穗處理，即對照處理[不剪穗，記為150N（S0）]、剪半穗處理[小區內所有穗剪去一半，記為150N（S1/2）]、剪全穗處理（剪去整穗）。剪穗處理采用完全隨機區組設計，小區面積為12 m，每個處理3次重復。由于剪全穗處理導致水稻無產量，為了便于數據的統一分析，本文沒有呈現剪全穗處理的相關數據。

各小區之間設埂并用黑色薄膜覆蓋，均單獨排灌。2022年5月8日播種，6月7日移栽，株行距20cm×20 cm，雙本移栽。各小區磷、鉀肥施用量一致。磷肥用量為40 kg·hm-2，以過磷酸鈣為肥源作基肥一次性施入；鉀肥用量為100 kg·hm-2，以氯化鉀為肥源，按基肥：穗肥=1：1的比例分兩次施入。為避免土壤水分變化所帶來的影響，本研究采取持續淹灌的水分管理方式，在水稻全生育期保持3-5 cm水層。病蟲害防治等管理措施與當地大田生產管理保持一致。

1.3 稻田CH4的采集與測定

采用靜態暗箱—氣相色譜法采集和分析CH4。采氣箱為直徑20 cm的圓柱形PVC管，高度為60 cm和120 cm，根據水稻生長高度使用不同規格采氣箱。箱體外部包裹一層保溫棉防止箱內溫度升高過快。箱內裝有風扇以確保采氣箱內氣體濃度均勻；采氣箱外側中部插入一個直徑為9 mm的玻璃管，外接三通閥作為采氣口。氣體采集在晴天上午8：00-11： 00進行，每隔7d采集一次，自移栽前1d開始采集，直至水稻收獲，施肥當周增加一次釆氣。采集時將采氣箱放入預埋人土壤10 cm深的不銹鋼底座（高出地面部分為10 cm），底座凹槽內注水進行密封。采氣時間分別為密封后的0、10、20 min和30 min，采集的氣體用50 mL安裝有三通閥的注射器保存，采集完成后將樣品帶回室內測定。

使用島津氣相色譜儀（GC-2010 plus，日本）測定CH4氣體濃度。CH4排放通量計算公式為：

式中：F為CH4排放通量，mg·m-2·h-1；ρ為標準狀況下CH4氣體的密度，0.714 kg·m-3；h為氣體采集時采樣箱高度，m；dc/dt為采樣箱內CH4濃度變化率，μL·L-1·min-1；T為氣體采集時箱內平均溫度，℃。

CH4累積排放量計算公式為：

式中：CE為CH4累積排放量，g·m-1；Fi和Fi+1為兩個連續相鄰采樣時期的氣體排放通量，mg·m-2·h-1；10-3為毫克換算為克的系數；d是兩個連續相鄰采樣時間的間隔時間，d；24為小時換算為天的系數。

1.4 植株取樣和產量測定

在齊穗期進行植株取樣，每小區隨機選取6株生長一致、能代表整個小區生長狀況的水稻植株，以植株為中心取20 cm×20 cm×20 cm范圍內包含完整根系的植株。將根系沖洗干凈，先用于根系分泌物的收集，再記錄分蘗數和取葉片測量葉面積，最后將植株樣品分成根、莖（包括莖稈和葉鞘）、葉片和穗等部位，于80℃下烘干至質量恒定后稱量各部分干物質量。

于成熟期在每個小區中間選取長勢一致且有代表性的12株水稻植株，統計每株有效穗數（每穗飽粒數≥5粒）后脫粒。采用水選法和風選法將籽粒分為飽粒、半飽粒和空粒，人工統計籽粒數后于80℃條件下烘干至質量恒定后稱質量，用于分析產量、單位面積穗數、每穗穎花數、結實率和粒質量。

1.5 根系分泌物的收集與測定

在齊穗期、剪穗后15 d取樣并收集根系分泌物。根系分泌物收集參考Chen等的方法。具體方法是：將3株帶有完整根系的植株清洗干凈后，放入盛有200 mL去離子水的玻璃瓶中，將根系完全浸沒其中，在自然光下放置5h后取出植株；用中速濾紙過濾玻璃瓶中的液體，再用0.45 μm濾膜抽濾，將濾液裝入離心管中于冰箱-20℃條件下保存待測。根系分泌物中碳水化合物含量（mg·株-1）的測定采用蒽酮比色法，具體操作參考文獻。根系分泌物中總有機碳含量（TOC，mg·株-1，以C計）的測定采用重鉻酸鉀外加熱法，具體參考文獻[21]。

1.6 源庫指標的測定

本試驗中代表源、庫特征的指標包括葉面積指數、單位面積穎花數和庫容量，代表源庫關系的指標包括根冠比和粒葉比。葉面積指數（m2· m-2）是齊穗期單株綠葉面積與齊穗期單株占地面積的比值；庫容量（g·m-2）為單位面積總穎花數與粒質量的乘積；根冠比（g·g-1）是齊穗期根系干物質量與齊穗期地上部干物質量的比值；粒葉比（mg·cm-2）是成熟期單穗飽粒質量與齊穗期單莖葉面積的比值。

1.7 數據統計方法

采用Excel 2019軟件整理并計算數據，采用Statistix 9.0進行單因素方差分析，采用Origin 2021繪圖，采用SPSS 23.0進行相關性分析。采用最小顯著差異法（LSD）對數據進行差異顯著性分析，顯著水平設置為0.05；相關性分析采用Pearson相關系數分析方法。試驗結果所呈現的指標值以3個重復的平均值與標準誤來表示。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥處理和剪穗處理下水稻源庫特征

如表1所示，與ON相比，150N（S0）和2ION處理下葉面積指數均顯著增加，單位面積穎花數分別顯著增加了20.6%和13．0%，且150N （S0）處理下單位面積穎花數也顯著高于210N處理；不同氮肥處理對粒質量和結實率均無顯著影響。與0N相比，150N （S0）和210N處理粒葉比分別顯著降低了28.8%和44.7%。與0N相比，150N（S0）處理下庫容顯著增加了22.7%，210N處理庫容量顯著低于150N（S0）處理。150N（S0）處理與210N處理下水稻產量沒有顯著差異，均顯著高于0N處理。

在150N條件下，剪穗處理對葉面積指數、粒質量和結實率無顯著影響，而導致單位面積穎花數、粒葉比、庫容分別顯著降低了55.9%、50.8%、55.9%。在150N條件下，與不剪穗相比，剪穗導致水稻產量顯著降低了5 3.0%。

2.2 不同氮肥處理和剪穗處理下稻田CH4排放特征

水稻移栽13 d后，CH4排放通量快速增加，在移栽后第27天達到排放高峰（圖1A）。在全生育期中，210N處理下CH4排放通量高于ON和150N（S0）處理。在剪穗6d后，剪穗處理下稻田CH4排放通量急劇升高，達到排放峰值后逐漸降低，直至水稻成熟（圖1A）。

0N和150N（S0）處理下水稻全生育期稻田CH4累積排放量無顯著差異，而2ION處理下全生育期稻田CH4累積排放量分別比0N和150N （S0）顯著升高了43.0%和41.8%（圖1B）。在150N條件下，與不剪穗相比，剪穗處理全生育期稻田CH4累積排放量顯著升高76.8%（圖1B）。

在不同氮肥處理下，單位產量CH4累積排放量表現為150N（S0）＜0N＜210N。在150N條件下，剪穗導致單位產量CH4累積排放量顯著增加了280.7%（圖1C）。

2.3 不同氮肥處理和剪穗處理下水稻植株根冠比及根系分泌物

與ON相比，150N（S0）處理下水稻植株根冠比降低了10.0%，而2ION處理下根冠比顯著降低了34.3%（表2）。150N （S0）處理下根系分泌物總有機碳含量與0N處理無顯著差異，而210N處理下根系分泌物總有機碳含量高于150N（S0）處理并顯著高于0N處理。150N（S0）處理下根系分泌物碳水化合物含量低于0N處理（差異不顯著），而210N處理下根系分泌物碳水化合物含量比0N和150N（S0）處理分別顯著升高了48.3%和65.9%。

剪穗對水稻植株根冠比無顯著影響，但與不剪穗相比，剪穗導致根系分泌物的總有機碳和碳水化合物含量分別顯著增加了65.8%和217.1%。

2.4 稻田CH4排放與水稻源庫特征、根系分泌物特征及產量的相關關系

CH4累積排放量、單位產量CH4累積排放量與葉面積指數、粒質量、結實率及根冠比均無顯著的相關關系（表3），與單位面積穎花數、粒葉比、庫容以及水稻籽粒產量呈顯著或極顯著負相關，與根系分泌物總有機碳含量、碳水化合物含量呈顯著或極顯著正相關關系。

2.5 水稻根系分泌物含量、產量與水稻源庫特征的相關關系

根系分泌物總有機碳含量、碳水化合物含量及產量與葉面積指數無顯著相關性。然而，根系分泌物總有機碳含量、碳水化合物含量與單位面積穎花數、粒葉比、庫容及產量呈顯著或極顯著負相關，水稻產量與單位面積穎花數及庫容呈極顯著正相關（表4）。

3 討論

3.1 氮肥和剪穗對水稻源庫特征及產量的影響

本研究發現150N（S0）處理下水稻產量顯著高于0N處理，但210N處理下水稻產量并未進一步增加反而較150N（S0）有下降趨勢（表1），這與前人研究結果一致。本研究中150N（S0）處理下產量的提高主要是由于該處理下單位面積總穎花數提高（表1），前人研究也表明提高單位面積穎花數能擴大庫容進而增加產量，而過量施氮則導致穎花數下降。此外，本研究通過剪穗進一步證實降低水稻庫容會導致水稻產量顯著下降（表1），水稻產量與庫容呈極顯著正相關（表4），因此庫容大小在一定程度上決定了水稻產量。

大的葉面積指數意味著水稻植株可能產生更多的光合產物，進而提高庫容和產量。本研究中210N處理下的高葉面積指數并沒有導致大的庫容和產量（表1），這是因為葉面積過大可能導致下層葉片成為消耗器官，不利于光合物質向籽粒轉運。另外，本研究（表1）和曾賢恩等的研究均表明水稻粒葉比隨施氮水平的提高而降低，因此過高的施氮量不利于水稻植株形成協調的源庫關系。因此，適量施氮可協調水稻植株源庫關系，提高單位面積穎花數，進而提高庫容和水稻產量。

3.2 氮肥和剪穗通過調控源庫特征進而影響稻田CH4排放

氮肥是影響稻田CH4排放的重要因素之一，本研究表明210N處理顯著增加了CH4累積排放量（圖1B），Xu等明也觀察到類似結果。本研究中ON和150N（S0）處理下CH4累積排放量并無顯著差異（圖1B），這可能與土壤質地和土壤背景氮有關。在稻田土壤中，氮肥參與的氮循環與CH4參與的碳循環過程之間存在復雜的聯系，施氮量在一定范圍內也可能不影響稻田CH4排放。另外，有研究表明高施氮量會降低CH4排放，這與本研究結果不一致。這可能是因為高施氮量顯著提高根系發達程度，促進根際氧化力和根系泌氧，進而促進根際CH4氧化，最終減少CH4排放。以上研究結果表明，除氮肥施用量外，影響稻田CH4排放的因素還與水稻植株生長發育特征、土壤特征等因素有關。

本研究發現，與150N（S0）處理相比，210N處理下庫容顯著下降（表1），而CH4累積排放量顯著升高（圖1B）；通過剪穗試驗進一步表明降低水稻庫容導致CH4累積排放量顯著升高（表1和圖1B），CH4累積排放量與庫容顯著負相關（表3）。這些結果表明增加庫容可抑制CH4的排放。庫容的改變常導致同化物向籽粒分配的變化，從而可能會影響根系有機物質的分泌。在本研究中210N處理導致根系分泌物中總有機碳和碳水化合物含量顯著增加（表2），剪穗處理導致庫容下降55.9%的同時使根系分泌物中總有機碳和碳水化合物含量分別提高了0.7倍和2.2倍（表1和表2）。這些結果表明庫容減少時，水稻根系分泌有機物質的能力顯著提高。另外根系分泌物中有機碳含量與水稻庫容、產量呈極顯著負相關（表4），并與CH4累積排放量呈顯著正相關（表3）。因此，水稻大庫容可減少根系分泌有機物質，進而降低稻田土壤CH4的產生和排放。

水稻較大的葉片光合面積和較高的光合速率促進水稻植株同化物積累，提高根系分泌物中總有機碳含量，從而為產CH4菌提供底物。前人研究發現大的水稻葉面積促進了稻田CH4排放，然而本研究發現兩者無關（表3）。另外，本研究表明粒葉比與稻田CH4排放量呈顯著負相關（表3）；類似地，Jiang等發現粒葉比大的大穗型品種CH4排放量低于其小穗突變體。同時本研究也發現根系分泌物中總有機碳含量和碳水化合物含量與粒葉比呈顯著負相關（表4）。這些結果表明提高水稻粒葉比可以調控同化物向籽粒和根系的分配，進而調控根系分泌物有機碳含量，影響CH4排放。因此，在生產中選用粒葉比大的品種并優化氮肥運籌可以降低稻田CH4排放。

3.3 源庫特征對水稻產量和稻田CH4排放的協同調控

前人研究認為我國水稻生產是一個增產與減排協同發展的過程，水稻品種更替過程中現代高產水稻品種具有較高的產量和相對較低的稻田CH4排放量。在本研究中過量施氮時水稻產量不再提高甚至有所降低，且CH4排放量顯著增加（表1、圖1B和圖1C），這與前人關于產量與CH4排放關系的研究結果一致。同時，本研究發現剪穗導致產量降低53.0%（表1），而CH4排放量增加了76.8%（圖1B），這也驗證了CH4排放量與產量呈負相關的結果（表3）。類似地，前人研究也表明產量較高的超級稻和雜交稻品種稻田CH4排放量顯著降低。這些研究結果表明水稻生產中能實現高產與稻田CH4減排的協同。

在本研究中，150N（S0）處理時庫容大（表1），并伴隨著根系分泌物中有機碳含量降低（表2），從而實現了高籽粒產量（表1）和低CH4排放（圖1B和圖1C）；剪穗導致水稻庫容顯著下降時（表1），根系分泌物中有機碳含量顯著增加（表2）。這表明庫容較小可能導致更多的光合產物以根系分泌物的形式轉移到土壤中。前人研究也表明向籽粒轉運更多的光合產物會降低根系分泌物量，在提高產量的同時降低稻田CH4排放量，Jiang等也發現水稻小穗突變體根系分泌物增加，產量降低，CH4排放量增加。因此，本研究表明在水稻生產中過高施氮不利于形成大庫容和高產，反而增加CH4排放，適量施氮可協同實現高產與稻田CH4減排。

在生產實踐中，可通過適量施肥、增密增庫等栽培措施達到降低稻田CH4排放量和提升水稻產量的目的。需要注意的是，本試驗是在持續淹灌條件下進行的，目前水稻生產中已廣泛采用干濕交替等節水灌溉模式，節水灌溉模式下水稻源庫特征變化對稻田CH4排放的影響及其內在機理需進一步研究。

4 結論

（1）150N （S0）處理在獲得水稻高產的同時顯著降低了稻田CH4累積排放量和單位產量CH4累積排放量。

（2）210N處理和剪穗處理降低了水稻庫容，顯著提高了根系分泌物中總有機碳和碳水化合物含量，進而導致稻田CH4排放量顯著升高。

（責任編輯：李丹）

基金項目：國家自然科學基金項目（32172105）；國家重點研發計劃項目（2022YFD2300600）