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 長江大學農學院/主要糧食作物產業化湖北省協同創新中心，湖北 荊州 434020；2 荊州市荊州區馬山鎮農業技術服務中心，湖北 荊州 434020；3 湖北省農業技術推廣總站，湖北 武漢 430070；4 云南省多年生稻工程技術研究中心/云南大學農學院，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。稻田是農業生產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 年排放量占農業排放量的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的產生和其在水稻植株體內的傳輸也存在差異[6]。Riya 等[7]發現不同水稻品種的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]研究發現，再生稻的CH4累積排放量比雙季稻低33.9%，單位產量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多年收獲的特點，可節省播種、育秧、犁田、移栽等生產環節費用，是一種輕簡高效的水稻生產新模式[10－11]。目前，關于多年生稻稻田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量、CH4和N2O 排放之間的差異，以期為構建豐產減排的稻作模式提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地位于湖北省荊州市長江大學西校區試驗基地(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 風干土。

試驗設置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香1 號(FLYX1)和秈型常規稻蝦稻1 號(XD1H)，多年生稻品種為粳型常規稻多年生稻23(PR23)和云大25(PR25)。設3 次重復，采用隨機區組排列。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增加。采樣時間均為上午8:00—11:00。采樣前先將底座凹槽內灌滿水，以隔絕箱內與外界的氣體流通。在箱體密封之后的0、10、20 min 用100 mL 注射器抽取箱內氣體并通過三通閥轉入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 數據處理

溫室氣體排放速率根據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為標準狀態下氣體密度(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 為氣態方程常數；T為采集氣樣時箱內溫度(℃)。

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量(g)，以CO2計。

結合水稻產量計算單位稻谷產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為水稻總產量(g/m2)。

1.4 數據統計方法

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

2 結果與分析

2.1 不同類型水稻品種的CH4 排放規律

如圖1 所示，多年生稻和再生稻的CH4排放動態規律基本一致。在頭季齊穗期出現一個較高的CH4排放峰，之后在再生季齊穗期出現較小排放峰，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第一個N2O 排放峰，之后在施促芽肥至提苗肥期間出現第二個N2O 排放峰，后期處于平緩狀態。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，多年生稻的稻谷產量較再生稻低61.0%。再生稻XD1H 的產量較FLYX1 高30.8%；多年生稻PR23 的產量較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

結合水稻產量計算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產生和排放創造了適宜的環境[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]。

本研究發現，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，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減少導致微生物數量和活性發生變化，從而削弱了硝化和反硝化過程，減少了N2O 的產生和排放[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量，雙季稻區周年產量為15 000 kg/hm2左右，產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現，季節、密度和季節與密度的交互作用對水稻產量有顯著影響，這可能是本試驗中在江漢平原種植的多年生稻產量低于再生稻的主要原因。多年生稻的稻谷產量較再生稻低61.0%，進而導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境不適應導致的，也與田間種植和管理措施有關，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 結論

在江漢平原，多年生稻的CH4季節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，再生稻豐兩優香1號具有較高的稻谷產量和較低的溫室氣體排放，更適合在江漢平原地區推廣。為了進一步探索多年生稻在江漢平原的適應性及溫室效應，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，優化多年生稻的田間種植和管理措施。