栽培方式對(duì)福州平原稻田氧化亞氮減排的研究

林 芳，王 純,2，王維奇,2，馬永躍,2

(1.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007； 2.福建師范大學(xué) 亞熱帶濕地研究中心，福建 福州 350007)

氣候變暖是當(dāng)今全球性的環(huán)境問(wèn)題，氧化亞氮排放量的增加在其中起到了重要的加速效應(yīng)，其100年尺度的增溫潛勢(shì)分別是二氧化碳的296倍，甲烷的13倍[1]。隨著世界人口的不斷增加，糧食的需求量將逐年升高，其中，對(duì)稻谷需求量將從1994年的520 Tg增加到2025年的880 Tg，再到2050年的1000 Tg[2]，隨著人們對(duì)稻谷需求量的增加，相應(yīng)的氧化亞氮排放量也將升高，這將會(huì)加速全球變暖。

在這種大的背景下，稻田氧化亞氮排放研究成為了當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[3]，包括水分管理、肥料施加、硝化與反硝化抑制劑、除草劑和殺蟲(chóng)劑等的應(yīng)用，但對(duì)于栽培方式的選擇報(bào)道較少。基于勞動(dòng)力成本的核算，成本更低的栽培方式(如拋秧、機(jī)插和直播)的使用開(kāi)始增加，這種趨勢(shì)主要是從水稻的產(chǎn)量、成本和效益的角度去考慮，而未從其環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)。本工作開(kāi)展高產(chǎn)和低成本的栽培方式對(duì)稻田氧化亞氮排放的影響研究，為以上幾種栽培方式的選擇與稻田氧化亞氮的減排提供參考依據(jù)。

福州平原地處我國(guó)東南沿海，中亞熱帶和南亞熱帶過(guò)渡帶，具有亞熱帶的代表性和典型性，以此樣地為研究區(qū)域，對(duì)于今后基于稻田氧化亞氮減排與水稻增產(chǎn)的栽培方式的選擇與推廣與示范具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與采樣點(diǎn)

研究區(qū)位于閩江河口區(qū)福州平原的南分支——烏龍江的北岸，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為19.6 ℃，年均降水量為1 392.5 mm，蒸發(fā)量為1 413.7 mm，相對(duì)濕度為77.6%，地貌主要為沖海積平原，地表平坦，海拔3～5 m，零星分布剝蝕丘陵地貌[4]。實(shí)驗(yàn)區(qū)(見(jiàn)圖1)位于福建省農(nóng)科院水稻所吳鳳綜合實(shí)驗(yàn)基地(26.1°N，119.3°E)內(nèi)[5]，該實(shí)驗(yàn)基地共有稻田7 hm2[6]。土壤耕作層有機(jī)碳含量為18.11 g/kg，全氮1.28 g/kg，全磷1.07 g/kg。實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要實(shí)行早稻—晚稻—蔬菜的輪作制度，本實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的前茬作物為花菜。水稻栽培品種為江西省農(nóng)科院研發(fā)的和盛10號(hào)，實(shí)驗(yàn)始于2011年8月初，至同年11月初收獲結(jié)束，實(shí)驗(yàn)前對(duì)翻耕后的田地進(jìn)行人工整平，以保持土壤的均一性，在同一塊大田內(nèi)共設(shè)置4個(gè)面積大小相等(長(zhǎng)寬為4m×2m)的樣地，樣地之間分別用田埂互相隔開(kāi)，以避免相鄰樣地間的干擾。在布置好的樣地進(jìn)行秧苗移栽：栽培方式選擇拋秧(PY)、手插(SC)、直播(ZB)、機(jī)插(JC)4種方式。施用底肥為復(fù)合肥和尿素，施肥情況詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]。水稻生長(zhǎng)期基本處于淹水狀態(tài)，水深約5～7 cm，水稻成熟時(shí)曬田。

1.2 氣體采集與分析方法

采用靜態(tài)箱法-氣相色譜法對(duì)稻田氧化亞氮季節(jié)通量進(jìn)行測(cè)定。靜態(tài)箱由頂箱和底座兩部分組成，頂箱長(zhǎng)寬高分別為0.3 m × 0.3 m ×1.0 m(頂端安裝有小風(fēng)扇并具溫度計(jì)插孔)，側(cè)面有抽氣孔，底座長(zhǎng)寬高分別為0.3 m × 0.3 m ×0.3 m(具有凹槽)，并在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)固定在樣地內(nèi)。

采樣時(shí)間一般選在09：00～13：00，在約09：00和12：00各測(cè)定1次氧化亞氮通量，重復(fù)測(cè)定2次，使氧化亞氮通量更加接近于一天的平均值，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。氧化亞氮通量的測(cè)定采用靜態(tài)箱法直接測(cè)定，蓋上頂箱后立刻用100 mL注射器抽取氧化亞氮?dú)怏w70 mL，并打入氣袋內(nèi)，后每隔15 min再抽取1次樣品，共抽取3次，在抽氣過(guò)程中保持勻速，同時(shí)在底座凹槽內(nèi)加水密封，防止靜態(tài)箱內(nèi)氧化亞氮?dú)怏w外泄。與此同時(shí)，測(cè)定土壤理化特征與氣象因子，用2265FS電導(dǎo)儀原位同步測(cè)定厚為0～10 cm土壤的溫度、鹽度，用IQ150便攜式pH/氧化還原電位計(jì)測(cè)定Eh和pH；用便攜式氣象測(cè)量?jī)x記錄采樣時(shí)的氣溫。

氧化亞氮?dú)怏w濃度由島津(GC-2014)氣相色譜儀測(cè)定。檢測(cè)器為電子捕獲檢測(cè)器，檢測(cè)條件為：柱溫70 ℃，檢測(cè)器溫度320 ℃，載氣流速70 mL/min。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體和待測(cè)氣體的峰面積計(jì)算待測(cè)氣體的濃度。氧化亞氮?dú)怏w排放通量采用下式[8]計(jì)算：

式中，Q為氣體排放通量(μg/(m2·h))；M為氣體的摩爾質(zhì)量(g/mol)；V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1mol氣體的體積(L/mol)；dc/dt為氣體濃度變化率(μmol/(mol·h))；T為靜態(tài)箱內(nèi)溫度(℃)；H為靜態(tài)箱箱高(m)。

圖1 采樣點(diǎn)位置圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要采用Excel2003和SPSS17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。用Excel2003對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算，用SPSS17.0-Pearson分析氧化亞氮排放通量和環(huán)境影響因子間的相關(guān)性，顯著性水平小于0.05表示兩者呈顯著相關(guān)，小于0.01表示兩者間呈極顯著相關(guān)。

2 結(jié)果與討論

2.1 栽培方式對(duì)生長(zhǎng)期稻田氧化亞氮通量季節(jié)變化的影響

在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，不同栽培方式稻田的氧化亞氮通量沒(méi)有十分明顯的規(guī)律(見(jiàn)圖2)。這主要是因?yàn)樵谒旧L(zhǎng)過(guò)程中，植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)管理措施以及當(dāng)?shù)貧夂虻奶攸c(diǎn)等因素的變化有關(guān)[9]。在水稻移栽初期不同栽培方式稻田的氧化亞氮通量有所上升，出現(xiàn)了第1個(gè)排放峰，這與Zou等[10]研究結(jié)論一致，這主要是由稻田初期施用基肥引起的，從而增加了土壤中的N含量；但秦曉波等[11]研究認(rèn)為，晚稻時(shí)期施用基肥與追肥均導(dǎo)致氧化亞氮排放下降，與本研究結(jié)論相悖，這可能與當(dāng)?shù)赝寥赖棵芮邢嚓P(guān)。在移栽后第15 d左右不同栽培方式稻田的氧化亞氮排放迅速下降，甚至出現(xiàn)了負(fù)排放，表明前期施用的基肥已經(jīng)分解完畢，并且長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，不利于產(chǎn)生氧化亞氮。移栽50 d后大田開(kāi)始實(shí)行間歇灌溉的管理方式，使淹水厭氧的環(huán)境反復(fù)被破壞，引起土壤中硝化和反硝化作用反復(fù)出現(xiàn)，從而出現(xiàn)了中期雜亂無(wú)章的排放模式。到了后期水稻進(jìn)入成熟期，大田開(kāi)始進(jìn)行曬田，氧化亞氮通量也趨于穩(wěn)定。

手插、拋秧、機(jī)插和直播樣地氧化亞氮季節(jié)變化通量分別為-55.67～63.73、-53.03～70.31、-47.41～84.29、-27.38～85.10 μg/(m2· h)，平均值分別為7.71、20.98、11.24、37.78 μg/(m2· h)，氧化亞氮平均通量Q由小到大分別為Q(手插)

根據(jù)水稻不同生育期進(jìn)一步分析比較不同栽培方式下稻季氧化亞氮通量的差異見(jiàn)表1。除直播外，手插、機(jī)插和拋秧在各自生育期內(nèi)均出現(xiàn)了季節(jié)累積通量為負(fù)的現(xiàn)象，其中，手插出現(xiàn)在拔節(jié)孕穗期、機(jī)插出現(xiàn)在返青期、拋秧出現(xiàn)在分蘗期；從負(fù)排放累積量上看，機(jī)插、拋秧、手插的累積通量分別為-0.89 mg/m2、-1.64 mg/m2、-7.59 mg/m2；從占生長(zhǎng)季節(jié)比例看，手插和機(jī)插在成熟期所占比例最高，占到了全生育期的55.68%和36.87%，直播在抽穗揚(yáng)花期最高，為27.57%，拋秧在拔節(jié)孕穗期最高，為42.26%。

表1 稻季N2O平均通量及水稻不同生育階段N2O累積通量占全生育期總排放通量的比例

注：空白項(xiàng)表示負(fù)值不參與討論。

2.2 環(huán)境影響因子分析

不同栽培方式、稻田不同環(huán)境因子在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)的變化趨勢(shì)如圖3所示。不同水稻栽培方式的稻田氧化亞氮通量與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表2。結(jié)果表明，在本研究中，除手插樣地的土壤pH和Eh對(duì)稻田氧化亞氮通量影響顯著外(這與前人的研究結(jié)論相似[12-13])外，其他因子與不同栽培方式的樣地氧化亞氮通量的關(guān)系則不顯著，這說(shuō)明其變化可能受到多因子的協(xié)同影響。

圖3 土壤環(huán)境因子在水稻生長(zhǎng)觀測(cè)期內(nèi)的變化趨勢(shì)

表2 不同栽培方式樣地的N2O通量與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)

2.3 不同栽培方式對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

鄧飛等[14]研究發(fā)現(xiàn)，適宜的栽培方式能促進(jìn)產(chǎn)量的提高。很多前人都研究過(guò)不同栽培方式對(duì)水稻產(chǎn)量的影響，但是研究的著重點(diǎn)和水稻品種等方面均存在差異，并且存在水熱條件等的差異，所以結(jié)果并不一致[15-17]，與本實(shí)驗(yàn)也有差異。為了更好地評(píng)價(jià)不同水稻栽培方式對(duì)產(chǎn)量的影響，通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比手插、機(jī)插、直播和拋秧的主要生長(zhǎng)特征和產(chǎn)量(見(jiàn)表3)可以看出：根干質(zhì)量和地上干質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系，不同栽培方式的根干質(zhì)量和地上干質(zhì)量的差異可能是由于不同栽培方式下稻田秧苗密度造成的；結(jié)實(shí)率與干質(zhì)量之間呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，在一定程度上說(shuō)明秧苗的密度越大結(jié)實(shí)率越低。直播是所有不同栽培方式中秧苗密度最大的，而64%的結(jié)實(shí)率卻是最低的，正好說(shuō)明了這一點(diǎn)。另外，也有研究表明，直播栽培穗多粒少，千粒質(zhì)量減輕[18]。從千粒質(zhì)量看，4種不同栽培方式由小到大的排序?yàn)闄C(jī)插、手插、直播、拋秧；從單叢產(chǎn)量看，4種不同栽培方式由小到大的排序?yàn)槭植?、拋秧、機(jī)插、直播。

表3 不同栽培方式下水稻主要生長(zhǎng)特征及產(chǎn)量

3 結(jié)束語(yǔ)

稻田氧化亞氮減排是當(dāng)前溫室氣體減排的熱點(diǎn)與核心問(wèn)題，試驗(yàn)出合理有效的可行的減排措施至關(guān)重要。本文對(duì)不同水稻栽培方式對(duì)稻田氧化亞氮排放的影響進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)氧化亞氮平均排放量在手插和機(jī)插方式下較低，機(jī)插還具有較高的水稻產(chǎn)量。目前，關(guān)于不同水稻栽培方式的選擇在稻田氧化亞氮減排中的應(yīng)用研究還不是很多，在今后的研究中有待對(duì)不同水稻栽培方式對(duì)氧化亞氮減排應(yīng)用的有效性和環(huán)境效應(yīng)作進(jìn)一步的探討，以期使之成為稻田氧化亞氮減排的有效技術(shù)手段。基于此，以下兩方面的研究有待加強(qiáng)：一是繼續(xù)開(kāi)展不同水稻栽培方式對(duì)氧化亞氮排放的影響機(jī)理研究，以期調(diào)節(jié)不同水稻栽培方式對(duì)控制稻田氧化亞氮排放的有效性，使其減排效率優(yōu)化到最大；二是當(dāng)今關(guān)于不同水稻栽培方式減緩氧化亞氮排放的研究?jī)H局限于較小的研究區(qū)域，其應(yīng)用結(jié)果的外適性不強(qiáng)，因此，探究不同水稻產(chǎn)區(qū)、不同水稻栽培方式對(duì)減緩氧化亞氮排放有效性的影響很有必要。

[1] IPCC.Changes in atmospheric constituents and in radioactive forcing.In:Climate Change:the physical science basis.Contribution of working group Ⅰto the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M].Cambridge：Cambridge University Press，2007.

[2] Lampe K.Rice research:food for 4 billion people[J].GeoJournal,1995,35:253-259.

[3] Thomson A J，Giannopoulos G，Pretty J，et al.Biological sources and sinks of nitrous oxide and strategies to mitigate emissions[J].Philosophical Transactions of the Royal Society B:Biological Sciences，2012，367(1593):1157-1168.

[4] 陳世亮.福州南臺(tái)島地?zé)崆熬皽\析[J].福建地質(zhì)，2009，28(4):310-314.

[5] 韓蘭芝，侯茂林，吳孔明，等.轉(zhuǎn)cry1Ac+CpTI基因水稻對(duì)大螟的致死和亞致死效應(yīng)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42(2):523-531.

[6] 張數(shù)標(biāo)，吳華聰，張琳.水稻耕種作業(yè)機(jī)械化技術(shù)體系研究[J].福建農(nóng)業(yè)科技，2007(4):73-74.

[7] 王維奇，王純，李鵬飛，等.稻田土壤理化特征與甲烷排放對(duì)鐵爐渣施加影響[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(8):46-49.

[8] 上官行鍵，王明星，陳得章，等.稻田甲烷的傳輸[J].地球科學(xué)進(jìn)展，1993，8(5):13-21.

[9] 徐華，邢光熹，張漢輝.太湖地區(qū)水田土壤N2O排放通量及其影響因素[J].土壤學(xué)報(bào)，1995，32(增刊2):144-150.

[10] Zou J W，Huang Y，Zheng X H，et a1.Quantifying direct N2O emissions in paddy fields during rice growing season in mainland China:dependence on water regime[J].Atmospheric Environment，2007，41(37):8030-8042.

[11] 秦曉波，李玉娥，劉克櫻，等.不同施肥處理稻田甲烷和氧化亞氮排放特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(7):143-148.

[12] 徐華，蔡祖聰，李小平.土壤Eh和溫度對(duì)稻田甲烷排放季節(jié)變化的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1999，18(4):145-149.

[13] 上官行健，王明星.稻田甲烷排放影響因子的研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，1993，14(4):48-53.

[14] 鄧飛,王麗,劉利,等.不同生態(tài)條件下栽培方式對(duì)水稻干物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量的影響[J].作物學(xué)報(bào)2012,38(10):1930-1942.

[15] 丁濤,秦玉金.水稻不同栽培方式對(duì)產(chǎn)量效益及生育特性的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2006,34(14):3337-3338.

[16] 何瑞銀,羅漢亞,李玉同,等.水稻不同種植方式的比較試驗(yàn)與評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2008,14(1):167-171.

[17] 朱德峰.水稻強(qiáng)化栽培技術(shù)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

[18] 劉立中,陳再高,劉建華.兩優(yōu)培九直播栽培的表現(xiàn)及配套栽培技術(shù)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2003,31(2):250-251.