根區(qū)施加鴨排泄物對水稻生長及甲烷排放的影響

趙本良, 沈啟斌, 章家恩,*, 王秋爽, 湯薇

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根區(qū)施加鴨排泄物對水稻生長及甲烷排放的影響

趙本良1,2, 沈啟斌1, 章家恩1,2,*, 王秋爽1, 湯薇1

1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué), 廣州 510642 2. 農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點開放實驗室, 廣東省現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 廣州 510642

為闡明鴨排泄物在根區(qū)表層分布對水稻生長和釋放甲烷的影響, 以黃華占和麻鴨排泄物為材料, 采用隔離根區(qū)的方式進行了水稻培養(yǎng)的室內(nèi)試驗, 設(shè)計了三個排泄物施加位置處理包括近根部施加排泄物(NR)、遠(yuǎn)根部施加排泄物(FR)、內(nèi)外同時施加排泄物(NFR)和不添加排泄物的對照(CK), 測定了水稻株高、生物量、根系活力、葉綠素含量和甲烷排放量等指標(biāo)的變化。結(jié)果表明, 24天后, NR、FR和NFR處理中水稻株高相比對照顯著增加了11%、17%和16%, FR和NFR處理的日均株高增長量比對照增加了46%和35%, 水稻基部施加鴨排泄物有助于株高的增長。與對照相比, NFR、FR處理的地上部分生物量顯著增加了19%和20%, 排泄物處理NFR、FR、NR中的根系生物量相比對照顯著升高了40%、80%和42%, 不同位置施加鴨排泄物造成了水稻地上部分和根系生物量的顯著變化。FR處理的根冠比相比對照顯著升高了45%。NFR、FR和NR處理中的地上植株含水率均沒有顯著差異。相比對照, 施加鴨排泄物的處理FR、NFR中水稻葉片的葉綠素含量顯著提高了5.5%和8.0%, 施加排泄物處理NFR中水稻根系活力顯著高于對照67%, 排泄物的施加有利于水稻生長。NR和FR處理的甲烷排放通量在第24天和對照相比顯著降低了59%和47%, 總之, 在根區(qū)不同位置施加鴨排泄物對水稻生長和甲烷排放特性有顯著的影響。

稻鴨共作; 鴨排泄物; 溫室氣體; 甲烷排放; 水稻生長

1 前言

稻田是溫室氣體甲烷排放的一個重要源頭, 稻田中產(chǎn)生的甲烷主要通過水稻植株釋放、氣泡逸出和液相擴散的途徑排出, 稻田中相當(dāng)一部分甲烷(60%—90%)是通過水稻根系經(jīng)由植株輸送到大氣[1–2]。水稻植株作為稻田甲烷排放的重要途徑, 其所排放到大氣的甲烷量受土壤產(chǎn)甲烷(源頭)、水稻根際甲烷氧化(耗損)及水稻植株地上部輸送(轉(zhuǎn)運)的影響[3–4], 其凈排放量最終取決于稻田甲烷產(chǎn)生和氧化的平衡, 因此, 水稻的生長狀態(tài)和甲烷排放的情況有密切關(guān)系。

稻田種養(yǎng)農(nóng)業(yè)模式是在我國傳統(tǒng)的稻田養(yǎng)殖技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展來的系統(tǒng)化、科學(xué)化的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式, 包括稻鴨共作、稻魚共作、稻蟹共作、稻蛙共作等。稻田種養(yǎng)模式將養(yǎng)殖生物個體引入稻田, 利用生物活動促進水稻健康生長, 而水稻則為生物提供生活環(huán)境, 實現(xiàn)水稻和生物的共生互利。如稻鴨共作中鴨子不斷取食稻田昆蟲、水生動物、雜草, 改善了水稻群體的通風(fēng)透光, 達(dá)到了控制水稻病害、蟲害和雜草的效果[5]。目前的研究證實, 稻田種養(yǎng)農(nóng)業(yè)模式還影響稻田甲烷的釋放過程, 如對稻-魚-萍模式連續(xù)3年的研究表明, 該模式中甲烷排放比水稻單種低34.6%[6]。對稻魚共生模式的甲烷排放研究表明, 稻魚共作的甲烷排放高于水稻單種模式[7]。實施稻鴨共作后水稻生育期間的甲烷排放量比不放鴨處理的對照減少19.3%[8], 因為鴨子活動會造成稻田土壤產(chǎn)甲烷菌數(shù)量減少、土壤氧化還原狀況改善以及水體溶氧含量增加等[3]。同時, 也有研究發(fā)現(xiàn)水稻根系的甲烷氧化速率在模擬鴨子觸碰擾動下有顯著提高[9], 因此, 鴨子活動對稻田甲烷的釋放有重要影響。鴨子在田間的排泄是稻田養(yǎng)分循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié), 其排泄物中含有大量C、N、P等[10–11], 但目前對鴨子排泄改變土壤性質(zhì)影響水稻甲烷釋放的研究仍十分缺乏。本研究試圖分析鴨排泄物在水稻根區(qū)土壤表層的不均勻分布背景下, 水稻的生長及其甲烷釋放過程的響應(yīng)特征, 以期揭示鴨子行為活動對稻鴨模式中甲烷釋放的影響機理, 為進一步理解稻鴨共作技術(shù)的低碳效應(yīng)提供參考。

2 材料與方法

2.1 供試材料

供試水稻品種為黃華占; 排泄物來自麻鴨, 其中含有機碳62.53 mg·g-1, 全氮4.22 mg·g-1, 全磷5.24 mg·g-1。試驗所用土壤采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研基地稻田(N23°10′0.25″ E113°21′47.54″), 土壤pH 值6.2, 有機碳30.06 g·kg-1, 速效氮0.12 g·kg-1, 有效磷50.81 g·kg-1, 速效鉀52.30 g·kg-1。土壤風(fēng)干后過5 mm孔徑篩網(wǎng)進行盆栽試驗, 盆栽水稻在室內(nèi)溫室種植。

2.2 試驗設(shè)計

選取株高25 cm左右, 生長狀態(tài)一致的秧苗, 移栽至容積為1000 ml塑料杯內(nèi)。稱量800 g土, 加水保持水面高度3 cm。按照排泄物添加在水稻根部的位置不同, 通過自制的圓環(huán)隔離裝置(圖1), 將圓環(huán)裝置置于培養(yǎng)杯正中, 嵌入表層土中3 cm, 移栽水稻位于圓環(huán)正中, 設(shè)計3個處理和1個對照(CK), 其中3個處理分別為: 在圓環(huán)內(nèi)部靠近根部施加排泄物(NR, excrement near roots)、在圓環(huán)外部遠(yuǎn)離根部施加排泄物(FR, excrement far from roots)和在圓環(huán)內(nèi)外同時施加排泄物(NFR, excrement near and far from roots together), 每處理4個重復(fù)。

圖1 表層排泄物隔離裝置

根據(jù)文獻(xiàn)報道及前期研究[5, 10–12], 按照鴨子日均排糞0.13 kg, 每667 m2放鴨15只以及盆栽土壤面積63.59 cm2計算, 試驗周期內(nèi)每株盆栽水稻施加鴨排泄物0.52 g。每天補充水分保持水面高度3 cm, 溫室盆栽24天。

2.3 測定方法

試驗結(jié)束后測定處理和對照的水稻生物量、含水率、葉綠素含量和根系活力; 盆栽12天和24天時測定水稻株高和甲烷釋放量。用直尺、天平測定株高和生物量。甲烷的收集采用靜止箱技術(shù)[13], 甲烷測定采用氣相色譜Thermo Trace 1300。葉片葉綠素含量測定采用乙醇提取法[14]。根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[15]。根據(jù)結(jié)果, 分別采用公式(1)、(2)和(3)計算日均株高增長量()、根冠比()及甲烷排放通量()[16]。

其中,－日均株高增長量(cm·d-1);H－測定時的株高(cm);0－試驗前株高(cm),－12, 24 d。

其中,－根冠比;r－水稻根系鮮重(g);a－水稻地上部分鮮重(g)。

其中,－甲烷排放通量(mg·m-2·h-1);－甲烷摩爾質(zhì)量(g·mol-1);－大氣壓(Pa);－采樣箱內(nèi)的絕對溫度(K);－采樣箱有效高度(m);－氣體摩爾質(zhì)量(g·mol-1);－甲烷濃度隨時間變化率[16]。

2.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)整理后用SPSS 19.0進行方差分析(鄧肯新復(fù)極差法), 采用OriginPro 2017繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 排泄物表層分布差異對水稻株高的影響

與對照處理相比(圖2), 至24天NR、FR和NFR處理中水稻株高顯著增加了11%、17%和16%(df=15,<0.05), 水稻基部施加鴨排泄物有助于株高的增長。水稻日均株高增長量在第12天沒有出現(xiàn)顯著差異(df=15,>0.05), 而后出現(xiàn)分化, 至24天, 相比對照, NR、FR和NFR處理出現(xiàn)了較高的日均株高增長量, FR和NFR處理比對照分別增加了46%和35% (df=15,<0.05), 鴨排泄物的添加促進了水稻株高的增長。

3.2 排泄物表層分布差異對水稻生物量的影響

由圖3可知, 鴨排泄物在土壤表層的分布不同, 水稻地上部生物量也存在顯著差異(df=15,<0.05)。其中, 與對照相比, NFR、FR處理的地上部生物量顯著增加了19%和20% (<0.05)。施加排泄物的三個處理NFR、FR、NR之間沒有顯著差異(>0.05)。NR處理中水稻地上部生物量和對照相比也沒有出現(xiàn)顯著變化(>0.05), 這說明距離根系不同位置施加排泄物對水稻地上部生物量的影響存在差異。在距離水稻根系的不同位置施加鴨排泄物也造成了水稻根系的顯著變化, 其中, 排泄物處理NFR、FR、NR中的水稻根系生物量相比對照顯著升高了40%、80%和42%(df=15,<0.01), 而FR處理的水稻根系生物量顯著高于NR和NFR處理(<0.05), 遠(yuǎn)離水稻根系施加排泄物時更有利于水稻根系的生長。

注: NR-近根部施加排泄物, FR-遠(yuǎn)根部施加排泄物, NFR-內(nèi)外同時施加排泄物, CK-不添加排泄物。

注: NR-近根部施加排泄物, FR-遠(yuǎn)根部施加排泄物, NFR-內(nèi)外同時施加排泄物, CK-不添加排泄物。

3.3 排泄物表層分布差異對根冠比和含水率的影響

圖4表明, 排泄物表層分布造成水稻根冠比發(fā)生顯著變化(df=15,<0.05), 其中, FR處理的根冠比相比對照顯著升高了45%(<0.05), 排泄物NR、FR和NFR之間沒有顯著差異(>0.05), NR、NFR處理和對照相比也沒有顯著變化(>0.05), 在水稻根系外圍施加排泄物有利于提高水稻的根冠比。和對照相比, 三個處理的水稻地上部含水率均沒有顯著差異(df=15,>0.05)。

3.4 排泄物表層分布差異對水稻葉綠素含量的影響

由圖5可知, 水稻葉片葉綠素在施加排泄物的不同處理中發(fā)生了顯著變化(df=15,<0.05)。相比對照, 施加鴨排泄物的處理FR、NFR中水稻葉片的葉綠素含量顯著提高了5.5%和8.0%(<0.05), 排泄物的施加有利于水稻生長。在根系內(nèi)側(cè)施加排泄物的葉片葉綠素含量和對照相比沒有顯著差異(>0.05)。

注: NR-近根部施加排泄物, FR-遠(yuǎn)根部施加排泄物, NFR-內(nèi)外同時施加排泄物, CK-不添加排泄物。

3.5 排泄物表層分布差異對水稻根系活力的影響

圖6表明, 在施加排泄物后, 不同處理中水稻根系活力的變化存在差異(df=15,<0.05)。處理NFR中水稻根系活力顯著高于對照67%(<0.05), 而NR、FR處理的水稻根系活力和對照相比沒有顯著差異(>0.05)。排泄物的施加促進了水稻根系活力提升, 根系活力變化與排泄物的施加位置有一定關(guān)系。

3.6 排泄物表層分布差異對水稻甲烷釋放的影響

不同排泄物表層分布造成水稻甲烷釋放通量的差異(圖7)。其中, 第12天的NFR、FR、NR處理的甲烷排放通量和對照沒有顯著差異(df=11,> 0.05), 第24天的處理和對照的甲烷排放通量之間存在顯著差異(df=11,<0.01), NR、FR處理的甲烷排放通量和對照相比出現(xiàn)了顯著降低了59%和47% (<0.05), 而NFR處理和對照沒有顯著差異(>0.05), NR處理和NFR處理之間存在顯著差異(<0.05)。結(jié)果表明, 排泄物在不同位置的施加改變了水稻甲烷釋放的情況, 在根系內(nèi)側(cè)和外圍同時施加排泄物可能造成水稻表層土壤甲烷功能菌群的不同響應(yīng)。

注: NR-近根部施加排泄物, FR-遠(yuǎn)根部施加排泄物, NFR-內(nèi)外同時施加排泄物, CK-不添加排泄物。

注: NR-近根部施加排泄物, FR-遠(yuǎn)根部施加排泄物, NFR-內(nèi)外同時施加排泄物, CK-不添加排泄物。

注: NR-近根部施加排泄物, FR-遠(yuǎn)根部施加排泄物, NFR-內(nèi)外同時施加排泄物, CK-不添加排泄物。

4 討論

在稻鴨共作期間, 鴨的排泄物具有的碳、氮、磷等元素可不斷擴散于水中, 鴨子排泄活動類似于對水稻施肥, 補充較多的肥力養(yǎng)分, 提高了稻鴨共作系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)效率, 可以減少肥料使用[12]。稻鴨共作歸還稻田土壤的磷量以鴨排泄物磷占明顯優(yōu)勢[11]。此外, 稻鴨共作改變了速效磷、速效鉀和活性有機碳在水稻根域土壤的相對富集部位, 對水稻根系吸收和利用土壤養(yǎng)分具有促進作用[17], 這與稻鴨共作中鴨子活動頻繁有關(guān); 同時, 鴨群游動會導(dǎo)致水中鴨排泄物的遷移, 使排泄物在水平方向產(chǎn)生不同程度的聚集, 這種不均勻的營養(yǎng)分布格局會造成水稻生長狀況的差異, 影響水稻根系形態(tài)[18]。本試驗中模擬鴨排泄物在距離根系不同位置的結(jié)果表明, 水稻的株高、生物量、根系狀態(tài)等均受到了明顯影響。

氮素作為水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的必要因子, 水稻生長關(guān)鍵時期的氮虧缺會影響水稻增產(chǎn)[19–20]。本試驗中, 施加的鴨排泄物中含有一定的氮素, 施加排泄物后水稻株高顯著增加, 水稻株高的增長速度也有增加, 這可能與氮素含量的增加有關(guān)。如隨著施氮量的增加, 秈稻銀晶軟占的株高顯著增加[21]。也有研究指出增施氮肥可顯著提高水稻根重和地上部生物量, 但會降低了水稻的根冠比[22], 其中銨態(tài)氮明顯促進了旱稻和水稻的生長, 導(dǎo)致株高、地上部干重的顯著增加[23]。本研究表明在外圍施加排泄物處理的水稻的根系生物量和根冠比均增加, 這可能與水稻根系的生長特性有關(guān), 水稻生長初期根系主要以橫向擴展為主, 分蘗期根系向斜下方伸長[18], 使水稻根系生長延伸到隔離環(huán)外層的根系較多, 處理中水稻更能迅速吸收施加的鴨排泄物中的養(yǎng)分, 排泄物在表層分布的位置影響了水稻根系的發(fā)育。

氮肥的施用能促進根系的生長及根系活性, 有利于根系對養(yǎng)分的吸收[24]。本文研究結(jié)果也表明在根系內(nèi)外圍施加排泄物后水稻根系活力明顯提高, 這與該處理中水稻根系生物量提高的表現(xiàn)一致, 排泄物中的氮素促進了水稻根系活力的提升。此外, 氮素也是形成葉綠素和Rubisco酶的重要組成部分, 和光合作用密切相關(guān)[25], 研究發(fā)現(xiàn), 雜交水稻“兩優(yōu)培九”葉片的葉綠素總含量隨氮肥水平的提高而提高[26]。試驗中, 施加鴨排泄物的處理FR、NFR中葉片的葉綠素含量顯著提高, 這可能與鴨排泄物的局部施用強化了水稻的氮素營養(yǎng)有關(guān)。

稻田是溫室氣體甲烷排放的一個重要源頭, 水稻植株所排放到大氣的甲烷量取決于水稻根際甲烷氧化耗損及水稻植株地上部輸送效率[3–4]。本研究中, 水稻的根系甲烷氧化增強可能造成是甲烷通量降低的一個重要因素。根系泌氧是濕地植物長期進化來的適應(yīng)水體環(huán)境的重要生理功能[27], 影響著根際甲烷氧化過程。濕地植物的根系生物量和根系泌氧之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系[28], 水稻根系生物量的提高會強化根際對氧的需求量, 間接提高根系泌氧量, 有利于根際甲烷氧化微環(huán)境的形成, 拓展氧在根際的擴散范圍, 導(dǎo)致好氧甲烷氧化菌的增殖加速, 抑制產(chǎn)甲烷菌, 最終降低通過植株釋放的甲烷總量。本文研究結(jié)果表明NR、FR處理在第24天的甲烷排放通量顯著降低, 在根系內(nèi)側(cè)或者外圍施加排泄物可能造成了水稻根際的甲烷損耗, 而NR、FR處理的根系生物量均明顯高于對照, 因此, 甲烷氧化增強效應(yīng)與水稻根系生物量的升高有關(guān)。此外, 在NFR處理中, 施加排泄物后為甲烷菌提供了豐富碳源, 促進了產(chǎn)甲烷活性, 抵消了水稻根系生物量提高產(chǎn)生的甲烷損耗效應(yīng), 因此, NFR處理中甲烷排放通量未有顯著差異。

5 結(jié)論

1) 添加鴨排泄物后, 水稻在株高、生物量、根冠比、葉綠素含量、根系活力等方面表現(xiàn)出和對照不同的特征。添加鴨排泄物有利于水稻株高的顯著增加, 也促進了水稻日均株高增長量的提高。鴨排泄物也有利于水稻地上生物量和根系生物量的顯著升高, 遠(yuǎn)離根部施加排泄物可以提高水稻根冠比。地上植株含水率不受鴨排泄物施加的影響。遠(yuǎn)根部施加排泄物可以提高水稻葉片葉綠素含量。

2) 遠(yuǎn)根部施加排泄物和近根部施加排泄物24天后水稻的甲烷排放通量顯著降低, 鴨排泄物在稻鴨共作系統(tǒng)中具有調(diào)控水稻生長和溫室氣體釋放的作用。

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Effects of duck excrement addition in root zone on rice growth and methane emission

ZHAO Benliang1,2, SHEN Qibin1, ZHANG Jiaen1,2,*, WANG Qiushuang1, TANG Wei1

1. South China Agricultural University, Guangzhou, 510642, China 2. Key Laboratory of Agro-Environment in the Tropics, Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China, Guang-dong Engineering Research Center for Modern Eco-agriculture and Circular Agriculture, Guangzhou, 510642, China

In order to clarify the effects of the distribution of excrement from mud duck on growth and methane emission ofL. (Huanghuazhan), an indoor experiment was carried out by dividing the root zone into two subzones with or without duck excrement application. Three treatments including excrement near roots (NR), excrement far from roots (FR), and excrement near and far from roots (NFR) were designed and no excrement addition was used as control (CK). The changes of plant height, biomass, root activity, chlorophyll content and methane flux were measured. After 24 days, the plant height of rice was 11%,17% and 16% higher in the NR, FR and NFR treatment compared with that in CK (P<0.05). The height increase per day of rice in FR and NFR was 46% and 35% higher than that of CK (<0.05). The NFR and FR treatments significantly increased the aboveground biomass by 19% and 20% compared with CK. The root biomass in NFR, FR and NR was 40%, 80% and 42% higher than that of CK. The root/shoot ratio in FR was significantly increased by 45% compared with that of control. There was no significant difference in the water content of the aboveground part of rice in NFR, FR and NR. Compared with the control, the chlorophyll content of rice leaves in NFR and FR was significantly increased by 8.0% and 5.5%and the root activity of rice in NFR was significantly enhanced by 67%. The methane emission flux in NR and FR was 59% and 47% lower than that of the control at day 24 (p<0.05). Application of duck excrement in two root zones significantly affects the growth and methane emission ofL.

rice-duck farming; ducks excrement; greenhouse gas; methane emission; rice growth

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.001

Q142.3

A

1008-8873(2017)06-001-07

2017-02-17;

2017-04-05

國家自然科學(xué)基金(U1131006, 30900187, 31300371); 珠江科技新星(201506010042); 廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團隊建設(shè)項目(2016LM1100); 廣東省科技計劃項目(2015B090903077,2016A02010094);廣州市科技計劃項目(201604020062); 廣東省自然科學(xué)基金(2016A030313410); 廣東省高校優(yōu)青計劃(YQ2015026); 廣東教育廳青年創(chuàng)新項目(2014WQNCX02, 2015KQNCX108); 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(201410564009, 201510564390, 201614278082, 201614278037);廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新專項(Pdjh2016b0373, Pdjh2016b0374)

趙本良(1980—), 男, 山東人, 博士, 副教授, 主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究, E-mail:blzhao@scau.edu.cn

章家恩, 男, 博士, 教授/副院長, 主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究, E-mail: jeanzh@scau.edu.cn