水分管理對麥茬稻直播產(chǎn)量和溫室氣體排放的影響

李陽 汪本福 張枝盛 肖飛 王泠菲 馬捷 程建平

摘要：以秈型兩系雜交稻C兩優(yōu)華占為材料進(jìn)行大田試驗(yàn)，前茬為小麥，秸稈全量還田，設(shè)置旱直播、水直播、間歇灌溉和淹水灌溉處理，測定水稻產(chǎn)量、葉片SPAD值、甲烷和氧化亞氮?dú)怏w排放等指標(biāo)，探究水分管理對麥茬水稻直播產(chǎn)量形成和溫室氣體排放的規(guī)律。結(jié)果表明，水直播處理產(chǎn)量顯著高于旱直播處理產(chǎn)量，且間歇灌溉處理產(chǎn)量、葉片SPAD值、株高、根系活力等均高于淹水灌溉處理;間歇灌溉處理對氧化亞氮排放影響較大，淹水灌溉處理對甲烷排放影響較大。旱直播間歇灌溉可顯著提高水分生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：直播;麥茬稻;產(chǎn)量;溫室氣體

中圖分類號：S511 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）24-0027-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.007 ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Effects of water management on the yield and the emission of greenhouse gas in

direct-seeding rice following wheat

LI Yang1，WANG Ben-fu1，ZAHGN Zhi-sheng1，XIAO Fei3，WANG Ling-fei3，MA Jie4，CHENG Jian-ping1，2

（1.Food Crops Institute，Hubei Academy of Agricultural Sciences/Hubei Key Laboratory of Food Crop Germplasm and Genetic Improvement，Wuhan 430064，China;2.Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industy，Jingzhou 434025，Hubei，China;3.Agricultural College，Yangtze University，Jingzhou 434025，Hubei，China;4.Hubei Engineering University，Xiaogan 432000，Hubei，China）

Abstract： A japonica rice cultivar of C-liangyouhuazhan was directly sown in the field. The former crop was wheat and the straw all was returned field. The treatments of dry-direct-seeding， water-direct-seeding， intermittent irrigation， flood irrigation were conducted. The indexes of rice yield， leaf SPAD value， CH4 and N2O were measured. The law of water management on the formation of direct seeding yield and greenhouse gas emission in direct-seeding rice following wheat was studied. The results showed that the yield of water-direct-seeding was higher than dry-direct-seeding and the yield， SPAD value， plant high， root activity of intermittent irrigation were higher than flood irrigation. Intermittent irrigation treatment has great influence on N2O emission， while flooded irrigation treatment has great influence on CH4 emission. The water use efficiency（WUE） can be improved through dry-direct-seeding and intermittent irrigation.

Key words： direct seeding; rice following wheat; yield; greenhouse gas

稻麥輪作模式是中國糧食種植主要模式，尤其在長江中下游地區(qū)較多，該模式對提高周年光溫利用效率、保障糧食安全等有重要意義。

水稻直播作為一種輕簡化栽培技術(shù)在近年來得到越來越多的關(guān)注，特別是直播機(jī)械的發(fā)展，為直播高產(chǎn)高效推廣奠定了機(jī)械基礎(chǔ)，同時前人也對配套栽培技術(shù)做了較多研究[1，2]。直播稻水分管理是關(guān)鍵，研究者認(rèn)為播種后保持土壤濕潤可以提高發(fā)芽率[3]，苗期土壤水分為-8～-10 kPa時，進(jìn)行間歇灌溉，有利于提高出苗率，增強(qiáng)根系生長[4]，優(yōu)化水分管理也能顯著提高水分利用效率，如精量穴直播水稻全生育期濕潤灌溉用水量比常規(guī)灌溉少23.51%[5]，旱直播稻節(jié)水更顯著，旱播間歇灌溉和旱播淹水灌溉模式下的水分生產(chǎn)效率比常規(guī)淹水灌溉模式高[6]，所以直播的水分管理方式對提高水稻產(chǎn)量、節(jié)約淡水資源有重要意義。然而，在前茬小麥模式下的直播水分管理研究較少，且模式改變，土壤理化性質(zhì)也有較大變化，管理方式也可能不同。秸稈還田對溫室氣體排放的影響研究較多，有研究認(rèn)為稻草的還田增加了稻田甲烷的排放，因?yàn)榈静軨/N高，為土壤甲烷的產(chǎn)生提供了大量碳源[7]，甲烷排放了增加2.0～8.3倍[8]，同時，灌溉方式也是影響溫室氣體排放的主要原因，一般認(rèn)為水旱輪作能夠改善土壤理化性質(zhì)，降低土壤還原物質(zhì)含量，減少甲烷的產(chǎn)生[9]，而稻田持續(xù)淹水會阻礙氧氣的擴(kuò)散，甲烷菌容易快速繁殖，從而增加甲烷的排放[10]，淹水相比間歇和雨養(yǎng)模式，甲烷排放均增加，而氧化亞氮排放較低[11]。Xing[12]認(rèn)為長期采用間歇灌溉可顯著增加氧化亞氮的排放。所以，明確麥茬水稻不同水分管理方式的影響，探明溫室氣體排放規(guī)律，對直播稻高效肥淹水灌溉和環(huán)境友好有重要意義。本試驗(yàn)以C兩優(yōu)華占為材料進(jìn)行大田試驗(yàn)，設(shè)置旱直播、水直播、間歇灌溉和淹水灌溉等處理，測定水稻產(chǎn)量、葉片SPAD值、甲烷和氧化亞氮?dú)怏w排放等指標(biāo)，探究水分管理對麥茬水稻直播產(chǎn)量形成和溫室氣體排放的規(guī)律，以期為這方面研究提供參考。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)點(diǎn)位于湖北省荊州市江陵縣三湖農(nóng)場三分場，屬于北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均降雨量900～1 100 mm，無霜期246～262 d。試驗(yàn)田肥力中等，排灌方便，前茬為小麥。

供試材料是C兩優(yōu)華占，屬秈型兩系雜交品種。

1.2 ?試驗(yàn)設(shè)計

前茬小麥秸稈全量還田。主處理為播種方式，D1為旱直播（旱整地，旱播種，播種后土壤濕潤管理，不建立水層）;D2為水直播（水整地，土壤濕潤直播，播種后土壤濕潤管理，不建立水層）。副處理為水分管理，W1為淹水灌溉（水稻出苗后即保持淺水層，后期除曬田外，均保持3～5 cm水層）;W2為間歇灌溉（苗期保持土壤濕潤管理，后期土壤龜裂就灌3 cm水層，抽穗灌漿期保持土壤1～3 cm水層，然后自然落干，干濕交替）。

機(jī)械直播機(jī)播種，每公頃播種量22.5 kg，播種尺寸25 cm×14 cm。氮肥總量210 kg/hm2，P2O5 90 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2。氮肥和鉀肥以基肥∶分蘗肥∶幼穗分化肥=4∶3∶3比例施用，磷肥在施基肥時一次性施入。水分按需管理。

1.3 ?測定項(xiàng)目與方法

實(shí)際產(chǎn)量：成熟期，每小區(qū)選取代表性植株1 m2進(jìn)行人工收割，脫粒后風(fēng)干，去除雜質(zhì)和空癟谷，稱量剩余稻谷重量，并使用PM-8188型谷物水分測定儀測定稻谷含水量，最后換算為含水量13.5%（秈稻）的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

根系傷流量：齊穗期，每小區(qū)選取3株具有代表性的植株，于當(dāng)天下午6點(diǎn)開始套棉花。棉花稱重5 g左右為干重，用鐮刀割除地面10 cm以上的植株，并統(tǒng)計分蘗數(shù)量，將每個分蘗都與棉花接觸，用橡皮筋扎好。第二天上午6點(diǎn)取棉花，并稱其重量為濕重。濕重與干重的差值即為根系傷流量。

SPAD值：齊穗期，用SPAD-502葉綠素含量測定儀對劍葉進(jìn)行測定，每個葉片測上、中、下3個點(diǎn)，記錄其平均值，每個小區(qū)測3片葉子。

株高：齊穗期測定植株株高，量取植株最下部到植株最上部的長度。

溫室氣體收集與檢測：采用溫室氣體收集專用設(shè)備進(jìn)行收集，每個點(diǎn)測0、5、10 s 3個時間點(diǎn)氣體，用25 mL已抽真空的瓶子收集氣體，室內(nèi)用改裝的氣相色譜儀進(jìn)行測定。

1.4 ?數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用Statistix 9分析軟件，圖表采用Excel軟件制作。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?不同處理對水稻產(chǎn)量的影響

由圖1可知，相同處理水直播的水稻產(chǎn)量高于旱直播，水直播間歇灌溉處理比旱直播間歇灌溉處理產(chǎn)量高4.4%，水直播淹水灌溉處理比旱直播淹水灌溉處理產(chǎn)量高7.9%。相同處理間歇灌溉的水稻產(chǎn)量也高于淹水灌溉產(chǎn)量，水直播間歇灌溉處理比水直播淹水灌溉處理產(chǎn)量高4.6%，旱直播間歇灌溉處理比淹水灌溉處理產(chǎn)量高8.1%?？梢婇g歇灌溉對水稻產(chǎn)量有一定的促進(jìn)作用。

2.2 ?不同處理對水稻根系傷流量的影響

由圖2可知，旱直播處理的水稻根系傷流量顯著高于水直播處理，且間歇灌溉處理的根系傷流量也高于相同處理的淹水灌溉處理。試驗(yàn)中的旱直播和間歇灌溉處理對水稻植株根系的生長及活力有促進(jìn)作用。

2.3 ?不同處理對水稻葉片SPAD值的影響

由圖3可知，水直播對水稻葉片SPAD的影響顯著，水直播處理對植株前期的葉片氮素積累有顯著的促進(jìn)作用，提高了植株生長前期對氮素的吸收。

2.4 ?不同處理對水稻株高的影響

由圖4可知，水直播間歇灌溉處理和旱直播間歇灌溉處理對水稻高度的影響差異不顯著，同樣，水直播淹水灌溉處理和旱直播淹水灌溉處理對水稻高度的影響差異也不顯著，但是相同處理的間歇灌溉水稻株高顯著高于淹水灌溉，這可能是因?yàn)殚g歇灌溉對根系的影響，促進(jìn)了地上部對養(yǎng)分的吸收。

2.5 ?不同處理對水稻溫室氣體排放的影響

由圖5、圖6可知，從水稻播種至幼穗分化期測定氧化亞氮和甲烷氣體的排放量。播種后，氧化亞氮的排放呈下降趨勢，但是到7月4日左右又呈大幅度上升趨勢，而后變化較小。前期氧化亞氮排放量較高，可能是由于秸稈還田和施入底肥使得排放量開始就比較高，7月4日大幅度上升，也和此時間段分蘗肥的施用有很大關(guān)系。由圖5可發(fā)現(xiàn)，水播間歇灌溉處理對氧化亞氮前期的排放影響程度最大。

甲烷的排放相對氧化亞氮排放較穩(wěn)定，第一次測定甲烷排放時，也是處于較大排放量的時間，其后逐漸降低，水播淹水灌溉處理的排放量稍高于其他處理，而在7月24到8月3日這段時間，4個模式處理的甲烷排放量都不同程度增多，特別是水播淹水灌溉處理和旱播淹水灌溉處理排放量增加明顯，是其他2個處理的2～3倍，此時期可能是處于田間曬田復(fù)水的時間段，對田間氣體的排放影響較大。

3 ?討論

3.1 ?麥茬稻水分管理方式對產(chǎn)量形成的影響

水旱輪作田的土壤結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)水稻田有顯著差異，前茬秸稈不管是覆蓋還田還是粉碎還田都可以增加土壤孔隙度、降低土壤容重[13，14]，土壤持水能力也會根據(jù)土壤物理性質(zhì)的變化產(chǎn)生較大影響。本試驗(yàn)水直播的產(chǎn)量顯著高于旱直播，可能是因?yàn)楹抵辈ネ寥篮亢屯寥蕾|(zhì)地的原因?qū)е鲁雒缏实陀谒辈?，使得后期有效穗較少。李旭毅等[4]認(rèn)為出苗和成苗階段土壤水勢下降至-8～-10 kPa時進(jìn)行灌溉，有利于提高種子的成苗率，改善秧苗素質(zhì)。試驗(yàn)中的間歇灌溉實(shí)際也是一種間歇灌溉方式，該方式比水直播產(chǎn)量高，這與前人研究相似[15]，根系活力、葉片葉綠素含量等都表現(xiàn)較高，為其較高的干物質(zhì)積累奠定了基礎(chǔ)，這與前人研究認(rèn)為間歇灌溉能促進(jìn)前中期葉面積的擴(kuò)大，有利于光同化物的積累，促進(jìn)根系生長，增加產(chǎn)量[15，16]等研究結(jié)果一致。

3.2 ?麥茬稻水分管理對溫室氣體排放的影響

水分管理方式對田間溫室氣體排放影響較大。彭世彰等[10]認(rèn)為淹水灌溉會加快甲烷菌繁殖，進(jìn)而增加甲烷的排放，本試驗(yàn)中直播后淹水灌溉處理甲烷排放量高于間歇灌溉處理，而氧化亞氮排放趨勢相反，播種后間歇灌溉的排放量顯著高于淹水灌溉，這和Xing[12]的研究結(jié)果相似。隨著肥料的施入，各處理氧化亞氮均呈不同程度的升高，以水播間歇灌溉處理升高最明顯，而甲烷受肥料的影響僅小幅度變化。劉少文等[17]研究結(jié)果表明，土壤系統(tǒng)中碳冗余時，投入無機(jī)氮可以減輕氮對相關(guān)微生物活性的限制，從而顯著提高甲烷的排放。Freney等[18]認(rèn)為肥料投入后7 d，甲烷排放量顯著增加，并呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。孕穗期前后，即曬田復(fù)水時間段，各處理甲烷排放變化較大，水直播淹水灌溉和旱直播淹水灌溉處理的排放量顯著高于其他2個處理，可見淹水促進(jìn)了甲烷的排放，這與前人研究一致[11，19]。然而，氧化亞氮的變化趨勢不明顯，有研究認(rèn)為甲烷和氧化亞氮排放存在明顯的消長關(guān)系[20，21]，這可能與土壤微生物活動有密切的關(guān)系，水分管理改變了土壤氧氣等狀況，促進(jìn)或抑制相關(guān)微生物的活動，使其加速或抑制養(yǎng)分的分解與合成。

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅錫文，蔣恩臣，王在滿，等.開溝起壟式水稻精量穴直播機(jī)的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24（12）：52-56.

[2] 曾 ?山，湯海濤，羅錫文，等.同步開溝起壟施肥水稻精量旱穴直播機(jī)設(shè)計與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（20）：12-19.

[3] 潘寶國，江銀榮，魏亞鳳.灌溉水層對直播稻發(fā)芽率的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012（5）：624.

[4] 李旭毅，卿發(fā)紅，池忠志，等.水稻機(jī)械精量穴直播出苗階段水分管理方式研究[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2017，30（11）：2449-2453.

[5] 鄭天翔，唐湘如，羅錫文，等.節(jié)水灌溉對精量穴直播超級稻根系生理特征的影響[J].灌溉排水學(xué)報，2010，29（2）：85-88.

[6] 劉宏巖.旱直播水稻在不同水分管理下高產(chǎn)高效的生理基礎(chǔ)研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

[7] 陳 ?葦，盧婉芳，段彬伍，等.稻草還田對晚稻稻田甲烷排放的影響[J].土壤學(xué)報，2002，39（2）：170-176.

[8] 焦 ?燕，黃 ?耀，宗良綱，等.有機(jī)肥施用、土壤有效銅和氮素對稻田甲烷排放的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2003，22（5）：565-569.

[9] 黃 ?勤，魏朝富，謝德體，等.不同耕作制對稻田甲烷排放通量的影響[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996，18（5）：436-439.

[10] 彭世彰，李道西，繳錫云，等.節(jié)水灌溉模式下稻田甲烷排放的季節(jié)變化[J].浙江大學(xué)學(xué)報（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版），2006，32（5）：546-550.

[11] XU Y，ZHAN M，CAO C G，et al. Improved water management to reduce greenhouse gas emissions in no-till rapeseed-rice rotations in central China[J].Agricultural， ecosystems and enviroment，2016，221：87-98.

[12] XING G X. N2O emission from cropland in China[J].Nutrient cycling in agroecosystems，1998，52：249-254.

[13] 吳 ?婕，朱鐘麟，鄭家國，等.秸稈覆蓋還田對土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2006，19（2）：192-195.

[14] 李新舉，張志國.秸稈覆蓋與秸稈翻壓還田效果比較[J].國土與自然資源研究，1999（1）：43-45.

[15] 鄭天翔，唐湘如，羅錫文，等.不同灌溉方式對精量穴直播超級稻生產(chǎn)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（8）：52-55.

[16] 何春林，郭榮發(fā)，陳 ?彪.溝灌滲透對直播水稻根系形態(tài)及功能的影響[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2003（6）：452-455.

[17] 劉少文，殷 ?敏，褚 ?光，等.長江中下游稻區(qū)不同水旱輪作模式和氮肥水平對稻田CH4排放的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019， 52（14）：2484-2499.

[18] FRENEY J R，DENMEAD O T，WATANABE I，et al. Ammonia and nitrous oxide losses following applications of ammonium sulfate to flooded rice[J].Australian journal of agricultural research，1981，32：37-45.

[19] VOURLITIS G L，OECHEL W C，HASTINGS S J，et al. The effect of soil moisture and thaw depth on CH4 flux from wet coastal tundra ecosystems on the north slope of Alaska[J].Chemosphere，1993，26（1-4）：329-337.

[20] CAI Z C，XING G X，YAN X Y，et al. Methane and nitrous oxide emissions from rice paddy fields as affected by nitrogen fertilisers and water management[J].Plant and soil，1997，196（1）：7-14.

[21] RUSCH H，RENNENBERG H. Black alder （Alnus glutinosa （L.） Gaertn.） trees mediate methane and nitrous oxide emission from the soil to the atmosphere[J].Plant and soil，1998，201（1）：1-7.