川中丘區(qū)主要水稻栽植品種溫室氣體排放研究

白銀萍，胡云龍，彭友林，楊國(guó)濤，蔣 芬，李 川，海江波，楊 剛，胡運(yùn)高

(1.西南科技大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010；西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 陜西楊凌 712100)

根據(jù)2013年世界氣象組織溫室氣體公報(bào)顯示，CO2、CH4和N2O的全球平均摩爾分?jǐn)?shù)在2012年達(dá)到新高，分別比工業(yè)化前(1750年之前)增加141%、260%和120%[1]。這些溫室氣體在大氣中的排放量不斷增加，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，從而導(dǎo)致全球性氣候變暖和區(qū)域極端事件頻發(fā)，產(chǎn)生嚴(yán)重的社會(huì)和生態(tài)問(wèn)題。因此，溫室氣體減排成為亟待解決的一個(gè)生態(tài)學(xué)課題廣受關(guān)注[1]。水稻是溫室氣體的主要排放源，因此，稻田溫室氣體減排也成為主要關(guān)注的焦點(diǎn)?，F(xiàn)有減排措施主要有施用生物炭和田間管理等，其溫室氣體減排速度遠(yuǎn)趕不上氣候變化背景下溫室氣體加速排放帶來(lái)的環(huán)境壓力[2-3]。所以有必要針對(duì)稻田溫室氣體減排進(jìn)行更進(jìn)一步深入研究。四川是中國(guó)保障糧食生產(chǎn)的重要地區(qū)，地形氣候異常復(fù)雜，溫室氣體排放時(shí)空變化較大[4]。四川除涼山州和攀枝花地區(qū)有少量水稻種植地，川中丘區(qū)貢獻(xiàn)了大部分種植面積和水稻產(chǎn)量[4]。川中丘區(qū)是四川冬水田分布的主要地帶，同時(shí)也是再生稻栽培的主要地區(qū)，本地區(qū)也是水稻種質(zhì)資源最豐富和雜交水稻育種的主要區(qū)域，這里的溫室氣體排放不容忽視。然而，關(guān)注該地區(qū)優(yōu)勢(shì)品種稻田溫室氣體排放狀況的研究較少。石生偉等[5]對(duì)中國(guó)稻區(qū)CH4和N2O綜合分析表明，西南地區(qū)CH4和N2O排放通量最高，CH4平均排放通量高達(dá)16.8mg·m-2·h-1。尤其是該地區(qū)獨(dú)具特色的冬水田是全國(guó)稻田中CH4排放量最高的。李侃[6]在川中丘區(qū)深丘區(qū)域(四川鹽亭)研究結(jié)果顯示，冬水田常規(guī)栽培稻田CH4排放通量為25.41mg·m-2·h-1，遠(yuǎn)高于水旱輪作(稻-麥，稻-油菜)的平均值(11.52mg·m-2·h-1)。作為中國(guó)重要的水稻產(chǎn)區(qū)，同時(shí)也是稻田溫室氣體排放量較大地域，減少該區(qū)域的稻田溫室氣體排放將是一個(gè)值得探討的議題。目前，關(guān)于川中丘區(qū)溫室氣體排放的研究主要集中于不同田間管理方式對(duì)稻田溫室氣體排放的影響[3]，涉及不同品種差異對(duì)稻田溫室氣體排放的研究較少，而本區(qū)域雜交水稻制種面積高達(dá)30000hm2，產(chǎn)種量、省際間調(diào)劑量和出口量均居全國(guó)第一，在我國(guó)雜交水稻育種科研水平上處于領(lǐng)導(dǎo)地位，培育并推廣了大量新品種[4]。因此，稻田溫室氣體排放的品種間差異不容忽視，值得深入探索。本研究擬利用靜態(tài)箱-氣相色譜法對(duì)川中丘區(qū)主要水稻栽植品種在一個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)的溫室氣體排放通量進(jìn)行觀測(cè)，了解不同品種間溫室氣體排放差異。對(duì)不同水稻栽植品種溫室氣體排放通量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有助于篩選低排放量的水稻品種，并對(duì)緩解區(qū)域氣候變化，實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排目標(biāo)起到重要作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于四川省綿陽(yáng)市西南科技大學(xué)校內(nèi)農(nóng)學(xué)專業(yè)實(shí)踐基地，北緯31°32′東經(jīng)104°41′，海拔491.4 m。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫18 ℃，年降水量超過(guò)800 mm，無(wú)霜期約有280 d，該地區(qū)耕作制度一般為一年兩熟，試驗(yàn)小區(qū)田塊為單季稻種植，5月中旬移栽，9月上旬收獲，當(dāng)年水稻收獲以后稻田處于排水閑置 狀態(tài)。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

在2017年5月選取川中丘區(qū)普遍栽培的‘川農(nóng)優(yōu)498’‘蓉18優(yōu)188’‘宜香優(yōu)1108’‘F優(yōu)498’‘川農(nóng)優(yōu)3203’5個(gè)秈稻品種為試驗(yàn)材料，這5個(gè)品種均為川內(nèi)科研單位繁育的中秈遲熟水稻品種，區(qū)組試驗(yàn)產(chǎn)量均超過(guò)9 300 kg·hm-2，在川中丘區(qū)種植產(chǎn)量高，抗性好，是該地區(qū)的優(yōu)勢(shì)稻種。試驗(yàn)研究5個(gè)品種在一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)的CO2、N2O、CH4排放通量。每個(gè)品種3次重復(fù)，各重復(fù)面積為6 m2(2 m×3 m)，3個(gè)重復(fù)為一個(gè)小區(qū)，面積為18 m2。小區(qū)之間用自制防水隔板隔開(kāi)，防止串水串肥影響試驗(yàn)效果。防止小區(qū)間串水的主要操作步驟為：田間人工堆砌了田埂，待其晾干變硬后，再次堆砌，一共堆砌了2次，最后高于水面20 cm，并包裹了兩層塑料薄膜(包括包裹水下的田埂，高度共40 cm)。以達(dá)到每個(gè)小區(qū)的肥水基本不會(huì)串的效果。

1.3 樣品采集與測(cè)試

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法[7]分析水稻一個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)(155 d)所采集的溫室氣體排放通量。分別在分蘗期(6月6日)、孕穗期(7月2日)、揚(yáng)花期(7月26日)、成熟期(8月28日)及水稻收獲后(9月14號(hào))5個(gè)時(shí)期采樣。每次采集氣體的時(shí)間控制在9：00—10：00，用靜態(tài)箱收集該時(shí)段內(nèi)稻田排放的溫室氣體，每個(gè)水稻品種設(shè)置3組對(duì)照。對(duì)所采集氣體分析其CO2、N2O和CH4濃度并計(jì)算相應(yīng)的排放通量和全球增溫潛能，以評(píng)估溫室氣體對(duì)氣候系統(tǒng)的長(zhǎng)期貢獻(xiàn)。

靜態(tài)箱由底座和頂箱構(gòu)成，底座長(zhǎng)×寬×高為50 cm×50 cm×20 cm，頂箱長(zhǎng)×寬×高為50 cm×50 cm×100 cm，箱內(nèi)頂部的頂角分別設(shè)置一個(gè)12 V的排風(fēng)扇，以混勻箱內(nèi)空氣，箱內(nèi)空氣由醫(yī)用吊瓶橡膠管引流，外部用PVC管接收，箱內(nèi)同時(shí)設(shè)置溫度傳感器，測(cè)定箱內(nèi)溫度。在每次正式測(cè)取數(shù)據(jù)前，先將靜態(tài)箱放置在田間15 min，并打開(kāi)風(fēng)扇將空氣混勻，待到9：00時(shí)進(jìn)行第1次取樣，其后每15 min取1次，共取4次，用真空管保存氣體，同時(shí)記錄每次取樣的溫度和水位。每次取樣完畢，將靜態(tài)箱頂箱撤下，只留底座，避免影響水稻正常生長(zhǎng)。

將試驗(yàn)所收集氣體的真空管送至西北農(nóng)林科技大學(xué)分析測(cè)試中心測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

溫室氣體排放通量[7]計(jì)算公式為：J=dc/dt×M/V0×P/P0×T0/T×H。式中：J為氣體排放通量(mg·m-2·h-1)，dc/dt為采樣時(shí)氣體濃度隨時(shí)間變化的直線斜率(mol·h-1)，M為被測(cè)CH4或CO2摩爾質(zhì)量(mg·mol-1)，P為采樣點(diǎn)氣壓(Pa)，T為采樣時(shí)絕對(duì)溫度(K)，H為水面及土壤層以上的采樣箱高度(m)，T0(273.15 K)、P0(1.01×105Pa)、V0(22.41×10-3m3)分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)溫度、空氣氣壓和氣體摩爾體積。

整個(gè)水稻生長(zhǎng)季溫室氣體排放總量計(jì)算公式為：N=∑(Ji+1+J1)/2×(ti+1-t1)×24。式中：N為累積排放總量(mg·m-2)；i為采樣次數(shù)，t為采樣時(shí)間，即水稻移栽到生長(zhǎng)箱后的時(shí)間。J為排放通量(mg·m-2·h-1)。不同品種水稻不同生長(zhǎng)階段的溫室氣體全球增溫潛勢(shì)采用IPCC2013中100年尺度下的溫室氣體增溫潛勢(shì)系數(shù)(GWP)(kg·hm-2)計(jì)算，根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]， GWPCH4=28N，GWPN2O=265N。

2 結(jié)果與分析

2.1 川中丘區(qū)主要水稻栽植品種溫室氣體排放特征

2.1.1 不同水稻品種一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)CH4、CO2、N2O排放特征 由表1可知，整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)，稻田是一個(gè)明顯CH4“源”，CH4排放在不同品種間差異不顯著，‘川農(nóng)優(yōu)3203’最高，是排放量最低‘川農(nóng)優(yōu)498’5.76倍。而對(duì)于CO2,‘蓉18優(yōu)188’排放量高其他4個(gè)品種。N2O排放量在各品種間無(wú)顯著差異。對(duì)3種溫室氣體進(jìn)行全球增溫潛勢(shì)發(fā)現(xiàn)，‘蓉18優(yōu)188’增溫潛勢(shì)最強(qiáng)，達(dá)到 2 747 kg·hm-2，‘F優(yōu)498’增溫潛勢(shì)最弱，為168 kg·hm-2。

表1 不同秈稻品種一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)溫室氣體排放通量Table 1 Greenhouse gas emissions from different rice varieties

注：同列不同字母表示在0.05水平差異顯著。

Note:Different letters means the significant difference at 0.05 level.

2.1.2 不同水稻品種生長(zhǎng)期CH4、CO2、N2O排放通量 由圖1可知，全生育期不同水稻品種CH4排放通量趨勢(shì)如圖1所示。綜合所有品種來(lái)看，分蘗期和孕穗期CH4排放通量較高，揚(yáng)花期和成熟期是整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)中CH4排放量較低的時(shí)段，而在水稻收割以后CH4排放具有反彈的趨勢(shì)。由圖2分蘗期的結(jié)果看，‘蓉18優(yōu)188’‘川農(nóng)優(yōu)3203’CH4排放通量顯著高于其他3個(gè)品種。而從孕穗期結(jié)果來(lái)看‘蓉18優(yōu)188’和 ‘F優(yōu)498’2個(gè)品種CH4排放通量要高于其他3個(gè)品種。綜合兩個(gè)稻田CH4排放量較高的時(shí)段，‘蓉18優(yōu)188’水稻品種CH4排放量最高，而 ‘F優(yōu)498’和‘宜香優(yōu)1108’兩個(gè)水稻品種CH4排放量最低。

由圖3可知，CO2排放特征在一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)因不同水稻品種具有明顯的差異?！ㄞr(nóng)優(yōu)498’‘F優(yōu)498’和‘川農(nóng)優(yōu)3203’這3個(gè)品種的CO2排放量在揚(yáng)花期最低，‘川農(nóng)優(yōu)498’和‘蓉18優(yōu)188’在分蘗期和成熟期具有2個(gè)峰值。

A.川農(nóng)優(yōu)498 Chuannongyou 498；B.蓉18優(yōu)188 Rong 18 you 188；C.宜香優(yōu)1108 Yixiangyou 1108；D.F優(yōu)498 Fyou 498；E.川農(nóng)優(yōu)3203 Chuannongyou 3203；下同 The same below

圖1 CH4排放通量隨生育期的變化
Fig.1 CH4emissions of different rice development periods

由圖4可知，‘供試的5個(gè)水稻品種的N2O平均排放通量均為負(fù)值，為N2O排放的匯。 ‘F優(yōu)498’N2O排放在水稻收獲后顯著降低，達(dá)到 -0.029 mg·m-2·h-1。

圖2 分蘗期與孕穗期CH4排放通量Fig.2 CH4 emissions at tillering and booting stages

圖3 CO2排放通量隨生育期的變化Fig.3 CO2 emissions of different rice development periods

圖4 N2O排放通量隨生育期變化趨勢(shì)Fig.4 N2O emissions of different rice development periods

3 討 論

稻田溫室氣體排放受到諸多因素影響，不同水稻品種CH4、N2O、CO2排放不同[9-11]，整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)有明顯差異或者在某個(gè)生育期存在高低之分。本研究發(fā)現(xiàn)，供試的5個(gè)水稻品種CH4和N2O排放通量在各個(gè)品種間差異不明顯，但兩種溫室氣體均在‘蓉18優(yōu)188’中表現(xiàn)出較高的排放量。對(duì)CO2而言，‘蓉18優(yōu)188’也顯著大于其他品種的排放通量，而‘F優(yōu)498’CO2排放量為負(fù)值，顯著低于其他品種，表現(xiàn)為CO2的匯。

本研究供試的5個(gè)品種CH4排放量為 1.12～8.93 mg·m-2·h-1，與本地區(qū)其他研究結(jié)果相比偏低[12-16]，造成這一結(jié)果的主要原因可能有兩個(gè)，一是不同土壤環(huán)境及氣候差異對(duì)CH4通量的影響，二是本試驗(yàn)未對(duì)稻田進(jìn)行施肥，而其他試驗(yàn)均有不同程度的施肥處理，施肥有助于加快CH4的排放過(guò)程。CH4排放量的最高值出現(xiàn)在稻田水位較高、水稻植株生長(zhǎng)旺盛的分蘗期和孕穗期?？赡苁怯捎诖藭r(shí)水稻植株生長(zhǎng)旺盛，根系活動(dòng)也更加活躍，導(dǎo)致CH4能夠更容易隨著水稻體內(nèi)氣體交換排放到空氣中。在水稻成熟并收割以后，CH4排放量有微小的反彈，其原因可能是依然存活的水稻根系以及稻茬仍然參與此時(shí)稻田CH4的生成與排放，且此時(shí)被切割的水稻莖稈更加利于CH4排放到地面。由此可以推斷，本地區(qū)的再生稻水稻田也將會(huì)是一個(gè)CH4的重要排放源。而對(duì)于不同水稻品種間排放通量的差異可能主要源于水稻植物地下部位的影響過(guò)程，即CH4在土壤中的產(chǎn)生或氧化[17]。在后續(xù)的研究中應(yīng)更加關(guān)注不同水稻品種地下過(guò)程的發(fā)展對(duì)CH4產(chǎn)生與排放的作用。

對(duì)于N2O排放來(lái)說(shuō)，前期學(xué)者們?cè)陂L(zhǎng)江中下游稻區(qū)和三江平原稻區(qū)測(cè)得的生長(zhǎng)季節(jié)稻田均是N2O “源”[2,18- 19]，但本試驗(yàn)5個(gè)供試品種在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)N2O平均排放量均為負(fù)通量，總體顯示為N2O的匯。但其源匯狀態(tài)在不同水稻品種的不同時(shí)期不斷轉(zhuǎn)換。因此需要進(jìn)一步研究，以揭示調(diào)控其源匯轉(zhuǎn)換的主要因子及其閾值。

本試驗(yàn)所觀測(cè)到的CO2排放通量在分蘗期較高，揚(yáng)花期有所下降，成熟期又恢復(fù)高值。水稻分蘗期CO2排放主要受根系調(diào)控，因?yàn)榉痔Y期根系生長(zhǎng)迅速，呼吸強(qiáng)烈，加之根系分泌物為微生物提供了大量底物并促進(jìn)了土壤微生物呼吸過(guò)程[20]。水稻揚(yáng)花期主要為生殖生長(zhǎng)，地下生物量分配明顯低于分蘗期，因此CO2排放通量有所下降。而在成熟期，由于稻田水位下降，氧化還原電位升高，促進(jìn)了土壤氧化過(guò)程，加速了土壤呼吸，CO2排放通量逐漸增強(qiáng)。

推廣種植溫室氣體排放較少的水稻品種是有效控制稻田溫室氣體排放的主要手段之一。本研究發(fā)現(xiàn)‘蓉18優(yōu)188’ CH4、N2O、CO23種溫室氣體排放通量均高于其他品種，可見(jiàn)，這不利于環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)的推廣。而‘F優(yōu)498’的全球增溫潛勢(shì)最低，為低氮高效型品種，可在較低氮肥利用率條件下保持較好的產(chǎn)量，具有節(jié)肥和環(huán)境友好的特點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)該品種的后續(xù)推廣。

4 結(jié) 論

5個(gè)水稻品種在一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)溫室氣體全球增溫潛勢(shì)表現(xiàn)為‘蓉18優(yōu)188’> ‘川農(nóng)優(yōu)3203’>‘宜香優(yōu)1108’> ‘川農(nóng)優(yōu)498’>‘F優(yōu)498’。綜合CH4、N2O、CO23種溫室氣體排放通量，‘蓉18優(yōu)188’是一個(gè)溫室氣體排放量較高的水稻品種，而‘F優(yōu)498’是溫室氣體排放較低的品種。在后續(xù)水稻品種栽植過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先選取環(huán)境友好型水稻品種進(jìn)行種植。除此之外，應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)藝措施管理，在水稻收獲后及時(shí)對(duì)田地疏干排水，以避免再生稻的溫室氣體排放。