夜間增溫品種混栽對稻田土壤CH4和N2O排放的影響

楊蕙琳,婁運(yùn)生,*,劉 燕,周東雪

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/應(yīng)用氣象學(xué)院,南京 210044 2 南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210044

IPCC第五次評估報告指出,1880—2012年全球地表平均溫度升高了0.85℃,1951—2012年全球平均地表溫度的升溫速率(0.12℃/10a)幾乎是1880年以來升溫速率的兩倍,未來仍將持續(xù)變暖[1]。由于地理、氣候因子的交互影響,溫度上升存在明顯的季節(jié)及晝夜不對稱性,即冬春季增幅顯著高于夏秋季,夜間增幅顯著高于白天[2- 3]。大氣中溫室氣體濃度增加是氣候變暖的重要原因。甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是兩種主要溫室氣體,稻田是CH4和N2O的重要排放源[4- 6]。水稻是我國最重要的口糧作物,全國60%以上的人口以稻米為主食,水稻種植面積約占全球的20%,總產(chǎn)量約占全球30%[7-8]。因此,在穩(wěn)定糧食生產(chǎn)的情況下,減少溫室氣體排放已成為水稻生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化研究普遍關(guān)注的問題。

氣候變暖對水稻生產(chǎn)及 CH4和 N2O 的排放的影響日益受到人們關(guān)注。模擬溫度升高導(dǎo)致熱帶、亞熱帶地區(qū)水稻分蘗數(shù)減少,生育期縮短,葉片衰老加快,生物量降低,有效穗數(shù)和穗粒數(shù)減少,導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量下降[9- 12]。培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在一定溫度范圍內(nèi),CH4產(chǎn)生量隨溫度升高而增加。硝化和反硝化作用的N2O產(chǎn)生量均隨溫度升高而增加[6,13-14]。田間模擬增溫試驗(yàn)表明,增溫可促進(jìn)稻田CH4和N2O產(chǎn)生排放,但迄今有關(guān)田間增溫試驗(yàn)的報道依然偏少,且多為短期試驗(yàn),還需進(jìn)一步開展研究[15-17]。

氣候變暖將使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加,增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性是應(yīng)對氣候變化的重要措施。生物多樣性增加可使系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn),作物混合種植影響植株冠層、光能利用率、光合特性及生產(chǎn)力,增強(qiáng)作物抗病能力,可顯著提高產(chǎn)量,促進(jìn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[18- 22]。物種多樣性對土壤溫室氣體排放也有影響。據(jù)報道,人工濕地的溫室氣體排放隨物種豐富度的增加而增加[23]；而自然濕地系統(tǒng)中,植物種群或物種豐富度增加,可提升固碳能力,顯著減少氨揮發(fā)及溫室氣體排放[24-25]；也有學(xué)者認(rèn)為,濕地挺水植物的物種數(shù)量對CH4排放無顯著影響[26]?？梢?目前有關(guān)物種多樣性對溫室氣體排放的影響,尚無定論。此外,現(xiàn)有報道多基于自然濕地系統(tǒng),而對人工稻田系統(tǒng)尚缺少關(guān)注。

有關(guān)夜間增溫或品種混栽對水稻生產(chǎn)的影響已有報道,但二者耦合對水稻生產(chǎn)、稻田CH4和N2O排放、綜合增溫潛勢及溫室氣體強(qiáng)度的影響,目前尚不清楚。因此,通過田間試驗(yàn)研究夜間增溫下品種混栽對水稻生產(chǎn)及稻田土壤CH4、N2O排放的影響,對提高水稻生產(chǎn)應(yīng)對和適應(yīng)氣候變化的能力有積極意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2018年5月至10月在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(32.0°N,118.8°E)內(nèi)進(jìn)行。該站地處亞熱帶濕潤氣候區(qū),年均降水量1100 mm,年均氣溫15.6℃。供試土壤為潴育型水稻土,灰馬肝土屬,質(zhì)地為壤質(zhì)粘土,粘粒含量為26.1%,pH為6.2(1:1土水比),全碳、全氮的含量分別為19.4、1.45 g/kg。供試水稻品種為南粳9108(主栽,粳型常規(guī)稻,江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育)和深兩優(yōu)884(次栽,秈型兩系雜交稻,浙江勿忘農(nóng)種業(yè)有限公司選育),兩個品種平均產(chǎn)量分別為9781.5 kg/hm2和8703.0 kg/hm2,株高分別為96 cm和118 cm,全生育期分別為153 d和132 d。供試氮磷鉀肥料為高濃度復(fù)合肥(15—15—15)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采取兩因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),夜間增溫設(shè)2水平,即對照(CK,control)和增溫(NW,nighttime warming)。品種混栽2水平,即混作(I,intercropping),單作(M,monocropping)。品種混栽,即主栽品種(南粳9108)與次栽品種(雜交稻深兩優(yōu)884)以3:1的比例栽植,混栽小區(qū)內(nèi)3行粳稻和1行雜交稻混栽。試驗(yàn)設(shè)置4個處理,即(1)品種混栽+夜間增溫(I+NW)；(2)品種混栽+不增溫(I+CK)；(3)單作+不增溫(M+CK)；(4)單作+夜間增溫(M+NW)。夜間增溫處理,采用開放式被動增溫方式,增溫處理從水稻分蘗期開始,在小區(qū)四周安裝高度可調(diào)式鋼管支架(2 m×2 m×2 m),將鋁箔反光膜固定于支架頂端,夜間(19:00—6:00)用鋁箔反光膜覆蓋水稻冠層,隨水稻生長發(fā)育進(jìn)程,及時調(diào)整鋼管支架,使鋁箔反光膜與水稻冠層之間的距離保持0.3 m左右。除特殊天氣(降雨、大風(fēng)等)外,每天于日落(19:00)人工覆蓋反光膜,日出(次日6:00)揭開反光膜。同時,用溫度記錄儀自動記錄水稻冠層及5 cm土層溫度。每處理重復(fù)3次,隨機(jī)排列。小區(qū)面積為2 m×2 m=4 m2。

水稻種子經(jīng)消毒、浸種,在35℃培養(yǎng)箱中催芽,于2018年5月10日播種、育苗。水稻幼苗于6月9日移栽,株行距為20 cm×20 cm。前茬作物為冬小麥,試驗(yàn)田經(jīng)耕作、整地,幼苗移栽前1d施肥,每小區(qū)施入復(fù)合肥(15—15—15)315 g,相當(dāng)于氮磷鉀(N—P2O5—K2O)施用量均為200 kg/hm2。水稻生長期保持水層厚度5 cm,根據(jù)水層變化及降雨情況進(jìn)行合理灌溉。7月27日至8月10日曬田,而后灌溉復(fù)水,9月22日停止灌溉直到10月20日收獲。大田常規(guī)管理,病蟲害防治依據(jù)田間實(shí)際情況進(jìn)行。

1.3 測定方法

1.3.1生物量及產(chǎn)量測定

在水稻主要生育期內(nèi),即分蘗期、拔節(jié)期、抽穗-揚(yáng)花期、乳熟期、成熟期,分別采集植株樣品,每個小區(qū)隨機(jī)選取長勢較一致的3株水稻,混栽小區(qū)選擇主栽品種。采集的水稻植株樣依根、莖、葉和穗部分開,稻根用自來水沖洗干凈,分別稱取鮮重,而后放入牛皮紙袋中于105℃鼓風(fēng)烘箱內(nèi)殺青20 min,之后將烘箱溫度調(diào)至70℃繼續(xù)烘干至恒重并稱取干重。

在成熟收獲期內(nèi),每個小區(qū)選取有代表性的水稻植株作為采樣區(qū)(0.5 m×0.5 m),采集稻穗后,先曬干,再用小型脫粒機(jī)脫粒后稱重得到稻谷干重。選取少量稻粒置于烘箱烘至恒重,測定含水量。稻谷標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量計(jì)算公式如下：

RY=DW/(1-w)

(1)

式中,RY代表水稻的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量,單位是t/hm2；DW表示稻谷烘干重量,單位t/hm2；w代表稻谷標(biāo)準(zhǔn)含水量(適合存放的含水量)。

1.3.2氣體采集與分析

采用密閉靜態(tài)箱—?dú)庀嗌V法測定稻田CH4和N2O排放通量。自水稻移栽后30d(7月8日)至成熟收獲期(10月20日)每周采樣1次,采樣時間為上午8:00—11:00。所用密閉靜態(tài)箱由圓柱狀PVC材料制作,底部半徑為8.5 cm。為盡量降低采樣對大田試驗(yàn)環(huán)境干擾,在采樣區(qū)域事先搭設(shè)棧橋。采氣時將靜態(tài)箱安置于事先固定于土壤中的底座上,通過大田淹水層密封以保證箱內(nèi)氣密性。密封后,接通電源驅(qū)動固定于箱頂部的微型直流風(fēng)扇15 s,以混勻箱內(nèi)氣體。而后分別于封箱后0、15、30 min,用帶有三通閥的PVC注射器采集箱內(nèi)氣樣50 mL,將所采氣樣注入事先抽成真空的玻璃瓶中,帶回實(shí)驗(yàn)室,用氣相色譜儀(Agilent 7890B)測定氣樣中CH4和N2O濃度。色譜測定條件為：FID檢測器溫度200℃,柱箱溫度50℃,載氣N2(流量校正不會影響尾吹氣或燃?xì)饬髁?,空氣和H2流量分別為400 mL/min和45 mL/min。在氣樣采集的同時,記錄箱內(nèi)氣溫、環(huán)境氣溫及5 cm土溫。CH4和N2O排放通量計(jì)算公式為：

(2)

式中,F表示甲烷和氧化亞氮的排放通量(mg m-2h-1)；ρ表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度,甲烷為0.714 kg/m3,氧化亞氮為1.25 kg/m3；H為靜態(tài)箱的氣室高度(m)；T表示理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣溫度,一般為273.15 K；t表示采氣時箱內(nèi)的平均溫度,單位℃；dc/dt表示目標(biāo)溫室氣體濃度隨時間變化的回歸曲線斜率。

水稻不同生育期和全生育期CH4和N2O累積排放量計(jì)算公式為：

(3)

式中,T表示溫室氣體累積排放量,單位為mg/m2；Fi+1與Fi分別是第i+1次和i次采氣時的平均氣體排放通量,單位為mg m-2h-1；Di+1、Di為第i+1次和i次試驗(yàn)的時間(d)；f表示單位換算系數(shù),無固定指定值。

1.3.3全球增溫潛勢計(jì)算

全球增溫潛勢(Global Warming Potential,GWP)的計(jì)算,是基于IPCC溫室氣體清單方法,以CO2作為參考?xì)怏w(CO2的GWP值為1),在百年尺度上,CH4和N2O的GWP值分別是CO2的28倍和265倍[1],其綜合增溫潛勢的計(jì)算公式如下：

GWP=TCH4×28+TN2O×265

(4)

式中,GWP表示全球增溫潛勢(kg/hm2),即甲烷和氧化亞氮排放量的總CO2當(dāng)量；TCH4表示水稻全生育期的CH4累積排放量；TN2O表示水稻全生育期的N2O的累積排放量。

1.3.4溫室氣體排放強(qiáng)度計(jì)算

溫室氣體排放強(qiáng)度代表單位產(chǎn)量內(nèi)的全球增溫潛勢。計(jì)算公式如下：

GHGI=GWP/RY

(5)

式中,GHGI是溫室氣體排放強(qiáng)度,單位是kg/t；GWP是全球增溫潛勢(kg/hm2)；RY是水稻的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量(t/hm2)。

1.3.5數(shù)據(jù)處理與分析

采用統(tǒng)計(jì)分析軟件(IBM SPSS Statistics 21.0)對不同處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較(LSD)。利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 夜間增溫下品種混栽對水稻生長的影響

從表1可看出,品種混栽顯著降低水稻地上部干重、地下部干重(根干重)及分蘗數(shù)。夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)使地上部干重、根干重、總干物質(zhì)量及分蘗數(shù)分別比對照(M+NW)減少13.14%、59.54%、19.59%和10.43%。不增溫條件下,品種混栽處理(I+CK)使地上部、地下部、全株干重及分蘗數(shù)分別比對照(M+CK)降低29.89%、37.46%、30.77%和2.66%?？梢?無論夜間增溫與否,品種混栽均顯著降低地上部干重、根干重、總干物質(zhì)重及分蘗數(shù)。

夜間增溫也顯著降低地上部干重、地下部干重、全株干物質(zhì)重及分蘗數(shù)。品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)使地上部干重、地下部干重、全株干物質(zhì)重及分蘗數(shù)分別比對照(I+CK)降低9.46%、40.58%、12.64%和11.69%。粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)使地上部、地下部、全株干物質(zhì)重及分蘗數(shù)分別比對照(M+CK)降低26.92%、8.16%、24.79%和4.04%,但根干重和分蘗數(shù)并沒有達(dá)到顯著性差異,說明增溫對地下部干重和分蘗數(shù)沒有顯著影響。品種混栽和夜間增溫交互作用(I×NW)顯著降低地上部干重、地下部干重和全株干物質(zhì)重,而對單株分蘗數(shù)沒有顯著影響。

表1 夜間增溫下品種混栽對水稻干物重及分蘗數(shù)的影響

2.2 夜間增溫下品種混栽對水稻CH4排放通量的影響

圖1表明,整個水稻生長期間,不同處理的稻田土壤CH4排放通量變化趨勢基本一致,均為低—高—低的變化趨勢。水稻移栽后第30天內(nèi),CH4排放通量較低,之后逐漸上升,至移栽后第49天達(dá)排放峰值,之后排水曬田,至第63天結(jié)束。曬田期間,CH4排放通量急劇降低,在第63天降至最低。曬田結(jié)束后復(fù)水,CH4排放通量逐漸升高,在第84天出現(xiàn)一個高峰,成熟期停止灌水自然落干,之后CH4排放通量逐漸降低,直至成熟收獲,排放量接近0。

圖1 夜間增溫下品種混栽對水稻田CH4排放通量變化過程的影響Fig.1 Effect of rice intercropping on seasonal variation of CH4 fluxes in paddy field under nighttime warmingI+NW：品種混栽+夜間增溫,intercropping+nighttime warming；I+CK：品種混栽+不增溫,intercropping+non-warmed control；M+CK：單作+不增溫,monocropping+non-warmed control；M+NW：單作+夜間增溫,monocropping+nighttime warming

不同處理的水稻全生育期平均CH4排放通量呈現(xiàn)為：I+NW>M+NW>I+CK>M+CK。夜間增溫使稻田CH4排放通量呈增加趨勢。水稻移栽后第30天至49天(拔節(jié)初期),品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)的稻田CH4排放通量的4次觀測值,比對照(I+CK)提高184.74%、124.20%、135.99%和89.57%。而粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)的稻田CH4排放通量的4次觀測值,分別比對照(M+CK)高44.36%、43.46%、53.14%和34.27%。同樣,品種混栽也可明顯提高稻田CH4排放通量。夜間增溫條件下,第30—49天內(nèi),品種混栽處理(I+NW)的稻田CH4排放通量的4次觀測值,分別高于凈栽對照(M+NW)97.24%、56.29%、53.45%和41.18%。夜間不增溫或常溫條件下,品種混栽處理(I+CK)的稻田CH4排放通量的4次觀測值,分別高于凈栽對照(M+CK)39.91%、41.40%、19.29%和33.16%?？梢?品種混栽或夜間增溫均明顯提高稻田CH4排放通量。

2.3 夜間增溫下品種混栽對水稻不同生育期CH4累積排放量的影響

由表2可見,不同處理的CH4累積排放量在不同生育期所占比例基本一致。CH4累積排放量在分蘗期最高,約占全生育期的61.41%—68.99%；拔節(jié)—孕穗期次之,占全生育期的18.28%—22.37%；抽穗—揚(yáng)花期、灌漿—成熟期CH4排放較少,分別占全生育期的4.58%—7.58%和4.06%—12.24%。

表2 夜間增溫下品種混栽對水稻不同生育期CH4累積排放量的影響

不同生育期內(nèi),品種混栽或夜間增溫均顯著提高CH4累積排放量。品種混栽條件下,夜間增溫(I+NW)處理的稻田CH4累積排放量在分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、抽穗—揚(yáng)花期、灌漿—成熟期及全生育期,均高于不增溫對照處理(I+CK)72.07%、50.30%、56.68%、93.33%和68.74%。粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)的稻田CH4累積排放量在上述生育期,分別比不增溫對照處理(M+CK)增加45.15%、39.11%、159.26%和231.43%,全生育期增加56.59%。品種混栽均使稻田CH4累積排放量顯著增加。夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)稻田CH4累積排放量在上述生育期及全生育期,分別高于凈栽對照處理(M+NW)55.32%、45.89%、43.49%、125.82%和58.61%。夜間不增溫或常溫條件下,品種混栽處理(I+CK)稻田CH4累積排放量,在上述生育期比凈栽對照處理(M+CK)分別增加31.02%、35.03%、137.44%和287.13%,全生育期則增加47.19%。可見,水稻整個生育期內(nèi),夜間增溫或品種混栽均顯著增加稻田CH4累積排放量(P≤0.05),與單因素作用相比,夜間增溫和品種混栽交互作用(I×NW)顯著提高稻田分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、灌漿—成熟期和全生育期CH4累積排放量,而在抽穗—揚(yáng)花期則沒有顯著影響。

2.4 夜間增溫下品種混栽對水稻N2O排放通量的影響

從圖2可知,水稻生長期內(nèi),不同處理稻田土壤N2O排放通量季節(jié)變化,均呈現(xiàn)為低—高—低的變化趨勢。水稻移栽后第30天開始,N2O排放通量較低,移栽后第49天排放通量逐漸增加,至第63天達(dá)排放峰值。隨后曬田結(jié)束復(fù)水,N2O排放通量逐漸降低,漸趨于平緩,成熟期停止灌水自然落干,N2O排放通量小幅上升。

圖2 夜間增溫下品種混栽對水稻田N2O排放通量變化過程的影響Fig.2 Effect of rice intercropping on seasonal variation of N2O fluxes in paddy field under nighttime warming

品種混栽使N2O排放通量顯著增加。夜間增溫條件下,水稻移栽后第57天至72天,品種混栽處理(I+NW)的稻田N2O排放通量的3次觀測值比粳稻凈栽處理(M+NW)提高71.30%、25.08%和259.76%。移栽后第134天(成熟期),夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)N2O排放通量觀測值高于粳稻凈栽處理(M+NW)142.13%。夜間不增溫或常溫條件下,移栽后第57天至72天,品種混栽處理(I+CK)比粳稻凈栽處理(M+CK)的稻田N2O排放通量的3次觀測值,分別提高45.77%、31.57%和106.84%。移栽后第134天 N2O排放通量觀測值品種混栽處理(I+CK)比凈栽處理(M+CK)提高5.05%。

夜間增溫對N2O排放通量的影響在不同生育期存在差異。水稻移栽后第57天至72天(拔節(jié)后期,抽穗初期),品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)的稻田N2O排放通量的3次觀測值與不增溫處理(I+CK)相比,分別提高131.65%、20.90%和162.48%。粳稻凈栽條件下,增溫處理(M+NW)的稻田N2O排放通量的3次觀測值分別高于不增溫處理(M+CK)97.13%、27.18%和50.91%。移栽后第134天,品種混栽條件下,增溫處理(I+NW)N2O排放通量比不增溫處理提高59.33%。而在粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)稻田N2O排放通量比不增溫處理(M+CK)降低44.67%?？梢?品種混栽顯著提高N2O排放,夜間增溫在水稻拔節(jié)—抽穗期顯著促進(jìn)N2O排放,在成熟期,則降低粳稻凈栽處理(M+NW)N2O排放通量。

2.5 夜間增溫下品種混栽對水稻不同生育期N2O累積排放量的影響

由表3可見,N2O累積排放量在拔節(jié)—孕穗期最高,約占全生育期排放量的47.47%—63.78%；其次是灌漿—成熟期,占全生育期的15.11%—29.65%；分蘗期和抽穗—揚(yáng)花期N2O排放較少,分別占全生育期的7.27%—10.18%和6.13%—12.75%。

夜間增溫顯著提高水稻全生育期N2O累積排放量,但不同生育期存在差異。品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)在分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、抽穗—揚(yáng)花期及全生育期的N2O累積排放量,分別高于不增溫對照處理(I+CK)20.02%、54.25%、171.13%和36.54%,但在灌漿—成熟期卻低于不增溫對照處理(I+CK)24.25%。粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)稻田N2O累積排放量,在拔節(jié)—孕穗期、抽穗—揚(yáng)花期及全生育期,均高于不增溫對照處理(M+CK)40.58%、2.85%和14.67%,在分蘗期和灌漿—成熟期低于不增溫對照(M+CK)17.68%和10.64%。品種混栽顯著促進(jìn)對全生育期N2O累積排放量。夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)稻田N2O累積排放量,在分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、抽穗—揚(yáng)花期及全生育期,分別高于凈栽處理(M+NW)64.44%、46.26%、42.07%和33.46%,在灌漿—成熟期低于凈栽處理(M+NW)12.73%。夜間不增溫或常溫條件下,品種混栽處理(I+CK)稻田N2O累積排放量,在分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、灌漿—成熟期及全生育期,分別比粳稻凈栽對照處理(M+CK)提高12.78%、33.29%、2.94%和12.08%,抽穗—揚(yáng)花期低于凈栽對照處理(M+CK)46.11%?？梢?水稻整個生育期內(nèi),夜間增溫或品種混栽均顯著增加稻田N2O累積排放量(P≤0.05),但在不同生育期存在差異。進(jìn)一步分析表明,夜間增溫和品種混栽交互作用(I×NW)顯著提高稻田分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、抽穗—揚(yáng)花期、灌漿—成熟期和全生育期N2O累積排放量。

表3 夜間增溫下品種混栽對水稻不同生育期N2O累積排放量的影響

2.6 夜間增溫下品種混栽對水稻綜合增溫潛勢的影響

由表4可見,不同處理稻田CH4增溫潛勢占綜合增溫潛勢的比例均較高,約為76.15%—83.84%；相反,N2O增溫潛勢占綜合增溫潛勢的比例均較低,約為16.16%—23.84%。

表4 夜間增溫下品種混栽對稻田增溫潛勢的影響

夜間增溫顯著提高了稻田CH4和N2O增溫潛勢。品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)稻田CH4和N2O的增溫潛勢及綜合增溫潛勢,分別高于不增溫對照處理(I+CK)68.74%、36.54%和62.55%。粳稻凈栽條件下,增溫處理(M+NW)稻田CH4和N2O增溫潛勢及綜合增溫潛勢,分別比不增溫對照處理(M+CK)升高56.77%、14.67%和46.71%。同樣,品種混栽也顯著提高了稻田CH4和N2O增溫潛勢。夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)稻田CH4和N2O增溫潛勢及綜合增溫潛勢,分別高于粳稻凈栽處理(M+NW)稻田58.61%、33.45%和53.92%。不增溫或常溫條件下,品種混栽處理(I+CK)稻田CH4和N2O增溫潛勢及綜合增溫潛勢,分別比凈栽對照處理(M+CK)稻田提高47.36%、12.08%和38.93%?？梢?夜間增溫或品種混栽均顯著增加稻田CH4和N2O增溫潛勢及其綜合增溫潛勢(P≤0.05)。夜間增溫和品種混栽(I×NW)交互作用顯著提高稻田CH4和N2O增溫潛勢及其綜合增溫潛勢。

2.7 夜間增溫下品種混栽對稻田排放強(qiáng)度的影響

從表5看出,夜間增溫顯著降低水稻標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)水稻的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量比不增溫對照(I+CK)降低16.64%。粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)水稻的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量,顯著低于不增溫對照(M+CK)21.49%。相反,品種混栽顯著提高水稻標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)水稻標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量,比凈栽對照處理(M+NW)顯著提高20.14%。不增溫或常溫條件下,品種混栽(I+CK)處理水稻標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量顯著高于凈栽(M+CK)處理13.14%。夜間增溫和品種混栽(I×NW)交互作用對水稻產(chǎn)量影響未達(dá)顯著水平,品種混栽在一定程度上可緩解夜間增溫對水稻產(chǎn)量的不利影響。

溫室氣體排放強(qiáng)度(Greenhouse gas emission intensity,簡稱排放強(qiáng)度)主要取決于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量和溫室氣體累積排放量。夜間增溫顯著提高稻田CH4和N2O排放強(qiáng)度。品種混栽條件下,夜間增溫處理(I+NW)稻田的排放強(qiáng)度,顯著高于不增溫對照處理(I+CK)95.72%。粳稻凈栽條件下,夜間增溫處理(M+NW)稻田的排放強(qiáng)度,顯著高于不增溫處理(M+CK)86.96%。同樣,品種混栽也顯著提高稻田的排放強(qiáng)度。夜間增溫條件下,品種混栽處理(I+NW)與凈栽處理(M+NW)相比,稻田排放強(qiáng)度提高28.62%。不增溫或常溫條件下,品種混栽處理(I+CK)稻田排放強(qiáng)度,顯著高于凈栽對照處理(M+CK)22.86%。可見,夜間增溫或品種混栽均顯著提高稻田排放強(qiáng)度(P≤0.05),但二者交互作用的影響未達(dá)顯著水平。

表5 夜間增溫下品種混栽對水稻標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量及溫室氣體排放強(qiáng)度的影響

3 討論

3.1 夜間增溫下品種混栽對水稻生長的影響

夜間增溫顯著降低水稻植株分蘗數(shù)、地上部和根系干物質(zhì)量及產(chǎn)量(表1,表5)。原因在于,夜間增溫下水稻生長發(fā)育受阻,干物質(zhì)積累降低,葉片、莖稈衰老加快,穎花分化受抑,花粉萌發(fā)受阻,有效穗數(shù)降低,空秕率增加,產(chǎn)量下降[9-11]。

品種混栽使水稻地上部和根系干物質(zhì)量、分蘗數(shù)顯著降低,而產(chǎn)量顯著增加(表1,表5)。原因在于,不同品種株高、株型等差異,使混栽水稻植株更有利于接收太陽有效輻射,提高光合速率,使有效穗數(shù)增加,產(chǎn)量提高[27- 33],但品種混栽可能因種間競爭,使植株生長受抑制,引起分蘗數(shù)、生物量下降。品種混栽表現(xiàn)為全株生物量和產(chǎn)量之間的反向變化機(jī)制,原因可能在于,(1)品種混栽所形成的生物群落存在補(bǔ)償、互補(bǔ)和助長效應(yīng)[20],雜交稻可能比粳稻具有偏高的收獲指數(shù),從而使水稻產(chǎn)量增加；(2)水稻產(chǎn)量可能是由于有效穗數(shù),每穗粒數(shù),結(jié)實(shí)率和千粒重的增加而提高的；(3)水稻生物量地上部分為莖、葉和穗,可能對于莖葉干物質(zhì)重降低,而穗干物質(zhì)重升高。

品種混栽可緩解夜間增溫對水稻產(chǎn)量的不利影響,原因可能在于,品種混栽存在互補(bǔ)效應(yīng),對水分、光照等資源的利用效率更高[34]；品種混栽形成特有系統(tǒng),增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性,改善不利于作物生長發(fā)育的環(huán)境,促進(jìn)水稻穩(wěn)產(chǎn)。

3.2 夜間增溫下品種混栽對水稻CH4排放的影響

稻田CH4排放通量在水稻生育期存在2個峰值(圖1),第一個峰值出現(xiàn)于水稻移栽后第49天,此時水稻處于分蘗盛期,春夏之交氣溫逐漸升高,隨淹水時間的延長,極端厭氧環(huán)境形成,水稻分蘗加快,根系分泌增強(qiáng),促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌活動,CH4排放隨之升高,在移栽后第49天達(dá)到峰值。移栽后第63天曬田結(jié)束,復(fù)水灌溉,此時水稻處于拔節(jié)末期—抽穗初期,生長旺盛,CH4排放通量逐漸升高,至移栽后第84天出現(xiàn)第二個高峰,但數(shù)值遠(yuǎn)低于第一個峰值,而后,CH4排放通量持續(xù)下降維持較低水平。本試驗(yàn)中稻田全生育期CH4排放量偏低,原因可能在于,一是采用中期曬田的水分管理方式,曬田改善了土壤通氣性,提高了土壤氧化還原電位,覆水后閉蓄氧的存在抑制了CH4的產(chǎn)生；二是供試稻田質(zhì)地粘重,粘粒的物理保護(hù)減少了有機(jī)質(zhì)分解,粘質(zhì)土壤中氣體擴(kuò)散作用較弱不利于甲烷擴(kuò)散,此外,粘質(zhì)土壤的緩沖性強(qiáng),有助于維持較高的氧化還原電位[35]。

夜間增溫下稻田CH4排放通量和累積排放量增加(圖1,表2),但顯著降低水稻植株分蘗數(shù)、地上部和根系干物質(zhì)量(表1),可能是由于,(1)溫度升高使植株呼吸作用加強(qiáng),引起CO2濃度增加,O2濃度減少,有利于土壤厭氧環(huán)境的形成[14,36- 38]；(2)夜間增溫使水稻植株分蘗提早凋萎,莖葉凋落物或根系脫落物為產(chǎn)甲烷菌提供較多有機(jī)物,促進(jìn)CH4產(chǎn)生排放；(3)稻田CH4排放量與生物量成反比,生物量高的植株將較多的碳固定于植株中,以降低CH4排放,反之亦然[39]。品種混栽顯著提高稻田CH4排放通量和累積排放量(圖1,表2),其原因可能為,品種混栽下光利用率提高,光合速率提高,根系分泌增強(qiáng),促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌活性,有利于CH4產(chǎn)生排放[24],夜間增溫和品種混栽。但也有學(xué)者認(rèn)為,濕地生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性增加沒有導(dǎo)致CH4排放量增加[26]。迄今關(guān)于混栽或物種多樣性對稻田CH4排放的影響研究報道較少,還需進(jìn)一步研究。

3.3 夜間增溫下品種混栽對水稻N2O排放的影響

水稻整個生育期內(nèi),稻田N2O排放通量呈單峰變化趨勢(圖2)。水稻移栽后,持續(xù)灌溉淹水狀態(tài)降低N2O產(chǎn)生排放。移栽后第49天排水曬田,干濕交替促進(jìn)土壤硝化作用及反硝化作用,引起稻田N2O產(chǎn)生排放升高[40],至移栽后第63天(曬田結(jié)束)稻田N2O產(chǎn)生排放達(dá)峰值。曬田結(jié)束并灌溉覆水,N2O排放逐漸降低,并維持較低水平。成熟期N2O呈現(xiàn)波動變化趨勢,原因在于臨近收獲時停止灌溉,土壤表面逐漸干涸,破壞了淹水厭氧環(huán)境,干濕交替雖有利于土壤硝化細(xì)菌或反硝化細(xì)菌活動,但此時夏秋之交氣溫波動較大,引起N2O排放呈波動趨勢。本試驗(yàn)中N2O排放因子偏高的原因可能是,中期曬田導(dǎo)致厭氧環(huán)境遭到破壞,促進(jìn)土壤N2O的產(chǎn)生排放；植株根系活力增強(qiáng),泌氧能力提高,促進(jìn)硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌代謝有機(jī)物質(zhì),利于N2O排放[41]；供試兩個水稻品種生育期存在差異,通量觀測延長至雜交稻成熟后4周,后期停止灌溉使N2O排放增加,導(dǎo)致累積排放量提高。

夜間增溫顯著提高稻田N2O排放通量和累積排放量(圖2,表3),原因可能在于,增溫促進(jìn)了土壤N2O產(chǎn)生相關(guān)微生物活性,使N2O產(chǎn)生排放增加[42-43]。N2O排放較高的時期是拔節(jié)—孕穗期,與CH4排放表現(xiàn)為消長關(guān)系[44]。拔節(jié)—孕穗期是水稻生長關(guān)鍵期,此時處于排水曬田期間,土壤通氣性改善,土壤氧化還原電位升高,促進(jìn)了硝化和反硝化細(xì)菌活性,而抑制了產(chǎn)甲烷菌活性[45]。品種混栽顯著促進(jìn)稻田N2O排放(表3),原因可能在于,品種混栽下種間競爭使分蘗數(shù)減少,有效分蘗增加,氮素吸收消耗減少,土壤含氮量較高,硝化及反硝化細(xì)菌活性提高,促進(jìn)N2O產(chǎn)生排放；促進(jìn)作物根系分泌物分泌量的提高,促進(jìn)反硝化細(xì)菌的生長和繁殖,從而提高N2O排放量,但相關(guān)作用機(jī)制或原因還需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

夜間增溫下品種混栽顯著抑制水稻生長發(fā)育,減少水稻分蘗數(shù),降低干物質(zhì)量。夜間增溫顯著降低產(chǎn)量,而品種混栽顯著提高產(chǎn)量。夜間增溫下品種混栽顯著提高稻田CH4、N2O排放通量及累積排放量,顯著提高全球增溫潛勢(GWP)和溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)(P≤0.05)。未來將進(jìn)一步研究夜間增溫下品種混栽對稻田土壤溫室氣體產(chǎn)生的影響機(jī)制及其應(yīng)對措施。