不同播期粳稻稻田甲烷排放及綜合效益研究

黨慧慧，劉超，伍翥嶸，王圓媛，胡正華，李琪，陳書濤

南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京 210044

氣候變暖問題為全球普遍關(guān)注，甲烷（CH4）作為大氣中僅次于二氧化碳（CO2）的重要溫室氣體，對全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)高達(dá)15%（Kirschke et al.，2013）。單位質(zhì)量 CH4排放所引起的溫室效應(yīng)是單位質(zhì)量CO2排放所引起溫室效應(yīng)的28倍（IPCC，2013）。稻田是重要的 CH4排放源，水稻種植過程中產(chǎn)生的 CH4約占全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動 CH4總排放量的10%—20%（Saunois et al.，2020）。水稻是世界三大主要糧食作物之一，全球50%以上的人口以大米為主食，水稻種植面積約為1.61×108hm2。預(yù)計(jì)到2050年，全球水稻產(chǎn)量仍需提高30%左右才能滿足人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對稻米的需求（江瑜等，2020），基于這種背景下，稻田CH4排放量將呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。因此，如何有效減少稻田CH4排放仍是近年來農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，對減緩氣候變暖具有直接效應(yīng)（田昌等，2019）。

合理的水稻播期不僅是實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵（符冠富等，2009），同時也可能有利于減少稻田CH4排放。研究表明水稻植株當(dāng)季光合產(chǎn)物是稻田CH4排放的主要碳源（Tokida et al.，2011；Simmonds et al.，2015）。水稻各發(fā)育進(jìn)程受播期影響較大，延期播種會改變各生育期長短和群體光合積累時間，造成水稻生育進(jìn)程延遲，全生育期積溫和日照時數(shù)減少，光合產(chǎn)物減少，從而減少稻田CH4排放（Quan et al.，2012）。但是延期播種也會造成水稻生育期縮短，灌漿速率降低，地上部干物質(zhì)積累量減少，導(dǎo)致產(chǎn)量下降（許軻等，2013）。因此需要用一個估算水稻產(chǎn)量、稻田CH4排放量和農(nóng)藝投入的綜合效益指標(biāo)，來評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性（盛鋒，2019）。

水稻延期播種，基于CH4減排的生產(chǎn)綜合效益是否也會降低是值得研究的問題。近年來研究多集中在播期對水稻生育進(jìn)程及產(chǎn)量的影響（艾磊，2016；徐年龍等，2020）、CH4排放的影響因素以及稻田CH4排放量的監(jiān)測等方面（魏海蘋等，2012；沈?qū)W良等，2020），然而對于不同播期下稻田CH4排放差異和基于CH4減排的水稻生產(chǎn)綜合效益鮮見報(bào)道。如何在確保水稻豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的同時，實(shí)現(xiàn)稻田CH4減排是現(xiàn)代水稻生產(chǎn)面臨的新挑戰(zhàn)，因此本研究以粳稻（南粳9108）為試驗(yàn)材料，開展連續(xù)兩年的分期播種（播期相差10 d）試驗(yàn)，研究不同播期處理下粳稻稻田CH4的排放特征及其綜合效益，對于優(yōu)選最佳播期實(shí)現(xiàn)水稻豐產(chǎn)和溫室氣體減排具有一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于江蘇省南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象與生態(tài)試驗(yàn)站（32°16′N，118°86′E），屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量為1110 mm，相對濕度為76%，年平均溫度為 15.6 ℃。供試土壤為潴育型水稻土（灰馬肝土屬），耕作層為壤質(zhì)粘土，其中，黏粒的含量為26.1%，pH（H2O）值為6.3，有機(jī)碳含量為11.66 g·kg?1，全氮含量為 1.19 g·kg?1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2019和2020年水稻生長季開展不同播期田間試驗(yàn)，供試粳稻品種為南粳9108（全生育期149—153 d）。試驗(yàn)設(shè)2個播期：延期播種（Ⅱ期）的播種和移栽時間均比對照（Ⅰ期）延遲10 d。2019年水稻生長季，Ⅰ期水稻于6月1日播種，Ⅱ期水稻于6月11日播種。2020年水稻生長季，Ⅰ期水稻于5月29日播種，Ⅱ期水稻于6月8日播種。每個播期處理設(shè) 3個重復(fù)，每個小區(qū)面積為 13.5 m2（4.5 m×3 m），小區(qū)間用田埂隔開，以防竄水竄肥。水稻移栽時，每個小區(qū)移栽插株為13列23行。不同播期的施肥及田間管理方式相同，每個小區(qū)用復(fù)合肥（15-15-15）作基肥，施用量為100 g·m?2，用尿素（N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%）作分蘗肥及穗肥，施用量均為10.9 g·m?2，氮肥施肥比例為：基肥60%、分蘗肥20%、穗肥20%。水分管理方式是全生育期淹水狀態(tài)（在水稻接近成熟時，將稻田里的水抽干以方便水稻收獲）。水稻關(guān)鍵生育期見表1。

表1 不同播期下粳稻的關(guān)鍵生育期Table 1 Critical growth stages of japonica rice under different sowing dates

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 CH4排放通量的測定

使用透明箱-高精度氣體分析儀測定CH4排放通量。提前在每個小區(qū)，選擇長勢均勻的水稻植株套入采樣底座（高5 cm，內(nèi)徑20 cm），底座上帶有1.5 cm寬的凹槽，與透明箱剛好吻合。透明箱為高透光率有機(jī)玻璃圓筒（高1 m，內(nèi)徑20 cm），頂部有3個圓孔，用于安裝溫度計(jì)和進(jìn)出氣管（管口在透明箱中部）。將透明箱罩在底座上，用水密封底座與透明箱，防止泄氣。所用氣體分析儀是LGR超便攜式溫室氣體分析儀（CO2/CH4/H2O分析儀，型號915-0011，Los Gatos Research公司，美國），其測定原理是離軸積分輸出腔光譜技術(shù)，測定頻率為1 Hz，1 s記錄1次。將內(nèi)徑為1/4英寸（0.635 cm）的特氟龍管作為采氣管，連接 LGR溫室氣體分析儀與透明箱進(jìn)行CH4氣體分析。觀測頻率為每周2次（如遇到雨天影響則每周1次），觀測時間在08:00—11:00。

CH4排放通量通過截取斜率一致的 10 min內(nèi)600個CH4濃度值的線性回歸斜率來計(jì)算。計(jì)算公式如下：

式中：

F——CH4排放通量（mg·m?2·h?1）；

H——采樣箱高度（m）；

b——CH4的摩爾質(zhì)量（g·mol?1）；

R——普適氣體常數(shù)（8.314 J·mol?1·K?1）；

θ——分別為采樣時箱內(nèi)的氣溫（℃）；

V——?dú)鈮海╤Pa）；

dρ/dt——觀測時間內(nèi)箱內(nèi)CH4濃度隨時間變化的斜率；

ρ——t時刻箱內(nèi) CH4的體積混合比濃度（μg·L?1）；

t——時間（s）。

CH4累積排放量通過相鄰兩次排放通量按照順序累積著計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：

CE——CH4累積排放量（mg·m?2）；

F——CH4排放通量（mg·m?2·h?1）；

i——第i次采樣；

ti+1?ti——兩個測定日期的間隔（d）；

n——總測定次數(shù)。

1.3.2 環(huán)境因子的測定及CH4排放通量的溫度敏感性系數(shù)（Q10）計(jì)算

運(yùn)用土壤水分溫度電導(dǎo)率速測儀（Hydra ProbeⅡ，Stevens Water Monitoring Systems，USA）同步測定離地表 5 cm的土壤溫度和濕度。運(yùn)用測量開始和結(jié)束時透明箱上部插入的溫度計(jì)測定氣溫。在整個生育期內(nèi)利用指數(shù)關(guān)系模擬CH4排放通量與土壤溫度及氣溫的關(guān)系，即：

式中：

F——CH4排放通量（mg·m?2·h?1）；

θ——平均溫度（℃）；

β——溫度響應(yīng)系數(shù)。在此基礎(chǔ)上利用 β計(jì)算CH4排放通量的Q10，計(jì)算公式如下：

1.3.3 土壤理化及酶活性的測定

在水稻發(fā)育的分蘗期（Ⅰ期在7月30日，Ⅱ期在8月9日）和成熟期（Ⅰ期和Ⅱ期均在10月17日），取離土壤表層5 cm的水稻根際土來測定土壤理化及酶的活性。測定內(nèi)容有：pH值，水溶性有機(jī)碳（DOC）含量，銨態(tài)氮（NH4+-N）含量，硝態(tài)氮（NO3--N）含量，土壤過氧化氫酶活性，土壤轉(zhuǎn)化酶活性，土壤脲酶活性。其測定方法分別為：pH計(jì)，焦磷酸鈉比色法（占新華等，2002），靛酚比色法（Kempers et al.，1986），紫外分光光度法（Dorich et al.，1984），高錳酸鉀滴定法（Johnson et al.，1964），3，5-二硝基水楊酸比色法（Gopal et al.，2007），苯酚-次氯酸鈉比色法（Kandeler et al.，1988）。

1.3.4 基于CH4減排的水稻生產(chǎn)綜合效益計(jì)算

GWP和CGWP計(jì)算公式如下：

式中：

GWP——CH4增溫潛勢；

CE——CH4全生育期累積排放量。

式中：

CGWP——CH4增溫潛勢成本，以2020年12月上海環(huán)境能源排放交易所掛牌價中碳交易背景為基礎(chǔ)，碳交易價格為 41.50 yuan·t?1（以 CO2計(jì)），則CH4交易價格為 41.50×28 yuan·t?1。

水稻收獲時，在Ⅰ期和Ⅱ期水稻田各選取3個樣方，樣方面積均設(shè)為 1 m2。剪下稻穗置于烘箱35 ℃烘干至恒重后脫粒，將實(shí)粒稱重獲得單位面積產(chǎn)量。CY計(jì)算公式如下：

式中：

CY——水稻產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)效益（yuan·hm?2）；

Y——水稻產(chǎn)量（kg·hm?2）；

PJ——粳稻單價（yuan·kg?1），據(jù)市場調(diào)查，粳稻單價為 2.6 yuan·kg?1；

CF——肥料成本，尿素單價為 4.0 yuan·kg?1，復(fù)合肥單價為 6.0 yuan·kg?1；

CP——農(nóng)藥成本；

CS——種子成本，粳稻種子單價為 16 yuan·kg?1。鑒于稻田灌水的水源來自試驗(yàn)地池塘，另外考慮到江南地區(qū)水資源豐富，灌溉方便，不用水泵抽水，因此水成本忽略不計(jì)。

CC計(jì)算公式如下：

式中：

CC——CH4減排生產(chǎn)綜合效益（yuan·hm?2）

1.4 數(shù)據(jù)分析及方法

運(yùn)用Microsoft Excel 2010對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。運(yùn)用 SPSS 22.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，對 CH4排放量與土壤理化及酶活性進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，對 CH4排放通量與土壤溫度及氣溫進(jìn)行回歸分析，顯著水平均設(shè)為P=0.05。運(yùn)用Origin 2019（OriginLab Corp.，Wellesley Hills，USA）繪圖軟件完成制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同播期下土壤因子季節(jié)變化

由圖1a和圖1c可知，每年Ⅰ期和Ⅱ期稻田土壤溫度季節(jié)變化趨勢高度一致，最高土壤溫度出現(xiàn)在7月中旬至8月中旬。在2019年水稻生長季，Ⅰ期土壤溫度介于 19.3—43.3 ℃之間，Ⅱ期介于19.3—39.8 ℃之間；在2020年水稻生長季，Ⅰ期土壤溫度介于 18.2—35.8 ℃之間，Ⅱ期介于 19.1—36.6 ℃之間。

由圖 1b和圖 1d可知，在 2019年水稻生長季，Ⅰ期和Ⅱ期稻田土壤濕度季節(jié)變化趨勢高度一致，Ⅰ期土壤濕度介于35.0%—62.5%之間，Ⅱ期介于38.6%—57.6%之間；在2020年水稻生長季，Ⅰ期和Ⅱ期稻田土壤濕度在水稻生長前期季節(jié)變化趨勢一致，后期Ⅰ期呈下降趨勢，Ⅱ期由于稻田旁施工灌水呈增長趨勢，Ⅰ期土壤濕度介于 49.8%—55.3%之間，Ⅱ期介于 50.6%—58.7%之間。

圖1 不同播期下土壤溫度、土壤濕度動態(tài)變化Fig. 1 Dynamic changes of soil temperature and moisture under different sowing dates

2.2 不同播期下稻田CH4排放特征

2.2.1 CH4排放通量季節(jié)變化

由圖2a可知，在2019年水稻生長季，Ⅰ期稻田CH4排放從7月20日開始，10月13日結(jié)束，CH4排放通量介于 (0.02±0.00)—(8.22±1.32) mg·m?2·h?1之間，有3個峰值：在拔節(jié)期（8月24日）出現(xiàn)第一個峰值（8.22 mg·m?2·h?1），在抽穗期（9 月 10 日）出現(xiàn)第二個峰值（3.82 mg·m?2·h?1），在乳熟期（9 月28 日）出現(xiàn)第 3 個峰值（1.51 mg·m?2·h?1）。季節(jié)變化趨勢為在拔節(jié)期前呈增長趨勢，之后呈下降趨勢，在臨近收獲時接近于0。Ⅱ期稻田CH4排放從7月31日開始，10月13日結(jié)束，CH4排放通量介于 (0.02±0.01)—(12.18±0.97) mg·m?2·h?1之間，有 3個峰值：在分蘗期（8月 18日）出現(xiàn)第一個峰值（12.18 mg·m?2·h?1），在孕穗期（8 月 30 日）出現(xiàn)第2 個峰值（3.37 mg·m?2·h?1），在抽穗期（9 月 10 日）出現(xiàn)第 3 個峰值（3.76 mg·m?2·h?1）。季節(jié)變化趨勢為在分蘗期前呈增長趨勢，之后呈下降趨勢，在臨近收獲時接近于0。

由圖2b可知，在2020年水稻生長季，Ⅰ期稻田CH4排放從7月17日開始，10月22日結(jié)束，CH4排放通量介于(0.47±0.27)— (15.53±1.04)mg·m?2·h?1之間，有 4 個峰值：在拔節(jié)期（8 月 6 日）出現(xiàn)第一個峰值（5.79 mg·m?2·h?1），在孕穗期（8 月18 日）出現(xiàn)第 2 個峰值（15.53 mg·m?2·h?1），在抽穗期（9 月 7 日）出現(xiàn)第 3 個峰值（9.28 mg·m?2·h?1），在乳熟期（10月 1日）出現(xiàn)第 4個峰值（6.65 mg·m?2·h?1）。季節(jié)變化趨勢為在孕穗期前呈增長趨勢，之后呈下降趨勢。Ⅱ期稻田CH4排放從7月29日開始，10月 22日結(jié)束，CH4排放通量介于(0.786±0.283)—(13.404±0.270) mg·m?2·h?1之間，有3個峰值：在拔節(jié)期（8月18日）出現(xiàn)第一個峰值（13.40 mg·m?2·h?1），在孕穗期（8 月 28 日）出現(xiàn)第2 個峰值（7.35 mg·m?2·h?1），在乳熟期（10 月 1 日）出現(xiàn)第 3 個峰值（3.66 mg·m?2·h?1）。季節(jié)變化趨勢為在拔節(jié)期前呈增長趨勢，之后呈下降趨勢。

圖2 不同播期下稻田CH4排放通量的季節(jié)變化Fig. 2 Seasonal variation of CH4 emission flux from paddy fields under different sowing dates

2.2.2 CH4累積排放量

由圖3a可知，在2019年水稻生長季整個生育期，稻田CH4累積排放量如下，Ⅰ期：(68.94±1.48)kg·hm?2，Ⅱ期：(58.29±1.32) kg·hm?2，Ⅱ期比Ⅰ期顯著減小了 15.4%（P=0.006）。與Ⅰ期相比，在分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期，Ⅱ期的增幅分別為 29.4%（P=0.036）、?50.6%（P=0.002）、?38.0%（P=0.011）和?52.3%（P=0.321）。在各生育期階段，Ⅰ期和Ⅱ期稻田CH4累積排放均表現(xiàn)為：分蘗期>拔節(jié)期>抽穗期>成熟期，Ⅰ期的稻田CH4累積排放量在分蘗期和拔節(jié)期顯著高于抽穗期和成熟期（P=0.000），在抽穗期顯著高于成熟期（P=0.001）。Ⅱ期的稻田CH4累積排放量在分蘗期均顯著高于拔節(jié)期、抽穗期和成熟期（P=0.000），在拔節(jié)期顯著高于抽穗期（P=0.022）和成熟期（P=0.000），在抽穗期顯著高于成熟期（P=0.004）。

圖3 不同播期下稻田CH4的累積排放量Fig. 3 Cumulative amount of CH4 from paddy fields under different sowing dates

由圖3b可知，在2020年水稻生長季整個生育期，稻田CH4累積排放量如下，Ⅰ期：(125.50±10.01)kg·hm?2，Ⅱ期：(92.49±16.38) kg·hm?2，Ⅱ期比Ⅰ期減小了26.3%（P=0.160）。與Ⅰ期相比，在分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期，Ⅱ期的增幅分別為161.5%（P=0.066）、?46.6%（P=0.004）、?46.4%（P=0.217）和?41.7%（P=0.088）。在各生育期階段，稻田 CH4累積排放表現(xiàn)為：拔節(jié)期>抽穗期>成熟期>分蘗期（Ⅰ期），分蘗期>拔節(jié)期>抽穗期>成熟期（Ⅱ期），Ⅰ期的稻田 CH4累積排放量在拔節(jié)期顯著高于分蘗期（P=0.002）和成熟期（P=0.019），在抽穗期顯著高于分蘗期（P=0.019）。Ⅱ期的稻田CH4累積排放量在分蘗期顯著高于成熟期（P=0.027）。

2.3 不同播期對土壤理化與酶活性的影響

2.3.1 土壤pH

由表2可知，在2019年水稻生長季，2個播期處理的土壤 pH 值變化范圍是 (6.11±0.18)—(6.80±0.07)，在不同播期處理間無顯著性差異。Ⅰ期土壤 pH值在分蘗期顯著高于成熟期 5.3%（P=0.041）。在2020年水稻生長季，2個播期處理的土壤pH值變化范圍是 (6.35±0.04)—(6.47±0.03)，在不同播期處理間和在不同生育期階段無顯著性差異。

2.3.2 土壤水溶性有機(jī)碳（DOC）

由表2可知，在2019年水稻生長季，2個播期處理的土壤 DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍是 (61.09±14.39)—(96.41±14.40) mg·kg?1，在不同播期處理間和在不同生育期階段無顯著性差異。在 2020年水稻生長季，2個播期處理的土壤DOC含量變化范圍是 (95.61±3.82)—(114.91±4.64) mg·kg?1，在水稻成熟期，Ⅰ期土壤 DOC含量顯著高于Ⅱ期 20.2%（P=0.033）。

2.3.3 土壤有效氮

由表2可知，在2019年水稻生長季，2個播期處理的土壤 NH4+-N含量變化范圍是 (28.17±1.67)—(66.51±3.31) mg·kg?1。在水稻成熟期，Ⅰ期土壤NH4+-N含量顯著低于Ⅱ期57.7%（P=0.000），在2個生育期階段，Ⅰ期在分蘗期顯著高于成熟期76.5%（P=0.016），Ⅱ期在分蘗期顯著低于成熟期38.4%（P=0.010）。在2020年水稻生長季，2個播期處理的土壤 NH4+-N 含量變化范圍是(28.21±0.67)—(29.49±0.24) mg·kg?1，在不同播期處理間和在不同生育期階段無顯著性差異。

由表2可知，在2019年水稻生長季，2個播期處理的土壤NO3--N含量變化范圍是 (3.34±0.72)—(5.67±1.01) mg·kg?1，在不同播期處理間和在不同生育期階段無顯著性差異。在2020年水稻生長季，2個播期處理的土壤 NO3--N含量變化范圍是(2.22±0.49)—(5.87±0.67) mg·kg?1，在不同播期處理間無顯著性差異，Ⅰ期土壤 NO3--N含量在成熟期顯著低于分蘗期 42.8%（P=0.014），Ⅱ期在成熟期顯著低于分蘗期62.2%（P=0.012）。

表2 水稻不同播期的土壤pH值、DOC、NH4+-N、NO3–-N含量Table 2 pH value, DOC, NH4+-N and NO3--N contents of soil at different sowing dates of rice

2.3.4 土壤酶活性

由表3可知，在2019年水稻生長季，土壤過氧化氫酶活性在不同播期處理間和在不同生育期階段無顯著性差異。在2020年水稻分蘗期，Ⅰ期土壤過氧化氫酶活性顯著低于Ⅱ期3.7%（P=0.030），在成熟期顯著高于Ⅱ期10.7%（P=0.006），在2個生育期階段，Ⅱ期酶活性在分蘗期顯著高于成熟期12.0%（P=0.000）。

由表3可知，在2019年水稻分蘗期，Ⅰ期土壤轉(zhuǎn)化酶活性顯著高于Ⅱ期 30.7%（P=0.033），在成熟期顯著低于Ⅱ期34.0%（P=0.027），在2個生育期階段，Ⅰ期酶活性在成熟期顯著低于分蘗期50.1%（P=0.001）。在2020年水稻分蘗期，Ⅰ期土壤轉(zhuǎn)化酶活性顯著低于Ⅱ期8.6%（P=0.024），在2個生育期階段，Ⅰ期酶活性在分蘗期顯著低于成熟期 31.6%（P=0.002），Ⅱ期酶活性在分蘗期顯著低于成熟期13.4%（P=0.013）。

由表3可知，在2019年水稻分蘗期，Ⅰ期土壤脲酶活性顯著低于Ⅱ期 76.7%（P=0.002），在 2個生育期階段，Ⅰ期酶活性在分蘗期顯著低于成熟期74.4%（P=0.010）。在2020年水稻生長季，土壤脲酶活性在不同播期處理間無顯著差異，Ⅱ期土壤脲酶活性在分蘗期顯著高于成熟期 19.1%（P=0.002）。

表3 水稻不同播期的土壤過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、脲酶活性Table 3 Catalase, invertase and urease activities of soil at different sowing dates of rice

2.3.5 CH4排放平均通量與土壤理化、酶活性的相關(guān)性分析

由表4可知，CH4排放平均通量與DOC含量、NO3--N含量、土壤轉(zhuǎn)化酶活性、土壤脲酶活性均呈正相關(guān)關(guān)系，但CH4排放平均通量與NH4+-N含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表4 CH4排放平均通量與土壤理化、酶活性的Pearson相關(guān)分析Table 4 Pearson correlation analysis of average CH4 emission flux with soil physicochemical and enzyme activities

2.4 不同播期下稻田CH4排放通量的溫度敏感性

由圖4可知，土壤溫度及氣溫與稻田CH4排放通量均呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系。Ⅱ期土壤溫度及氣溫與稻田CH4排放通量的關(guān)系均達(dá)到顯著（P<0.05）。

圖4 不同播期下稻田CH4排放通量與土壤溫度（a）及氣溫（b）的關(guān)系Fig. 4 Relationship between CH4 emission flux and soil temperature (a) and air temperature (b) from paddy fields under different sowing dates

Ⅰ期和Ⅱ期的土壤溫度與稻田CH4排放通量可決系數(shù)r2分別為 0.10和0.19，根據(jù)指數(shù)方程計(jì)算得到稻田CH4排放通量的土壤溫度敏感系數(shù)（土壤溫度每增加 10 ℃，CH4排放通量變?yōu)槌跏贾档谋稊?shù)）分別為2.16和2.97。Ⅰ期和Ⅱ期的氣溫與稻田CH4排放通量可決系數(shù)r2分別為0.18和0.38，根據(jù)指數(shù)方程計(jì)算得到稻田CH4排放通量的氣溫敏感系數(shù)（氣溫每增加 10 ℃，CH4排放通量變?yōu)槌跏贾档谋稊?shù)）分別為2.66和5.64。Ⅱ期稻田CH4排放通量的土壤溫度及氣溫敏感性均高于Ⅰ期。

2.5 不同播期下基于 CH4減排的水稻生產(chǎn)綜合效益分析

由表5可知，在2019年水稻生長季，Ⅱ期稻田CH4增溫潛勢比Ⅰ期顯著減小了15.4%（P=0.006），但Ⅱ期稻田基于CH4減排的水稻生產(chǎn)綜合效益比Ⅰ期顯著減小了40.2%（P=0.000）。在2020年水稻生長季，Ⅱ期稻田 CH4增溫潛勢比Ⅰ期減小了26.3%（P=0.160），但Ⅱ期稻田基于CH4減排的水稻生產(chǎn)綜合效益比Ⅰ期減小了60.0%（P=0.000）。

表5 不同播期下基于CH4減排的水稻生產(chǎn)綜合效益Table 5 Comprehensive benefits of rice production based on CH4 emission reduction under different sowing dates

3 討論

3.1 不同播期下稻田CH4排放特征

在2019、2020年水稻生長季，Ⅰ期和Ⅱ期稻田CH4排放通量的季節(jié)變化趨勢一致，均在水稻生長前期呈增長趨勢，達(dá)到峰值后呈下降趨勢，在臨近收獲時極其微小。Ge et al.（2018）和 Li et al.（2019）對移栽稻田CH4通量的觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水稻營養(yǎng)生長和生殖生長階段的CH4排放顯著，并在營養(yǎng)生長階段的中后期達(dá)到排放峰值（在生殖生長階段存在一個次排放峰值），隨后逐漸下降，在成熟階段排放非常微小。在本試驗(yàn)中的 2019年水稻生長季也有相同研究結(jié)果，在厭氧條件下，氮肥在分蘗期的應(yīng)用極大地促進(jìn)了水稻生長，此時光合作用最強(qiáng)，水稻根系生長活動最活躍，根系分泌物迅速增加，增強(qiáng)了土壤有機(jī)碳化合物，加強(qiáng)了產(chǎn)甲烷菌的增殖，從而迅速促進(jìn)稻田CH4的排放（尉海東，2013），Ⅰ期CH4排放通量在拔節(jié)期達(dá)到峰值，Ⅱ期在分蘗期達(dá)到峰值。在臨近水稻成熟時還會出現(xiàn)次排放峰值，這是由于這一時期，水稻根系的腐敗物質(zhì)給土壤提供了較多的產(chǎn)甲烷基質(zhì)，再加之適宜的溫度和淹水厭氧條件，從而導(dǎo)致稻田CH4排放出現(xiàn)小高峰（Das et al.，2008）。隨著水稻的逐漸成熟，稻田CH4排放逐漸減少，最后接近于0。在此水稻生長季中，稻田CH4排放主要集中于水稻營養(yǎng)生長階段，其中在分蘗期排放最多，Ⅰ期和Ⅱ期在分蘗期的CH4累積排放量分別占全生育期的 41.1%和 62.8%。在2020年水稻生長季，Ⅰ期稻田CH4排放通量在孕穗期達(dá)到峰值，CH4排放主要集中于水稻生殖生長階段。這是由于在水稻生長前期，陰雨天氣較多，氣溫低，土壤溫度低，土壤生物活性較弱，土壤中的氧氣消耗慢，不利于甲烷細(xì)菌的生長，因此前期稻田 CH4排放量較少（韓廣軒等，2003）。Ⅱ期稻田CH4排放通量在拔節(jié)期達(dá)到峰值，CH4排放主要集中于水稻營養(yǎng)生長階段，其中在分蘗期排放最多，其CH4累積排放量占全生育期的32.8%。

在2019、2020年水稻生長季，相比于Ⅰ期，Ⅱ期稻田整個生育期CH4累積排放量減少。有研究表明由于不同播期氣溫和光照因子的差異，導(dǎo)致播期在一定程度上影響水稻的生育進(jìn)程、各生育期的長短、籽粒的灌漿速率和群體光合積累的時間（許軻等，2013），進(jìn)而影響當(dāng)季光合產(chǎn)物。大量研究表明水稻植株當(dāng)季光合產(chǎn)物是稻田CH4排放的主要底物之一，Tokida et al.（2011）利用FACE和13C研究了當(dāng)季光合產(chǎn)物對稻田CH4排放的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明，在分蘗期，當(dāng)季光合產(chǎn)物對稻田CH4排放的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)，而在抽穗期，40%—60% CH4排放的碳源來自當(dāng)季光合產(chǎn)物。Quan et al.（2012）利用不同13C豐度的秸稈研究了當(dāng)季光合產(chǎn)物對稻田CH4排放的影響，結(jié)果表明，在分蘗期，當(dāng)季光合產(chǎn)物對稻田CH4排放的貢獻(xiàn)率達(dá)到40%，到孕穗期達(dá)到69%。本研究中，在2019—2020年水稻生長季整個生育期，Ⅱ期稻田的CH4累積排放量比Ⅰ期分別顯著減小了15.4%（P=0.006）和26.3%（P=0.160），因此，延期播種造成水稻生育進(jìn)程延遲，生育期縮短，全生育期積溫和日照時數(shù)減少，光合產(chǎn)物減少，稻田CH4排放減少。

3.2 CH4排放量與土壤理化、酶活性的相關(guān)性

Bhattacharyya et al.（2013）研究發(fā)現(xiàn)，稻田CH4通量與土壤 DOC含量呈正相關(guān)。本試驗(yàn)也有相同研究結(jié)果，在2個水稻生長季，稻田CH4累積排放量表現(xiàn)為：Ⅱ期>Ⅰ期（分蘗期），Ⅰ期>Ⅱ期（成熟期），除了在2020年水稻分蘗期，土壤DOC含量表現(xiàn)為Ⅰ期>Ⅱ期，且差異性不顯著，在其余水稻生長季關(guān)鍵生育期，Ⅰ期和Ⅱ期土壤的 DOC含量差異變化與其稻田 CH4累積排放量差異變化趨勢一致。在2020年水稻成熟期，Ⅰ期土壤DOC含量顯著高于Ⅱ期 20.2%（P=0.033），相對應(yīng)地，Ⅰ期稻田CH4累積排放量高于Ⅱ期71.5%（P=0.088）。焦燕等（2002）研究發(fā)現(xiàn)，稻田CH4排放通量與土壤NH4+-N含量呈負(fù)相關(guān)。本試驗(yàn)也有相同研究結(jié)果，除了在2020年水稻分蘗期，土壤NH4+-N含量表現(xiàn)為Ⅰ期=Ⅱ期，在其余水稻生長季關(guān)鍵生育期，Ⅰ期和Ⅱ期土壤的NH4+-N含量差異變化與其稻田CH4累積排放量差異變化趨勢相反。在2019年水稻成熟期，Ⅰ期土壤 NH4+-N含量顯著低于Ⅱ期57.7%（P=0.000），而Ⅰ期稻田CH4累積排放量卻高于Ⅱ期 109.6%（P=0.321）。以往有研究指出（Wang et al.，2016），稻田 CH4排放通量與土壤NO3--N含量呈正相關(guān)。本試驗(yàn)也有相同研究結(jié)果，除了在2019年水稻分蘗期，土壤NO3--N含量表現(xiàn)為Ⅰ期>Ⅱ期，且差異性不顯著，在其余水稻生長季關(guān)鍵生育期，Ⅰ期和Ⅱ期土壤的NO3--N含量差異變化與其稻田 CH4累積排放量差異變化趨勢一致。此外，砂性水稻土的CH4排放往往比粘性土壤高，CH4排放通量與土壤砂粒含量呈正相關(guān)，與粘粒含量呈負(fù)相關(guān)。

水稻的根際土壤環(huán)境是影響植株CH4產(chǎn)生重要因素，土壤酶作為土壤中具有生物活性的蛋白質(zhì)，與溫室氣體的產(chǎn)生密切相關(guān)。土壤轉(zhuǎn)化酶催化土壤中蔗糖水解成葡萄糖和果糖，它與土壤中水溶性有機(jī)質(zhì)和微生物含量及其活動呈正相關(guān)，因此它的活性與高密度的有機(jī)碳呈正相關(guān)（甄麗莎等，2012）。本試驗(yàn)也有相同研究結(jié)果，在 2020年水稻分蘗期，Ⅰ期土壤轉(zhuǎn)化酶活性顯著低于Ⅱ期8.6%（P=0.024），相對應(yīng)地，Ⅰ期 CH4累積排放量低于Ⅱ期61.8%（P=0.066）。土壤脲酶是一種催化尿素分解的水解酶，它可以水解土壤中尿素，生產(chǎn)氨、二氧化碳和水。脲酶活性增加，會加速尿素分解，增加供氮水平，參與土壤氮素循環(huán)，它的活性越高，為產(chǎn)甲烷菌提供的底物越多，越有利于CH4排放。周文濤等（2020）研究表明，CH4排放量與土壤脲酶活性呈正相關(guān)。本試驗(yàn)也有相同研究結(jié)果，在 2個水稻生長季的關(guān)鍵生育期，Ⅰ期和Ⅱ期土壤的脲酶活性差異變化與其稻田 CH4累積排放量差異變化趨勢一致。在2019年水稻分蘗期，Ⅰ期土壤脲酶活性顯著低于Ⅱ期 76.7%（P=0.002），相對應(yīng)地，Ⅰ期CH4累積排放量顯著低于Ⅱ期22.7%（P=0.036）。土壤過氧化氫酶主要分解土壤中的過氧化氫，降低土壤中過度累積的過氧化氫對植物根系的危害。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在2個水稻生長季的關(guān)鍵生育期，Ⅰ期和Ⅱ期土壤的過氧化氫酶活性差異變化與其稻田 CH4累積排放量差異變化趨勢一致。

3.3 不同播期下稻田CH4排放通量的溫度敏感性

在所有控制稻田CH4排放的因素中，溫度（土壤溫度與氣溫）起著重要作用，溫度直接影響有機(jī)質(zhì)的分解和土壤微生物的活動，包括CH4產(chǎn)生和氧化過程中所涉及的一系列微生物菌群的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和活性。土壤溫度升高，土壤生物活性增強(qiáng)，土壤中氧氣消耗加快，有利于產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生長，因此利于稻田CH4的產(chǎn)生和排放（尉海東，2013）。氣溫升高，水稻的呼吸和蒸騰作用增強(qiáng)，促進(jìn)了CH4通過水稻向大氣的傳輸，使CH4通過水層擴(kuò)散率加快，土壤中的CH4易形成氣泡冒出水面，CH4排放路徑得到改善，因此利于稻田 CH4排放（Wang et al.，2015）。本研究結(jié)果表明，土壤溫度及氣溫與稻田CH4排放通量均呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系。Q10被認(rèn)為是評估稻田碳循環(huán)表觀溫度敏感性的重要參數(shù)之一（賈慶宇等，2020），Ⅰ期稻田土壤溫度及氣溫敏感性分別低于Ⅱ期27.3%、52.8%，溫度變化對Ⅱ期稻田CH4排放通量的影響比Ⅰ期顯著，隨著水稻延期播種，CH4排放通量隨溫度變化幅度增大。

3.4 不同播期下基于 CH4減排的水稻生產(chǎn)綜合效益分析

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的同時達(dá)到作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，因此將生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益緊密結(jié)合顯得尤為重要（甘德欣，2003）。尉海東（2013）和汪偉等（2019）分別在稻田CH4排放機(jī)理及水稻產(chǎn)量的影響分析方面做了很多研究工作，但關(guān)于播期對稻田CH4排放及其綜合效益的影響研究尚顯薄弱，因此從CH4減排生態(tài)效益和水稻產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，分析不同播期下基于CH4減排的水稻生產(chǎn)綜合效益十分必要。本研究結(jié)果表明，從CH4減排生態(tài)效益角度出發(fā)，相比正常播期，延期播種10 d有利于稻田CH4減排；從水稻產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，相比正常播期，延期播種10 d使得水稻產(chǎn)量下降；從基于CH4減排的水稻生產(chǎn)綜合效益角度出發(fā)，相比正常播期，延期播種10 d不利于實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo)最大化。

4 結(jié)論

（1）不同播期下稻田CH4排放通量季節(jié)變化趨勢一致，均呈逐漸增長，達(dá)到峰值后再下降趨勢。延期播種，使得整個生育期的CH4累積排放量減少。

（2）延期播種，稻田CH4排放通量溫度敏感性增大，CH4排放通量隨溫度變化幅度增大。

（3）延期播種降低了粳稻稻田CH4排放，同時也降低了粳稻產(chǎn)量和基于 CH4減排的粳稻生產(chǎn)綜合效益?；谶@一估算水稻產(chǎn)量、稻田CH4排放和農(nóng)藝投入綜合經(jīng)濟(jì)效益的指標(biāo)來看，延期播種 10天不利于實(shí)現(xiàn)基于 CH4減排的水稻生產(chǎn)綜合效益最大化。