旱管種植節(jié)水抗旱稻的溫室氣體減排效應(yīng)研究

張鮮鮮,畢俊國,孫會(huì)峰,王 從,張繼寧,譚金松,周 勝?

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所,上海 201403;2上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海 201403;3農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東南沿海農(nóng)業(yè)綠色低碳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201403;4上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心,上海 201106)

當(dāng)前全球溫室氣體年均排放量處于人類歷史上的最高水平[1],降低溫室氣體排放強(qiáng)度是各領(lǐng)域綠色低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路。農(nóng)業(yè)是溫室氣體甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)的重要排放源,貢獻(xiàn)了全球人為溫室氣體排放的11%,其中CH4和N2O排放分別約占到全球人為排放量的36%和66%[1]。水稻作為農(nóng)業(yè)的重要組成部分,在為全球一半以上人口提供糧食的同時(shí)[2],也是農(nóng)業(yè)溫室氣體的重要排放源。稻田溫室氣體排放以CH4為主,約占全球人為CH4總排放量的8%[3]。因此,平衡水稻產(chǎn)量和溫室氣體排放二者之間的關(guān)系,在保證產(chǎn)量的同時(shí)降低綜合溫室效應(yīng),對我國糧食安全和雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

稻田水分狀況對水稻產(chǎn)量和溫室氣體排放起關(guān)鍵調(diào)控作用,淹灌稻田的極端厭氧環(huán)境是產(chǎn)生CH4的必要條件。薄淺濕曬[4-7]、干濕交替灌溉[8-10]等節(jié)水灌溉措施均能改善土壤通氣狀況,有效抑制稻田CH4排放,但會(huì)導(dǎo)致N2O排放大量增加;此外,水稻產(chǎn)量隨著土壤水分含量的降低存在一定的減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn),且隨水分脅迫程度的加劇而加大[11-13]。因此,節(jié)水灌溉措施耦合抗旱性強(qiáng)的水稻品種,有利于保證產(chǎn)量穩(wěn)定、進(jìn)一步挖掘稻田減排潛力。

節(jié)水抗旱稻系我國自主研發(fā),兼具水稻和旱稻特性,可采用旱管模式進(jìn)行種植[14]。研究表明,節(jié)水抗旱稻在節(jié)水76%灌溉條件下CH4排放量降低89%,N2O增加37%,且減產(chǎn)幅度低于普通水稻[15];旱管模式下CH4排放降低70%—90%,且產(chǎn)量較為穩(wěn)定[16],但節(jié)水灌溉和節(jié)水抗旱稻組合技術(shù)是否能在年際間穩(wěn)定地平衡產(chǎn)量、灌溉量與綜合溫室效應(yīng)三者之間的關(guān)系,仍需要進(jìn)一步論證。本試驗(yàn)基于已有研究基礎(chǔ),持續(xù)開展水分管理模式和水稻類型雙因素試驗(yàn),綜合評估水分管理模式對節(jié)水抗旱稻田溫室效應(yīng)的影響,篩選低投入、低排放和高產(chǎn)出的稻田減排技術(shù),以期為水稻的低碳轉(zhuǎn)型提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 樣地概述

試驗(yàn)區(qū)位于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)站(30°53′N,121°23′E)內(nèi),屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫16℃,年平均降水量1 200 mm,其中約60%的降水集中在5—9月的水稻生長季。本研究于2019—2021年稻季開展,年大氣平均溫度分別為25.9℃(19.9—32.0℃)、26.7℃(18.7—31.8℃)和27.2℃(20.2—30.9℃),降水量分別為845 mm、947 mm和1 050 mm。試驗(yàn)地耕作層土壤深度約為15 cm,基礎(chǔ)理化性質(zhì)為:土壤容重1.1 g∕cm3,pH(土水比1∶2.5)6.7,土壤有機(jī)碳含量16.5 g∕kg,全氮含量2.4 g∕kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和田間管理

采用水分處理和水稻類型雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì),水分處理包括持續(xù)淹灌和旱管種植;供試品種為節(jié)水抗旱稻‘旱優(yōu)73’及常規(guī)栽培稻‘H優(yōu)518’(對照)。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),共計(jì)12個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積為36 m2,田埂覆膜并輔以保護(hù)行,防止小區(qū)間水分串?dāng)_。

5月下旬或6月上旬進(jìn)行水直播種植,水直播前各小區(qū)淹水浸泡1周,平地。將供試稻種浸種24 h、培養(yǎng)24—26 h進(jìn)行催芽。以20 cm×23 cm的株行距進(jìn)行穴播,每穴5粒。

3葉1心時(shí)(播種后20—25 d)開始水分管理,具體為:淹灌小區(qū)田面水位在稻季長期保持在10 cm左右,水稻收獲前一周落干;參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY∕T 2862—2015中旱管種植技術(shù),整個(gè)生長發(fā)育期間用水以自然降水為主,在缺水敏感期(如出苗期、分蘗期和孕穗灌漿期)適當(dāng)灌溉。

水稻播種前一次性施入600 kg∕hm2的復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=16∶16∶16),無追肥。殺蟲劑等農(nóng)藥遵照農(nóng)事指導(dǎo),田間雜草進(jìn)行人工拔除,9月上中旬收獲。

1.3 氣體樣品采集與測定

采用靜態(tài)明箱-氣相色譜法進(jìn)行氣體樣品的采集與測定[17]。靜態(tài)明箱采用有機(jī)玻璃制作,包括底座、延長箱和頂箱。底座帶有水槽,且側(cè)邊均勻打孔(直徑1 cm);頂箱內(nèi)頂部中間位置安置一個(gè)電池驅(qū)動(dòng)的12 V風(fēng)扇,并隨著植株生長疊加延長箱。在水直播前,將底座插入土壤15 cm左右,內(nèi)種植4穴植株。為降低誤差,每個(gè)小區(qū)設(shè)置兩個(gè)底座,每個(gè)處理重復(fù)6次。以半自動(dòng)氣體采樣裝置采集氣體樣品,該裝置包括1個(gè)12 V的可充電電池、1個(gè)氣泵、1個(gè)電路板盒和1組三通直動(dòng)式電磁閥,電磁閥末端連接4個(gè)1 L的鋁箔氣袋。樣品采集前,將箱體扣入底座水槽中并以水密封,連接箱體與氣體自動(dòng)采樣裝置上的進(jìn)氣和出氣管路,箱體內(nèi)風(fēng)扇接入電源后啟動(dòng)裝置進(jìn)行樣品采集。每個(gè)采樣點(diǎn)收集4個(gè)氣體樣品,存于鋁箔氣袋中,樣品采集時(shí)間間隔為6 min。于無雨天氣的上午8:30—11:00進(jìn)行樣品采集,1周2次,整體采樣頻次約占大田生長期的30%。氣體樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后,由配置了自主研發(fā)氣體自動(dòng)進(jìn)樣裝置的氣相色譜儀進(jìn)行CH4和N2O濃度的批量測試分析。氣相色譜儀安裝了氫離子火焰檢測器和電子捕獲檢測器以測定CH4和N2O的濃度。假設(shè)采樣期間箱內(nèi)CH4和N2O濃度線性增加,以線性擬合算法獲得CH4和N2O排放通量,并對全生育期的排放通量進(jìn)行差值求和,計(jì)算稻季的溫室氣體排放總量。

綜合溫室效應(yīng)以全球增溫潛勢(GWP,kg CO2-eq∕hm2)為指標(biāo)衡量稻田溫室氣體對全球變暖的貢獻(xiàn),溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI,kg CO2-eq∕kg yield)是以產(chǎn)量為基礎(chǔ)表征生產(chǎn)過程中溫室氣體排放能力的綜合性指標(biāo),計(jì)算公式如下:

其中,ECH4和EN2O分別為稻季CH4和N2O的排放總量(kg CH4∕hm2或kg N2O∕hm2),28和265分別表示百年尺度上,CH4和N2O增溫潛勢是CO2的28倍和265倍,RY表示稻谷標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量(t∕hm2)。

1.4 產(chǎn)量

水稻收獲時(shí)每小區(qū)單獨(dú)收割,利用小型脫粒機(jī)進(jìn)行人工脫粒后晾曬、去雜獲得曬干重,后取少量稻谷烘干獲得曬干稻谷的含水量,用于計(jì)算稻谷烘干質(zhì)量(DW,t∕hm2)。稻谷標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量(RY,t∕hm2)的計(jì)算公式為:

式中,13.8%為秈型稻類品種適合倉庫存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)含水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田CH 4排放季節(jié)變化規(guī)律

稻田CH4排放通量的季節(jié)變化取決于水分管理模式,受水稻類型影響較小,如圖1A所示。不同年際間,淹灌稻田和旱管稻田的CH4排放通量差異較為一致,淹灌處理稻田的CH4排放通量顯著高于旱管稻田。2019—2021年淹灌處理的CH4平均排放通量分別為11.93 mg∕(m2·h)、9.99 mg∕(m2·h)和8.51 mg∕(m2·h),分別是旱管處理的6.23倍、2.95倍和12.84倍,二者之間存在顯著性差異。

淹灌處理下,節(jié)水抗旱稻品種‘旱優(yōu)73’和常規(guī)栽培稻品種‘H優(yōu)518’的CH4排放通量季節(jié)變化規(guī)律基本一致。淹灌稻田的CH4排放通量峰值出現(xiàn)在水稻分蘗期和抽穗期,而旱管處理的稻田CH4排放通量峰值發(fā)生在水分管理開始前,水分管理開始后由于田間水分落干導(dǎo)致CH4排放通量出現(xiàn)一個(gè)較大的峰值。

2.2 稻田N2O排放季節(jié)變化規(guī)律

稻田N2O排放主要是由施肥引起,受水分管理模式和水稻類型影響較小。由圖1B可知,淹灌稻田和旱管稻田的N2O排放峰值出現(xiàn)在水分管理處理前,主要是由水直播時(shí)一次性施肥引起。水分管理處理后各處理稻田的N2O排放峰值趨近于0。淹灌稻田和旱管稻田的N2O排放通量差異不顯著,2019—2021年淹灌處理的稻田N2O平均排放通量分別為0.47 mg∕(m2·h)、0.04 mg∕(m2·h)和0.03 mg∕(m2·h),而旱管稻田分別是0.63 mg∕(m2·h)、0.05 mg∕(m2·h)和0.01 mg∕(m2·h)。

圖1 稻田CH4排放通量(A)和N2 O排放通量(B)的變化規(guī)律Fig.1 Variations in CH 4 fluxes(A)and N2O fluxes(B)in rice fields

2.3 稻季CH 4和N2O的累積排放量

與淹灌處理相比,旱管稻田顯著降低了稻季CH4的累積排放量,年際間變化規(guī)律一致(圖2A)。方差分析結(jié)果表明,不同處理下稻季CH4的累積排放量存在年際間差異,受水分管理模式影響,但不受水稻類型影響(表1)。2019—2021年淹灌處理稻季CH4排放量分別為334.25 kg CH4∕hm2、252.95 kg CH4∕hm2和238.00 kg CH4∕hm2,與之相比,旱管處理顯著降低稻季CH4排放量,降低幅度為90.19%、70.02%和94.58%。與‘H優(yōu)518’淹灌處理相比,‘旱優(yōu)73’旱管處理在三年間CH4累積排放量的降低幅度分別為91.11%、77.09%和93.08%。

圖2 稻季CH 4累積排放量(A)、N2 O累積排放量(B)和全球增溫潛勢(C)Fig.2 Seasonal CH 4 emissions(A),N2 O emissions(B)and global warming potential(C)from rice fields

稻季N2O累積排放量在淹灌和旱管處理間、不同水稻類型間均差異不顯著(圖2B)。方差結(jié)果表明,稻季N2O累積排放量存在年際間差異,不受水分管理模式和水稻類型的影響(表1)。如圖2B所示,2019年旱管處理下稻季N2O累積排放量(11.98 kg N2O∕hm2)顯著高于淹灌處理(8.91 kg N2O∕hm2),增加幅度為34.43%,其中,與‘H優(yōu)518’淹灌處理相比,‘旱優(yōu)73’旱管處理在2019年的稻季N2O累積排放量增加幅度為38.77%;2020年和2021年不同水分管理模式下稻季N2O累積排放量不存在顯著差異。

2.4 稻田綜合溫室效應(yīng)分析

如圖2C所示,淹灌處理下稻田CH4和N2O排放的綜合溫室效應(yīng)(GWP)顯著高于旱管處理。方差分析結(jié)果表明,年際間和水分管理模式下CH4和N2O排放的綜合GWP存在極顯著差異,年際和水分管理模式存在顯著的交互效應(yīng),但在水分管理模式和水稻類型間并未有明顯的交互效應(yīng)(表1)。稻田綜合GWP差異主要是由于淹水條件下產(chǎn)生了較高的CH4排放所致。相較于淹灌稻田,旱管稻田的綜合GWP在2019—2021年間分別降低了65.08%、65.79%和95.41%。與‘H優(yōu)518’淹灌處理相比,‘旱優(yōu)73’旱管處理在三年間綜合GWP降低幅度分別為65.44%、74.14%和93.05%。

表1 水稻類型和水分管理對水稻產(chǎn)量、稻田CH 4和N2O累積排放量及其綜合溫室效應(yīng)、單位產(chǎn)量溫室氣體排放量的多因素方差分析(F值)Table 1 MANOVA for the effects of water management strategies and rice types on yields and greenhouse gas emissions in rice fields during three years(F-value)

綜合不同水稻類型,淹灌處理和旱管處理下水稻產(chǎn)量年際間變化一致,均值分別為8 951 kg∕hm2和7 720 kg∕hm2,旱管處理下水稻產(chǎn)量較淹灌處理平均降低了13.71%。然而,‘旱優(yōu)73’旱管處理后水稻產(chǎn)量降幅為7.69%,顯著低于‘H優(yōu)518’(19.87%)。方差分析表明,與綜合GWP結(jié)果一致,年際間和水分管理模式下GHGI具有顯著差異,二者之間存在顯著的交互效應(yīng)(表1)。如表2所示,淹灌處理和旱管處理下GHGI均值分別為0.98 kg CO2-eq∕kg yield、0.30 kg CO2-eq∕kg yield,旱管處理下GHGI較淹灌處理平均降低了69.30%。不同處理下GHGI從小到大依次為‘旱優(yōu)73’旱管處理＜‘H優(yōu)518’旱管處理＜‘旱優(yōu)73’淹灌處理＜‘H優(yōu)518’淹灌處理。與‘H優(yōu)518’淹灌處理相比,‘旱優(yōu)73’旱管處理的GHGI降低了74.74%。

表2 水稻產(chǎn)量、稻季溫室氣體排放總量和溫室氣體排放強(qiáng)度Table 2 Rice yields,GHG emissions and GHGI during rice growing season

3 討論

3.1 水分管理模式對節(jié)水抗旱稻田CH 4和N2O排放的影響

土壤水分含量與氧化還原電位直接相關(guān),稻田水分管理模式改變了土壤水分含量,影響了微生物群落,從而直接或間接影響CH4和N2O排放[18-19]。淹灌處理中稻田土壤處于厭氧環(huán)境,較低的土壤氧化還原電位利于產(chǎn)甲烷菌生成CH4[20];而旱管處理下田間長期無積水,土壤處于好氧狀態(tài),抑制了CH4的產(chǎn)生,促進(jìn)了CH4的氧化[21]。本研究中旱管稻田顯著降低了土壤水分含量,稻季CH4排放較淹灌稻田降低了70%—94%,降低幅度主要受年際間降雨分布的影響。前人研究表明[21],旱稻種植可有效降低90%以上的CH4排放,與本研究結(jié)果一致。

土壤水分狀況也是影響硝化與反硝化過程的關(guān)鍵因子。大量研究[22-24]證實(shí),節(jié)水灌溉刺激N2O排放,其原因主要是節(jié)水灌溉條件下土壤持續(xù)處于好氧和厭氧交替的狀態(tài),有利于土壤微生物進(jìn)行硝化和反硝化作用。稻田在淹水時(shí)N2O通量較低,在濕-干變化過程中易出現(xiàn)峰值[25]。本研究各處理N2O排放集中在水直播后一周內(nèi),底物來自水分處理開始前的一次性施肥,因此不同處理間差異不顯著。后續(xù)可從優(yōu)化施肥措施入手,以協(xié)同降低CH4和N2O排放為目標(biāo)進(jìn)一步加深對旱管處理下稻田溫室氣體排放機(jī)制和影響因素的認(rèn)知。

3.2 水分管理模式對節(jié)水抗旱稻田綜合溫室效應(yīng)的影響

水分管理模式能夠通過顯著降低CH4排放有效實(shí)現(xiàn)稻田綜合溫室效應(yīng)的減排。Meta分析結(jié)果表明,非持續(xù)淹灌能夠在有效降低CH4排放、水稻減產(chǎn)幅度較低情況下降低44%的綜合溫室效應(yīng)以及42%的溫室氣體排放強(qiáng)度[26]。綜合分析本研究中水分管理模式對節(jié)水抗旱稻田CH4、N2O的影響發(fā)現(xiàn),節(jié)水抗旱稻旱管下綜合溫室效應(yīng)最低。淹灌處理下,CH4對綜合溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)高達(dá)90%以上,旱管處理的綜合溫室效應(yīng)受N2O排放影響較大。與常規(guī)栽培稻淹灌處理相比,節(jié)水抗旱稻旱管處理的溫室氣體排放強(qiáng)度降低了近75%,主要原因是CH4排放量較低和水稻產(chǎn)量較高。Yu等[27]研究表明,當(dāng)通過控制水分使土壤氧化還原電位處于-150—180 mV時(shí),CH4和N2O排放量均最低,綜合溫室效應(yīng)也最低。

溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)受作物產(chǎn)量和綜合GWP共同影響。與前期結(jié)果類似[16],本研究中,旱管處理相較于淹灌處理能夠顯著降低GHGI,其中以旱管種植‘旱優(yōu)73’的GHGI最低,這主要是由于旱管種植‘旱優(yōu)73’具有較高的產(chǎn)量和較低的綜合GWP。因此,科學(xué)合理地優(yōu)化水分管理,在結(jié)合抗旱性強(qiáng)的水稻類型基礎(chǔ)上,進(jìn)一步減少稻田溫室氣體排放,以實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)碳中和。

4 結(jié)論

綜合水分管理和水稻類型處理下的稻田生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)量和溫室效應(yīng),淹灌處理加劇了以稻季CH4排放為主要貢獻(xiàn)的綜合溫室效應(yīng)。即使年際間稻季降雨量與平均氣溫變動(dòng)較大,采用旱管種植模式也能夠穩(wěn)定降低70%—95%的稻田CH4排放以及65%—95%的綜合溫室效應(yīng)。然而,旱管處理會(huì)造成水稻不同程度減產(chǎn),但節(jié)水抗旱稻減產(chǎn)幅度顯著低于常規(guī)栽培稻。綜上,旱管種植節(jié)水抗旱稻相對于常規(guī)栽培稻淹灌種植,不僅可以在維持水稻產(chǎn)量相對穩(wěn)定的同時(shí)有效減緩稻田綜合溫室效應(yīng),降低單位產(chǎn)量的溫室氣體排放量,而且減排效果不受年際間氣候變化影響。因此,栽培種植節(jié)水抗旱稻并采取合理的水分管理模式能在節(jié)約灌溉用水、保證作物產(chǎn)量的前提下最大限度地提升稻田溫室氣體減排潛力,最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益和生態(tài)效益雙贏的目標(biāo)。