太湖流域不同再生稻品種的溫室氣體排放強度

樊迪，李若林，馬靜，張廣斌，徐華*

（1.土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇常熟農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；2.中國科學院大學，北京 100049）

再生稻是一種特殊的水稻耕作模式，即采取一定的栽培措施，在頭季水稻收割后，使原有稻樁上的休眠芽重新萌發(fā)生長成穗，從而收獲新一季的水稻。再生稻適宜種植在單季稻種植熱量有余、雙季稻種植熱量不足的地區(qū)，它可以充分利用秋季熱光資源，提高稻田綜合生產力。再生稻具有生育期短、日產量較高、省種、省工、節(jié)水、調節(jié)勞力、生產成本低和效益高等優(yōu)點。再生稻在我國的種植歷史十分悠久，目前種植面積約為124萬hm，主要分布在四川、重慶、湖北和福建等地，我國適宜種植再生稻的區(qū)域面積可達340萬hm，與之對應的稻谷增產潛力約為每年2 000萬t。全球氣候變暖導致熱量資源增多，造成水稻潛在種植界限北移，為再生稻擴大種植面積提供了有利的氣候條件。在未來農業(yè)現(xiàn)代化進程中因地制宜發(fā)展再生稻，對適應全球氣候變化、提高糧食產量和保障國家糧食安全具有重要意義。

太湖流域作為我國重要的商品糧生產基地，主要種植模式是稻麥輪作，但這一模式具有耕作強度大、小麥品質較低的缺點。早在2016年，我國就開始在江蘇、江西等稻谷低質、低效區(qū)推行稻肥輪作，這種方式雖然在一定程度上有利于耕地休養(yǎng)生息、保耕保育，但放棄一季小麥種植可能會對該地區(qū)糧食產量造成影響。若在該區(qū)域種植再生稻，再生季水稻產量可在一定程度上彌補小麥的產量損失，因此在太湖流域嘗試種植再生稻具有重要的切實需求。事實上，太湖流域曾有過種植再生稻的歷史；近年來，再生稻種植已在江蘇溧陽、常熟、句容以及浙江杭州等地初步恢復，其中溧陽和杭州再生稻的總產量高達12.8 t·hm和15.6 t·hm。太湖流域與四川、重慶、湖北等省市同樣地處中緯度地區(qū)，水熱條件充足，再生稻發(fā)展?jié)摿薮?，但在太湖流域改種再生稻究竟能增產多少，哪些再生稻品種更具優(yōu)勢尚未可知。

種植再生稻較常規(guī)中稻需要提前移栽、收獲以保證再生季有充足的光熱資源，因而對水稻品種具有較高要求，且水稻生育期、田間水肥管理時間及施肥模式與單季稻作模式完全不同，這必然會影響稻田的溫室氣體排放規(guī)律與排放量。王天宇等在安徽巢湖流域稻麥輪作轉為再生稻模式的研究表明，種植再生稻不僅能提高水稻產量，而且能大幅減少水稻生長季CH和NO排放總量和溫室氣體排放強度。目前，在我國再生稻發(fā)展迅猛的地區(qū)（如湖北、湖南、四川等地）已有再生稻田的溫室氣體排放通量觀測報道，而再生稻發(fā)展相對緩慢的太湖流域尚未開展相關研究。因此本研究于江蘇宜興試驗基地開展田間原位觀測實驗，分析了5個再生稻品種的生長狀況、稻谷產量及CH和NO排放通量，同步測定了土壤氧化還原電位（Eh）、土壤銨態(tài)氮（NH-N）和硝態(tài)氮（NO-N）濃度，以期明確太湖流域種植再生稻的可行性以及CH和NO排放規(guī)律，為太湖流域推廣種植再生稻提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料和方法

1.1 實驗設計

大田實驗于2021年4—10月在江蘇省宜興市丁蜀鎮(zhèn)漳瀆村（119.91°E，31.28°N）開展。該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫15.5℃，多年平均降水量為1 391 mm，日照充足，生長期可達250 d左右，傳統(tǒng)的種植制度是稻麥輪作。供試的土壤類型為黃泥土，土壤全碳含量為26.2 g·kg，全氮含量為1.1 g·kg，pH為6.32。

實驗共選取5個再生稻品種：旱優(yōu)73、甬優(yōu)2640、豐兩優(yōu)香1號、C兩優(yōu)華占和兩優(yōu)6326。每個處理設置4次重復，采用隨機區(qū)組設計。每個實驗小區(qū)的面積為7.5 m（2.5 m×3 m），水稻于4月20日移栽，株行距為25 cm×20 cm，每穴移栽2棵；8月10日旱優(yōu)73、豐兩優(yōu)香1號和兩優(yōu)6326中稻季收獲，18日甬優(yōu)2640和C兩優(yōu)華占中稻季收獲；10月26日所有水稻再生季收獲。尿素157 kg·hm、過磷酸鈣（以PO計）60 kg·hm和氯化鉀（以KCl計）45 kg·hm作為基肥于4月20日施用；尿素209、157 kg·hm和150 kg·hm分別作為分蘗肥、穗肥和促芽肥于5月10日、6月20日和8月1日施用；尿素150 kg·hm作為再生季發(fā)苗肥施用，其中旱優(yōu)73、豐兩優(yōu)香1號和兩優(yōu)6326處理的發(fā)苗肥于8月9日施用，甬優(yōu)2640和C兩優(yōu)華占于8月18日施用。中稻季的水分管理為前期淹水、中期烤田，烤田后復水直至頭季稻收割前一周排水落干。再生季在頭季稻收割后立刻灌水，淺水勤灌，灌漿期轉為干濕交替模式。

1.2 田間樣品采集

CH和NO的排放通量通過靜態(tài)箱法采集，箱體由有機玻璃制成，箱高0.5 m，中稻或再生稻生長后期加高至1.1 m以保證植株正常生長，覆蓋面積為0.25 m（0.5 m×0.5 m）。底座于水稻移栽前埋入各小區(qū)內，底座規(guī)格為0.5 m×0.5 m×0.15 m，底座中移栽6蔸水稻，上方有3 cm深的凹槽。每次采樣時，需向凹槽中注入一定量的水，以保證靜態(tài)箱放入底座凹槽后具有良好的密閉性。采樣時間為上午8：30—11：00。采樣時，用兩通針將靜態(tài)箱內氣體導入事先抽好真空的20 mL玻璃瓶中，各采樣點每20 min采樣一次，共采集4次。水稻生長季每4 d采樣1次，烤田及施肥前后加密采樣。

采集氣體樣品的同時，用數(shù)字溫度計記錄氣溫、箱溫及10 cm處土溫；用Eh計測定氧化還原電位。此外，在水稻不同生育期采集土壤樣品測定土壤中NH-N和NO-N的含量。頭季稻、再生稻收割后，分別按小區(qū)脫粒、晾曬稱質量，計算水稻產量。

1.3 樣品分析

氣體樣品濃度使用安捷倫氣相色譜（Agilent 7890B）測定，其中CH濃度用氫火焰離子化檢測器（FID）測定，NO濃度用Ni電子捕獲檢測器（ECD）測定。CH和NO混合標準氣體由中國計量科學研究院提供。

土壤樣品分析：稱取10 g土壤于250 mL的聚乙烯瓶中，加入50 mL的KCl浸提液（濃度為2 mol·L），300 r·min振蕩1 h，經0.45 μm濾膜過濾，過濾液用連續(xù)流動分析儀（Skalar，Nertherlands）測定NH-N和NO-N含量。土壤樣品在105℃下烘干8 h，測定土壤含水率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

CH和NO排放通量的計算公式：

式中：為CH或NO排放通量，mg·m·h或μg·m·h（以NO-N計，下同）；為標準狀態(tài)下CH或NO-N密度，0.714 kg·m或1.25 kg·m；為采樣箱內有效體積，m；為采樣箱所覆蓋的土壤面積，m；d/d為單位時間內采樣箱內CH或NO濃度變化，μL·L·h或nL·L·h；為采樣箱溫度，K。

CH和NO的季節(jié)排放總量的計算公式：式中：為CH或NO的季節(jié)總排放量，g·m或mg·m（以NO-N計，下同）；F和F分別為第次和第+1次采樣時CH或NO排放通量，mg·m·h或μg·m·h；D和D分別為第和+1次的采樣時間，d。CH和NO季節(jié)排放總量是將每次的觀測值按時間間隔加權求和后再平均，處理間用4個重復的平均值進行方差分析和多重比較。

根據(jù)單位質量的CH和NO在100 a時間尺度上的全球增溫潛勢分別為CO的28倍和265倍，計算不同處理排放CH和NO的溫室氣體全球增溫潛勢，公式如下：

式中：為CH和NO的溫室氣體總量，t COe·hm；和為CH和NO的 季節(jié) 排 放總 量，t·hm。

溫室氣體排放強度（Greenhouse gas intensity，）是農業(yè)生產中綜合評價溫室效應的指標，公式如下：

式中：為溫室氣體排放強度，t COe·t，為CH和NO的溫室氣體排放總量，t COe·hm；為作物產量，t·hm。

2 結果與分析

2.1 CH4排放

稻季CH排放通量如圖1a所示，從圖中可以看出，各品種再生稻CH的季節(jié)排放規(guī)律大體相同，CH排放峰依次出現(xiàn)在中稻季的分蘗期和抽穗前后以及再生季的前期，其中中稻季抽穗前后的峰值最高，這段時期里排放的CH量占稻季CH排放總量的43.5%～69.2%，再生季前期的排放峰值比中稻季抽穗前后低39.2%～88.5%；中稻季分蘗期和抽穗前后的CH排放峰值按從大到小依次為C兩優(yōu)華占＞兩優(yōu)6326＞豐兩優(yōu)香1號＞甬優(yōu)2640＞旱優(yōu)73，而再生季前期各品種CH排放峰值從大到小依次為兩優(yōu)6326＞旱優(yōu)73＞甬優(yōu)2640＞豐兩優(yōu)香1號＞C兩優(yōu)華占。

圖1 CH4和N2O排放通量的季節(jié)變化Figure 1 Seasonal variations of CH4 and N2O fluxes during the rice-growing season

5個再生稻品種的CH排放都集中在中稻季，變化范圍是161～233 kg·hm（表1），占稻季排放總量的77.0%～91.7%，其中C兩優(yōu)華占中稻季的占比最大，旱優(yōu)73的占比最??；再生季的CH排放量占稻季CH排放總量的8.3%～23.0%，其中旱優(yōu)73的占比最大，C兩優(yōu)華占的占比最小。整個稻季的CH累積排放量從大到小依次為兩優(yōu)6326＞C兩優(yōu)華占＞豐兩優(yōu)香1號＞甬優(yōu)2640＞旱優(yōu)73（表1），其中兩優(yōu)6326的排放總量最高，顯著高于旱優(yōu)73、甬優(yōu)2640和豐兩優(yōu)香1號（＜0.05），其他各品種間不存在顯著差異（＞0.05）。

表1 稻季CH4和N2O排放量、溫室氣體排放總量、產量和溫室氣體排放強度Table 1 CH4 and N2O emissions，TGHG，rice grain yield，and GHGI during the rice-growing season

2.2 N2O排放

不同品種再生稻的NO季節(jié)排放規(guī)律也基本相同，整體呈現(xiàn)波動狀態(tài)，NO排放峰主要出現(xiàn)在施肥和水分改變以后（圖1b）。其中，中稻季烤田期的峰值最高，這段時期里排放的NO量占稻季NO排放總量的20.9%～30.4%，促芽肥和發(fā)苗肥施用后的NO排放峰值分別比中稻季烤田期低79.5%～93.4%和57.8%～98.4%?？咎锲贜O排放峰值按從大到小依次為旱優(yōu)73＞豐兩優(yōu)香1號＞兩優(yōu)6326＞甬優(yōu)2640＞C兩優(yōu)華占。

不同品種再生稻的NO排放也主要集中在中稻季，其變化范圍是0.378～0.545 kg·hm（表1）。中稻季占稻季NO排放總量的97.6%～99.5%，其中兩優(yōu)6326的占比最高；再生季NO排放量占稻季NO排放總量的0.5%～2.4%，其中C兩優(yōu)華占占比最大，兩優(yōu)6326占比最低（表1）。稻季NO累積排放總量從大到小依次為兩優(yōu)6326＞C兩優(yōu)華占＞旱優(yōu)73＞豐兩優(yōu)香1號＞甬優(yōu)2640，各品種間的NO排放總量均不存在顯著性差異（＞0.05，表1）。

2.3 產量、溫室氣體排放總量和溫室氣體排放強度

由表1可知，不同品種再生稻兩季總產量從大到小依次為甬優(yōu)2640＞豐兩優(yōu)香1號＞旱優(yōu)73＞C兩優(yōu)華占＞兩優(yōu)6326。中稻季產量是再生季產量的1.7～3.2倍，在總產量中占比為63.3%～75.1%。

稻季溫室氣體排放總量從大到小依次為兩優(yōu)6326＞C兩優(yōu)華占＞豐兩優(yōu)香1號＞甬優(yōu)2640＞旱優(yōu)73，旱優(yōu)73的排放總量顯著低于兩優(yōu)6326（＜0.05，表1）。5個再生稻品種的溫室氣體排放強度為0.50～1.35 t COe·t，其中甬優(yōu)2640的溫室氣體排放強度最低，顯著低于其他品種（＜0.05，表1）。

3 討論

3.1 CH4排放

稻田CH排放是土壤中CH產生、氧化和傳輸?shù)膬粜?。嚴格厭氧環(huán)境和易降解有機物質是稻田土壤CH產生的兩個最基本要素，因此與之密切相關的田間水分管理和有機肥施用對CH排放的影響也最顯著。整個稻季共出現(xiàn)了3個排放峰，依次在中稻季分蘗期和抽穗前后以及再生季前期（圖1a）。其中，分蘗期和再生季前期由于稻田均處于淹水狀態(tài)，而抽穗前后的總降水量多達610 mm，占整個稻季總降水量的45%。因此，中稻季的前期和抽穗前后以及再生季的前期，土壤的氧化還原電位均為負值（圖2a），有利于CH的產生和排放。中稻季抽穗前后的CH排放峰值高于分蘗期（圖1a），原因可能是抽穗前后的土壤溫度高于分蘗期（圖3），且水稻植株發(fā)育更完全，根系分泌物和凋落物增多，有利于CH的產生和排放。

整個稻季的土壤溫度呈先上升后下降的趨勢（圖3），相關性分析顯示，CH排放通量與土壤溫度存在極顯著正相關關系（＜0.01，表2）。再生季的平均土壤溫度較中稻季低1.2℃（圖3），地上生物量僅是中稻的一半左右，較低的土溫和較少的植株可能影響土壤產甲烷菌的活性以及CH向大氣傳輸?shù)乃俾剩瑥亩鴮е略偕綜H排放峰值較低（圖1a）。兩季CH排放總量范圍為209～289 kg·hm，與SONG等在四川的研究結果相當，但比張浪等在湖南的研究結果低54.1%～65.7%，比王天宇等在安徽的結果低73.2%～79.9%。這可能是由于本研究的磷肥施用量較低（60 kg·hm），磷的添加會促進土壤中碳的礦化，從而影響產CH底物水平。再生季的CH排放量僅占稻季排放總量的8.3%～23.0%（表1），與以往研究結果相當。

水稻品種是土壤CH產生、氧化和傳輸?shù)囊粋€重要影響因素。水稻根系分泌物和脫落物是稻田土壤中重要的產CH前體，不同水稻品種根系分泌物量和組成成分各不相同，從而影響CH的產生。植株的通氣組織是稻田CH排放的主要途徑，不同水稻品種通氣組織的發(fā)育情況不同，傳輸CH的能力也存在差異。5個再生稻品種中，兩優(yōu)6326的CH排放量較大（表1），可能是因為植株生長發(fā)育較好，其根系分泌物和脫落物多于其他品種，植株傳輸能力也強于其他品種，武茹等在湖北的研究中，同樣觀察到生長較好的再生稻品種具有較大的CH排放量。另一方面，5種再生稻稻季土壤平均Eh從大到小依次為旱優(yōu)73（-63.06 mV）＞豐兩優(yōu)香1號（-65.98 mV）＞甬優(yōu)2640（-69.51 mV）＞兩優(yōu)6326（-70.60 mV）＞C兩優(yōu)華占（-73.89 mV），與品種間稻季CH排放量大小排序相同；相關分析也顯示，CH排放通量與土壤Eh存在極顯著負相關關系（＜0.01，表2），由此可知，土壤Eh不同也是再生稻品種間存在CH排放差異的原因。

3.2 N2O排放

NO主要是通過硝化作用和反硝化作用產生，再經植株通氣組織、氣泡和液相擴散進入大氣中。氮肥的施用為硝化和反硝化反應提供了底物，土壤水分的劇烈變化加快了硝化和反硝化速率，因此，土壤水分和氮肥施用是影響NO排放的關鍵因素。本研究中，整個稻季NO的峰值均出現(xiàn)在施肥或土壤水分發(fā)生劇烈變化時，與丁紫娟等在湖北的研究結果相同。其中，烤田期間的NO排放峰值最高，可能是由于此期間土壤水分變化最為劇烈，且此時土壤溫度最高（圖3），均有利于NO的產生和排放。施用促芽肥和發(fā)苗肥后也出現(xiàn)排放峰，但峰值較小，鄧橋江在湖北觀測到NO排放量為3.28 kg·hm，再生季占比為49.1%，均遠高于本研究結果，這可能與稻田再生季始終保持淺水層，水分變化不大有關。

圖3 稻季氣溫、降水量及土壤溫度的動態(tài)變化Figure 3 Dynamic changes of air temperature，precipitation，and soil temperature during the rice-growing season

水稻品種同樣也影響土壤NO的產生、轉化和傳輸過程。不同水稻植株對氮肥吸收利用程度不同，從而影響參與硝化反硝化作用的底物數(shù)量；植株根系分泌物和凋落物為微生物提供有機碳，增強微生物活性；植株是稻田NO排放的重要通道，水稻品種不同，氣體傳輸效率也存在差異。但SIMMOND等的研究發(fā)現(xiàn)水稻品種間NO排放量沒有顯著差異，與本實驗結果一致。值得注意的是，兩優(yōu)6326所處的稻田土壤中平均NH和NO含量高于其他品種（圖2b和圖2c），且相關性分析表明，NO排放通量與土壤中NH-N存在正相關關系（＞0.05，表2）。NH和NO是土壤硝化作用和反硝化作用產生NO的基質，因此兩優(yōu)6326的NO排放量比其他品種高7.9%～42.0%（表1）。FENG等的研究發(fā)現(xiàn)，7Y88和7Y370兩種水稻吸收同化了更多的氮素，減少了硝化和反硝化作用的基質，降低了NO的排放，由此推測兩優(yōu)6326有較大NO排放可能是由于與其他品種相比，吸收利用的氮素較少。其他可能影響再生稻NO排放的原因和機制還需深入研究。

表2 稻季CH4和N2O排放通量與土壤溫度、Eh、NH+4-N、NO-3-N的相關系數(shù)Table 2 Correlation coefficients of CH4 and N2O fluxes with soil temperature（T），Eh，NH+4-N，and NO-3-N during the rice-growing season

圖2 稻季土壤Eh、NH+4-N和NO-3-N動態(tài)變化Figure 2 Dynamic changes of soil Eh，NH+4-N，and NO-3-N during the rice-growing season

3.3 溫室氣體排放強度

統(tǒng)計分析結果表明，我國再生稻中稻季、再生季及兩季總的平均產量分別為8.26、3.64和11.69 t·hm。5個水稻品種中，總產量從大到小的排序為甬優(yōu)2640＞豐兩優(yōu)香1號＞旱優(yōu)73＞C兩優(yōu)華占＞兩優(yōu)6326。其中，甬優(yōu)2640和豐兩優(yōu)香1號的兩季總產量分別達到12.62 t·hm和10.40 t·hm（表1），與我國平均值相當，且這兩種再生稻再生季的產量（4.34 t·hm和3.82 t·hm）略高于全國再生季平均值以及狄田榮在溧陽的研究結果（3.76 t·hm），說明甬優(yōu)2640和豐兩優(yōu)香1號這兩種再生稻在太湖流域有較好的發(fā)展?jié)摿Α１狙芯康闹械炯井a量低于溧陽和杭州報道的產量，這可能與其栽插密度和施肥量略低有關，后期可以考慮適當調整栽插密度和施肥措施，并加強田間管理，以進一步挖掘太湖流域再生稻的產量潛力。

各處理的溫室氣體排放總量為5.90～8.26 t COe·hm，與SONG等在四川的研究結果（6.39 t COe·hm）相當。通常情況下，CH排放量對溫室氣體排放總量起決定性影響，與其他兩個水稻品種相比，旱優(yōu)73、豐兩優(yōu)香1號和甬優(yōu)2640的CH排放量較小，導致溫室氣體總排放量也較低。溫室氣體排放強度是溫室氣體排放總量與產量的比值，代表單位產量的溫室氣體排放量，可以以此為依據(jù)篩選再生稻品種。各處理溫室氣體排放強度從大到小依次為兩優(yōu)6326＞C兩優(yōu)華占＞旱優(yōu)73=豐兩優(yōu)香1號＞甬優(yōu)2640，與再生稻兩季總產量的排序相反，表明產量對于溫室氣體排放強度的影響可能更大。甬優(yōu)2640的溫室氣體排放強度顯著低于其他品種，原因在于該品種再生稻的產量比其他品種高21.3%～106.2%，且溫室氣體總排放量低-6.3%～24.1%。SONG等在四川種植的再生稻品種晶兩優(yōu)華占，與其他4個品種相比，溫室氣體排放強度最低、產量最高，但溫室氣體排放總量卻僅低于渝香203，也說明產量對溫室氣體排放強度的影響較大。此外，本研究中所有品種再生季溫室氣體排放強度均顯著低于中稻季，與SONG等的研究結果相反，這是由于再生季的水稻產量相對較高，而溫室氣體排放較低。因此，在太湖流域種植再生稻可一定程度上降低溫室氣體排放強度。綜合來看，甬優(yōu)2640和豐兩優(yōu)香1號的產量較高，溫室氣體排放強度較低，在太湖流域種植再生稻時可優(yōu)先考慮這兩個品種。

4 結論

（1）不同再生稻品種間的產量和溫室氣體排放總量存在較大差異，其中甬優(yōu)2640和豐兩優(yōu)香1號的兩季產量最高，兩優(yōu)6326的最低；旱優(yōu)73的溫室氣體排放總量最小，兩優(yōu)6326的最大。

（2）從溫室氣體排放強度來看，甬優(yōu)2640和豐兩優(yōu)香1號的最小，說明這兩個水稻品種蓄留再生稻具有減排豐產潛力，推薦在太湖流域種植。在碳達峰、碳中和背景下，需進一步挖掘高產低排的、適于在太湖流域種植的再生稻品種，并配套相應的水肥管理措施，以期在保障國家糧食安全的同時有效控排稻田溫室氣體，推動氣候變化下韌性農業(yè)種植新模式的建立。