江汉平原不同类型“一种两收”水稻品种对稻田CH4 和N2O 排放的影响

李绍秋，娄兵，李芝义，李心雨，邓姣，刘章勇，朱波∗，蔡鑫，曹鹏，张玉娇，张石来，黄光福，胡凤益

(1 长江大学农学院/主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心，湖北 荆州 434020；2 荆州市荆州区马山镇农业技术服务中心，湖北 荆州 434020；3 湖北省农业技术推广总站，湖北 武汉 430070；4 云南省多年生稻工程技术研究中心/云南大学农学院，云南 昆明 650091)

甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是仅次于二氧化碳(CO2)的重要温室气体。稻田是农业生产中重要的温室气体排放源之一[1－2]，其CH4年排放量占全球CH4总排放量的7%～17%[3]，N2O 年排放量占农业排放量的29%[4]。因此，稻田温室气体减排对保障粮食安全具有重要意义。

研究[5]表明，水稻品种和稻作模式对稻田CH4和N2O 排放具有显著影响。不同水稻品种的植株特性不同，CH4的产生和其在水稻植株体内的传输也存在差异[6]。Riya 等[7]发现不同水稻品种的CH4和N2O 排放差异可分别达到6 倍和14 倍。不同稻作模式的作物构成、土壤耕作、水肥管理等方面具有差异，因此其稻田CH4和N2O 排放也不同。张浪等[8]研究发现，再生稻的CH4累积排放量比双季稻低33.9%，单位产量CH4排放量比双季稻低23.1%。Lee 等[9]认为，再生稻CH4累积排放量显著低于双季稻，单位产量CH4排放量也明显低于一季稻和双季稻。

多年生稻具有一次种植连续多年收获的特点，可节省播种、育秧、犁田、移栽等生产环节费用，是一种轻简高效的水稻生产新模式[10－11]。目前，关于多年生稻稻田CH4和N2O 排放的研究较少。本研究分析不同再生稻品种和多年生稻品种在稻谷产量、CH4和N2O 排放之间的差异，以期为构建丰产减排的稻作模式提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地位于湖北省荆州市长江大学西校区试验基地(29°26′N～31°37′N，111°15′E～114°05′E)。该地属于亚热带季风湿润气候，年均气温15.9～16.6℃，有效积温5 095～5 204 ℃，年无霜期242～263 d，年平均降水量1 100～1 300 mm。试验土壤为潮土，土壤pH 6.1，含有机碳12.2 g/kg、全氮1.5 g/kg、有效磷12.6 mg/kg、速效钾99.0 mg/kg。试验前将土壤风干、整碎，拣出石块、根系等杂物，过2 cm 筛备用。采用直径25 cm、高18 cm 的圆形塑料盆进行盆栽，每盆装6.5 kg 风干土。

试验设置4 个品种处理(表1)，包括2 个再生稻品种和2 个多年生稻品种。再生稻品种为籼型两系杂交稻丰两优香1 号(FLYX1)和籼型常规稻虾稻1 号(XD1H)，多年生稻品种为粳型常规稻多年生稻23(PR23)和云大25(PR25)。设3 次重复，采用随机区组排列。所有处理于2021 年3 月26 日播种，4 月27 日移栽，每盆2 穴，每穴3 苗。头季每千克土施用N 100 mg、P2O568 mg、K2O 90 mg，所有肥料于4 月28 日作基肥一次施用；头季稻收割时留桩20 cm。再生季施肥管理:头季齐穗后10 d 每千克土施N 100 mg、K2O 217 mg 作促芽肥；在头季收割后10 d 每千克土施N 100 mg、K2O 147 mg 作提苗肥。

表1 再生稻与多年生稻头季、再生季收获时期Table 1 The harvest time of first and regeneration season of ratoon rice and perennial rice

1.2 采样及测定

采用静态箱—气相色谱法测定CH4和N2O 排放速率。箱体为高120 cm、直径32 cm 的有机透明玻璃。在水稻移栽后第3 天开始采集气体，采集频率约7 d 一次，施肥后采样频率适当增加。采样时间均为上午8:00—11:00。采样前先将底座凹槽内灌满水，以隔绝箱内与外界的气体流通。在箱体密封之后的0、10、20 min 用100 mL 注射器抽取箱内气体并通过三通阀转入500 mL 采样袋中，用气相色谱仪Agilent 7890B 分析测定CH4和N2O 浓度。CH4检测器为氢火焰离子化检测器(FID)，检测温度为250 ℃，柱温50 ℃；N2O 检测器为电子捕获检测器(ECD)，检测温度为330 ℃，柱温50 ℃。

1.3 数据处理

温室气体排放速率根据箱中该气体浓度随时间的变化率计算得出。气体排放通量计算公式如下:

式中:F为气体排放通量；ρ为标准状态下气体密度(CH4:0.714 kg/m3，N2O:1.964 kg/m3)；h为采样箱高度(m)；dc/dt为采集气样过程中气体浓度随时间的变化率；273 为气态方程常数；T为采集气样时箱内温度(℃)。

温室气体累计排放量计算公式[12]:

式中:E为CH4或N2O 季节总排放量(g/m2)；Fn和Fn＋1为第n次和第n＋1 次采样时CH4或N2O的平均排放通量(mg/m2•h 或μg/m2•h)；tn和tn＋1为第n次和第n＋1 次的采样时间(d)。

CH4和N2O 的全球增温潜势(GWP)采用国际植物保护公约(IPCC)推荐的方法计算[13]:

式中:GWP(g/m2)为全球增温潜势；CH4(g/m2)和N2O(g/m2)分别为稻田CH4和N2O 排放的总二氧化碳当量(g)，以CO2计。

结合水稻产量计算单位稻谷产量温室气体排放强度(GHGI)[14]。

式中:GHGI为温室气体排放强度(kg CO2－eq/kg)；Y为水稻总产量(g/m2)。

1.4 数据统计方法

采用SPSS 24.0 统计软件进行方差分析和差异显著性检验，采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较；采用Excel 2010 作图。

2 结果与分析

2.1 不同类型水稻品种的CH4 排放规律

如图1 所示，多年生稻和再生稻的CH4排放动态规律基本一致。在头季齐穗期出现一个较高的CH4排放峰，之后在再生季齐穗期出现较小排放峰，然后趋于平缓。在第一个CH4排放峰，多年生稻的CH4排放速率高于再生稻，其中PR25 的CH4排放速率为11.0 mg/m2•h，分别较FLYX1 和XD1H 高391.1%和99.6%。第二个CH4排放峰，多年生稻PR23 的CH4排放速率为5.8 mg/m2•h，分别较FLYX1 和XD1H 高2.8%和98.6%。

图1 再生稻与多年生稻的CH4 排放通量Fig.1 CH4 emission flux of ratoon rice and perennial rice

多年生稻PR25 全生育期的CH4累积排放量最高，显著高于再生稻FLYX1(P<0.05)。与再生稻相比，多年生稻在头季和再生季的CH4排放量分别增加了213.0%和55.8%，全生育期的CH4累积排放量提高了156.9%(表2)。

表2 再生稻与多年生稻的CH4 和N2O 累积排放量Table 2 Cumulative emissions of CH4 and N2O of ratoon rice and perennial rice g•cm－2

2.2 不同类型水稻品种的N2O 排放规律

再生稻和多年生稻的N2O 排放趋势基本一致(图2)。多年生稻和再生稻在头季施基肥时出现第一个N2O 排放峰，之后在施促芽肥至提苗肥期间出现第二个N2O 排放峰，后期处于平缓状态。在第一个排放峰，多年生稻PR23 的N2O 排放量为178.1 μg/m2•h，分别较FLYX1 和XD1H 高177.0%和478.2%。第二个N2O 排放峰，再生稻FLYX1 的N2O 排放量为57.9 μg/m2•h，分别较PR23 和PR25高200.0%和29.8%。但各水稻品种间N2O 排放量无显著差异，且其N2O 排放峰主要出现在头季。与再生稻相比，多年生稻头季的N2O 排放量提高了13.7%，再生季却降低了40.4%，全生育期的N2O累积排放量提高了2.2%(表2)。

图2 再生稻与多年生稻的N2O 排放通量Fig.2 N2O emission flux of ratoon rice and perennial rice

2.3 不同类型水稻品种的全球增温潜势与温室气体排放强度

由表3 可知，多年生稻的稻谷产量较再生稻低61.0%。再生稻XD1H 的产量较FLYX1 高30.8%；多年生稻PR23 的产量较PR25 降低8.3%。本研究中多年生稻的全球增温潜势(GWP)较再生稻高139.3%。再生稻的GWP以FLYX1 较低，为80.9 g(CO2)/m2，较XD1H 低47.4%；再生稻FLYX1 和XD1H 排放的CH4对GWP的贡献占82.4%～91.8%，而排放的N2O 对GWP的贡献仅占8.2%～17.6%。多年生稻PR23 的GWP较PR25 低17.6%，两者排放的CH4对GWP的贡献率达到90%以上，而排放的N2O 贡献率却不足10%。

表3 再生稻与多年生稻全球增温潜势、产量和温室气体排放强度Table 3 Global warming potential，yield and greenhouse gas emission intensity of ratoon rice and perennial rice

结合水稻产量计算100 年尺度上的温室气体排放强度。从综合排放强度来看，多年生稻的GHGI较再生稻高650.0%。再生稻FLYX1 和XD1H 的GHGI均为0.1 kg CO2－eq/kg；多年生稻PR23 的GHGI排放强度为0.7 kg CO2－eq/kg，较PR25 低12.5%。

3 讨论

本试验中，再生稻和多年生稻在分蘖期的CH4排放较低，其原因可能是水稻生长前期温度较低，土壤生物活性较弱，土壤耗氧慢，不利于甲烷菌活动[15－16]；然而在头季齐穗期、再生季前期和再生季齐穗期的CH4排放较高，这可能是由于水稻生长后期根系生长旺盛导致水稻根系分泌物增加，且后期温度升高使土壤中微生物的活性增强，加快了土壤中溶解氧的消耗，为CH4产生和排放创造了适宜的环境[17－18]。其中，再生稻XD1H 和多年生稻PR23、PR25 在水稻头季的CH4排放量要高于再生季，这可能是因为再生季的土壤温度相对较低，抑制了CH4的产生和运输，从而使植株的CH4排放量降低。与再生稻各品种相比，多年生稻的CH4排放量在头季、再生季和全生育期分别增加了213.0%、55.8%和156.9%，这可能是因为水稻品种和生育期不同所造成的[19－20]。

本研究发现，在水稻施基肥、促芽肥和提苗肥后均有明显的N2O 排放，这是因为氮肥为硝化和反硝化作用提供了充足的基质，进而促进N2O 的排放[21]。其中，多年生稻全生育期的N2O 累积排放量较再生稻高2.2%，一方面可能是水稻根际释放的O2减少导致微生物数量和活性发生变化，从而削弱了硝化和反硝化过程，减少了N2O 的产生和排放[22]；另一方面可能是不同水稻植株对氮的吸收和利用程度不同，从而影响了参与硝化反硝化的底物数量[23]。但本研究中不同品种水稻的N2O 的排放量无显著差异，与樊迪等[24]研究结果一致。

程卯等[25]研究表明，多年生稻在云南种植有较好的产量，双季稻区周年产量为15 000 kg/hm2左右，产量显著高于再生稻品种。施继芳[26]针对云南种植的多年生稻的研究发现，季节、密度和季节与密度的交互作用对水稻产量有显著影响，这可能是本试验中在江汉平原种植的多年生稻产量低于再生稻的主要原因。多年生稻的稻谷产量较再生稻低61.0%，进而导致全球增温潜势较高，这可能是由于多年生稻对江汉平原的土壤和气候环境不适应导致的，也与田间种植和管理措施有关，如留桩高度、种植密度、施肥制度等，具体原因需进一步深入研究。这也导致多年生稻的全球增温潜势和温室气体排放强度比再生稻分别高139.3%和650.0%。CH4排放是稻田温室气体排放的主要组成部分[27]。本研究中多年生稻甲烷排放量高于再生稻，可能是由于品种本身特性和多年生稻生育期较长所导致的。因此，与多年生稻相比，再生稻的CH4排放量较小，温室气体排放强度也较低。

4 结论

在江汉平原，多年生稻的CH4季节性排放量和累积排放量高于再生稻，但N2O 排放与再生稻无显著差异。所以，与多年生稻相比，再生稻丰两优香1号具有较高的稻谷产量和较低的温室气体排放，更适合在江汉平原地区推广。为了进一步探索多年生稻在江汉平原的适应性及温室效应，后期还需进一步深入探索多年生稻对江汉平原地理气候特征的响应，优化多年生稻的田间种植和管理措施。