宋開付,楊玉婷,于海洋,張廣斌,徐 華,呂世華,馬 靜,*

1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國科學(xué)院南京土壤研究所,南京 210008 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 農(nóng)業(yè)部西南山地農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所,成都 610066

全球氣候變暖是世人給予廣泛關(guān)注的全球性環(huán)境問題之一,導(dǎo)致溫室效應(yīng)的溫室氣體濃度在大氣中不斷地增長也越來越受到重視。CH4是重要的溫室氣體,對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)達(dá)15%,其增溫效應(yīng)僅次于CO2[1]。CH4在大氣中的濃度已由工業(yè)革命前的0.722 μL/L上升到2011年的1.807 μL/L[2],增幅達(dá)150%。稻田是大氣CH4的重要排放源,其年排放量約為33—40 Tg[2]。正確評估稻田CH4排放量既能對于未來氣候變化條件下進(jìn)一步研究全球變暖做好鋪墊,又能為溫室氣體減排措施的制定提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

再生稻是在單季稻基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種水稻耕作模式,它利用收割后稻樁上存活的休眠芽,在適宜的水、溫、光和養(yǎng)分等條件下,重新發(fā)苗抽穗,再收一季[3]。早在20世紀(jì)30年代,我國就有關(guān)于再生稻的研究報(bào)道[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國南方單季稻作區(qū)適宜種植再生稻的面積約3.3×106hm2,可比只種一季稻生產(chǎn)方式增產(chǎn)稻谷9.9×107t,其增產(chǎn)潛力巨大[5]。四川省再生稻種植面積達(dá)2.5×105hm2左右,然而因干旱等自然災(zāi)害限制了再生稻種植面積的進(jìn)一步擴(kuò)大,增加了單產(chǎn)的不穩(wěn)定性。近年來,為應(yīng)對季節(jié)性干旱對水稻造成的嚴(yán)重影響,覆膜技術(shù)在川中丘陵區(qū)得到廣泛應(yīng)用[6]。

研究表明[7- 8]：熱量是影響再生稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要?dú)夂蛞蛩?膜下5 cm土溫日平均值比無膜地下5 cm土溫增高3.2—5.6 ℃。水稻覆膜栽培技術(shù)可以提高土壤溫度,預(yù)防中稻移栽早期的低溫冷害。因此,水稻覆膜栽培有利于單季中稻(頭一季)在該地區(qū)蓄留再生稻(再生季),并可能實(shí)現(xiàn)它們的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。由于頭一季的生育期、施肥時(shí)間與施肥量均不同于傳統(tǒng)的單季稻和雙季稻,其稻田CH4排放規(guī)律可能也會(huì)發(fā)生改變。目前,國際上有關(guān)單季稻和雙季稻的CH4排放研究已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[9-10],但關(guān)于頭一季與再生季及全生育期的CH4排放通量觀測目前還嚴(yán)重缺乏。

本研究通過田間原位試驗(yàn),觀測了水稻覆膜條件下川中丘陵區(qū)再生稻稻田CH4排放通量,旨在探明覆膜再生稻稻田CH4排放規(guī)律,為準(zhǔn)確評估中國稻田的CH4排放量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2016—2017年稻季在四川省資陽市雁江區(qū)雁江鎮(zhèn)響水村(104°34′E,30°05′N)進(jìn)行。該地區(qū)年平均氣溫16.8℃,年平均降水量965.8 mm。試驗(yàn)土壤為侏羅紀(jì)遂寧組母質(zhì)發(fā)育紅棕紫泥,全碳含量為34.5 g/kg,全氮含量為2.8 g/kg,土壤pH為7.6。

供試水稻品種為旱優(yōu)73,試驗(yàn)共設(shè)2個(gè)處理,每個(gè)處理4次重復(fù)：(1)覆膜單季中稻(SR)；(2)覆膜中稻-再生稻(SR-RR)。試驗(yàn)小區(qū)面積為32.75 m2(6.55 m×5 m),設(shè)4條廂面,5條廂溝。廂面寬1.45 m、長5 m,各廂溝長5 m、寬15 cm、深15 cm。水稻移栽采用三角稀植,行窩距為40 cm×40 cm,每窩以三角形方式栽3穴,每穴1苗,苗間距12 cm,移栽密度為18穴/m2。SR處理所有肥料均作為基肥一次性均勻施于廂面上,水稻生長期間不進(jìn)行追肥,同時(shí)在廂面上均勻覆蓋0.004 mm厚超微薄膜,地膜緊貼廂面泥土平鋪壓實(shí),保留到水稻收獲；SR-RR處理除施加基肥外,還需施用促芽肥和發(fā)苗肥。水分管理為水稻生長期保持廂溝有水,廂面無水。SR-RR處理頭季稻收獲后蓄留再生稻,留樁高度40 cm。各處理的育秧、移栽、收獲、施肥時(shí)間及施肥量見表1。

1.2 田間樣品采集

CH4樣品采集用靜態(tài)密閉箱法,箱體材料為不銹鋼。箱A包括中段箱和頂箱兩部分,高分別為60 cm和70 cm,底面積為40 cm×40 cm,中段箱頂部設(shè)有密封用水槽,用于水稻生長后期加層；箱B高70 cm,底面積為40 cm×10 cm。箱A放置于廂面正上方；箱B放置于廂溝。水稻生長期每隔4—7天采一次樣,采樣時(shí)間為9：00—11：00。采樣前將密閉箱罩在預(yù)先埋入小區(qū)土壤中的不銹鋼底座(40 cm×40 cm×15 cm)上,底座頂端與廂面平齊。靜態(tài)箱密閉后用兩通針將氣體導(dǎo)入18 mL真空玻璃瓶中,每15 min采樣一次,共采樣4次。采集氣體的同時(shí),測定箱溫和廂面5 cm處土溫。取廂面土樣于105℃烘干測定土壤質(zhì)量含水率。水稻成熟時(shí),分別按試驗(yàn)小區(qū)收割、脫粒、晾曬、適當(dāng)篩除空秕粒除水分后稱重,計(jì)算水稻產(chǎn)量。降雨量數(shù)據(jù)來自于四川省資陽市氣象局。

表1 水稻生長期的試驗(yàn)設(shè)置和作物管理

SR: 覆膜單季中稻Film mulching single rice; SR-RR: 覆膜中稻-再生稻Film mulching ratoon rice

1.3 樣品分析

樣品CH4濃度用帶氫火焰離子化檢測器(FID)的安捷倫氣相色譜(Agilent 7890B)測定,柱箱溫度60℃,空氣流量400 mL/min,氫氣燃?xì)饬髁?5 mL/min,尾吹氣流量5 mL/min,載氣用氮?dú)?檢測器溫度300 ℃。CH4標(biāo)準(zhǔn)氣體由中國計(jì)量科學(xué)研究院提供。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)樣品CH4濃度與時(shí)間的關(guān)系變化曲線計(jì)算CH4排放通量。CH4排放通量的公式計(jì)算如下[11]：

F=ρ×V/A×dc/dt×273/T

(1)

式中,F為CH4排放通量(mg m-2h-1)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4密度(0.714 kg/m3)；V為采樣箱內(nèi)有效體積(m3)；A為采樣箱覆蓋的土壤面積(m2)；dc/dt為單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)CH4濃度的變化(μL L-1h-1)；T為采樣箱內(nèi)平均溫度(K)。

試驗(yàn)小區(qū)由廂面和廂溝構(gòu)成,通過箱A測得的氣體排放通量(FA)代表廂面的氣體排放通量,通過箱B測得的氣體排放通量(FB)代表廂溝的氣體排放通量,各處理的氣體排放通量(Fi)為廂面和廂溝的氣體排放通量與之對應(yīng)面積的加權(quán)平均[10],即：

Fi=(FA×SA+FB×SB)/S

(2)

式中,SA、SB和S分別為試驗(yàn)小區(qū)廂面面積、廂溝面積和小區(qū)面積。

CH4排放通量用每次觀測的4個(gè)重復(fù)的平均值表示,CH4季節(jié)排放量是將4個(gè)重復(fù)的每次觀測值按時(shí)間間隔加權(quán)平均后再平均。處理間比較4個(gè)重復(fù)的平均值進(jìn)行方差分析和多重比較。數(shù)據(jù)處理與分析均采用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量和土壤水分含量

水稻生長期的降雨量年際差異明顯(圖1)：2016和2017年水稻生長期的總降雨量分別為732 mm和606 mm,日降雨量為3.77和3.08 mm；2016年每月都有相當(dāng)量的降雨,其中6和7月份降雨量最高,分別是167 mm和211 mm,10月份降雨最少為17 mm；與2016年相比,2017年水稻生長期降雨相對較少,5和6月份降雨量僅為32 mm和79 mm。2016年最大土壤含水率為109.2%(7月5日),最小土壤含水率為66.1%(8月23日),水稻生長期平均含水率為82.0%；2017年最大土壤含水率為89.7%(5月1日),最小土壤含水率為52.3%(6月20日),水稻生長期平均含水率為68.9%。

圖1 水稻生長期降雨量和土壤含水率的季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variation of precipitation and soil moisture content during rice growing period

2.2 稻田CH4排放

稻田CH4排放通量的季節(jié)變化如圖2所示,2016年CH4排放通量明顯大于2017年,可能是由于降雨量年際變化較大的原因。2016年,SR處理CH4排放通量在水稻移栽后18天內(nèi)穩(wěn)定在2.2—3.9 mg m-2h-1范圍內(nèi)；之后逐漸上升,于6月23日達(dá)到排放最高峰33.0 mg m-2h-1,然后在4天內(nèi)迅速下降到最高峰值的一半左右；拔節(jié)孕穗期及抽穗成熟期CH4排放通量分別在9.5—16.2 mg m-2h-1和5.2—13.4 mg m-2h-1范圍內(nèi)波動(dòng)。2017年,SR處理CH4排放通量在水稻移栽后緩慢上升,于5月26日達(dá)到排放最高峰9.4 mg m-2h-1,之后4天內(nèi)快速下降到2.0 mg m-2h-1；水稻生長后半期CH4排放通量在0.9—3.9 mg m-2h-1范圍內(nèi)波動(dòng)。與2016年相比,2017年5、6月份降雨量明顯減少,CH4排放最高峰出現(xiàn)時(shí)間比2016年提前了一個(gè)月,其值也明顯低于2016年的最高峰值；2017年水稻分蘗盛期、拔節(jié)孕穗期及抽穗成熟期的CH4排放通量均小于2016年同時(shí)期的CH4排放通量(圖2)。

SR-RR處理CH4排放通量的季節(jié)變化規(guī)律不同于SR處理。2016年,SR-RR處理水稻移栽后即觀測到7.7 mg m-2h-1的CH4排放,略高于SR處理在水稻移栽時(shí)的CH4排放通量；之后SR-RR處理CH4排放通量在3.1—15.7 mg m-2h-1之間波動(dòng),于6月15日達(dá)到CH4排放最高峰16.6 mg m-2h-1,比SR處理最高峰值出現(xiàn)時(shí)間提前8天,且此峰值僅為SR處理CH4排放最高峰值的一半；SR-RR處理頭季稻的抽穗成熟期CH4排放通量在6.6—12.9 mg m-2h-1范圍內(nèi)波動(dòng),略高于SR處理相應(yīng)生育期內(nèi)的CH4排放通量；頭季稻收獲后21d內(nèi),SR-RR處理CH4排放通量先從9.1 mg m-2h-1略微上升到9.6 mg m-2h-1,再迅速下降到0.1 mg m-2h-1,之后一直在0.1—0.4 mg m-2h-1范圍內(nèi)波動(dòng),直至再生季收獲(圖2)。2017年SR-RR處理CH4排放主要集中在頭季稻生長前期,5月9日即達(dá)到CH4排放最高峰19.8 mg m-2h-1,此最高峰出現(xiàn)時(shí)間比SR處理提前17天,且峰值高一倍；盡管水稻移栽后短時(shí)間內(nèi)SR-RR處理出現(xiàn)很高的CH4排放通量,但其頭季稻的生長后半期的CH4排放通量僅在0.2—1.5 mg m-2h-1范圍內(nèi)變化,遠(yuǎn)低于SR處理相應(yīng)生育期內(nèi)的CH4排放通量；SR-RR處理再生季初期的CH4排放通量由0.3 mg m-2h-1上升到1.6 mg m-2h-1再下降到0.7 mg m-2h-1,之后大部分時(shí)間在0.1—0.7 mg m-2h-1范圍內(nèi)波動(dòng)(圖2)。

由表2可知：SR-RR和SR處理中稻季的CH4排放量相當(dāng)(P>0.05),SR-RR處理再生季的CH4排放量約占兩季總排放的8—10%,SR-RR處理兩季的CH4排放總量比SR處理的單季排放量高11%—16%(P>0.05)。

圖2 稻田CH4排放通量和土壤溫度的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of CH4 fluxes and soil temperature in rice paddy fieldSR: 覆膜單季中稻Film mulching single rice; SR-RR: 覆膜中稻-再生稻Film mulching ratoon rice

2.3 水稻產(chǎn)量及單位產(chǎn)量的CH4排放量

2016年,SR-RR處理中稻季的稻谷產(chǎn)量明顯高于SR處理(P<0.05),SR-RR處理再生季稻谷產(chǎn)量為1.10 t/hm2,占兩季總產(chǎn)的11%,SR-RR處理兩季稻谷總產(chǎn)量比SR處理高19%(P<0.05),單位產(chǎn)量的CH4排放量減少6%(P>0.05,表2)。2017年,SR-RR處理中稻季稻谷產(chǎn)量與SR處理相當(dāng)(P>0.05),SR-RR處理再生季稻谷產(chǎn)量為1.89 t/hm2,占兩季總產(chǎn)的18%,SR-RR處理兩季稻谷總產(chǎn)量比SR處理高22%(P<0.05),單位產(chǎn)量的CH4排放量減少6%(P<0.05,表2)。

表2 CH4排放量、水稻產(chǎn)量及單位產(chǎn)量的CH4排放量

同一列不同小寫字母表示同年處理間存在顯著性差異(P<0.05)

兩因素方差分析的結(jié)果表明,除了水稻產(chǎn)量外,稻田CH4排放量和單位產(chǎn)量的CH4排放量均存在明顯的年際差異,其中2017年CH4排放量和單位產(chǎn)量的CH4排放量顯著低于2016年。兩處理間的CH4排放量和水稻產(chǎn)量均表現(xiàn)為差異性顯著,SR-RR處理的兩季CH4排放量和水稻總產(chǎn)分別顯著高于SR處理單季中稻CH4排放量和水稻產(chǎn)量,且處理與年份之間無交互效應(yīng)(表3)。

表3 處理和年份對CH4排放量、水稻產(chǎn)量及單位產(chǎn)量CH4排放量影響的兩因素方差分析

Table 3 Two-way ANOVA of treatment(T)and year(Y)for the effects on CH4emissions, rice grain yield and CH4emissions per unit yield

因子FactorsdfCH4排放量CH4 emissions/kg/hm2水稻產(chǎn)量Rice yield/t/hm2單位產(chǎn)量的CH4排放量CH4 emissions per unit yield /(kgCH4/t grain)ssFPssFPssFP處理T11524.387.410.039.21409.420.004.954.710.06年份Y1113271.07550.680.000.031.290.291305.631240.620.00處理×年份T×Y1240.581.170.310.083.350.111.311.250.30模型Model3115036.03186.420.009.31138.020.001311.89415.530.00誤差Error81645.560.188.42

T: 處理TreatmentY: 年份Yearss: 離均差平方和Sum of sguares of deviation from mean

2.4 土壤溫度

為2016和2017年水稻生長期廂面5 cm深處土壤溫度的季節(jié)變化：兩年的結(jié)果均表明,全觀測期內(nèi)土壤溫度有先升后降的趨勢,最高溫度分別出現(xiàn)在2016年8月23日和2017年8月4日,分別為29.7℃和28.6℃；再生季的前7—12 d,土壤溫度略微上升了3℃左右,之后迅速下降,后期的大部分時(shí)間保持在20℃左右。SR-RR處理中稻季和再生季的平均土溫分別為24.4—24.6℃和22.9—23.6℃,SR處理水稻生長期的平均土溫為24.9—25.3℃(圖2)。

相關(guān)分析表明,2016年SR-RR處理再生季的CH4排放通量與5 cm處土溫顯著正相關(guān)(P<0.05)。2017年的CH4排放通量與土壤溫度無顯著相關(guān)性(P>0.05)。

表4 水稻生長期CH4排放通量與土壤溫度的相關(guān)系數(shù)

*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平上的顯著相關(guān)性

3 討論

稻田CH4排放存在較大的年際變化,2017年的CH4排放總量比2016年少66%左右(表2)。而以往覆膜稻田的研究結(jié)果[12-15]也表明,CH4排放年際差異最大可達(dá)4倍。水分對稻田CH4的產(chǎn)生起著決定性的作用,CH4產(chǎn)生所需的厭氧環(huán)境在很大程度上取決于土壤水分狀況[16]。土壤水分直接影響土壤通透性、呼吸作用,氧化還原電位、土壤有機(jī)物分解隨之發(fā)生變化[17]。只有當(dāng)水分阻止了氧的擴(kuò)散從而形成嚴(yán)格厭氧環(huán)境時(shí),才能產(chǎn)生CH4。本試驗(yàn)中CH4排放的年際差異主要受土壤水分含量的影響,而土壤水分含量一般受降雨量的控制,由降雨導(dǎo)致的土壤水分變化可以促進(jìn)覆膜稻田CH4排放,有研究表明,土壤CH4的產(chǎn)生量隨土壤水分含量的增加而增加[16-18]。2016年降雨多于2017年,尤其是5、6月份,相應(yīng)地,2016年土壤含水率明顯高于2017年,從而,2016年的CH4排放量大于2017年。CH4的產(chǎn)生是在極端厭氧條件下產(chǎn)甲烷菌作用于產(chǎn)甲烷基質(zhì)的結(jié)果[19- 21],較大的土壤含水率可為稻田CH4的產(chǎn)生和排放創(chuàng)造良好的環(huán)境條件(圖1)。

土壤溫度是影響稻田CH4排放季節(jié)變化的重要因素之一[22],當(dāng)不存在稻田CH4排放的其他限制因子時(shí),在18—31℃范圍內(nèi),稻田CH4排放量隨土壤溫度的升高而增大[23]。徐華等[24]認(rèn)為土壤產(chǎn)甲烷菌活性、土壤有機(jī)質(zhì)分解速率、土壤CH4產(chǎn)生和向大氣傳輸速率皆隨土壤溫度的升高而增加。有關(guān)土壤溫度對稻田CH4排放季節(jié)變化的影響報(bào)道不一,另一些研究未觀測到整個(gè)水稻生長期土壤溫度與稻田CH4排放通量的相關(guān)性[25- 26]。本試驗(yàn)中除2016年再生季CH4排放通量與土壤溫度呈顯著正相關(guān)外,其他水稻生長季均未觀測到CH4排放通量與土壤溫度的顯著相關(guān)性,可能存在影響稻田CH4排放的其他限制因子。

再生稻的種植改變了覆膜稻田中稻季的CH4排放規(guī)律。與SR處理相比,SR-RR處理水稻的插秧時(shí)間提前16—19 d(表1),其CH4排放最高峰出現(xiàn)的時(shí)間也相應(yīng)提前8—17d(圖2)。單季稻CH4排放最高峰通常出現(xiàn)在水稻分蘗拔節(jié)期[27-29]。2016年,SR處理CH4排放最高峰值相當(dāng)于SR-RR處理的兩倍左右,整個(gè)稻季CH4排放通量的變化幅度為31 mg m-2h-1。有研究表明[12-15],覆膜稻田的CH4排放最高峰值在9—24 mg m-2h-1范圍內(nèi),CH4排放季節(jié)變化幅度為9—24 mg m-2h-1。與以往覆膜稻田研究結(jié)果相比,中稻-再生稻頭季的CH4排放比較穩(wěn)定,最高峰值為17—20 mg m-2h-1,季節(jié)變化幅度為13—20 mg m-2h-1(圖2)。

SR-RR處理再生季的生育期為71—78 d(表1),約為頭季生育期的47%—53%；而再生季的CH4排放量為8.4—30.4 kg/hm2(表2),僅為頭季稻CH4排放量的9%—11%。中稻-再生稻的再生季CH4排放量較少,這很可能與再生季土壤溫度下降和水稻植株的生物量有關(guān)。2016年研究結(jié)果表明,SR-RR處理再生季的土壤溫度先上升再下降,大部分時(shí)間保持在20℃左右；相應(yīng)地,再生季的CH4排放通量也呈先升后降趨勢,大部分時(shí)間保持在較低水平；再生季的CH4排放通量與土壤溫度呈顯著正相關(guān)(表3)。2017年也觀測到SR-RR處理再生季的CH4排放通量與土溫同時(shí)出現(xiàn)先升后降趨勢,但可能由于2017年水分的影響更大,所以兩者未呈現(xiàn)顯著相關(guān)性(表3)。此外,再生季水稻植株生物量的減少極有可能影響稻田CH4排放量。大量研究表明水稻植株是CH4傳輸?shù)闹饕緩絒30-33],CH4排放與水稻植株高度呈正比[34]。再生稻是利用頭季稻收割后稻樁上存活的休眠芽再生形成的一季水稻,再萌發(fā)的水稻植株矮于頭季稻[35-37],生物量明顯減少[38-39],通過植株排放的CH4也相應(yīng)較少(圖2)。

覆膜稻田在四川省被推廣應(yīng)用面積達(dá)70000 hm2[12],以本試驗(yàn)得到的增產(chǎn)效果和CH4排放量進(jìn)行初步估算,相對于常規(guī)覆膜栽培而言,中稻-再生稻完全替代單季稻可使四川省每年水稻增產(chǎn)1.1×105—1.3×105t,同時(shí)增加水稻生長期CH4排放1.0—2.2 Gg。由于覆膜的增溫作用,再生稻可以提前移栽,避免了前期的坐蔸積溫問題,使得原來不適合種植再生稻的地區(qū)成為了可能。廖必長、豐大清等[40-41]研究表明,覆膜栽培明顯加快中稻-再生稻生育進(jìn)程,促使中稻季和再生季的成熟期提前,提高中稻-再生稻產(chǎn)量。研究表明,覆膜條件下種植再生稻,不僅可以保證水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)(增產(chǎn)19%—22%),同時(shí)減少6%的單位產(chǎn)量的CH4排放量。綜合來看,全球氣候變暖愈演愈烈,我國春旱日益嚴(yán)重,覆膜條件下種植再生稻可以達(dá)到節(jié)水、抗旱、增產(chǎn)、減排的良好效果,是一種十分值得推廣的水稻種植模式。

4 結(jié)論

與覆膜單季稻相比,覆膜中稻-再生稻的整個(gè)中稻季稻田CH4排放比較平穩(wěn),提前出現(xiàn)CH4排放高峰,排放總量與常規(guī)覆膜水稻相當(dāng)；再生季CH4排放量少,大部分時(shí)間維持在較低的水平。中稻-再生稻兩季稻谷總產(chǎn)顯著高于常規(guī)覆膜水稻,其CH4排放總量也比常規(guī)覆膜水稻高,但其單位產(chǎn)量的CH4排放量顯著小于常規(guī)覆膜水稻。綜合來看,覆膜條件下種植再生稻不但能保證水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),還可以減少單位產(chǎn)量的CH4排放量,具有一定推廣應(yīng)用前景,是值得推薦的水稻栽培方式。