黃亞男，傅志強，王勃然，李 超

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，湖南 長沙 410128；2.云南省紅河州煙草公司開遠分公司，云南 開遠 661600)

甲烷是重要的溫室氣體之一，其產(chǎn)生的溫室效應貢獻率僅次于二氧化碳，達到20%[1-3]。稻田產(chǎn)生排放的甲烷約占全球排放總量的12%，僅次于畜牧業(yè)，是大氣甲烷的主要來源[4]。我國是世界上種植水稻最多的國家之一，水稻種植面積占世界稻田總面積的22%[5]。稻田甲烷的排放過程由3個部分組成，甲烷的產(chǎn)生、氧化和輸送過程。在水稻生長過程中，大部分甲烷被水稻根系所吸收，經(jīng)過水稻植株的通氣組織輸送排放到大氣中。根系通過分泌作用影響周圍根系環(huán)境，產(chǎn)生根際效應，導致水稻的根際土壤環(huán)境復雜。研究水稻根系生物特性、根際土壤酶活性與甲烷排放之間的關系，具有重要的現(xiàn)實意義。

根系特性是影響水稻溫室氣體排放的重要因素[6]。夏仕明[7]通過對4個甲烷排放量差異較大的水稻品種為研究對象，探索根系形態(tài)生理特征的差異，結果表明，不同水稻品種間的甲烷排放和孕穗期的根系指標均存在顯著差異；水稻根系活力強、根系生物量大、根系分泌物蘋果酸濃度高有利于降低稻田甲烷排放。而鐘娟等[8]通過對水稻植株甲烷傳輸能力與根系特性做相關性分析，結果表明，根系活力較低、根質(zhì)量大的早稻品種甲烷傳輸能力較弱。劉依依[9]研究了根系通氣組織、泌氧能力與甲烷排放的相關性，得出水稻根系通氣組織越發(fā)達，根系泌氧能力越強，稻田甲烷排放通量越低。肖志祥等[10]研究結果表明，雙季稻的甲烷排放通量與根冠比、根孔隙度關系密切，具有一定的相關性。綜述，不同的水稻品種甲烷排放量不同，且與根系生物特性間存在一定關聯(lián)性，而根際土壤酶活性與稻田甲烷排放的鮮有報道。為此，本研究從不同甲烷排放的水稻品種出發(fā)，研究水稻根系特性、根際土壤酶活性與甲烷排放之間的相關性，探討影響早晚稻甲烷排放的關鍵根際特性，旨在為今后的稻田甲烷減排研究提供基礎理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

本試驗在瀏陽市沿溪鎮(zhèn)湖南農(nóng)業(yè)大學教學實習基地開展。該地區(qū)經(jīng)度113.8°E，緯度28.3°N，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均降雨量1 457～2 247 mm，年平均氣溫16.7～18.2 ℃，全年活動積溫(≥10 ℃)5 030～5 353 ℃。土壤類型為第四紀紅壤發(fā)育的紅黃泥水稻土。試驗地土壤理化性狀：有機質(zhì)26.00 g/kg、pH值5.07、全氮1.97 g/kg、全鉀5.86 g/kg、全磷0.64 g/kg、堿解氮137.55 mg/kg、有效磷52.78 mg/kg、速效鉀90.67 mg/kg。

1.2 試驗設計

本試驗的供試早晚稻品種各3個，均為2016-2017年試驗中低、中、高早晚稻品種，如表1列出。大田試驗區(qū)早稻于2018年4月7日播種，7月15日收獲；晚稻6月22日播種，10月30日收獲。試驗采用隨機區(qū)組設計，3個品種處理，3次重復，共9個小區(qū)，小區(qū)面積40 m2(5 m×8 m)，小區(qū)間不用田埂隔開。所有供試品種的施肥、灌溉等田間管理方式一致。氮肥：基肥50%、蘗肥30%、穗肥20%。磷肥：基肥一次性施入。鉀肥：基肥50%、蘗肥50%。早稻：尿素261 kg/hm2、過磷酸鈣750 kg/hm2、氯化鉀201 kg/hm2。晚稻：尿素330 kg/hm2、過磷酸鈣750 kg/hm2、氯化鉀201 kg/hm2。

表1 供試早晚稻品種Tab.1 Testing early and late rice varieties

1.3 觀測指標與方法

溫室氣體的采集與測定采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法。采樣時間為移栽后第10天開始，之后每隔7 d取樣一次，如遇降雨，下雨停后第2天取氣，每次取氣時間為早上9:00-11:00，分別在放置采樣箱后的第10，20，30 min取氣，取氣時用注射器從箱體一側連接三通閥的小孔內(nèi)抽取氣體，之后轉(zhuǎn)移到真空玻璃管中，樣品送至湖南省農(nóng)科院土肥所完成檢測，檢測器FID，檢測溫度200 ℃，柱溫50 ℃，標準氣體由國家標準物質(zhì)中心提供[11]。

根系及根際土壤取樣在水稻的分蘗盛期、孕穗期、齊穗期、乳熟期4個主要時期進行。每個小區(qū)取3穴生長一致的稻株，將水稻植株連同根系土壤一起用鐵鏟挖出，抖落掉根系外圍土層，用無菌手套采取距根際較近的土層(約1～2 cm)作為土樣，將采取的土樣和植株帶回實驗室，撿出小石子等雜質(zhì)后，土樣裝入自封袋中，自然條件下晾干，然后按照所需篩目數(shù)進行過篩(1 mm)，用于酶活性的監(jiān)測。植株放入網(wǎng)袋中用流水沖洗干凈帶回實驗室，觀測根體積、根孔隙度和根冠比。根系活力采用莖傷流法測定，傷流液的收集參照彭廷和陳浩等[12]的方法。根際土壤蔗糖酶活性以24 h后1 g干土中葡萄糖的毫克數(shù)表示，脲酶活性以24 h后1 g干土中NH4-N的毫克數(shù)表示。

稻田溫室氣體排放通量計算公式如下：

F=ρ·273/(273+T)·h·dc/dt

式中：F為排放通量，mg/(m2·h)；ρ為標準大氣壓下的 CH4密度，為 0.714 kg/m3；T為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度，℃；h為采樣箱的箱罩的凈高度，m；dc/dt為采樣箱內(nèi)溫室氣體濃度的變化率；273為氣態(tài)方程常數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進行整理和作圖，SPSS Statistics 17.0作相關顯著性檢驗(P<0.05)及相關性分析，多重比較采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 不同水稻品種甲烷排放通量變化

由圖1可知，早晚稻甲烷排放通量在生育期內(nèi)有顯著差異，整體趨勢表現(xiàn)為先升高后降低，生育前期(分蘗期)為甲烷排放最多的時期，出現(xiàn)峰值，隨著早稻生育進程的推進，生育末期幾乎沒有甲烷排放。3個早稻品種中，整個生育期甲烷排放通量極差為24.46 mg/(m2·h)；甲烷排放通量最大值為分蘗期的湘早秈24號(24.51 mg/(m2·h))，顯著大于陸兩優(yōu)996(15.33 mg/(m2·h))和株兩優(yōu)819(14.76 mg/(m2·h))；在齊穗期，陸兩優(yōu)996顯著高于湘早秈24號和株兩優(yōu)819，差值分別為2.98，2.97 mg/(m2·h)。3個晚稻品種中，甲烷排放通量極差為88.59 mg/(m2·h)；在分蘗期，湘晚秈17號(89.66 mg/(m2·h))的甲烷排放通量顯著大于泰優(yōu)390(40.36 mg/(m2·h))和Y兩優(yōu)1號(35.49 mg/(m2·h))，差值分別為49.3，54.17 mg/(m2·h)。

2.2 不同水稻品種根系特性差異比較

2.2.1 根冠比根系 根冠比根系是植株的重要部分，其生長狀況好壞直接影響著植株的生長和代謝。水稻植株的地下部分與地上部分的鮮質(zhì)量比值為根冠比，反映了地上和地下部分的相關性。從圖2可知，早稻3個品種的根冠比在齊穗期表現(xiàn)為陸兩優(yōu)996顯著大于株兩優(yōu)819，而在其余3個生育時期上表現(xiàn)為湘早秈24號>陸兩優(yōu)996>株兩優(yōu)819，但差異未達顯著水平。根冠比在3個早稻品種間的變化趨勢與甲烷排放通量基本一致，說明根冠比小、根系生物量小的早稻品種，其甲烷排放量也較少。3個晚稻品種間的根冠比在分蘗盛期和孕穗期差異不顯著，在齊穗期湘晚秈17號顯著低于泰優(yōu)390和Y兩優(yōu)1號，差值分別為0.10，0.12，乳熟期Y兩優(yōu)1號顯著高于湘晚秈17號，差值為0.06；就整個生育期而言，根冠比隨生育時期先降低后升高，各品種均至齊穗期達到最小值，晚稻品種中根冠比最大值和最小值都為湘晚秈17號，分別為0.43和0.08，極差為0.35。

不同的小寫字母表示不同供試品種間差異顯著(P<0.05)。圖2-7同。 Different lowercase letters indicate significant differences between the different tested varieties (P<0.05).The same as Fig.2-7.

圖2 早晚稻不同生育時期根冠比比較Fig.2 Comparison of root-shoot ratio in different growth stages of early late rice

2.2.2 根體積 根體積反映了根系的生長狀況。如圖3所示，3個早稻品種的根體積在分蘗盛期表現(xiàn)為湘早秈24號顯著大于陸兩優(yōu)996和株兩優(yōu)819，孕穗期陸兩優(yōu)996顯著大于湘早秈24號和株兩優(yōu)819；陸兩優(yōu)996和株兩優(yōu)819根體積隨著生育期呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，分別在孕穗期和齊穗期達到最大值，而湘早秈24號表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢，在分蘗盛期根體積最大，與同時期甲烷排放通量和根冠比表現(xiàn)一致；根體積最大值為孕穗期的陸兩優(yōu)996，為37.11 mL/株，最小值為乳熟期的株兩優(yōu)819(20.56 mL/株)。晚稻的根體積均隨生育期呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢；在齊穗期，Y兩優(yōu)1號根體積最大，為60.5 mL/株，顯著高于湘晚秈17號和泰優(yōu)390，差值分別為19.68，15.13 mL/株，而在分蘗盛期、孕穗期和乳熟期3個晚稻品種間的根體積亦均為Y兩優(yōu)1號根體積最大，但差異未達顯著水平。

圖3 早晚稻不同生育時期根體積比較Fig.3 Comparison of root volume in different growth stages of early and late rice

2.2.3 根系傷流量 根系傷流量表征根系活力，如圖4所示，早稻3個品種中，在分蘗盛期和孕穗期表現(xiàn)為株兩優(yōu)819最大，齊穗期和乳熟期陸兩優(yōu)996最大，且分蘗盛期株兩優(yōu)819顯著大于湘早秈24號和陸兩優(yōu)996，乳熟期陸兩優(yōu)996顯著大于湘早秈24號和株兩優(yōu)819；根系傷流量最大值為乳熟期的陸兩優(yōu)996(值為1.45 g/h)，湘早秈24號在4個生育時期的根系傷流量均較低，表明湘早秈24號的根系活力較弱；湘早秈24號和陸兩優(yōu)996的根系傷流量隨生育期表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢，而株兩優(yōu)819根系傷流量先降低后上升。根系傷流量在晚稻中表現(xiàn)為分蘗盛期泰優(yōu)390(1.55 g/h)顯著大于湘晚秈17號(1.23 g/h)和Y兩優(yōu)1號(1.14 g/h)，孕穗期、齊穗期和乳熟期品種間差異均不顯著；生育前期(分蘗盛期)和中期(孕穗期、齊穗期)根系傷流量較大，生育末期(乳熟期)較小，表現(xiàn)為隨著生育期進程，根系活力逐漸減弱。

圖4 早晚稻不同生育時期根系傷流量比較Fig.4 Comparison of root injury flows in different growth stages of early and late rice

2.2.4 根孔隙度 如圖5所示，早稻品種分蘗盛期陸兩優(yōu)996的根孔隙度顯著小于株兩優(yōu)819和湘早秈24號，孕穗期表現(xiàn)為株兩優(yōu)819>陸兩優(yōu)996>湘早秈24號，品種間差異均顯著，而在齊穗期和乳熟期均以湘早秈24號根系孔隙度最大，但品種間差異均不顯著；從整個生育時期而言，生育前期(分蘗盛期和孕穗期)的根孔隙度大于生育后期(齊穗期和乳熟期)，表明生育前期根系生長快，孔隙度大，甲烷排放量多。3個晚稻品種根孔隙度隨著生育期表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢，根孔隙度在分蘗盛期最高，其中湘晚秈17號的根孔隙度與甲烷排放通量基本一致；在整個晚稻生育時期均表現(xiàn)為湘晚秈17號>泰優(yōu)390>Y兩優(yōu)1號，湘晚秈17號均顯著大于泰優(yōu)390和Y兩優(yōu)1號。

圖5 早晚稻不同生育時期根孔隙度比較Fig.5 Comparison of root porosity in different growth stages of early and late rice

2.3 不同水稻品種根際土壤特性差異比較

2.3.1 根際土壤蔗糖酶活性 如圖6所示，在分蘗盛期、孕穗期和齊穗期3個早稻品種根際土壤蔗糖酶活性差異均不顯著，在乳熟期陸兩優(yōu)996的蔗糖酶活性顯著大于株兩優(yōu)819；隨著早稻生長發(fā)育，株兩優(yōu)819的根際土壤蔗糖酶活性逐漸升高，而湘早秈24號和陸兩優(yōu)996呈現(xiàn)分蘗盛期至孕穗期升高，齊穗期降低，乳熟期又升高的趨勢，整個生育期根際土壤的蔗糖酶活性最大值為乳熟期的陸兩優(yōu)996(5.79 mg)。晚稻不同品種的蔗糖酶活性在分蘗盛期湘晚秈17號顯著大于泰優(yōu)390和Y兩優(yōu)1號，差值分別為0.31，0.43 mg；齊穗期湘晚秈17號(6.21 mg)和Y兩優(yōu)1號(6.43 mg)顯著大于泰優(yōu)390(5.30 mg)；乳熟期湘晚秈17號顯著大于泰優(yōu)390，差值為0.38 mg；孕穗期表現(xiàn)為湘晚秈17號(6.38 mg)>泰優(yōu)390(6.17 mg)>Y兩優(yōu)1號(5.74 mg)，但品種之間無顯著性差異。

2.3.2 根際土壤脲酶活性 脲酶是土壤中一種重要的酶，如圖7所示，3個早稻品種的脲酶活性均先升高后降低，在分蘗盛期、孕穗期和乳熟期品種間差異不顯著，齊穗期湘早秈24號顯著大于株兩優(yōu)819；脲酶活性最大值為2.79 mg(齊穗期湘早秈24號)，最小為1.38 mg(乳熟期株兩優(yōu)819)，極差為1.41 mg。在晚稻的根際土壤脲酶活性中，3個品種在孕穗期脲酶活性最大的是泰優(yōu)390，為2.34 mg，其次是湘晚秈17號，Y兩優(yōu)1號最小，但品種間差異不顯著；在分蘗盛期湘晚秈17號顯著大于Y兩優(yōu)1號，齊穗期Y兩優(yōu)1號顯著大于另外2個品種，乳熟期湘晚秈17號顯著大于Y兩優(yōu)1號和泰優(yōu)390；全生育期內(nèi)的晚稻根際土壤脲酶活性極差為0.72 mg。

圖6 早晚稻不同生育時期根際土壤蔗糖酶活性比較Fig.6 Comparison of sucrose activity in rhizosphere soil of different growth stages in early and late rice

圖7 晚稻不同生育時期根際土壤脲酶活性比較Fig.7 Comparison of urease activity in rhizosphere soil of different growth stages in early and late rice

2.4 甲烷排放通量與各指標的相關系數(shù)

由表2可知，早稻的甲烷排放通量與根冠比呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與根際土壤蔗糖酶活性呈極顯著負相關關系(P<0.01)，根冠比與根際土壤蔗糖酶活性呈極顯著負相關關系(P<0.01)，表明早稻的根冠比越大，根際土壤蔗糖酶活性越低，其甲烷排放量就越多；早稻的根體積與根際土壤脲酶活性呈極顯著正相關關系(P<0.01)，表明根體積越大，根際土壤脲酶活性越高。晚稻的甲烷排放通量與根冠比、根孔隙度呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與根系傷流量呈顯著正相關關系(P<0.05)，與根體積呈極顯著負相關關系(P<0.01)，表明晚稻的根體積越小，根冠比、根孔隙度越大，根系活力越強，會促進甲烷的排放；根冠比與根體積呈極顯著負相關關系(P<0.01)，與根孔隙度呈極顯著正相關關系(P<0.01)；根體積與根孔隙度呈極顯著負相關關系(P<0.01)，與根際土壤蔗糖酶活性呈顯著正相關關系(P<0.05)；根系傷流量與根際土壤蔗糖酶活性、脲酶活性呈顯著正相關關系(P<0.05)，而根際土壤蔗糖酶活性與脲酶活性呈極顯著正相關關系(P<0.01)(表3)。

3 討論與結論

3.1 影響水稻品種甲烷排放的根系特性

稻田中的大部分甲烷通過水稻植株的通氣組織運輸?shù)酱髿庵?。根系是水稻重要的運輸途徑和通氣組織之一，成熟發(fā)達的通氣組織，其對甲烷的傳輸能力也會相應提高，甲烷向大氣的運輸量隨之增多，而通氣組織的節(jié)間組織結構大小是影響水稻植株傳輸能力的一個重要方面[13]。黃劍冰[14]的研究結果表明，水稻品種間的根孔隙度存在差異，且根孔隙度越大的品種，其生長發(fā)育狀態(tài)越好。有研究報道，根系的孔隙度與通氣組織的發(fā)達程度呈正相關，根孔隙度越大，通氣組織越發(fā)達，對甲烷的吸收、運輸能力越高[15]。也有研究結果表示，根孔隙度高的水稻品種，根系泌氧率高，則根系越長的水稻品種可以更好地抑制甲烷排放[14]。不同的研究表現(xiàn)出不同的結果，而在本研究結果中，早稻和晚稻的根孔隙度均與甲烷排放量呈正相關關系。

表2 早稻甲烷排放通量與各指標的相關系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient between methane emission flux of early rice and various indicators

表3 晚稻甲烷排放通量與各指標的相關系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient between methane emission flux of late rice and various indicators

有研究結果表明，不同的水稻品種，對稻田甲烷排放通量的影響也不同，水稻根系大小是決定品種間甲烷排放通量產(chǎn)生差異的主要原因，為達到稻田甲烷減排的效果，應選擇根系小、經(jīng)濟系數(shù)高的低甲烷排放通量的水稻品種[16]。肖志祥等[10]研究結果也表明降低早稻品種的根冠比可減少甲烷的排放，與本研究結果一致。

有研究者認為選擇根系大活力強，增產(chǎn)效果較好的品種可以有效減少甲烷的排放[17]，更多的研究結果較傾向于根系活力強的水稻品種對甲烷的產(chǎn)生和排放具有抑制作用，本研究結果中早稻甲烷排放通量與根系傷流量呈不顯著的負相關關系，表明早稻甲烷排放量高，根系活力較低，與前人研究結果基本一致[17-18]。鐘娟等[8]的研究結果表明，早稻甲烷傳輸能力與水稻根系活力有顯著正相關關系，與本試驗研究結果不一致，原因可能在于早稻的品種不一樣，且生長環(huán)境也不一樣，與各方面因素存在聯(lián)系。而晚稻則呈相反的結果，晚稻的甲烷排放通量與根系傷流量呈顯著的正相關關系，根系活力強，甲烷排放多，與王增遠等[16]的研究結果一致。傅志強等[6]研究結果表明，晚稻的甲烷排放量與根系傷流量呈極顯著負相關關系，而與本研究結果相反，原因可能在于晚稻品種不一樣所致。

根體積在一定程度上表征了根系活力狀況，環(huán)境條件的水分、養(yǎng)分、溫度等都會影響根系的生長，在現(xiàn)有根系領域研究中，較少用到根體積，僅作為一個輔助性指標來觀測，而根系形態(tài)特征對稻田甲烷排放的影響研究也較少。Singh等[19]發(fā)現(xiàn)稻田甲烷季節(jié)排放量與根體積和根孔隙度正相關。Das等[20]也得出甲烷排放通量與根體積和根長呈正相關。本研究中，早晚稻的甲烷排放量均隨生育時期逐漸減少，根冠比也基本呈逐漸降低趨勢，根體積先增后減，相關性分析結果中早稻和晚稻幾乎相反，早稻的根冠比和根體積正相關，甲烷排放通量隨根冠比和根體積的增大而增大，晚稻的根冠比和根體積呈極顯著負相關，甲烷排放通量隨根冠比的增加、根體積的減小而增加，原因可能是早稻的根體積在整個生育時期變化幅度較小，而晚稻的根體積在齊穗期出現(xiàn)峰值，與根冠比趨勢不一致，導致相關性分析結果中早稻和晚稻的不同。有研究表明，在不同水氮處理下水稻根體積在齊穗期達最大值，根系生長旺盛，需水需肥較多[21]。在根體積對稻田甲烷排放的影響上仍需更系統(tǒng)的研究。

3.2 影響水稻品種甲烷排放的根際土壤特性

甲烷的產(chǎn)生主要是產(chǎn)甲烷菌利用土壤中的碳水化合物進行代謝的產(chǎn)物而生成[22]。水稻田長期處于淹水狀態(tài)下，為產(chǎn)甲烷菌提供了厭氧環(huán)境。產(chǎn)甲烷菌作為一種重要的微生物，其活性和種類與土壤酶息息相關，且土壤酶還可反映土壤微生物的活性。其次，土壤酶也可以作為評價土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標[23]。微生物和植物根系是土壤酶的主要來源，少量土壤酶來自于動植物殘體[24]。土壤微生物通過自身增殖、死亡后細胞裂解而釋放出酶，并以吸附態(tài)的形式在土壤中積累[25]。從生物體脫離的酶，其唯一來源是微生物，許多微生物可以產(chǎn)生胞外酶[26]。土壤酶與土壤微生物相互反應，促進土壤中的生化反應過程，在有機物轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮重要作用。目前，土壤酶被研究較多的幾類有水解酶類、轉(zhuǎn)移酶類和氧化還原酶類[23]。其中蔗糖酶和脲酶是水解酶中被研究較多的2種酶。從本研究結果可知，早晚稻的甲烷排放通量與根際土壤蔗糖酶活性呈負相關關系，且晚稻的根際土壤蔗糖酶活性在全生育期內(nèi)變化趨勢不明顯。在甲烷排放與根際土壤酶活性方面的研究甚少，有學者對稻蟹共作模式做了土壤酶活性的相關研究，結果顯示，稻蟹共作模式對土壤酶活性有一定的提高作用，促進了土壤酶活性的增強[27]。土壤酶活性一直是土壤研究方面的熱點，受到許多研究人員的關注，如Bt水稻種植及秸稈還田對土壤酶活性的影響[23]、禾草靈對水稻生長和土壤酶活性的影響[28]、稻田土壤微生物和酶活性對碳元素變化的機制研究[29]、施加生物肥對稻田微生物和土壤酶活性的影響[30]等，關于甲烷排放和土壤酶活性的關系還有待研究。

不同早晚稻品種的甲烷排放通量變化趨勢均表現(xiàn)為，分蘗期最高，且隨著生育期進程甲烷排放量逐漸減少。不同的水稻品種，其根系、根際土壤特性存在顯著差異，且與甲烷排放通量之間有一定的相關性。影響早稻甲烷排放的主要因素是根冠比、根際土壤蔗糖酶活性，晚稻是根冠比、根孔隙度、根體積和根系傷流量。在本試驗研究結果中，對于早晚稻而言，降低植株根冠比在一定程度上可減排甲烷。