川中丘区主要水稻栽植品种温室气体排放研究

白银萍，胡云龙，彭友林，杨国涛，蒋 芬，李 川，海江波，杨 刚，胡运高

(1.西南科技大学 生命科学与工程学院，四川绵阳 621010；西北农林科技大学 农学院， 陕西杨凌 712100)

根据2013年世界气象组织温室气体公报显示，CO2、CH4和N2O的全球平均摩尔分数在2012年达到新高，分别比工业化前(1750年之前)增加141%、260%和120%[1]。这些温室气体在大气中的排放量不断增加，产生温室效应，从而导致全球性气候变暖和区域极端事件频发，产生严重的社会和生态问题。因此，温室气体减排成为亟待解决的一个生态学课题广受关注[1]。水稻是温室气体的主要排放源，因此，稻田温室气体减排也成为主要关注的焦点。现有减排措施主要有施用生物炭和田间管理等，其温室气体减排速度远赶不上气候变化背景下温室气体加速排放带来的环境压力[2-3]。所以有必要针对稻田温室气体减排进行更进一步深入研究。四川是中国保障粮食生产的重要地区，地形气候异常复杂，温室气体排放时空变化较大[4]。四川除凉山州和攀枝花地区有少量水稻种植地，川中丘区贡献了大部分种植面积和水稻产量[4]。川中丘区是四川冬水田分布的主要地带，同时也是再生稻栽培的主要地区，本地区也是水稻种质资源最丰富和杂交水稻育种的主要区域，这里的温室气体排放不容忽视。然而，关注该地区优势品种稻田温室气体排放状况的研究较少。石生伟等[5]对中国稻区CH4和N2O综合分析表明，西南地区CH4和N2O排放通量最高，CH4平均排放通量高达16.8mg·m-2·h-1。尤其是该地区独具特色的冬水田是全国稻田中CH4排放量最高的。李侃[6]在川中丘区深丘区域(四川盐亭)研究结果显示，冬水田常规栽培稻田CH4排放通量为25.41mg·m-2·h-1，远高于水旱轮作(稻-麦，稻-油菜)的平均值(11.52mg·m-2·h-1)。作为中国重要的水稻产区，同时也是稻田温室气体排放量较大地域，减少该区域的稻田温室气体排放将是一个值得探讨的议题。目前，关于川中丘区温室气体排放的研究主要集中于不同田间管理方式对稻田温室气体排放的影响[3]，涉及不同品种差异对稻田温室气体排放的研究较少，而本区域杂交水稻制种面积高达30000hm2，产种量、省际间调剂量和出口量均居全国第一，在我国杂交水稻育种科研水平上处于领导地位，培育并推广了大量新品种[4]。因此，稻田温室气体排放的品种间差异不容忽视，值得深入探索。本研究拟利用静态箱-气相色谱法对川中丘区主要水稻栽植品种在一个生长期内的温室气体排放通量进行观测，了解不同品种间温室气体排放差异。对不同水稻栽植品种温室气体排放通量进行监测，有助于筛选低排放量的水稻品种，并对缓解区域气候变化，实现温室气体减排目标起到重要作用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于四川省绵阳市西南科技大学校内农学专业实践基地，北纬31°32′东经104°41′，海拔491.4 m。气候属于亚热带季风湿润气候，年平均气温18 ℃，年降水量超过800 mm，无霜期约有280 d，该地区耕作制度一般为一年两熟，试验小区田块为单季稻种植，5月中旬移栽，9月上旬收获，当年水稻收获以后稻田处于排水闲置 状态。

1.2 试验材料与设计

在2017年5月选取川中丘区普遍栽培的‘川农优498’‘蓉18优188’‘宜香优1108’‘F优498’‘川农优3203’5个籼稻品种为试验材料，这5个品种均为川内科研单位繁育的中籼迟熟水稻品种，区组试验产量均超过9 300 kg·hm-2，在川中丘区种植产量高，抗性好，是该地区的优势稻种。试验研究5个品种在一个生长季节内的CO2、N2O、CH4排放通量。每个品种3次重复，各重复面积为6 m2(2 m×3 m)，3个重复为一个小区，面积为18 m2。小区之间用自制防水隔板隔开，防止串水串肥影响试验效果。防止小区间串水的主要操作步骤为：田间人工堆砌了田埂，待其晾干变硬后，再次堆砌，一共堆砌了2次，最后高于水面20 cm，并包裹了两层塑料薄膜(包括包裹水下的田埂，高度共40 cm)。以达到每个小区的肥水基本不会串的效果。

1.3 样品采集与测试

采用静态箱-气相色谱法[7]分析水稻一个生长期内(155 d)所采集的温室气体排放通量。分别在分蘖期(6月6日)、孕穗期(7月2日)、扬花期(7月26日)、成熟期(8月28日)及水稻收获后(9月14号)5个时期采样。每次采集气体的时间控制在9：00—10：00，用静态箱收集该时段内稻田排放的温室气体，每个水稻品种设置3组对照。对所采集气体分析其CO2、N2O和CH4浓度并计算相应的排放通量和全球增温潜能，以评估温室气体对气候系统的长期贡献。

静态箱由底座和顶箱构成，底座长×宽×高为50 cm×50 cm×20 cm，顶箱长×宽×高为50 cm×50 cm×100 cm，箱内顶部的顶角分别设置一个12 V的排风扇，以混匀箱内空气，箱内空气由医用吊瓶橡胶管引流，外部用PVC管接收，箱内同时设置温度传感器，测定箱内温度。在每次正式测取数据前，先将静态箱放置在田间15 min，并打开风扇将空气混匀，待到9：00时进行第1次取样，其后每15 min取1次，共取4次，用真空管保存气体，同时记录每次取样的温度和水位。每次取样完毕，将静态箱顶箱撤下，只留底座，避免影响水稻正常生长。

将试验所收集气体的真空管送至西北农林科技大学分析测试中心测定。

1.4 数据整理与分析

温室气体排放通量[7]计算公式为：J=dc/dt×M/V0×P/P0×T0/T×H。式中：J为气体排放通量(mg·m-2·h-1)，dc/dt为采样时气体浓度随时间变化的直线斜率(mol·h-1)，M为被测CH4或CO2摩尔质量(mg·mol-1)，P为采样点气压(Pa)，T为采样时绝对温度(K)，H为水面及土壤层以上的采样箱高度(m)，T0(273.15 K)、P0(1.01×105Pa)、V0(22.41×10-3m3)分别为标准状态下的绝对温度、空气气压和气体摩尔体积。

整个水稻生长季温室气体排放总量计算公式为：N=∑(Ji+1+J1)/2×(ti+1-t1)×24。式中：N为累积排放总量(mg·m-2)；i为采样次数，t为采样时间，即水稻移栽到生长箱后的时间。J为排放通量(mg·m-2·h-1)。不同品种水稻不同生长阶段的温室气体全球增温潜势采用IPCC2013中100年尺度下的温室气体增温潜势系数(GWP)(kg·hm-2)计算，根据参考文献[8]， GWPCH4=28N，GWPN2O=265N。

2 结果与分析

2.1 川中丘区主要水稻栽植品种温室气体排放特征

2.1.1 不同水稻品种一个生长季内CH4、CO2、N2O排放特征 由表1可知，整个生长季节，稻田是一个明显CH4“源”，CH4排放在不同品种间差异不显著，‘川农优3203’最高，是排放量最低‘川农优498’5.76倍。而对于CO2,‘蓉18优188’排放量高其他4个品种。N2O排放量在各品种间无显著差异。对3种温室气体进行全球增温潜势发现，‘蓉18优188’增温潜势最强，达到 2 747 kg·hm-2，‘F优498’增温潜势最弱，为168 kg·hm-2。

表1 不同籼稻品种一个生长季内温室气体排放通量Table 1 Greenhouse gas emissions from different rice varieties

注：同列不同字母表示在0.05水平差异显著。

Note:Different letters means the significant difference at 0.05 level.

2.1.2 不同水稻品种生长期CH4、CO2、N2O排放通量 由图1可知，全生育期不同水稻品种CH4排放通量趋势如图1所示。综合所有品种来看，分蘖期和孕穗期CH4排放通量较高，扬花期和成熟期是整个生长季节中CH4排放量较低的时段，而在水稻收割以后CH4排放具有反弹的趋势。由图2分蘖期的结果看，‘蓉18优188’‘川农优3203’CH4排放通量显著高于其他3个品种。而从孕穗期结果来看‘蓉18优188’和 ‘F优498’2个品种CH4排放通量要高于其他3个品种。综合两个稻田CH4排放量较高的时段，‘蓉18优188’水稻品种CH4排放量最高，而 ‘F优498’和‘宜香优1108’两个水稻品种CH4排放量最低。

由图3可知，CO2排放特征在一个生长季内因不同水稻品种具有明显的差异。‘川农优498’‘F优498’和‘川农优3203’这3个品种的CO2排放量在扬花期最低，‘川农优498’和‘蓉18优188’在分蘖期和成熟期具有2个峰值。

A.川农优498 Chuannongyou 498；B.蓉18优188 Rong 18 you 188；C.宜香优1108 Yixiangyou 1108；D.F优498 Fyou 498；E.川农优3203 Chuannongyou 3203；下同 The same below

图1 CH4排放通量随生育期的变化
Fig.1 CH4emissions of different rice development periods

由图4可知，‘供试的5个水稻品种的N2O平均排放通量均为负值，为N2O排放的汇。 ‘F优498’N2O排放在水稻收获后显著降低，达到 -0.029 mg·m-2·h-1。

图2 分蘖期与孕穗期CH4排放通量Fig.2 CH4 emissions at tillering and booting stages

图3 CO2排放通量随生育期的变化Fig.3 CO2 emissions of different rice development periods

图4 N2O排放通量随生育期变化趋势Fig.4 N2O emissions of different rice development periods

3 讨 论

稻田温室气体排放受到诸多因素影响，不同水稻品种CH4、N2O、CO2排放不同[9-11]，整个生长季节有明显差异或者在某个生育期存在高低之分。本研究发现，供试的5个水稻品种CH4和N2O排放通量在各个品种间差异不明显，但两种温室气体均在‘蓉18优188’中表现出较高的排放量。对CO2而言，‘蓉18优188’也显著大于其他品种的排放通量，而‘F优498’CO2排放量为负值，显著低于其他品种，表现为CO2的汇。

本研究供试的5个品种CH4排放量为 1.12～8.93 mg·m-2·h-1，与本地区其他研究结果相比偏低[12-16]，造成这一结果的主要原因可能有两个，一是不同土壤环境及气候差异对CH4通量的影响，二是本试验未对稻田进行施肥，而其他试验均有不同程度的施肥处理，施肥有助于加快CH4的排放过程。CH4排放量的最高值出现在稻田水位较高、水稻植株生长旺盛的分蘖期和孕穗期。可能是由于此时水稻植株生长旺盛，根系活动也更加活跃，导致CH4能够更容易随着水稻体内气体交换排放到空气中。在水稻成熟并收割以后，CH4排放量有微小的反弹，其原因可能是依然存活的水稻根系以及稻茬仍然参与此时稻田CH4的生成与排放，且此时被切割的水稻茎秆更加利于CH4排放到地面。由此可以推断，本地区的再生稻水稻田也将会是一个CH4的重要排放源。而对于不同水稻品种间排放通量的差异可能主要源于水稻植物地下部位的影响过程，即CH4在土壤中的产生或氧化[17]。在后续的研究中应更加关注不同水稻品种地下过程的发展对CH4产生与排放的作用。

对于N2O排放来说，前期学者们在长江中下游稻区和三江平原稻区测得的生长季节稻田均是N2O “源”[2,18- 19]，但本试验5个供试品种在整个生长季节N2O平均排放量均为负通量，总体显示为N2O的汇。但其源汇状态在不同水稻品种的不同时期不断转换。因此需要进一步研究，以揭示调控其源汇转换的主要因子及其阈值。

本试验所观测到的CO2排放通量在分蘖期较高，扬花期有所下降，成熟期又恢复高值。水稻分蘖期CO2排放主要受根系调控，因为分蘖期根系生长迅速，呼吸强烈，加之根系分泌物为微生物提供了大量底物并促进了土壤微生物呼吸过程[20]。水稻扬花期主要为生殖生长，地下生物量分配明显低于分蘖期，因此CO2排放通量有所下降。而在成熟期，由于稻田水位下降，氧化还原电位升高，促进了土壤氧化过程，加速了土壤呼吸，CO2排放通量逐渐增强。

推广种植温室气体排放较少的水稻品种是有效控制稻田温室气体排放的主要手段之一。本研究发现‘蓉18优188’ CH4、N2O、CO23种温室气体排放通量均高于其他品种，可见，这不利于环境友好型农业的推广。而‘F优498’的全球增温潜势最低，为低氮高效型品种，可在较低氮肥利用率条件下保持较好的产量，具有节肥和环境友好的特点，应加强该品种的后续推广。

4 结 论

5个水稻品种在一个生长季内温室气体全球增温潜势表现为‘蓉18优188’> ‘川农优3203’>‘宜香优1108’> ‘川农优498’>‘F优498’。综合CH4、N2O、CO23种温室气体排放通量，‘蓉18优188’是一个温室气体排放量较高的水稻品种，而‘F优498’是温室气体排放较低的品种。在后续水稻品种栽植过程中，应优先选取环境友好型水稻品种进行种植。除此之外，应加强农艺措施管理，在水稻收获后及时对田地疏干排水，以避免再生稻的温室气体排放。