川中丘陵区覆膜栽培再生稻对CH4排放的影响

宋开付,杨玉婷,于海洋,张广斌,徐 华,吕世华,马 静,*

1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室,中国科学院南京土壤研究所,南京 210008 2 中国科学院大学,北京 100049 3 农业部西南山地农业环境重点实验室，四川省农业科学院土壤肥料研究所,成都 610066

全球气候变暖是世人给予广泛关注的全球性环境问题之一,导致温室效应的温室气体浓度在大气中不断地增长也越来越受到重视。CH4是重要的温室气体,对温室效应的贡献达15%,其增温效应仅次于CO2[1]。CH4在大气中的浓度已由工业革命前的0.722 μL/L上升到2011年的1.807 μL/L[2],增幅达150%。稻田是大气CH4的重要排放源,其年排放量约为33—40 Tg[2]。正确评估稻田CH4排放量既能对于未来气候变化条件下进一步研究全球变暖做好铺垫,又能为温室气体减排措施的制定提供数据支撑和科学依据。

再生稻是在单季稻基础上发展起来的一种水稻耕作模式,它利用收割后稻桩上存活的休眠芽,在适宜的水、温、光和养分等条件下,重新发苗抽穗,再收一季[3]。早在20世纪30年代,我国就有关于再生稻的研究报道[4]。据统计,我国南方单季稻作区适宜种植再生稻的面积约3.3×106hm2,可比只种一季稻生产方式增产稻谷9.9×107t,其增产潜力巨大[5]。四川省再生稻种植面积达2.5×105hm2左右,然而因干旱等自然灾害限制了再生稻种植面积的进一步扩大,增加了单产的不稳定性。近年来,为应对季节性干旱对水稻造成的严重影响,覆膜技术在川中丘陵区得到广泛应用[6]。

研究表明[7- 8]：热量是影响再生稻高产稳产的主要气候因素,膜下5 cm土温日平均值比无膜地下5 cm土温增高3.2—5.6 ℃。水稻覆膜栽培技术可以提高土壤温度,预防中稻移栽早期的低温冷害。因此,水稻覆膜栽培有利于单季中稻(头一季)在该地区蓄留再生稻(再生季),并可能实现它们的高产和稳产。由于头一季的生育期、施肥时间与施肥量均不同于传统的单季稻和双季稻,其稻田CH4排放规律可能也会发生改变。目前,国际上有关单季稻和双季稻的CH4排放研究已有大量文献报道[9-10],但关于头一季与再生季及全生育期的CH4排放通量观测目前还严重缺乏。

本研究通过田间原位试验,观测了水稻覆膜条件下川中丘陵区再生稻稻田CH4排放通量,旨在探明覆膜再生稻稻田CH4排放规律,为准确评估中国稻田的CH4排放量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

田间试验于2016—2017年稻季在四川省资阳市雁江区雁江镇响水村(104°34′E,30°05′N)进行。该地区年平均气温16.8℃,年平均降水量965.8 mm。试验土壤为侏罗纪遂宁组母质发育红棕紫泥,全碳含量为34.5 g/kg,全氮含量为2.8 g/kg,土壤pH为7.6。

供试水稻品种为旱优73,试验共设2个处理,每个处理4次重复：(1)覆膜单季中稻(SR)；(2)覆膜中稻-再生稻(SR-RR)。试验小区面积为32.75 m2(6.55 m×5 m),设4条厢面,5条厢沟。厢面宽1.45 m、长5 m,各厢沟长5 m、宽15 cm、深15 cm。水稻移栽采用三角稀植,行窝距为40 cm×40 cm,每窝以三角形方式栽3穴,每穴1苗,苗间距12 cm,移栽密度为18穴/m2。SR处理所有肥料均作为基肥一次性均匀施于厢面上,水稻生长期间不进行追肥,同时在厢面上均匀覆盖0.004 mm厚超微薄膜,地膜紧贴厢面泥土平铺压实,保留到水稻收获；SR-RR处理除施加基肥外,还需施用促芽肥和发苗肥。水分管理为水稻生长期保持厢沟有水,厢面无水。SR-RR处理头季稻收获后蓄留再生稻,留桩高度40 cm。各处理的育秧、移栽、收获、施肥时间及施肥量见表1。

1.2 田间样品采集

CH4样品采集用静态密闭箱法,箱体材料为不锈钢。箱A包括中段箱和顶箱两部分,高分别为60 cm和70 cm,底面积为40 cm×40 cm,中段箱顶部设有密封用水槽,用于水稻生长后期加层；箱B高70 cm,底面积为40 cm×10 cm。箱A放置于厢面正上方；箱B放置于厢沟。水稻生长期每隔4—7天采一次样,采样时间为9：00—11：00。采样前将密闭箱罩在预先埋入小区土壤中的不锈钢底座(40 cm×40 cm×15 cm)上,底座顶端与厢面平齐。静态箱密闭后用两通针将气体导入18 mL真空玻璃瓶中,每15 min采样一次,共采样4次。采集气体的同时,测定箱温和厢面5 cm处土温。取厢面土样于105℃烘干测定土壤质量含水率。水稻成熟时,分别按试验小区收割、脱粒、晾晒、适当筛除空秕粒除水分后称重,计算水稻产量。降雨量数据来自于四川省资阳市气象局。

表1 水稻生长期的试验设置和作物管理

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

1.3 样品分析

样品CH4浓度用带氢火焰离子化检测器(FID)的安捷伦气相色谱(Agilent 7890B)测定,柱箱温度60℃,空气流量400 mL/min,氢气燃气流量45 mL/min,尾吹气流量5 mL/min,载气用氮气,检测器温度300 ℃。CH4标准气体由中国计量科学研究院提供。

1.4 数据处理

根据样品CH4浓度与时间的关系变化曲线计算CH4排放通量。CH4排放通量的公式计算如下[11]：

F=ρ×V/A×dc/dt×273/T

(1)

式中,F为CH4排放通量(mg m-2h-1)；ρ为标准状态下CH4密度(0.714 kg/m3)；V为采样箱内有效体积(m3)；A为采样箱覆盖的土壤面积(m2)；dc/dt为单位时间内采样箱内CH4浓度的变化(μL L-1h-1)；T为采样箱内平均温度(K)。

试验小区由厢面和厢沟构成,通过箱A测得的气体排放通量(FA)代表厢面的气体排放通量,通过箱B测得的气体排放通量(FB)代表厢沟的气体排放通量,各处理的气体排放通量(Fi)为厢面和厢沟的气体排放通量与之对应面积的加权平均[10],即：

Fi=(FA×SA+FB×SB)/S

(2)

式中,SA、SB和S分别为试验小区厢面面积、厢沟面积和小区面积。

CH4排放通量用每次观测的4个重复的平均值表示,CH4季节排放量是将4个重复的每次观测值按时间间隔加权平均后再平均。处理间比较4个重复的平均值进行方差分析和多重比较。数据处理与分析均采用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0完成。

2 结果与分析

2.1 降雨量和土壤水分含量

水稻生长期的降雨量年际差异明显(图1)：2016和2017年水稻生长期的总降雨量分别为732 mm和606 mm,日降雨量为3.77和3.08 mm；2016年每月都有相当量的降雨,其中6和7月份降雨量最高,分别是167 mm和211 mm,10月份降雨最少为17 mm；与2016年相比,2017年水稻生长期降雨相对较少,5和6月份降雨量仅为32 mm和79 mm。2016年最大土壤含水率为109.2%(7月5日),最小土壤含水率为66.1%(8月23日),水稻生长期平均含水率为82.0%；2017年最大土壤含水率为89.7%(5月1日),最小土壤含水率为52.3%(6月20日),水稻生长期平均含水率为68.9%。

图1 水稻生长期降雨量和土壤含水率的季节变化Fig.1 Seasonal variation of precipitation and soil moisture content during rice growing period

2.2 稻田CH4排放

稻田CH4排放通量的季节变化如图2所示,2016年CH4排放通量明显大于2017年,可能是由于降雨量年际变化较大的原因。2016年,SR处理CH4排放通量在水稻移栽后18天内稳定在2.2—3.9 mg m-2h-1范围内；之后逐渐上升,于6月23日达到排放最高峰33.0 mg m-2h-1,然后在4天内迅速下降到最高峰值的一半左右；拔节孕穗期及抽穗成熟期CH4排放通量分别在9.5—16.2 mg m-2h-1和5.2—13.4 mg m-2h-1范围内波动。2017年,SR处理CH4排放通量在水稻移栽后缓慢上升,于5月26日达到排放最高峰9.4 mg m-2h-1,之后4天内快速下降到2.0 mg m-2h-1；水稻生长后半期CH4排放通量在0.9—3.9 mg m-2h-1范围内波动。与2016年相比,2017年5、6月份降雨量明显减少,CH4排放最高峰出现时间比2016年提前了一个月,其值也明显低于2016年的最高峰值；2017年水稻分蘖盛期、拔节孕穗期及抽穗成熟期的CH4排放通量均小于2016年同时期的CH4排放通量(图2)。

SR-RR处理CH4排放通量的季节变化规律不同于SR处理。2016年,SR-RR处理水稻移栽后即观测到7.7 mg m-2h-1的CH4排放,略高于SR处理在水稻移栽时的CH4排放通量；之后SR-RR处理CH4排放通量在3.1—15.7 mg m-2h-1之间波动,于6月15日达到CH4排放最高峰16.6 mg m-2h-1,比SR处理最高峰值出现时间提前8天,且此峰值仅为SR处理CH4排放最高峰值的一半；SR-RR处理头季稻的抽穗成熟期CH4排放通量在6.6—12.9 mg m-2h-1范围内波动,略高于SR处理相应生育期内的CH4排放通量；头季稻收获后21d内,SR-RR处理CH4排放通量先从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范围内波动,直至再生季收获(图2)。2017年SR-RR处理CH4排放主要集中在头季稻生长前期,5月9日即达到CH4排放最高峰19.8 mg m-2h-1,此最高峰出现时间比SR处理提前17天,且峰值高一倍；尽管水稻移栽后短时间内SR-RR处理出现很高的CH4排放通量,但其头季稻的生长后半期的CH4排放通量仅在0.2—1.5 mg m-2h-1范围内变化,远低于SR处理相应生育期内的CH4排放通量；SR-RR处理再生季初期的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,之后大部分时间在0.1—0.7 mg m-2h-1范围内波动(图2)。

由表2可知：SR-RR和SR处理中稻季的CH4排放量相当(P>0.05),SR-RR处理再生季的CH4排放量约占两季总排放的8—10%,SR-RR处理两季的CH4排放总量比SR处理的单季排放量高11%—16%(P>0.05)。

图2 稻田CH4排放通量和土壤温度的季节变化Fig.2 Seasonal variation of CH4 fluxes and soil temperature in rice paddy fieldSR: 覆膜单季中稻Film mulching single rice; SR-RR: 覆膜中稻-再生稻Film mulching ratoon rice

2.3 水稻产量及单位产量的CH4排放量

2016年,SR-RR处理中稻季的稻谷产量明显高于SR处理(P<0.05),SR-RR处理再生季稻谷产量为1.10 t/hm2,占两季总产的11%,SR-RR处理两季稻谷总产量比SR处理高19%(P<0.05),单位产量的CH4排放量减少6%(P>0.05,表2)。2017年,SR-RR处理中稻季稻谷产量与SR处理相当(P>0.05),SR-RR处理再生季稻谷产量为1.89 t/hm2,占两季总产的18%,SR-RR处理两季稻谷总产量比SR处理高22%(P<0.05),单位产量的CH4排放量减少6%(P<0.05,表2)。

表2 CH4排放量、水稻产量及单位产量的CH4排放量

同一列不同小写字母表示同年处理间存在显著性差异(P<0.05)

两因素方差分析的结果表明,除了水稻产量外,稻田CH4排放量和单位产量的CH4排放量均存在明显的年际差异,其中2017年CH4排放量和单位产量的CH4排放量显著低于2016年。两处理间的CH4排放量和水稻产量均表现为差异性显著,SR-RR处理的两季CH4排放量和水稻总产分别显著高于SR处理单季中稻CH4排放量和水稻产量,且处理与年份之间无交互效应(表3)。

表3 处理和年份对CH4排放量、水稻产量及单位产量CH4排放量影响的两因素方差分析

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水稻产量Rice yield/t/hm2单位产量的CH4排放量CH4 emissions per unit yield /(kgCH4/t grain)ssFPssFPssFP处理T11524.387.410.039.21409.420.004.954.710.06年份Y1113271.07550.680.000.031.290.291305.631240.620.00处理×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误差Error81645.560.188.42

T: 处理TreatmentY: 年份Yearss: 离均差平方和Sum of sguares of deviation from mean

2.4 土壤温度

为2016和2017年水稻生长期厢面5 cm深处土壤温度的季节变化：两年的结果均表明,全观测期内土壤温度有先升后降的趋势,最高温度分别出现在2016年8月23日和2017年8月4日,分别为29.7℃和28.6℃；再生季的前7—12 d,土壤温度略微上升了3℃左右,之后迅速下降,后期的大部分时间保持在20℃左右。SR-RR处理中稻季和再生季的平均土温分别为24.4—24.6℃和22.9—23.6℃,SR处理水稻生长期的平均土温为24.9—25.3℃(图2)。

相关分析表明,2016年SR-RR处理再生季的CH4排放通量与5 cm处土温显著正相关(P<0.05)。2017年的CH4排放通量与土壤温度无显著相关性(P>0.05)。

表4 水稻生长期CH4排放通量与土壤温度的相关系数

*和**分别表示在P<0.05和P<0.01水平上的显著相关性

3 讨论

稻田CH4排放存在较大的年际变化,2017年的CH4排放总量比2016年少66%左右(表2)。而以往覆膜稻田的研究结果[12-15]也表明,CH4排放年际差异最大可达4倍。水分对稻田CH4的产生起着决定性的作用,CH4产生所需的厌氧环境在很大程度上取决于土壤水分状况[16]。土壤水分直接影响土壤通透性、呼吸作用,氧化还原电位、土壤有机物分解随之发生变化[17]。只有当水分阻止了氧的扩散从而形成严格厌氧环境时,才能产生CH4。本试验中CH4排放的年际差异主要受土壤水分含量的影响,而土壤水分含量一般受降雨量的控制,由降雨导致的土壤水分变化可以促进覆膜稻田CH4排放,有研究表明,土壤CH4的产生量随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,相应地,2016年土壤含水率明显高于2017年,从而,2016年的CH4排放量大于2017年。CH4的产生是在极端厌氧条件下产甲烷菌作用于产甲烷基质的结果[19- 21],较大的土壤含水率可为稻田CH4的产生和排放创造良好的环境条件(图1)。

土壤温度是影响稻田CH4排放季节变化的重要因素之一[22],当不存在稻田CH4排放的其他限制因子时,在18—31℃范围内,稻田CH4排放量随土壤温度的升高而增大[23]。徐华等[24]认为土壤产甲烷菌活性、土壤有机质分解速率、土壤CH4产生和向大气传输速率皆随土壤温度的升高而增加。有关土壤温度对稻田CH4排放季节变化的影响报道不一,另一些研究未观测到整个水稻生长期土壤温度与稻田CH4排放通量的相关性[25- 26]。本试验中除2016年再生季CH4排放通量与土壤温度呈显著正相关外,其他水稻生长季均未观测到CH4排放通量与土壤温度的显著相关性,可能存在影响稻田CH4排放的其他限制因子。

再生稻的种植改变了覆膜稻田中稻季的CH4排放规律。与SR处理相比,SR-RR处理水稻的插秧时间提前16—19 d(表1),其CH4排放最高峰出现的时间也相应提前8—17d(图2)。单季稻CH4排放最高峰通常出现在水稻分蘖拔节期[27-29]。2016年,SR处理CH4排放最高峰值相当于SR-RR处理的两倍左右,整个稻季CH4排放通量的变化幅度为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范围内,CH4排放季节变化幅度为9—24 mg m-2h-1。与以往覆膜稻田研究结果相比,中稻-再生稻头季的CH4排放比较稳定,最高峰值为17—20 mg m-2h-1,季节变化幅度为13—20 mg m-2h-1(图2)。

SR-RR处理再生季的生育期为71—78 d(表1),约为头季生育期的47%—53%；而再生季的CH4排放量为8.4—30.4 kg/hm2(表2),仅为头季稻CH4排放量的9%—11%。中稻-再生稻的再生季CH4排放量较少,这很可能与再生季土壤温度下降和水稻植株的生物量有关。2016年研究结果表明,SR-RR处理再生季的土壤温度先上升再下降,大部分时间保持在20℃左右；相应地,再生季的CH4排放通量也呈先升后降趋势,大部分时间保持在较低水平；再生季的CH4排放通量与土壤温度呈显著正相关(表3)。2017年也观测到SR-RR处理再生季的CH4排放通量与土温同时出现先升后降趋势,但可能由于2017年水分的影响更大,所以两者未呈现显著相关性(表3)。此外,再生季水稻植株生物量的减少极有可能影响稻田CH4排放量。大量研究表明水稻植株是CH4传输的主要途径[30-33],CH4排放与水稻植株高度呈正比[34]。再生稻是利用头季稻收割后稻桩上存活的休眠芽再生形成的一季水稻,再萌发的水稻植株矮于头季稻[35-37],生物量明显减少[38-39],通过植株排放的CH4也相应较少(图2)。

覆膜稻田在四川省被推广应用面积达70000 hm2[12],以本试验得到的增产效果和CH4排放量进行初步估算,相对于常规覆膜栽培而言,中稻-再生稻完全替代单季稻可使四川省每年水稻增产1.1×105—1.3×105t,同时增加水稻生长期CH4排放1.0—2.2 Gg。由于覆膜的增温作用,再生稻可以提前移栽,避免了前期的坐蔸积温问题,使得原来不适合种植再生稻的地区成为了可能。廖必长、丰大清等[40-41]研究表明,覆膜栽培明显加快中稻-再生稻生育进程,促使中稻季和再生季的成熟期提前,提高中稻-再生稻产量。研究表明,覆膜条件下种植再生稻,不仅可以保证水稻高产稳产(增产19%—22%),同时减少6%的单位产量的CH4排放量。综合来看,全球气候变暖愈演愈烈,我国春旱日益严重,覆膜条件下种植再生稻可以达到节水、抗旱、增产、减排的良好效果,是一种十分值得推广的水稻种植模式。

4 结论

与覆膜单季稻相比,覆膜中稻-再生稻的整个中稻季稻田CH4排放比较平稳,提前出现CH4排放高峰,排放总量与常规覆膜水稻相当；再生季CH4排放量少,大部分时间维持在较低的水平。中稻-再生稻两季稻谷总产显著高于常规覆膜水稻,其CH4排放总量也比常规覆膜水稻高,但其单位产量的CH4排放量显著小于常规覆膜水稻。综合来看,覆膜条件下种植再生稻不但能保证水稻高产稳产,还可以减少单位产量的CH4排放量,具有一定推广应用前景,是值得推荐的水稻栽培方式。