夜间增温品种混栽对稻田土壤CH4和N2O排放的影响

杨蕙琳,娄运生,*,刘 燕,周东雪

1 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/应用气象学院,南京 210044 2 南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室,南京 210044

IPCC第五次评估报告指出,1880—2012年全球地表平均温度升高了0.85℃,1951—2012年全球平均地表温度的升温速率(0.12℃/10a)几乎是1880年以来升温速率的两倍,未来仍将持续变暖[1]。由于地理、气候因子的交互影响,温度上升存在明显的季节及昼夜不对称性,即冬春季增幅显著高于夏秋季,夜间增幅显著高于白天[2- 3]。大气中温室气体浓度增加是气候变暖的重要原因。甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是两种主要温室气体,稻田是CH4和N2O的重要排放源[4- 6]。水稻是我国最重要的口粮作物,全国60%以上的人口以稻米为主食,水稻种植面积约占全球的20%,总产量约占全球30%[7-8]。因此,在稳定粮食生产的情况下,减少温室气体排放已成为水稻生产应对气候变化研究普遍关注的问题。

气候变暖对水稻生产及 CH4和 N2O 的排放的影响日益受到人们关注。模拟温度升高导致热带、亚热带地区水稻分蘖数减少,生育期缩短,叶片衰老加快,生物量降低,有效穗数和穗粒数减少,导致籽粒产量下降[9- 12]。培养试验发现,在一定温度范围内,CH4产生量随温度升高而增加。硝化和反硝化作用的N2O产生量均随温度升高而增加[6,13-14]。田间模拟增温试验表明,增温可促进稻田CH4和N2O产生排放,但迄今有关田间增温试验的报道依然偏少,且多为短期试验,还需进一步开展研究[15-17]。

气候变暖将使农业生产的不稳定性增加,增强农业生产的稳定性是应对气候变化的重要措施。生物多样性增加可使系统稳定性增强。研究发现,作物混合种植影响植株冠层、光能利用率、光合特性及生产力,增强作物抗病能力,可显著提高产量,促进高产稳产[18- 22]。物种多样性对土壤温室气体排放也有影响。据报道,人工湿地的温室气体排放随物种丰富度的增加而增加[23]；而自然湿地系统中,植物种群或物种丰富度增加,可提升固碳能力,显著减少氨挥发及温室气体排放[24-25]；也有学者认为,湿地挺水植物的物种数量对CH4排放无显著影响[26]。可见,目前有关物种多样性对温室气体排放的影响,尚无定论。此外,现有报道多基于自然湿地系统,而对人工稻田系统尚缺少关注。

有关夜间增温或品种混栽对水稻生产的影响已有报道,但二者耦合对水稻生产、稻田CH4和N2O排放、综合增温潜势及温室气体强度的影响,目前尚不清楚。因此,通过田间试验研究夜间增温下品种混栽对水稻生产及稻田土壤CH4、N2O排放的影响,对提高水稻生产应对和适应气候变化的能力有积极意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2018年5月至10月在南京信息工程大学农业气象试验站(32.0°N,118.8°E)内进行。该站地处亚热带湿润气候区,年均降水量1100 mm,年均气温15.6℃。供试土壤为潴育型水稻土,灰马肝土属,质地为壤质粘土,粘粒含量为26.1%,pH为6.2(1:1土水比),全碳、全氮的含量分别为19.4、1.45 g/kg。供试水稻品种为南粳9108(主栽,粳型常规稻,江苏省农业科学院选育)和深两优884(次栽,籼型两系杂交稻,浙江勿忘农种业有限公司选育),两个品种平均产量分别为9781.5 kg/hm2和8703.0 kg/hm2,株高分别为96 cm和118 cm,全生育期分别为153 d和132 d。供试氮磷钾肥料为高浓度复合肥(15—15—15)。

1.2 试验设计

采取两因素随机区组试验设计,夜间增温设2水平,即对照(CK,control)和增温(NW,nighttime warming)。品种混栽2水平,即混作(I,intercropping),单作(M,monocropping)。品种混栽,即主栽品种(南粳9108)与次栽品种(杂交稻深两优884)以3:1的比例栽植,混栽小区内3行粳稻和1行杂交稻混栽。试验设置4个处理,即(1)品种混栽+夜间增温(I+NW)；(2)品种混栽+不增温(I+CK)；(3)单作+不增温(M+CK)；(4)单作+夜间增温(M+NW)。夜间增温处理,采用开放式被动增温方式,增温处理从水稻分蘖期开始,在小区四周安装高度可调式钢管支架(2 m×2 m×2 m),将铝箔反光膜固定于支架顶端,夜间(19:00—6:00)用铝箔反光膜覆盖水稻冠层,随水稻生长发育进程,及时调整钢管支架,使铝箔反光膜与水稻冠层之间的距离保持0.3 m左右。除特殊天气(降雨、大风等)外,每天于日落(19:00)人工覆盖反光膜,日出(次日6:00)揭开反光膜。同时,用温度记录仪自动记录水稻冠层及5 cm土层温度。每处理重复3次,随机排列。小区面积为2 m×2 m=4 m2。

水稻种子经消毒、浸种,在35℃培养箱中催芽,于2018年5月10日播种、育苗。水稻幼苗于6月9日移栽,株行距为20 cm×20 cm。前茬作物为冬小麦,试验田经耕作、整地,幼苗移栽前1d施肥,每小区施入复合肥(15—15—15)315 g,相当于氮磷钾(N—P2O5—K2O)施用量均为200 kg/hm2。水稻生长期保持水层厚度5 cm,根据水层变化及降雨情况进行合理灌溉。7月27日至8月10日晒田,而后灌溉复水,9月22日停止灌溉直到10月20日收获。大田常规管理,病虫害防治依据田间实际情况进行。

1.3 测定方法

1.3.1生物量及产量测定

在水稻主要生育期内,即分蘖期、拔节期、抽穗-扬花期、乳熟期、成熟期,分别采集植株样品,每个小区随机选取长势较一致的3株水稻,混栽小区选择主栽品种。采集的水稻植株样依根、茎、叶和穗部分开,稻根用自来水冲洗干净,分别称取鲜重,而后放入牛皮纸袋中于105℃鼓风烘箱内杀青20 min,之后将烘箱温度调至70℃继续烘干至恒重并称取干重。

在成熟收获期内,每个小区选取有代表性的水稻植株作为采样区(0.5 m×0.5 m),采集稻穗后,先晒干,再用小型脱粒机脱粒后称重得到稻谷干重。选取少量稻粒置于烘箱烘至恒重,测定含水量。稻谷标准产量计算公式如下：

RY=DW/(1-w)

(1)

式中,RY代表水稻的标准产量,单位是t/hm2；DW表示稻谷烘干重量,单位t/hm2；w代表稻谷标准含水量(适合存放的含水量)。

1.3.2气体采集与分析

采用密闭静态箱—气相色谱法测定稻田CH4和N2O排放通量。自水稻移栽后30d(7月8日)至成熟收获期(10月20日)每周采样1次,采样时间为上午8:00—11:00。所用密闭静态箱由圆柱状PVC材料制作,底部半径为8.5 cm。为尽量降低采样对大田试验环境干扰,在采样区域事先搭设栈桥。采气时将静态箱安置于事先固定于土壤中的底座上,通过大田淹水层密封以保证箱内气密性。密封后,接通电源驱动固定于箱顶部的微型直流风扇15 s,以混匀箱内气体。而后分别于封箱后0、15、30 min,用带有三通阀的PVC注射器采集箱内气样50 mL,将所采气样注入事先抽成真空的玻璃瓶中,带回实验室,用气相色谱仪(Agilent 7890B)测定气样中CH4和N2O浓度。色谱测定条件为：FID检测器温度200℃,柱箱温度50℃,载气N2(流量校正不会影响尾吹气或燃气流量),空气和H2流量分别为400 mL/min和45 mL/min。在气样采集的同时,记录箱内气温、环境气温及5 cm土温。CH4和N2O排放通量计算公式为：

(2)

式中,F表示甲烷和氧化亚氮的排放通量(mg m-2h-1)；ρ表示标准状态下的气体密度,甲烷为0.714 kg/m3,氧化亚氮为1.25 kg/m3；H为静态箱的气室高度(m)；T表示理想气体标准状态下的空气温度,一般为273.15 K；t表示采气时箱内的平均温度,单位℃；dc/dt表示目标温室气体浓度随时间变化的回归曲线斜率。

水稻不同生育期和全生育期CH4和N2O累积排放量计算公式为：

(3)

式中,T表示温室气体累积排放量,单位为mg/m2；Fi+1与Fi分别是第i+1次和i次采气时的平均气体排放通量,单位为mg m-2h-1；Di+1、Di为第i+1次和i次试验的时间(d)；f表示单位换算系数,无固定指定值。

1.3.3全球增温潜势计算

全球增温潜势(Global Warming Potential,GWP)的计算,是基于IPCC温室气体清单方法,以CO2作为参考气体(CO2的GWP值为1),在百年尺度上,CH4和N2O的GWP值分别是CO2的28倍和265倍[1],其综合增温潜势的计算公式如下：

GWP=TCH4×28+TN2O×265

(4)

式中,GWP表示全球增温潜势(kg/hm2),即甲烷和氧化亚氮排放量的总CO2当量；TCH4表示水稻全生育期的CH4累积排放量；TN2O表示水稻全生育期的N2O的累积排放量。

1.3.4温室气体排放强度计算

温室气体排放强度代表单位产量内的全球增温潜势。计算公式如下：

GHGI=GWP/RY

(5)

式中,GHGI是温室气体排放强度,单位是kg/t；GWP是全球增温潜势(kg/hm2)；RY是水稻的标准产量(t/hm2)。

1.3.5数据处理与分析

采用统计分析软件(IBM SPSS Statistics 21.0)对不同处理的数据进行方差分析和多重比较(LSD)。利用Excel 2010进行数据处理与绘图。

2 结果与分析

2.1 夜间增温下品种混栽对水稻生长的影响

从表1可看出,品种混栽显著降低水稻地上部干重、地下部干重(根干重)及分蘖数。夜间增温条件下,品种混栽处理(I+NW)使地上部干重、根干重、总干物质量及分蘖数分别比对照(M+NW)减少13.14%、59.54%、19.59%和10.43%。不增温条件下,品种混栽处理(I+CK)使地上部、地下部、全株干重及分蘖数分别比对照(M+CK)降低29.89%、37.46%、30.77%和2.66%。可见,无论夜间增温与否,品种混栽均显著降低地上部干重、根干重、总干物质重及分蘖数。

夜间增温也显著降低地上部干重、地下部干重、全株干物质重及分蘖数。品种混栽条件下,夜间增温处理(I+NW)使地上部干重、地下部干重、全株干物质重及分蘖数分别比对照(I+CK)降低9.46%、40.58%、12.64%和11.69%。粳稻净栽条件下,夜间增温处理(M+NW)使地上部、地下部、全株干物质重及分蘖数分别比对照(M+CK)降低26.92%、8.16%、24.79%和4.04%,但根干重和分蘖数并没有达到显著性差异,说明增温对地下部干重和分蘖数没有显著影响。品种混栽和夜间增温交互作用(I×NW)显著降低地上部干重、地下部干重和全株干物质重,而对单株分蘖数没有显著影响。

表1 夜间增温下品种混栽对水稻干物重及分蘖数的影响

2.2 夜间增温下品种混栽对水稻CH4排放通量的影响

图1表明,整个水稻生长期间,不同处理的稻田土壤CH4排放通量变化趋势基本一致,均为低—高—低的变化趋势。水稻移栽后第30天内,CH4排放通量较低,之后逐渐上升,至移栽后第49天达排放峰值,之后排水晒田,至第63天结束。晒田期间,CH4排放通量急剧降低,在第63天降至最低。晒田结束后复水,CH4排放通量逐渐升高,在第84天出现一个高峰,成熟期停止灌水自然落干,之后CH4排放通量逐渐降低,直至成熟收获,排放量接近0。

图1 夜间增温下品种混栽对水稻田CH4排放通量变化过程的影响Fig.1 Effect of rice intercropping on seasonal variation of CH4 fluxes in paddy field under nighttime warmingI+NW：品种混栽+夜间增温,intercropping+nighttime warming；I+CK：品种混栽+不增温,intercropping+non-warmed control；M+CK：单作+不增温,monocropping+non-warmed control；M+NW：单作+夜间增温,monocropping+nighttime warming

不同处理的水稻全生育期平均CH4排放通量呈现为：I+NW>M+NW>I+CK>M+CK。夜间增温使稻田CH4排放通量呈增加趋势。水稻移栽后第30天至49天(拔节初期),品种混栽条件下,夜间增温处理(I+NW)的稻田CH4排放通量的4次观测值,比对照(I+CK)提高184.74%、124.20%、135.99%和89.57%。而粳稻净栽条件下,夜间增温处理(M+NW)的稻田CH4排放通量的4次观测值,分别比对照(M+CK)高44.36%、43.46%、53.14%和34.27%。同样,品种混栽也可明显提高稻田CH4排放通量。夜间增温条件下,第30—49天内,品种混栽处理(I+NW)的稻田CH4排放通量的4次观测值,分别高于净栽对照(M+NW)97.24%、56.29%、53.45%和41.18%。夜间不增温或常温条件下,品种混栽处理(I+CK)的稻田CH4排放通量的4次观测值,分别高于净栽对照(M+CK)39.91%、41.40%、19.29%和33.16%。可见,品种混栽或夜间增温均明显提高稻田CH4排放通量。

2.3 夜间增温下品种混栽对水稻不同生育期CH4累积排放量的影响

由表2可见,不同处理的CH4累积排放量在不同生育期所占比例基本一致。CH4累积排放量在分蘖期最高,约占全生育期的61.41%—68.99%；拔节—孕穗期次之,占全生育期的18.28%—22.37%；抽穗—扬花期、灌浆—成熟期CH4排放较少,分别占全生育期的4.58%—7.58%和4.06%—12.24%。

表2 夜间增温下品种混栽对水稻不同生育期CH4累积排放量的影响

不同生育期内,品种混栽或夜间增温均显著提高CH4累积排放量。品种混栽条件下,夜间增温(I+NW)处理的稻田CH4累积排放量在分蘖期、拔节—孕穗期、抽穗—扬花期、灌浆—成熟期及全生育期,均高于不增温对照处理(I+CK)72.07%、50.30%、56.68%、93.33%和68.74%。粳稻净栽条件下,夜间增温处理(M+NW)的稻田CH4累积排放量在上述生育期,分别比不增温对照处理(M+CK)增加45.15%、39.11%、159.26%和231.43%,全生育期增加56.59%。品种混栽均使稻田CH4累积排放量显著增加。夜间增温条件下,品种混栽处理(I+NW)稻田CH4累积排放量在上述生育期及全生育期,分别高于净栽对照处理(M+NW)55.32%、45.89%、43.49%、125.82%和58.61%。夜间不增温或常温条件下,品种混栽处理(I+CK)稻田CH4累积排放量,在上述生育期比净栽对照处理(M+CK)分别增加31.02%、35.03%、137.44%和287.13%,全生育期则增加47.19%。可见,水稻整个生育期内,夜间增温或品种混栽均显著增加稻田CH4累积排放量(P≤0.05),与单因素作用相比,夜间增温和品种混栽交互作用(I×NW)显著提高稻田分蘖期、拔节—孕穗期、灌浆—成熟期和全生育期CH4累积排放量,而在抽穗—扬花期则没有显著影响。

2.4 夜间增温下品种混栽对水稻N2O排放通量的影响

从图2可知,水稻生长期内,不同处理稻田土壤N2O排放通量季节变化,均呈现为低—高—低的变化趋势。水稻移栽后第30天开始,N2O排放通量较低,移栽后第49天排放通量逐渐增加,至第63天达排放峰值。随后晒田结束复水,N2O排放通量逐渐降低,渐趋于平缓,成熟期停止灌水自然落干,N2O排放通量小幅上升。

图2 夜间增温下品种混栽对水稻田N2O排放通量变化过程的影响Fig.2 Effect of rice intercropping on seasonal variation of N2O fluxes in paddy field under nighttime warming

品种混栽使N2O排放通量显著增加。夜间增温条件下,水稻移栽后第57天至72天,品种混栽处理(I+NW)的稻田N2O排放通量的3次观测值比粳稻净栽处理(M+NW)提高71.30%、25.08%和259.76%。移栽后第134天(成熟期),夜间增温条件下,品种混栽处理(I+NW)N2O排放通量观测值高于粳稻净栽处理(M+NW)142.13%。夜间不增温或常温条件下,移栽后第57天至72天,品种混栽处理(I+CK)比粳稻净栽处理(M+CK)的稻田N2O排放通量的3次观测值,分别提高45.77%、31.57%和106.84%。移栽后第134天 N2O排放通量观测值品种混栽处理(I+CK)比净栽处理(M+CK)提高5.05%。

夜间增温对N2O排放通量的影响在不同生育期存在差异。水稻移栽后第57天至72天(拔节后期,抽穗初期),品种混栽条件下,夜间增温处理(I+NW)的稻田N2O排放通量的3次观测值与不增温处理(I+CK)相比,分别提高131.65%、20.90%和162.48%。粳稻净栽条件下,增温处理(M+NW)的稻田N2O排放通量的3次观测值分别高于不增温处理(M+CK)97.13%、27.18%和50.91%。移栽后第134天,品种混栽条件下,增温处理(I+NW)N2O排放通量比不增温处理提高59.33%。而在粳稻净栽条件下,夜间增温处理(M+NW)稻田N2O排放通量比不增温处理(M+CK)降低44.67%。可见,品种混栽显著提高N2O排放,夜间增温在水稻拔节—抽穗期显著促进N2O排放,在成熟期,则降低粳稻净栽处理(M+NW)N2O排放通量。

2.5 夜间增温下品种混栽对水稻不同生育期N2O累积排放量的影响

由表3可见,N2O累积排放量在拔节—孕穗期最高,约占全生育期排放量的47.47%—63.78%；其次是灌浆—成熟期,占全生育期的15.11%—29.65%；分蘖期和抽穗—扬花期N2O排放较少,分别占全生育期的7.27%—10.18%和6.13%—12.75%。

夜间增温显著提高水稻全生育期N2O累积排放量,但不同生育期存在差异。品种混栽条件下,夜间增温处理(I+NW)在分蘖期、拔节—孕穗期、抽穗—扬花期及全生育期的N2O累积排放量,分别高于不增温对照处理(I+CK)20.02%、54.25%、171.13%和36.54%,但在灌浆—成熟期却低于不增温对照处理(I+CK)24.25%。粳稻净栽条件下,夜间增温处理(M+NW)稻田N2O累积排放量,在拔节—孕穗期、抽穗—扬花期及全生育期,均高于不增温对照处理(M+CK)40.58%、2.85%和14.67%,在分蘖期和灌浆—成熟期低于不增温对照(M+CK)17.68%和10.64%。品种混栽显著促进对全生育期N2O累积排放量。夜间增温条件下,品种混栽处理(I+NW)稻田N2O累积排放量,在分蘖期、拔节—孕穗期、抽穗—扬花期及全生育期,分别高于净栽处理(M+NW)64.44%、46.26%、42.07%和33.46%,在灌浆—成熟期低于净栽处理(M+NW)12.73%。夜间不增温或常温条件下,品种混栽处理(I+CK)稻田N2O累积排放量,在分蘖期、拔节—孕穗期、灌浆—成熟期及全生育期,分别比粳稻净栽对照处理(M+CK)提高12.78%、33.29%、2.94%和12.08%,抽穗—扬花期低于净栽对照处理(M+CK)46.11%。可见,水稻整个生育期内,夜间增温或品种混栽均显著增加稻田N2O累积排放量(P≤0.05),但在不同生育期存在差异。进一步分析表明,夜间增温和品种混栽交互作用(I×NW)显著提高稻田分蘖期、拔节—孕穗期、抽穗—扬花期、灌浆—成熟期和全生育期N2O累积排放量。

表3 夜间增温下品种混栽对水稻不同生育期N2O累积排放量的影响

2.6 夜间增温下品种混栽对水稻综合增温潜势的影响

由表4可见,不同处理稻田CH4增温潜势占综合增温潜势的比例均较高,约为76.15%—83.84%；相反,N2O增温潜势占综合增温潜势的比例均较低,约为16.16%—23.84%。

表4 夜间增温下品种混栽对稻田增温潜势的影响

夜间增温显著提高了稻田CH4和N2O增温潜势。品种混栽条件下,夜间增温处理(I+NW)稻田CH4和N2O的增温潜势及综合增温潜势,分别高于不增温对照处理(I+CK)68.74%、36.54%和62.55%。粳稻净栽条件下,增温处理(M+NW)稻田CH4和N2O增温潜势及综合增温潜势,分别比不增温对照处理(M+CK)升高56.77%、14.67%和46.71%。同样,品种混栽也显著提高了稻田CH4和N2O增温潜势。夜间增温条件下,品种混栽处理(I+NW)稻田CH4和N2O增温潜势及综合增温潜势,分别高于粳稻净栽处理(M+NW)稻田58.61%、33.45%和53.92%。不增温或常温条件下,品种混栽处理(I+CK)稻田CH4和N2O增温潜势及综合增温潜势,分别比净栽对照处理(M+CK)稻田提高47.36%、12.08%和38.93%。可见,夜间增温或品种混栽均显著增加稻田CH4和N2O增温潜势及其综合增温潜势(P≤0.05)。夜间增温和品种混栽(I×NW)交互作用显著提高稻田CH4和N2O增温潜势及其综合增温潜势。

2.7 夜间增温下品种混栽对稻田排放强度的影响

从表5看出,夜间增温显著降低水稻标准产量。品种混栽条件下,夜间增温处理(I+NW)水稻的标准产量比不增温对照(I+CK)降低16.64%。粳稻净栽条件下,夜间增温处理(M+NW)水稻的标准产量,显著低于不增温对照(M+CK)21.49%。相反,品种混栽显著提高水稻标准产量。夜间增温条件下,品种混栽处理(I+NW)水稻标准产量,比净栽对照处理(M+NW)显著提高20.14%。不增温或常温条件下,品种混栽(I+CK)处理水稻标准产量显著高于净栽(M+CK)处理13.14%。夜间增温和品种混栽(I×NW)交互作用对水稻产量影响未达显著水平,品种混栽在一定程度上可缓解夜间增温对水稻产量的不利影响。

温室气体排放强度(Greenhouse gas emission intensity,简称排放强度)主要取决于标准产量和温室气体累积排放量。夜间增温显著提高稻田CH4和N2O排放强度。品种混栽条件下,夜间增温处理(I+NW)稻田的排放强度,显著高于不增温对照处理(I+CK)95.72%。粳稻净栽条件下,夜间增温处理(M+NW)稻田的排放强度,显著高于不增温处理(M+CK)86.96%。同样,品种混栽也显著提高稻田的排放强度。夜间增温条件下,品种混栽处理(I+NW)与净栽处理(M+NW)相比,稻田排放强度提高28.62%。不增温或常温条件下,品种混栽处理(I+CK)稻田排放强度,显著高于净栽对照处理(M+CK)22.86%。可见,夜间增温或品种混栽均显著提高稻田排放强度(P≤0.05),但二者交互作用的影响未达显著水平。

表5 夜间增温下品种混栽对水稻标准产量及温室气体排放强度的影响

3 讨论

3.1 夜间增温下品种混栽对水稻生长的影响

夜间增温显著降低水稻植株分蘖数、地上部和根系干物质量及产量(表1,表5)。原因在于,夜间增温下水稻生长发育受阻,干物质积累降低,叶片、茎秆衰老加快,颖花分化受抑,花粉萌发受阻,有效穗数降低,空秕率增加,产量下降[9-11]。

品种混栽使水稻地上部和根系干物质量、分蘖数显著降低,而产量显著增加(表1,表5)。原因在于,不同品种株高、株型等差异,使混栽水稻植株更有利于接收太阳有效辐射,提高光合速率,使有效穗数增加,产量提高[27- 33],但品种混栽可能因种间竞争,使植株生长受抑制,引起分蘖数、生物量下降。品种混栽表现为全株生物量和产量之间的反向变化机制,原因可能在于,(1)品种混栽所形成的生物群落存在补偿、互补和助长效应[20],杂交稻可能比粳稻具有偏高的收获指数,从而使水稻产量增加；(2)水稻产量可能是由于有效穗数,每穗粒数,结实率和千粒重的增加而提高的；(3)水稻生物量地上部分为茎、叶和穗,可能对于茎叶干物质重降低,而穗干物质重升高。

品种混栽可缓解夜间增温对水稻产量的不利影响,原因可能在于,品种混栽存在互补效应,对水分、光照等资源的利用效率更高[34]；品种混栽形成特有系统,增强系统稳定性,改善不利于作物生长发育的环境,促进水稻稳产。

3.2 夜间增温下品种混栽对水稻CH4排放的影响

稻田CH4排放通量在水稻生育期存在2个峰值(图1),第一个峰值出现于水稻移栽后第49天,此时水稻处于分蘖盛期,春夏之交气温逐渐升高,随淹水时间的延长,极端厌氧环境形成,水稻分蘖加快,根系分泌增强,促进了产甲烷菌活动,CH4排放随之升高,在移栽后第49天达到峰值。移栽后第63天晒田结束,复水灌溉,此时水稻处于拔节末期—抽穗初期,生长旺盛,CH4排放通量逐渐升高,至移栽后第84天出现第二个高峰,但数值远低于第一个峰值,而后,CH4排放通量持续下降维持较低水平。本试验中稻田全生育期CH4排放量偏低,原因可能在于,一是采用中期晒田的水分管理方式,晒田改善了土壤通气性,提高了土壤氧化还原电位,覆水后闭蓄氧的存在抑制了CH4的产生；二是供试稻田质地粘重,粘粒的物理保护减少了有机质分解,粘质土壤中气体扩散作用较弱不利于甲烷扩散,此外,粘质土壤的缓冲性强,有助于维持较高的氧化还原电位[35]。

夜间增温下稻田CH4排放通量和累积排放量增加(图1,表2),但显著降低水稻植株分蘖数、地上部和根系干物质量(表1),可能是由于,(1)温度升高使植株呼吸作用加强,引起CO2浓度增加,O2浓度减少,有利于土壤厌氧环境的形成[14,36- 38]；(2)夜间增温使水稻植株分蘖提早凋萎,茎叶凋落物或根系脱落物为产甲烷菌提供较多有机物,促进CH4产生排放；(3)稻田CH4排放量与生物量成反比,生物量高的植株将较多的碳固定于植株中,以降低CH4排放,反之亦然[39]。品种混栽显著提高稻田CH4排放通量和累积排放量(图1,表2),其原因可能为,品种混栽下光利用率提高,光合速率提高,根系分泌增强,促进产甲烷菌活性,有利于CH4产生排放[24],夜间增温和品种混栽。但也有学者认为,湿地生态系统物种多样性增加没有导致CH4排放量增加[26]。迄今关于混栽或物种多样性对稻田CH4排放的影响研究报道较少,还需进一步研究。

3.3 夜间增温下品种混栽对水稻N2O排放的影响

水稻整个生育期内,稻田N2O排放通量呈单峰变化趋势(图2)。水稻移栽后,持续灌溉淹水状态降低N2O产生排放。移栽后第49天排水晒田,干湿交替促进土壤硝化作用及反硝化作用,引起稻田N2O产生排放升高[40],至移栽后第63天(晒田结束)稻田N2O产生排放达峰值。晒田结束并灌溉覆水,N2O排放逐渐降低,并维持较低水平。成熟期N2O呈现波动变化趋势,原因在于临近收获时停止灌溉,土壤表面逐渐干涸,破坏了淹水厌氧环境,干湿交替虽有利于土壤硝化细菌或反硝化细菌活动,但此时夏秋之交气温波动较大,引起N2O排放呈波动趋势。本试验中N2O排放因子偏高的原因可能是,中期晒田导致厌氧环境遭到破坏,促进土壤N2O的产生排放；植株根系活力增强,泌氧能力提高,促进硝化细菌及反硝化细菌代谢有机物质,利于N2O排放[41]；供试两个水稻品种生育期存在差异,通量观测延长至杂交稻成熟后4周,后期停止灌溉使N2O排放增加,导致累积排放量提高。

夜间增温显著提高稻田N2O排放通量和累积排放量(图2,表3),原因可能在于,增温促进了土壤N2O产生相关微生物活性,使N2O产生排放增加[42-43]。N2O排放较高的时期是拔节—孕穗期,与CH4排放表现为消长关系[44]。拔节—孕穗期是水稻生长关键期,此时处于排水晒田期间,土壤通气性改善,土壤氧化还原电位升高,促进了硝化和反硝化细菌活性,而抑制了产甲烷菌活性[45]。品种混栽显著促进稻田N2O排放(表3),原因可能在于,品种混栽下种间竞争使分蘖数减少,有效分蘖增加,氮素吸收消耗减少,土壤含氮量较高,硝化及反硝化细菌活性提高,促进N2O产生排放；促进作物根系分泌物分泌量的提高,促进反硝化细菌的生长和繁殖,从而提高N2O排放量,但相关作用机制或原因还需进一步深入研究。

4 结论

夜间增温下品种混栽显著抑制水稻生长发育,减少水稻分蘖数,降低干物质量。夜间增温显著降低产量,而品种混栽显著提高产量。夜间增温下品种混栽显著提高稻田CH4、N2O排放通量及累积排放量,显著提高全球增温潜势(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)(P≤0.05)。未来将进一步研究夜间增温下品种混栽对稻田土壤温室气体产生的影响机制及其应对措施。