不同播期粳稻稻田甲烷排放及综合效益研究

党慧慧，刘超，伍翥嵘，王圆媛，胡正华，李琪，陈书涛

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，江苏 南京 210044

气候变暖问题为全球普遍关注，甲烷（CH4）作为大气中仅次于二氧化碳（CO2）的重要温室气体，对全球温室效应的贡献高达15%（Kirschke et al.，2013）。单位质量 CH4排放所引起的温室效应是单位质量CO2排放所引起温室效应的28倍（IPCC，2013）。稻田是重要的 CH4排放源，水稻种植过程中产生的 CH4约占全球农业生产活动 CH4总排放量的10%—20%（Saunois et al.，2020）。水稻是世界三大主要粮食作物之一，全球50%以上的人口以大米为主食，水稻种植面积约为1.61×108hm2。预计到2050年，全球水稻产量仍需提高30%左右才能满足人口增长和经济发展对稻米的需求（江瑜等，2020），基于这种背景下，稻田CH4排放量将呈现不断增加的趋势。因此，如何有效减少稻田CH4排放仍是近年来农业生态环境领域的研究热点，对减缓气候变暖具有直接效应（田昌等，2019）。

合理的水稻播期不仅是实现水稻高产优质的关键（符冠富等，2009），同时也可能有利于减少稻田CH4排放。研究表明水稻植株当季光合产物是稻田CH4排放的主要碳源（Tokida et al.，2011；Simmonds et al.，2015）。水稻各发育进程受播期影响较大，延期播种会改变各生育期长短和群体光合积累时间，造成水稻生育进程延迟，全生育期积温和日照时数减少，光合产物减少，从而减少稻田CH4排放（Quan et al.，2012）。但是延期播种也会造成水稻生育期缩短，灌浆速率降低，地上部干物质积累量减少，导致产量下降（许轲等，2013）。因此需要用一个估算水稻产量、稻田CH4排放量和农艺投入的综合效益指标，来评估农业生产的可持续性（盛锋，2019）。

水稻延期播种，基于CH4减排的生产综合效益是否也会降低是值得研究的问题。近年来研究多集中在播期对水稻生育进程及产量的影响（艾磊，2016；徐年龙等，2020）、CH4排放的影响因素以及稻田CH4排放量的监测等方面（魏海苹等，2012；沈学良等，2020），然而对于不同播期下稻田CH4排放差异和基于CH4减排的水稻生产综合效益鲜见报道。如何在确保水稻丰产优质的同时，实现稻田CH4减排是现代水稻生产面临的新挑战，因此本研究以粳稻（南粳9108）为试验材料，开展连续两年的分期播种（播期相差10 d）试验，研究不同播期处理下粳稻稻田CH4的排放特征及其综合效益，对于优选最佳播期实现水稻丰产和温室气体减排具有一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于江苏省南京信息工程大学农业气象与生态试验站（32°16′N，118°86′E），属亚热带季风气候，年降水量为1110 mm，相对湿度为76%，年平均温度为 15.6 ℃。供试土壤为潴育型水稻土（灰马肝土属），耕作层为壤质粘土，其中，黏粒的含量为26.1%，pH（H2O）值为6.3，有机碳含量为11.66 g·kg−1，全氮含量为 1.19 g·kg−1。

1.2 试验设计

于2019和2020年水稻生长季开展不同播期田间试验，供试粳稻品种为南粳9108（全生育期149—153 d）。试验设2个播期：延期播种（Ⅱ期）的播种和移栽时间均比对照（Ⅰ期）延迟10 d。2019年水稻生长季，Ⅰ期水稻于6月1日播种，Ⅱ期水稻于6月11日播种。2020年水稻生长季，Ⅰ期水稻于5月29日播种，Ⅱ期水稻于6月8日播种。每个播期处理设 3个重复，每个小区面积为 13.5 m2（4.5 m×3 m），小区间用田埂隔开，以防窜水窜肥。水稻移栽时，每个小区移栽插株为13列23行。不同播期的施肥及田间管理方式相同，每个小区用复合肥（15-15-15）作基肥，施用量为100 g·m−2，用尿素（N质量分数为46%）作分蘖肥及穗肥，施用量均为10.9 g·m−2，氮肥施肥比例为：基肥60%、分蘖肥20%、穗肥20%。水分管理方式是全生育期淹水状态（在水稻接近成熟时，将稻田里的水抽干以方便水稻收获）。水稻关键生育期见表1。

表1 不同播期下粳稻的关键生育期Table 1 Critical growth stages of japonica rice under different sowing dates

1.3 测定项目与方法

1.3.1 CH4排放通量的测定

使用透明箱-高精度气体分析仪测定CH4排放通量。提前在每个小区，选择长势均匀的水稻植株套入采样底座（高5 cm，内径20 cm），底座上带有1.5 cm宽的凹槽，与透明箱刚好吻合。透明箱为高透光率有机玻璃圆筒（高1 m，内径20 cm），顶部有3个圆孔，用于安装温度计和进出气管（管口在透明箱中部）。将透明箱罩在底座上，用水密封底座与透明箱，防止泄气。所用气体分析仪是LGR超便携式温室气体分析仪（CO2/CH4/H2O分析仪，型号915-0011，Los Gatos Research公司，美国），其测定原理是离轴积分输出腔光谱技术，测定频率为1 Hz，1 s记录1次。将内径为1/4英寸（0.635 cm）的特氟龙管作为采气管，连接 LGR温室气体分析仪与透明箱进行CH4气体分析。观测频率为每周2次（如遇到雨天影响则每周1次），观测时间在08:00—11:00。

CH4排放通量通过截取斜率一致的 10 min内600个CH4浓度值的线性回归斜率来计算。计算公式如下：

式中：

F——CH4排放通量（mg·m−2·h−1）；

H——采样箱高度（m）；

b——CH4的摩尔质量（g·mol−1）；

R——普适气体常数（8.314 J·mol−1·K−1）；

θ——分别为采样时箱内的气温（℃）；

V——气压（hPa）；

dρ/dt——观测时间内箱内CH4浓度随时间变化的斜率；

ρ——t时刻箱内 CH4的体积混合比浓度（μg·L−1）；

t——时间（s）。

CH4累积排放量通过相邻两次排放通量按照顺序累积着计算，计算公式如下：

式中：

CE——CH4累积排放量（mg·m−2）；

F——CH4排放通量（mg·m−2·h−1）；

i——第i次采样；

ti+1−ti——两个测定日期的间隔（d）；

n——总测定次数。

1.3.2 环境因子的测定及CH4排放通量的温度敏感性系数（Q10）计算

运用土壤水分温度电导率速测仪（Hydra ProbeⅡ，Stevens Water Monitoring Systems，USA）同步测定离地表 5 cm的土壤温度和湿度。运用测量开始和结束时透明箱上部插入的温度计测定气温。在整个生育期内利用指数关系模拟CH4排放通量与土壤温度及气温的关系，即：

式中：

F——CH4排放通量（mg·m−2·h−1）；

θ——平均温度（℃）；

β——温度响应系数。在此基础上利用 β计算CH4排放通量的Q10，计算公式如下：

1.3.3 土壤理化及酶活性的测定

在水稻发育的分蘖期（Ⅰ期在7月30日，Ⅱ期在8月9日）和成熟期（Ⅰ期和Ⅱ期均在10月17日），取离土壤表层5 cm的水稻根际土来测定土壤理化及酶的活性。测定内容有：pH值，水溶性有机碳（DOC）含量，铵态氮（NH4+-N）含量，硝态氮（NO3--N）含量，土壤过氧化氢酶活性，土壤转化酶活性，土壤脲酶活性。其测定方法分别为：pH计，焦磷酸钠比色法（占新华等，2002），靛酚比色法（Kempers et al.，1986），紫外分光光度法（Dorich et al.，1984），高锰酸钾滴定法（Johnson et al.，1964），3，5-二硝基水杨酸比色法（Gopal et al.，2007），苯酚-次氯酸钠比色法（Kandeler et al.，1988）。

1.3.4 基于CH4减排的水稻生产综合效益计算

GWP和CGWP计算公式如下：

式中：

GWP——CH4增温潜势；

CE——CH4全生育期累积排放量。

式中：

CGWP——CH4增温潜势成本，以2020年12月上海环境能源排放交易所挂牌价中碳交易背景为基础，碳交易价格为 41.50 yuan·t−1（以 CO2计），则CH4交易价格为 41.50×28 yuan·t−1。

水稻收获时，在Ⅰ期和Ⅱ期水稻田各选取3个样方，样方面积均设为 1 m2。剪下稻穗置于烘箱35 ℃烘干至恒重后脱粒，将实粒称重获得单位面积产量。CY计算公式如下：

式中：

CY——水稻产量经济效益（yuan·hm−2）；

Y——水稻产量（kg·hm−2）；

PJ——粳稻单价（yuan·kg−1），据市场调查，粳稻单价为 2.6 yuan·kg−1；

CF——肥料成本，尿素单价为 4.0 yuan·kg−1，复合肥单价为 6.0 yuan·kg−1；

CP——农药成本；

CS——种子成本，粳稻种子单价为 16 yuan·kg−1。鉴于稻田灌水的水源来自试验地池塘，另外考虑到江南地区水资源丰富，灌溉方便，不用水泵抽水，因此水成本忽略不计。

CC计算公式如下：

式中：

CC——CH4减排生产综合效益（yuan·hm−2）

1.4 数据分析及方法

运用Microsoft Excel 2010对原始数据进行预处理。运用 SPSS 22.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）对数据进行统计分析，采用LSD法进行差异显著性检验，对 CH4排放量与土壤理化及酶活性进行Pearson相关分析，对 CH4排放通量与土壤温度及气温进行回归分析，显著水平均设为P=0.05。运用Origin 2019（OriginLab Corp.，Wellesley Hills，USA）绘图软件完成制图。

2 结果与分析

2.1 不同播期下土壤因子季节变化

由图1a和图1c可知，每年Ⅰ期和Ⅱ期稻田土壤温度季节变化趋势高度一致，最高土壤温度出现在7月中旬至8月中旬。在2019年水稻生长季，Ⅰ期土壤温度介于 19.3—43.3 ℃之间，Ⅱ期介于19.3—39.8 ℃之间；在2020年水稻生长季，Ⅰ期土壤温度介于 18.2—35.8 ℃之间，Ⅱ期介于 19.1—36.6 ℃之间。

由图 1b和图 1d可知，在 2019年水稻生长季，Ⅰ期和Ⅱ期稻田土壤湿度季节变化趋势高度一致，Ⅰ期土壤湿度介于35.0%—62.5%之间，Ⅱ期介于38.6%—57.6%之间；在2020年水稻生长季，Ⅰ期和Ⅱ期稻田土壤湿度在水稻生长前期季节变化趋势一致，后期Ⅰ期呈下降趋势，Ⅱ期由于稻田旁施工灌水呈增长趋势，Ⅰ期土壤湿度介于 49.8%—55.3%之间，Ⅱ期介于 50.6%—58.7%之间。

图1 不同播期下土壤温度、土壤湿度动态变化Fig. 1 Dynamic changes of soil temperature and moisture under different sowing dates

2.2 不同播期下稻田CH4排放特征

2.2.1 CH4排放通量季节变化

由图2a可知，在2019年水稻生长季，Ⅰ期稻田CH4排放从7月20日开始，10月13日结束，CH4排放通量介于 (0.02±0.00)—(8.22±1.32) mg·m−2·h−1之间，有3个峰值：在拔节期（8月24日）出现第一个峰值（8.22 mg·m−2·h−1），在抽穗期（9 月 10 日）出现第二个峰值（3.82 mg·m−2·h−1），在乳熟期（9 月28 日）出现第 3 个峰值（1.51 mg·m−2·h−1）。季节变化趋势为在拔节期前呈增长趋势，之后呈下降趋势，在临近收获时接近于0。Ⅱ期稻田CH4排放从7月31日开始，10月13日结束，CH4排放通量介于 (0.02±0.01)—(12.18±0.97) mg·m−2·h−1之间，有 3个峰值：在分蘖期（8月 18日）出现第一个峰值（12.18 mg·m−2·h−1），在孕穗期（8 月 30 日）出现第2 个峰值（3.37 mg·m−2·h−1），在抽穗期（9 月 10 日）出现第 3 个峰值（3.76 mg·m−2·h−1）。季节变化趋势为在分蘖期前呈增长趋势，之后呈下降趋势，在临近收获时接近于0。

由图2b可知，在2020年水稻生长季，Ⅰ期稻田CH4排放从7月17日开始，10月22日结束，CH4排放通量介于(0.47±0.27)— (15.53±1.04)mg·m−2·h−1之间，有 4 个峰值：在拔节期（8 月 6 日）出现第一个峰值（5.79 mg·m−2·h−1），在孕穗期（8 月18 日）出现第 2 个峰值（15.53 mg·m−2·h−1），在抽穗期（9 月 7 日）出现第 3 个峰值（9.28 mg·m−2·h−1），在乳熟期（10月 1日）出现第 4个峰值（6.65 mg·m−2·h−1）。季节变化趋势为在孕穗期前呈增长趋势，之后呈下降趋势。Ⅱ期稻田CH4排放从7月29日开始，10月 22日结束，CH4排放通量介于(0.786±0.283)—(13.404±0.270) mg·m−2·h−1之间，有3个峰值：在拔节期（8月18日）出现第一个峰值（13.40 mg·m−2·h−1），在孕穗期（8 月 28 日）出现第2 个峰值（7.35 mg·m−2·h−1），在乳熟期（10 月 1 日）出现第 3 个峰值（3.66 mg·m−2·h−1）。季节变化趋势为在拔节期前呈增长趋势，之后呈下降趋势。

图2 不同播期下稻田CH4排放通量的季节变化Fig. 2 Seasonal variation of CH4 emission flux from paddy fields under different sowing dates

2.2.2 CH4累积排放量

由图3a可知，在2019年水稻生长季整个生育期，稻田CH4累积排放量如下，Ⅰ期：(68.94±1.48)kg·hm−2，Ⅱ期：(58.29±1.32) kg·hm−2，Ⅱ期比Ⅰ期显著减小了 15.4%（P=0.006）。与Ⅰ期相比，在分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期，Ⅱ期的增幅分别为 29.4%（P=0.036）、−50.6%（P=0.002）、−38.0%（P=0.011）和−52.3%（P=0.321）。在各生育期阶段，Ⅰ期和Ⅱ期稻田CH4累积排放均表现为：分蘖期>拔节期>抽穗期>成熟期，Ⅰ期的稻田CH4累积排放量在分蘖期和拔节期显著高于抽穗期和成熟期（P=0.000），在抽穗期显著高于成熟期（P=0.001）。Ⅱ期的稻田CH4累积排放量在分蘖期均显著高于拔节期、抽穗期和成熟期（P=0.000），在拔节期显著高于抽穗期（P=0.022）和成熟期（P=0.000），在抽穗期显著高于成熟期（P=0.004）。

图3 不同播期下稻田CH4的累积排放量Fig. 3 Cumulative amount of CH4 from paddy fields under different sowing dates

由图3b可知，在2020年水稻生长季整个生育期，稻田CH4累积排放量如下，Ⅰ期：(125.50±10.01)kg·hm−2，Ⅱ期：(92.49±16.38) kg·hm−2，Ⅱ期比Ⅰ期减小了26.3%（P=0.160）。与Ⅰ期相比，在分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期，Ⅱ期的增幅分别为161.5%（P=0.066）、−46.6%（P=0.004）、−46.4%（P=0.217）和−41.7%（P=0.088）。在各生育期阶段，稻田 CH4累积排放表现为：拔节期>抽穗期>成熟期>分蘖期（Ⅰ期），分蘖期>拔节期>抽穗期>成熟期（Ⅱ期），Ⅰ期的稻田 CH4累积排放量在拔节期显著高于分蘖期（P=0.002）和成熟期（P=0.019），在抽穗期显著高于分蘖期（P=0.019）。Ⅱ期的稻田CH4累积排放量在分蘖期显著高于成熟期（P=0.027）。

2.3 不同播期对土壤理化与酶活性的影响

2.3.1 土壤pH

由表2可知，在2019年水稻生长季，2个播期处理的土壤 pH 值变化范围是 (6.11±0.18)—(6.80±0.07)，在不同播期处理间无显著性差异。Ⅰ期土壤 pH值在分蘖期显著高于成熟期 5.3%（P=0.041）。在2020年水稻生长季，2个播期处理的土壤pH值变化范围是 (6.35±0.04)—(6.47±0.03)，在不同播期处理间和在不同生育期阶段无显著性差异。

2.3.2 土壤水溶性有机碳（DOC）

由表2可知，在2019年水稻生长季，2个播期处理的土壤 DOC质量分数变化范围是 (61.09±14.39)—(96.41±14.40) mg·kg−1，在不同播期处理间和在不同生育期阶段无显著性差异。在 2020年水稻生长季，2个播期处理的土壤DOC含量变化范围是 (95.61±3.82)—(114.91±4.64) mg·kg−1，在水稻成熟期，Ⅰ期土壤 DOC含量显著高于Ⅱ期 20.2%（P=0.033）。

2.3.3 土壤有效氮

由表2可知，在2019年水稻生长季，2个播期处理的土壤 NH4+-N含量变化范围是 (28.17±1.67)—(66.51±3.31) mg·kg−1。在水稻成熟期，Ⅰ期土壤NH4+-N含量显著低于Ⅱ期57.7%（P=0.000），在2个生育期阶段，Ⅰ期在分蘖期显著高于成熟期76.5%（P=0.016），Ⅱ期在分蘖期显著低于成熟期38.4%（P=0.010）。在2020年水稻生长季，2个播期处理的土壤 NH4+-N 含量变化范围是(28.21±0.67)—(29.49±0.24) mg·kg−1，在不同播期处理间和在不同生育期阶段无显著性差异。

由表2可知，在2019年水稻生长季，2个播期处理的土壤NO3--N含量变化范围是 (3.34±0.72)—(5.67±1.01) mg·kg−1，在不同播期处理间和在不同生育期阶段无显著性差异。在2020年水稻生长季，2个播期处理的土壤 NO3--N含量变化范围是(2.22±0.49)—(5.87±0.67) mg·kg−1，在不同播期处理间无显著性差异，Ⅰ期土壤 NO3--N含量在成熟期显著低于分蘖期 42.8%（P=0.014），Ⅱ期在成熟期显著低于分蘖期62.2%（P=0.012）。

表2 水稻不同播期的土壤pH值、DOC、NH4+-N、NO3–-N含量Table 2 pH value, DOC, NH4+-N and NO3--N contents of soil at different sowing dates of rice

2.3.4 土壤酶活性

由表3可知，在2019年水稻生长季，土壤过氧化氢酶活性在不同播期处理间和在不同生育期阶段无显著性差异。在2020年水稻分蘖期，Ⅰ期土壤过氧化氢酶活性显著低于Ⅱ期3.7%（P=0.030），在成熟期显著高于Ⅱ期10.7%（P=0.006），在2个生育期阶段，Ⅱ期酶活性在分蘖期显著高于成熟期12.0%（P=0.000）。

由表3可知，在2019年水稻分蘖期，Ⅰ期土壤转化酶活性显著高于Ⅱ期 30.7%（P=0.033），在成熟期显著低于Ⅱ期34.0%（P=0.027），在2个生育期阶段，Ⅰ期酶活性在成熟期显著低于分蘖期50.1%（P=0.001）。在2020年水稻分蘖期，Ⅰ期土壤转化酶活性显著低于Ⅱ期8.6%（P=0.024），在2个生育期阶段，Ⅰ期酶活性在分蘖期显著低于成熟期 31.6%（P=0.002），Ⅱ期酶活性在分蘖期显著低于成熟期13.4%（P=0.013）。

由表3可知，在2019年水稻分蘖期，Ⅰ期土壤脲酶活性显著低于Ⅱ期 76.7%（P=0.002），在 2个生育期阶段，Ⅰ期酶活性在分蘖期显著低于成熟期74.4%（P=0.010）。在2020年水稻生长季，土壤脲酶活性在不同播期处理间无显著差异，Ⅱ期土壤脲酶活性在分蘖期显著高于成熟期 19.1%（P=0.002）。

表3 水稻不同播期的土壤过氧化氢酶、转化酶、脲酶活性Table 3 Catalase, invertase and urease activities of soil at different sowing dates of rice

2.3.5 CH4排放平均通量与土壤理化、酶活性的相关性分析

由表4可知，CH4排放平均通量与DOC含量、NO3--N含量、土壤转化酶活性、土壤脲酶活性均呈正相关关系，但CH4排放平均通量与NH4+-N含量呈负相关关系。

表4 CH4排放平均通量与土壤理化、酶活性的Pearson相关分析Table 4 Pearson correlation analysis of average CH4 emission flux with soil physicochemical and enzyme activities

2.4 不同播期下稻田CH4排放通量的温度敏感性

由图4可知，土壤温度及气温与稻田CH4排放通量均呈指数相关关系。Ⅱ期土壤温度及气温与稻田CH4排放通量的关系均达到显著（P<0.05）。

图4 不同播期下稻田CH4排放通量与土壤温度（a）及气温（b）的关系Fig. 4 Relationship between CH4 emission flux and soil temperature (a) and air temperature (b) from paddy fields under different sowing dates

Ⅰ期和Ⅱ期的土壤温度与稻田CH4排放通量可决系数r2分别为 0.10和0.19，根据指数方程计算得到稻田CH4排放通量的土壤温度敏感系数（土壤温度每增加 10 ℃，CH4排放通量变为初始值的倍数）分别为2.16和2.97。Ⅰ期和Ⅱ期的气温与稻田CH4排放通量可决系数r2分别为0.18和0.38，根据指数方程计算得到稻田CH4排放通量的气温敏感系数（气温每增加 10 ℃，CH4排放通量变为初始值的倍数）分别为2.66和5.64。Ⅱ期稻田CH4排放通量的土壤温度及气温敏感性均高于Ⅰ期。

2.5 不同播期下基于 CH4减排的水稻生产综合效益分析

由表5可知，在2019年水稻生长季，Ⅱ期稻田CH4增温潜势比Ⅰ期显著减小了15.4%（P=0.006），但Ⅱ期稻田基于CH4减排的水稻生产综合效益比Ⅰ期显著减小了40.2%（P=0.000）。在2020年水稻生长季，Ⅱ期稻田 CH4增温潜势比Ⅰ期减小了26.3%（P=0.160），但Ⅱ期稻田基于CH4减排的水稻生产综合效益比Ⅰ期减小了60.0%（P=0.000）。

表5 不同播期下基于CH4减排的水稻生产综合效益Table 5 Comprehensive benefits of rice production based on CH4 emission reduction under different sowing dates

3 讨论

3.1 不同播期下稻田CH4排放特征

在2019、2020年水稻生长季，Ⅰ期和Ⅱ期稻田CH4排放通量的季节变化趋势一致，均在水稻生长前期呈增长趋势，达到峰值后呈下降趋势，在临近收获时极其微小。Ge et al.（2018）和 Li et al.（2019）对移栽稻田CH4通量的观测结果发现，水稻营养生长和生殖生长阶段的CH4排放显著，并在营养生长阶段的中后期达到排放峰值（在生殖生长阶段存在一个次排放峰值），随后逐渐下降，在成熟阶段排放非常微小。在本试验中的 2019年水稻生长季也有相同研究结果，在厌氧条件下，氮肥在分蘖期的应用极大地促进了水稻生长，此时光合作用最强，水稻根系生长活动最活跃，根系分泌物迅速增加，增强了土壤有机碳化合物，加强了产甲烷菌的增殖，从而迅速促进稻田CH4的排放（尉海东，2013），Ⅰ期CH4排放通量在拔节期达到峰值，Ⅱ期在分蘖期达到峰值。在临近水稻成熟时还会出现次排放峰值，这是由于这一时期，水稻根系的腐败物质给土壤提供了较多的产甲烷基质，再加之适宜的温度和淹水厌氧条件，从而导致稻田CH4排放出现小高峰（Das et al.，2008）。随着水稻的逐渐成熟，稻田CH4排放逐渐减少，最后接近于0。在此水稻生长季中，稻田CH4排放主要集中于水稻营养生长阶段，其中在分蘖期排放最多，Ⅰ期和Ⅱ期在分蘖期的CH4累积排放量分别占全生育期的 41.1%和 62.8%。在2020年水稻生长季，Ⅰ期稻田CH4排放通量在孕穗期达到峰值，CH4排放主要集中于水稻生殖生长阶段。这是由于在水稻生长前期，阴雨天气较多，气温低，土壤温度低，土壤生物活性较弱，土壤中的氧气消耗慢，不利于甲烷细菌的生长，因此前期稻田 CH4排放量较少（韩广轩等，2003）。Ⅱ期稻田CH4排放通量在拔节期达到峰值，CH4排放主要集中于水稻营养生长阶段，其中在分蘖期排放最多，其CH4累积排放量占全生育期的32.8%。

在2019、2020年水稻生长季，相比于Ⅰ期，Ⅱ期稻田整个生育期CH4累积排放量减少。有研究表明由于不同播期气温和光照因子的差异，导致播期在一定程度上影响水稻的生育进程、各生育期的长短、籽粒的灌浆速率和群体光合积累的时间（许轲等，2013），进而影响当季光合产物。大量研究表明水稻植株当季光合产物是稻田CH4排放的主要底物之一，Tokida et al.（2011）利用FACE和13C研究了当季光合产物对稻田CH4排放的贡献，结果表明，在分蘖期，当季光合产物对稻田CH4排放的贡献可以忽略不计，而在抽穗期，40%—60% CH4排放的碳源来自当季光合产物。Quan et al.（2012）利用不同13C丰度的秸秆研究了当季光合产物对稻田CH4排放的影响，结果表明，在分蘖期，当季光合产物对稻田CH4排放的贡献率达到40%，到孕穗期达到69%。本研究中，在2019—2020年水稻生长季整个生育期，Ⅱ期稻田的CH4累积排放量比Ⅰ期分别显著减小了15.4%（P=0.006）和26.3%（P=0.160），因此，延期播种造成水稻生育进程延迟，生育期缩短，全生育期积温和日照时数减少，光合产物减少，稻田CH4排放减少。

3.2 CH4排放量与土壤理化、酶活性的相关性

Bhattacharyya et al.（2013）研究发现，稻田CH4通量与土壤 DOC含量呈正相关。本试验也有相同研究结果，在2个水稻生长季，稻田CH4累积排放量表现为：Ⅱ期>Ⅰ期（分蘖期），Ⅰ期>Ⅱ期（成熟期），除了在2020年水稻分蘖期，土壤DOC含量表现为Ⅰ期>Ⅱ期，且差异性不显著，在其余水稻生长季关键生育期，Ⅰ期和Ⅱ期土壤的 DOC含量差异变化与其稻田 CH4累积排放量差异变化趋势一致。在2020年水稻成熟期，Ⅰ期土壤DOC含量显著高于Ⅱ期 20.2%（P=0.033），相对应地，Ⅰ期稻田CH4累积排放量高于Ⅱ期71.5%（P=0.088）。焦燕等（2002）研究发现，稻田CH4排放通量与土壤NH4+-N含量呈负相关。本试验也有相同研究结果，除了在2020年水稻分蘖期，土壤NH4+-N含量表现为Ⅰ期=Ⅱ期，在其余水稻生长季关键生育期，Ⅰ期和Ⅱ期土壤的NH4+-N含量差异变化与其稻田CH4累积排放量差异变化趋势相反。在2019年水稻成熟期，Ⅰ期土壤 NH4+-N含量显著低于Ⅱ期57.7%（P=0.000），而Ⅰ期稻田CH4累积排放量却高于Ⅱ期 109.6%（P=0.321）。以往有研究指出（Wang et al.，2016），稻田 CH4排放通量与土壤NO3--N含量呈正相关。本试验也有相同研究结果，除了在2019年水稻分蘖期，土壤NO3--N含量表现为Ⅰ期>Ⅱ期，且差异性不显著，在其余水稻生长季关键生育期，Ⅰ期和Ⅱ期土壤的NO3--N含量差异变化与其稻田 CH4累积排放量差异变化趋势一致。此外，砂性水稻土的CH4排放往往比粘性土壤高，CH4排放通量与土壤砂粒含量呈正相关，与粘粒含量呈负相关。

水稻的根际土壤环境是影响植株CH4产生重要因素，土壤酶作为土壤中具有生物活性的蛋白质，与温室气体的产生密切相关。土壤转化酶催化土壤中蔗糖水解成葡萄糖和果糖，它与土壤中水溶性有机质和微生物含量及其活动呈正相关，因此它的活性与高密度的有机碳呈正相关（甄丽莎等，2012）。本试验也有相同研究结果，在 2020年水稻分蘖期，Ⅰ期土壤转化酶活性显著低于Ⅱ期8.6%（P=0.024），相对应地，Ⅰ期 CH4累积排放量低于Ⅱ期61.8%（P=0.066）。土壤脲酶是一种催化尿素分解的水解酶，它可以水解土壤中尿素，生产氨、二氧化碳和水。脲酶活性增加，会加速尿素分解，增加供氮水平，参与土壤氮素循环，它的活性越高，为产甲烷菌提供的底物越多，越有利于CH4排放。周文涛等（2020）研究表明，CH4排放量与土壤脲酶活性呈正相关。本试验也有相同研究结果，在 2个水稻生长季的关键生育期，Ⅰ期和Ⅱ期土壤的脲酶活性差异变化与其稻田 CH4累积排放量差异变化趋势一致。在2019年水稻分蘖期，Ⅰ期土壤脲酶活性显著低于Ⅱ期 76.7%（P=0.002），相对应地，Ⅰ期CH4累积排放量显著低于Ⅱ期22.7%（P=0.036）。土壤过氧化氢酶主要分解土壤中的过氧化氢，降低土壤中过度累积的过氧化氢对植物根系的危害。本试验结果表明，在2个水稻生长季的关键生育期，Ⅰ期和Ⅱ期土壤的过氧化氢酶活性差异变化与其稻田 CH4累积排放量差异变化趋势一致。

3.3 不同播期下稻田CH4排放通量的温度敏感性

在所有控制稻田CH4排放的因素中，温度（土壤温度与气温）起着重要作用，温度直接影响有机质的分解和土壤微生物的活动，包括CH4产生和氧化过程中所涉及的一系列微生物菌群的数量、结构和活性。土壤温度升高，土壤生物活性增强，土壤中氧气消耗加快，有利于产甲烷细菌的生长，因此利于稻田CH4的产生和排放（尉海东，2013）。气温升高，水稻的呼吸和蒸腾作用增强，促进了CH4通过水稻向大气的传输，使CH4通过水层扩散率加快，土壤中的CH4易形成气泡冒出水面，CH4排放路径得到改善，因此利于稻田 CH4排放（Wang et al.，2015）。本研究结果表明，土壤温度及气温与稻田CH4排放通量均呈指数相关关系。Q10被认为是评估稻田碳循环表观温度敏感性的重要参数之一（贾庆宇等，2020），Ⅰ期稻田土壤温度及气温敏感性分别低于Ⅱ期27.3%、52.8%，温度变化对Ⅱ期稻田CH4排放通量的影响比Ⅰ期显著，随着水稻延期播种，CH4排放通量随温度变化幅度增大。

3.4 不同播期下基于 CH4减排的水稻生产综合效益分析

农业生产的目标在于实现温室气体减排的同时达到作物高产优质，因此将生态效益和经济效益紧密结合显得尤为重要（甘德欣，2003）。尉海东（2013）和汪伟等（2019）分别在稻田CH4排放机理及水稻产量的影响分析方面做了很多研究工作，但关于播期对稻田CH4排放及其综合效益的影响研究尚显薄弱，因此从CH4减排生态效益和水稻产量经济效益角度出发，分析不同播期下基于CH4减排的水稻生产综合效益十分必要。本研究结果表明，从CH4减排生态效益角度出发，相比正常播期，延期播种10 d有利于稻田CH4减排；从水稻产量经济效益角度出发，相比正常播期，延期播种10 d使得水稻产量下降；从基于CH4减排的水稻生产综合效益角度出发，相比正常播期，延期播种10 d不利于实现这一指标最大化。

4 结论

（1）不同播期下稻田CH4排放通量季节变化趋势一致，均呈逐渐增长，达到峰值后再下降趋势。延期播种，使得整个生育期的CH4累积排放量减少。

（2）延期播种，稻田CH4排放通量温度敏感性增大，CH4排放通量随温度变化幅度增大。

（3）延期播种降低了粳稻稻田CH4排放，同时也降低了粳稻产量和基于 CH4减排的粳稻生产综合效益。基于这一估算水稻产量、稻田CH4排放和农艺投入综合经济效益的指标来看，延期播种 10天不利于实现基于 CH4减排的水稻生产综合效益最大化。