雙季稻品種CH4排放差異比較研究

肖志祥， 傅志強， 徐華勤， 蘇　姍， 祝志娟， 郭　昱， 劉　莉， 唐劍武

(湖南農業大學農學院，湖南長沙 410128)

溫室氣體的大量排放主要源于人類活動的影響，帶來全球氣候變暖的問題有目共睹。CH4作為大氣中最重要的溫室氣體之一[1]，其排放源主要來自于在農業生產中水稻田的CH4排放，占人為排放源的50%左右，占全球總排放量的15%左右，年排放量為30～112 Tg[2-5]。中國作為農業生產與世界水稻種植大國，水稻品種多樣，種植面積廣。因此，如何應對稻田CH4排放，緩減氣候變化，實現農田生態系統減排、可持續發展，已成為了重要的急需重點研究的問題。

我國南方主要以雙季稻種植為主，水稻生長時間長，占全年的2/3左右，且當今隨著育種技術的不斷發展，適宜的雙季稻品種也日益增多。水稻植株體對稻田CH4的排放起著重要的作用，90%左右的稻田CH4排放是通過水稻植株體的通氣組織傳輸排放到大氣中的[6-7]。而不同的水稻品種，由于其植株體生長情況不一樣，稻田CH4排放存在顯著差異，甚至于可相差2～3倍[8-9]。關于稻田CH4排放，在施肥種類、施肥方式、不同灌溉處理、不同生物還田、生物炭添加、不同栽培方式或種植方式等農業措施上對稻田CH4排放的影響，許多學者通過大量的田間試驗研究，得出了相應的結果，并在稻溫室氣體減排上作出了重要的貢獻[10-16]。而也有許多研究表明，不同品種水稻在產量形成的過程中對稻田CH4排放和形成發揮著重要的作用[17-19]。Zhang等發現，水稻品種對稻田甲烷排放的影響主要來源于水稻對地下CH4產生或者氧化的不同作用，而地上部植株性狀則不能作為CH4排放的有效作用[20]。一些研究人員發現甲烷排放量與植株生物量和產量有顯著正相關，還與株高、分蘗數和葉面積指數有關[21-22]。目前湖南雙季水稻的種植也往往是以當地農業部門或種子公司主要推廣的一些品種為主，品種繁多，而雙季稻品種間CH4排放的差異性研究還比較少，在提倡固碳減排、低碳環保的大環境下，選取種植相應的低CH4排放，并有一定產量的水稻品種對稻田生態系統減排、高產高效品種的選擇具有重要的意義。

因此，本研究通過選取南方雙季稻區17個早稻品種(其中6個常規品種、11個雜交品種)和20個晚稻品種(其中4個常規品種、16個雜交品種)進行CH4排放的初步研究，通過不同水稻品種CH4排放通量及排放量、產量、單位產量CH4排放強度的變化，篩選適合雙季稻區種植的低CH4排放并保證一定經濟產量的早晚稻品種，既可以為大面積推廣種植提供品種選擇，又可以為進一步探討在常規施肥和水分管理下水稻品種甲烷排放差異形成機理提供試驗材料。

1　材料與方法

1.1　試驗地點

試驗地點位于湖南省瀏陽市沿溪鎮試驗基地，屬亞熱帶季風濕潤氣候，為南方典型的雙季水稻生產區。熱量降水充沛，日照充足。經度113.8°E，緯度28.3°N，海拔44.9 m，年平均溫度為16.8～17.2 ℃，年降水量約1 400 mm，年≥10 ℃積溫 5 300～6 500 ℃。土壤類型為第4紀紅壤發育的紅黃泥水稻土，化學性狀：土壤pH值6.7，含有機質37.5 g/kg、含全氮 1.99 g/kg、含全磷0.84 g/kg、含全鉀4.92 g/kg、含堿解氮163 mg/kg、含有效磷9.6 mg/kg、含速效鉀98 mg/kg。

1.2　供試品種

試驗選取17個早稻品種和20個晚稻品種。

常規早稻：中早39、中嘉早17、湘早秈6、湘早秈24、湘早秈32、湘早秈45。

雜交早稻：株兩優171、株兩優189、株兩優819、陸兩優171、陸兩優996、陸兩優4026、兩優早17、長兩優35、金優268、潭原優4903、杰豐優1號。

常規晚稻：湘晚秈13、湘晚秈17、玉珍香、黃花占。

雜交晚稻：Y兩優1號、Y兩優896、深兩優1號、深優9586、鳳兩優293、鳳兩優絲苗、C兩優7號、T優15、玖兩優644、廣兩優2010、準兩優608、康兩優380、豐源優299、資優299、婁優988、豐優800。

1.3　試驗設計

試驗于2016年進行，采用隨機區組試驗設計，3次重復，小區面積12 m2(3 m×4 m)。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。

早稻3月27日播種，4月29日移栽，移栽株行距為 17 cm×20 cm，7月25日收獲。晚稻6月22日播種，7月27日移栽，移栽株行距為20 cm×23 cm，11月1日收獲。

1.4　樣品采集與分析

采用靜態暗箱-氣相色譜法測定，靜態箱規格為0.55 m×0.55 m×1.2 m，溫室氣體采樣箱由PVC材質制成，采樣箱外部包有泡沫和鋁箔紙，防止太陽照射導致箱內溫度變化過大。于水稻栽插后將塑膠底座固定于每個小區中，底座插入深度為3～5厘米，測定時加水注入底槽加以密封，每隔7～10 d采集1次氣體，采氣樣前打開采樣箱內頂部1個12 V小風扇以充分混勻箱內氣體，采樣時間固定在09：00—11：00，采樣時間分別為罩箱后的0、10、20、30 min，每次抽取50 mL氣體樣品。

采集的CH4氣體采用湖南省土壤肥料研究所提供的氣相色譜儀(Agilent789，美國)測定其濃度，標準氣體由國家標準物質中心提供[18]。氣體排放率由4個氣樣濃度值經線性回歸分析得出。

稻田甲烷氣體排放通量F[mg/(m2·h)]計算公式如下：

F=ρ·273/(273+T)·H·dC/dt。

式中：F為排放通量；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的平均溫度，℃；H是采樣箱的箱罩的凈高度，m；dC/dt是采樣箱內溫室氣體濃度的變化率。

CH4累積排放量T(mg/m2)計算式為：

T=∑(Fi+1+Fi)/2×(ti+1-ti)×24。

式中：Fi、Fi+1為第i、i+1次測定時CH4平均排放通量，mg/(m2·h)；ti+1、ti為第i、i+1次測定的時間間隔，d；

以100年為時間尺度，單位產量CH4的全球增溫潛勢GWP(Global Warming Potential)為CO2的25倍[23]，即是指某一處理的CH4排放量的GWP與經濟產量的比值。排放通量均值為累積排放量與水稻生育期天數的比值。早晚稻在成熟期收獲時，每個小區取1 m2水稻進行產量測定，重復3次[24]。

1.4　統計分析

采用Excel進行數據處理、制表繪圖，采用Statistix 8.0軟件對早晚稻品種CH4累積排放量、產量之間進行方差分析。

2　結果與分析

2.1　稻田CH4排放通量

2.1.1不同早稻品種CH4排放通量存在顯著差異，由圖1可知，常規早稻的整體排放趨勢為分蘗期至抽穗期所有常規品種的早稻均有1個甲烷排放峰值，其中湘早秈24排放通量峰值最高，約為中早39的9倍。從齊穗期開始甲烷排放趨勢呈下降趨勢，到成熟期甲烷的排放幾乎為零，因此可判定在成熟期甲烷的排放是最小的。根據不同時期的甲烷排放通量的變化來考慮，以及出現峰值的時期作為判斷水稻甲烷排放能力的關鍵時期，常規早稻品種中，中早39在整個稻季的CH4排放通量變化是最小的。雜交早稻各品種在生育期內的排放通量各個峰值的點也不一樣，與常規早稻相比，部分雜交品種的排放通量峰值在孕穗期至抽穗期，出現峰值時的排放通量約為常規早稻的1.3倍。綜合各個時期甲烷的排放通量，株兩優171、株兩優189、兩優早17、潭原優4903這4個品種甲烷排放通量變化是最小，在各個時期與其他幾個品種相比，表現較為理想。

2.1.2不同晚稻品種CH4排放通量季節變化由圖2可知，不同品種的晚稻在不同時期的甲烷排放通量存在差異，基本都在分蘗期排放通量達到峰值。4個常規晚稻玉珍香、黃花占、湘晚秈13、湘晚秈17的排放峰值分別為51.20、64.78、67.81、111.64 mg/(m2·h)，最大峰值與最小峰值相差約2.2倍。雜交晚稻中，康兩優380、深兩優1號、準兩優608這3個晚稻品種的峰值分別為98.96、96.39、89.83 mg/(m2·h)。Y兩優1號、婁優988、Y兩優896和鳳兩優293在分蘗期的排放通量相對于其他品種較低，分別為23.43、25.08、29.29、29.38 mg/(m2·h)。雜交晚稻品種中婁優988、Y兩優896這2個品種在不同生育期甲烷排放通量的變化率是最小的。各供試晚稻品種在生育前期排放通量較大，在生育后期排放最小。

2.2　稻田CH4累積排放量與綜合溫室效應(GWP)

2.2.1早稻CH4累計排放量、產量及單位產量GWP比較不同早稻品種的甲烷排放量間存在顯著差異。由表1可知，各供試早稻品種中，湘早秈24的全生育期甲烷排放總量最高，達到153.04 kg/hm2，其排放通量均值也顯著高于其他品種。湘早秈32、中早39、湘早秈45的CH4排放量依次為69.4、72.23、74.39 kg/hm2，顯著低于其他早稻品種。雜交早稻中，排放量與排放均值最低的品種是株兩優189(76.47 kg/hm2)，其次是株兩優171(87.28 kg/hm2)，兩者均顯著低于其他雜交早稻品種。陸兩優4026、陸兩優996的CH4排放量均顯著高于其他雜交早稻品種，分別達到了 124.2、122.33 kg/hm2。除了潭原優4903(103.36 kg/hm2)、杰豐優1號(104.14 kg/hm2)CH4排放量在100 kg/hm2以上外，其余5個雜交早稻CH4排放量介于90～100 kg/hm2之間。

陸兩優996、陸兩優4026、潭源優4903的經濟產量在所有早稻供試品種中是最高的，分別為7 570.4、7 337.5、7 303.6 kg/hm2，顯著高于其他品種。而湘早秈6的經濟產量最低，為3 902.1 kg/hm2。常規早稻中，中早39的經濟產量最高，達到6 436.6 kg/hm2，相對于所有供試早稻品種，也是比較高的。雜交早稻中的株兩優819、兩優早17、株兩優189的產量相對較高。

單位產量綜合溫室效應大小主要取決于供試品種CH4排放量和經濟產量，不同供試品種差異顯著，其中中早39(0.280 kg/kg)最低，最高的是湘早秈6(0.657 kg/kg)。相對較低的有潭原優4903、株兩優189、株兩優819、兩優早17。其余供試早稻品種介于0.390～0.510 kg/kg之間。單位產量綜合溫室效應較低的，其產量相對較高，排放量也相對較低，綜合比較，中早39，株兩優189、潭源優4903、株兩優819、兩優早17較為理想。

2.2.2晚稻CH4累計排放量、產量及單位產量GWP比較由表2可知，在20個晚稻品種中，CH4排放量最低的6個品種依次是鳳兩優絲苗(327.15 kg/hm2)、黃花占(339.8 kg/hm2)、婁優988(340.35 kg/hm2)、資優299(341.78 kg/hm2)、Y兩優896(350.2 kg/hm2)、深優9586(356.78 kg/hm2)，與其他供試晚稻品種存在顯著性差異。CH4排放量最高的是湘晚秈17，達到了903.0 kg/hm2，顯著高于其他供試品種。康兩優380、T優15、深兩優1號的CH4排放量相對較高，介于700～820 kg/hm2之間。其余供試晚稻品種的CH4排放量都在300～700 kg/hm2之間。

表1　不同供試早稻品種CH4累計排放量、排放通量均值、產量和單位產量GWP

注：同列不同英文字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。下表同。

表2　不同供試晚稻品種CH4累計排放量、排放通量均值、產量和單位產量GWP

供試晚稻品種中，產量最高的是資優299(10 894.5 kg/hm2)，其次是廣兩優2010、豐源優299、豐優800及婁優988，分別為10 888.3、10 783.3、10 561.0 、10 011.3 kg/hm2。產量最低的是T優15(6 781.2 kg/hm2)。玖兩優644、深優9586、康兩優380、準兩優608的產量相對較高。

單位產量GWP最低的6個品種依次是資優299、婁優988、深優9586、Y兩優896、黃花占、鳳兩優絲苗，分別為 0.834、0.862、0.932、1.050、1.056、1.077 kg/kg。綜合不同供試晚稻品種CH4排放量、排放均值、單位產量GWP幾個甲烷排放指標高低，黃花占、婁優988、資優299、Y兩優896、鳳兩優絲苗、深優9586這6個品種表現較為理想。

3　討論

水稻不同生育時期，稻田CH4排放通量存在一定的差異，在水稻生育前期，CH4排放出現高峰，在水稻生長后期(齊穗至成熟期)排放最低。不同的水稻品種之間在不同的生育時期，其排放通量也不一致，其原因在于不同的水稻品種生理機構、生長特性存在一定的差異，從而對稻田CH4的產生、氧化和排放造成不同的影響。本研究結果表明，無論是早稻品種還是晚稻品種，在生育前期CH4排放最高，在分蘗期出現峰值(個別品種出現在抽穗期)，在生育后期排放最低，并且晚稻CH4排放要比早稻排放高，這與前人的研究結果[23，25-28]基本一致。在水稻生育前期，長期處于淹水狀態，特別是水稻分蘗盛期，植株生長發育旺盛，地上生物量增加，為CH4產生和排放提供更多的有利條件。而在水稻生育后期，田間擱田基本處于無水狀態，CH4排放極低，原因在于空氣中的氧氣進入稻田中，土壤的Eh值增加，從而使甲烷的氧化增強，降低甲烷的排放[22]。在晚稻的生育前期CH4排放通量要比早稻排放通量高出4倍左右，可能是由于當年氣溫較高，稻田中淹水較深，從而為產甲烷菌提供了有利的條件。

不同水稻品種CH4排放量、產量都存在一定的差異，這是由于不同水稻品種之間的生物量、生長特性、根系結構、根系分泌物及泌氧能力、植株通氣組織的結構存在一定的差異[29]。本研究結果表明，不同水稻品種CH4累計排放量存在差異性，供試晚稻品種的CH4累計排放量顯著高于供試早稻品種，晚稻介于300～910 kg/hm2之間，早稻在60～160 kg/hm2之間，相差5倍左右。水稻產量晚稻也普遍要高于早稻。單位產量GWP取決于稻田CH4累計排放量與水稻產量的大小，較高的產量同時CH4排放量也相對較大。在試驗結果中，早稻品種中早39(0.280 kg/kg)的單位產量GWP最低，具有較高的產量和一定的CH4排放量，相對較低的還有潭原優4903、株兩優189、株兩優819、兩優早17，介于0.350～0.400 kg/kg之間，均優于其他早稻品種。晚稻品種中，也有類似的結果，雜交稻的產量及排放量普遍高于常規稻，但單位產量GWP要普遍低于常規稻，最高與最低相差 2.2 kg/kg，相差比較大，差異顯著，可能是由于土壤的理化性質、作物類型、水肥管理及栽培措施等不同造成的[24，30]，也有可能是雙季稻作區地理環境因素差異導致的。有研究結果表明，水稻的種植既影響土壤甲烷產生也影響甲烷排放量，原因是水稻在生長過程中通過增加碳分配到根，進而有充足的底物促使根系氧化能力的釋放，或者當水稻品種具有很高的產能時，甲烷的排放量就會減少，固定光合碳向地上部尤其是向籽粒轉移，從而根部氧化能力減弱[31-32]。產量高的水稻品種，如超級稻，不僅在糧食生產力方面具有優勢，在CH4減排中也有一定的優勢[33]。因此在早晚稻上，單位產量GWP以及甲烷排放量差異明顯，通過合理的管理和選擇，保持水稻產量，同時減少CH4排放，保持高效高產減排是可行的。

4　結論

不同水稻品種CH4排放通量、排放量、產量差異性顯著，早稻品種的CH4累計排放量在60～160 kg/hm2之間，晚稻品種的CH4排放量明顯高于早稻，介于300～910 kg/hm2之間。早稻品種中，單位產量GWP都在0.28～0.657 kg/kg之間，中早39、株兩優189、潭源優4903、株兩優819、兩優早17的產量和單位產量GWP與其他品種差異顯著。晚稻品種中，單位產量GWP介于0.83～3.01 kg/kg之間，黃花占、婁優988、資優299、Y兩優896、鳳兩優絲苗、深優9586，單位產量GWP顯著低于其他晚稻品種。不同雙季稻品種的種植對稻田綜合溫室效應的影響關系密切，在不同雙季稻品種選擇上選用低單位產量綜合溫室效應的品種能夠達到一定減排增效的效果。

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本文對有源相控陣天線接收鏈路等效噪聲進行了理論分析，并在此基礎上詳細推導出等效噪聲計算公式，該計算方法中每個T/R通道的增益、噪聲系數等技術指標都分別作用于最終結果，適用于任意變化的有源相控陣天線。該方法推導出的等效噪聲計算公式已經在仿真及雷達系統中獲得了實際應用，該公式有助于精確計算有源相控陣天線接收系統的性能。

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