川中丘區主要水稻栽植品種溫室氣體排放研究

白銀萍，胡云龍，彭友林，楊國濤，蔣 芬，李 川，海江波，楊 剛，胡運高

(1.西南科技大學 生命科學與工程學院，四川綿陽 621010；西北農林科技大學 農學院， 陜西楊凌 712100)

根據2013年世界氣象組織溫室氣體公報顯示，CO2、CH4和N2O的全球平均摩爾分數在2012年達到新高，分別比工業化前(1750年之前)增加141%、260%和120%[1]。這些溫室氣體在大氣中的排放量不斷增加，產生溫室效應，從而導致全球性氣候變暖和區域極端事件頻發，產生嚴重的社會和生態問題。因此，溫室氣體減排成為亟待解決的一個生態學課題廣受關注[1]。水稻是溫室氣體的主要排放源，因此，稻田溫室氣體減排也成為主要關注的焦點?，F有減排措施主要有施用生物炭和田間管理等，其溫室氣體減排速度遠趕不上氣候變化背景下溫室氣體加速排放帶來的環境壓力[2-3]。所以有必要針對稻田溫室氣體減排進行更進一步深入研究。四川是中國保障糧食生產的重要地區，地形氣候異常復雜，溫室氣體排放時空變化較大[4]。四川除涼山州和攀枝花地區有少量水稻種植地，川中丘區貢獻了大部分種植面積和水稻產量[4]。川中丘區是四川冬水田分布的主要地帶，同時也是再生稻栽培的主要地區，本地區也是水稻種質資源最豐富和雜交水稻育種的主要區域，這里的溫室氣體排放不容忽視。然而，關注該地區優勢品種稻田溫室氣體排放狀況的研究較少。石生偉等[5]對中國稻區CH4和N2O綜合分析表明，西南地區CH4和N2O排放通量最高，CH4平均排放通量高達16.8mg·m-2·h-1。尤其是該地區獨具特色的冬水田是全國稻田中CH4排放量最高的。李侃[6]在川中丘區深丘區域(四川鹽亭)研究結果顯示，冬水田常規栽培稻田CH4排放通量為25.41mg·m-2·h-1，遠高于水旱輪作(稻-麥，稻-油菜)的平均值(11.52mg·m-2·h-1)。作為中國重要的水稻產區，同時也是稻田溫室氣體排放量較大地域，減少該區域的稻田溫室氣體排放將是一個值得探討的議題。目前，關于川中丘區溫室氣體排放的研究主要集中于不同田間管理方式對稻田溫室氣體排放的影響[3]，涉及不同品種差異對稻田溫室氣體排放的研究較少，而本區域雜交水稻制種面積高達30000hm2，產種量、省際間調劑量和出口量均居全國第一，在我國雜交水稻育種科研水平上處于領導地位，培育并推廣了大量新品種[4]。因此，稻田溫室氣體排放的品種間差異不容忽視，值得深入探索。本研究擬利用靜態箱-氣相色譜法對川中丘區主要水稻栽植品種在一個生長期內的溫室氣體排放通量進行觀測，了解不同品種間溫室氣體排放差異。對不同水稻栽植品種溫室氣體排放通量進行監測，有助于篩選低排放量的水稻品種，并對緩解區域氣候變化，實現溫室氣體減排目標起到重要作用。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于四川省綿陽市西南科技大學校內農學專業實踐基地，北緯31°32′東經104°41′，海拔491.4 m。氣候屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫18 ℃，年降水量超過800 mm，無霜期約有280 d，該地區耕作制度一般為一年兩熟，試驗小區田塊為單季稻種植，5月中旬移栽，9月上旬收獲，當年水稻收獲以后稻田處于排水閑置 狀態。

1.2 試驗材料與設計

在2017年5月選取川中丘區普遍栽培的‘川農優498’‘蓉18優188’‘宜香優1108’‘F優498’‘川農優3203’5個秈稻品種為試驗材料，這5個品種均為川內科研單位繁育的中秈遲熟水稻品種，區組試驗產量均超過9 300 kg·hm-2，在川中丘區種植產量高，抗性好，是該地區的優勢稻種。試驗研究5個品種在一個生長季節內的CO2、N2O、CH4排放通量。每個品種3次重復，各重復面積為6 m2(2 m×3 m)，3個重復為一個小區，面積為18 m2。小區之間用自制防水隔板隔開，防止串水串肥影響試驗效果。防止小區間串水的主要操作步驟為：田間人工堆砌了田埂，待其晾干變硬后，再次堆砌，一共堆砌了2次，最后高于水面20 cm，并包裹了兩層塑料薄膜(包括包裹水下的田埂，高度共40 cm)。以達到每個小區的肥水基本不會串的效果。

1.3 樣品采集與測試

采用靜態箱-氣相色譜法[7]分析水稻一個生長期內(155 d)所采集的溫室氣體排放通量。分別在分蘗期(6月6日)、孕穗期(7月2日)、揚花期(7月26日)、成熟期(8月28日)及水稻收獲后(9月14號)5個時期采樣。每次采集氣體的時間控制在9：00—10：00，用靜態箱收集該時段內稻田排放的溫室氣體，每個水稻品種設置3組對照。對所采集氣體分析其CO2、N2O和CH4濃度并計算相應的排放通量和全球增溫潛能，以評估溫室氣體對氣候系統的長期貢獻。

靜態箱由底座和頂箱構成，底座長×寬×高為50 cm×50 cm×20 cm，頂箱長×寬×高為50 cm×50 cm×100 cm，箱內頂部的頂角分別設置一個12 V的排風扇，以混勻箱內空氣，箱內空氣由醫用吊瓶橡膠管引流，外部用PVC管接收，箱內同時設置溫度傳感器，測定箱內溫度。在每次正式測取數據前，先將靜態箱放置在田間15 min，并打開風扇將空氣混勻，待到9：00時進行第1次取樣，其后每15 min取1次，共取4次，用真空管保存氣體，同時記錄每次取樣的溫度和水位。每次取樣完畢，將靜態箱頂箱撤下，只留底座，避免影響水稻正常生長。

將試驗所收集氣體的真空管送至西北農林科技大學分析測試中心測定。

1.4 數據整理與分析

溫室氣體排放通量[7]計算公式為：J=dc/dt×M/V0×P/P0×T0/T×H。式中：J為氣體排放通量(mg·m-2·h-1)，dc/dt為采樣時氣體濃度隨時間變化的直線斜率(mol·h-1)，M為被測CH4或CO2摩爾質量(mg·mol-1)，P為采樣點氣壓(Pa)，T為采樣時絕對溫度(K)，H為水面及土壤層以上的采樣箱高度(m)，T0(273.15 K)、P0(1.01×105Pa)、V0(22.41×10-3m3)分別為標準狀態下的絕對溫度、空氣氣壓和氣體摩爾體積。

整個水稻生長季溫室氣體排放總量計算公式為：N=∑(Ji+1+J1)/2×(ti+1-t1)×24。式中：N為累積排放總量(mg·m-2)；i為采樣次數，t為采樣時間，即水稻移栽到生長箱后的時間。J為排放通量(mg·m-2·h-1)。不同品種水稻不同生長階段的溫室氣體全球增溫潛勢采用IPCC2013中100年尺度下的溫室氣體增溫潛勢系數(GWP)(kg·hm-2)計算，根據參考文獻[8]， GWPCH4=28N，GWPN2O=265N。

2 結果與分析

2.1 川中丘區主要水稻栽植品種溫室氣體排放特征

2.1.1 不同水稻品種一個生長季內CH4、CO2、N2O排放特征 由表1可知，整個生長季節，稻田是一個明顯CH4“源”，CH4排放在不同品種間差異不顯著，‘川農優3203’最高，是排放量最低‘川農優498’5.76倍。而對于CO2,‘蓉18優188’排放量高其他4個品種。N2O排放量在各品種間無顯著差異。對3種溫室氣體進行全球增溫潛勢發現，‘蓉18優188’增溫潛勢最強，達到 2 747 kg·hm-2，‘F優498’增溫潛勢最弱，為168 kg·hm-2。

表1 不同秈稻品種一個生長季內溫室氣體排放通量Table 1 Greenhouse gas emissions from different rice varieties

注：同列不同字母表示在0.05水平差異顯著。

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

2.1.2 不同水稻品種生長期CH4、CO2、N2O排放通量 由圖1可知，全生育期不同水稻品種CH4排放通量趨勢如圖1所示。綜合所有品種來看，分蘗期和孕穗期CH4排放通量較高，揚花期和成熟期是整個生長季節中CH4排放量較低的時段，而在水稻收割以后CH4排放具有反彈的趨勢。由圖2分蘗期的結果看，‘蓉18優188’‘川農優3203’CH4排放通量顯著高于其他3個品種。而從孕穗期結果來看‘蓉18優188’和 ‘F優498’2個品種CH4排放通量要高于其他3個品種。綜合兩個稻田CH4排放量較高的時段，‘蓉18優188’水稻品種CH4排放量最高，而 ‘F優498’和‘宜香優1108’兩個水稻品種CH4排放量最低。

由圖3可知，CO2排放特征在一個生長季內因不同水稻品種具有明顯的差異?！ㄞr優498’‘F優498’和‘川農優3203’這3個品種的CO2排放量在揚花期最低，‘川農優498’和‘蓉18優188’在分蘗期和成熟期具有2個峰值。

A.川農優498 Chuannongyou 498；B.蓉18優188 Rong 18 you 188；C.宜香優1108 Yixiangyou 1108；D.F優498 Fyou 498；E.川農優3203 Chuannongyou 3203；下同 The same below

圖1 CH4排放通量隨生育期的變化
Fig.1 CH4emissions of different rice development periods

由圖4可知，‘供試的5個水稻品種的N2O平均排放通量均為負值，為N2O排放的匯。 ‘F優498’N2O排放在水稻收獲后顯著降低，達到 -0.029 mg·m-2·h-1。

圖2 分蘗期與孕穗期CH4排放通量Fig.2 CH4 emissions at tillering and booting stages

圖3 CO2排放通量隨生育期的變化Fig.3 CO2 emissions of different rice development periods

圖4 N2O排放通量隨生育期變化趨勢Fig.4 N2O emissions of different rice development periods

3 討 論

稻田溫室氣體排放受到諸多因素影響，不同水稻品種CH4、N2O、CO2排放不同[9-11]，整個生長季節有明顯差異或者在某個生育期存在高低之分。本研究發現，供試的5個水稻品種CH4和N2O排放通量在各個品種間差異不明顯，但兩種溫室氣體均在‘蓉18優188’中表現出較高的排放量。對CO2而言，‘蓉18優188’也顯著大于其他品種的排放通量，而‘F優498’CO2排放量為負值，顯著低于其他品種，表現為CO2的匯。

本研究供試的5個品種CH4排放量為 1.12～8.93 mg·m-2·h-1，與本地區其他研究結果相比偏低[12-16]，造成這一結果的主要原因可能有兩個，一是不同土壤環境及氣候差異對CH4通量的影響，二是本試驗未對稻田進行施肥，而其他試驗均有不同程度的施肥處理，施肥有助于加快CH4的排放過程。CH4排放量的最高值出現在稻田水位較高、水稻植株生長旺盛的分蘗期和孕穗期?？赡苁怯捎诖藭r水稻植株生長旺盛，根系活動也更加活躍，導致CH4能夠更容易隨著水稻體內氣體交換排放到空氣中。在水稻成熟并收割以后，CH4排放量有微小的反彈，其原因可能是依然存活的水稻根系以及稻茬仍然參與此時稻田CH4的生成與排放，且此時被切割的水稻莖稈更加利于CH4排放到地面。由此可以推斷，本地區的再生稻水稻田也將會是一個CH4的重要排放源。而對于不同水稻品種間排放通量的差異可能主要源于水稻植物地下部位的影響過程，即CH4在土壤中的產生或氧化[17]。在后續的研究中應更加關注不同水稻品種地下過程的發展對CH4產生與排放的作用。

對于N2O排放來說，前期學者們在長江中下游稻區和三江平原稻區測得的生長季節稻田均是N2O “源”[2,18- 19]，但本試驗5個供試品種在整個生長季節N2O平均排放量均為負通量，總體顯示為N2O的匯。但其源匯狀態在不同水稻品種的不同時期不斷轉換。因此需要進一步研究，以揭示調控其源匯轉換的主要因子及其閾值。

本試驗所觀測到的CO2排放通量在分蘗期較高，揚花期有所下降，成熟期又恢復高值。水稻分蘗期CO2排放主要受根系調控，因為分蘗期根系生長迅速，呼吸強烈，加之根系分泌物為微生物提供了大量底物并促進了土壤微生物呼吸過程[20]。水稻揚花期主要為生殖生長，地下生物量分配明顯低于分蘗期，因此CO2排放通量有所下降。而在成熟期，由于稻田水位下降，氧化還原電位升高，促進了土壤氧化過程，加速了土壤呼吸，CO2排放通量逐漸增強。

推廣種植溫室氣體排放較少的水稻品種是有效控制稻田溫室氣體排放的主要手段之一。本研究發現‘蓉18優188’ CH4、N2O、CO23種溫室氣體排放通量均高于其他品種，可見，這不利于環境友好型農業的推廣。而‘F優498’的全球增溫潛勢最低，為低氮高效型品種，可在較低氮肥利用率條件下保持較好的產量，具有節肥和環境友好的特點，應加強該品種的后續推廣。

4 結 論

5個水稻品種在一個生長季內溫室氣體全球增溫潛勢表現為‘蓉18優188’> ‘川農優3203’>‘宜香優1108’> ‘川農優498’>‘F優498’。綜合CH4、N2O、CO23種溫室氣體排放通量，‘蓉18優188’是一個溫室氣體排放量較高的水稻品種，而‘F優498’是溫室氣體排放較低的品種。在后續水稻品種栽植過程中，應優先選取環境友好型水稻品種進行種植。除此之外，應加強農藝措施管理，在水稻收獲后及時對田地疏干排水，以避免再生稻的溫室氣體排放。