劉 燕,婁運生,楊蕙琳,周東雪
1 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心, 南京 210044 2 南京信息工程大學江蘇省農業氣象重點實驗室, 南京 210044
氣候變暖是氣候變化的主要特征之一。IPCC第五次評估報告顯示,1880—2012年全球地表平均溫度升高了0.85℃,1951—2012年全球平均地表溫度的升溫速率(0.12℃/10a)幾乎是1880年以來升溫速率的兩倍,未來仍將持續變暖[1]。在氣溫上升的同時,其增幅還呈現明顯的季節和晝夜不對稱性,即冬春季增幅顯著高于夏秋季,夜間增幅顯著高于白天[2]。大氣中溫室氣體濃度的持續增長是引起全球氣候變暖的主要原因[3-5]。甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是兩種主要溫室氣體,稻田是CH4和N2O的重要排放源[6-8]。據估算,稻田CH4排放約占全球CH4總排放的17%[9],稻田N2O排放約占農田N2O總排放的10%[10]。我國是水稻種植大國,種植面積占全球的 20%,總產量占全球30%[4]。因此,在穩定糧食生產的情況下,減少稻田溫室氣體排放已成為水稻生產應對氣候變化的研究熱點。
夜間增溫對水稻生產及CH4和N2O的排放的影響日益受到人們關注。夜間增溫導致熱帶、亞熱帶地區水稻分蘗數減少,生育期縮短,葉片衰老加快,凈光合速率下降,有效穗數和穗粒數減少,導致籽粒產量下降[11-13]。溫度不僅影響CH4產生及其向大氣的傳輸效率,還影響產甲烷菌的數量和活性。培養試驗發現,在25—35℃內CH4產生量隨溫度升高而增加。溫度升高有利于有機物分解,提高產甲烷菌活性,促進CH4產生排放[14]。田間模擬試驗表明,溫度升高顯著增加稻田土層CH4和N2O濃度,提高稻田CH4和N2O排放通量和累計排放量[15-17]。硅是植物生長有益元素,施硅可促進水稻植株生長,提高產量,增強對重金屬毒害、高溫、病蟲害等逆境脅迫的抗性[18-20]。同時,施硅可顯著減少稻田CH4的排放[21-22],但對N2O排放影響研究結果不一[23-24]。培養試驗發現,施用鋼渣硅肥可抑制稻田N2O產生[22],也有發現可促進N2O排放[25],也有認為對N2O排放沒有影響[24, 26]。
有關增溫或施硅單因子對水稻生產及稻田土壤CH4、N2O排放影響的已有報道,但二者耦合對水稻生產、增溫潛勢及溫室氣體強度的影響,目前尚不清楚。而且,以往的報道大多基于盆栽或培養試驗,不能代表大田試驗的情況,在盆栽或培養試驗基礎上開展大田試驗是必要的。因此,通過田間模擬試驗闡明施硅能否緩解夜間增溫對水稻生產的不利影響,實現環境和經濟效益的統一,以提高水稻生產應對和適應氣候變化的能力有積極意義。
田間模擬試驗于2018年6月到2018年11月在南京信息工程大學農業氣象試驗站(32.0°N,118.8°E)進行。該站地處亞熱帶濕潤氣候區,年均降水量為1100 mm,年均氣溫為15.6℃。供試水稻品種為超級稻南粳9108。供試土壤為潴育型水稻土,灰馬肝土屬,質地為壤質粘土,有機碳、全氮的含量分別為19.4、1.45 g/kg,粘粒含量為26.1%,pH為6.2(土水比1∶1)。供試氮磷鉀肥料為高濃度復合肥(15-15-15)。供試硅肥為鋼渣硅肥,含有效硅(SiO2)為13.8%,含鐵16.4%(總鐵,Fe),含錳2.8%(MnO),含磷(P2O5)2.1%。
采用兩因素2水平隨機區組試驗設計,夜間增溫設2水平,即常溫對照(CK)和夜間增溫(NW);施硅量設2水平,即不施硅(Si0,0 kgSiO2/hm2)和施硅(Si1,200 kgSiO2/hm2)。試驗共設4個處理,即常溫對照+不施硅(CK+Si0)、增溫+不施硅(NW+Si0)、增溫+施硅(NW+Si1)及常溫對照+施硅(CK+Si1)。夜間增溫處理從水稻分蘗期開始,在小區四周搭設不銹鋼管支架,將鋁箔反光膜固定于支架頂端,夜間(19:00—6:00)用鋁箔反光膜覆蓋水稻冠層,白天將鋁箔反光膜揭開。隨水稻生長發育進程,及時調整不銹鋼管支架,使鋁箔反光膜與水稻冠層保持0.3 m左右。每處理重復3次。小區面積為2 m×2 m。
水稻種子經消毒、浸種,在35℃培養箱中催芽,于2018年5月10日育苗,6月9日移栽,株行距為20 cm×20 cm。試驗田經耕作、整地,幼苗移栽前1d施肥,每小區施入復合肥料(15-15-15)315 g,相當于氮磷鉀(N-P2O5-K2O)施用量均為200 kg/hm2,施硅處理的每小區(Si1)施鋼渣硅肥818 g,相當于施硅量為200 kg/hm2。為減少肥料損失,在每小區內挖4條施肥溝(深20 cm),根據施肥處理要求將肥料均勻撒入施肥溝中,覆土掩埋,氮磷鉀復合肥和硅肥均作為基肥一次性施入。水稻生長期保持水層厚度5 cm,根據水層變化及降雨情況進行合理灌溉。7月27日至8月10日曬田,而后灌溉復水,9月22日停止灌溉直到收獲。大田常規管理,病蟲害防治依據田間實際情況進行。
1.3.1根系活力
在水稻分蘗期(1—43 d)、拔節期(44—63 d)、抽穗-揚花期(64—76 d)及灌漿-成熟期(77—142 d),分別采集預先移植于尼龍根袋(300目)中的植株,連同根袋將完整植株從稻田土壤中拔出,用剪刀剪開尼龍根袋,先用自來水而后用去離子水,將待測水稻根系沖洗干凈,用吸水紙吸干水分。而后,稱取0.5 g根系鮮樣,放入25mL三角瓶中,加入5mL 的0.4% TTC和5mL 0.1mol/L的磷酸緩沖液(pH=7.0)混合均勻,放入水浴鍋(37℃暗保溫)浸泡3 h至紅色,之后加入1mol/L硫酸2mL終止反應。擦干水分后,加入3—5mL的乙酸乙酯和少量石英砂研磨,補充乙酸乙酯定容至10mL,用分光光度計于485nm處比色,記錄吸光度值,查標準曲線,求出TTC的還原量。
根系活力計算公式如下:
根系活力=C/(1000×m×t)
(1)
式中,C為四氮唑還原量(μg);m為根質量(g);t為保溫時間(h);根系活力單位為mg/(g·h)。
1.3.2生物量及產量
在水稻成熟期采樣測定生物量,每小區隨機選取有代表性的3株植株,采集地上部,同時將根系從土壤中挖出,用自來水洗凈。將根、莖、葉、穗分別放入牛皮紙袋中,置入105℃烘箱內,殺青20 min,而后在70℃下烘干至恒重并稱量。在水稻成熟收獲期,每小區中部選取0.5 m×0.5 m的長勢均一的稻株采集稻穗,用常規方法進行脫粒、風干、稱重,計算單位產量。
1.3.3氣體采集、分析與計算
用靜態箱-氣相色譜法測定稻田土壤CH4和N2O的排放通量。水稻移栽后幼苗植株較小,采樣會干擾幼苗生長,因而在移栽4周左右開始采樣[14, 23]。每周采樣1次,時間為上午8:00—11:00。幼苗移栽前將采樣箱底座固定于小區中間土壤內,而后將長勢一致的一叢幼苗(2株)移入底座內。采樣時,將圓柱狀PVC靜態箱(H×D=130 cm × 17cm)下端置于預先固定于土壤中的底座上,通過水層密封保證箱體的氣密性。密封后,接通電源驅動固定于靜態箱頂部的小風扇轉動15s以混勻箱內氣體,而后分別于封箱后0、15、30 min用帶有三通閥的PVC注射器采集箱內氣體,采集的氣樣轉入預先抽成真空的玻璃采樣瓶中,帶回實驗室,用氣相色譜儀(Agilent 7890B)測定氣樣中CH4和N2O濃度。色譜測定條件為:FID檢測器溫度200℃,柱箱溫度50℃,載氣N2(流量校正不會影響尾吹氣或燃氣流量),空氣和H2流量分別為400 mL/min和45 mL/min;測定一個氣樣需要4.5 min,至3.8 min時注入下一管待測樣品。在氣樣采集的同時,記錄靜態箱內氣溫。
CH4和N2O的排放通量計算如下:
(2)
式中,F為氣體排放通量(mg m-2h-1),ρ為標準狀態下氣體密度(kg/m3),H為采樣箱的高度,T為采樣箱內的溫度(℃),dc/dt為采樣箱內氣體隨時間的變化率。
水稻各生育期累計排放量根據公式(3)計算:
Q=∑[(Fi+1+Fi)/2]×(Di+1-Di)×24
(3)
式中,Q為水稻生育期累計排放量(mg/m2),Fi+1、Fi分別為第i+1次和i次采樣時氣體平均排放通量(mg m-2h-1),Di+1和Di分別時第i+1次和i次的采樣時間(d)。
全球增溫潛勢的計算,以CO2作為參考氣體(CO2的GWP值為1),以百年尺度計算,CH4和N2O的GWP值分別是CO2的28倍和265倍[1],其綜合增溫潛勢的計算如公式(4)所示:
SGWP=TC×28+TN×265
(4)
式中,SGWP為CH4和N2O的綜合增溫潛勢(CO2kg/hm2),TC和TN分別為CH4和N2O的累計排放量(mg/m2)。
CH4和N2O的排放強度(即產量尺度下的全球增溫潛勢)計算如公式(5)所示:
GHGI=SGWP/p
(5)
式中,GHGI 為氣體排放強度(CO2kg/t),SGWP為氣體綜合增溫潛勢(CO2kg/hm2),p為水稻產量(t/hm2)。
試驗數據用Microsoft Excel 2016進行整理,以平均值±標準差表示,用統計軟件(SPSS 21.0)進行方差分析(One-way ANOVA)和多重比較(Duncan法)。
由圖1可知,隨水稻生長進程,植株根系活力呈現逐漸降低趨勢,即:分蘗期>拔節期>抽穗期>灌漿-成熟期。在分蘗期,無論施硅與否,夜間增溫對水稻根系活力均無顯著影響;但無論是否進行夜間增溫,施硅均能顯著促進根系活力;在常溫對照下,施硅的水稻植株根系活力比不施硅升高31.25%,在夜間增溫下,施硅的根系活力比不施硅升高39.47%。在拔節期,無論是否進行夜間增溫,施硅對水稻根系活力均無顯著影響。在不施硅情況下,夜間增溫顯著降低水稻的根系活力,比常溫對照降低40.51%;但施硅情況下,夜間增溫對根系活力無顯著影響。在抽穗期,各處理間水稻根系活力均無顯著差異,數值也較低(0.18—0.22 mg g-1h-1)。在灌漿-成熟期,夜間增溫引起水稻根系活力下降,但未達顯著水平(P>0.05),而施硅可顯著提高根系活力,比不施硅升高149.10%,在夜間增溫情況下,施硅處理水稻根系活力比不施硅升高70.40%??梢?在水稻拔節期和灌漿-成熟期,施硅能有效緩解夜間增溫對水稻根系活力的抑制作用。

圖1 夜間增溫下施硅對水稻根系活力的影響
施硅可提高水稻地下部干重、地上部干重和全株干重(表1)。常溫對照下施硅水稻上述干重指標依次比不施硅提高134.05%、13.87%和19.92%;夜間增溫下施硅水稻上述干重指標比不施硅提高38.35%、64.19%和60.61%。
夜間增溫引起水稻地下部干重下降(表1)。在不施硅情況時,夜間增溫處理的水稻植株地下部、地上部干重及全株干重比常溫對照分別降低8.23%、26.94%和24.81%;在施硅情況下,夜間增溫處理的水稻地下部干重比常溫對照降低45.75%。

表1 夜間增溫下施硅對水稻地上部干重、地下部干重及產量的影響
夜間增溫導致水稻產量下降,而施硅可提高水稻產量,但處理間差異未達顯著水平。可見,施硅可有效緩解夜間增溫對水稻干物質積累和產量的抑制作用。
由圖2可看出,不同處理的稻田土壤CH4排放通量變化趨勢基本一致,即:在分蘗期(1—43 d)呈穩步上升趨勢,在第43 d(分蘗末期或拔節初期)CH4排放通量達峰值;而后從拔節期(44—63 d)開始,呈逐漸下降趨勢;移栽后第49 d至第64 d為曬田階段,曬田開始后,CH4排放通量急劇下降直到曬田結束;灌溉覆水后,CH4排放通量逐漸升高,在抽穗-灌漿期(64—114 d),呈小幅度波動,在第77 d和106 d時出現兩次的排放峰值;在成熟期(115—142 d)停止灌水后,CH4排放通量接近0值。

圖2 夜間增溫下施硅對稻田CH4排放通量的影響
四種處理的CH4排放通量高低順序依次是:NW+Si0>CK+Si0>NW+Si1>CK+Si1。無論夜間增溫與否,施硅均降低CH4排放。在常溫對照條件下,施硅稻田平均CH4排放通量在分蘗期、拔節期、抽穗期和灌漿-成熟期分別比不施硅低27.85%、52.86%、60.41%和10.79%;在夜間增溫條件下,施硅稻田的CH4排放通量在上述生育期比不施硅分別低41.87%、47.28%、57.15%和37.08%。
無論施硅與否,夜間增溫均提高CH4排放通量。在不施硅情況下,夜間增溫處理稻田的方法CH4排放通量比常溫對照在上述生育期分別升高36.36%、46.48%、22.40%和123.80%。而在施硅條件下,上述生育期夜間增溫處理比常溫對照處理的CH4排放通量分別升高9.87%、63.83%、32.49%和57.85%。可見,施硅可抑制CH4排放通量,而夜間增溫則促進CH4排放通量,施硅能緩解夜間增溫對CH4排放通量的促進作用。
由圖3可知,四種處理的N2O排放通量的變化趨勢相似。在水稻分蘗期(1—43 d),N2O的排放較低;曬田后,N2O排放通量急速上升,在第63 d,四種處理的N2O排放通量均達到峰值;曬田結束覆水后,N2O排放通量迅速下降,之后在抽穗-灌漿期(64—114 d)呈波動變化,除對照在第72天和第92天出現接近0的負值之外,其他處理的變化幅度均在0—0.15 mg m-2h-1之間;停止灌水后,N2O排放通量開始有所波動回升,但數值要遠低于曬田期間,約在0.1—0.2 mg m-2h-1間波動。

圖3 夜間增溫下施硅對稻田N2O排放通量的影響
從整個生育期來看,與對照相比,其他三種處理均能促進N2O的排放。在分蘗期,增溫、增溫+施硅及施硅處理的N2O排放通量分別比對照增加50.79%、32.98%和102.04%;在拔節期,這三種處理分別比對照升高100.33%、46.82%和39.49%;在灌漿成熟期,三種處理分別比對照升高9.98%、24.96%和21.20%。從全生育期N2O平均排放通量來看,夜間增溫處理的稻田對N2O排放通量的促進最高,比對照高出59.31%,夜間增溫+施硅處理的次之,比對照高出39.64%;只進行施硅處理相比對照高出39.41%。可見,施硅和夜間增溫均促進N2O的排放,兩者耦合也促進N2O的排放,三種處理對N2O的促進程度依次是NW+Si0> NW+Si1>CK+Si1。
由表2可看出,在水稻四個生育期中,不同處理的CH4累計排放量均在分蘗期最高,約占全生育期排放量的50%左右;其次是拔節孕穗期和灌漿成熟期,約占20%—30%;抽穗-揚花期最低,只占整個生育期排放量的1%—2%。無論施硅與否,夜間增溫下CH4的累計排放量均較高。在不施硅條件下,夜間增溫處理的CH4累計排放量,在分蘗期、拔節期、抽穗-揚花期和灌漿成熟期及全生育期,分別比對照增加47.07%、48.41%、53.66%、120.75%和59.71%,各處理與對照間差異均達顯著水平;在施硅條件下,夜間增溫處理的CH4累計排放量在上述生育期及全生育期,分別比對照處理升高6.40%、95.79%、60.82%、55.91%和36.51%,除分蘗期外,各處理與對照間差異均達顯著水平(P<0.05)。

表2 夜間增溫下施硅對稻田CH4各生育期累計排放量的影響
無論增溫與否,施硅均降低CH4的累計排放量。在常溫對照條件下,施硅處理的CH4累計排放量在上述生育期及全生育期,分別比對照降低28.28%、61.46%、63.30%、13.81%和37.61%,除灌漿-成熟期外,各處理與對照間差異均達顯著水平(P<0.05);在夜間增溫條件下,施硅處理的CH4累計排放量在上述生育期,分別比不施硅處理的降低48.12%、49.16%、61.59%和39.13%,全生育期的CH4累計排放量比不施硅的降低46.67%,差異均達顯著水平??梢?夜間增溫提高CH4累計排放量,施硅則降低CH4累計排放量,施硅可緩解夜間增溫對CH4排放的促進作用。
由表3可看出,在水稻四個生育期,各處理均在灌漿-成熟期N2O排放量最高,占全生育期的35%—50%,拔節-孕穗期和抽穗-揚花期次之,約占20%—30%,分蘗期最低,僅全生育期的5%—15%。夜間增溫或施硅均能促進稻田N2O在各生育期的累計排放量,只施硅的稻田N2O累計排放量,在上述生育期及全生育期分別比對照升高237.25%、50.73%、37.50%、29.80%和48.44%,且與對照間差異均達顯著水平;只進行夜間增溫處理的N2O累計排放量,分別比對照高121.64%、93.43%、118.28%、12.81%和60.97%,除灌漿-成熟期外,各處理與對照間差異均達顯著水平。夜間增溫下施硅促進稻田N2O累計排放量,在上述生育期和全生育期分別比對照升高78.17%、51.45%、52.01%、26.14%和40.70%,且除分蘗期外,均和對照間達顯著差異。可見,施硅或夜間增溫均提高N2O累計排放量,夜間增溫下施硅可增加稻田N2O累計排放量。從全生育期來看,三種處理對稻田N2O累計排放量的促進程度,依次為NW+Si0>CK+Si1>NW+Si1>CK+Si0。

表3 夜間增溫下施硅對稻田N2O各生育期累計排放量的影響
從表4看出,常溫對照(CK+Si0),只進行夜間增溫(NW+Si0)和夜間增溫下施硅(NW+Si1)處理的稻田CH4的增溫潛勢和排放強度占比較高,約占53%—65%,而只進行施硅處理(CK+Si1)的稻田,N2O則占比較高,為55.94%。無論增溫與否,施硅均顯著降低CH4的增溫潛勢和排放強度。常溫對照條件下,施硅處理(Si1)稻田CH4增溫潛勢和排放強度比不施硅(Si0)低37.61%和45.56%;夜間增溫條件下,Si1處理的CH4增溫潛勢和排放強度比Si0處理的低46.67%和50.22%。無論施硅與否,夜間增溫均顯著提高CH4的增溫潛勢和排放強度。在Si0條件下,NW處理的稻田增溫潛勢和排放強度比常溫對照(CK)高59.71%和66.83%;在Si1條件下,NW處理的增溫潛勢和排放強度比常溫對照(CK)的高36.51%和52.55%。

表4 夜間增溫下施硅對稻田CH4和N2O增溫潛勢和排放強度的影響
與不施硅常溫對照處理相比(CK+Si0),其他三種處理均顯著促進N2O的增溫潛勢和排放強度。Si1處理稻田增溫潛勢和排放強度,分別比Si0處理高60.97%和68.13%,而NW處理的增溫潛勢和排放強度,分別比常溫對照高48.44%和29.52%;夜間增溫下施硅處理(NW+Si1)的增溫潛勢和排放強度,比不施硅常溫對照(CK+Si0)高40.70%和37.18%。
總體上,夜間增溫可顯著促進CH4和N2O的綜合增溫潛勢和排放強度,施硅可降低CH4和N2O的綜合增溫潛勢和排放強度,施硅可有效緩解夜間增溫對CH4和N2O綜合增溫潛勢和排放強度的促進作用。


本研究結果表明,夜間增溫下施硅稻田CH4和N2O對增溫潛勢和排放強度的貢獻基本相當,各占50%左右(表4),原因可能在于,雖然CH4的累計排放量要遠大于N2O,但單位質量的N2O所產生的溫室效應卻是CH4的20倍。農田生態系統凈GHGI的大小與土壤固碳量、作物產量、農田向大氣釋放CH4和N2O量有直接的關系[50]。夜間增溫可顯著促進CH4和N2O的增溫潛勢和排放強度,原因可能在于:(1)夜間增溫能直接促進CH4和N2O的排放量,從而促進增溫潛勢和排放強度;(2)GHGI是指單位產量的GWP,夜間增溫降低了水稻產量,減少了土壤固碳量,從而提高CH4和N2O的排放強度。施硅可顯著降低CH4的增溫潛勢和排放強度,卻增加N2O的增溫潛勢和排放強度(表4),原因可能在于:施硅雖然可提高水稻產量,但處理間差異并不顯著,因而CH4和N2O的增溫潛勢和排放強度受CH4和N2O排放量的影響更大,施硅對CH4排放的抑制和對N2O排放的促進作用,直接反映到其增溫潛勢和排放強度上。但是,前人研究發現,施入鐵爐渣、鋼渣硅鈣肥對CH4和N2O的增溫潛勢均起降低作用[51],原因可能在于:(1)本試驗施入的鋼渣硅肥含有效硅(SiO2)13.8%,而后者施入的鐵爐渣和鋼渣硅鈣肥中有效硅(SiO2)含量分別是40.7%和27.72%,且富含鈣、磷、鉀等營養物質;(2)稻田土壤的速效鈣、速效硅會提高CH4的氧化量[37],但對不同途徑N2O通量的影響并不一致,對擴散途徑的N2O通量表現為抑制作用,對氣泡與植物體途徑的N2O通量表現為促進作用[52]。
從稻田綜合增溫潛勢和排放強度來看,施硅有效緩解夜間增溫對稻田CH4和N2O綜合增溫潛勢和排放強度的促進作用(表4),但施硅對CH4和N2O綜合增溫潛勢和排放強度的影響,與前人研究有所不同。未來研究需進一步關注硅肥種類、有效含量及施用量,是否對CH4和N2O綜合增溫潛勢和排放強度產生不同的影響(促進或抑制),進一步確定如何施硅、施何種硅肥,才能更有效地緩解夜間增溫對稻田溫室效應的促進作用。
在拔節期和灌漿成熟期,施硅可緩解夜間增溫對水稻根系活力的抑制作用,其他生育期緩解作用不明顯。夜間增溫可降低水稻的地上部、地下部以及全株干重和產量;而施硅可提高水稻地上部、地下部及全株干重和產量;施硅可有效緩解夜間增溫對水稻的干重及產量的抑制作用。
在水稻生長季,從排放通量的變化看,4種處理的稻田CH4排放通量排序為:NW+Si0>CK+Si0>NW+Si1>CK+Si1。相反,4種處理間N2O排放通量的差異大多不明顯,僅在中期曬田時N2O排放達峰值,其余淹水時期的排放值均較低,接近于0。從累計排放量看,CH4的貢獻遠大于N2O,夜間增溫可明顯促進CH4排放,施硅可明顯降低CH4排放,施硅可有效緩解夜間增溫對CH4排放的促進作用;與CH4不同的是,與對照相比,其他處理均促進N2O的排放。從全球增溫潛勢和排放強度看,夜間增溫下施硅稻田CH4和N2O的貢獻基本相當,大約各占50%左右;總體上,夜間增溫可顯著促進CH4和N2O的綜合增溫潛勢和排放強度,而施硅可降低其綜合增溫潛勢和排放強度,施硅可緩解夜間增溫對綜合增溫潛勢和排放強度的促進作用。