施鐵對(duì)普通野生稻田甲烷排放的影響

王 晟，但建國(guó)

（1.海南大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院，海口 570228; 2.海南大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，海口 570228）

甲烷（CH4）是一種重要的溫室氣體，對(duì)全球氣候變暖的貢獻(xiàn)約占16%，僅次于CO2。2020年，大氣的 CH4濃度已上升至 1 889 μg·L-1，是工業(yè)革命前的2.62倍[1]。水稻田是CH4主要排放源之一，所釋放的CH4是CH4的產(chǎn)生、氧化和傳輸?shù)膬粜?yīng)[2-4]，其年平均排放量為 30 Tg ，約占全球人為CH4排放量的 8%[5-6]。稻田 CH4的排放隨水稻品種而異[7-13]，人們?cè)噲D靠選育和推廣高產(chǎn)量、低CH4排放的水稻品種來實(shí)現(xiàn)稻田CH4的長(zhǎng)效減排[4,8,13]。種植根系泌氧能力強(qiáng)的水稻品種，且適度施用鐵肥就能減少持續(xù)淹水條件下水稻CH4的排放[14]，其基本原理是：水稻植株的根系具有泌氧能力（Radial oxygen loss，ROL）[15-17]，將根際土內(nèi)的Fe2+氧化為 Fe3+，并在根表沉積，形成根表鐵膜（Iron plaque）[16,18-19]，使得稻根和根際土成為淹水稻田中鐵循環(huán)最活躍的區(qū)域[16,20-22]。土壤 O2 濃度和 Fe2+濃度是根表鐵膜形成的關(guān)鍵因子[16,18-19]，所以，種植泌氧能力強(qiáng)的水稻品種和施用鐵肥能極大地增強(qiáng)稻田土壤中的鐵循環(huán)。利用Fe3+還原對(duì)產(chǎn) CH4的抑制作用[23-27]，可實(shí)現(xiàn)稻田 CH4的持續(xù)減排。普通野生稻（Oryza rufipogonGriff.）是亞洲栽培稻（Oryza sativaL.）的野生祖先種[28-31]，兩者有相同的基因組型（AA基因組），且遺傳關(guān)系密切。普通野生稻具有比亞洲栽培稻更豐富的遺傳多樣性和更復(fù)雜的遺傳背景，蘊(yùn)藏著極其豐富的優(yōu)異基因[32]，從中挖掘強(qiáng)泌氧材料將有助于強(qiáng)泌氧水稻品種的培育。筆者曾對(duì)不同普通野生稻居群的根表鐵膜形成能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)[33-34]。本研究擬選取1個(gè)根表鐵膜形成能力較強(qiáng)的普通野生稻居群進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)，旨在評(píng)價(jià)施鐵措施對(duì)普通野生稻CH4的減排效果。

1 材料與方法

1.1 材料普通野生稻植株采自海南省文昌市東 路 鎮(zhèn) 葫蘆 洋 野 生 稻 保 護(hù) 示范 點(diǎn) （110°68 ′E，19°78′N）。用木村 B 營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)[33,35]，選取芽齡為11 d 的生根幼苗，從母株剪下后移栽。供試土壤為磚紅壤發(fā)育的水稻土，自然風(fēng)干，前茬為水稻，采自海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院永發(fā)試驗(yàn)基地，其土壤理化性狀為[14]：pH 6.50，全氮 1.50 g·kg-1，有機(jī)碳 13.80g·kg-1，全鐵 23.85 g·kg-1，有效鐵 193.38 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)處理小區(qū)試驗(yàn)在水泥池（長(zhǎng) 5.74 m×寬 1.10 m×深 0.45 m）中進(jìn)行，分設(shè)對(duì)照水泥池和施鐵水泥池。水稻干土加入量為286.35 kg·m-2。灌水后，池內(nèi)稻土一直處于淹水狀態(tài)。淹水30 d后，在施鐵水泥池施用人工合成的水合氧化鐵（ferrihydrite）[14]，施 Fe 量為 0.7 g·kg-1干土。每年種植2季水稻，已連續(xù)種植了3年。水稻收獲后，人工清除秸稈和稻根。每小區(qū)移栽160株普通野生稻幼苗（株距 13 cm×行距 20 cm），持續(xù)保持約10 cm的水層。施肥時(shí)按水稻常規(guī)栽培措施進(jìn)行。幼苗移栽10 d后，每處理隨機(jī)放置4個(gè)土壤溶液取樣器（取樣頭 5 cm 長(zhǎng)，Rhizon flex，荷蘭），垂直插放到根系旁，取樣頭基部距土表約3 cm。

1.3 測(cè)定方法CH4排放測(cè)定：采用靜態(tài)頂空取樣技術(shù)測(cè)定CH4的排放[14]。取樣罩為透明的圓柱形有機(jī)玻璃罩（內(nèi)徑30 cm×高 100 cm×壁厚 0.4 cm），其頂部裝有1個(gè)小型風(fēng)扇，側(cè)面有1個(gè)用膠塞封住的取樣口。每個(gè)處理放置3個(gè)取樣罩，每次測(cè)定的前一晚將取樣罩的底座埋入土壤，每個(gè)取樣罩內(nèi)的植株數(shù)為3株。每隔10 min用1次性注射器（5 mL）抽取 3 mL 頂空氣樣，用帶有火焰離子化檢測(cè)器（FID）的氣相色譜儀（Agilent 7890A GC System，美國(guó)）測(cè)定CH4濃度。GC所在實(shí)驗(yàn)室的溫度設(shè)定為26 ℃。根據(jù)CH4濃度與6次氣樣采集時(shí)間的線性關(guān)系計(jì)算CH4排放通量[mg·(m2·d)-1]。在試驗(yàn)期間，每處理進(jìn)行9次排放通量測(cè)定，其采樣時(shí)間分別為移栽后第 19、26、33、40、47、54、61、68、75 天。按任杰等[14]的方法計(jì)算取樣期間的CH4總排放量。

土壤孔隙水Fe2+濃度測(cè)定：從土壤溶液采樣器抽取 0.5 mL 孔隙水，注入盛有 4.5 mL 0.5 mol·L-1HCl的離心管中，混勻后放入冰盒內(nèi)保存。采用菲洛嗪分光光度法[14]，用紫外可見分光光度計(jì)（INESA 752N，中國(guó)）在 562 nm 下測(cè)定 Fe2+濃度。

根表鐵膜的測(cè)定：在移栽后第48天和第86天，每處理隨機(jī)采收3株植株，剪下根系，用去離子水沖洗3次，然后用吸水紙吸去根表的水。每株普通野生稻的根系分成2部分，分別用于根表鐵膜的提取，以及根含水量和根生物量的測(cè)定 。 采 用 DCB（Dithionite-Citrate-Bicarbonate）法提取根表鐵膜[36]，再用原子吸收分光光度計(jì)（ICE 3000 series，美國(guó)）測(cè)定鐵含量[14,33-34]。根據(jù)提取液鐵含量、根鮮質(zhì)量和根含水量計(jì)算出根表鐵膜含量（mg·g-1）。用根表鐵膜含量的平均值乘以根生物量即得到單株根表鐵膜數(shù)量（mg·株-1）。

1.4 數(shù)據(jù)分析采用 Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和t測(cè)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 CH4排放通量當(dāng)普通野生稻生長(zhǎng)期處于移栽后第19 天至第40 天時(shí)，施鐵小區(qū)CH4排放通量從347.57 mg·(m2·d)-1持續(xù)上升到 925.76 mg·(m2·d)-1，此后基本維持在這個(gè)水平上（圖1）。對(duì)照小區(qū)CH4排放通量的日變化有1個(gè)高峰，出現(xiàn)在移栽后第 40 天，其值高達(dá) 1 753.22 mg·(m2·d)-1；在此之前，CH4排放通量為 813.87～904.98 mg·(m2·d)-1；從移栽后第 47 天起，CH4排放通量維持在 1 004.97～1 168.13 mg·(m2·d)-1。與對(duì)照相比，施鐵措施在移栽后19、26、40和47 d的CH4減排效果均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。施鐵處理和對(duì)照在 57 d觀測(cè)期內(nèi)的CH4總排放量分別為43.22 g·m-2和61.31 g·m-2，施鐵導(dǎo)致 CH4排放減少了 29.51%。

圖1 普通野生稻 CH4 排放通量的動(dòng)態(tài)變化

2.2 土壤孔隙水 Fe2+濃度在普通野生稻移栽后第19天，施鐵小區(qū)的土壤孔隙水Fe2+濃度為0.57 mmol·L-1，比對(duì)照小區(qū)（0.41 mmol·L-1）高出 39.02%，兩者間差異顯著（P＜0.05）（圖2）。此后，2 個(gè)小區(qū)的孔隙水Fe2+濃度日變化趨勢(shì)基本相似；對(duì)照小區(qū)的孔隙水Fe2+濃度處于平穩(wěn)狀態(tài)，介于0.22～0.32 mmol·L-1；施鐵小區(qū)在移栽后 61 和 68 d 的孔隙水Fe2+濃度比對(duì)照低，分別降至0.17和0.07 mmol·L-1，但與對(duì)照相比，差異均未達(dá)到顯著水平。

圖2 普通野生稻種植期間土壤孔隙水 Fe2+濃度的動(dòng)態(tài)變化

2.3 根生物量和根表鐵膜在普通野生稻移栽后48 d，施鐵小區(qū)的根生物量、根表鐵膜含量和單株根表鐵膜數(shù)量分別為 1.14 g、46.20 mg·g-1和52.44 mg·株-1，分別比對(duì)照高出 10.68%、23.63%和39.65%，但兩個(gè)處理之間的差異都沒有達(dá)到顯著水平（表1）。當(dāng)普通野生稻生長(zhǎng)至移栽后第86天，施鐵小區(qū)的根生物量和單株根表鐵膜數(shù)量分別提高到 13.35 g 和 527.10 mg·株-1，而根表鐵膜含量有所下降，其值為 39.64 mg·g-1；雖然施鐵小區(qū)的根生物量與對(duì)照相比差異不顯著，但施鐵小區(qū)的根表鐵膜含量和單株根表鐵膜數(shù)量均顯著大于對(duì)照（P＜0.05），分別比對(duì)照增加48.41%和81.96%。

表 1 不同生長(zhǎng)期普通野生稻的根生物量和根表鐵膜特征參數(shù)

3 討 論

本研究采用小區(qū)試驗(yàn)評(píng)價(jià)了施鐵措施對(duì)普通野生稻田CH4排放的影響。在57 d的觀測(cè)期內(nèi)，施鐵能使CH4排放減少29.51%，顯著的CH4減排效應(yīng)出現(xiàn)于普通野生稻生長(zhǎng)前期，即移栽后19～47 d。這與任杰等[14]的水稻盆栽試驗(yàn)結(jié)果有所不同：施鐵導(dǎo)致根表鐵膜形成能力較強(qiáng)的水稻品種的CH4總排放通量比對(duì)照減少17.52%，CH4減排效應(yīng)僅出現(xiàn)于水稻生長(zhǎng)后期。雖然這2個(gè)試驗(yàn)的土壤來源相同，且施鐵量一樣，但是，在本研究實(shí)施前，試驗(yàn)小區(qū)已連續(xù)種植了6季水稻，稻土處于持續(xù)淹水狀態(tài)。在普通野生稻移栽后第19天，施鐵小區(qū)土壤溶液中仍含有較高濃度的Fe2+，比對(duì)照小區(qū)高出39.02%。正是施鐵小區(qū)土壤中尚存的、高濃度Fe2+讓普通野生稻植株的根系擁有更厚的根表鐵膜。

迄今，有關(guān)根表鐵膜與普通野生稻CH4排放的關(guān)系尚未見報(bào)道。但是，對(duì)水稻而言，這方面的報(bào)道比較多。水稻根系泌氧能力與水稻CH4排放之間呈負(fù)相關(guān)[37-38]，泌氧（ROL）所引發(fā)的 CH4減排效果應(yīng)與根表鐵膜有密切關(guān)系。因?yàn)樗靖龛F膜的主要組分是水合氧化鐵（ferrihydrite）[16,19,22,39-42]，所占比例可達(dá)50%～100%[43]，該氧化物的比表面積較大，易被鐵還原菌還原[19-20,27]，而水合氧化鐵等Fe3+氧化物的還原可有效抑制產(chǎn) CH4的產(chǎn)生[23-27]。對(duì)水稻根表鐵膜的研究表明，根表鐵膜的形成有2個(gè)驅(qū)動(dòng)因子。1) O2濃度：淹水稻土中的O2主要來自水稻植株根系的 ROL[16,18-19]。ROL 隨水稻的品種和生育期有所變化[44-45]。通常水稻品種泌氧能力愈強(qiáng)，根表鐵膜愈厚[19,46-49]。同 ROL 一樣，根表鐵膜含量也隨水稻生育期而變化[47]。根表鐵膜形成能力可間接地表征水稻根系泌氧能力的強(qiáng)弱。因此，尋找根系泌氧能力強(qiáng)或者根表鐵膜厚的水稻品種是實(shí)現(xiàn)CH4長(zhǎng)效減排的一個(gè)有效途徑。2) Fe2+濃度：在一定 Fe2+濃度范圍，水稻根表鐵膜含量隨土壤 Fe2+濃度的增加而上升[18-19,50-53]，所以，通過增施鐵肥來提高水稻土壤Fe2+濃度，能進(jìn)一步讓泌氧多或者根表鐵膜厚的水稻品種發(fā)揮其CH4減排潛能。

目前，涉及普通野生稻CH4動(dòng)態(tài)的相關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)的研究非常有限。CONRAD等[54]曾報(bào)道，普通野生稻土壤的產(chǎn)CH4古菌群落結(jié)構(gòu)同附近亞洲栽培稻土壤沒有差異。水稻和普通野生稻根際微生物組的對(duì)比研究表明，普通野生稻土壤中產(chǎn)CH4古菌和CH4氧化菌均比水稻土活躍[55-56]。本研究觀測(cè)到的施鐵措施對(duì)普通野生稻CH4的減排效果，很可能跟CH4氧化菌的功能與活性有一定的關(guān)系，因?yàn)镃H4氧化菌需要O2，消耗土壤中的CH4，進(jìn)而減少CH4的排放。因此，在未來的研究中，有必要探究根表鐵膜形成與CH4有氧氧化對(duì)ROL的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

在我國(guó)，普通野生稻分布于廣東、廣西、海南、云南、江西、湖南、福建和臺(tái)灣等8省區(qū)[57]。普通野生稻作為多年生植物，棲息于長(zhǎng)期淹水的環(huán)境中[28-30]，擁有極其豐富的優(yōu)異基因[32]。在普通野生稻種質(zhì)資源中，有些居群具有較強(qiáng)的泌氧能力或較厚的根表鐵膜[33-34]，有些品系則擁有耐鐵毒的特性[58-60]，充分利用這些優(yōu)良的遺傳材料將有助于培育強(qiáng)泌氧、耐鐵毒的水稻新品種。耐鐵毒能力的提高意味著鐵肥安全施用量上限的提升。本研究證實(shí)，施鐵措施對(duì)具有厚鐵膜潛力的普通野生稻居群的CH4減排展現(xiàn)出了明顯的促進(jìn)作用。因此，高效地發(fā)掘與利用普通野生稻強(qiáng)泌氧和耐鐵毒的功能基因是培育低CH4排放水稻品種的一個(gè)重要途徑，這對(duì)有效緩解全球溫室氣體減排和糧食安全問題之間的矛盾具有重要意義。