機械移栽及種植密度對稻田甲烷排放的影響

朱杰　吳國棟　劉章勇　吳蕓紫　金濤

摘要：采用靜態(tài)暗箱法分別對手栽-常規(guī)密度、機栽-常規(guī)密度以及機栽-密植等3種種植模式下水稻大田全生育期內CH4排放進行了觀測。研究表明：（1）3種種植模式下，稻田CH4排放季節(jié)性變化趨勢較一致，均在分蘗盛期和抽穗揚花期出現(xiàn)峰值；（2）水稻大田全生育期內CH4排放總量為機栽-密植模式（246.5 kg/hm2）>機栽-常規(guī)模式（199.9 kg/hm2）>手栽-常規(guī)模式（106.7 kg/hm2）；（3）手栽-常規(guī)密度模式下，CH4排放通量與土壤含水量之間存在顯著正相關（r=0.48，n=23），而與其他環(huán)境影響因子不存在相關性；機栽-常規(guī)密度模式下，CH4排放通量與氣溫、5 cm土溫、10 cm土溫均存在極顯著正相關關系，相關系數(shù)分別達到0.61、0.53和0.55；機栽-密植模式下，CH4排放通量與氣溫、5 cm土溫、10 cm土溫均存在顯著正相關關系，相關系數(shù)分別為0.50、0.49和0.48；（4）機栽-密植處理較之手栽-常規(guī)密度，產量差異不顯著，而較之機栽-常規(guī)密度，產量高出14.0%；（5）手栽-常規(guī)密度、機栽-常規(guī)密度和機栽-密植3種模式下稻田單位產量的甲烷排放量分別為11.64、24.62、26.79 g/kg。綜合分析表明，機械移栽無論采用常規(guī)密度種植還是密植種植均顯著增加稻田CH4排放。

關鍵詞：人工移栽；機械移栽；移栽密度；甲烷；稻田

中圖分類號： S181 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0261-04

收稿日期：2016-11-16

基金項目：國家公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項（編號：201203032）；湖北省教育廳科研項目（編號：Q20131203）。

作者簡介：朱 杰（1992—），男，湖北棗陽人，碩士，主要從事土壤溫室氣體排放研究。E-mail：hbzj0806@163.com。

通信作者：金 濤，博士，講師，主要從事土壤碳氮循環(huán)研究。E-mail：jintao165@126.com。 溫室氣體排放導致全球氣候變暖、區(qū)域氣候變化等問題已成為當前研究的焦點之一，CH4是農業(yè)生產過程中排放的主要溫室氣體[1]。CH4對全球的增溫貢獻率達到了14.3%，僅次于CO2[2]，作為第二大溫室氣體，其濃度增高是導致全球氣候變暖的主要原因[3]。有研究表明，百年尺度大氣中CH4的溫室效應是CO2的25倍[4]，我國農業(yè)活動產生的CH4占全國CH4排放量的50.15%[5]。我國稻田每年約排放CH4 741 Tg，占世界年排放總量的29.9%[6]。稻田甲烷排放是當前農田環(huán)境領域的研究熱點之一。

水稻生產在我國糧食生產中占有不可替代的地位，提高水稻綜合生產能力是保障我國糧食安全的長期戰(zhàn)略目標[7-8]。我國傳統(tǒng)的手栽稻模式消耗人工多，效益低下。近年來，成本壓力與集約式管理條件下機械種植正穩(wěn)步進入農業(yè)生產實踐中。在機械生產規(guī)模日益擴大的同時，關于機械生產的研究也是層出不窮，涉及多個方面[9]。張結剛等[10]、王雪忠等[11]、何勇等[12]研究了關于機栽秧育苗基質的制備；金紅梅[13]、孫建軍等[14]研究了機栽秧的適宜秧齡；程建平等[15]、王端飛等[16]、張勝等[17]研究了機栽秧的產量及產量構成因素，并綜合比較研究了機栽秧和手栽秧的成本和效益；林芳等研究了栽培方式（如手插、拋秧、機插和直播）的稻田氧化亞氮通量季節(jié)變化[18]。諸多研究主要集中在不同栽培方式對育苗機制、水稻產量、成本和效益以及稻田氧化亞氮排放的影響。另外，由于目前可用耕地面積日益萎縮，為提高土地利用率，密植也成了時下很重要的一種栽培模式。劉義等研究發(fā)現(xiàn)，適當?shù)脑绲痉N植密度，有利于構建高產的水稻群體，將產量的各種構成因子有機地結合起來，發(fā)揮最大的產量效應[19]。然而，目前關于溫室氣體排放影響的研究多集中于常規(guī)且單一種植方式（人工插秧）及農藝技術改變，而對于不同栽培方式下溫室氣體甲烷排放的研究還很鮮見。因此，本試驗研究手栽稻、機栽稻和機栽密植下，CH4排放特性以及相關影響因子，為合理布局農業(yè)生產方式來降低成本、提高產量并減排稻田甲烷，從而實現(xiàn)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗材料為全兩優(yōu)681，屬中秈遲熟兩系雜交稻品種。試驗地點位于湖北省荊州市荊州區(qū)太湖農場。該地區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫17.1 ℃，年均降水量為 1 059.9 mm，主要集中在6月份和9月份，年均日照時數(shù)為 1 712.1 h。該地為沖積母質發(fā)育的水稻土，有機質含量為16.4 g/kg，全氮含量為0.75 g/kg，全磷含量為0.54 g/kg，速效鉀含量為17.09 mg/kg，pH值為7.5。

1.2 試驗設計

江漢平原地區(qū)，水稻的生長期一般為5月下旬至10月上旬，本試驗的研究集中在2014年水稻大田生長期：6月6日至9月30日。試驗設置3個處理：手栽-常規(guī)密度（1.9×105蔸/hm2）、機栽-常規(guī)密度（1.9×105蔸/hm2）和機栽-密植（2.4×105蔸/hm2），每處理設置3重復，共計3×3=9個小區(qū)，小區(qū)面積為5 m×5 m=25 m2，隨機區(qū)組設計。小區(qū)施肥情況完全相同，氮肥折算成純氮為150 kg/hm2，以尿素為肥源分3次施入；磷肥為P2O5 40 kg/hm2，以過磷酸鈣作肥源1次施入；鉀肥為K2O 100 kg/hm2，采用氯化鉀作肥源1次施入。另外，排灌以及病蟲害防治等田間管理條件均完全相同。

1.3 氣體的采集與分析

水稻大田生長期取樣安排：中稻移栽前1 d進行氣體采集，水稻剛移栽及每次施肥后的3、6、9 d連續(xù)取樣，以后每 5 d 采1次樣。李晶等[20]通過試驗發(fā)現(xiàn)，測定稻田溫室氣體排放采樣時間選在9：00—11：00和21：00—23：00時的誤差最小，且該時段的排放通量接近一天的平均排放通量。因此本研究取樣時間控制在采樣當天9：00—11：00之間。采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法進行水稻植株及稻田土壤與大氣間交換的甲烷排放通量。靜態(tài)暗箱采用組合式不銹鋼材料，底座為鋁合金材料。底座直徑50 cm，底座上端有深5 cm密封水槽，采樣時將頂箱或延長箱罩在底座上，用水密封。底座于移栽后埋入田中，手栽-常規(guī)密度與機栽-常規(guī)密度處理下底座內包含4蔸水稻植株，機栽-適宜密植處理下底座內包含6蔸，底座在整個生長期都固定在采樣點上。延長箱直徑 80 cm，封頂箱直徑80 cm，頂箱和延長箱均由不銹鋼制成。延長箱內裝2個采樣管、1個測溫口，外覆絕熱材料（海綿和鋁箔紙包裹）。蓋箱后分別在0、6、20 min采集甲烷氣樣，用50 mL注射器從箱中抽取氣體，通過旋轉三通閥轉移到1.0 L氣體采樣袋，備測。endprint

溫室氣體CH4的測定工作在長江大學濕地中心溫室氣體分析室進行，使用的儀器為PICARRO G2301CO2/CH4/H2O分析儀。稻田甲烷排放通量利用下式求得：

F=ρ·h·dc/dt·273/（273+T）·α。（1）

式中：F為氣體排放通量[mg/（m2·h）]；ρ為標準狀態(tài)下氣體的密度（kg/m3）；h為經過水層高度調整后采樣箱頂部距水面的實際高度（m）；dc/dt為單位時間內采樣箱內氣體的體積分數(shù)變化率；273為氣態(tài)方程常數(shù)；T為取樣時刻采樣箱內的平均溫度（℃）；α為CH4中C元素轉換系數(shù)（α=12/16）。

1.4 土樣及水稻樣品的采集與分析

在氣體取樣的過程中，用電子溫度計測定大氣溫度（每次氣體取樣結束時）、5 cm土溫、水溫（或10 cm土溫）。與此同時，在底座周圍取適量的土樣（30～40 g）和水樣（300 mL左右）帶回實驗室測定分析。

土樣pH值，經土水1 ∶5的比例浸提，采用電位法測定；水樣pH值，直接用電子儀器測定；土樣含水量，采用的是烘干法（105 ℃）測定；土樣銨態(tài)氮含量采用KCl浸提-鉬銻抗比色法處理，紫外分光光度計法測定；土樣硝態(tài)氮含量，采用CaSO4浸提-稀釋處理，紫外分光光度計法測定。在水稻成熟期，收獲水稻時，小區(qū)單打單收單曬，揚凈后分別稱質量，再折算實際單產。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要采用Excel 2003和DPS 7.5統(tǒng)計分析軟件。用Excel 2003對原始數(shù)據(jù)進行均值和標準偏差的計算，用DPS 7.5分析甲烷排放通量和環(huán)境影響因子間的相關性，顯著性水平小于0.05表示兩者呈顯著相關，小于0.01表示兩者間呈極顯著相關。

2 結果與分析

2.1 栽培方式對稻田CH4季節(jié)性排放的影響

在水稻整個大田生育期內，定期對CH4的排放通量進行測定，其季節(jié)性變化趨勢如圖1所示。從圖1可以看出，在水稻整個大田生育期內，3種模式下CH4排放曲線存在一定的差異，但總體趨勢較一致。在苗期，隨著水稻的生長，各處理下CH4排放通量均逐漸增加。在水稻分蘗盛期（7月中下旬），各處理均出現(xiàn)排放高峰，隨后迅速回落。然后在抽穗揚花期又快速升高，最后又慢慢下降。上述結果說明，3種模式下CH4季節(jié)性排放曲線總體趨勢較一致，在水稻分蘗期與抽穗揚花期先后出現(xiàn)峰值。

2.2 栽培方式對稻田CH4排放總量的影響

3種栽培方式下大田生育期內稻田CH4排放總量均由CH4排放通量乘以取樣時間間隔累加求得，具體數(shù)值如圖2所示。從圖2可以明顯看出，3種種植模式下，全生育期內稻田CH4排放總量從高到低依次為機栽-密植模式（246.5 kg/hm2）、機栽-常規(guī)密度模式（199.9 kg/hm2）、手栽-常規(guī)密度模式（106.7 kg/hm2），其中機栽-密植模式和手栽-常規(guī)密度模式稻田CH4排放總量具有顯著性差異。

2.3 甲烷排放通量影響因子分析

分別分析3種模式下CH4排放通量的影響因子，具體相關系數(shù)見表1至表3。由表1可以看出，手栽-常規(guī)密度模式下CH4排放通量與土壤含水量之間存在顯著正相關關系（r=0.48）。

2.4 栽培方式對水稻產量的影響

本研究中的經濟產量是根據(jù)大田實際產量與理論產量求算術平均數(shù)得來，結果見表4。由表4可以看出，手栽-常規(guī)密度與機栽-常規(guī)密度2種模式下產量分別為9 170 kg/hm2和8 120 kg/hm2。較之手栽-常規(guī)密度，機栽-常規(guī)密度產量低11.5%，達到極顯著差異。這一結果與程建平等[15]、王端飛等[16]的研究結果相一致。機栽-密植處理較之機栽-常規(guī)密度，密度高出 28.5%，產量高出14.0%，也達到極顯著水平。此結果與潘圣剛等的研究結論[21]較一致。

2.5 栽培方式下單位產量的甲烷排放量分析

由表5可以看出，手栽-常規(guī)密度、機栽-常規(guī)密度和機栽-密植3種模式下單位產量稻田甲烷排放量分別是1164、 24.62、 26.79 g/kg， 機栽-密植模式和機栽-常規(guī)密度模式下單位產量甲烷排放量分別是手栽-常規(guī)密度模式的2.30和2.12倍。

3 結論與討論

隨著稻田淹水時間的延長及秧苗的生長，殘留于泥土中的前茬作物秸稈或根系形成大量有機質，這些有機物不斷分解，可能導致CH4排放呈快速上升。進入水稻分蘗盛期（7月中下旬），由于水稻植株通氣組織比較發(fā)達，成為傳輸CH4的主要途徑；加上白天田間氣溫基本保持在30 ℃以上，處于厭氧狀態(tài)下的產甲烷菌活動頻繁，因此甲烷大量排放[3]。分蘗盛期后田間斷水，處于曬田期，Thurlow等[22]和Singh等[23]曾證明排干或休閑期的非淹水稻田為CH4的匯，因此在這一階段CH4排放速率快速下降。在抽穗期田間重新灌水，CH4排放通量又迅速升高。從水稻齊穗期到成熟期，田間基本處于落干狀態(tài)，不利于CH4的排放，因此各處理CH4排放通量開始逐漸下降。本研究表明，3種模式下CH4季節(jié)性排放曲線總體趨勢較一致，在水稻分蘗期與抽穗揚花期先后出現(xiàn)峰值。試驗結果與Sass等的研究結果[24-26]較一致。

機栽-常規(guī)密度模式由于機械作用，造成了土層結構一定程度的板結，通氣條件下降，有利于CH4的產生。機栽-密植模式由于密度較大，因此在機栽-常規(guī)密度模式的基礎上，其土壤通氣性更差，長期處于厭氧環(huán)境，因此CH4排放量相對最大。而手栽-常規(guī)密度模式，由于土壤理化性質較好，通氣性較強，因此CH4排放量最小。本研究表明，3種種植模式下，全生育期內機栽-密植模式稻田CH4排放總量最高。土壤水分通過影響土壤氧化還原電位、氧氣供給、土壤微生物活性及土壤中氣體向大氣擴散速率等影響甲烷的產生與排放，土壤常年淹水可導致稻田排放大量的甲烷[27]。所以，手栽-常規(guī)密度模式下CH4排放通量與土壤含水量之間呈顯著正相關關系。機栽-常規(guī)密度模式由于機械作用，造成了土層結構一定程度的板結，通氣條件下降，根際供養(yǎng)降低。而根際供氧能提高稻田土壤氧化還原電位[28]，因此，機械移栽降低了土壤水分對土壤氧化還原電位和氧氣供應的影響程度，從而降低了土壤水分對CH4排放影響因子的相關系數(shù)。機栽-常規(guī)密度模式下CH4排放通量與氣溫、5 cm土溫、 10 cm 土溫均呈極顯著正相關關系，相關系數(shù)分別為0.61、0.53、0.55。機栽-密植模式下CH4排放通量與氣溫、5 cm土溫、10 cm土溫均呈顯著正相關關系。比較3種移栽模式下水稻單位面積產量，由高到低依次為機械-密植模式>手栽-常規(guī)模式>機械-常規(guī)模式，其中機械-密植模式和手栽-常規(guī)模式產量差異并不明顯。3種移栽模式下，單位面積甲烷排放總量和單位產量甲烷排放量均以手栽-常規(guī)密度最低，且機械-密植模式和機械-常規(guī)密度模式下單位產量甲烷排放量均大于2倍手栽-常規(guī)密度模式單位產量甲烷排放量。綜上，機械移栽無論是采用常規(guī)種植還是密植，其甲烷的累積排放量和單位產量的甲烷排放量，都比手栽常規(guī)密度模式下的要高。endprint