雙季稻品種CH4排放差異比較研究

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

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410128)

溫室氣體的大量排放主要源于人類活動(dòng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(guó)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與世界水稻種植大國(guó)，水稻品種多樣，種植面積廣。因此，如何應(yīng)對(duì)稻田CH4排放，緩減氣候變化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)減排、可持續(xù)發(fā)展，已成為了重要的急需重點(diǎn)研究的問題。

我國(guó)南方主要以雙季稻種植為主，水稻生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)，占全年的2/3左右，且當(dāng)今隨著育種技術(shù)的不斷發(fā)展，適宜的雙季稻品種也日益增多。水稻植株體對(duì)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(zhǎng)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(guān)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(nóng)業(yè)措施上對(duì)稻田CH4排放的影響，許多學(xué)者通過大量的田間試驗(yàn)研究，得出了相應(yīng)的結(jié)果，并在稻溫室氣體減排上作出了重要的貢獻(xiàn)[10-16]。而也有許多研究表明，不同品種水稻在產(chǎn)量形成的過程中對(duì)稻田CH4排放和形成發(fā)揮著重要的作用[17-19]。Zhang等發(fā)現(xiàn)，水稻品種對(duì)稻田甲烷排放的影響主要來源于水稻對(duì)地下CH4產(chǎn)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(fā)現(xiàn)甲烷排放量與植株生物量和產(chǎn)量有顯著正相關(guān)，還與株高、分蘗數(shù)和葉面積指數(shù)有關(guān)[21-22]。目前湖南雙季水稻的種植也往往是以當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)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(huán)保的大環(huán)境下，選取種植相應(yīng)的低CH4排放，并有一定產(chǎn)量的水稻品種對(duì)稻田生態(tài)系統(tǒng)減排、高產(chǎn)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(qū)17個(gè)早稻品種(其中6個(gè)常規(guī)品種、11個(gè)雜交品種)和20個(gè)晚稻品種(其中4個(gè)常規(guī)品種、16個(gè)雜交品種)進(jìn)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(chǎn)量、單位產(chǎn)量CH4排放強(qiáng)度的變化，篩選適合雙季稻區(qū)種植的低CH4排放并保證一定經(jīng)濟(jì)產(chǎn)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(jìn)一步探討在常規(guī)施肥和水分管理下水稻品種甲烷排放差異形成機(jī)理提供試驗(yàn)材料。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省瀏陽(yáng)市沿溪鎮(zhèn)試驗(yàn)基地，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，為南方典型的雙季水稻生產(chǎn)區(qū)。熱量降水充沛，日照充足。經(jīng)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(jì)紅壤發(fā)育的紅黃泥水稻土，化學(xué)性狀：土壤pH值6.7，含有機(jī)質(zhì)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(yàn)選取17個(gè)早稻品種和20個(gè)晚稻品種。

常規(guī)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(yōu)171、株兩優(yōu)189、株兩優(yōu)819、陸兩優(yōu)171、陸兩優(yōu)996、陸兩優(yōu)4026、兩優(yōu)早17、長(zhǎng)兩優(yōu)35、金優(yōu)268、潭原優(yōu)4903、杰豐優(yōu)1號(hào)。

常規(guī)晚稻：湘晚秈13、湘晚秈17、玉珍香、黃花占。

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

1.3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年進(jìn)行，采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)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(tài)暗箱-氣相色譜法測(cè)定，靜態(tài)箱規(guī)格為0.55 m×0.55 m×1.2 m，溫室氣體采樣箱由PVC材質(zhì)制成，采樣箱外部包有泡沫和鋁箔紙，防止太陽(yáng)照射導(dǎo)致箱內(nèi)溫度變化過大。于水稻栽插后將塑膠底座固定于每個(gè)小區(qū)中，底座插入深度為3～5厘米，測(cè)定時(shí)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(nèi)頂部1個(gè)12 V小風(fēng)扇以充分混勻箱內(nèi)氣體，采樣時(shí)間固定在09：00—11：00，采樣時(shí)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(guó))測(cè)定其濃度，標(biāo)準(zhǔn)氣體由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心提供[18]。氣體排放率由4個(gè)氣樣濃度值經(jīng)線性回歸分析得出。

稻田甲烷氣體排放通量F[mg/(m2·h)]計(jì)算公式如下：

F=ρ·273/(273+T)·H·dC/dt。

式中：F為排放通量；ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的CH4密度，為 0.714 kg/m3；T為采樣過程中采樣箱內(nèi)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(nèi)溫室氣體濃度的變化率。

CH4累積排放量T(mg/m2)計(jì)算式為：

T=∑(Fi+1+Fi)/2×(ti+1-ti)×24。

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

以100年為時(shí)間尺度，單位產(chǎn)量CH4的全球增溫潛勢(shì)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(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的比值。排放通量均值為累積排放量與水稻生育期天數(shù)的比值。早晚稻在成熟期收獲時(shí)，每個(gè)小區(qū)取1 m2水稻進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定，重復(fù)3次[24]。

1.4　統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、制表繪圖，采用Statistix 8.0軟件對(duì)早晚稻品種CH4累積排放量、產(chǎn)量之間進(jìn)行方差分析。

2　結(jié)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(guī)早稻的整體排放趨勢(shì)為分蘗期至抽穗期所有常規(guī)品種的早稻均有1個(gè)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(shì)呈下降趨勢(shì)，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(jù)不同時(shí)期的甲烷排放通量的變化來考慮，以及出現(xiàn)峰值的時(shí)期作為判斷水稻甲烷排放能力的關(guān)鍵時(shí)期，常規(guī)早稻品種中，中早39在整個(gè)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(nèi)的排放通量各個(gè)峰值的點(diǎn)也不一樣，與常規(guī)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(xiàn)峰值時(shí)的排放通量約為常規(guī)早稻的1.3倍。綜合各個(gè)時(shí)期甲烷的排放通量，株兩優(yōu)171、株兩優(yōu)189、兩優(yōu)早17、潭原優(yōu)4903這4個(gè)品種甲烷排放通量變化是最小，在各個(gè)時(shí)期與其他幾個(gè)品種相比，表現(xiàn)較為理想。

2.1.2不同晚稻品種CH4排放通量季節(jié)變化由圖2可知，不同品種的晚稻在不同時(shí)期的甲烷排放通量存在差異，基本都在分蘗期排放通量達(dá)到峰值。4個(gè)常規(guī)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(yōu)380、深兩優(yōu)1號(hào)、準(zhǔn)兩優(yōu)608這3個(gè)晚稻品種的峰值分別為98.96、96.39、89.83 mg/(m2·h)。Y兩優(yōu)1號(hào)、婁優(yōu)988、Y兩優(yōu)896和鳳兩優(yōu)293在分蘗期的排放通量相對(duì)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(yōu)988、Y兩優(yōu)896這2個(gè)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(yīng)(GWP)

2.2.1早稻CH4累計(jì)排放量、產(chǎn)量及單位產(chǎn)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(dá)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(yōu)189(76.47 kg/hm2)，其次是株兩優(yōu)171(87.28 kg/hm2)，兩者均顯著低于其他雜交早稻品種。陸兩優(yōu)4026、陸兩優(yōu)996的CH4排放量均顯著高于其他雜交早稻品種，分別達(dá)到了 124.2、122.33 kg/hm2。除了潭原優(yōu)4903(103.36 kg/hm2)、杰豐優(yōu)1號(hào)(104.14 kg/hm2)CH4排放量在100 kg/hm2以上外，其余5個(gè)雜交早稻CH4排放量介于90～100 kg/hm2之間。

陸兩優(yōu)996、陸兩優(yōu)4026、潭源優(yōu)4903的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)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(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最低，為3 902.1 kg/hm2。常規(guī)早稻中，中早39的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高，達(dá)到6 436.6 kg/hm2，相對(duì)于所有供試早稻品種，也是比較高的。雜交早稻中的株兩優(yōu)819、兩優(yōu)早17、株兩優(yōu)189的產(chǎn)量相對(duì)較高。

單位產(chǎn)量綜合溫室效應(yīng)大小主要取決于供試品種CH4排放量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)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(duì)較低的有潭原優(yōu)4903、株兩優(yōu)189、株兩優(yōu)819、兩優(yōu)早17。其余供試早稻品種介于0.390～0.510 kg/kg之間。單位產(chǎn)量綜合溫室效應(yīng)較低的，其產(chǎn)量相對(duì)較高，排放量也相對(duì)較低，綜合比較，中早39，株兩優(yōu)189、潭源優(yōu)4903、株兩優(yōu)819、兩優(yōu)早17較為理想。

2.2.2晚稻CH4累計(jì)排放量、產(chǎn)量及單位產(chǎn)量GWP比較由表2可知，在20個(gè)晚稻品種中，CH4排放量最低的6個(gè)品種依次是鳳兩優(yōu)絲苗(327.15 kg/hm2)、黃花占(339.8 kg/hm2)、婁優(yōu)988(340.35 kg/hm2)、資優(yōu)299(341.78 kg/hm2)、Y兩優(yōu)896(350.2 kg/hm2)、深優(yōu)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(dá)到了903.0 kg/hm2，顯著高于其他供試品種。康兩優(yōu)380、T優(yōu)15、深兩優(yōu)1號(hào)的CH4排放量相對(duì)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(jì)排放量、排放通量均值、產(chǎn)量和單位產(chǎn)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(jì)排放量、排放通量均值、產(chǎn)量和單位產(chǎn)量GWP

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

單位產(chǎn)量GWP最低的6個(gè)品種依次是資優(yōu)299、婁優(yōu)988、深優(yōu)9586、Y兩優(yōu)896、黃花占、鳳兩優(yōu)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(chǎn)量GWP幾個(gè)甲烷排放指標(biāo)高低，黃花占、婁優(yōu)988、資優(yōu)299、Y兩優(yōu)896、鳳兩優(yōu)絲苗、深優(yōu)9586這6個(gè)品種表現(xiàn)較為理想。

3　討論

水稻不同生育時(shí)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(xiàn)高峰，在水稻生長(zhǎng)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(shí)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(jī)構(gòu)、生長(zhǎng)特性存在一定的差異，從而對(duì)稻田CH4的產(chǎn)生、氧化和排放造成不同的影響。本研究結(jié)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(xiàn)峰值(個(gè)別品種出現(xiàn)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(jié)果[23，25-28]基本一致。在水稻生育前期，長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，特別是水稻分蘗盛期，植株生長(zhǎng)發(fā)育旺盛，地上生物量增加，為CH4產(chǎn)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(tài)，CH4排放極低，原因在于空氣中的氧氣進(jìn)入稻田中，土壤的Eh值增加，從而使甲烷的氧化增強(qiáng)，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(dāng)年氣溫較高，稻田中淹水較深，從而為產(chǎn)甲烷菌提供了有利的條件。

不同水稻品種CH4排放量、產(chǎn)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(zhǎng)特性、根系結(jié)構(gòu)、根系分泌物及泌氧能力、植株通氣組織的結(jié)構(gòu)存在一定的差異[29]。本研究結(jié)果表明，不同水稻品種CH4累計(jì)排放量存在差異性，供試晚稻品種的CH4累計(jì)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(chǎn)量晚稻也普遍要高于早稻。單位產(chǎn)量GWP取決于稻田CH4累計(jì)排放量與水稻產(chǎn)量的大小，較高的產(chǎn)量同時(shí)CH4排放量也相對(duì)較大。在試驗(yàn)結(jié)果中，早稻品種中早39(0.280 kg/kg)的單位產(chǎn)量GWP最低，具有較高的產(chǎn)量和一定的CH4排放量，相對(duì)較低的還有潭原優(yōu)4903、株兩優(yōu)189、株兩優(yōu)819、兩優(yōu)早17，介于0.350～0.400 kg/kg之間，均優(yōu)于其他早稻品種。晚稻品種中，也有類似的結(jié)果，雜交稻的產(chǎn)量及排放量普遍高于常規(guī)稻，但單位產(chǎn)量GWP要普遍低于常規(guī)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(zhì)、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(qū)地理環(huán)境因素差異導(dǎo)致的。有研究結(jié)果表明，水稻的種植既影響土壤甲烷產(chǎn)生也影響甲烷排放量，原因是水稻在生長(zhǎng)過程中通過增加碳分配到根，進(jìn)而有充足的底物促使根系氧化能力的釋放，或者當(dāng)水稻品種具有很高的產(chǎn)能時(shí)，甲烷的排放量就會(huì)減少，固定光合碳向地上部尤其是向籽粒轉(zhuǎn)移，從而根部氧化能力減弱[31-32]。產(chǎn)量高的水稻品種，如超級(jí)稻，不僅在糧食生產(chǎn)力方面具有優(yōu)勢(shì)，在CH4減排中也有一定的優(yōu)勢(shì)[33]。因此在早晚稻上，單位產(chǎn)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(chǎn)量，同時(shí)減少CH4排放，保持高效高產(chǎn)減排是可行的。

4　結(jié)論

不同水稻品種CH4排放通量、排放量、產(chǎn)量差異性顯著，早稻品種的CH4累計(jì)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(chǎn)量GWP都在0.28～0.657 kg/kg之間，中早39、株兩優(yōu)189、潭源優(yōu)4903、株兩優(yōu)819、兩優(yōu)早17的產(chǎn)量和單位產(chǎn)量GWP與其他品種差異顯著。晚稻品種中，單位產(chǎn)量GWP介于0.83～3.01 kg/kg之間，黃花占、婁優(yōu)988、資優(yōu)299、Y兩優(yōu)896、鳳兩優(yōu)絲苗、深優(yōu)9586，單位產(chǎn)量GWP顯著低于其他晚稻品種。不同雙季稻品種的種植對(duì)稻田綜合溫室效應(yīng)的影響關(guān)系密切，在不同雙季稻品種選擇上選用低單位產(chǎn)量綜合溫室效應(yīng)的品種能夠達(dá)到一定減排增效的效果。

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本文對(duì)有源相控陣天線接收鏈路等效噪聲進(jìn)行了理論分析，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)推導(dǎo)出等效噪聲計(jì)算公式，該計(jì)算方法中每個(gè)T/R通道的增益、噪聲系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)都分別作用于最終結(jié)果，適用于任意變化的有源相控陣天線。該方法推導(dǎo)出的等效噪聲計(jì)算公式已經(jīng)在仿真及雷達(dá)系統(tǒng)中獲得了實(shí)際應(yīng)用，該公式有助于精確計(jì)算有源相控陣天線接收系統(tǒng)的性能。

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