不同播栽方式對稻田CH4、N2O排放及產(chǎn)量的影響

夏天龍， 時(shí) 紅， 時(shí)元智， 洪大林， 馮中華

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029；2.江西省灌溉試驗(yàn)中心站，江西南昌 330201)

水稻為我國的主要糧食作物，2021年種植面積約為3 000萬hm2，約占全球水稻種植面積的18.5%[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國稻田CH4和N2O年排放量分別達(dá)到700萬t[2]和19萬t[3]。過去的稻田溫室氣體排放研究主要針對人工移栽等傳統(tǒng)播栽方式，但近年來隨著農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移以及農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，耗時(shí)費(fèi)力的人工育秧—插秧方式正逐步被輕簡栽培方式所取代。與傳統(tǒng)播栽方式相比，輕簡栽培方式對土壤的擾動(dòng)程度不同，可能引起微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性的改變[4]，從而導(dǎo)致溫室氣體排放量的差異?；诖耍斜匾_展不同播栽方式下稻田溫室氣體排放研究，探索水稻高產(chǎn)低碳的種植模式。

已有研究表明，土壤水分狀況、溫度、pH值、施肥等因素均會(huì)對CH4和N2O的排放產(chǎn)生影響[5-6]。此外，播栽方式不同會(huì)引起稻田CH4和N2O排放差異，適宜的播栽方式可改善稻田土壤結(jié)構(gòu)以及通氣性，進(jìn)而降低稻田土壤微生物的數(shù)量和活性，減少溫室氣體排放[7]。已有研究表明，拋秧播栽模式的全球增溫潛勢(GWP)明顯低于移栽模式[8]，而直播的稻田CH4排放量和GWP顯著低于機(jī)械插秧[9]。國內(nèi)外針對直播與人工移載的溫室氣體排放差異，指出直播方式相對于人工移載方式能顯著降低CH4排放量，同時(shí)會(huì)不同程度增加N2O排放量[10-11]。

目前，基于多種播栽方式對稻田CH4和N2O排放進(jìn)行研究的報(bào)道還較少，特別是在糧食安全與碳達(dá)峰、碳中和背景下，針對南方典型稻作區(qū)，亟待開展結(jié)合作物產(chǎn)量進(jìn)行高產(chǎn)低碳綜合分析的研究。

鄱陽湖平原是我國重要的雙季稻作區(qū)，本研究利用靜態(tài)箱-氣相色譜法，研究不同播栽方式對鄱陽湖平原典型雙季稻田CH4、N2O排放量及產(chǎn)量的影響，旨在提出適宜該區(qū)域的稻田高產(chǎn)量、低溫室氣體排放的播栽方式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2017年在江西省灌溉試驗(yàn)中心站(115°58′E，28°26′N)水稻試驗(yàn)田進(jìn)行。該試驗(yàn)站位于鄱陽湖平原，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候。2017年早稻季平均氣溫為25.0 ℃，溫度呈上升走勢，返青期最低溫度為10.9 ℃，黃熟期最高溫度為31.7 ℃。晚稻生長季的平均溫度為26.4 ℃，溫度呈波動(dòng)下降趨勢，返青期氣溫最高，為34.0 ℃，黃熟期氣溫最低，為13.8 ℃。早、晚稻生長季的總降水量分別為505.5、363.7 mm，早稻生長季降水量的52.7%集中在拔節(jié)孕穗期至乳熟期，晚稻生長季降水量的82.0%集中在返青期和分蘗期。試驗(yàn)田土壤容重為1.36 g/cm3，土壤類型為水稻土，有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀含量分別為1.74、0.82、0.25、1.18 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)直接播種(DS)、人工插秧(AT)、機(jī)械插秧(MT)、拋秧(SP)4種播栽方式。在各播栽方式下，水稻播種、栽種、收割日期及生育期時(shí)長見表1。DS播種模式的播種量為13 kg/hm2；AT模式的插秧行距×株距=23.3 cm×13.3 cm；SP種植模式的栽植密度為35株/m2；MT模式使用富來威 2Z-455 型水稻插秧機(jī)插秧，栽插平均行距為 26.9 cm，株距為13.3 cm。早稻于25 d秧齡時(shí)移栽，晚稻于15 d秧齡時(shí)移栽。

表1 不同試驗(yàn)小組播種/移栽、收獲日期及生育期時(shí)長

試驗(yàn)為大田試驗(yàn)，各小區(qū)面積為100 m2。早稻品種采用中嘉早稻17，晚稻品種采用H優(yōu)518。播種/移栽前翻耕稻田土壤。田間水分管理采用間歇灌溉模式，各小區(qū)用水表控制灌排水量，田埂用塑料薄膜覆蓋，防止水肥流失。氮肥用量為180 kg/hm2，鉀肥用量為150 kg/hm2，早、晚稻氮、磷、鉀肥料來源分別為尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀。其中磷肥用量(P2O5)為90 kg/hm2，均作基肥施用，基肥、分蘗肥、穗肥中氮肥施用質(zhì)量比為3 ∶3 ∶4，基蘗肥、穗肥中鉀肥施用質(zhì)量比為7 ∶3?；适┯脮r(shí)間為水稻播栽前1 d，分蘗肥施用時(shí)間為水稻播栽后5～7 d，穗肥施用時(shí)間為葉齡余數(shù)為1～2張葉時(shí)。

1.3 樣品采集與監(jiān)測

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定CH4、N2O排放通量。靜態(tài)箱結(jié)構(gòu)分為不銹鋼底座和箱體，底座用于固定箱體，箱體長、寬、高皆為50 cm，當(dāng)水稻株高接近50 cm時(shí)，通過疊加相同尺寸的雙向開口箱體，使箱體高度增加到100 cm。氣體采集時(shí)間為 08：00—11：00，按照0、10、20、30 min的間隔采集氣體，同時(shí)記錄箱內(nèi)溫度；每隔 5～7 d觀測1次，抽樣完成后立即通過氣相色譜儀(Agilent7890b)測定氣體濃度。

1.4 數(shù)據(jù)的處理與分析

溫室氣體排放通量的計(jì)算方法[12]見如下公式：

(1)

(2)

式中：c為溫室氣體總排放量，kg/hm2；i為采樣次數(shù)；n為總采樣次數(shù)；D為相鄰采樣相隔時(shí)間，d。

全球增溫潛勢表示單位質(zhì)量的溫室氣體在某個(gè)時(shí)間尺度上的累計(jì)輻射強(qiáng)迫；溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)指單位質(zhì)量水稻生產(chǎn)產(chǎn)生的全球增溫潛勢。CO2作為參考?xì)怏w，CH4、N2O的排放量通過GWP值轉(zhuǎn)換為CO2當(dāng)量(CO2-eq)。在100年尺度下，單位質(zhì)量CH4、N2O的GWP分別為CO2的28、273倍[13]，GWP、GHGI的計(jì)算公式分別如下：

GWP=28×FCH4+273×FN2O

。

(3)

式中：GWP為增溫潛勢(以單位面積的CO2當(dāng)量計(jì)算，下同)，kg/hm2；FCH4為CH4總排放量，kg/hm2；FN2O為N2O總排放量，kg/hm2。

(4)

式中：GHGI為溫室氣體排放強(qiáng)度(以CO2當(dāng)量計(jì)算，下同)，kg/kg；GWP為早晚稻增溫潛勢之和，kg/hm2；Y為早晚稻總產(chǎn)量，kg/hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同播栽方式下稻田CH4的排放規(guī)律

由圖1可見，在不同播栽方式下，早、晚稻的CH4排放通量走勢基本一致，各處理的CH4排放通量在分蘗期內(nèi)達(dá)到最大值后，迅速下降，拔節(jié)期后一直維持低的排放水平。根據(jù)表2可以看出，生長期CH4排放規(guī)律的不同之處主要在于水稻早期生長階段的排放程度，各處理晚稻的CH4排放量占生育期累計(jì)排放量的主體地位，占比為75.7%～88.2%。

從生育期來看，早稻的CH4排放主要集中在水稻植株生長階段的分蘗期到拔節(jié)孕穗期，4種播栽方式的平均排放通量為27.20 mg/(m2·h)。在分蘗期內(nèi)的不同處理下，CH4排放有2～3個(gè)峰值，過峰后迅速變?yōu)榈团欧艩顟B(tài)，在抽穗開花末期，各處理的CH4排放通量到達(dá)1個(gè)小高峰，其余時(shí)間的CH4排放通量均維持在較低水平(圖1)。早稻季首個(gè)CH4排放峰值在分蘗前期，不同播栽方式的平均排放通量為3.43 mg/(m2·h)，主要因?yàn)檫@段時(shí)間氣溫上升至水稻的最適生長溫度，土溫升高也增強(qiáng)了產(chǎn)甲烷菌的整體活性。分蘗期CH4的排放達(dá)到早稻生育期的峰值，4種播栽方式的最大平均排放通量為9.91 mg/(m2·h)。曬田后，CH4通量迅速下降至較低水平，主要是由于曬田行為增加了土壤通氣性，破壞了甲烷菌生存繁殖所需的嚴(yán)格厭氧環(huán)境。在拔節(jié)初期，AT、SP處理下的CH4通量有明顯回升，AT的最高排放通量達(dá)到12.44 mg/(m2·h)。在6月，隨著降水和氣溫的增加，田面淹水狀況增多，小幅增強(qiáng)了產(chǎn)甲烷菌活性，使得CH4通量略微升高。晚季稻的CH4排放也呈現(xiàn)出先高后低的變化趨勢，但排放峰出現(xiàn)的時(shí)間較早稻明顯提前。在分蘗前期，CH4排放通量便迅速上升到峰值，4種不同播栽方式的平均CH4排放通量為51.45 mg/(m2·h)。在水稻分蘗末期進(jìn)行曬田處理后，土壤的通氣性大幅提升，土壤有效氧供應(yīng)得到改善，導(dǎo)致CH4排放通量迅速下降。在拔節(jié)期復(fù)水施肥后，各處理的CH4排放通量開始回升，但由于間歇灌溉模式水層控制及反復(fù)落干晾曬，甲烷菌的繁殖、氣體排放回升程度受限。

在不同播栽方式下，CH4的排放差異較明顯。早稻總CH4排放量從低到高排序?yàn)镈S、SP、AT、MT。早稻平均 CH4排放量為49.49 kg/hm2，DS處理比平均排放量低47.4%。AT、MT處理的CH4排放通量峰值明顯高于其他處理，在早稻季分蘗期，AT、MT處理的最高CH4排放通量分別達(dá)到9.35、20.56 mg/(m2·h)，晚稻季AT、MT處理的最高CH4排放通量分別達(dá)到56.94、69.72 mg/(m2·h)。早、晚稻季分蘗期AT、MT處理的CH4排放量比其他處理高，AT處理的累計(jì)排放量分別占早稻季、晚稻季、總排放量的31.8%、29.4%、29.8%，MT處理的累計(jì)排放量分別占早稻季、晚稻季、總排放量的36.7%、33.9%、34.4%。在SP處理下，晚稻CH4排放通量峰值明顯低于其他處理。早稻季的最高CH4排放通量為7.01 mg/(m2·h)，晚稻季的減排效果顯著，最高CH4排放通量為22.40 mg/(m2·h)，晚稻SP播栽方式的累計(jì)CH4排放量比其他處理低42.2%～60.2%。由于直播稻不存在返青期，所以DS處理CH4排放峰值較其他處理稍有提前和集中，分蘗前期的CH4排放量僅次于MT處理，為60.18 mg/(m2·h)，但從晚稻累計(jì)排放量上看，DS處理的排放量分別比AT、MT處理減少了20.6%、31.2%(表2)。

表2 不同播栽方式下稻田CH4的累計(jì)排放量

2.2 不同播栽方式下稻田N2O的排放規(guī)律

由圖2可以看出，早稻、晚稻稻田中N2O的排放通量呈波浪式，在水稻種植/移栽初期，N2O的排放通量普遍較低，到分蘗后期上升到第1個(gè)峰值；在拔節(jié)孕穗初期，N2O排放出現(xiàn)谷值，之后保持波動(dòng)。不同播栽方式的N2O排放總量見表3，可見各處理間年際累計(jì)N2O排放量無明顯差異，AT、SP、MT處理的年際累計(jì)N2O排放量為1 325.09～1 361.36 g/hm2，DS處理略高于其他3種處理，為1 621.48 g/hm2。

對于早稻而言，各N2O處理在整個(gè)生育期內(nèi)有2～3個(gè)排放峰，較明顯的峰值分別出現(xiàn)在分蘗末期、拔節(jié)孕穗末期。DS、AT、SP處理的最高排放通量在拔節(jié)孕穗末期，而MT處理的高排放峰在乳熟期，排放通量為91.42 μg/(m2·h)。在晚稻生育前期，N2O的排放通量較低，在分蘗前期甚至呈現(xiàn)為N2O的匯。在分蘗末期，各處理達(dá)到第1個(gè)N2O排放峰，至拔節(jié)孕穗初期復(fù)水后，N2O排放通量迅速下降到谷值，在拔節(jié)末期，各處理的N2O排放通量有不同程度的上升。

早稻季各處理之間的N2O排放規(guī)律差異較小，DS與SP處理的N2O排放通量契合程度較高，在返青初期都為微量的負(fù)排放，峰值出現(xiàn)頻次與時(shí)期都較契合，主要集中于拔節(jié)孕穗末期，DS、SP處理的最高N2O排放峰值分別為105.27、82.22 μg/(m2·h)，在分蘗末期也有較高的排放通量，其余時(shí)間N2O呈微量排放甚至吸收狀態(tài)。在AT處理下，N2O排放主要集中在拔節(jié)期與抽穗開花期，這2個(gè)時(shí)期的N2O排放量占晚稻季累計(jì)排放量的62.1%，略高于其他處理。在MT處理下，N2O排放主要發(fā)生在分蘗末期、乳熟期，這2個(gè)時(shí)期排放量對累計(jì)排放量的貢獻(xiàn)相近。在晚季稻SP處理下，N2O排放通量在返青后 7 d 到達(dá)最低值-6.88 μg/(m2·h)，DS、AT和MT處理的N2O排放通量在返青后14 d達(dá)到最低值，排放通量為-16.56～-10.75 μg/(m2·h)。在拔節(jié)孕穗初期，各處理均監(jiān)測出N2O的排放峰，DS處理的N2O排放通量為87.22 μg/(m2·h)，另外3種處理間的N2O排放通量差異不大，為43.60～52.77 μg/(m2·h)。從拔節(jié)孕穗期至收獲期，N2O的累計(jì)排放量呈SP處理(503.03 g/hm2)>DS處理(465.94 g/hm2)>AT處理(454.01 g/hm2)>MT處理(232.20 g/hm2)，分別占晚稻累計(jì)排放量的80.3%、59.4%、78.6%、62.8%(表3)。由計(jì)算結(jié)果可看出，在間歇灌溉模式下，晚稻分蘗末期后為N2O的主要排放時(shí)期，而該時(shí)期MT處理的N2O排放量相對較小。

表3 不同播栽方式下稻田N2O的累計(jì)排放量

2.3 不同播栽方式下早、晚稻產(chǎn)量分析

早稻實(shí)際產(chǎn)量中DS、SP、MT處理的產(chǎn)量為 6 327.43～6 445.78 kg/hm2，其中DS處理的產(chǎn)量最高，SP處理的產(chǎn)量最低；AT處理的產(chǎn)量為 7 233.70 kg/hm2，相較于其他播栽方式的增產(chǎn)效益為12.2%～14.3%，主要由于AT處理秧苗成活率高，種植密度均勻，后期維護(hù)全面等因素產(chǎn)生了增產(chǎn)效益。晚稻產(chǎn)量呈AT處理(7 947.11 kg/hm2)>SP處理(7 719.65 kg/hm2)>MT處理(7 713.70 kg/hm2)>DS處理(7 276.58 kg/hm2)，AT處理僅比SP處理增產(chǎn)3%，結(jié)合產(chǎn)量對比結(jié)果可知，AT處理的優(yōu)勢在晚季稻期并不明顯，可能是由于晚季稻秧苗在早期具有生長環(huán)境帶來的優(yōu)勢，在一定程度上彌補(bǔ)了其他播栽方式對產(chǎn)量造成的影響(圖3)。各稻季AT處理的產(chǎn)量都最高，AT處理的早季稻具有較高的穗粒數(shù)，平均為139.7粒/穗，晚季稻具有較高的有效穗數(shù)，為376.7 萬穗/hm2。在早、晚季稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)中，SP與MT處理的產(chǎn)量數(shù)據(jù)非常相近。均呈早稻產(chǎn)量低的特征，早稻SP處理的穗粒數(shù)較少，平均為78.7粒/穗；早稻MT處理的結(jié)實(shí)率低于各處理平均水平，為73.0%。由此可見，在不同播栽方式中，AT處理具有一定的增產(chǎn)效果，而SP與MT處理之間的產(chǎn)量受播栽方式的影響較小。DS處理受外界環(huán)境影響，使得其產(chǎn)量具有一定的波動(dòng)性，呈早稻較高、晚稻較低的現(xiàn)象，晚稻產(chǎn)量下降可能是由于生長環(huán)境或培養(yǎng)方式的影響，穗粒數(shù)為135.8粒/穗，其他處理的穗粒數(shù)為152.4～155.8粒/穗(圖3)。

2.4 不同播栽方式下GWP、GHGI的分析

如表4所示，在4種播栽方式下，雙季稻田的GWP范圍為4.5～10.3 t/hm2；在不同處理下，CH4排放量的CO2當(dāng)量占GWP的主要部分，N2O占比明顯較??；晚稻的CH4排放量皆大于早稻，因此溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)主要來源于晚稻，各處理晚稻的CH4增溫潛勢占總GWP貢獻(xiàn)的69.5%～82.3%。

在早晚稻生育期內(nèi)，各處理的GWP、GHGI由小到大依次為SP處理、DS處理、AT處理、MT處理，其中DS處理、SP處理的CH4排放量明顯低于其他處理，彌補(bǔ)了N2O較高排放量帶來的減排劣勢。SP處理的GHGI相比AT處理減少了45.8%，比DS處理減少了33.3%。MT處理的GWP大部分來源于晚稻的CH4排放量，占該播栽方式GWP的76.8%。

3 討論

表4 CH4和N2O全球增溫潛勢

由本研究結(jié)果可以看出，雙季稻CH4排放主要來自晚稻，晚稻GWP貢獻(xiàn)大于早稻。N2O對水稻生育期的GWP貢獻(xiàn)較小[8-9，30]，本試驗(yàn)中僅占3.5%～8.2%，因此溫室氣體減排仍然以控制CH4排放為主[31]。雙季稻以SP處理的減排效果顯著，總生育期GWP比DS、AT和MT處理低31.5%～56.1%。在產(chǎn)量方面，AT處理始終具有最高經(jīng)濟(jì)效益，DS處理更易受外界氣候和種植期間人工維護(hù)的影響，MT處理產(chǎn)量與拋秧播栽方式接近。因此計(jì)劃產(chǎn)出量較高的稻作區(qū)可考慮人工插秧，而在結(jié)合節(jié)能減排以及穩(wěn)定增產(chǎn)的角度，拋秧播栽方式為最優(yōu)方法。

4 結(jié)論

在本試驗(yàn)中，4種播栽方式的CH4累計(jì)排放量為148.79～355.84 kg/hm2，N2O的累計(jì)排放量為 1 325.09～1 621.48 g/hm2。早稻季的CH4總排放量呈MT處理>AT處理>SP處理>DS處理，晚稻季呈MT處理>AT處理>DS處理>SP處理，其中晚稻SP處理的CH4總排放量比其他處理低42.2%～60.2%。在水稻生育期，AT、SP、MT處理的N2O累計(jì)排放量為1 325.09～1 361.36 g/hm2，DS處理為1 621.48 g/hm2。N2O的GWP貢獻(xiàn)較小，因此從減排角度出發(fā)，主要考慮CH4排放的影響。早稻產(chǎn)量中，AT處理與其他處理間差異較大，AT處理比其他處理增產(chǎn)12.2%～14.3%。晚稻產(chǎn)量呈AT處理>SP處理>MT處理>DS處理，AT處理較SP處理的增產(chǎn)效果不明顯，僅為3%。早晚稻的GHGI為MT處理>AT處理>DS處理>SP處理。