高温少雨对不同品种水稻CH4和N2O排放量及产量的影响

孙会峰,周 胜*,付子轼,陈桂发,刘国兰,宋祥甫(1.上海市农业科学院生态环境保护研究所,上海 20140；2.上海低碳农业工程技术研究中心,上海 201415；.上海市农业生物基因中心,上海 201106)

高温少雨对不同品种水稻CH4和N2O排放量及产量的影响

孙会峰1,2,周 胜1,2*,付子轼1,2,陈桂发1,2,刘国兰3,宋祥甫1,2(1.上海市农业科学院生态环境保护研究所,上海 201403；2.上海低碳农业工程技术研究中心,上海 201415；3.上海市农业生物基因中心,上海 201106)

利用两个气候条件差异较大的稻季,研究了较高的大气温度(较多年平均升高2.6℃)和较少的降雨量(较多年平均降低36%)对6个品种(花优14、秀水134、秋优金丰、旱优8号、旱优113和早玉香粳)稻田C H4和N2O排放量及产量的影响.研究结果表明,高温少雨稻季中各品种的CH4排放量是常温多雨稻季相应品种的1.8～9.6倍(平均4.0倍).对于花优14、秋优金丰、旱优8号和旱优113来说,高温少雨相对降低2.4%～22.1%(平均12.5%)的水稻产量,其中节水抗旱稻品种(旱优8号和旱优113)平均减产8.6%,明显低于普通稻品种(花优14和秋优金丰)的16.0%.稻田N2O的排放过程短暂而急促,主要取决于施肥和水分管理措施,与气候条件或品种关系不大.CH4是稻田温室气体排放的主要贡献者.在未来气候变化情景下,稻田温室气体减排应以削减CH4排放量为主.

气候变化；温室气体；水稻品种；节水抗旱稻

稻田被认为是CH4排放的重要人为排放源.气温或土温升高可刺激相对较多的水稻根系分泌物或脱落物被释放到土壤,并且很可能被产甲烷菌利用产生更多的CH4[1-2].水稻根系周边的土温升高有可能加快 CH4穿过根系并通过通气组织排向大气[3].因此气温或土温升高将会促进稻田 CH4的产生和排放[2,4].但是,也有研究表明升温对稻田 CH4排放没有显著影响[5-7].近些年来,大量氮肥的过度施用和田间水分管理措施(如中期排水搁田)是导致稻田N2O大量排放的主要原因[8].土温的升高在一定程度上可刺激硝化或反硝化细菌的活性,从而促进 N2O的排放[9].但是,水稻在气温或土温较高的环境下会吸收更多的N素养分,相对减少N素通过N2O的损失,最终引起稻田 N2O的排放对温度升高没有响应[6,10-11].另外,郑循华等[8]在研究稻田N2O的排放规律时指出,在水稻的主要生育期内,适宜硝化和反硝化细菌活动的温度下,明显的 N2O排放只发生在排水或追施氮肥时,与气温或土温关系不明显.

气温升高通过影响水分、离子及有机溶解物在植物体内的移动,继而影响植物的光合和呼吸作用.过度的高温将会导致植物叶片光合作用的明显下调,最终造成其地上部和地下部生物量的降低[12].水稻是世界上主要的粮食作物之一,特别是在亚洲地区,水稻的生产与全球半数人口的温饱问题息息相关.很多研究显示高温往往会造成水稻的显著减产[13-15].

降雨是影响旱地土壤CH4和N2O排放的重要因子.一定强度的降雨引起旱地土壤湿度的骤升,有利于刺激产甲烷菌、抑制甲烷氧化菌,增强CH4的排放[16-17].降雨引起土壤湿度的剧烈变化,提高反硝化细菌的活性,引起 N2O 的排放[18-19].但也有研究发现,过量降雨会抑制CH4和N2O的排放[17,19-20].在旱作农作物生产过程中,因降雨偏少引起干旱胁迫,如不能得到及时灌溉,往往会造成农作物减产.然而,在灌溉稻田中,人工灌溉在一定程度上可弥补水稻生产过程降雨的不足,可保证稻田土壤表面水层深度在一定范围内.相对较频繁的降雨会使大气维持较高的湿度,有效降低气温[21],也许会对CH4和N2O的产生和排放造成一定影响.

关于稻田CH4和N2O排放对气温升高响应的研究中,不同的研究结果可能与不同的试验方法、土壤性质、水稻品种或其他气候条件等因素有关.以往的研究大多是利用 SPAR(Soil-Plant-Atmosphere Research)箱[2]、环境控制玻璃箱[3]、开放式加热管[7]或者土壤中埋设加热线路等[4]人为方式提高气温或土温.这些研究只关注气温或土温的变化对稻田CH4和N2O排放影响,而其他气候条件(如降雨)基本一致,这并不是实际气候情况.因为降雨带来的较高湿度与气温是相互影响的,湿度高通常会使气温降低[21].也就是说,降雨较为频繁的稻季气温相对较低;相反,降雨较为匮乏的稻季气温则相对较高.因此,在实际大田生产过程中,研究比较常温多雨稻季和高温少雨稻季中水稻产量和CH4和N2O排放量的情况,对于预测未来气温升高对水稻生态系统的影响具有更为重要的现实意义.

本研究以上海周边地区种植较为广泛的 3个普通水稻品种(花优14、秀水134、秋优金丰)以及具有节水、抗旱性能的3个节水抗旱稻(旱优8号、旱优113、早玉香粳)为研究对象,通过两季(气候条件:常温多雨和高温少雨)的栽培种植,阐明气温升高和降雨变化对水稻产量及 CH4和N2O排放的影响.具有抗旱性能的节水抗旱稻在灌溉稻田中,具有与普通水稻相似的产量和品质,然而在水分缺乏的环境下,它表现出较强的抗旱性并能减少产量损失[22].

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于上海市奉贤区,上海市农业科学院庄行综合试验站(30°53′N,121°23′E).该地区属于北亚热带季风气候,年平均气温 16℃左右,年平均降雨量在1200mm左右,其中约60%的雨量集中在5～9月的汛期.试验时间为2013和2014年的6月中旬到10月中旬.从水稻移栽后120d的生育期内,2013和 2014年的大气日均温分别为27.3℃(19.0～33.5℃)和24.7℃(14.7～30.2℃),降雨量分别为491mm和763mm(图1).

1.2 土壤基本理化性质

试验地区的耕作层土壤深度约为 15cm,其基本理化性质为:有机质 23.7g/kg,全氮 1.4g/kg,碱解氮105.5mg/kg,土壤容重1.4g/cm,pH值(土水比1:2.5)7.6.

1.3 供试品种

试验选取6个稻类品种作为研究对象.

普通水稻:花优 14(粳型杂交水稻)、秋优金丰(粳型杂交水稻)、秀水134(粳型常规水稻).

节水抗旱稻:旱优8号(粳型杂交旱稻)、旱优113(籼型杂交旱稻)、早玉香粳(粳型常规水稻).

图1 2013和2014稻季大气日均温和日降雨量的季节变化Fig.1 Seasonal changes in daily mean air temperature and daily precipitation during 2013 and 2014 rice growing seasons

表1 不同品种的移栽和收获日期Table 1 Transplant and harvest date of different rice varieties

1.4 栽培及田间管理

试验采用二段育秧法:所有品种的稻种于2013和2014年的5月初进行浸种催芽、育苗盘育苗,5月下旬将育苗盘上的幼苗转移到田间苗圃,6月中旬将苗圃中的幼苗人工移栽到试验小区内(表1),株、行距分别为20、25cm,每穴种植1～2株.每个试验小区的面积为25m2.

不同品种的成熟收获期有所不同(表1).每个品种小区内收割 1m2范围内的水稻(重复 3次),利用小型脱粒机人工脱粒,晾晒后得到晒干重量.再取少许晒干稻谷采用烘箱烘干法测定含水量,即得到烘干重量.标准产量的具体计算方法参考文献[23].

所有品种的施肥、灌溉、打药等田间管理措施一致.氮磷钾的施用量为 225,112.5,255kg/hm2.氮肥按5:3:2的比例作为基肥、蘖肥和穗肥施入;磷肥作为基肥一次性施入;钾肥施用量的 44%以基肥施入,56%以穗肥施入.水稻移栽后35d左右开始中期排水搁田,持续一周时间.

1.5 气体样品采集过程

试验中采用静态密闭有机玻璃箱和自主研发的气体自动采样装置进行气体样品的采集.在水稻移栽后,每个品种小区内埋设 3个尺寸为50cm×40cm×20cm(长×宽×高),带有水槽的有机玻璃底座(侧边有孔),埋入土壤深度为15cm.有机玻璃采气顶箱的尺寸为 50cm×40cm×50cm(长×宽×高),内部顶端中心位置安装12V电池驱动风扇以混匀箱内空气.根据水稻植株的高度,选取 3种不同高度(20、40、60cm)、相同长宽度(50cm×40cm)的有机玻璃底座(侧边无孔)用来调整采气顶箱的高度以进行气体样品的采集.气体自动采样装置包含一个程序控制盒、一块 12V的可充电蓄电池、一个小功率气泵和一组控制气流开关的电磁阀.

首先将采气顶箱安放到底座的水槽中并加水密封,然后将气体自动采样装置上的进气和出气管路与采气箱两侧的通气孔相连形成循环通路,再将风扇连接电源,最后启动该装置.该装置能自动进行 4次气体样品的采集,每两次的时间间隔为6min.气体样品用1L的铝箔气袋进行收集存储.待气体样品采集完成后,将采气顶箱和气体自动采样装置搬回实验室.样品采集时间为无雨天气的 8:00～10:00,采集频率为1次/周.

1.6 排放通量及排放强度的计算

气体样品的CH4和N2O浓度分析测定由气相色谱(安捷伦7820A)搭载自主研发的气体自动进样装置完成.气体自动进样装置可对50个气体样品依次自动进样,间隔时间为 8min.气相色谱设备中配置的氢离子火焰检测器和电子捕获检测器分别用来测定气体样品的 CH4和 N2O浓度.CH4或N2O的排放通量是通过对同一个采气顶箱所获得的4个气体样品的CH4或N2O浓度进行线性回归获得.排放通量随时间的累加计算可得累积排放量.

温室气体排放强度是反映生产单位产量的稻谷时所排放的CO2当量的能力.具体的计算公式参考文献[23].

1.7 统计方法

采用SPSS20.0软件中One-way ANOVA的LSD法对不同年份中不同品种的产量、CH4和 N2O累积排放量及温室气体排放强度之间进行多重比较.采用Microsoft Excel 2013软件绘图.

2 结果与分析

2.1 大气温度及降雨情况

试验地点所在的区域,2008～2012年稻季的大气日均温为24.7℃、降雨量为775mm[24],这与本试验中 2014稻季的大气日均温(24.7℃)及降雨量(763mm)基本一致.这说明2014稻季是该区域较为典型的常温多雨稻季.相反,2013稻季具有较高大气日均温(27.3℃)和较低降雨量(491mm),是一个高温少雨稻季.2013稻季的大气日均温比2014稻季高2.6℃,这个数值已超过《巴黎协议》中设定的2℃红线.《巴黎协议》中的2℃是指未来全球平均气温与工业化前平均气温的差值.而本试验中的 2.6℃是指两个稻季平均气温的差值.然而,研究比较这种气温差异对水稻产量及温室气体排放的影响,对于预测未来气温升高对水稻生态系统的影响具有重要现实意义.

在水稻生长发育的主要需水期(6～9月)内, 2013稻季的降雨量仅为272mm,是2014稻季同期的36%.在未来气候多变的情况下,稻季出现异常气候的情况会时有发生.异常气候情况(如较高气温伴随着较低降雨量)将对水稻产量及温室气体排放量产生一定的影响.

2.2 CH4和N2O排放通量季节变化

图2 不同品种CH4排放通量的季节变化Fig.2 Seasonal variations in CH4fluxes of different rice varieties图中黑色箭头所指示的时间为施肥日期,BF(Base Fertilizer)代表基肥,TF(Tillering Fertilizer)代表蘖肥,HF(Heading Fertilizer)代表穗肥

相同的水分管理下,CH4排放通量的季节变化趋势不受品种的影响,与本课题组的前期结果[23,25]及其他研究结果一致[26-27].从图 2可以看出,中期烤田阶段是 CH4排放通量变化的关键时期.从水稻移栽开始到中期烤田前期,稻田基本上处于淹水状态,气温逐步升高(图1),土壤 Eh值逐渐降低[25],CH4排放通量逐渐增加,其与气温显著线性相关(图3);在中期烤田阶段,稻田表层水消失,土壤氧化还原电位增加,氧气介入,CH4的产生受到抑制,其排放通量迅速减小,在中期烤田末期几乎为零.中期烤田结束复水至水稻收获,稻田土壤处于干湿交替状态, CH4排放通量震荡起伏,其与气温也呈显著线性相关关系(图3).

图3 CH4平均排放通量与大气日均温的关系Fig.3 The relationships between averaged CH4fluxes and daily mean air temperature图中C H4平均排放量为同一采样日期内所有品种的CH4排放量的平均值.中期烤田期间,土壤水分变化是影响CH4排放通量增加的主要因素,因此弃用这期间数据,选用烤田前、后两个时间段内的CH4排放通量和大气日均温数据分别作相关关系图

图4 不同品种N2O排放通量的季节变化Fig.4 Seasonal variations in N2O fluxes of different rice varieties图中黑色箭头所指示的时间为施肥日期,BF(Base Fertilizer)代表基肥,TF(Tillering Fertilizer)代表蘖肥,HF(Heading Fertilizer)代表穗肥

稻田N2O的排放主要与N肥的施用和田间水分管理引起的土壤水分变动有关[8,28-29].在 2013稻季中,除了在施用基肥和穗肥后引起个别品种有较少的N2O排放外,其余时间里N2O的排放通量几乎为零(图4).在2014稻季中,基肥和穗肥的施用并没有引起明显的N2O排放峰的出现,但是在中期烤田初期(由湿变干过程),花优 14、旱优8号、旱优113和早玉香粳有较高的N2O排放通量(图4).

2.3 CH4和N2O累积排放量

高温少雨稻季(2013)中各品种的 CH4排放量是常温多雨稻季(2014)的 1.8～9.6倍(平均 4.0倍)(表 2).这表明高温少雨的气候条件可极大地促进CH4的排放.很多研究同样指出,较高的大气或者土壤温度提高稻田CH4的排放[1-3,30].大气或者土壤温度的增加,刺激产甲烷菌的活性,促进稻田CH4的产生和排放[30];升高的大气或者土壤温度条件下,相对更多的水稻根系分泌物或脱落物被释放到土壤中,产甲烷菌利用这些有机碳源产生和排放更多的CH4[1-2];水稻根系周边较高的土壤温度有可能加速CH4进入根系,通过通气组织排放到大气中[3].另外,稻田田面水温度的增加,会引起CH4的溶解度有所减小,相对促进其排放.这有可能是造成高温少雨稻季的生长前期 CH4排放通量较大的原因之一.另外,在特定的温度下,大气湿度与植物的蒸腾速率呈负相关关系.高温少雨稻季较低的大气湿度可能会提高水稻的蒸腾速率,从而增加溶有CH4的水分被运移到地上部分,最终促进CH4通过叶鞘微孔释放到大气中.在不同稻季中,普通稻和节水抗旱稻品种的平均CH4排放量间并没有明显差异.秀水 134和早玉香粳的CH4排放量相对较低(表2).

稻田施用铵态氮肥后,硝化/反硝化细菌利用氮素养分,经硝化/反硝化作用产生并排放 N2O.稻田的水分管理措施(如中期烤田)致使土壤处于干湿交替状态,非常有利于 N2O的产生和排放

[28].常温多雨稻季中各品种的N2O排放量均高于高温少雨稻季(表2),这可能与多雨稻季中较高频率降雨引起土壤较频繁的干湿交替有关.然而,从整个稻季来看,较为明显的N2O排放是短暂而急促的,而且主要是由施肥和田间水分管理造成的.尽管不同品种水稻的根系、地上部生物量及对N肥的吸收利用效率会有所差异,但是N肥的施用量要高于水稻的需N量,因为当地常规施肥条件下N肥的吸收利用率仅为28.7%～40.2%[31].多余的 N素养分会在土壤微生物转化过程中形成N2O.因此,稻田N2O的排放主要取决于施肥和田间水分管理,可能与品种无关.

CH4平均排放通量为同一采样日期内所有品种的CH4排放通量的平均值.中期烤田期间,土壤水分变化是影响 CH4排放通量变动的主要因素,因此弃用这期间数据,选用中期烤田前、后两个时间段内的 CH4排放通量和大气日均温数据分别作相关关系图.

表2 不同品种的CH4和N2O累积排放量Table 2 Seasonal total CH4and N2O emissions ofdifferent rice varieties

2.4 产量及温室气体排放强度

Kim等[32]利用CERES-Rice 4.0作物模型模拟研究东亚温带季风气候区域内气候变化对水稻产量的影响时指出,大气温度的升高会显著降低 22.1%～35.0%的水稻产量.本研究中,除秀水134和早玉香粳的产量小幅提高(3.5%～4.7%)以外,高温少雨稻季中各品种的产量较常温多雨稻季减产 2.4%～22.1%(表 3).较高的大气温度会引起叶绿体的损伤和光合作用强度的降低,花粉的生产减少和颖花的不育,较强呼吸作用增加能量损耗,最终造成水稻的减产[13].另外,大气温度升高也能缩短水稻的生育期,不利于水稻光合产物和营养元素向稻穗的转移[14].

与常温多雨稻季相比,高温少雨稻季的普通稻品种(花优 14和秋优金丰)产量的平均降低幅度为16.0%,而节水抗旱稻品种(旱优8号和旱优113)产量的平均降低幅度只有8.6%(表3).就各品种的产量来说,节水抗旱稻具有较好的抗旱性,在高温少雨稻季没有较大幅度的减产.节水抗旱稻能够在较为干燥的环境下相对减少产量损失,这源于其能够维持较高的水势以保证本身正常的新陈代谢[22].与普通稻相比,节水抗旱稻可能具有较强大的根系系统以高效地利用水分,较厚的叶片蜡质层以减少水分损失,或较发达的泡状细胞以利于叶片卷缩、减弱蒸腾作用带来的水分损失[22].在常温多雨稻季,普通稻品种的平均产量(8.3t/hm2)略高于节水抗旱稻品种(7.9t/hm2);而在高温少雨稻季,普通稻和节水抗旱稻品种的平均产量基本一致.

表3 不同品种的产量及温室气体排放强度Table 3 Rice yield and greenhouse gas emission intensity of different rice varieties

温室气体排放强度是反映生产单位产量的稻谷时所排放的CO2当量的能力.高温少雨和常温多雨稻季各品种的 CH4平均贡献率分别为93.1%和 63.4%,由此可见,CH4是稻田温室气体排放强度的主要贡献者.高温少雨稻季各品种水稻的温室气体排放强度是常温多雨稻季的1.3～6.9倍(平均2.7倍)(表3).高温少雨稻季较大的 CH4排放量和较少的水稻产量最终引起较高的温室气体排放强度.在不同稻季中,普通稻和节水抗旱稻品种的温室气体排放强度变化范围基本一致,没有明显差异.

3 结论

3.1 与常温多雨稻季相比,高温少雨稻季中各品种的CH4排放量平均增加3.3倍.高温少雨气候条件极大地促进稻田CH4的排放.

3.2 高温少雨可明显降低多数品种(花优14、秋优金丰、旱优8号和旱优113)的产量,其平均减产幅度为 12.5%.节水抗旱稻品种的减产幅度明显低于普通稻品种.

3.3 稻田 N2O的排放短暂而急促,主要取决于施肥和水分管理措施,与品种关系不大.

3.4 稻田温室气体排放强度的主要贡献者是CH4.因此,在未来气候多变的环境下,要控制减少水稻生产过程中温室气体的排放量,应先选取合适的水稻品种,并以减少CH4排放为主,再适当调控N2O排放,从而达到减少温室气体排放强度的目的.

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Effects of high temperature and low precipitation on CH4and N2O emission and yield of different rice varieties.

SUN Hui-feng1,2, ZHOU Sheng1,2*, FU Zi-shi1,2, CHEN Gui-fa1,2, LIU Guo-lan3, SONG Xiang-fu1,2(1.Eco-Environmental Protection Research Institute, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai 201403, China；2.Shanghai Engineering Research Center of Low-carbon Agriculture, Shanghai 201415, China；3.Shanghai Agrobiological Gene Center, Shanghai 201106, China). China Environmental Science, 2016,36(12)：3540～3547

Two rice growing seasons with contrasting climate conditions was employed to study the effects of high temperature (2.6℃ above normal average) and low precipitation (36% lower than normal average) on CH4and N2O emission and yield of six rice varieties (Huayou 14, Xiushui 134, Qiuyoujinfeng, Hanyou 8, Hanyou 113, and Zaoyuxiangjing). The results showed that total CH4emissions of all varieties in the rice growing season with high temperature and low precipitation were 1.8～9.6times (4times in average) of that values in the normal season. High temperature and low precipitation condition caused yield loss by 2.4%～22.1% (12.5% in average) of four varieties (Huayou 14, Qiuyoujinfeng, Hanyou 8, and Hanyou 113), and the average reduction rate of 8.6% for Water-saving and Drought-resistance Rice (Hanyou 8 and Hanyou 113) was much lower than that of 16.0% for non-WDR rice (Huayou 14 and Qiuyoujinfeng). The N2O emission from rice paddies was characterized by pulse and short-interval, and dependent mainly on fertilization and water management rather than climate condition or rice variety. CH4emission was the major contributor in greenhouse gases emission in rice paddies under both climate conditions. The results indicated that CH4emission reduction should be paid attention to mitigate greenhouse gases emission from rice paddies in global climate change scenario in the future.

climate change；greenhouse gas；rice variety；water-saving and drought-resistant rice (WDR)

X511

A

1000-6923(2016)12-3540-08

孙会峰(1983-),男,山东沂水人,助理研究员,博士,主要从事农田温室气体减排、面源污染控制研究.已发表论文10余篇.

2016-04-16

国家自然科学基金项目(41375157);科技部国家科技支撑项目(2013BAD11B02)

* 责任作者, 研究员, zhous@263.net