根区施加鸭排泄物对水稻生长及甲烷排放的影响

2017-12-29赵本良沈启斌章家恩王秋爽汤薇

生态科学 2017年6期

赵本良, 沈启斌, 章家恩,*, 王秋爽, 汤薇

赵本良1,2, 沈启斌1, 章家恩1,2,*, 王秋爽1, 汤薇1

1. 华南农业大学, 广州 510642 2. 农业部华南热带农业环境重点开放实验室, 广东省现代生态农业与循环农业工程技术研究中心, 广州 510642

为阐明鸭排泄物在根区表层分布对水稻生长和释放甲烷的影响, 以黄华占和麻鸭排泄物为材料, 采用隔离根区的方式进行了水稻培养的室内试验, 设计了三个排泄物施加位置处理包括近根部施加排泄物(NR)、远根部施加排泄物(FR)、内外同时施加排泄物(NFR)和不添加排泄物的对照(CK), 测定了水稻株高、生物量、根系活力、叶绿素含量和甲烷排放量等指标的变化。结果表明, 24天后, NR、FR和NFR处理中水稻株高相比对照显著增加了11%、17%和16%, FR和NFR处理的日均株高增长量比对照增加了46%和35%, 水稻基部施加鸭排泄物有助于株高的增长。与对照相比, NFR、FR处理的地上部分生物量显著增加了19%和20%, 排泄物处理NFR、FR、NR中的根系生物量相比对照显著升高了40%、80%和42%, 不同位置施加鸭排泄物造成了水稻地上部分和根系生物量的显著变化。FR处理的根冠比相比对照显著升高了45%。NFR、FR和NR处理中的地上植株含水率均没有显著差异。相比对照, 施加鸭排泄物的处理FR、NFR中水稻叶片的叶绿素含量显著提高了5.5%和8.0%, 施加排泄物处理NFR中水稻根系活力显著高于对照67%, 排泄物的施加有利于水稻生长。NR和FR处理的甲烷排放通量在第24天和对照相比显著降低了59%和47%, 总之, 在根区不同位置施加鸭排泄物对水稻生长和甲烷排放特性有显著的影响。

稻鸭共作; 鸭排泄物; 温室气体; 甲烷排放; 水稻生长

1 前言

稻田是温室气体甲烷排放的一个重要源头, 稻田中产生的甲烷主要通过水稻植株释放、气泡逸出和液相扩散的途径排出, 稻田中相当一部分甲烷(60%—90%)是通过水稻根系经由植株输送到大气[1–2]。水稻植株作为稻田甲烷排放的重要途径, 其所排放到大气的甲烷量受土壤产甲烷(源头)、水稻根际甲烷氧化(耗损)及水稻植株地上部输送(转运)的影响[3–4], 其净排放量最终取决于稻田甲烷产生和氧化的平衡, 因此, 水稻的生长状态和甲烷排放的情况有密切关系。

稻田种养农业模式是在我国传统的稻田养殖技术基础上发展来的系统化、科学化的生态农业模式, 包括稻鸭共作、稻鱼共作、稻蟹共作、稻蛙共作等。稻田种养模式将养殖生物个体引入稻田, 利用生物活动促进水稻健康生长, 而水稻则为生物提供生活环境, 实现水稻和生物的共生互利。如稻鸭共作中鸭子不断取食稻田昆虫、水生动物、杂草, 改善了水稻群体的通风透光, 达到了控制水稻病害、虫害和杂草的效果[5]。目前的研究证实, 稻田种养农业模式还影响稻田甲烷的释放过程, 如对稻-鱼-萍模式连续3年的研究表明, 该模式中甲烷排放比水稻单种低34.6%[6]。对稻鱼共生模式的甲烷排放研究表明, 稻鱼共作的甲烷排放高于水稻单种模式[7]。实施稻鸭共作后水稻生育期间的甲烷排放量比不放鸭处理的对照减少19.3%[8], 因为鸭子活动会造成稻田土壤产甲烷菌数量减少、土壤氧化还原状况改善以及水体溶氧含量增加等[3]。同时, 也有研究发现水稻根系的甲烷氧化速率在模拟鸭子触碰扰动下有显著提高[9], 因此, 鸭子活动对稻田甲烷的释放有重要影响。鸭子在田间的排泄是稻田养分循环的一个重要环节, 其排泄物中含有大量C、N、P等[10–11], 但目前对鸭子排泄改变土壤性质影响水稻甲烷释放的研究仍十分缺乏。本研究试图分析鸭排泄物在水稻根区土壤表层的不均匀分布背景下, 水稻的生长及其甲烷释放过程的响应特征, 以期揭示鸭子行为活动对稻鸭模式中甲烷释放的影响机理, 为进一步理解稻鸭共作技术的低碳效应提供参考。

2 材料与方法

2.1 供试材料

供试水稻品种为黄华占; 排泄物来自麻鸭, 其中含有机碳62.53 mg·g-1, 全氮4.22 mg·g-1, 全磷5.24 mg·g-1。试验所用土壤采自华南农业大学教学科研基地稻田(N23°10′0.25″ E113°21′47.54″), 土壤pH 值6.2, 有机碳30.06 g·kg-1, 速效氮0.12 g·kg-1, 有效磷50.81 g·kg-1, 速效钾52.30 g·kg-1。土壤风干后过5 mm孔径筛网进行盆栽试验, 盆栽水稻在室内温室种植。

2.2 试验设计

选取株高25 cm左右, 生长状态一致的秧苗, 移栽至容积为1000 ml塑料杯内。称量800 g土, 加水保持水面高度3 cm。按照排泄物添加在水稻根部的位置不同, 通过自制的圆环隔离装置(图1), 将圆环装置置于培养杯正中, 嵌入表层土中3 cm, 移栽水稻位于圆环正中, 设计3个处理和1个对照(CK), 其中3个处理分别为: 在圆环内部靠近根部施加排泄物(NR, excrement near roots)、在圆环外部远离根部施加排泄物(FR, excrement far from roots)和在圆环内外同时施加排泄物(NFR, excrement near and far from roots together), 每处理4个重复。

图1 表层排泄物隔离装置

根据文献报道及前期研究[5, 10–12], 按照鸭子日均排粪0.13 kg, 每667 m²放鸭15只以及盆栽土壤面积63.59 cm²计算, 试验周期内每株盆栽水稻施加鸭排泄物0.52 g。每天补充水分保持水面高度3 cm, 温室盆栽24天。

2.3 测定方法

试验结束后测定处理和对照的水稻生物量、含水率、叶绿素含量和根系活力; 盆栽12天和24天时测定水稻株高和甲烷释放量。用直尺、天平测定株高和生物量。甲烷的收集采用静止箱技术[13], 甲烷测定采用气相色谱Thermo Trace 1300。叶片叶绿素含量测定采用乙醇提取法[14]。根系活力测定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[15]。根据结果, 分别采用公式(1)、(2)和(3)计算日均株高增长量()、根冠比()及甲烷排放通量()[16]。

其中,－日均株高增长量(cm·d-1);H－测定时的株高(cm);0－试验前株高(cm),－12, 24 d。

其中,－根冠比;r－水稻根系鲜重(g);a－水稻地上部分鲜重(g)。

其中,－甲烷排放通量(mg·m-2·h-1);－甲烷摩尔质量(g·mol-1);－大气压(Pa);－采样箱内的绝对温度(K);－采样箱有效高度(m);－气体摩尔质量(g·mol-1);－甲烷浓度随时间变化率[16]。

2.4 统计分析

数据整理后用SPSS 19.0进行方差分析(邓肯新复极差法), 采用OriginPro 2017绘图。

3 结果与分析

3.1 排泄物表层分布差异对水稻株高的影响

与对照处理相比(图2), 至24天NR、FR和NFR处理中水稻株高显著增加了11%、17%和16%(df=15,<0.05), 水稻基部施加鸭排泄物有助于株高的增长。水稻日均株高增长量在第12天没有出现显著差异(df=15,>0.05), 而后出现分化, 至24天, 相比对照, NR、FR和NFR处理出现了较高的日均株高增长量, FR和NFR处理比对照分别增加了46%和35% (df=15,<0.05), 鸭排泄物的添加促进了水稻株高的增长。

3.2 排泄物表层分布差异对水稻生物量的影响

由图3可知, 鸭排泄物在土壤表层的分布不同, 水稻地上部生物量也存在显著差异(df=15,<0.05)。其中, 与对照相比, NFR、FR处理的地上部生物量显著增加了19%和20% (<0.05)。施加排泄物的三个处理NFR、FR、NR之间没有显著差异(>0.05)。NR处理中水稻地上部生物量和对照相比也没有出现显著变化(>0.05), 这说明距离根系不同位置施加排泄物对水稻地上部生物量的影响存在差异。在距离水稻根系的不同位置施加鸭排泄物也造成了水稻根系的显著变化, 其中, 排泄物处理NFR、FR、NR中的水稻根系生物量相比对照显著升高了40%、80%和42%(df=15,<0.01), 而FR处理的水稻根系生物量显著高于NR和NFR处理(<0.05), 远离水稻根系施加排泄物时更有利于水稻根系的生长。

注: NR-近根部施加排泄物, FR-远根部施加排泄物, NFR-内外同时施加排泄物, CK-不添加排泄物。

3.3 排泄物表层分布差异对根冠比和含水率的影响

图4表明, 排泄物表层分布造成水稻根冠比发生显著变化(df=15,<0.05), 其中, FR处理的根冠比相比对照显著升高了45%(<0.05), 排泄物NR、FR和NFR之间没有显著差异(>0.05), NR、NFR处理和对照相比也没有显著变化(>0.05), 在水稻根系外围施加排泄物有利于提高水稻的根冠比。和对照相比, 三个处理的水稻地上部含水率均没有显著差异(df=15,>0.05)。

3.4 排泄物表层分布差异对水稻叶绿素含量的影响

由图5可知, 水稻叶片叶绿素在施加排泄物的不同处理中发生了显著变化(df=15,<0.05)。相比对照, 施加鸭排泄物的处理FR、NFR中水稻叶片的叶绿素含量显著提高了5.5%和8.0%(<0.05), 排泄物的施加有利于水稻生长。在根系内侧施加排泄物的叶片叶绿素含量和对照相比没有显著差异(>0.05)。

注: NR-近根部施加排泄物, FR-远根部施加排泄物, NFR-内外同时施加排泄物, CK-不添加排泄物。

3.5 排泄物表层分布差异对水稻根系活力的影响

图6表明, 在施加排泄物后, 不同处理中水稻根系活力的变化存在差异(df=15,<0.05)。处理NFR中水稻根系活力显著高于对照67%(<0.05), 而NR、FR处理的水稻根系活力和对照相比没有显著差异(>0.05)。排泄物的施加促进了水稻根系活力提升, 根系活力变化与排泄物的施加位置有一定关系。

3.6 排泄物表层分布差异对水稻甲烷释放的影响

不同排泄物表层分布造成水稻甲烷释放通量的差异(图7)。其中, 第12天的NFR、FR、NR处理的甲烷排放通量和对照没有显著差异(df=11,> 0.05), 第24天的处理和对照的甲烷排放通量之间存在显著差异(df=11,<0.01), NR、FR处理的甲烷排放通量和对照相比出现了显著降低了59%和47% (<0.05), 而NFR处理和对照没有显著差异(>0.05), NR处理和NFR处理之间存在显著差异(<0.05)。结果表明, 排泄物在不同位置的施加改变了水稻甲烷释放的情况, 在根系内侧和外围同时施加排泄物可能造成水稻表层土壤甲烷功能菌群的不同响应。

注: NR-近根部施加排泄物, FR-远根部施加排泄物, NFR-内外同时施加排泄物, CK-不添加排泄物。

4 讨论

在稻鸭共作期间, 鸭的排泄物具有的碳、氮、磷等元素可不断扩散于水中, 鸭子排泄活动类似于对水稻施肥, 补充较多的肥力养分, 提高了稻鸭共作系统的物质循环效率, 可以减少肥料使用[12]。稻鸭共作归还稻田土壤的磷量以鸭排泄物磷占明显优势[11]。此外, 稻鸭共作改变了速效磷、速效钾和活性有机碳在水稻根域土壤的相对富集部位, 对水稻根系吸收和利用土壤养分具有促进作用[17], 这与稻鸭共作中鸭子活动频繁有关; 同时, 鸭群游动会导致水中鸭排泄物的迁移, 使排泄物在水平方向产生不同程度的聚集, 这种不均匀的营养分布格局会造成水稻生长状况的差异, 影响水稻根系形态[18]。本试验中模拟鸭排泄物在距离根系不同位置的结果表明, 水稻的株高、生物量、根系状态等均受到了明显影响。

氮素作为水稻生长发育和产量形成的必要因子, 水稻生长关键时期的氮亏缺会影响水稻增产[19–20]。本试验中, 施加的鸭排泄物中含有一定的氮素, 施加排泄物后水稻株高显著增加, 水稻株高的增长速度也有增加, 这可能与氮素含量的增加有关。如随着施氮量的增加, 籼稻银晶软占的株高显著增加[21]。也有研究指出增施氮肥可显著提高水稻根重和地上部生物量, 但会降低了水稻的根冠比[22], 其中铵态氮明显促进了旱稻和水稻的生长, 导致株高、地上部干重的显著增加[23]。本研究表明在外围施加排泄物处理的水稻的根系生物量和根冠比均增加, 这可能与水稻根系的生长特性有关, 水稻生长初期根系主要以横向扩展为主, 分蘖期根系向斜下方伸长[18], 使水稻根系生长延伸到隔离环外层的根系较多, 处理中水稻更能迅速吸收施加的鸭排泄物中的养分, 排泄物在表层分布的位置影响了水稻根系的发育。

氮肥的施用能促进根系的生长及根系活性, 有利于根系对养分的吸收[24]。本文研究结果也表明在根系内外围施加排泄物后水稻根系活力明显提高, 这与该处理中水稻根系生物量提高的表现一致, 排泄物中的氮素促进了水稻根系活力的提升。此外, 氮素也是形成叶绿素和Rubisco酶的重要组成部分, 和光合作用密切相关[25], 研究发现, 杂交水稻“两优培九”叶片的叶绿素总含量随氮肥水平的提高而提高[26]。试验中, 施加鸭排泄物的处理FR、NFR中叶片的叶绿素含量显著提高, 这可能与鸭排泄物的局部施用强化了水稻的氮素营养有关。

稻田是温室气体甲烷排放的一个重要源头, 水稻植株所排放到大气的甲烷量取决于水稻根际甲烷氧化耗损及水稻植株地上部输送效率[3–4]。本研究中, 水稻的根系甲烷氧化增强可能造成是甲烷通量降低的一个重要因素。根系泌氧是湿地植物长期进化来的适应水体环境的重要生理功能[27], 影响着根际甲烷氧化过程。湿地植物的根系生物量和根系泌氧之间存在显著正相关关系[28], 水稻根系生物量的提高会强化根际对氧的需求量, 间接提高根系泌氧量, 有利于根际甲烷氧化微环境的形成, 拓展氧在根际的扩散范围, 导致好氧甲烷氧化菌的增殖加速, 抑制产甲烷菌, 最终降低通过植株释放的甲烷总量。本文研究结果表明NR、FR处理在第24天的甲烷排放通量显著降低, 在根系内侧或者外围施加排泄物可能造成了水稻根际的甲烷损耗, 而NR、FR处理的根系生物量均明显高于对照, 因此, 甲烷氧化增强效应与水稻根系生物量的升高有关。此外, 在NFR处理中, 施加排泄物后为甲烷菌提供了丰富碳源, 促进了产甲烷活性, 抵消了水稻根系生物量提高产生的甲烷损耗效应, 因此, NFR处理中甲烷排放通量未有显著差异。

5 结论

1) 添加鸭排泄物后, 水稻在株高、生物量、根冠比、叶绿素含量、根系活力等方面表现出和对照不同的特征。添加鸭排泄物有利于水稻株高的显著增加, 也促进了水稻日均株高增长量的提高。鸭排泄物也有利于水稻地上生物量和根系生物量的显著升高, 远离根部施加排泄物可以提高水稻根冠比。地上植株含水率不受鸭排泄物施加的影响。远根部施加排泄物可以提高水稻叶片叶绿素含量。

2) 远根部施加排泄物和近根部施加排泄物24天后水稻的甲烷排放通量显著降低, 鸭排泄物在稻鸭共作系统中具有调控水稻生长和温室气体释放的作用。

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Effects of duck excrement addition in root zone on rice growth and methane emission

ZHAO Benliang1,2, SHEN Qibin1, ZHANG Jiaen1,2,*, WANG Qiushuang1, TANG Wei1

1. South China Agricultural University, Guangzhou, 510642, China 2. Key Laboratory of Agro-Environment in the Tropics, Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China, Guangdong Engineering Research Center for Modern Eco-agriculture and Circular Agriculture, Guangzhou, 510642, China

In order to clarify the effects of the distribution of excrement from mud duck on growth and methane emission ofL. (Huanghuazhan), an indoor experiment was carried out by dividing the root zone into two subzones with or without duck excrement application. Three treatments including excrement near roots (NR), excrement far from roots (FR), and excrement near and far from roots (NFR) were designed and no excrement addition was used as control (CK). The changes of plant height, biomass, root activity, chlorophyll content and methane flux were measured. After 24 days, the plant height of rice was 11%,17% and 16% higher in the NR, FR and NFR treatment compared with that in CK (P<0.05). The height increase per day of rice in FR and NFR was 46% and 35% higher than that of CK (<0.05). The NFR and FR treatments significantly increased the aboveground biomass by 19% and 20% compared with CK. The root biomass in NFR, FR and NR was 40%, 80% and 42% higher than that of CK. The root/shoot ratio in FR was significantly increased by 45% compared with that of control. There was no significant difference in the water content of the aboveground part of rice in NFR, FR and NR. Compared with the control, the chlorophyll content of rice leaves in NFR and FR was significantly increased by 8.0% and 5.5%and the root activity of rice in NFR was significantly enhanced by 67%. The methane emission flux in NR and FR was 59% and 47% lower than that of the control at day 24 (p<0.05). Application of duck excrement in two root zones significantly affects the growth and methane emission ofL.

rice-duck farming; ducks excrement; greenhouse gas; methane emission; rice growth

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.001

Q142.3

1008-8873(2017)06-001-07

2017-02-17;

2017-04-05

国家自然科学基金(U1131006, 30900187, 31300371); 珠江科技新星(201506010042); 广东省现代农业产业技术体系创新团队建设项目(2016LM1100); 广东省科技计划项目(2015B090903077,2016A02010094);广州市科技计划项目(201604020062); 广东省自然科学基金(2016A030313410); 广东省高校优青计划(YQ2015026); 广东教育厅青年创新项目(2014WQNCX02, 2015KQNCX108); 大学生创新创业项目(201410564009, 201510564390, 201614278082, 201614278037);广东大学生科技创新专项(Pdjh2016b0373, Pdjh2016b0374)

赵本良(1980—), 男, 山东人, 博士, 副教授, 主要从事农业生态学研究, E-mail:blzhao@scau.edu.cn

章家恩, 男, 博士, 教授/副院长, 主要从事农业生态学研究, E-mail: jeanzh@scau.edu.cn