旱管种植节水抗旱稻的温室气体减排效应研究

张鲜鲜,毕俊国,孙会峰,王 从,张继宁,谭金松,周 胜∗

(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 201403;3农业农村部东南沿海农业绿色低碳重点实验室,上海 201403;4上海市农业生物基因中心,上海 201106)

当前全球温室气体年均排放量处于人类历史上的最高水平[1],降低温室气体排放强度是各领域绿色低碳发展转型的必经之路。农业是温室气体甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的重要排放源,贡献了全球人为温室气体排放的11%,其中CH4和N2O排放分别约占到全球人为排放量的36%和66%[1]。水稻作为农业的重要组成部分,在为全球一半以上人口提供粮食的同时[2],也是农业温室气体的重要排放源。稻田温室气体排放以CH4为主,约占全球人为CH4总排放量的8%[3]。因此,平衡水稻产量和温室气体排放二者之间的关系,在保证产量的同时降低综合温室效应,对我国粮食安全和双碳目标的实现具有重要意义。

稻田水分状况对水稻产量和温室气体排放起关键调控作用,淹灌稻田的极端厌氧环境是产生CH4的必要条件。薄浅湿晒[4-7]、干湿交替灌溉[8-10]等节水灌溉措施均能改善土壤通气状况,有效抑制稻田CH4排放,但会导致N2O排放大量增加;此外,水稻产量随着土壤水分含量的降低存在一定的减产风险,且随水分胁迫程度的加剧而加大[11-13]。因此,节水灌溉措施耦合抗旱性强的水稻品种,有利于保证产量稳定、进一步挖掘稻田减排潜力。

节水抗旱稻系我国自主研发,兼具水稻和旱稻特性,可采用旱管模式进行种植[14]。研究表明,节水抗旱稻在节水76%灌溉条件下CH4排放量降低89%,N2O增加37%,且减产幅度低于普通水稻[15];旱管模式下CH4排放降低70%—90%,且产量较为稳定[16],但节水灌溉和节水抗旱稻组合技术是否能在年际间稳定地平衡产量、灌溉量与综合温室效应三者之间的关系,仍需要进一步论证。本试验基于已有研究基础,持续开展水分管理模式和水稻类型双因素试验,综合评估水分管理模式对节水抗旱稻田温室效应的影响,筛选低投入、低排放和高产出的稻田减排技术,以期为水稻的低碳转型提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 样地概述

试验区位于上海市农业科学院庄行综合试验站(30°53′N,121°23′E)内,属北亚热带季风气候,年平均气温16℃,年平均降水量1 200 mm,其中约60%的降水集中在5—9月的水稻生长季。本研究于2019—2021年稻季开展,年大气平均温度分别为25.9℃(19.9—32.0℃)、26.7℃(18.7—31.8℃)和27.2℃(20.2—30.9℃),降水量分别为845 mm、947 mm和1 050 mm。试验地耕作层土壤深度约为15 cm,基础理化性质为:土壤容重1.1 g∕cm3,pH(土水比1∶2.5)6.7,土壤有机碳含量16.5 g∕kg,全氮含量2.4 g∕kg。

1.2 试验设计和田间管理

采用水分处理和水稻类型双因素试验设计,水分处理包括持续淹灌和旱管种植;供试品种为节水抗旱稻‘旱优73’及常规栽培稻‘H优518’(对照)。每个处理3个重复,共计12个小区。小区面积为36 m2,田埂覆膜并辅以保护行,防止小区间水分串扰。

5月下旬或6月上旬进行水直播种植,水直播前各小区淹水浸泡1周,平地。将供试稻种浸种24 h、培养24—26 h进行催芽。以20 cm×23 cm的株行距进行穴播,每穴5粒。

3叶1心时(播种后20—25 d)开始水分管理,具体为:淹灌小区田面水位在稻季长期保持在10 cm左右,水稻收获前一周落干;参考行业标准NY∕T 2862—2015中旱管种植技术,整个生长发育期间用水以自然降水为主,在缺水敏感期(如出苗期、分蘖期和孕穗灌浆期)适当灌溉。

水稻播种前一次性施入600 kg∕hm2的复合肥(N∶P2O5∶K2O=16∶16∶16),无追肥。杀虫剂等农药遵照农事指导,田间杂草进行人工拔除,9月上中旬收获。

1.3 气体样品采集与测定

采用静态明箱-气相色谱法进行气体样品的采集与测定[17]。静态明箱采用有机玻璃制作,包括底座、延长箱和顶箱。底座带有水槽,且侧边均匀打孔(直径1 cm);顶箱内顶部中间位置安置一个电池驱动的12 V风扇,并随着植株生长叠加延长箱。在水直播前,将底座插入土壤15 cm左右,内种植4穴植株。为降低误差,每个小区设置两个底座,每个处理重复6次。以半自动气体采样装置采集气体样品,该装置包括1个12 V的可充电电池、1个气泵、1个电路板盒和1组三通直动式电磁阀,电磁阀末端连接4个1 L的铝箔气袋。样品采集前,将箱体扣入底座水槽中并以水密封,连接箱体与气体自动采样装置上的进气和出气管路,箱体内风扇接入电源后启动装置进行样品采集。每个采样点收集4个气体样品,存于铝箔气袋中,样品采集时间间隔为6 min。于无雨天气的上午8:30—11:00进行样品采集,1周2次,整体采样频次约占大田生长期的30%。气体样品运回实验室后,由配置了自主研发气体自动进样装置的气相色谱仪进行CH4和N2O浓度的批量测试分析。气相色谱仪安装了氢离子火焰检测器和电子捕获检测器以测定CH4和N2O的浓度。假设采样期间箱内CH4和N2O浓度线性增加,以线性拟合算法获得CH4和N2O排放通量,并对全生育期的排放通量进行差值求和,计算稻季的温室气体排放总量。

综合温室效应以全球增温潜势(GWP,kg CO2-eq∕hm2)为指标衡量稻田温室气体对全球变暖的贡献,温室气体排放强度(GHGI,kg CO2-eq∕kg yield)是以产量为基础表征生产过程中温室气体排放能力的综合性指标,计算公式如下:

其中,ECH4和EN2O分别为稻季CH4和N2O的排放总量(kg CH4∕hm2或kg N2O∕hm2),28和265分别表示百年尺度上,CH4和N2O增温潜势是CO2的28倍和265倍,RY表示稻谷标准产量(t∕hm2)。

1.4 产量

水稻收获时每小区单独收割,利用小型脱粒机进行人工脱粒后晾晒、去杂获得晒干重,后取少量稻谷烘干获得晒干稻谷的含水量,用于计算稻谷烘干质量(DW,t∕hm2)。稻谷标准产量(RY,t∕hm2)的计算公式为:

式中,13.8%为籼型稻类品种适合仓库存储的标准含水量。

2 结果与分析

2.1 稻田CH 4排放季节变化规律

稻田CH4排放通量的季节变化取决于水分管理模式,受水稻类型影响较小,如图1A所示。不同年际间,淹灌稻田和旱管稻田的CH4排放通量差异较为一致,淹灌处理稻田的CH4排放通量显著高于旱管稻田。2019—2021年淹灌处理的CH4平均排放通量分别为11.93 mg∕(m2·h)、9.99 mg∕(m2·h)和8.51 mg∕(m2·h),分别是旱管处理的6.23倍、2.95倍和12.84倍,二者之间存在显著性差异。

淹灌处理下,节水抗旱稻品种‘旱优73’和常规栽培稻品种‘H优518’的CH4排放通量季节变化规律基本一致。淹灌稻田的CH4排放通量峰值出现在水稻分蘖期和抽穗期,而旱管处理的稻田CH4排放通量峰值发生在水分管理开始前,水分管理开始后由于田间水分落干导致CH4排放通量出现一个较大的峰值。

2.2 稻田N2O排放季节变化规律

稻田N2O排放主要是由施肥引起,受水分管理模式和水稻类型影响较小。由图1B可知,淹灌稻田和旱管稻田的N2O排放峰值出现在水分管理处理前,主要是由水直播时一次性施肥引起。水分管理处理后各处理稻田的N2O排放峰值趋近于0。淹灌稻田和旱管稻田的N2O排放通量差异不显著,2019—2021年淹灌处理的稻田N2O平均排放通量分别为0.47 mg∕(m2·h)、0.04 mg∕(m2·h)和0.03 mg∕(m2·h),而旱管稻田分别是0.63 mg∕(m2·h)、0.05 mg∕(m2·h)和0.01 mg∕(m2·h)。

图1 稻田CH4排放通量(A)和N2 O排放通量(B)的变化规律Fig.1 Variations in CH 4 fluxes(A)and N2O fluxes(B)in rice fields

2.3 稻季CH 4和N2O的累积排放量

与淹灌处理相比,旱管稻田显著降低了稻季CH4的累积排放量,年际间变化规律一致(图2A)。方差分析结果表明,不同处理下稻季CH4的累积排放量存在年际间差异,受水分管理模式影响,但不受水稻类型影响(表1)。2019—2021年淹灌处理稻季CH4排放量分别为334.25 kg CH4∕hm2、252.95 kg CH4∕hm2和238.00 kg CH4∕hm2,与之相比,旱管处理显著降低稻季CH4排放量,降低幅度为90.19%、70.02%和94.58%。与‘H优518’淹灌处理相比,‘旱优73’旱管处理在三年间CH4累积排放量的降低幅度分别为91.11%、77.09%和93.08%。

图2 稻季CH 4累积排放量(A)、N2 O累积排放量(B)和全球增温潜势(C)Fig.2 Seasonal CH 4 emissions(A),N2 O emissions(B)and global warming potential(C)from rice fields

稻季N2O累积排放量在淹灌和旱管处理间、不同水稻类型间均差异不显著(图2B)。方差结果表明,稻季N2O累积排放量存在年际间差异,不受水分管理模式和水稻类型的影响(表1)。如图2B所示,2019年旱管处理下稻季N2O累积排放量(11.98 kg N2O∕hm2)显著高于淹灌处理(8.91 kg N2O∕hm2),增加幅度为34.43%,其中,与‘H优518’淹灌处理相比,‘旱优73’旱管处理在2019年的稻季N2O累积排放量增加幅度为38.77%;2020年和2021年不同水分管理模式下稻季N2O累积排放量不存在显著差异。

2.4 稻田综合温室效应分析

如图2C所示,淹灌处理下稻田CH4和N2O排放的综合温室效应(GWP)显著高于旱管处理。方差分析结果表明,年际间和水分管理模式下CH4和N2O排放的综合GWP存在极显著差异,年际和水分管理模式存在显著的交互效应,但在水分管理模式和水稻类型间并未有明显的交互效应(表1)。稻田综合GWP差异主要是由于淹水条件下产生了较高的CH4排放所致。相较于淹灌稻田,旱管稻田的综合GWP在2019—2021年间分别降低了65.08%、65.79%和95.41%。与‘H优518’淹灌处理相比,‘旱优73’旱管处理在三年间综合GWP降低幅度分别为65.44%、74.14%和93.05%。

表1 水稻类型和水分管理对水稻产量、稻田CH 4和N2O累积排放量及其综合温室效应、单位产量温室气体排放量的多因素方差分析(F值)Table 1 MANOVA for the effects of water management strategies and rice types on yields and greenhouse gas emissions in rice fields during three years(F-value)

综合不同水稻类型,淹灌处理和旱管处理下水稻产量年际间变化一致,均值分别为8 951 kg∕hm2和7 720 kg∕hm2,旱管处理下水稻产量较淹灌处理平均降低了13.71%。然而,‘旱优73’旱管处理后水稻产量降幅为7.69%,显著低于‘H优518’(19.87%)。方差分析表明,与综合GWP结果一致,年际间和水分管理模式下GHGI具有显著差异,二者之间存在显著的交互效应(表1)。如表2所示,淹灌处理和旱管处理下GHGI均值分别为0.98 kg CO2-eq∕kg yield、0.30 kg CO2-eq∕kg yield,旱管处理下GHGI较淹灌处理平均降低了69.30%。不同处理下GHGI从小到大依次为‘旱优73’旱管处理＜‘H优518’旱管处理＜‘旱优73’淹灌处理＜‘H优518’淹灌处理。与‘H优518’淹灌处理相比,‘旱优73’旱管处理的GHGI降低了74.74%。

表2 水稻产量、稻季温室气体排放总量和温室气体排放强度Table 2 Rice yields,GHG emissions and GHGI during rice growing season

3 讨论

3.1 水分管理模式对节水抗旱稻田CH 4和N2O排放的影响

土壤水分含量与氧化还原电位直接相关,稻田水分管理模式改变了土壤水分含量,影响了微生物群落,从而直接或间接影响CH4和N2O排放[18-19]。淹灌处理中稻田土壤处于厌氧环境,较低的土壤氧化还原电位利于产甲烷菌生成CH4[20];而旱管处理下田间长期无积水,土壤处于好氧状态,抑制了CH4的产生,促进了CH4的氧化[21]。本研究中旱管稻田显著降低了土壤水分含量,稻季CH4排放较淹灌稻田降低了70%—94%,降低幅度主要受年际间降雨分布的影响。前人研究表明[21],旱稻种植可有效降低90%以上的CH4排放,与本研究结果一致。

土壤水分状况也是影响硝化与反硝化过程的关键因子。大量研究[22-24]证实,节水灌溉刺激N2O排放,其原因主要是节水灌溉条件下土壤持续处于好氧和厌氧交替的状态,有利于土壤微生物进行硝化和反硝化作用。稻田在淹水时N2O通量较低,在湿-干变化过程中易出现峰值[25]。本研究各处理N2O排放集中在水直播后一周内,底物来自水分处理开始前的一次性施肥,因此不同处理间差异不显著。后续可从优化施肥措施入手,以协同降低CH4和N2O排放为目标进一步加深对旱管处理下稻田温室气体排放机制和影响因素的认知。

3.2 水分管理模式对节水抗旱稻田综合温室效应的影响

水分管理模式能够通过显著降低CH4排放有效实现稻田综合温室效应的减排。Meta分析结果表明,非持续淹灌能够在有效降低CH4排放、水稻减产幅度较低情况下降低44%的综合温室效应以及42%的温室气体排放强度[26]。综合分析本研究中水分管理模式对节水抗旱稻田CH4、N2O的影响发现,节水抗旱稻旱管下综合温室效应最低。淹灌处理下,CH4对综合温室效应的贡献高达90%以上,旱管处理的综合温室效应受N2O排放影响较大。与常规栽培稻淹灌处理相比,节水抗旱稻旱管处理的温室气体排放强度降低了近75%,主要原因是CH4排放量较低和水稻产量较高。Yu等[27]研究表明,当通过控制水分使土壤氧化还原电位处于-150—180 mV时,CH4和N2O排放量均最低,综合温室效应也最低。

温室气体排放强度(GHGI)受作物产量和综合GWP共同影响。与前期结果类似[16],本研究中,旱管处理相较于淹灌处理能够显著降低GHGI,其中以旱管种植‘旱优73’的GHGI最低,这主要是由于旱管种植‘旱优73’具有较高的产量和较低的综合GWP。因此,科学合理地优化水分管理,在结合抗旱性强的水稻类型基础上,进一步减少稻田温室气体排放,以实现水稻生产碳中和。

4 结论

综合水分管理和水稻类型处理下的稻田生态系统的产量和温室效应,淹灌处理加剧了以稻季CH4排放为主要贡献的综合温室效应。即使年际间稻季降雨量与平均气温变动较大,采用旱管种植模式也能够稳定降低70%—95%的稻田CH4排放以及65%—95%的综合温室效应。然而,旱管处理会造成水稻不同程度减产,但节水抗旱稻减产幅度显著低于常规栽培稻。综上,旱管种植节水抗旱稻相对于常规栽培稻淹灌种植,不仅可以在维持水稻产量相对稳定的同时有效减缓稻田综合温室效应,降低单位产量的温室气体排放量,而且减排效果不受年际间气候变化影响。因此,栽培种植节水抗旱稻并采取合理的水分管理模式能在节约灌溉用水、保证作物产量的前提下最大限度地提升稻田温室气体减排潜力,最终实现生产效益和生态效益双赢的目标。