太湖流域不同再生稻品种的温室气体排放强度

樊迪，李若林，马静，张广斌，徐华*

（1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站，中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2.中国科学院大学，北京 100049）

再生稻是一种特殊的水稻耕作模式，即采取一定的栽培措施，在头季水稻收割后，使原有稻桩上的休眠芽重新萌发生长成穗，从而收获新一季的水稻。再生稻适宜种植在单季稻种植热量有余、双季稻种植热量不足的地区，它可以充分利用秋季热光资源，提高稻田综合生产力。再生稻具有生育期短、日产量较高、省种、省工、节水、调节劳力、生产成本低和效益高等优点。再生稻在我国的种植历史十分悠久，目前种植面积约为124万hm，主要分布在四川、重庆、湖北和福建等地，我国适宜种植再生稻的区域面积可达340万hm，与之对应的稻谷增产潜力约为每年2 000万t。全球气候变暖导致热量资源增多，造成水稻潜在种植界限北移，为再生稻扩大种植面积提供了有利的气候条件。在未来农业现代化进程中因地制宜发展再生稻，对适应全球气候变化、提高粮食产量和保障国家粮食安全具有重要意义。

太湖流域作为我国重要的商品粮生产基地，主要种植模式是稻麦轮作，但这一模式具有耕作强度大、小麦品质较低的缺点。早在2016年，我国就开始在江苏、江西等稻谷低质、低效区推行稻肥轮作，这种方式虽然在一定程度上有利于耕地休养生息、保耕保育，但放弃一季小麦种植可能会对该地区粮食产量造成影响。若在该区域种植再生稻，再生季水稻产量可在一定程度上弥补小麦的产量损失，因此在太湖流域尝试种植再生稻具有重要的切实需求。事实上，太湖流域曾有过种植再生稻的历史；近年来，再生稻种植已在江苏溧阳、常熟、句容以及浙江杭州等地初步恢复，其中溧阳和杭州再生稻的总产量高达12.8 t·hm和15.6 t·hm。太湖流域与四川、重庆、湖北等省市同样地处中纬度地区，水热条件充足，再生稻发展潜力巨大，但在太湖流域改种再生稻究竟能增产多少，哪些再生稻品种更具优势尚未可知。

种植再生稻较常规中稻需要提前移栽、收获以保证再生季有充足的光热资源，因而对水稻品种具有较高要求，且水稻生育期、田间水肥管理时间及施肥模式与单季稻作模式完全不同，这必然会影响稻田的温室气体排放规律与排放量。王天宇等在安徽巢湖流域稻麦轮作转为再生稻模式的研究表明，种植再生稻不仅能提高水稻产量，而且能大幅减少水稻生长季CH和NO排放总量和温室气体排放强度。目前，在我国再生稻发展迅猛的地区（如湖北、湖南、四川等地）已有再生稻田的温室气体排放通量观测报道，而再生稻发展相对缓慢的太湖流域尚未开展相关研究。因此本研究于江苏宜兴试验基地开展田间原位观测实验，分析了5个再生稻品种的生长状况、稻谷产量及CH和NO排放通量，同步测定了土壤氧化还原电位（Eh）、土壤铵态氮（NH-N）和硝态氮（NO-N）浓度，以期明确太湖流域种植再生稻的可行性以及CH和NO排放规律，为太湖流域推广种植再生稻提供数据参考。

1 材料和方法

1.1 实验设计

大田实验于2021年4—10月在江苏省宜兴市丁蜀镇漳渎村（119.91°E，31.28°N）开展。该地区属于亚热带季风气候，年平均气温15.5℃，多年平均降水量为1 391 mm，日照充足，生长期可达250 d左右，传统的种植制度是稻麦轮作。供试的土壤类型为黄泥土，土壤全碳含量为26.2 g·kg，全氮含量为1.1 g·kg，pH为6.32。

实验共选取5个再生稻品种：旱优73、甬优2640、丰两优香1号、C两优华占和两优6326。每个处理设置4次重复，采用随机区组设计。每个实验小区的面积为7.5 m（2.5 m×3 m），水稻于4月20日移栽，株行距为25 cm×20 cm，每穴移栽2棵；8月10日旱优73、丰两优香1号和两优6326中稻季收获，18日甬优2640和C两优华占中稻季收获；10月26日所有水稻再生季收获。尿素157 kg·hm、过磷酸钙（以PO计）60 kg·hm和氯化钾（以KCl计）45 kg·hm作为基肥于4月20日施用；尿素209、157 kg·hm和150 kg·hm分别作为分蘖肥、穗肥和促芽肥于5月10日、6月20日和8月1日施用；尿素150 kg·hm作为再生季发苗肥施用，其中旱优73、丰两优香1号和两优6326处理的发苗肥于8月9日施用，甬优2640和C两优华占于8月18日施用。中稻季的水分管理为前期淹水、中期烤田，烤田后复水直至头季稻收割前一周排水落干。再生季在头季稻收割后立刻灌水，浅水勤灌，灌浆期转为干湿交替模式。

1.2 田间样品采集

CH和NO的排放通量通过静态箱法采集，箱体由有机玻璃制成，箱高0.5 m，中稻或再生稻生长后期加高至1.1 m以保证植株正常生长，覆盖面积为0.25 m（0.5 m×0.5 m）。底座于水稻移栽前埋入各小区内，底座规格为0.5 m×0.5 m×0.15 m，底座中移栽6蔸水稻，上方有3 cm深的凹槽。每次采样时，需向凹槽中注入一定量的水，以保证静态箱放入底座凹槽后具有良好的密闭性。采样时间为上午8：30—11：00。采样时，用两通针将静态箱内气体导入事先抽好真空的20 mL玻璃瓶中，各采样点每20 min采样一次，共采集4次。水稻生长季每4 d采样1次，烤田及施肥前后加密采样。

采集气体样品的同时，用数字温度计记录气温、箱温及10 cm处土温；用Eh计测定氧化还原电位。此外，在水稻不同生育期采集土壤样品测定土壤中NH-N和NO-N的含量。头季稻、再生稻收割后，分别按小区脱粒、晾晒称质量，计算水稻产量。

1.3 样品分析

气体样品浓度使用安捷伦气相色谱（Agilent 7890B）测定，其中CH浓度用氢火焰离子化检测器（FID）测定，NO浓度用Ni电子捕获检测器（ECD）测定。CH和NO混合标准气体由中国计量科学研究院提供。

土壤样品分析：称取10 g土壤于250 mL的聚乙烯瓶中，加入50 mL的KCl浸提液（浓度为2 mol·L），300 r·min振荡1 h，经0.45 µm滤膜过滤，过滤液用连续流动分析仪（Skalar，Nertherlands）测定NH-N和NO-N含量。土壤样品在105℃下烘干8 h，测定土壤含水率。

1.4 数据处理

CH和NO排放通量的计算公式：

式中：为CH或NO排放通量，mg·m·h或µg·m·h（以NO-N计，下同）；为标准状态下CH或NO-N密度，0.714 kg·m或1.25 kg·m；为采样箱内有效体积，m；为采样箱所覆盖的土壤面积，m；d/d为单位时间内采样箱内CH或NO浓度变化，µL·L·h或nL·L·h；为采样箱温度，K。

CH和NO的季节排放总量的计算公式：式中：为CH或NO的季节总排放量，g·m或mg·m（以NO-N计，下同）；F和F分别为第次和第+1次采样时CH或NO排放通量，mg·m·h或µg·m·h；D和D分别为第和+1次的采样时间，d。CH和NO季节排放总量是将每次的观测值按时间间隔加权求和后再平均，处理间用4个重复的平均值进行方差分析和多重比较。

根据单位质量的CH和NO在100 a时间尺度上的全球增温潜势分别为CO的28倍和265倍，计算不同处理排放CH和NO的温室气体全球增温潜势，公式如下：

式中：为CH和NO的温室气体总量，t COe·hm；和为CH和NO的 季节 排 放总 量，t·hm。

温室气体排放强度（Greenhouse gas intensity，）是农业生产中综合评价温室效应的指标，公式如下：

式中：为温室气体排放强度，t COe·t，为CH和NO的温室气体排放总量，t COe·hm；为作物产量，t·hm。

2 结果与分析

2.1 CH4排放

稻季CH排放通量如图1a所示，从图中可以看出，各品种再生稻CH的季节排放规律大体相同，CH排放峰依次出现在中稻季的分蘖期和抽穗前后以及再生季的前期，其中中稻季抽穗前后的峰值最高，这段时期里排放的CH量占稻季CH排放总量的43.5%～69.2%，再生季前期的排放峰值比中稻季抽穗前后低39.2%～88.5%；中稻季分蘖期和抽穗前后的CH排放峰值按从大到小依次为C两优华占＞两优6326＞丰两优香1号＞甬优2640＞旱优73，而再生季前期各品种CH排放峰值从大到小依次为两优6326＞旱优73＞甬优2640＞丰两优香1号＞C两优华占。

图1 CH4和N2O排放通量的季节变化Figure 1 Seasonal variations of CH4 and N2O fluxes during the rice-growing season

5个再生稻品种的CH排放都集中在中稻季，变化范围是161～233 kg·hm（表1），占稻季排放总量的77.0%～91.7%，其中C两优华占中稻季的占比最大，旱优73的占比最小；再生季的CH排放量占稻季CH排放总量的8.3%～23.0%，其中旱优73的占比最大，C两优华占的占比最小。整个稻季的CH累积排放量从大到小依次为两优6326＞C两优华占＞丰两优香1号＞甬优2640＞旱优73（表1），其中两优6326的排放总量最高，显著高于旱优73、甬优2640和丰两优香1号（＜0.05），其他各品种间不存在显著差异（＞0.05）。

表1 稻季CH4和N2O排放量、温室气体排放总量、产量和温室气体排放强度Table 1 CH4 and N2O emissions，TGHG，rice grain yield，and GHGI during the rice-growing season

2.2 N2O排放

不同品种再生稻的NO季节排放规律也基本相同，整体呈现波动状态，NO排放峰主要出现在施肥和水分改变以后（图1b）。其中，中稻季烤田期的峰值最高，这段时期里排放的NO量占稻季NO排放总量的20.9%～30.4%，促芽肥和发苗肥施用后的NO排放峰值分别比中稻季烤田期低79.5%～93.4%和57.8%～98.4%。烤田期NO排放峰值按从大到小依次为旱优73＞丰两优香1号＞两优6326＞甬优2640＞C两优华占。

不同品种再生稻的NO排放也主要集中在中稻季，其变化范围是0.378～0.545 kg·hm（表1）。中稻季占稻季NO排放总量的97.6%～99.5%，其中两优6326的占比最高；再生季NO排放量占稻季NO排放总量的0.5%～2.4%，其中C两优华占占比最大，两优6326占比最低（表1）。稻季NO累积排放总量从大到小依次为两优6326＞C两优华占＞旱优73＞丰两优香1号＞甬优2640，各品种间的NO排放总量均不存在显著性差异（＞0.05，表1）。

2.3 产量、温室气体排放总量和温室气体排放强度

由表1可知，不同品种再生稻两季总产量从大到小依次为甬优2640＞丰两优香1号＞旱优73＞C两优华占＞两优6326。中稻季产量是再生季产量的1.7～3.2倍，在总产量中占比为63.3%～75.1%。

稻季温室气体排放总量从大到小依次为两优6326＞C两优华占＞丰两优香1号＞甬优2640＞旱优73，旱优73的排放总量显著低于两优6326（＜0.05，表1）。5个再生稻品种的温室气体排放强度为0.50～1.35 t COe·t，其中甬优2640的温室气体排放强度最低，显著低于其他品种（＜0.05，表1）。

3 讨论

3.1 CH4排放

稻田CH排放是土壤中CH产生、氧化和传输的净效应。严格厌氧环境和易降解有机物质是稻田土壤CH产生的两个最基本要素，因此与之密切相关的田间水分管理和有机肥施用对CH排放的影响也最显著。整个稻季共出现了3个排放峰，依次在中稻季分蘖期和抽穗前后以及再生季前期（图1a）。其中，分蘖期和再生季前期由于稻田均处于淹水状态，而抽穗前后的总降水量多达610 mm，占整个稻季总降水量的45%。因此，中稻季的前期和抽穗前后以及再生季的前期，土壤的氧化还原电位均为负值（图2a），有利于CH的产生和排放。中稻季抽穗前后的CH排放峰值高于分蘖期（图1a），原因可能是抽穗前后的土壤温度高于分蘖期（图3），且水稻植株发育更完全，根系分泌物和凋落物增多，有利于CH的产生和排放。

整个稻季的土壤温度呈先上升后下降的趋势（图3），相关性分析显示，CH排放通量与土壤温度存在极显著正相关关系（＜0.01，表2）。再生季的平均土壤温度较中稻季低1.2℃（图3），地上生物量仅是中稻的一半左右，较低的土温和较少的植株可能影响土壤产甲烷菌的活性以及CH向大气传输的速率，从而导致再生季CH排放峰值较低（图1a）。两季CH排放总量范围为209～289 kg·hm，与SONG等在四川的研究结果相当，但比张浪等在湖南的研究结果低54.1%～65.7%，比王天宇等在安徽的结果低73.2%～79.9%。这可能是由于本研究的磷肥施用量较低（60 kg·hm），磷的添加会促进土壤中碳的矿化，从而影响产CH底物水平。再生季的CH排放量仅占稻季排放总量的8.3%～23.0%（表1），与以往研究结果相当。

水稻品种是土壤CH产生、氧化和传输的一个重要影响因素。水稻根系分泌物和脱落物是稻田土壤中重要的产CH前体，不同水稻品种根系分泌物量和组成成分各不相同，从而影响CH的产生。植株的通气组织是稻田CH排放的主要途径，不同水稻品种通气组织的发育情况不同，传输CH的能力也存在差异。5个再生稻品种中，两优6326的CH排放量较大（表1），可能是因为植株生长发育较好，其根系分泌物和脱落物多于其他品种，植株传输能力也强于其他品种，武茹等在湖北的研究中，同样观察到生长较好的再生稻品种具有较大的CH排放量。另一方面，5种再生稻稻季土壤平均Eh从大到小依次为旱优73（-63.06 mV）＞丰两优香1号（-65.98 mV）＞甬优2640（-69.51 mV）＞两优6326（-70.60 mV）＞C两优华占（-73.89 mV），与品种间稻季CH排放量大小排序相同；相关分析也显示，CH排放通量与土壤Eh存在极显著负相关关系（＜0.01，表2），由此可知，土壤Eh不同也是再生稻品种间存在CH排放差异的原因。

3.2 N2O排放

NO主要是通过硝化作用和反硝化作用产生，再经植株通气组织、气泡和液相扩散进入大气中。氮肥的施用为硝化和反硝化反应提供了底物，土壤水分的剧烈变化加快了硝化和反硝化速率，因此，土壤水分和氮肥施用是影响NO排放的关键因素。本研究中，整个稻季NO的峰值均出现在施肥或土壤水分发生剧烈变化时，与丁紫娟等在湖北的研究结果相同。其中，烤田期间的NO排放峰值最高，可能是由于此期间土壤水分变化最为剧烈，且此时土壤温度最高（图3），均有利于NO的产生和排放。施用促芽肥和发苗肥后也出现排放峰，但峰值较小，邓桥江在湖北观测到NO排放量为3.28 kg·hm，再生季占比为49.1%，均远高于本研究结果，这可能与稻田再生季始终保持浅水层，水分变化不大有关。

图3 稻季气温、降水量及土壤温度的动态变化Figure 3 Dynamic changes of air temperature，precipitation，and soil temperature during the rice-growing season

水稻品种同样也影响土壤NO的产生、转化和传输过程。不同水稻植株对氮肥吸收利用程度不同，从而影响参与硝化反硝化作用的底物数量；植株根系分泌物和凋落物为微生物提供有机碳，增强微生物活性；植株是稻田NO排放的重要通道，水稻品种不同，气体传输效率也存在差异。但SIMMOND等的研究发现水稻品种间NO排放量没有显著差异，与本实验结果一致。值得注意的是，两优6326所处的稻田土壤中平均NH和NO含量高于其他品种（图2b和图2c），且相关性分析表明，NO排放通量与土壤中NH-N存在正相关关系（＞0.05，表2）。NH和NO是土壤硝化作用和反硝化作用产生NO的基质，因此两优6326的NO排放量比其他品种高7.9%～42.0%（表1）。FENG等的研究发现，7Y88和7Y370两种水稻吸收同化了更多的氮素，减少了硝化和反硝化作用的基质，降低了NO的排放，由此推测两优6326有较大NO排放可能是由于与其他品种相比，吸收利用的氮素较少。其他可能影响再生稻NO排放的原因和机制还需深入研究。

表2 稻季CH4和N2O排放通量与土壤温度、Eh、NH+4-N、NO-3-N的相关系数Table 2 Correlation coefficients of CH4 and N2O fluxes with soil temperature（T），Eh，NH+4-N，and NO-3-N during the rice-growing season

图2 稻季土壤Eh、NH+4-N和NO-3-N动态变化Figure 2 Dynamic changes of soil Eh，NH+4-N，and NO-3-N during the rice-growing season

3.3 温室气体排放强度

统计分析结果表明，我国再生稻中稻季、再生季及两季总的平均产量分别为8.26、3.64和11.69 t·hm。5个水稻品种中，总产量从大到小的排序为甬优2640＞丰两优香1号＞旱优73＞C两优华占＞两优6326。其中，甬优2640和丰两优香1号的两季总产量分别达到12.62 t·hm和10.40 t·hm（表1），与我国平均值相当，且这两种再生稻再生季的产量（4.34 t·hm和3.82 t·hm）略高于全国再生季平均值以及狄田荣在溧阳的研究结果（3.76 t·hm），说明甬优2640和丰两优香1号这两种再生稻在太湖流域有较好的发展潜力。本研究的中稻季产量低于溧阳和杭州报道的产量，这可能与其栽插密度和施肥量略低有关，后期可以考虑适当调整栽插密度和施肥措施，并加强田间管理，以进一步挖掘太湖流域再生稻的产量潜力。

各处理的温室气体排放总量为5.90～8.26 t COe·hm，与SONG等在四川的研究结果（6.39 t COe·hm）相当。通常情况下，CH排放量对温室气体排放总量起决定性影响，与其他两个水稻品种相比，旱优73、丰两优香1号和甬优2640的CH排放量较小，导致温室气体总排放量也较低。温室气体排放强度是温室气体排放总量与产量的比值，代表单位产量的温室气体排放量，可以以此为依据筛选再生稻品种。各处理温室气体排放强度从大到小依次为两优6326＞C两优华占＞旱优73=丰两优香1号＞甬优2640，与再生稻两季总产量的排序相反，表明产量对于温室气体排放强度的影响可能更大。甬优2640的温室气体排放强度显著低于其他品种，原因在于该品种再生稻的产量比其他品种高21.3%～106.2%，且温室气体总排放量低-6.3%～24.1%。SONG等在四川种植的再生稻品种晶两优华占，与其他4个品种相比，温室气体排放强度最低、产量最高，但温室气体排放总量却仅低于渝香203，也说明产量对温室气体排放强度的影响较大。此外，本研究中所有品种再生季温室气体排放强度均显著低于中稻季，与SONG等的研究结果相反，这是由于再生季的水稻产量相对较高，而温室气体排放较低。因此，在太湖流域种植再生稻可一定程度上降低温室气体排放强度。综合来看，甬优2640和丰两优香1号的产量较高，温室气体排放强度较低，在太湖流域种植再生稻时可优先考虑这两个品种。

4 结论

（1）不同再生稻品种间的产量和温室气体排放总量存在较大差异，其中甬优2640和丰两优香1号的两季产量最高，两优6326的最低；旱优73的温室气体排放总量最小，两优6326的最大。

（2）从温室气体排放强度来看，甬优2640和丰两优香1号的最小，说明这两个水稻品种蓄留再生稻具有减排丰产潜力，推荐在太湖流域种植。在碳达峰、碳中和背景下，需进一步挖掘高产低排的、适于在太湖流域种植的再生稻品种，并配套相应的水肥管理措施，以期在保障国家粮食安全的同时有效控排稻田温室气体，推动气候变化下韧性农业种植新模式的建立。