2019, Vol. 40
温室气体(GHG)的大量排放以及浓度的急剧持续增加是造成全球变暖的主要原因, 当今全球气候变化很可能与人为因素引发的大气中温室气体浓度增加密切相关. 21世纪初, CO2的温室效应贡献率达到60%、CH4达20%、N2O达6%[1~3], 而CH4作为最重要的温室气体之一, 是仅次于CO2的重要温室气体, 且对地球系统的能量收支和气候变化有重要影响[4, 5].水稻是世界主要的粮食作物, 稻田在农业生产中是重要的农业温室气体排放源.中国作为世界水稻生产大国，水稻播种面积和总产量分别占世界的18.5%和27.8%[6]，来源于稻田排放的甲烷总量为792.6万t，占中国甲烷总排放量的17.83%[7].因此, 在未来有必要正确估算中国稻田甲烷排放量[8], 以及如何应对稻田CH4排放, 缓减气候变化, 实现农田生态系统减排、可持续发展, 缓解及应对气候变化已成为了重要且急需重点研究的问题.
不同品种水稻种植, 影响甲烷产生和氧化以及排放的各个过程, 稻田CH4排放存在显著差异, 甚至最大可相差2~3倍[9, 10].许多研究表明, 不同品种水稻在产量形成的过程中对稻田甲烷排放和形成发挥着重要的作用[11~13]. Zhang等[14]的研究发现, 水稻品种对稻田甲烷排放的影响主要来源于水稻对地下CH4产生或者氧化的不同作用, 而地上部植株性状则不能作为CH4排放的有效作用. Conrad等[15]的研究发现, 有50%左右的甲烷来源于水稻植株的光合产物.孙会峰等[16]的研究表明, 水稻的产量与CH4排放量呈线性正相关关系, 并且粳稻品种(常规或杂交)的CH4累计排放量和产量高于籼稻品种, 杂交品种的CH4累计排放量和产量相对较高. Ma等[17]的研究表明, 传统水稻品种的根际土壤甲烷氧化潜力要低于超级稻品种, 而两者的甲烷产生潜力则比较类似, 因此可以说明超级稻品种的根系泌氧能力更强.通过机械振动的水稻茎部可促进水稻根系生长, 提高植株叶片气孔数量, 进而促进水稻根系泌氧和甲烷氧化能力[18].不同类型的土壤有机质含量等理化性质也不同, 而不同水稻品种种植, 稻田根际土壤的性质也会有所变化.有研究发现甲烷的产生量与土壤有机碳、全氮含量显著相关[19]; 壤质和砂质土壤的CH4的平均排放通量要显著高于黏质性的土壤[20].稻田土壤pH影响产甲烷菌的活性和土壤有机质的分解速率, 土壤pH为中性时, 更有利于土壤甲烷的产生, 当pH>8.75或pH＜5.75时, 产甲烷菌就会受到抑制, 稻田甲烷产生与排放就大幅度减少甚至没有甲烷排放.当土壤处于厌氧环境且是还原状态时, 产甲烷菌才具有将土壤中的有机碳进行分解的活性, 从而产生甲烷.当土壤Eh为-150~-200 mV时, 产甲烷菌开始产生CH4, 甲烷的排放与土壤的氧化还原电位存在显著负相关关系[21].
在我国南方双季稻作区, 水稻的种植品种繁多, 不同双季稻品种种植稻田甲烷排放存在一定的差异, 本研究通过比较不同双季稻品种的根系及根际土壤特性差异, 分析影响稻田甲烷排放与水稻品种关键根系特征以及根际土壤特性的关系, 以期为判断水稻品种甲烷排放能力以及阐明不同双季稻品种甲烷排放差异形成的机制研究提供简易方法和基础支持.
1 材料与方法 1.1 试验地点概况本试验地点位于浏阳市沿溪镇湖南农业大学试验基地, 试验地点属亚热带季风湿润气候, 土地肥沃, 四季分明, 热量降水充沛, 日照充足.经度113.8°E, 纬度28.3°N, 海拔44.9 m, 多年平均温度为17.2~17.6℃, 多年平均降水量约1 647 mm, 为南方典型的双季水稻生产区, 土壤类型为第四纪红壤发育的红黄泥水稻土, 试验区土壤理化性状见表 1.
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表 1 试验地土壤理化性状 Table 1 Physical and chemical properties of soil in the site |
1.2 供试材料
供试早稻品种:株两优819、中早39、陆两优996、中嘉早17、湘早籼6号、湘早籼24号, 生育期108~112 d; 供试晚稻品种:资优299、Y两优1号、玖两优644、泰优390、T优15、湘晚籼17号, 生育期110~115 d.
1.3 试验设计供试品种早晚稻各6个, 试验采用随机区组设计, 6个处理, 3次重复, 共18个小区, 各区组, 各小区之间相互独立, 各小区面积36 m2(4 m×9 m).所有供试品种的施肥、灌溉等田间管理方式一致, 氮肥:基肥50%;蘖肥30%;穗肥20%.磷肥:基肥一次性施入.钾肥:基肥50%;蘖肥50%.早稻:尿素261kg·hm-2; 过磷酸钙750kg·hm-2; 氯化钾201kg·hm-2.晚稻:尿素330kg·hm-2; 过磷酸钙750kg·hm-2; 氯化钾201kg·hm-2.所有供试早稻品种于4月30日进行机插移栽, 其株行距分别为17 cm、20 cm, 7月21日收获.所有供试晚稻品种于7月26日进行机插移栽, 移栽株行距分别为20 cm、23 cm, 10月25日收获.
1.4 测定指标及方法本试验采用静态暗箱-气相色谱法采集和测定甲烷气体, 静态箱长宽高规格为0.55 m×0.55 m×1.2 m, 外部包有泡沫和铝箔纸, 防止太阳照射导致箱内温度变化过大, 底座由PVC材质做成, 于水稻栽插后将底座固定于每个小区中, 底座插入深度为3~5 cm, 测定时加水注入底槽加以密封, 每隔7 d采集一次气体, 采气样前打开采样箱内顶部1个12 V小风扇以充分混匀箱内气体, 采气口安装在箱体的中上部, 箱内的采气管进气口在箱体中部位置.采样时间在当天上午的09:00~11:00进行, 分别在罩箱后的0、10、20、30 min, 用装有三通阀的50 mL医用注射器先来回抽入打出数次, 然后抽取50 mL气体样品, 并转移到真空瓶中, 带回实验室待测.采集的CH4气体采用湖南省土壤肥料研究所提供的气相色谱(Agilent789, 美国)测定分析其浓度, 标准气体由国家标准物质中心提供[12].甲烷气体排放通量由4个气样浓度值经线性回归分析得出.
稻田甲烷气体排放通量(F)计算公式如下[22]:
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式中, F为排放通量, mg·(m2·h)-1; ρ为标准大气压下的CH4密度, 0.714 kg·m-3; T为采样过程中采样箱内的平均温度, ℃; H是采样箱的箱罩的净高度, m; dc/dt是采样箱内温室气体浓度的变化率.
CH4累计排放量(T)计算公式[23]为:
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式中, T为累计排放量, mg·m-2; Fi、Fi+1为第i、i+1次测定时CH4平均排放通量, mg·(m2·h)-1; ti+1、ti为第i、i+1次测定的时间间隔, d; 以100 a为时间尺度, CH4的全球增温系数为25, 即单位质量的CH4引起的温室效应等对应于相同效应CO2的质量[24]. CH4气体的温室效应(GWPs), 即全球增温潜势为CH4排放量与增温系数的乘积.排放通量均值为累计排放量与水稻生育期天数的比值.
于水稻生长的分蘖期、孕穗期、齐穗期、灌浆期, 分别对早晚稻各植株及土壤溶液进行取样, 测定水稻植株叶面积、地上生物量、根系生物量、根体积、根冠比和采用茎伤流法测定根系伤流量; 取样时按照每穴的平均茎蘖数, 从每小区取出4穴植株, 并包含完整的根系, 将地上部分与根系部分分离开, 根系部分放入网袋中用流水冲洗干净, 地上部分分为茎、叶、穗三部分, 洗干净装好, 各小区单独分开, 带回实验室.植株叶面积用台式叶面积仪进行测定(Li-3000, Li-cor, USA), 并计算叶面积指数(LAI); 用量筒灌水测量根系的体积; 然后将新鲜的植株地上部样品与根系样品放入烘箱中(105℃)杀青30 min, 然后在80℃恒温下烘干至恒重, 最后称重计算地上部生物量与根系生物量.采用比重法测定前3个时期的根孔隙度.用土壤溶液取样器采集0~10 cm的根际土壤溶液, 土壤溶液中的NH4+-N浓度以及总碳浓度分别用流动分析仪(Skalar, Netherlands)和总碳分析仪(Multi N/C3100, Analytikjena, German)测定, 并计算可溶性碳(DOC)浓度.在每次甲烷气体取样时, 用便携式水质分析仪(ODEON, PHEHT digital sensor, France PONSEL), 测定每个小区的根际土壤溶液的氧化还原电位(Eh)、pH以及温度.早晚稻收获时, 每小区分别取3 m2脱粒后晒干, 测定其重量, 计算每个小区的经济产量.
1.5 数据统计与分析采用Excel进行数据处理, 绘图作表, 采用Statistix 8.0软件进行统计分析, 并作相关显著性检验(P＜0.05)及相关性分析.
2 结果与分析 2.1 双季稻品种间甲烷排放差异比较 2.1.1 不同双季稻品种甲烷排放通量季节变化差异不同水稻品种在各生育期的甲烷平均排放通量存在显著差异(P＜0.05), 如图 1所示, 早稻分蘖期时, 湘早籼6号与湘早籼24号的甲烷平均排放通量显著高于中嘉早17、株两优819以及中早39(P＜0.05), 平均排放通量的差异为33.2%;孕穗期时, 中嘉早17与湘早籼24号的甲烷平均排放通量显著高于陆两优996、中早39及株两优819(P＜0.05), 最高与最低相差8.56 mg·(m2·h)-1; 在齐穗期与灌浆期, 湘早籼24号的平均排放通量均显著高于其他5个早稻品种(P＜0.05), 差异分别为49.3%和60.3%;早稻全生育期甲烷排放通量均值的变化为湘早籼24号>湘早籼6号>中嘉早17>陆两优996>中早39>株两优819.晚稻分蘖期时, 甲烷平均排放通量各品种间差异变化值在0.73~12.6 mg·(m2·h)-1之间, 湘晚籼17号显著高于资优299与Y两优1号(P＜0.05);泰优390与湘晚籼17号孕穗期的甲烷平均排放通量差异不显著(P＞0.05), 但显著高于资优299、Y两优1号及玖两优644(P＜0.05), 平均极差为4.12 mg·(m2·h)-1.在齐穗期, 湘晚籼17号与泰优390及T优15差异不显著(P＞0.05), 但显著高于资优299和Y两优1号(P＜0.05).灌浆期的甲烷排放通量变化很小, 极差为0.61 mg·(m2·h)-1.晚稻全生育期的甲烷季节排放通量均值存在显著差异(P＜0.05), 排放通量均值大小顺序为: T优15＞湘晚籼17号＞泰优390＞玖两优644＞Y两优1号＞资优299.
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图 1 不同双季稻品种生育期甲烷平均排放通量比较 Fig. 1 Comparison of methane average fluxes for different double-season rice varieties in the growth stage |
由图 2可知, 不同早稻品种全生育期甲烷累计排放量198~304 kg·hm-2之间, 且株两优819的甲烷排放量最低, 为198.30 kg·hm-2, 与中早39、陆两优996、中嘉早17差异不显著(P＞0.05), 但显著低于湘早籼6号和湘早籼24号(P＜0.05);而湘早籼6号与湘早籼24号差异不显著(P＞0.05);各品种处理甲烷累计排放量大小依次为:湘早籼24号＞湘早籼6号＞中嘉早17＞陆两优996＞中早39＞株两优819, 甲烷排放量最低的株两优819比最高的湘早籼24号(303.44kg·hm-2)减少排放105.14 kg·hm-2, 达到53%.晚稻生长季的甲烷累计排放量, 湘晚籼17号和T优15最高, 达到了407.94 kg·hm-2和388.28 kg·hm-2, 且显著高于玖两优644、Y两优1号和资优299(P＜0.05).甲烷累计排放量从小到大排序均为资优299＜Y两优1号＜玖两优644＜泰优390＜T优15＜湘晚籼17号, 极差达到了116.01 kg·hm-2(资优299与湘晚籼17号), 最低品种比最高品种减少排放达到62.2%.不同温室气体对温室效应增强的相对辐射效应由全球增温潜势反应, 而单位产量温室效应大小由水稻经济产量与甲烷温室效应共同作用决定.各早稻品种的单位产量温室效应极差值为0.73(湘早籼6号与株两优819), 陆两优996、株两优819、中早39, 中嘉早17显著低于湘早籼6号、湘早籼24号(P＜0.05).其大小顺序表现为湘早籼6号>湘早籼24号>中嘉早17>中早39>陆两优996>株两优819.晚稻各品种单位产量温室效应极差值为0.74(湘晚籼17号与Y两优1号), Y两优1号、资优299、玖两优644显著低于湘晚籼17号与T优15(P＜0.05), 各品种的大小顺序为Y两优1号＜资优299＜玖两优644＜泰优390＜T优15＜湘晚籼17号.
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图 2 不同早晚稻品种CH4累计排放量及单位产量温室效应变化 Fig. 2 Change in greenhouse effect of cumulative CH4 emissions and the greenhouse effect of per yield of different early and late rice varieties |
水稻的根系是直接与土壤环境接触的重要部位, 也是土壤中与众多甲烷排放有关的微生物之间直接联系的重要桥梁; 为水稻植株吸收水分和营养物质, 对水稻的生长与生殖起着重要的作用.由图 3可以看出, 大部分早稻品种的根冠比在不同时期存在显著差异(P＜0.05), 总体呈现逐步降低的趋势, 水稻生育前期, 根冠比大, 生育后期小, 原因是因为在生长后期, 水稻光合产物形成, 地上部生物量不断增加; 根系体积在孕穗至齐穗时期达到最大, 中早39的根体积在齐穗期达到最大, 且显著高于其他5个品种(P＜0.05).根系伤流量体现根系的吸收与传输能力, 基本呈现先增后减的趋势.在齐穗期各个品种间根系伤流量差异不显著(P＞0.05), 在其他3个时期差异显著(P＜0.05), 但不明显.根孔隙度在各个时期差异显著明显(P＜0.05), 分蘖期时:湘早籼6号显著高于其他5个品种(P＜0.05), 最高与最低差值为0.147, 中早39显著低于其他5个品种(P＜0.05);孕穗期时, 株两优819显著高于其他5个品种(P＜0.05), 为0.247, 湘早籼24号最低, 为0.165;齐穗期时, 湘早籼6号显著高于其他5个品种(P＜0.05), 株两优819最低为0.157, 与中早39, 陆两优996之间差异不显著(P＞0.05).
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图 3 不同早稻品种根系特征比较 Fig. 3 Root characteristics of different early rice varieties |
由图 4可以看出, 不同晚稻品种的根冠比也基本呈现逐渐降低的趋势.其中湘晚籼17号与资优299的根冠比在分蘖期时要显著低于泰优390、玖两优644与Y两优1号(P＜0.05), 两者根冠比分别为0.168、0.217;在孕穗期时, 泰优390显著高于T优15与湘晚籼17号(P＜0.05), 为0.271;齐穗期时湘晚籼17号、玖两优644与T优15要显著低于其他3个品种(P＜0.05);泰优390在灌浆期要显著高于其他5个品种(P＜0.05), 根冠比为0.095.各晚稻品种中, 根系体积在孕穗至齐穗时期达到最大, Y两优1号与泰优390的根体积在分蘖期最大, 分别为540.9 mL·m-2和530.6 mL·m-2, 均显著高于其他4个品种(P＜0.05), 各品种的根体积在4个时期差异显著明显; 不同晚稻品种的根系伤流量在各个时期也基本呈现先增后减的变化.在水稻分蘖期与孕穗期各个品种间根系伤流量差异显著不明显, 在齐穗期与灌浆期差异显著明显; 不同晚稻品种根孔隙度在各个时期差异显著明显, 分蘖期时, 资优299显著高于湘晚籼17号、T优15与泰优390, 且T优15最低; 孕穗期时, 资优299与Y两优1号显著高于其他4个品种(P＜0.05), 湘晚籼17号最低; 齐穗期时, T优15最低, 资优299与Y两优1号、玖两优644差异不显著(P＞0.05), 但均显著高于其他湘晚籼17号与T优15(P＜0.05).
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图 4 不同晚稻品种根系特征比较 Fig. 4 Root characteristics of different late rice varieties |
随着水稻的生长发育, 水稻根系存在差异性的同时也会影根际土壤的变化.由图 5可以看出, 不同早稻品种土壤溶液可溶性碳(DOC)浓度在分蘖期至灌浆期总体呈现先增后减的变化, 在孕穗期前后达到最大, 且显著高于其他时期的可溶性碳浓度(DOC, P＜0.05), 全生育期的平均可溶性碳浓度(DOC)湘早籼24号最高, 且显著高于DOC浓度最低的中早39(P＜0.05), 相差25.3%.土壤溶液铵态氮(NH4+-N)浓度变化总体呈不断降低的趋势.在分蘖期, 各品种的铵态氮(NH4+-N)浓度达到最大, 且显著高于其他3个时期(P＜0.05);全生育期的根际土壤溶液平均铵态氮(NH4+-N)浓度湘早籼6号最高, 且显著高于最低的中早39(P＜0.05), 两者相差19.7%.
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图 5 早晚稻品种在不同生育期可溶性碳(DOC)及铵态氮(NH4+-N)浓度差异 Fig. 5 Differences in soluble carbon (DOC) and ammonium nitrogen (NH4+-N) in early rice and late varieties at different growth stages |
晚稻品种各生育时期的根际土壤溶液可溶性碳(DOC)在孕穗期达到最高, 且显著高于其他时期的DOC浓度(P＜0.05), 峰值的极差为7.53 mg·L-1(T优15与资优299);全生育期平均DOC浓度大小顺序为T优15＞泰优390＞湘晚籼17号＞玖两优644＞资优299＞Y两优1号, 最高与最低相差21.3%.铵态氮(NH4+-N)浓度在孕穗期差异显著明显, 在分蘖期、灌浆期差异显著不明显, 在齐穗期差异不显著(P＞0.05).各品种的铵态氮浓度在分蘖期达到最高, 最高与最低相差2.77 mg·L-1(湘晚籼17号与Y两优1号), 且资优299与Y两优1号显著低于其他4个品种.全生育期的平均铵态氮(NH4+-N)浓度, 大小顺序为T优15＞湘晚籼17号＞泰优390＞玖两优644＞资优299＞Y两优1号, 最高与最低相差17.9%.
2.4 水稻甲烷排放的相关性分析 2.4.1 早稻甲烷累计排放量与各指标的相关系数将甲烷累计排放量与各水稻品种植株形态指标、根系特征、土壤溶液性质全生育期平均值作相关性分析, 得到相关系数如表 2所示.早稻甲烷季节累计排放量与各水稻品种平均产量(r=-0.859 **)、土壤溶液Eh值(r=-0.774 **)均存在极显著负相关关系(P＜0.01), 表明早稻产量越高甲烷排放量越低, 土壤溶液氧化还原电位(Eh)越高越有利于减少甲烷排放.同时甲烷排放量与土壤溶液甲烷浓度(r=0.591 **)、DOC浓度(0.695 **)存在极显著正相关关系(P＜0.01), 与铵态氮(NH4+-N)浓度(0.578*)、根冠比(r=0.567*)以及根孔隙度(r=0.571*)存在著正相关关系(P＜0.05).甲烷浓度及DOC浓度越高, 甲烷排放越高.根伤流量及叶面积指数与甲烷排放量存在负相关关系, 但不显著; 土壤溶液温度及根体积与甲烷排放量存在正相关关系, 但不显著.综合以上可以得出, 水稻根系关键指标根冠比、根孔隙度与土壤溶液关键指标甲烷浓度、氧化还原电位(Eh)、可溶性碳(DOC)浓度及铵态氮(NH4+-N)浓度是影响稻田甲烷排放的关键所在.
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表 2 早稻CH4累计排放量与各指标的相关系数1) Table 2 Correlation coefficient of cumulative CH4 emissions and indicators for early rice |
2.4.2 晚稻甲烷累计排放量与各指标的相关系数
由表 3可以看出, 晚稻甲烷累计排放量与产量(r=-0.662 **)、水稻根系孔隙度(r=-0.772 **)均存在极显著负相关关系(P＜0.01), 与可溶性碳(DOC)浓度(r=0.715**)存在极显著正相关关系, 表明晚稻产量越高甲烷排放量越低, 晚稻根系孔隙度越大越有利于减少甲烷排放, DOC浓度越高, 甲烷排放越强.同时甲烷排放量与土壤溶液氧化还原电位Eh(r=-0.533*)、根冠比(r=-0.466*)呈显著负相关(P＜0.05), 与土壤溶液甲烷浓度(r=0.584*)及铵态氮(NH4+-N)浓度(r=532*)呈显著正相关关系(P＜0.05), 与叶面积指数及根系伤流量存在负相关关系, 但不显著.土壤溶液温度及根体积与甲烷排放量存在正相关关系, 但不显著.影响晚稻稻田甲烷排放的根系关键指标是水稻根冠比、根系孔隙度; 土壤溶液关键指标是Eh值、甲烷浓度、DOC浓度及NH4+-N浓度.
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表 3 晚稻CH4累计排放量与各指标的相关系数 Table 3 Correlation coefficient of cumulative CH4 emissions and indicators for late rice |
3 讨论 3.1 不同水稻品种稻田CH4排放的差异
不同水稻品种CH4排放通量在不同的生育时期存在显著差异, 在水稻生育前期, CH4排放出现高峰, 在水稻生长后期(齐穗-成熟期)排放通量最低.本研究结果表明, 双季稻各品种中, 在生育前期CH4排放通量最高, 峰值出现在分蘖期至孕穗期, 在生育后期排放通量最低, 并且晚稻CH4排放要比早稻排放高, 其中晚稻分蘖期的平均排放通量要比早稻CH4高出2倍左右, 早稻全生育期的排放通量均值在10.2~15.6 mg·(m2·h)-1, 晚稻在13.36~20.21 mg·(m2·h)-1, 其原因在于早晚稻品种在分蘖期至孕穗期的水体环境及水稻植株的生长能力不一样, 在晚稻分蘖期气温较高, 稻田中需不断地回水促进生长, 这为产甲烷菌提供了有利的条件, 从而促使甲烷排放增加.相关研究表明, 在稻田中期排水晒田时甲烷排放通量会急剧下降, 回水之后, 水稻进入孕穗及抽穗期, 土壤中的有机物质会不断增多通过水稻根系的释放, 因此甲烷排放通量会有一个小的高峰值[25].在本研究中早晚稻的甲烷排放通量变化也有相似的趋势, 特别是在晚稻各品种中.排水晒田期间, 土壤的水位减少, 空气中的氧气就会进入土壤, 从而使甲烷氧化菌的活性增强, 促进甲烷的氧化, 进而减少了甲烷的排放.早稻品种中, 湘早籼24号与湘早籼6号的甲烷排放量要显著高于其他4个品种, 这是由于其植株生物量, 根际土壤溶液可溶性碳、Eh等差异显著造成; 而晚稻各品种的甲烷排放量差异显著明显, 晚稻品种平均CH4累计排放量显著高于早稻品种, 早稻介于198.30~303.44 kg·hm-2之间, 晚稻在291.93~388.28 kg·hm-2之间, 相差22%~31%左右, 原因在于晚稻品种在生长发育过程中, 其生物量的分配以及根系孔隙度、土壤溶液的甲烷浓度差异造成, 根据相关统计分析[26], 中国双季稻的甲烷排放规律是早稻排放要低于晚稻排放[早稻(234.3±16.8) kg·hm-2, 晚稻(361.8±25.0) kg·hm-2].单位产量温室效应, 取决于稻田CH4累计排放量与水稻产量的大小.在本研究结果中, 早稻品种中早陆两优996(0.67 kg·kg-1)的单位产量温室效应最低, 说明具有较高的产量和一定的CH4排放量, 相对较低的还有株两优819、中早39以及中嘉早17, 介于0.69~0.79kg·kg-1之间, 最高与最低相差越2倍.傅志强等[27, 28]的研究表明, 在早、晚稻季中, 杂交稻CH4排放量及单位产量温室效应都要比常规稻低, 杂交稻品种CH4排放量要比常规稻分别减少了29.8%和6.9%. Su等[29]的研究发现, 不同水稻品种光合产物的分配也会影响到CH4的排放.因此, 早晚稻甲烷排放的差异, 原因主要在于水稻根系的营养分配, 光合产物分配到地下部根及根系分泌物中的光合产物比例较小, 主要倾向于分配到地上部, 使得产量增加, 叶片、茎秆中淀粉的含量增多, 从而减少CH4的形成.
3.2 影响稻田CH4排放的根际特性不同水稻品种通过自身的生长发育过程来影响稻田甲烷的产生与排放.本研究结果得出, 稻田甲烷的排放量与水稻植株的根系生物量、根冠比、根系孔隙度以及根际土壤溶液的Eh、甲烷浓度、可溶性碳(DOC)浓度、铵态氮(NH4+-N)浓度均有显著相关性.因此, 水稻植株生理及形态上的差异以及植株根际土壤的差异能对稻田甲烷排放产生一定的影响.相关的研究表明[30], 水稻植株的株高、分蘖数以及叶面积被认为是直接参与甲烷运输的, 这些特性的差异直接关系到对甲烷的运输效果, 将更有助于将土壤总的甲烷释放稻大气中.如Aulakh等[31, 32]研究了十几种水稻地上部分生物量与分蘖数与甲烷的排放关系, 然而这些特性无法直接推断出有助于甲烷的排放, 尽管不同水稻品种甲烷排放显著差异.在本研究中, 植株地上部分形态指标也与甲烷排放没有显著相关性, 这些结果表明地上植株性状可能不是甲烷排放的主要因素, 尽管它们对甲烷的运输有潜在的影响.因此, 水稻品种之间CH4排放的差异应该主要源于水稻植物地下部位的影响过程(CH4在土壤中的产生或氧化)[33].
相对于地上植物性状对CH4排放的间接影响, 水稻根在与CH4排放有关的过程中发挥重要作用, 直接影响CH4的排放, 用根特特性来揭示水稻对甲烷排放产生的多种影响. Conrad等[34]和Ye等[35]的研究表明, 水稻根系生物量与CH4排放存在负相关关系, 土壤氧化还原电位存在负相关关系, CH4生产是厌氧分解的最后一步, CH4产生的底物来源于SOM、根C、醋酸盐(来自根和微生物)和CO2.水稻根提供可用的C为产甲烷菌, 其丰度和活性增加, 因此, 它们利用更活跃的SOM生产更多的CH4, CH4排放量还取决于CH4产生和氧化平衡造成的消耗[36].傅志强等[37]的研究结果表明, CH4的排放与土壤溶液的Eh密切相关, 且受土壤溶液中CH4浓度的显著影响.在本研究中, 甲烷排放与根际土壤甲烷浓度、Eh、DOC浓度以及NH4+-N浓度有显著正相关关系, 甲烷的排放与土壤有机碳及土壤氮呈正相关, 这与前者研究者结果一致.土壤C和N浓度与甲烷细菌呈正相关[38].相关的研究表明, CH4排放在水稻生长季节随着C的加入量与最高温度相吻合, 并且CH4产量受到C底物量的限制[39].土壤氮浓度的增加会增加CH4的产生和排放量, 造成这种情况也可能是因为N的限制[40]. N的投入通过影响光合左右衍生的C转化为土壤有机碳库, 从而促进甲烷的排放, 因为氮可以促进微生物活动和种群大小, 增加根分解速率和C向土壤中的释放.同时也将提高水稻植物生长发育, 通过增加根生物量将碳增加到SOC库[41].从根部渗出到根际水稻土产生甲烷, 从而促进CH4的产生和土壤排放[42].相关的研究表明, 施肥刺激了甲烷营养细菌并增加了土壤中CH4的吸收. NH4+可以刺激CH4氧化, 提高CH4浓度; 这可能意味着施肥可能最终减少稻田土壤中CH4的产生和排放. CH4的产生也受到电子受体的影响[43].不同水稻品种甲烷排放存在一定的差异, 然而水稻地上部性状可能不是甲烷排放评估的良好指标, 在未来的研究中会进一步关注水稻品种地下部根系方面的指标, 以及本研究根际土壤方面的重要指标.
4 结论不同早晚稻品种甲烷排放通量、单位面积排放量、单位产量排放量以及温室效应间均存在显著差异; 晚稻品种甲烷排放量明显高于早稻品种; 筛选出早稻低排放品种有杂交稻株两优819、陆两优996和常规稻中早39, 低排晚稻品种有杂交稻资优299和Y两优1号.影响水稻品种甲烷排放的根际特性主要是根冠比、根系孔隙度、根际土壤溶液Eh值、甲烷浓度、DOC浓度及NH4+-N浓度, 但根系孔隙度与根冠比对早晚稻甲烷排放的影响存在相反的影响, 为建立水稻品种甲烷排放能力评价指标体系提供了依据.
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