朱杰　吳國棟　劉章勇　吳蕓紫　金濤

摘要：采用靜態(tài)暗箱法分別對手栽-常規(guī)密度、機(jī)栽-常規(guī)密度以及機(jī)栽-密植等3種種植模式下水稻大田全生育期內(nèi)CH4排放進(jìn)行了觀測。研究表明：（1）3種種植模式下，稻田CH4排放季節(jié)性變化趨勢較一致，均在分蘗盛期和抽穗揚(yáng)花期出現(xiàn)峰值；（2）水稻大田全生育期內(nèi)CH4排放總量為機(jī)栽-密植模式（246.5 kg/hm2）>機(jī)栽-常規(guī)模式（199.9 kg/hm2）>手栽-常規(guī)模式（106.7 kg/hm2）；（3）手栽-常規(guī)密度模式下，CH4排放通量與土壤含水量之間存在顯著正相關(guān)（r=0.48，n=23），而與其他環(huán)境影響因子不存在相關(guān)性；機(jī)栽-常規(guī)密度模式下，CH4排放通量與氣溫、5 cm土溫、10 cm土溫均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.61、0.53和0.55；機(jī)栽-密植模式下，CH4排放通量與氣溫、5 cm土溫、10 cm土溫均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.50、0.49和0.48；（4）機(jī)栽-密植處理較之手栽-常規(guī)密度，產(chǎn)量差異不顯著，而較之機(jī)栽-常規(guī)密度，產(chǎn)量高出14.0%；（5）手栽-常規(guī)密度、機(jī)栽-常規(guī)密度和機(jī)栽-密植3種模式下稻田單位產(chǎn)量的甲烷排放量分別為11.64、24.62、26.79 g/kg。綜合分析表明，機(jī)械移栽無論采用常規(guī)密度種植還是密植種植均顯著增加稻田CH4排放。

關(guān)鍵詞：人工移栽；機(jī)械移栽；移栽密度；甲烷；稻田

中圖分類號： S181 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0261-04

收稿日期：2016-11-16

基金項目：國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（編號：201203032）；湖北省教育廳科研項目（編號：Q20131203）。

作者簡介：朱 杰（1992—），男，湖北棗陽人，碩士，主要從事土壤溫室氣體排放研究。E-mail：hbzj0806@163.com。

通信作者：金 濤，博士，講師，主要從事土壤碳氮循環(huán)研究。E-mail：jintao165@126.com。 溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候變暖、區(qū)域氣候變化等問題已成為當(dāng)前研究的焦點(diǎn)之一，CH4是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中排放的主要溫室氣體[1]。CH4對全球的增溫貢獻(xiàn)率達(dá)到了14.3%，僅次于CO2[2]，作為第二大溫室氣體，其濃度增高是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因[3]。有研究表明，百年尺度大氣中CH4的溫室效應(yīng)是CO2的25倍[4]，我國農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的CH4占全國CH4排放量的50.15%[5]。我國稻田每年約排放CH4 741 Tg，占世界年排放總量的29.9%[6]。稻田甲烷排放是當(dāng)前農(nóng)田環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

水稻生產(chǎn)在我國糧食生產(chǎn)中占有不可替代的地位，提高水稻綜合生產(chǎn)能力是保障我國糧食安全的長期戰(zhàn)略目標(biāo)[7-8]。我國傳統(tǒng)的手栽稻模式消耗人工多，效益低下。近年來，成本壓力與集約式管理條件下機(jī)械種植正穩(wěn)步進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中。在機(jī)械生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大的同時，關(guān)于機(jī)械生產(chǎn)的研究也是層出不窮，涉及多個方面[9]。張結(jié)剛等[10]、王雪忠等[11]、何勇等[12]研究了關(guān)于機(jī)栽秧育苗基質(zhì)的制備；金紅梅[13]、孫建軍等[14]研究了機(jī)栽秧的適宜秧齡；程建平等[15]、王端飛等[16]、張勝等[17]研究了機(jī)栽秧的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素，并綜合比較研究了機(jī)栽秧和手栽秧的成本和效益；林芳等研究了栽培方式（如手插、拋秧、機(jī)插和直播）的稻田氧化亞氮通量季節(jié)變化[18]。諸多研究主要集中在不同栽培方式對育苗機(jī)制、水稻產(chǎn)量、成本和效益以及稻田氧化亞氮排放的影響。另外，由于目前可用耕地面積日益萎縮，為提高土地利用率，密植也成了時下很重要的一種栽培模式。劉義等研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)脑绲痉N植密度，有利于構(gòu)建高產(chǎn)的水稻群體，將產(chǎn)量的各種構(gòu)成因子有機(jī)地結(jié)合起來，發(fā)揮最大的產(chǎn)量效應(yīng)[19]。然而，目前關(guān)于溫室氣體排放影響的研究多集中于常規(guī)且單一種植方式（人工插秧）及農(nóng)藝技術(shù)改變，而對于不同栽培方式下溫室氣體甲烷排放的研究還很鮮見。因此，本試驗研究手栽稻、機(jī)栽稻和機(jī)栽密植下，CH4排放特性以及相關(guān)影響因子，為合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式來降低成本、提高產(chǎn)量并減排稻田甲烷，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗材料為全兩優(yōu)681，屬中秈遲熟兩系雜交稻品種。試驗地點(diǎn)位于湖北省荊州市荊州區(qū)太湖農(nóng)場。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫17.1 ℃，年均降水量為 1 059.9 mm，主要集中在6月份和9月份，年均日照時數(shù)為 1 712.1 h。該地為沖積母質(zhì)發(fā)育的水稻土，有機(jī)質(zhì)含量為16.4 g/kg，全氮含量為0.75 g/kg，全磷含量為0.54 g/kg，速效鉀含量為17.09 mg/kg，pH值為7.5。

1.2 試驗設(shè)計

江漢平原地區(qū)，水稻的生長期一般為5月下旬至10月上旬，本試驗的研究集中在2014年水稻大田生長期：6月6日至9月30日。試驗設(shè)置3個處理：手栽-常規(guī)密度（1.9×105蔸/hm2）、機(jī)栽-常規(guī)密度（1.9×105蔸/hm2）和機(jī)栽-密植（2.4×105蔸/hm2），每處理設(shè)置3重復(fù)，共計3×3=9個小區(qū)，小區(qū)面積為5 m×5 m=25 m2，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。小區(qū)施肥情況完全相同，氮肥折算成純氮為150 kg/hm2，以尿素為肥源分3次施入；磷肥為P2O5 40 kg/hm2，以過磷酸鈣作肥源1次施入；鉀肥為K2O 100 kg/hm2，采用氯化鉀作肥源1次施入。另外，排灌以及病蟲害防治等田間管理條件均完全相同。

1.3 氣體的采集與分析

水稻大田生長期取樣安排：中稻移栽前1 d進(jìn)行氣體采集，水稻剛移栽及每次施肥后的3、6、9 d連續(xù)取樣，以后每 5 d 采1次樣。李晶等[20]通過試驗發(fā)現(xiàn)，測定稻田溫室氣體排放采樣時間選在9：00—11：00和21：00—23：00時的誤差最小，且該時段的排放通量接近一天的平均排放通量。因此本研究取樣時間控制在采樣當(dāng)天9：00—11：00之間。采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法進(jìn)行水稻植株及稻田土壤與大氣間交換的甲烷排放通量。靜態(tài)暗箱采用組合式不銹鋼材料，底座為鋁合金材料。底座直徑50 cm，底座上端有深5 cm密封水槽，采樣時將頂箱或延長箱罩在底座上，用水密封。底座于移栽后埋入田中，手栽-常規(guī)密度與機(jī)栽-常規(guī)密度處理下底座內(nèi)包含4蔸水稻植株，機(jī)栽-適宜密植處理下底座內(nèi)包含6蔸，底座在整個生長期都固定在采樣點(diǎn)上。延長箱直徑 80 cm，封頂箱直徑80 cm，頂箱和延長箱均由不銹鋼制成。延長箱內(nèi)裝2個采樣管、1個測溫口，外覆絕熱材料（海綿和鋁箔紙包裹）。蓋箱后分別在0、6、20 min采集甲烷氣樣，用50 mL注射器從箱中抽取氣體，通過旋轉(zhuǎn)三通閥轉(zhuǎn)移到1.0 L氣體采樣袋，備測。endprint

溫室氣體CH4的測定工作在長江大學(xué)濕地中心溫室氣體分析室進(jìn)行，使用的儀器為PICARRO G2301CO2/CH4/H2O分析儀。稻田甲烷排放通量利用下式求得：

F=ρ·h·dc/dt·273/（273+T）·α。（1）

式中：F為氣體排放通量[mg/（m2·h）]；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度（kg/m3）；h為經(jīng)過水層高度調(diào)整后采樣箱頂部距水面的實際高度（m）；dc/dt為單位時間內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體的體積分?jǐn)?shù)變化率；273為氣態(tài)方程常數(shù)；T為取樣時刻采樣箱內(nèi)的平均溫度（℃）；α為CH4中C元素轉(zhuǎn)換系數(shù)（α=12/16）。

1.4 土樣及水稻樣品的采集與分析

在氣體取樣的過程中，用電子溫度計測定大氣溫度（每次氣體取樣結(jié)束時）、5 cm土溫、水溫（或10 cm土溫）。與此同時，在底座周圍取適量的土樣（30～40 g）和水樣（300 mL左右）帶回實驗室測定分析。

土樣pH值，經(jīng)土水1 ∶5的比例浸提，采用電位法測定；水樣pH值，直接用電子儀器測定；土樣含水量，采用的是烘干法（105 ℃）測定；土樣銨態(tài)氮含量采用KCl浸提-鉬銻抗比色法處理，紫外分光光度計法測定；土樣硝態(tài)氮含量，采用CaSO4浸提-稀釋處理，紫外分光光度計法測定。在水稻成熟期，收獲水稻時，小區(qū)單打單收單曬，揚(yáng)凈后分別稱質(zhì)量，再折算實際單產(chǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要采用Excel 2003和DPS 7.5統(tǒng)計分析軟件。用Excel 2003對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的計算，用DPS 7.5分析甲烷排放通量和環(huán)境影響因子間的相關(guān)性，顯著性水平小于0.05表示兩者呈顯著相關(guān)，小于0.01表示兩者間呈極顯著相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 栽培方式對稻田CH4季節(jié)性排放的影響

在水稻整個大田生育期內(nèi)，定期對CH4的排放通量進(jìn)行測定，其季節(jié)性變化趨勢如圖1所示。從圖1可以看出，在水稻整個大田生育期內(nèi)，3種模式下CH4排放曲線存在一定的差異，但總體趨勢較一致。在苗期，隨著水稻的生長，各處理下CH4排放通量均逐漸增加。在水稻分蘗盛期（7月中下旬），各處理均出現(xiàn)排放高峰，隨后迅速回落。然后在抽穗揚(yáng)花期又快速升高，最后又慢慢下降。上述結(jié)果說明，3種模式下CH4季節(jié)性排放曲線總體趨勢較一致，在水稻分蘗期與抽穗揚(yáng)花期先后出現(xiàn)峰值。

2.2 栽培方式對稻田CH4排放總量的影響

3種栽培方式下大田生育期內(nèi)稻田CH4排放總量均由CH4排放通量乘以取樣時間間隔累加求得，具體數(shù)值如圖2所示。從圖2可以明顯看出，3種種植模式下，全生育期內(nèi)稻田CH4排放總量從高到低依次為機(jī)栽-密植模式（246.5 kg/hm2）、機(jī)栽-常規(guī)密度模式（199.9 kg/hm2）、手栽-常規(guī)密度模式（106.7 kg/hm2），其中機(jī)栽-密植模式和手栽-常規(guī)密度模式稻田CH4排放總量具有顯著性差異。

2.3 甲烷排放通量影響因子分析

分別分析3種模式下CH4排放通量的影響因子，具體相關(guān)系數(shù)見表1至表3。由表1可以看出，手栽-常規(guī)密度模式下CH4排放通量與土壤含水量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.48）。

2.4 栽培方式對水稻產(chǎn)量的影響

本研究中的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量是根據(jù)大田實際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量求算術(shù)平均數(shù)得來，結(jié)果見表4。由表4可以看出，手栽-常規(guī)密度與機(jī)栽-常規(guī)密度2種模式下產(chǎn)量分別為9 170 kg/hm2和8 120 kg/hm2。較之手栽-常規(guī)密度，機(jī)栽-常規(guī)密度產(chǎn)量低11.5%，達(dá)到極顯著差異。這一結(jié)果與程建平等[15]、王端飛等[16]的研究結(jié)果相一致。機(jī)栽-密植處理較之機(jī)栽-常規(guī)密度，密度高出 28.5%，產(chǎn)量高出14.0%，也達(dá)到極顯著水平。此結(jié)果與潘圣剛等的研究結(jié)論[21]較一致。

2.5 栽培方式下單位產(chǎn)量的甲烷排放量分析

由表5可以看出，手栽-常規(guī)密度、機(jī)栽-常規(guī)密度和機(jī)栽-密植3種模式下單位產(chǎn)量稻田甲烷排放量分別是1164、 24.62、 26.79 g/kg， 機(jī)栽-密植模式和機(jī)栽-常規(guī)密度模式下單位產(chǎn)量甲烷排放量分別是手栽-常規(guī)密度模式的2.30和2.12倍。

3 結(jié)論與討論

隨著稻田淹水時間的延長及秧苗的生長，殘留于泥土中的前茬作物秸稈或根系形成大量有機(jī)質(zhì)，這些有機(jī)物不斷分解，可能導(dǎo)致CH4排放呈快速上升。進(jìn)入水稻分蘗盛期（7月中下旬），由于水稻植株通氣組織比較發(fā)達(dá)，成為傳輸CH4的主要途徑；加上白天田間氣溫基本保持在30 ℃以上，處于厭氧狀態(tài)下的產(chǎn)甲烷菌活動頻繁，因此甲烷大量排放[3]。分蘗盛期后田間斷水，處于曬田期，Thurlow等[22]和Singh等[23]曾證明排干或休閑期的非淹水稻田為CH4的匯，因此在這一階段CH4排放速率快速下降。在抽穗期田間重新灌水，CH4排放通量又迅速升高。從水稻齊穗期到成熟期，田間基本處于落干狀態(tài)，不利于CH4的排放，因此各處理CH4排放通量開始逐漸下降。本研究表明，3種模式下CH4季節(jié)性排放曲線總體趨勢較一致，在水稻分蘗期與抽穗揚(yáng)花期先后出現(xiàn)峰值。試驗結(jié)果與Sass等的研究結(jié)果[24-26]較一致。

機(jī)栽-常規(guī)密度模式由于機(jī)械作用，造成了土層結(jié)構(gòu)一定程度的板結(jié)，通氣條件下降，有利于CH4的產(chǎn)生。機(jī)栽-密植模式由于密度較大，因此在機(jī)栽-常規(guī)密度模式的基礎(chǔ)上，其土壤通氣性更差，長期處于厭氧環(huán)境，因此CH4排放量相對最大。而手栽-常規(guī)密度模式，由于土壤理化性質(zhì)較好，通氣性較強(qiáng)，因此CH4排放量最小。本研究表明，3種種植模式下，全生育期內(nèi)機(jī)栽-密植模式稻田CH4排放總量最高。土壤水分通過影響土壤氧化還原電位、氧氣供給、土壤微生物活性及土壤中氣體向大氣擴(kuò)散速率等影響甲烷的產(chǎn)生與排放，土壤常年淹水可導(dǎo)致稻田排放大量的甲烷[27]。所以，手栽-常規(guī)密度模式下CH4排放通量與土壤含水量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系。機(jī)栽-常規(guī)密度模式由于機(jī)械作用，造成了土層結(jié)構(gòu)一定程度的板結(jié)，通氣條件下降，根際供養(yǎng)降低。而根際供氧能提高稻田土壤氧化還原電位[28]，因此，機(jī)械移栽降低了土壤水分對土壤氧化還原電位和氧氣供應(yīng)的影響程度，從而降低了土壤水分對CH4排放影響因子的相關(guān)系數(shù)。機(jī)栽-常規(guī)密度模式下CH4排放通量與氣溫、5 cm土溫、 10 cm 土溫均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.61、0.53、0.55。機(jī)栽-密植模式下CH4排放通量與氣溫、5 cm土溫、10 cm土溫均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。比較3種移栽模式下水稻單位面積產(chǎn)量，由高到低依次為機(jī)械-密植模式>手栽-常規(guī)模式>機(jī)械-常規(guī)模式，其中機(jī)械-密植模式和手栽-常規(guī)模式產(chǎn)量差異并不明顯。3種移栽模式下，單位面積甲烷排放總量和單位產(chǎn)量甲烷排放量均以手栽-常規(guī)密度最低，且機(jī)械-密植模式和機(jī)械-常規(guī)密度模式下單位產(chǎn)量甲烷排放量均大于2倍手栽-常規(guī)密度模式單位產(chǎn)量甲烷排放量。綜上，機(jī)械移栽無論是采用常規(guī)種植還是密植，其甲烷的累積排放量和單位產(chǎn)量的甲烷排放量，都比手栽常規(guī)密度模式下的要高。endprint