水稻植株和土壤对CH_4排放的影响及定量模型研究

【摘要】： 研究水稻植株通气组织与甲烷(CH_4)排放相关性为培育高产低甲烷排放的水稻品种提供理论与实践依据，同时也为通过栽培措施影响水稻植株通气组织来达到减排甲烷的目的提供理论基础。特别是近年来，随着水稻直播栽培技术的提高，直播稻面积越来越大；高产水稻品种的选育十分重视，超级稻品种的推广面积逐年增加。所以对直播稻以及高产水稻品种的甲烷排放观测也很重要，为高产水稻品种、直播稻的大面积推广提供环境学支撑具有重要的现实意义。 2005～2006年早、晚共4季观测了39个不同水稻品种以及移栽、撒播、条播、穴播4种不同栽培方式的CH_4排放通量，计算了CH_4季节排放总量与季节排放均值，分析和比较了不同品种、不同栽培方式下的甲烷排放差异；测定了不同水稻品种、不同栽植方式下的水稻植株植物学特征；观测了稻鸭共栖复合生态系统中不同养鸭数量的稻田土壤特性及甲烷排放通量。主要结果如下： 1不同水稻品种之间CH_4排放差异显著 早稻常规稻品种湘早籼12号CH_4排放量是常规稻郴早糯1号的1.42倍；杂交早稻金优706是威优402的1.17倍；晚稻常规品种余赤231-8是湘晚籼12号的1.35倍，杂交晚稻T优259是金优207的1.24倍。早、晚稻常规稻CH_4排放量极差分别为8.31g／m~2、4.85 g／m~2，杂交稻分别为2.96 g／m~2、3.18g／m~2；常规稻CH_4排放变幅大于杂交稻。不同类型之间CH_4排放存在显著差异，早、晚稻常规稻CH_4排放量均值分别高出杂交稻3.66g／m~2、0.68g／m~2，杂交早稻比常规稻降低了18.4％，杂交晚稻比常规稻减少了3.1％。因此，种植杂交稻CH_4排放量低于常规稻。 2水稻植株通气组织与稻田CH_4排放密切相关 2005年早、晚稻观测了植株地上部茎秆通气组织与甲烷排放通量，分析了通气组织与CH_4排放相关性。结果表明：早稻期间，植株第1节间直径、第2节间茎秆维管束面积、茎秆壁厚以及叶鞘横切面积／节间横切面积、第3节间叶鞘横切面积／节间横切面积、茎壁横切面积／节间横切面积与CH_4排放量相关性达到显著性水平；晚稻期间：株高与CH_4排放量达到0.001的极显著性水平；第3节间叶鞘横切面积／节间横切面积、茎秆维管束面积／茎秆横切面积、第2节间维管束面积／节间横切面积、第1节间维管束总面积／茎壁横切面积、叶鞘维管束面积／茎壁横切面积均与CH_4排放量达到0.01极显著水平；此外，第1～5节间还有17个数量指标与CH_4排放量达到0.05显著性水平。根据上述相关数量特征确定聚类指标，对早、晚稻品种甲烷排放量进行模糊聚类分析，早、晚稻品种聚类结果与实测结果吻合度分别达到87.5％和90.0％。对水稻植株与CH_4排放相关的因子进行主成分分析，得出株高、维管束、气腔、茎壁等4个主因子，以这4个因子对水稻品种甲烷排放进行聚类，与实测结果吻合度达到83.3％。分析2006年不同栽培方式的甲烷排放通量与水稻根系特性相关性，分蘖盛期的根系生物量、体积、白根数量、根系活力、根系吸收总面积以及活跃吸收面积均与甲烷排放通量呈显著正相关关系。 3稻叶气孔特性影响稻田CH_4排放 早稻品种剑叶气孔密度、剑叶气孔总数量与拔节～孕穗期甲烷排放通量呈显著正相关；晚稻品种常规稻倒二叶气孔总个数与CH_4排放通量均值、倒三叶气孔总个数、上三叶气孔总个数与拔节～孕穗期甲烷排放通量相关性分别达到0.05、0.05、0.01水平；剑叶气孔总面积与抽穗～齐穗期甲烷排放通量均值呈显著负相关，倒二叶气孔总面积与抽穗～齐穗期甲烷排放通量均值呈显著正相关。直播稻剑叶气孔密度、气孔总数量与抽穗期甲烷排放通量呈显著负相关；不同栽培方式下的叶面积指数存在显著差异，CH_4排放通量与叶面积指数呈显著正相关关系。因此，稻叶气孔特性与甲烷排放通量之间存在一定程度的相关性，影响到稻田甲烷排放；同时也证实了王明星等认为稻叶气孔是甲烷排放通道的观点。 4不同栽植方式下的CH_4排放量差异显著 基于本田生长期早、晚稻直播与移栽甲烷排放数量比较，直播稻甲烷排放季节均值低于移栽稻，但直播稻甲烷排放季节总量高于移栽稻。2005年早稻移栽稻比直播稻低1.24g／m~2，减少了8.5％；2005年晚稻移栽稻比直播稻低1.02g／m~2，减少了3.7％；2006年早稻创丰1号抛栽稻甲烷排放量比直播稻减少7.5％，超级稻抛栽比直播要低3.8％；2006年晚稻移栽分别比撒播(80苗／m~2)、条撒(80苗／m~2)、穴播(2苗／穴)减少了28.9％、54.3％、34.1％。不同撒播密度、不同穴播密度甲烷排放量存在显著差异，而且密度越大，甲烷排放量越大。栽培密度对CH_4的排放通量影响很大。2006年晚稻移栽稻单位经济产量甲烷排放量为37.62g CH_4／kg稻谷，直播稻超出移栽稻17.7％。2006年早稻超级稻直播单位稻谷产甲烷量高于抛栽稻4.84 gCH_4／kg稻谷，常规稻创丰1号直播高于移栽稻3.48 gCH_4／kg稻谷，常规稻不论直播与移栽也都要高于超级稻。 基于相同面积相同时间直播与移栽CH_4排放数量比较，早稻甲烷排放总量及季节排放均值排序为常规稻直播＞常规稻抛栽＞超级稻直播＞超级稻抛；晚稻为直播＞移栽。杂交稻与常规稻直播无论早稻还是晚稻单位稻谷的甲烷产生量要高于抛(移)栽稻，常规稻要高于超级稻。综合分析水稻生产与甲烷排放，撒播密度、穴播密度分别以80苗／m~2、4苗／穴为最优选择。 5不同养鸭数量的稻田CH_4排放量差异显著 在水稻不同生育时期，20只鸭／667m~2稻田水体溶解氧含量与常规稻田相比，早稻增加了2.2％～68.7％，晚稻增加了11.1％～110.8％；产CH_4细菌种群数量20只鸭／667m~2早稻田土壤低于对照38.9％～51.6％；晚稻田土壤低于对照69.8％～90.2％。与对照比，早稻土壤还原物质总量、活性还原物质以及活性有机还原物质降幅分别为0.322～1.118、0.239～0.689、0.203～0.548 cmol kg~(-1)；晚稻降幅分别为0.171～0.628、0.220～0.591、0.157～0.433 cmolkg~(-1)。早稻期间，10只鸭／667m~2、15只鸭／667m~2、20只鸭／667m~2处理甲烷排放量分别比对照降低了18.2％、26.1％、28.1％；晚稻期间，降低了17.7％、27.6％、34.4％。 环境经济效益分析表明，养鸭数量越多，经济效益越高。10只鸭／667m~2、15只鸭／667m~2、20只鸭／667m~2分别比常规稻作增加纯收入为：2644元／hm~2、2830元／hm~2、3006元／hm~2；环境经济收益分别增加2986、3197、3390 yuan／hm~2。但从水稻生产的角度来考虑，20只鸭／667m~2影响到了水稻生长发育，比常规稻作显著地减少了产量，而10只鸭／667m~2处理比常规稻作增加了产量；15只鸭／667m~2对水稻产量影响不大，与10只鸭／667m~2处理相比增加了环境经济效益。稻田应以水稻生产为主体，在不影响水稻产量的前提下考虑增加其它附加值，提高经济效益。因此综合考虑水稻生产、生态与经济效益，稻田生态种养模式中养鸭数量以15只鸭／667m~2为最优选择。 6建立了基于稻鸭共栖系统土壤特性的CH_4排放定量模型 (1)土壤还原物质与CH_4排放相关性：CH_4排放通量与还原物质总量间的线性回归方程为：Y=2.1138X+1.7552，相关性达到0.05显著水平(R=0.8397)；与活性还原物质总量、活性有机还原物质总量回归方程分别为Y=3.6161X-0.3435，Y=5.9046X+1.9865，相关性都达到0.01显著水平(R=0.9250，0.9208)。表明CH_4排放通量与土壤还原性物质含量呈显著正相关。 (2)水体溶解氧含量与CH_4排放相关性：以早、晚2季不同养鸭数量处理下的CH_4排放通量季节均值为依变量，以田面水中溶解氧含量季节均值为变量，其回归方程为：Y=-1.5276X+14.7707，相关性达到0.001显著水平(R=-0.9390)，二者呈真实线性负相关关系。 (3)土壤产甲烷细菌与CH_4排放相关性：早稻期间，CH_4排放通量与产甲烷细菌数量间线性回归方程为：Y=11.4949+0.5088X(R=0.7798)；晚稻期间，CH_4排放通量与产甲烷细菌数量间的线性回归方程为：Y=12.9218+0.0558X(R=0.8037)，相关性均达到了0.001显著性水平。表明CH_4排放通量与土壤产甲烷细菌种群数量呈显著正相关。 稻鸭共栖复合系统中通过鸭子的活动增加水体溶解氧含量、减少产甲烷菌种群数量、降低土壤还原性物质含量，从而显著减少了甲烷排放。养鸭数量越多，溶氧含量越高，产甲烷菌数量及还原性物质减少幅度越大，导致土壤中CH_4气体生成量减少，氧化量增加，CH_4排放通量减少。