朱杰　吴国栋　刘章勇　吴芸紫　金涛

摘要：采用静态暗箱法分别对手栽-常规密度、机栽-常规密度以及机栽-密植等3种种植模式下水稻大田全生育期内CH4排放进行了观测。研究表明：（1）3种种植模式下，稻田CH4排放季节性变化趋势较一致，均在分蘖盛期和抽穗扬花期出现峰值；（2）水稻大田全生育期内CH4排放总量为机栽-密植模式（246.5 kg/hm2）>机栽-常规模式（199.9 kg/hm2）>手栽-常规模式（106.7 kg/hm2）；（3）手栽-常规密度模式下，CH4排放通量与土壤含水量之间存在显著正相关（r=0.48，n=23），而与其他环境影响因子不存在相关性；机栽-常规密度模式下，CH4排放通量与气温、5 cm土温、10 cm土温均存在极显著正相关关系，相关系数分别达到0.61、0.53和0.55；机栽-密植模式下，CH4排放通量与气温、5 cm土温、10 cm土温均存在显著正相关关系，相关系数分别为0.50、0.49和0.48；（4）机栽-密植处理较之手栽-常规密度，产量差异不显著，而较之机栽-常规密度，产量高出14.0%；（5）手栽-常规密度、机栽-常规密度和机栽-密植3种模式下稻田单位产量的甲烷排放量分别为11.64、24.62、26.79 g/kg。综合分析表明，机械移栽无论采用常规密度种植还是密植种植均显著增加稻田CH4排放。

关键词：人工移栽；机械移栽；移栽密度；甲烷；稻田

中图分类号： S181 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）19-0261-04

收稿日期：2016-11-16

基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项（编号：201203032）；湖北省教育厅科研项目（编号：Q20131203）。

作者简介：朱 杰（1992—），男，湖北枣阳人，硕士，主要从事土壤温室气体排放研究。E-mail：hbzj0806@163.com。

通信作者：金 涛，博士，讲师，主要从事土壤碳氮循环研究。E-mail：jintao165@126.com。 温室气体排放导致全球气候变暖、区域气候变化等问题已成为当前研究的焦点之一，CH4是农业生产过程中排放的主要温室气体[1]。CH4对全球的增温贡献率达到了14.3%，仅次于CO2[2]，作为第二大温室气体，其浓度增高是导致全球气候变暖的主要原因[3]。有研究表明，百年尺度大气中CH4的温室效应是CO2的25倍[4]，我国农业活动产生的CH4占全国CH4排放量的50.15%[5]。我国稻田每年约排放CH4 741 Tg，占世界年排放总量的29.9%[6]。稻田甲烷排放是当前农田环境领域的研究热点之一。

水稻生产在我国粮食生产中占有不可替代的地位，提高水稻综合生产能力是保障我国粮食安全的长期战略目标[7-8]。我国传统的手栽稻模式消耗人工多，效益低下。近年来，成本压力与集约式管理条件下机械种植正稳步进入农业生产实践中。在机械生产规模日益扩大的同时，关于机械生产的研究也是层出不穷，涉及多个方面[9]。张结刚等[10]、王雪忠等[11]、何勇等[12]研究了关于机栽秧育苗基质的制备；金红梅[13]、孙建军等[14]研究了机栽秧的适宜秧龄；程建平等[15]、王端飞等[16]、张胜等[17]研究了机栽秧的产量及产量构成因素，并综合比较研究了机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、抛秧、机插和直播）的稻田氧化亚氮通量季节变化[18]。诸多研究主要集中在不同栽培方式对育苗机制、水稻产量、成本和效益以及稻田氧化亚氮排放的影响。另外，由于目前可用耕地面积日益萎缩，为提高土地利用率，密植也成了时下很重要的一种栽培模式。刘义等研究发现，适当的早稻种植密度，有利于构建高产的水稻群体，将产量的各种构成因子有机地结合起来，发挥最大的产量效应[19]。然而，目前关于温室气体排放影响的研究多集中于常规且单一种植方式（人工插秧）及农艺技术改变，而对于不同栽培方式下温室气体甲烷排放的研究还很鲜见。因此，本试验研究手栽稻、机栽稻和机栽密植下，CH4排放特性以及相关影响因子，为合理布局农业生产方式来降低成本、提高产量并减排稻田甲烷，从而实现农业的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验材料为全两优681，属中籼迟熟两系杂交稻品种。试验地点位于湖北省荆州市荆州区太湖农场。该地区属亚热带季风气候区，年平均气温17.1 ℃，年均降水量为 1 059.9 mm，主要集中在6月份和9月份，年均日照时数为 1 712.1 h。该地为冲积母质发育的水稻土，有机质含量为16.4 g/kg，全氮含量为0.75 g/kg，全磷含量為0.54 g/kg，速效钾含量为17.09 mg/kg，pH值为7.5。

1.2 试验设计

江汉平原地区，水稻的生长期一般为5月下旬至10月上旬，本试验的研究集中在2014年水稻大田生长期：6月6日至9月30日。试验设置3个处理：手栽-常规密度（1.9×105蔸/hm2）、机栽-常规密度（1.9×105蔸/hm2）和机栽-密植（2.4×105蔸/hm2），每处理设置3重复，共计3×3=9个小区，小区面积为5 m×5 m=25 m2，随机区组设计。小区施肥情况完全相同，氮肥折算成纯氮为150 kg/hm2，以尿素为肥源分3次施入；磷肥为P2O5 40 kg/hm2，以过磷酸钙作肥源1次施入；钾肥为K2O 100 kg/hm2，采用氯化钾作肥源1次施入。另外，排灌以及病虫害防治等田间管理条件均完全相同。

1.3 气体的采集与分析

水稻大田生长期取样安排：中稻移栽前1 d进行气体采集，水稻刚移栽及每次施肥后的3、6、9 d连续取样，以后每 5 d 采1次样。李晶等[20]通过试验发现，测定稻田温室气体排放采样时间选在9：00—11：00和21：00—23：00时的误差最小，且该时段的排放通量接近一天的平均排放通量。因此本研究取样时间控制在采样当天9：00—11：00之间。采用静态暗箱-气相色谱法进行水稻植株及稻田土壤与大气间交换的甲烷排放通量。静态暗箱采用组合式不锈钢材料，底座为铝合金材料。底座直径50 cm，底座上端有深5 cm密封水槽，采样时将顶箱或延长箱罩在底座上，用水密封。底座于移栽后埋入田中，手栽-常规密度与机栽-常规密度处理下底座内包含4蔸水稻植株，机栽-适宜密植处理下底座内包含6蔸，底座在整个生长期都固定在采样点上。延长箱直径 80 cm，封顶箱直径80 cm，顶箱和延长箱均由不锈钢制成。延长箱内装2个采样管、1个测温口，外覆绝热材料（海绵和铝箔纸包裹）。盖箱后分别在0、6、20 min采集甲烷气样，用50 mL注射器从箱中抽取气体，通过旋转三通阀转移到1.0 L气体采样袋，备测。endprint

温室气体CH4的测定工作在长江大学湿地中心温室气体分析室进行，使用的仪器为PICARRO G2301CO2/CH4/H2O分析仪。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为气体排放通量[mg/（m2·h）]；ρ为标准状态下气体的密度（kg/m3）；h为经过水层高度调整后采样箱顶部距水面的实际高度（m）；dc/dt为单位时间内采样箱内气体的体积分数变化率；273为气态方程常数；T为取样时刻采样箱内的平均温度（℃）；α为CH4中C元素转换系数（α=12/16）。

1.4 土样及水稻样品的采集与分析

在气体取样的过程中，用电子温度计测定大气温度（每次气体取样结束时）、5 cm土温、水温（或10 cm土温）。与此同时，在底座周围取适量的土样（30～40 g）和水样（300 mL左右）带回实验室测定分析。

土样pH值，经土水1 ∶5的比例浸提，采用电位法测定；水样pH值，直接用电子仪器测定；土样含水量，采用的是烘干法（105 ℃）测定；土样铵态氮含量采用KCl浸提-钼锑抗比色法处理，紫外分光光度计法测定；土样硝态氮含量，采用CaSO4浸提-稀释处理，紫外分光光度计法测定。在水稻成熟期，收获水稻时，小区单打单收单晒，扬净后分别称质量，再折算实际单产。

1.5 数据处理

数据处理主要采用Excel 2003和DPS 7.5统计分析软件。用Excel 2003对原始数据进行均值和标准偏差的计算，用DPS 7.5分析甲烷排放通量和环境影响因子间的相关性，显著性水平小于0.05表示两者呈显著相关，小于0.01表示两者间呈极显著相关。

2 结果与分析

2.1 栽培方式对稻田CH4季节性排放的影响

在水稻整个大田生育期内，定期对CH4的排放通量进行测定，其季节性变化趋势如图1所示。从图1可以看出，在水稻整个大田生育期内，3种模式下CH4排放曲线存在一定的差异，但总体趋势较一致。在苗期，随着水稻的生长，各处理下CH4排放通量均逐渐增加。在水稻分蘖盛期（7月中下旬），各处理均出现排放高峰，随后迅速回落。然后在抽穗扬花期又快速升高，最后又慢慢下降。上述结果说明，3种模式下CH4季节性排放曲线总体趋势较一致，在水稻分蘖期与抽穗扬花期先后出现峰值。

2.2 栽培方式对稻田CH4排放总量的影响

3种栽培方式下大田生育期内稻田CH4排放总量均由CH4排放通量乘以取样时间间隔累加求得，具体数值如图2所示。从图2可以明显看出，3种种植模式下，全生育期内稻田CH4排放总量从高到低依次为机栽-密植模式（246.5 kg/hm2）、机栽-常规密度模式（199.9 kg/hm2）、手栽-常规密度模式（106.7 kg/hm2），其中机栽-密植模式和手栽-常规密度模式稻田CH4排放总量具有显著性差异。

2.3 甲烷排放通量影响因子分析

分别分析3种模式下CH4排放通量的影响因子，具体相关系数见表1至表3。由表1可以看出，手栽-常规密度模式下CH4排放通量与土壤含水量之间存在显著正相关关系（r=0.48）。

2.4 栽培方式对水稻产量的影响

本研究中的经济产量是根据大田实际产量与理论产量求算术平均数得来，结果见表4。由表4可以看出，手栽-常规密度与机栽-常规密度2种模式下产量分别为9 170 kg/hm2和8 120 kg/hm2。较之手栽-常规密度，机栽-常规密度产量低11.5%，达到极显著差异。这一结果与程建平等[15]、王端飞等[16]的研究结果相一致。机栽-密植处理较之机栽-常规密度，密度高出 28.5%，产量高出14.0%，也达到极显著水平。此结果与潘圣刚等的研究结论[21]较一致。

2.5 栽培方式下单位产量的甲烷排放量分析

由表5可以看出，手栽-常规密度、机栽-常规密度和机栽-密植3种模式下单位产量稻田甲烷排放量分别是1164、 24.62、 26.79 g/kg， 机栽-密植模式和机栽-常规密度模式下单位产量甲烷排放量分别是手栽-常规密度模式的2.30和2.12倍。

3 结论与讨论

随着稻田淹水时间的延长及秧苗的生长，残留于泥土中的前茬作物秸秆或根系形成大量有机质，这些有机物不断分解，可能导致CH4排放呈快速上升。进入水稻分蘖盛期（7月中下旬），由于水稻植株通气组织比较发达，成为传输CH4的主要途径；加上白天田间气温基本保持在30 ℃以上，处于厌氧状态下的产甲烷菌活动频繁，因此甲烷大量排放[3]。分蘖盛期后田间断水，处于晒田期，Thurlow等[22]和Singh等[23]曾证明排干或休闲期的非淹水稻田为CH4的汇，因此在这一阶段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。从水稻齐穗期到成熟期，田间基本处于落干状态，不利于CH4的排放，因此各处理CH4排放通量开始逐渐下降。本研究表明，3种模式下CH4季节性排放曲线总体趋势较一致，在水稻分蘖期与抽穗扬花期先后出现峰值。试验结果与Sass等的研究结果[24-26]较一致。

机栽-常规密度模式由于机械作用，造成了土层结构一定程度的板结，通气条件下降，有利于CH4的产生。机栽-密植模式由于密度较大，因此在机栽-常规密度模式的基础上，其土壤通气性更差，长期处于厌氧环境，因此CH4排放量相对最大。而手栽-常规密度模式，由于土壤理化性质较好，通气性较强，因此CH4排放量最小。本研究表明，3种种植模式下，全生育期内机栽-密植模式稻田CH4排放总量最高。土壤水分通过影响土壤氧化还原电位、氧气供给、土壤微生物活性及土壤中气体向大气扩散速率等影响甲烷的产生与排放，土壤常年淹水可导致稻田排放大量的甲烷[27]。所以，手栽-常规密度模式下CH4排放通量与土壤含水量之间呈显著正相关关系。机栽-常规密度模式由于机械作用，造成了土层结构一定程度的板结，通气条件下降，根际供养降低。而根际供氧能提高稻田土壤氧化还原电位[28]，因此，机械移栽降低了土壤水分对土壤氧化还原电位和氧气供应的影响程度，从而降低了土壤水分对CH4排放影响因子的相关系数。机栽-常规密度模式下CH4排放通量与气温、5 cm土温、 10 cm 土温均呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.61、0.53、0.55。机栽-密植模式下CH4排放通量与气温、5 cm土温、10 cm土温均呈显著正相关关系。比较3种移栽模式下水稻单位面积产量，由高到低依次为机械-密植模式>手栽-常规模式>机械-常规模式，其中机械-密植模式和手栽-常规模式产量差异并不明显。3种移栽模式下，单位面积甲烷排放总量和单位产量甲烷排放量均以手栽-常规密度最低，且机械-密植模式和机械-常规密度模式下单位产量甲烷排放量均大于2倍手栽-常规密度模式单位产量甲烷排放量。综上，机械移栽无论是采用常规种植还是密植，其甲烷的累积排放量和单位产量的甲烷排放量，都比手栽常规密度模式下的要高。endprint