双季稻品种CH4排放差异比较研究

肖志祥， 傅志强， 徐华勤， 苏　姗， 祝志娟， 郭　昱， 刘　莉， 唐剑武

(湖南农业大学农学院，湖南长沙 410128)

温室气体的大量排放主要源于人类活动的影响，带来全球气候变暖的问题有目共睹。CH4作为大气中最重要的温室气体之一[1]，其排放源主要来自于在农业生产中水稻田的CH4排放，占人为排放源的50%左右，占全球总排放量的15%左右，年排放量为30～112 Tg[2-5]。中国作为农业生产与世界水稻种植大国，水稻品种多样，种植面积广。因此，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，已成为了重要的急需重点研究的问题。

我国南方主要以双季稻种植为主，水稻生长时间长，占全年的2/3左右，且当今随着育种技术的不断发展，适宜的双季稻品种也日益增多。水稻植株体对稻田CH4的排放起着重要的作用，90%左右的稻田CH4排放是通过水稻植株体的通气组织传输排放到大气中的[6-7]。而不同的水稻品种，由于其植株体生长情况不一样，稻田CH4排放存在显著差异，甚至于可相差2～3倍[8-9]。关于稻田CH4排放，在施肥种类、施肥方式、不同灌溉处理、不同生物还田、生物炭添加、不同栽培方式或种植方式等农业措施上对稻田CH4排放的影响，许多学者通过大量的田间试验研究，得出了相应的结果，并在稻温室气体减排上作出了重要的贡献[10-16]。而也有许多研究表明，不同品种水稻在产量形成的过程中对稻田CH4排放和形成发挥着重要的作用[17-19]。Zhang等发现，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[20]。一些研究人员发现甲烷排放量与植株生物量和产量有显著正相关，还与株高、分蘖数和叶面积指数有关[21-22]。目前湖南双季水稻的种植也往往是以当地农业部门或种子公司主要推广的一些品种为主，品种繁多，而双季稻品种间CH4排放的差异性研究还比较少，在提倡固碳减排、低碳环保的大环境下，选取种植相应的低CH4排放，并有一定产量的水稻品种对稻田生态系统减排、高产高效品种的选择具有重要的意义。

因此，本研究通过选取南方双季稻区17个早稻品种(其中6个常规品种、11个杂交品种)和20个晚稻品种(其中4个常规品种、16个杂交品种)进行CH4排放的初步研究，通过不同水稻品种CH4排放通量及排放量、产量、单位产量CH4排放强度的变化，筛选适合双季稻区种植的低CH4排放并保证一定经济产量的早晚稻品种，既可以为大面积推广种植提供品种选择，又可以为进一步探讨在常规施肥和水分管理下水稻品种甲烷排放差异形成机理提供试验材料。

1　材料与方法

1.1　试验地点

试验地点位于湖南省浏阳市沿溪镇试验基地，属亚热带季风湿润气候，为南方典型的双季水稻生产区。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，年平均温度为16.8～17.2 ℃，年降水量约1 400 mm，年≥10 ℃积温 5 300～6 500 ℃。土壤类型为第4纪红壤发育的红黄泥水稻土，化学性状：土壤pH值6.7，含有机质37.5 g/kg、含全氮 1.99 g/kg、含全磷0.84 g/kg、含全钾4.92 g/kg、含碱解氮163 mg/kg、含有效磷9.6 mg/kg、含速效钾98 mg/kg。

1.2　供试品种

试验选取17个早稻品种和20个晚稻品种。

常规早稻：中早39、中嘉早17、湘早籼6、湘早籼24、湘早籼32、湘早籼45。

杂交早稻：株两优171、株两优189、株两优819、陆两优171、陆两优996、陆两优4026、两优早17、长两优35、金优268、潭原优4903、杰丰优1号。

常规晚稻：湘晚籼13、湘晚籼17、玉珍香、黄花占。

杂交晚稻：Y两优1号、Y两优896、深两优1号、深优9586、凤两优293、凤两优丝苗、C两优7号、T优15、玖两优644、广两优2010、准两优608、康两优380、丰源优299、资优299、娄优988、丰优800。

1.3　试验设计

试验于2016年进行，采用随机区组试验设计，3次重复，小区面积12 m2(3 m×4 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261 kg/hm2，过磷酸钙750 kg/hm2，氯化钾201 kg/hm2。晚稻：尿素330 kg/hm2，过磷酸钙750 kg/hm2，氯化钾 201 kg/hm2。

早稻3月27日播种，4月29日移栽，移栽株行距为 17 cm×20 cm，7月25日收获。晚稻6月22日播种，7月27日移栽，移栽株行距为20 cm×23 cm，11月1日收获。

1.4　样品采集与分析

采用静态暗箱-气相色谱法测定，静态箱规格为0.55 m×0.55 m×1.2 m，温室气体采样箱由PVC材质制成，采样箱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。于水稻栽插后将塑胶底座固定于每个小区中，底座插入深度为3～5厘米，测定时加水注入底槽加以密封，每隔7～10 d采集1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，采样时间固定在09：00—11：00，采样时间分别为罩箱后的0、10、20、30 min，每次抽取50 mL气体样品。

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仪(Agilent789，美国)测定其浓度，标准气体由国家标准物质中心提供[18]。气体排放率由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[mg/(m2·h)]计算公式如下：

F=ρ·273/(273+T)·H·dC/dt。

式中：F为排放通量；ρ为标准大气压下的CH4密度，为 0.714 kg/m3；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累积排放量T(mg/m2)计算式为：

T=∑(Fi+1+Fi)/2×(ti+1-ti)×24。

式中：Fi、Fi+1为第i、i+1次测定时CH4平均排放通量，mg/(m2·h)；ti+1、ti为第i、i+1次测定的时间间隔，d；

以100年为时间尺度，单位产量CH4的全球增温潜势GWP(Global Warming Potential)为CO2的25倍[23]，即是指某一处理的CH4排放量的GWP与经济产量的比值。排放通量均值为累积排放量与水稻生育期天数的比值。早晚稻在成熟期收获时，每个小区取1 m2水稻进行产量测定，重复3次[24]。

1.4　统计分析

采用Excel进行数据处理、制表绘图，采用Statistix 8.0软件对早晚稻品种CH4累积排放量、产量之间进行方差分析。

2　结果与分析

2.1　稻田CH4排放通量

2.1.1不同早稻品种CH4排放通量存在显著差异，由图1可知，常规早稻的整体排放趋势为分蘖期至抽穗期所有常规品种的早稻均有1个甲烷排放峰值，其中湘早籼24排放通量峰值最高，约为中早39的9倍。从齐穗期开始甲烷排放趋势呈下降趋势，到成熟期甲烷的排放几乎为零，因此可判定在成熟期甲烷的排放是最小的。根据不同时期的甲烷排放通量的变化来考虑，以及出现峰值的时期作为判断水稻甲烷排放能力的关键时期，常规早稻品种中，中早39在整个稻季的CH4排放通量变化是最小的。杂交早稻各品种在生育期内的排放通量各个峰值的点也不一样，与常规早稻相比，部分杂交品种的排放通量峰值在孕穗期至抽穗期，出现峰值时的排放通量约为常规早稻的1.3倍。综合各个时期甲烷的排放通量，株两优171、株两优189、两优早17、潭原优4903这4个品种甲烷排放通量变化是最小，在各个时期与其他几个品种相比，表现较为理想。

2.1.2不同晚稻品种CH4排放通量季节变化由图2可知，不同品种的晚稻在不同时期的甲烷排放通量存在差异，基本都在分蘖期排放通量达到峰值。4个常规晚稻玉珍香、黄花占、湘晚籼13、湘晚籼17的排放峰值分别为51.20、64.78、67.81、111.64 mg/(m2·h)，最大峰值与最小峰值相差约2.2倍。杂交晚稻中，康两优380、深两优1号、准两优608这3个晚稻品种的峰值分别为98.96、96.39、89.83 mg/(m2·h)。Y两优1号、娄优988、Y两优896和凤两优293在分蘖期的排放通量相对于其他品种较低，分别为23.43、25.08、29.29、29.38 mg/(m2·h)。杂交晚稻品种中娄优988、Y两优896这2个品种在不同生育期甲烷排放通量的变化率是最小的。各供试晚稻品种在生育前期排放通量较大，在生育后期排放最小。

2.2　稻田CH4累积排放量与综合温室效应(GWP)

2.2.1早稻CH4累计排放量、产量及单位产量GWP比较不同早稻品种的甲烷排放量间存在显著差异。由表1可知，各供试早稻品种中，湘早籼24的全生育期甲烷排放总量最高，达到153.04 kg/hm2，其排放通量均值也显著高于其他品种。湘早籼32、中早39、湘早籼45的CH4排放量依次为69.4、72.23、74.39 kg/hm2，显著低于其他早稻品种。杂交早稻中，排放量与排放均值最低的品种是株两优189(76.47 kg/hm2)，其次是株两优171(87.28 kg/hm2)，两者均显著低于其他杂交早稻品种。陆两优4026、陆两优996的CH4排放量均显著高于其他杂交早稻品种，分别达到了 124.2、122.33 kg/hm2。除了潭原优4903(103.36 kg/hm2)、杰丰优1号(104.14 kg/hm2)CH4排放量在100 kg/hm2以上外，其余5个杂交早稻CH4排放量介于90～100 kg/hm2之间。

陆两优996、陆两优4026、潭源优4903的经济产量在所有早稻供试品种中是最高的，分别为7 570.4、7 337.5、7 303.6 kg/hm2，显著高于其他品种。而湘早籼6的经济产量最低，为3 902.1 kg/hm2。常规早稻中，中早39的经济产量最高，达到6 436.6 kg/hm2，相对于所有供试早稻品种，也是比较高的。杂交早稻中的株两优819、两优早17、株两优189的产量相对较高。

单位产量综合温室效应大小主要取决于供试品种CH4排放量和经济产量，不同供试品种差异显著，其中中早39(0.280 kg/kg)最低，最高的是湘早籼6(0.657 kg/kg)。相对较低的有潭原优4903、株两优189、株两优819、两优早17。其余供试早稻品种介于0.390～0.510 kg/kg之间。单位产量综合温室效应较低的，其产量相对较高，排放量也相对较低，综合比较，中早39，株两优189、潭源优4903、株两优819、两优早17较为理想。

2.2.2晚稻CH4累计排放量、产量及单位产量GWP比较由表2可知，在20个晚稻品种中，CH4排放量最低的6个品种依次是凤两优丝苗(327.15 kg/hm2)、黄花占(339.8 kg/hm2)、娄优988(340.35 kg/hm2)、资优299(341.78 kg/hm2)、Y两优896(350.2 kg/hm2)、深优9586(356.78 kg/hm2)，与其他供试晚稻品种存在显著性差异。CH4排放量最高的是湘晚籼17，达到了903.0 kg/hm2，显著高于其他供试品种。康两优380、T优15、深两优1号的CH4排放量相对较高，介于700～820 kg/hm2之间。其余供试晚稻品种的CH4排放量都在300～700 kg/hm2之间。

表1　不同供试早稻品种CH4累计排放量、排放通量均值、产量和单位产量GWP

注：同列不同英文字母表示处理间在0.05水平上差异显著。下表同。

表2　不同供试晚稻品种CH4累计排放量、排放通量均值、产量和单位产量GWP

供试晚稻品种中，产量最高的是资优299(10 894.5 kg/hm2)，其次是广两优2010、丰源优299、丰优800及娄优988，分别为10 888.3、10 783.3、10 561.0 、10 011.3 kg/hm2。产量最低的是T优15(6 781.2 kg/hm2)。玖两优644、深优9586、康两优380、准两优608的产量相对较高。

单位产量GWP最低的6个品种依次是资优299、娄优988、深优9586、Y两优896、黄花占、凤两优丝苗，分别为 0.834、0.862、0.932、1.050、1.056、1.077 kg/kg。综合不同供试晚稻品种CH4排放量、排放均值、单位产量GWP几个甲烷排放指标高低，黄花占、娄优988、资优299、Y两优896、凤两优丝苗、深优9586这6个品种表现较为理想。

3　讨论

水稻不同生育时期，稻田CH4排放通量存在一定的差异，在水稻生育前期，CH4排放出现高峰，在水稻生长后期(齐穗至成熟期)排放最低。不同的水稻品种之间在不同的生育时期，其排放通量也不一致，其原因在于不同的水稻品种生理机构、生长特性存在一定的差异，从而对稻田CH4的产生、氧化和排放造成不同的影响。本研究结果表明，无论是早稻品种还是晚稻品种，在生育前期CH4排放最高，在分蘖期出现峰值(个别品种出现在抽穗期)，在生育后期排放最低，并且晚稻CH4排放要比早稻排放高，这与前人的研究结果[23，25-28]基本一致。在水稻生育前期，长期处于淹水状态，特别是水稻分蘖盛期，植株生长发育旺盛，地上生物量增加，为CH4产生和排放提供更多的有利条件。而在水稻生育后期，田间搁田基本处于无水状态，CH4排放极低，原因在于空气中的氧气进入稻田中，土壤的Eh值增加，从而使甲烷的氧化增强，降低甲烷的排放[22]。在晚稻的生育前期CH4排放通量要比早稻排放通量高出4倍左右，可能是由于当年气温较高，稻田中淹水较深，从而为产甲烷菌提供了有利的条件。

不同水稻品种CH4排放量、产量都存在一定的差异，这是由于不同水稻品种之间的生物量、生长特性、根系结构、根系分泌物及泌氧能力、植株通气组织的结构存在一定的差异[29]。本研究结果表明，不同水稻品种CH4累计排放量存在差异性，供试晚稻品种的CH4累计排放量显著高于供试早稻品种，晚稻介于300～910 kg/hm2之间，早稻在60～160 kg/hm2之间，相差5倍左右。水稻产量晚稻也普遍要高于早稻。单位产量GWP取决于稻田CH4累计排放量与水稻产量的大小，较高的产量同时CH4排放量也相对较大。在试验结果中，早稻品种中早39(0.280 kg/kg)的单位产量GWP最低，具有较高的产量和一定的CH4排放量，相对较低的还有潭原优4903、株两优189、株两优819、两优早17，介于0.350～0.400 kg/kg之间，均优于其他早稻品种。晚稻品种中，也有类似的结果，杂交稻的产量及排放量普遍高于常规稻，但单位产量GWP要普遍低于常规稻，最高与最低相差 2.2 kg/kg，相差比较大，差异显著，可能是由于土壤的理化性质、作物类型、水肥管理及栽培措施等不同造成的[24，30]，也有可能是双季稻作区地理环境因素差异导致的。有研究结果表明，水稻的种植既影响土壤甲烷产生也影响甲烷排放量，原因是水稻在生长过程中通过增加碳分配到根，进而有充足的底物促使根系氧化能力的释放，或者当水稻品种具有很高的产能时，甲烷的排放量就会减少，固定光合碳向地上部尤其是向籽粒转移，从而根部氧化能力减弱[31-32]。产量高的水稻品种，如超级稻，不仅在粮食生产力方面具有优势，在CH4减排中也有一定的优势[33]。因此在早晚稻上，单位产量GWP以及甲烷排放量差异明显，通过合理的管理和选择，保持水稻产量，同时减少CH4排放，保持高效高产减排是可行的。

4　结论

不同水稻品种CH4排放通量、排放量、产量差异性显著，早稻品种的CH4累计排放量在60～160 kg/hm2之间，晚稻品种的CH4排放量明显高于早稻，介于300～910 kg/hm2之间。早稻品种中，单位产量GWP都在0.28～0.657 kg/kg之间，中早39、株两优189、潭源优4903、株两优819、两优早17的产量和单位产量GWP与其他品种差异显著。晚稻品种中，单位产量GWP介于0.83～3.01 kg/kg之间，黄花占、娄优988、资优299、Y两优896、凤两优丝苗、深优9586，单位产量GWP显著低于其他晚稻品种。不同双季稻品种的种植对稻田综合温室效应的影响关系密切，在不同双季稻品种选择上选用低单位产量综合温室效应的品种能够达到一定减排增效的效果。

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本文对有源相控阵天线接收链路等效噪声进行了理论分析，并在此基础上详细推导出等效噪声计算公式，该计算方法中每个T/R通道的增益、噪声系数等技术指标都分别作用于最终结果，适用于任意变化的有源相控阵天线。该方法推导出的等效噪声计算公式已经在仿真及雷达系统中获得了实际应用，该公式有助于精确计算有源相控阵天线接收系统的性能。

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