水分管理对麦茬稻直播产量和温室气体排放的影响

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　　摘要：以籼型两系杂交稻C两优华占为材料进行大田试验，前茬为小麦，秸秆全量还田，设置旱直播、水直播、间歇灌溉和淹水灌溉处理，测定水稻产量、叶片SPAD值、甲烷和氧化亚氮气体排放等指标，探究水分管理对麦茬水稻直播产量形成和温室气体排放的规律。结果表明，水直播处理产量显著高于旱直播处理产量，且间歇灌溉处理产量、叶片SPAD值、株高、根系活力等均高于淹水灌溉处理;间歇灌溉處理对氧化亚氮排放影响较大，淹水灌溉处理对甲烷排放影响较大。旱直播间歇灌溉可显著提高水分生产效率。
　　关键词：直播;麦茬稻;产量;温室气体
　　中图分类号：S511         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2019）24-0027-04
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.007           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Effects of water management on the yield and the emission of greenhouse gas in
　　direct-seeding rice following wheat
　　LI Yang1，WANG Ben-fu1，ZAHGN Zhi-sheng1，XIAO Fei3，WANG Ling-fei3，MA Jie4，CHENG Jian-ping1，2
　　（1.Food Crops Institute，Hubei Academy of Agricultural Sciences/Hubei Key Laboratory of Food Crop Germplasm and Genetic Improvement，Wuhan 430064，China;2.Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industy，Jingzhou 434025，Hubei，China;3.Agricultural College，Yangtze University，Jingzhou 434025，Hubei，China;4.Hubei Engineering University，Xiaogan 432000，Hubei，China）
　　Abstract： A japonica rice cultivar of C-liangyouhuazhan was directly sown in the field. The former crop was wheat and the straw all was returned field. The treatments of dry-direct-seeding， water-direct-seeding， intermittent irrigation， flood irrigation were conducted. The indexes of rice yield， leaf SPAD value， CH4 and N2O were measured. The law of water management on the formation of direct seeding yield and greenhouse gas emission in direct-seeding rice following wheat was studied. The results showed that the yield of water-direct-seeding was higher than dry-direct-seeding and the yield， SPAD value， plant high， root activity of intermittent irrigation were higher than flood irrigation. Intermittent irrigation treatment has great influence on N2O emission， while flooded irrigation treatment has great influence on CH4 emission. The water use efficiency（WUE） can be improved through dry-direct-seeding and intermittent irrigation.
　　Key words： direct seeding; rice following wheat; yield; greenhouse gas
　　稻麦轮作模式是中国粮食种植主要模式，尤其在长江中下游地区较多，该模式对提高周年光温利用效率、保障粮食安全等有重要意义。
　　水稻直播作为一种轻简化栽培技术在近年来得到越来越多的关注，特别是直播机械的发展，为直播高产高效推广奠定了机械基础，同时前人也对配套栽培技术做了较多研究[1，2]。直播稻水分管理是关键，研究者认为播种后保持土壤湿润可以提高发芽率[3]，苗期土壤水分为-8～-10 kPa时，进行间歇灌溉，有利于提高出苗率，增强根系生长[4]，优化水分管理也能显著提高水分利用效率，如精量穴直播水稻全生育期湿润灌溉用水量比常规灌溉少23.51%[5]，旱直播稻节水更显著，旱播间歇灌溉和旱播淹水灌溉模式下的水分生产效率比常规淹水灌溉模式高[6]，所以直播的水分管理方式对提高水稻产量、节约淡水资源有重要意义。然而，在前茬小麦模式下的直播水分管理研究较少，且模式改变，土壤理化性质也有较大变化，管理方式也可能不同。秸秆还田对温室气体排放的影响研究较多，有研究认为稻草的还田增加了稻田甲烷的排放，因为稻草C/N高，为土壤甲烷的产生提供了大量碳源[7]，甲烷排放了增加2.0～8.3倍[8]，同时，灌溉方式也是影响温室气体排放的主要原因，一般认为水旱轮作能够改善土壤理化性质，降低土壤还原物质含量，减少甲烷的产生[9]，而稻田持续淹水会阻碍氧气的扩散，甲烷菌容易快速繁殖，从而增加甲烷的排放[10]，淹水相比间歇和雨养模式，甲烷排放均增加，而氧化亚氮排放较低[11]。Xing[12]认为长期采用间歇灌溉可显著增加氧化亚氮的排放。所以，明确麦茬水稻不同水分管理方式的影响，探明温室气体排放规律，对直播稻高效肥淹水灌溉和环境友好有重要意义。本试验以C两优华占为材料进行大田试验，设置旱直播、水直播、间歇灌溉和淹水灌溉等处理，测定水稻产量、叶片SPAD值、甲烷和氧化亚氮气体排放等指标，探究水分管理对麦茬水稻直播产量形成和温室气体排放的规律，以期为这方面研究提供参考。 　　1  材料与方法
　　1.1  试验地点与材料
　　试验点位于湖北省荆州市江陵县三湖农场三分场，属于北亚热带季风湿润气候区，年平均降雨量900～1 100 mm，无霜期246～262 d。试验田肥力中等，排灌方便，前茬为小麦。
　　供试材料是C两优华占，属籼型兩系杂交品种。
　　1.2  试验设计
　　前茬小麦秸秆全量还田。主处理为播种方式，D1为旱直播（旱整地，旱播种，播种后土壤湿润管理，不建立水层）;D2为水直播（水整地，土壤湿润直播，播种后土壤湿润管理，不建立水层）。副处理为水分管理，W1为淹水灌溉（水稻出苗后即保持浅水层，后期除晒田外，均保持3～5 cm水层）;W2为间歇灌溉（苗期保持土壤湿润管理，后期土壤龟裂就灌3 cm水层，抽穗灌浆期保持土壤1～3 cm水层，然后自然落干，干湿交替）。
　　机械直播机播种，每公顷播种量22.5 kg，播种尺寸25 cm×14 cm。氮肥总量210 kg/hm2，P2O5 90 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2。氮肥和钾肥以基肥∶分蘖肥∶幼穗分化肥=4∶3∶3比例施用，磷肥在施基肥时一次性施入。水分按需管理。
　　1.3  测定项目与方法
　　实际产量：成熟期，每小区选取代表性植株1 m2进行人工收割，脱粒后风干，去除杂质和空瘪谷，称量剩余稻谷重量，并使用PM-8188型谷物水分测定仪测定稻谷含水量，最后换算为含水量13.5%（籼稻）的标准产量。
　　根系伤流量：齐穗期，每小区选取3株具有代表性的植株，于当天下午6点开始套棉花。棉花称重5 g左右为干重，用镰刀割除地面10 cm以上的植株，并统计分蘖数量，将每个分蘖都与棉花接触，用橡皮筋扎好。第二天上午6点取棉花，并称其重量为湿重。湿重与干重的差值即为根系伤流量。
　　SPAD值：齐穗期，用SPAD-502叶绿素含量测定仪对剑叶进行测定，每个叶片测上、中、下3个点，记录其平均值，每个小区测3片叶子。
　　株高：齐穗期测定植株株高，量取植株最下部到植株最上部的长度。
　　温室气体收集与检测：采用温室气体收集专用设备进行收集，每个点测0、5、10 s 3个时间点气体，用25 mL已抽真空的瓶子收集气体，室内用改装的气相色谱仪进行测定。
　　1.4  数据分析
　　数据分析采用Statistix 9分析软件，图表采用Excel软件制作。
　　2  结果与分析
　　2.1  不同处理对水稻产量的影响
　　由图1可知，相同处理水直播的水稻产量高于旱直播，水直播间歇灌溉处理比旱直播间歇灌溉处理产量高4.4%，水直播淹水灌溉处理比旱直播淹水灌溉处理产量高7.9%。相同处理间歇灌溉的水稻产量也高于淹水灌溉产量，水直播间歇灌溉处理比水直播淹水灌溉处理产量高4.6%，旱直播间歇灌溉处理比淹水灌溉处理产量高8.1%。可见间歇灌溉对水稻产量有一定的促进作用。
　　2.2  不同处理对水稻根系伤流量的影响
　　由图2可知，旱直播处理的水稻根系伤流量显著高于水直播处理，且间歇灌溉处理的根系伤流量也高于相同处理的淹水灌溉处理。试验中的旱直播和间歇灌溉处理对水稻植株根系的生长及活力有促进作用。
　　2.3  不同处理对水稻叶片SPAD值的影响
　　由图3可知，水直播对水稻叶片SPAD的影响显著，水直播处理对植株前期的叶片氮素积累有显著的促进作用，提高了植株生长前期对氮素的吸收。
　　2.4  不同处理对水稻株高的影响
　　由图4可知，水直播间歇灌溉处理和旱直播间歇灌溉处理对水稻高度的影响差异不显著，同样，水直播淹水灌溉处理和旱直播淹水灌溉处理对水稻高度的影响差异也不显著，但是相同处理的间歇灌溉水稻株高显著高于淹水灌溉，这可能是因为间歇灌溉对根系的影响，促进了地上部对养分的吸收。
　　2.5  不同处理对水稻温室气体排放的影响
　　由图5、图6可知，从水稻播种至幼穗分化期测定氧化亚氮和甲烷气体的排放量。播种后，氧化亚氮的排放呈下降趋势，但是到7月4日左右又呈大幅度上升趋势，而后变化较小。前期氧化亚氮排放量较高，可能是由于秸秆还田和施入底肥使得排放量开始就比较高，7月4日大幅度上升，也和此时间段分蘖肥的施用有很大关系。由图5可发现，水播间歇灌溉处理对氧化亚氮前期的排放影响程度最大。
　　甲烷的排放相对氧化亚氮排放较稳定，第一次测定甲烷排放时，也是处于较大排放量的时间，其后逐渐降低，水播淹水灌溉处理的排放量稍高于其他处理，而在7月24到8月3日这段时间，4个模式处理的甲烷排放量都不同程度增多，特别是水播淹水灌溉处理和旱播淹水灌溉处理排放量增加明显，是其他2个处理的2～3倍，此时期可能是处于田间晒田复水的时间段，对田间气体的排放影响较大。
　　3  讨论
　　3.1  麦茬稻水分管理方式对产量形成的影响
　　水旱轮作田的土壤结构和传统水稻田有显著差异，前茬秸秆不管是覆盖还田还是粉碎还田都可以增加土壤孔隙度、降低土壤容重[13，14]，土壤持水能力也会根据土壤物理性质的变化产生较大影响。本试验水直播的产量显著高于旱直播，可能是因为旱直播土壤含水量和土壤质地的原因导致出苗率低于水直播，使得后期有效穗较少。李旭毅等[4]认为出苗和成苗阶段土壤水势下降至-8～-10 kPa时进行灌溉，有利于提高种子的成苗率，改善秧苗素质。试验中的间歇灌溉实际也是一种间歇灌溉方式，该方式比水直播产量高，这与前人研究相似[15]，根系活力、叶片叶绿素含量等都表现较高，为其较高的干物质积累奠定了基础，这与前人研究认为间歇灌溉能促进前中期叶面积的扩大，有利于光同化物的积累，促进根系生长，增加产量[15，16]等研究结果一致。 　　3.2  麦茬稻水分管理对温室气体排放的影响
　　水分管理方式对田间温室气体排放影响较大。彭世彰等[10]认为淹水灌溉会加快甲烷菌繁殖，进而增加甲烷的排放，本试验中直播后淹水灌溉处理甲烷排放量高于间歇灌溉处理，而氧化亚氮排放趋势相反，播种后间歇灌溉的排放量显著高于淹水灌溉，这和Xing[12]的研究结果相似。随着肥料的施入，各处理氧化亚氮均呈不同程度的升高，以水播间歇灌溉处理升高最明显，而甲烷受肥料的影响仅小幅度变化。刘少文等[17]研究结果表明，土壤系统中碳冗余时，投入无机氮可以减轻氮对相关微生物活性的限制，从而显著提高甲烷的排放。Freney等[18]认为肥料投入后7 d，甲烷排放量显著增加，并呈现先增加后降低的趋势。孕穗期前后，即晒田复水时间段，各处理甲烷排放变化较大，水直播淹水灌溉和旱直播淹水灌溉处理的排放量显著高于其他2个处理，可见淹水促进了甲烷的排放，这与前人研究一致[11，19]。然而，氧化亚氮的变化趋势不明显，有研究认为甲烷和氧化亚氮排放存在明显的消长关系[20，21]，这可能与土壤微生物活动有密切的关系，水分管理改变了土壤氧气等状况，促进或抑制相关微生物的活动，使其加速或抑制养分的分解与合成。
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