不同水稻品種甲烷排放與土壤酶的關系

周文濤，戈家敏，王勃然，龍攀，徐瑩，傅志強

（湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華中地區(qū)作物栽培科學觀測實驗站，長沙410128）

CH4是僅次于CO2的第二大溫室氣體，稻田是CH4排放的重要來源，其排放占我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)CH4總排放的17.83%[1]。水稻品種間CH4排放具有差異性，原因是水稻植株特性的不同會影響CH4產(chǎn)生、氧化、排放的全過程[2]。稻田CH4排放受植株的通氣組織[3]、地上部形態(tài)特征（分蘗數(shù)、株高、葉面積）[4-5]、根系形態(tài)特征（根體積與根孔隙度）[5-6]、當季光合產(chǎn)物[7-8]、生物量[9-10]的影響，也受植株根的生理特性影響[11]。同時，稻田CH4排放也是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生CH4，然后經(jīng)過甲烷氧化菌氧化以及傳輸后的凈效應[12]。土壤酶是一種蛋白質(zhì)，具有生物活性，能夠參與土壤中的各種生化反應過程且反映其方向和強度[13]。土壤酶也能體現(xiàn)土壤微生物的活性，與微生物的物種豐富度和數(shù)量有關。土壤過氧化氫酶（Catalase）作為一種氧化還原酶，能催化過氧化氫的分解，并且將土壤內(nèi)的有毒物質(zhì)快速分解成對水稻無害的小分子物質(zhì)，釋放出氧氣，可以有效控制土壤氧化的強度和方向[14]。土壤脲酶（Urease）是一種催化尿素分解的水解酶，在土壤中分布較廣，數(shù)量相對較多。土壤中的氮元素轉(zhuǎn)化與脲酶關系密切，且土壤中的微生物也與脲酶相互作用[15]。土壤中的微生物群落是影響稻田土壤產(chǎn)生CH4的重要因素，對CH4的產(chǎn)生、氧化及排放具有綜合影響。研究種植不同水稻品種的條件下兩種酶的活性，進而反映出土壤甲烷功能菌的活性，間接揭示其對CH4排放的影響具有重要意義。

減少稻田CH4排放的措施包括低CH4排放品種選擇[16]、CH4抑制劑肥料[17]、節(jié)水灌溉[18]等，都有較多研究，不論哪種減排技術或者措施，必須是水稻種植主體愿意接受，并且自覺應用才會產(chǎn)生實際作用，種植低排高產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)水稻品種是容易得到推廣應用的措施之一。歷年來很多學者圍繞不同水稻品種的植株特性與CH4排放的影響等展開研究，試圖解釋其排放規(guī)律，但對于根際土壤酶與CH4排放的研究相對較少。本研究是在肖志祥等[19]研究基礎上，進一步監(jiān)測了雙季稻6 個品種的CH4排放規(guī)律，分析了6 個品種全生育期不同過氧化氫酶、脲酶活性的特征，探討了兩種酶與水稻CH4排放量之間的相關性，有助于進一步明確高產(chǎn)水稻品種低CH4排放的機理。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于瀏陽市沿溪鎮(zhèn)（113.49°E，28.18°N），為南方典型的雙季水稻生產(chǎn)區(qū)。試驗田土壤為壤土，為第四紀紅壤發(fā)育的紅黃泥水稻土，土壤pH 為5.95、全氮3.09 g·kg-1、堿解氮142.89 mg·kg-1、全磷0.67 g·kg-1、速效磷53.77 mg·kg-1、全鉀7.52 g·kg-1、速效鉀98.02 mg·kg-1、有機質(zhì)含量34.21 g·kg-1。試驗點2019年的日平均降雨量與溫度如圖1所示。

1.2 試驗設計

供試早稻品種：株兩優(yōu)819、陸兩優(yōu)996、湘早秈24 號；晚稻品種：Y 兩優(yōu)1 號、泰優(yōu)390、湘晚秈17 號。早稻播種日期為2019 年3 月25 日，移栽：4 月29 日，收獲：7月21日；晚稻播種日期為6月22日，移栽：8月3日，收獲：10月31日。早稻、晚稻試驗為隨機區(qū)組設計，3 個品種處理，3 次重復，共9 個小區(qū)，小區(qū)面積36 m2（4 m×9 m）。所有試驗小區(qū)的管理與當?shù)貍鹘y(tǒng)田間管理方式一致，氮肥分基肥、蘗肥、穗肥3 次施入，比例為5∶3∶2，早稻施氮量（折合為純氮）120 kg·hm-2，晚稻施氮量150 kg·hm-2。磷肥做基肥一次性施入。鉀肥分基肥、蘗肥兩次施入，比例為1∶1。早稻和晚稻均施用過磷酸鈣（P2O512%）750 kg·hm-2、氯化鉀（K2O 60%）201 kg·hm-2。

1.3 觀測指標與方法

1.3.1 溫室氣體取樣與測定

通過靜態(tài)暗箱法收集CH4氣體樣品，在湖南省農(nóng)業(yè)科學院環(huán)境研究所使用Agilent 7890A 氣相色譜儀分析氣體樣品，CH4采用FID 檢測器，檢測溫度為180 ℃，柱溫70 ℃，載氣流速40 mL·min-1，由國家標準物質(zhì)中心提供標準氣體。采樣箱為長方體形狀，規(guī)格為0.5 m×0.5 m×1.2 m，底座規(guī)格為0.5 m×0.5 m×1.2 m，為達到更好的密閉及保溫效果，用泡沫板覆蓋且用膠帶纏封氣體箱四周，為充分混合箱內(nèi)氣體，在其內(nèi)部裝一個12 V 小風扇，用溫度傳感器記錄采樣時箱內(nèi)溫度變化情況。水稻移栽前，將采樣箱底座齊平土層表面插入每個小區(qū)內(nèi)。秧苗移栽扎根立苗后，選擇晴朗天氣（9：00—11：00）進行取樣，約7 d取一次氣體樣品，早稻于5 月13 日、晚稻于8 月7 日開始取氣，直至水稻成熟。采樣箱扣進底座時，注意要向底座凹槽注水以達到箱內(nèi)密封狀態(tài)，并及時用帶有三通閥的60 mL 針筒與取氣箱的三通閥連接，每間隔10 min 取一次樣，連續(xù)取樣4 次，每次抽樣體積為45 mL，并及時注入真空瓶中，同時記錄箱體內(nèi)溫度。稻田溫室氣體排放通量以及季節(jié)累積排放量計算公式參考楊丹等[20]研究。

全球增溫潛勢（Global warming potential，GWP）是將CH4排放折算為CO2當量，其系數(shù)是25，溫室氣體排放強度（Green house gas intensity，GHGI）是GWP 與實際產(chǎn)量的比值。

1.3.2 土壤樣品采集與測定

在水稻分蘗期、孕穗期、齊穗期、乳熟期、成熟期5 個時期采用五點取樣法取樣，將水稻植株連同根系土壤一起用鐵鏟挖出，抖落掉根系外圍土層，用無菌手套采取距根際較近的土層（約1～2 cm）作為土樣。在自然條件下晾干，然后按照所需篩目數(shù)進行過篩，用于酶活性的檢測。脲酶采用靛酚藍比色法，脲酶活性以24 h 后1 g 土壤中NH3-N 的毫克數(shù)表示。過氧化氫酶采用KMnO4滴定法，由每克干土20 min 內(nèi)用0.02 mol·L-1高錳酸鉀滴定酶促反應前后過氧化氫所需毫升數(shù)之間的差值求出酶促反應分解過氧化氫的量，以此表示過氧化氫酶活性。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS 20.0 軟件進行統(tǒng)計分析，并作相關顯著性檢驗（P＜0.05）及回歸分析；采用Excel 2003 整理數(shù)據(jù)以及作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙季稻不同品種CH4排放差異

2.1.1 雙季稻品種CH4排放通量動態(tài)變化

早稻CH4排放通量動態(tài)變化如圖2 所示，水稻CH4排放有兩個波峰，第一次是在分蘗期，第二次是在孕穗期，孕穗期后，CH4排放通量開始緩慢下降并在乳熟期時達到最低，之后變化不顯著。在5月13日至6 月3 日，湘早秈24 號的CH4排放量始終大于其他兩個品種。晚稻3個品種的CH4排放動態(tài)變化基本上一致，具有兩個明顯的排放高峰值，第一次稻田CH4排放的最高峰值出現(xiàn)在水稻移栽后的短時間內(nèi)（10～15 d），而后CH4的排放通量迅速下降，并維持在較低水平，第二次CH4排放峰值在晚稻生長的后期（9 月4日），之后排放沒有明顯相同規(guī)律，但都維持在一個較低水平。

2.1.2 不同雙季稻品種溫室效應的差異

不同雙季稻品種間CH4排放差異顯著（表1）。早稻品種的CH4累積排放量介于91.17～133.64 kg·hm-2，排放量最低是株兩優(yōu)819，為91.17 kg·hm-2，分別較湘早秈24 號、陸兩優(yōu)996 的排放通量低31.78%、23.41%，與兩者差異顯著（P＜0.05）。早稻株兩優(yōu)819的全球增溫潛勢（GWP）較湘早秈24 號、陸兩優(yōu)996 分別低31.78%、23.41%；早稻溫室氣體排放強度（GHGI）介于0.31～0.55 kg·kg-1，株兩優(yōu)819最低。晚稻品種的CH4累積排放量明顯高于早稻，介于274.98～332.50 kg·hm-2，以Y 兩優(yōu)1 號最低，湘晚秈17 號最高，泰優(yōu)390 與Y 兩優(yōu)1 號差異不顯著（P＞0.05）；Y 兩優(yōu)1 號分別較湘晚秈17 號和泰優(yōu)390 的排放通量偏低35.09%和9.81%（P＜0.05）。晚稻Y 兩優(yōu)1 號的GWP 較湘晚秈17 號、泰優(yōu)390，分別低17.31%、5.94%；晚稻的GHGI介于1.71～2.63 kg·kg-1，Y兩優(yōu)1號最低。

2.2 不同水稻品種根際土壤酶的變化

2.2.1 雙季稻品種過氧化氫酶活性

早稻3 個品種，根際土壤過氧化氫酶活性大小范圍為0～2.88 mL KMnO4·g-1·min-1，不同時期過氧化氫酶活性大小均為：孕穗期＞分蘗期＞乳熟期＞齊穗期＞成熟期（圖3）；其中在分蘗期、孕穗期、成熟期，3 者差異不顯著（P＞0.05）。在水稻孕穗之前，過氧化氫酶活性大小為：湘早秈24＞株兩優(yōu)819＞陸兩優(yōu)996。在齊穗期和乳熟期，陸兩優(yōu)996 的過氧化氫酶活性明顯高于另外兩個早稻品種（P＜0.05），而株兩優(yōu)819 和湘早秈24號的過氧化氫酶活性差異不顯著。

晚稻品種的根際土壤過氧化氫酶介于4.50～5.84 mL KMnO4·g-1·min-1，總體上呈先降低后升高的趨勢（圖3）。在晚稻分蘗期、孕穗期時，各品種過氧化氫酶活性大小為：泰優(yōu)390＞Y兩優(yōu)1號＞湘晚秈17號，且分蘗期3 者具有明顯差異（P＜0.05），孕穗期，泰優(yōu)390明顯高于另外兩個品種，Y 兩優(yōu)1號和湘晚秈17號的過氧化氫酶活性沒有明顯差異；在齊穗期，3 個品種過氧化氫酶活性大小為：湘晚秈17 號＞泰優(yōu)390＞Y 兩優(yōu)1號，3者具有明顯差異（P＜0.05）；而在乳熟期，3個品種酶活性大小剛好與齊穗期相反，此時，Y 兩優(yōu)1號的過氧化氫酶活性最大；在成熟期，泰優(yōu)390 的過氧化氫酶活性最大，湘晚秈17號的最小。

表1 雙季稻CH4累積排放量和溫室效應Table 1 Methane cumulative emissions and greenhouse effect of double cropping rice

圖3 雙季稻不同生育期過氧化氫酶活性Figure 3 Catalase activity in different growth stages of double cropping rice

2.2.2 雙季稻品種脲酶活性

由圖4 可知，湘早秈24 號和陸兩優(yōu)996 的脲酶活性在整個生育期呈先降低后升高然后再降低，在成熟期脲酶活性最低；株兩優(yōu)819 有細微差異，呈先降低，后在成熟期有所升高。在水稻分蘗期，陸兩優(yōu)996 的脲酶活性明顯大于湘早秈24 號和株兩優(yōu)819（P＜0.05）；在孕穗期和乳熟期，3 個品種脲酶活性大小均為：陸兩優(yōu)996＞株兩優(yōu)819＞湘早秈24 號，陸兩優(yōu)996與株兩優(yōu)819 差異不顯著；在齊穗期，湘早秈24 號和陸兩優(yōu)996 的脲酶活性明顯大于株兩優(yōu)996；在成熟期，株兩優(yōu)819 的脲酶活性明顯大于陸兩優(yōu)996 和湘早秈24號，但湘早秈24號和陸兩優(yōu)996差異不顯著。

晚稻Y 兩優(yōu)1 號根際土壤脲酶活性隨生育期而降低，泰優(yōu)390和湘晚秈17號脲酶活性在不同生育期變化趨于一致，基本上呈“S”形變化，先降低后有所升高。在水稻分蘗期，3 個品種的脲酶活性具有明顯差異，Y 兩優(yōu)1 號的脲酶活性最高，其次是泰優(yōu)390，最低的是湘晚秈17 號；在孕穗期、齊穗期3 個品種的脲酶活性大小為：Y 兩優(yōu)1 號＞泰優(yōu)390＞湘晚秈17 號，Y兩優(yōu)1 號與泰優(yōu)390 的脲酶活性差異不顯著，而兩者的脲酶活性與湘晚秈17 號具有明顯差異；在乳熟期，3 個品種的脲酶活性沒有明顯差異；在成熟期，泰優(yōu)390 的脲酶活性有所升高，并且明顯高于湘晚秈17號，Y兩優(yōu)1號與泰優(yōu)390的脲酶活性差異不顯著。

2.3 雙季稻品種CH4排放通量與土壤酶的相關分析

將水稻品種在分蘗期、孕穗期、齊穗期、乳熟期、成熟期5 個時期的土壤酶活性與對應5 個時期的CH4排放通量作回歸分析，由表2可知，雙季稻CH4排放通量（Y）與脲酶活性（X）呈極顯著正相關（P＜0.01），與過氧化氫酶活性（X）呈顯著正相關（P＜0.05）；早稻CH4排放通量與早稻過氧化氫酶、脲酶的活性呈極顯著正相關（P＜0.01），晚稻CH4排放通量與晚稻過氧化氫酶、脲酶的活性呈顯著正相關（P＜0.05）。早稻CH4排放通量與兩種酶的相關性比晚稻好，其與早稻過氧化氫酶活性相關系數(shù)最高（r=0.702**）。本試驗研究結(jié)果表明，雙季稻田土壤過氧化氫酶、脲酶活性越高，其CH4排放通量越高，其中脲酶活性更顯著影響CH4排放通量。

圖4 雙季稻不同生育期脲酶活性Figure 4 Urease activity in different growth stages of double cropping rice

表2 雙季稻CH4排放通量與土壤酶活性的回歸系數(shù)及方差分析Table 2 The regression coefficient CH4 emission flux and soil enzyme activity in double cropping rice

3 討論

3.1 雙季稻品種CH4排放規(guī)律

本試驗6 個品種CH4排放差異顯著，各品種CH4累積排放量大小與肖志祥等[19]研究相同，排放趨勢也有相似規(guī)律，排放峰值出現(xiàn)在生育前期，且早稻和晚稻CH4排放趨勢相似。本研究發(fā)現(xiàn)，早稻晚稻的3 個品種CH4排放通量不同，在不同生育期基本呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律，其有兩個波峰，變化趨勢為先增后減。這一研究結(jié)果與Wang 等[21]和孫會峰等[22]的研究結(jié)果接近，分蘗盛期水稻生長繁茂，分蘗數(shù)量多，CH4排放通道多，有利于CH4排放。此外，水稻在曬田時期CH4排放通量最低。Li 等[23]也研究發(fā)現(xiàn)水稻在中期曬田時CH4排放通量最低，甚至接近0排放。曬田中期，稻田土壤表面水分急劇減少，土壤通透性增加，使得大量氧氣進入土壤，土壤氧化CH4的能力得到了提高，抑制產(chǎn)CH4菌的活性，從而導致CH4排放的減少[24]。曬田后復水，施入穗肥，稻田的有機質(zhì)增加，造成了水稻排放通量的第二個峰值。晚稻CH4排放通量明顯高于早稻，且晚稻CH4排放峰值出現(xiàn)時間也較早。原因在于晚稻較早稻生長期氣溫高且降雨量少，田間需不斷回水促進生長，為產(chǎn)CH4菌營造了有利的生長環(huán)境，且早晚稻植株長勢不一致，水稻是喜溫作物，晚稻光溫資源較早稻豐沛，植株生長較快，通氣組織發(fā)達，促進稻田CH4排放。

3.2 雙季稻品種溫室效應的差異

本研究中，早稻3 個品種CH4累積排放量具有顯著差異，表現(xiàn)為秈系雜交稻明顯低于秈系常規(guī)稻；晚稻3 個品種中，雜交秈稻品種累積排放量差異不顯著，但都明顯低于常規(guī)稻[22，25-26]。中國水稻種植區(qū)晚稻CH4累積排放量高于早稻[27]，本試驗3 個品種晚稻CH4累積排放量是早稻3 個品種的1.06～2.65 倍。不同水稻品種增溫潛勢中，早稻以株兩優(yōu)819 最低，明顯較早稻其他品種低23.41%～31.78%，晚稻以Y 兩優(yōu)1號最低，較晚稻其他品種低5.94%～17.31%。溫室氣體排放強度均與水稻產(chǎn)量相關，本試驗GHGI 均與GWP 大小特征表現(xiàn)一致。同樣地，所有供試品種產(chǎn)量具有差異，早稻最高產(chǎn)量較最低產(chǎn)量高51.11 kg，晚稻最高產(chǎn)量較最低產(chǎn)量高96.43 kg。在本試驗研究結(jié)果中，株兩優(yōu)819 與Y 兩優(yōu)1 號具有高產(chǎn)低排的特征。

3.3 雙季稻品種過氧化氫酶與脲酶對CH4排放的影響

水稻的根際土壤環(huán)境是影響植株CH4產(chǎn)生與氧化的重要因素之一，土壤酶作為評價土壤肥力和質(zhì)量的重要指標[28]，其主要來源是微生物和植物根系。土壤酶與溫室氣體的產(chǎn)生息息相關，一方面，酶的催化作用會影響土壤微生物的活性，加速根系生長，刺激根系分泌物產(chǎn)生，同時根際微區(qū)活動旺盛也會增加土壤酶的活性，根系與微生物的協(xié)同作用促進了CH4的排放[29]；另一方面，土壤酶參與有機質(zhì)的礦化、土壤氮的氧化還原等生化反應[28]，有研究表明，過氧化氫酶與有機質(zhì)、全氮、速效氮具有正效應[30]，脲酶活性增加，會加速尿素分解，增加供氮水平，參與土壤氮素循環(huán)[31]，兩種酶活性越高，為產(chǎn)甲烷菌提供的底物越多，越有利于CH4排放。

本研究結(jié)果表明，晚稻品種的過氧化氫酶活性均高于早稻品種，早稻品種在全生育時期內(nèi)具有明顯一致的變化特征：分蘗期酶活性不斷升高，孕穗期后均不斷下降，晚稻各個品種全生育期沒有明顯一致的變化趨勢，但所有品種在孕穗期都表現(xiàn)為下降趨勢。相關研究表明，土壤過氧化氫酶活性在植物生育前期較高，分蘗結(jié)束后明顯降低，拔節(jié)期后酶活性趨于穩(wěn)定[18]，這可能是由于土壤總生物量和生物呼吸量影響其活性[32]。有研究表明[33-34]，土壤酶的數(shù)量越高，活性越強，其土壤中的微生物數(shù)量較多，繁殖速度快。根際土壤脲酶活性表現(xiàn)為晚稻3 個品種脲酶活性差異性比早稻3 個品種更大，并且早晚稻脲酶活性齊穗前大于齊穗后，早晚稻成熟期脲酶活性低于乳熟期。早稻脲酶活性大小介于0.37～4.34 mg·g-1·d-1，晚稻脲酶活性介于0.77～3.90 mg·g-1·d-1。尿素是有機態(tài)氮肥，施入土壤后，一部分以分子態(tài)溶于土壤溶液中，通過氫鍵作用被土壤吸附，其他大部分在脲酶的作用下水解成NH3和CO2，然后以NH+4被植物吸收和土壤膠體吸附[35]。陸兩優(yōu)996 和Y 兩優(yōu)1 號的脲酶活性高，其對尿素分解的催化作用強，使兩者吸氮能力強，從而水稻產(chǎn)量也是最高的，且脲酶活性與雙季稻CH4排放具有極顯著正相關關系（r=0.499**）。

4 結(jié)論

（1）不同雙季稻品種的CH4排放高峰期主要是分蘗期和孕穗期，最高排放峰值出現(xiàn)在分蘗期，在乳熟期后水稻的CH4排放較低。早稻品種CH4累積排放量、溫室效應表現(xiàn)為：湘早秈24 號＞陸兩優(yōu)996＞株兩優(yōu)819；晚稻品種CH4累積排放量、溫室效應表現(xiàn)為：湘晚秈17 號＞泰優(yōu)390＞Y 兩優(yōu)1 號。CH4排放最低的株兩優(yōu)819和Y兩優(yōu)1號產(chǎn)量最高。

（2）在CH4排放高峰期，雙季稻品種過氧化氫酶、脲酶活性具有相同的大小規(guī)律，兩種酶活性均為前期高于生育后期，且早稻品種中，株兩優(yōu)819 的過氧化氫酶活性最低，脲酶活性僅次于陸兩優(yōu)996，晚稻品種中，Y 兩優(yōu)1 號的過氧化氫酶活性僅次于泰優(yōu)390，脲酶活性最高。

（3）水稻品種CH4排放通量與土壤過氧化氫酶、脲酶活性具有正線性相關，顯著性水平分別達P=0.05、P=0.01。這一結(jié)論可為今后進一步探究高產(chǎn)低排品種機理提供參考。