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不能简单地说,水稻直播方式可减少稻田甲烷排放 精选

已有 3901 次阅读 2019-6-22 13:53 |个人分类:生态研究|系统分类:论文交流| 水稻, 直播, 甲烷, 移栽, 植物密度

以前我的博客,以别人的工作为案例进行科普的比较多。今天这篇文章,是涉及到我们自己研究的一篇科普。

 

甲烷是仅次于二氧化碳和水汽的第三重要温室气体。在全球甲烷排放中,人为作用占54~72%,其中约11%来自于稻田。

一般认为,5~10cm的积水对水稻生长最有利,而这样的积水所创造的无氧环境,对甲烷的产生也非常有利。据统计,亚洲80%的水稻都生长在水淹条件下。尽管各地的水稻品种、耕作方式和水分管理有很大差别,但总体来说稻田约三分之一的时间处于水淹状态。预计到2050年全球人口增加到90亿,届时稻田很可能依然是全球甲烷排放的重要源。

我们来看看中国的数据。据联合国粮农组织统计,近二十年来,中国稻田面积已达全球的五分之一。为了减少甲烷排放,中国稻田采用中期排水措施,大幅度减小了稻田中的甲烷排放。根据李长生教授的研究,1980-2000年间,中国稻田采用中期排水,可能是这段时间全球大气甲烷浓度减小的重要原因之一(Li et al., 2002)。

其实,从1990年代开始,中国长江中下游地区,水稻的播栽方式,正在从传统的移栽方式转向直播方式。顾名思义,水稻移栽,就是水稻经过育秧后才能将秧苗移栽到稻田中(称为插秧),并维持一定水层确保秧苗顺利返青;而水稻直播就是没有育秧和插秧过程,直接将种子播于大田,分为旱直播、湿直播和水直播。其中旱直播是在旱田状态下整地和播种,湿直播是在土壤湿润而非淹水状态下播种,水直播在有水层状态下播种。由于直播稻未经移栽,因而旱直播和湿直播可节省移栽稻在秧苗返青前的大量水分消耗。过去有研究表明,旱直播和无积水状态下的湿直播稻田系统,相比于移栽系统会大幅度减小甲烷排放量。原因很简单,直播系统中土壤水分含量少,产生甲烷的厌氧条件不足。

对于中国来说,水稻直播技术之所以能在1990年代大力推行,主要是因为能节省劳力,因为这个时期正好是中国农村劳力大量转向城市的时期。

所以,现在的问题是:这个事实上已经采用的湿直播方式,水稻在整个生长季的甲烷排放量如何?如果只是这样一个问题,似乎就没有必要做了,因为前人的研究已经很明确说明了:无积水状态的湿直播可以减小甲烷排放量。

但是,在我们的研究地(崇明东滩),农民为了补偿播栽方式导致的产量不足,以及同时为了挤占杂草生长空间,通常会增大直播的播种密度。那么,在这样的稻田中,直播系统对甲烷通量又有何种影响呢?

这是一个需要在生态系统尺度监测甲烷通量的研究。因此我们采用了涡度协方差法,这是目前连续测量生态系统甲烷通量最好的方法了,没有之一。该方法能连续无干扰下直接测定生态系统尺度几百米甚至上千米符合微气象条件的贡献区的甲烷通量。但是,涡度协方差观测系统一个最大的缺点就是设备和维护费用高昂,不能采用两套相同设备同步进行测量和比较,我们只能用一套系统,对播栽方式变化前后进行多年连续监测,然后选取气象条件最为相似的年份进行对比,分析不同播栽方式下的甲烷通量。

研究期间,我们不对农场进行任何特殊处理,而是保持农场的正常运作状态,就像千千万万其他农场一样。移栽系统的水分管理策略为淹水-中期排水-淹水-湿润,直播系统为湿润-干湿交替-中期排水-干湿交替-湿润,其中直播系统的干湿交替策略为节水措施。但直播系统中水稻播种密度显著高于移栽系统。

结果很明显,直播系统的甲烷排放量高于传统移栽系统。就甲烷排放总量而言,直播系统比移栽系统增加了25%,这不是一个小的差别。进一步观察发现,甲烷增加的排放量,主要来自于中期排水前后的淹水期间(或直播的干湿交替期)。 

 

 显然,前面的顾虑不是多余的:相对于移栽系统,直播系统甲烷排放量不减反增。正如我们所预料的,直播系统中播种密度的增大,会直接导致水稻植株密度增大,改变向地下输送的有机碳或甲烷通过植株的传输途径。通过分析发现,在中期排水前后的淹水阶段,无论是最小计时单位(半小时)还是日均甲烷通量,都与生态系统总初级生产力(GEP)显著相关,而甲烷通量随GEP增大也显著增大。采用互相关(cross-correlation)分析和小波相干性(wavelet coherence)分析,同样证实了甲烷通量与GEP变化的强相关关系,其响应时滞为3~7小时。

当然,这个研究的确有一个明显的bug,不过完全可以消除,以下是消除过程:研究是在不同年份进行的,因此不同年份可能存在不同气象条件和水分管理措施的影响。但结果表明,在去除土温、强降雨和水分管理差异之后,直播系统的日均甲烷通量仍然显著高于移栽系统(p < 0.01)。此外,这期间稻田日均甲烷通量对土温表现出较强的依赖性,而在同一土温下,直播系统比移栽系统释放更多甲烷。

进一步地,考虑到两个系统水稻植株密度和地上生物量的差异,我们对直播系统的甲烷通量用两个系统单位面积地上生物量的比例进行了标准化。结果,二者的差异就变得不显著了。这直接证实了两个系统甲烷排放量的差异与水稻植株的差异有关

       这样就好解释了(敲黑板!)。一方面,更高的GEP提供更多的碳基质供产甲烷菌代谢利用因而导致更多的甲烷产生(这都是前人证实的结果,这里不进行太多解释了)(Hatala et al., 2012; Dorodnikov et al., 2011)。直播系统的GEP高于移栽系统导致在同样的土温下直播系统的甲烷排放量更高。另一方面,植物密度和地上生物量的增加也很有可能增大单位面积的维管系统(这也是前人证实的结果)(Aulakh et al., 2000)。维管系统能提供一个传输通道使得甲烷绕过氧化层而释放到大气中。尤其是标准化前后相同土温条件下移栽和直播系统间甲烷通量差异的改变直接支持这一推论。因此,该研究说明:无论是从碳供应还是甲烷传输来讲,水稻植株密度的差异很有可能是导致直播相对于移栽系统增大了甲烷排放量的主要原因。

       增大作物密度可增强作物与杂草竞争力,该方法已被广泛采用,而杂草又是直播技术成功的最大限制因素之一。相比于移栽系统,该研究中的直播系统无疑也成功减少了劳动力和水分消耗。但是,从最终结果来看,却导致了甲烷排放量的增加。况且,本研究中直播系统的水稻产量相比于移栽系统反而减小了。所以,如今水稻播栽方式从传统的移栽方式向高密度直播系统转变的效益,必须再仔细评估。

随着直播稻的迅速发展,科学地减少播种密度或许是减少甲烷排放的有效措施。本研究强调植株密度对稻田甲烷排放量的生态重要性。本研究的案例表明从移栽稻向高密度且长时间淹水的湿直播稻转变可能会增大稻田生长季的甲烷排放量。不过,这只是一个案例,不能代表所有种植和灌溉模式,未来还需更多关于直播稻与甲烷通量的关系的探索。

 

这篇论文发表在农林top刊物Agricultural and Forest Meteorology上。

原文标题:Does direct-seeded rice decrease ecosystem-scale methane emissions?—a case study from a rice paddy in southeast China

原文地址:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192319301455?dgcid=author

 

参考文献

Aulakh, M.S., Wassmann, R., Rennenberg, H., Fink, S., 2000. Pattern and amount of aerenchyma relate to variable methane transport capacity of different rice cultivars. Plant Biol. 2, 182–194.

Dorodnikov, M., Knorr, K.H., Kuzyakov, Y., Wilmking, M., 2011. Plant-mediated CH4 transport and contribution of photosynthates to methanogenesis at a boreal mire: a 14C pulse-labeling study. Biogeosciences 8, 2365--2375.

Hatala, J.A., Detto, M., Baldocchi, D.D., 2012a. Gross ecosystem photosynthesis causes a diurnal pattern in methane emission from rice. Geophys. Res. Lett. 39, L06409.

Li, C., Qiu, J., Frolking, S., Xiao, X., Salas, W., Moore, B., Boles, S., Huang, Y., Sass, R., 2002. Reduced methane emissions from large-scale changes in water management of China’s rice paddies during 1980–2000. Geophys. Res. Lett. 29, 1972.




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