標(biāo)題：Elevated atmospheric CO2 reduces CH4 and N2O emissions under two contrasting rice cultivars from a subtropical paddy field in China

大氣中 CO2 升高可減少中國亞熱帶稻田中兩種對比水稻品種的 CH4 和 N2O 排放

來源：Pedosphere 32(5): 707–717, 2022

摘要核心內(nèi)容

 

論文通過中國亞熱帶稻田的多年原位FACE（Free-Air CO? Enrichment）平臺(tái)實(shí)驗(yàn)（2016-2018年），研究了高濃度CO?（eCO?，比環(huán)境CO?高200 μmol mol?1）對兩種響應(yīng)性差異水稻品種（強(qiáng)響應(yīng)型：Yangdao6, YIIyou900等；弱響應(yīng)型：Wuyungeng23, Huaidao5等）稻田CH?和N?O排放的影響。結(jié)果表明：  

eCO?顯著提高水稻產(chǎn)量（強(qiáng)響應(yīng)品種增產(chǎn)19%-31%，弱響應(yīng)品種增產(chǎn)7%-14%）。  

 

eCO?顯著降低溫室氣體排放：  

 

  CH?累積排放量降低11%-59%；  

 

  N?O累積排放量降低33%-70%。  

 

強(qiáng)響應(yīng)品種減排效果更顯著：其CH?和N?O排放量均低于弱響應(yīng)品種。  

 

研究目的

 

探究eCO?與不同響應(yīng)性水稻品種的交互作用對稻田溫室氣體（CH?和N?O）排放的影響機(jī)制，為選育“高產(chǎn)低排”水稻品種以應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

 

研究思路

 

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

利用FACE平臺(tái)設(shè)置eCO?（環(huán)境CO? + 200 μmol mol?1）與aCO?（環(huán)境CO?）對比組。  

 

種植強(qiáng)響應(yīng)型（如Yangdao6）和弱響應(yīng)型（如Wuyungeng23）水稻品種。  

 

2. 數(shù)據(jù)采集：  

氣體排放：靜態(tài)箱-GC法監(jiān)測CH?和N?O通量。  

 

土壤參數(shù)：氧化還原電位（Eh）、溶解性有機(jī)碳（DOC）、NH??-N、NO??-N。  

 

微生物活性：CH?生產(chǎn)潛力（MPP）和氧化潛力（MOP）。  

 

土壤氧濃度：Unisense微電極系統(tǒng)原位測定。  

 

水稻生長指標(biāo)：產(chǎn)量、生物量、分蘗數(shù)。  

 

3. 機(jī)制分析：  

通過相關(guān)性統(tǒng)計(jì)（表SⅡ）和原位微環(huán)境測量，解析eCO?和品種影響溫室氣體排放的驅(qū)動(dòng)因素。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

（1）氣體排放數(shù)據(jù)（圖2、圖3；表Ⅰ）

CH?排放峰值：出現(xiàn)在分蘗盛期和間歇灌溉期（圖2）。  

 

N?O排放峰值：主要發(fā)生在中期排水階段（圖3）。  

 

意義：明確eCO?對排放通量的時(shí)間動(dòng)態(tài)影響，為減排管理提供關(guān)鍵期依據(jù)。

 

（2）土壤參數(shù)（圖4）

 

Eh和O?濃度：eCO?顯著提高表層土壤（0–20 mm）Eh和[O?]（強(qiáng)響應(yīng)品種增幅更大）（圖4a,b；圖5）。  

 

DOC和氮形態(tài)：eCO?輕微增加DOC，但顯著降低NH??-N含量（圖4c-f）。  

 

意義：揭示土壤氧化還原狀態(tài)和底物有效性是調(diào)控CH?和N?O排放的核心因素。

 

（3）微生物活性（表Ⅱ）

 

MPP降低：eCO?使CH?生產(chǎn)潛力下降17%-86%（強(qiáng)響應(yīng)品種降幅更大）。  

 

MOP升高：eCO?使CH?氧化潛力上升2%-48%。  

 

意義：證實(shí)eCO?通過抑制產(chǎn)甲烷菌活性并促進(jìn)甲烷氧化菌活性減少CH?排放。

 

（4）水稻生長指標(biāo)（圖1）

 

eCO?提高強(qiáng)響應(yīng)品種的生物量（地上+20%，地下+18%）和分蘗數(shù)（圖1c,e,g）。  

 

意義：高生物量促進(jìn)根系O?輸送，改善土壤氧化環(huán)境（圖5），間接抑制CH?生成。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

測量方法

 

使用丹麥Unisense微剖面系統(tǒng)（Clark型微電極），以2 mm步長原位測定淹水稻田土壤-水界面以下0–20 mm的O?濃度分布（圖5）。  

 

研究發(fā)現(xiàn)

 

eCO?顯著提升[O?]：  

 

  強(qiáng)響應(yīng)品種：+24% ~ +37%（圖5）；  

 

  弱響應(yīng)品種：+22% ~ +29%（圖5）。  

 

品種差異：強(qiáng)響應(yīng)品種在aCO?和eCO?下的[O?]分別比弱響應(yīng)品種高19%和23%（圖5）。  

 

研究意義

 

1. 機(jī)制驗(yàn)證：  

直接證實(shí)eCO?通過促進(jìn)水稻根系通氣組織發(fā)育（高生物量→高孔隙度→高O?輸送），提高根際[O?]（圖5），抑制厭氧產(chǎn)甲烷過程（MPP↓），同時(shí)促進(jìn)好氧甲烷氧化（MOP↑）（表Ⅱ）。  

 

2. 品種選育指導(dǎo)：  

強(qiáng)響應(yīng)品種在eCO?下表現(xiàn)出更強(qiáng)的根系O?輸送能力（圖5），為選育“高O?效率”品種以減少CH?排放提供生理依據(jù)。  

 

3. 方法學(xué)優(yōu)勢：  

毫米級分辨率：可捕捉土壤剖面的O?梯度變化（圖5顯示[O?]在10 mm深處趨近于0）。  

 

原位實(shí)時(shí)性：避免采樣擾動(dòng)，真實(shí)反映稻田微環(huán)境動(dòng)態(tài)。  

 

結(jié)論

 

1. eCO?的協(xié)同效應(yīng)：  

增產(chǎn)減排：eCO?在提高水稻產(chǎn)量（尤其強(qiáng)響應(yīng)品種）的同時(shí)，顯著降低CH?（-11%~-59%）和N?O（-33%~-70%）排放（表Ⅰ）。  

 

 

2. 核心機(jī)制：  

CH?減少：eCO?→根系生物量↑→土壤[O?]↑（圖5）→Eh↑（圖4）→ MPP↓ + MOP↑（表Ⅱ）。  

 

N?O減少：eCO?→植物吸氮量↑→土壤NH??-N↓（圖4e,f）→可利用氮減少。  

 

3. 品種的關(guān)鍵作用：  

強(qiáng)響應(yīng)品種兼具高產(chǎn)與低排優(yōu)勢：其高生物量和O?輸送能力（圖1,5）進(jìn)一步強(qiáng)化eCO?的減排效果，是應(yīng)對氣候變化的理想育種方向。  

 

4. 應(yīng)用價(jià)值：  

推薦在亞熱帶稻區(qū)推廣強(qiáng)響應(yīng)品種（如YIIyou900, Yongyou1540），結(jié)合eCO?條件實(shí)現(xiàn)“糧食安全-氣候減緩”雙贏。