全球气候变化已经是科学界的共识，全球变暖被认为是人类活动过程中大量温室气体排放引起的。CH₄和N₂O是除CO₂以外最重要的两种温室气体，从工业革命以来，人类的活动导致其在大气中的浓度迅速增加，CH₄的浓度已达到1774 μmol·mol^-1，而N₂O的浓度则达到了0.319 μmol·mol^-1[1]。Forster等^[1]还指出，在100年的时间尺度内，CH₄和N₂O的增温潜势分别是CO₂的25倍和298倍。因此，CH₄和N₂O浓度的变化对大气的温室效应起到不可低估的作用。

CH₄被认为是在极端厌氧环境下（Eh值在-150 mV左右），产甲烷菌分解有机物质的产物，乙酸和CO₂/H₂是其产生的前体^[2]。CH₄的人为排放源很多，如畜牧养殖、工业废气、生活垃圾填埋场、稻田等，其中稻田被认为是CH₄重要的排放源。稻田中产生的CH₄在土水（土壤-田面水）界面通过分子扩散、气泡形式和在植气（植株-大气）界面通过水稻通气组织及叶鞘上的微孔排放到大气中^{[3, 4]}。水稻植株体在稻田CH₄排放过程中起着非常重要的作用，有80%~95%的稻田CH₄是通过水稻的通气组织排放到大气中^{[5, 6]}。N₂O是硝化细菌或反硝化细菌在硝化过程或反硝化过程的中间产物。近些年来，很多研究认为稻田是N₂O的一个重要排放源。淹水条件下，稻田中产生的N₂O有80%以上是通过水稻植株体释放到大气中^{[5, 7]}，但是当土壤表面没有水层时，通过水稻植株体排放的N₂O所占比例不到20%^[7]。由此可见，水稻植株体对稻田中产生的CH₄和N₂O向大气的排放起着非常关键的作用。关于施肥、灌溉、秸秆或者生物质炭添加等农业措施对稻田CH₄和N₂O排放的影响，前人已经做了大量的科学研究^{[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]}。

太湖流域是我国水稻生产的重要地区，该地区水稻生产过程中的CH₄和N₂O排放情况，科研人员也做了很多工作^{[9, 11, 13, 14, 15]}。然而，他们的研究过程中所采用的水稻类型均为常规水稻，而关于其他水稻类型（杂交水稻、常规籼稻和杂交籼稻）的相关研究工作相对较少。他们的研究结果表明^{[9, 11, 13, 14, 15]}，在施氮量为150~300 kg N·hm^-2，常规水分管理措施（中期排水搁田）条件下，CH₄的累积排放量范围为53~275 kg CH₄·hm^-2，平均值约为90 kg CH₄·hm^-2；N₂O的累积排放量的范围为0.3~3.6 kg N₂O·hm^-2，平均值约为1.6 kg N₂O·hm^-2。水稻产量的范围为5.3~7.8 t·hm^-2，平均值约为6.8 t·hm^-2。

以往研究主要是以当地政府部门主要推广种植的一个水稻品种或者少数几个水稻品种为对象，研究多种农业管理措施对稻田CH₄和N₂O排放的影响。不同水稻品种在生理结构、根系分泌物数量和组分、分蘖数量、养分利用效率等因素上存在的差异，也许会对CH₄和N₂O的排放产生重要影响^{[19, 20]}。一般情况下，水稻在当地进行推广种植前，要多点布置试验进行产量、品质等方面的评估。在提倡固碳减排、低碳环保的大环境下，同时进行多种水稻品种的温室气体排放情况的评估是十分必要而且可行的。本研究主要针对在太湖流域推广种植的16个水稻品种（其中包含5个节水抗旱稻品种，2个旱稻品种）进行温室气体排放量的初步评估，主要目的就是通过比较筛选出适宜当地、较低温室气体排放量并保证一定产量的水稻品种。推广种植较低温室气体排放量的水稻品种也许是削减稻田温室气体排放的有效措施之一。 1 材料和方法 1.1 试验地点

试验地点位于上海市农业科学院庄行综合试验站内（30°53′N，121°23′E），隶属于上海低碳农业工程技术研究中心。该地区属于北亚热带季风气候，年平均气温16 ℃左右，全年无霜期约为230 d，年平均降雨量在1200 mm左右，一年中60%的雨量集中在5月到9月的汛期。试验时间为2013年的6月中旬到10月中下旬，这期间的大气温度范围为13.5~33.5 ℃（平均为26.1 ℃），总降雨量为492.1 mm，其中6月到9月的降雨量仅为271.8 mm。 1.2 土壤性质

试验区域耕作层土壤深度约为15 cm，其基本理化性质为：有机碳（SOC）13.7 g·kg^-1，全氮1.4 g·kg^-1，全磷0.8 g·kg^-1，土壤容重为1.4 g·cm^-3，pH（土水比1∶2.5）7.6。 1.3 供试品种

试验中选取16个供试水稻品种作为研究对象。

5个常规粳稻：沪旱3号（旱稻）、武运粳23号、秀水09、秀水134和早玉香粳。

5个杂交粳稻：旱优8号、花优14、秋优金丰、甬优8号和甬优9号。

2个常规籼稻：沪旱15（旱稻）和黄华占。

4个杂交籼稻：旱优113、旱优3号、旱优73和天优华占。

其中，早玉香粳、旱优8号、旱优113、旱优3号、旱优73为节水抗旱稻。 1.4 田间管理

所有供试品种的种子于2013年的5月4日进行浸种催芽，5月6日均匀播撒在育苗盘上进行育苗，6月初将育苗盘上的幼苗转移到田间苗圃中进行二次育苗。6月14日，将供试品种幼苗人工移栽到试验小区内，其株、行间距分别为20、25 cm，每穴种植1株（粳稻品种的1株有3~4个分蘖）。每个供试品种所占小区面积约为25 m2。

所有供试品种的施肥、灌溉等田间管理方式一致。氮磷钾肥的施用量分别为225、112.5、255 kg·hm^-2。其中氮肥按照5∶3∶2的比例分别以基肥、蘖肥和穗肥的形式施入，磷肥以基肥的形式一次性施入，而钾肥的44%以基肥形式施入，剩下的56%则以穗肥形式施入。水稻移栽后37 d开始中期排水搁田，持续一周时间。

在水稻的成熟期，每个供试品种小区内收割1 m2范围内的水稻（重复3次），利用小型脱粒机人工脱粒后晒干，得到晒干重量。再从中取少量采用烘箱烘干法（75 ℃烘至恒重）测定含水量，从而得到烘干重量。根据以下计算公式计算获得供试品种的标准产量：

RY=DW/（1-0.145或0.14）

式中：RY表示稻谷标准产量，t·hm^-2；DW表示稻谷烘干重量，t·hm^-2；0.145和0.14分别表示粳稻和籼稻品种的标准含水量（适合仓库存储的含水量）。

所有籼稻品种的收获时期为9月9日；早玉香粳和武运粳23号的收获日期为9月22日；其余供试品种的收获日期为10月14—17日。 1.5 气体样品采集过程与CH₄、N₂O排放通量测定 1.5.1 气体样品采集过程

采用静置透明有机玻璃箱，利用自主研发的气体自动采样装置进行气体样品的采集。有顶盖的有机玻璃箱的尺寸为50 cm×40 cm×50 cm（长×宽×高），其内部顶端中心位置安装一个12 V电池驱动的风扇，用以混匀箱内气体。根据水稻生长的高度，有三个高度（20、40、60 cm）的50 cm×40 cm（长×宽）有机玻璃底座（无侧孔）用以调整有机玻璃箱的高度。气体自动采样装置包含一个程序控制盒、12 V的可充电电池、一个小功率气泵、一组用于采集气体的电磁阀。规格为50 cm×40 cm×20 cm（长×宽×高）的有机玻璃底座（有侧孔）被埋入土壤表面以下15 cm左右，每个供试品种小区内设置3个底座，作为3个重复。

首先将有机玻璃箱安放到有机玻璃底座的水槽中并用水密封，再将气体自动采样装置的进气和出气管道连接到有机玻璃箱两侧通气孔上，并将风扇的插头连接到电源上，最后启动气体自动采样装置，该装置能够自动进行4次气体样品的采集，时间间隔为6 min。气体样品用1 L的气袋进行收集。待气体样品采集完成后，将有机玻璃箱及自动采样装置放到实验室中。气体样品采集时间为无雨天气的上午8：00—10：00，采集频率为1周1次。 1.5.2 CH₄和N₂O排放通量测定

采集到的气体样品将由气相色谱搭载自主研发的气体自动进样装置进行CH₄和N₂O浓度的分析测定。气体自动进样装置可对50个气体样品依次自动进样，间隔时间为8 min。气相色谱中用于气体样品中CH₄浓度测定的检测器为氢离子火焰检测器（FID，Flame Ionization Detector），用于气体样品中N₂O浓度测定的检测器为离子捕获检测器（ECD，Electron Capture Detector）。CH₄或N₂O的排放通量通过对同一个采样箱得到的4个气体的CH₄或N₂O浓度进行线性回归获得，通过对排放通量的累加计算得到其总累积排放量。温室气体排放强度的计算公式为：

T_CO2-eq=（T_CH4×25+T_N2O×298）/RY

式中：T_CO2-eq表示温室气体排放强度，kg CO₂·t^-1；T_CH4和T_N2O分别表示当季CH₄和N₂O的累积排放量，kg CH₄·hm^-2或kg N₂O·hm^-2；RY表示水稻稻谷标准产量，t·hm^-2；25和298分别表示在100年的时间尺度内，CH₄和N₂O的增温潜势是CO₂的25倍和298倍。 1.6 统计方法

采用SPSS 20.0软件中One-Way ANOVA的LSD法对不同供试品种的CH₄和N₂O累积排放量、产量及温室气体排放强度之间进行多重比较。采用Sigmaplot 12.5软件绘图。 2 结果与分析 2.1 CH₄排放规律

从移栽至移栽后40 d的时间范围内，所有供试品种的CH₄排放通量都经历了一个先增大后减小的过程，且在移栽后20 d左右形成一个较为明显的CH₄排放峰（图 1）。水稻移栽后37~43 d是中期搁田阶段，这段时间内的CH₄排放通量很低，几乎都为0（旱优73除外）。中期搁田结束，稻田复水至水稻成熟期，个别粳稻品种的CH₄排放通量仍出现较小的峰值（如秀水09和甬优8号），而大部分籼稻品种的CH₄排放通量仍接近于0（图 1）。

图 1 不同供试品种的 CH4 排放通量的季节变化 Figure 1 Seasonal changes in CH4 fluxes from rice fields with different rice cultivars

图选项

在生长初期，所有供试品种都有N₂O排放，但随着水稻生长发育进程的推进，在中期搁田之前，所有供试品种的N₂O排放通量基本上呈递减趋势（图 2）。在中期搁田期间，常规粳稻和籼稻有较为剧烈的N₂O排放（早玉香粳和黄华占除外），且形成明显的排放峰；而杂交粳稻和籼稻的N₂O排放通量维持在0左右。稻田复水后，所有供试品种的N₂O排放通量都很低，接近于0（图 2）。

图 2 不同供试品种的 N2O 排放通量的季节变化 Figure 2 Seasonal changes in N2O fluxes from rice fields with different rice cultivars

图选项

所有供试品种中，早玉香粳的CH₄累积排放量最低（30.1 kg CH₄·hm^-2），而甬优8号最高（259.7 kg CH₄·hm^-2）。常规粳稻中，除秀水134和早玉香粳的较低CH₄累积排放量（30.1~32.9 kg CH₄·hm^-2）外，其余品种则介于115.3~130.7 kg CH₄·hm^-2之间；杂交粳稻中，除甬优8号较高的CH₄累积排放量外，其余供试品种都介于32.2~90.6 kg CH₄·hm^-2之间（表 1）。常规和杂交籼稻的CH₄累积排放量则介于38.0~109.2 kg CH₄·hm^-2之间。常规品种（粳稻或籼稻）的CH₄平均累积排放量要低于杂交品种，而粳稻（常规或杂交）的CH₄平均累积排放量要高于籼稻（表 2）。节水抗旱稻中，早玉香粳和旱优3号的CH₄累积排放量较低，旱优73的CH₄累积排放量最高。

表 1 不同供试品种的 CH₄ 和 N₂O 累积排放量、 产量及温室气体排放强度 Table 1 Cumulative CH₄ and N₂O emissions,grain yield and greenhouse gas emission intensity of different rice cultivars

表选项

表 2 不同水稻类型的平均 CH₄ 和 N₂O 累积排放量、 产量及温室气体排放强度 Table 2 Average cumulative CH₄ and N₂O emissions,grain yield and greenhouse gas emission intensity of different rice types

表选项

所有供试品种中，N₂O累积排放量最低的是旱优3号（0.02 kg N₂O·hm^-2），最高的是秀水09（1.24 kg N₂O·hm^-2）。常规粳稻的N₂O累积排放量的范围为0.37~1.24 kg N₂O·hm^-2，而杂交粳稻的为0.03~0.32 kg N₂O·hm^-2。作为常规籼稻的沪旱15和黄华占，它们的N₂O累积排放量差距相对较大，分别为1.01 kg N₂O·hm^-2、0.05 kg N₂O·hm^-2。杂交籼稻的N₂O累积排放量的范围为0.02~0.23 kg N₂O·hm^-2（表 1）。常规品种（粳稻或籼稻）的N₂O平均累积排放量要高于杂交品种，而粳稻（常规或杂交）的N₂O平均累积排放量要高于籼稻（表 2）。节水抗旱稻中，早玉香粳的N₂O累积排放量最高，而旱优113和旱优3号表现出较低的N₂O累积排放量。 2.4 产量

甬优8号的产量在所有供试品种中最高（11.5 t·hm^-2），而旱优3号的产量最低（5.9 t·hm^-2）。常规粳稻中，武运粳23号和秀水09的产量相对较高；杂交粳稻中，甬优8号和甬优9号的产量是所有16个供试品种中最高的，达到9.7~11.5 t·hm^-2，花优14和秋优金丰的产量也相对较高。籼稻中，旱优113和天优华占也有较高的产量（表 1）。常规品种（粳稻或籼稻）的平均产量要低于杂交品种，而粳稻（常规或杂交）的平均产量要高于籼稻（表 2）。节水抗旱稻中，早玉香粳、旱优8号和旱优113产量较高。不同水稻类型的平均产量与平均CH₄累积排放量呈显著线性正相关关系（P=0.026，图 3）。

图 3 不同水稻类型的平均产量与平均 CH4 累积排放量的关系 Figure 3 Relationship between average grain yield and cumulative CH4 emission of different rice types

图选项

N₂O排放量相对很少，供试品种的温室气体排放强度主要取决于CH₄的累积排放量和水稻产量。不同供试品种的温室气体排放强度间差异较大，其中最低值为甬优9号的88.7 kg CO₂-eq·t^-1，最大值是甬优8号的584.7 kg CO₂-eq·t^-1。常规粳稻中的秀水134和早玉香粳，杂交粳稻中的秋优金丰和甬优9号及杂交籼稻中的旱优113和旱优3号的温室气体排放强度相对较低（表 1）。常规粳稻的温室气体排放强度要高于杂交粳稻。粳稻的温室气体排放强度要明显高于籼稻（表 2）。节水抗旱稻中，早玉香粳的温室气体排放强度最低，而旱优73的温室气体排放强度则最高。 3 讨论 3.1 CH₄排放规律

本研究发现，在水稻生长初期到中期搁田前的这段时间内，所有供试品种的CH₄排放规律基本一致，其排放通量先增大后减少，形成一个明显的排放峰（图 1），排放规律与前人研究结果一致^{[11, 13]}。这个排放峰的出现时间正处于水稻的分蘖盛期。水稻分蘖数量的增加，为CH₄排放提供更多的通道；地上生物量的增加，更多的光合产物被运移到地下，刺激产甲烷菌的活性，可产生更多的CH₄。因此在这段时间内可监测到明显的CH₄排放峰。

Ma等^[13]和Li等^[14]研究发现，中期搁田造成稻田CH₄排放通量的急剧减少，在中期搁田中后阶段接近于0。同样，在本研究中，所有供试品种的CH₄排放通量也有这样的规律（图 1）。中期搁田引起稻田土壤表面水的消失，土壤水位的下降，空气中氧气的进入，土壤的Eh值从负值转变为正值^[13]，好氧微生物取代厌氧微生物成为优势种群。这种转变能极大地降低CH₄的产生，促进CH₄的氧化，最终减少CH₄的排放。

中期搁田结束、稻田复水至水稻成熟期，有些粳稻品种的CH₄排放通量在移栽后60 d或者80 d左右出现较小的峰值（图 1）。这段时间正好处于这些供试品种的孕穗-抽穗期，较大生物量的根系向土壤释放较多的有机物质（根系分泌物和根系脱落物），这可为产甲烷菌提供充足的碳源，引起更多的CH₄产生和排放。而在籼稻品种的孕穗-抽穗期，则没有明显的CH₄排放（图 1）。粳稻和籼稻在水稻生长季中后期CH₄排放规律的不同可能与它们本身的植物生理差异有关。一方面，粳稻和籼稻的通气组织结构可能存在差异，引起根冠相接点的气体运输能力不同^[19]，从而导致水稻生长发育后期CH₄排放规律的不同；另一方面，具有较强分蘖能力的籼稻可能将更多的氧气传输到根部，导致稻田中产生的CH₄试图通过水稻植株进行传输排放时，更多的在根际圈被氧化掉^[21]。 3.2 N₂O排放规律

在水稻生长初期，所有供试品种都有一定量的N₂O排放，但随着水稻生长发育进程的推进，在中期搁田之前，N₂O排放通量基本上呈逐步递减趋势。水稻生长初期，基肥和分蘖肥的施入，为硝化细菌或者反硝化细菌提供了充足的氮源，从而短暂地促进了N₂O的排放（图 2）。这和前人的研究结果一致^{[16, 22]}。为了保证水稻幼苗的成活，土壤表面保持持续淹水明显减少N₂O的排放。

在中期搁田过程中，稻田土壤剧烈的干湿交替，加上较多氮素的存在，可能会引起较为强烈的硝化作用或者反硝化作用，从而促进N₂O急剧释放^[14]。大多数常规品种（包括粳稻和籼稻）出现N₂O的排放峰，但是所有杂交品种都没有监测到这个排放峰。原因可能在于，与常规水稻相比，较大生物量的杂交水稻（因杂交水稻产量一般都高于常规水稻）能够吸收利用较多的氮素，相对提高氮肥利用率^[23]，而提供给土壤微生物的氮素相对较少，从而在中期搁田期间，种植杂交稻品种的小区中没有监测到N₂O排放峰。另外，傅志强等^[24]研究也发现，在分蘖盛期和齐穗期，杂交稻品种的根系生物量普遍高于常规稻品种，这也有利于杂交稻吸收利用更多的氮素，从而相对降低N₂O在中期搁田过程中的排放量。

稻田复水至水稻成熟期，所有供试品种的N₂O排放通量都维持在0附近，没有较为明显的排放峰。稻田复水后施入穗肥并没有引起N₂O排放，原因可能是稻田中较深的田面水影响了N₂O的排放。 3.3 产量、CH₄和N₂O排放量

不同供试品种的地上和地下生物量、根系泌氧能力或者通气组织的传输能力等指标上存在差异则引起不同品种间的CH₄和N₂O累积排放量存在较大的差异^{[19, 20, 24, 25, 26]}。本研究中，所有供试品种的CH₄累积排放量变动范围为30.1~259.7 kg CH₄·hm^-2，最大值是最小值的8.6倍；N₂O累积排放量变动范围为0.02~1.24 kg N₂O·hm^-2，最大值是最小值的62倍。同样地，所有供试品种的产量间差异较大，最大产量约是最小产量的2倍（表 1）。在太湖流域，其他研究人员栽培种植常规粳稻的研究结果表明^{[9, 11, 13, 14, 15]}，CH₄累积排放量范围为53~275 kg CH₄·hm^-2，平均值约为90 kg CH₄·hm^-2；N₂O的累积排放量的范围为0.3~3.6 kg N₂O·hm^-2，平均值约为1.6 kg N₂O·hm^-2。水稻产量的范围为5.3~7.8 t·hm^-2，平均值约为6.8 t·hm^-2。与他们的研究结果相比，本试验中所选用供试常规粳稻品种的平均CH₄和N₂O累积排放量相对较低，但平均产量则相对较高（表 2）。

水稻的温室气体排放强度与CH₄、N₂O排放量和产量有关。由于N₂O的排放较少，温室气体排放强度主要取决于水稻产量和CH₄排放量，而水稻产量与CH₄排放量呈正相关关系（图 3），也就是说，较高的水稻产量，CH₄排放量也相对较大。因此，在具体的水稻品种选择上，既要保证一定的水稻产量，又要相对减少CH₄的排放，可最终降低温室气体排放强度。本研究中，虽然粳稻品种（常规或杂交）的温室气体排放强度要高于籼稻，但是粳稻的产量要普遍高于籼稻（表 2）。常规粳稻中的秀水134和早玉香粳，杂交粳稻中的花优14、秋优金丰和甬优9号的产量相对较高，而温室气体排放强度相对较低。另外，杂交籼稻中的旱优113和天优华占也获得较高产量和相对较低的温室气体排放强度。

节水抗旱稻作为一种新的水稻品种，其优势主要体现为在保证水稻一定产量的前提下，能够节约灌溉水量约50%。且在水分缺少的环境下，保持一定的抗旱性，降低产量损失^[27]。本研究中常规的水分管理方式下，早玉香粳、旱优8号和旱优113的产量相对较高，且温室气体排放强度要相对较低。在水稻种植地区，其生长发育期间如果遇到水资源短缺、干旱少雨，种植节水抗旱稻可能会有较大的发展前景。 4 结论

水稻的产量与CH₄排放量呈线性正相关关系。粳稻品种（常规或杂交）的CH₄、N₂O累积排放量和产量都要高于籼稻品种。与常规品种（粳稻或籼稻）相比，杂交品种的CH₄累积排放量和产量相对较高，但N₂O累积排放量相对较低。常规粳稻中的早玉香粳和秀水134、杂交粳稻中的花优14、秋优金丰和优甬9号以及杂交籼稻中的旱优113和天优华占能保证一定的水稻产量，又能减少温室气体排放强度，因此这些水稻品种具有很大的推广种植价值。作为节水抗旱稻的早玉香粳、旱优8号和旱优113也许在水分缺少的环境下可表现出较强的优势。