標題：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

摘要核心內容

 

論文通過中國亞熱帶稻田的多年原位FACE（Free-Air CO? Enrichment）平臺實驗（2016-2018年），研究了高濃度CO?（eCO?，比環境CO?高200 μmol mol?1）對兩種響應性差異水稻品種（強響應型：Yangdao6, YIIyou900等；弱響應型：Wuyungeng23, Huaidao5等）稻田CH?和N?O排放的影響。結果表明：  

eCO?顯著提高水稻產量（強響應品種增產19%-31%，弱響應品種增產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%。  

 

強響應品種減排效果更顯著：其CH?和N?O排放量均低于弱響應品種。  

 

研究目的

 

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

 

研究思路

 

1. 實驗設計：  

利用FACE平臺設置eCO?（環境CO? + 200 μmol mol?1）與aCO?（環境CO?）對比組。  

 

種植強響應型（如Yangdao6）和弱響應型（如Wuyungeng23）水稻品種。  

 

2. 數據采集：  

氣體排放：靜態箱-GC法監測CH?和N?O通量。  

 

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

 

微生物活性：CH?生產潛力（MPP）和氧化潛力（MOP）。  

 

土壤氧濃度：Unisense微電極系統原位測定。  

 

水稻生長指標：產量、生物量、分蘗數。  

 

3. 機制分析：  

通過相關性統計（表SⅡ）和原位微環境測量，解析eCO?和品種影響溫室氣體排放的驅動因素。

 

測量數據及其研究意義

 

（1）氣體排放數據（圖2、圖3；表Ⅰ）

CH?排放峰值：出現在分蘗盛期和間歇灌溉期（圖2）。  

 

N?O排放峰值：主要發生在中期排水階段（圖3）。  

 

意義：明確eCO?對排放通量的時間動態影響，為減排管理提供關鍵期依據。

 

（2）土壤參數（圖4）

 

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

 

DOC和氮形態：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和底物有效性是調控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?生產潛力下降17%-86%（強響應品種降幅更大）。  

 

MOP升高：eCO?使CH?氧化潛力上升2%-48%。  

 

意義：證實eCO?通過抑制產甲烷菌活性并促進甲烷氧化菌活性減少CH?排放。

 

（4）水稻生長指標（圖1）

 

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

 

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

 

Unisense電極數據的詳細解讀

 

測量方法

 

使用丹麥Unisense微剖面系統（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）。  

 

研究發現

 

eCO?顯著提升[O?]：  

 

  強響應品種：+24% ~ +37%（圖5）；  

 

  弱響應品種：+22% ~ +29%（圖5）。  

 

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

 

研究意義

 

1. 機制驗證：  

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

 

2. 品種選育指導：  

強響應品種在eCO?下表現出更強的根系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。  

 

3. 方法學優勢：  

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）。  

 

原位實時性：避免采樣擾動，真實反映稻田微環境動態。  

 

結論

 

1. eCO?的協同效應：  

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

 

 

2. 核心機制：  

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. 品種的關鍵作用：  

強響應品種兼具高產與低排優勢：其高生物量和O?輸送能力（圖1,5）進一步強化eCO?的減排效果，是應對氣候變化的理想育種方向。  

 

4. 應用價值：  

推薦在亞熱帶稻區推廣強響應品種（如YIIyou900, Yongyou1540），結合eCO?條件實現“糧食安全-氣候減緩”雙贏。