CN116584328B - 乙烯在降低水稻生产中碳足迹的应用与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及乙烯在降低水稻生产中碳足迹的应用与方法。所述方法包括如下步骤：1）在水稻收获前套播绿肥作物；2）在水稻插秧前，将绿肥作物灭茬、粉碎、翻压还田，向稻田土壤中施用乙烯或乙烯复合材料；3）淹水；4）移栽水稻，对稻田进行第一管理使水稻生长至收获；5）对于一季稻，在水稻收获前再次套播绿肥作物，重复步骤2）至4）；对于双季稻，收获早稻后，整地，移栽晚稻，对稻田进行第二管理使晚稻生长至收获；在晚稻收获前再次套播绿肥作物，重复步骤2）至4）。
Description
技术领域
本发明涉及温室气体领域，特别涉及乙烯在降低水稻生产中碳足迹的应用。
背景技术
水稻生产过程中的碳排放分为直接碳排放和间接碳排放。直接碳排放是指稻田直接以CO2、CH4和N2O等温室气体形式释放的碳，约占水稻生产总碳足迹的70%，其中CH4排放占总碳足迹的54%，是水稻生产减排的重中之重；间接碳排放是指在水稻生产中以种子、化肥、农药、燃油以及电能等农业生产资料形式释放的碳，占水稻生产总碳足迹的30%左右，其中氮肥投入环节占总碳足迹的16%。
种植利用豆科绿肥是有效替代化学氮肥的高效手段。然而，在我国南方一季中稻或双季稻区，中稻或晚稻收获后轮作绿肥作物，绿肥作物盛花期湿耕还田致使水稻生育期内排放大量的CH4，且CH4的增温潜势是二氧化碳（CO2）的25倍，这将大大抵消绿肥提升土壤碳库的效益，甚至增加水稻生产碳足迹。因此，开发出大幅降低稻田土壤CH4排放的材料可以成为生产低碳足迹水稻的主要途径。
发明内容
本发明之一提供了乙烯在降低水稻生产中碳足迹的应用。
在一个具体实施方式中，所述乙烯被吸附于多孔载体中得到乙烯复合材料，将所述乙烯复合材料施用到所述稻田土壤中。
在一个具体实施方式中，所述多孔载体为沸石，例如为丝光沸石。
在一个具体实施方式中，所述沸石比表面积>280 m2g-1、晶粒尺寸0.1至0.2 μm。
本发明之二提供了一种降低碳足迹的水稻生产方法，其包括如下步骤：
1）在水稻收获前套播绿肥作物；
2）在水稻插秧前，将绿肥作物灭茬、粉碎、翻压还田，向稻田土壤中施用乙烯或如本发明之一中任意一项所述的应用中的所述乙烯复合材料；
3）淹水；
4）移栽水稻，对稻田进行第一管理使水稻生长至收获；
5）对于一季稻，在水稻收获前再次套播绿肥作物，重复步骤2）至4）；
对于双季稻，收获早稻后，整地，移栽晚稻，对稻田进行第二管理使晚稻生长至收获；在晚稻收获前再次套播绿肥作物，重复步骤2）至4）。
在一个具体实施方式中，在步骤2）中，所述乙烯施用量为750 mol ha-1至3000 molha-1。
在一个具体实施方式中，所述绿肥作物为紫云英（Astragalus sinicus L.）。
在一个具体实施方式中，在步骤1）和步骤5）中，所述绿肥作物的播种量独立地为22.5 kg ha-1至 30.0 kg ha-1。
在一个具体实施方式中，在步骤1）和步骤5）中，在水稻收获前10至15 d套播所述绿肥作物。
在一个具体实施方式中，在步骤1）和步骤2）之间，还包括步骤1-2）在收获水稻后，随后环田开一圈围沟，田内开田内沟，并使田内沟与围沟连通，在围沟的一处设置排水口。
在一个具体实施方式中，所述围沟和田内沟的沟宽独立地为15至25 cm。
在一个具体实施方式中，所述围沟和田内沟的沟深独立地为15至25 cm。
在一个具体实施方式中，在田内每隔5至10米开所述田内沟。
在一个具体实施方式中，在所述围沟的至少一处设置排水口。
在一个具体实施方式中，在步骤1-2）中，在绿肥作物盛花期时，清除所述围沟和所述田内沟中的淤土；
在步骤1）和步骤1-2）之间，还包括步骤1-1-2），在绿肥作物盛花期时，排出田面渍水，维持田面干爽状态；
在步骤2）和步骤3）之间还包括步骤2-3），晾垡5至15天时淹水。
在一个具体实施方式中，在步骤1）中，在收获水稻后，将稻秸原位覆盖还田。
在一个具体实施方式中，在步骤2）中，将所述绿肥作物粉碎至5至10 cm。
在一个具体实施方式中，在步骤3）中，淹水至使水层至1至2 cm。
在一个具体实施方式中，所述第一管理包括第一施肥；所述第二管理包括第二施肥；其中，所述第一施肥和所述第二施肥中施用的氮肥量独立地较绿肥还田前减少20%至40%。
在一个具体实施方式中，所述第一施肥和所述第二施肥可以独立地分为全部作为基肥在移栽水稻前的第1至3天施入（例如，对于一季稻，仅在步骤4）移栽所述水稻前的第1至3天施入；对于双季稻，在步骤4）移栽早稻前的第1至3天施入，在步骤5）移栽晚稻前的第1至3天施入）；部分作为基肥在移栽水稻前的第1至3天施入，部分作为分蘖肥在水稻分蘖期施入，部分作为穗肥在穗期施入；或者部分作为基肥在移栽水稻前的第1至3天施入，部分作为分蘖肥在水稻分蘖期施入。
本发明的有益效果：
针对我国南方水稻生产过程碳足迹高的问题，本发明首次发现乙烯可降低稻田土壤中CH4排放。进一步地，通过采用在稻田休闲季种植绿肥、绿肥翻压还田时施用乙烯、水稻季减少40%氮肥投入的操作措施，在实现了稻谷稳产乃至略有增产的同时，大幅降低了碳足迹。且操作轻简高效、实用性强、便于农户操作与应用。
附图说明
图1显示了稻田开沟示意图。
具体实施方式
以下通过优选的实施案例的形式对本发明的上述内容作进一步的详细说明，但其不构成对本发明的限制。
如无特别说明，本发明的实施例中的试剂均可通过商业途径购买。
实施例1
乙烯抑制甲烷的排放
选取湖北水稻收获期的水稻土，风干至土壤含水量低于5 wt%，过2 mm 筛后得到干鲜土。
设置乙烯处理（ET）和空白对照处理（CK）2个处理。
乙烯处理（ET）：称取50 g干鲜土于200 ml培养瓶内，装瓶后，抽真空，然后向培养瓶内填充氩气与乙烯的混合气体，直至培养瓶内的气压值为一个大气压，其中，充入的乙烯的量为0.16 ml，用丁基塞瓶盖密封、培养瓶铝盖压实。每个培养瓶作为一个重复，共计5个重复。
空白对照处理（CK）：称取50 g干鲜土于200 ml培养瓶内，装瓶后，抽真空，然后向培养瓶内填充氩气直至培养瓶内的气压值为一个大气压，用丁基塞瓶盖密封、培养瓶铝盖压实。每个培养瓶作为一个重复，共计5个重复。
样品采集与分析：将以上两个处理置于25 ± 2℃生化培养箱中黑暗培养30天，并分别于培养的第3、7、18、30 d采集气体样品，每次气体采集时间固定在14:00-17:00。气体采集具体操作如下：揭开培养瓶瓶盖置于通风橱内通气20 min，通空气完成后盖紧瓶盖并用培养瓶铝盖压实避免漏气，在密封培养瓶后的0 h和24 h时分别用20 ml注射器从培养瓶的瓶塞取样口采气。其中，采集气体时，反复推拉20 ml注射器多次，以混匀瓶内气体，然后采集培养瓶上部空间内气体至12 ml顶空瓶中。每次气体采集后，抽真空，再次填充氩气与乙烯的混合气体（ET处理，充入的乙烯的量为0.16 ml）或氩气（CK处理），并使培养瓶内的气压值为一个大气压，密封。使用安捷伦气相色谱仪（Agilent7890B）测定所采集的气体样品中的CH4浓度。经公式1计算转化后，乙烯处理和空白对照处理在不同时间下所释放出的气体中的CH4的排放通量结果见表1。
公式1：
其中，F(X)为CH4的排放通量（μg kg-1d-1），Q24和Q0分别为24 h和0 h取样所检测到的CH4的浓度（mol×10-6mol-1）， V培养瓶内气体容积（L）， M0为 CH4的摩尔质量（g mol-1），t为培养时间（d），m为干鲜土重量（kg），T为培养温度（℃）。
表1
注：同列数据后不同小写表示经Duncan氏新复极差法检验在P<0.05水平上差异显著。
根据表1的结果可知，与CK相比，ET处理在试验的7 d至30 d内可显著降低稻田土壤甲烷排放通量，降幅为24.26%至69.89%。可见，乙烯可大幅降低稻田甲烷排放，因此可以作为抑制甲烷排放的材料。
实施例2
乙烯载体试验
农业生产中施用气体材料在封闭的智能温室、大棚等设施中较为常见，而在野外大田生产中较难实现。本发明利用丝光沸石分子筛多孔隙、可吸附装载气体的特性，将其用作乙烯的载体。
丝光沸石吸附乙烯的具体操作如下：选用丝光沸石分子筛的规格为比表面积>280m2g-1、晶粒尺寸0.1至0.2 μm。将丝光沸石分子筛在400℃下焙烧4 h，冷却至在自然环境温度后，将其置于乙烯氛围下静止5天，获得装载乙烯的量为2 mol kg-1的吸附乙烯的丝光沸石。
以1 ha耕层土壤质量为2250000 kg的量折合大田施用量。
选取江西水稻收获期的水稻土，风干至土壤含水量低于5 wt%，过2 mm筛后得到干鲜土。设置5处理。为各处理分别为：
1）空白对照处理（CK）：干鲜土中不添加任何材料。
2）使用未吸附乙烯的丝光沸石的处理（ZEO）：向干鲜土中添加未吸附乙烯的丝光沸石（比表面积>280 m2g-1、晶粒尺寸0.1-0.2 μm），使丝光沸石的添加量折合大田为施用量为375 kg ha-1。
3）使用吸附乙烯的丝光沸石的低剂量处理（ZEO-ET750）：向干鲜土中添加装载乙烯的量为2 mol kg-1的吸附乙烯的丝光沸石，使吸附乙烯的丝光沸石的添加量折合大田为施用量为375 kg ha-1，乙烯的添加量折合大田为施用量为750 mol ha-1。
4）使用吸附乙烯的丝光沸石的中剂量处理（ZEO-ET1500）：向干鲜土中添加装载乙烯的量为2 mol kg-1的吸附乙烯的丝光沸石，使吸附乙烯的丝光沸石的添加量折合大田为施用量为750 kg ha-1，乙烯的添加量折合大田为施用量为1500 mol ha-1。
5）使用吸附乙烯的丝光沸石的高剂量处理（ZEO-ET3000）：向干鲜土中添加装载乙烯的量为2 mol kg-1的吸附乙烯的丝光沸石，使吸附乙烯的丝光沸石的添加量折合大田为施用量为1500 kg ha-1，乙烯的添加量折合大田为施用量为3000 mol ha-1。
称取50 g干鲜土于200 ml培养瓶内。按照上述处理进行操作，然后添加无菌水从而使各处理均维持2 cm水层，用丁基塞瓶盖密封、培养瓶铝盖压实。每个培养瓶作为一个重复，每个处理共计5个重复。
样品采集与分析：将以上各处理置于25 ± 2℃生化培养箱中黑暗培养30天，并分别于培养的第1、3、5、7、18、30 d采集气体样品，每次气体采集时间固定在14:00-17:00。气体采集具体操作如下：气体采集前一天，揭开培养瓶瓶盖置于通风橱内通气20 min，通空气完成后盖紧瓶盖并用培养瓶铝盖压实避免漏气，分别在密封培养瓶后的0 h和24 h时用20ml注射器从培养瓶的瓶塞取样口采气。其中，采集气体时，反复推拉20 ml注射器多次，以混匀瓶内气体，然后采集培养瓶上部空间内气体至12 ml顶空瓶中。气体采集后，通空气10min后，密封。使用安捷伦气相色谱仪（Agilent 7890B）测定所采集的气体样品中的CH4浓度。经公式1计算转化后，不同处理在不同时间下所释放出的气体中的CH4的排放通量结果见表2。
表2
注：同行数据后不同小写字母表示经Duncan氏新复极差法检验在P<0.05水平上差异显著。
根据表2的结果可知，与CK相比，ZEO处理未改变CH4排放通量，表明丝光沸石不能降低稻田土壤甲烷的排放；与CK相比，ZEO-ET750、ZEO-ET1500、ZEO-ET3000处理在1 d至 18d内可显著降低CH4的排放，但不同添加量对CH4排放的降低程度差异不大。可见，丝光沸石可作为吸附乙烯的载体材料。
实施例3
大田碳足迹试验1
丝光沸石分子筛的规格为比表面积>280 m2g-1、晶粒尺寸0.1至0.2 μm。
将丝光沸石分子筛在400℃下焙烧4 h，冷却到自然环境温度后，将其置于乙烯氛围下静止5天，获得装载乙烯的量为2 mol kg-1的吸附乙烯的丝光沸石。
水稻品种为皖稻79。
大田试验1在湖北省荆州太湖农场开展，将田块以30 m2（5 m×6 m）划分为一个小区，共划分为12个小区，每个小区为一个重复，每处理重复3次，不同处理和重复完全随机排列。
处理CK：
2021年9月27日，收获水稻，稻秸原位覆盖还田；
2022年4月20日，划分试验小区，各小区面积为5 m×6 m，小区间修筑田埂和覆农用薄膜隔开防止串水串肥；
2022年4月21日，翻耕松土，直接淹水1至2 cm；
2022年5月18日，施基肥，其中，氮肥和钾肥中的50%作基肥施入，25%作分蘖肥在后续移栽水稻后的分蘖期施入，25%作穗肥在穗期施入；
2022年5月20日，划行移栽水稻，栽插密度为行株距16.7 cm×20 cm，每穴（丛）2株；
2022年9月25日，收获水稻。
其中，水稻全生育期的化肥用量为N 165.0 kg ha-1，P2O545.0 kg ha-1和K2O 75.0kg ha-1，氮肥、磷肥及钾肥分别具体使用尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）。
处理ET：
2021年9月27日，收获水稻，稻秸原位覆盖还田；
2022年4月20日，划分试验小区，各小区面积为5 m×6 m，小区间修筑田埂和覆农用薄膜隔开防止串水串肥；
2022年4月21日，翻耕松土，向稻田中施用装载乙烯的量为2 mol kg-1的吸附乙烯的丝光沸石，使吸附乙烯的丝光沸石的施用量为375 kg ha-1，乙烯的施用量为750 mol ha-1，直接淹水1至2 cm；
2022年5月18日，施基肥，其中，氮肥和钾肥中的50%作基肥施入，25%作分蘖肥在后续移栽水稻后的分蘖期施入，25%作穗肥在穗期施入；
2022年5月20日，划行移栽水稻，栽插密度为行株距16.7 cm×20 cm，每穴（丛）2株；
2022年9月25日，收获水稻。
其中，水稻全生育期的化肥用量为N 165.0 kg ha-1，P2O545.0 kg ha-1和K2O 75.0kg ha-1，氮肥、磷肥及钾肥分别具体使用尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）。
处理F40+GM：
水稻收获前15天（2021年9月12日）稻底套播绿肥紫云英，播种量为22.5 kg ha-1，整个绿肥生育期（即播种后至盛花期）内不使用任何肥料和除草剂；
2021年9月27日，收获水稻，稻秸原位覆盖还田。随后环田开一圈围沟，田内每隔5至10米开田内沟，并使田内沟与围沟连通，在围沟的一处设置排水口，便于雨水及时排出，如图1所示。其中，围沟和田内沟的沟宽和沟深分别为20 cm；
2022年4月20日，划分试验小区，各小区面积为5 m×6 m，小区间修筑田埂和覆农用薄膜隔开防止串水串肥；
2022年4月21日，绿肥灭茬、粉碎至5至10 cm 段，翻压还田，直接淹水1至2 cm；
2022年5月18日，施基肥，其中，氮肥和钾肥中的50%作基肥施入，25%作分蘖肥在后续移栽水稻后的分蘖期施入，25%作穗肥在穗期施入；
2022年5月20日，划行移栽水稻，栽插密度为行株距16.7 cm×20 cm，每穴（丛）2株；
2022年9月10日，再次套播种植紫云英，重复以上步骤。其中，2022年9月25日，收获水稻。
其中，水稻全生育期的化肥用量为 N 99.0 kg ha-1， P2O545.0 kg ha-1和 K2O75.0 kg ha-1，氮肥、磷肥及钾肥分别具体使用尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）。
处理F40+GM+ET：
水稻收获前15天（2021年9月12日）稻底套播绿肥紫云英，播种量为22.5 kg ha-1，整个绿肥生育期（即播种后至盛花期）内不使用任何肥料和除草剂；
2021年9月27日，收获水稻，稻秸原位覆盖还田。随后环田开一圈围沟，田内每隔5至10米开田内沟，并使田内沟与围沟连通，在围沟的一处设置排水口，便于雨水及时排出，如图1所示。其中，围沟和田内沟的沟宽和沟深分别为20 cm；
2022年4月20日，划分试验小区，各小区面积为5 m×6 m，小区间修筑田埂和覆农用薄膜隔开防止串水串肥；
2022年4月21日，绿肥灭茬、粉碎至5至10 cm段，翻压还田，向稻田中施用装载乙烯的量为2 mol kg-1的吸附乙烯的丝光沸石，使吸附乙烯的丝光沸石的施用量为375 kg ha-1，乙烯的施用量为750 mol ha-1，直接淹水1至2 cm；
2022年5月18日，施基肥，其中，氮肥和钾肥中的50%作基肥施入，25%作分蘖肥在后续移栽水稻后的分蘖期施入，25%作穗肥在穗期施入；
2022年5月20日，划行移栽水稻，栽插密度为行株距16.7 cm×20 cm，每穴（丛）2株；
2022年9月10日，再次套播种植紫云英，重复以上步骤。其中，2022年9月25日，收获水稻。
其中，水稻全生育期的化肥用量为 N 99.0 kg ha-1， P2O545.0 kg ha-1和 K2O75.0 kg ha-1，氮肥、磷肥及钾肥分别具体使用尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）。
以上四个处理的其他田间管理措施与当地大田生产一致，各处理投入量具体见表3。
样品采集与分析：采用密闭式静态采气箱-气相色谱法测定田间温室气体排放通量，静态采气箱（CN202122867714.0）由底座和顶箱组成，在绿肥翻压后将底座嵌入土壤中20至30 cm深处，避免土壤扰动对气体产生的影响。其中，底座内水稻种植数量根据田间种植密度进行折算。底座露出地表的边上焊有一个凹槽。在紫云英翻压（翻压当天为第0天）后第1天开始进行气体样品的采集，在水稻灌浆期前每隔5天取一次气样，如遇连阴雨天气，可适当延后至每10天取一次样；灌浆之后改为10天取气一次，采气时间固定在当天上午的9:00-11:30。每次采集气体前，将顶箱扣在底座上方，向静态采气箱的底座的凹槽内注水直至水面与凹槽外边缘平齐，从而利用水密封以避免顶箱和底座的接触面漏气。在密封后的第0、10、20 和 30 min的时间点用抽气泵抽取顶箱内的气体，同时顶箱内风扇开启便于完全混匀气体，抽出300 ml保存于真空采样袋后迅速带回实验室分析。气体采集周期为一周年。于水稻收获期对整个小区籽粒产量进行实打实收，晒干后，测定产量。
使用安捷伦气相色谱仪（Agilent 7890B）检测所采集的气体样品中的CH4和N2O浓度。经公式2计算不同处理之后在不同时间下所释放出的气体中的CH4和N2O的排放通量。经公式3计算不同处理在一周年内CH4或N2O的累计排放量，结果见表5。
公式2：
其中，F为CH4或N2O排放通量（单位：mg m-2h-1）；ρ为CH4或N2O在标准状态下的密度（单位：mg cm-3）；V为静态采气箱顶箱的体积（单位：m3）；A为静态采气箱顶箱的底面积（单位：m2）；Δc/Δt表示CH4或N2O的浓度变化速率（单位：ppm h-1）；T为采样过程中采样箱内空气的平均温度（单位：°C）。
公式3：
其中，E为第t天时CH4或N2O累计排放量（单位：mg m-2 ），Ft´和Ft分别为第t´天和第t天时CH4或N2O的排放通量（单位：mg m-2 h-1），t和t´分别为相邻两次气体采集的天数（单位：d），t-t´代表相邻两次取样时间的时间间隔，i为第i次取样，n为总取样次数。
稻谷生产周年碳足迹计算
表4为水稻生产过程中农资投入的碳足迹转换系数。
以下基于国际标准化组织制定的产品碳足迹技术规范计算水稻种植过程中生产的碳足迹，通过以下公式计算：
公式4：CFy=CFa/Y
公式5：CFa=Einput+ECH4×25+ EN2O×298-ΔSCS
公式6：
公式7：△SCS=（SCS1- SCSb）/n
公式8：SCS=SOC×BD×H×100
其中，
CFy为水稻的单位产量碳足迹（kg CO2-eq kg-1）；
CFa为水稻的单位面积碳足迹（kg CO2-eq ha-1）；
Y代表水稻周年产量（kg ha-1）。
Einput为水稻种植过程中由农资投入造成的单位面积间接温室气体排放总量（kgCO2-eq ha-1），包括肥料、农药、种子、农用薄膜、电力以及柴油等；
ECH4和EN2O分别为单位面积CH4和N2O直接累积排放量（kg ha-1），25和298是在100年时间尺度上，单位质量CH4和N2O的全球增温潜势系数；
ΔSCS为0至20 cm耕层土壤有机碳年变化值量（kg CO2-eq ha-1yr-1），值为正，则体现为固碳，为负，则说明有机碳库有所损失；
Qi为第i种农资投入量（kg ha-1）；
εi为第i种农资单位温室气体排放系数（kg CO2-eq kg-1），其对应温室气体排放系数，见表3；
SCSl为试验结束0至20 cm耕层土壤碳储量（kg CO2-eq ha-1）；
SCSb为试验开始0至20 cm耕层土壤碳储量（kg CO2-eq ha-1）；
n为试验年限；
SCS为0至20 cm耕层土壤碳储量（kg CO2-eq ha-1）；
SOC为土壤有机碳含量（g kg-1）；
BD为土壤容重（g cm-3）；
H为土层深度（20 cm）；
100为转化系数。
表3
表4
表5
注：同行数据后不同小写字母表示经Duncan氏新复极差法检验在P<0.05水平上差异显著。
根据表3可知，与CK和ET相比，F40+GM和F40+GM+ET增加了绿肥种子、绿肥播种与管理（开沟）农资投入，但降低了化学氮肥的投入。根据表5的结果可知，与CK相比，ET显著降低了稻田CH4的排放，对水稻产量无影响，并且稻谷单位产量碳足迹显著降低，水稻生产碳足迹由碳源变成碳汇，说明在大田中使用乙烯可以显著降低CH4的排放，并使碳足迹由碳源变成碳汇；F40+GM较CK，虽然增加了土壤碳固持，但同时产生了大量CH4排放，因而导致了稻谷单位产量的碳足迹显著提高；F40+GM+ET与F40+GM相比，土壤碳固相当，在稻谷单位产量碳足迹方面较CK及ET均出现了显著降低，分别降低了233.33%[(-0.32-0.24)/0.24×100%]和18.52%，特别值得一提的是，绿肥与乙烯组合使用，不但抵消了F40+GM处理稻谷单位产量的碳足迹的提高，而且还降到了与ET处理稻谷单位产量碳足迹形成显著差异的更低的水平，说明绿肥与乙烯组合使用产生了协同增效的作用。
可见，湖北稻区种植利用紫云英作为绿肥、配施甲烷减排材料乙烯以及减施化肥，可实现稻田土壤在不增加CH4排放的前提下土壤大幅固碳，进而达到生产稻谷的碳足迹显著降低的目的。
实施例4
大田碳足迹试验2
丝光沸石分子筛的规格为比表面积>280 m2g-1、晶粒尺寸0.1至0.2 μm。
将丝光沸石分子筛在400℃下焙烧4 h，冷却到自然环境温度后，将其置于乙烯氛围下静止5天，获得装载乙烯的量为2 mol kg-1的吸附乙烯的丝光沸石。
水稻品种为晶两优华占。
大田试验2在江西省农业科学院高安科研基地展开，将田块以30 m2（5 m×6 m）划分为一个小区，共划分为12个小区，每个小区为一个重复，每处理重复3次，不同处理和重复完全随机排列。
处理CK：
2021年10月10日，收获水稻，稻秸原位覆盖还田；
2022年4月15日，划分试验小区，各小区面积为5 m×6 m，小区间修筑田埂和覆农用薄膜隔开防止串水串肥；
2022年4月16日，翻耕松土；
2022年5月30日，淹水1至2 cm；
2022年6月7日，施基肥，其中，氮肥和钾肥中的50%作基肥施入，50%作追肥在后续移栽水稻后的分蘖期施入；
2022年6月9日，划行移栽水稻，栽插密度为行株距16 cm×26 cm，每穴（丛）2株；
2022年9月15日，收获水稻。
其中，水稻全生育期的化肥用量均为N 210.0 kg ha-1、P2O575.0 kg ha-1、K2O120.0 kg ha-1，氮肥、磷肥及钾肥分具体施用尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）。
处理ET：
2021年10月10日，收获水稻，稻秸原位覆盖还田；
2022年4月15日，划分试验小区，各小区面积为5 m×6 m，小区间修筑田埂和覆农用薄膜隔开防止串水串肥；
2022年4月16日，翻耕松土，向稻田中施用装载乙烯的量为2 mol kg-1的吸附乙烯的丝光沸石，使吸附乙烯的丝光沸石的施用量为375 kg ha-1，乙烯的施用量为750 mol ha-1；
2022年5月30日，淹水1至2 cm；
2022年6月7日，施基肥，其中，氮肥和钾肥中的50%作基肥施入，50% 作追肥在后续移栽水稻后的分蘖期施入；
2022年6月9日，划行移栽水稻，栽插密度为行株距16 cm×26 cm，每穴（丛）2株；
2022年9月15日，收获水稻。
其中，水稻全生育期的化肥用量为N 210.0 kg ha-1、P2O575.0 kg ha-1、K2O 120.0kg ha-1，氮肥、磷肥及钾肥分具体施用尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）。
处理F40+GM：
水稻收获前15天（2021年9月25日）稻底套播绿肥紫云英，播种量为22.5 kg ha-1，整个绿肥生育期（即播种后至盛花期）内不使用任何肥料和除草剂；
2021年10月10日，收获水稻，稻秸原位覆盖还田。随后环田开一圈围沟，田内每隔5至10米开田内沟，并使田内沟与围沟连通，在围沟的一处设置排水口，便于雨水及时排出，如图1所示。其中，围沟和田内沟的沟宽和沟深分别为20 cm；
2022年4月15日，划分试验小区，各小区面积为5 m×6 m，小区间修筑田埂和覆农用薄膜隔开防止串水串肥；
2022年4月16日，绿肥灭茬、粉碎至5至10 cm段，翻压还田；
2022年5月30日，淹水1至2 cm；
2022年6月7日，施基肥，其中，氮肥和钾肥中的50%作基肥施入，50% 作追肥在后续移栽水稻后的分蘖期施入；
2022年6月9日，划行移栽水稻，栽插密度为行株距16 cm×26 cm，每穴（丛）2株；
2022年9月6日，再次套播种植紫云英，重复以上步骤。其中，2022年9月15日，收获水稻。
其中，水稻全生育期的化肥用量为N 126.0 kg ha-1，P2O575.0 kg ha-1和K2O120.0 kg ha-1，氮肥、磷肥及钾肥分别具体使用尿素（含 N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）。
处理F40+GM+ET：
水稻收获前15天（2021年9月25日）稻底套播绿肥紫云英，播种量为22.5 kg ha-1，整个绿肥生育期（即播种后至盛花期）内不使用任何肥料和除草剂；
2021年10月10日，收获水稻，稻秸原位覆盖还田。随后环田开一圈围沟，田内每隔5至10米开田内沟，并使田内沟与围沟连通，在围沟的一处设置排水口，便于雨水及时排出，如图1所示。其中，围沟和田内沟的沟宽和沟深分别为20 cm；
2022年4月15日，划分试验小区，各小区面积为5 m×6 m，小区间修筑田埂和覆农用薄膜隔开防止串水串肥；
2022年4月16日，绿肥灭茬、粉碎至5至10 cm段，翻压还田，向稻田中施用装载乙烯的量为2 mol kg-1的吸附乙烯的丝光沸石，使吸附乙烯的丝光沸石的施用量为375 kg ha-1乙烯的施用量为750 mol ha-1；
2022年5月30日，淹水1至2 cm；
2022年6月7日，施基肥，其中，氮肥和钾肥中的50%作基肥施入，50%作追肥在后续移栽水稻后的分蘖期施入；
2022年6月9日，划行移栽水稻，栽插密度为行株距16 cm×26 cm，每穴（丛）2株；
2022年9月6日，再次套播种植紫云英，重复以上步骤。其中，2022年9月15日，收获水稻。
其中，水稻全生育期的化肥用量为N 126.0 kg ha-1，P2O575.0 kg ha-1和K2O120.0 kg ha-1，氮肥、磷肥及钾肥分别具体使用尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）。
以上四个处理的其他田间管理措施与当地大田生产一致，各处理投入量具体见表6。
样品采集与分析同实施例3，结果见表7。
表6
表7
注：同行数据后不同小写字母表示经Duncan氏新复极差法检验在P<0.05水平上差异显著。
根据表6可知，与CK和ET相比，F40+GM和F40+GM+ET增加了绿肥种子、绿肥播种与管理（开沟）农资投入，但降低了化学氮肥的投入。根据表7的结果可知，与CK相比，ET降低了稻田CH4的排放，对水稻产量无影响，降低了稻谷单位产量的碳足迹，水稻生产碳足迹由碳源变成碳汇，说明在大田中使用乙烯可以显著降低CH4的排放，并使碳足迹由碳源变成碳汇；F40+GM较CK，虽然增加了土壤碳固持，但同时产生了大量CH4排放，因而导致了稻谷单位产量的碳足迹显著提高；F40+GM+ET与F40+GM相比，土壤碳固相当，在稻谷单位产量碳足迹方面较CK及ET显著降低，分别降低了0.28 kg CO2-eq kg-1和0.13 kg CO2-eq kg-1，特别值得一提的是，绿肥与乙烯组合使用，不但抵消了F40+GM处理稻谷单位产量的碳足迹的提高，而且还降到了与ET处理稻谷单位产量碳足迹形成显著差异的更低的水平，说明绿肥与乙烯组合使用产生了协同增效的作用。
可见，江西稻区种植利用紫云英作为绿肥、配施甲烷减排材料乙烯以及减施化肥，可实现稻田土壤在不增加CH4排放的前提下土壤大幅固碳，进而达到生产稻谷的碳足迹显著降低的目的。
Claims (7)
1.一种降低碳足迹的水稻生产方法，其包括如下步骤：
1)在水稻收获前套播绿肥作物，所述绿肥作物为紫云英(Astragalus sinicus L.)；
2)在水稻插秧前，将绿肥作物灭茬、粉碎、翻压还田，向稻田土壤中施用乙烯或乙烯被吸附于多孔载体中得到乙烯复合材料，所述乙烯的施用量为750mol ha-1至3000mol ha-1；
3)淹水；
4)移栽水稻，对稻田进行第一管理使水稻生长至收获；
5)对于一季稻，在水稻收获前再次套播绿肥作物，重复步骤2)至4)；
对于双季稻，收获早稻后，整地，移栽晚稻，对稻田进行第二管理使晚稻生长至收获；在晚稻收获前再次套播绿肥作物，重复步骤2)至4)；
在步骤1)和步骤5)中，所述绿肥作物的播种量独立地为22.5kg ha-1至30.0kg ha-1；
所述第一管理包括第一施肥；所述第二管理包括第二施肥；其中，所述第一施肥和所述第二施肥中施用的氮肥量独立地较绿肥还田前减少40％。
2.根据权利要求1所述的水稻生产方法，其特征在于，所述多孔载体为沸石。
3.根据权利要求1所述的水稻生产方法，其特征在于，在步骤1)和步骤5)中，在水稻收获前10至15d套播所述绿肥作物。
4.根据权利要求1所述的水稻生产方法，其特征在于，在步骤1)和步骤2)之间，还包括步骤1-2)在收获水稻后，随后环田开一圈围沟，田内开田内沟，并使田内沟与围沟连通，在围沟的一处设置排水口。
5.根据权利要求4所述的水稻生产方法，其特征在于，所述围沟和田内沟的沟宽独立地为15至25cm；和/或
所述围沟和田内沟的沟深独立地为15至25cm；和/或
在田内每隔5至10米开所述田内沟；和/或
在所述围沟的至少一处设置排水口。
6.根据权利要求4所述的水稻生产方法，其特征在于，在步骤1-2)中，在绿肥作物盛花期时，清除所述围沟和所述田内沟中的淤土；
在步骤1)和步骤1-2)之间，还包括步骤1-1-2)，在绿肥作物盛花期时，排出田面渍水，维持田面干爽状态；
在步骤2)和步骤3)之间还包括步骤2-3)，晾垡5至15天时淹水。
7.根据权利要求1所述的水稻生产方法，其特征在于，在步骤1)中，在收获水稻后，将稻秸原位覆盖还田；和/或
在步骤2)中，将所述绿肥作物粉碎至5至10cm；和/或
在步骤3)中，淹水至使水层至1至2cm。
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| CN202310871103.4A CN116584328B (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 乙烯在降低水稻生产中碳足迹的应用与方法 |
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| AU2020103380A4 (en) * | 2020-11-11 | 2021-01-28 | Sichuan Agricultural University | Combined reagent and application method for reducing methane emission in rice field |
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-
2023
- 2023-07-17 CN CN202310871103.4A patent/CN116584328B/zh active Active
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| A new approach to suppress methane emissions from rice cropping systems using ethephon;Song Rae Cho;Science of The Total Environment;第804卷;1-10 * |
| Song Rae Cho .A new approach to suppress methane emissions from rice cropping systems using ethephon.Science of The Total Environment.2022,第804卷1-10. * |
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| 稻田甲烷排放的研究进展;曹云英;安徽农业科学(06);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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