中国稻田生态系统固碳效应模拟研究
研究稻田生态系统固碳量的动态变化，为制定与推广耕地固碳减排措施提供依据。
基于3年稻田受控试验数据，校验生物地球化学脱氮—分解作用 (denitrification-decomposition，DNDC)模型，并估算2018—2020年间中国稻田生态系统的固碳量；分析稻田生态系统土壤及作物固碳量的时空分布，评估农田生态系统在实现“碳中和”中的贡献。
DNDC模型模拟的水稻产量及土壤有机碳含量与田间观测结果一致性较高(相关系数均大于等于0.77，平均绝对误差和归一化均方根误差均小于13%)；2018—2020年中国水稻固碳总量为523.29 Tg，作物对总固碳量的贡献率达97%以上。江西、湖南、广东和广西的双季稻固碳能力较强，而云南、浙江和海南的相对较弱。单季稻固碳量分布呈现北高南低的空间分布特征，其中黑龙江、江苏和湖北的固碳量较高。湖南、福建、江西和广西的双季稻固碳量大于单季稻，双季稻固碳量占总固碳量的60%以上。
DNDC模型可用于模拟稻田生态系统的碳收支，中国稻田生态系统是重要的碳汇，且呈现出较强的空间异质性。
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关键词:
- 固碳量 /
- 脱氮—分解(DNDC)模型 /
- 稻田生态系统 /
- 土壤有机碳
Study of Carbon Sequestration Effect of Paddy Ecosystem in China
To study the dynamics of carbon sequestration in the paddy ecosystem, providing a basis for formulating and promoting measures of carbon sequestration and emission reduction in cultivated land.
Based on the data of three-year controlled experiments in paddy fields, the denitrification-decomposition (DNDC) model were verified. The carbon sequestration in paddy ecosystems of China during 2018 to 2020 was estimated by DNDC; the spatial and temporal distributions of soil and crop carbon sequestration in paddy ecosystem of China were analysed; the contribution of farmland ecosystems to achieve carbon neutrality was evaluated.
The rice yield and soil organic carbon content simulated by DNDC model were in good agreement with the field observations (correlation coefficients were higher than or equal to 0.77, mean absolute error and normalized root mean square error were lower than 13%). The total carbon sequestration of rice paddy in China was 523.29 Tg from 2018 to 2020, and the crop contributed more than 97% of the total carbon sequestration. The regions with higher carbon sequestration for double cropping rice were Jiangxi, Hunan, Guangdong and Guangxi, while the regions with lower carbon sequestration for double cropping rice were Yunnan, Zhejiang and Hainan. The carbon sequestration of single cropping rice was lower in the south and higher in the north, with higher carbon sequestration in Heilongjiang, Jiangsu and Hubei. The carbon sequestration of double cropping rice in Hunan, Fujian, Jiangxi and Guangxi was higher than that of single cropping rice, and the carbon sequestration of double cropping rice accounted for more than 60% of the total carbon sequestration.
The DNDC model can be used to simulate carbon budgets in the rice paddy ecosystem. The Chinese paddy fields play an important role in carbon sequestration, with a strong spatial variation.
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油菜是中国主要油料作物，也是一种重要的饲用蛋白源。甘蓝型油菜是常异花授粉植物，主要是通过风媒传粉和虫媒传粉。已有研究发现油菜花蜜量及其化学成分会影响油菜的昆虫访问和传粉，进而影响油菜产量[1-3]。油菜花的蜜腺在泌蜜前期储存大量淀粉，随着蜜腺腺体发育淀粉粒也逐渐增多。在开花释放花粉粒之前，蜜腺中储存的淀粉粒开始分解，直到花粉粒释放之后，蜜腺细胞中的多糖大量分泌，泌蜜盛期与传粉期吻合，有利于传粉和提高结实率[4-7]。有研究表明：不同品种的油菜花泌蜜量有差异，同时泌蜜量也受栽培管理措施、土壤条件、气候条件和病害等影响[8-9]。植物花蜜一般含有糖类、黄酮、蛋白质和脂类等物质，但其含量在不同植物品种间存在差异，特别是糖的种类和含量差异最为明显[10-12]。油菜生产上品种类型较多，且不同品种间产量差异较大。目前，有关油菜花蜜的化学成分及含量研究鲜见报道。笔者以5个常规甘蓝型油菜品种为供试材料，对油菜单花泌蜜量、蜜腺面积、花蜜化学成分及其含量进行研究，旨在为研究通过昆虫传粉提高油菜产量以及油菜花蜜腺遗传改良提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 供试材料
5个供试甘蓝型油菜品种分别为滇早油16、滇油1号、花油8号、ZY511和黄矮早，种子由云南农业大学油菜研究室提供。
1.2 试验方法
1.2.1 材料种植
2017年10月中旬，将油菜种子播种于云南农业大学后山农场同一地块，按常规方法进行油菜栽培管理。
1.2.2 花蜜收集
对将要开放的花朵进行标记，在整株花朵开花后第3天上午12：00左右采摘花朵放入自封袋中带回实验室，每个品种采集100朵花。采用离心法收集花蜜：先用消毒镊子、剪刀去除花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊，保留花托和蜜腺，并防止花蜜损失，然后放入已剪好的并在底端扎满小眼的一次性手套的手指袋中，每10朵花放入1个手指袋，再放入10 mL的离心管。4 ℃、1 000 r/min离心5 min。将收集的花蜜转移到2 mL离心管中，定量，4 ℃保存。
1.2.3 油菜花蜜腺面积的测定
将开花后第3天的油菜花朵去除花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊，保留花托和蜜腺，然后平置于显微镜下，使蜜腺一面朝上，分别测定每朵花4个蜜腺的长轴和短轴的长度。油菜花的蜜腺呈椭圆状，因此每个蜜腺的表面积按椭圆形面积公式计算，4个蜜腺面积之和为每朵花的总蜜腺面积。每个品种取10朵花单花蜜腺面积的平均值。
1.2.4 油菜花蜜中糖含量的测定
采用蒽酮比色法[13]测定油菜花蜜的总糖含量；采用高效液相色谱法[14]测定油菜花蜜的葡萄糖、果糖、蔗糖和海藻糖的含量。高效液相色谱仪为美国Waters 510型，色谱柱为Kro-masilNH2(250 mm×4.6 mm)，流动相为纯水，流速0.6 mL/min，柱温80 ℃，进样量10 μL。
1.2.5 油菜花蜜中类黄酮含量的测定
采用分光光度法[15]测定油菜花蜜的类黄酮含量。
1.2.6 油菜花蜜中蛋白质和氨基酸含量测定
采用BCA蛋白定量法[16]测定油菜花蜜中蛋白质含量；采用酸水解—全自动氨基酸分析仪法测定油菜花蜜中游离氨基酸含量[17]。
1.3 数据分析
采用SPSS22.0软件进行ANOVA统计分析，Duncan’s法检验品种间差异的显著性(P<0.05)，并对不同油菜品种单花蜜量与单花蜜腺面积进行相关性分析(P<0.01)。
2. 结果与分析
2.1 不同油菜品种单花蜜量与蜜腺面积及其相关性
不同油菜品种单花泌蜜量差异显著(图1)。在供试的5个品种中，滇油1号单花泌蜜量最高，单花开花后第3天的泌蜜量为1.005 μL，其次从高到低依次为滇早油16、黄矮早、花油8号和ZY511，单花泌蜜量分别为0.833、0.736、0.725和0.717 μL。不同油菜品种的单花蜜腺面积也存在显著差异(图1)。滇油1号单花蜜腺面积最大，达0.525 cm2，其次从高到低依次为滇早油16、黄矮早、花油8号和ZY511，单花蜜腺面积分别为0.443、0.391、0.375和0.327 cm2。同时，对不同油菜品种的单花泌蜜量与单花蜜腺面积进行相关性分析表明：5个油菜品种单花泌蜜量与单花蜜腺面积呈极显著正相关(P<0.01)，其相关性系数达0.956。
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图 1 不同油菜品种单花蜜量与单花蜜腺面积注：不同字母表示不同品种间差异显著 (P<0.05)；下同。Figure 1. The single nectar yield and single nectary area from different rapeseed cultivarsNote: Different letters indicate significant difference among cultivars (P<0.05); the same as below.2.2 不同油菜品种花蜜中不同糖类含量分析
对油菜花蜜中可溶性总糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、海藻糖和麦芽糖进行测定，除麦芽糖未检测出，其他糖类均已检测到(表1)。供试油菜品种中花蜜中可溶性总糖含量品种间差异显著，滇油1号总糖含量最高，达374.5 mg/mL，其他品种花蜜中可溶性总糖含量比滇油1号低50%以上，黄矮早总糖含量最低，为109.6 mg/mL。不同油菜品种花蜜中葡萄糖和果糖含量较高，均达49 mg/mL以上，且滇油1号的葡萄糖、果糖含量均显著高于其他品种，分别为177.1、194.4 mg/mL。不同油菜品种花蜜中蔗糖和海藻糖含量较低，均小于1 mg/mL，其中滇早油16和滇油1号花蜜中蔗糖、海藻糖含量显著高于其他品种。
表 1 不同油菜品种花蜜中不同糖类含量Table 1. Different sugar content in nectar from different rapeseed cultivars品种cultivars 总糖total sugar 蔗糖sucrose 葡萄糖glucose 果糖fructose 海藻糖trehalose 滇早油16 DZY16 131.6±0.9 b 0.57±0.03 a 55.5±0.2 b 72.0±0.9 b 0.62±0.01 a 滇油1号 DY1 374.5±0.9 a 0.47±0.05 b 177.1±0.4 a 194.4±0.7 a 0.65±0.01 a 花油8号 HY8 122.7±0.8 c 0.05±0.05 c 49.6±0.5 d 72.3±0.9 b 0.32±0.02 c ZY511 115.4±0.6 d 0.03±0.02 c 51.2±0.4 c 61.6±0.4 c 0.48±0.03 b 黄矮早 HAZ 109.6±0.7 e 0.13±0.03 c 51.4±0.6 c 56.8±0.4 d 0.35±0.03 c 注：同列数字后不同字母表示不同品种间差异显著 (P<0.05)。
Note: Values followed by different letters indicate significant difference among cultivars (P<0.05).2.3 不同油菜品种花蜜中类黄酮含量分析
花蜜中类黄酮在植物抵御外源生物入侵、传递发育信号、抗氧化性和防紫外辐射等方面起重要作用[18]。不同油菜品种花蜜中类黄酮含量较低，5个品种的类黄酮含量均小于0.2 mg/mL。不同油菜品种间类黄酮含量差异显著(图2)。滇早油16的类黄酮含量显著高于其他品种，达0.165 mg/mL；其次是花油8号和ZY511，分别为0.142和0.114 mg/mL；滇油1号和黄矮早类黄酮含量最低，分别为0.096和0.091 mg/mL，且2个品种间类黄酮含量差异不显著。
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图 2 不同油菜品种花蜜中类黄酮含量Figure 2. The flavonoids content in nectar from different rapeseed cultivars2.4 不同油菜品种花蜜中蛋白质含量分析
对不同油菜品种花蜜中蛋白质和游离氨基酸含量进行检测，花蜜中游离氨基酸均未检测到。油菜花蜜富含蛋白质，测试5个品种花蜜中蛋白质含量均大于100 mg/mL，但不同油菜品种间花蜜中蛋白含量存在显著差异(图3)。蛋白质含量最高的是滇油1号，达289.1 mg/mL；其次是ZY511，达238.1 mg/mL；花油8号、滇早油16和黄矮早花蜜中蛋白含量分别为127.4、122.8和109.4 mg/mL。
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图 3 不同油菜品种花蜜中蛋白质含量Figure 3. The protein content in nectar from different rapeseed cultivars3. 讨论
花蜜的化学成分及其传粉功能是如今植物生殖生物学研究中最为重要的领域之一。已有研究表明：不同植物花蜜的化学成分及其含量对虫媒传粉的影响较大[19]。蜜蜂采集含有相同比例的葡萄糖、果糖和蔗糖的草木犀花蜜比采集含有蔗糖较多的苜蓿、杂三叶草或红三叶草的花蜜更积极[19]。不同昆虫对花蜜中氨基酸的需求不一样，氨基酸的种类及含量也会影响昆虫的访花授粉，从而影响产量。BERTAZZINI等[20]通过选择饲喂试验发现：当同时提供2种富含不同氨基酸的花蜜时(脯氨酸、丙氨酸、丝氨酸)，蜜蜂更喜欢脯氨酸，其次为丙氨酸，而丝氨酸对蜜蜂具有一定的驱避性。不同品种的油菜花泌蜜量不同，并受环境因素的影响。对云南5个品种的油菜花泌蜜量研究发现：不同品种的油菜花泌蜜量、花蜜总糖量和总糖质量浓度也不一样，并且5个品种的花蜜总糖质量浓度均随温度升高而升高、随湿度增加而小幅降低，温度22 ℃左右、湿度65%左右时油菜花蜜总糖质量浓度最高[21]。本研究与上述研究具有一定的相似性，本研究发现：不同品种的油菜花蜜腺大小不同，泌蜜量也不一样，油菜花的泌蜜量与其蜜腺大小呈显著正相关；不同油菜品种的花蜜化学组成基本一致，富含蛋白质和可溶性糖，微含类黄酮，没有检测出游离氨基酸和脂肪酸；不同油菜品种花蜜中可溶性总糖含量、蛋白质含量均呈显著性差异，并且可溶性总糖主要为葡萄糖和果糖，这可能是油菜在起源进化过程中产生的，为吸引蜜蜂访花传粉，使其成为常异花授粉植物。已有文章报道，有昆虫访花授粉的油菜会比封闭条件下的油菜产量高出13.7%~20.4%[22]。不同品种的油菜花泌蜜量及其各化学成分的含量不同，从而影响蜜蜂访花传粉，并导致不同油菜品种产量产生差异。因此，在油菜育种中可考虑选育吸引昆虫访花授粉的品种来提高油菜产量，本研究结果为油菜新品种选育和增产提供新的评价指标。
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图 1 气象站点、试验点、水稻种植区和验证点位置图
注：基于自然资源部标准地图服务系统网站下载的GS(2020)4619号标准地图制作，底图边界无修改；下同。
Figure 1. Location map of meteorological stations, experimental sites, rice area and verification site
Note: Based on the standard map of GS(2020)4619 downloaded from the website of the standard map service system of the Ministry of Natural Resources, the boundary of the base map is not modified; the same as below.
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图 2 区域尺度DNDC模型模拟结果验证
Figure 2. Accuracy assessment of the simulation results by DNDC model on regional scale
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图 3 中国双季稻生态系统固碳量空间分布
Figure 3. Spatial distribution of carbon sequestration in double cropping rice in China
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图 4 中国单季稻生态系统固碳量空间分布
Figure 4. Spatial distribution of carbon sequestration in single cropping rice
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图 5 中国稻田固碳总量的空间分布
Figure 5. Spatial distribution of total carbon sequestration in paddy fields in China
表 1 水稻田受控试验设计
Table 1 Design of controlled experiments in paddy fields
移栽日期 (yyyy-mm-dd)
transplanting date收获日期 (yyyy-mm-dd)
harvest date生长时间/d
growth time2015-07-01 2015-11-12 135 2016-06-30 2016-11-07 131 2017-06-20 2017-11-11 150 
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