膜下滴灌水稻栽培技術(shù)對降低甲烷氣體排放以及化肥、農(nóng)藥施用污染的探討

郭慶人

(新疆天業(yè)(集團)有限公司，新疆石河子832000)

中國是世界最大的水稻生產(chǎn)國和消費國，我國水稻種植面積達5億畝，占世界水稻種植面積的23%，產(chǎn)量占全球水稻總產(chǎn)量的38%。國際水稻研究所(IRRI)Latin報道，甲烷在大氣中的濃度遠(yuǎn)小于二氧化碳，但是其致暖效應(yīng)比二氧化碳大30倍，每年它向大氣的釋放量為5億噸，其中20%來自稻田［1］。20世紀(jì)80年代末，國外學(xué)者以極其有限的實驗室數(shù)據(jù)推斷中國水稻田甲烷年排放量為0.30億噸，占世界稻田年排放總量的27%，這一缺乏科學(xué)根據(jù)的數(shù)值給我國環(huán)境外交帶來不可估量的負(fù)面影響。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，2010年我國化肥和農(nóng)藥的消費已占世界總量的31%，遠(yuǎn)高于谷物生產(chǎn)量占世界谷物總產(chǎn)量的份額(19.1%)，是世界上化肥、農(nóng)藥第一大消費國，同時也是化肥、農(nóng)藥第一污染大國［2］。目前，我國水稻生產(chǎn)中存在肥料用量大、施肥方法不合理、施肥技術(shù)落后，農(nóng)藥施用量大、高殘留比例大，大量化肥及農(nóng)藥在稻田施用造成了肥料徑流污染、地下水源污染和甲烷等溫室氣體排放［3，4］。世界各國在水稻種植上減少化肥、農(nóng)藥污染方面做了大量工作，通過研究認(rèn)為水稻旱作能有效地減少肥料徑流污染和地下水源污染，但產(chǎn)量較低是限制其推廣的一個瓶頸［5］。新疆天業(yè)(集團)有限公司經(jīng)過8年試驗，研究出膜下滴灌水稻栽培的新方法，已獲國家發(fā)明專利，改變了“水稻水作”的傳統(tǒng)種植方式，實現(xiàn)了水稻全生育期田間無水層。2009年膜下滴灌水稻栽培開始大田示范，2011年示范面積60 hm2，膜下滴灌水稻種植比新疆傳統(tǒng)水稻種植節(jié)水60.7%、節(jié)肥10.4%，有利于減少甲烷溫室氣體的排放，減少化肥和農(nóng)藥對環(huán)境的污染，是一種高產(chǎn)兼生態(tài)環(huán)境友好的栽培方法。

1 傳統(tǒng)水稻甲烷氣體排放以及化肥、農(nóng)藥污染狀況

1.1 稻田甲烷氣體排放研究狀況

稻田甲烷的傳輸主要有3個途徑，即植物體的通氣組織、水層冒泡和水體液體的擴散，它主要受植株生長狀態(tài)、氣溫和水田的持水時間等因子的影響［6］。通過根系吸收由植株釋放到大氣中的甲烷占稻田總釋放量的80%左右［7］。而曹云英等研究表明，水稻根系長期在水層厭氧條件下會主動吸收甲烷，然后通過地上部分的莖、葉和穗等器官的氣孔排放到空氣中，這種方式排放的甲烷總量占3個途徑的 55%左右［8］。

稻田土壤的質(zhì)地是影響甲烷排放的一個基本因素。Sass等認(rèn)為土壤質(zhì)地越粘向大氣中排放的甲烷量越高，建立水層的淤泥種水稻是導(dǎo)致甲烷大量排放的重要因素［9］。國際水稻研究所認(rèn)為，當(dāng)?shù)咎锿寥姥退?，理化性狀發(fā)生重大變化，氧化還原電位(EH值)急劇下降，當(dāng)EH值低于－150 mV時，稻田將會產(chǎn)生大量甲烷氣體［10］。

水稻田的水肥管理同樣也影響著甲烷的釋放。前人研究指出，在水稻生長季甲烷釋放量有三個高峰期:(1)分蘗期，有機物的分解產(chǎn)生是主導(dǎo)因素;(2)幼穗分化至孕穗期，可能與氣體輸送的效率、根部系統(tǒng)的迅速發(fā)展以及根部的滲出物及根部的落葉有關(guān);(3)灌漿成熟期，可能與根部有機物的腐爛有關(guān)［11，12］。Schatz研究結(jié)果表明，如果將 200 kg/hm2尿素深施到20 cm的土層，甲烷釋放量甚至?xí)p少;如果在空白區(qū)的表層施200 kg/hm2尿素，可以觀測到甲烷釋放量的大幅度增加［13］。

此外，王增遠(yuǎn)等指出，單位產(chǎn)量稻谷所排放甲烷總量，水田是旱田的2.6倍［14］。水稻分蘗末期的擱田以及灌漿成熟期的干濕交替乃至脫水，是我國傳統(tǒng)水稻普遍采用的一種高產(chǎn)栽培措施，它可以抑制稻田甲烷的產(chǎn)生和釋放，降低其釋放速率。

1.2 稻田化肥污染研究狀況

長期以來，人們習(xí)慣于大量施用氮、磷、鉀等化學(xué)肥料以獲取作物高產(chǎn)，在水稻上的施用尤為顯著。由于淹灌水田化肥利用率較低，未被水稻吸收利用的大量化肥沉積在土壤中，給環(huán)境造成很大污染［15］。研究表明，過量施入稻田的氮、磷、鉀等化學(xué)元素造成的污染主要有2個方面。(1)在稻田水層的長期壓力下，污染源會被壓入地下水層，進而污染地下水源。(2)氮、磷、鉀等化學(xué)元素通過降雨造成地表徑流和排水降漬的地下暗管流途徑流入江河水體，從而造成水體的富營養(yǎng)化污染［16］。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國水稻種植氮、磷流失幾乎占到了整個水稻生育期施肥的50% ～60%，給環(huán)境造成了巨大的危害［17］。

1.3 稻田農(nóng)藥污染研究狀況

為了防治稻瘟病、紋枯病等水稻常發(fā)病害，人們常通過葉片噴施和向水層撒施粉劑的方法控制病害。然而長期的農(nóng)藥施用會造成稻田水層的污染，排放后會通過地表徑流污染到江河水源，而被水層壓下去則會污染地下水源，還會被植株富集到水稻籽粒中［18］。此外，葉片噴施農(nóng)藥過程中會向大氣釋放大量的氣溶膠，造成近地面空氣的重度污染［19］。據(jù)報道，我國每年大約有50%的稻田被農(nóng)藥重度污染，約30%的被中度污染，20%的屬于輕度污染［20］。

2 膜下滴灌水稻栽培技術(shù)降低甲烷氣體排放以及化肥、農(nóng)藥污染的分析

2.1 膜下滴灌水稻減少甲烷氣體排放量分析

膜下滴灌水稻栽培技術(shù)全生育期無水層，通過滴灌這種方式對水、肥等進行精確調(diào)控，使水稻處于最適宜的土壤環(huán)境和生長環(huán)境。膜下滴灌水稻栽培減少甲烷氣體排放主要在3個方面。(1)膜下滴灌水稻栽培無水層存在將不會形成厭氧環(huán)境，使甲烷細(xì)菌沒有滋生的環(huán)境，減少了水稻植株從土壤中吸收甲烷，同時也減少了水層冒泡和水體液體排放甲烷氣體。通過本單位長期測定，膜下滴灌水稻與常規(guī)水稻栽培相比可減少甲烷氣體排放70.6%。(2)膜下滴灌水稻栽培改變了土壤的質(zhì)地，通氣性好，其氧化還原電位(EH值)長期處于高位水平，很難產(chǎn)生甲烷氣體。(3)膜下滴灌水稻栽培生育期需水、需肥量可控可調(diào)，能有效地在甲烷排放高峰期進行水肥調(diào)控，減少水肥投入20.5%左右，進而有效的減少甲烷排放量。

2.2 膜下滴灌水稻降低化肥污染分析

膜下滴灌水稻栽培徹底改變了稻田土壤長期淹水狀態(tài)，土壤的氧化還原電位和通透性顯著提高，不僅有利于水稻根系生長發(fā)育，還有利于提高好氧微生物的活性，促進土壤有機質(zhì)和氮、磷、鉀等化學(xué)肥料的分解和養(yǎng)分吸收的有效性。膜下滴灌水稻栽培降低化肥污染主要表現(xiàn)在3個方面。(1)通過滴灌隨水施肥，水肥耦合機理提高了肥料利用率10.4%，又可根據(jù)水稻不同生育期的需肥規(guī)律調(diào)整施肥量，從而降低了化肥施用量，這將有利于從源頭上降低化肥污染。(2)膜下滴灌水稻全生育期不建立水層，化肥施入土壤耕作層后被水稻根系吸收，因水層不存在，將不易造成地下水污染。(3)地膜覆蓋使土壤溫濕度適宜，通透性好，土壤微生物增加，活性增強，可加速對有機質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化，從而提高肥料利用率，降低化肥對土壤的污染。

2.3 膜下滴灌水稻降低農(nóng)藥污染分析

膜下滴灌水稻栽培技術(shù)，不僅能較強地抑制雜草和水稻病害的發(fā)生，還有降低農(nóng)藥污染的作用，因為地膜覆蓋后，水稻地上部分失去了高濕這種利于細(xì)菌和真菌生長和傳播的環(huán)境;再加上新疆氣候干燥少雨，抑制了病害的發(fā)生與傳播，農(nóng)藥用量降低。膜下滴灌水稻栽培技術(shù)主要在2個方面減少了農(nóng)藥對環(huán)境的危害。(1)膜下滴灌施藥可以通過滴灌隨水滴施到膜下，多余的農(nóng)藥可被耕作層大量的微生物降解，既減少了農(nóng)藥揮發(fā)污染，也減少了下滲污染地下水源的幾率。通過本單位常年調(diào)查研究，該栽培方法可降低農(nóng)藥殘留55.8%左右。(2)在農(nóng)藥進行植株噴施過程中，多余的農(nóng)藥會被吸附到地膜上(土地80%被地膜覆蓋)，減少農(nóng)藥揮發(fā)所造成的空氣污染。

3 膜下滴灌水稻栽培技術(shù)增產(chǎn)原因及經(jīng)濟效益分析

通過試驗、示范，初步認(rèn)為膜下滴灌水稻增產(chǎn)原因主要有以下幾個方面，增產(chǎn)機理則有待進一步深入研究。(1)膜下滴灌水稻真正實現(xiàn)了澆苗不澆地，加上覆膜，能防止淹灌造成土壤板結(jié)與硬化，創(chuàng)造了有利于水稻生長發(fā)育的土壤環(huán)境。(2)膜下滴灌水稻栽培不起壟，比傳統(tǒng)水稻田增加了土地利用率約10%～15%，可提高產(chǎn)量10%左右。(3)膜下滴灌技術(shù)在水分、養(yǎng)分上可以精確控制用量，可根據(jù)水稻不同生育期的水分、養(yǎng)分需求規(guī)律進行隨時供給，使水稻生長在養(yǎng)分、水分需求上達到最適宜的狀態(tài)，進而提高水稻單產(chǎn)。2011年10月，由新疆兵團科技局組織的專家進行了產(chǎn)量鑒定，1.3 hm2地的平均產(chǎn)量為10 933.5 kg/hm2，高產(chǎn)點為1 2 045 kg/hm2。

通過膜下滴灌水稻技術(shù)的應(yīng)用將產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。(1)提高土地利用率10% ～15%。(2)提高肥料利用率。肥料利用率較常規(guī)灌溉施肥平均提高10%以上，節(jié)肥10%以上。(3)提高機械化程度和人均管理定額。膜下滴灌水稻技術(shù)實現(xiàn)了水稻旱作鋪管、鋪膜、精量播種一體機械作業(yè)有機結(jié)合，有效的減少育秧、插秧、撒肥、藥物防治等多個重要的栽培管理環(huán)節(jié)，田間人均管理能力提高兩倍。(4)節(jié)水增效。節(jié)水60%以上，該技術(shù)每公頃地僅成本就可節(jié)約2 400元。

4 結(jié)論

膜下滴灌水稻栽培技術(shù)是全新嘗試，經(jīng)過天業(yè)集團近年的試驗和示范，逐漸得到專家的認(rèn)可。膜下滴灌水稻栽培技術(shù)可以大幅度地提高水肥利用率，改變傳統(tǒng)水稻田的施肥、施藥方式，顯著減少甲烷氣體排放量、降低肥料和農(nóng)藥對環(huán)境造成的危害。在產(chǎn)量上，膜下滴灌水稻栽培也比傳統(tǒng)水稻栽培具有增產(chǎn)優(yōu)勢，應(yīng)進一步示范推廣。

膜下滴灌水稻栽培技術(shù)有利于減少災(zāi)害性天氣對水稻生產(chǎn)的影響，同時降低水稻生產(chǎn)對水資源的需求，緩解了社會用水矛盾，保障了糧食生產(chǎn)安全，有利于調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)民收入。

［1］王明星，戴愛國，黃 俊.中國甲烷排放量的估算［J］.大氣科學(xué)，1993，17(1):52－64.

［2］吳敬民，許學(xué)前，姚月明.基肥不同施用方法對水稻生長及稻田周圍水體污染的影響［J］.土壤通報，1999，30(5):232－234.

［3］焦少俊，胡夏民，潘根興，等.施肥對太湖地區(qū)青紫泥水稻土稻季農(nóng)田氮磷流失的影響［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2007，26(4):495－500.

［4］International Rice Research Institute.IRRI Toward 2000 and Beyond［R］.Manila:IRRI，1989.

［5］程旺大，趙國平，張國平，等.水稻節(jié)水栽培的生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002，18(1):191－194.

［6］王明星.大氣化學(xué)［M］.北京:氣象出版社，1990.

［7］Holzapfel－Pschorn A，Conrad R，Seiler W.Effect of vegetation the emission of methane from submerged paddy soil［J］.Plant and Soil，1993，92:223 － 233.

［8］曹云英，許錦彪，朱慶森.水稻根系對甲烷傳輸速率的影響［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2003，31(1):90－92.

［9］Sass RL.Methane emission from rice field as influenced by solar radiation，temperature，and straw incorporation［J］.Global Biogeochemical Cycles，1991，(4):335 －350.

［10］Minami K.Effect of agricultural management on methane emission from rice paddies［A］.SCOPE/IGBP Workshop on trace gas exchange in a global Prospective［C］.Sweden:Internet Biosphere － Ceosphere Prog，1990.

［12］International Rice Research Institute.IRRI studies of rice field methane in global climate change［R］.Manila:IRRI，1991.

［13］張自常，孫小淋，陳婷婷，等.覆蓋旱種對水稻產(chǎn)量與品質(zhì)的影響［J］.作物學(xué)報.2010，36(2):285－295.

［14］王增遠(yuǎn)，Wassmann R.稻田CH4排放及控制技術(shù)的研究［J］.作物學(xué)報，2001，27(6):757－768.

［15］高 超，張?zhí)伊?，吳蔚東.不同利用方式下水田土壤對磷吸持與解吸特征［J］.環(huán)境科學(xué)，2001，22(4):67－72.

［16］張大弟，陳佩音，支月娥.上海市郊4種地表徑流及稻田水中的污染物濃度［J］.上海環(huán)境科學(xué)，1997，16(9):4－6.

［17］Hector M，Carlos E，Noemi R.Agricultural wastes［J］.Water Environment Research，1998，70(4):601－620.

［18］蓋顏欣，高立起，崔立紅，等.節(jié)水無公害水稻栽培技術(shù)要點［J］. 北方水稻，2010，40(3):52－57.

［19］姜 勇，梁文舉，聞大中.免耕對農(nóng)田土壤生物學(xué)特性的影響［J］.土壤通報，2004，35(3):347－351.

［20］宋淑然，王衛(wèi)星，洪添勝，等.水稻田農(nóng)藥噴霧上層植株霧滴截留影響的實驗研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(6):114－117.