覆膜滴灌條件下稻田CH4排放研究

張于　黃凱　李曉　方秀琴　都興林（吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，長春3006；吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，吉林公主嶺3600；通訊作者：xldu@jlu.edu.cn）

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覆膜滴灌條件下稻田CH4排放研究

張于1黃凱1李曉1方秀琴2*都興林1*
（1吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，長春130062；2吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，吉林公主嶺136100；*通訊作者：xldu@jlu.edu.cn）

摘要：為了揭示覆膜滴灌對稻田CH4綜合排放的影響，采用比較分析法分析了覆膜滴管條件下稻田甲烷的排放變化。試驗采用覆膜滴灌Ⅰ、覆膜滴灌Ⅱ和漫灌3個處理，分別對當?shù)馗弋a(chǎn)主栽品種吉旱1號進行CH4排放通量的測定。結(jié)果表明，覆膜滴灌稻田CH4排放通量顯著高于漫灌稻田；覆膜滴灌處理條件下，土壤含水率高的覆膜滴灌Ⅰ稻田CH4排放通量高于覆膜滴灌Ⅱ，說明土壤水分是稻田CH4排放的主要影響因素之一；3個處理下CH4的排放趨勢大體一致，排放高峰均出現(xiàn)在水稻分蘗的前中期和拔節(jié)孕穗期，說明覆膜滴灌未改變稻田CH4排放的進程。

關(guān)鍵詞：水稻；CH4排放；覆膜滴灌；漫灌

我國人口眾多，水資源地區(qū)分布不均，人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4［1］。水稻種植需要大量的水，稻田用水占農(nóng)業(yè)用水的65%以上，在全國現(xiàn)有耕地中，超過70%出現(xiàn)干旱缺水的狀況，而我國水稻傳統(tǒng)的灌溉方式用水極為浪費，因此，迫切需要發(fā)展節(jié)水型水稻灌溉方式。

眾所周知，溫室氣體的過度排放成為全球氣候變暖及其一系列環(huán)境問題的重要根源。CH4作為一種主要的溫室氣體，其增溫效應(yīng)僅次于CO2［2］，進入20世紀90年代CH4的溫室效應(yīng)貢獻已達到15%～20%［3-4］。CH4具有一定的化學(xué)活性，其在大氣中濃度的增加會對全球氣候、臭氧層、大氣光化學(xué)等方面產(chǎn)生直接或間接的影響。研究表明，由生物學(xué)過程產(chǎn)生的CH4約占整個地球大氣中CH4的80%，而其中1/3以上是由水稻田釋放。另外，我國水稻種植面積較大，幾乎全部實現(xiàn)灌溉化，因此，研究水稻田CH4排放對我國具有重要的現(xiàn)實意義。

CH4的排放通量和規(guī)律與當?shù)氐耐寥罈l件、生態(tài)環(huán)境、水稻主栽品種、施肥方式等各個方面都有關(guān)系，不同地區(qū)CH4排放通量及規(guī)律不盡相同。針對長春當?shù)氐耐寥罈l件、生態(tài)環(huán)境、水稻主栽品種、施肥等條件及水資源短缺的現(xiàn)狀，本文研究了覆膜滴灌對稻田CH4排放的影響，尋求如何利用水稻節(jié)水灌溉來減少稻田CH4排放的新思路，為稻田CH4減排策略的制定提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗材料與試驗地概況

試驗選用吉林當?shù)乜购抵髟运酒贩N吉旱1號。試驗安排在吉林九臺飲馬河試驗基地進行。九臺位于吉林省中部（44°20′N，126°15′E），屬中溫帶大陸季風(fēng)性氣候，年平均日照時數(shù)2 900 h，無霜期140～155 d。年平均氣溫4.7℃，年≥10℃活動積溫2 880℃，年平均降水量577 mm，年平均風(fēng)力8級以上，大風(fēng)日16 d左右，多西南風(fēng)向，平均風(fēng)速3.4 m/s?；赝寥缹僦行院谕?，肥力水平處于中上等。土壤主要理化性狀指標：pH 值6.67，全氮1.93 g/kg，全磷0.19 g/kg，速效磷9.9 mg/ kg，全鉀0.47 g/kg，有機質(zhì)14.73 g/kg，土壤陽離子交換量253.2 mmol/kg。

1.2試驗設(shè)計

試驗設(shè)3個處理。覆膜滴灌處理Ⅰ和覆膜滴灌處理Ⅱ均采用膜下滴灌的方式進行灌溉：即在膜下鋪設(shè)打孔的水管，根據(jù)水勢儀測定的土壤水分含量來控制供水閥門進行滴灌。膜間距30 cm；膜寬90 cm，種4行，行距為15-30-15 cm，每隔13 cm種1叢。鋪膜打孔時采用機械器具（地膜按照國標要求：厚0.008 mm，寬90 cm），播種時則采用人工旱直播的方式，單叢點播5粒，超過7株間苗，3次重復(fù)。

覆膜滴灌處理Ⅰ：當水稻正常出苗后，田面以下15 cm處土壤低于100%的含水量時進行灌水（用水勢儀測定15 cm處的土壤水分，取樣方法為5點對角取樣），在全生育期間重復(fù)進行，若期間發(fā)生降雨，立即進行排水。安裝水表以記錄用水量。

覆膜滴灌處理Ⅱ：當水稻正常出苗后，田面以下15 cm處土壤低于50%的含水量時進行灌水，其他同覆膜滴灌處理Ⅰ。

對照：按照當?shù)卦耘喙芾泶胧┘傲?xí)慣（當?shù)鼗径际侵苯勇啵┻M行水分管理。

田間肥料用量按照往年豐產(chǎn)時的用量，除草及病蟲害防治等一些田間管理措施也均參照往年情形而定（播前采取封閉除草，播后人工拔草）。

1.3樣品采集與數(shù)據(jù)分析

試驗中CH4排放量采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法。具體做法是：采用氣室罩住土壤的表面，之后在一定時間間隔內(nèi)用注射器多次抽取樣氣并注入到不同真空采樣瓶或氣袋內(nèi)，運回實驗室后利用氣相色譜儀測定CH4的濃度，并根據(jù)氣室內(nèi)的CH4濃度變化計算它們的通量。

本試驗采用的是安捷倫氣相色譜分析儀測定（Agilent 7890A-0468），每組設(shè)4個采樣時刻，分別是0 min、5 min、10 min、15 min，將采集的氣體濃度分別與對應(yīng)的采樣時刻進行線性回歸分析，即可求得該采樣點氣體濃度隨時間的變化率，然后根據(jù)氣溫、大氣壓力、采樣箱的有效高度、普適氣體常數(shù)等參照如下公式計算CH4排放通量。

其中，F(xiàn)為被測氣體排放通量［CH4單位為mg（/m2· h）］；為箱內(nèi)平均氣壓，一般而言，對于非高海拔區(qū)可取=1.01325×105Pa；為箱內(nèi)平均氣溫，單位是℃；R為普適氣體常數(shù)，R=8.31441J（/mol·K）；μ為氣體摩爾質(zhì)量（CH4為16.123 g/mol）；H為采集箱的有效高度，單位是cm；而dC/dt為箱內(nèi)氣體濃度隨時間的變化率［CH4單位為mL（/m3·h）］［5］。

試驗材料播種時間為2012年5月12日，收獲時間為2012年9月18日。從2012年6月24日移栽后開始測定，以后每隔7 d測量1次，一直持續(xù)到2012 年9月16日結(jié)束。用Excel 2003軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理分析。

2　結(jié)果與分析

2.1覆膜滴灌與漫灌對稻田CH4排放的影響

從圖1可以看出，漫灌條件下稻田CH4的排放通量顯著高于覆膜滴灌條件下的CH4排放通量，而且在不同的測量時間點表現(xiàn)出相同的趨勢。說明漫灌條件下稻田CH4的排放通量比覆膜滴灌條件下高是一種普遍現(xiàn)象，同時也說明稻田水位對CH4排放通量具有重要影響。

2.2覆膜滴灌條件下稻田土壤不同含水率對CH4排放的影響

從圖1可以看出，覆膜滴灌處理Ⅰ在所有測量時間點的CH4排放通量均高于覆膜滴灌處理Ⅱ，說明在覆膜滴灌處理條件下，稻田土壤含水率越高，CH4排放通量越高。同時也可以看出，二者在6月30日、7月7日及7月14日3個連續(xù)測量時間點差異最大，表明在水稻發(fā)育的這段時期稻田CH4的排放對水分的響應(yīng)更加敏感。

2.3覆膜滴灌條件下稻田CH4排放通量的稻季變化

筆者利用多個測量時間點完整覆蓋了水稻的整個生育期來研究覆膜滴灌對水稻全生育期CH4排放通量的影響。覆膜滴灌處理Ⅰ條件下稻季CH4排放通量的變化范圍為3.70～18.39 mg/（m2·h），覆膜滴灌處理Ⅱ條件下稻季CH4排放通量的變化范圍為3.50～16.80 mg/ （m2·h），漫灌稻田CH4排放通量的變化范圍為4.20～26.20 mg/（m2·h），在水稻整個生育期中，覆膜滴灌稻田的CH4排放通量均顯著低于漫灌稻田。

另外，覆膜滴灌稻田的CH4排放通量在移栽后21 d內(nèi)增減上升達到峰值，在移栽后42 d出現(xiàn)另外一個峰值（圖1）。在水稻的整個生育期，漫灌稻田的CH4排放與覆膜滴灌稻田的趨勢一致，僅存在量的變化（圖1），說明覆膜滴灌未改變稻田CH4排放的進程。

圖1　不同灌溉模式下稻田CH4平均排放通量變化

3　結(jié)論與討論

3.1土壤水分影響稻田CH4的排放

水是稻田CH4排放的決定因子。本試驗結(jié)果表明，土壤含水率越高，稻田CH4的排放通量越高。而這一結(jié)果和前人研究的結(jié)果是相似的［6-7］。土壤CH4排放量是CH4生成量和氧化量的綜合結(jié)果。長期淹水會降低土壤氧化還原電位（Eh值），增加CH4的排放；而水層過深，土壤中已產(chǎn)生的CH4在通過氣泡或以擴散的形式穿越水層時，被氧化掉的量增加，CH4的排放量反而減少［8］。土壤含水率少有利于水稻根系發(fā)育，提高土壤的通透性，有效地改善了土壤氧化還原條件。

3.2稻田CH4排放的稻季變化

稻田CH4的排放在水稻的不同發(fā)育時期是不同的。有研究表明，水稻生長期CH4排放具有3個典型排放峰，分別出現(xiàn)在水稻返青期、分蘗期和成熟期［9］，這和本試驗的結(jié)論是相似的。本試驗中，稻田CH4的排放通量存在2個峰值：第1個峰值出現(xiàn)在移栽后21 d（7月14日）左右，水稻處于分蘗的前中期階段，有機物的分解可能是稻田CH4產(chǎn)生高峰的原因；7月21日水稻處于拔節(jié)孕穗時期，這個階段水稻根部生長迅速，根部的滲出物以及根部的落葉較多，根系氣體輸送的效率高，有利于CH4的排放；第2個峰值出現(xiàn)在移栽后42 d左右，這一時期出現(xiàn)高峰可能是因前期施肥造成的。

另外，覆膜滴灌的灌溉方式不影響水稻生育期內(nèi)的稻田CH4排放模式，3種處理下的CH4排放趨勢保持一致，均集中在水稻分蘗的前中期和拔節(jié)孕穗期。彭世彰等［10］的研究結(jié)果表明，控灌稻田在移栽后11 d出現(xiàn)CH4排放通量峰值，淹灌稻田在移栽后18 d和25 d分別出現(xiàn)2次較大的CH4排放通量峰值。而本試驗中覆膜滴灌對CH4排放通量峰值出現(xiàn)的時間沒有影響。

3.3合理灌溉以減少溫室氣體排放

本試驗探究了不同灌溉方式對稻田CH4排放的影響，依據(jù)已有的報道及本文的結(jié)論，筆者提出幾條減少CH4排放的建議：（1）采取科學(xué)合理的灌溉方法。與淹水灌溉相比，節(jié)水灌溉可以達到減少水稻全生育期內(nèi)CH4排放量的目的。而漫灌時，稻田CH4排放主要集中在分蘗前中期和拔節(jié)孕穗期。因此，可在這兩個CH4主要排放期進行適當?shù)目刂乒喔龋詼p少稻田CH4的排放總量［11］。（2）充分利用降雨，以減少灌溉的次數(shù)及灌溉量。受季風(fēng)氣候的影響，我國大部分地區(qū)可實現(xiàn)雨熱同期，一般降雨都會發(fā)生在5-9月，且這段時間也是水稻生長需水最大的時期，若這時利用稻田蓄水，不僅可以做到節(jié)約水資源，減少澆灌的費用，還可以達到減少稻田CH4排放的目的。

參考文獻

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Study on Methane Emissions in Paddy Soil under Covered Film Drip Irrigation

ZHANG Yu1，HUANG Kai1，LI Xiao1，F(xiàn)ANG Xiuqin2*，DU Xinglin1*
（1College of Plant Science，Jilin University，Changchun 130062，China；2Rice Research Institute，Jilin Academy of Agriculture Science，136100，China；*Corresponding author：xldu@jlu.edu.cn）

Abstract：To reveal CH4emissions in rice fields under covered film drip irrigation，the comparative method was used to study the methane emission of rice paddy with drip irrigation under mulch film. Experiments were divided into three treatments：drip I，drip II and flooding. The local high-yielding cultivars Jihan 1 was used to analysis the methane emissions from rice paddy. The results showed that methane emission flux from rice fields under covered film drip irrigation was less than flooded conditions；methane emission flux in dripⅠwas higher than that of dripⅡ，which indicated that the soil moisture content is one of the major factors which affect CH4emission；methane emissions trend under three conditions were roughly the same，and the emission peaks were in mid tillering stage and jointing booting stage，which indicated that the process of CH4emission from paddy field under film drip irrigation was not changed.

Key words：rice；methane emissions；covered film drip irrigation；flooding irrigation

中圖分類號：S511.071

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8082（2016）02-0036-03

收稿日期：2015-10-24

基金項目：吉林省重點科研項目“水稻特異種質(zhì)資源創(chuàng)制與高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗新品種選育研究”（20150204005 NY）