灌溉方式對農田溫室氣體排放影響研究進展

李 銳，楊恒山，邰繼承

（1.內蒙古民族大學 農學院，內蒙古 通遼028043；2.內蒙古自治區(qū)飼用作物工程中心，內蒙古 通遼028043）

全球變暖已成為不爭的事實，而大氣中CO2、N2O和CH4等溫室氣體濃度的日益增加是氣候變暖的主要因素之一［1].全球范圍內農業(yè)生產活動貢獻了大約14%的溫室氣體排放量［2].據(jù)估計，大氣中每年有5%～20%的CO2、15%～30%的CH4、80%～90%的N2O來源于土壤，而農田土壤是溫室氣體重要排放源［3].我國溫室氣體排放量約占全球溫室氣體排放量的20%，農業(yè)溫室氣體排放占全國溫室氣體排放總量的17%，高于全球平均水平［4]，因此，加強對農田土壤溫室氣體減排的研究有利于環(huán)境友好、生態(tài)文明.我國是一個人口眾多的農業(yè)大國，同時也是全世界水資源最為匱乏的13個貧水國之一，人均水量不足世界人均的1/4［5].在全球氣候變暖的條件下，我國水資源呈現(xiàn)北方干旱、南方澇害的格局［6].長期以來耕地水資源短缺并有進一步惡化的趨勢，我國北方地區(qū)將面臨極高水資源短缺壓力［7].根據(jù)模型預測，到2050年，缺水區(qū)域和缺水程度均呈增加趨勢，依靠自然降雨來緩解水資源短缺是不可能的［8].我國耕地面積一半以上為旱地農業(yè)，灌溉是確保糧食安全的重要手段.我國70%的糧食來自灌溉農業(yè)，農業(yè)用水約占全國總用水量70%［9].因此，因地制宜地發(fā)展適合地區(qū)農業(yè)高效節(jié)水的灌溉模式，是實現(xiàn)水資源高效利用的重要途徑.農田土壤溫室氣體排放除了受到溫度、降水、植被的影響外，還在很大程度上受到灌溉方式的影響［10].合理的灌溉措施在保證糧食安全的同時還具有減少農田溫室氣體排放的作用，探究不同灌溉方式對農田溫室氣體排放的影響，對優(yōu)化區(qū)域水資源利用和緩解全球氣候變化具有重大意義.

1 農田溫室氣體排放的途徑及影響因素

農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體的排放是一個復雜的過程.在植被、氣候、土質發(fā)生變化以及人為擾動的條件下土壤中有機質可分解為無機碳和有機碳［11]，有機碳在有氧條件下多以CO2的形式進入大氣，在厭氧條件下經發(fā)酵菌作用形成CH4，而N2O則是無機氨態(tài)氮在硝化菌作用下，通過硝化和反硝化作用產生.農田生態(tài)系統(tǒng)是重要的CO2的源與匯，大氣中的CO2經過植物的光合作用合成有機碳進入土壤，被植物固定的有機碳通過植物呼吸作用生成CO2排放到大氣中，形成農田碳循環(huán).農田土壤排放CO2的過程主要是土壤呼吸，其排放強度取決于土壤有機質含量和礦化速率、土壤微生物類群數(shù)量及其活性、土壤動植物呼吸作用等，土壤呼吸主要包括植物根呼吸、土壤微生物呼吸、土壤動物呼吸以及含碳物質化學氧化作用［12].土壤呼吸受溫度、水分、人為活動等影響［13]，而影響農田CO2排放的措施有灌溉方式、化肥施用、土地利用、秸稈還田等.

農田土壤N2O 的排放途徑主要是土壤的硝化和反硝化作用［14].硝化作用，是指在通氣條件下土壤中硝化微生物將氨鹽轉化為硝酸鹽，其中釋放出部分N2O［15]；反硝化作用是指，土壤在通氣性差含氧量低的情況下，土壤微生物將硝酸鹽或硝態(tài)氮還原成氮氣（N2）或氧化氮（N2O、NO）的過程.影響農田土壤排放N2O的因素包括：土壤環(huán)境（水分、土壤溫度、土壤有機質等）、氣候因子（氣溫、降水等）、肥料因子（肥料用量、施肥方式等）以及其他田間管理措施［16].

CH4的形成主要有2種途徑，一種是在細菌作用下分解復雜有機物產生某種簡單有機酸，這種有機酸被細菌利用生成CH4；另一種是復雜有機物在細菌作用下不產生有機酸直接形成CO2和H2，厭氧條件下，在生產CH4細菌作用下生成CH4和H2O［17].在生態(tài)系統(tǒng)中CH4生成需要的條件為：厭氧環(huán)境、水分、有機物和適合生產CH4細菌生存的溫度［12].在通氣性好、氧氣充足的條件下，在甲烷微生物的作用下土壤吸收CH4，而濕潤厭氧的環(huán)境下，土壤呈現(xiàn)CH4排放狀態(tài)［18-19]，CH4的排放與吸收取決于土壤中CH4的生成量和被氧化量.

2 灌溉方式對農田主要溫室氣體排放影響的研究進展

2.1 灌溉方式對農田CO2排放影響的研究進展

灌溉和降雨會對土壤通氣性、氧氣含量、土壤物理性質、土壤溫度等產生影響，進而影響農田土壤CO2排放［20].郭樹芳等［21]研究表明，微噴降低了因灌溉造成的土壤密實程度，土壤通氣性好，植株根系活性強，增加CO2排放.張前兵等［22]研究了干旱區(qū)灌溉及施肥措施下棉田土壤的呼吸特征，研究表明，滴灌方式下土壤呼吸速率明顯高于漫灌，滴灌方式下土壤呼吸速率在1.40～4.67 μmol·（m2·s）-1，漫灌方式下土壤呼吸速率在1.01～4.52 μmol·（m2·s）-1.可能是由于滴灌方式下水流強度低、單次灌水量相對較少，對土壤結構破壞程度較小，作物根部水分含量較適宜，根系活力和微生物活力較強，土壤呼吸速率增加.但是也有研究表明，相比于漫灌，滴灌方式能夠減少土壤CO2排放通量［23]，這可能是由于土壤呼吸組分的影響效應存在差異，以及選取研究時段不同有關.不同于滴灌方式，膜下滴灌因土壤表層覆有薄膜，能夠起到增溫保墑的作用，在干旱地區(qū)具有很高的實用價值，但是薄膜阻斷了土壤和大氣之間的氣體交換，使土壤CO2濃度升高10.4%～94.5%［24]，覆膜能夠增加土壤CO2濃度，但是對土壤CO2排放并沒有顯著影響［25].

不同灌溉量對農田土壤CO2排放影響明顯，虧缺灌溉顯著降低了土壤CO2排放［26]，這是因為當土壤含水量降低到一定程度，為了防止萎蔫現(xiàn)象的發(fā)生，土壤微生物就會將能量用到生產適當溶質上去［27]，減少CO2排放.而Kucera 等［28]研究認為，土壤含水量只有達到土壤微生物永久萎蔫點或超過田間持水力以上才會使土壤CO2排放量減少.土壤呼吸隨灌溉量的增加而增加，但過量灌溉則會降低土壤呼吸［29]，主要由于過量灌溉導致土壤含水量過多抑制了O2擴散，植株根系和好氧微生物活動受到抑制，減少了CO2的排放［30].以上研究表明，相比于漫灌，滴灌、微噴等節(jié)水灌溉方式單次灌溉量少，水流強度低，土壤相對疏松，植株根系活性強，增加土壤CO2排放.灌溉量在一定閾值內，土壤CO2累積排放量隨著灌溉量增加而增加，而高于或低于這個閾值會降低土壤CO2排放.

2.2 灌溉方式對農田N2O排放影響的研究進展

相比漫灌，微噴、滴灌節(jié)水灌溉方式均顯著增加土壤N2O排放.微噴增加了土壤微生物量碳含量，促進了硝化和反硝化作用，增加了N2O排放通量［21].滴灌減少了氮的淋失，土壤總礦質氮含量高于漫灌，故滴灌方式下土壤N2O排放量高于漫灌［23].王肖娟等［31]研究表明，膜下滴灌灌水量少，稻田土壤不產生淹水層，土壤大孔隙通暢，有利于N2O 從土壤中排放，膜下滴灌土壤N2O 累積平均排放量比淹灌平均值增加8.33%.也有學者研究表明，滴灌單次灌溉量少，滴灌土壤孔隙度含水率遠小于漫灌，會產生抑制反硝化作用的環(huán)境，減少N2O排放［32].王艷麗等［33]對設施菜地研究發(fā)現(xiàn)，設施菜地滴灌與漫灌相比減少了N2O，設施菜地滴灌方式降低了土壤孔隙度含水量，反硝化作用受到抑制，同時隨水滴施的肥料直接灌溉到植物根部，提高了吸收利用效率，降低了硝化反硝化底物，從而減少了N2O排放［34].灌溉量的多少主要影響土壤含水量，而土壤含水量是影響土壤N2O排放的主要因素之一，土壤含水量越高土壤越易形成厭氧環(huán)境，有利于土壤硝化反應的進行，促進土壤N2O的產生與排放［35]，當土壤孔隙度含水率（WFPS）＜60%，N2O累積排放量隨土壤含水量增加而增加［36-37].

2.3 灌溉方式對農田CH4排放影響的研究進展

土壤在通氣性好、氧氣充足的條件下，在甲烷微生物的作用下吸收CH4，在濕潤厭氧的環(huán)境下，土壤呈現(xiàn)CH4排放狀態(tài)［18-19].不同灌溉方式對農田土壤CH4排放影響不同，張西超等［38]研究了灌溉方式對設施土壤溫室氣體排放的影響，研究表明，節(jié)點式滲灌方式水分在土壤內部移動，土壤表面不易形成淹水層，而滴灌和溝灌處理水分由土壤表面滲向深層，形成一定程度淹水現(xiàn)象，形成濕潤厭氧環(huán)境，有利于CH4的產生，因此節(jié)點式滲灌比膜下滴灌和溝灌模式下土壤CH4總吸收量多.滴灌相比漫灌增加了灌溉次數(shù)，土壤干濕交替次數(shù)過多導致脫氫酶活性下降［39]，脫氫酶對于CH4的氧化十分重要，脫氫酶活性降低導致消耗CH4的量減少，故滴灌方式下土壤CH4排放多.

不同灌溉量對旱作農田CH4的影響主要表現(xiàn)為，在一定范圍灌溉量內適當控制水分能夠增加農田土壤對CH4的吸收，灌溉量超過一定閾值CH4吸收將會減少［27，40].稻田不同于旱作農田，稻田土壤一般為CH4的排放源［41]，淹水狀態(tài)下的稻田土壤有助于提高甲烷菌活性增加土壤CH4濃度，當?shù)咎锼畬犹幱诎胂О霛駶櫊顟B(tài)時，CH4排放途徑暢通，閉蓄在土壤中的CH4氣體向外排放，稻田CH4出現(xiàn)短暫劇烈排放［42].稻田CH4排放規(guī)律一般為，隨著灌水量的減少CH4排放量減少，如控制灌溉和間歇灌溉比淹水灌溉CH4排放量少［43-45].目前國內學者主要針對淹水灌溉、常規(guī)灌溉、間歇灌溉、控制灌溉這4種灌溉方式下稻田CH4排放進行研究［15，46]，研究表明，4種灌溉方式中淹水灌溉稻田排放大量的CH4氣體，間歇灌溉和控制灌溉能大幅降低CH4氣體排放.

3 討論與展望

近年來，由于自然和人為因素的影響，全球氣候正經歷著一場以普遍升溫為主要特征的顯著變化，已經引起了國際社會和科學界的高度關注.氣候變暖對農作物安全生產和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展造成嚴重威脅.大氣中溫室氣體濃度增加導致全球氣候變暖成為事實，而農田土壤是溫室氣體排放的重要碳源，降低農田土壤溫室氣體的排放目前已成為國內外學者關注的熱點問題，穩(wěn)定或增加農田土壤碳匯作用成為緩解全球氣候變暖的主要目標.

綜上所述，水分管理是影響農田溫室氣體排放的重要影響因子，合理的水分管理方式能夠提高土壤碳匯的能力，減少溫室氣體的排放.我國大部分耕地位于北方地區(qū)，氣候變化引起北方地區(qū)降雨減少，發(fā)展節(jié)水農業(yè)是大勢所趨.灌溉方式的改變對土壤結構、土壤含水量等產生影響，從而影響農田溫室氣體排放.在資源高效利用下，改大水漫灌為適合各地區(qū)的節(jié)水灌溉尤為重要，在半干旱地區(qū)滴灌應用前景廣泛，如新疆地區(qū)大面積推廣應用膜下滴灌，并且在節(jié)水穩(wěn)產等方面取得一定成績.但是膜下滴灌灌溉方式下，地膜的投入不僅增加了農業(yè)投入成本，地膜殘留也隨種植年限增加而加劇，對環(huán)境造成污染.目前，東北井灌區(qū)推廣的淺埋滴灌技術可以很好地解決地膜污染問題，以淺埋代替覆膜，還可實現(xiàn)水肥一體化，有利于水肥利用效率提高，在北方干旱半干旱地區(qū)具有較大實用價值，目前對于淺埋滴灌下灌溉定額、灌溉頻率、管帶埋深等對水分利用的影響研究取得一定成果［47-48].2015年以來，內蒙古民族大學、通遼市農業(yè)技術推廣站、內蒙古自治區(qū)農業(yè)技術推廣站等單位加盟該技術的應用研究與應用推廣，取得了顯著成效.到2018年，內蒙古通遼地區(qū)累計推廣面積達到50.82萬hm2，玉米淺埋滴灌技術成為內蒙古自治區(qū)農業(yè)主推技術，但對于西遼河平原淺埋滴灌下農田溫室氣體排放的研究卻鮮有報道，在未來的研究中應加大對淺埋滴灌下農田溫室氣體排放的研究，為準確評價節(jié)水灌溉技術應用后所帶來的環(huán)境效應具有重要科學意義.

在作物的種植過程中，施肥一般都是伴隨灌溉進行，傳統(tǒng)施肥灌溉方式化肥施用量大，過多氮素在地表容易引起揮發(fā)損失，氮肥利用率低，隨著灌溉進入地下水污染水源，進入江河湖泊引發(fā)赤潮等生態(tài)環(huán)境問題［49-50].水肥一體化技術優(yōu)化水肥利用效率，在保證作物產量的同時具有明顯的節(jié)水減肥效果.近年來對于農田秸稈的處理方式引起廣泛關注，傳統(tǒng)的秸稈焚燒增加了環(huán)境污染，增大了引發(fā)火災等隱患，秸稈還田在妥善處理作物秸稈的同時還可改善土壤地力，減少氮肥的施用，降低農業(yè)生產成本，是經濟生態(tài)的秸稈處理方法.秸稈還田結合淺埋滴灌的水肥管理模式在節(jié)水減肥的同時，還可改善土壤質地，促進了農業(yè)可持續(xù)生產，加大其對農田溫室氣體排放影響的研究對于構建高效水肥管理模式且環(huán)境安全的節(jié)水農業(yè)技術體系具有重要意義.