節(jié)水灌溉的稻田溫室氣體排放研究綜述

侯會靜 楊雅琴 韓正砥 李占超 楊士紅

摘要：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是3種主要的溫室氣體，大氣中溫室氣體濃度的持續(xù)升高導(dǎo)致全球變暖和臭氧層破壞問題日益嚴峻。稻田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體的重要排放源。隨著水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，節(jié)水灌溉對稻田溫室氣體排放產(chǎn)生的影響受到了廣泛的關(guān)注。本文綜述了節(jié)水灌溉的稻田溫室氣體的排放特征及減排措施，為節(jié)水灌溉稻田溫室氣體排放的后續(xù)研究指明了方向，也為我國稻田節(jié)能減排的綜合調(diào)控提供了科學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉;稻田;溫室氣體排放;減排措施

中圖分類號： S274 ?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）16-0019-05

溫室氣體引起的全球變暖和臭氧層破壞是當今世界備受關(guān)注的環(huán)境問題[1]。二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是大氣中3種主要的溫室氣體。由于CO2、CH4、N2O等溫室氣體的排放，全球氣候暖化效應(yīng)在1990年至2012年間增加了32%。自工業(yè)化時代以來，人類活動引起的全球溫室氣體排放持續(xù)增加，2011年大氣中CO2、CH4、N2O的濃度分別達到391、1 803、324 nL/L，分別比工業(yè)化前的濃度增加了40%、150%、20%[2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體的重要排放源，農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的CH4和N2O分別占全球人為排放總量的52%、60%[3-4]，CO2是農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的主要成分之一，其在稻田生態(tài)系統(tǒng)的排放也不容忽視[5-6]。在我國，水稻種植面積占全球的20%，總產(chǎn)量占全球的30%[7]。因此，研究我國稻田的溫室氣體排放量，對制定農(nóng)田溫室氣體減排措施和緩解全球變暖等具有重要的理論及現(xiàn)實意義。

自20世紀80年代以來，各種水稻節(jié)水灌溉技術(shù)得到了大面積的推廣應(yīng)用。在水稻某些生育期，稻田田面在一段時間內(nèi)保持無水層或土壤含水量低于其飽和含水量，此時田間的土壤水分狀況不同于傳統(tǒng)的淹水灌溉稻田[8-9]。節(jié)水灌溉稻田土壤水分狀況的改變導(dǎo)致了其溫室氣體排放不同于傳統(tǒng)淹水稻田。隨著水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，節(jié)水灌溉對稻田溫室氣體排放產(chǎn)生的影響受到了廣泛的關(guān)注，并成為相關(guān)學(xué)科的研究熱點。目前，國內(nèi)外針對節(jié)水灌溉稻田溫室氣體排放的研究已經(jīng)取得了一些進展和成果，本文綜述了節(jié)水灌溉的稻田溫室氣體排放的國內(nèi)外研究進展，提出了當今研究中的不足之處，為節(jié)水灌溉稻田溫室氣體排放的后續(xù)研究指明了方向，也為我國稻田節(jié)能減排的綜合調(diào)控提供科學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 節(jié)水灌溉對稻田溫室氣體排放的影響

1.1 節(jié)水灌溉對稻田CH4排放的影響

稻田是CH4的主要排放源之一，而隨著水稻種植面積的不斷增加，稻田CH4排放量將進一步增大[10]。國內(nèi)外學(xué)者針對稻田CH4排放的排放特征及影響因素進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)稻田CH4排放主要受土壤理化特性、水稻生長及其品種、施肥種類、耕作制度、土壤水分狀況及水分管理等因素的影響[11-16]。水分管理是影響稻田CH4排放的最重要因素之一[13，17-18]，通過影響土壤通透性及氧化還原狀態(tài)，影響稻田CH4的產(chǎn)生、排放及氧化[19]。

淹水（至少是水分飽和）是稻田產(chǎn)生和實質(zhì)性排放CH4的先決條件，大量的研究表明水稻生長期持續(xù)淹水有利于CH4的產(chǎn)生和排放，節(jié)水灌溉能夠明顯減少稻田CH4的排放量[20-22]。與持續(xù)淹水相反，曬田及干濕交替的水分管理模式抑制了稻田CH4的產(chǎn)生，能大量減少稻田CH4的排放[12，20，23]。例如，在減少70%的灌溉用水的情況下，田間試驗結(jié)果證實干濕交替灌溉比持續(xù)淹水灌溉減少了97%的稻田CH4排放量[20]。我國江蘇省昆山排灌試驗站2009—2011年的田間試驗結(jié)果表明，控制灌溉較常規(guī)灌溉可以極顯著減少稻田CH4排放量（P<0.01），減少幅度可達83.5%[24-25]。研究證實，間歇灌溉也可以顯著減少稻田的CH4排放量，但不同研究中間歇灌溉對稻田CH4排放量的減少幅度存在較大差異。例如，我國江蘇省句容市2007年的田間試驗結(jié)果顯示，與持續(xù)淹水相比，間歇灌溉將季節(jié)性CH4生產(chǎn)潛力降低了45%，但將CH4的部分氧化率提高了45%～63%，從而使稻田季節(jié)性CH4排放量減少71%[26]。韓國江原道省2010年的試驗結(jié)果表明，連續(xù)淹水的稻田中排出了大量的CH4（14.5 mol/m2），而淹水較少的稻田CH4排放量減少30%～60%[27]。在寒地黑土稻田中進行試驗時發(fā)現(xiàn)，CH4排放在分蘗期達到峰值，實施水田淹灌的CH4累計排放量為 6.46 g/m2，間歇灌溉的累計排放量為5.47 g/m2[28]。2012—2013年在中國吉林省西部的田間試驗結(jié)果顯示，與連續(xù)淹水灌溉相比，間歇灌溉稻田的平均CH4排放通量較低（耕作期為1年和57年的稻田分別減少了22.81%和23.62%）[29]。研究3種灌溉管理形式[normal amount（NA），70% of NA（NA 70%），30% of NA（NA 30%）]對水稻生長季CH4排放的影響時發(fā)現(xiàn)，NA 70%使CH4排放量減少30.3%～53.3%，而NA 30%使CH4排放量相對NA減少51.0%～76.7%[30]。節(jié)水地面覆蓋水稻生產(chǎn)系統(tǒng)（water-saving ground cover rice production system，簡稱GCRPS）的年CH4排放量可減少69%[31]。在15 cm閥值干濕交替灌溉（alternate wetting and drying at 15 cm threshold for irrigation，簡稱AWD15）條件下，CH4排放量比傳統(tǒng)灌溉降低37.4%～45.7%，同時減少了灌溉水量，且水稻產(chǎn)量變化不大[32]。

1.2 節(jié)水灌溉對稻田N2O排放的影響

旱地和非飽和水稻土是N2O排放的重要產(chǎn)生源，節(jié)水灌溉稻田N2O排放是農(nóng)田溫室氣體排放研究的熱點之一。關(guān)于水稻節(jié)水灌溉模式對N2O排放季節(jié)變化的影響，前人已經(jīng)做了大量的研究[8，20，33]。結(jié)果表明，持續(xù)淹水稻田N2O排放量很低，很多研究中對其忽略不計[34]，這也是早期關(guān)于農(nóng)田N2O排放的研究主要集中在旱作農(nóng)田的原因;曬田及干濕交替可以加劇稻田N2O排放[35-36]，但N2O排放量的增加幅度由曬田及土壤脫水程度決定[37]。節(jié)水灌溉較持續(xù)淹水灌溉顯著增加了稻田N2O排放量[18]。田間試驗結(jié)果證實了節(jié)水灌溉較持續(xù)淹水灌溉增加了533%的稻田N2O排放量[35];控制灌溉較常規(guī)灌溉增加了135.4%～136.9%的稻田N2O排放量[8，24]。與常規(guī)稻田相比，利用節(jié)水地覆蓋水稻生產(chǎn)系統(tǒng)（GCRPS）技術(shù)的稻田，每年的N2O排放量和糧食產(chǎn)量分別增加40%和9%[31]。間歇灌溉稻田的N2O累積排放量為 68.47 mg/m2，較淹灌稻田N2O累積排放量增加了 85.66%[28]。此外，在90%含水孔隙率（WFPS）時的土壤N2O累積排放量分別為40% WFPS和60% WFPS時的7.84倍和1.44倍[38]。

水稻節(jié)水灌溉模式的應(yīng)用能夠明顯減少稻田CH4的排放量，同時增大了稻田N2O排放量，兩者之間具有明顯的“消- 長”關(guān)系[1]。已有研究結(jié)果表明，節(jié)水灌溉較持續(xù)淹水灌溉減少了78%的CH4排放量，但增加了533%的稻田N2O排放量，綜合增溫潛勢減少了78%[35]?？刂乒喔饶Ｊ娇蓽p少81.2%～82.8%的稻田CH4排放量，增加121.8%～144.3%的N2O排放量，綜合增溫潛勢減少了15.0%～34.8%[1]。

1.3 節(jié)水灌溉對稻田CO2排放的影響

稻田CO2凈通量是經(jīng)稻田排放（土壤呼吸與植物呼吸）與CO2固定（植物光合作用）之后稻田與大氣之間的CO2通量。我國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)總體趨勢是CO2排放量逐漸增加，但是固碳速率卻很低[39]。土壤水分通過影響土壤通氣狀況來影響CO2排放，土壤含水量的多少可直接影響CO2在土壤水中的溶解量以及在土壤孔隙中的擴散速率，進而影響CO2排放。由于傳統(tǒng)灌溉稻田長期處于淹水厭氧狀態(tài)，稻田CO2凈通量、土壤呼吸變化及其變化程度相對較小，因此，已有對農(nóng)田CO2排放的研究主要集中在北方旱田，針對稻田的研究相對較少。

田間試驗結(jié)果證實，不同土壤水分條件下稻田CO2通量日變化趨勢相似，呈“U”型變化，水稻生育前期復(fù)水后稻田CO2通量值較復(fù)水前大，水稻生長中后期，土壤水分狀況對稻田CO2通量的日變化影響較小[40]。與連續(xù)淹水灌溉相比，間歇灌溉稻田的CO2排放通量更高（耕作期為1年和57年的稻田分別增加了24.84%和32.39%）[29]。在無外加碳源的條件下，節(jié)水灌溉稻田土壤有機碳含量降低，且土壤溶解性有機碳含量增加[41-42]。土壤干濕交替可以加速碳的礦化作用[43]。土壤有機碳含量的變化勢必會引起碳排放的改變，但節(jié)水灌溉對稻田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放影響的研究很少，僅有少數(shù)研究涉及節(jié)水灌溉對稻田土壤CO2排放的影響。例如，利用土壤碳通量自動測量系統(tǒng)研究間歇灌溉對稻田土壤CO2排放的影響時發(fā)現(xiàn)，間歇灌溉的稻田土壤CO2排放量較持續(xù)淹水稻田減少了65%～104%[18]。

2 稻田溫室氣體減排措施

隨著大氣中溫室氣體濃度的增加和全球變暖的加劇，迫切需要開展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體減排措施的研究來緩解環(huán)境、生態(tài)和社會的壓力。關(guān)于農(nóng)田溫室氣體減排措施的研究已有很多，主要集中在水分管理、肥料管理、固碳措施和抑制劑的應(yīng)用等方面[24，44-46]。

2.1 稻田CH4減排措施

水稻生長期以間歇灌溉、干濕交替灌溉等節(jié)水灌溉模式取代傳統(tǒng)淹水灌溉，可以有效地減少稻田CH4排放。例如，間歇灌溉能夠增強土壤通氣性，有利于提高土壤的氧化還原電位，從而抑制產(chǎn)甲烷菌的活動，并減少稻田CH4的排放[47]。研究不同水分管理措施對稻田溫室氣體的排放影響時發(fā)現(xiàn)，與持續(xù)淹灌（CF）相比，淹水-濕式間歇灌溉（flooded and wet intermittent irrigation，簡稱FWI）和淹水-干旱間歇灌溉（flooded and dry intermittent irrigation，簡稱FDI）的灌溉方式分別使CH4排放量減少了60%和83%[18]。泰國巴真府水稻研究中心（Prachin Buri Rice Research Center，簡稱PRRC）3年的稻田田間試驗結(jié)果顯示，干濕交替灌溉（alternate wetting and drying，簡稱ADW）和現(xiàn)場特定干濕交替灌溉（site-specific AWD，簡稱AWDS）分別比持續(xù)灌溉減少了42%和34%的總用水量（灌溉+降雨量），且干濕交替灌溉的稻田平均CH4排放量比持續(xù)灌溉稻田減少49%[48]。此外，研究秸稈還田和生活污水灌溉對CH4排放的綜合影響時發(fā)現(xiàn)，與自來水灌溉處理相比，生活污水灌溉可減少秸稈還田24.5%～26.6%的CH4排放量[49]。

通過合理的施肥措施可以在不降低水稻產(chǎn)量的基礎(chǔ)上減少稻田CH4的排放量。大量研究發(fā)現(xiàn)，以沼渣肥和堆肥等低C/N的有機肥代替稻草、綠肥等新鮮高C/N比的有機肥可以大大地減少稻田CH4排放[50-51]，無機肥深施也可以減少稻田CH4排放[52]。長期施用無機肥有助于增加水稻季節(jié)的CH4排放量，施用無機肥可以使凈年度全球增溫潛勢（global warming potential，簡稱GWP）略有增加，而無機/有機肥聯(lián)合施用則顯著提高了無機肥的使用量[44]。除此之外，以施用0%、0.25%、0.5%、1%或1.5%二甲基吡唑磷酸酯（dimethylpyrazole phosphate，簡稱DMPP）水平的氮肥和尿素的稻田進行對比試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與單獨施用尿素肥料相比，所有的DMPP處理都顯著降低了CH4排放量，使其從54%降至34%[53]。

已有研究表明，研制和應(yīng)用各種CH4抑制劑或添加劑也是減少稻田CH4排放的可能途徑，肥料型的CH4抑制劑如碳化鈣膠囊能使稻田CH4排放量降低90.8%[54]。此外，以正常劑量除草劑的聯(lián)合施用代替單獨施用可以大大地降低稻田CH4排放量。雖然單獨施用除草劑0.6%芐嘧磺?。╞ensulfuron-methyl，簡稱BSM）或6.0%丙草胺可以減少種植了水稻的淹水土壤中的N2O和CH4排放，但與單獨施用除草劑相比，它們在正常劑量下的聯(lián)合施用可以保持較低的排放并顯著提高的谷物產(chǎn)量[55]。在水稻生長季節(jié)，丁草胺（butachlor）的應(yīng)用顯著減少了58%的稻田CH4排放量（P=0.022）[56]。研究還發(fā)現(xiàn)，施用秸稈時生物炭通過降低產(chǎn)甲烷古細菌的有效碳含量來抑制CH4排放，高溫生物炭的抑制作用強于低溫生物炭;低溫生物炭（BC300）在不施秸稈的情況下，降低了土壤氧化還原電位（Eh），增加了產(chǎn)甲烷古細菌的豐度，促進了CH4的排放，而高溫生物炭（BC500、BC700）對CH4排放影響不大[57]。

除上述措施之外，有研究者提出利用免耕技術(shù)來減少CH4排放，調(diào)整耕作方式使土壤充分保持好氧狀態(tài)，能夠有效減少水稻生長季節(jié)CH4排放量。研究耕作措施對稻田CH4排放量的影響時發(fā)現(xiàn)，免耕（NT）顯著降低了10%～36%的CH4排放量[58]。研究耕作系統(tǒng)對雙季稻耕作體系中CH4排放影響的試驗結(jié)果表明，與常規(guī)耕作（CT）、旋耕（RT）處理相比，免耕顯著降低了稻田CH4的排放量（P<0.05）[59]。通過田間試驗研究耕作方式對稻田溫室氣體排放量的影響時發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)耕作相比，免耕顯著降低了27.3%的CH4排放量[60]。水稻生長初期對稻田進行加氣處理是減少CH4排放量的一種有效的措施，且已有研究證實水稻生長初期對稻田進行加氣，減少了13.3～16.2%的CH4排放量[7]。

2.2 稻田N2O減排措施

通過改善養(yǎng)分的管理方式，提高氮肥的利用效率，可以直接減少氮肥施用所造成的土壤N2O排放量[61]。已有研究表明，氮肥深施、與有機肥混施、少量頻施、葉面噴施氮肥等方式也可以減少N2O排放[62]。施用緩釋/控釋氮肥可以有效地減少農(nóng)田N2O排放量[63]。與碳酸氫銨和尿素相比，長效碳酸氫銨能減少76%左右的N2O排放量，緩釋尿素能減少58%左右的N2O排放量[64]。只有當緩釋/控釋氮肥的氮素釋放速率與作物對氮的需求速率需求比較同步時，緩釋/控釋肥才能降低N2O的排放，否則可能增加N2O的排放量。合成氮肥在稻田N2O排放中起主要作用，不同處理下的N2O排放總量從大到小為合成氮肥>糞肥>秸稈，合成氮肥、糞肥、秸稈分別占N2O直接排放總量（2000—2007年）的78%、15%、6%[65]。研究不同碳（C）/氮（N）比的有機殘留物作為化肥的替代物，對熱帶夏季稻田中N2O的排放和作物產(chǎn)量影響的結(jié)果表明，與常規(guī)氮肥、稻草（RS）、家禽糞肥（poultry manure，簡稱PM）和甘蔗渣（SCB）相比，10 t/hm2的牛糞（CD）施用導(dǎo)致季節(jié)性稻田N2O排放量最大限度地減少15%[45]。

施用尿酶抑制劑、硝化抑制劑、芐嘧磺隆抑制劑可以減少稻田N2O排放量。我國97%以上的化學(xué)氮肥是尿素、碳酸氫銨等銨態(tài)氮肥，尿酶抑制劑和硝化抑制劑對于減緩稻田N2O排放量的潛力巨大[66]。氫醌和雙氰胺是目前研究較多的尿酶/硝化抑制劑組合，與尿素混施應(yīng)用于稻田生態(tài)系統(tǒng)可減少10%～60%的N2O排放量[67-68]。在水稻生長季節(jié)，芐嘧磺隆的應(yīng)用顯著減少了27%的稻田N2O排放量[56]。

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的進步，通過使用土壤添加劑來減少溫室氣體的排放，也得到了逐漸廣泛的認可。在有氧條件下，植物材料的土壤改良劑添加，無論其C/N比如何，都會增加土壤N2O生產(chǎn)量;在厭氧的條件下，植物材料的添加可能會減少高達95%的土壤N2O排放量，這可能是由于NO3-硝化作用受到限制[69]。稻田土壤N2O的產(chǎn)生主要通過氧化還原過程和電子轉(zhuǎn)移來調(diào)節(jié)，研究證實，F(xiàn)e（Ⅱ）所貢獻的電子與硝酸鹽接受N2O產(chǎn)生的電子的比例分別為Fe（Ⅱ）濃度較低和較高的2種土壤中的43.7%和130.7%，超過100%的比率意味著由高Fe（Ⅱ）濃度貢獻的電子超過N2O生產(chǎn)的電子需求，這導(dǎo)致N2O進一步還原為N2[70]。

推廣秸稈直接還田和秸稈覆蓋技術(shù)，可以充分利用農(nóng)作物秸稈，也能達到很好的保水保肥效果，也能抑制N2O的釋放。因為作物秸稈具有低含氮量和高C/N的特點，它們在分解過程中凈同化無機氮，減少土壤進行硝化和反硝化作用基質(zhì);因此，隨著秸稈施用量的增加，凈同化的無機氮進一步增加，N2O排放進一步減少。合理地安排通氣和麥秸還田的時間可以有效減少稻田N2O排放量。通過田間試驗研究麥稈還田對溫室氣體排放的影響時發(fā)現(xiàn)，不同的水分條件下，麥秸的摻入使得稻田N2O排放量減少了19%～42%[71]。

2.3 稻田CO2減排措施

近年來生物炭的利用是農(nóng)田土壤固碳減排研究中的熱點。在研究生物炭對稻田土壤中CO2排放量的影響時發(fā)現(xiàn)，秸稈炭（straw charcoal）在減少水稻土CO2排放方面比竹炭（BC）更有效[46]。已有研究結(jié)果表明，生物炭施用能明顯改變土壤的理化性質(zhì)和微生物活性，進而減少農(nóng)田CO2的排放量[72]。除此之外，雞糞還田配施生物炭處理下稻田土壤CO2累積排放量顯著低于雞糞還田處理。通過降低土壤呼吸速率來減小稻田土壤CO2的排放也是值得探討的方法[73]。已有研究表明，控制土壤體積含水率可以有效減小稻田土壤呼吸速率。在處理間水分差異較大的生育階段，控制灌溉稻田土壤呼吸日變化幅度較大，且速率和變化幅度均要大于常規(guī)灌溉稻田，土壤呼吸速率隨著土壤體積含水率的增加表現(xiàn)為先增后減，在土壤體積含水率為43%時，土壤呼吸速率達到最大值[74]。

關(guān)于稻田CO2減排措施的研究較少，有少數(shù)研究涉及到耕作方式對稻田CO2排放量的影響，但試驗結(jié)果存在較大差異。例如，在中國湖北省武穴市進行的2年田間試驗發(fā)現(xiàn)，免耕顯著增加了22%～40%的稻田CO2排放量[58]。但是，在中國湖北省武穴市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研究農(nóng)場通過田間試驗研究耕作措施對稻田溫室氣體排放的影響時卻發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)耕作相比，免耕反而顯著降低了38.8%的CO2排放量[60]。因此，稻田CO2的減排措施有待進一步的研究。

3 展望

稻田的主要溫室氣體是CO2、CH4、N2O，但已有的節(jié)水灌溉稻田溫室氣體排放的研究主要關(guān)注CH4和N2O，較少地研究節(jié)水灌溉稻田CO2凈通量，對節(jié)水灌溉稻田3種溫室氣體排放進行綜合研究的報道并不多見。節(jié)水灌溉稻田CO2、CH4和N2O的綜合排放研究對于準確評估我國稻田的綜合溫室效應(yīng)具有重要意義。

評價某種減排措施對稻田溫室氣體的減排效果時應(yīng)該評價其對CO2、CH4和N2O的綜合效應(yīng)，而已有研究大多只關(guān)注該減排措施對1種或2種氣體的影響效果，缺乏其對3種溫室氣體排放的綜合影響效應(yīng)，這就可能導(dǎo)致錯誤的減排措施的提出。由此，后續(xù)研究應(yīng)該在綜合考慮3種溫室氣體綜合排放的基礎(chǔ)上制定合理的減排措施。

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