节水灌溉的稻田温室气体排放研究综述

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　　摘要：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是3种主要的温室气体，大气中温室气体浓度的持续升高导致全球变暖和臭氧层破坏问题日益严峻。稻田生态系统是温室气体的重要排放源。随着水稻节水灌溉技术的大面积推广应用，节水灌溉对稻田温室气体排放产生的影响受到了广泛的关注。本文综述了节水灌溉的稻田温室气体的排放特征及减排措施，为节水灌溉稻田温室气体排放的后续研究指明了方向，也为我国稻田节能减排的综合调控提供了科学指导和技术支撑。
　　关键词：节水灌溉;稻田;温室气体排放;减排措施
　　中图分类号： S274  文献标志码： A
　　文章编号：1002-1302（2019）16-0019-05
　　温室气体引起的全球变暖和臭氧层破坏是当今世界备受关注的环境问题[1]。二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是大气中3种主要的温室气体。由于CO2、CH4、N2O等温室气体的排放，全球气候暖化效应在1990年至2012年间增加了32%。自工业化时代以来，人类活动引起的全球温室气体排放持续增加，2011年大气中CO2、CH4、N2O的浓度分别达到391、1 803、324 nL/L，分别比工业化前的浓度增加了40%、150%、20%[2]。農田生态系统是温室气体的重要排放源，农业活动产生的CH4和N2O分别占全球人为排放总量的52%、60%[3-4]，CO2是农业温室气体排放的主要成分之一，其在稻田生态系统的排放也不容忽视[5-6]。在我国，水稻种植面积占全球的20%，总产量占全球的30%[7]。因此，研究我国稻田的温室气体排放量，对制定农田温室气体减排措施和缓解全球变暖等具有重要的理论及现实意义。
　　自20世纪80年代以来，各种水稻节水灌溉技术得到了大面积的推广应用。在水稻某些生育期，稻田田面在一段时间内保持无水层或土壤含水量低于其饱和含水量，此时田间的土壤水分状况不同于传统的淹水灌溉稻田[8-9]。节水灌溉稻田土壤水分状况的改变导致了其温室气体排放不同于传统淹水稻田。随着水稻节水灌溉技术的大面积推广应用，节水灌溉对稻田温室气体排放产生的影响受到了广泛的关注，并成为相关学科的研究热点。目前，国内外针对节水灌溉稻田温室气体排放的研究已经取得了一些进展和成果，本文综述了节水灌溉的稻田温室气体排放的国内外研究进展，提出了当今研究中的不足之处，为节水灌溉稻田温室气体排放的后续研究指明了方向，也为我国稻田节能减排的综合调控提供科学指导和技术支撑。
　　1 节水灌溉对稻田温室气体排放的影响
　　1.1 节水灌溉对稻田CH4排放的影响
　　稻田是CH4的主要排放源之一，而随着水稻种植面积的不断增加，稻田CH4排放量将进一步增大[10]。国内外学者针对稻田CH4排放的排放特征及影响因素进行了大量研究，发现稻田CH4排放主要受土壤理化特性、水稻生长及其品种、施肥种类、耕作制度、土壤水分状况及水分管理等因素的影响[11-16]。水分管理是影响稻田CH4排放的最重要因素之一[13，17-18]，通过影响土壤通透性及氧化还原状态，影响稻田CH4的产生、排放及氧化[19]。
　　淹水（至少是水分饱和）是稻田产生和实质性排放CH4的先决条件，大量的研究表明水稻生长期持续淹水有利于CH4的产生和排放，节水灌溉能够明显减少稻田CH4的排放量[20-22]。与持续淹水相反，晒田及干湿交替的水分管理模式抑制了稻田CH4的产生，能大量减少稻田CH4的排放[12，20，23]。例如，在减少70%的灌溉用水的情况下，田间试验结果证实干湿交替灌溉比持续淹水灌溉减少了97%的稻田CH4排放量[20]。我国江苏省昆山排灌试验站2009—2011年的田间试验结果表明，控制灌溉较常规灌溉可以极显著减少稻田CH4排放量（P<0.01），减少幅度可达83.5%[24-25]。研究证实，间歇灌溉也可以显著减少稻田的CH4排放量，但不同研究中间歇灌溉对稻田CH4排放量的减少幅度存在较大差异。例如，我国江苏省句容市2007年的田间试验结果显示，与持续淹水相比，间歇灌溉将季节性CH4生产潜力降低了45%，但将CH4的部分氧化率提高了45%～63%，从而使稻田季节性CH4排放量减少71%[26]。韩国江原道省2010年的试验结果表明，连续淹水的稻田中排出了大量的CH4（14.5 mol/m2），而淹水较少的稻田CH4排放量减少30%～60%[27]。在寒地黑土稻田中进行试验时发现，CH4排放在分蘖期达到峰值，实施水田淹灌的CH4累计排放量为 6.46 g/m2，间歇灌溉的累计排放量为5.47 g/m2[28]。2012—2013年在中国吉林省西部的田间试验结果显示，与连续淹水灌溉相比，间歇灌溉稻田的平均CH4排放通量较低（耕作期为1年和57年的稻田分别减少了22.81%和23.62%）[29]。研究3种灌溉管理形式[normal amount（NA），70% of NA（NA 70%），30% of NA（NA 30%）]对水稻生长季CH4排放的影响时发现，NA 70%使CH4排放量减少30.3%～53.3%，而NA 30%使CH4排放量相对NA减少51.0%～76.7%[30]。节水地面覆盖水稻生产系统（water-saving ground cover rice production system，简称GCRPS）的年CH4排放量可减少69%[31]。在15 cm阀值干湿交替灌溉（alternate wetting and drying at 15 cm threshold for irrigation，简称AWD15）条件下，CH4排放量比传统灌溉降低37.4%～45.7%，同时减少了灌溉水量，且水稻产量变化不大[32]。
　　1.2 节水灌溉对稻田N2O排放的影响
　　旱地和非饱和水稻土是N2O排放的重要产生源，节水灌溉稻田N2O排放是农田温室气体排放研究的热点之一。关于水稻节水灌溉模式对N2O排放季节变化的影响，前人已经做了大量的研究[8，20，33]。结果表明，持续淹水稻田N2O排放量很低，很多研究中对其忽略不计[34]，这也是早期关于农田N2O排放的研究主要集中在旱作农田的原因;晒田及干湿交替可以加剧稻田N2O排放[35-36]，但N2O排放量的增加幅度由晒田及土壤脱水程度决定[37]。节水灌溉较持续淹水灌溉显著增加了稻田N2O排放量[18]。田间试验结果证实了节水灌溉较持续淹水灌溉增加了533%的稻田N2O排放量[35];控制灌溉较常规灌溉增加了135.4%～136.9%的稻田N2O排放量[8，24]。与常规稻田相比，利用节水地覆盖水稻生产系统（GCRPS）技术的稻田，每年的N2O排放量和粮食产量分别增加40%和9%[31]。间歇灌溉稻田的N2O累积排放量为 68.47 mg/m2，较淹灌稻田N2O累积排放量增加了 85.66%[28]。此外，在90%含水孔隙率（WFPS）时的土壤N2O累积排放量分别为40% WFPS和60% WFPS时的7.84倍和1.44倍[38]。 　　水稻节水灌溉模式的应用能够明显减少稻田CH4的排放量，同时增大了稻田N2O排放量，两者之间具有明显的“消- 长”关系[1]。已有研究结果表明，节水灌溉较持续淹水灌溉减少了78%的CH4排放量，但增加了533%的稻田N2O排放量，综合增温潜势减少了78%[35]。控制灌溉模式可减少81.2%～82.8%的稻田CH4排放量，增加121.8%～144.3%的N2O排放量，综合增温潜势减少了15.0%～34.8%[1]。
　　1.3 节水灌溉对稻田CO2排放的影响
　　稻田CO2净通量是经稻田排放（土壤呼吸与植物呼吸）与CO2固定（植物光合作用）之后稻田与大气之间的CO2通量。我国农业系统总体趋势是CO2排放量逐渐增加，但是固碳速率却很低[39]。土壤水分通过影响土壤通气状况来影响CO2排放，土壤含水量的多少可直接影响CO2在土壤水中的溶解量以及在土壤孔隙中的扩散速率，进而影响CO2排放。由于传统灌溉稻田长期处于淹水厌氧状态，稻田CO2净通量、土壤呼吸变化及其变化程度相对较小，因此，已有对农田CO2排放的研究主要集中在北方旱田，针对稻田的研究相对较少。
　　田间试验结果证实，不同土壤水分條件下稻田CO2通量日变化趋势相似，呈“U”型变化，水稻生育前期复水后稻田CO2通量值较复水前大，水稻生长中后期，土壤水分状况对稻田CO2通量的日变化影响较小[40]。与连续淹水灌溉相比，间歇灌溉稻田的CO2排放通量更高（耕作期为1年和57年的稻田分别增加了24.84%和32.39%）[29]。在无外加碳源的条件下，节水灌溉稻田土壤有机碳含量降低，且土壤溶解性有机碳含量增加[41-42]。土壤干湿交替可以加速碳的矿化作用[43]。土壤有机碳含量的变化势必会引起碳排放的改变，但节水灌溉对稻田生态系统CO2排放影响的研究很少，仅有少数研究涉及节水灌溉对稻田土壤CO2排放的影响。例如，利用土壤碳通量自动测量系统研究间歇灌溉对稻田土壤CO2排放的影响时发现，间歇灌溉的稻田土壤CO2排放量较持续淹水稻田减少了65%～104%[18]。
　　2 稻田温室气体减排措施
　　随着大气中温室气体浓度的增加和全球变暖的加剧，迫切需要开展农田生态系统温室气体减排措施的研究来缓解环境、生态和社会的压力。关于农田温室气体减排措施的研究已有很多，主要集中在水分管理、肥料管理、固碳措施和抑制剂的应用等方面[24，44-46]。
　　2.1 稻田CH4减排措施
　　水稻生长期以间歇灌溉、干湿交替灌溉等节水灌溉模式取代传统淹水灌溉，可以有效地减少稻田CH4排放。例如，间歇灌溉能够增强土壤通气性，有利于提高土壤的氧化还原电位，从而抑制产甲烷菌的活动，并减少稻田CH4的排放[47]。研究不同水分管理措施对稻田温室气体的排放影响时发现，与持续淹灌（CF）相比，淹水-湿式间歇灌溉（flooded and wet intermittent irrigation，简称FWI）和淹水-干旱间歇灌溉（flooded and dry intermittent irrigation，简称FDI）的灌溉方式分别使CH4排放量减少了60%和83%[18]。泰国巴真府水稻研究中心（Prachin Buri Rice Research Center，简称PRRC）3年的稻田田间试验结果显示，干湿交替灌溉（alternate wetting and drying，简称ADW）和现场特定干湿交替灌溉（site-specific AWD，简称AWDS）分别比持续灌溉减少了42%和34%的总用水量（灌溉+降雨量），且干湿交替灌溉的稻田平均CH4排放量比持续灌溉稻田减少49%[48]。此外，研究秸秆还田和生活污水灌溉对CH4排放的综合影响时发现，与自来水灌溉处理相比，生活污水灌溉可减少秸秆还田24.5%～26.6%的CH4排放量[49]。
　　通过合理的施肥措施可以在不降低水稻产量的基础上减少稻田CH4的排放量。大量研究发现，以沼渣肥和堆肥等低C/N的有机肥代替稻草、绿肥等新鲜高C/N比的有机肥可以大大地减少稻田CH4排放[50-51]，无机肥深施也可以减少稻田CH4排放[52]。长期施用无机肥有助于增加水稻季节的CH4排放量，施用无机肥可以使净年度全球增温潜势（global warming potential，简称GWP）略有增加，而无机/有机肥联合施用则显著提高了无机肥的使用量[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，简称DMPP）水平的氮肥和尿素的稻田进行对比试验，结果发现与单独施用尿素肥料相比，所有的DMPP处理都显著降低了CH4排放量，使其从54%降至34%[53]。
　　已有研究表明，研制和应用各种CH4抑制剂或添加剂也是减少稻田CH4排放的可能途径，肥料型的CH4抑制剂如碳化钙胶囊能使稻田CH4排放量降低90.8%[54]。此外，以正常剂量除草剂的联合施用代替单独施用可以大大地降低稻田CH4排放量。虽然单独施用除草剂0.6%苄嘧磺隆（bensulfuron-methyl，简称BSM）或6.0%丙草胺可以减少种植了水稻的淹水土壤中的N2O和CH4排放，但与单独施用除草剂相比，它们在正常剂量下的联合施用可以保持较低的排放并显著提高的谷物产量[55]。在水稻生长季节，丁草胺（butachlor）的应用显著减少了58%的稻田CH4排放量（P=0.022）[56]。研究还发现，施用秸秆时生物炭通过降低产甲烷古细菌的有效碳含量来抑制CH4排放，高温生物炭的抑制作用强于低温生物炭;低温生物炭（BC300）在不施秸秆的情况下，降低了土壤氧化还原电位（Eh），增加了产甲烷古细菌的丰度，促进了CH4的排放，而高温生物炭（BC500、BC700）对CH4排放影响不大[57]。
　　除上述措施之外，有研究者提出利用免耕技术来减少CH4排放，调整耕作方式使土壤充分保持好氧状态，能够有效减少水稻生长季节CH4排放量。研究耕作措施对稻田CH4排放量的影响时发现，免耕（NT）显著降低了10%～36%的CH4排放量[58]。研究耕作系统对双季稻耕作体系中CH4排放影响的试验结果表明，与常规耕作（CT）、旋耕（RT）处理相比，免耕显著降低了稻田CH4的排放量（P<0.05）[59]。通过田间试验研究耕作方式对稻田温室气体排放量的影响时发现，与常规耕作相比，免耕显著降低了27.3%的CH4排放量[60]。水稻生长初期对稻田进行加气处理是减少CH4排放量的一种有效的措施，且已有研究证实水稻生长初期对稻田进行加气，减少了13.3～16.2%的CH4排放量[7]。 　　2.2 稻田N2O减排措施
　　通过改善养分的管理方式，提高氮肥的利用效率，可以直接减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、与有机肥混施、少量频施、叶面喷施氮肥等方式也可以减少N2O排放[62]。施用缓释/控释氮肥可以有效地减少农田N2O排放量[63]。与碳酸氢铵和尿素相比，长效碳酸氢铵能减少76%左右的N2O排放量，缓释尿素能减少58%左右的N2O排放量[64]。只有当缓释/控释氮肥的氮素释放速率与作物对氮的需求速率需求比较同步时，缓释/控释肥才能降低N2O的排放，否则可能增加N2O的排放量。合成氮肥在稻田N2O排放中起主要作用，不同处理下的N2O排放总量从大到小为合成氮肥>粪肥>秸秆，合成氮肥、粪肥、秸秆分别占N2O直接排放总量（2000—2007年）的78%、15%、6%[65]。研究不同碳（C）/氮（N）比的有机残留物作为化肥的替代物，对热带夏季稻田中N2O的排放和作物产量影响的结果表明，与常规氮肥、稻草（RS）、家禽粪肥（poultry manure，简称PM）和甘蔗渣（SCB）相比，10 t/hm2的牛粪（CD）施用导致季节性稻田N2O排放量最大限度地减少15%[45]。
　　施用尿酶抑制剂、硝化抑制剂、苄嘧磺隆抑制剂可以减少稻田N2O排放量。我国97%以上的化学氮肥是尿素、碳酸氢铵等铵态氮肥，尿酶抑制剂和硝化抑制剂对于减缓稻田N2O排放量的潜力巨大[66]。氢醌和双氰胺是目前研究较多的尿酶/硝化抑制剂组合，与尿素混施应用于稻田生态系统可减少10%～60%的N2O排放量[67-68]。在水稻生长季节，苄嘧磺隆的应用显著减少了27%的稻田N2O排放量[56]。
　　随着农业技术的进步，通过使用土壤添加剂来减少温室气体的排放，也得到了逐渐广泛的认可。在有氧条件下，植物材料的土壤改良剂添加，无论其C/N比如何，都会增加土壤N2O生产量;在厌氧的条件下，植物材料的添加可能会减少高达95%的土壤N2O排放量，这可能是由于NO3-硝化作用受到限制[69]。稻田土壤N2O的產生主要通过氧化还原过程和电子转移来调节，研究证实，Fe（Ⅱ）所贡献的电子与硝酸盐接受N2O产生的电子的比例分别为Fe（Ⅱ）浓度较低和较高的2种土壤中的43.7%和130.7%，超过100%的比率意味着由高Fe（Ⅱ）浓度贡献的电子超过N2O生产的电子需求，这导致N2O进一步还原为N2[70]。
　　推广秸秆直接还田和秸秆覆盖技术，可以充分利用农作物秸秆，也能达到很好的保水保肥效果，也能抑制N2O的释放。因为作物秸秆具有低含氮量和高C/N的特点，它们在分解过程中净同化无机氮，减少土壤进行硝化和反硝化作用基质;因此，随着秸秆施用量的增加，净同化的无机氮进一步增加，N2O排放进一步减少。合理地安排通气和麦秸还田的时间可以有效减少稻田N2O排放量。通过田间试验研究麦秆还田对温室气体排放的影响时发现，不同的水分条件下，麦秸的掺入使得稻田N2O排放量减少了19%～42%[71]。
　　2.3 稻田CO2减排措施
　　近年来生物炭的利用是农田土壤固碳减排研究中的热点。在研究生物炭对稻田土壤中CO2排放量的影响时发现，秸秆炭（straw charcoal）在减少水稻土CO2排放方面比竹炭（BC）更有效[46]。已有研究结果表明，生物炭施用能明显改变土壤的理化性质和微生物活性，进而减少农田CO2的排放量[72]。除此之外，鸡粪还田配施生物炭处理下稻田土壤CO2累积排放量显著低于鸡粪还田处理。通过降低土壤呼吸速率来减小稻田土壤CO2的排放也是值得探讨的方法[73]。已有研究表明，控制土壤体积含水率可以有效减小稻田土壤呼吸速率。在处理间水分差异较大的生育阶段，控制灌溉稻田土壤呼吸日变化幅度较大，且速率和变化幅度均要大于常规灌溉稻田，土壤呼吸速率随着土壤体积含水率的增加表现为先增后减，在土壤体积含水率为43%时，土壤呼吸速率达到最大值[74]。
　　关于稻田CO2减排措施的研究较少，有少数研究涉及到耕作方式对稻田CO2排放量的影响，但试验结果存在较大差异。例如，在中国湖北省武穴市进行的2年田间试验发现，免耕显著增加了22%～40%的稻田CO2排放量[58]。但是，在中国湖北省武穴市华中农业大学研究农场通过田间试验研究耕作措施对稻田温室气体排放的影响时却发现，与常规耕作相比，免耕反而显著降低了38.8%的CO2排放量[60]。因此，稻田CO2的减排措施有待进一步的研究。
　　3 展望
　　稻田的主要温室气体是CO2、CH4、N2O，但已有的节水灌溉稻田温室气体排放的研究主要关注CH4和N2O，较少地研究节水灌溉稻田CO2净通量，对节水灌溉稻田3种温室气体排放进行综合研究的报道并不多见。节水灌溉稻田CO2、CH4和N2O的综合排放研究对于准确评估我国稻田的综合温室效应具有重要意义。
　　评价某种减排措施对稻田温室气体的减排效果时应该评价其对CO2、CH4和N2O的综合效应，而已有研究大多只关注该减排措施对1种或2种气体的影响效果，缺乏其对3种温室气体排放的综合影响效应，这就可能导致错误的减排措施的提出。由此，后续研究应该在综合考虑3种温室气体综合排放的基础上制定合理的减排措施。
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