控制灌溉稻田CH4排放的影響因子分析

侯會靜，楊士紅，徐俊增(. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 700； . 河海大學水利水電學院，南京 0098)

1 研究背景

CH4是大氣中最主要的溫室氣體之一，其溫室效應僅次于CO2，100年尺度上的全球增溫潛勢是CO2的25倍[1]。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告(AR5)[2]采用大量、獨立的數據進一步明確了自工業革命以來，大氣中CO2，CH4和N2O濃度顯著增加，CH4濃度增加最多，增加了150%，2011年的濃度為1 803 ppb。而化石燃料的燃燒、土地利用變化等人類活動是導致溫室氣體濃度增加的主要原因。AR5評估認為，在CH4總排放量中，人為排放占50%～65%。稻田是CH4的主要排放源之一[3]，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[4]。由于灌溉水稻面積的持續增加，水稻的CH4排放量將會在2005-2020年間增加16%[1]。因此，稻田CH4排放一直是研究的熱點之一。

1985年至今，國內外學者對稻田CH4排放規律及影響因素等進行了大量的研究[5-9]，隨著控制灌溉等節水灌溉技術的大面積推廣應用，對間歇灌溉和控制灌溉等節水灌溉稻田的CH4排放的研究也陸續開展，并取得了一些科研成果[10-13]。控制灌溉對土壤水分的持續調控導致了田間水分變化的多樣性，增加了稻田干濕交替的頻率，整個稻季70%～80%的時間內稻田土壤處于脫水狀態[14]。稻田土壤水分的變化勢必導致土壤理化性質的改變，從而影響稻田CH4排放。但是，以往的研究大多關注控制灌溉對稻田CH4排放特征的影響[12,15,16]，有關控制灌溉對稻田CH4排放影響機理的研究鮮見報道。本文重點分析土壤水分狀況、土壤溫度、土壤氧化還原狀況對稻田CH4排放的影響，揭示水稻控制灌溉對稻田CH4排放的影響機理，旨在為制定農田CH4減排措施提供理論依據。

2 材料與方法

2.1 試驗區概況

試區位于河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室昆山試驗研究基地內，為太湖流域水網地區低洼平原，屬于亞熱帶南部季風氣候區，土壤類型為潴育型黃泥土，耕層土壤為重壤土，0～18 cm土層土壤有機質含量21.88 g/kg，全氮含量1.03 g/kg，全磷含量1.35 g/kg，全鉀含量20.86 g/kg，pH值7.4。

2.2 試驗設計

試驗設置2種灌水處理：控制灌溉(Controlled Irrigation，簡記為 CI)及常規灌溉(Traditional Irrigation，簡記為TI)，每個處理設置3個重復，共計6個小區，進行了2009-2010年2 a試驗。試驗安排在地中排水式蒸滲儀中進行，蒸滲儀小區面積為5 m2(2 m×2.5 m)。小區中央離田埂0.5 m處預埋方形硬塑料底座(50 cm×50 cm)，底座嵌入土壤5 cm深，作為采樣點，用于放置人工采樣靜態箱。

控制灌溉稻田在返青期持有5～25 mm薄水層，此后除施肥、打藥、除草等生產性要求外不再建立灌溉水層，以根層土壤含水率作為灌水的調控指標(表1)，確定灌水時間和灌水定額，而常規灌溉稻田在水稻分蘗后期曬田，黃熟期自然落干，全生育期的其他時間均保持3～5 cm深的淺水層。供試水稻品種為南粳46，施肥與農民習慣施肥相同，先后施加基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥，分別采用復合肥(N:∶P2O5∶ K2O=15∶15∶15)和碳酸氫銨(N含量17%)作為基肥和返青肥，尿素(N含量46.2%)作為分蘗肥和穗肥，2009-2010年施入的純氮量分別為250.0和302.70 kg/hm2。

表1 水稻控制灌溉各生育期階段根層土壤水分控制指標

注：θs1、θs2和θs3分別為0～20、0～30和0～40 cm根層觀測深度土壤飽和含水率。

2.3 田間采樣及通量計算

采用密閉靜態箱原位采集氣樣[14]，箱體包括中段箱和頂箱2部分，尺寸均為50 cm×50 cm×60 cm。中段箱頂部有密封用水槽，用于水稻生長后期加層。2009-2010年采樣分別從水稻插秧后第5 d，第2 d開始，每隔3～4 d采樣1次，施肥后加測，每2 d 1次，9月份以后取樣間隔為1周左右；取樣時間均為上午10∶00～11∶00。采用Trase系統(美國Soil Moisture公司)觀測土壤含水率，采用豎尺讀取水層深度；采用WQG-16曲管式地溫計觀測土壤溫度；用QX6530智能便攜式氧化還原電位儀(中國科學院南京土壤研究所)觀測土壤氧化還原電位Eh，配套的電極于觀測前半小時插入土壤，每個小區插入1個參比電極和6個鉑電極。CH4濃度采用安捷倫氣相色譜分析儀(Agilent 7890A-0468)測定，參照文獻[14]方法計算CH4排放通量。

2.4 數據分析

采用Excel 2010和DPS數據處理軟件對試驗數據進行統計分析，顯著性分析采用最小顯著性差異(LSD)法。

3 結果與分析

3.1 土壤水分對CH4排放的影響

不同灌溉模式下稻田土壤水分狀況對稻田CH4季節排放規律的影響非常明顯，控制灌溉稻田CH4排放的峰值大多出現在土壤脫水后第1～2 d，土壤接近飽和狀態(土壤充水孔隙率WFPS為99.0%～99.8%)時，但是隨著土壤脫水的持續進行，CH4排放通量迅速減小，復水后略有增大(圖1)。例如，控制灌溉稻田的CH4排放的主峰值[5.28 mg/(m2·h)]出現在土壤首次脫水后第2 d(16 DAT)，對應的土壤水分WFPS為99.2%；隨著土壤脫水的持續進行，21 DAT的WFPS下降到82.6%，CH4排放通量也從主峰值迅速減小到21 DAT的0.05 mg/(m2·h)，減小了99.1%，21 DAT復水后增大，復水后第4 d，CH4排放通量增大到25 DAT的0.51 mg/(m2·h)，是21 DAT的10.2倍，但無法恢復到土壤脫水以前的排放水平。隨著土壤再次進入脫水-復水過程，CH4排放通量也開始了新一輪的急劇增大又急劇減小再迅速回升的動態響應。

可見，控制灌溉稻田田表水層消失后的微弱脫水狀態導致了CH4短暫的劇烈排放，而土壤持續脫水則導致CH4排放通量迅速減小。可能的原因是田表水層的消失明顯改善了CH4排放的途徑，導致淹水期間已經閉蓄在土壤中的CH4大量釋放；但是土壤持續脫水破壞了稻田CH4產生所需的厭氧環境，顯著抑制了稻田CH4排放[3,17,18]，這也是控制灌溉稻田顯著減少CH4排放量的主要原因。此外，控制灌溉土壤的脫水-復水過程對稻田CH4排放通量的影響在水稻分蘗前期和中期更為明顯(圖1)，自水稻分蘗末期開始，控制灌溉稻田土壤水分多處于脫水狀態，CH4排放通量持續很小，并且多次出現負值，脫水-復水過程對稻田CH4排放通量的影響不明顯。

常規灌溉稻田在分蘗后期曬田期間和水稻黃熟期的土壤脫水同樣導致了CH4排放通量明顯減小，這與以往的研究結果一致[3,19-24]；曬田結束復水后CH4排放通量有所增加，但明顯小于曬田之前的數值(圖1)。例如，常規灌溉稻田CH4排放通量在曬田開始(37 DAT)后迅速減小，隨著土壤脫水的持續進行，39 DAT的WFPS下降到83.2%，CH4排放通量也從35 DAT的6.44 mg/(m2·h)迅速減小到39 DAT的0.33 mg/(m2·h)，減小了94.9%；曬田結束時(47 DAT)，CH4排放通量為-0.12 mg/(m2·h)，復水后增加到49 DAT的0.27 mg/(m2·h)，但之后48～63 DAT這段時間一直維持在較低的排放水平，平均排放通量僅為0.29 mg/(m2·h)，直到拔節孕穗末期才有較為明顯的增加。Zou等[18]也發現分蘗末期曬田可以有效地減少稻田CH4排放，比持續淹水稻田CH4排放量降低了65%，且復水后CH4排放保持較低的水平。此外，常規灌溉稻田黃熟期(108～124 DAT)的水分落干對CH4排放通量的影響沒有曬田劇烈，可能的原因是：①水稻生育后期供產甲烷用的土壤有機質含量已經很低；②黃熟期氣溫明顯已經下降，產甲烷菌活性降低；③土壤水分變化非常緩慢，常規灌溉稻田在124 DAT的WFPS平均為91.9%，土壤仍處于較為濕潤狀態。

3.2 土壤溫度對CH4排放的影響

不同灌水模式下稻田CH4排放通量與表層土壤溫度總體上具有一定的同步性，在水稻生育前期土溫較高的階段，CH4排放通量同樣較高，水稻生育后期土壤溫度逐漸降低，稻田CH4排放通量也維持在較低的排放水平(圖2)。

以2010年稻季為例，隨著表層5 cm土溫從21 DAT的27.0 ℃上升到25 DAT的30.0 ℃，控制灌溉稻田的CH4排放通量從0.08 mg/(m2·h)增大到0.21 mg/(m2·h)，增大了1.5倍；而常規灌溉稻田的CH4排放通量隨著表層5cm土溫從21 DAT的26.5 ℃上升到25 DAT的29.5 ℃，從3.66 mg/(m2·h)增大到18.41 mg/(m2·h)，增大了4.0倍。Yagi和Minami(1990年)[25]也發現稻田CH4排放量與5 cm處土層溫度密切相關。本研究發現，2009年控制灌溉稻田CH4排放通量的峰值出現在表層5 cm土溫為29.5～30.8 ℃，高于常規灌溉稻田CH4排放通量的峰值出現的表層土溫(28.6～30.1 ℃)；2010年控制灌溉稻田CH4排放通量的峰值出現在表層5 cm土溫為26.5～28 ℃，低于常規灌溉稻田CH4排放通量的峰值出現的表層土溫(27.5～29.5 ℃)(圖2)。由此可以初步推測，表層土溫對控制灌溉稻田CH4排放通量的影響并不是決定性的。

圖2 不同灌溉調控下稻田CH4排放通量與表層土溫(江蘇昆山，2009-2010)

相關分析顯示，水稻全生育期控制灌溉稻田CH4排放通量與表層5 cm土溫無顯著相關關系(p>0.05)(圖3)，且CH4劇烈排放階段的通量值(DAT≤21)與5 cm土溫也無顯著相關關系；而常規灌溉稻田淹水階段CH4排放通量與表層5 cm土溫顯著正相關(p<0.05)。以曬田為界，常規灌溉稻田曬田之前的CH4排放通量與表層5 cm土溫呈極顯著正指數相關關系(p<0.001)(圖4)。這說明常規灌溉稻田CH4排放通量受表層土溫的影響比控制灌溉稻田大。此外，相關分析的結果還表明表層土溫不是控制灌溉稻田CH4排放的決定性影響因素。已有土壤溫度對稻田CH4排放季節變化影響的報道不一。由于稻田CH4排放是很多因素共同作用的結果，只有土壤溫度在較大的范圍內變動而其他因素比較穩定且不存在CH4產生的限制因子時，土壤溫度對CH4排放的影響才能顯示出來[26]。

圖3 不同灌溉調控下稻田CH4排放通量與表層土溫的關系(江蘇昆山，2009-2010)

圖4 曬田之前常規灌溉稻田CH4排放通量與表層土溫的關系(江蘇昆山，2009-2010)

3.3 土壤氧化還原電位(Eh)對CH4排放的影響

水稻全生育期絕大部分時間內控制灌溉稻田的Eh值高于常規灌溉稻田，尤其是控制灌溉稻田無水層管理之后，控制灌溉稻田的Eh值明顯高于常規灌溉稻田；常規灌溉稻田淹水階段土壤的Eh值很小，多為負值，而曬田及黃熟期水分落干導致了Eh值顯著增大(圖5)。

不同水稻灌溉模式調控下稻田CH4排放通量的季節變化與土壤Eh變化的關系非常密切，呈現出相反的變化趨勢(圖5)。以2010年稻季為例，隨著土壤Eh值從6 DAT的44.34 mV下降到16 DAT的-97.73 mV，控制灌溉稻田的CH4排放通量從0.26 mg/(m2·h)增大到5.45 mg/(m2·h)，增大了20.0倍；而當Eh值回升到21 DAT的185.81 mV時，控制灌溉稻田的CH4排放通量驟然減小到0.08 mg/(m2·h)，減小了98.5%。常規灌溉稻田CH4排放通量隨著土壤Eh值從21 DAT的-64.13 mV下降到25 DAT的-143.70 mV，其值從3.66 mg/(m2·h)增大到18.41 mg/(m2·h)；而曬田開始后，隨著土壤脫水程度的加劇，Eh值從35 DAT的-69.29 mV上升到41 DAT的223.47 mV，常規灌溉稻田CH4排放通量從4.45 mg/(m2·h)驟然減小到0.31 mg/(m2·h)。

圖5 不同灌溉調控下稻田CH4排放通量與土壤Eh值(江蘇昆山，2009-2010)

本研究還發現，控制灌溉稻田CH4排放通量的主峰值出現在Eh為-90.90和-97.73 mV，而常規灌溉稻田CH4排放通量的峰值主要出現在-143.70～ -104.12 mV，當土壤Eh高于100 mV時，稻田沒有明顯的CH4排放，甚至出現負值(圖5)。這與以往的研究結論相似，例如，Hou等(2000年)[27]通過田間試驗發現CH4的劇烈釋放出現在土壤Eh低于-100 mV時，Towprayoon等(2005年)[28]的研究也證實了這個結論。已有研究還表明，當土壤Eh為正時，稻田還是有一定數量的CH4排放，這可能是由土壤的不均勻性導致土壤Eh的較大空間變異引起的，另一個原因是CH4可能在土壤Eh大于-150 mV時即已產生。可見，CH4的劇烈釋放必須在土壤Eh下降到-100～-150 mV，控制灌溉稻田土壤Eh值不在該適宜范圍之內，最小Eh值也只是接近-100 mV，所以，控制灌溉稻田的氧化還原條件不適宜CH4的產生。

水稻生長前期(DAT≤21)，控制灌溉稻田CH4集中排放階段的通量值與土壤Eh值呈極顯著負指數相關關系(p<0.001)，常規灌溉稻田淹水階段的CH4排放通量與土壤Eh值也呈極顯著負指數相關關系(p<0.001)(圖6)。溫室盆栽實驗發現非水稻生長期排水良好的土壤淹水種稻后，土壤Eh逐漸下降，土壤排放量從零逐漸增加，并且水稻生長期CH4排放通量和土壤Eh之間呈現顯著的負相關性，當土壤Eh尚未下降到足夠低時，它是控制土壤CH4產生量的主要因素[29]。但也有研究者認為在田間條件下，土壤Eh的測定值與CH4排放通量之間常常無顯著相關性[30]。

圖6 不同灌溉調控下稻田CH4排放通量與土壤Eh值的相關關系(江蘇昆山，2009-2010)

4 結 語

本文研究水稻控制灌溉對稻田CH4排放的影響機理，主要結果與結論如下。

(1)不同灌溉模式調控下的土壤水分狀況是導致稻田CH4季節排放規律顯著差異的主要因素。控制灌溉稻田田表水層消失后的微弱脫水狀態導致了CH4短暫的劇烈排放，CH4排放的峰值大多出現在土壤脫水后第1～2 d土壤接近飽和狀態(WFPS為99.0%～99.8%)時，而土壤持續脫水則導致CH4排放通量迅速減小。

(2)控制灌溉稻田CH4集中排放階段(DAT≤21)的通量值與土壤Eh值呈極顯著負指數相關關系(p<0.001)。CH4的劇烈釋放必須在土壤Eh下降到-100～-150 mV，當土壤Eh高于100 mV時，稻田沒有明顯的CH4排放，甚至出現負值。控制灌溉稻田土壤Eh最小值也只是接近-100 mV，從而導致控制灌溉稻田的氧化還原條件不適宜CH4的產生。

(3)控制灌溉稻田CH4排放通量受表層土溫的影響比常規灌溉稻田小，控制灌溉稻田CH4排放通量與表層5 cm土溫呈正相關關系，但相關性不顯著性；而常規灌溉稻田淹水階段CH4排放通量與表層5 cm土溫顯著正相關(p<0.05)，且曬田之前的CH4排放通量與表層5 cm土溫呈極顯著正相關關系(p<0.001)。

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