不同節水灌溉方式下的黑龍江省水稻節水減排潛力評估

王光耀，劉 巍，雷 波，杜麗娟，徐征和

（1.濟南大學水利與環境學院，濟南 250022；2.中國水利水電科學研究院水利所，北京 100048；3.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048）

0 引 言

實現糧食安全與農業可持續發展是聯合國21 世紀發展重要議程——可持續發展目標的核心，農業對于國民經濟發展有著至關重要的作用。據估計，中國由農業產生的溫室氣體排放占全國溫室氣體排放總量的17%左右[1]，水稻是主要的排放源之一。黑龍江省是我國水稻主要生產區之一，2021 年，黑龍江省水稻播種面積達到387 萬hm2，占東北平原地區的74.14%，占中國水稻種植面積的12.92%。水稻傳統淹灌模式不僅會排放大量CH4，也會浪費大量農業用水[2]。國內外大量的研究表明水稻生長期持續淹水有利于CH4的產生和排放，節水灌溉能夠抑制水稻CH4的產生，有效降低水稻CH4的排放[3-8]。因此，探索不同節水灌溉方式對制定水稻節水減排措施和緩解溫室效應具有重要意義。

目前，水稻主要的節水灌溉方式包括濕潤灌溉（Moistening Irrigation，MI）、干濕交替灌溉（Alternate Wetting and Drying，AWD）、間歇灌溉（Intermission Irrigation，II）、控制灌溉（Control Irrigation，CI）等，研究者們對不同灌溉方式下水稻的生長[9]、產量[10]、品質[11,12]、效益[13]以及溫室氣體減排[14]等方面進行了研究，例如：張志偉等[15]評估了干濕交替灌溉（AWD）在湖南省稻區的適用性及其加權CH4減排潛力，得出干濕交替灌溉技術在湖南稻區有較大的減排潛力；袁偉玲等[16]研究間歇灌溉下水稻溫室氣體排放規律，其結論是間歇灌溉能有效地抑制溫室氣體排放并顯著降低溫室效應；彭世彰等[17]研究控制灌溉模式對水稻溫室氣體排放的影響，發現控制灌溉稻田CH4排放通量明顯低于淹水灌溉稻田；王永明等[18]以江蘇省水稻為研究對象，研究間歇灌溉和控制灌溉對水稻生長期內溫室氣體排放的影響，結果表明控制灌溉減排效應略優于間歇灌溉。

已往對節水灌溉的研究只是單獨探究溫室氣體排放情況或增產情況，對節水灌溉在溫室氣體節水、減排等方面協同綜合評價的研究較少，為了評估不同節水灌溉方式下水稻的節水減排潛力，本研究基于黑龍江省水稻現狀傳統淹灌（Traditional Irrigation，TI）方式下的灌溉用水量和CH4排放量，收集相關試驗研究數據，利用IPCC 指南的中國官方省級溫室氣體清單方法計算水稻不同節水灌溉方式下產生的CH4排放量，繼而計算出不同節水灌溉方式下的節水潛力和CH4減排潛力。該研究對于黑龍江省水稻生產實現低碳綠色可持續發展具有重要意義，研究結果可為水稻節水減排提供參考依據。

1 研究區概況

黑龍江省地處我國的東北部，地理坐標為121°11′～135°05′ E，43°26′～53°33′ N，屬寒溫帶與溫帶大陸季風性氣候，雨熱同期，夏季降水充沛，適宜作物生長，主要種植水稻、玉米和大豆等作物，是東北平原地區重要的粳米種植省份，規模優勢和經濟效益顯著。水稻種植區域主要集中在黑龍江省的東北平原地區以及沿河流沖積平原的雞西市、佳木斯市、鶴崗市、雙鴨山市、齊齊哈爾市和哈爾濱市（圖1）。2012-2021 年黑龍江省水稻播種面積總體上呈現增長趨勢，2021年水稻播種面積達到387 萬hm2。

圖1 2021年黑龍江省水稻種植面積分布圖Fig.1 Distribution of rice area in Heilongjiang Province in 2021

2 研究方法及數據來源

2.1 研究方法

本文的研究內容分為兩部分，一是計算研究區域不同節水灌溉方式下水稻的節水量，二是計算研究區域不同節水灌溉方式下水稻的CH4減排量。相應的研究方法如下。

2.1.1 節水潛力估算

根據中國目前常采用的節水情景，基于現狀傳統淹灌（TI）情景，設定4種節水灌溉情景（濕潤灌溉（MI）、干濕交替灌溉（AWD）、間歇灌溉（II）、控制灌溉（CI）），通過降低作物灌溉定額，進而減少灌溉水量，即節水量，計算公式如下：

式中：W為采用節水制度的節水量，m3；Wtr為采用現狀灌溉制度的灌溉水量，m3；Wsr為采用不同節水灌溉制度的灌溉水量，m3；mtr為采用現狀灌溉制度的綜合灌溉定額，m3/hm2；msr為采用不同節水灌溉制度的綜合灌溉定額，m3/hm2；Asr為采用節水灌溉制度的灌溉面積，hm2。

2.1.2 減排潛力估算

本研究利用基于IPCC 指南的中國官方省級溫室氣體清單方法，按照《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》中水稻CH4排放清單編制方法，核算黑龍江省水稻CH4排放量，該方法總體上遵循IPCC 的相關方法框架和要求，即分別確定水稻的排放因子和活動水平，然后根據式（4）計算排放量。

式中：ECH4為水稻甲烷排放總量，kg；EF為水稻CH4排放因子，kg/hm2；AD為對應于該排放因子的水稻播種面積，hm2。

對于水稻CH4排放因子，《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》根據地區進行了劃分，黑龍江省屬于東北地區，單季水稻CH4排放因子基于試驗監測與文獻數據挖掘相結合的方法，收集相關試驗研究數據，采用數據的均值進行評估。

2.2 數據來源

本研究收集了黑龍江省水稻的播種面積、不同灌溉方式下的灌溉定額和CH4排放因子，研究期為2012-2021 年。水稻播種面積數據來源于國家統計局網站（https://data.stats.gov.cn）黑龍江省年度農業數據；不同灌溉方式下的灌溉定額和CH4排放因子來源于收集數據（表1），數據選擇依據：①以傳統淹灌為對照組，節水灌溉方式為試驗組；②為不同灌溉方式的單因素控制試驗；③試驗地點均在黑龍江省典型稻作區；④不同灌溉方式的田間管理方式均一致；⑤收集的溫室氣體數據測定方式可信。

表1 不同灌溉方式下的灌溉定額和CH4排放因子Tab.1 Table of irrigation quota and CH4 emission factors under different irrigation methods

3 結果分析

3.1 黑龍江省水稻不同灌溉方式節水潛力

基于現狀傳統淹灌（TI）情景，計算4種節水灌溉方式下的用水量及節水潛力，結果如圖2 所示。2012-2021 年黑龍江省水稻傳統淹灌方式下用水量總體呈上升趨勢，年均現狀情景排放量為2.13×1010m3，其中2014 年用水量最高，達到2.19×1010m3；若采用濕潤灌溉（MI）節水方式，2012-2021年黑龍江省水稻年均用水量為1.60×1010m3，節水量為5.34×109m3，節水潛力為25.03%；若采用干濕交替灌溉（AWD）節水方式，2012-2021 年黑龍江省水稻年均用水量為1.80×1010m3，節水量為3.34×109m3，節水潛力為15.65%；若采用間歇灌溉（II）節水方式，2012-2021 年黑龍江省水稻年均用水量為2.02×1010m3，節水量為1.08×109m3，節水潛力為5.05%；若采用控制灌溉（CI）節水方式，2012-2021 年黑龍江省水稻年均用水量為1.90×1010m3，節水量為2.30×109m3，節水潛力為10.80%。

圖2 不同灌溉方式的用水量Fig.2 water consumption of different irrigation methods

綜上所述，不同節水灌溉方式對水稻灌溉用水量影響明顯，水分管理模式有利于減少水稻的用水量，由大到小依次為MI、AWD、CI、II，節水潛力依次為25.03%、15.65%、10.80%、5.05%。

3.2 黑龍江省水稻不同灌溉方式減排潛力

利用基于IPCC 指南的中國官方省級溫室氣體清單方法，估算了黑龍江省水稻不同灌溉方式下的CH4排放量及減排潛力，結果如圖3 所示。2012-2021 年黑龍江省水稻CH4現狀情景下排放量總體呈上升趨勢，年均現狀情景排放量為1.51×109kg，其中2014 年CH4排放量最高，達到1.55×109kg；若采用濕潤灌溉（MI）減排措施，2012-2021 年黑龍江省水稻CH4年均排放量為8.11×108kg，減排量為6.99×108kg，減排潛力為46.30%；若采用干濕交替灌溉（AWD）減排措施，2012-2021年黑龍江省水稻CH4年均排放量為7.44×108kg，減排量為7.67×108kg，減排潛力為50.77%；若采用間歇灌溉（II）減排措施，2012-2021 年黑龍江省水稻CH4年均排放量為9.35×108kg，減排量為5.76×108kg，減排潛力為38.14%；若采用控制灌溉（CI）減排措施，2012-2021 年黑龍江省水稻CH4年均排放量為8.27×108kg，減排量為6.84×108kg，減排潛力為45.25%。

圖3 不同灌溉方式的CH4排放量Fig.3 CH4 emissions of different irrigation methods

綜上所述，不同節水灌溉方式對水稻CH4排放影響明顯，水分管理模式有利于減少水稻CH4的排放量，由大到小依次為AWD、MI、CI、II，減排潛力依次為50.77%、46.30%、45.25%、38.14%。

4 討 論

在黑龍江省稻作區，不同節水灌溉處理水稻CH4的排放與傳統淹灌對照有較大的變化（圖3），灌溉方式顯著影響了稻田CH4的排放過程。相比于傳統淹灌，濕潤灌溉（MI）模式下的用水量減少了25.03%，CH4排放量減少了46.30%；干濕交替灌溉（AWD）模式下的用水量減少了15.65%，CH4排放量減少了50.77%；間歇灌溉（II）模式下的用水量減少了5.05%，CH4排放量減少了38.14%；控制灌溉（CI）模式下的用水量減少了10.80%，CH4排放量減少了45.25%。節水灌溉條件下會影響土壤水分狀況的調控，土壤通氣狀況得到極大改善，使土壤有利于氣體交換，提高CH4的氧化速率，抑制產CH4細菌活性，減少了CH4產生和排放，尤其是干濕交替灌溉，直接改變了稻田水分狀況，落干復水階段的干濕交替有利于CH4的氧化，大幅降低了稻田CH4排放，具有較大的稻田溫室氣體減排潛力，這與很多研究結果較為一致[24-26]。在黑龍江省推廣干濕交替灌溉技術不僅能節約大量農業用水，而且可以減少溫室氣體的排放，是發展綠色農業、推進農業可持續發展和實現“雙碳”目標的必然選擇。

黑龍江省水稻種植已逐漸從傳統的蓄水淹灌向節水灌溉方式轉變，相對于傳統淹灌，節水灌溉方式會減少水稻CH4排放，但是其頻繁的水層交替過程，促使水稻根系土壤供氧充足，土壤的硝化作用大于反硝化作用[27]，增加了水稻N2O的排放[28]。在未來的研究中，應核算水稻N2O排放量，以期獲得更為準確的結論，另外在不減產的前提下減排溫室氣體，綜合考慮水稻產量與增溫潛勢也值得深入探究。

5 結 論

本文基于現狀傳統淹灌方式下的灌溉用水量和CH4排放量，收集相關試驗研究數據，計算不同節水灌溉方式下水稻的用水量和產生的CH4排放量，繼而計算出不同節水灌溉方式下的節水潛力和CH4減排潛力，得出以下結論：

（1）黑龍江省水稻傳統淹灌方式下用水量總體呈上升趨勢，不同節水灌溉方式下，水稻灌溉用水量均有減少。MI、AWD、II、CI 的節水潛力分別為25.03%、15.65%、5.05%、10.80%。其中MI的節水量最高，節水量為5.34×109m3。

（2）黑龍江省水稻傳統淹灌方式下CH4排放量總體呈上升趨勢，不同節水灌溉方式下，水稻CH4排放量均有減少。MI、AWD、II、CI 的減排潛力分別為46.30%、50.77%、38.14%45.25%。其中AWD下的減排量最高，減排量為7.67×108kg。

綜上，從綜合效應來看，干濕交替灌溉是減少水稻綜合溫室效應的有效措施，以干濕交替灌溉為代表的節水減排協同措施的出臺是水稻低碳轉型高質量發展的關鍵舉措。