控制灌溉稻田CH4排放的影响因子分析

侯会静，杨士红，徐俊增(. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 700； . 河海大学水利水电学院，南京 0098)

1 研究背景

CH4是大气中最主要的温室气体之一，其温室效应仅次于CO2，100年尺度上的全球增温潜势是CO2的25倍[1]。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(AR5)[2]采用大量、独立的数据进一步明确了自工业革命以来，大气中CO2，CH4和N2O浓度显著增加，CH4浓度增加最多，增加了150%，2011年的浓度为1 803 ppb。而化石燃料的燃烧、土地利用变化等人类活动是导致温室气体浓度增加的主要原因。AR5评估认为，在CH4总排放量中，人为排放占50%～65%。稻田是CH4的主要排放源之一[3]，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[4]。由于灌溉水稻面积的持续增加，水稻的CH4排放量将会在2005-2020年间增加16%[1]。因此，稻田CH4排放一直是研究的热点之一。

1985年至今，国内外学者对稻田CH4排放规律及影响因素等进行了大量的研究[5-9]，随着控制灌溉等节水灌溉技术的大面积推广应用，对间歇灌溉和控制灌溉等节水灌溉稻田的CH4排放的研究也陆续开展，并取得了一些科研成果[10-13]。控制灌溉对土壤水分的持续调控导致了田间水分变化的多样性，增加了稻田干湿交替的频率，整个稻季70%～80%的时间内稻田土壤处于脱水状态[14]。稻田土壤水分的变化势必导致土壤理化性质的改变，从而影响稻田CH4排放。但是，以往的研究大多关注控制灌溉对稻田CH4排放特征的影响[12,15,16]，有关控制灌溉对稻田CH4排放影响机理的研究鲜见报道。本文重点分析土壤水分状况、土壤温度、土壤氧化还原状况对稻田CH4排放的影响，揭示水稻控制灌溉对稻田CH4排放的影响机理，旨在为制定农田CH4减排措施提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 试验区概况

试区位于河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山试验研究基地内，为太湖流域水网地区低洼平原，属于亚热带南部季风气候区，土壤类型为潴育型黄泥土，耕层土壤为重壤土，0～18 cm土层土壤有机质含量21.88 g/kg，全氮含量1.03 g/kg，全磷含量1.35 g/kg，全钾含量20.86 g/kg，pH值7.4。

2.2 试验设计

试验设置2种灌水处理：控制灌溉(Controlled Irrigation，简记为 CI)及常规灌溉(Traditional Irrigation，简记为TI)，每个处理设置3个重复，共计6个小区，进行了2009-2010年2 a试验。试验安排在地中排水式蒸渗仪中进行，蒸渗仪小区面积为5 m2(2 m×2.5 m)。小区中央离田埂0.5 m处预埋方形硬塑料底座(50 cm×50 cm)，底座嵌入土壤5 cm深，作为采样点，用于放置人工采样静态箱。

控制灌溉稻田在返青期持有5～25 mm薄水层，此后除施肥、打药、除草等生产性要求外不再建立灌溉水层，以根层土壤含水率作为灌水的调控指标(表1)，确定灌水时间和灌水定额，而常规灌溉稻田在水稻分蘖后期晒田，黄熟期自然落干，全生育期的其他时间均保持3～5 cm深的浅水层。供试水稻品种为南粳46，施肥与农民习惯施肥相同，先后施加基肥、返青肥、分蘖肥和穗肥，分别采用复合肥(N:∶P2O5∶ K2O=15∶15∶15)和碳酸氢铵(N含量17%)作为基肥和返青肥，尿素(N含量46.2%)作为分蘖肥和穗肥，2009-2010年施入的纯氮量分别为250.0和302.70 kg/hm2。

表1 水稻控制灌溉各生育期阶段根层土壤水分控制指标

注：θs1、θs2和θs3分别为0～20、0～30和0～40 cm根层观测深度土壤饱和含水率。

2.3 田间采样及通量计算

采用密闭静态箱原位采集气样[14]，箱体包括中段箱和顶箱2部分，尺寸均为50 cm×50 cm×60 cm。中段箱顶部有密封用水槽，用于水稻生长后期加层。2009-2010年采样分别从水稻插秧后第5 d，第2 d开始，每隔3～4 d采样1次，施肥后加测，每2 d 1次，9月份以后取样间隔为1周左右；取样时间均为上午10∶00～11∶00。采用Trase系统(美国Soil Moisture公司)观测土壤含水率，采用竖尺读取水层深度；采用WQG-16曲管式地温计观测土壤温度；用QX6530智能便携式氧化还原电位仪(中国科学院南京土壤研究所)观测土壤氧化还原电位Eh，配套的电极于观测前半小时插入土壤，每个小区插入1个参比电极和6个铂电极。CH4浓度采用安捷伦气相色谱分析仪(Agilent 7890A-0468)测定，参照文献[14]方法计算CH4排放通量。

2.4 数据分析

采用Excel 2010和DPS数据处理软件对试验数据进行统计分析，显著性分析采用最小显著性差异(LSD)法。

3 结果与分析

3.1 土壤水分对CH4排放的影响

不同灌溉模式下稻田土壤水分状况对稻田CH4季节排放规律的影响非常明显，控制灌溉稻田CH4排放的峰值大多出现在土壤脱水后第1～2 d，土壤接近饱和状态(土壤充水孔隙率WFPS为99.0%～99.8%)时，但是随着土壤脱水的持续进行，CH4排放通量迅速减小，复水后略有增大(图1)。例如，控制灌溉稻田的CH4排放的主峰值[5.28 mg/(m2·h)]出现在土壤首次脱水后第2 d(16 DAT)，对应的土壤水分WFPS为99.2%；随着土壤脱水的持续进行，21 DAT的WFPS下降到82.6%，CH4排放通量也从主峰值迅速减小到21 DAT的0.05 mg/(m2·h)，减小了99.1%，21 DAT复水后增大，复水后第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，但无法恢复到土壤脱水以前的排放水平。随着土壤再次进入脱水-复水过程，CH4排放通量也开始了新一轮的急剧增大又急剧减小再迅速回升的动态响应。

可见，控制灌溉稻田田表水层消失后的微弱脱水状态导致了CH4短暂的剧烈排放，而土壤持续脱水则导致CH4排放通量迅速减小。可能的原因是田表水层的消失明显改善了CH4排放的途径，导致淹水期间已经闭蓄在土壤中的CH4大量释放；但是土壤持续脱水破坏了稻田CH4产生所需的厌氧环境，显著抑制了稻田CH4排放[3,17,18]，这也是控制灌溉稻田显著减少CH4排放量的主要原因。此外，控制灌溉土壤的脱水-复水过程对稻田CH4排放通量的影响在水稻分蘖前期和中期更为明显(图1)，自水稻分蘖末期开始，控制灌溉稻田土壤水分多处于脱水状态，CH4排放通量持续很小，并且多次出现负值，脱水-复水过程对稻田CH4排放通量的影响不明显。

常规灌溉稻田在分蘖后期晒田期间和水稻黄熟期的土壤脱水同样导致了CH4排放通量明显减小，这与以往的研究结果一致[3,19-24]；晒田结束复水后CH4排放通量有所增加，但明显小于晒田之前的数值(图1)。例如，常规灌溉稻田CH4排放通量在晒田开始(37 DAT)后迅速减小，随着土壤脱水的持续进行，39 DAT的WFPS下降到83.2%，CH4排放通量也从35 DAT的6.44 mg/(m2·h)迅速减小到39 DAT的0.33 mg/(m2·h)，减小了94.9%；晒田结束时(47 DAT)，CH4排放通量为-0.12 mg/(m2·h)，复水后增加到49 DAT的0.27 mg/(m2·h)，但之后48～63 DAT这段时间一直维持在较低的排放水平，平均排放通量仅为0.29 mg/(m2·h)，直到拔节孕穗末期才有较为明显的增加。Zou等[18]也发现分蘖末期晒田可以有效地减少稻田CH4排放，比持续淹水稻田CH4排放量降低了65%，且复水后CH4排放保持较低的水平。此外，常规灌溉稻田黄熟期(108～124 DAT)的水分落干对CH4排放通量的影响没有晒田剧烈，可能的原因是：①水稻生育后期供产甲烷用的土壤有机质含量已经很低；②黄熟期气温明显已经下降，产甲烷菌活性降低；③土壤水分变化非常缓慢，常规灌溉稻田在124 DAT的WFPS平均为91.9%，土壤仍处于较为湿润状态。

3.2 土壤温度对CH4排放的影响

不同灌水模式下稻田CH4排放通量与表层土壤温度总体上具有一定的同步性，在水稻生育前期土温较高的阶段，CH4排放通量同样较高，水稻生育后期土壤温度逐渐降低，稻田CH4排放通量也维持在较低的排放水平(图2)。

以2010年稻季为例，随着表层5 cm土温从21 DAT的27.0 ℃上升到25 DAT的30.0 ℃，控制灌溉稻田的CH4排放通量从0.08 mg/(m2·h)增大到0.21 mg/(m2·h)，增大了1.5倍；而常规灌溉稻田的CH4排放通量随着表层5cm土温从21 DAT的26.5 ℃上升到25 DAT的29.5 ℃，从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]也发现稻田CH4排放量与5 cm处土层温度密切相关。本研究发现，2009年控制灌溉稻田CH4排放通量的峰值出现在表层5 cm土温为29.5～30.8 ℃，高于常规灌溉稻田CH4排放通量的峰值出现的表层土温(28.6～30.1 ℃)；2010年控制灌溉稻田CH4排放通量的峰值出现在表层5 cm土温为26.5～28 ℃，低于常规灌溉稻田CH4排放通量的峰值出现的表层土温(27.5～29.5 ℃)(图2)。由此可以初步推测，表层土温对控制灌溉稻田CH4排放通量的影响并不是决定性的。

图2 不同灌溉调控下稻田CH4排放通量与表层土温(江苏昆山，2009-2010)

相关分析显示，水稻全生育期控制灌溉稻田CH4排放通量与表层5 cm土温无显著相关关系(p>0.05)(图3)，且CH4剧烈排放阶段的通量值(DAT≤21)与5 cm土温也无显著相关关系；而常规灌溉稻田淹水阶段CH4排放通量与表层5 cm土温显著正相关(p<0.05)。以晒田为界，常规灌溉稻田晒田之前的CH4排放通量与表层5 cm土温呈极显著正指数相关关系(p<0.001)(图4)。这说明常规灌溉稻田CH4排放通量受表层土温的影响比控制灌溉稻田大。此外，相关分析的结果还表明表层土温不是控制灌溉稻田CH4排放的决定性影响因素。已有土壤温度对稻田CH4排放季节变化影响的报道不一。由于稻田CH4排放是很多因素共同作用的结果，只有土壤温度在较大的范围内变动而其他因素比较稳定且不存在CH4产生的限制因子时，土壤温度对CH4排放的影响才能显示出来[26]。

图3 不同灌溉调控下稻田CH4排放通量与表层土温的关系(江苏昆山，2009-2010)

图4 晒田之前常规灌溉稻田CH4排放通量与表层土温的关系(江苏昆山，2009-2010)

3.3 土壤氧化还原电位(Eh)对CH4排放的影响

水稻全生育期绝大部分时间内控制灌溉稻田的Eh值高于常规灌溉稻田，尤其是控制灌溉稻田无水层管理之后，控制灌溉稻田的Eh值明显高于常规灌溉稻田；常规灌溉稻田淹水阶段土壤的Eh值很小，多为负值，而晒田及黄熟期水分落干导致了Eh值显著增大(图5)。

不同水稻灌溉模式调控下稻田CH4排放通量的季节变化与土壤Eh变化的关系非常密切，呈现出相反的变化趋势(图5)。以2010年稻季为例，随着土壤Eh值从6 DAT的44.34 mV下降到16 DAT的-97.73 mV，控制灌溉稻田的CH4排放通量从0.26 mg/(m2·h)增大到5.45 mg/(m2·h)，增大了20.0倍；而当Eh值回升到21 DAT的185.81 mV时，控制灌溉稻田的CH4排放通量骤然减小到0.08 mg/(m2·h)，减小了98.5%。常规灌溉稻田CH4排放通量随着土壤Eh值从21 DAT的-64.13 mV下降到25 DAT的-143.70 mV，其值从3.66 mg/(m2·h)增大到18.41 mg/(m2·h)；而晒田开始后，随着土壤脱水程度的加剧，Eh值从35 DAT的-69.29 mV上升到41 DAT的223.47 mV，常规灌溉稻田CH4排放通量从4.45 mg/(m2·h)骤然减小到0.31 mg/(m2·h)。

图5 不同灌溉调控下稻田CH4排放通量与土壤Eh值(江苏昆山，2009-2010)

本研究还发现，控制灌溉稻田CH4排放通量的主峰值出现在Eh为-90.90和-97.73 mV，而常规灌溉稻田CH4排放通量的峰值主要出现在-143.70～ -104.12 mV，当土壤Eh高于100 mV时，稻田没有明显的CH4排放，甚至出现负值(图5)。这与以往的研究结论相似，例如，Hou等(2000年)[27]通过田间试验发现CH4的剧烈释放出现在土壤Eh低于-100 mV时，Towprayoon等(2005年)[28]的研究也证实了这个结论。已有研究还表明，当土壤Eh为正时，稻田还是有一定数量的CH4排放，这可能是由土壤的不均匀性导致土壤Eh的较大空间变异引起的，另一个原因是CH4可能在土壤Eh大于-150 mV时即已产生。可见，CH4的剧烈释放必须在土壤Eh下降到-100～-150 mV，控制灌溉稻田土壤Eh值不在该适宜范围之内，最小Eh值也只是接近-100 mV，所以，控制灌溉稻田的氧化还原条件不适宜CH4的产生。

水稻生长前期(DAT≤21)，控制灌溉稻田CH4集中排放阶段的通量值与土壤Eh值呈极显著负指数相关关系(p<0.001)，常规灌溉稻田淹水阶段的CH4排放通量与土壤Eh值也呈极显著负指数相关关系(p<0.001)(图6)。温室盆栽实验发现非水稻生长期排水良好的土壤淹水种稻后，土壤Eh逐渐下降，土壤排放量从零逐渐增加，并且水稻生长期CH4排放通量和土壤Eh之间呈现显著的负相关性，当土壤Eh尚未下降到足够低时，它是控制土壤CH4产生量的主要因素[29]。但也有研究者认为在田间条件下，土壤Eh的测定值与CH4排放通量之间常常无显著相关性[30]。

图6 不同灌溉调控下稻田CH4排放通量与土壤Eh值的相关关系(江苏昆山，2009-2010)

4 结 语

本文研究水稻控制灌溉对稻田CH4排放的影响机理，主要结果与结论如下。

(1)不同灌溉模式调控下的土壤水分状况是导致稻田CH4季节排放规律显著差异的主要因素。控制灌溉稻田田表水层消失后的微弱脱水状态导致了CH4短暂的剧烈排放，CH4排放的峰值大多出现在土壤脱水后第1～2 d土壤接近饱和状态(WFPS为99.0%～99.8%)时，而土壤持续脱水则导致CH4排放通量迅速减小。

(2)控制灌溉稻田CH4集中排放阶段(DAT≤21)的通量值与土壤Eh值呈极显著负指数相关关系(p<0.001)。CH4的剧烈释放必须在土壤Eh下降到-100～-150 mV，当土壤Eh高于100 mV时，稻田没有明显的CH4排放，甚至出现负值。控制灌溉稻田土壤Eh最小值也只是接近-100 mV，从而导致控制灌溉稻田的氧化还原条件不适宜CH4的产生。

(3)控制灌溉稻田CH4排放通量受表层土温的影响比常规灌溉稻田小，控制灌溉稻田CH4排放通量与表层5 cm土温呈正相关关系，但相关性不显著性；而常规灌溉稻田淹水阶段CH4排放通量与表层5 cm土温显著正相关(p<0.05)，且晒田之前的CH4排放通量与表层5 cm土温呈极显著正相关关系(p<0.001)。

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