覆膜滴灌条件下稻田CH4排放研究

张于　黄凯　李晓　方秀琴　都兴林（吉林大学植物科学学院，长春3006；吉林省农业科学院水稻研究所，吉林公主岭3600；通讯作者：xldu@jlu.edu.cn）



覆膜滴灌条件下稻田CH4排放研究

张于1黄凯1李晓1方秀琴2*都兴林1*
（1吉林大学植物科学学院，长春130062；2吉林省农业科学院水稻研究所，吉林公主岭136100；*通讯作者：xldu@jlu.edu.cn）

摘要：为了揭示覆膜滴灌对稻田CH4综合排放的影响，采用比较分析法分析了覆膜滴管条件下稻田甲烷的排放变化。试验采用覆膜滴灌Ⅰ、覆膜滴灌Ⅱ和漫灌3个处理，分别对当地高产主栽品种吉旱1号进行CH4排放通量的测定。结果表明，覆膜滴灌稻田CH4排放通量显著高于漫灌稻田；覆膜滴灌处理条件下，土壤含水率高的覆膜滴灌Ⅰ稻田CH4排放通量高于覆膜滴灌Ⅱ，说明土壤水分是稻田CH4排放的主要影响因素之一；3个处理下CH4的排放趋势大体一致，排放高峰均出现在水稻分蘖的前中期和拔节孕穗期，说明覆膜滴灌未改变稻田CH4排放的进程。

关键词：水稻；CH4排放；覆膜滴灌；漫灌

我国人口众多，水资源地区分布不均，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4［1］。水稻种植需要大量的水，稻田用水占农业用水的65%以上，在全国现有耕地中，超过70%出现干旱缺水的状况，而我国水稻传统的灌溉方式用水极为浪费，因此，迫切需要发展节水型水稻灌溉方式。

众所周知，温室气体的过度排放成为全球气候变暖及其一系列环境问题的重要根源。CH4作为一种主要的温室气体，其增温效应仅次于CO2［2］，进入20世纪90年代CH4的温室效应贡献已达到15%～20%［3-4］。CH4具有一定的化学活性，其在大气中浓度的增加会对全球气候、臭氧层、大气光化学等方面产生直接或间接的影响。研究表明，由生物学过程产生的CH4约占整个地球大气中CH4的80%，而其中1/3以上是由水稻田释放。另外，我国水稻种植面积较大，几乎全部实现灌溉化，因此，研究水稻田CH4排放对我国具有重要的现实意义。

CH4的排放通量和规律与当地的土壤条件、生态环境、水稻主栽品种、施肥方式等各个方面都有关系，不同地区CH4排放通量及规律不尽相同。针对长春当地的土壤条件、生态环境、水稻主栽品种、施肥等条件及水资源短缺的现状，本文研究了覆膜滴灌对稻田CH4排放的影响，寻求如何利用水稻节水灌溉来减少稻田CH4排放的新思路，为稻田CH4减排策略的制定提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验材料与试验地概况

试验选用吉林当地抗旱主栽水稻品种吉旱1号。试验安排在吉林九台饮马河试验基地进行。九台位于吉林省中部（44°20′N，126°15′E），属中温带大陆季风性气候，年平均日照时数2 900 h，无霜期140～155 d。年平均气温4.7℃，年≥10℃活动积温2 880℃，年平均降水量577 mm，年平均风力8级以上，大风日16 d左右，多西南风向，平均风速3.4 m/s。基地土壤属中性黑土，肥力水平处于中上等。土壤主要理化性状指标：pH 值6.67，全氮1.93 g/kg，全磷0.19 g/kg，速效磷9.9 mg/ kg，全钾0.47 g/kg，有机质14.73 g/kg，土壤阳离子交换量253.2 mmol/kg。

1.2试验设计

试验设3个处理。覆膜滴灌处理Ⅰ和覆膜滴灌处理Ⅱ均采用膜下滴灌的方式进行灌溉：即在膜下铺设打孔的水管，根据水势仪测定的土壤水分含量来控制供水阀门进行滴灌。膜间距30 cm；膜宽90 cm，种4行，行距为15-30-15 cm，每隔13 cm种1丛。铺膜打孔时采用机械器具（地膜按照国标要求：厚0.008 mm，宽90 cm），播种时则采用人工旱直播的方式，单丛点播5粒，超过7株间苗，3次重复。

覆膜滴灌处理Ⅰ：当水稻正常出苗后，田面以下15 cm处土壤低于100%的含水量时进行灌水（用水势仪测定15 cm处的土壤水分，取样方法为5点对角取样），在全生育期间重复进行，若期间发生降雨，立即进行排水。安装水表以记录用水量。

覆膜滴灌处理Ⅱ：当水稻正常出苗后，田面以下15 cm处土壤低于50%的含水量时进行灌水，其他同覆膜滴灌处理Ⅰ。

对照：按照当地栽培管理措施及习惯（当地基本都是直接漫灌）进行水分管理。

田间肥料用量按照往年丰产时的用量，除草及病虫害防治等一些田间管理措施也均参照往年情形而定（播前采取封闭除草，播后人工拔草）。

1.3样品采集与数据分析

试验中CH4排放量采用静态暗箱-气相色谱法。具体做法是：采用气室罩住土壤的表面，之后在一定时间间隔内用注射器多次抽取样气并注入到不同真空采样瓶或气袋内，运回实验室后利用气相色谱仪测定CH4的浓度，并根据气室内的CH4浓度变化计算它们的通量。

本试验采用的是安捷伦气相色谱分析仪测定（Agilent 7890A-0468），每组设4个采样时刻，分别是0 min、5 min、10 min、15 min，将采集的气体浓度分别与对应的采样时刻进行线性回归分析，即可求得该采样点气体浓度随时间的变化率，然后根据气温、大气压力、采样箱的有效高度、普适气体常数等参照如下公式计算CH4排放通量。

其中，F为被测气体排放通量［CH4单位为mg（/m2· h）］；为箱内平均气压，一般而言，对于非高海拔区可取=1.01325×105Pa；为箱内平均气温，单位是℃；R为普适气体常数，R=8.31441J（/mol·K）；μ为气体摩尔质量（CH4为16.123 g/mol）；H为采集箱的有效高度，单位是cm；而dC/dt为箱内气体浓度随时间的变化率［CH4单位为mL（/m3·h）］［5］。

试验材料播种时间为2012年5月12日，收获时间为2012年9月18日。从2012年6月24日移栽后开始测定，以后每隔7 d测量1次，一直持续到2012 年9月16日结束。用Excel 2003软件对试验数据进行处理分析。

2　结果与分析

2.1覆膜滴灌与漫灌对稻田CH4排放的影响

从图1可以看出，漫灌条件下稻田CH4的排放通量显著高于覆膜滴灌条件下的CH4排放通量，而且在不同的测量时间点表现出相同的趋势。说明漫灌条件下稻田CH4的排放通量比覆膜滴灌条件下高是一种普遍现象，同时也说明稻田水位对CH4排放通量具有重要影响。

2.2覆膜滴灌条件下稻田土壤不同含水率对CH4排放的影响

从图1可以看出，覆膜滴灌处理Ⅰ在所有测量时间点的CH4排放通量均高于覆膜滴灌处理Ⅱ，说明在覆膜滴灌处理条件下，稻田土壤含水率越高，CH4排放通量越高。同时也可以看出，二者在6月30日、7月7日及7月14日3个连续测量时间点差异最大，表明在水稻发育的这段时期稻田CH4的排放对水分的响应更加敏感。

2.3覆膜滴灌条件下稻田CH4排放通量的稻季变化

笔者利用多个测量时间点完整覆盖了水稻的整个生育期来研究覆膜滴灌对水稻全生育期CH4排放通量的影响。覆膜滴灌处理Ⅰ条件下稻季CH4排放通量的变化范围为3.70～18.39 mg/（m2·h），覆膜滴灌处理Ⅱ条件下稻季CH4排放通量的变化范围为3.50～16.80 mg/ （m2·h），漫灌稻田CH4排放通量的变化范围为4.20～26.20 mg/（m2·h），在水稻整个生育期中，覆膜滴灌稻田的CH4排放通量均显著低于漫灌稻田。

另外，覆膜滴灌稻田的CH4排放通量在移栽后21 d内增减上升达到峰值，在移栽后42 d出现另外一个峰值（图1）。在水稻的整个生育期，漫灌稻田的CH4排放与覆膜滴灌稻田的趋势一致，仅存在量的变化（图1），说明覆膜滴灌未改变稻田CH4排放的进程。

图1　不同灌溉模式下稻田CH4平均排放通量变化

3　结论与讨论

3.1土壤水分影响稻田CH4的排放

水是稻田CH4排放的决定因子。本试验结果表明，土壤含水率越高，稻田CH4的排放通量越高。而这一结果和前人研究的结果是相似的［6-7］。土壤CH4排放量是CH4生成量和氧化量的综合结果。长期淹水会降低土壤氧化还原电位（Eh值），增加CH4的排放；而水层过深，土壤中已产生的CH4在通过气泡或以扩散的形式穿越水层时，被氧化掉的量增加，CH4的排放量反而减少［8］。土壤含水率少有利于水稻根系发育，提高土壤的通透性，有效地改善了土壤氧化还原条件。

3.2稻田CH4排放的稻季变化

稻田CH4的排放在水稻的不同发育时期是不同的。有研究表明，水稻生长期CH4排放具有3个典型排放峰，分别出现在水稻返青期、分蘖期和成熟期［9］，这和本试验的结论是相似的。本试验中，稻田CH4的排放通量存在2个峰值：第1个峰值出现在移栽后21 d（7月14日）左右，水稻处于分蘖的前中期阶段，有机物的分解可能是稻田CH4产生高峰的原因；7月21日水稻处于拔节孕穗时期，这个阶段水稻根部生长迅速，根部的渗出物以及根部的落叶较多，根系气体输送的效率高，有利于CH4的排放；第2个峰值出现在移栽后42 d左右，这一时期出现高峰可能是因前期施肥造成的。

另外，覆膜滴灌的灌溉方式不影响水稻生育期内的稻田CH4排放模式，3种处理下的CH4排放趋势保持一致，均集中在水稻分蘖的前中期和拔节孕穗期。彭世彰等［10］的研究结果表明，控灌稻田在移栽后11 d出现CH4排放通量峰值，淹灌稻田在移栽后18 d和25 d分别出现2次较大的CH4排放通量峰值。而本试验中覆膜滴灌对CH4排放通量峰值出现的时间没有影响。

3.3合理灌溉以减少温室气体排放

本试验探究了不同灌溉方式对稻田CH4排放的影响，依据已有的报道及本文的结论，笔者提出几条减少CH4排放的建议：（1）采取科学合理的灌溉方法。与淹水灌溉相比，节水灌溉可以达到减少水稻全生育期内CH4排放量的目的。而漫灌时，稻田CH4排放主要集中在分蘖前中期和拔节孕穗期。因此，可在这两个CH4主要排放期进行适当的控制灌溉，以减少稻田CH4的排放总量［11］。（2）充分利用降雨，以减少灌溉的次数及灌溉量。受季风气候的影响，我国大部分地区可实现雨热同期，一般降雨都会发生在5-9月，且这段时间也是水稻生长需水最大的时期，若这时利用稻田蓄水，不仅可以做到节约水资源，减少浇灌的费用，还可以达到减少稻田CH4排放的目的。

参考文献

［1］上官周平，邵明安. 21世纪农业高效用水技术展望［J］.农业工程学报，1999，15（1）：17-21.

［2］IPCC-Intergovernmental panel on climate change. Climate change 1995. In：The Science of Climate Change［C］. Cambridge（UK）：Cambridge University Press，1996：572.

［3］Bouwman A W. Introduction. In：Bouwman，A.W.（Ed.），Soils and the Greenhouse Effect［M］. Wiley，Chicester. 1990：25-32.

［4］Rodhe H A. Comparision of the contribution of various gases to the greenhouse effect［J］. Science，1999，248：1 217-1 219.

［5］彭世彰，杨士红，徐俊增.控制灌溉对稻田CH4和N2O综合排放及温室效应的影响［J］.水科学进展，2010，21（2）：235-240.

［6］黑瑞，田军仓，马波.膜下滴灌旱作水稻甲烷的排放研究［J］.灌溉排水学报，2015，34（4）：67-69.

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［8］Wang M X，Shangguan X J，Shen R X，et al. Methane production，emission and possible control measures in the rice agriculture［J］. Adv Atmospheric Sci，1993，10（30）：307-314.

［9］彭世彰，李道西，缴锡云，等.节水灌溉模式下稻田CH4排放的季节变化［J］.浙江大学学报：农业与生命科学版，2006，32（5）：546-550.

［10］彭世彰，和玉璞，杨士红，等.控制灌溉稻田的甲烷减排效果［J］.农业工程学报，2013，29（8）：100-107.

［11］彭世彰，李道西，徐俊增，等.节水灌溉模式对稻田CH4排放规律的影响［J］.环境科学，2007，28（1）：9-13.

Study on Methane Emissions in Paddy Soil under Covered Film Drip Irrigation

ZHANG Yu1，HUANG Kai1，LI Xiao1，FANG Xiuqin2*，DU Xinglin1*
（1College of Plant Science，Jilin University，Changchun 130062，China；2Rice Research Institute，Jilin Academy of Agriculture Science，136100，China；*Corresponding author：xldu@jlu.edu.cn）

Abstract：To reveal CH4emissions in rice fields under covered film drip irrigation，the comparative method was used to study the methane emission of rice paddy with drip irrigation under mulch film. Experiments were divided into three treatments：drip I，drip II and flooding. The local high-yielding cultivars Jihan 1 was used to analysis the methane emissions from rice paddy. The results showed that methane emission flux from rice fields under covered film drip irrigation was less than flooded conditions；methane emission flux in dripⅠwas higher than that of dripⅡ，which indicated that the soil moisture content is one of the major factors which affect CH4emission；methane emissions trend under three conditions were roughly the same，and the emission peaks were in mid tillering stage and jointing booting stage，which indicated that the process of CH4emission from paddy field under film drip irrigation was not changed.

Key words：rice；methane emissions；covered film drip irrigation；flooding irrigation

中图分类号：S511.071

文献标识码：A

文章编号：1006-8082（2016）02-0036-03

收稿日期：2015-10-24

基金项目：吉林省重点科研项目“水稻特异种质资源创制与高产、优质、多抗新品种选育研究”（20150204005 NY）