南方地区水稻节水灌溉的综合效应研究进展

罗文兵，孟小军，李亚龙，邹 帆，张 伟

(1.长江科学院 农业水利研究所，湖北 武汉 430010；2.武汉中地环科水工环科技咨询有限责任公司，湖北 武汉 430223；3.湖北省王英水库管理局，湖北 咸宁 437000；4.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

水稻是中国三大粮食作物(稻谷、小麦和玉米)之一，水稻种植面积和总产量均居世界第一位(中国农业部，2014)。常年种植面积约占全国粮食作物总面积的28%，水稻产量占全国粮食产量的40%左右[1]。由于南方地区水资源丰沛，全国大部分水稻种植在该地区，但该区域的水稻灌区大灌大排用水效率低下，加剧了水资源的短缺。因此，有必要推行水稻节水灌溉，挖掘水稻产区农业节水潜力，解决水稻生产与水资源紧张之间的矛盾，实现水资源的可持续利用和保证水稻生产的稳定发展。

相关学者围绕水稻节水灌溉的节水增产机理进行了大量研究。随着面源污染问题的日益严重和人们环保意识的提高，农田氮磷流失成为备受关注的环境污染问题，国内外学者的研究重点也从传统的节水增产效应转向“节水减排”或“节水控污”上来。而在关注稻田氮磷减排的同时，也有学者对节水灌溉条件下的稻田温室气体排放[2-5]和生物多样性[6-9]开展了相关研究。但在具体生产中，节水灌溉模式的选择大多是基于节水和增产为目标确定的，即强调的是灌溉的节水经济效应，而对其环境及生态效应考虑不够，如节水灌溉对减轻农业面源污染、减少温室气体排放、维持稻田杂草和动物多样性的影响等。可见，综合考虑节水、增产、提高水肥利用效率、减排和维持生物多样性目标的研究还不够深入，未能构建系统完整的综合指标体系。

鉴于此，本文分析了南方水稻产区不同节水灌溉模式的应用现状，总结了其节水、经济、生态、环境效应，梳理了需要进一步研究的问题，提出构建综合考虑各方面效应的指标体系并进行调控灌溉模式优选的建议，旨在促进南方地区节水灌溉事业的发展。

2 南方地区水稻节水灌溉模式

由于水稻生产的重要性及水资源的紧缺性，我国水稻节水灌溉研究及推广应用一直得到重视，其水平处于世界前列。我国研究提出的水稻节水灌溉模式达10多种，并得到大面积推广应用[10]。这些模式基本上可归纳为“薄浅湿晒”灌溉、薄露灌溉、间歇灌溉、控制灌溉、蓄雨型节水灌溉等几种常用的模式[10-11]，其特点详见文献[12]。其中“薄浅湿晒”灌溉模式在我国应用最广，目前在广西、上海、江苏得到大面积推广。间歇灌溉模式适用丘陵山区，通过地形坡度来控制浅水层和干露状态。该模式在湖北、安徽、浙江等省已得到成功应用[10]。薄露灌溉技术适用于平原地区，在浙江、江西等地得到大面积推广。控制灌溉技术具有节水、高产、优质、低耗、保肥、抗倒伏和抗病虫害等优点，在湖南、江苏、广西等地得到大面积推广。蓄雨型节水灌溉更适用于田间平整度高的平原地区，在福建、湖北、浙江等地得到推广应用。

水稻节水灌溉是根据水稻在不同生育阶段的需水规律，利用水稻自身的调节机制，通过减少灌水次数和灌溉水量，达到提高水肥利用效率和产量的目的。其与常规灌溉的不同在于田间水层停留时间的不同、灌水的判断标准不同、灌水程度不同等方面[13]。但水稻节水灌溉与常规淹没灌溉相比，对田块平整度、坡度要求更高，并对灌水标准和灌水程度提出更精细化管理，需要花费更多的人力物力才能达到预期效果[14]。

3 节水灌溉的节水增产效应

根据湖北漳河灌区开展的间歇灌溉与淹灌对比试验，得到相同肥料管理下，间歇灌比淹灌灌水量减少13.7%，排水量减少19.93%，渗漏量减少10.49%，且水稻产量增产6.3%[15]。在江西赣抚平原灌区，间歇灌溉与淹水灌溉相比，能显著减少田间灌水量，平均节水率为12.7%。间歇灌溉模式下灌水定额小且允许田间土壤干到一定程度，这样就有效提高了田间蓄水能力，减少了排水量。广西桂林青狮潭灌区开展了薄浅湿晒和间歇灌溉下节水增产效果研究，结果表明，薄浅湿晒和间歇淹水模式与长期淹水模式相比，间歇灌溉与常规灌概相比，排水量减少约20%，产量增加约5%[16]。而在江苏高邮灌区开展了田间控制灌溉试验，在灌水次数不变的前提下，通过分生育阶段科学供水方式、合理利用降雨和排水再利用，减少了稻田灌水量，较常规模式节约灌溉用水15.85%～18.24%。另根据15个省(自治区)的试验成果，浅湿灌、间歇灌溉的灌溉用水量分别比传统的长期淹灌降低8%～19%和13%～25%，大部分节水在20%～30%范围内[11]。

节水灌溉通过充分利用降雨，减少灌排次数和灌排水量，降低蒸散发和渗漏，从而达到节水的目的。水稻田节水灌溉一是通过露田、晒田，从而降低渗漏水头而显著降低渗漏量，全生育期内一般可减少30%～40%；其次是通过控制土壤含水量，表土层含水率下降速率比根层土壤平均含水率下降速率快，导致棵间蒸发降低率大于蒸腾降低率，从而降低棵间蒸发量25%～35%，蒸腾量降低15%左右，总耗水量减少20%～35%。加上节水灌溉充分利用降雨，故通常情况下，节水灌溉比传统灌溉相比，灌水量可减少25%～45%[10-11]。

水稻节水灌溉的增产机理在于田面经常排水晒田避免土壤长期处于淹水和饱和状态，大大提高土壤透气性，增加土壤含氧量，提高土壤的氧化还原电位，还原物质得到氧化，减少其对稻根的危害，矿化速度提高，促进水稻根系的生育，根数增加，根表面的吸附面积增加，增强了根系的活力，进而提高植株的抗逆性及抗倒伏能力，秸秆更加充实，产量得到提高[11]。在浅湿灌溉(节水灌溉)下，土壤氧化还原电位(Eh)值明显大于淹水灌溉条件下的值，土壤通透性增加，水分生产效率达1.21 kg/m3，较淹灌平均增加31.5%，产量平均增加25.8%[17]。而干湿交替灌溉(节水灌溉)与常规淹水灌溉相比，分蘖成穗率平均为79.4%，明显高于常规淹灌，水分利用率较常规淹灌平均增加27.3%，产量平均增加5.94%[18]。相反在湿润灌溉下，虽分蘖成穗数与淹水灌溉下基本保持不变，但产量却有所降低[19]。

4 节水灌溉的环境效应

4.1 减少氮磷排放

农田氮磷流失是造成南方地区农业面源污染的主要原因，根据其产生机理，农业面源污染的防控可从源头控制和过程消减两方面入手。在源头控制方面，如采用节水灌溉、控制排水等田间灌排技术进行面源污染控制；在输移过程中，进行阻控、拦截和消减。两者相比，源头控制更重要。作为从源头上减少面源污染物排放的重要管理措施，水稻田间节水灌溉通过在不同生育期适当减少灌水量，从而减少排水量和排污量来达到减轻农田面源污染的目的。

目前有关水稻节水灌溉模式的减污效应研究有较强的地域性，主要集中在湖北、广西、江苏、江西、浙江等省份。如湖北省主要在漳河灌区开展了间歇灌溉对氮磷流失规律的研究，结果表明，相同肥料管理下，总氮排放量减少47.87%，总磷减少1.79%；在不同的氮肥施水平下，间歇灌溉氮肥利用率较常规淹灌提高约11.56%，而两种施氮水平下氮肥利用率差异不显著[20]。广西主要在桂林青狮潭灌区开展了薄浅湿晒和间歇灌溉下氮磷消减规律研究，结果表明，与长期淹灌相比，间歇淹水模式和薄浅湿晒地表排水铵态氮流失量分别减少了21.4%和27.7%[11]；与常规灌概相比，间歇灌溉地表排水总氮流失量可减少约30%、总磷流失量减少约20%[16]。江苏主要在江苏高邮灌区开展田间试验，分析控制灌溉的减污效应。控制灌溉稻田TN、TP流失负荷分别较常规灌溉方式减少53.72%和37.45%[21]。该模式主要通过实施灌水调控和排水管理，控制了氮、磷流失关键时期的排水量，高效利用了水分和养分，取得了减排控污的效果。江西主要在赣抚平原灌区分析间歇灌溉模式下氮、磷流失规律。试验结果表明，间歇灌溉与淹水灌溉相比，总氮减排率为12.2%；总磷减排率为15.1%[22]。间歇灌溉模式下灌水定额小且允许田间土壤干到一定程度，这样就有效提高了田间蓄水能力，减少了排水量，特别是水稻生育前期田面水中氮、磷浓度高，减少排水对减少氮、磷地表流失意义重大。浙江主要在永康、平湖、萧山等地开展了薄露灌溉、蓄雨节水灌溉下的氮、磷流失试验，结果表明，薄露灌溉与传统灌概相比，氨氮、硝氮、总氮和总磷的减排量分别达到63%、27%、34%和37%[23]，植株氮吸收率在分蘖、齐穗期分别为传统灌溉的4.29倍和2.56倍，成熟期差异不大[24]；蓄雨节水灌溉与常规灌溉和节水灌溉相比，减污效果最好，TN排放量减少了22%～90%[25]。

综上所述，节水灌溉模式与常规淹灌相比，可显著减少氮、磷流失负荷，削减的幅度约为20%～40%范围内[26]。水稻节水灌溉的减污机理在于[27]：(1)通过减少灌水量，导致排水和渗漏量减少，从而减少氮、磷流失；(2)节水灌溉水层普遍比传统淹灌浅，导致稻田表层水压水势低，降低了稻田下渗，从而减少了氮、磷的渗漏淋失机会；(3)节水灌溉下的薄水层为土壤及其表层水中微生物的活动创造了条件，提高了其数量和活性，进而促进了氮素的吸收利用；(4)干湿交替和晒田等措施增强了土壤的通气性，进而提高了氧化还原电位，促进可溶性磷的固定，降低磷素流失的机会。

可见，水稻节水灌概模式通过改善土壤的水、肥、气、热条件，从而促进水稻的增产；通过提高稻田土壤氧化还原电位，增强好氧微生物活性，促进有机质分解和土壤肥力的维持，进而提高肥料利用率；通过减少灌排次数和灌排水量，提高降雨利用和灌溉效率，减少氮磷污染物负荷，从而减轻因氮、磷大量流失而导致的自然水体富营养化问题，也实现了从源头上控制面源污染的目的[15]。

4.2 减少温室气体排放

节水灌溉通过改变土壤的水分条件来影响土壤透气性、微生物活性和氧化还原电位，通过改变土壤中的含氧量、有机质分解速率、根系生物量和活性、硝化与反硝化作用强度以及气体在土壤孔隙中扩散速率等[28]，进而显著影响稻田温室气体的排放。

4.2.1 节水灌溉对稻田CH4排放的影响 CH4排放是CH4产生、氧化和传输3个过程相互作用的结果[29]。研究表明，在土壤氧化还原电位(Eh)为-200～-150 mV时，产甲烷菌开始产生CH4。而土壤氧化还原电位的重要影响因素之一是水分，土壤含水条件不同导致土壤通透性及氧化还原状态不同，从而导致稻田CH4排放的差异[30]。排水晒田及干湿交替的水分管理模式改善了土壤通气状况，增加土壤含氧量，提高了土壤Eh值，产甲烷菌生长受到抑制，同时促进了CH4氧化过程，使CH4的排放量显著减少[31-33]。控制灌溉较常规灌溉可以极显著减少稻田CH4排放量83.5%[6,34]。通过江苏省句容市和韩国江原道省的田间试验研究得到，间歇灌溉稻田CH4排放量比持续淹水稻田减少30%～71%[35-36]。研究表明，节水灌溉稻田较传统淹灌，CH4排放可降低14.19%～78.92%，平均降低51.66%[29]。

4.2.2 节水灌溉对稻田N2O排放的影响 通常在稻田土壤中的硝化和反硝化过程中会产生N2O。不同的灌溉方式下稻田土壤水分条件和有氧、缺氧状态不同，进一步影响微生物硝化反硝化过程，从而导致稻田N2O排放量的差异。晒田及干湿交替为N2O的产生提供了条件，增加了N2O的排放，但N2O排放量的增加幅度由晒田及土壤脱水程度决定。大量研究表明，干湿交替阶段土壤水分剧烈变化以及土壤落干后的富氧环境会产生较多的N2O。根据韩国水原田间试验得到节水灌溉较持续淹水灌溉增加了533%的稻田N2O排放量[37]。通过在江苏昆山开展的田间试验得到控制灌溉较常规灌溉增加了135.4%～136.9%的稻田N2O排放量[6,38]。间歇灌溉稻田较淹灌稻田N2O累积排放量增加了85.66%[39]。综合前人研究结果，节水灌溉方式较长期淹水灌溉可改变稻田N2O排放量，大部分研究认为节水灌溉增加了稻田N2O排放量，但也有少部分研究得到的结论相反[40]。可见，节水灌溉对稻田N2O排放量的影响需要进一步分析区域和气候差异的作用机制[29]。

4.2.3 节水灌溉对稻田CO2排放的影响 土壤水分通过影响土壤通气状况，导致土壤水中的溶解量以及土壤孔隙中的扩散速率产生差异，从而导致CO2排放差异[41]。经文献统计得到，节水灌溉稻田土壤CO2排放量大于长期淹水稻田，增幅为20.83%～104.00%，平均增排率达48.40%[29]。节水灌溉条件下CO2排放量的增加主要集中在落干阶段。其增加的原理在于落干条件下较淹水状态提高了CO2在田间表层土壤的扩散能力，并让土壤保持有氧环境，提高了土壤的氧化还原电位、微生物数量和氧化活性，从而导致落干状态下的CO2排放量大于淹水条件的排放量。

4.2.4 节水灌溉对稻田温室气体排放的综合影响 水稻节水灌溉能显著减少稻田CH4的排放，但会促进N2O的形成，两者之间具有明显的“消-长”关系[42-43]。李健陵等[44]研究发现薄浅湿晒节水灌溉有效抑制了特别是水稻生育后期的CH4排放峰，促进了稻田N2O的排放，CH4和N2O排放此消彼长，但CH4减排量大于N2O增排量，总体而言，薄浅湿晒灌溉具有减少稻田综合温室效应的作用。Linquist等[45]研究发现，干湿交替灌溉条件下的稻田较持续淹水灌溉条件下的稻田增加了N2O的排放量，但在CH4的排放量上却显著减少，从而导致GWP(全球增温潜势)下降约34%。Peng等[46]研究表明，与常规灌溉相比，湿润灌溉稻田当季的N2O排放量增长了15.9%，但CH4的排放量只占总GWP贡献率的一半，与常规灌溉相比，较其86%的总GWP贡献率显著降低。可见，湿润灌溉与干湿交替灌溉可通过降低CH4排放而降低稻田总GWP。与传统淹灌相比，控制灌溉模式可增加121.8%～144.3%的N2O排放量，减少81.2%～82.8%CH4排放量，综合增温潜势减少了15.0%～34.8%[42]。

稻田GWP在节水灌溉模式下，影响率介于-78.00%～36.80%，GWP平均降低37.92%[29]。由于稻田排放的温室气体以CH4为主，并且其在GWP中的贡献较大，而采用节水灌溉模式下的稻田能够显著降低CH4排放。因此，结合大部分研究成果表明，在节水灌溉模式下可降低稻田的GWP[47-48]。但少部分研究表明，节水灌溉方式增加了稻田GWP[5,49]，其原因在于节水灌溉方式增加了稻田CO2和N2O的排放。

4.3 减少水稻病虫害

节水灌溉可减少农药使用量，显著减轻病虫害的危害，从而间接提高了经济效益。节水灌溉会引起稻田小气候的显著改变，如稻田温度增加、植株间湿度降低、田间昼夜温差增大等，从而抑制了田间病原菌的繁殖与传播，进而降低水稻病虫害发生概率。方荣杰[50]研究发现，在节水灌溉条件下，稻田纹枯病的发病率降低了33.4%，病株率下降了12.4%，病情指数从4.1下降0.1。Mao[51]指出水稻半干旱栽培相对长期淹灌，稻飞虱减少了46%，稻田纹枯病减少了24%，稻卷叶虫减少了70%。

5 节水灌溉的生态效应

节水灌溉的生态效应研究主要集中在杂草和动物多样性方面。节水灌溉下的稻田干湿交替必定引起田间杂草生境变化，如田间温度、湿度、pH、土壤养分状况及地面光辐射等环境因子均有所不同，同时影响着田间各种杂草的生长，如植株密度、植株构建、生物量及养分吸收量等，进而显著影响田间杂草的生物多样性。方荣杰[50]研究表明，非充分灌溉条件下的田间水层能显著抑制杂草的生长。付浩龙等[6]通过在高邮灌区开展控制灌溉和常规灌溉杂草群落多样性调查，得到控制灌溉稻田杂草物种丰富度要高于常规灌溉，常规灌溉稻田杂草各生育期发生密度总体大于控制灌溉，同时控制灌溉稻田杂草危害优势种少于常规灌溉，杂草群落相对稳定。邱佩等[7]在江西省灌溉试验中心站采用群落生态学方法，开展了淹灌与间歇灌溉下稻田杂草群落组成及物种多样性变化研究。结果表明间歇灌溉各生育期杂草密度降低1.2%～53.2%，平均降低27.8%。相关研究表明，间歇灌溉条件下形成多样化的环境，由于水稻与杂草、杂草与杂草之间存在相互竞争，限制了某些对单一生境有着良好适应性的杂草种类生长，起着过滤杂草的作用，降低了杂草发生量。可见，间歇灌溉明显提高了杂草群落多样性，有效地抑制了优势种杂草生长。

由于田间干湿交替，显著影响稻田害虫及天敌的数量。付浩龙等[8]在高邮灌区采用多种指数分析了节水灌溉模式下稻田各生育阶段节肢动物群落的动态变化。结果表明，随着水稻的生长，控制灌溉田间捕食性天敌种类比例随之增加，害虫种类比例则减少，常规灌溉则与之相反。控制灌溉稻田的节肢动物群落多样性总体要优于常规灌溉，物群稳定水平也高于常规灌溉，能够对田间害虫进行有效地控制。此外，控制灌溉生育后期中性昆虫均匀度和多样性均比常规灌溉小，说明控制灌溉模式抑制了害虫的繁殖与传播。邱佩等[9]采用群落生态学研究方法，比较了淹灌和间歇灌溉两种不同灌溉模式下稻田节肢动物群落多样性。结果表明：间歇灌溉增加了水稻各生育期节肢动物群落科数和种数，全生育期内害虫天敌总数平均增加了2.62%，天敌种类数增加了26.2%，在拔节孕穗期天敌种类数和数量增加率均达到最高。可见，间歇灌溉有效提高了稻田节肢动物天敌群落多样性，降低害虫群落多样性，整体天敌与害虫群落分布具有稳定性。试验结果与李道西等[52]研究得到节水灌溉条件能减少水稻病虫害的结论不一致，其原因在于系统相对封闭，缺乏一定代表性。

由此可见，节水灌溉对稻田杂草密度和危害优势种具有一定的控制作用，维持了节肢动物群落的稳定性，从而有效地抑制部分杂草和优势种(虫害)的爆发，对维护稻田杂草多样性、控制病虫害及稻田生态平衡具有重要的意义。

总之，与传统淹灌相比，节水灌溉不仅具有节水增产效应，同时还在减少氮磷、温室气体排放和维持杂草和动物多样性方面发挥了重要作用[53-54]。

6 需进一步研究的问题及展望

目前水稻节水灌溉模式的选择及推广普遍存在强调其节水经济效益，而对其生态环境效应重视不够的问题。水稻田间节水灌溉模式的优选基本都是基于“节水增产效益最大化”这一原则，此时的最大效益有可能是在牺牲环境、生态利益的基础上得到的。近年来，随着节水灌溉事业的发展和对生态环境的重视，对节水灌溉的研究尤其是对节水灌溉条件下稻田生态和环境效应研究提出了许多新的要求，以下几个问题需要更深入地研究和探讨。

(1)田间节水灌溉的综合效应研究。大量研究表明节水灌溉对节水、增产、环境、生态的影响是客观存在的，目前的研究多集中于节水灌溉下的节水减排机理，近年来部分研究开始关注对氮磷、温室气体排放和生物多样性的影响，但大多都偏重对单方面的影响，对综合考虑节水、增产、提高水肥利用效率、减少氮磷和温室气体排放、维持杂草和生物多样性目标的研究还不够深入，其综合影响机理还不清晰[55]。因此，需深入研究水稻节水灌溉与节水、增产、环境、生态之间的互馈机制，明确水资源高效利用、粮食产量保障、水环境治理以及维持生物多样性对节水灌溉的需求，采用多学科交叉，分析不同水稻节水灌溉模式的节水增产效益和生态环境效益，从而提出田间水肥综合调控模式。

(2)节水灌溉对温室气体排放的综合影响和机理研究。现有研究大多只关注对1种或2种气体的影响效果，而针对3种温室气体排放的综合影响效应以及3种气体之间此消彼长排放规律的研究较缺乏，有待深入研究[41]。此外，有关节水灌溉对农田温室气体排放影响机理的研究较缺乏，多是从土壤等角度来分析，而缺少节水灌溉条件下温室气体排放的微生物驱动机制研究[29]。

(3)节水灌溉对杂草和动物多样性调控机制研究。虽然目前学者认识到节水灌溉对杂草和节肢动物多样性的影响，但水分状况变化对稻田环境及杂草植株生理特性的内在影响规律、水管理措施下稻田杂草群落之间的竞争机制和群落调控机制的研究还不够深入[6]。节水灌溉条件下稻田害虫的发生规律、节水灌溉对天敌的控害作用机理等问题还有待深入探讨[9]。

(4)节水灌溉模式的多准则评价。基于节水灌溉对节水、增产、环境和生态的综合影响机理，充分利用现代信息技术(如3S技术等)采集数据，分析各因子交互作用机理，筛选关键因子，科学选取综合效应评价因子，构建考虑南方不同地域和气候特点类型灌区(丘陵区的长藤结瓜灌区和平原河网灌区)的评价指标体系，探讨评价指标的尺度效应，建立基于模糊理论的节水灌溉综合效应评价模型，并在此基础上利用多目标决策方法进行多准则评价，提出水稻田间最优调控模式[56]。