灌溉对农田温室气体排放影响研究进展概述

段 鹏

（西藏自治区农牧科学院农业研究所，西藏 拉萨 850032）

气候的变化是当下国际和国内都非常关注的社会热点问题。据专家预测，相比100年前，2025年全球年均气温将升高2℃，而2100年平均气温将升高4℃［1］。最新研究结果表明：CO2、N2O和CH4等3种气体对温室效应影响最严重，它们可吸收热辐射，增加地球表面温度，也称之为温室气体［2］。这3种气体对全球温室效应的贡献率能达到80%［3］。人类活动的影响，造成“温室效应”气体浓度急剧增加，已成为全球气候变暖最重要的因素［4］。农业生产可产生一定量的温室气体，温室气体的最主要来源是农田土壤，有机质经微生物在土壤中分解，产生CO2；长期被水淹没的农田，经微生物发酵可产生CH4；一半以上的N2O气体来自于土壤的硝化与反硝化过程。长期被水淹没的稻田每年大约排放5000万～10000万t的CH4，占CH4全球总排放量的10%～20%，为CH4主要来源之一［5］。李长生等［2］通过DNDC（生物地球化学过程模型）对连续淹灌和定期晒田两种灌溉模式进行了模拟，得出1980—2000年，其他条件一样，仅灌溉模式的改变，中国稻田CH4的年排放量大约可减少500万t。

灌溉农业是中国粮食产量的主要来源，约占粮食总产的70%，农田用水总量也达到全国用水总量的70%［6］。土壤中的水分是碳循环过程的关键驱动因子，能够促进温室气体排放，在一定范围内，土壤中的水分与温室气体的通量有非常明显的正相关性［7-9］，因此，通过改变灌溉方式，改变土壤中水分分布的变化以及水分含量定能对土壤的吸附强度、温室气体排放以及土壤中的有机物质的矿化分解等产生非常重要的影响。灌溉作为旱作物农田管理非常重要的管理措施，不仅可以改善旱作农田的土壤水分情况，满足农作物日常生长的需求，还能够通过改善农田中土壤的有机质的矿化分解率，改变其微生物的含量以及活性，还可以通过改变农作物根系气体扩散速率以及微生物含量等影响灌溉农田土的碳排放强度［10］。

1 灌溉对农田CO2排放的影响的研究进展概况

1.1 CO2的产生途径与排放概述

CO2对全球气候变化的影响较其他的温室气体大，是非常重要的温室气体［11］。从19世纪50年代末起，CO2的含量以每年百万分之一的速率逐步上升，近10年，CO2更是以每年百万分之二的速度上升［12］。2013年，在美国莫纳罗亚天文台曾多次观测到大气中的CO2浓度达到400 mg/kg以上。在我国，农业是CO2的汇集区，并不是CO2产生的源头，但是我国农业系统固碳率很低。初步估算，1990—2000年的10年间，我国农业系统固碳的比例约占总体比例的10%，剩余的90%则长期存于农产品与土壤中，再以不同的形式排放或直接排进大气中。CO2是土壤中微生物代谢和生物化学分解等综合因素影响的产物［13］。

CO2的排放来自于农田生态系统中土壤的呼吸，主要包括3个生物学过程和1个非生物学过程，即：土壤微生物的呼吸、土壤中动物的呼吸、植物根系的呼吸和土壤中含碳物质的氧化分解。决定土壤呼吸强度的因素主要是土壤中有机质的含量、矿化速率、微生物种群的活性及数量、土壤中的动植物呼吸作用等。土壤中CO2排放就是土壤中生物化学过程以及土壤中微生物的代谢等综合因素影响的产物［14］。

1.2 灌溉对土壤CO2排放的影响机制

CO2在土壤中形成以后，通过扩散的方式向大气中转移，它的排放量不仅受到土壤中CO2气体浓度分布的影响，还受到环境因子的影响［15］。研究表明，农作物根系及其周围微生物种群排出的CO2约占土壤排放总量的20%～50%［16］。Li等［17］认为，漫灌的长时间间隔、土壤中水分的大量蒸发、土壤频繁的干湿交替，均可产生更大量的CO2，CO2的排放通量上，设施农业的膜下滴灌低于普通的无膜漫灌。土壤中CO2的浓度，漫灌与滴灌相比，漫灌一次浇水量大，并且能够迅速淹没田块，造成土壤板结，土壤通气性变差，使得土壤中的CO2很难快速地扩散出去，进而使得漫灌的土壤中CO2的浓度比滴灌的高7.4%～49.7%［18］。但是Kallenbach等美国科学家对西红柿田的灌溉研究发现，沟灌和灌溉对西红柿田中的CO2的浓度及其排放通量表现差异不显著［19］。灌溉方式的不同对CO2的排放的影响效应也不同，不同的灌溉方式下，土壤中生物的呼吸不同，CO2的排放速率也不同，均是由于水分的变化引起的。同时，不同的灌溉方式必定会带来土壤中水分时间动态变化差异，由于滴灌较漫灌转换的频率更高，土壤的干湿交替现象更频繁，产生的CO2也会出现不同。Borken等［20］发现，干湿交替会加强土壤有机质的矿化，还能引起原先不易被利用的、容易分解的有机质重新矿化，增强土壤微生物活性，进而大幅增加CO2的排放；但频繁的干湿交替又会导致土壤的矿化量降低，进而大幅减少CO2的排放。此外，气候条件的变化与灌溉对CO2排放有较大的影响［21］。

灌溉会导致土壤中含水量的增加，进而促进了植物根系的呼吸作用，还能影响到微生物群落的活性，促使土壤的呼吸作用增强。而大水漫灌，会引起土壤板结，土壤中氧气浓度降低，厌氧环境能够抑制土壤中的微生物活性，可以明显降低土壤的呼吸作用。一般认为，在干旱条件下，土壤水分欠缺，灌溉之后土壤中的水分含量会迅速增加，进而促进植物根系的呼吸作用以及提高土壤中的微生物活性，土壤的呼吸作用显著增强［22］。但是土壤呼吸作用与灌溉量并不呈简单的线性关系，漫灌时间长，当土壤空隙含水量大时，又会造成厌氧环境，抑制土壤的呼吸［23］。

去除土壤的本身特性，灌溉也是一种释放CO2的过程。Follett等［24］科学家指出，灌溉用的水泵消耗产生的温室气体量达到200 kg C·hm-2·a-1。Zou等［25］从节能减排的方面分析，节水灌溉相比传统灌溉，3年可降低能源消耗共计15.23（9.59～20.85）t标准煤，大概可减少34.67 t CO2排放。

2 灌溉对农田CH4排放的影响的研究进展概况

2.1 土壤CH4排放概述与产生途径

土壤中微生物活动过程是增加大气中CH4的主要来源。在厌氧环境下，死亡的作物根系、作物残茬、根系分泌物、土壤有机物、土壤微生物、死亡的土壤动物、有机肥或农家肥等有机物在细菌的作用下被逐步降解为醇、有机酸和CO2等小分子化合物，甲烷菌再将这些小分子化合物转变成CH4。土壤中CH4的排放主要受土壤中有机质含量、酸碱度以及土壤含水量等土壤生物理化特性影响。如稻田、湿地、废弃物的堆积场等均是土壤中CH4排放源，其中稻田是农田生态系统中CH4排放的主要来源，大约占全球CH4总排放量的12%［26］。

2.2 灌溉对CH4排放的影响机制

影响土壤中CH4吸收的主要因素是土壤中水分的含量［27］，灌溉对CH4排放的影响表现极其显著。在一定条件下，土壤的含水率越高，CH4的氧化能力越低［28］。目前国内外灌溉对CH4排放的影响机制研究主要集中在湿地、水稻田以及有机物垃圾掩埋场等CH4的主要排放源上，对旱作田的土壤CH4的研究则很少。然而有研究表明，旱田的土壤环境更有利于CH4氧化菌的繁殖，通过氧化作用，可消耗大气中的CH4，是陆地生态系统中，除大气光化学反应外，最大的消耗机理［29］。因此，目前亟需解决的是加强旱作农田重要温室气体，尤其是CH4的排放、吸收特征研究，也是准确评价灌溉方式与增强温室效应关联机理研究的一项重要科学基础。在厌氧环境下，产甲烷菌作用于产甲烷基质产生CH4，适宜的产甲烷菌生长环境和充足的产甲烷基质是产生CH4的先决条件。CH4排放通量主要是由土壤CH4产生和氧化的差值决定［30］，CH4产生和氧化与甲烷氧化菌、产甲烷菌等微生物活性有正相关性，也与土壤中营养元素的输入和土壤温度有关，温度会通过影响土壤微生物活性，进而影响土壤甲烷的产生与氧化［31］，从而直接影响土壤中CH4的排放量。

3 灌溉对农田N2O排放的影响

3.1 土壤N2O排放概述与产生途径

N2O是中国农田生态系统产生的最主要的温室气体之一，虽然它对大气的增温贡献只占4%，但其单位质量增温的潜能是CH4的4～21倍，是CO2的159～296倍，而且它能在大气中留存120年［32］，一旦它的浓度增加，短时间内很难降低。N2O的排放主要源自于农田土壤，占大气中N2O来源的80%～90%［33］，占比人类活动总排放量的92%。减少土壤N2O的排放量不仅可以减少N素损失，还有利于提高氮肥利用率，在一定程度上还能够减弱温室效应。微生物的硝化和反硝化反应是土壤中N2O的主要来源。影响土壤中微生物活性的因素都将有可能直接或间接影响硝化和反硝化反应，进而影响N2O的产生，比如土壤中碳、氮含量、土壤的温度等［34］。除上述因素外，土壤中还存在化学反应，如硝化过程。N2O的排放量还受到pH值和Fe、Cu等离子的影响［35］。土壤中N2O的产生取决于微生物的硝化和反硝化作用［36］。所以，不同的灌溉方式对土壤N2O的产生和排放量有着极其重要的影响。

3.2 灌溉对N2O排放的影响机制

在现代化的农业灌溉生态系统中，水肥一体化模式对N2O的排放有一定的影响，其中灌水和氮肥的管理对N2O的排放是主要的影响因素［37-38］。灌溉和增施氮肥能够形成有利的反硝化作用环境，在厌氧的条件下增加了土壤中N2O的排放［39］。在生态系统的试验中，80%～95%的N2O的排放量来自于灌溉和施肥过程［40］。Vallejo等［41］和Meijide等［42］对半干旱灌溉系统的研究中发现，对比施用氮肥，增施有机肥可有效减少NO和N2O的排放。不同的灌溉方式可通过影响N元素的淋溶和矿化等来影响土壤中有效N元素的分布和量，进而对土壤中N2O的排放产生影响。灌溉后立即施用氮肥的土壤产生的N2O的量明显大于施用有机肥的，说明土壤中的无机氮对N2O的产生有重要作用［43］。研究发现，灌溉后，玉米植株的根可通过根际周围微环境，增加根向周围土壤分泌N、C等元素，可为硝化和反硝化菌提供物质基础，进而促进硝化和反硝化发生，增加土壤中N2O产生量［44］。

4 小结与讨论

近10年来，国内外对不同的灌溉技术和灌溉方式对土壤中温室效应的贡献以及对土壤中有机碳的含量变化等的影响的研究取得了一定的成果，这方面的研究也已逐步受到国内外学者的普遍关注，但与我国在土地利用、耕作制度和养分投入等农作物的管理方法比，在农作物灌溉的定量、定性及评价分析等方面的研究仍旧十分匮乏，导致在农业土壤的温室气体排放、温室气体效应等方面的研究有很多不确定性因素，将直接影响到灌溉对温室气体效应的贡献的精确评价，直接导致无法精准提出科学减排措施。基于现代灌溉与温室气体排放等方面存在的问题，今后应着重从以下几个方面加强研究。

4.1 不同的灌溉方式之间的对比

国内外相关方面的研究仅停留在不同的灌溉方式和不同的灌溉农田等方面的对比试验研究，在不同的灌溉方式之间方面，尤其是在传统的灌溉方式和节水灌溉方面的对比研究还是很欠缺。尤其是在研究中还欠缺在灌溉方式变化后，土壤温室气体排放的空间性差异变化。节水灌溉属于土壤的局部灌溉，与传统的大水漫灌相比，对土壤造成的湿润度不同，所以，应该考虑到不同灌溉方式对土壤中温室气体产生的变化差异，进而能够更加准确地计算出不同的灌溉方式对农田土壤的温室气体吸收与总量的相关性，进而能够更加准确地为农田温室气体排放与吸收提供科学理论依据。

4.2 开展农田温室效应的系统研究

目前灌溉方式的变化对土壤温室气体的产生以及对农田温室效应的研究，仅停留在碳排放量等方面的研究，对农作物的碳固化量等方面的研究依然不足，导致实验结果很难精准评价不同的灌溉方式，对整个农业生态系统的碳固化以及碳汇总等方面存在很大不确定性。同时，现在对温室气体的研究多停留在CO2、CH4和N2O这3种气体中的一种或者两种气体的研究，3种温室气体的共同期监测研究还是很少。不同的灌溉管理方式，定会影响温室气体的排放及产生，甚至还可能出现温室气体之间此消彼长的情况。因此，在探讨研究不同的温室气体与增温效应的同时还应充分考虑到不同的灌溉方式对温室效应的贡献率等方面的问题。

4.3 加强灌溉对温室效应的长期与短期影响的共同研究

农田中水分含量的变化与温室气体的排放量，通常是时效性很短的，且有一定的激发性。而这些情况对植物以及农田土壤等的固碳能力的影响却是不断积累的、长期的过程，因此，不同的灌溉方式对农作物系统、土壤以及土壤中微生物的系统影响，都会影响到农田温室气体的排放量以及排放方式，且是一个长期的过程。我们应该将不同时间段与试验示范的研究结果充分地结合起来，才能有效地研究不同的灌溉方式对温室气体的排放影响。

4.4 进一步深化相应的机理研究

不同的灌溉方式对温室效应的贡献率的研究还处于初期。现阶段的研究仅处于灌溉农田与农田温室气体变化通量等方面的研究，而它对农田周围环境的驱动机制研究，尤其是灌溉农田地下生态系统研究、生态驱动机制研究以及植物周边的微生物学研究等，仍然十分缺乏。