王孟雪, 張忠學(xué), 呂純波, 林彥宇

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院, 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱150030;2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué), 黑龍江 大慶163319; 3.黑龍江省農(nóng)田水利管理中心，哈爾濱 150001)

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不同灌溉模式下寒地稻田CH4和N2O排放及溫室效應(yīng)研究

王孟雪1,2, 張忠學(xué)1, 呂純波3, 林彥宇1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院, 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱150030;2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué), 黑龍江 大慶163319; 3.黑龍江省農(nóng)田水利管理中心，哈爾濱 150001)

為了研究寒地稻田CH4和N2O排放特征，選取黑龍江省寒地稻田為研究對象，采用靜態(tài)箱—氣相色譜法對控制灌溉、間歇灌溉、淺濕灌溉及淹灌四種水分管理模式等4個處理的CH4和N2O排放通量進行觀測。結(jié)果表明，不同灌溉模式下的CH4和N2O排放高峰均出現(xiàn)在水稻生長旺季，而休閑期內(nèi)排放較少。相對于淹灌，淺濕灌溉稻田CH4累積排放量降低了27.2%，控制灌溉處理的降低了34%，間歇灌溉處理的降低了48.2%。長期淹灌稻田N2O排放量比間歇灌溉稻田減少0.41 kg/hm2，比控制灌溉稻田增加0.38 kg/hm2，比淺濕灌溉稻田增加0.37 kg/hm2?？傮w溫室效應(yīng)分析，節(jié)水灌溉模式能有效抑制溫室氣體的排放并顯著地降低CH4和N2O的總溫室效應(yīng)。水稻生育期內(nèi)，CH4排放量減少時期，N2O排放量有增加趨勢，綜合考慮CH4和N2O排放的消長關(guān)系，才能有效減緩稻田溫室氣體的排放。

灌溉模式; CH4排放; N2O排放; 排放通量; 溫室效應(yīng)

氣候變化的主要原因是由于人類活動向大氣中排放過量的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)等溫室氣體而引起的。因此解決氣候變化問題的根本措施也就是減少人為溫室氣體排放或增加對大氣中溫室氣體的吸收[1]。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；c機械化程度的提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程將耗用能源聯(lián)系更加緊密，排放的溫室氣體也逐漸增加[2]。水稻是世界三大糧食作物之一，是人類營養(yǎng)和熱量攝入的主要來源，常年種植面積1.5億hm2左右，約占耕地面積的10%[3]。稻田是大氣CH4和N2O的主要生物排放源之一，稻田CH4和N2O的排放受氣候條件、土壤特性和農(nóng)業(yè)管理措施等因素的影響。全面了解CH4和N2O排放規(guī)律及其相互關(guān)系是實現(xiàn)稻田溫室氣體減排的前提和客觀要求。

水是影響稻田CH4和N2O排放的重要環(huán)境因子[4]。因此，在水稻種植過程中，只要措施得當，水稻田具有較大的溫室效應(yīng)減緩潛力，尋求最佳的水分管理模式將對減少稻田溫室氣體的排放起到重要作用[5]。本研究對黑龍江省寒地稻田CH4和N2O排放進行觀測，從影響稻田CH4和N2O排放對水分管理措施的響應(yīng)進行研究，探討不同灌溉模式下CH4和N2O的排放規(guī)律，以期為寒地稻田溫室效應(yīng)的相關(guān)研究提供減排依據(jù)和文獻參考。

1　材料與方法

1.1自然概況

試驗在黑龍江水稻灌溉試驗中心站進行，該站(東經(jīng)125044′，北緯45063′)位于慶安縣和平鎮(zhèn)，是典型的寒地黑土分布區(qū)。多年平均氣溫為2～3℃，多年平均降水量500～600 mm，多年平均水面蒸發(fā)量700～800 mm。作物水熱生長期為156～171 d，全年無霜期128 d。氣候特征屬寒溫帶大陸性季風氣候。土壤類型為白漿土型水稻土，容重1.01 g/cm3，孔隙度61.8%。土壤基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)含量41.4 g/kg，pH值6.40，全氮15.06 g/kg，全磷15.23 g/kg，全鉀20.11 g/kg，堿解氮154.36 mg/kg，有效磷25.33 mg/kg和速效鉀157.25 mg/kg。

1.2試驗設(shè)計

試驗采用控制灌溉(C1)、間歇灌溉(C2)、淺濕灌溉(C3)及淹灌(C4)四種水分處理管理模式，各處理均施氮肥105 kg/hm2，五氧化二磷45 kg/hm2，氧化鉀80 kg/hm2。P肥作基肥一次施用，K肥分基肥和8.5葉齡(幼穗分化期)兩次施用，前后比例為1∶1。氮肥按照基肥：蘗肥：調(diào)節(jié)肥：穗肥比例為5∶2.5∶1∶1.5分施。種植密度為30 cm×10 cm，每穴3株。每個處理3次重復(fù)，共12個小區(qū)，每個小區(qū)面積100 m2，小區(qū)四周同樣種植水稻以加設(shè)保護行。水稻品種、育秧、移栽、植保及用藥等技術(shù)措施以及田間管理條件相同。為減少側(cè)向滲透對試驗的影響，小區(qū)與小區(qū)之間采用隔滲處理，即小區(qū)四周用塑料板和水泥埂作為隔滲材料，埋入田間地表以下40 cm深。在每個小區(qū)中央距離周邊4 m處安置正方形不銹鋼底座，規(guī)格為50 cm×50 cm×15 cm，底座埋入土壤10 cm深，作為固定采集氣樣地點，用于放置CH4和N2O人工采樣靜態(tài)箱，觀測氣體通量排放情況。

供試水稻品種為龍慶稻2號，4月10播種育苗，5月3日施基肥，5月20日插秧，5月28日施返青肥，6月15日施分蘗肥，7月9日施穗肥，9月20日收獲。水稻不同灌溉模式的土壤水分調(diào)節(jié)標準如表1所示。

表1　不同灌溉模式水分管理方式

注：θs為根層土壤飽和含水率質(zhì)量分數(shù)，85.5%。

1.3樣品的采集

分別在作物生長的各主要生育期內(nèi)采集土樣和氣樣。土壤用土鉆均勻取0—20 cm 新鮮土樣，立即裝入泡沫保溫箱內(nèi)，四周放置冰袋保鮮，帶回試驗室，置于冰箱中冷凍貯存，測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。試驗采用密閉不透明箱法取氣體樣品，靜態(tài)箱由5 mm厚的透明有機玻璃做成，包括頂箱、中間箱及不銹鋼底座三部分。不繡鋼底座頂端留有寬2 cm，深5 cm的密封槽，用于采集氣體時與箱體密封，當田面有水層時用水封，當田面無水層時用土封。水稻生育前期箱體高度60 cm，生育后期在箱體上放置頂箱，高度增加至110 cm。箱內(nèi)頂部安裝微型電風扇一個，頂部開兩個小孔，一個引入風扇電源線，另一個引入數(shù)字溫度計之溫度探頭，用來校正取樣過程中箱內(nèi)溫度升高引起的氣體質(zhì)量計算誤差。側(cè)面打孔接入采氣管，采氣管進入箱內(nèi)25 cm，采氣管末端連接三通閥，三通闊另外兩部分分別連接采氣袋與注射器(60 ml)。試驗處理三次重復(fù)，每個重復(fù)均有一人同時進行平行采樣。每個處理分別在第0，10，20，30分鐘各采集1次，每次以連續(xù)抽取兩次作為一個氣體樣品，全部放入氣袋。氣樣抽取后即可旋轉(zhuǎn)三通閥，封閉其與箱內(nèi)通道，將氣體轉(zhuǎn)入釆氣袋內(nèi)。為減小采集氣體樣品過程中，因太陽福射導(dǎo)致的箱內(nèi)氣體溫度變化，中間箱及頂箱外層覆蓋絕熱材料。氣體采樣時間選擇最能代表當日氣體排放平均水平的時刻，將采集時間靈活安排在10：00—14：00之間。每次取樣為水稻關(guān)鍵生育期，生育旺盛階段加測。如遇強降雨天氣則推遲取樣時間。

1.4樣品的測定

氣體濃度采用氣相色譜(島津GC-17A，日本)手動進樣測定，CH4濃度檢測時采用氫火焰離子檢測器(FID)，N2O氣體濃度檢測時采用電子捕獲檢測器(ECD)，檢測條件見表2。標準氣體由國家標準物質(zhì)中心提供。

表2　氣相色譜配置和分析條件

1.5計算方法和數(shù)據(jù)分析

稻田CH4和N2O排放通量采用公式(1)計算[6]。

(1)

試驗數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS軟件進行統(tǒng)計分析。

2　結(jié)果與分析

2.1CH4排放季節(jié)變化規(guī)律

不同灌溉模式下稻田CH4排放季節(jié)變化見圖1，水分管理模式對稻田CH4排放的影響較顯著。在泡田及返青階段，各處理的CH4排放無太大差異。各處理此階段水分管理相同，田面水層深度一致，因此各處理出現(xiàn)了相似的排放規(guī)律。泡田初期幾乎檢測不到稻田CH4排放?？刂乒喔葪l件下，稻田CH4排放在分蘗末期達到第一次峰值，之后下降。在拔孕期開始又出現(xiàn)排放高峰，高排放延續(xù)時間相對較長，持續(xù)到抽開期。間歇灌溉模式有兩個排放高峰，一次出現(xiàn)在水稻分蘗末期，另一次出現(xiàn)在拔孕期，之后緩慢下降。淺濕灌溉和淹灌條件下CH4排放規(guī)律較為相似，均出現(xiàn)了兩個排放高峰，第一次出現(xiàn)在分蘗末期，第二次出現(xiàn)在曬田末期。各處理在水稻生育后期均處于較低水平，持續(xù)至水稻成熟。

圖1　不同灌溉模式下稻田CH4排放季節(jié)變化

田間水分條件可能是造成稻田CH4排放出現(xiàn)季節(jié)性變化的重要因素。水稻生育前期，各處理田面水層深度一致。泡田以及返青期的淹水狀態(tài)，使得土壤中有機質(zhì)分解慢，CH4排放也較緩慢。從分蘗期開始，各處理間CH4排放出現(xiàn)了較大差異。長期的淹水狀態(tài)，土壤氣體擴散被阻斷，厭氧性產(chǎn)CH4菌群數(shù)量增多，有利于CH4的產(chǎn)生和釋放[8,9]。因此長期淹灌模式下CH4排放在整個水稻生育期都維持相對較高水平。間歇灌溉及淺濕灌溉模式，田面水層較淺，使土壤有利于氣體交換，提高CH4的氧化速率，抑制產(chǎn)CH4細菌活性，減少了CH4產(chǎn)生和排放?？刂乒喔入m田面無水層，土壤中CH4細菌活性降低，減少了CH4氣體的產(chǎn)生，但同時土壤通氣狀況良好，促進了CH4向大氣中傳輸。從曬田期至拔孕期，各處理均再次出現(xiàn)了CH4排放高峰，水層的落干導(dǎo)致了CH4氣體的大量釋放，且此時是水稻生長旺季，導(dǎo)致了稻田CH4排放顯著增加。

2.2N2O排放季節(jié)變化規(guī)律

不同灌溉模式下稻田N2O排放的季節(jié)變化特征如圖2所示。從水稻整個生育期來看，不同灌溉模式下N2O排放的高峰均出現(xiàn)在曬田—拔節(jié)孕穗期及灌漿期兩個階段，而返青—分蘗初期及后期曬田階段的排放量相對較低。在水稻生育階段前期，各處理N2O排放都處于較低水平，泡田期幾乎無N2O排放。分蘗肥后N2O排放略有增加，出現(xiàn)了一個小的排放高峰。

淹灌條件下，除曬田期其余階段田面水層變化較小，土壤的通氣性較差，減少了N2O的排放。對照淹灌模式，間歇灌溉模式下N2O排放相對較高，出現(xiàn)了四個排放的高峰期。從分蘗期開始，長期淹灌處理的N2O排放高于其他處理，而在曬田期迅速下降，并在拔節(jié)孕穗期又迅速上升至最高峰，達到271.25 μg/(m2·h)。曬田期稻田的干濕交替改善了土壤的通氣性，增加土壤中的有效氧，促進了N2O的形成與產(chǎn)生。N2O排放量從曬田期開始增加，至抽開期N2O累計排放量為397.78 mg/hm2，達到全生育期排放量的72.8%?？刂乒喔燃皽\濕灌溉模式條件下N2O的排放特征較為相似，均從水稻分蘗后期開始緩慢上升，在曬田期達到峰值，之后開始緩慢下降，在灌漿期達到第二次排放的小高峰。

各處理在水稻泡田之前以及黃熟期后N2O排放量非常微小，甚至出現(xiàn)負值，這和很多試驗的觀測結(jié)果較為一致[10-12]。有研究認為N2O氣體通量出現(xiàn)負值一般發(fā)生在以下兩種情況：一是土壤處于強還原狀態(tài)時微生物吸收N2O 并將其反硝化還原成N2；另一種情況是有機質(zhì)含量較高的土壤處于干燥條件時，N2O可能被土壤基質(zhì)中的黏土礦物所吸附[13]。本試驗中水稻收獲后，土壤處于較為干燥的狀態(tài)，土壤有機質(zhì)含量較高，吸附了較多的N2O，造成了N2O排放通量為負值。

圖2不同灌溉模式下稻田N2O排放季節(jié)變化

2.3CH4和N2O累積排放量及溫室效應(yīng)

不同灌溉模式下稻田CH4和N2O排放量如表3所示。從水稻整個生育期分析，淹灌條件下CH4的累積排放量明顯高于其他處理。相對于淹灌，淺濕灌溉處理的CH4累積排放量降低了27.2%，控制灌溉處理的CH4累積排放量降低了34%，而間歇灌溉條件下的CH4累積排放量最低，較對照降低了48.2%。不同灌溉條件下水稻全生育期的N2O累積排放量也存在較大差異。間歇灌溉條件下N2O累積排放量最高，相比淹灌處理增加0.41 kg/hm2，而控制灌溉及淺濕灌溉條件下N2O累積排放量相對于長期灌溉條件明顯減少，分別降低了41.3%和40.2%。

稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4及N2O 氣體排放對全球變暖起到重要作用，通常用增溫潛勢GWP(CO2的GWP為1) 來表示相同質(zhì)量的不同溫室氣體對溫室效應(yīng)增強的相對輻射效應(yīng)。以100 a 為時間尺度，單位質(zhì)量的CH4和N2O 氣體的GWP分別為CO2的21，310倍[14]。表4顯示了不同灌溉模式下CH4和N2O的溫室效應(yīng)。間歇灌溉條件下的溫室效應(yīng)總和最低，相比淹灌處理減少4 695.34 kgCO2/hm2?？刂乒喔燃皽\濕灌溉條件下的溫室效應(yīng)總和相差較小，長期淹灌條件下的溫室效應(yīng)總和最高。可見節(jié)水灌溉模式能有效抑制溫室氣體的排放并顯著地降低CH4和N2O的溫室效應(yīng)。

表3　不同灌溉模式下稻田CH4和N2O排放量

注：(1) 排放通量值均為平均值±標準誤差(SE)；(2) 字母a—c表示同一指標在不同施肥處理之間LSD檢驗顯著性差異分組(a=0.05)。

表4　不同灌溉模式下稻田CH4和N2O排放量的溫室效應(yīng)

3　討 論

3.1灌溉模式對稻田CH4排放的影響

水分管理條件是影響稻田CH4排放最重要的因素[15]。由于水稻在生長發(fā)育期間，各生育期田面水層深度不一致，稻田水分管理在很大程度上影響了CH4排放季節(jié)變化。土壤中有氧環(huán)境或無氧環(huán)境的形成受土壤水分狀況的調(diào)控，而灌概模式直接影響到土壤水分狀況的調(diào)控。節(jié)水灌溉條件下，土壤通氣狀況得到極大改善，既促進CH4氧化又部分抑制CH4產(chǎn)生，特別是控制灌溉條件下，水稻植株會受到一定程度的水分脅迫可能關(guān)閉部分氣孔，減少植株體途徑的CH4排放[16]。本研究表明，長期淹灌模式下稻田的甲烷排放量明顯高于其他處理。稻田處于長期淹水狀態(tài)，土壤氣體擴散被阻斷，厭氧性產(chǎn)CH4菌群數(shù)量增多，因此，有利于CH4的產(chǎn)生和釋放[17-18]。而控制灌溉、間歇性灌溉及淺濕灌溉等節(jié)水灌溉技術(shù)，使土壤有利于氣體交換，提高CH4的氧化速率，抑制產(chǎn)CH4細菌活性，減少了CH4產(chǎn)生和排放。干濕交替處理因較大幅度水分變化抑制產(chǎn)甲烷菌活性而降低CH4排放量。間歇灌溉在水稻分蘗期后，實行淺水層管理，明顯改善了稻田通氣狀況，破壞了CH4菌群的厭氧生存條件，顯著減少了稻田CH4的排放。

3.2灌溉模式對稻田N2O排放的影響

稻田N2O是土壤微生物硝化與反硝化過程的中間產(chǎn)物。不同的灌溉模式能夠形成不同的稻田土壤水分狀況，而水分狀況是影響土壤硝化與反硝化過程的最重要因素之一。稻田復(fù)雜的土壤水分變化狀況影響到土壤氧化還原電位和微生物活性，從而進一步影響氮素在稻田土壤中的動態(tài)變化[19]。一些研究表明稻田土壤N2O 排放主要集中在水分變化劇烈的干濕交替階段，稻田落干和烤田期N2O 排放量顯著增加，與本研究基本一致[20]。

不同灌溉模式下，稻田N2O排放量均在烤田后的復(fù)水期開始上升，并在之后達到峰值。在此期間N2O排放量占水稻生長期N2O排放總量的54%～59%，說明水稻生長期內(nèi)稻田土壤N2O排放通量主要受土壤水分狀況的影響。

間歇灌溉模式下的N2O排放量最高，劇烈的水分變化，增加土壤通透性，為土壤提供大量的O2，有利于硝化及反硝化反應(yīng)同時進行，促進N2O產(chǎn)生排放；淹灌模式下的N2O排放量低于間歇灌溉處理，淹水使土壤處于極端還原狀態(tài)，使生成的N2O進一步還原為N2，抑制了N2O 的產(chǎn)生及排放。

3.3CH4和N2O累積排放量及溫室效應(yīng)

土壤水分狀況是稻田CH4和N2O排放季節(jié)變化的主要驅(qū)動因子。不同水分管理模式下，CH4和N2O排放存在著一定的消長關(guān)系。當CH4排放處于高峰時，N2O排放量卻處于相應(yīng)較低的水平；而當N2O排放量增加較為明顯時，CH4正處于排放的低點[21]。兩種溫室氣體對稻田整體溫室效應(yīng)的貢獻是不同的。所有處理中甲烷產(chǎn)生的溫室效應(yīng)占二者總GWP的75%以上，是稻田的主要溫室氣體。甲烷排放主要集中在分蘗末期和拔節(jié)孕穗期，水稻生長中后期的甲烷排放會顯著減少，整體呈下降趨勢[22]。間歇灌溉模式會減少CH4的排放，而增加N2O的排放。淹灌模式甲烷的排放量最高，而氧化亞氮的排放量相應(yīng)減少。控制灌溉及淺濕灌溉模式甲烷及氧化亞氮的排放特征相似，處于中等水平。從綜合效應(yīng)來看，節(jié)水灌溉是減少稻田綜合溫室效應(yīng)的有效措施。節(jié)約灌溉用水能改善稻田通透性和土壤含氧量，根系活力強，抑制CH4產(chǎn)生，促進CH4氧化。尋求一種既能抑制CH4產(chǎn)生，又能減少N2O排放的水肥優(yōu)化模式，將會對水稻溫室氣體減排起到至關(guān)重要的作用。

4　結(jié) 論

節(jié)水灌溉模式下稻田CH4排放通量明顯低于長期淹灌稻田。在水稻全生育期內(nèi)，相對于長期淹灌，淺濕灌溉處理的CH4累積排放量降低了27.2%，控制灌溉處理的CH4累積排放量降低了34%，而間歇灌溉條件下的CH4累積排放量最低，較對照降低了48.2%。與長期淹灌稻田相比，間歇灌溉明顯增加了稻田N2O排放量，其排放量為1.33 kg/hm2，比長期淹灌處理增加0.41 kg/hm2，且排放最大峰值出現(xiàn)在水稻拔節(jié)孕穗期。而控制灌溉和淺濕灌溉稻田N2O 排放量相對減少。

雖然水稻曬田期CH4排放量顯著減少，但卻在之后的復(fù)水期使N2O的排放量顯著增加，綜合考慮CH4和N2O排放的消長關(guān)系，才能有效減緩稻田溫室氣體的排放。從總體溫室效應(yīng)來看，間歇灌溉能有效的抑制溫室氣體的排放并顯著地降低CH4和N2O的總溫室效應(yīng)。

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CH4and N2O Emissions from Rice Paddy Field and Their GWPs Research in Different Irrigation Modes in Cold Region

WANG Mengxue1,2, ZHANG Zhongxue1, Lü Chunbo3, LIN Yanyu1

(1.College of Water Conservancy and Architecture, Agricultural Key Laboratory of Efficient Utilization of WaterResourcesofAgricultureMinistryinNortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China; 2.HeilongjiangBayiAgriculturalUniversity,Daqing，Heilongjiang163319,China; 3.WaterConservancyManagementCenterofHeilongjiang,Harbin150001,China)

CH4and N2O emission fluxes were measured in rice paddy field of cold region in Heilongjiang under four moisture management modes by using the method of static chamber-gas chromatograph technique. Four different treatment methods including control irrigation, wet irrigation, intermittent irrigation and flood irrigation were utilized in order to study the CH4and N2O emission characteristics. The results indicated that the CH4and N2O emission peak appeared in the rice vigorous growth period and the emissions reduced in leisure period no matter what kind of irrigation methods were utilized. Compared with flood irrigation, the CH4emission of wet irrigation decreased by 27.2%，the CH4emission of control irrigation decreased by 34%, and intermittent irrigation model significantly decreased by 48.2%. Flood irrigation paddy N2O emissions reduced 0.41 kg/hm2compared to the intermittent irrigation paddy fields, increased 0.38 kg/hm2compared to control irrigation and increased 0.37 kg/hm2compared to wet irrigation paddy. With respect to analyzing overall greenhouse effect, water saving irrigation mode can effectively decrease and control CH4and N2O emissions. At rice growth stages, N2O emissions increased accordingly in the period of CH4emissions reduction. By considering the relationship of the growth and decline between CH4and N2O emissions, the paddy fields of greenhouse gas emissions can be effectively slowed down.

irrigation mode； CH4emission； N2O emission； emission flux； global warming potentials

2015-03-01

2015-04-23

國家科技支撐計劃“大型灌區(qū)節(jié)水技術(shù)集成與示范”(2012BAD08B05)

王孟雪(1978—),女,黑龍江省鐵力市人,博士研究生,主要從事農(nóng)田溫室氣體排放方面的研究工作。E-mail:wangmengxue1978@163.com

張忠學(xué)(1965—),男,黑龍江省哈爾濱人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為節(jié)水農(nóng)業(yè)理論與技術(shù)。E-mail:zhangzhongxue@163.com

S274.3

A

1005-3409(2016)02-0095-06