不同灌溉模式对寒地水稻田碳排放、耗水量及产量的影响

土壤中的碳主要以CH4和CO2的形式排放到大气中，与大气进行气体交换。同时CH4和CO2也参与碳循环[1]。众所周知，CH4和CO2是影响全球气候变暖的重要温室气体[2]，对全球温室效应的贡献率分别达到了15%和60%[3]。而稻田是CO2与CH4的重要排放源[4-5]，CO2是土壤呼吸的主要排放气体[6]，稻田CH4排放量约占全球总排放量的20%[7]。我国是水稻种植大国，截至2015年，我国水稻种植面积3 021.6万hm2，我国的碳排放量占世界总排放量的比重较大，是碳排放量最高的国家之一[8]。研究表明，不同的稻田管理措施不仅影响水稻的产量，也会影响稻田生态系统的碳排放[9-14]，稻田生态系统的碳排放除了受气候因素，当地的天气情况及土壤环境的影响外，还受各种田间管理措施等影响，如耕作措施、施肥管理、秸秆还田管理、水分管理措施等以及其他各种物理化学因素等[15]。

研究指出，不同的水分管理措施是稻田碳排放的重要影响因素之一[16-19]，灌溉制度影响农田CH4与CO2排放[20]。稻田水分管理分为灌溉、排水、晒田等，不同的灌溉模式影响土壤的微生物生存环境和氧化还原电位等，从而对CH4和CO2排放产生重要影响[21]。目前我国农业用水量达3 851.5亿m3，而稻田用水量占整个农业用水量的65%以上[22]。因此，我国各地均推行节水灌溉技术，自20世纪70年代末我国推出了浅湿晒灌溉、“薄、浅、湿、晒”灌溉、控制灌溉、间歇灌溉等技术，对我国水稻的节水增产效果显著[23]。除注重水稻的产量用水量等的经济因素外，也应注重不同灌溉模式对环境的影响，诸如温室气体排放、面源污染等。已有研究表明，节水灌溉模式均能在不同程度上改善土壤通气环境，增加土壤微生物活性，进而减少稻田的温室效应[24]。已往对节水灌溉的研究只是单独探究温室气体排放情况或增产情况，对节水灌溉在温室气体减排、增产、节水等方面综合评价的报道较少。兹探究典型节水灌溉模式对寒地水稻碳排放、增产效果及节水效果的影响，为当地节水灌溉技术的推广提供一定理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在黑龙江省庆安县国家重点灌溉试验站进行，即黑龙江省水稻灌溉试验中心（原庆安县和平灌区水稻试验站），地理坐标为东经125°44′，北纬45°63′。试验区土质肥沃，土壤为黑黏土，黑土层较厚，土壤有机质量达3.9%，pH值为6.5。多年平均气温为2～3℃，有效积温为2 300～2 600℃。多年平均年降水量为500～600 mm，年均水面蒸发量为750 mm。

1.2 试验方法

试验拟选取生产实践中5种典型的节水灌溉技术模式，包括控制灌溉（C）、“薄、浅、湿、晒”灌溉（T）、叶龄模式灌溉（B）、“浅、湿”灌溉（I）和干湿交替灌溉（D），以当地常规灌溉（CK）作为对照，开展田间小区对比试验，共6个试验处理，每个处理3次重复，共计18个小区，采用随机区组分布。选用当地农户主栽水稻品种，龙庆3号。每个小区面积为100 m2（10 m×10 m），小区四周的田梗宽30 cm，高50 cm，并包覆尼龙膜，以减少相邻小区串流和侧渗。供试的化肥分别为尿素（含N量46%）、过磷酸钙（含P2O5量12%）、氯化钾（含K2O量60%）。供试水稻品种为当地主栽品种龙庆稻3号，种植密度为30 cm×15 cm，每穴5株。各处理施氮用量为110 kg/hm2，氮肥施用采用前氮后移施肥技术，即施氮比例为基肥、蘖肥、促花肥、保花肥质量比为4.5∶2.0∶1.5∶2.0；各处理P2O5、K2O施用量分别为45、80 kg/hm2，钾肥分基肥和8.5叶龄（幼穗分化期）2次施用，前后比例为1∶1，磷肥作基肥1次施入。各小区单独灌排，进水管接装小型计量水表。所有小区排水口高度保持一致，均高于稻田表土8 cm。所有小区在2017年5月10日泡田，5月15日施基肥，5月19日插秧，6月10日施分蘖肥，7月9日施8.5叶龄钾肥，7月17日施促花肥，7月27日施保花肥。全生育期127 d，分为：返青期（5月19日—6月5日）、分蘖期（6月6日—7月12日）、拔节孕穗期（7月13—22日）、抽穗开花期（7月23日—8月3日）、乳熟期（8月4—23日）和黄熟期（8月24日—9月22日）。不同灌溉模式的水分处理方案见表1。

1.3 试验指标的采集观测与分析

采用静态暗箱法采集气体，采样箱构造规格及采样规律按王孟雪等[21]的标准。CH4和CO2均用GC-17A岛津气相色谱仪进行分析。2种气体排放通量计算式[25]为：

式中：F是CH4和CO2排放通量（mg/（m2·h））；ρ是CH4和CO2在标准状况下的密度（kg/m3）：分别为0.714、1.977 kg/m3；h为采样时箱体内有效高度，即箱内水层或土层到箱顶高度（m）；dc/dt是采样时箱内的气体排放通量变化率（mL/（m3·h））；t是采样箱内的平均温度（℃）。

CH4和CO2的增温效果采用增温潜势GWP和温室气体排放强度GHGI衡量，即：

式中：RCH4为水稻全生育期CH4累计排放量（kg/hm2）；RCO2为水稻全生育期CO2累计排放量（kg/hm2）。按100 a尺度计，CH4的增温潜势为CO2的34倍[26]。Y为单位面积平均产量（kg/hm2）。

每个小区预先插入地温计观测土壤温度，采用水表计量各小区灌溉水量，利用雨量筒计量降雨量；收获前每个小区进行考种测产。

1.4 数据的整理与分析

所有试验数据采用Excel进行预处理，SPSS24软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理CH4季节排放变化及全生育期累计排放规律

不同灌溉处理CH4排放通量的变化见图1。从图1可以看出，各处理CH4排放通量在整个生育期变化趋势相似，最高值均出现在分蘖中期。各处理在泡田期至返青期排放量均较低，在晒田期排放量呈下降趋势，均处在较低水平。T、C、D、B处理排放通量变化趋势为：从返青期进入分蘖期后达到排放高峰，之后下降，在拔节期又出现第2次排放高峰，之后逐渐下降，乳熟期出现排放小高峰后逐渐下降；I处理在分蘖期和拔节期出现2次排放高峰，抽穗期至黄熟期逐渐下降；CK的2个排放高峰期也出现在分蘖期和拔节期。不同灌溉处理CH4季节排放量的变化见表2。由表2可知，各处理全生育期CH4累计排放总量均值表现为CK＞I处理＞B处理＞T处理＞D处理＞C处理。常规灌溉的CH4排放总量最大，T、I、C、D、B处理全生育期CH4累计排放总量分别比CK降低了46.6%～47.5%、28%～35.7%、47.8～51.2%、43.3%～51.9%、40.1%～43.3%。CH4排放与水层和土层温度的关系见表3。由表3可知，CH4排放与水层深度呈显著正相关关系（P＜0.05），与5 cm及10 cm土层温度极显著正相关（P＜0.01），说明水层的增加会在一定程度上增加稻田CH4的排放，并且土层温度的升高会促进CH4排放。

2.2 不同处理CO2季节排放变化及全生育期累计排放规律

各处理CO2在观测期内的变化见图2。由图2可知，全生育期不同处理CO2排放规律基本一致。返青期，各处理排放通量均较低，进入分蘖期后各处理排放通量逐渐增大，在分蘖前期和分蘖盛期出现排放小高峰，在分蘖末期出现排放最高峰。T、I、C、D、B处理、CK峰值分别为465.39、446.48、437.20、465.96、411.35、362.57 mg/（m2·h）。至分蘖末期各处理排放通量逐渐下降，在拔节期各处理又出现排放高峰，之后逐渐下降，至收获前出现排放小高峰。各处理CO2在观测期内的季节变化见表2。由表2可知，各处理全生育期处理CO2累计排放量均值表现为：C处理＞D处理＞B处理＞C处理＞I处理＞CK。可见全生育期5种节水灌溉CO2累计排放量显著高于CK（P＜0.05），其中C处理排放量最大，平均高于F处理14%～19.7%，其余D、B、T、I处理分别平均高于CK 12.8%～14.1%、7.8%～10.9%、6.4%～9.1%、3.7%～6.2%。CO2排放与水层和土层温度的关系见表3。由表3可知，CO2排放与水层深度呈一定负相关关系，但相关性不显著（P＞0.05），而与5 cm及10 cm土层温度极显著正相关（P＜0.01），说明土层温度的升高会促进CO2排放。

2.3 不同处理生育期耗水量和产量变化及增温效果

不同处理水稻生育期日均耗水强度见图3。由图3可知，各生育期不同灌溉模式下耗水强度较大时期分别为分蘖期、拔节期与抽穗期。而CK受灌水上限影响，与其余处理相比灌水量较大。黄熟期田面落干，主要受降雨影响。全生育期累计耗水量由低到高排序为C、D、T、I、B处理，分别较CK平均节水1 794.3～2 012.3、1 449.2～1 618.5，1 107.01～1 378.2、947.8～1 076.9、928.6～1 068.8 m3/hm2。

不同处理水稻产量见表4。由表4可知，各节水灌溉处理产量均高于CK，不同灌溉处理产量从高到低依次为I处理＞B处理＞D处理＞C处理＞T处理＞CK，分别较CK平均增产761.94～3 712.04、490.41～2 859.71、1 724.25～2 957.72、949.25～1 923.54、79.86～1 687.95 kg/hm2。

不同灌溉处理稻田碳排放增温潜势（GWP）变化见表4。由表4可知，CK碳排放增温潜势与节水灌溉各处理存在一定的差异（P＜0.05）。增温潜势由高到低的排序为CK＞I处理＞B处理＞T处理＞D处理＞C处理，5种节水灌溉增温潜势均低于CK。稻田GHGI由高到低的排序为CK＞T处理＞I处理＞B处理＞D处理＞C处理，各节水灌溉处理间无显著差异，但与CK相比差异显著（P＜0.05）。且CK的GHGI显著高于节水灌溉。

3 讨论

稻田CH4主要是由厌氧性产CH4微生物逐步分解土壤有机质而形成[22]，而CH4的排放主要由液相扩散、气泡传输及植株体通气组织传输，其中通气组织传输所占比重最大[27]。CH4的排放及季节变化规律主要受稻田水分状况，土壤温度变化及植株生长过程影响。本研究中CH4的排放通量与田间水层变化呈显著正相关关系（P＜0.05），说明长期淹水处理会促进稻田CH4的排放，这与王孟雪等[21]和岳进等[28]的研究结果一致。并且CH4的排放通量与5 cm土层及10 cm土层温度均极显著正相关（P＜0.01），说明随着土壤温度的升高，稻田CH4排放量逐渐增大。水稻移栽后进入返青期，此时田间存在水层，土壤处于淹水状态，土壤温度较低且植株幼小通气组织不发达，故CH4排放量较少。进入分蘖期后，气温逐渐升高，土壤温度也逐渐升高，为产CH4微生物的生长提供了适宜的温度环境，CH4排放逐渐增大。至晒田期大量氧气进入，破坏了产CH4微生物的生长环境并促进了CH4的氧化，排放量减少。拔节期复水后产CH4微生物再次活跃，土壤温度继续升高且水稻植株通气组织发育，为CH4排放提供通道，排放量继续增大。至收获期随着反应底物的减少及黄熟期田面水层落干，CH4排放逐渐减少。本研究中节水灌溉处理全生育期CH4排放量均低于CK，这与王楷等[29]研究结果相似。可能是由于CK的水分管理相较于节水灌溉处理会显著降低土壤的氧化还原电位并使土壤中形成厌氧环境，为产CH4微生物提供适宜的生存环境，且稻田在长期水分充足的情况下植株气孔开度增大，导致该处理下CH4排放量显著高于其他处理。而节水灌溉处理田间处于干湿交替状态，通气状况良好，相较于CK田间土壤环境不利于产CH4微生物生长。其中C处理田间水层干湿变化最频繁，田间土壤中氧气充足，抑制了产CH4微生物的活性，且有利于CH4的氧化，显著减少了CH4排放。

本次试验观测的稻田CO2的产生主要是由田间土壤呼吸与植株呼吸组成。各处理CO2季节排放规律受土壤温度、水分及植株生长影响较大[30]。本研究中观测的田间CO2的排放与田间水层呈一定的负相关关系，但相关性不显著（P＞0.05）。且CO2排放与5 cm土层及10 cm土层温度均存在极显著正相关（P＜0.01），这与邹建文等[16]的研究结果一致。说明随着土壤温度的升高，稻田CO2排放量逐渐增大。水稻移栽后的返青期，田面存在浅水层，抑制了氧气的进入，且土层温度较低，同时水稻植株幼小呼吸作用较弱，则CO2排放量较小。分蘖期后随着土壤温度的升高稻田土壤呼吸逐渐增大，至分蘖末期，稻田土壤通气性最好，氧气供应充足，促进稻田土壤呼吸，CO2排放量也达到峰值，拔节期复水后气体交换受到抑制，排放量下降，但植株生长旺盛，植株呼吸排放的CO2较多，至水稻收获前，田面落干，土壤呼吸作用小幅增大使得出现排放小高峰。本研究中各处理CO2累计排放量存在差异（P＜0.05），CK田面长期处于有水层状态，不利于气体交换，抑制了土壤呼吸作用，且土壤通气状况较差，不利于CO2向大气的扩散。杨士红等[30]通过分析节水灌溉下水稻田土壤呼吸日变化得出，控灌稻田土壤呼吸速率大于CK，且稻田干湿交替有利于土壤呼吸进行，这与本研究结果一致。本研究中节水灌溉处理不同程度、不同频率下稻田处于干湿交替状态，其中，C处理自返青期后，田面土壤基本处于饱和含水率之下，气体交换量最大，促进了土壤呼吸，增大了土壤的通气性，从而增加了稻田CO2的排放。I处理水稻全生育期CO2的累计排放量最低，仅次于CK，可能是由于田面落干次数较其余节水灌溉处理少，产生气体交换相对较少，因此不利于土壤呼吸。

本研究中耗水量较大的时期为返青期、分蘖期、拔节期与抽穗期。返青期耗水量较大可能是由于棵间蒸发与渗漏，分蘖期后植株生长旺盛，叶面积增大，根系发达，且生育期历时较长，故耗水较大。拔节期与抽穗期虽历时较短，但水稻生理需水较大，故耗水量较大。乳熟—黄熟期蒸发量较少，故耗水量逐渐减少。此规律与于靖[31]研究结果相似。不同处理间耗水量存在较大差异，可能与灌水上下限有关，如CK全生育期上限最大，田间蓄水量也最大，导致棵间蒸发与渗漏量较多。其中C处理灌水上下限为土壤饱和含水率及以下，显著减少了田面蒸发及渗漏量。其余处理也分别在不同程度较CK减少了水分的蒸发与渗漏。水稻节水灌溉技术有利于水稻的增产，不同的水分管理会对田间土壤环境产生影响，进而影响水稻最终产量[23]。本研究中不同节水灌溉模式较CK均不同程度提高了产量，这与朱士江等[32]研究结果相似。I处理与B处理产量高于T、C、D处理产量，可能是由于分蘖前期I处理与B处理保留浅水层保温，有利于水稻幼苗生长，至抽穗期，充足水分有利于水稻生殖生长，提高产量[33]。

4 结论

1）水稻全生育期CH4与CO2排放呈现一定的季节变化规律，5种节水灌溉全生育期CH4排放量均低于CK，5种节水灌溉中C处理最低，为187.2 kg/hm2；CO2排放量则是CK低于5种节水灌溉处理，5种节水灌溉中I处理最低，为3 849.95 kg/hm2。

2）不同节水灌溉处理全生育期累计耗水量均低于CK，其中C处理耗水量最低，较CK平均节水1 794.3～2 012.3 m3/hm2。不同处理经济产量则为I处理最高，较CK平均增产761.94～3 712.04 kg/hm2。

3）CH4的GWP高于CO2的，综合二者的GWP，5种节水灌溉均低于CK，其中控制灌溉（C）处理二者GWP最低。而5种节水灌溉各处理的GHGI均低于CK，GHGI也以C处理最低。说明5种节水灌溉均有助于减少二者产生的温室效应，且控制灌溉（C）处理减排效果最明显。

4）T处理减排效果较好，但产量偏低；C处理节水效果最好，减排效果最明显，但产量相对较低；I处理增产效果最明显，但减排效果不理想；B处理在增产与减排方面介于二者之间，但耗水量较大。而D处理比较均衡，为试验条件下的最优处理。建议在今后的研究中明确减排、节水与增产的优先顺序，并对不同处理在水稻各生育期水分管理对3种指标的影响做进一步研究，以期使三者达到最优。

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