侯會靜，楊士紅，徐俊增(. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 700； . 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 0098)

1 研究背景

CH4是大氣中最主要的溫室氣體之一，其溫室效應(yīng)僅次于CO2，100年尺度上的全球增溫潛勢是CO2的25倍[1]。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告(AR5)[2]采用大量、獨(dú)立的數(shù)據(jù)進(jìn)一步明確了自工業(yè)革命以來，大氣中CO2，CH4和N2O濃度顯著增加，CH4濃度增加最多，增加了150%，2011年的濃度為1 803 ppb。而化石燃料的燃燒、土地利用變化等人類活動是導(dǎo)致溫室氣體濃度增加的主要原因。AR5評估認(rèn)為，在CH4總排放量中，人為排放占50%～65%。稻田是CH4的主要排放源之一[3]，而隨著水稻種植面積的不斷增加，稻田CH4排放量將進(jìn)一步增大[4]。由于灌溉水稻面積的持續(xù)增加，水稻的CH4排放量將會在2005-2020年間增加16%[1]。因此，稻田CH4排放一直是研究的熱點(diǎn)之一。

1985年至今，國內(nèi)外學(xué)者對稻田CH4排放規(guī)律及影響因素等進(jìn)行了大量的研究[5-9]，隨著控制灌溉等節(jié)水灌溉技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，對間歇灌溉和控制灌溉等節(jié)水灌溉稻田的CH4排放的研究也陸續(xù)開展，并取得了一些科研成果[10-13]?？刂乒喔葘ν寥浪值某掷m(xù)調(diào)控導(dǎo)致了田間水分變化的多樣性，增加了稻田干濕交替的頻率，整個稻季70%～80%的時間內(nèi)稻田土壤處于脫水狀態(tài)[14]。稻田土壤水分的變化勢必導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)的改變，從而影響稻田CH4排放。但是，以往的研究大多關(guān)注控制灌溉對稻田CH4排放特征的影響[12,15,16]，有關(guān)控制灌溉對稻田CH4排放影響機(jī)理的研究鮮見報道。本文重點(diǎn)分析土壤水分狀況、土壤溫度、土壤氧化還原狀況對稻田CH4排放的影響，揭示水稻控制灌溉對稻田CH4排放的影響機(jī)理，旨在為制定農(nóng)田CH4減排措施提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試區(qū)位于河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山試驗(yàn)研究基地內(nèi)，為太湖流域水網(wǎng)地區(qū)低洼平原，屬于亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，土壤類型為潴育型黃泥土，耕層土壤為重壤土，0～18 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量21.88 g/kg，全氮含量1.03 g/kg，全磷含量1.35 g/kg，全鉀含量20.86 g/kg，pH值7.4。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置2種灌水處理：控制灌溉(Controlled Irrigation，簡記為 CI)及常規(guī)灌溉(Traditional Irrigation，簡記為TI)，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，共計(jì)6個小區(qū)，進(jìn)行了2009-2010年2 a試驗(yàn)。試驗(yàn)安排在地中排水式蒸滲儀中進(jìn)行，蒸滲儀小區(qū)面積為5 m2(2 m×2.5 m)。小區(qū)中央離田埂0.5 m處預(yù)埋方形硬塑料底座(50 cm×50 cm)，底座嵌入土壤5 cm深，作為采樣點(diǎn)，用于放置人工采樣靜態(tài)箱。

控制灌溉稻田在返青期持有5～25 mm薄水層，此后除施肥、打藥、除草等生產(chǎn)性要求外不再建立灌溉水層，以根層土壤含水率作為灌水的調(diào)控指標(biāo)(表1)，確定灌水時間和灌水定額，而常規(guī)灌溉稻田在水稻分蘗后期曬田，黃熟期自然落干，全生育期的其他時間均保持3～5 cm深的淺水層。供試水稻品種為南粳46，施肥與農(nóng)民習(xí)慣施肥相同，先后施加基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥，分別采用復(fù)合肥(N:∶P2O5∶ K2O=15∶15∶15)和碳酸氫銨(N含量17%)作為基肥和返青肥，尿素(N含量46.2%)作為分蘗肥和穗肥，2009-2010年施入的純氮量分別為250.0和302.70 kg/hm2。

表1 水稻控制灌溉各生育期階段根層土壤水分控制指標(biāo)

注：θs1、θs2和θs3分別為0～20、0～30和0～40 cm根層觀測深度土壤飽和含水率。

2.3 田間采樣及通量計(jì)算

采用密閉靜態(tài)箱原位采集氣樣[14]，箱體包括中段箱和頂箱2部分，尺寸均為50 cm×50 cm×60 cm。中段箱頂部有密封用水槽，用于水稻生長后期加層。2009-2010年采樣分別從水稻插秧后第5 d，第2 d開始，每隔3～4 d采樣1次，施肥后加測，每2 d 1次，9月份以后取樣間隔為1周左右；取樣時間均為上午10∶00～11∶00。采用Trase系統(tǒng)(美國Soil Moisture公司)觀測土壤含水率，采用豎尺讀取水層深度；采用WQG-16曲管式地溫計(jì)觀測土壤溫度；用QX6530智能便攜式氧化還原電位儀(中國科學(xué)院南京土壤研究所)觀測土壤氧化還原電位Eh，配套的電極于觀測前半小時插入土壤，每個小區(qū)插入1個參比電極和6個鉑電極。CH4濃度采用安捷倫氣相色譜分析儀(Agilent 7890A-0468)測定，參照文獻(xiàn)[14]方法計(jì)算CH4排放通量。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和DPS數(shù)據(jù)處理軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯著性分析采用最小顯著性差異(LSD)法。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分對CH4排放的影響

不同灌溉模式下稻田土壤水分狀況對稻田CH4季節(jié)排放規(guī)律的影響非常明顯，控制灌溉稻田CH4排放的峰值大多出現(xiàn)在土壤脫水后第1～2 d，土壤接近飽和狀態(tài)(土壤充水孔隙率WFPS為99.0%～99.8%)時，但是隨著土壤脫水的持續(xù)進(jìn)行，CH4排放通量迅速減小，復(fù)水后略有增大(圖1)。例如，控制灌溉稻田的CH4排放的主峰值[5.28 mg/(m2·h)]出現(xiàn)在土壤首次脫水后第2 d(16 DAT)，對應(yīng)的土壤水分WFPS為99.2%；隨著土壤脫水的持續(xù)進(jìn)行，21 DAT的WFPS下降到82.6%，CH4排放通量也從主峰值迅速減小到21 DAT的0.05 mg/(m2·h)，減小了99.1%，21 DAT復(fù)水后增大，復(fù)水后第4 d，CH4排放通量增大到25 DAT的0.51 mg/(m2·h)，是21 DAT的10.2倍，但無法恢復(fù)到土壤脫水以前的排放水平。隨著土壤再次進(jìn)入脫水-復(fù)水過程，CH4排放通量也開始了新一輪的急劇增大又急劇減小再迅速回升的動態(tài)響應(yīng)。

可見，控制灌溉稻田田表水層消失后的微弱脫水狀態(tài)導(dǎo)致了CH4短暫的劇烈排放，而土壤持續(xù)脫水則導(dǎo)致CH4排放通量迅速減小?？赡艿脑蚴翘锉硭畬拥南黠@改善了CH4排放的途徑，導(dǎo)致淹水期間已經(jīng)閉蓄在土壤中的CH4大量釋放；但是土壤持續(xù)脫水破壞了稻田CH4產(chǎn)生所需的厭氧環(huán)境，顯著抑制了稻田CH4排放[3,17,18]，這也是控制灌溉稻田顯著減少CH4排放量的主要原因。此外，控制灌溉土壤的脫水-復(fù)水過程對稻田CH4排放通量的影響在水稻分蘗前期和中期更為明顯(圖1)，自水稻分蘗末期開始，控制灌溉稻田土壤水分多處于脫水狀態(tài)，CH4排放通量持續(xù)很小，并且多次出現(xiàn)負(fù)值，脫水-復(fù)水過程對稻田CH4排放通量的影響不明顯。

常規(guī)灌溉稻田在分蘗后期曬田期間和水稻黃熟期的土壤脫水同樣導(dǎo)致了CH4排放通量明顯減小，這與以往的研究結(jié)果一致[3,19-24]；曬田結(jié)束復(fù)水后CH4排放通量有所增加，但明顯小于曬田之前的數(shù)值(圖1)。例如，常規(guī)灌溉稻田CH4排放通量在曬田開始(37 DAT)后迅速減小，隨著土壤脫水的持續(xù)進(jìn)行，39 DAT的WFPS下降到83.2%，CH4排放通量也從35 DAT的6.44 mg/(m2·h)迅速減小到39 DAT的0.33 mg/(m2·h)，減小了94.9%；曬田結(jié)束時(47 DAT)，CH4排放通量為-0.12 mg/(m2·h)，復(fù)水后增加到49 DAT的0.27 mg/(m2·h)，但之后48～63 DAT這段時間一直維持在較低的排放水平，平均排放通量僅為0.29 mg/(m2·h)，直到拔節(jié)孕穗末期才有較為明顯的增加。Zou等[18]也發(fā)現(xiàn)分蘗末期曬田可以有效地減少稻田CH4排放，比持續(xù)淹水稻田CH4排放量降低了65%，且復(fù)水后CH4排放保持較低的水平。此外，常規(guī)灌溉稻田黃熟期(108～124 DAT)的水分落干對CH4排放通量的影響沒有曬田劇烈，可能的原因是：①水稻生育后期供產(chǎn)甲烷用的土壤有機(jī)質(zhì)含量已經(jīng)很低；②黃熟期氣溫明顯已經(jīng)下降，產(chǎn)甲烷菌活性降低；③土壤水分變化非常緩慢，常規(guī)灌溉稻田在124 DAT的WFPS平均為91.9%，土壤仍處于較為濕潤狀態(tài)。

3.2 土壤溫度對CH4排放的影響

不同灌水模式下稻田CH4排放通量與表層土壤溫度總體上具有一定的同步性，在水稻生育前期土溫較高的階段，CH4排放通量同樣較高，水稻生育后期土壤溫度逐漸降低，稻田CH4排放通量也維持在較低的排放水平(圖2)。

以2010年稻季為例，隨著表層5 cm土溫從21 DAT的27.0 ℃上升到25 DAT的30.0 ℃，控制灌溉稻田的CH4排放通量從0.08 mg/(m2·h)增大到0.21 mg/(m2·h)，增大了1.5倍；而常規(guī)灌溉稻田的CH4排放通量隨著表層5cm土溫從21 DAT的26.5 ℃上升到25 DAT的29.5 ℃，從3.66 mg/(m2·h)增大到18.41 mg/(m2·h)，增大了4.0倍。Yagi和Minami(1990年)[25]也發(fā)現(xiàn)稻田CH4排放量與5 cm處土層溫度密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，2009年控制灌溉稻田CH4排放通量的峰值出現(xiàn)在表層5 cm土溫為29.5～30.8 ℃，高于常規(guī)灌溉稻田CH4排放通量的峰值出現(xiàn)的表層土溫(28.6～30.1 ℃)；2010年控制灌溉稻田CH4排放通量的峰值出現(xiàn)在表層5 cm土溫為26.5～28 ℃，低于常規(guī)灌溉稻田CH4排放通量的峰值出現(xiàn)的表層土溫(27.5～29.5 ℃)(圖2)。由此可以初步推測，表層土溫對控制灌溉稻田CH4排放通量的影響并不是決定性的。

圖2 不同灌溉調(diào)控下稻田CH4排放通量與表層土溫(江蘇昆山，2009-2010)

相關(guān)分析顯示，水稻全生育期控制灌溉稻田CH4排放通量與表層5 cm土溫?zé)o顯著相關(guān)關(guān)系(p>0.05)(圖3)，且CH4劇烈排放階段的通量值(DAT≤21)與5 cm土溫也無顯著相關(guān)關(guān)系；而常規(guī)灌溉稻田淹水階段CH4排放通量與表層5 cm土溫顯著正相關(guān)(p<0.05)。以曬田為界，常規(guī)灌溉稻田曬田之前的CH4排放通量與表層5 cm土溫呈極顯著正指數(shù)相關(guān)關(guān)系(p<0.001)(圖4)。這說明常規(guī)灌溉稻田CH4排放通量受表層土溫的影響比控制灌溉稻田大。此外，相關(guān)分析的結(jié)果還表明表層土溫不是控制灌溉稻田CH4排放的決定性影響因素。已有土壤溫度對稻田CH4排放季節(jié)變化影響的報道不一。由于稻田CH4排放是很多因素共同作用的結(jié)果，只有土壤溫度在較大的范圍內(nèi)變動而其他因素比較穩(wěn)定且不存在CH4產(chǎn)生的限制因子時，土壤溫度對CH4排放的影響才能顯示出來[26]。

圖3 不同灌溉調(diào)控下稻田CH4排放通量與表層土溫的關(guān)系(江蘇昆山，2009-2010)

圖4 曬田之前常規(guī)灌溉稻田CH4排放通量與表層土溫的關(guān)系(江蘇昆山，2009-2010)

3.3 土壤氧化還原電位(Eh)對CH4排放的影響

水稻全生育期絕大部分時間內(nèi)控制灌溉稻田的Eh值高于常規(guī)灌溉稻田，尤其是控制灌溉稻田無水層管理之后，控制灌溉稻田的Eh值明顯高于常規(guī)灌溉稻田；常規(guī)灌溉稻田淹水階段土壤的Eh值很小，多為負(fù)值，而曬田及黃熟期水分落干導(dǎo)致了Eh值顯著增大(圖5)。

不同水稻灌溉模式調(diào)控下稻田CH4排放通量的季節(jié)變化與土壤Eh變化的關(guān)系非常密切，呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(圖5)。以2010年稻季為例，隨著土壤Eh值從6 DAT的44.34 mV下降到16 DAT的-97.73 mV，控制灌溉稻田的CH4排放通量從0.26 mg/(m2·h)增大到5.45 mg/(m2·h)，增大了20.0倍；而當(dāng)Eh值回升到21 DAT的185.81 mV時，控制灌溉稻田的CH4排放通量驟然減小到0.08 mg/(m2·h)，減小了98.5%。常規(guī)灌溉稻田CH4排放通量隨著土壤Eh值從21 DAT的-64.13 mV下降到25 DAT的-143.70 mV，其值從3.66 mg/(m2·h)增大到18.41 mg/(m2·h)；而曬田開始后，隨著土壤脫水程度的加劇，Eh值從35 DAT的-69.29 mV上升到41 DAT的223.47 mV，常規(guī)灌溉稻田CH4排放通量從4.45 mg/(m2·h)驟然減小到0.31 mg/(m2·h)。

圖5 不同灌溉調(diào)控下稻田CH4排放通量與土壤Eh值(江蘇昆山，2009-2010)

本研究還發(fā)現(xiàn)，控制灌溉稻田CH4排放通量的主峰值出現(xiàn)在Eh為-90.90和-97.73 mV，而常規(guī)灌溉稻田CH4排放通量的峰值主要出現(xiàn)在-143.70～ -104.12 mV，當(dāng)土壤Eh高于100 mV時，稻田沒有明顯的CH4排放，甚至出現(xiàn)負(fù)值(圖5)。這與以往的研究結(jié)論相似，例如，Hou等(2000年)[27]通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CH4的劇烈釋放出現(xiàn)在土壤Eh低于-100 mV時，Towprayoon等(2005年)[28]的研究也證實(shí)了這個結(jié)論。已有研究還表明，當(dāng)土壤Eh為正時，稻田還是有一定數(shù)量的CH4排放，這可能是由土壤的不均勻性導(dǎo)致土壤Eh的較大空間變異引起的，另一個原因是CH4可能在土壤Eh大于-150 mV時即已產(chǎn)生?？梢?，CH4的劇烈釋放必須在土壤Eh下降到-100～-150 mV，控制灌溉稻田土壤Eh值不在該適宜范圍之內(nèi)，最小Eh值也只是接近-100 mV，所以，控制灌溉稻田的氧化還原條件不適宜CH4的產(chǎn)生。

水稻生長前期(DAT≤21)，控制灌溉稻田CH4集中排放階段的通量值與土壤Eh值呈極顯著負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系(p<0.001)，常規(guī)灌溉稻田淹水階段的CH4排放通量與土壤Eh值也呈極顯著負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系(p<0.001)(圖6)。溫室盆栽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)非水稻生長期排水良好的土壤淹水種稻后，土壤Eh逐漸下降，土壤排放量從零逐漸增加，并且水稻生長期CH4排放通量和土壤Eh之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性，當(dāng)土壤Eh尚未下降到足夠低時，它是控制土壤CH4產(chǎn)生量的主要因素[29]。但也有研究者認(rèn)為在田間條件下，土壤Eh的測定值與CH4排放通量之間常常無顯著相關(guān)性[30]。

圖6 不同灌溉調(diào)控下稻田CH4排放通量與土壤Eh值的相關(guān)關(guān)系(江蘇昆山，2009-2010)

4 結(jié) 語

本文研究水稻控制灌溉對稻田CH4排放的影響機(jī)理，主要結(jié)果與結(jié)論如下。

(1)不同灌溉模式調(diào)控下的土壤水分狀況是導(dǎo)致稻田CH4季節(jié)排放規(guī)律顯著差異的主要因素?？刂乒喔鹊咎锾锉硭畬酉Ш蟮奈⑷趺撍疇顟B(tài)導(dǎo)致了CH4短暫的劇烈排放，CH4排放的峰值大多出現(xiàn)在土壤脫水后第1～2 d土壤接近飽和狀態(tài)(WFPS為99.0%～99.8%)時，而土壤持續(xù)脫水則導(dǎo)致CH4排放通量迅速減小。

(2)控制灌溉稻田CH4集中排放階段(DAT≤21)的通量值與土壤Eh值呈極顯著負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系(p<0.001)。CH4的劇烈釋放必須在土壤Eh下降到-100～-150 mV，當(dāng)土壤Eh高于100 mV時，稻田沒有明顯的CH4排放，甚至出現(xiàn)負(fù)值。控制灌溉稻田土壤Eh最小值也只是接近-100 mV，從而導(dǎo)致控制灌溉稻田的氧化還原條件不適宜CH4的產(chǎn)生。

(3)控制灌溉稻田CH4排放通量受表層土溫的影響比常規(guī)灌溉稻田小，控制灌溉稻田CH4排放通量與表層5 cm土溫呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著性；而常規(guī)灌溉稻田淹水階段CH4排放通量與表層5 cm土溫顯著正相關(guān)(p<0.05)，且曬田之前的CH4排放通量與表層5 cm土溫呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.001)。

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