控制灌溉模式对稻田甲烷排放的影响研究.doc

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1、精品论文控制灌溉模式对稻田甲烷排放的影响研究和玉璞1,3，彭世彰1，杨士红1,3，徐俊增1,3，侯会静2（1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；52. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；3. 河海大学水利水电学院，南京 210098）摘要：为探讨节水灌溉水分调控对稻田甲烷（CH4）排放的影响，寻找节水减排的稻田灌溉模式，依据 5年田间原位观测资料，分析控制灌溉稻田甲烷排放规律及其减排效果。结果表明，控制灌溉稻田稻季 CH410排放量为 1.070.17g/m2，较常规灌溉稻田(6.490.17g/m2)降低 83.5%，差别极显著。

2、中国东南部稻田稻季和全年 CH4 排放量均低于已有报道中的中国稻田 CH4 排放量，其中控制灌溉稻田全年 CH4 排放量低于世界大 部分地区稻田。控制灌溉模式显著影响水稻全生育期稻田 CH4 排放通量的变化，削峰效果显著。在持续降 雨的作用下，控制灌溉和常规灌溉模式下稻田 CH4 排放通量均呈现下降趋势。控制灌溉模式在水稻全生育 期的应用可显著地减少稻田 CH44 排放。15关键词：稻田；甲烷；控制灌溉；土壤水分调控；降雨中图分类号：S 274.3Methane emssions from paddy fields under controlled irrigation20He Yupu1,3

3、, Peng Shizhang1, Yang Shihong1,3, Xu Junzeng1,3, Hou Huijing2(1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, HohaiUniversity, Nanjing 210098;2. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest Agriculture andForestry University, Yangling, Shaanxi

4、712100;253. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing210098)Abstract: To explore the influence of soil moisture regulation on methane (CH4) emissions under water-saving irrigation and look for an irrigation mode for rice that would save water while simultaneo

5、usly limiting CH4 emissions, the regularity of CH4 emissions from paddy fields under30controlled irrigation was analyzed based on 5 years of field experiment data. The results showed thatthe total CH4 emissions from paddy fields under controlled irrigation was 1.070.17g/m2, which was significantly r

6、educed by 83.5% compared with that under flooding irrigation(6.490.17g/m2). Totalseasonal and annual CH4 emissions from CI and FI paddy fields in located in Southeast China are lower than the value reported about CH4 emissions from China paddy fields. Meanwhile, the total35annual CH4 emissions from

7、controlled irrigation paddy fields is lower than that of paddy filed in mostparts in the World. The controlled irrigation mode significantly changed CH4 emissions law frompaddy fields and also reduced the emission peak.The CH4 emissions from paddy fields under controlledirrigation and flooding irrig

8、ation were began to reduce due to persistent rainfall.The controlledirrigation mode could significantly reduce CH4 emissions from paddy fields.40Key words: paddy fields; methane; controlled irrigation; soil moisture regulation; rainfall0 引言稻田甲烷（CH4）排放作为大气 CH4 的重要来源受到国内外的普遍关注1。我国的水稻 种植面积约占世界水稻总面积的 22

9、%，有关中国稻田 CH4 排放的研究备受关注。20 世纪 9045年代初，国外研究者过高估算中国稻田 CH4 排放量为 30Tga-1，接近世界稻田总排放量的一 半2-3，并以此质疑我国水稻生产规模，给我国粮食安全带来很大的压力。近期关于中国稻基金项目：国家自然科学基金项目（50839002,51179049）作者简介：和玉璞（1987-），男，博士研究生，主要研究方向为节水灌溉理论与生态效应通信联系人：彭世彰（1959-），男，上海人，教授，博士生导师，主要从事节水灌溉理论与农田生态效应 研究. E-mail: szpeng- 8 -田 CH4 排放量的估算已有所纠正1,4-6，但对于灌溉稻

10、田，尤其是水稻全生育期采用节水灌溉 模式稻田的 CH4 排放研究还不够深入，进而影响到中国稻田 CH4 排放量的准确估算。节水 灌溉模式改变稻田水分状况和土壤环境，同时影响水稻的生长发育，使得稻田 CH4 排放不50同于已有认识。本文根据 5 年现场试验原位观测资料，对全过程实际应用节水灌溉模式稻田 的 CH4 排放量与排放通量的稻季变化规律进行了分析，为更加客观准确地估算中国稻田 CH4 排放量提供依据。1 材料与方法1.1 试区概况55试区位于河海大学国家重点实验室昆山试验研究基地（311515N，1205743E）。属 亚热带南部季风气候区，年平均气温 15.5，年降雨量 1097.1m

11、m，年蒸发量 1365.9mm， 年日照时数 2085.9 h。当地习惯稻麦轮作，土壤为潴育型黄泥土，耕层土壤为重壤土。 1.2 试验设计在水稻品种、栽培（用肥见表 1）、植保等技术措施以及基础地力相同的条件下，安排60控制灌溉（控灌，目前先进节水灌溉技术）和常规灌溉（常灌）两种水分处理，每个处理 3 次重复，计 6 个小区。控灌稻田在返青期田面保留 525mm 薄水层，以后各生育期以根层 土壤含水率为灌水控制指标，灌溉后田面不建立水层7；常灌稻田分蘖后期晒田，黄熟期自 然落干至收割，在生育期的其他时间田面维持 2050mm 水层。前茬作物为冬小麦，供试水 稻品种为粳稻；每年 6 月 25 日

12、左右插秧，每穴 24 株，10 月 26 日左右收割，大田生长期65为 120d 左右。表 1 施肥时间与施肥量kghm-2Tab.1 Time and amount of fertilization年份日期NP2O5K2O日期N日期N日期N20066-2256.2556.2556.256-3048.517-20103.958-1769.3020076-25120.3856.2556.257-351.987-16103.958-979.7020096-2262.5562.5562.556-2869.947-6121.808-1268.8420106-2648.0038.4054.407-164

13、.137-17133.528-1376.2320116-2860.0045.0063.757-460.137-13104.408-5103.95基肥返青肥蘖肥穗肥2006-2008 年试验小区面积 150m2 (20m7.5m)，各小区之间用砖砌混凝土隔离(高 30 cm，宽 30 cm )，田埂向地下内嵌 50cm 深的塑料防渗膜，防止小区间的水体交换。为观察降雨对70试验观测结果的影响和准确调控土壤水分，2009-2011 年试验移至带有移动雨棚的蒸渗仪中 进行，每个小区面积 5 m2(2.5m2m)。1.3 田间采样方法采用密闭静态箱法定位观测 CH4 气体通量4。2006-2008 年

14、试验采用的静态箱规格为80cm80cm60cm（后期加层 80cm80cm110cm）。2009 年试验移至蒸渗仪后，静态箱规75格改为 50cm50cm60cm（后期加层 50cm50cm120cm）。静态箱由 5mm 厚的透明有机 玻璃制成，箱外先包 1 层约 5cm 厚的海绵，然后覆盖 1 层铝箔，以减小采样期间由于太阳 辐射引起的箱内气温变化。采样时刻为上午 10:00，2006-2008 年试验在盖箱后第 0、5、10和 15min 时采样，采样同时记录箱内气温。为获得更稳定的 CH4 浓度变化数据，2009-2011年试验改为多箱同时放置后 0、10、20 和 30min 时采样。

15、2006-2008 年在移栽后第 3 天开始80第一次采样，之后每隔 5 天采样 1 次，直到黄熟期；2009-2011 年为更好地观测稻田水肥变 化对 CH4 排放的影响，在施肥和田面无水层状态出现后第 2 天开始采样，每 2d 取一次，连 续观测 15 天，其余时间每周 2 次，九月份以后，每周采样 1 次。1.4 室内气体分析与通量计算CH4 浓度用岛津气相色谱分析仪( ShimadzuGC-14B )检测，检测器为 FID (氢火焰离子化85检测器)。对每组 4 个样品浓度与对应的采样间隔时间进行直线回归求得气体浓度变化率，根据式 (1)求得 CH4 排放通量4。对水稻全生育期 CH4

16、 排放通量进行分阶段内插积分求和，即可计 算出水稻全生育期稻田季节 CH4 排放量。F =m PR(T + 273.2) H dCdt（1）dC90式中， F 为 CH4 排放通量，mgm-2h-1; H 为箱内有效高度，cm；dT为箱内 CH4 浓度95100105随时间的变化率，LL-1min-1； P 为箱内平均气压，对于非高海拔区可视 P 为标准大气压， 即 P =1.01235105Pa；R 为普适气体常数（8.31441Jmol-1K-1）；T 为箱内平均气温，。1.5 数据分析与处理本文选取 2006-2007 年和 2009-2011 年 5 年田间观测数据进行分析（2008

17、年试验专为稻 田 CH4 日排放观测设置，另文讨论），将稻田 CH4 排放通量进行显著性分析后再取均值进 行分析。采用 Excel2003 和 SPSS17.0 数据处理软件对试验数据进行统计分析。2 结果与分析2.1 控制灌溉稻田 CH4 排放通量稻季变化控制灌溉模式对于水稻全生育期稻田 CH4 排放通量的变化有显著影响（图 1）。控灌稻 田 CH4 排放通量在移栽后 18 天内逐渐上升至最大值，然后逐渐减小，从移栽后 21 天至生 育期结束均维持在较低水平。常灌稻田 CH4 排放通量在移栽后 37 天内均维持在较高水平， 随后开始减小，至生育期结束在较低水平波动。控灌稻田 CH4 排放通量

18、在水稻全生育期内 均小于常灌稻田，控灌稻田稻季 CH4 平均排放通量为 0.680.33 mgm-2h-1，较常灌稻田（2.790.98 mgm-2h-1）降低 75.5%，其中，移栽后 37 天内控灌稻田 CH4 平均排放通量为1.490.42 mgm-2h-1，较常灌稻田（5.491.08mgm-2h-1）降低 73.0%。控灌稻田在移栽后 11 天出现 CH4 排放通量峰值 3.69mgm-2h-1，常灌稻田在移栽后 18 天和 25 天分别出现两次较大的 CH4 排放通量峰值。控灌稻田在 CH4 排放通量峰值出现次数 减少的同时，峰值较常规灌溉稻田降低 69.0%，削峰效果显著。181

19、4控灌 常灌CH4排放通量/(mgm-2h-1)106 2 110-20306090120移栽天数/d图 1 稻田甲烷平均排放通量稻季变化（2009-2011,昆山）115Fig.1 Season variation of CH4 emissions from paddy fields during rice entire growth period（2009-2011，kunshan）分蘖中期2.2 控制灌溉稻田 CH4 排放量稻季变化黄熟期控灌稻田稻季 CH4 排放量为 1.070.17g/m2，较常灌稻田（6.490.17g/m2）降低 83.5%， 差别极显著（p0.01）。控灌稻田各

20、生育阶段的 CH4 排放量均小于常灌，且排放量的降低幅 度随生育期推进增大。3乳熟期控灌常灌2排放量 g/m-21 0返青期-1分蘖前期拔节孕穗期抽穗开花期生育阶段120125130图 2 稻田甲烷平均排放量稻季变化（2009-2011，昆山）Fig.2 Season variation of total CH4 emissions from paddy fields during rice entire growth period（2009-2011，分蘖后期kunshan）为分析对比本次研究结果与中国部分稻作区农田 CH4 排放量，对已有研究结果进行归 纳计算。计算方法，基于文献中已有中国

21、稻田 CH4 排放量估算值和其依照的水稻种植面 积，计算农田稻季和全年 CH4 排放量；计算方法，基于文献中报道的中国稻田 CH4 平均 排放速率，计算农田稻季和全年 CH4 排放量，其中稻季计为 120d。中国东南部控灌和常灌稻田稻季和全年 CH4 排放量均明显低于中国其他稻作区不同灌 溉模式下的稻田（表 2）。其中，与间歇灌溉、常规灌溉和持续淹水稻田稻季 CH4 排放量相 比，控灌稻田稻季 CH4 排放量分别下降 94.7%、97.1%和 99.0%，本研究中常灌稻田稻季 CH4 排放量的降幅也分别达到 68.0%、82.6%和 93.8%，特别值得注意的是同样在常规灌溉模式 下，本研究中

22、稻田稻季 CH4 排放量较袁伟玲等人研究结果下降 30.82g/m2，这是由于不同前 茬作物和农作管理措施的影响。控灌稻田的土壤水分调控持续影响农田麦季 CH4 排放，农 田全年 CH4 排放量较稻季持续淹水稻田下降 99.5%，本研究中常灌稻田全年 CH4 排放量较135持续淹水稻田下降 97.3%，尤其是与采用“水稻-冬季淹水休闲”模式的农田相比，控灌和常灌稻田全年 CH4 排放量分别下降 327.18 和 321.72 g/m2，降幅显著。上世纪 90 年代初，国外研 究者正是基于“水稻-冬季淹水休闲”模式稻田 CH4 排放的研究进而高估了中国稻田 CH4 排放 量。4表 2 中国部分稻

23、作区农田 CH 排放量g/m2Tab.2 CH4 emissions from farmland in China rice growing region灌溉方式（稻季）种植方式稻季全年备注控制灌溉水稻-小麦1.071.338本研究结果，2009-2011间歇灌溉水稻-油菜20.279实测数据常规灌溉水稻-油菜37.319实测数据水稻-小麦6.496.798本研究结果，2009-2011持续淹水水稻-冬季淹水休闲88.285124.185计算方法1702437.962计算方法139.23423.43计算方法水稻-小麦/油菜21.45521.455计算方法140145注：“”系数据缺失。4控制灌

24、溉模式在中国东南部稻田水稻全生育期的应用，使得农田全年 CH4 排放量显著 减少，低于世界大部分地区稻田（表 3）。控灌稻田全年 CH4 排放量较世界其他地区持续淹 水、常规灌溉和多次晒田模式稻田全年 CH4 排放量下降 10.43、7.60 和 0.68g/m2，降幅分别 为 87.4%、84.0%和 33.8%。多次晒田模式下稻田同样出现一系列的干湿交替过程，使得稻 田 CH4 排放较其他淹水灌溉稻田出现一定程度的下降，但多次晒田模式下稻田干湿交替过 程出现的频率和下降程度均低于控制灌溉模式，因此使得该模式的稻田 CH4 减排效果低于 更加先进的控制灌溉模式。常规灌溉模式下，本研究中稻田全

25、年 CH4 排放量与 Prabhat. K 等 人的研究结果较为一致，与 Yagi 等人在 Ryugsaki 和 Mito 两地稻田的 CH4 排放观测结果相 差较小。150表 3 世界其他地区稻田 CH 排放量g/m2Tab.3 CH4 emissions from farmland in rice growing region out of China国家灌溉方式（稻季）全年美国持续淹水61110-11日本常规灌溉11.24 12泰国深水灌溉9.8013印度持续淹水17.4814常规灌溉6.6214多次晒田2.0114155控灌稻田 CH4 排放集中在返青期、分蘖前期和中期，分别占到稻季

26、CH4 排放量的 18.2%、42.5%和 30.2%，其余生育阶段的稻田 CH4 排放量均较小。常灌稻田 CH4 排放主要发生在分 蘖前期、中期和后期，分别占到稻季 CH4 排放量的 13.4%、41.7%和 15.8%（表 4）。与常 灌稻田相比，控灌稻田 CH4 排放在全生育期的分布更为集中，这是由于在水稻分蘖前期， 控灌稻田从薄水层到无水层的水分落干使得淹水期闭蓄在土壤中的 CH4 大量释放，导致了 控灌稻田 CH4 在分蘖前期和中期的集中排放，而控灌稻田从分蘖后期开始的无水层状态提160高了土壤氧化还原电位，持续抑制 CH4 产生与排放，因此在水稻生长中后期，控灌稻田 CH4排放一直

27、稳定在很低的水平15。表 4 水稻各生育阶段稻田甲烷排放量模比系数% Tab.4 Die ratio coefficient of total CH4 emissions from paddy fields灌溉模式返青期分蘖前期分蘖中期分蘖后期拔节孕穗期抽穗开花期乳熟期黄熟期全生育期控灌18.242.530.21.43.15.9-1.40.2100常灌4.413.441.715.86.38.67.02.81001651701752.3 降雨与控制灌溉水分调控对稻田 CH4 排放的影响与遮雨式蒸渗仪内控灌稻田相比，受降雨影响的田间小区控灌稻田 CH4 排放通量峰值 明显增大，且水稻生长中后期（移

28、栽后 30 天至生育期结束）的稻田 CH4 排放通量出现一定 程度的上升（图 3）。水稻全生育期田间小区控灌稻田 CH4 排放通量峰值为 12.04 mgm-2h-1， 为蒸渗仪内控灌稻田的 2.3 倍；在水稻生长中后期，田间小区控灌稻田 CH4 平均排放通量分 别为 0.120.11mgm-2h-1，为蒸渗仪内控灌稻田的 2.9 倍。在降雨影响下，田间小区常灌稻 田 CH4 排放通量峰值较蒸渗仪内常灌稻田下降 4.81 mgm-2h-1，稻田 CH4 排放通量在移栽后70 天内一直维持在较高水平，从移栽后 80 天开始减小，但稻田 CH4 排放通量仍高于蒸渗仪 内常灌稻田。在持续降雨的作用下

29、，两种灌溉模式的稻田 CH4 排放通量均呈现下降趋势（见图 3）。在田间小区水稻移栽后 23 天至 29 天的一周内，总降雨量为 81.6mm，其中 3 天日降雨量达 到 20mm 以上。同期控灌和常灌稻田 CH4 排放通量分别从 1.04 和 11.88 mgm-2h-1 下降至 0.98 和 6.88 mgm-2h-1，降幅分别为 5.9%和 42.1%。持续降雨使稻田水层深度增加，土壤中已产 生的 CH4 在通过气泡或以扩散的形式穿越水层时，CH4 氧化量增加，导致稻田 CH4 排放通 量降低。同时，在降雨过程中，土壤温度较低，这在一定程度上抑制了稻田 CH4 的产生16。010降雨量/

30、mm20304050田间小区14ACH4排放通量/(mgm-2h-1)1062-2降雨量蒸渗仪控灌18BCH4排放通量/(mgm-2h-1)常灌14控灌 淹灌1062-20306090120移栽天数/d0306090120移栽天数/d180图 3 降雨与稻田甲烷排放通量稻季变化的关系Fig.3 Relationship between rainfall and season variation of CH4 emissions from paddy fields注:A田间小区控灌稻田，B蒸渗仪控灌稻田控灌稻田在水稻全生育期 65%70%的时间处于田面无水层状态，从分蘖中期开始，控 灌稻田经历一

31、系列的脱水过程。控灌稻田 CH4 排放通量除在第一次田面落干过程中出现峰 值外，在其余各生育阶段脱水过程中均维持在较低水平，并随土壤体积含水率的下降而降低（表 5）。例如，在水稻拔节孕穗期控灌稻田的一次脱水过程中，稻田土壤体积含水率从 46.8%185190降至 36.7%，在此时段内，控灌稻田 CH4 排放通量随土壤水分的下降而降低，从 0.101mgm-2h-1 下降至-0.693 mgm-2h-1，降幅为 21.6%。 在各生育阶段控灌稻田的脱水过程结束时，稻田土壤体积含水率越接近该阶段稻田灌水下限，控灌稻田 CH4 排放通量的降幅越大。例如，在水稻抽穗开花期，控灌稻田的两次脱 水过程中

32、初始土壤体积含水率均为 44.8%，脱水过程结束后，稻田土壤体积含水率分别降至35.8%和 36.8%，对应控灌稻田 CH4 排放通量的降幅分别为 639.0%和 497.1%。加强控灌稻 田土壤水分调控，促使控灌稻田的脱水过程更加充分，有利于进一步降低稻田 CH4 排放。表 5 脱水过程中土壤水分调控与控制灌溉稻田甲烷排放通量的关系Tab.5 Relationship between soil moisture and CH4 emissions from paddy fields under controlled irrigation in the dewatering process稻田

33、 CH4 排放通量(mgm-2h-1)土壤体积含水率(%)初始结束降幅（%）初始结束降幅（%）灌水下限分蘖前期2.6640.08396.9%50.041.517.0%35.0生育阶段分蘖中期 分蘖后期 拔节孕穗期 抽穗开花期乳熟期5.4520.08398.5%48.632.632.9%0.562-0.007101.2%48.836.425.4%-0.081-0.09719.1%39.734.712.6%0.013-0.009170.0%50.032.834.4%0.101-0.693786.4%46.836.721.6%0.419-0.112126.6%47.537.820.4%0.087-0

34、.467639.0%44.835.820.1%-0.077-0.461497.1%44.836.817.9%0.014-0.107876.2%44.832.228.1%0.2420.09959.0%40.934.316.1%32.530.033.335.831.4195200205210黄熟期0.0340.01556.7%35.730.315.1%3 结论（1）控制灌溉模式可以显著地减小稻田 CH4 排放。控灌稻田稻季 CH4 排放量为1.070.17g/m2，较常灌稻田（6.490.17g/m2）降低 83.5%，差别极显著（p0.01）。（2）中国东南部稻田稻季和全年 CH4 排放量均低于

35、已有报道中的中国稻田 CH4 排放量， 其中控灌稻田全年 CH4 排放量低于世界大部分地区稻田。与间歇灌溉、常规灌溉和持续淹 水稻田稻季 CH4 排放量相比，控灌稻田稻季 CH4 排放量分别下降 94.7%、97.1%和 99.0%， 常灌稻田稻季 CH4 排放量降幅分别为 68.0%、82.6%和 93.8%；常灌稻田全年 CH4 排放量较 持续淹水稻田下降 97.3%；控灌稻田全年 CH4 排放量较世界其他地区持续淹水、常规灌溉和 多次晒田模式稻田分别下降 87.4%、84.0%和 33.8%。（3）控制灌溉模式显著影响水稻全生育期稻田 CH4 排放通量的变化，削峰效果显著。 控灌稻田 C

36、H4 排放通量在返青期至分蘖中期（移栽后 18 天内）较大，然后逐渐减小，从水 稻分蘖后期（移栽后 21 天）开始至生育期结束均维持在较低水平。控灌稻田在 CH4 排放通 量峰值出现次数减少的同时，峰值较常灌稻田降低 69.0%。（4）在持续降雨的作用下，控制灌溉和常规灌溉模式下稻田 CH4 排放通量均呈现下降 趋势。持续降雨增加了稻田水层深度，导致 CH4 在通过气泡或以扩散的形式穿越水层时的 氧化量增加，同时，降雨过程中土壤温度较低，在一定程度上抑制了稻田 CH4 的产生。参考文献 (References)2152202252302352402452501 IPCC. Climate ch

37、ange 2007：Couplings between changes in the climate system and biogeochemistry. R/OL.http:/ ipcc-wg1.ucar.edu/wg1/Report/AR4WG1_ch07.pdf. 2011-10-25.2 KhalilM A K, Rasmussen R A, Wang M X. Methane emission from rice fields in China J. EnvironmentalScience and Technology, 1991, (25): 979981.3 Mudge F,

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39、with English abstract)6 Yan Xiaoyuan, Hiroko Akiyama, Kazuyuki Yagi, et al. Global estimations of the inventory and mitigation potential of methane emissions from rice cultivation conducted using the 2006 Intergovernmental Panel on ClimateChange Guidelines J. GLOBAL BIOGEOCHEMICAL CYCLES, 2009,23:11

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