彭世彰1, 2，李道西1, 2，徐俊增1, 2，丁加丽1, 2，何岩3，郁进元3
（1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098；2. 河海大学节水研究所，江苏南京 210098；3. 昆山市水利技术推广站，江苏苏州 215300）
摘要：通过田间试验研究了水稻节水控制灌溉模式对稻田CH4排放规律的影响。结果表明，控制灌溉稻田CH4排放呈现明显的下午极大值型日变化，甲烷排放高峰主要出现在下午13:00，淹水处理一天中CH4排放峰值在各个时刻的出现具有一定的随机性。控制灌溉稻田CH4排放呈现明显的单峰型季节排放规律，排放高峰发生在分蘖前期，比淹水处理提前了10多天。所以，控制灌溉模式在水稻返青期后的水分调控及生产性用水等水管理措施对稻田CH4排放的影响至关重要。控制灌溉水稻全生育期的稻田CH4排放总量为24.46g·m-2，比淹水稻田减少了38.67%，甲烷平均排放率为7.96 mg·m-2·h-1，但返青期和分蘖前期的CH4平均排放率比淹水稻田高，在以后的各个生育阶段均低于淹水稻田。 关键词：节水灌溉 控制灌溉 水稻 甲烷排放 稻田生态
20世纪90年代以来，我国各种水稻节水灌溉技术，如“薄浅湿晒”、“薄露”、“浅湿晒”、“间歇灌溉”、“控制
灌溉”、“半旱栽培”、“覆膜旱作”等都得到了大面积的推广应用，稻田生态环境发生了很大改变[1, 2]。前人对稻田生态环境的研究多是关于节水灌溉对稻田渗漏量、稻田温度、稻田通气性、稻田病虫害以及矿质营养等的影响[3]。实际上，灌溉稻田还会产生二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）等重要温室气体[4~6]，对气候产生影响。已有研究表明，淹水稻田会有大量CH4气体产生[7]，同时不同的灌溉模式对稻田CH4排放的影响极大[8~9]，但节水灌溉模式对稻田CH4排放的影响如何还鲜有研究。通过田间小区试验，研究节水灌溉模式对稻田CH4排放规律的影响，以更全面地评价水稻节水灌溉给稻田生态环境带来的影响。
1 材料与方法
1.1试区概况
试验地选在江苏昆山市水利技术排灌试验基地（34°63′ 21″N ，121°05′22″E）内。试区属亚热带南部季风气候区，年平均气温15.5℃，年降雨量1097.1mm，年蒸发量1365.9mm，日照时数2085.9h，平均无霜期234天。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，0~18cm土层土壤有机碳30.3g/kg，全氮1.79g/kg，全磷1.4g/kg，全钾20.86g/kg，pH值7.4。
1.2试验设计
在水稻品种、育秧、移栽、密度、植保、用肥、用药等技术措施以及基础地力相同的条件下，安排长期淹水和控制灌溉（以下简称“控灌”）两种水分处理，每个处理3个重复，计6个小区。小区周围有10m 以上的保护地。每个小区面积150m2（20m×7.5m），田间小区布置如图1，各小区之间用砖砌混凝土田埂隔离（高30cm，宽30cm），田埂向地下内嵌50cm深的塑料防渗膜，防止小区间的水分交换。每个小区中央离田埂2m处预埋一个方形硬塑料底座（80cm×80cm），底座嵌入土壤5cm深，作为采样点，用于放置CH4人工采样静态箱，并在田间埋设TDR探头监测不同深度的土壤水分。
前茬作物为小麦，供试水稻品种为早熟晚粳型9998-3，2005 年5月20日播种，6月23日移栽（株距×行距＝16.7cm×26.7cm)，10月25日收割。其中，6月19日施有机肥（猪粪）2.25×104kg·hm-2、6月23日施复合肥（N: P2O5:K2O=10%:6%:9%）375 kg·hm-2作基肥；7月1日施农用碳酸氢铵（总氮≥17.5%）375 kg·hm-2作分蘖肥；8月11日施尿素（总氮≥46.2%）150 kg·hm-2、复合肥（N: P2O5:K2O=10%:6%:9%）150 kg·hm-2作穗肥。
基金项目：国家自然科学基金项目（50479022）、江苏省高等学校研究生创新计划项目（xm04-42）
作者简介：彭世彰(1959-)，男，上海人，河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室常务副主任，教授，博导，主要从事节水灌溉理论与技术研究。Email: szpeng@hhu.edu
合金加工淹水处理从水稻插秧开始一直维持3~5cm 水层，直到黄熟期10月6日后自然落干至收割。控灌处理是在秧苗本田移栽后的返青期田面保留5~25mm 薄水层，以后的各个生育期除生产性用水外，灌溉后田面不建立灌溉水层，以根层土壤水分为控制指标，确定灌水时间和灌水定额[2]。
图1 田间试验布置
1.3 田间采样
采用密闭静态箱法定位观测CH 4的气体通量[10]。箱体用厚5mm 的透明有机玻璃制成，包括中段箱和顶箱两部分，高分别为50cm 和60cm ，底面积均为 80 cm×80 cm 。中段箱顶部有密封用水槽，用于水稻生长后期加层。顶箱顶部封闭，装有搅拌小风扇（12V ，直径12cm ），并打孔接出风扇电源线和温度探头，箱侧面接出采气管线。采气管箱内外分别长约30cm 和2m ，箱外与带有三通阀的60ml
塑料针筒相连，抽样后立即用三通阀将气体转入气袋（120ml ，大连德霖生产）。箱外先包一层约5cm 厚的海绵，然后覆盖一层铝箔，以减小采样期间由于太阳辐射引起的箱内温度变化。水稻移栽后第3天开始采样，每隔3天采样1次，采样时刻为上午10:00~11:00，每个采样点在盖箱后第0、5、l0和15min 时采样，同时记录箱温和田间水层深。
日变化的采样只在水稻每个生育阶段的中后期选取一天进行，代表日期分别是6月30日、7月16日、8月5日、8月26日、9月6日、9月26日和10月13日，分别代表水稻返青期、分蘖中期、分蘖后期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期和黄熟期。由于夜间人工取样困难，实际测量工作只在白天的7:00~8:30、10:00~11:30、13:00~13:30、15:00~16:30、18:00~19:30进行，考虑到9月中旬以后天黑较早，最后一个时刻取样被提前到17:00~18:30。
1.4气样分析及通量计算
气样CH 4浓度用带有氢火焰离子化检测器（FID ）的SP-2000A 型气相谱仪（山东鲁南瑞虹化工有限公司）分析，其测定条件为：不锈钢柱2m×2mm×0.5nm ，检测器温度160℃，分离柱温度130℃，载气为纯N 2，燃气为H 2，助燃气为纯空气，流速分别为60ml·min -1，40ml·min -1，350ml·min -1；定量管为2ml 。采用的CH 4标气浓度有11.6ppmv ，110ppmv 和620ppmv ，由南京麦克斯南分特种气体有限公司生产提供，CH 4浓度用外标法确定。通过对每组4个样品CH 4浓度与对应的采样间隔时间
进行直线回归可求得CH 4浓度变化率，继而根据（1）式求得CH 4排放通量[10]。对水稻各个生育阶段的CH 4排放通量进行内插积分求和，即可计算出各阶段的稻田CH 4排放量，各阶段的和即为水稻全生育期CH 4排放总量，进一步地将CH 4排放量按该生育阶段天数或小时数进行折算，即可求得该阶段CH 4平均排放率。
()510273.2dm dC P dC F H dt A dt dt
R μρ−⋅==⋅⋅=⋅⋅×+H （1）
式中，F 为CH 4排放通量，mg x m -2x h -1；为箱内CH dm 4质量变化量，mg ；ρ为箱内CH 4气体的密度，mg x cm -3；A 为采样箱横截面积，cm -2；H 为箱内有效高度，cm ；m 为箱内CH 4气体的质量，mg ；dC 为箱内CH /dt 4浓度随时间的变化率，ppmv x h -1；P 为箱内平均气压，对于非高海拔区可取51.0132510P =×Pa ；
T 为箱内平均气温；R 为普适气体常数（8.31441J x mol -1x K -1）；μ为CH 4摩尔质量（16.123g x mol -1）。
联合签名
双向dcdc变换器
2结果与分析
口环
2.1控制灌溉对稻田CH4排放日变化的影响
图2和图3分别显示了淹水和控制灌溉两种水分处理下在代表日的稻田CH4日排放变化。淹水处理稻田CH4排放峰值在水稻全生育期某一天中某个时刻的出现变化不定，呈现随机型日变化特征。控灌处理稻田CH4日排放呈现明显的下午极大值型日变化，整个生育阶段进行的7次日排放测量中，前5次都是以下午13:00出现一天中CH4排放高峰，后2次则分别发生在下午15:00和傍晚18:00。
图2 淹水处理全生育期CH4排放的日变化
图3 控灌处理全生育期CH4排放的日变化
为了能更真实地显示出一天中各个时刻在水稻全生育期CH4日排放中的重要程度，将7个取样日期不同取样时刻的稻田CH4排放通量再次进行求和平均（如图4）。控灌处理水稻全生育期的稻田CH4排放速率在白天的每个时刻均小于淹水处理，说明水分调控对CH4日排放变化的影响是显著的。淹水处理稻田CH4平均排放速率在各个时刻波动很小，基本持平，说明淹水处理的稻田CH4排放在白天的各个时刻具有同等重要性。控灌处理则不然，虽然下午13:00和上午7:00仍然是一天中CH4平均排放速率最大和最小的时刻，但上午10:00的CH4平均排放速率则大于下午15:00和傍晚18:00。因此，虽然控灌处理下午15:00和傍晚18:00都发生过甲烷排放高峰，但上午10:00的甲烷排放的重要性并不亚于下午1
5:00和傍晚18:00。
图4 不同灌溉模式下不同取样时刻的平均CH4排放通量
离子风机aryang2.2控制灌溉对稻田CH4排放季节变化的影响
2.2.1CH4季节排放规律分析
已有研究表明，稻田CH4季节排放有3个典型排放峰，分别发生在水稻生长初期（返青期）、中期（分蘖、拔节期）和后期（黄熟期）[10, 11]。研究表明，不同灌溉模式对稻田CH4季节排放的影响是
显著的。从图5可以很明显地看出，控灌处理稻田出现CH4排放峰值的时间比淹水处理提前了10多天。淹水条件下，稻田CH4的排放在分蘖中期达到最大，随后基本上一直呈缓慢降低趋势。但水分控制条件下，CH4的排放在分蘖前期的第3天就出现了排放高峰，而且在分蘖中期时排放高峰再次发生，随后CH4排放迅速下降，从拔节孕穗期开始就维持极低的CH4排放水平一直到水稻黄熟。可以认为，这种CH4季节性排放变化的差异主要缘于田间水分管理的不同。淹水稻田长期有水层，土壤中有机质分解较慢，CH4的排放是一个缓慢释放过程。但是，控灌稻田分蘖前期田间就实行无水层管理，土壤中有机质分解加快，促进了CH4排放高峰的提前到来。另外，水稻分蘖前期的生产性用水（主要指施蘖肥和除草剂用水）可能导致短期的水层落干后再次复水，稻田的这种干湿交替可能引起又一次显著的CH4排放。由此看来，控制灌溉技术返青期后的水分调控及后期的生产性用水等水管理措施对稻田CH4排放的影响至关重要。
图5 不同灌溉模式下水稻全生育期稻田CH4排放的季节变化
2.2.2CH4排放量分析
从表1可以看出，控灌处理水稻全生育期稻田CH4排放总量为24.46g·m-2，比淹水处理39.88g·m-2减少了38.67%。淹水处理稻田CH4排放主要发生在分蘖中期和后期，以及拔节孕穗期，分别占水稻全生育期CH4
排放总量的28%、19%和26%。控灌处理的稻田CH 4排放则主要集中在分蘖前期和中期，分别占水稻全生育期CH 4排放总量的30%和37%，其它生育阶段的CH 4排放量均较小。可能原因是淹水处理稻田土壤一直处于厌氧环境，制约稻田CH 4排放的因素主要是外源有机质供应程度及土壤温度，当有丰富的有机质供应和适宜的土温时，淹水稻田CH 4的显著排放随时都可以发生。但控灌处理稻田在分蘖前期从有水层到无水层的变化最大程度地激发了在返青期已经积蓄在土壤中的CH 4的释放，加上分蘖期温度较高（平均气温30~34℃℃），水稻植株生长也逐渐加快，有利于CH 4的产生和传输，最终导致了控灌处理稻田CH 4在分蘖期的大量排放。到水稻生长中后期，田间不再建立水层，极大地破坏了产甲烷菌产生CH 4所要求的厌氧环境，大部分产甲烷菌在分蘖期后就已经死亡，即便有丰富的有机质供应和适宜产甲烷菌活动的土温，稻田也不会有明显的CH 4排放，所以控灌处理水稻生长中后期的稻
田甲烷排放量则相对较小。
表1 不同灌溉模式下水稻全生育期稻田CH
排放量 单位：g·m -2
2.2.3CH 4平均排放率分析
计算表明，控灌处理水稻全生育期CH 4平均排放率为7.96 mg·m -2·h -1，淹水处理为12.98mg·m -2·h -1。控
灌处理稻田CH 4平均排放率在水稻各生育阶段的变化较大，分蘖前期和分蘖中期的CH 4平均排放率可达
34.26 mg·m -2·h -1和24.81 mg·m -2·h -1，
而到拔节孕穗和抽穗开花时CH 4平均排放率仅有5.25和3.56 mg·m -2·h -1。从图6
可以看出，控灌处理稻田CH 4平均排放率在返青期和分蘖前期超过淹水处理，但在以后的各个生育阶段均低于淹水处理。主要是因为控灌处理稻田返青期维持薄水层，而较浅的水层更有利于早期气泡CH 4的释放，到了分蘖前期，控灌稻田无水层引起了初期闭蓄态CH 4的大量排放，以后的各个生育阶段控灌处理稻田不再有水层，土壤通气性较好，CH 4平均排放率持续下降，到黄熟期时CH 4平均排放率几乎为零。
图6 不同灌溉模式下水稻整个生长期CH 4平均排放率的比较
3结论
（1）控制灌溉的稻田CH 4日排放主要呈现下午极大值型日变化，CH 4排放高峰主要出现在下午13:00。而淹水处理一天中CH 4排放峰值在各个时刻出现具有不稳定性，其日变化峰值的出现具有一定的随机性。
（2）控制灌溉稻田的CH 4排放率在下午13:00最大，上午7:00最小，而上午10:00对CH 4排放的贡献与下午15:00和傍晚18:00具有同等重要性。淹水处理白天的各个时刻对CH 4排放的贡献都同等重要。
（3）不同灌溉模式对稻田CH 4季节排放的影响是显著的。控制灌溉条件下，CH 4的排放在分蘖前期的第3天就出现了排放高峰，而且在分蘖中期时排放高峰可能再次发生，随后CH 4排放迅速下降，从拔节孕穗期开始就维持极低的CH 4排放水平一直到水稻黄熟。
（4）控制灌溉稻田分蘖前期的水分调控会引起两种后果：其一，CH 4排放高峰会比淹水稻田提前到达
10多天；其二，刺激闭蓄态CH4的大量排放，其排放峰值甚至超过淹水稻田CH4排放的主峰，所以，控制灌溉模式在水稻返青期后的水分调控及生产性用水等水管理措施对稻田CH4排放的影响至关重要。
（5）控灌稻田水稻全生育期CH4排放总量为24.46g·m-2，比淹水稻田减少了38.67%，其CH4排放主要发生在分蘖前期和中期，分别占水稻整个生长期CH4排放量的30%和37%。
（6）控灌稻田水稻全生育期CH4平均排放率为7.96 mg·m-2·h-1，但在各生育阶段的变化较大，在返青期和分蘖前期CH4平均排放率超过淹水稻田，在以后的各个生育阶段均低于淹水稻田。
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Effect of Water-Saving Irrigation on the Law of CH4 Emission from
paddy field
PENG Shi-zhang1,2, LI Dao-xi 1,2 , XU Jun-zeng1,2, DING Jia-li1,2, HE Yan3, YU Jinyuan3 (1. State Key Laboratory Of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University; Nanjing
210098, China 2.Science Research Institute of Hohai University, Nanjing 210098, China; 3.Kunshan Water Conservancy Technique Expansion Station, Suzhou 215300, China)
Abstract:Field Experiment has been carried out to investigate the effect of rice water-saving control irrigation on the law of CH4 emission from paddy field. The results show that the diurnal variation of CH4 emission from paddy field under control irrigation (PFUCI) appears regular afternoon-maximum model, mainly at 13:, but that from paddy field under flooding irrigation (PFUFI) appears random model. The seasonal variation of CH4 emission from PFUCI takes on distinct one-peak pattern, occurring at the initial tillering stage of rice, more than 10 days earlier than that from PFUFI. So, water regulation and practical irrigation of control irrigation model, especially after rice turning-green stage, is quite important to affect CH4 release from paddy field. The total CH4 emission from PFUCI is 24.46g·m-2, the seasonal average of CH4 emission rate is 7.96 mg·m-2·h-1, reduced by 38.67% compared with that from PFUFI. But the mean emission rate of CH4 from PFUCI is higher during rice turning-green and initial tillering stage, and lower than that from PFUFI.
Key words:Water-saving irrigation; Control Irrigation; Rice; Methane Emission; Ecology of Paddy Field
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