摘要：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是3种主要的温室气体，大气中温室气体浓度的持续升高导致全球变暖和臭氧层破坏问题日益严峻。稻田生态系统是温室气体的重要排放源。随着水稻节水灌溉技术的大面积推广应用，节水灌溉对稻田温室气体排放产生的影响受到了广泛的关注。本文综述了节水灌溉的稻田温室气体的排放特征及减排措施，为节水灌溉稻田温室气体排放的后续研究指明了方向，也为我国稻田节能减排的综合调控提供了科学指导和技术支撑。
关键词：节水灌溉;稻田;温室气体排放;减排措施
中图分类号： S274 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2019）16-0019-05
温室气体引起的全球变暖和臭氧层破坏是当今世界备受关注的环境问题[1]。二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是大气中3种主要的温室气体。由于CO2、CH4、N2O等温室气体的排放，全球气候暖化效应在1990年至2012年间增加了32%。自工业化时代以来，人类活动引起的全球温室气体排放持续增加，2011年大气中CO2、CH4、N2O的浓度分别达到391、1 803、324 nL/L，分别比工业化前的浓度增加了40%、150%、20%[2]。農田生态系统是温室气体的重要排放源，农业活动产生的CH4和N2O分别占全球人为排放总量的52%、60%[3-4]，CO2是农业温室气体排放的主要成分之一，其在稻田生态系统的排放也不容忽视[5-6]。在我国，水稻种植面积占全球的20%，总产量占全球的30%[7]。因此，研究我国稻田的温室气体排放量，对制定农田温室气体减排措施和缓解全球变暖等具有重要的理论及现实意义。
自20世纪80年代以来，各种水稻节水灌溉技术得到了大面积的推广应用。在水稻某些生育期，稻田田面在一段时间内保持无水层或土壤含水量低于其饱和含水量，此时田间的土壤水分状况不同于传统的淹水灌溉稻田[8-9]。节水灌溉稻田土壤水分状况的改变导致了其温室气体排放不同于传统淹水稻田。随着水稻节水灌溉技术的大面积推广应用，节水灌溉对稻田温室气体排放产生的影响受到了广泛的关注，并成为相关学科的研究热点。目前，国内外针对节水灌溉稻田温室气体排放的研究已经取得了一些进展和成果，本文综述了节水灌溉的稻田温室气体排放的国内外研究进展，提出了当今研究中的不足之处，为节水灌溉稻田温室气体排放的后续研究指明了方向，也为我国稻田节能减排的综合调控提供科学指导和技术支撑。
1 节水灌溉对稻田温室气体排放的影响
1.1 节水灌溉对稻田CH4排放的影响
稻田是CH4的主要排放源之一，而随着水稻种植面积的不断增加，稻田CH4排放量将进一步增大[10]。国内外学者针对稻田CH4排放的排放特征及影响因素进行了大量研究，发现稻田CH4排放主要受土壤理化特性、水稻生长及其品种、施肥种类、耕作制度、土壤水分状况及水分管理等因素的影响[11-16]。水分管理是影响稻田CH4排放的最重要因素之一[13，17-18]，通过影响土壤通透性及氧化还原状态，影响稻田CH4的产生、排放及氧化[19]。
淹水（至少是水分饱和）是稻田产生和实质性排放CH4的先决条件，大量的研究表明水稻生长期持续淹水有利于CH4的产生和排放，节水灌溉能够明显减少稻田CH4的排放量[20-22]。与持续淹水相反，晒田及干湿交替的水分管理模式抑制了稻田CH4的产生，能大量减少稻田CH4的排放[12，20，23]。例如，在减少70%的灌溉用水的情况下，田间试验结果证实干湿交替灌溉比持续淹水灌溉减少了97%的稻田CH4排放量[20]。我国江苏省昆山排灌试验站2009—2011年的田间试验结果表明，控制灌溉较常规灌溉可以极显著减少稻田CH4排放量（P<0.01），减少幅度可达83.5%[24-25]。研究证实，间歇灌溉也可以显著减少稻田的CH4排放量，但不同研究中间歇灌溉对稻田CH4排放量的减少幅度存在较大差异。例如，我国江苏省句容市2007年的田间试验结果显示，与持续淹水相比，间歇灌溉将季节性CH4生产潜力降低了45%，但将CH4的部分氧化率提高了45%～63%，从而使稻田季节性CH4排放量减少71%[26]。韩国江原道省2010年的试验结果表明，连续淹水的稻田中排出了大量的CH4（14.5 mol/m2），而淹水较少的稻田CH4排放量减少30%～60%[27]。在寒地黑土稻田中进行试验时发现，CH4排放在分蘖期达到峰值，实施水田淹灌的CH4累计排放量为 6.46 g/m2，间歇灌溉的累计排放量为5.47 g/m2[28]。2012—2013年在中国吉林省西部的田间试验结果显示，与连续淹水灌溉相比，间歇灌溉稻田的平均CH4排放通量较低（耕作期为1年和57年的稻田分别减少了22.81%和23.62%）[29]。研究3种灌溉管理形式[normal amount（NA），70% of NA（NA 70%），30% of NA（NA 30%）]对水稻生长季CH4排放的影响时发现，NA 70%使CH4排放量减少30.3%～53.3%，而NA 30%使CH4排放量相对NA减少51.0%～76.7%[30]。节水地面覆盖水稻生产系统（water-saving ground cover rice production system，简称GCRPS）的年CH4排放量可减少69%[31]。在15 cm阀值干湿交替灌溉（alternate wetting and drying at 15 cm threshold for irrigation，简称AWD15）条件下，CH4排放量比传统灌溉降低37.4%～45.7%，同时减少了灌溉水量，且水稻产量变化不大[32]。
1.2 节水灌溉对稻田N2O排放的影响
旱地和非饱和水稻土是N2O排放的重要产生源，节水灌溉稻田N2O排放是农田温室气体排放研究的热点之一。关于水稻节水灌溉模式对N2O排放季节变化的影响，前人已经做了大量的研究[8，20，33]。结果表明，持续淹水稻田N2O排放量很低，很多研究中对其忽略不计[34]，这也是早期关于农田N2O排放的研究主要集中在旱作农田的原因;晒田及干湿交替可以加剧稻田N2O排放[35-36]，但N2O排放量的增加幅度由晒田及土壤脱水程度决定[37]。节水灌溉较持续淹水灌溉显著增加了稻田N2O排放量[18]。田间试验结果证实了节水灌溉较持续淹水灌溉增加了533%的稻田N2O排放量[35];控制灌溉较常规灌溉增加了135.4%～136.9%的稻田N2O排放量[8，24]。与常规稻田相比，利用节水地覆盖水稻生产系统（GCRPS）技术的稻田，每年的N2O排放量和粮食产量分别增加40%和9%[31]。间歇灌溉稻田的N2O累积排放量为 68.47 mg/m2，较淹灌稻田N2O累积排放量增加了 85.66%[28]。此外，在90%含水孔隙率（WFPS）时的土壤N2O累积排放量分别为40% WFPS和60% WFPS时的7.84倍和1.44倍[38]。
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