膜下滴灌水稻栽培技术对降低甲烷气体排放以及化肥、农药施用污染的探讨

郭庆人

(新疆天业(集团)有限公司，新疆石河子832000)

中国是世界最大的水稻生产国和消费国，我国水稻种植面积达5亿亩，占世界水稻种植面积的23%，产量占全球水稻总产量的38%。国际水稻研究所(IRRI)Latin报道，甲烷在大气中的浓度远小于二氧化碳，但是其致暖效应比二氧化碳大30倍，每年它向大气的释放量为5亿吨，其中20%来自稻田［1］。20世纪80年代末，国外学者以极其有限的实验室数据推断中国水稻田甲烷年排放量为0.30亿吨，占世界稻田年排放总量的27%，这一缺乏科学根据的数值给我国环境外交带来不可估量的负面影响。据联合国粮农组织统计，2010年我国化肥和农药的消费已占世界总量的31%，远高于谷物生产量占世界谷物总产量的份额(19.1%)，是世界上化肥、农药第一大消费国，同时也是化肥、农药第一污染大国［2］。目前，我国水稻生产中存在肥料用量大、施肥方法不合理、施肥技术落后，农药施用量大、高残留比例大，大量化肥及农药在稻田施用造成了肥料径流污染、地下水源污染和甲烷等温室气体排放［3，4］。世界各国在水稻种植上减少化肥、农药污染方面做了大量工作，通过研究认为水稻旱作能有效地减少肥料径流污染和地下水源污染，但产量较低是限制其推广的一个瓶颈［5］。新疆天业(集团)有限公司经过8年试验，研究出膜下滴灌水稻栽培的新方法，已获国家发明专利，改变了“水稻水作”的传统种植方式，实现了水稻全生育期田间无水层。2009年膜下滴灌水稻栽培开始大田示范，2011年示范面积60 hm2，膜下滴灌水稻种植比新疆传统水稻种植节水60.7%、节肥10.4%，有利于减少甲烷温室气体的排放，减少化肥和农药对环境的污染，是一种高产兼生态环境友好的栽培方法。

1 传统水稻甲烷气体排放以及化肥、农药污染状况

1.1 稻田甲烷气体排放研究状况

稻田甲烷的传输主要有3个途径，即植物体的通气组织、水层冒泡和水体液体的扩散，它主要受植株生长状态、气温和水田的持水时间等因子的影响［6］。通过根系吸收由植株释放到大气中的甲烷占稻田总释放量的80%左右［7］。而曹云英等研究表明，水稻根系长期在水层厌氧条件下会主动吸收甲烷，然后通过地上部分的茎、叶和穗等器官的气孔排放到空气中，这种方式排放的甲烷总量占3个途径的 55%左右［8］。

稻田土壤的质地是影响甲烷排放的一个基本因素。Sass等认为土壤质地越粘向大气中排放的甲烷量越高，建立水层的淤泥种水稻是导致甲烷大量排放的重要因素［9］。国际水稻研究所认为，当稻田土壤淹水后，理化性状发生重大变化，氧化还原电位(EH值)急剧下降，当EH值低于－150 mV时，稻田将会产生大量甲烷气体［10］。

水稻田的水肥管理同样也影响着甲烷的释放。前人研究指出，在水稻生长季甲烷释放量有三个高峰期:(1)分蘖期，有机物的分解产生是主导因素;(2)幼穗分化至孕穗期，可能与气体输送的效率、根部系统的迅速发展以及根部的渗出物及根部的落叶有关;(3)灌浆成熟期，可能与根部有机物的腐烂有关［11，12］。Schatz研究结果表明，如果将 200 kg/hm2尿素深施到20 cm的土层，甲烷释放量甚至会减少;如果在空白区的表层施200 kg/hm2尿素，可以观测到甲烷释放量的大幅度增加［13］。

此外，王增远等指出，单位产量稻谷所排放甲烷总量，水田是旱田的2.6倍［14］。水稻分蘖末期的搁田以及灌浆成熟期的干湿交替乃至脱水，是我国传统水稻普遍采用的一种高产栽培措施，它可以抑制稻田甲烷的产生和释放，降低其释放速率。

1.2 稻田化肥污染研究状况

长期以来，人们习惯于大量施用氮、磷、钾等化学肥料以获取作物高产，在水稻上的施用尤为显著。由于淹灌水田化肥利用率较低，未被水稻吸收利用的大量化肥沉积在土壤中，给环境造成很大污染［15］。研究表明，过量施入稻田的氮、磷、钾等化学元素造成的污染主要有2个方面。(1)在稻田水层的长期压力下，污染源会被压入地下水层，进而污染地下水源。(2)氮、磷、钾等化学元素通过降雨造成地表径流和排水降渍的地下暗管流途径流入江河水体，从而造成水体的富营养化污染［16］。据不完全统计，我国水稻种植氮、磷流失几乎占到了整个水稻生育期施肥的50% ～60%，给环境造成了巨大的危害［17］。

1.3 稻田农药污染研究状况

为了防治稻瘟病、纹枯病等水稻常发病害，人们常通过叶片喷施和向水层撒施粉剂的方法控制病害。然而长期的农药施用会造成稻田水层的污染，排放后会通过地表径流污染到江河水源，而被水层压下去则会污染地下水源，还会被植株富集到水稻籽粒中［18］。此外，叶片喷施农药过程中会向大气释放大量的气溶胶，造成近地面空气的重度污染［19］。据报道，我国每年大约有50%的稻田被农药重度污染，约30%的被中度污染，20%的属于轻度污染［20］。

2 膜下滴灌水稻栽培技术降低甲烷气体排放以及化肥、农药污染的分析

2.1 膜下滴灌水稻减少甲烷气体排放量分析

膜下滴灌水稻栽培技术全生育期无水层，通过滴灌这种方式对水、肥等进行精确调控，使水稻处于最适宜的土壤环境和生长环境。膜下滴灌水稻栽培减少甲烷气体排放主要在3个方面。(1)膜下滴灌水稻栽培无水层存在将不会形成厌氧环境，使甲烷细菌没有滋生的环境，减少了水稻植株从土壤中吸收甲烷，同时也减少了水层冒泡和水体液体排放甲烷气体。通过本单位长期测定，膜下滴灌水稻与常规水稻栽培相比可减少甲烷气体排放70.6%。(2)膜下滴灌水稻栽培改变了土壤的质地，通气性好，其氧化还原电位(EH值)长期处于高位水平，很难产生甲烷气体。(3)膜下滴灌水稻栽培生育期需水、需肥量可控可调，能有效地在甲烷排放高峰期进行水肥调控，减少水肥投入20.5%左右，进而有效的减少甲烷排放量。

2.2 膜下滴灌水稻降低化肥污染分析

膜下滴灌水稻栽培彻底改变了稻田土壤长期淹水状态，土壤的氧化还原电位和通透性显著提高，不仅有利于水稻根系生长发育，还有利于提高好氧微生物的活性，促进土壤有机质和氮、磷、钾等化学肥料的分解和养分吸收的有效性。膜下滴灌水稻栽培降低化肥污染主要表现在3个方面。(1)通过滴灌随水施肥，水肥耦合机理提高了肥料利用率10.4%，又可根据水稻不同生育期的需肥规律调整施肥量，从而降低了化肥施用量，这将有利于从源头上降低化肥污染。(2)膜下滴灌水稻全生育期不建立水层，化肥施入土壤耕作层后被水稻根系吸收，因水层不存在，将不易造成地下水污染。(3)地膜覆盖使土壤温湿度适宜，通透性好，土壤微生物增加，活性增强，可加速对有机质的分解和转化，从而提高肥料利用率，降低化肥对土壤的污染。

2.3 膜下滴灌水稻降低农药污染分析

膜下滴灌水稻栽培技术，不仅能较强地抑制杂草和水稻病害的发生，还有降低农药污染的作用，因为地膜覆盖后，水稻地上部分失去了高湿这种利于细菌和真菌生长和传播的环境;再加上新疆气候干燥少雨，抑制了病害的发生与传播，农药用量降低。膜下滴灌水稻栽培技术主要在2个方面减少了农药对环境的危害。(1)膜下滴灌施药可以通过滴灌随水滴施到膜下，多余的农药可被耕作层大量的微生物降解，既减少了农药挥发污染，也减少了下渗污染地下水源的几率。通过本单位常年调查研究，该栽培方法可降低农药残留55.8%左右。(2)在农药进行植株喷施过程中，多余的农药会被吸附到地膜上(土地80%被地膜覆盖)，减少农药挥发所造成的空气污染。

3 膜下滴灌水稻栽培技术增产原因及经济效益分析

通过试验、示范，初步认为膜下滴灌水稻增产原因主要有以下几个方面，增产机理则有待进一步深入研究。(1)膜下滴灌水稻真正实现了浇苗不浇地，加上覆膜，能防止淹灌造成土壤板结与硬化，创造了有利于水稻生长发育的土壤环境。(2)膜下滴灌水稻栽培不起垄，比传统水稻田增加了土地利用率约10%～15%，可提高产量10%左右。(3)膜下滴灌技术在水分、养分上可以精确控制用量，可根据水稻不同生育期的水分、养分需求规律进行随时供给，使水稻生长在养分、水分需求上达到最适宜的状态，进而提高水稻单产。2011年10月，由新疆兵团科技局组织的专家进行了产量鉴定，1.3 hm2地的平均产量为10 933.5 kg/hm2，高产点为1 2 045 kg/hm2。

通过膜下滴灌水稻技术的应用将产生一定的经济效益。(1)提高土地利用率10% ～15%。(2)提高肥料利用率。肥料利用率较常规灌溉施肥平均提高10%以上，节肥10%以上。(3)提高机械化程度和人均管理定额。膜下滴灌水稻技术实现了水稻旱作铺管、铺膜、精量播种一体机械作业有机结合，有效的减少育秧、插秧、撒肥、药物防治等多个重要的栽培管理环节，田间人均管理能力提高两倍。(4)节水增效。节水60%以上，该技术每公顷地仅成本就可节约2 400元。

4 结论

膜下滴灌水稻栽培技术是全新尝试，经过天业集团近年的试验和示范，逐渐得到专家的认可。膜下滴灌水稻栽培技术可以大幅度地提高水肥利用率，改变传统水稻田的施肥、施药方式，显著减少甲烷气体排放量、降低肥料和农药对环境造成的危害。在产量上，膜下滴灌水稻栽培也比传统水稻栽培具有增产优势，应进一步示范推广。

膜下滴灌水稻栽培技术有利于减少灾害性天气对水稻生产的影响，同时降低水稻生产对水资源的需求，缓解了社会用水矛盾，保障了粮食生产安全，有利于调整农业产业结构，提高农民收入。

［1］王明星，戴爱国，黄 俊.中国甲烷排放量的估算［J］.大气科学，1993，17(1):52－64.

［2］吴敬民，许学前，姚月明.基肥不同施用方法对水稻生长及稻田周围水体污染的影响［J］.土壤通报，1999，30(5):232－234.

［3］焦少俊，胡夏民，潘根兴，等.施肥对太湖地区青紫泥水稻土稻季农田氮磷流失的影响［J］.生态学杂志，2007，26(4):495－500.

［4］International Rice Research Institute.IRRI Toward 2000 and Beyond［R］.Manila:IRRI，1989.

［5］程旺大，赵国平，张国平，等.水稻节水栽培的生态和环境效应［J］.农业工程学报，2002，18(1):191－194.

［6］王明星.大气化学［M］.北京:气象出版社，1990.

［7］Holzapfel－Pschorn A，Conrad R，Seiler W.Effect of vegetation the emission of methane from submerged paddy soil［J］.Plant and Soil，1993，92:223 － 233.

［8］曹云英，许锦彪，朱庆森.水稻根系对甲烷传输速率的影响［J］.安徽农业科学，2003，31(1):90－92.

［9］Sass RL.Methane emission from rice field as influenced by solar radiation，temperature，and straw incorporation［J］.Global Biogeochemical Cycles，1991，(4):335 －350.

［10］Minami K.Effect of agricultural management on methane emission from rice paddies［A］.SCOPE/IGBP Workshop on trace gas exchange in a global Prospective［C］.Sweden:Internet Biosphere － Ceosphere Prog，1990.

［12］International Rice Research Institute.IRRI studies of rice field methane in global climate change［R］.Manila:IRRI，1991.

［13］张自常，孙小淋，陈婷婷，等.覆盖旱种对水稻产量与品质的影响［J］.作物学报.2010，36(2):285－295.

［14］王增远，Wassmann R.稻田CH4排放及控制技术的研究［J］.作物学报，2001，27(6):757－768.

［15］高 超，张桃林，吴蔚东.不同利用方式下水田土壤对磷吸持与解吸特征［J］.环境科学，2001，22(4):67－72.

［16］张大弟，陈佩音，支月娥.上海市郊4种地表径流及稻田水中的污染物浓度［J］.上海环境科学，1997，16(9):4－6.

［17］Hector M，Carlos E，Noemi R.Agricultural wastes［J］.Water Environment Research，1998，70(4):601－620.

［18］盖颜欣，高立起，崔立红，等.节水无公害水稻栽培技术要点［J］. 北方水稻，2010，40(3):52－57.

［19］姜 勇，梁文举，闻大中.免耕对农田土壤生物学特性的影响［J］.土壤通报，2004，35(3):347－351.

［20］宋淑然，王卫星，洪添胜，等.水稻田农药喷雾上层植株雾滴截留影响的实验研究［J］.农业工程学报，2003，19(6):114－117.