灌溉方式对农田温室气体排放影响研究进展

李 锐，杨恒山，邰继承

（1.内蒙古民族大学 农学院，内蒙古 通辽028043；2.内蒙古自治区饲用作物工程中心，内蒙古 通辽028043）

全球变暖已成为不争的事实，而大气中CO2、N2O和CH4等温室气体浓度的日益增加是气候变暖的主要因素之一［1].全球范围内农业生产活动贡献了大约14%的温室气体排放量［2].据估计，大气中每年有5%～20%的CO2、15%～30%的CH4、80%～90%的N2O来源于土壤，而农田土壤是温室气体重要排放源［3].我国温室气体排放量约占全球温室气体排放量的20%，农业温室气体排放占全国温室气体排放总量的17%，高于全球平均水平［4]，因此，加强对农田土壤温室气体减排的研究有利于环境友好、生态文明.我国是一个人口众多的农业大国，同时也是全世界水资源最为匮乏的13个贫水国之一，人均水量不足世界人均的1/4［5].在全球气候变暖的条件下，我国水资源呈现北方干旱、南方涝害的格局［6].长期以来耕地水资源短缺并有进一步恶化的趋势，我国北方地区将面临极高水资源短缺压力［7].根据模型预测，到2050年，缺水区域和缺水程度均呈增加趋势，依靠自然降雨来缓解水资源短缺是不可能的［8].我国耕地面积一半以上为旱地农业，灌溉是确保粮食安全的重要手段.我国70%的粮食来自灌溉农业，农业用水约占全国总用水量70%［9].因此，因地制宜地发展适合地区农业高效节水的灌溉模式，是实现水资源高效利用的重要途径.农田土壤温室气体排放除了受到温度、降水、植被的影响外，还在很大程度上受到灌溉方式的影响［10].合理的灌溉措施在保证粮食安全的同时还具有减少农田温室气体排放的作用，探究不同灌溉方式对农田温室气体排放的影响，对优化区域水资源利用和缓解全球气候变化具有重大意义.

1 农田温室气体排放的途径及影响因素

农业生态系统中温室气体的排放是一个复杂的过程.在植被、气候、土质发生变化以及人为扰动的条件下土壤中有机质可分解为无机碳和有机碳［11]，有机碳在有氧条件下多以CO2的形式进入大气，在厌氧条件下经发酵菌作用形成CH4，而N2O则是无机氨态氮在硝化菌作用下，通过硝化和反硝化作用产生.农田生态系统是重要的CO2的源与汇，大气中的CO2经过植物的光合作用合成有机碳进入土壤，被植物固定的有机碳通过植物呼吸作用生成CO2排放到大气中，形成农田碳循环.农田土壤排放CO2的过程主要是土壤呼吸，其排放强度取决于土壤有机质含量和矿化速率、土壤微生物类群数量及其活性、土壤动植物呼吸作用等，土壤呼吸主要包括植物根呼吸、土壤微生物呼吸、土壤动物呼吸以及含碳物质化学氧化作用［12].土壤呼吸受温度、水分、人为活动等影响［13]，而影响农田CO2排放的措施有灌溉方式、化肥施用、土地利用、秸秆还田等.

农田土壤N2O 的排放途径主要是土壤的硝化和反硝化作用［14].硝化作用，是指在通气条件下土壤中硝化微生物将氨盐转化为硝酸盐，其中释放出部分N2O［15]；反硝化作用是指，土壤在通气性差含氧量低的情况下，土壤微生物将硝酸盐或硝态氮还原成氮气（N2）或氧化氮（N2O、NO）的过程.影响农田土壤排放N2O的因素包括：土壤环境（水分、土壤温度、土壤有机质等）、气候因子（气温、降水等）、肥料因子（肥料用量、施肥方式等）以及其他田间管理措施［16].

CH4的形成主要有2种途径，一种是在细菌作用下分解复杂有机物产生某种简单有机酸，这种有机酸被细菌利用生成CH4；另一种是复杂有机物在细菌作用下不产生有机酸直接形成CO2和H2，厌氧条件下，在生产CH4细菌作用下生成CH4和H2O［17].在生态系统中CH4生成需要的条件为：厌氧环境、水分、有机物和适合生产CH4细菌生存的温度［12].在通气性好、氧气充足的条件下，在甲烷微生物的作用下土壤吸收CH4，而湿润厌氧的环境下，土壤呈现CH4排放状态［18-19]，CH4的排放与吸收取决于土壤中CH4的生成量和被氧化量.

2 灌溉方式对农田主要温室气体排放影响的研究进展

2.1 灌溉方式对农田CO2排放影响的研究进展

灌溉和降雨会对土壤通气性、氧气含量、土壤物理性质、土壤温度等产生影响，进而影响农田土壤CO2排放［20].郭树芳等［21]研究表明，微喷降低了因灌溉造成的土壤密实程度，土壤通气性好，植株根系活性强，增加CO2排放.张前兵等［22]研究了干旱区灌溉及施肥措施下棉田土壤的呼吸特征，研究表明，滴灌方式下土壤呼吸速率明显高于漫灌，滴灌方式下土壤呼吸速率在1.40～4.67 μmol·（m2·s）-1，漫灌方式下土壤呼吸速率在1.01～4.52 μmol·（m2·s）-1.可能是由于滴灌方式下水流强度低、单次灌水量相对较少，对土壤结构破坏程度较小，作物根部水分含量较适宜，根系活力和微生物活力较强，土壤呼吸速率增加.但是也有研究表明，相比于漫灌，滴灌方式能够减少土壤CO2排放通量［23]，这可能是由于土壤呼吸组分的影响效应存在差异，以及选取研究时段不同有关.不同于滴灌方式，膜下滴灌因土壤表层覆有薄膜，能够起到增温保墒的作用，在干旱地区具有很高的实用价值，但是薄膜阻断了土壤和大气之间的气体交换，使土壤CO2浓度升高10.4%～94.5%［24]，覆膜能够增加土壤CO2浓度，但是对土壤CO2排放并没有显著影响［25].

不同灌溉量对农田土壤CO2排放影响明显，亏缺灌溉显著降低了土壤CO2排放［26]，这是因为当土壤含水量降低到一定程度，为了防止萎蔫现象的发生，土壤微生物就会将能量用到生产适当溶质上去［27]，减少CO2排放.而Kucera 等［28]研究认为，土壤含水量只有达到土壤微生物永久萎蔫点或超过田间持水力以上才会使土壤CO2排放量减少.土壤呼吸随灌溉量的增加而增加，但过量灌溉则会降低土壤呼吸［29]，主要由于过量灌溉导致土壤含水量过多抑制了O2扩散，植株根系和好氧微生物活动受到抑制，减少了CO2的排放［30].以上研究表明，相比于漫灌，滴灌、微喷等节水灌溉方式单次灌溉量少，水流强度低，土壤相对疏松，植株根系活性强，增加土壤CO2排放.灌溉量在一定阈值内，土壤CO2累积排放量随着灌溉量增加而增加，而高于或低于这个阈值会降低土壤CO2排放.

2.2 灌溉方式对农田N2O排放影响的研究进展

相比漫灌，微喷、滴灌节水灌溉方式均显著增加土壤N2O排放.微喷增加了土壤微生物量碳含量，促进了硝化和反硝化作用，增加了N2O排放通量［21].滴灌减少了氮的淋失，土壤总矿质氮含量高于漫灌，故滴灌方式下土壤N2O排放量高于漫灌［23].王肖娟等［31]研究表明，膜下滴灌灌水量少，稻田土壤不产生淹水层，土壤大孔隙通畅，有利于N2O 从土壤中排放，膜下滴灌土壤N2O 累积平均排放量比淹灌平均值增加8.33%.也有学者研究表明，滴灌单次灌溉量少，滴灌土壤孔隙度含水率远小于漫灌，会产生抑制反硝化作用的环境，减少N2O排放［32].王艳丽等［33]对设施菜地研究发现，设施菜地滴灌与漫灌相比减少了N2O，设施菜地滴灌方式降低了土壤孔隙度含水量，反硝化作用受到抑制，同时随水滴施的肥料直接灌溉到植物根部，提高了吸收利用效率，降低了硝化反硝化底物，从而减少了N2O排放［34].灌溉量的多少主要影响土壤含水量，而土壤含水量是影响土壤N2O排放的主要因素之一，土壤含水量越高土壤越易形成厌氧环境，有利于土壤硝化反应的进行，促进土壤N2O的产生与排放［35]，当土壤孔隙度含水率（WFPS）＜60%，N2O累积排放量随土壤含水量增加而增加［36-37].

2.3 灌溉方式对农田CH4排放影响的研究进展

土壤在通气性好、氧气充足的条件下，在甲烷微生物的作用下吸收CH4，在湿润厌氧的环境下，土壤呈现CH4排放状态［18-19].不同灌溉方式对农田土壤CH4排放影响不同，张西超等［38]研究了灌溉方式对设施土壤温室气体排放的影响，研究表明，节点式渗灌方式水分在土壤内部移动，土壤表面不易形成淹水层，而滴灌和沟灌处理水分由土壤表面渗向深层，形成一定程度淹水现象，形成湿润厌氧环境，有利于CH4的产生，因此节点式渗灌比膜下滴灌和沟灌模式下土壤CH4总吸收量多.滴灌相比漫灌增加了灌溉次数，土壤干湿交替次数过多导致脱氢酶活性下降［39]，脱氢酶对于CH4的氧化十分重要，脱氢酶活性降低导致消耗CH4的量减少，故滴灌方式下土壤CH4排放多.

不同灌溉量对旱作农田CH4的影响主要表现为，在一定范围灌溉量内适当控制水分能够增加农田土壤对CH4的吸收，灌溉量超过一定阈值CH4吸收将会减少［27，40].稻田不同于旱作农田，稻田土壤一般为CH4的排放源［41]，淹水状态下的稻田土壤有助于提高甲烷菌活性增加土壤CH4浓度，当稻田水层处于半消失半湿润状态时，CH4排放途径畅通，闭蓄在土壤中的CH4气体向外排放，稻田CH4出现短暂剧烈排放［42].稻田CH4排放规律一般为，随着灌水量的减少CH4排放量减少，如控制灌溉和间歇灌溉比淹水灌溉CH4排放量少［43-45].目前国内学者主要针对淹水灌溉、常规灌溉、间歇灌溉、控制灌溉这4种灌溉方式下稻田CH4排放进行研究［15，46]，研究表明，4种灌溉方式中淹水灌溉稻田排放大量的CH4气体，间歇灌溉和控制灌溉能大幅降低CH4气体排放.

3 讨论与展望

近年来，由于自然和人为因素的影响，全球气候正经历着一场以普遍升温为主要特征的显著变化，已经引起了国际社会和科学界的高度关注.气候变暖对农作物安全生产和农业可持续发展造成严重威胁.大气中温室气体浓度增加导致全球气候变暖成为事实，而农田土壤是温室气体排放的重要碳源，降低农田土壤温室气体的排放目前已成为国内外学者关注的热点问题，稳定或增加农田土壤碳汇作用成为缓解全球气候变暖的主要目标.

综上所述，水分管理是影响农田温室气体排放的重要影响因子，合理的水分管理方式能够提高土壤碳汇的能力，减少温室气体的排放.我国大部分耕地位于北方地区，气候变化引起北方地区降雨减少，发展节水农业是大势所趋.灌溉方式的改变对土壤结构、土壤含水量等产生影响，从而影响农田温室气体排放.在资源高效利用下，改大水漫灌为适合各地区的节水灌溉尤为重要，在半干旱地区滴灌应用前景广泛，如新疆地区大面积推广应用膜下滴灌，并且在节水稳产等方面取得一定成绩.但是膜下滴灌灌溉方式下，地膜的投入不仅增加了农业投入成本，地膜残留也随种植年限增加而加剧，对环境造成污染.目前，东北井灌区推广的浅埋滴灌技术可以很好地解决地膜污染问题，以浅埋代替覆膜，还可实现水肥一体化，有利于水肥利用效率提高，在北方干旱半干旱地区具有较大实用价值，目前对于浅埋滴灌下灌溉定额、灌溉频率、管带埋深等对水分利用的影响研究取得一定成果［47-48].2015年以来，内蒙古民族大学、通辽市农业技术推广站、内蒙古自治区农业技术推广站等单位加盟该技术的应用研究与应用推广，取得了显著成效.到2018年，内蒙古通辽地区累计推广面积达到50.82万hm2，玉米浅埋滴灌技术成为内蒙古自治区农业主推技术，但对于西辽河平原浅埋滴灌下农田温室气体排放的研究却鲜有报道，在未来的研究中应加大对浅埋滴灌下农田温室气体排放的研究，为准确评价节水灌溉技术应用后所带来的环境效应具有重要科学意义.

在作物的种植过程中，施肥一般都是伴随灌溉进行，传统施肥灌溉方式化肥施用量大，过多氮素在地表容易引起挥发损失，氮肥利用率低，随着灌溉进入地下水污染水源，进入江河湖泊引发赤潮等生态环境问题［49-50].水肥一体化技术优化水肥利用效率，在保证作物产量的同时具有明显的节水减肥效果.近年来对于农田秸秆的处理方式引起广泛关注，传统的秸秆焚烧增加了环境污染，增大了引发火灾等隐患，秸秆还田在妥善处理作物秸秆的同时还可改善土壤地力，减少氮肥的施用，降低农业生产成本，是经济生态的秸秆处理方法.秸秆还田结合浅埋滴灌的水肥管理模式在节水减肥的同时，还可改善土壤质地，促进了农业可持续生产，加大其对农田温室气体排放影响的研究对于构建高效水肥管理模式且环境安全的节水农业技术体系具有重要意义.