不同节水灌溉方式下的黑龙江省水稻节水减排潜力评估

2023-11-29王光耀杜丽娟徐征和

节水灌溉 2023年11期

王光耀，刘巍，雷波，杜丽娟，徐征和

（1.济南大学水利与环境学院，济南 250022；2.中国水利水电科学研究院水利所，北京 100048；3.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048）

0 引言

实现粮食安全与农业可持续发展是联合国21 世纪发展重要议程——可持续发展目标的核心，农业对于国民经济发展有着至关重要的作用。据估计，中国由农业产生的温室气体排放占全国温室气体排放总量的17%左右[1]，水稻是主要的排放源之一。黑龙江省是我国水稻主要生产区之一，2021 年，黑龙江省水稻播种面积达到387 万hm2，占东北平原地区的74.14%，占中国水稻种植面积的12.92%。水稻传统淹灌模式不仅会排放大量CH4，也会浪费大量农业用水[2]。国内外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，节水灌溉能够抑制水稻CH4的产生，有效降低水稻CH4的排放[3-8]。因此，探索不同节水灌溉方式对制定水稻节水减排措施和缓解温室效应具有重要意义。

目前，水稻主要的节水灌溉方式包括湿润灌溉（Moistening Irrigation，MI）、干湿交替灌溉（Alternate Wetting and Drying，AWD）、间歇灌溉（Intermission Irrigation，II）、控制灌溉（Control Irrigation，CI）等，研究者们对不同灌溉方式下水稻的生长[9]、产量[10]、品质[11,12]、效益[13]以及温室气体减排[14]等方面进行了研究，例如：张志伟等[15]评估了干湿交替灌溉（AWD）在湖南省稻区的适用性及其加权CH4减排潜力，得出干湿交替灌溉技术在湖南稻区有较大的减排潜力；袁伟玲等[16]研究间歇灌溉下水稻温室气体排放规律，其结论是间歇灌溉能有效地抑制温室气体排放并显著降低温室效应；彭世彰等[17]研究控制灌溉模式对水稻温室气体排放的影响，发现控制灌溉稻田CH4排放通量明显低于淹水灌溉稻田；王永明等[18]以江苏省水稻为研究对象，研究间歇灌溉和控制灌溉对水稻生长期内温室气体排放的影响，结果表明控制灌溉减排效应略优于间歇灌溉。

已往对节水灌溉的研究只是单独探究温室气体排放情况或增产情况，对节水灌溉在温室气体节水、减排等方面协同综合评价的研究较少，为了评估不同节水灌溉方式下水稻的节水减排潜力，本研究基于黑龙江省水稻现状传统淹灌（Traditional Irrigation，TI）方式下的灌溉用水量和CH4排放量，收集相关试验研究数据，利用IPCC 指南的中国官方省级温室气体清单方法计算水稻不同节水灌溉方式下产生的CH4排放量，继而计算出不同节水灌溉方式下的节水潜力和CH4减排潜力。该研究对于黑龙江省水稻生产实现低碳绿色可持续发展具有重要意义，研究结果可为水稻节水减排提供参考依据。

1 研究区概况

黑龙江省地处我国的东北部，地理坐标为121°11′～135°05′ E，43°26′～53°33′ N，属寒温带与温带大陆季风性气候，雨热同期，夏季降水充沛，适宜作物生长，主要种植水稻、玉米和大豆等作物，是东北平原地区重要的粳米种植省份，规模优势和经济效益显著。水稻种植区域主要集中在黑龙江省的东北平原地区以及沿河流冲积平原的鸡西市、佳木斯市、鹤岗市、双鸭山市、齐齐哈尔市和哈尔滨市（图1）。2012-2021 年黑龙江省水稻播种面积总体上呈现增长趋势，2021年水稻播种面积达到387 万hm2。

图1 2021年黑龙江省水稻种植面积分布图Fig.1 Distribution of rice area in Heilongjiang Province in 2021

2 研究方法及数据来源

2.1 研究方法

本文的研究内容分为两部分，一是计算研究区域不同节水灌溉方式下水稻的节水量，二是计算研究区域不同节水灌溉方式下水稻的CH4减排量。相应的研究方法如下。

2.1.1 节水潜力估算

根据中国目前常采用的节水情景，基于现状传统淹灌（TI）情景，设定4种节水灌溉情景（湿润灌溉（MI）、干湿交替灌溉（AWD）、间歇灌溉（II）、控制灌溉（CI）），通过降低作物灌溉定额，进而减少灌溉水量，即节水量，计算公式如下：

式中：W为采用节水制度的节水量，m3；Wtr为采用现状灌溉制度的灌溉水量，m3；Wsr为采用不同节水灌溉制度的灌溉水量，m3；mtr为采用现状灌溉制度的综合灌溉定额，m3/hm2；msr为采用不同节水灌溉制度的综合灌溉定额，m3/hm2；Asr为采用节水灌溉制度的灌溉面积，hm2。

2.1.2 减排潜力估算

本研究利用基于IPCC 指南的中国官方省级温室气体清单方法，按照《省级温室气体清单编制指南（试行）》中水稻CH4排放清单编制方法，核算黑龙江省水稻CH4排放量，该方法总体上遵循IPCC 的相关方法框架和要求，即分别确定水稻的排放因子和活动水平，然后根据式（4）计算排放量。

式中：ECH4为水稻甲烷排放总量，kg；EF为水稻CH4排放因子，kg/hm2；AD为对应于该排放因子的水稻播种面积，hm2。

对于水稻CH4排放因子，《省级温室气体清单编制指南（试行）》根据地区进行了划分，黑龙江省属于东北地区，单季水稻CH4排放因子基于试验监测与文献数据挖掘相结合的方法，收集相关试验研究数据，采用数据的均值进行评估。

2.2 数据来源

本研究收集了黑龙江省水稻的播种面积、不同灌溉方式下的灌溉定额和CH4排放因子，研究期为2012-2021 年。水稻播种面积数据来源于国家统计局网站（https://data.stats.gov.cn）黑龙江省年度农业数据；不同灌溉方式下的灌溉定额和CH4排放因子来源于收集数据（表1），数据选择依据：①以传统淹灌为对照组，节水灌溉方式为试验组；②为不同灌溉方式的单因素控制试验；③试验地点均在黑龙江省典型稻作区；④不同灌溉方式的田间管理方式均一致；⑤收集的温室气体数据测定方式可信。

表1 不同灌溉方式下的灌溉定额和CH4排放因子Tab.1 Table of irrigation quota and CH4 emission factors under different irrigation methods

3 结果分析

3.1 黑龙江省水稻不同灌溉方式节水潜力

基于现状传统淹灌（TI）情景，计算4种节水灌溉方式下的用水量及节水潜力，结果如图2 所示。2012-2021 年黑龙江省水稻传统淹灌方式下用水量总体呈上升趋势，年均现状情景排放量为2.13×1010m3，其中2014 年用水量最高，达到2.19×1010m3；若采用湿润灌溉（MI）节水方式，2012-2021年黑龙江省水稻年均用水量为1.60×1010m3，节水量为5.34×109m3，节水潜力为25.03%；若采用干湿交替灌溉（AWD）节水方式，2012-2021 年黑龙江省水稻年均用水量为1.80×1010m3，节水量为3.34×109m3，节水潜力为15.65%；若采用间歇灌溉（II）节水方式，2012-2021 年黑龙江省水稻年均用水量为2.02×1010m3，节水量为1.08×109m3，节水潜力为5.05%；若采用控制灌溉（CI）节水方式，2012-2021 年黑龙江省水稻年均用水量为1.90×1010m3，节水量为2.30×109m3，节水潜力为10.80%。

图2 不同灌溉方式的用水量Fig.2 water consumption of different irrigation methods

综上所述，不同节水灌溉方式对水稻灌溉用水量影响明显，水分管理模式有利于减少水稻的用水量，由大到小依次为MI、AWD、CI、II，节水潜力依次为25.03%、15.65%、10.80%、5.05%。

3.2 黑龙江省水稻不同灌溉方式减排潜力

利用基于IPCC 指南的中国官方省级温室气体清单方法，估算了黑龙江省水稻不同灌溉方式下的CH4排放量及减排潜力，结果如图3 所示。2012-2021 年黑龙江省水稻CH4现状情景下排放量总体呈上升趋势，年均现状情景排放量为1.51×109kg，其中2014 年CH4排放量最高，达到1.55×109kg；若采用湿润灌溉（MI）减排措施，2012-2021 年黑龙江省水稻CH4年均排放量为8.11×108kg，减排量为6.99×108kg，减排潜力为46.30%；若采用干湿交替灌溉（AWD）减排措施，2012-2021年黑龙江省水稻CH4年均排放量为7.44×108kg，减排量为7.67×108kg，减排潜力为50.77%；若采用间歇灌溉（II）减排措施，2012-2021 年黑龙江省水稻CH4年均排放量为9.35×108kg，减排量为5.76×108kg，减排潜力为38.14%；若采用控制灌溉（CI）减排措施，2012-2021 年黑龙江省水稻CH4年均排放量为8.27×108kg，减排量为6.84×108kg，减排潜力为45.25%。

图3 不同灌溉方式的CH4排放量Fig.3 CH4 emissions of different irrigation methods

综上所述，不同节水灌溉方式对水稻CH4排放影响明显，水分管理模式有利于减少水稻CH4的排放量，由大到小依次为AWD、MI、CI、II，减排潜力依次为50.77%、46.30%、45.25%、38.14%。

4 讨论

在黑龙江省稻作区，不同节水灌溉处理水稻CH4的排放与传统淹灌对照有较大的变化（图3），灌溉方式显著影响了稻田CH4的排放过程。相比于传统淹灌，湿润灌溉（MI）模式下的用水量减少了25.03%，CH4排放量减少了46.30%；干湿交替灌溉（AWD）模式下的用水量减少了15.65%，CH4排放量减少了50.77%；间歇灌溉（II）模式下的用水量减少了5.05%，CH4排放量减少了38.14%；控制灌溉（CI）模式下的用水量减少了10.80%，CH4排放量减少了45.25%。节水灌溉条件下会影响土壤水分状况的调控，土壤通气状况得到极大改善，使土壤有利于气体交换，提高CH4的氧化速率，抑制产CH4细菌活性，减少了CH4产生和排放，尤其是干湿交替灌溉，直接改变了稻田水分状况，落干复水阶段的干湿交替有利于CH4的氧化，大幅降低了稻田CH4排放，具有较大的稻田温室气体减排潜力，这与很多研究结果较为一致[24-26]。在黑龙江省推广干湿交替灌溉技术不仅能节约大量农业用水，而且可以减少温室气体的排放，是发展绿色农业、推进农业可持续发展和实现“双碳”目标的必然选择。

黑龙江省水稻种植已逐渐从传统的蓄水淹灌向节水灌溉方式转变，相对于传统淹灌，节水灌溉方式会减少水稻CH4排放，但是其频繁的水层交替过程，促使水稻根系土壤供氧充足，土壤的硝化作用大于反硝化作用[27]，增加了水稻N2O的排放[28]。在未来的研究中，应核算水稻N2O排放量，以期获得更为准确的结论，另外在不减产的前提下减排温室气体，综合考虑水稻产量与增温潜势也值得深入探究。