南方地區水稻節水灌溉的綜合效應研究進展

羅文兵，孟小軍，李亞龍，鄒 帆，張 偉

(1.長江科學院 農業水利研究所，湖北 武漢 430010；2.武漢中地環科水工環科技咨詢有限責任公司，湖北 武漢 430223；3.湖北省王英水庫管理局，湖北 咸寧 437000；4.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

水稻是中國三大糧食作物(稻谷、小麥和玉米)之一，水稻種植面積和總產量均居世界第一位(中國農業部，2014)。常年種植面積約占全國糧食作物總面積的28%，水稻產量占全國糧食產量的40%左右[1]。由于南方地區水資源豐沛，全國大部分水稻種植在該地區，但該區域的水稻灌區大灌大排用水效率低下，加劇了水資源的短缺。因此，有必要推行水稻節水灌溉，挖掘水稻產區農業節水潛力，解決水稻生產與水資源緊張之間的矛盾，實現水資源的可持續利用和保證水稻生產的穩定發展。

相關學者圍繞水稻節水灌溉的節水增產機理進行了大量研究。隨著面源污染問題的日益嚴重和人們環保意識的提高，農田氮磷流失成為備受關注的環境污染問題，國內外學者的研究重點也從傳統的節水增產效應轉向“節水減排”或“節水控污”上來。而在關注稻田氮磷減排的同時，也有學者對節水灌溉條件下的稻田溫室氣體排放[2-5]和生物多樣性[6-9]開展了相關研究。但在具體生產中，節水灌溉模式的選擇大多是基于節水和增產為目標確定的，即強調的是灌溉的節水經濟效應，而對其環境及生態效應考慮不夠，如節水灌溉對減輕農業面源污染、減少溫室氣體排放、維持稻田雜草和動物多樣性的影響等。可見，綜合考慮節水、增產、提高水肥利用效率、減排和維持生物多樣性目標的研究還不夠深入，未能構建系統完整的綜合指標體系。

鑒于此，本文分析了南方水稻產區不同節水灌溉模式的應用現狀，總結了其節水、經濟、生態、環境效應，梳理了需要進一步研究的問題，提出構建綜合考慮各方面效應的指標體系并進行調控灌溉模式優選的建議，旨在促進南方地區節水灌溉事業的發展。

2 南方地區水稻節水灌溉模式

由于水稻生產的重要性及水資源的緊缺性，我國水稻節水灌溉研究及推廣應用一直得到重視，其水平處于世界前列。我國研究提出的水稻節水灌溉模式達10多種，并得到大面積推廣應用[10]。這些模式基本上可歸納為“薄淺濕曬”灌溉、薄露灌溉、間歇灌溉、控制灌溉、蓄雨型節水灌溉等幾種常用的模式[10-11]，其特點詳見文獻[12]。其中“薄淺濕曬”灌溉模式在我國應用最廣，目前在廣西、上海、江蘇得到大面積推廣。間歇灌溉模式適用丘陵山區，通過地形坡度來控制淺水層和干露狀態。該模式在湖北、安徽、浙江等省已得到成功應用[10]。薄露灌溉技術適用于平原地區，在浙江、江西等地得到大面積推廣。控制灌溉技術具有節水、高產、優質、低耗、保肥、抗倒伏和抗病蟲害等優點，在湖南、江蘇、廣西等地得到大面積推廣。蓄雨型節水灌溉更適用于田間平整度高的平原地區，在福建、湖北、浙江等地得到推廣應用。

水稻節水灌溉是根據水稻在不同生育階段的需水規律，利用水稻自身的調節機制，通過減少灌水次數和灌溉水量，達到提高水肥利用效率和產量的目的。其與常規灌溉的不同在于田間水層停留時間的不同、灌水的判斷標準不同、灌水程度不同等方面[13]。但水稻節水灌溉與常規淹沒灌溉相比，對田塊平整度、坡度要求更高，并對灌水標準和灌水程度提出更精細化管理，需要花費更多的人力物力才能達到預期效果[14]。

3 節水灌溉的節水增產效應

根據湖北漳河灌區開展的間歇灌溉與淹灌對比試驗，得到相同肥料管理下，間歇灌比淹灌灌水量減少13.7%，排水量減少19.93%，滲漏量減少10.49%，且水稻產量增產6.3%[15]。在江西贛撫平原灌區，間歇灌溉與淹水灌溉相比，能顯著減少田間灌水量，平均節水率為12.7%。間歇灌溉模式下灌水定額小且允許田間土壤干到一定程度，這樣就有效提高了田間蓄水能力，減少了排水量。廣西桂林青獅潭灌區開展了薄淺濕曬和間歇灌溉下節水增產效果研究，結果表明，薄淺濕曬和間歇淹水模式與長期淹水模式相比，間歇灌溉與常規灌概相比，排水量減少約20%，產量增加約5%[16]。而在江蘇高郵灌區開展了田間控制灌溉試驗，在灌水次數不變的前提下，通過分生育階段科學供水方式、合理利用降雨和排水再利用，減少了稻田灌水量，較常規模式節約灌溉用水15.85%～18.24%。另根據15個省(自治區)的試驗成果，淺濕灌、間歇灌溉的灌溉用水量分別比傳統的長期淹灌降低8%～19%和13%～25%，大部分節水在20%～30%范圍內[11]。

節水灌溉通過充分利用降雨，減少灌排次數和灌排水量，降低蒸散發和滲漏，從而達到節水的目的。水稻田節水灌溉一是通過露田、曬田，從而降低滲漏水頭而顯著降低滲漏量，全生育期內一般可減少30%～40%；其次是通過控制土壤含水量，表土層含水率下降速率比根層土壤平均含水率下降速率快，導致棵間蒸發降低率大于蒸騰降低率，從而降低棵間蒸發量25%～35%，蒸騰量降低15%左右，總耗水量減少20%～35%。加上節水灌溉充分利用降雨，故通常情況下，節水灌溉比傳統灌溉相比，灌水量可減少25%～45%[10-11]。

水稻節水灌溉的增產機理在于田面經常排水曬田避免土壤長期處于淹水和飽和狀態，大大提高土壤透氣性，增加土壤含氧量，提高土壤的氧化還原電位，還原物質得到氧化，減少其對稻根的危害，礦化速度提高，促進水稻根系的生育，根數增加，根表面的吸附面積增加，增強了根系的活力，進而提高植株的抗逆性及抗倒伏能力，秸稈更加充實，產量得到提高[11]。在淺濕灌溉(節水灌溉)下，土壤氧化還原電位(Eh)值明顯大于淹水灌溉條件下的值，土壤通透性增加，水分生產效率達1.21 kg/m3，較淹灌平均增加31.5%，產量平均增加25.8%[17]。而干濕交替灌溉(節水灌溉)與常規淹水灌溉相比，分蘗成穗率平均為79.4%，明顯高于常規淹灌，水分利用率較常規淹灌平均增加27.3%，產量平均增加5.94%[18]。相反在濕潤灌溉下，雖分蘗成穗數與淹水灌溉下基本保持不變，但產量卻有所降低[19]。

4 節水灌溉的環境效應

4.1 減少氮磷排放

農田氮磷流失是造成南方地區農業面源污染的主要原因，根據其產生機理，農業面源污染的防控可從源頭控制和過程消減兩方面入手。在源頭控制方面，如采用節水灌溉、控制排水等田間灌排技術進行面源污染控制；在輸移過程中，進行阻控、攔截和消減。兩者相比，源頭控制更重要。作為從源頭上減少面源污染物排放的重要管理措施，水稻田間節水灌溉通過在不同生育期適當減少灌水量，從而減少排水量和排污量來達到減輕農田面源污染的目的。

目前有關水稻節水灌溉模式的減污效應研究有較強的地域性，主要集中在湖北、廣西、江蘇、江西、浙江等省份。如湖北省主要在漳河灌區開展了間歇灌溉對氮磷流失規律的研究，結果表明，相同肥料管理下，總氮排放量減少47.87%，總磷減少1.79%；在不同的氮肥施水平下，間歇灌溉氮肥利用率較常規淹灌提高約11.56%，而兩種施氮水平下氮肥利用率差異不顯著[20]。廣西主要在桂林青獅潭灌區開展了薄淺濕曬和間歇灌溉下氮磷消減規律研究，結果表明，與長期淹灌相比，間歇淹水模式和薄淺濕曬地表排水銨態氮流失量分別減少了21.4%和27.7%[11]；與常規灌概相比，間歇灌溉地表排水總氮流失量可減少約30%、總磷流失量減少約20%[16]。江蘇主要在江蘇高郵灌區開展田間試驗，分析控制灌溉的減污效應。控制灌溉稻田TN、TP流失負荷分別較常規灌溉方式減少53.72%和37.45%[21]。該模式主要通過實施灌水調控和排水管理，控制了氮、磷流失關鍵時期的排水量，高效利用了水分和養分，取得了減排控污的效果。江西主要在贛撫平原灌區分析間歇灌溉模式下氮、磷流失規律。試驗結果表明，間歇灌溉與淹水灌溉相比，總氮減排率為12.2%；總磷減排率為15.1%[22]。間歇灌溉模式下灌水定額小且允許田間土壤干到一定程度，這樣就有效提高了田間蓄水能力，減少了排水量，特別是水稻生育前期田面水中氮、磷濃度高，減少排水對減少氮、磷地表流失意義重大。浙江主要在永康、平湖、蕭山等地開展了薄露灌溉、蓄雨節水灌溉下的氮、磷流失試驗，結果表明，薄露灌溉與傳統灌概相比，氨氮、硝氮、總氮和總磷的減排量分別達到63%、27%、34%和37%[23]，植株氮吸收率在分蘗、齊穗期分別為傳統灌溉的4.29倍和2.56倍，成熟期差異不大[24]；蓄雨節水灌溉與常規灌溉和節水灌溉相比，減污效果最好，TN排放量減少了22%～90%[25]。

綜上所述，節水灌溉模式與常規淹灌相比，可顯著減少氮、磷流失負荷，削減的幅度約為20%～40%范圍內[26]。水稻節水灌溉的減污機理在于[27]：(1)通過減少灌水量，導致排水和滲漏量減少，從而減少氮、磷流失；(2)節水灌溉水層普遍比傳統淹灌淺，導致稻田表層水壓水勢低，降低了稻田下滲，從而減少了氮、磷的滲漏淋失機會；(3)節水灌溉下的薄水層為土壤及其表層水中微生物的活動創造了條件，提高了其數量和活性，進而促進了氮素的吸收利用；(4)干濕交替和曬田等措施增強了土壤的通氣性，進而提高了氧化還原電位，促進可溶性磷的固定，降低磷素流失的機會。

可見，水稻節水灌概模式通過改善土壤的水、肥、氣、熱條件，從而促進水稻的增產；通過提高稻田土壤氧化還原電位，增強好氧微生物活性，促進有機質分解和土壤肥力的維持，進而提高肥料利用率；通過減少灌排次數和灌排水量，提高降雨利用和灌溉效率，減少氮磷污染物負荷，從而減輕因氮、磷大量流失而導致的自然水體富營養化問題，也實現了從源頭上控制面源污染的目的[15]。

4.2 減少溫室氣體排放

節水灌溉通過改變土壤的水分條件來影響土壤透氣性、微生物活性和氧化還原電位，通過改變土壤中的含氧量、有機質分解速率、根系生物量和活性、硝化與反硝化作用強度以及氣體在土壤孔隙中擴散速率等[28]，進而顯著影響稻田溫室氣體的排放。

4.2.1 節水灌溉對稻田CH4排放的影響 CH4排放是CH4產生、氧化和傳輸3個過程相互作用的結果[29]。研究表明，在土壤氧化還原電位(Eh)為-200～-150 mV時，產甲烷菌開始產生CH4。而土壤氧化還原電位的重要影響因素之一是水分，土壤含水條件不同導致土壤通透性及氧化還原狀態不同，從而導致稻田CH4排放的差異[30]。排水曬田及干濕交替的水分管理模式改善了土壤通氣狀況，增加土壤含氧量，提高了土壤Eh值，產甲烷菌生長受到抑制，同時促進了CH4氧化過程，使CH4的排放量顯著減少[31-33]。控制灌溉較常規灌溉可以極顯著減少稻田CH4排放量83.5%[6,34]。通過江蘇省句容市和韓國江原道省的田間試驗研究得到，間歇灌溉稻田CH4排放量比持續淹水稻田減少30%～71%[35-36]。研究表明，節水灌溉稻田較傳統淹灌，CH4排放可降低14.19%～78.92%，平均降低51.66%[29]。

4.2.2 節水灌溉對稻田N2O排放的影響 通常在稻田土壤中的硝化和反硝化過程中會產生N2O。不同的灌溉方式下稻田土壤水分條件和有氧、缺氧狀態不同，進一步影響微生物硝化反硝化過程，從而導致稻田N2O排放量的差異。曬田及干濕交替為N2O的產生提供了條件，增加了N2O的排放，但N2O排放量的增加幅度由曬田及土壤脫水程度決定。大量研究表明，干濕交替階段土壤水分劇烈變化以及土壤落干后的富氧環境會產生較多的N2O。根據韓國水原田間試驗得到節水灌溉較持續淹水灌溉增加了533%的稻田N2O排放量[37]。通過在江蘇昆山開展的田間試驗得到控制灌溉較常規灌溉增加了135.4%～136.9%的稻田N2O排放量[6,38]。間歇灌溉稻田較淹灌稻田N2O累積排放量增加了85.66%[39]。綜合前人研究結果，節水灌溉方式較長期淹水灌溉可改變稻田N2O排放量，大部分研究認為節水灌溉增加了稻田N2O排放量，但也有少部分研究得到的結論相反[40]。可見，節水灌溉對稻田N2O排放量的影響需要進一步分析區域和氣候差異的作用機制[29]。

4.2.3 節水灌溉對稻田CO2排放的影響 土壤水分通過影響土壤通氣狀況，導致土壤水中的溶解量以及土壤孔隙中的擴散速率產生差異，從而導致CO2排放差異[41]。經文獻統計得到，節水灌溉稻田土壤CO2排放量大于長期淹水稻田，增幅為20.83%～104.00%，平均增排率達48.40%[29]。節水灌溉條件下CO2排放量的增加主要集中在落干階段。其增加的原理在于落干條件下較淹水狀態提高了CO2在田間表層土壤的擴散能力，并讓土壤保持有氧環境，提高了土壤的氧化還原電位、微生物數量和氧化活性，從而導致落干狀態下的CO2排放量大于淹水條件的排放量。

4.2.4 節水灌溉對稻田溫室氣體排放的綜合影響 水稻節水灌溉能顯著減少稻田CH4的排放，但會促進N2O的形成，兩者之間具有明顯的“消-長”關系[42-43]。李健陵等[44]研究發現薄淺濕曬節水灌溉有效抑制了特別是水稻生育后期的CH4排放峰，促進了稻田N2O的排放，CH4和N2O排放此消彼長，但CH4減排量大于N2O增排量，總體而言，薄淺濕曬灌溉具有減少稻田綜合溫室效應的作用。Linquist等[45]研究發現，干濕交替灌溉條件下的稻田較持續淹水灌溉條件下的稻田增加了N2O的排放量，但在CH4的排放量上卻顯著減少，從而導致GWP(全球增溫潛勢)下降約34%。Peng等[46]研究表明，與常規灌溉相比，濕潤灌溉稻田當季的N2O排放量增長了15.9%，但CH4的排放量只占總GWP貢獻率的一半，與常規灌溉相比，較其86%的總GWP貢獻率顯著降低。可見，濕潤灌溉與干濕交替灌溉可通過降低CH4排放而降低稻田總GWP。與傳統淹灌相比，控制灌溉模式可增加121.8%～144.3%的N2O排放量，減少81.2%～82.8%CH4排放量，綜合增溫潛勢減少了15.0%～34.8%[42]。

稻田GWP在節水灌溉模式下，影響率介于-78.00%～36.80%，GWP平均降低37.92%[29]。由于稻田排放的溫室氣體以CH4為主，并且其在GWP中的貢獻較大，而采用節水灌溉模式下的稻田能夠顯著降低CH4排放。因此，結合大部分研究成果表明，在節水灌溉模式下可降低稻田的GWP[47-48]。但少部分研究表明，節水灌溉方式增加了稻田GWP[5,49]，其原因在于節水灌溉方式增加了稻田CO2和N2O的排放。

4.3 減少水稻病蟲害

節水灌溉可減少農藥使用量，顯著減輕病蟲害的危害，從而間接提高了經濟效益。節水灌溉會引起稻田小氣候的顯著改變，如稻田溫度增加、植株間濕度降低、田間晝夜溫差增大等，從而抑制了田間病原菌的繁殖與傳播，進而降低水稻病蟲害發生概率。方榮杰[50]研究發現，在節水灌溉條件下，稻田紋枯病的發病率降低了33.4%，病株率下降了12.4%，病情指數從4.1下降0.1。Mao[51]指出水稻半干旱栽培相對長期淹灌，稻飛虱減少了46%，稻田紋枯病減少了24%，稻卷葉蟲減少了70%。

5 節水灌溉的生態效應

節水灌溉的生態效應研究主要集中在雜草和動物多樣性方面。節水灌溉下的稻田干濕交替必定引起田間雜草生境變化，如田間溫度、濕度、pH、土壤養分狀況及地面光輻射等環境因子均有所不同，同時影響著田間各種雜草的生長，如植株密度、植株構建、生物量及養分吸收量等，進而顯著影響田間雜草的生物多樣性。方榮杰[50]研究表明，非充分灌溉條件下的田間水層能顯著抑制雜草的生長。付浩龍等[6]通過在高郵灌區開展控制灌溉和常規灌溉雜草群落多樣性調查，得到控制灌溉稻田雜草物種豐富度要高于常規灌溉，常規灌溉稻田雜草各生育期發生密度總體大于控制灌溉，同時控制灌溉稻田雜草危害優勢種少于常規灌溉，雜草群落相對穩定。邱佩等[7]在江西省灌溉試驗中心站采用群落生態學方法，開展了淹灌與間歇灌溉下稻田雜草群落組成及物種多樣性變化研究。結果表明間歇灌溉各生育期雜草密度降低1.2%～53.2%，平均降低27.8%。相關研究表明，間歇灌溉條件下形成多樣化的環境，由于水稻與雜草、雜草與雜草之間存在相互競爭，限制了某些對單一生境有著良好適應性的雜草種類生長，起著過濾雜草的作用，降低了雜草發生量。可見，間歇灌溉明顯提高了雜草群落多樣性，有效地抑制了優勢種雜草生長。

由于田間干濕交替，顯著影響稻田害蟲及天敵的數量。付浩龍等[8]在高郵灌區采用多種指數分析了節水灌溉模式下稻田各生育階段節肢動物群落的動態變化。結果表明，隨著水稻的生長，控制灌溉田間捕食性天敵種類比例隨之增加，害蟲種類比例則減少，常規灌溉則與之相反。控制灌溉稻田的節肢動物群落多樣性總體要優于常規灌溉，物群穩定水平也高于常規灌溉，能夠對田間害蟲進行有效地控制。此外，控制灌溉生育后期中性昆蟲均勻度和多樣性均比常規灌溉小，說明控制灌溉模式抑制了害蟲的繁殖與傳播。邱佩等[9]采用群落生態學研究方法，比較了淹灌和間歇灌溉兩種不同灌溉模式下稻田節肢動物群落多樣性。結果表明：間歇灌溉增加了水稻各生育期節肢動物群落科數和種數，全生育期內害蟲天敵總數平均增加了2.62%，天敵種類數增加了26.2%，在拔節孕穗期天敵種類數和數量增加率均達到最高。可見，間歇灌溉有效提高了稻田節肢動物天敵群落多樣性，降低害蟲群落多樣性，整體天敵與害蟲群落分布具有穩定性。試驗結果與李道西等[52]研究得到節水灌溉條件能減少水稻病蟲害的結論不一致，其原因在于系統相對封閉，缺乏一定代表性。

由此可見，節水灌溉對稻田雜草密度和危害優勢種具有一定的控制作用，維持了節肢動物群落的穩定性，從而有效地抑制部分雜草和優勢種(蟲害)的爆發，對維護稻田雜草多樣性、控制病蟲害及稻田生態平衡具有重要的意義。

總之，與傳統淹灌相比，節水灌溉不僅具有節水增產效應，同時還在減少氮磷、溫室氣體排放和維持雜草和動物多樣性方面發揮了重要作用[53-54]。

6 需進一步研究的問題及展望

目前水稻節水灌溉模式的選擇及推廣普遍存在強調其節水經濟效益，而對其生態環境效應重視不夠的問題。水稻田間節水灌溉模式的優選基本都是基于“節水增產效益最大化”這一原則，此時的最大效益有可能是在犧牲環境、生態利益的基礎上得到的。近年來，隨著節水灌溉事業的發展和對生態環境的重視，對節水灌溉的研究尤其是對節水灌溉條件下稻田生態和環境效應研究提出了許多新的要求，以下幾個問題需要更深入地研究和探討。

(1)田間節水灌溉的綜合效應研究。大量研究表明節水灌溉對節水、增產、環境、生態的影響是客觀存在的，目前的研究多集中于節水灌溉下的節水減排機理，近年來部分研究開始關注對氮磷、溫室氣體排放和生物多樣性的影響，但大多都偏重對單方面的影響，對綜合考慮節水、增產、提高水肥利用效率、減少氮磷和溫室氣體排放、維持雜草和生物多樣性目標的研究還不夠深入，其綜合影響機理還不清晰[55]。因此，需深入研究水稻節水灌溉與節水、增產、環境、生態之間的互饋機制，明確水資源高效利用、糧食產量保障、水環境治理以及維持生物多樣性對節水灌溉的需求，采用多學科交叉，分析不同水稻節水灌溉模式的節水增產效益和生態環境效益，從而提出田間水肥綜合調控模式。

(2)節水灌溉對溫室氣體排放的綜合影響和機理研究。現有研究大多只關注對1種或2種氣體的影響效果，而針對3種溫室氣體排放的綜合影響效應以及3種氣體之間此消彼長排放規律的研究較缺乏，有待深入研究[41]。此外，有關節水灌溉對農田溫室氣體排放影響機理的研究較缺乏，多是從土壤等角度來分析，而缺少節水灌溉條件下溫室氣體排放的微生物驅動機制研究[29]。

(3)節水灌溉對雜草和動物多樣性調控機制研究。雖然目前學者認識到節水灌溉對雜草和節肢動物多樣性的影響，但水分狀況變化對稻田環境及雜草植株生理特性的內在影響規律、水管理措施下稻田雜草群落之間的競爭機制和群落調控機制的研究還不夠深入[6]。節水灌溉條件下稻田害蟲的發生規律、節水灌溉對天敵的控害作用機理等問題還有待深入探討[9]。

(4)節水灌溉模式的多準則評價。基于節水灌溉對節水、增產、環境和生態的綜合影響機理，充分利用現代信息技術(如3S技術等)采集數據，分析各因子交互作用機理，篩選關鍵因子，科學選取綜合效應評價因子，構建考慮南方不同地域和氣候特點類型灌區(丘陵區的長藤結瓜灌區和平原河網灌區)的評價指標體系，探討評價指標的尺度效應，建立基于模糊理論的節水灌溉綜合效應評價模型，并在此基礎上利用多目標決策方法進行多準則評價，提出水稻田間最優調控模式[56]。