灌溉對農(nóng)田溫室氣體排放影響研究進展概述

段 鵬

（西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學院農(nóng)業(yè)研究所，西藏 拉薩 850032）

氣候的變化是當下國際和國內(nèi)都非常關(guān)注的社會熱點問題。據(jù)專家預測，相比100年前，2025年全球年均氣溫將升高2℃，而2100年平均氣溫將升高4℃［1］。最新研究結(jié)果表明：CO2、N2O和CH4等3種氣體對溫室效應影響最嚴重，它們可吸收熱輻射，增加地球表面溫度，也稱之為溫室氣體［2］。這3種氣體對全球溫室效應的貢獻率能達到80%［3］。人類活動的影響，造成“溫室效應”氣體濃度急劇增加，已成為全球氣候變暖最重要的因素［4］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可產(chǎn)生一定量的溫室氣體，溫室氣體的最主要來源是農(nóng)田土壤，有機質(zhì)經(jīng)微生物在土壤中分解，產(chǎn)生CO2；長期被水淹沒的農(nóng)田，經(jīng)微生物發(fā)酵可產(chǎn)生CH4；一半以上的N2O氣體來自于土壤的硝化與反硝化過程。長期被水淹沒的稻田每年大約排放5000萬～10000萬t的CH4，占CH4全球總排放量的10%～20%，為CH4主要來源之一［5］。李長生等［2］通過DNDC（生物地球化學過程模型）對連續(xù)淹灌和定期曬田兩種灌溉模式進行了模擬，得出1980—2000年，其他條件一樣，僅灌溉模式的改變，中國稻田CH4的年排放量大約可減少500萬t。

灌溉農(nóng)業(yè)是中國糧食產(chǎn)量的主要來源，約占糧食總產(chǎn)的70%，農(nóng)田用水總量也達到全國用水總量的70%［6］。土壤中的水分是碳循環(huán)過程的關(guān)鍵驅(qū)動因子，能夠促進溫室氣體排放，在一定范圍內(nèi)，土壤中的水分與溫室氣體的通量有非常明顯的正相關(guān)性［7-9］，因此，通過改變灌溉方式，改變土壤中水分分布的變化以及水分含量定能對土壤的吸附強度、溫室氣體排放以及土壤中的有機物質(zhì)的礦化分解等產(chǎn)生非常重要的影響。灌溉作為旱作物農(nóng)田管理非常重要的管理措施，不僅可以改善旱作農(nóng)田的土壤水分情況，滿足農(nóng)作物日常生長的需求，還能夠通過改善農(nóng)田中土壤的有機質(zhì)的礦化分解率，改變其微生物的含量以及活性，還可以通過改變農(nóng)作物根系氣體擴散速率以及微生物含量等影響灌溉農(nóng)田土的碳排放強度［10］。

1 灌溉對農(nóng)田CO2排放的影響的研究進展概況

1.1 CO2的產(chǎn)生途徑與排放概述

CO2對全球氣候變化的影響較其他的溫室氣體大，是非常重要的溫室氣體［11］。從19世紀50年代末起，CO2的含量以每年百萬分之一的速率逐步上升，近10年，CO2更是以每年百萬分之二的速度上升［12］。2013年，在美國莫納羅亞天文臺曾多次觀測到大氣中的CO2濃度達到400 mg/kg以上。在我國，農(nóng)業(yè)是CO2的匯集區(qū)，并不是CO2產(chǎn)生的源頭，但是我國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)固碳率很低。初步估算，1990—2000年的10年間，我國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)固碳的比例約占總體比例的10%，剩余的90%則長期存于農(nóng)產(chǎn)品與土壤中，再以不同的形式排放或直接排進大氣中。CO2是土壤中微生物代謝和生物化學分解等綜合因素影響的產(chǎn)物［13］。

CO2的排放來自于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤的呼吸，主要包括3個生物學過程和1個非生物學過程，即：土壤微生物的呼吸、土壤中動物的呼吸、植物根系的呼吸和土壤中含碳物質(zhì)的氧化分解。決定土壤呼吸強度的因素主要是土壤中有機質(zhì)的含量、礦化速率、微生物種群的活性及數(shù)量、土壤中的動植物呼吸作用等。土壤中CO2排放就是土壤中生物化學過程以及土壤中微生物的代謝等綜合因素影響的產(chǎn)物［14］。

1.2 灌溉對土壤CO2排放的影響機制

CO2在土壤中形成以后，通過擴散的方式向大氣中轉(zhuǎn)移，它的排放量不僅受到土壤中CO2氣體濃度分布的影響，還受到環(huán)境因子的影響［15］。研究表明，農(nóng)作物根系及其周圍微生物種群排出的CO2約占土壤排放總量的20%～50%［16］。Li等［17］認為，漫灌的長時間間隔、土壤中水分的大量蒸發(fā)、土壤頻繁的干濕交替，均可產(chǎn)生更大量的CO2，CO2的排放通量上，設施農(nóng)業(yè)的膜下滴灌低于普通的無膜漫灌。土壤中CO2的濃度，漫灌與滴灌相比，漫灌一次澆水量大，并且能夠迅速淹沒田塊，造成土壤板結(jié)，土壤通氣性變差，使得土壤中的CO2很難快速地擴散出去，進而使得漫灌的土壤中CO2的濃度比滴灌的高7.4%～49.7%［18］。但是Kallenbach等美國科學家對西紅柿田的灌溉研究發(fā)現(xiàn)，溝灌和灌溉對西紅柿田中的CO2的濃度及其排放通量表現(xiàn)差異不顯著［19］。灌溉方式的不同對CO2的排放的影響效應也不同，不同的灌溉方式下，土壤中生物的呼吸不同，CO2的排放速率也不同，均是由于水分的變化引起的。同時，不同的灌溉方式必定會帶來土壤中水分時間動態(tài)變化差異，由于滴灌較漫灌轉(zhuǎn)換的頻率更高，土壤的干濕交替現(xiàn)象更頻繁，產(chǎn)生的CO2也會出現(xiàn)不同。Borken等［20］發(fā)現(xiàn)，干濕交替會加強土壤有機質(zhì)的礦化，還能引起原先不易被利用的、容易分解的有機質(zhì)重新礦化，增強土壤微生物活性，進而大幅增加CO2的排放；但頻繁的干濕交替又會導致土壤的礦化量降低，進而大幅減少CO2的排放。此外，氣候條件的變化與灌溉對CO2排放有較大的影響［21］。

灌溉會導致土壤中含水量的增加，進而促進了植物根系的呼吸作用，還能影響到微生物群落的活性，促使土壤的呼吸作用增強。而大水漫灌，會引起土壤板結(jié)，土壤中氧氣濃度降低，厭氧環(huán)境能夠抑制土壤中的微生物活性，可以明顯降低土壤的呼吸作用。一般認為，在干旱條件下，土壤水分欠缺，灌溉之后土壤中的水分含量會迅速增加，進而促進植物根系的呼吸作用以及提高土壤中的微生物活性，土壤的呼吸作用顯著增強［22］。但是土壤呼吸作用與灌溉量并不呈簡單的線性關(guān)系，漫灌時間長，當土壤空隙含水量大時，又會造成厭氧環(huán)境，抑制土壤的呼吸［23］。

去除土壤的本身特性，灌溉也是一種釋放CO2的過程。Follett等［24］科學家指出，灌溉用的水泵消耗產(chǎn)生的溫室氣體量達到200 kg C·hm-2·a-1。Zou等［25］從節(jié)能減排的方面分析，節(jié)水灌溉相比傳統(tǒng)灌溉，3年可降低能源消耗共計15.23（9.59～20.85）t標準煤，大概可減少34.67 t CO2排放。

2 灌溉對農(nóng)田CH4排放的影響的研究進展概況

2.1 土壤CH4排放概述與產(chǎn)生途徑

土壤中微生物活動過程是增加大氣中CH4的主要來源。在厭氧環(huán)境下，死亡的作物根系、作物殘茬、根系分泌物、土壤有機物、土壤微生物、死亡的土壤動物、有機肥或農(nóng)家肥等有機物在細菌的作用下被逐步降解為醇、有機酸和CO2等小分子化合物，甲烷菌再將這些小分子化合物轉(zhuǎn)變成CH4。土壤中CH4的排放主要受土壤中有機質(zhì)含量、酸堿度以及土壤含水量等土壤生物理化特性影響。如稻田、濕地、廢棄物的堆積場等均是土壤中CH4排放源，其中稻田是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中CH4排放的主要來源，大約占全球CH4總排放量的12%［26］。

2.2 灌溉對CH4排放的影響機制

影響土壤中CH4吸收的主要因素是土壤中水分的含量［27］，灌溉對CH4排放的影響表現(xiàn)極其顯著。在一定條件下，土壤的含水率越高，CH4的氧化能力越低［28］。目前國內(nèi)外灌溉對CH4排放的影響機制研究主要集中在濕地、水稻田以及有機物垃圾掩埋場等CH4的主要排放源上，對旱作田的土壤CH4的研究則很少。然而有研究表明，旱田的土壤環(huán)境更有利于CH4氧化菌的繁殖，通過氧化作用，可消耗大氣中的CH4，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中，除大氣光化學反應外，最大的消耗機理［29］。因此，目前亟需解決的是加強旱作農(nóng)田重要溫室氣體，尤其是CH4的排放、吸收特征研究，也是準確評價灌溉方式與增強溫室效應關(guān)聯(lián)機理研究的一項重要科學基礎(chǔ)。在厭氧環(huán)境下，產(chǎn)甲烷菌作用于產(chǎn)甲烷基質(zhì)產(chǎn)生CH4，適宜的產(chǎn)甲烷菌生長環(huán)境和充足的產(chǎn)甲烷基質(zhì)是產(chǎn)生CH4的先決條件。CH4排放通量主要是由土壤CH4產(chǎn)生和氧化的差值決定［30］，CH4產(chǎn)生和氧化與甲烷氧化菌、產(chǎn)甲烷菌等微生物活性有正相關(guān)性，也與土壤中營養(yǎng)元素的輸入和土壤溫度有關(guān)，溫度會通過影響土壤微生物活性，進而影響土壤甲烷的產(chǎn)生與氧化［31］，從而直接影響土壤中CH4的排放量。

3 灌溉對農(nóng)田N2O排放的影響

3.1 土壤N2O排放概述與產(chǎn)生途徑

N2O是中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的最主要的溫室氣體之一，雖然它對大氣的增溫貢獻只占4%，但其單位質(zhì)量增溫的潛能是CH4的4～21倍，是CO2的159～296倍，而且它能在大氣中留存120年［32］，一旦它的濃度增加，短時間內(nèi)很難降低。N2O的排放主要源自于農(nóng)田土壤，占大氣中N2O來源的80%～90%［33］，占比人類活動總排放量的92%。減少土壤N2O的排放量不僅可以減少N素損失，還有利于提高氮肥利用率，在一定程度上還能夠減弱溫室效應。微生物的硝化和反硝化反應是土壤中N2O的主要來源。影響土壤中微生物活性的因素都將有可能直接或間接影響硝化和反硝化反應，進而影響N2O的產(chǎn)生，比如土壤中碳、氮含量、土壤的溫度等［34］。除上述因素外，土壤中還存在化學反應，如硝化過程。N2O的排放量還受到pH值和Fe、Cu等離子的影響［35］。土壤中N2O的產(chǎn)生取決于微生物的硝化和反硝化作用［36］。所以，不同的灌溉方式對土壤N2O的產(chǎn)生和排放量有著極其重要的影響。

3.2 灌溉對N2O排放的影響機制

在現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)灌溉生態(tài)系統(tǒng)中，水肥一體化模式對N2O的排放有一定的影響，其中灌水和氮肥的管理對N2O的排放是主要的影響因素［37-38］。灌溉和增施氮肥能夠形成有利的反硝化作用環(huán)境，在厭氧的條件下增加了土壤中N2O的排放［39］。在生態(tài)系統(tǒng)的試驗中，80%～95%的N2O的排放量來自于灌溉和施肥過程［40］。Vallejo等［41］和Meijide等［42］對半干旱灌溉系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn)，對比施用氮肥，增施有機肥可有效減少NO和N2O的排放。不同的灌溉方式可通過影響N元素的淋溶和礦化等來影響土壤中有效N元素的分布和量，進而對土壤中N2O的排放產(chǎn)生影響。灌溉后立即施用氮肥的土壤產(chǎn)生的N2O的量明顯大于施用有機肥的，說明土壤中的無機氮對N2O的產(chǎn)生有重要作用［43］。研究發(fā)現(xiàn)，灌溉后，玉米植株的根可通過根際周圍微環(huán)境，增加根向周圍土壤分泌N、C等元素，可為硝化和反硝化菌提供物質(zhì)基礎(chǔ)，進而促進硝化和反硝化發(fā)生，增加土壤中N2O產(chǎn)生量［44］。

4 小結(jié)與討論

近10年來，國內(nèi)外對不同的灌溉技術(shù)和灌溉方式對土壤中溫室效應的貢獻以及對土壤中有機碳的含量變化等的影響的研究取得了一定的成果，這方面的研究也已逐步受到國內(nèi)外學者的普遍關(guān)注，但與我國在土地利用、耕作制度和養(yǎng)分投入等農(nóng)作物的管理方法比，在農(nóng)作物灌溉的定量、定性及評價分析等方面的研究仍舊十分匱乏，導致在農(nóng)業(yè)土壤的溫室氣體排放、溫室氣體效應等方面的研究有很多不確定性因素，將直接影響到灌溉對溫室氣體效應的貢獻的精確評價，直接導致無法精準提出科學減排措施。基于現(xiàn)代灌溉與溫室氣體排放等方面存在的問題，今后應著重從以下幾個方面加強研究。

4.1 不同的灌溉方式之間的對比

國內(nèi)外相關(guān)方面的研究僅停留在不同的灌溉方式和不同的灌溉農(nóng)田等方面的對比試驗研究，在不同的灌溉方式之間方面，尤其是在傳統(tǒng)的灌溉方式和節(jié)水灌溉方面的對比研究還是很欠缺。尤其是在研究中還欠缺在灌溉方式變化后，土壤溫室氣體排放的空間性差異變化。節(jié)水灌溉屬于土壤的局部灌溉，與傳統(tǒng)的大水漫灌相比，對土壤造成的濕潤度不同，所以，應該考慮到不同灌溉方式對土壤中溫室氣體產(chǎn)生的變化差異，進而能夠更加準確地計算出不同的灌溉方式對農(nóng)田土壤的溫室氣體吸收與總量的相關(guān)性，進而能夠更加準確地為農(nóng)田溫室氣體排放與吸收提供科學理論依據(jù)。

4.2 開展農(nóng)田溫室效應的系統(tǒng)研究

目前灌溉方式的變化對土壤溫室氣體的產(chǎn)生以及對農(nóng)田溫室效應的研究，僅停留在碳排放量等方面的研究，對農(nóng)作物的碳固化量等方面的研究依然不足，導致實驗結(jié)果很難精準評價不同的灌溉方式，對整個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳固化以及碳匯總等方面存在很大不確定性。同時，現(xiàn)在對溫室氣體的研究多停留在CO2、CH4和N2O這3種氣體中的一種或者兩種氣體的研究，3種溫室氣體的共同期監(jiān)測研究還是很少。不同的灌溉管理方式，定會影響溫室氣體的排放及產(chǎn)生，甚至還可能出現(xiàn)溫室氣體之間此消彼長的情況。因此，在探討研究不同的溫室氣體與增溫效應的同時還應充分考慮到不同的灌溉方式對溫室效應的貢獻率等方面的問題。

4.3 加強灌溉對溫室效應的長期與短期影響的共同研究

農(nóng)田中水分含量的變化與溫室氣體的排放量，通常是時效性很短的，且有一定的激發(fā)性。而這些情況對植物以及農(nóng)田土壤等的固碳能力的影響卻是不斷積累的、長期的過程，因此，不同的灌溉方式對農(nóng)作物系統(tǒng)、土壤以及土壤中微生物的系統(tǒng)影響，都會影響到農(nóng)田溫室氣體的排放量以及排放方式，且是一個長期的過程。我們應該將不同時間段與試驗示范的研究結(jié)果充分地結(jié)合起來，才能有效地研究不同的灌溉方式對溫室氣體的排放影響。

4.4 進一步深化相應的機理研究

不同的灌溉方式對溫室效應的貢獻率的研究還處于初期。現(xiàn)階段的研究僅處于灌溉農(nóng)田與農(nóng)田溫室氣體變化通量等方面的研究，而它對農(nóng)田周圍環(huán)境的驅(qū)動機制研究，尤其是灌溉農(nóng)田地下生態(tài)系統(tǒng)研究、生態(tài)驅(qū)動機制研究以及植物周邊的微生物學研究等，仍然十分缺乏。