不同節(jié)水灌溉方式下的黑龍江省水稻節(jié)水減排潛力評估

王光耀，劉 巍，雷 波，杜麗娟，徐征和

（1.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.中國水利水電科學(xué)研究院水利所，北京 100048；3.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

0 引 言

實(shí)現(xiàn)糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是聯(lián)合國21 世紀(jì)發(fā)展重要議程——可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的核心，農(nóng)業(yè)對于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。據(jù)估計，中國由農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的溫室氣體排放占全國溫室氣體排放總量的17%左右[1]，水稻是主要的排放源之一。黑龍江省是我國水稻主要生產(chǎn)區(qū)之一，2021 年，黑龍江省水稻播種面積達(dá)到387 萬hm2，占東北平原地區(qū)的74.14%，占中國水稻種植面積的12.92%。水稻傳統(tǒng)淹灌模式不僅會排放大量CH4，也會浪費(fèi)大量農(nóng)業(yè)用水[2]。國內(nèi)外大量的研究表明水稻生長期持續(xù)淹水有利于CH4的產(chǎn)生和排放，節(jié)水灌溉能夠抑制水稻CH4的產(chǎn)生，有效降低水稻CH4的排放[3-8]。因此，探索不同節(jié)水灌溉方式對制定水稻節(jié)水減排措施和緩解溫室效應(yīng)具有重要意義。

目前，水稻主要的節(jié)水灌溉方式包括濕潤灌溉（Moistening Irrigation，MI）、干濕交替灌溉（Alternate Wetting and Drying，AWD）、間歇灌溉（Intermission Irrigation，II）、控制灌溉（Control Irrigation，CI）等，研究者們對不同灌溉方式下水稻的生長[9]、產(chǎn)量[10]、品質(zhì)[11,12]、效益[13]以及溫室氣體減排[14]等方面進(jìn)行了研究，例如：張志偉等[15]評估了干濕交替灌溉（AWD）在湖南省稻區(qū)的適用性及其加權(quán)CH4減排潛力，得出干濕交替灌溉技術(shù)在湖南稻區(qū)有較大的減排潛力；袁偉玲等[16]研究間歇灌溉下水稻溫室氣體排放規(guī)律，其結(jié)論是間歇灌溉能有效地抑制溫室氣體排放并顯著降低溫室效應(yīng)；彭世彰等[17]研究控制灌溉模式對水稻溫室氣體排放的影響，發(fā)現(xiàn)控制灌溉稻田CH4排放通量明顯低于淹水灌溉稻田；王永明等[18]以江蘇省水稻為研究對象，研究間歇灌溉和控制灌溉對水稻生長期內(nèi)溫室氣體排放的影響，結(jié)果表明控制灌溉減排效應(yīng)略優(yōu)于間歇灌溉。

已往對節(jié)水灌溉的研究只是單獨(dú)探究溫室氣體排放情況或增產(chǎn)情況，對節(jié)水灌溉在溫室氣體節(jié)水、減排等方面協(xié)同綜合評價的研究較少，為了評估不同節(jié)水灌溉方式下水稻的節(jié)水減排潛力，本研究基于黑龍江省水稻現(xiàn)狀傳統(tǒng)淹灌（Traditional Irrigation，TI）方式下的灌溉用水量和CH4排放量，收集相關(guān)試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，利用IPCC 指南的中國官方省級溫室氣體清單方法計算水稻不同節(jié)水灌溉方式下產(chǎn)生的CH4排放量，繼而計算出不同節(jié)水灌溉方式下的節(jié)水潛力和CH4減排潛力。該研究對于黑龍江省水稻生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)低碳綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，研究結(jié)果可為水稻節(jié)水減排提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑龍江省地處我國的東北部，地理坐標(biāo)為121°11′～135°05′ E，43°26′～53°33′ N，屬寒溫帶與溫帶大陸季風(fēng)性氣候，雨熱同期，夏季降水充沛，適宜作物生長，主要種植水稻、玉米和大豆等作物，是東北平原地區(qū)重要的粳米種植省份，規(guī)模優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益顯著。水稻種植區(qū)域主要集中在黑龍江省的東北平原地區(qū)以及沿河流沖積平原的雞西市、佳木斯市、鶴崗市、雙鴨山市、齊齊哈爾市和哈爾濱市（圖1）。2012-2021 年黑龍江省水稻播種面積總體上呈現(xiàn)增長趨勢，2021年水稻播種面積達(dá)到387 萬hm2。

圖1 2021年黑龍江省水稻種植面積分布圖Fig.1 Distribution of rice area in Heilongjiang Province in 2021

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

本文的研究內(nèi)容分為兩部分，一是計算研究區(qū)域不同節(jié)水灌溉方式下水稻的節(jié)水量，二是計算研究區(qū)域不同節(jié)水灌溉方式下水稻的CH4減排量。相應(yīng)的研究方法如下。

2.1.1 節(jié)水潛力估算

根據(jù)中國目前常采用的節(jié)水情景，基于現(xiàn)狀傳統(tǒng)淹灌（TI）情景，設(shè)定4種節(jié)水灌溉情景（濕潤灌溉（MI）、干濕交替灌溉（AWD）、間歇灌溉（II）、控制灌溉（CI）），通過降低作物灌溉定額，進(jìn)而減少灌溉水量，即節(jié)水量，計算公式如下：

式中：W為采用節(jié)水制度的節(jié)水量，m3；Wtr為采用現(xiàn)狀灌溉制度的灌溉水量，m3；Wsr為采用不同節(jié)水灌溉制度的灌溉水量，m3；mtr為采用現(xiàn)狀灌溉制度的綜合灌溉定額，m3/hm2；msr為采用不同節(jié)水灌溉制度的綜合灌溉定額，m3/hm2；Asr為采用節(jié)水灌溉制度的灌溉面積，hm2。

2.1.2 減排潛力估算

本研究利用基于IPCC 指南的中國官方省級溫室氣體清單方法，按照《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》中水稻CH4排放清單編制方法，核算黑龍江省水稻CH4排放量，該方法總體上遵循IPCC 的相關(guān)方法框架和要求，即分別確定水稻的排放因子和活動水平，然后根據(jù)式（4）計算排放量。

式中：ECH4為水稻甲烷排放總量，kg；EF為水稻CH4排放因子，kg/hm2；AD為對應(yīng)于該排放因子的水稻播種面積，hm2。

對于水稻CH4排放因子，《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》根據(jù)地區(qū)進(jìn)行了劃分，黑龍江省屬于東北地區(qū)，單季水稻CH4排放因子基于試驗(yàn)監(jiān)測與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合的方法，收集相關(guān)試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行評估。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究收集了黑龍江省水稻的播種面積、不同灌溉方式下的灌溉定額和CH4排放因子，研究期為2012-2021 年。水稻播種面積數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局網(wǎng)站（https://data.stats.gov.cn）黑龍江省年度農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)；不同灌溉方式下的灌溉定額和CH4排放因子來源于收集數(shù)據(jù)（表1），數(shù)據(jù)選擇依據(jù)：①以傳統(tǒng)淹灌為對照組，節(jié)水灌溉方式為試驗(yàn)組；②為不同灌溉方式的單因素控制試驗(yàn)；③試驗(yàn)地點(diǎn)均在黑龍江省典型稻作區(qū)；④不同灌溉方式的田間管理方式均一致；⑤收集的溫室氣體數(shù)據(jù)測定方式可信。

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

3 結(jié)果分析

3.1 黑龍江省水稻不同灌溉方式節(jié)水潛力

基于現(xiàn)狀傳統(tǒng)淹灌（TI）情景，計算4種節(jié)水灌溉方式下的用水量及節(jié)水潛力，結(jié)果如圖2 所示。2012-2021 年黑龍江省水稻傳統(tǒng)淹灌方式下用水量總體呈上升趨勢，年均現(xiàn)狀情景排放量為2.13×1010m3，其中2014 年用水量最高，達(dá)到2.19×1010m3；若采用濕潤灌溉（MI）節(jié)水方式，2012-2021年黑龍江省水稻年均用水量為1.60×1010m3，節(jié)水量為5.34×109m3，節(jié)水潛力為25.03%；若采用干濕交替灌溉（AWD）節(jié)水方式，2012-2021 年黑龍江省水稻年均用水量為1.80×1010m3，節(jié)水量為3.34×109m3，節(jié)水潛力為15.65%；若采用間歇灌溉（II）節(jié)水方式，2012-2021 年黑龍江省水稻年均用水量為2.02×1010m3，節(jié)水量為1.08×109m3，節(jié)水潛力為5.05%；若采用控制灌溉（CI）節(jié)水方式，2012-2021 年黑龍江省水稻年均用水量為1.90×1010m3，節(jié)水量為2.30×109m3，節(jié)水潛力為10.80%。

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

綜上所述，不同節(jié)水灌溉方式對水稻灌溉用水量影響明顯，水分管理模式有利于減少水稻的用水量，由大到小依次為MI、AWD、CI、II，節(jié)水潛力依次為25.03%、15.65%、10.80%、5.05%。

3.2 黑龍江省水稻不同灌溉方式減排潛力

利用基于IPCC 指南的中國官方省級溫室氣體清單方法，估算了黑龍江省水稻不同灌溉方式下的CH4排放量及減排潛力，結(jié)果如圖3 所示。2012-2021 年黑龍江省水稻CH4現(xiàn)狀情景下排放量總體呈上升趨勢，年均現(xiàn)狀情景排放量為1.51×109kg，其中2014 年CH4排放量最高，達(dá)到1.55×109kg；若采用濕潤灌溉（MI）減排措施，2012-2021 年黑龍江省水稻CH4年均排放量為8.11×108kg，減排量為6.99×108kg，減排潛力為46.30%；若采用干濕交替灌溉（AWD）減排措施，2012-2021年黑龍江省水稻CH4年均排放量為7.44×108kg，減排量為7.67×108kg，減排潛力為50.77%；若采用間歇灌溉（II）減排措施，2012-2021 年黑龍江省水稻CH4年均排放量為9.35×108kg，減排量為5.76×108kg，減排潛力為38.14%；若采用控制灌溉（CI）減排措施，2012-2021 年黑龍江省水稻CH4年均排放量為8.27×108kg，減排量為6.84×108kg，減排潛力為45.25%。

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

綜上所述，不同節(jié)水灌溉方式對水稻CH4排放影響明顯，水分管理模式有利于減少水稻CH4的排放量，由大到小依次為AWD、MI、CI、II，減排潛力依次為50.77%、46.30%、45.25%、38.14%。

4 討 論

在黑龍江省稻作區(qū)，不同節(jié)水灌溉處理水稻CH4的排放與傳統(tǒng)淹灌對照有較大的變化（圖3），灌溉方式顯著影響了稻田CH4的排放過程。相比于傳統(tǒng)淹灌，濕潤灌溉（MI）模式下的用水量減少了25.03%，CH4排放量減少了46.30%；干濕交替灌溉（AWD）模式下的用水量減少了15.65%，CH4排放量減少了50.77%；間歇灌溉（II）模式下的用水量減少了5.05%，CH4排放量減少了38.14%；控制灌溉（CI）模式下的用水量減少了10.80%，CH4排放量減少了45.25%。節(jié)水灌溉條件下會影響土壤水分狀況的調(diào)控，土壤通氣狀況得到極大改善，使土壤有利于氣體交換，提高CH4的氧化速率，抑制產(chǎn)CH4細(xì)菌活性，減少了CH4產(chǎn)生和排放，尤其是干濕交替灌溉，直接改變了稻田水分狀況，落干復(fù)水階段的干濕交替有利于CH4的氧化，大幅降低了稻田CH4排放，具有較大的稻田溫室氣體減排潛力，這與很多研究結(jié)果較為一致[24-26]。在黑龍江省推廣干濕交替灌溉技術(shù)不僅能節(jié)約大量農(nóng)業(yè)用水，而且可以減少溫室氣體的排放，是發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)、推進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必然選擇。

黑龍江省水稻種植已逐漸從傳統(tǒng)的蓄水淹灌向節(jié)水灌溉方式轉(zhuǎn)變，相對于傳統(tǒng)淹灌，節(jié)水灌溉方式會減少水稻CH4排放，但是其頻繁的水層交替過程，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]。在未來的研究中，應(yīng)核算水稻N2O排放量，以期獲得更為準(zhǔn)確的結(jié)論，另外在不減產(chǎn)的前提下減排溫室氣體，綜合考慮水稻產(chǎn)量與增溫潛勢也值得深入探究。

5 結(jié) 論

本文基于現(xiàn)狀傳統(tǒng)淹灌方式下的灌溉用水量和CH4排放量，收集相關(guān)試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，計算不同節(jié)水灌溉方式下水稻的用水量和產(chǎn)生的CH4排放量，繼而計算出不同節(jié)水灌溉方式下的節(jié)水潛力和CH4減排潛力，得出以下結(jié)論：

（1）黑龍江省水稻傳統(tǒng)淹灌方式下用水量總體呈上升趨勢，不同節(jié)水灌溉方式下，水稻灌溉用水量均有減少。MI、AWD、II、CI 的節(jié)水潛力分別為25.03%、15.65%、5.05%、10.80%。其中MI的節(jié)水量最高，節(jié)水量為5.34×109m3。

（2）黑龍江省水稻傳統(tǒng)淹灌方式下CH4排放量總體呈上升趨勢，不同節(jié)水灌溉方式下，水稻CH4排放量均有減少。MI、AWD、II、CI 的減排潛力分別為46.30%、50.77%、38.14%45.25%。其中AWD下的減排量最高，減排量為7.67×108kg。

綜上，從綜合效應(yīng)來看，干濕交替灌溉是減少水稻綜合溫室效應(yīng)的有效措施，以干濕交替灌溉為代表的節(jié)水減排協(xié)同措施的出臺是水稻低碳轉(zhuǎn)型高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵舉措。