我国是世界上人均水资源最贫乏的国家之一，我国农业用水量占比例较高，约占全国总用水量的70%，其中稻田灌溉用水总量占农业总用水量的65%以上^[1]，而且农业用水存在水资源利用率和生产效率“两低”的突出问题。湖南是我国水稻主产区，种植面积位居全国第二，产量位居全国第一。湖南温光水资源丰富，适于双季稻种植，特别是湘南地区为湖南省重要的双季稻三熟制种植区。根据湖南省历年来降雨分布规律，4—6月降水集中，占全年降雨量的40%~50%，7—9月则缺水干旱^[2]，而7月中下旬正值湖南省晚稻栽插、分蘖的关键时期，如果缺水，灌溉条件差的区域或者天水田，极易造成晚稻栽插困难，严重影响晚稻正常生长。因此，如何合理利用早稻成熟期雨水充足的特点，提高早稻季雨水利用效率，为晚稻栽插与早期生长提供必需的水分保证，是湖南省双季稻区确保稳产增产的重要前提。

目前，我国稻田CH₄排放总量为7.67~8.05 Tg（1 Tg=10⁹ kg），约占全世界水稻田CH₄总量的19.6%^{[3, 4]}。灌水是造成稻田CH₄排放的重要因素，淹水稻田是大气CH₄排放的重要人工源，许多研究表明稻田田面水分状况显著影响N₂O的排放^[5]，且已发现稻田水层深度对水稻的产量也会有影响^[6]。但已有研究的稻田蓄水深度一般在10 cm左右，不超过15 cm，针对乳熟至成熟期的长期蓄深水研究目前鲜见报道。为此，本研究针对湖南省降雨季节分布规律，加高加固田埂，把早稻后期的降雨尽可能蓄积在田中，以研究蓄水深度对水稻产量和温室气体排放的影响，为双季稻“早水晚用”节水栽培模式提供基础依据。 1 材料与方法 1.1 试验地概述

试验于2012年在湖南长沙县干杉镇干杉村上大屋组试验基地（28°08′18″E，113°12′0″N）进行，当地海拔42 m，年平均温度为17.1 ℃，年降水量1500 mm，年≥10 ℃积温5300～6500 ℃，为湖南典型的双季稻生产区。稻田土壤类型为第四纪红壤发育而成的红黄泥土。供试土壤理化性状为pH 6.2，有机碳 16.57 g·kg^-1，全氮 1.63 g·kg^-1，碱解氮149 mg·kg^-1，有效磷7.3 mg·kg^-1，速效钾57 mg·kg^-1。 1.2 试验设计

供试品种为陵两优211。试验所选田块排灌水方便，采用随机区组设计，3次重复，小区面积3.5 m×5.5 m=19 m²，区组间、小区间均留过道，所有小区田埂均加高加固到20 cm以上，并且每个小区田埂用较厚薄膜覆盖，以防肥水串灌和渗漏。3月26日播种，4月28日移栽，移栽规格为20 cm×20 cm，每穴插2苗，7月15日收获。在早稻灌浆乳熟期前按常规水管理方法进行。从灌浆乳熟期开始（齐穗后约10 d，6月19日）灌深水10 cm（T1）、15 cm（T2）、20 cm（T3），以常规水分管理为对照（CK），具体的试验处理如表 1所示。每天上午8：00查看小区水位变化并及时补灌，以保证各处理的水位稳定。各小区施肥量和施用方法均一致，施肥量按纯N 140 kg·hm^-2、P 34 kg·hm^-2、K 75 kg·hm^-2的标准进行，分别以尿素、过磷酸钙、氯化钾的形式投入，其中尿素按基肥∶分蘖肥∶穗肥=3∶2∶1的比例施用。分蘖肥和穗肥的施用时间分别为5月8日和6月6日。其他耕作、防治病虫害等栽培管理措施同当地高产栽培方法。

表 1 试验处理设计 Table 1 Experimental treatment design

表选项

于灌水处理后第12 d采用LI-6400型便携式光合作用测定仪（美国LI-COR公司生产）进行测定。选定晴天上午9：00—11：30，选择有代表性的植株，摘取剑叶进行测定。在使用LI-6400时，设置好叶室CO₂浓度和温度，使用内源光照进行处理，光照强度设定为1500 μmol·m^-2·s^-1光量子。剑叶摘取以后，立即通过LI-6400测定叶片即时的光合速率、胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率、气孔导度数据，测定部位为剑叶中部，每处理重复测定10点^{[7, 8]}。叶片水分利用率为光合速率与蒸腾速率的比值。 1.3.2 温室气体取样与测定

大田小区试验温室气体采样采用圆柱体静态箱技术，箱底直径30 cm、高100 cm。底座于移栽后即插入小区土壤中5 cm，以防来回搬动对土壤的扰动。气体从灌深水处理后开始测定，每隔5~7 d取样1次，选定上午9：00—11：00进行。温室气体取样时，将取样箱垂直轻放在圆型凹槽底座上，底座水槽内灌浅层水以确保取样箱放入底座时起到箱内外气体隔绝的水封作用，在罩箱后立即抽取一次气样，然后每隔10 min用 50 mL注射器从箱中抽取气体，并注入由三通阀连接的气体采样袋中备测。样品CH₄和N₂O浓度采用湖南省土壤肥料研究所提供的气相色谱（Agilent7890A，美国）测定。CH₄采用FID检测器，检测温度为180 ℃，柱温70 ℃，载气流速40 mL·min^-1；N₂O采用ECD检测器，检测温度300 ℃，柱温70 ℃，载气流速40 mL·min^-1。 1.3.3 考种与测产

成熟期每小区取5蔸有代表性的稻株，考查其经济性状，计算经济产量。每小区单收单晒称重，计算实际产量。 1.4 数据处理方法

稻田 CH₄、N₂O排放通量计算公式为：

F=ρ×h×dC/dt×273/（273+t）

排放总量计算公式为：

T=∑（Ri×Di）

数据计算与统计分析采用Excel 2003和DPS V3.01软件进行。多重比较采用新复极差法（LSR法）。 2 结果与分析 2.1 蓄深水处理对水稻光合特性的影响

由表 2可知，3个蓄深水处理的光合速率均要高于常规水管理，增幅达0.98～2.62 μmol·m^-2·s^-1，超出常规6.8%~18.3%，而且蓄水越深，光合速率越高。3个蓄深水处理的光合速率与常规水管理之间的差异达到极显著水平；3个蓄深水处理相比，蓄水深20 cm与蓄水深15、10 cm相差极显著，而蓄水深15 cm与10 cm间差异不显著。气孔导度和胞间CO₂浓度均以常规水管理最高，分别超出灌水处理4.2%~21.3%和1.9%~3.9%。蒸腾速率随着蓄水深度减小而降低，但均高于常规水管理，各处理间差异不显著。3个蓄深水处理的水分利用率均高于对照，而且差异达极显著水平，但3个蓄水处理间差异不显著。可见，在水稻成熟期蓄水有助于增强光合速率，提高水分利用率。

表 2 灌水处理 10d 后不同处理植株光合特性 Table 2 Photosynthetic characteristics of rice plants after 10 days of different depths of standing water

表选项

灌浆乳熟期蓄深水对株高、单株有效穗数、穗长、每穗总粒数等均无明显影响（表 3）。与常规水管理相比，蓄深水一定程度上降低了水稻结实率和千粒重，使产量降低236~427 kg·hm^-2，降幅在3.7%~5.7%之间，但蓄深水对产量的影响效果并不显著。随着蓄水深度增加，产量呈降低趋势，但不同蓄水深度处理间在产量构成因素及产量上也均无显著差异。

表 3 早稻产量构成因素及产量 Table 3 Early rice yield and its component factors

表选项

从图 1可知，蓄深水处理后，CH₄排放通量变化规律总体呈递减态势。蓄水初期测得CH₄排放通量较高，随着水稻生育期推进，CH₄排放通量呈下降趋势，在成熟后期CH₄排放通量达最低。3个蓄深水处理下的CH₄排放通量均高于常规水管理，其中变化幅度最大的是蓄水深10 cm处理，与对照相差21.7 mg·m^-2·h^-1；蓄水深10 cm处理与蓄水深20 cm处理之间CH₄排放通量相差最大，达17.4 mg·m^-2·h^-1。从整个测定时期来看，蓄水深10 cm处理下的CH₄排放通量降幅最大，达到26.0 mg·m^-2·h^-1，而以蓄水深20 cm降幅最小，仅8.4 mg·m^-2·h^-1。

误差线表示标准差， 下同 Error bars indicate standard deviation， the same below图 1 早稻不同蓄深水处理 CH4 排放动态变化 Figure 1 Dynamics of CH4 emission fluxes from early rice fields during deep standing water period

图选项

蓄深水处理后N₂O排放通量动态变化如图 2所示，总体上呈S形变化趋势。常规水管理模式下N₂O排放整体呈下降趋势，而蓄水处理下的N₂O排放有增加态势。蓄水初期，常规水管理的N₂O排放要高于灌水处理，后期则基本接近。不同蓄水深度相比，蓄水越深N₂O排放越少。3个蓄水处理中，变化幅度最大是蓄水深10 cm处理，其变化量为78.1 μg·m^-2·h^-1，最小的是蓄水深20 cm处理，其变化量为37.1 μg·m^-2·h^-1。

图 2 早稻不同蓄深水处理 N2O 排放动态变化 Figure 2 Dynamics ofN 2O emission fluxes from early rice fields during deep standing water period

图选项

从表 4可知，乳熟期蓄深水处理后，不同处理间CH₄平均排放通量呈极显著差异，蓄水越深平均排放通量越低，以蓄水深10 cm处理平均CH₄排放通量最高，与对照相差11.6 mg·m^-2·h^-1。蓄水处理后，各处理间的CH₄排放总量差异显著，3个蓄深水处理均极显著高于常规水管理，而蓄水深10 cm处理与蓄水深20 cm处理间差异显著。各处理中，以蓄水深10 cm处理排放总量最大，常规水处理最低，两者相差6.1 g·m^-2。不同处理间N₂O平均排放通量也呈极显著差异，以常规水管理为最高，蓄水深20 cm处理最低，蓄水越深排放通量越少，各处理间的极差为26.7 μg·m^-2·h^-1。各处理N₂O排放总量变化趋势与平均排放通量相似，以常规水管理最大，蓄水深20 cm最小，二者相差14.8 mg·m^-2。综合考虑CH₄与N₂O排放增温潜势，以蓄水深10 cm最高，且蓄水越深增温潜势越低，总体较常规水管理高805.8~1 361.2 kg CO₂ eq·hm^-2，超出了57.2%~96.6%。蓄深水处理的单位产量增温潜势均明显高于常规水管理，增量达0.12~0.19 kg CO₂ eq·kg^-1稻谷，增幅达63.2%~100%。

表 4 早稻季灌深水后各处理 CH₄ 和 N₂O 累积排放量 Table 4 Cumulative CH₄ andN₂O emissions from early rice fields with different depths of standing water

表选项

成熟期水稻一般采用干湿交替节水灌溉方式进行水分管理，以促进灌浆结实，提高结实率和千粒重，如果缺水干旱易造成减产^{[12, 13]}。但蓄深水是否影响到产量还鲜有报道。本研究结果表明，在成熟期蓄深水可以提高光合速率，影响干物质的积累与分配，另一方面也降低了早稻的结实率与千粒重。这可能是由于在田间水分充足的条件下，虽然水稻植株的光合速率有所提升，但也使稻株出现贪青现象，使光合产物向植株茎叶转移较多以维持其代谢活动，减少了干物质向籽粒的输送，这需对水稻的经济系数进行讨论，还有待进一步研究。虽然灌深水导致结实率和千粒重降低，但产量变化并不显著，与前人研究结果一致^{[14, 15]}。水稻在灌浆乳熟期穗粒结构已经形成，但光合作用需要营养物质，体内同化物生产、运转和积累仍需要较多的水分，如果受到水分胁迫，将会影响到同化物生产、运转和积累，从而导致减产^{[16, 17]}。乳熟期后灌深水可能影响到根际的通气环境，降低根系活力，对产量形成产生一定的影响。本研究发现蓄深水导致减产，但减产并不显著。因此，针对湖南降雨季节分配规律，基于提高降雨利用率的目标，利用稻田加高加固田埂，充分蓄积早稻生长后期的降雨，把稻田变成“隐形水库”^[18]，既可以减少因雨水径流对河流容量的冲击，减轻河流泄洪压力，避免洪涝灾害，又可为晚稻整地、移栽和前期水管理提供灌溉用水，确保晚稻的栽插和返青成活，对于促进湖南“扩双压单”，提高双季稻种植面积具有重要意义。 3.2 灌深水对温室气体排放的影响

稻田水分管理是影响稻田CH₄和N₂O排放的关键因素^{[19, 20]}。在淹水灌溉条件下，土壤中还原性物质在产甲烷细菌的利用下转化为CH₄气体，排放到大气之中。土壤的通气状况显著影响CH₄排放，而厌氧条件有利于CH₄的排放^{[21, 22]}。前人已有研究表明，干湿交替、间歇灌溉方式均有助于CH₄气体减排，但导致N₂O增排^{[23, 24]}。同样地，在本研究中与常规的间歇灌溉相比，蓄水处理均表现出较高的CH₄排放量。这主要在于蓄水改变了土壤的通气状况，使土壤长期处于厌氧条件下，有利于土壤还原性物质的积累，促进CH₄的排放。从不同的蓄水深度来看，CH₄排放量随水层深度的增加有降低的趋势，蓄水深10 cm与20 cm表现出显著性差异。CH₄产生于厌氧环境下，但能在向大气扩散过程中被氧化^{[21, 22]}，而CH₄气体主要是通过水稻植株、液相扩散和冒气泡的形式排放到大气中。深水条件下，水压增加，要保持蓄水深需要水量的补充，与10 cm水深相比，保持20 cm水深需补充更大量的水，如此增加了水体的溶氧量，有利于CH₄的氧化而减少排放。有研究表明，水层超过10 cm不利于CH₄排放^[25]，同时在深水条件下，水稻根系的通气组织可能受到影响，这尚需进一步的研究。

稻田CH₄排放与N₂O排放呈此消彼长的关系^[26]。本研究中，蓄水处理前期各蓄水处理的N₂O排放通量均低于对照，并出现负排放通量，与前人研究结果相似^{[5, 27, 28]}。N₂O的排放是土壤硝化作用与反硝化作用的产物，水分是影响这些生物过程的最重要因素之一。通常，反硝化作用随水分含量增加而加强，反硝化作用产生的N2与N₂O的相对量也随水分状况而异，许多研究表明N₂O排放的最大值出现在45%~75%的充水孔隙率（WFPS）时^{[28, 29]}。当水分含量低于60%时，土壤以反硝化作用为主产生N₂O；当土壤水分含量超过70%的WFPS时，气体传输受阻，N₂O被进一步还原为N2，以至80%~98%的反硝化产物为N2^[30]。而稻田长期淹水条件下，土壤孔隙含水量往往高于70%，这可能就是淹水条件下N₂O排放很少甚至吸收的主要原因。与常规水管理相比，蓄水处理均降低了N₂O的排放，而两者最根本的区别在于常规水管理田面会不时落干。来自中科院和其他研究表明，稻田87%~99%的N₂O排放来自于田面落干阶段，淹水期的N₂O排放量极少^{[31, 32]}。因此与常规灌溉相比，蓄水不利于N₂O的排放。从本研究结果来看，蓄水深度对N₂O的排放同样具有显著的影响。N₂O作为硝化与反硝化的产物，强烈地受N源供给的影响^{[22, 33, 34]}，一般N₂O的排放随N源有效性的增加而增加。蓄水越深水层压力越大，不可避免地促进水分的下渗而导致N素的淋失，减少了N素来源而降低N₂O的排放。

与CH₄相比较，N₂O排放量较低，其增温潜势仅占0.4%~0.7%，即99%以上是由CH₄气体排放量决定的。因此，蓄深水虽抑制了N₂O排放，但由于促进了CH₄的排放，与常规水管理相比，仍显著增加了增温潜势。由于本研究仅针对早稻蓄水期温室气体排放的影响，对于晚稻来说在持续蓄水条件下，土壤硝化细菌与反硝化细菌活性一直被抑制，蓄水仍可能对晚稻季的N₂O排放具有一定的减排作用。目前对于如何减少由蓄积深水所造成的CH₄排放还需进一步研究，以期为湖南稻田蓄水采用“早水晚用”节水栽培技术体系提供支持。 4 结论

（1）早稻灌浆乳熟期，植株高度可以保证在20 cm深水灌溉条件下能正常进行光合作用，同时不影响根系正常呼吸。

（2）早稻灌浆乳熟期深灌导致产量轻微下降，但影响不显著。不同深度水层灌溉处理间穗粒结构的差异未达显著水平，与常规灌溉相比较，灌深水处理下水稻结实率和千粒重轻微下降，但产量的差异也未达到显著水平。

（3）与常规水管理相比较，深水灌溉增加了CH₄气体的排放，减少了N₂O排放，但增温潜势、单位产量增温潜势均显著增加。水层深度的提高能在一定程度上减缓温室气体增温潜势的增加。