农艺措施减控稻田甲烷和氧化亚氮排放的研究进展

邓 祎，吴姗薇，寇太记*，陈 刚，宋振伟，邓艾兴，张卫建

(1.河南科技大学 农学院/洛阳市植物营养与环境生态重点实验室，河南 洛阳 471003； 2.中国农业科学院 作物科学研究所，北京 100081)

水稻是喜温好湿的短日照作物，我国作为世界上种植水稻最古老的国家与栽培稻的起源地之一，播种面积高达3000万hm2，约占全国耕地的1/3。稻田土壤具有固碳功能，且比旱地土壤具有更高的固碳能力，近些年水稻土有机碳含量增加明显[1]，表明水稻土对温室气体CO2的土壤生物固定增加[2]。当前，气候变暖迫切需要减少温室气体的排放[3]；研究表明，农田是重要的碳氮排放源，其CH4和N2O排放量分别占全球总排放量的52%和84%[4]。其中，稻田对温室气体排放的贡献显著，2012年国家统计得出我国稻田CH4、N2O排放量分别占农田总排放量的24%、7%～11%[5]。因而，管控稻田土壤温室气体的排放意义重大。稻田温室气体的排放受诸多人为与自然因素的综合作用，人为耕作扰动作用是影响稻田温室气体排放的重要因素，阐明人为管理措施对稻田土壤CH4和N2O排放的影响，将有助于探寻最佳的管控稻田温室气体排放的重要途径与对策。本文综述了主要农艺措施对稻田温室气体排放影响的研究成果，以期筛选出最佳的耕种管理措施，为稻田温室气体减排的技术途径制定与耕作制度构建提供参考。

1 不同农艺措施对稻田温室气体CH4排放的影响

CH4是空气中最丰富的非CO2温室气体，其单分子吸热量和百年全球增温潜势(GWP)分别是CO2的21倍和25倍[2]。甲烷排放主要源于稻田，其全球总排放量约35～56 Tg/a[6]，每年贡献全球CH4总排放量的5.3%～19.0%[2]。前人在生产实践中发现不同农艺措施影响稻田的CH4排放[7]。稻田CH4的排放是CH4产生、氧化以及传输过程综合作用的结果(图1)。

图1 稻田CH4的排放过程示意图

1.1 秸秆还田对稻田CH4排放的影响及其机理

秸秆还田是当前重要的农业耕种措施，不仅能增加土壤有机质含量，还能促进农作物增产[8]。然而，稻田秸秆还田可使CH4的排放量显著增加[9-15]，增加环境风险[16]。但研究也发现，适宜的秸秆还田方式(表面覆盖、翻耕入土和原位焚烧)、还田数量与年限等能减少CH4排放数量[17-19]。通常秸秆翻耕入土相比于表面覆盖施用能降低稻田的CH4排放量[10]。这主要由于表面覆盖方式下秸秆的分解程度小于翻耕入土[12]，因而前茬结束时其在田间的残留有机秸秆量更大，为后茬稻季土壤产甲烷菌提供了足够的基质，最终促进了CH4的排放[10]。秸秆原位焚烧相比于翻耕入土与表面覆盖还田可减少CH4排放量[10,17]。侯晓莉等[11]也报道从早、晚稻移栽至晒田期，原位焚烧还田比直接还田降低了CH4的排放。相比于翻耕入土和表面覆盖还田，原位焚烧致秸秆中的有机碳以气体的形式损失了一部分，导致为产甲烷菌提供的产CH4基质减少，最终造成CH4排放量减少[17]。此外，IPCC报道秸秆还田量会影响秸秆还田对CH4排放的促进效应[18]；近年来研究发现延长秸秆还田年限可显著减弱甲烷的排放[19]。

1.2 生物质炭添加(还田)对稻田CH4排放的影响

生物质炭因其高稳定性、难分解等特点，被添加进土壤成为农田温室气体减排与土壤增碳的重要措施[20,21]。然而研究发现，不同类型稻田土壤添加生物质炭对CH4排放的影响不同[22]。例如，湖南双季稻田中添加生物质炭将降低稻田的CH4排放[23]，但江苏太湖地区稻-麦轮作稻田添加生物质炭增加了CH4排放量30%[24]。添加生物质炭，CH4排放量增加可能是由于其自身可溶性有机碳被微生物分解[25]，为CH4的产生提供了基质，从而促进了CH4排放[26]。此外，生物质炭的碱性又可中和土壤酸度，增加土壤pH，增强CH4氧化菌活性，降低CH4排放量，所以湖南典型的双季稻田CH4排放量下降可能与土壤pH有关[22]。

1.3 水分管理对稻田CH4排放的影响

水分管理影响稻田的氧气含量和土壤的Eh值，进而影响CH4氧化菌的种群数量和活性[27]和产CH4菌的数量[28]，是CH4排放的重要影响因素之一。姚志生等[29]和蒋静艳等[30]研究发现，控水晒田可降低水稻生长期间的CH4排放量。成臣等[31]研究了持续灌水、间歇灌水和中期烤田3种水分管理模式对双季稻系统CH4排放量的影响，发现在间歇灌溉208.3～520.6 kg/(hm2·a)和中期烤田322.6～661.7 kg/(hm2·a)方式下CH4年累计排放量低于持续灌水处理678.2～988.4 kg/(hm2·a)。王孟雪等[32]在黑龙江寒地稻田上也发现节水灌溉(浅湿灌溉、控制灌溉和间歇灌溉)导致的水稻生长期内稻田CH4排放低于淹灌处理。这表明合理的控水管理措施是减控寒区稻田CH4排放的重要手段。文献也揭示，非水稻生长期水分管理方式影响后续稻季的CH4排放。Trolldenier[33]发现单季稻两季间歇期持续干燥处理比持续淹水处理显著降低后茬水稻生长期内的CH4排放量。余佳[34]和江长胜等[35]均发现，冬水田休闲期灌水比休闲期种植小麦致后茬水稻生长期内的CH4排放量显著增加[34,35]。相比于淹水或持续灌溉，水稻生长期采用节水灌溉方式或冬灌田休闲期改为旱作方式可增加稻田的氧化环境与Eh值，促进好氧CH4氧化菌的氧化过程，抑制厌氧产CH4菌的活性[36]，从而最终降低CH4的排放量[29,30,32]。

1.4 肥料管理对稻田CH4排放的影响

施肥是农业生产中不可或缺的重要农艺措施，肥料种类按元素组分分为氮、磷、钾肥等，按来源分为化学肥料、有机肥、生物肥料、绿肥，按肥效快慢分为常规肥料、缓(控)肥料。研究表明不同肥料类型、施肥管理方式影响CH4的排放[37-47]。氮、磷肥的施用是农业生产中重要措施。文献显示，施用氮肥对稻田CH4排放的影响不尽相同。研究发现，施用尿素既可促进[37]又可抑制[38]稻田的CH4排放。张颖发现无机氮肥与有机厩肥混施或施有机氮肥将增加CH4排放量[39]。显然氮肥类型对稻田的CH4排放的影响仍需要研究。此外，氮肥施用方式也会影响CH4排放，有研究表明，氮肥深施可促进CH4排放，表施可抑制CH4的排放[40]。施用磷肥既可促进又可抑制稻田CH4的排放，其决定因素为其用量，用量少时即表现为促进作用[41]。吕琴等[38]发现施用磷肥可降低尿素对CH4排放的抑制作用。田间施用复合肥会促进稻田CH4的排放[37]，但CH4排放对氮磷肥施用的响应效应可能还与水稻种植时间有关。石生伟等[42]发现，平衡施肥、减少氮磷用量、将增加早稻生长期间的CH4排放量，但增加氮磷用量较平衡施肥降低了晚稻田的CH4排放量。刘金剑等[43]则发现氮磷或氮钾配施较氮磷钾配施降低了晚稻田的CH4排放，且氮磷配施处理的CH4排放量低于不施肥处理。孔宪旺等发现氮磷钾肥合理配施及施用硅肥能降低双季稻田的CH4累计排放量[44]。肥料配施的影响原因复杂，但现有结果揭示养分种类、配比与水稻种植时间将影响CH4排放。

施用有机肥比单施矿质肥料将增加稻田的CH4排放通量，通常表现为有机无机肥混施>有机肥或无机肥单施[38]。众多研究也证明，施用菜饼和牛厩肥比施用化肥均促进了CH4的排放[45]。施用有机肥用以替代20%化肥比单施化肥促进了稻季的CH4排放[46]。而用不同量有机肥分别替代等量氮肥均促进了CH4的排放，且排放量与有机肥的比例呈正相关[47]。秸秆还田类似施用有机肥料，刘金剑等[43]发现，秸秆还田配施氮磷钾比仅施氮磷钾肥料将增加晚稻田的CH4排放，且排放量的增加与秸秆还田量成正比。总之，普遍认同有机无机肥配施和单施有机肥比只施化肥将促进CH4的排放。究其原因，有机肥料或秸秆还田较化肥供应了大量有机物质，为产甲烷菌提供了充足的基质，且有机质分解在稻田淹水条件下降低了土壤Eh，进而促进了CH4排放[44,46]。

控释肥通过控制养分的释放，达到安全、长效、高效等目的，是现代肥料发展的主要方向。但现有研究发现，施用控释肥比施用尿素或复合肥将增加稻田的CH4排放量[37,46]，这表明缓释肥不利于稻田CH4减排。与尿素中快速水解的NH4+或复合肥中的NH4+促进甲烷氧化以及复合肥中的NO3-竞争电子供体，控释肥释放NO3-、NH4+比较缓慢，其对产甲烷菌和甲烷氧化菌的活性的抑制作用较弱，CH4排放量相对较高[37]。

1.5 种植与土壤耕作制度对稻田CH4排放的影响

农作制度差异影响稻田CH4排放。彭华等[48]发现玉米-水稻种植模式的CH4排放量显著低于水稻-玉米种植模式，且两种植模式的CH4年排放量均显著低于双季稻种植模式。卢维盛等[49]也发现前茬是水稻的稻田CH4排放量大，而前茬是旱作蔬菜的几乎不排放CH4。江长胜等研究发现，水旱轮作(稻-麦轮作、稻-油菜轮作)相比于冬季灌水休闲-中稻可显著降低全年CH4的排放量[35，50]。张岳芳等[51-52]进一步发现太湖稻区水旱轮作模式中稻田的CH4排放量从高到低呈现出紫云英-水稻>休闲-水稻>小麦-水稻>油菜-水稻>黑麦菜-水稻的规律。总之，旱(作物)-水稻轮作种植模式有助于稻田的CH4减排。调控用肥和水稻栽培密度影响双季稻田的CH4排放，主要栽培模式的对比研究[44]发现，湖南双季稻田CH4累计排放量排序为: 再高效模式>不施氮肥仅施磷钾肥模式>再高产模式>常规模式>高产高效模式。此外，土壤耕作对CH4排放的影响受施肥、土壤扰动程度制约。吕琴等[38]研究发现，土壤耕作增加了施肥稻田的CH4排放通量，却减少了不施肥稻田的CH4排放通量。伍芬琳等[50]发现，翻耕、旋耕均增加了秸秆还田的双季稻田的CH4排放。而水稻直播稻田CH4排放量显著低于常规耕作移栽稻田，但常规人工移栽与机械栽插稻田的CH4排放量差异不大[51,52]。

2 不同农艺措施对稻田温室气体N2O排放的影响

N2O是仅次于CO2、CH4的重要温室气体，其单分子吸热量和百年全球增温潜势分别是CO2的270倍和298倍[2]；平流层的N2O会破坏臭氧层引起臭氧层空洞[53]；当前大气中N2O浓度持续增加[54]，对大气化学和温室效应具有重要影响。稻田土壤是重要的N2O排放源[55-58]；农田土壤和热带地区土壤的N2O排放量占全球N2O排放量的70%[59]。类似于甲烷，稻田N2O的排放也是N2O产生、转化以及传输过程综合作用的结果(图2)。

图2 稻田N2O的排放过程示意图

2.1 秸秆还田对稻田N2O排放的影响

秸秆还田影响稻田的N2O排放。普遍认同，稻草还田可使水稻-小麦体系的N2O排放量降低[60,61]，且与秸秆还田是否焚烧无关[17]。马静等就发现秸秆粉碎翻耕施入、直接还田和原位焚烧还田均比秸秆不还田处理的单季稻田的N2O排放量减少[17]。但针对双季稻体系，稻草还田则会导致降低[11]或增加[9,62]稻田N2O排放量的不一致结果。秸秆还田造成双季稻田N2O排放差异，可能与秸秆还田量、土壤肥力差异等有关，需要进一步研究。秸秆还田造成N2O排放降低，可能是由于秸秆的碳氮比较大，秸秆还田增加了土壤有机碳的含量，促使微生物固定更多的无机氮，最终造成N2O排放量降低[60,61]。但秸秆还田造成N2O排放增加可能还与施用时间有关，晚稻使用早稻秸秆将因有机质分解更彻底，微生物活性高，硝化、反硝化过程强而造成N2O排放通量增加[9]。

2.2 生物质炭施用对稻田N2O排放的影响

在不同地区生物质炭施用对稻田N2O排放的影响呈现相反结果。研究发现，生物质炭施用于湖南典型的双季稻田中将增加稻田的N2O排放量[63]，但施用于江苏太湖地区稻田中与水稻-小麦轮作体系中则降低了稻田的N2O排放量[24,30]。前者排放增加被认为是由于生物质炭含有NH4+和NO3-，进而促进了N2O排放[63]，后者排放降低的原因推测可能是添加生物质炭提高了N2O还原酶活性和N肥的利用率，进而抑制了N2O的排放[22]。具体原因有待深入分析，但田间研究结果差异反映了利用生物质炭减控稻田N2O排放的效果可能因地而异，并与农田水分管理等密切相关。

2.3 水分管理对稻田N2O排放的影响

水分管理是水稻生产的重要管理措施，其影响土壤Eh、N素浓度及形态、土壤通气性和微生物活性等，进而影响N2O的产生与释放[64,65]。稻田N2O主要是通过硝化、反硝化过程产生，排水晒田过程使稻田土壤由还原环境向氧化环境过渡，致硝化-反硝化过程同时进行，从而促进了N2O的释放[30,66]。徐华等[67]证明水分落干时期比淹水状态排放更多的N2O，约占整个生长期稻田N2O排放量的87%～98%[68]。研究显示，灌溉水用量与方式也影响稻田N2O的排放。王孟雪等[32]发现控制灌溉和浅湿灌溉处理稻田的N2O排放量比长期淹灌稻田少，间歇灌溉下稻田的N2O排放量最高。但也有研究发现，控制灌溉处理较常规灌溉稻田的N2O排放量高[69]。间歇灌溉、控制灌溉等水稻节水灌溉技术使土壤脱水-复水过程频繁交替，使硝化作用与反硝化作用交替进行，进而影响N2O排放。颜晓元等[66]发现当稻田土壤水分为最大田间持水量时N2O排放速率大于过饱和与非饱和田间持水量下的，N2O总排放量呈现湿润灌溉>常规灌溉>长期淹水规律。总之，水分管理主要影响土壤氧化-还原条件，而O2浓度适中既有利于硝化反应产生N2O，又有利于反硝化反应产生N2O，排水晒干(水分落干)、控制灌溉、湿润灌溉等措施增加了土壤O2相对含量，导致N2O排放量较高，而淹水状态致土壤处于厌氧条件下(O2不足)的反硝化反应主产物为N2，减少了N2O产生[64]。

2.4 肥料管理对稻田N2O排放的影响

肥料管理对N2O排放的影响，受肥料类型、施肥管理方式等制约。氮肥土施将增加硝化-反硝化过程产生N2O的氮底物供应量，进而促进N2O的排放[44,70-72]。氮磷钾肥配施是确保农业生产的基本措施。李方敏等[71]发现氮肥尿素分次单施比氮磷钾肥混施(或复合肥)能减少N2O的排放量。黄树辉等[73]发现在磷肥用量为40 kg/hm2时稻田生育期N2O的排放量随氮肥尿素施用量(0～360 kg/hm2)的增加而增加，而在水稻生长中后期施用磷肥将促进N2O的排放。然而，也有研究表明，施用磷肥将抑制N2O的排放，原因在于施磷促进了作物对N吸收，进而减少了N2O排放[74]。众多研究表明，施用有机肥比施用化肥将降低稻田N2O的排放量[47]。邹建文等[45]发现施用猪厩和牛厩肥均较施用化肥抑制了N2O的排放。谢义琴等[46]发现20%化肥被有机肥替代将减少稻田N2O排放31%，进一步表明施用有机肥将降低N2O的排放。这主要是因为有机肥养分释放速度比化肥慢，同时有机物质分解过程中造成微生物固氮，降低了土壤无机N含量，阻碍了土壤硝化-反硝化过程，从而降低了N2O的排放[47]。

研究也证明，减缓氮肥的释放速率或用量可以减少N2O的排放。李方敏等[71]证实，尿素分次施用和控释肥一次施用均可抑制N2O的排放，而施用包膜复合肥(控释肥)后的N2O排放量为施用未包膜复合肥的13.45%～21.26%。原因在于，尿素需在脲酶作用下首先分解为NH4+后，才能发生硝化反应生成N2O；而包膜缓释氮肥相比于普通氮肥，受半透性或不透性薄膜物质包裹，减缓了氮释放速率，降低了土壤中NO3-浓度，进而减少了N2O的排放[71,75]。谢义琴等[46]利用缓释肥替代20%化肥用量也证明施用缓释肥可减少稻田的N2O排放。这主要是缓释肥的N素释放速率与作物吸收N素的速率较普通氮肥更为一致，因而减少了N2O的排放[76]。

2.5 种植制度对稻田N2O排放的影响

种植制度影响N2O的排放。孔宪旺等发现，在双季稻生产中采用优化用肥与栽培密度的主要栽培模式，N2O累计排放呈现为：再高产模式>再高效模式>常规模式>高产高效模式>不施氮肥仅施磷钾肥模式[44]。彭华等[48]发现玉米-水稻种植模式较水稻-玉米种植模式的N2O排放量低，但均显著高于双季稻种植模式。江长胜等[35]发现水旱轮作(稻-麦轮作、稻-油菜轮作)相比于冬季灌水休闲-中稻模式显著增加全年N2O的排放量。张岳芳等进一步发现不同旱-水轮作方式下太湖地区稻田N2O排放由高到低依次为紫云英-水稻>油菜-水稻>小麦-水稻>黑麦菜-水稻>休闲-水稻[77]。水旱轮作较淹水增加了稻田N2O排放，但可通过选择水旱轮作模式相对减控N2O排放。有研究也发现，尽管常规人工移栽和机械栽插对稻田N2O排放无明显影响[51]，但常规人工移栽稻田显的N2O排放量著低于机械直播稻田的[51,52]。

3 结语与展望

3.1 结语

主要农艺措施对稻田的CH4排放和N2O排放的影响存在此长彼消的现象。秸秆还田、生物质炭添加措施在稻-麦轮作体系中通常促进了CH4排放，抑制了N2O排放，而生物质炭添加措施在双季稻体系能抑制CH4排放，却促进了N2O排放。控水晒田抑制了稻田的CH4排放，却增加了N2O排放；减少化肥施用、增加有机肥与控释肥措施能减少N2O的排放,却具有增加CH4排放态势。相对来说，水旱轮作模式比双季稻种植模式能减少CH4排放，但却增加了N2O的排放量。农艺措施对稻田CH4、N2O气体排放的影响因素较多，尽管不同农艺措施的影响规律不尽相同，但区域性、相似农艺类型措施间仍具有较一致的影响特征，这为定向减控CH4或N2O气体排放的农艺措施选择提供了参考。

3.2 展望

农艺措施对稻田CH4和N2O排放存在此长彼消的影响，在围绕优质、高产与环境保护相协调的目标基础上，除了加强点的资料融合及面(区域)的宏观扩展外，仍需要围绕适宜推广的减控温室气体排放的农艺措施标准制定开展研究。应加强不断涌现的新型农作措施下土壤CH4、N2O排放研究，筛选降低产甲烷菌的活性、抑制硝化反硝化细菌活性以及底物供应强度等的农艺手段。深入探寻农艺措施对两种气体排放的综合影响机理，加强不同尺度CH4、N2O排放相关模型研究，利用两种温室气体排放的增温潜势等评价指标来综合衡量农艺措施对CH4、N2O排放的影响，而非简单地评价此消彼长现象，以探寻减少气体排放的农艺措施。