長期施肥下稻田甲烷排放的研究進展

林 誠， 王 飛， 何春梅， 李清華， 李 昱

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福建福州 350013)

施肥既是保證作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)，又是影響稻田溫室氣體排放量的重要田間管理措施。長期定位施肥是研究肥料對土壤影響的最佳方式。因此，研究長期不同施肥制度對稻田溫室氣體排放的影響可以為減少農(nóng)田甲烷(CH4)排放提供理論依據(jù)。筆者綜述了國內(nèi)外長期施肥條件下稻田CH4排放的研究進展，為進一步開展稻田CH4排放控制的施肥管理措施研究尋找依據(jù)。

1 長期施肥對稻田CH4排放的影響

1.1長期施用有機肥對稻田CH4排放的影響目前，長期試驗中施用有機肥的種類較多，常用的包括作物秸稈、綠肥、堆肥、廄肥、沼渣肥等。施用有機肥可促進稻田CH4排放，其程度取決于有機物的成分和性質(zhì)[1]。呂琴等[2]研究表明，長期施用有機肥能顯著增加稻田的CH4排放通量，特別是當(dāng)有機肥和無機肥配合施用時，土壤CH4排放通量顯著高于單施有機肥或無機肥。王增遠(yuǎn)等[3]研究表明，施豬糞的CH4效應(yīng)最大，其次是施稻草和牛糞。大量研究證明，施用“新鮮”有機肥會促進稻田CH4的排放，原因是有機肥能為產(chǎn)CH4菌提供豐富的能量來源和反應(yīng)底物[4]。沼渣肥對稻田CH4排放的影響要大大低于新鮮有機肥，原因在于沼渣經(jīng)過長時間發(fā)酵后有機肥中易分解的成分生成沼氣而揮發(fā)，因此產(chǎn)CH4基質(zhì)減少，土壤中CH4產(chǎn)生量較低[1]。秦曉波等[5]研究認(rèn)為，長期化肥配施稻草處理的早、晚稻CH4排放量大于化肥配施豬糞處理，特別是晚稻化肥配施稻草CH4排放量為化肥配施豬糞的252%。國外許多原位試驗表明,施用稻草可顯著增加土壤CH4的排放量,例如在意大利、日本和菲律賓等地，施用秸稈的土壤CH4排放量增加2～9倍[6]。雖然秸稈還田作為氮肥投入可以抑制CH4的吸收，但氮素含量較低，因此抑制作用甚微；另一方面，秸稈還田可以增加土壤有機碳含量，就相當(dāng)于豐富產(chǎn)CH4的基質(zhì)，因此抑制吸收和促進生成的雙重作用使得秸稈還田顯著增加CH4排放[7]。吳家梅等[8]認(rèn)為，有機肥對稻田CH4排放的影響程度與其C/N比值有直接關(guān)系。有機肥的C/N越高，稻田產(chǎn)CH4潛力和排放能力越大。

蔣靜艷等[9]研究發(fā)現(xiàn)，稻田CH4排放量隨著有機肥施用量的增加而增加。榮湘民等[10]在早稻長期定位試驗中發(fā)現(xiàn)增施有機肥可提高CH4的排放量，秸稈全部還田處理高于部分秸稈還田處理，但施用高量稻草則不再增加CH4的排放。但是，有機肥用量和CH4排放量之間并不呈簡單的線性關(guān)系。Schütz等[11]研究表明，當(dāng)?shù)静菔┯昧繛?2 t/hm2時，CH4排放量是不施用稻草CH4排放量的2倍，但當(dāng)?shù)静菔┯昧吭黾訒r，CH4的排放量不再增加。

1.2長期施用化肥對稻田CH4排放的影響眾多研究表明，稻田施用化肥的CH4排放量明顯低于施用有機肥?；实氖┯脤Φ咎顲H4排放量的影響有很多的報道，但是不同種類的化肥對土壤CH4排放的結(jié)果不一致。有研究表明，施用硫酸鹽能提高土壤的氧化還原電位(Eh)，且其還原產(chǎn)生的S2-對產(chǎn)CH4菌有毒害作用，從而降低土壤CH4的生成。尿素等化肥施用可通過促進植物生長和光合作用來增加植物根系的分泌物，提供產(chǎn)CH4基質(zhì)，增加稻田CH4排放[12]。上官行健等[13]在尿素施用對CH4排放影響的研究中認(rèn)為，尿素施用對CH4排放無影響或可以減少CH4的排放[13]。Wassmann等[14]研究表明，同是無機肥，施用相同量的硫酸銨處理CH4排放量小于尿素處理。呂琴等[2]在黃松稻田上的研究發(fā)現(xiàn)，單施氮肥、氮鉀肥處理CH4排放通量低于不施肥、不耕作，而NPK處理的CH4排放通量高于長期不施肥處理，雖然尿素能抑制土壤的好氧CH4氧化活性，但是一定量的磷和鉀能促進土壤的CH4氧化活性，因而混合施肥后，鉀或磷能緩解由尿素引起的抑制作用。Liu等[15]進行了有機肥、化肥單施及配施試驗后發(fā)現(xiàn)，單施有機肥處理的CH4排放最高，單施化肥處理CH4排放最低，而有機肥與化肥配施甲烷排放通量雖高于單施化肥處理，但比單施有機肥降低，同時有機無機肥配施水稻產(chǎn)量得到大幅度的提高。

目前關(guān)于化肥施用量與CH4排放的關(guān)系并不明確，例如一方面施用硫銨后SO42-還原產(chǎn)生的S2-可抑制CH4的生成，另一方面NH4-N對土-水界面CH4氧化的抑制作用將增加CH4向大氣的排放量，因此施用硫銨對CH4有正負(fù)效應(yīng)[16]，而影響該效應(yīng)還與多種土壤環(huán)境因子有關(guān)。

2 長期施肥下環(huán)境因子對稻田甲烷排放的影響

影響稻田CH4排放的環(huán)境因子主要集中在土壤溫度、水分、Eh、pH。一般來說，大多數(shù)情況下CH4產(chǎn)生的最適溫度在30～40 ℃[17],在這個溫度范圍外,土壤微生物活性會受到抑制，因此溫度過高或過低土壤CH4的排放都會受到影響，而在稻田土壤上CH4排放的日變化規(guī)律與土壤溫度有較高的相關(guān)性[18]。在稻田淹水后，土壤中缺氧增強土壤中產(chǎn)甲烷菌活性，促進CH4的形成，但水層的加深也使得土壤中已產(chǎn)生的CH4在通過氣泡或擴散形式穿越水層時，被氧化掉的量增大，從而減少CH4向大氣中的排放[19]。蔡祖聰?shù)萚20-21]研究表明，良好的排水管理可有效地減少后續(xù)水稻田CH4排放量,烤田也能明顯減少水稻田CH4排放量。此外，土壤的pH、Eh等對稻田土壤CH4排放均有不同程度的影響。土壤pH通過影響微生物活動而影響土壤有機碳的分解礦化[22]，而大多數(shù)CH4產(chǎn)生菌活性在中性或稍堿性的環(huán)境中最佳,酸性土壤的CH4產(chǎn)生量僅有中性土壤的25%,較低的Eh促進CH4產(chǎn)生菌活性的提高,大大提高CH4的生成和轉(zhuǎn)化[23]。

3 長期施肥對產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌的影響

對稻田CH4排放機理的研究主要集中在產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌上。稻田CH4排放是在產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌綜合作用下的結(jié)果。產(chǎn)甲烷菌是一類能夠?qū)o機化合物或有機化合物厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化成CH4和CO2的古細(xì)菌[24]。全球CH4的排放量每年約500 t,其中74%是由產(chǎn)甲烷菌代謝產(chǎn)生的[25]。陳中云等[26]研究發(fā)現(xiàn)，厭氧環(huán)境和CH4形成基質(zhì)的提供是CH4細(xì)菌種群發(fā)育的首要條件。有研究表明，施用有機肥料(腐熟牛糞或菜餅)能促進土壤中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的增加[27-28]，若無外源有機質(zhì)輸入,植物根系活力將成為最重要的CH4產(chǎn)生因素[29]。陳美慈等[30]發(fā)現(xiàn)，早稻土生長前期的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量較后期低2～3個數(shù)量級，而晚稻土在生長中期土壤中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量略高于生長前期和后期。趙英等[31]對早稻、晚稻各生長時期土壤中產(chǎn)甲烷菌進行計數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)分蘗期、孕穗期土壤中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量達到最高。Masscheleyn等[32]認(rèn)為,在大部分情況下,當(dāng)?shù)咎锿寥繣h高于-150 mV時,產(chǎn)甲烷菌的活性將受到抑制。但是，也有研究發(fā)現(xiàn)從表層到18 cm深的土壤Eh均可適應(yīng)產(chǎn)甲烷菌的生長發(fā)育，其中5～13 cm深的土壤產(chǎn)甲烷菌數(shù)量最多[33]。另外，大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌的最佳繁殖溫度為30～40 ℃。在稻田生態(tài)環(huán)境中，土壤溫度一般低于35 ℃，在這樣的條件下溫度上升會增加CH4的產(chǎn)率[34]。

甲烷氧化菌是以CH4為生長的唯一碳源和能源的微生物。據(jù)估計，稻田產(chǎn)生的內(nèi)源CH4在排向大氣之前有50%～90%在根際和土-水界面被重新氧化，因此甲烷氧化菌對于稻田CH4的減排有重要的作用。目前，關(guān)于長期施用有機肥對土壤氧化CH4的能力報道不一。Hütsch[35]報道，長期在旱地中施用農(nóng)家肥會顯著降低土壤對CH4的氧化。英國洛桑實驗站的試驗表明，有機肥的長期施用(140年)對土壤氧化CH4的能力沒有任何影響[36]。但，有研究表明，有機肥長期施用可增加土壤對CH4的氧化能力[2,37]。因此，Gulledge等[38]認(rèn)為，肥料對土壤CH4的氧化有長期效應(yīng)和短期效應(yīng)。短期效應(yīng)可能是基質(zhì)競爭引起的氧化能力下降，而長期施肥可能引起甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)的改變。Seghers等[37]報道，在施用純化肥的處理中CH4氧化能力顯著降低。Castro等[39]認(rèn)為，施用尿素后土壤中氧化大氣CH4的優(yōu)勢種群由原來的甲烷氧化菌變成硝化細(xì)菌，使得甲烷氧化菌數(shù)量減少，功能受到抑制。鄭聚鋒等[40]對長期不同施肥下水稻土的研究中發(fā)現(xiàn)，長期單一施用氮肥為主的化肥顯著降低土壤對CH4的氧化能力,同時顯著降低稻田土壤甲烷氧化菌的多樣性和豐富度。Le Mer等[41]研究表明，土壤甲烷氧化菌活性與田間持水量有關(guān)，當(dāng)土壤含水量低于田間持水量時，其活性隨含水量的增加而增加，當(dāng)超過時其活性隨含水量的增加而降低。蔡祖聰?shù)萚42]認(rèn)為，甲烷氧化菌比產(chǎn)甲烷菌有更廣的溫度適應(yīng)性，且忍受低溫能力更強，CH4氧化的最適溫度為35 ℃,當(dāng)溫度超過40 ℃或低于12.5 ℃時CH4氧化被完全抑制。

4 展望

目前，稻田CH4排放研究已取得重要進展，而不同施肥措施、環(huán)境因子對稻田CH4排放的影響仍存在爭議，尤其是施肥對稻田CH4排放的影響存在短期效應(yīng)和長期效應(yīng)。施肥管理措施對CH4排放的影響歸根結(jié)底是施肥管理措施變化引起土壤特性變化及相應(yīng)的CH4相關(guān)菌群活性變化的結(jié)果。因此，有必要開展施肥措施對稻田CH4排放的聯(lián)合影響研究，并從CH4產(chǎn)生、排放整個過程闡明其機理。利用儀器與手段準(zhǔn)確監(jiān)測土壤特性、CH4相關(guān)菌群的同步動態(tài)變化，系統(tǒng)深入地了解長期不同施肥下CH4排放關(guān)系及其機理。

[1] 馬靜，徐華，蔡祖聰.施肥對稻田甲烷排放的影響[J].土壤，2010，42(2):153-163.

[2] 呂琴，閔航，陳中云.長期定位試驗對水稻田土壤甲烷氧化活性和甲烷排放通量的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2004，10(6):608-612.

[3] 王增遠(yuǎn)，徐雨昌，李震，等.稻田甲烷排放及其控制[J].作物雜志,1998(3):10-11.

[4] 陳德章，王明星，上官行健，等.我國西南地區(qū)的稻田CH4排放[J].地球科學(xué)進展,1993,8(5):47-54.

[5] 秦曉波，李玉娥，李克櫻.不同施肥處理稻田甲烷和氧化亞氮排放特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22(7):143-148.

[6] DENIER VAN DER GON,NEUE H A C.Influence of organic matter incorporation on the methane emission from a wetland ricefield[J].Global Biogeochemistry Cycles,1995,9:11-22.

[7] 伍芬琳，張海林，李琳，等.保護性耕作下雙季稻農(nóng)田甲烷排放特征及溫室效應(yīng)[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，41(9)：2703-2709.

[8] 吳家梅，紀(jì)雄輝，劉勇.不同施肥處理稻田甲烷排放研究進展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2010(2):19-24.

[9] 蔣靜艷，黃耀，宗良綱.水分管理與秸稈施用對稻田CH4和N2O排放的影響[J].中國環(huán)境科學(xué)，2003，23(5):552-556.

[10] 榮湘民，袁正平，胡瑞芝，等.地下水位與有機肥及水分管理對稻田甲烷排放的影響[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2001，27(5)：346-349.

[11] SCHü T Z H,HOLZAPFEL PSCHORN A,CONRAD R，et al.A 3-year continuous record on the influence of daytime,season,and fertilizer treatment on methane emission rates from an Italian rice paddy [J].J Geophys Res，1989，94(D13):16405-16416.

[12] 謝小立，王衛(wèi)東，上官行健,等.施肥對稻田甲烷的影響[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境,1995,11(1):10-14.

[13] 上官行健，王明星.稻田甲烷排放影響因子的研究進展[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，1993，14(4):48-53.

[14] WASSMANN R,BUENDIA L V,LANTIN R S,et al.Mechanisms of crop management impact on methane emissions from rice fields in Los Banos,Philippines[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems,2000,58:107-119.

[15] LIU K X,WEN L Z,YOU Z L.Effect of combined application of organic and fertilizers on methane emission from paddy soil and rice growth[J].Pedosphere,2007,7(4):379-382.

[16] 田光明，何云峰，李勇先.水肥管理對稻田土壤甲烷和氧化亞氮排放的影響[J].土壤與環(huán)境，2002，11(3)：294-298.

[17] 孫文濤，肖千明，婁春榮,等.土壤中甲烷的形成、排放及影響因素[J].雜糧作物,2000,20(5):44-47.

[18] 蔡祖聰,鶴田治雄,沈光裕,等.土壤質(zhì)地、溫度和Eh對稻田甲烷排放的影響[J].土壤學(xué)報,1998,35(2):145-154.

[19] 劉金劍,吳萍萍,謝小立,等.長期不同施肥制度下湖南紅壤晚稻田CH4的排放[J].生態(tài)學(xué)報,2008,28(6):2878-2886.

[20] 蔡祖聰,謝德體,徐華.冬灌田影響水稻生長期甲烷排放量的因素分析[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(5):705-709.

[21] 徐華,蔡祖聰.烤田對種稻土壤甲烷排放的影響[J].土壤學(xué)報，2002,37(1):69-76.

[22] GREENLAND D J,WILD A,PHILIP D.Myths and science of soils in the tropics[M].AM.Soe.Agron.,Madison,Wisconsi,1992:17-34.

[23] MER J L,ROGER P.Production,oxidation,emission and consumption of methane by soil:A review[J].Eur J Soil Biol,2001,37:25-50.

[24] 單麗偉,馮貴穎,范三紅.產(chǎn)甲烷菌的研究進展[J].微生物學(xué)雜志,2003,23(6):42-46.

[25] LOWE D C.Global change:A green source of surprise[J].Nature,2006,439(7073):148-149.

[26] 陳中云，閔航，吳偉祥.不同離子水對稻田土壤甲烷氧化活性影響的研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2002,8(2):219-223.

[27] 閔航，陳美慈，錢澤澎.不同栽培措施對水稻田甲烷釋放甲烷產(chǎn)生菌和甲烷氧化菌的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，1994,13(1):7-11.

[28] FRENZEL P,ROTHFUSS F,CONRAD R.Oxygen profiles and methane turnover in a flooded rice microcosm[J].Biol Fertil Soils,1992,14:84-89.

[29] SASS R L,FISHER F M,HARCOMBE P A,et al.Methane production and emission in a Texas rice field[J].Global Biogeochemical Cycle,1990,4:47-68.

[30] 陳美慈，閔航，吳偉祥，等.不同類型土壤中甲烷釋放特征和產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，1996，2(1):79-83.

[31] 趙英,錢澤澍.水稻田中占優(yōu)勢的產(chǎn)甲烷細(xì)菌[J].中國沼氣,1993,11(4):36-40.

[32] MASSCHELEYN P H,DELAUNE R D,PATRICK W H J.Methane and nitrous oxide emission from laboratory measurements of rice soil suspension:Effect of soil oxidation-reduction status[J].Chemosphere,1993,26:251-260.

[33] ROY R,KLüBER H D,CONRAD R.Early initiation of methane production in anoxic rice soil despite the presence of oxidants[J].FEMS Microbiology Ecology,1997,24:311-320.

[34] 李道西.控制灌溉稻田甲烷排放規(guī)律及影響機理研究[D].南京:河海大學(xué),2007.

[35] HüTSCH B W.Methane oxidation in soils of two long-term fertilization experiments in Germany[J].Soil Biol Biochem,1996,28(6):773-782.

[36] HüTSCH B W,WEBSTER C P,POWLSON D S.Long-term effects of nitrogen fertilization on methane oxidation in soil of the Broadbalk wheat experiment[J].Soil Biology and Biochemistry,1993,25(10):1307-1315.

[37] SEGHERS D,SICILIANO S D,TOP E M V.Combined effect of fertilizer and herbicide applications on the abundance,community structure and performance of the soil methanotrophic community[J].Soil Biology and Soil Chemisty,2005,37:187-193.

[38] GULLEDGE J,HRYWNA Y,CAVANAUGH C,et al.Effects of long-term nitrogen fertilization on the uptake kinetics of atmospheric methane in temperate forest soil[J].FEMS Microboology Ecology,2004,49:389-400.

[39] CASTRO M S,PETERJOHN W T,MELILLO J M,et al.Effect of nitrogen fertilization on the fluxes of N2O,CH4,and CO2from soils in a Florida slash pine plantation[J].Can J Forest Res,1994,24:9-13.

[40] 鄭聚鋒,張平究,潘根興,等.長期不同施肥下水稻土甲烷氧化能力及甲烷氧化菌多樣性的變化[J].生態(tài)學(xué)報,2008,28(10):4864-4872.

[41] LE MER J,ESCOFFIER S,CHESSEL C,et al.Microbiological aspects of methane emission by a ricefield soil from Camargue:2.Methanotrophy and related microflora,European[J].Journal of Soil Biology,1996,32:7-80.

[42] CAI Z C,YAN X Y.Kinetic model for methane oxidation by paddy soil as affected by temperature,moisture and N addition[J].Soil Biology and Biochemistry,1999,31:715-725.