稻田管理措施對甲烷排放的影響

謝燕　廖曉蘭

摘要：稻田是甲烷（CH4）的重要排放源，中國是世界上水稻種植面積最大的國家之一。從品種、耕作方式、種植方式、施肥、改良劑及灌溉6個方面綜述了中國稻田管理對CH4排放的影響，以供致力于從事相關(guān)研究的工作者參考。

關(guān)鍵詞：稻田；甲烷（CH4）排放；管理措施

中圖分類號：X16；S36；S511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）22-5337-05

氣候變暖早已成為全球關(guān)注的焦點，甲烷（CH4）被認(rèn)為是最重要的溫室氣體之一，IPPC第四次報告[1]指出已觀測到的CH4濃度的變化很可能主要是由于農(nóng)業(yè)和化石燃料的使用。有研究分析，中國農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的CH4占全國CH4排放量的50.15%[2]，CH4對全球的增溫貢獻(xiàn)率達(dá)到了14.3%[1]， 稻田是CH4的重要排放源。據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前中國水稻種植面積3.1×107 hm2[5]，是世界上水稻種植面積最大的國家之一。中國關(guān)于稻田CH4排放的研究綜述有很多，以往都只針對水分管理、施肥管理等方面進(jìn)行討論，未見有對稻田管理措施進(jìn)行綜合論述的。本文查閱近15年的文獻(xiàn)資料，結(jié)合水稻品種、耕作方式、種植方式、施肥、改良劑和灌溉6個方面綜述了稻田管理對CH4排放的影響，以供致力于從事相關(guān)研究的工作者參考。

1 品種

水稻品種的選擇能對稻田的CH4排放和水稻的產(chǎn)量產(chǎn)生一定影響，不同水稻品種的CH4排放量存在顯著差異[4]，隨著水稻產(chǎn)量的不斷提高，稻田CH4排放通量呈逐漸減小趨勢[5，6]。段彬伍等[7]對早稻、中稻、晚稻稻田的CH4進(jìn)行24 h監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)除連作晚稻的雜交稻田比常規(guī)稻田高11.6%外，早稻雜交稻、單季雜交稻（中稻）田分別低于常規(guī)稻田6.4%和8.9%。傅志強等[8]利用大田試驗研究不同水稻品種對稻田CH4排放通量的影響，證實超級稻CH4排放量低于常規(guī)稻和雜交稻，雜交稻CH4排放量低于常規(guī)稻。馬永躍等[9]也對常規(guī)稻與超級稻的CH4排放量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在整個水稻種植期，超級稻稻田平均CH4排放通量比常規(guī)稻稻田約減少3.6%。造成上述結(jié)果的原因可能是產(chǎn)量大的水稻品種把更多的碳固定在水稻植株中，從而減少了CH4的排放，所以出于綜合經(jīng)濟效益與環(huán)境因素考慮，在播種時可以選擇超級稻和雜交稻品種，這樣既能減少稻田CH4排放又能提高產(chǎn)量。

2 耕作方式

稻田中CH4的排放不僅依賴于水稻品種，耕作方式也起到一定的影響，免耕或減少耕作強度在一定程度上都能降低稻田的CH4排放量[10-12]。代光照等[10]對鄂東南稻田進(jìn)行了免耕不施肥、翻耕不施肥、免耕施肥和翻耕施肥4種處理，發(fā)現(xiàn)與翻耕施肥相比，免耕施肥確實降低了CH4的排放量。鄭土英等[12]通過對稻田實行免耕與常耕兩種耕作方式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在水稻全生育期實行免耕的稻田CH4排放量比常耕減少32.35%。肖小平等[13]在稻田免耕、翻耕、旋耕試驗中證實免耕還田能降低CH4排放速率，但翻耕還田和旋耕還田的CH4排放速率無明顯差異。以上試驗都證實減少稻田耕作能減少CH4排放。降低土壤耕作強度，免耕或者以淺旋耕代替深翻耕，可將更多的碳累積于農(nóng)田土壤碳庫中，減少耕作對土壤的擾動，在一定程度上減少稻田CH4排放[11，14] 。所以在水稻耕作管理中可以通過適當(dāng)減少稻田土壤的耕作強度，以達(dá)到減少CH4排放的目的。

3 種植方式

育苗、插秧等種植方式分別對稻田CH4排放存在不同影響，例如降低栽插密度減少了稻田CH4的排放，但產(chǎn)量不僅沒有受到影響，甚至還略有提高[6]。劉樹偉等[15]研究發(fā)現(xiàn)相對于常規(guī)的水育秧，旱育秧方式不僅顯著降低CH4排放，還提高了秧苗素質(zhì)和生長性狀。張岳芳等[16]對人工和機器插秧下CH4排放進(jìn)行了田間觀測，結(jié)果表明，與人工手插水稻相比，機插水稻增加了14%的CH4排放量。傅志強等[17]對直播和移栽水稻的稻田CH4排放通量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，水稻全生育期CH4排放通量與水稻根系活力之間呈正相關(guān)，直播稻根系活力強于移栽稻，大田生長期直播稻CH4季節(jié)排放總量大于移栽稻，且差異顯著。但在印度Pathak等[18]也做了類似試驗，結(jié)果卻截然相反，他們發(fā)現(xiàn)連續(xù)2年直播稻的CH4排放量都小于移栽稻。造成上述試驗結(jié)論不一致的原因，還有待進(jìn)一步研究查證。王玉英等[19]檢測了水稻強化栽培體系的CH4排放通量，結(jié)果表明，強化栽培比常規(guī)栽培CH4排放總量明顯降低了3.0%～28.7%；此外還發(fā)現(xiàn)強化覆膜栽培CH4排放通量比強化無膜栽培低，這可能與強化覆膜栽培使地溫升高有關(guān)，因為研究證實稻田5 cm深處地溫與CH4排放通量呈顯著正相關(guān)。韓廣軒等[20]在冬水田采用常規(guī)栽培與強化栽培兩種方式進(jìn)行水稻種植，結(jié)果表明強化栽培稻田CH4平均排放通量比常規(guī)栽培稻田低19.0%，且強化栽培稻田水稻產(chǎn)量比常規(guī)栽培稻田高40.0%。種植水稻時，可以根據(jù)實際情況與經(jīng)濟效益適當(dāng)降低栽插密度，采取旱育苗、強化栽培等方式，這不僅有利于提高水稻的產(chǎn)量，也有利于減少溫室氣體CH4的排放。

4 施肥

水稻田的施肥主要分為有機肥和化肥，有機肥包括秸稈、人豬糞便、沼渣等，無機肥料包括氮肥、鉀肥、磷肥等，研究[10，14]表明施肥顯著提高了稻田CH4的排放。

4.1 秸稈還田

秸稈還田方式可大大促進(jìn)CH4的排放，其中在水稻全生育期內(nèi)，稻稈還田處理的CH4排放總量為稻稈不還田處理的1.4倍[21]。熊靖等[22]對5塊試驗田分別進(jìn)行不同處理，結(jié)果表明，秸稈還田比秸稈未還田處理的試驗田的CH4排放量高92%～99%。劉金劍等[23]早前也對湖南紅壤晚稻田做過類似試驗，結(jié)果表明秸稈區(qū)CH4平均排放通量和累積排放量較大。侯曉麗等[24]研究發(fā)現(xiàn)秸稈直接還田產(chǎn)生的CH4最多，秸稈原位焚燒產(chǎn)生的CH4最少。張廣斌等[25]的試驗也表明，水稻生長期淹水田中CH4平均排放通量施秸稈處理顯著高于不施秸稈處理。朱波等[26]觀測了尿素、黑麥草鮮草翻壓還田、半量尿素與半量黑麥草鮮草混施和對照4個處理稻田的CH4排放，試驗結(jié)果表明，黑麥草鮮草翻壓還田CH4排放通量分別比空白增加了371%，比只施氮肥增加了151%，他們初步推斷是黑麥草翻壓還田改變了雙季稻系統(tǒng)中CH4排放規(guī)律，促進(jìn)了稻田CH4排放。唐海明等[27]研究了不同覆蓋作物殘茬還田對稻田CH4排放的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)冬季覆蓋作物還田明顯提高了稻田的CH4排放量。徐華等[28]認(rèn)為，土壤冬作季節(jié)前施用稻草對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)小于水稻移栽前施用稻草，與冬作季節(jié)前施用稻草相比，水稻移栽前施用稻草的CH4排放量增加了3.04倍和7.12倍?？梢?，秸稈直接還田增加了稻田CH4的排放量，應(yīng)盡量減少秸稈還田，也可在冬季作物季節(jié)前施用秸稈，或?qū)⒔斩捲环贌赃_(dá)到減少稻田CH4排放的目的。

4.2 糞肥沼渣還田

秸稈還田是促進(jìn)了稻田的CH4排放，糞肥還田也對CH4的排放產(chǎn)生一定影響，與單施化肥和不施肥相比，有機肥的施用能明顯增加CH4的排放量[29]。鄒建文等[30]以麥茬稻田為對象，研究不同基肥施用對稻田CH4排放影響，發(fā)現(xiàn)施用菜餅處理（菜餅+化肥）和秸稈處理（小麥秸稈+化肥）的稻田CH4的排放最高，其次是牛廄肥處理（牛廄肥+化肥）和化肥，施用豬廄肥處理（豬廄肥+化肥）則略降低CH4排放。陳葦?shù)萚31]對早晚稻設(shè)置了一致的3個處理：尿素、尿素加豬糞、尿素加沼氣渣，研究結(jié)果表明豬糞和沼氣渣的施用分別提高稻田的CH4排放量22.14%和4.40%，豬糞的施用顯著提高了稻田的CH4排放量。

施用腐熟后的菌渣和沼渣，代替新鮮的稻草和牛糞還田，不僅不會對水稻產(chǎn)量造成影響，還降低了稻田CH4排放量的60%[32]。李波等[33]對水稻生長期內(nèi)不同有機、無機肥配施雙季稻田CH4排放通量進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)豬糞堆肥（豬糞堆肥代替20%化學(xué)氮肥）和沼渣沼液處理（沼渣沼液肥代替20%化學(xué)氮肥）的CH4全年累積排放量比豬糞處理（豬糞肥代替20%化學(xué)氮肥）降低了45.5%、42.8%，并與無肥、無氮、純化肥處理之間無顯著性差異，可見豬糞經(jīng)過發(fā)酵或堆制比新鮮豬糞直接施用效果好。秦曉波等[34]早前也做了類似研究發(fā)現(xiàn)，同施用稻草相比，施用經(jīng)過發(fā)酵處理豬糞的稻田CH4排放較少。為了保持或增加土壤肥力和水稻產(chǎn)量，用經(jīng)過發(fā)酵處理的糞肥代替未經(jīng)處理的糞肥和秸稈進(jìn)行還田，也是減少稻田CH4排放量的可行性措施。

4.3 化肥施用

大量研究[23，24，33，34]表明，稻田單施化肥的CH4排放量顯著低于加施和單施有機肥的排放量。施用化肥提高了水稻植株的輸送能力，進(jìn)而增加晚稻田CH4排放，與不施氮處理相比，施氮肥提高稻田CH4排放通量2.73倍至3.26倍[12]。劉樹偉等[15]在育苗試驗中發(fā)現(xiàn)，與施有機氮肥相比，施用無機氮肥分別減少了常規(guī)水育秧CH4累計排放量的45.4%和旱育苗CH4累計排放量的222.7%。

曹云英等[6]發(fā)現(xiàn)稻田CH4排放通量以高氮處理最高，中氮處理次之，低氮處理最小。耿春偉等[35]的試驗也表明，早稻期間，間歇灌溉無氮肥處理CH4累積排放量最低，隨著施氮肥量的增加CH4累積排放量增加。石英堯等[36]以汕優(yōu)63和安選6號2個水稻品種（組合）為材料，研究了氮肥施用量和節(jié)水栽培對稻田CH4排放量的影響，研究表明，隨著氮肥施用量的增加，CH4排放量也增加。但焦燕、張廣斌等的試驗結(jié)論與上述試驗結(jié)果相反，蔡祖聰?shù)萚37]認(rèn)為水稻整個生長季節(jié)CH4排放量隨施氮量增加而減少，呈高度負(fù)相關(guān)。焦燕等[38]選取3種不同土壤研究CH4季節(jié)性累積排放量發(fā)現(xiàn)，3種土壤的CH4排放量隨氮肥施入量的增加，均表現(xiàn)為降低趨勢。楊光明等[39]試驗設(shè)置了低氮施肥處理和高氮施肥處理，兩個處理的CH4季節(jié)性平均排放速率分別為（7.19±0.43） mg/（m2·h）和（6.04±0.31） mg/（m2·h），高氮處理的CH4季節(jié)性平均排放速率比低氮處理降低。張廣斌等[40]通過田間和培養(yǎng)試驗研究了不施尿素和施用尿素對水稻生長期稻田CH4排放通量的影響，研究表明，水稻全生育期內(nèi)，施用尿素降低稻田CH4排放量。綜上所述，各試驗結(jié)論不相同，研究[38，40]表明CH4的排放受CH4產(chǎn)生潛力和氧化潛力的影響，而不同土壤的氨態(tài)氮含量的不同，且稻田CH4的排放量是受各因素綜合作用決定的，具體原因還需進(jìn)行深入研究。

5 改良劑

稻田中加入改良劑會使CH4的排放減少，例如鐵爐渣就有效地減緩了稻田CH4排放。蔣米亮等[41]進(jìn)行了鐵爐渣對稻田CH4減排的相關(guān)試驗，研究表明，爐渣可有效地減緩稻田CH4排放，并且隨著鐵爐渣施加濃度從2 mg/hm2增加到8 mg/hm2，鐵爐渣的CH4減排效率逐漸增強，且對CH4排放峰值的減排效率尤為明顯。王維奇等[42]也通過在鐵爐渣施用樣地設(shè)置不同梯度，證實鐵爐渣的施加降低了CH4產(chǎn)生量和排放通量。從其兩人的研究結(jié)果來看，鐵爐渣是一種有效的CH4減排改良劑。另外，ALi等[43]在孟加拉農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場進(jìn)行的田間試驗中發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)和斷續(xù)灌溉下，施用磷石膏和硅肥分別降低了稻田的季節(jié)性CH4排放通量25%～27%和32%～38%?？梢娫诘咎镏?，施用鐵爐渣等改良劑是減少稻田CH4排放量的可行性措施。

6 灌溉

稻田水分管理方式是決定整個稻田輪作周期內(nèi)CH4排放變化的主要因素，稻田CH4排放主要集中在持續(xù)淹水的苗期和分蘗期，該時段CH4排放量占全生育期排放總量的78%[33]。蔣靜艷等[44]通過對8個稻田土壤樣品進(jìn)行培養(yǎng)測定，證實稻田淹水處理顯著促進(jìn)了CH4的排放。稻田水位的深淺直接影響稻田無氧區(qū)域的大小，水位較深時CH4排放不是很明顯，在水位由深變淺時往往會出現(xiàn)CH4排放的峰值，對稻田相關(guān)環(huán)境因素的分析表明，CH4排放通量與田間水層厚度呈正相關(guān)，高水位稻田CH4的排放量明顯高于低水位稻田[45]。在淹水情況下，避免2 cm左右的低水位或采用間歇灌溉均可有效減少稻田CH4的排放[46]，因此在稻田灌溉時應(yīng)避免低水位。

6.1 間歇灌溉

間歇灌溉是科學(xué)的灌溉方式，推廣間歇灌溉可以減少單位面積稻田CH4排放的30%[2]。徐華等[47]綜合考慮了烤田及重新淹水期間CH4排放量，發(fā)現(xiàn)烤田使種稻土壤CH4排放量減少了17.70%～43.91%。梁巍等[48]的研究表明，間歇灌溉下稻田的CH4平均排放量比對照減少了32.5%。董紅敏等[2]的研究也證實推廣稻田間歇灌溉可減少單位面積稻田CH4排放的30%。耿春偉等[35]測定了不同水肥模式下早、晚稻在各生育時期CH4的排放通量，試驗結(jié)果表明，早稻期間實行淹水灌溉的稻田CH4累積排放量明顯高于間歇灌溉。榮湘明等[29]研究發(fā)現(xiàn)，間歇灌溉的稻田無論是CH4排放速率還是排放總量都大大低于正常灌溉。通過以上研究可知，干濕交替的水分管理方式是控制稻田CH4排放的有效方法，在水稻種植時以間歇灌溉取代淹水灌溉是減少CH4排放的有效措施。

6.2 水旱輪作

控制灌溉模式對稻田CH4排放的影響至關(guān)重要，與正常灌溉相比，節(jié)水栽培的CH4排放量大幅度降低[36]。彭世彰等[49]對稻田CH4的排放進(jìn)行原位觀測，結(jié)果表明，控制灌溉條件下的土壤脫水-復(fù)水過程對稻田CH4季節(jié)排放通量的影響非常明顯，控制灌溉稻田CH4排放通量多低于常規(guī)灌溉稻田，排放總量較常規(guī)灌溉稻田減少81.2%～82.8%。魏朝富等[50]和江長勝等[51]一致認(rèn)為中國冬水田采用半旱壟作或水旱輪作是減少CH4排放量的有效方法，水作稻田的CH4排放總量是旱作稻田的8倍至19倍，特別是蓋草處理，水稻全生育期CH4的排放總量比水田減少了20倍[52]。水稻返青期覆膜旱作稻田的CH4含量比傳統(tǒng)淹水灌溉低28.6%，水旱輪作稻田CH4排放通量比常規(guī)冬水田要低54.1%～65.1% [20，53]，水稻旱作使稻田的CH4排放量減少了84%[54]。劉芳等[55]對華南地區(qū)覆膜旱種稻田的CH4排放進(jìn)行了監(jiān)測分析，結(jié)果表明，常規(guī)水田的CH4累計排放通量為 20.38 g/m2，覆膜旱種稻田為 2.46 g/m2，水稻覆膜旱種后CH4排放量降低了88%。江長勝等[51]通過對冬灌田采用水旱輪作制后發(fā)現(xiàn)，稻-麥輪作和稻-油輪作全年CH4排放量分別為常年冬灌田CH4排放量的43.8%和40.6%，說明冬灌田采用水旱輪作處理后，水稻CH4排放速率均有大幅度的下降?？梢娝痉N植過程中控制灌溉模式，采用水旱輪作是減低稻田中CH4排放的有效方式。

7 展望

前人的研究結(jié)果表明：①不同水稻品種CH4排放量存在顯著差異，超級稻、雜交稻的CH4排放量低于常規(guī)稻。②減少耕作強度，免耕或以淺旋耕代替深翻耕在一定程度上減少了稻田CH4的排放。③旱育秧苗、人工插秧、強化栽培等措施都有效降低了稻田的CH4排放，但關(guān)于直播和移栽水稻的CH4排放的差異，試驗結(jié)論則不一致，具體原因還有待進(jìn)一步研究。④秸稈還田顯著增加了CH4的排放量，但用腐熟的沼渣、菌渣和發(fā)酵后的豬糞肥代替新鮮的稻草和糞肥還田能緩解這種影響。⑤稻田中施用改良劑例如鐵路渣、磷石膏等能不同程度地降低CH4的排放量，但是氮肥施用量的改變對稻田CH4排放的影響還需深入研究。⑥稻田采取間歇灌溉和水旱輪作有效降低了CH4的排放。

稻田中CH4的排放是綜合作用的結(jié)果，在稻田管理中采取適當(dāng)?shù)墓芾泶胧┛梢杂行У販p低CH4的排放量。在不影響稻田產(chǎn)量的前提下，采取合理的管理措施，例如可盡量減少土地耕作，采用間歇灌溉和水旱輪作方式種植水稻，用腐熟后的菌渣、沼渣和發(fā)酵后的豬糞肥代替新鮮的稻草和糞肥還田，施以鐵爐渣等作為改良劑，都能有效降低稻田CH4的排放。

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（責(zé)任編輯 潘 峰）