稻田N2O排放影響因素與減排研究進展

夏仕明 陳潔 蔣玉蘭 陳璐 劉賀 劉立軍

（揚州大學江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/農(nóng)業(yè)部長江中下游作物生理生態(tài)與栽培重點開放實驗室，江蘇揚州225009；第一作者：349395838@qq.com；*通訊作者：ljliu@yzu.edu.cn）

稻田N2O排放影響因素與減排研究進展

夏仕明 陳潔 蔣玉蘭 陳璐 劉賀 劉立軍*

（揚州大學江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/農(nóng)業(yè)部長江中下游作物生理生態(tài)與栽培重點開放實驗室，江蘇揚州225009；第一作者：349395838@qq.com；*通訊作者：ljliu@yzu.edu.cn）

氧化亞氮（N2O）是稻田生態(tài)系統(tǒng)中一種主要的溫室氣體，在全球溫室效應中起著很大作用。本文從稻田N2O的產(chǎn)生機制、影響稻田N2O排放的主要因素以及稻田N2O減排的技術措施等方面綜述了稻田N2O的研究進展，并對未來開展稻田N2O排放研究提出了一些設想，以期為減少稻田溫室氣體排放和氮損失提供參考。

稻田；氧化亞氮；溫室氣體；減排技術

由于大氣中溫室氣體含量逐年升高，全球溫室效應越發(fā)嚴峻，引發(fā)了全球溫度升高、冰川融化、海平面上升等一系列問題，已經(jīng)嚴重影響到了人類的生存和全球的發(fā)展。氧化亞氮（N2O）是大氣中僅次于甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的最主要的溫室氣體，其溫室效應是CO2的310倍[1]。我國是一個水稻種植大國，種植面積約占世界總種植面積的17%，約有60%的人口以稻米為主食[2-3]。近年來，為了追求高產(chǎn)，稻田氮肥用量呈增加態(tài)勢，過量的氮肥施用造成了氮肥利用率的下降。有研究表明，我國稻田氮肥利用率僅為30%~ 35%[4]。大量氮素通過徑流、氨揮發(fā)、硝化和反硝化等形式流失。這一情況也直接導致我國稻田N2O的年排放量呈現(xiàn)上升的趨勢[5]。據(jù)統(tǒng)計，稻田排放的N2O約占農(nóng)田系統(tǒng)的10%左右。因此，進一步深入研究我國稻田N2O排放規(guī)律和減排措施顯得尤為重要。已有研究表明，影響N2O排放的因素眾多，釋放機理復雜，很多排放源、排放強度等還未能準確定量。本文在前人研究基礎上，從水稻品種、肥料管理、秸稈還田和水分管理等方面分析了其與稻田N2O排放之間的關系，并提出了未來稻田N2O研究的重點，以期為水稻高產(chǎn)、養(yǎng)分資源高效利用和稻田溫室氣體減排提供參考。

1 N2O的產(chǎn)生機制

稻田中N2O產(chǎn)生的主要途徑是土壤中的微生物進行了硝化與反硝化作用[6]。土壤中N2O的排放量取決于土壤中的N2O擴散及被還原的程度[7]。

1.1 硝化作用

硝化作用是指土壤中的硝化細菌在通氣良好的條件下將氨氧化為硝酸和亞硝酸的過程[8-9]。方程式：NH4＋＋2O2→NO3－＋2H＋＋H2O。這個方程式可以分解為兩部分：NH4＋＋1.5O2→NO2－+2H＋＋H2O和 NO2－＋0.5O2→NO3－。N2O是羥胺氧化成NO2-N過程中因酶反應和化學反應而生成的。在酸性條件下NO2－更容易變?yōu)镹2O[10]。

1.2 反硝化作用

在缺氧條件下，NO3-由反硝化細菌和化學還原劑作用還原生成NO、N2O、N2。在參加還原反應的細菌中有些生成N2，有些僅還原生成N2O，而有些產(chǎn)生N2O和N2的混合物[11]。它的化學反應過程是：NO3－→NO2－→NO→N2O→N2。各個反應過程都有酶的參與，促進反應的進行。張玉銘等[12]認為，反硝化過程中生成的NO、N2O、N2通常受多種因素的影響，比如土壤濕度、質地、pH值、有機質含量和溫度等。

2 稻田N2O排放的影響因素

2.1 肥料管理

施肥對N2O的排放有重要影響[13]。施肥既能影響硝化反應又能影響反硝化反應的進行，而且能夠影響水稻的生長，稻田N2O是通過水稻植株進入土壤，然后從土壤進入大氣[14]。稻田施用肥料會促進水稻植株的生長，繼而促進了植株N2O的傳輸能力。氮肥是促進水稻生長和產(chǎn)量形成的重要外部投入，但氮肥也是稻田N2O排放的重要來源，氮肥投入量越多，N2O排放量也就越多[15]。其主要原因在于氮肥的施用增加了稻田氮素的含量，為硝化和反硝化反應提供了底物NO3－和NH4＋，從而促進了稻田N2O的排放。易瓊等[16]的研究結果表明，施用常規(guī)氮肥明顯提高了稻田N2O的排放，改施緩釋肥可有效降低稻田N2O的排放量。張怡等[17]研究認為，控釋肥可以減少覆膜栽培措施下稻田43.6%的N2O排放。李方敏等[18]也發(fā)現(xiàn)，施用控釋肥與施用尿素相比，控釋肥在水稻生長期釋放養(yǎng)分較為緩慢，稻田土壤溶液中的NO3－濃度較低，能夠有效降低稻田土壤中N2O的排放。

有研究[19-20]認為，稻田施用磷肥可以增加稻田土壤磷酸酶活性，導致土壤pH值產(chǎn)生變化，土壤性質的變化會增加或降低N2O排放量。但也有研究[21]認為，施用磷肥促進水稻對N的吸收，從而降低了稻田N2O的排放量。我國稻田普遍施用尿素和硝態(tài)氮，有研究[22-23]證明，尿素對N2O的促進作用較硝態(tài)氮更大。普遍研究認為，與有機肥相比，化肥的施用促進了稻田N2O的排放。田光明[24]研究也認為，有機肥對N2O的排放有明顯減少的作用。而陳玉芬等[25]發(fā)現(xiàn)，對于早稻而言，施用化肥產(chǎn)生的N2O量多于施用有機肥產(chǎn)生的N2O；對于晚稻而言，施用化肥產(chǎn)生的N2O量則少于施用有機肥產(chǎn)生的N2O。

2.2 秸稈還田

我國的秸稈資源十分豐富。秸稈還田是一種低投入可持續(xù)的資源利用方式。秸稈的科學還田還可以減少稻田化學肥料的施用。有研究[26]表明，在種植水稻時，秸稈還田可以有效降低N2O的排放量，而在無水稻種植時，秸稈還田增加了N2O的排放。也有研究[27]表明，秸稈還田量越高，N2O排放量也越高。潘婷[28]的研究則認為，秸稈還田對稻田N2O的排放與水稻類型有很大關系。秸稈還田降低了早稻稻田N2O的排放量，但會提高晚稻稻田N2O的排放量。因此，秸稈還田對稻田N2O排放的影響仍需進一步深入研究。

2.3 水分管理

水分管理是影響稻田N2O排放的重要因素之一。稻田N2O主要來源于土壤微生物的硝化與反硝化作用。土壤酶活性、土壤氧化還原電位（Eh）和土壤氮素濃度等都受水分的影響[29]，因而也會明顯影響硝化與反硝化過程，從而引起稻田N2O排放的變化。Terry等[30]研究發(fā)現(xiàn)，旱地土壤水分含量高低是決定N2O產(chǎn)生的重要因素。土壤含水量高時，N2O產(chǎn)生的主要途徑為反硝化作用；土壤含水量適中時，N2O產(chǎn)生的主要途徑是硝化和反硝化作用；而土壤含水量低時，N2O的產(chǎn)生途徑主要是硝化作用。王立超[31]的研究也認為，在濕潤水分管理下，硝化作用比反硝化作用產(chǎn)生的N2O量多；在淹水處理下，反硝化作用產(chǎn)生的N2O量多于硝化作用。

相對于旱地的N2O排放研究而言，對稻田N2O的排放研究較少。有研究表明，稻田N2O排放主要集中在擱田期，擱田增加了稻田土壤的通透性，為土壤提供了大量氧氣，有利于硝化反應和反硝化反應同時進行，促進N2O排放；在淹水時排放幾乎為零，稻田N2O的大量排放主要出現(xiàn)在干濕交替灌溉期。Yan等[32]研究了排水擱田和淹水條件下對N2O排放的影響，結果發(fā)現(xiàn)，排水擱田條件下大部分N2O通過土壤表面排放，只有17.5%的N2O通過水稻植株排入空氣中；而淹水條件下87.3%的N2O通過水稻植株排放。還有研究[33]表明，隨著曬田期的推遲，稻田N2O排放逐漸減少。但推遲曬田減少稻田N2O排放的影響機制尚不清楚。

2.4 耕作方式

不同的耕作模式對稻田N2O的產(chǎn)生及排放也有很大影響。耕作改變了土壤的理化性質，直接或者間接地影響了稻田N2O的排放。目前，關于耕作方式對稻田N2O排放的影響結果不太一致。有研究[34]認為，與傳統(tǒng)翻耕相比，免耕和旋耕可以減少稻田N2O的排放；但也有研究[35]表明，免耕和旋耕會促進N2O的排放；還有研究[36]認為，免耕和旋耕對N2O的排放沒有影響。最近，成臣等[37]的研究結果表明，不同耕作方式對雙季稻田N2O排放無明顯影響。

2.5 水稻品種

水稻植株本身在N2O排放過程中扮演者很重要的角色，深入研究水稻品種對N2O的排放具有重要意義。已有研究證明，稻田N2O的傳輸途徑有3種：（1）通過水稻植株的通氣組織釋放到大氣中；（2）通過氣泡擴散到大氣中；（3）液相擴散。其中，通過植株本身的通氣組織釋放的N2O占稻田土壤N2O總排放量的80%。孫會峰等[38]觀察到，各個水稻品種生長初期即有N2O排放。在中期常規(guī)擱田之前，各水稻品種的N2O的排放量較低；在擱田期間，常規(guī)秈稻和常規(guī)粳稻N2O排放劇烈，而雜交秈稻和雜交粳稻N2O排放量基本為0。稻田淹水后各水稻品種的N2O排放量基本為0。分析其原因，可能由于雜交水稻的生物量大于常規(guī)水稻，其吸收的氮素多于常規(guī)稻，從而減少了稻田N2O的排放[39]。

水稻株型對稻田N2O的排放也有一定的影響。呂小紅[40]的研究表明，在相同氮肥水平下，緊湊型水稻品種的硝化反應較松散型品種強烈，導致緊湊型水稻品種N2O的排放量多于松散型品種。

2.6 土壤性狀

稻田土壤性狀明顯影響稻田N2O排放，比如土壤微生物、溫度、質地、氧氣含量、pH值和有機質等[41]。秦曉波等[42]研究發(fā)現(xiàn)，稻田N2O的排放通量與土壤pH值呈正相關關系，但是相關性不顯著。稻田土壤60%左右的N2O排放量集中在5＜pH＜6之間。稻田土壤N2O排放與土壤氧氣的相關性較弱，但土壤氧氣的可獲得性對N2O的產(chǎn)生和排放有很大的影響，土壤氧氣可獲得性水平較低時，反硝化作用主導N2O的產(chǎn)生。土壤溫度影響土壤微生物的活性及硝化與反硝化作用的速率，從而影響N2O的排放?？傮w而言，土壤N2O的排放量與溫度的高低呈正相關。

另外，土壤質地影響了土壤水分含量和土壤通透性，從而影響土壤硝化和反硝化作用的強弱以及N2O在稻田土壤中的擴散速度。徐華等[43]觀察到，砂質土壤N2O的排放量明顯高于壤土和粘土。

3 稻田N2O減排的主要技術措施

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，水稻種植面積位居世界第2位。稻田是N2O排放的主要來源，減少稻田溫室氣體的排放對控制全球變暖有重要作用。在保證水稻種植面積和產(chǎn)量的同時，設法降低稻田N2O排放是一個亟待解決的重要問題。根據(jù)以往眾多研究結果，稻田N2O減排的主要技術措施大體有以下幾個方面。

3.1 合理施肥

肥料施用的方式、種類、施用量和施用時間都會對稻田N2O排放產(chǎn)生影響。合理施肥，提高肥料利用效率是減少稻田N2O排放的有效措施[44]。根據(jù)水稻各個時期所需的養(yǎng)分，測土配方施肥，合理的養(yǎng)分配比，改表施為深施，提高肥料的利用效率，避免因肥料的過度施用導致稻田N2O的排放。研究表明，目前我國的氮肥利用率在20%～30%之間，若將氮肥利用率從20%～30%提高到30%～40%，則可減少10%的N2O排放[45]。施用緩釋肥可以有效降低稻田N2O排放。另外，銨態(tài)氮肥的深施或者混施也可以有效減少稻田N2O的排放[46]。

3.2 優(yōu)化水分管理

水分管理主要是改變了土壤的通透性和氧化還原狀態(tài)，抑制硝化和反硝化作用的進行，從而減少N2O的排放。在常規(guī)水分管理模式下，減少擱田和后期干濕交替灌溉的時間，是減少稻田N2O排放的有效措施[47]。長期淹水條件下稻田N2O的排放系數(shù)僅為0.02%，遠低于“淹水-擱田-淹水”和“淹水-擱田-干濕交替”兩種水分管理模式下N2O的排放系數(shù)[48]。但是長期淹水會導致另外一種溫室氣體CH4的急劇上升。由于兩者存在互為消長的關系，因此綜合考慮水分狀況對2種溫室氣體排放的影響，這是優(yōu)化稻田水分管理的前提。與間歇灌溉相比，常規(guī)灌溉稻田N2O的排放量較低，但是其甲烷的排放量高于間歇灌溉。間歇灌溉稻田的綜合溫室效應比長期淹水灌溉弱很多[49]。由此可見，間歇灌溉是較為適宜的減少稻田溫室氣體的水分管理模式。

3.3 選用高產(chǎn)低N2O排放的水稻品種

不同水稻品種N2O的排放量差異很大。有研究表明，雜交稻品種的溫室氣體效應明顯低于常規(guī)水稻品種[50]。也有研究[51-52]認為，增產(chǎn)潛力大或經(jīng)濟產(chǎn)量高的水稻品種通常需要吸收較多的氮素，減少稻田土壤氮素殘留，從而可以降低稻田N2O排放。因此，選擇既高產(chǎn)又低N2O排放的水稻品種將是減少稻田N2O排放的重要措施。

4 研究展望

稻田N2O的排放與很多因素有關，是一個極其復雜的過程。雖然前人對這方面已有很多研究，但研究結果存在較大差異，很多問題仍不明確。進一步深入研究稻田N2O排放機理及減排措施對減少稻田溫室氣體排放具有重要意義。未來對稻田排放N2O的研究應注重以下幾個方面。

4.1 水稻品種改良對稻田N2O排放的影響及其機理

不同水稻品種間N2O排放存在明顯差異。在過去的幾十年中，水稻品種不斷更新改良，產(chǎn)量和品質都有很大提升，但是品種改良對稻田N2O排放的影響尚不清楚。深入研究水稻品種改良對N2O排放的影響及其機理，可為高產(chǎn)優(yōu)質水稻選育和溫室氣體減排栽培提供重要的理論論據(jù)。

4.2 稻田N2O和CH4排放互補效應的研究

眾多研究表明，水分和肥料是影響CH4和N2O產(chǎn)生的兩大主要因素，有利于CH4產(chǎn)生的土壤條件不利于N2O的產(chǎn)生，反之亦然，CH4和N2O的排放存在互為消長的關系。在不同的水分養(yǎng)分管理條件下，稻田溫室氣體凈排放量是增加還是減少目前尚不清楚。加強在不同水分養(yǎng)分管理模式下稻田溫室氣體凈排放量的研究尤為重要。未來應該綜合考慮兩者的排放關系，制定更合理的灌溉模式和施肥方法，減少稻田溫室氣體排放。

4.3 干濕交替灌溉對稻田N2O排放的影響及其機理

傳統(tǒng)的長期淹水灌溉方式不僅浪費水資源，而且不利于水稻產(chǎn)量和品質的形成。近年來，干濕交替灌溉技術作為一種高產(chǎn)節(jié)水灌溉模式已在生產(chǎn)上大面積應用。干濕交替灌溉技術雖有顯著的節(jié)水和提高水分利用效率的效果，但其對稻田N2O和其他溫室氣體排放的影響則少見報道。研究明確干濕交替灌溉對稻田N2O排放的影響及其機理，對水稻高產(chǎn)節(jié)水栽培和稻田溫室氣體減排有重要意義。

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Advances in Nitrous Oxide Emission and Its Reduction in Rice Field

XIA Shiming,CHEN Jie,JIANG Yulan,CHEN Lu,LIU He,LIU Lijun*
（Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology of Jiangsu Province/Key Laboratory of Crop Physiology,Ecology and Cultivation in Middle and Lower Reaches of Yangtze River,Ministry of Agriculture,Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu 225009,China;1st author:349395838@qq.com;*Corresponding author:ljliu@yzu.edu.cn）

Nitrous oxide is an important greenhouse gas in paddy field ecosystem and plays a vital role in the global greenhouse effect. This article deals with the generation mechanism of paddy nitrous oxide,the influencing factors of paddy nitrous oxide emissions，and technical measures taken to reduce nitrous oxide emissions as well.And from these three aspects,this article further gives an overview of research progress regarding paddy field nitrous oxide and then offers some assumptions for future research concerning reduction of paddy nitrous oxide emissions,expecting to provide a reference for the reduction of greenhouse gas emissions and nitrogen losses.

paddy field;nitrous oxide;greenhouse gas;reduction of emission

S511.05

A

1006-8082（2017）02-0005-05

2016－11－04

國家自然科學基金（31371562;31171481）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）專項（201203031-02）