農(nóng)藝措施對稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的影響研究進展

杜 彭，吳家梅，陳躍進，紀雄輝

（1.湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底 417000；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；3.農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，湖南 長沙 410125；4.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，湖南 長沙 410125）

農(nóng)藝措施對稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的影響研究進展

杜 彭1，吳家梅2,3，陳躍進1，紀雄輝3,4

（1.湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底 417000；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；3.農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，湖南 長沙 410125；4.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，湖南 長沙 410125）

從農(nóng)田管理的角度綜述了近年來國內(nèi)外學(xué)者對稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的研究成果，發(fā)現(xiàn)耕作模式、水分管理、肥料管理、病蟲草害防治等操作都會對稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和（或）種群產(chǎn)生影響。其中，旱作、水—旱輪作、施用化肥等能在一定程度上減少稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量。這表明采取適當?shù)剞r(nóng)藝措施可降低稻田土壤中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量，從而在一定程度上緩解全球溫室效應(yīng)。

產(chǎn)甲烷菌；農(nóng)藝措施；稻田；甲烷排放；綜述

甲烷是僅次于二氧化碳的主要溫室氣體，在100 a尺度上，其溫室效應(yīng)是二氧化碳的28.5倍[1]。目前，大氣中甲烷的平均濃度是1.7×10-3mL/L，并以每年0.8%的速率逐年增長[2]，對溫室效應(yīng)的貢獻已達19.0%～22.9%[3]。稻田是大氣中甲烷的重要人為來源，其每年排放的甲烷占全球排放總量的5.3%～19.0%[4]。研究表明，稻田甲烷排放量與稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量存在一定相關(guān)關(guān)系[5-8]。產(chǎn)甲烷菌是一類在厭氧條件下能將無機或有機化合物消化轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳的細菌。甲烷生物合成途徑有3條，分別為以氫、二氧化碳為原料的合成途徑、以乙酸為原料的合成途徑和以甲基化合物為原料的合成途徑，稻田土壤產(chǎn)甲烷菌主要利用的是第一條途徑[9]。當前已分離鑒定的產(chǎn)甲烷菌超過200 種[10]，分屬于甲烷桿菌目（Methanobacteriales）、甲烷球菌目（Methanococcales）、甲烷微菌目（Methanomicrobiales）、甲烷八疊球菌目（Methanosarcinales）、甲烷火球菌目（Methanopyrales）、Methanocellales和Methanoplasmatales等7個目[11]。稻田土壤產(chǎn)甲烷菌主要屬于甲烷球菌目、甲烷桿菌目和甲烷微菌目[9]。為了深入了解稻田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)甲烷菌的影響因素，闡述了不同的土壤類型、耕作模式、水稻品種、水分管理、肥料管理、病蟲草害防治等農(nóng)藝措施對稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的影響，以期為稻田減排甲烷提供參考。

1 土壤類型

水稻土是典型的水耕人為土，新開墾的稻田在水耕熟化發(fā)育初期階段就已形成成熟的產(chǎn)甲烷菌群落，直到發(fā)育成熟產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu)也已基本保持穩(wěn)定，且產(chǎn)甲烷的活性和群落數(shù)量與土壤發(fā)育年限呈正相關(guān)關(guān)系[12]。不同土壤類型由于理化性質(zhì)的差異，在相同外界條件下，其產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量也存在一定差異。陳美慈等[13]研究表明，涂砂田或老黃筋泥田比黃松田土壤中的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量更少、咸泥土或黃筋泥比黃松土中的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量更少；這可能是由于黃松土和黃松田的pH值近中性、咸泥土和涂砂田的pH值偏堿性、黃筋泥和老黃筋泥田的pH值偏酸性，而中性環(huán)境更有利于稻田土壤產(chǎn)甲烷菌生長的緣故[13]。

2 耕作模式

相對于常規(guī)栽培，晚稻免耕栽培模式、旱作栽培模式等可以減少土壤產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量。在旱作栽培模式下，無秸稈覆蓋旱作栽培比秸稈覆蓋旱作栽培的土壤產(chǎn)甲烷菌數(shù)量更少。李大明等[6]研究發(fā)現(xiàn)，晚稻免耕模式下早、晚稻的產(chǎn)甲烷菌群落數(shù)量均比傳統(tǒng)栽培模式低，但土壤中產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu)多樣性則呈現(xiàn)出早稻低于傳統(tǒng)栽培模式、晚稻高于傳統(tǒng)栽培模式的現(xiàn)象；秸稈覆蓋旱作稻田的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量及其群落結(jié)構(gòu)的多樣性和豐富度均顯著高于無秸稈覆蓋旱作稻田，但其產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu)多樣性和數(shù)量均小于常規(guī)淹水稻田[6]。王英[14]也發(fā)現(xiàn)淹水稻田中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量和多樣性均顯著高于旱作稻田，但兩者產(chǎn)甲烷菌的主要類群沒有顯著差異。另外，水-旱輪作模式比單一水作模式的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量要少[13]。這是因為產(chǎn)甲烷菌的生長需要較低的氧化還原電位，旱地土的氧化還原電位一般比水田土高，不利于產(chǎn)甲烷菌的生長[15]。

3 水稻品種

與雜交稻相比，常規(guī)稻可以顯著減少稻田土壤中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量，而種植轉(zhuǎn)Bt基因水稻對此沒有顯著影響。段彬伍等[16]研究發(fā)現(xiàn)雜交稻稻田土壤中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量及產(chǎn)甲烷潛力均顯著高于常規(guī)稻田，其中產(chǎn)甲烷菌數(shù)可相差數(shù)倍，差異大的甚至可高出2個數(shù)量級。這可能是由于雜交稻的根系較發(fā)達、根系分泌物較多有利于產(chǎn)甲烷菌的生長所致。但轉(zhuǎn)Bt基因水稻對淹水土壤和水稻根際產(chǎn)甲烷菌都沒有顯著性影響[17]。

4 水分管理

田間水分管理顯著影響著土壤產(chǎn)甲烷菌的生長。與深水灌溉相比，干濕灌溉的稻田土壤產(chǎn)甲烷菌數(shù)量明顯較少[7]；降低地下水位也可以減少稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量[18]。閔航等[19]研究發(fā)現(xiàn)不同灌溉條件下，土壤產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的波動幅度相對較大，地下水位的高低對施用化肥的土壤中產(chǎn)甲烷菌的豐度影響不顯著，但高地下水位（-20 cm）與低地下水位（-80 cm）相比，能顯著提升施常量有機肥土壤中產(chǎn)甲烷古菌的豐度[18]。

5 肥料管理

與有機肥相比，施用化肥可以減少稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量，同時施用硝酸鹽能顯著降低土壤產(chǎn)甲烷菌的豐度。陳美慈等[13]研究發(fā)現(xiàn)施肥能改變土壤產(chǎn)甲烷菌的群落組成和豐度，且施有機肥的效果比施無機肥更明顯。Bao[20]發(fā)現(xiàn)稻稈還田能增加稻田土壤（特別是粉沙壤土）產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和種類。Adrian等[21]認為施用腐熟的糞便能增加產(chǎn)甲烷菌的基因豐富度，Nguyen[22]也認為施用腐熟的豬糞能增加土壤中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和群落組成。施牛糞和施菜餅的水稻田土壤中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量均顯著高于施氯化鉀的水稻田[23]。趙曉萌[24]發(fā)現(xiàn)紫云英和黑麥草鮮草翻壓還田雖然不能對產(chǎn)甲烷群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生決定性影響，但比施用尿素能更明顯地提高雙季稻（一年）稻田根際土壤中產(chǎn)甲烷菌群落的Shannon-Weiner指數(shù)和豐富度指數(shù)，而在水稻生長的各個生育時期，產(chǎn)甲烷菌群落的Shannon-Weiner指數(shù)都是紫云英翻壓還田和黑麥草翻壓還田大于施用尿素或不施氮肥的土壤。另外，徐婷婷[18]發(fā)現(xiàn)添加硝酸鹽能顯著降低土壤中產(chǎn)甲烷菌的豐度。

徐曉宇等[25-26]發(fā)現(xiàn)“克螟稻”秸稈還田雖然能在短期內(nèi)對土壤產(chǎn)甲烷菌的生長及其產(chǎn)甲烷活性和多樣性產(chǎn)生不利影響，但在還田后42～84 d能提高土壤產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷活性和多樣性。另外，與親本（秀水11號）秸稈還田相比，“克螟稻”秸稈還田7～28 d時對稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的Shannon指數(shù)和ismpson指數(shù)有抑制作用，而在42～84 d內(nèi)對此有促進作用[26]。任馨[27]認為在實驗室條件下，與親本相比，“克螟稻”秸稈對淹水土壤微生物沒有明顯的長期負面影響，只是在培養(yǎng)初期“克螟稻”秸稈的添加顯著增加了淹水土壤中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量，但在培養(yǎng)后期這種顯著性差異會逐漸消失。

6 病蟲草害防治

甲胺磷對稻田土壤產(chǎn)甲烷菌表現(xiàn)為促進作用，苯噻草胺、丁草胺、呋喃丹等對稻田土壤產(chǎn)甲烷菌均表現(xiàn)為低濃度促進高濃度抑制，而多菌靈、乙草胺、二氯喹啉酸等對稻田土壤產(chǎn)甲烷菌表現(xiàn)為抑制作用。

杜宇峰等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在濃度≤0.2 μg/g時，苯噻草胺的施用濃度越高，越能促進產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的增加；但當其濃度＞0.2 μg/g時，其對產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量具有明顯抑制作用。呋喃丹和丁草胺也有類似的作用，當施用濃度為1.0 mg/kg（干土，下同）時，藥后7 d對產(chǎn)甲烷菌表現(xiàn)為促進作用，能分別使產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量增加1.35倍和1.30倍；當施用濃度大于10 mg/kg時，對產(chǎn)甲烷菌表現(xiàn)出顯著的抑制作用，7 d時抑制作用最明顯，且隨著濃度的增加，其對黃松稻田土壤產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的抑制作用越大[29]。當甲胺磷施用濃度≤1.0 mg/kg時，能使產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量增加0.2～44.1倍，且隨著藥劑濃度的增加，刺激產(chǎn)甲烷菌的生長繁殖作用逐漸增強[8]；當甲胺磷的濃度在0.1及0.2 mg/L時，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量在17 d恢復(fù)到正常，而在0.5及1.0 mg/L的較高濃度下，恢復(fù)時間需要31 d[30]。

當呋喃丹濃度為10 mg/kg時，7 d時對產(chǎn)甲烷菌的抑制強度達62%；而當其濃度達到50 mg/kg時，7 d時產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量只有對照水稻田土壤的7%[29]。當乙草胺濃度在0.1～1.0 mg/kg范圍時，藥后7 d內(nèi)產(chǎn)甲烷菌的生長受到抑制，數(shù)量下降了50%～99%，且這種現(xiàn)象隨著藥劑濃度的增加而趨于明顯，但隨著施藥時間的延長，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量及其活性又會逐漸恢復(fù)至原有水平[8]。當多菌靈濃度分別為0.5、10、50 mg/kg時，藥后7 d對土壤中產(chǎn)甲烷菌的抑制強度分別為50%、80%和95%，但隨著時間的延長，水稻田土壤的多菌靈含量逐漸下降，抑制作用也逐漸減弱，藥后28 d時，產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量基本恢復(fù)至對照水平[29]。

除草劑二氯喹啉酸對水稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的抑制作用較強，當其施用濃度為1和2 μg/g時，對產(chǎn)甲烷菌抑制率在藥后第5天就分別達到60.5%和72.9%，而且施用濃度越髙，抑制作用越強[31-32]。同時，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量與二氯喹啉酸施用濃度之間符合Logistic模型，y=8.346 7/[l+exp(-3.078 8+2.360 9x)]，R2=0.924 7。當二氯喹啉酸的施加濃度為1 μg/g時，直到第5周產(chǎn)甲烷菌才略有回升，但抑制率仍達42.7%。這說明髙濃度二氯喹啉酸對水稻田土壤中產(chǎn)甲烷菌毒性較大，持續(xù)時間較長[31-32]。

7 小 結(jié)

除二氧化碳以外，產(chǎn)甲烷菌活動產(chǎn)生的甲烷氣體也是溫室氣體的重要組成部分。研究表明，稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量與稻田甲烷氣體的排放存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，而農(nóng)藝措施必然會影響稻田土壤中產(chǎn)甲烷菌的生長與活動。因此，深入了解農(nóng)藝措施對稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的影響對溫室氣體減排意義重大。從農(nóng)田管理的角度綜述了近年來國內(nèi)外學(xué)者對稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的研究成果，發(fā)現(xiàn)耕作模式、水分管理、肥料管理、病蟲草害防治等操作都會對稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和（或）種群產(chǎn)生影響。其中，旱作、水—旱輪作、施用化肥等能在一定程度上減少稻田土壤產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量。這表明采取適當?shù)剞r(nóng)藝措施可降低稻田土壤中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量，從而在一定程度上緩解全球溫室效應(yīng)。

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（責任編輯：成 平）

Advances in Effects of Agronomic Measures on Methane Production in Paddy Soils

DU Peng1，WU Jia-mei2,3，CHEN Yue-jin1，JI Xiong-hui3,4
（1. Hunan University of Humanities, Science and Technology, Loudi 417000, PRC; 2. Hunan Soil and Fertilizer Research Institute, Changsha 410125, PRC; 3. Key Laboratory of Agro-Environment in Midstream of Yangtze Plain, Minister of Agriculture, Changsha 410125, PRC; 4. Hunan Institute of Agro-Environment and Ecology, Changsha 410125, PRC）

The paper was found that many management practices (tillage model, water management, fertilization, pest control and so on) affected the amount or population of methanogens in paddy fi eld based on domestic and overseas research results of methanogens in paddy soil in the recent years, and rice cultivation in aerobic soil condition, paddy-upland rotation and application of chemical fertilizer could reduce the amounts of methanogens in paddy soil. The results were that appropriate management measures can reduce the number of methanogens in paddy soils and alleviate the global greenhouse effect.

methanogenic bacteria; agronomic measures; paddy soil; methane emission; review

X171

：A

：1006-060X（2017）07-0117-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.007.032

2017-04-21

國家自然科學(xué)基金（31300413）；國家科技計劃（2013BAD 11B02）；湖南省自然科學(xué)基金（2017JJ2146）

杜 彭（1992-），男，湖南雙峰縣人，碩士研究生，主要從事作物學(xué)研究。

紀雄輝