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研究的工作者參考。

關鍵詞：稻田；甲烷（CH4）排放；管理措施

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

氣候變暖早已成為全球關注的焦點，甲烷（CH4）被認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業和化石燃料的使用。有研究分析，中國農業活動產生的CH4占全國CH4排放量的50.15%[2]，CH4對全球的增溫貢獻率達到了14.3%[1]， 稻田是CH4的重要排放源。據國家統計局的數據顯示，當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、施肥管理等方面進行討論，未見有對稻田管理措施進行綜合論述的。本文查閱近15年的文獻資料，結合水稻品種、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排放和水稻的產量產生一定影響，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進行24 h監測，發現除連作晚稻的雜交稻田比常規稻田高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排放量低于常規稻和雜交稻，雜交稻CH4排放量低于常規稻。馬永躍等[9]也對常規稻與超級稻的CH4排放量進行了分析，發現在整個水稻種植期，超級稻稻田平均CH4排放通量比常規稻稻田約減少3.6%。造成上述結果的原因可能是產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，所以出于綜合經濟效益與環境因素考慮，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，發現與翻耕施肥相比，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行研究，發現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減少稻田土壤的耕作強度，以達到減少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]研究發現相對于常規的水育秧，旱育秧方式不僅顯著降低CH4排放，還提高了秧苗素質和生長性狀。張岳芳等[16]對人工和機器插秧下CH4排放進行了田間觀測，結果表明，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排放通量進行分析發現，水稻全生育期CH4排放通量與水稻根系活力之間呈正相關，直播稻根系活力強于移栽稻，大田生長期直播稻CH4季節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，結果卻截然相反，他們發現連續2年直播稻的CH4排放量都小于移栽稻。造成上述試驗結論不一致的原因，還有待進一步研究查證。王玉英等[19]檢測了水稻強化栽培體系的CH4排放通量，結果表明，強化栽培比常規栽培CH4排放總量明顯降低了3.0%～28.7%；此外還發現強化覆膜栽培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，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。韓廣軒等[20]在冬水田采用常規栽培與強化栽培兩種方式進行水稻種植，結果表明強化栽培稻田CH4平均排放通量比常規栽培稻田低19.0%，且強化栽培稻田水稻產量比常規栽培稻田高40.0%。種植水稻時，可以根據實際情況與經濟效益適當降低栽插密度，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CH4的排放，其中在水稻全生育期內，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塊試驗田分別進行不同處理，結果表明，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，結果表明秸稈區CH4平均排放通量和累積排放量較大。侯曉麗等[24]研究發現秸稈直接還田產生的CH4最多，秸稈原位焚燒產生的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中CH4排放規律，促進了稻田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，結果發現冬季覆蓋作物還田明顯提高了稻田的CH4排放量。徐華等[28]認為，土壤冬作季節前施用稻草對溫室效應的貢獻小于水稻移栽前施用稻草，與冬作季節前施用稻草相比，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，應盡量減少秸稈還田，也可在冬季作物季節前施用秸稈，或將秸稈原位焚燒，以達到減少稻田CH4排放的目的。

4.2 糞肥沼渣還田

秸稈還田是促進了稻田的CH4排放，糞肥還田也對CH4的排放產生一定影響，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，發現施用菜餅處理（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。陳葦等[31]對早晚稻設置了一致的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]對水稻生長期內不同有機、無機肥配施雙季稻田CH4排放通量進行觀測，發現豬糞堆肥（豬糞堆肥代替20%化學氮肥）和沼渣沼液處理（沼渣沼液肥代替20%化學氮肥）的CH4全年累積排放量比豬糞處理（豬糞肥代替20%化學氮肥）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，可見豬糞經過發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現，同施用稻草相比，施用經過發酵處理豬糞的稻田CH4排放較少。為了保持或增加土壤肥力和水稻產量，用經過發酵處理的糞肥代替未經處理的糞肥和秸稈進行還田，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]在育苗試驗中發現，與施有機氮肥相比，施用無機氮肥分別減少了常規水育秧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]發現稻田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、張廣斌等的試驗結論與上述試驗結果相反，蔡祖聰等[37]認為水稻整個生長季節CH4排放量隨施氮量增加而減少，呈高度負相關。焦燕等[38]選取3種不同土壤研究CH4季節性累積排放量發現，3種土壤的CH4排放量隨氮肥施入量的增加，均表現為降低趨勢。楊光明等[39]試驗設置了低氮施肥處理和高氮施肥處理，兩個處理的CH4季節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，施用尿素降低稻田CH4排放量。綜上所述，各試驗結論不相同，研究[38，40]表明CH4的排放受CH4產生潛力和氧化潛力的影響，而不同土壤的氨態氮含量的不同，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]進行了鐵爐渣對稻田CH4減排的相關試驗，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置不同梯度，證實鐵爐渣的施加降低了CH4產生量和排放通量。從其兩人的研究結果來看，鐵爐渣是一種有效的CH4減排改良劑。另外，ALi等[43]在孟加拉農業大學農場進行的田間試驗中發現，在連續和斷續灌溉下，施用磷石膏和硅肥分別降低了稻田的季節性CH4排放通量25%～27%和32%～38%。可見在稻田中，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CH4排放變化的主要因素，稻田CH4排放主要集中在持續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個稻田土壤樣品進行培養測定，證實稻田淹水處理顯著促進了CH4的排放。稻田水位的深淺直接影響稻田無氧區域的大小，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CH4排放的峰值，對稻田相關環境因素的分析表明，CH4排放通量與田間水層厚度呈正相關，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避免低水位。

6.1 間歇灌溉

間歇灌溉是科學的灌溉方式，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，發現烤田使種稻土壤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]研究發現，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排放的影響至關重要，與正常灌溉相比，節水栽培的CH4排放量大幅度降低[36]。彭世彰等[49]對稻田CH4的排放進行原位觀測，結果表明，控制灌溉條件下的土壤脫水-復水過程對稻田CH4季節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灌溉稻田，排放總量較常規灌溉稻田減少81.2%～82.8%。魏朝富等[50]和江長勝等[51]一致認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含量比傳統淹水灌溉低28.6%，水旱輪作稻田CH4排放通量比常規冬水田要低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]對華南地區覆膜旱種稻田的CH4排放進行了監測分析，結果表明，常規水田的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現，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。可見水稻種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，但關于直播和移栽水稻的CH4排放的差異，試驗結論則不一致，具體原因還有待進一步研究。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果，在稻田管理中采取適當的管理措施可以有效地減低CH4的排放量。在不影響稻田產量的前提下，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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（責任編輯 潘 峰）