长期施肥下稻田甲烷排放的研究进展

林 诚， 王 飞， 何春梅， 李清华， 李 昱

(福建省农业科学院土壤肥料研究所，福建福州 350013)

施肥既是保证作物高产的基础，又是影响稻田温室气体排放量的重要田间管理措施。长期定位施肥是研究肥料对土壤影响的最佳方式。因此，研究长期不同施肥制度对稻田温室气体排放的影响可以为减少农田甲烷(CH4)排放提供理论依据。笔者综述了国内外长期施肥条件下稻田CH4排放的研究进展，为进一步开展稻田CH4排放控制的施肥管理措施研究寻找依据。

1 长期施肥对稻田CH4排放的影响

1.1长期施用有机肥对稻田CH4排放的影响目前，长期试验中施用有机肥的种类较多，常用的包括作物秸秆、绿肥、堆肥、厩肥、沼渣肥等。施用有机肥可促进稻田CH4排放，其程度取决于有机物的成分和性质[1]。吕琴等[2]研究表明，长期施用有机肥能显著增加稻田的CH4排放通量，特别是当有机肥和无机肥配合施用时，土壤CH4排放通量显著高于单施有机肥或无机肥。王增远等[3]研究表明，施猪粪的CH4效应最大，其次是施稻草和牛粪。大量研究证明，施用“新鲜”有机肥会促进稻田CH4的排放，原因是有机肥能为产CH4菌提供丰富的能量来源和反应底物[4]。沼渣肥对稻田CH4排放的影响要大大低于新鲜有机肥，原因在于沼渣经过长时间发酵后有机肥中易分解的成分生成沼气而挥发，因此产CH4基质减少，土壤中CH4产生量较低[1]。秦晓波等[5]研究认为，长期化肥配施稻草处理的早、晚稻CH4排放量大于化肥配施猪粪处理，特别是晚稻化肥配施稻草CH4排放量为化肥配施猪粪的252%。国外许多原位试验表明,施用稻草可显著增加土壤CH4的排放量,例如在意大利、日本和菲律宾等地，施用秸秆的土壤CH4排放量增加2～9倍[6]。虽然秸秆还田作为氮肥投入可以抑制CH4的吸收，但氮素含量较低，因此抑制作用甚微；另一方面，秸秆还田可以增加土壤有机碳含量，就相当于丰富产CH4的基质，因此抑制吸收和促进生成的双重作用使得秸秆还田显著增加CH4排放[7]。吴家梅等[8]认为，有机肥对稻田CH4排放的影响程度与其C/N比值有直接关系。有机肥的C/N越高，稻田产CH4潜力和排放能力越大。

蒋静艳等[9]研究发现，稻田CH4排放量随着有机肥施用量的增加而增加。荣湘民等[10]在早稻长期定位试验中发现增施有机肥可提高CH4的排放量，秸秆全部还田处理高于部分秸秆还田处理，但施用高量稻草则不再增加CH4的排放。但是，有机肥用量和CH4排放量之间并不呈简单的线性关系。Schütz等[11]研究表明，当稻草施用量为12 t/hm2时，CH4排放量是不施用稻草CH4排放量的2倍，但当稻草施用量增加时，CH4的排放量不再增加。

1.2长期施用化肥对稻田CH4排放的影响众多研究表明，稻田施用化肥的CH4排放量明显低于施用有机肥。化肥的施用对稻田CH4排放量的影响有很多的报道，但是不同种类的化肥对土壤CH4排放的结果不一致。有研究表明，施用硫酸盐能提高土壤的氧化还原电位(Eh)，且其还原产生的S2-对产CH4菌有毒害作用，从而降低土壤CH4的生成。尿素等化肥施用可通过促进植物生长和光合作用来增加植物根系的分泌物，提供产CH4基质，增加稻田CH4排放[12]。上官行健等[13]在尿素施用对CH4排放影响的研究中认为，尿素施用对CH4排放无影响或可以减少CH4的排放[13]。Wassmann等[14]研究表明，同是无机肥，施用相同量的硫酸铵处理CH4排放量小于尿素处理。吕琴等[2]在黄松稻田上的研究发现，单施氮肥、氮钾肥处理CH4排放通量低于不施肥、不耕作，而NPK处理的CH4排放通量高于长期不施肥处理，虽然尿素能抑制土壤的好氧CH4氧化活性，但是一定量的磷和钾能促进土壤的CH4氧化活性，因而混合施肥后，钾或磷能缓解由尿素引起的抑制作用。Liu等[15]进行了有机肥、化肥单施及配施试验后发现，单施有机肥处理的CH4排放最高，单施化肥处理CH4排放最低，而有机肥与化肥配施甲烷排放通量虽高于单施化肥处理，但比单施有机肥降低，同时有机无机肥配施水稻产量得到大幅度的提高。

目前关于化肥施用量与CH4排放的关系并不明确，例如一方面施用硫铵后SO42-还原产生的S2-可抑制CH4的生成，另一方面NH4-N对土-水界面CH4氧化的抑制作用将增加CH4向大气的排放量，因此施用硫铵对CH4有正负效应[16]，而影响该效应还与多种土壤环境因子有关。

2 长期施肥下环境因子对稻田甲烷排放的影响

影响稻田CH4排放的环境因子主要集中在土壤温度、水分、Eh、pH。一般来说，大多数情况下CH4产生的最适温度在30～40 ℃[17],在这个温度范围外,土壤微生物活性会受到抑制，因此温度过高或过低土壤CH4的排放都会受到影响，而在稻田土壤上CH4排放的日变化规律与土壤温度有较高的相关性[18]。在稻田淹水后，土壤中缺氧增强土壤中产甲烷菌活性，促进CH4的形成，但水层的加深也使得土壤中已产生的CH4在通过气泡或扩散形式穿越水层时，被氧化掉的量增大，从而减少CH4向大气中的排放[19]。蔡祖聪等[20-21]研究表明，良好的排水管理可有效地减少后续水稻田CH4排放量,烤田也能明显减少水稻田CH4排放量。此外，土壤的pH、Eh等对稻田土壤CH4排放均有不同程度的影响。土壤pH通过影响微生物活动而影响土壤有机碳的分解矿化[22]，而大多数CH4产生菌活性在中性或稍碱性的环境中最佳,酸性土壤的CH4产生量仅有中性土壤的25%,较低的Eh促进CH4产生菌活性的提高,大大提高CH4的生成和转化[23]。

3 长期施肥对产甲烷菌、甲烷氧化菌的影响

对稻田CH4排放机理的研究主要集中在产甲烷菌和甲烷氧化菌上。稻田CH4排放是在产甲烷菌、甲烷氧化菌综合作用下的结果。产甲烷菌是一类能够将无机化合物或有机化合物厌氧发酵转化成CH4和CO2的古细菌[24]。全球CH4的排放量每年约500 t,其中74%是由产甲烷菌代谢产生的[25]。陈中云等[26]研究发现，厌氧环境和CH4形成基质的提供是CH4细菌种群发育的首要条件。有研究表明，施用有机肥料(腐熟牛粪或菜饼)能促进土壤中产甲烷菌数量的增加[27-28]，若无外源有机质输入,植物根系活力将成为最重要的CH4产生因素[29]。陈美慈等[30]发现，早稻土生长前期的产甲烷菌数量较后期低2～3个数量级，而晚稻土在生长中期土壤中产甲烷菌数量略高于生长前期和后期。赵英等[31]对早稻、晚稻各生长时期土壤中产甲烷菌进行计数分析，发现分蘖期、孕穗期土壤中产甲烷菌数量达到最高。Masscheleyn等[32]认为,在大部分情况下,当稻田土壤Eh高于-150 mV时,产甲烷菌的活性将受到抑制。但是，也有研究发现从表层到18 cm深的土壤Eh均可适应产甲烷菌的生长发育，其中5～13 cm深的土壤产甲烷菌数量最多[33]。另外，大多数产甲烷菌的最佳繁殖温度为30～40 ℃。在稻田生态环境中，土壤温度一般低于35 ℃，在这样的条件下温度上升会增加CH4的产率[34]。

甲烷氧化菌是以CH4为生长的唯一碳源和能源的微生物。据估计，稻田产生的内源CH4在排向大气之前有50%～90%在根际和土-水界面被重新氧化，因此甲烷氧化菌对于稻田CH4的减排有重要的作用。目前，关于长期施用有机肥对土壤氧化CH4的能力报道不一。Hütsch[35]报道，长期在旱地中施用农家肥会显著降低土壤对CH4的氧化。英国洛桑实验站的试验表明，有机肥的长期施用(140年)对土壤氧化CH4的能力没有任何影响[36]。但，有研究表明，有机肥长期施用可增加土壤对CH4的氧化能力[2,37]。因此，Gulledge等[38]认为，肥料对土壤CH4的氧化有长期效应和短期效应。短期效应可能是基质竞争引起的氧化能力下降，而长期施肥可能引起甲烷氧化菌群落结构的改变。Seghers等[37]报道，在施用纯化肥的处理中CH4氧化能力显著降低。Castro等[39]认为，施用尿素后土壤中氧化大气CH4的优势种群由原来的甲烷氧化菌变成硝化细菌，使得甲烷氧化菌数量减少，功能受到抑制。郑聚锋等[40]对长期不同施肥下水稻土的研究中发现，长期单一施用氮肥为主的化肥显著降低土壤对CH4的氧化能力,同时显著降低稻田土壤甲烷氧化菌的多样性和丰富度。Le Mer等[41]研究表明，土壤甲烷氧化菌活性与田间持水量有关，当土壤含水量低于田间持水量时，其活性随含水量的增加而增加，当超过时其活性随含水量的增加而降低。蔡祖聪等[42]认为，甲烷氧化菌比产甲烷菌有更广的温度适应性，且忍受低温能力更强，CH4氧化的最适温度为35 ℃,当温度超过40 ℃或低于12.5 ℃时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进展，而不同施肥措施、环境因子对稻田CH4排放的影响仍存在争议，尤其是施肥对稻田CH4排放的影响存在短期效应和长期效应。施肥管理措施对CH4排放的影响归根结底是施肥管理措施变化引起土壤特性变化及相应的CH4相关菌群活性变化的结果。因此，有必要开展施肥措施对稻田CH4排放的联合影响研究，并从CH4产生、排放整个过程阐明其机理。利用仪器与手段准确监测土壤特性、CH4相关菌群的同步动态变化，系统深入地了解长期不同施肥下CH4排放关系及其机理。

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