稻田甲烷排放的微生物学机理及节水栽培对甲烷排放的影响

余锋 李思宇 邱园园 卓鑫鑫 黄健 汪浩 朱安 刘昆 刘立军

稻田甲烷排放的微生物学机理及节水栽培对甲烷排放的影响

余锋 李思宇 邱园园 卓鑫鑫 黄健 汪浩 朱安 刘昆 刘立军*

(扬州大学 江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏 扬州 225009；*通信联系人，E-mail: ljliu@yzu.edu.cn)

全球变暖是当前亟需解决的环境问题之一。甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，其中稻田甲烷排放约占全球甲烷排放的10%～30%。稻田甲烷的产生与氧化是决定稻田甲烷排放的关键，其过程是在相关微生物参与下完成的，受多种环境条件影响。水分管理直接影响稻田土壤的通气状况，并对土壤微生物活动产生影响，从而直接或间接影响稻田甲烷的产生与排放。本文综述了稻田甲烷产生与排放的微生物学机理，并总结了干湿交替灌溉等常用节水栽培方式对稻田甲烷排放的影响。同时提出未来研究的重点方向。

水稻；甲烷；微生物学机理；节水栽培

温室气体过度排放造成的全球变暖是当今人类社会面临的主要环境问题之一。甲烷(CH4)是仅次于二氧化碳(CO2)的第二大温室气体，对全球温室效应的贡献达到20%[1]。尽管大气中CH4的浓度远远低于CO2，但在100年尺度上，CH4的全球增温潜势(Global warming potential, GWP)是CO2的28倍[2]。其中，稻田是CH4的重要排放源之一，有研究表明全球CH4排放约有10%～30%来自稻田[3-4]。因此，降低稻田CH4排放对于缓解全球变暖有积极意义。

稻田CH4从产生到排放要经历三个阶段，即CH4的产生、氧化和排放[5]。其中，稻田CH4的产生与氧化过程均是在土壤微生物的参与下进行的，而约90%的CH4通过水稻的通气组织排放到大气中，少部分以冒泡和液相扩散的方式进入大气[6-7]。上述三个阶段都是影响稻田CH4排放总量的关键环节。

水稻作为耗水作物，其灌溉用水约占农业灌溉用水的60%～70%[8]。传统淹水漫灌的栽培方式不仅极大地浪费了水资源，而且还导致了氮素流失、环境污染以及甲烷排放增加等环境问题[9-10]。在传统水稻栽培的基础上发展形成了多种节水栽培方式，如干湿交替灌溉(alternate wetting and drying irrigation, AWD)、控制灌溉、水稻覆盖旱种和间隙灌溉等[11]。上述节水栽培方式不仅能有效降低灌溉水用量，同时也对稻田土壤微环境及稻田CH4减排有积极作用[12]。随着全球变暖的加剧，以及人们对于环保的重视，水稻生产上高产、优质与低碳的生产方式备受科研人员的重视。科研工作者在稻田CH4产生与排放的机理，以及降低稻田CH4排放的措施等方面做了大量的工作。本文基于稻田CH4产生与氧化的微生物学机理，综述了目前水稻栽培中常用的几种节水栽培方式对稻田CH4排放的影响，并对未来稻田低碳减排的研究工作提出几点展望。

1 稻田甲烷产生与排放的微生物学机理

稻田CH4净排放量由稻田中CH4产生与氧化的差值决定[13]。研究发现，大气中约有70%的甲烷来自生物过程[14]。稻田产生的CH4由产甲烷菌在严格厌氧条件下生成[15]。但有研究发现，CH4产生后约有80%在根际土壤被甲烷氧化菌氧化，只有少部分排放到大气中[16]。

1.1 稻田甲烷产生的微生物学机理

1974年Bryant首次提出了产甲烷细菌一词，从系统发育来看，产甲烷细菌属于严格的厌氧产甲烷古菌[17]。产甲烷古菌种类众多，但它们都有一个共同的特征，即都是CH4的生产者。根据现有研究，已确定的产甲烷古菌可分为7目，分别为甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷球菌目(Methanococcales)、甲烷火菌目(Methanopyrales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)、甲烷微菌目(Methanomicrobial)、甲烷胞菌目(Methanocellasles)和热原体目(Methanomassiliicoccales)[18-20]。而稻田产甲烷菌主要是甲烷胞菌目、甲烷杆菌目、甲烷八叠球菌目和甲烷微菌目[21]。

CH4的微生物合成途径依据利用底物的不同可分为三条途径，分别为乙酸盐途径、H2/CO2途径和含甲基途径，其利用底物分别为乙酸、H2/CO2和含甲基类化合物，过程分别如下[22]：

乙酸盐途径，CH3COOH→CH4+CO2；

H2/CO2途径，CO2+4H2→CH4+2H2O；

含甲基途径，CH3OH→CH4+H2O；

乙酸盐途径中，乙酸活化成为甲基化合物后在甲基辅酶M还原酶(Mcr)的作用下还原成CH4。H2/CO2途径则是CO2首先在甲酰甲烷呋喃脱氢酶的作用下还原成甲酰基，生成的甲酰基则与四氢甲烷蝶呤(H4MPT)结合，随后与H4MPT结合的甲酰基逐步被还原成次甲基、亚甲基和甲基，生成的四氢甲烷蝶呤甲基在甲基四氢甲烷蝶呤甲基转移酶(Mtr)的作用下，将甲基转移到还原态的辅酶M(HS-CoM)上，最后在Mcr的作用下生成甲烷。而含甲基途径实则是一种歧化反应，4份含甲基化合物在Mtr和Mcr的作用下1份被氧化成CO2，另外3份被还原成甲烷[23]。尽管三种途径产甲烷代谢机制有所不同，但三种途经最后都需要在Mcr的催化下生成CH4。

研究表明，以乙酸为底物的微生物甲烷合成途径是CH4产生的主要途径，产生的CH4约占70%～90%，而以H2/CO2途径和含甲基途径转化而成的CH4只占10%～30%[21, 24]。能利用乙酸盐途径的产甲烷菌均属于甲烷八叠球菌目，多数产甲烷菌均可以利用H2/CO2途径，只有少数产甲烷菌能利用含甲基途径合成甲烷[25]。不同产甲烷古菌目的代谢特征见表1[18-21]。

表1 不同产甲烷古菌目代谢特征

表2 好氧甲烷氧化菌分类及代谢途径

1.2 稻田甲烷排放的微生物学机理

稻田排放的CH4是未能被甲烷氧化菌氧化的部分。而甲烷氧化菌是一类以甲烷为唯一碳源和能源的好氧细菌，并于1906年被首次分离出来[26-27]。甲烷氧化菌在自然界中分布广泛，在江河、湖、海、沼泽以及稻田均有它们的身影，即使在极端条件下也有发现甲烷氧化菌的存在[28-30]。目前已发现的好氧甲烷氧化菌可以分为2个门，分别为变形菌门和疣微菌门，其中变形菌门广泛分布在自然界中，而目前已分离出来的疣微菌门菌较少[28]。目前，只从极端的环境中分离出3株嗜酸嗜热的疣微菌门甲烷氧化菌，分别是和[26]。稻田等自然湿地中主要以变形菌门为主[31]。根据甲烷氧化菌的形态、代谢途径、膜类型、主要磷酸脂肪酸类型、特征酶和DNA中鸟嘌呤与胞嘧啶的含量(GC)等特征，可将传统好氧甲烷氧化菌分为Ⅰ型、X型和Ⅱ型3种类型。其中，Ⅰ型甲烷氧化菌包含甲基单胞菌属()、甲基杆菌属()、甲基微菌属()、甲基球形菌属()、甲基热菌属()、甲基盐菌属()、甲基八叠球菌属()和甲基苏玛菌属()；X型包含甲基暖菌属()和甲基球菌属()；Ⅱ型包含甲基弯曲菌属()、甲基胞囊菌属()、甲基帽菌属()、甲基阿魏菌属()和甲基细胞菌属()[26,28-32]。Ⅰ型和X型甲烷氧化菌同属于变形杆菌纲的γ亚纲，代谢途径都是5-磷酸核酮糖途径(RUMP pathway)，但X型甲烷氧化菌较Ⅰ型相比生长最适温度较高，且存在少量丝氨酸途径(Serine pathway)，DNA中GC含量较高；Ⅱ型甲烷氧化菌属于α亚纲，代谢途径都是丝氨酸途径[33]。表2总结了好氧甲烷氧化菌的分类及代谢途径。

甲烷氧化菌参与的甲烷氧化是一个生化过程，其中一个关键酶是甲烷单加氧酶(Methane monooxygenase，MMO)[34]。MMO在细胞中有两种表现形式，一种是存在于细胞质中的可溶性甲烷单加氧酶(Soluble methane monooxygenase，sMMO)；另一种是与细胞膜结合的颗粒状或膜结合甲烷单加氧酶(Particulate methane monooxygenase，pMMO)。这两种形式的甲烷单加氧酶在底物选择上存在特异性。pMMO只能专一地氧化一些短链化合物，而sMMO的底物选择更加广泛，不仅能氧化烯烃类化合物也能氧化芳香族化合物[35]。CH4生物氧化过程的第一步是甲烷在MMO的催化下氧化为甲醇，生成的甲醇在甲醇脱氢酶(MDH)的催化下生成甲醛。而生成的甲醛一部分用于丝氨酸循环或磷酸戊糖途径，合成其他化合物；另一部分又在甲醛脱氢酶的作用下生成甲酸，而甲酸在甲酸脱氢酶的作用下彻底氧化为H2O和CO2，同时伴随着还原性辅酶NADH的大量生成，用于甲烷氧化的第一步[26]。

1.3 影响稻田甲烷产生菌功能及结构的因素

产甲烷古菌是厌氧生物，只能生存在无氧或低氧环境中，氧浓度的改变也会影响产甲烷古菌的群落结构以及代谢过程[36-37]。研究发现，环境中的产甲烷古菌群落丰度和产甲烷量随着氧浓度的降低而增加，而在高氧条件下产甲烷古菌的代谢活动甚至会被完全抑制[38-39]。此外，产甲烷古菌对温度变化反应敏感，不同类型的产甲烷古菌的生长最适温度不同[40]。温度不仅影响相关微生物的群落构成，还可影响微生物体内生化过程中的相关酶活性，进而影响微生物功能[41]。根据生长最适温度可将产甲烷菌分为嗜冷菌(最适温度低于25℃)、嗜温菌(最适温度为35℃左右)、嗜热菌(最适温度为55℃)和极端嗜热菌(最适温度高于80℃)[42]。稻田生态系统中的产甲烷菌主要是嗜温菌，也有少量的嗜冷菌和嗜热菌[43-44]。土壤酸碱度(pH)也是影响产甲烷古菌群落结构以及活性的另一个重要环境因子。有研究发现，在pH较高的土壤中，乙酸盐途径是产甲烷古菌代谢的主要途径，而当pH较低时，H2/CO2途径则成为产甲烷菌代谢的主要途径[45-46]。陈美慈等[47]研究发现，不同土壤类型产甲烷菌数量不同，以近中性土壤黄松田产甲烷菌数量最多，而偏酸的老黄筋泥田和偏碱的涂沙田产甲烷菌数量较少。有研究表明施用氮肥会抑制稻田产甲烷菌和Ⅰ型甲烷氧化菌的生长[48-49]。但赵晓萌等[50]发现施肥可以提高水稻不同生育时期产甲烷菌的丰富度和多样性，且施用绿肥效果更明显。此外，有学者观察到，秸秆还田可增加土壤产甲烷菌群落的规模，且不同秸秆类型之间无差异[51-52]。微量元素也影响产甲烷菌功能与活性，如铁、钴、镍、铜、锌、硒、钼和钨都是多种产甲烷菌和功能酶的重要组成成分[53]。

1.4 影响稻田甲烷排放相关菌群功能及结构的因素

氧浓度对甲烷氧化菌的影响与产甲烷菌相反，但甲烷氧化菌只在一定氧浓度范围内保持较高的代谢活性，且不同甲烷氧化菌对氧浓度敏感程度不同[54]。不同的甲烷氧化菌生长耐受温度差异显著，但与产甲烷古菌相比，其对温度较不敏感，最适温度在25℃左右[25]。虽然在pH 2.8～8.0的条件下均能监测到甲烷氧化菌的存在，但是多数甲烷氧化菌适宜中性环境，其活性在较低的pH环境下均会降低[55]。此外，pH值变化可以改变微生物表面电荷，从而影响微生物对养分的吸收[56]。土壤质地和土壤水分均可通过影响土壤通气状况对土壤微生物的组成与代谢产生影响。此外，水分还是微生物的重要组成部分[57]。细菌发挥其功能的最低生理含水量为其细胞干物质量的2.33～5.66倍，而土壤含水量适当增加，则可以打破甲烷氧化菌的休眠状态使其转化为活化态[58]。施肥可以改变土壤微生物的群落结构与活性，土壤微生物对不同类型肥料的响应不同。有研究表明，单施生物炭肥可提高土壤中甲烷氧化菌的数量，在配施氮肥条件下能同时提高甲烷氧化菌和产甲烷菌的数量，但是对甲烷氧化菌的促进作用显著高于产甲烷菌[59]。邢亚薇等[60]发现，施用无机肥可显著提高土壤中甲烷氧化菌的丰度，且甲烷氧化菌对磷肥比较敏感，而施用有机肥对甲烷氧化菌数量无明显影响。

2 水稻节水栽培对稻田土壤微生物群落及甲烷排放的影响

水稻节水栽培较传统淹水栽培相比，主要体现在对稻田水分状况的改变，稻田水分状况又影响着土壤的通透性。大量研究表明，在水稻生育期内保持稻田定期落干可降低CH4排放[61-65]。其原因可能是土壤落干使含水率降低，改善了土壤透气性，从而对产甲烷菌、甲烷氧化菌、水稻植株和土壤氧化还原电位等产生不同影响，进而抑制稻田甲烷的产生并促进甲烷氧化[66]。

2.1 干湿交替灌溉对稻田土壤微生物群落及甲烷排放的影响

干湿交替灌溉是目前水稻栽培上推广应用最广泛的节水灌溉方式之一[67]，具体指在水稻生育进程中，保持田间一段时间内有水层，然后让其自然落干、再灌溉浅水层、再落干，保持土壤有水层与自然落干循环的一种灌溉方式[68]。有研究表明干湿交替灌溉可以提高土壤通透性，改善土壤理化性质，调节土壤微生物群落结构，增强水稻根系活力[69]。干湿交替灌溉下稻田土壤中好氧和厌氧微生物的响应不同，促进了稻田微生物群落的演替[70]。有研究发现干湿交替灌溉与常规灌溉相比，对稻田土壤中的产甲烷古菌种群丰度并无明显影响，但却显著改变了土壤中产甲烷菌的群落结构。群落结构的改变则主要影响甲烷产生的途径，常规灌溉稻田中的产甲烷菌以甲烷八叠球菌目为主，而采用干湿交替灌溉的稻田中则以甲烷胞菌目和Thaumarchaeota为主[71]。王楷等[64]发现，干湿交替灌溉下土壤中甲烷氧化菌数量多于常规灌溉，甲烷排放通量受甲烷氧化菌数量影响显著。有研究发现，干湿交替灌溉处理与常规灌溉相比可以降低稻田CH4排放，同时提高水稻产量。而稻田CH4排放降低的主要原因是干湿交替灌溉使土壤氧化还原电位上升，降低产甲烷菌丰度并提高甲烷氧化菌丰度[72]。尽管研究发现，干湿交替灌溉可有效降低稻田CH4排放，但实施时期和落干程度是影响减排效果和水稻产量的重要因素，如果选择不当会使减排效果不理想，甚至会降低水稻产量[73]。如Patikorn等[74]研究认为全生育期干湿交替灌溉可以降低23.1%的甲烷排放，同时通过提高分蘖成穗率增产2.42%；而由于降雨造成的不完整干湿交替灌溉尽管也能降低10.62%的CH4排放，但较浅水层灌溉相比，亦使水稻产量降低9.12%。李香兰等[64]观察到，施用穗肥后落干5 d再淹水5 d处理，甲烷减排效果优于落干3 d淹水3 d的处理。但由于干湿交替灌溉造成的土壤水势反复升高降低，也会导致稻田硝化与反硝化过程有规律地反复进行，在使稻田CH4排放降低40%～70%的同时，也增加了稻田N2O的排放[75]。

2.2 控制灌溉对稻田土壤微生物群落及甲烷排放的影响

水稻控制灌溉是指在水稻返青后的生育期中，依据土壤含水量而确定灌溉量的一种节水灌溉技术。控制灌溉的特点是从移栽到返青期只保持田间5～30 mm的浅水层，水稻返青以后根据水稻不同生育期的生理需水，以土壤含水量为衡量指标确定灌水。灌水的上限为土壤饱和含水量，下限依据不同生育期而定，保持土壤含水率为60%～80%。该技术国内最早由河海大学提出，国外也把控制灌溉称作调亏灌溉[76-77]。水稻返青后要求田面不再保持水层，故有利于稻田土壤与空气接触，可增强气体交换使得根系土壤含氧量增加，增强水稻根系活力[78-79]。

彭世彰等[80]研究发现，控制灌溉条件下稻田CH4排放呈单峰型，峰值出现在分蘖期前，且峰值较常规灌溉相比显著降低。此外，控制灌溉除使稻田CH4排放峰值与峰值次数有所降低外，也使水稻各生育阶段的CH4排放通量均低于常规灌溉，最终表现为水稻生长季甲烷排放总量降低83.5%。侯会静等[81]认为，稻田CH4排放通量与土壤氧化还原电位呈极显著负相关，且只有当稻田土壤氧化还原电位在−150～−100 mV时才会产生CH4的剧烈排放。但在控制灌溉条件下，土壤氧化还原电位≥−100 mV不适合稻田CH4的产生。王钧美等[82]的试验结果表明，控制灌溉稻田不同时期0～10 cm和10～20 cm土层中的产甲烷菌数量处于波动状态，总体上与淹灌稻田产甲烷菌变化规律类似，且相同时期两种灌溉模式下稻田产甲烷菌数量差异不显著；控制灌溉下稻田甲烷产生率显著低于淹灌稻田，不同土层间产甲烷速率差异显著，但是CH4产生率与产甲烷菌数量并无明显相关性，产甲烷速率受多种因素影响。

2.3 覆盖旱种对稻田土壤微生物群落及甲烷排放的影响

水稻覆盖旱种在我国干旱和水资源匮乏地区有较大的应用面积。覆盖旱种是一种利用地膜或者秸秆进行覆盖，以雨水灌溉为主，以人工灌溉为辅的节水种植技术[11,83]。

2.3.1 地膜覆盖旱种对稻田土壤微生物群落及甲烷排放的影响

水稻覆膜种植可使土壤保持适宜的含水率，且提高上层土壤温度，增加土壤微生物碳含量[84]。而有研究发现，微生物碳含量高的土壤，其甲烷氧化活性强[85]。蔡昆争等[86]发现，覆膜旱种使得土壤中微生物数量增加2～5倍，而且显著提高了根际微生物的活性。稻田土壤中其他微生物的增加加剧了其与产甲烷菌对土壤养分的竞争关系，减少产甲烷可利用底物，从而抑制稻田甲烷产生。胡国辉等[87]研究发现，与浅湿交替灌溉相比，水稻覆膜栽培使CH4排放峰值和甲烷排放量分别降低了43.5%和52.4%。分析影响稻田甲烷排放相关功能微生物丰度，发现水稻覆膜后土壤中产甲烷菌丰度显著降低，同时甲烷氧化菌丰度明显提高，且变化规律与稻田甲烷排放规律类似。张怡等[88]研究发现，水稻覆膜栽培后各生育期甲烷排放均低于常规栽培水稻，且在甲烷排放最高的孕穗期减排效果最显著，降幅达79%，水稻全生育期甲烷排放总量降低了86%；CH4排放降低的主要原因是覆膜改变了土壤通气状况，延长了CH4停留的时间，从而增加了CH4的氧化。

2.3.2 秸秆覆盖旱种对稻田土壤微生物群落结构及甲烷排放的影响

秸秆覆盖与地膜覆盖均具有增温保墒的功能，但是秸秆覆盖与地膜覆盖的区别在于其会增加稻田土壤有机质，提高土壤中碳氮含量[89]。此外，与常规灌溉相比，秸秆覆盖旱种稻田土壤脲酶及土壤蔗糖酶活性显著提高[90]。秸秆覆盖旱种可提高土壤肥力，但对稻田甲烷排放的影响研究结果并不一致。因秸秆覆盖旱种后，一方面提高了土壤透气性，另一方面也为土壤微生物提供了充足的养分。如李大明等[91]研究发现，秸秆覆盖旱作与传统淹水稻田相比，在提高了稻田土壤有机质含量和水稻产量的同时，也提高了稻田CH4排放量。但李曼丽等[92]观察到，旱作稻田中CH4排放量明显降低，且覆草旱作条件下，CH4减排最为显著。同样，刘芳等[93]发现，覆草旱作与常规灌溉稻田相比改善了土壤水分状况，显著降低了稻田CH4排放。

3 展望

3.1 加强长期节水灌溉下稻田甲烷排放与土壤养分流失的互补效应研究

目前大量试验验证了节水灌溉下CH4排放的短期效益，但长期定位试验较少。尽管节水灌溉在当季能显著降低稻田CH4排放，但是节水灌溉稻田硝化与反硝化过程反复进行，增加了氨挥发和N2O的排放，使得稻田土壤养分流失损耗，不利于土壤有机质积累，可能会使得后期肥料投入加大，增加农田投入。因此，今后应加强长期定位试验，探明长期节水灌溉下稻田CH4排放与肥料投入的综合效益。

作物收获后也会留下大量秸秆残茬，秸秆残茬中也保留了碳氮等可利用元素，还田后可增加土壤有机质含量。尽管秸秆还田能增加土壤肥力提高作物产量，但也存在如病虫害加重等问题。秸秆不合理还田还会导致温室气体排放增加。节水灌溉能降低稻田温室气体排放强度，而秸秆还田则增加了温室气体排放。但目前两种措施结合下对稻田相关微生物、土壤养分积累与温室气体排放互补效应仍不清楚，今后仍需要重点研究节水灌溉下秸秆还田量以及还田方式对土壤微生物、土壤肥力以及温室气体排放的影响，探究既能增加土壤有机质含量也能降低温室气体排放的组合方式。

3.2 加强对稻田甲烷厌氧氧化菌以及厌氧氧化过程的研究

CH4的厌氧氧化在淡水湖泊以及沼泽中已有较多发现。以往对稻田CH4的氧化研究多集中在有氧氧化过程，稻田甲烷厌氧氧化研究较少，目前这方面仍有许多值得深入研究。如稻田甲烷氧化的过程以及稻田中甲烷厌氧氧化菌的种类与分布。可以利用先进的分子手段富集培养稻田甲烷厌氧氧化菌，探索稻田甲烷厌氧氧化菌的代谢过程，明确稻田甲烷厌氧氧化的贡献，并关注不同的环境对稻田甲烷厌氧氧化的影响。

3.3 加强水稻根系分泌物对根际微生物影响的研究

前人的大量研究表明，稻田CH4排放与水稻根系性状关系密切，但多是在生理水平上解释其原因，根系性状究竟如何影响稻田CH4排放尚无明确定论。水稻根系是旺盛的吸收和代谢器官，从周围的土壤中吸收养分和水分供水稻生长，同时水稻根系还是强大的分泌器官，向根际分泌多种化合物。分泌的化合物不仅参与土壤结构形成、活化土壤养分、促进植物养分吸收和缓解环境胁迫等方面都具有重要作用，根系分泌物同样是根际微生物营养物质的主要来源，根际环境条件的改变必然会影响根系分泌物组成成分的变化，最终影响根际土壤微生物的群落结构。今后可以利用宏基因组、植物代谢组学等手段重点关注根系分泌物如何影响微生物群落结构。其次，目前对水稻根内影响甲烷排放的相关微生物研究甚少，水稻根系内是否有相关菌群的存在，以及对稻田CH4减排是否有影响，尚缺乏较为系统的研究。因此，今后要加强对根系内生菌方面的研究。

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Microbiological Mechanism of Methane Emission in Paddy Field and Influence of Water-saving Cultivation on Methane Emission

YU Feng, LI Siyu, QIU Yuanyuan, ZHUO Xinxin, HUANG Jian, WANG Hao, ZHU An, LIU Kun, LIU Lijun*

(Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Jiangsu Co-Innovation Centre for Modern Production Technology of Grain Crops, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China; Corresponding author, E-mail: ljliu@yzu.edu.cn)

Global warming is one of the urgent environmental problems. Methane is the second most important greenhouse gas after carbon dioxide, paddy fields account for about 10%–30% of global methane emissions. Methane emission from paddy fields is influenced by both methane production and oxidation, which involves relevant microorganisms and is affected by various environmental conditions. Water management has a direct impact on soil aeration and microbial activity, and thus directly or indirectly affects methane production and emission in paddy fields. In this paper, the microbiological mechanisms of methane production and emission in paddy fields were reviewed. The effects of water-saving cultivation methods, such as alternative drying and wetting irrigation, on methane emission in paddy fields were also summarized here. At the end of this article, key directions of future research were put forward for water-saving and methane mitigation in rice production.

rice; methane; microbiological mechanism; water saving cultivation

10.16819/j.1001-7216.2022.201202

2020-12-03；

2021-04-09。

江苏省农业科技自主创新资金资助项目[cx(18)3007]；国家自然科学基金资助项目(31871557, 31671614)；江苏省作物遗传生理重点实验室开放课题资助项目(YSCL201807)；江苏高校优势学科建设工程项目。