稻田甲烷排放的研究进展.doc

ｓｕｎｓｈｉｎｅ
稻田甲烷排放的研究进展
王玲，魏朝富，谢德体
西南农业大学资源环境学院，重庆 北碚 400716

摘要：稻田是甲烷的重要排放源之一。文章对稻田甲烷的最新研究进展作了较为详尽的综述，包括稻田甲烷排放的机理、规律；重点分析了影响稻田甲烷排放的因素以及控制稻田甲烷排放的措施。最后指出了今后的研究重点应以现有的田间数据为基础，建立稻田温室气体排放的综合模型，预测稻田温室气体排放变化。
关键词：稻田；甲烷；排放通量；影响因素；控制措施
中图分类号：X144 文献标识码：A 文章编号：1008-181X（2002）02-0158-05

ｓｕｎｓｈｉｎｅ
稻田是甲烷的重要排放源之一。1981年Cicerone等首次报道了稻田甲烷排放速度的直接测定结果。随后，科学家们分别在意大利、德国、美国、日本、泰国等对稻田甲烷排放的观测方法、影响因子和全球排放总量进行了大量的研究工作，得出了一些重要结论。如1992年Watson估算稻田甲烷排放量占甲烷排放总量的4%~35%；IPCC1992年估算全球稻田排放总量为60 Tg，占全球排放总量的12%。估算差异之大主要是全球稻田甲烷测定点不多，测定时间连续性不够，对不同气候、不同土壤和不同利用方式下稻田甲烷排放机理和影响因素的研究不够深入而致。中国水稻面积3300余万hm2，约占世界稻作面积的22%。自1987年我国正式开始稻田甲烷排放实地测定，陆续在我国五大稻作产区作了稻田甲烷排放量的野外观测，对控制稻田、甲烷排放的因子、甲烷在土壤中产生转化的机理、减排方法以及模式进行了研究[1, 2]。最新的研究报道更明确了稻田甲烷的排放规律，影响稻田甲烷的排放量因素以及甲烷排放量与农业措施的相互关系。本文综述了稻田排放甲烷研究的最新进展与成果。
1 稻田甲烷排放的机理
稻田土壤甲烷的排放是稻田土壤中甲烷的产生、氧化以及向大气传输这3个过程的综合结果。甲烷的形成是产甲烷菌利用土壤中碳水化合物代谢过程中的产物产生的[3]。它发生于稻田土壤耕作层的还原层（2~20 cm）。甲烷相当一部分在穿过氧化区时被氧化了，主要发生在根土界面和土水界面这两个氧气较富集的区域，大约只有15%~30%的甲烷通过3种途径排放如入大气中[4]。（1）大部分被植株根系等吸收，随着养分的输送再经作物的通气组织排放到大气中；（2）形成含甲烷的气泡，气泡上升到水面炸裂而喷射到大气中；（3）少量甲烷是由于浓度梯度的形成而沿土壤-水和水-气界面而扩散排出。3种输出的途径以第1种为主，其相对重要性因条件的不同而有所差别。
2 稻田甲烷排放的规律
2.1 甲烷排放的日变化规律
甲烷排放通量日变化随环境条件而改变。有时遇连续下雨或阴雨天气甚至出现排放率极小且无规律的情况。主要有3种日变化型式[5]，第一种是午后13：00出现最大值，这种变化在我国多数地区和国外观测都出现。第二种日变化型式是全天保持高排放率，中午12：00出现最大值。这种情况出现在稻田甲烷排放高峰期，昼夜温差小的较高温天气。第三种型式是夜间22：00排放量开始升高，午夜达到最大值，且常维持4~5 h。这种情况在杭州和湖南的观测中也时常出现，原因可能与昼夜气候和水稻品种特性有关。在我国五大典型水稻地区的观测结果[6]显示出中国稻田甲烷排放的日变化一般存在4种模式即下午单峰，夜间单峰，下午和夜间双峰，无规则变化。光强的变化（光合作用）不影响甲烷的排放速度[7]。气温或土壤温度是影响甲烷排放日变化的一个主要因子[8]。气温通过影响水稻植株的某些生长代谢过程，间接影响水稻植株对甲烷的输送和排放[7]。稻田甲烷排放的日变化与土壤灌溉水温及土壤表层（小于2 cm）温度之间的相关性最好，随着土壤深度的加深，土壤温度与甲烷排放通量的相关性越来越差[9~11]。高的甲烷产生和排放还与水稻生长较好和辐射较强相关联[12, 13]。
2.2 甲烷排放的季节变化规律
稻田甲烷排放的季节变化是气候、水分管理、施肥、土壤和水稻的生长等因子共同作用的结果。在北京和南京观测到的甲烷排放分别在水稻的分蘖期和孕穗期出现峰值，并且在整个水稻生长期甲烷排放量的65%~70%集中在分蘖期和孕穗期[14]。早稻从回青时开始排放甲烷，分蘖后达到最高峰值，幼穗期开始，甲烷排放率急剧下降趋于零。晚稻同样在回青期就有甲烷排放，分蘖中期达到最高峰，随后起伏变化，幼穗分化期15 d出现第二个峰值。幼穗分化后期随着排水晒田管理，甲烷排放率趋于零[5]。间歇灌溉显著影响稻田甲烷排放的季节规律[15]。各种施肥处理甲烷排放通量的峰值均出现在水稻分蘖末期。由于这一时期，水稻生长旺盛，微生物活动活跃，水稻根系老化死亡，根系分泌物及所施的有机肥都为甲烷菌的活动提供了碳源，加之适宜的温度和淹水厌氧条件，是造成高峰的主要原因[16]。当水稻生长期土壤氧化还原电位(Eh)处于适宜甲烷产生的水平时，土壤Eh对甲烷排放季节变化没有显著影响，这时土壤温度却显著影响甲烷排放季节变化，土壤Eh的季节变化与甲烷排放季节变化间存在显著相关型，而土壤温度却没有[17]。
分布于我国西南地区的冬水田，一年四季淹水，土壤处于还原状态，不仅在水稻生长期稻田甲烷排放量高，而且在冬闲期的非生长季节，稻田也有可能会排放甲烷。非水稻生长期冬水田甲烷排放通量总体上低于水稻生长期[2]，但非水稻生长期冬水田甲烷排放通量也表现出明显的规律性。水稻收获后至10月中旬，甲烷排放量相对较高，其间有两个较明显峰值。这一时段的甲烷排放量主要决定于稻田中再生稻，杂草的生长情况以及气温、土温的波动等。随后一直到3月下旬，气温、土温均较低，并且相对稳定；3月下旬后，随着气温、土温的逐步上升，稻田中杂草的生长速率和生长量增大，甲烷排放通量也随着升高。
3 影响稻田甲烷排放的因素
3.1 土壤条件
3.1.1 土壤有机质
稻田的甲烷主要是由于土壤中有机质在厌氧条件下，经过土壤中产甲烷菌的分解产生的。甲烷排放通量与土壤有机质含量呈显著正相关，土壤碳含量越高，甲烷排放量越大[16]。土壤淹水后，使空气和土壤之间的正常的气体交换受阻，土壤缺氧，有机质嫌氧分解占优势，微生物夺取土壤中有机物中的氧，形成各种还原性物质，导致土壤Eh值迅速下降。土壤中有机质含量多，其消耗土壤中的氧也多，Eh值下降快，还原性物质产生也多[5]。有机质在淹水条件下发酵生成一系列的简单有机化合物[7]，这些有机化合物包括各种气体、碳氢化合物、醇类、碳酸类、挥发性脂肪酸来和非挥发性脂肪酸类、酚类化合物和含硫类化合物。这些极易矿化的简单化合物是产生甲烷的碳源和能源。一般来说，甲烷产生速度与水溶性碳的浓度成正比。
3.1.2 土壤质地
不同质地的稻田土壤甲烷排放通量有明显不同。土壤质地是影响土壤通透性和土壤有机质的分解速率，因而影响土壤氧化还原电位和对产甲烷微生物的基质供应及稻田甲烷排放，但土壤质地对稻田甲烷排放通量影响的研究很少见诸报道。粘质土壤稻田排放的甲烷显著低于壤质和砂质稻田[18]。土壤质地越粘，甲烷排放量越少[19]。其原因为：（1）粘质土壤对有机质有较强的保持作用，即使粘质土壤的有机质含量较轻质土壤高，供给产甲烷菌的有机基质也可能较少；（2）粘质土壤对氧化还原电位的缓冲作用较强，淹水后土壤Eh较高，从而限制了产甲烷菌的活性；（3）粘质土壤的气体扩散较轻质土壤慢，不利于闭蓄态甲烷的排放。
3.1.3　土壤pH值
土壤pH值也是影响稻田甲烷排放通量的一个重要因子。土壤PH的微小变化可显著改变甲烷排放量[20]。一方面，大多数细菌适宜在5~7.5的环境中生长，产甲烷菌正常生长也需pH中性或微碱性环境，超出该pH范围，细菌的产甲烷活性就会降低。另一方面，由能斯特方程可知，Eh和pH之间存在负相关关系，虽然土壤是一个较强的酸碱缓冲体系，外施酸碱仅能引起pH值的小范围波动，但却能引起Eh值的较大变化，从而改变产生甲烷的厌氧条件。pH在6.9~7.1时，甲烷产生速率最大；pH略微下降或上升都会显著降低甲烷产量；pH<5.75或pH>8.75时，土壤产甲烷的能力完全消失[21]。如果保持土壤Eh值在-200 mV或-250 mV不变，则当土壤pH稍有提高（比土壤自然pH升高0.2个单位）时，甲烷产量分别增加11%~20%和24%~25%。这说明适度碱化有利于甲烷的生成。
3.1.4 土壤氧化还原电位（Eh）
甲烷是极端厌氧条件下产甲烷菌作用于产甲烷基质地结果，土壤Eh无疑是影响土壤甲烷排放量最重要的因素之一。只有当氧化还原电位低于-150~-160 mV时，产甲烷微生物开始明显活动而排放出甲烷[18];氧化还原电位低于这一数值时，甲烷排放量随Eh的下降而呈指数增加。稻田土壤一旦灌水且保持在淹水条件下[5]，土壤氧化层以下氧化还原电位便不断降低，并依次发生下列物质的还原反应，O2→H2O，NO3-→N2O和N2，Mn4+→Mn2+，Fe3+→Fe2+，SO42-→S2-，CO2→CH4，SO42-→S2-，这些反应发生在-150 mV的电位，于此电位CH4大量发生。但是当土壤Eh为正时，稻田还是排放了一定数量的甲烷[22, 23]。这可能是由土壤的不均匀性导致土壤Eh的较大空间变异引起的。另一个原因是甲烷可能在土壤Eh大于-150 mV时即已产生。Fetzer和Convad[24]发现高于-150 mV的土壤Eh对甲烷产生的抑制是自由氧的存在而引起的，在无自由氧的情况下，甲烷在土壤Eh为+50 mV时即已产生。土壤Eh的季节变化不能说明稻田甲烷排放通量的季节变化，而一日中Eh的变化对稻田甲烷排放量变化具有极显著的影响[18]。
3.1.5 土壤温度
产甲烷微生物的活动还需要适宜的温度，对于大多数产甲烷微生物而言是嗜中温的，最适宜的温度为35~37 ℃。在严格控制的田间条件下，当温度低于最适温度时，产甲烷微生物的活性随土壤温度的升高而提高[18]。微生物活性的增加加剧土壤中有机物的发酵分解，氧的消耗加快而引起土壤Eh下降较快，有利于产甲烷菌的生长，最终导致甲烷产生率的增加。但土壤温度与甲烷排放量间较好的相关性仅仅在较短时间尺度内（如泡水后60 d及105 d附近）存在，而从整个生长周期看，则根本无相关性[22]。这是因为水稻生长期甲烷排放受多种因子的综合影响，土壤温度只有在其他因素较稳定时其影响才显示出来，它直接影响甲烷的产生和氧化。
3.2 水稻品种
水稻植株对稻田甲烷排放起着非常重要的作用。稻田所产生的甲烷有80％~90％在根际被氧化，由稻田向大气排放的甲烷80％~90％是通过水稻植株来完成的。不同类型的植株对甲烷的输送能力不同。植株根系提供有机碳的能力不同会影响甲烷的产生，而向根区输送氧气的能力不同则影响甲烷的氧化[3]。已发现不同品种水稻对甲烷的氧化能力和排放能力相差1倍以上[4, 25]。一般情况下，稻田甲烷排放和水稻的植物总重量成反比关系，较大植物总重量的水稻品种把更多的C固定在水稻株杆中。如在四川的稻田甲烷排放试验中，发现只有较大植物总重量的杂交稻品种要比常规稻品种的甲烷排放量低得多。这可能是因为杂交稻的通气、输导组织较为发达，蒸腾作用较强，因而，即使土壤溶液中的甲烷浓度不太高，也易于将土壤中滞留的甲烷输送到大气中去[26]。
3.3 施肥
3.3.1 有机肥料
植物体的腐烂，动物的粪便等有机肥能增加稻田甲烷的排放[8]。这是因为它为产甲烷菌提供可极为丰富的生长和产甲烷基质。甲烷排放的增加程度是受土壤成分（主要是土壤中的有机物）的影响。一般情况下，在土壤有机质含量高的土壤中（如杭州），有机肥的施入对稻田甲烷排放的影响较小，而在有机质含量较低的土壤中，有机肥的施入能较大幅度地增加稻田甲烷排放。
3.3.2 化肥对稻田甲烷排放的抑制作用
最近20 a，化肥用量迅猛增加。施加不同的肥料影响到土壤中有机碳的含量及细菌种群。但化肥对排放的影响机理却不十分清楚，不同的实验结果差异很大，有的甚至相反，尿素比NH4HCO3能更好有效地减少甲烷的排放，但美国加力福尼亚的实验、美国路易斯安那的实验和中国杭州的实验观测到尿素使甲烷排放增加[8]。水稻施尿素和硫酸铵时甲烷的排放降低；施用硫酸钾肥时甲烷排放量低于不施肥田甲烷排放量[27]。选择硫铵和硝铵作为水稻氮肥可比尿素显著减少稻田甲烷排放量[28]。大量的研究结果似乎都表明，施化肥后甲烷的排放量比没施化肥的有大幅度降低。但长期使用化肥又会对土壤及生态环境产生较大影响。所以，在大量使用有机肥的水稻产区施行化肥和有机肥混施的方法来减少稻田甲烷排放。
3.3.3 沼渣代替有机肥
沼渣是指有机物经沼气发酵池后的剩余残渣。沼渣作为一种特殊形式的有机肥，施入稻田后能很明显地降低稻田甲烷的排放量，而水稻的产量基本上可维持原状。但未经干燥、堆腐阶段的沼渣肥中含大量活性甲烷菌，会使土壤中有机物迅速向甲烷转化。因此，沼渣肥施用前应经过一定时间的干燥以灭菌或降低甲烷菌的活性[4]。施用腐熟的沼渣代替堆肥可使稻田甲烷排放通量控制在与单施化肥（尿素）同等的低水平[28]。因此，腐熟度高的沼渣可被推荐为既能控制稻田甲烷排放量，又有利于水稻生产的优质有机肥。
3.4 水管理
水是影响稻田甲烷排放的决定性因子。不同的淹水程度直接影响有氧和无氧区域的相对大小，从而影响甲烷的产生和氧化。在水稻生长中期排水一次能使全季稻田甲烷排放量减少一半。旱种稻田，多次排水，使全季稻田甲烷排放量降低88%，同时水稻产量不低于正常灌溉的旱种稻田[7]。但多次排水使稻田的用水量增加了1.7倍。深水灌溉、间歇灌溉和常湿稻田都能减少稻田甲烷排放。深水灌溉较深的水阻碍了厌氧环境下所产生的甲烷由下至上的传输，从而减少了稻田甲烷排放，并有利于保持土壤中的有机物，对水稻产量没有太大的影响[4]。由于灌溉水的缺乏和维持水深操作的复杂，深水灌溉不是十分理想的减排方法。间歇灌溉对稻田保持几天灌溉和几天晒田相间隔，稻田甲烷排放有明显的减少。间歇灌溉使整个季节的排放量减少了42%~45%[29]。在灌溉条件良好的情况下，间歇灌溉可节省灌溉用水总量25%左右，易作为控制甲烷的有效措施[28]。但间歇灌溉可能引起的N2O排放的增加是关注的焦点[8]。常湿稻田是一种保持稻田中无水层但湿润的情况，它对甲烷的排放作用最大，但水稻有大幅度的减产，因此并不可取。晒田作为我国南方一种传统的耕作措施，可使土壤经常接触空气，有利于氧化还原电位的提高，破坏了甲烷菌的生存条件，从而起到抑制甲烷形成和排放的作用，作为一种潜在的减排措施值得进一步研究[25]。
3.5 耕作制度
耕作制度的不同直接影响稻田甲烷年累积排放量的大小，还影响到稻田甲烷排放通量的大小。西南地区冬水田采用了半旱垄作（稻麦）和水旱轮作（稻麦）耕作方式，只是在水稻生长期内才排放甲烷，甲烷年累积排放量也就是水稻生长期内的排放量。当再次淹水种植水稻时，对封闭于土壤孔隙中的部分氧气能增加土壤对甲烷的氧化力，从而，也可能减少稻田甲烷的排放。并且，在这两种耕作制度下，水稻生长期内稻田甲烷排放通量也明显比冬水田低，其中尤以水旱轮作水稻生长期甲烷排放通量最低[2]。不同水旱轮作方式对稻田甲烷排放的影响与它的旱作时间长短有关，连续旱作时间越长，产甲烷菌死亡越多，而且淹水后Eh下降越慢，因而甲烷排放也就越少[30]。稻田采用旱种，整个生长期稻田的平均甲烷排放量降低40%~70%;垄作栽培技术用于常年积水田既可提高产量，又可以显著降低甲烷的排放量[14]。我国北方气温较低，年降雨量较少，相当一部分地区采用旱种方式。垄作栽培方式在我国西南地区已大面积推广。
4 减排方法
现在各国对稻田甲烷研究的主要注意力仍然放在评价稻田甲烷排放量方面，对控制措施的研究比较薄弱。从目前研究结果看，抑制稻田甲烷排放的技术主要有以下几个方面：选育甲烷排放强度低的高产品种；采取恰当的稻田水肥管理技术；推广免耕技术和水稻垄作技术；研究与发展微生物技术，培育稻田甲烷利用细菌；半旱式栽培技术等。所有减排技术均处于研究阶段，应用还不成熟。
稻田形成的甲烷决大多数被甲烷氧化菌氧化，由此可见微生物措施可能比栽培措施和使用甲烷抑制剂更有潜力的减少稻田甲烷排放的措施。大多数甲烷菌能够固氮，如果能人工培养甲烷氧化菌或改变土壤微环境，使之有利于甲烷氧化菌的活动，既可增加土壤肥力，也能增加对稻田形成的甲烷的氧化能力，进一步研究这一领域是很有必要的。
5 结语
稻田甲烷研究不仅是气候领域的问题，也是环境领域和农学领域的问题。近十多年来，各国有关研究机构在稻田甲烷排放研究方面取得了丰硕的成果，充分应用这些成果将对农业生产和环境保护产生积极的作用。但由于目前已经积累了大量的田间观察数据，因此关于稻田甲烷排放的工作应该以消化、应用已有田间观察数据为主，再进行过去规模的田间数据观察已没有实际意义。今后的研究重点应以现有的田间数据为基础，建立稻田温室气体排放的综合模型，预测稻田温室气体排放变化。
另外，甲烷在不同地区、不同环境大气中的命运也值得研究。稻田甲烷的产生及排放的机理有待更多更深入和更科学的研究工作。在清楚了解机理之后，控制措施便易发现。

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Research advances on methane emission from rice paddy
WANG Ling, WEI Chao-fu, XIE De-ti
Resource and Environment Institute, Southwest Agricultural University，Beibei 400716, China

Abstract: Methane from rice paddy is one of major contributor to methane emission. In this paper, recent advances on methane emission from rice paddy were reviewed, including: (1) the mechanism and various regularity of methane emission; (2) the various factors affecting methane emission and control measures of methane emission. The research emphasis in future is briefly discussed. On the basis of present data, comprehensive model of greenhouse gases emission should be established to predict the change process of greenhouse gases emission from paddy.
Key words: rice paddy; methane; emission flux; influence factors; control measures