林 誠， 王 飛， 何春梅， 李清華， 李 昱

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福建福州 350013)

施肥既是保證作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)，又是影響稻田溫室氣體排放量的重要田間管理措施。長期定位施肥是研究肥料對土壤影響的最佳方式。因此，研究長期不同施肥制度對稻田溫室氣體排放的影響可以為減少農(nóng)田甲烷(CH4)排放提供理論依據(jù)。筆者綜述了國內(nèi)外長期施肥條件下稻田CH4排放的研究進(jìn)展，為進(jìn)一步開展稻田CH4排放控制的施肥管理措施研究尋找依據(jù)。

1 長期施肥對稻田CH4排放的影響

1.1長期施用有機(jī)肥對稻田CH4排放的影響目前，長期試驗(yàn)中施用有機(jī)肥的種類較多，常用的包括作物秸稈、綠肥、堆肥、廄肥、沼渣肥等。施用有機(jī)肥可促進(jìn)稻田CH4排放，其程度取決于有機(jī)物的成分和性質(zhì)[1]。呂琴等[2]研究表明，長期施用有機(jī)肥能顯著增加稻田的CH4排放通量，特別是當(dāng)有機(jī)肥和無機(jī)肥配合施用時(shí)，土壤CH4排放通量顯著高于單施有機(jī)肥或無機(jī)肥。王增遠(yuǎn)等[3]研究表明，施豬糞的CH4效應(yīng)最大，其次是施稻草和牛糞。大量研究證明，施用“新鮮”有機(jī)肥會(huì)促進(jìn)稻田CH4的排放，原因是有機(jī)肥能為產(chǎn)CH4菌提供豐富的能量來源和反應(yīng)底物[4]。沼渣肥對稻田CH4排放的影響要大大低于新鮮有機(jī)肥，原因在于沼渣經(jīng)過長時(shí)間發(fā)酵后有機(jī)肥中易分解的成分生成沼氣而揮發(fā)，因此產(chǎn)CH4基質(zhì)減少，土壤中CH4產(chǎn)生量較低[1]。秦曉波等[5]研究認(rèn)為，長期化肥配施稻草處理的早、晚稻CH4排放量大于化肥配施豬糞處理，特別是晚稻化肥配施稻草CH4排放量為化肥配施豬糞的252%。國外許多原位試驗(yàn)表明,施用稻草可顯著增加土壤CH4的排放量,例如在意大利、日本和菲律賓等地，施用秸稈的土壤CH4排放量增加2～9倍[6]。雖然秸稈還田作為氮肥投入可以抑制CH4的吸收，但氮素含量較低，因此抑制作用甚微；另一方面，秸稈還田可以增加土壤有機(jī)碳含量，就相當(dāng)于豐富產(chǎn)CH4的基質(zhì)，因此抑制吸收和促進(jìn)生成的雙重作用使得秸稈還田顯著增加CH4排放[7]。吳家梅等[8]認(rèn)為，有機(jī)肥對稻田CH4排放的影響程度與其C/N比值有直接關(guān)系。有機(jī)肥的C/N越高，稻田產(chǎn)CH4潛力和排放能力越大。

蔣靜艷等[9]研究發(fā)現(xiàn)，稻田CH4排放量隨著有機(jī)肥施用量的增加而增加。榮湘民等[10]在早稻長期定位試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)增施有機(jī)肥可提高CH4的排放量，秸稈全部還田處理高于部分秸稈還田處理，但施用高量稻草則不再增加CH4的排放。但是，有機(jī)肥用量和CH4排放量之間并不呈簡單的線性關(guān)系。Schütz等[11]研究表明，當(dāng)?shù)静菔┯昧繛?2 t/hm2時(shí)，CH4排放量是不施用稻草CH4排放量的2倍，但當(dāng)?shù)静菔┯昧吭黾訒r(shí)，CH4的排放量不再增加。

1.2長期施用化肥對稻田CH4排放的影響眾多研究表明，稻田施用化肥的CH4排放量明顯低于施用有機(jī)肥?；实氖┯脤Φ咎顲H4排放量的影響有很多的報(bào)道，但是不同種類的化肥對土壤CH4排放的結(jié)果不一致。有研究表明，施用硫酸鹽能提高土壤的氧化還原電位(Eh)，且其還原產(chǎn)生的S2-對產(chǎn)CH4菌有毒害作用，從而降低土壤CH4的生成。尿素等化肥施用可通過促進(jìn)植物生長和光合作用來增加植物根系的分泌物，提供產(chǎn)CH4基質(zhì)，增加稻田CH4排放[12]。上官行健等[13]在尿素施用對CH4排放影響的研究中認(rèn)為，尿素施用對CH4排放無影響或可以減少CH4的排放[13]。Wassmann等[14]研究表明，同是無機(jī)肥，施用相同量的硫酸銨處理CH4排放量小于尿素處理。呂琴等[2]在黃松稻田上的研究發(fā)現(xiàn)，單施氮肥、氮鉀肥處理CH4排放通量低于不施肥、不耕作，而NPK處理的CH4排放通量高于長期不施肥處理，雖然尿素能抑制土壤的好氧CH4氧化活性，但是一定量的磷和鉀能促進(jìn)土壤的CH4氧化活性，因而混合施肥后，鉀或磷能緩解由尿素引起的抑制作用。Liu等[15]進(jìn)行了有機(jī)肥、化肥單施及配施試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，單施有機(jī)肥處理的CH4排放最高，單施化肥處理CH4排放最低，而有機(jī)肥與化肥配施甲烷排放通量雖高于單施化肥處理，但比單施有機(jī)肥降低，同時(shí)有機(jī)無機(jī)肥配施水稻產(chǎn)量得到大幅度的提高。

目前關(guān)于化肥施用量與CH4排放的關(guān)系并不明確，例如一方面施用硫銨后SO42-還原產(chǎn)生的S2-可抑制CH4的生成，另一方面NH4-N對土-水界面CH4氧化的抑制作用將增加CH4向大氣的排放量，因此施用硫銨對CH4有正負(fù)效應(yīng)[16]，而影響該效應(yīng)還與多種土壤環(huán)境因子有關(guān)。

2 長期施肥下環(huán)境因子對稻田甲烷排放的影響

影響稻田CH4排放的環(huán)境因子主要集中在土壤溫度、水分、Eh、pH。一般來說，大多數(shù)情況下CH4產(chǎn)生的最適溫度在30～40 ℃[17],在這個(gè)溫度范圍外,土壤微生物活性會(huì)受到抑制，因此溫度過高或過低土壤CH4的排放都會(huì)受到影響，而在稻田土壤上CH4排放的日變化規(guī)律與土壤溫度有較高的相關(guān)性[18]。在稻田淹水后，土壤中缺氧增強(qiáng)土壤中產(chǎn)甲烷菌活性，促進(jìn)CH4的形成，但水層的加深也使得土壤中已產(chǎn)生的CH4在通過氣泡或擴(kuò)散形式穿越水層時(shí)，被氧化掉的量增大，從而減少CH4向大氣中的排放[19]。蔡祖聰?shù)萚20-21]研究表明，良好的排水管理可有效地減少后續(xù)水稻田CH4排放量,烤田也能明顯減少水稻田CH4排放量。此外，土壤的pH、Eh等對稻田土壤CH4排放均有不同程度的影響。土壤pH通過影響微生物活動(dòng)而影響土壤有機(jī)碳的分解礦化[22]，而大多數(shù)CH4產(chǎn)生菌活性在中性或稍堿性的環(huán)境中最佳,酸性土壤的CH4產(chǎn)生量僅有中性土壤的25%,較低的Eh促進(jìn)CH4產(chǎn)生菌活性的提高,大大提高CH4的生成和轉(zhuǎn)化[23]。

3 長期施肥對產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌的影響

對稻田CH4排放機(jī)理的研究主要集中在產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌上。稻田CH4排放是在產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌綜合作用下的結(jié)果。產(chǎn)甲烷菌是一類能夠?qū)o機(jī)化合物或有機(jī)化合物厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化成CH4和CO2的古細(xì)菌[24]。全球CH4的排放量每年約500 t,其中74%是由產(chǎn)甲烷菌代謝產(chǎn)生的[25]。陳中云等[26]研究發(fā)現(xiàn)，厭氧環(huán)境和CH4形成基質(zhì)的提供是CH4細(xì)菌種群發(fā)育的首要條件。有研究表明，施用有機(jī)肥料(腐熟牛糞或菜餅)能促進(jìn)土壤中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的增加[27-28]，若無外源有機(jī)質(zhì)輸入,植物根系活力將成為最重要的CH4產(chǎn)生因素[29]。陳美慈等[30]發(fā)現(xiàn)，早稻土生長前期的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量較后期低2～3個(gè)數(shù)量級，而晚稻土在生長中期土壤中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量略高于生長前期和后期。趙英等[31]對早稻、晚稻各生長時(shí)期土壤中產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行計(jì)數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)分蘗期、孕穗期土壤中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量達(dá)到最高。Masscheleyn等[32]認(rèn)為,在大部分情況下,當(dāng)?shù)咎锿寥繣h高于-150 mV時(shí),產(chǎn)甲烷菌的活性將受到抑制。但是，也有研究發(fā)現(xiàn)從表層到18 cm深的土壤Eh均可適應(yīng)產(chǎn)甲烷菌的生長發(fā)育，其中5～13 cm深的土壤產(chǎn)甲烷菌數(shù)量最多[33]。另外，大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌的最佳繁殖溫度為30～40 ℃。在稻田生態(tài)環(huán)境中，土壤溫度一般低于35 ℃，在這樣的條件下溫度上升會(huì)增加CH4的產(chǎn)率[34]。

甲烷氧化菌是以CH4為生長的唯一碳源和能源的微生物。據(jù)估計(jì)，稻田產(chǎn)生的內(nèi)源CH4在排向大氣之前有50%～90%在根際和土-水界面被重新氧化，因此甲烷氧化菌對于稻田CH4的減排有重要的作用。目前，關(guān)于長期施用有機(jī)肥對土壤氧化CH4的能力報(bào)道不一。Hütsch[35]報(bào)道，長期在旱地中施用農(nóng)家肥會(huì)顯著降低土壤對CH4的氧化。英國洛桑實(shí)驗(yàn)站的試驗(yàn)表明，有機(jī)肥的長期施用(140年)對土壤氧化CH4的能力沒有任何影響[36]。但，有研究表明，有機(jī)肥長期施用可增加土壤對CH4的氧化能力[2,37]。因此，Gulledge等[38]認(rèn)為，肥料對土壤CH4的氧化有長期效應(yīng)和短期效應(yīng)。短期效應(yīng)可能是基質(zhì)競爭引起的氧化能力下降，而長期施肥可能引起甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)的改變。Seghers等[37]報(bào)道，在施用純化肥的處理中CH4氧化能力顯著降低。Castro等[39]認(rèn)為，施用尿素后土壤中氧化大氣CH4的優(yōu)勢種群由原來的甲烷氧化菌變成硝化細(xì)菌，使得甲烷氧化菌數(shù)量減少，功能受到抑制。鄭聚鋒等[40]對長期不同施肥下水稻土的研究中發(fā)現(xiàn)，長期單一施用氮肥為主的化肥顯著降低土壤對CH4的氧化能力,同時(shí)顯著降低稻田土壤甲烷氧化菌的多樣性和豐富度。Le Mer等[41]研究表明，土壤甲烷氧化菌活性與田間持水量有關(guān)，當(dāng)土壤含水量低于田間持水量時(shí)，其活性隨含水量的增加而增加，當(dāng)超過時(shí)其活性隨含水量的增加而降低。蔡祖聰?shù)萚42]認(rèn)為，甲烷氧化菌比產(chǎn)甲烷菌有更廣的溫度適應(yīng)性，且忍受低溫能力更強(qiáng)，CH4氧化的最適溫度為35 ℃,當(dāng)溫度超過40 ℃或低于12.5 ℃時(shí)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進(jìn)展，而不同施肥措施、環(huán)境因子對稻田CH4排放的影響仍存在爭議，尤其是施肥對稻田CH4排放的影響存在短期效應(yīng)和長期效應(yīng)。施肥管理措施對CH4排放的影響歸根結(jié)底是施肥管理措施變化引起土壤特性變化及相應(yīng)的CH4相關(guān)菌群活性變化的結(jié)果。因此，有必要開展施肥措施對稻田CH4排放的聯(lián)合影響研究，并從CH4產(chǎn)生、排放整個(gè)過程闡明其機(jī)理。利用儀器與手段準(zhǔn)確監(jiān)測土壤特性、CH4相關(guān)菌群的同步動(dòng)態(tài)變化，系統(tǒng)深入地了解長期不同施肥下CH4排放關(guān)系及其機(jī)理。

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