D0I:10.19336/i.cd.trtb.204.05.032第35卷第5期土壤通报Vol.35,No.52004年10月Chinese Joumal of Soil Science0ct,,2004稻田甲烷排放影响因素及其研究进展江长胜2，王跃思，郑循华，王明星(1.中国科学院大气物理所边界层大气物理和大气化学国家重点实验室，北京100029：2.中国科学院研究生院，北京100039)摘要：CH是大气中仅次于C02的最重要的温室气体之一，其温室效应贡献已达15~20%。中国稻田是CH:的重要排放源，对全球大气的CH:排放起着重要的作用。本文较为详细地介绍了近几十年来国内外关于稻田CH排放的研究进展。对稻田CH,的排放机理、CH:的排放规律及影响稻田CH:排放的各种因素作了详细分析，并相应地提出了控制稻田CH:排放的各种措施，最后提出了今后我国稻田CH:排放研究应加强的几个方面内容。中图分类号：X53文献标识码：A文章编号：0564-3945(2004)05-0663-07甲烷(CH4)是大气中主要几种温室气体之一，其增稻田CH4的排放是土壤CH4产生、再氧化及排放温效应仅次于C02,进入20世纪90年代CH4的温室效传输三个过程相互作用的结果。CH4的产生是这个体应贡献已达到15%~20%1,2]。目前大气中平均CH4系中的第一步也是个极关键的过程，其数量的大小会浓度为1.72ppm,而且还在以每年约0.8%的速度增直接影响排放通量的大小。在厌氧条件下，嫌气性纤长可。全球每年通过各种途径排放于大气中的CH4达维分解菌和果胶分解菌等微生物将土壤有机碳逐步降到535Tg(1Tg=102g),通过人类活动产生的CH4排放解为有机酸、醇、C02等，在土壤产CH4细菌作用下，为375Tg,其中稻田是CH4主要排放源，占总排放量的主要通过2种途径产生CH4:(1)C02与土壤中的H212%,每年达到60Tg左右85刀。对稻田CH4实地监测或能提供H的有机分子反应；(2)醇、酸类物质还最早在美国和欧洲进行5,8，町，但这两个地区的稻田所原21。但是在不同稻田土壤中，这两种途径对CH4占的总面积还不到全球总面积的2%，而且全球水稻种产生的贡献并不固定，这主要取决于各不同稻田土壤植方法、土壤特性、气候及灌溉方式等因素差别很大。中微生物菌族的差异，有些CH4菌喜欢酸、醇类，而有从分布上讲，全球90%以上的水稻种植面积分布在亚些更偏爱C02和H。在特定环境中，何种产CH4途径洲，因此对亚洲地区稻田CH4的排放特征及规律的研究占优势取决于底物尤其是活性有机碳含量，而新形成特别重要，尤其是中国和印度。近些年来又有许多国家的有机碳尤为重要。如活性有机碳含量丰富的沼泽，和地区的科学家对稻田CH4的排放进行了测定和研究，CH4主要由乙酸发酵形成，因此产CH4能力较强。在包括日本2]、意大利、菲律宾]、印度、印度尼西稻田中，CH4产生主要发生在稻田土壤耕作层2~亚1]等。中国是重要的水稻生产国，水稻种植面积约20cm,但不同的农田作业对此有很大的影响。意大利占世界稻田总面积的22%，产量约占世界水稻产量的稻田中7~17cm土壤层是重要的CH4产生区域，38%。中国对稻田CH4排放的研究始于20世纪80年13cm处的CH4产生率最大，而我国湖南地区由于独代，陆续在我国五大稻作产区做了稻田CH4排放的野外特的有机肥铺施操作，土壤中CH4的产生在耕作层以观测，对控制稻田CH4排放方法与模式进行了研下3~7cm就到达最大值16.17]。究16一0。从目前开展的观测看，中国稻田不仅是中国1.2稻田甲烷的氧化最主要的CH4排放源，而且对全球大气的CH4排放也氧化在稻田CH4的排放过程中起着重要的作用。起着重要的作用6]。本文综述了稻田CH4排放的最新观测表明，稻田中CH4排放量占CH4产生量的3%~进展与结果。81%7,8.17],剩余的部分在输入大气前被氧化。CH41稻田甲烷排放的机理可以在有氧和厌氧环境下被氧化24]，但土壤中CH4的最主要氧化过程还是有氧氧化，而且主要发生在水1.1稻田甲烷的产生稻根际及土壤与灌溉水交界面这两个区域。一些研究收稿日期：2003-07-27：修订日期：2003-10-23基金项目：中国科学院知识创新工程重大项目(K☑CX1一sW一01)：国家自然科学基金资助项目(49675270,49790020)作者简介：江长胜(1974一)，男，江西贵溪人，博士研究生(e一mail:hshg@163.cm),研究方向为大气化学，(C)1994-2023 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net664土壤通报35卷认为氧化过程能消耗稻田土壤所产生CH4总量的50天气条件下发生的，如在连续阴雨天气，CH4通量的日~90%6.817]。土壤中消耗CH4的细菌主要有甲烷氧变化不像晴天那样明显地存在余弦波式的规律，而是化细菌和硝化细菌，但硝化细菌氧化CH4的最大速率有逐日降低趋势，土壤温度的变化也只有微小的波动。要比甲烷氧化细菌氧化CH4的最小速率小约5这可能与阴雨天水稻光合作用减弱、水稻根系分泌物倍2，因此可以认为土壤CH4的氧化主要由甲烷氧减少及阴雨天土温较低造成的较低的土壤CH4产生化细菌来完成24，]率有关[29]。1.3稻田甲烷的传输2.2甲烷排放的季节变化规律只有当土壤中CH4积累到一定的数量，在土壤及稻田CH4排放的季节变化与水稻种植系统类型传输中被较少地氧化，而又有较通畅的排放途径时，才(例如早稻和晚稻)、稻田的预处理方式（例如施绿肥、会出现较大的排放量。CH4向大气传输途径的畅通能前茬种小麦、垄作、泡田等)、土壤特性、天气状况、水管够使土壤中的CH4很快排向大气，避免在氧化区域长理、水稻品种、施肥情况等因子密切相关。一般来讲，时间停留，因此CH4传输效率是影响CH4排放率的重水稻生长期CH4排放具有3个典型排放峰，分别出现要因素。土壤中的CH4主要通过3种途径排入大气在水稻生长的返青、分蘖和成熟期0]。水稻生长期第中2)：(1)大部分被植株根系等吸收，随着养分的输送1个CH4排放峰值可能与水稻移栽前施入有机肥或淹再经作物的通气组织排放到大气中；(2)形成含CH4水处理土壤水生植物的分解有关，第1个峰值通常较的气泡，气泡上升到水面破裂而喷射到大气中；(3)少大。第2个峰出现在水稻分蘖盛期，气温也较高，植物量CH4是由于浓度梯度的形成而沿土壤一水和水一体通气组织已比较发达，传输CH4的净效应(CH4传气界面而扩散排出。在水稻生长的大多数阶段，一般输率减去CH4氧化率)比较大。第3个峰出现在成熟认为大约90%的CH4排放量是通过水稻植物体排到期，水稻根系的腐败物质给土壤提供较多的产CH4基大气中去的，由气泡和分子扩散完成的输送不到排放质可能是出现第3个峰值的主要原因1]。量的10%1]。由于水稻植物体内部通气组织较发2.3甲烷排放的年际变化和空间变化规律达，茂密的水稻根系组织分布在稻田土壤中，能主动汲在浙江、江苏、湖南等省能够观察到比较明显的取溶有CH4的土壤水，使CH4进入通气组织。另一方CH4平均排放率的年际差异1]。由于对单个影响因面，水稻植物体也能传输大气中的氧气到根系，以维持子如气候变化、水稻品种、土壤状况、水肥管理等了解根系组织的呼吸，这能很大程度地影响根部区域CH4远远不够，不同地区年际变化的原因还不明确，估计土的氧化。水稻体还能通过根流出物质影响土壤中CH4壤类型与土壤特性、气候系统、水稻品种与生长体系、的产生率，由此可见水稻体对CH4排放的重要性。施肥效应、水管理等是造成这种差异的原因，其中土壤2稻田甲烷排放的规律类型与土壤特性是最重要的。2.1甲烷排放的日变化规律3影响稻田甲烷排放的因素CH4排放通量日变化规律随环境条件而异。目前3.1土壤理化特性观察到的主要有4种日变化类型：第一种类型是午后3.1.1土壤母质王胜春等8研究表明，对于不同13.00出现最大值，这种变化在我国多数地区和国外母质发育的水稻土，CH4的排放量不同，其CH4排放观测都出现，并且和水温、土壤浅层及空气温度的日变通量大小顺序依次为：花岗岩发育的水稻土>第四纪化一致⑧.1]；第二种类型是夜间至凌晨出现排放最大红土发育的水稻土>玄武岩母质发育的水稻土。可能值2]，这是比较少见的一种，可能的原因是植物在炎是因为花岗岩母质发育的水稻土有机质含量低，为产热夏季的中午为防止植物体内的水分散失而关闭气CH4细菌提供的C源少，其CH4排放量高。但进一步孔，堵塞了CH4向大气传输的主要途径，未能排出的研究又发现不同母质水稻土有机质含量可能不是造成CH4在晚上随着气孔的开启排向大气，从而出现了CH4排放量差异的主要原因，还与土壤中有效Mn、有CH4排放率在夜间的极大值：第三种类型是一日内下效Fe等的含量有关。午和晚上出现两次最大值，这种情况在杭州地区的晚3.1.2土壤质地土壤质地能影响土壤通透性和土稻和第二种型式一起常被发现，可能是以上两种排放壤有机质的分解速率，因而能影响土壤Eh和对产生