吉林农业大学学报2022，44（1）：61－70http：∥xuebao．jlau．edu．cnJournalofJilinAgriculturalUniversityE-mail：jlndxb@vip．sina．com我国稻田甲烷主要减排措施的技术效应与影响因素刘珂纯，王旭东，赵鑫，张海林＊＊中国农业大学农学院，农业农村部农作制度重点实验室，北京100193摘要：稻田是温室气体CH4的主要排放源，随着气候变化逐渐成为威胁农业生产的全球性问题，如何降低CH4排放已经成为农业关注的焦点。文章基于Meta分析方法，对我国公开发表的相关定位试验数据进行了系统整理和定量分析。结果表明：与冬闲田相比，填闲种植使水稻季CH4排放显著提高了25.81%；与常规模式相比，稻田复合种养模式（稻田养鸭、养鱼等）可以显著降低12.15%的CH4排放；有机肥还田显著提高了82.39%的CH4排放；有机肥经腐熟或发酵（堆肥、制沼气）后还田增加的CH4排放的增量（26.17%）低于直接还田；与常规灌溉相比，节水灌溉可以减少61.1%的CH4排放，其中控制灌溉减排77.01%，其效果显著优于间歇性灌溉（55.35%）；与不施氮相比，施用氮肥整体上会显著增加稻田的CH4排放量，其效果随着施氮水平的提高呈先降低再升高的趋势；免耕或少耕等可以降低12.74%的CH4排放；控释肥或施肥时配施生物抑制剂可显著降低18.52%的CH4排放；生物炭还田显著降低了23.34%的CH4的排放，其减排效果随着生物炭还田量的变化而先减弱再增加。综上，不同的农田管理措施对稻季CH4排放有不同的影响，复合种养、适当的施氮水平、将有机肥堆肥发酵后还田、控释肥或配施生物抑制剂、适当量的生物炭还田、节水灌溉以及免耕少耕等条件更有助于稻田温室气体CH4减排。关键词：稻田甲烷；减排措施；温室气体排放；农田管理措施；Meta分析中图分类号：Q178；S964.2文献标志码：A文章编号：1000－5684（2022）01－0061－10DOI：10．13327/j．jjlau．2021．1412引文格式：刘珂纯，王旭东，赵鑫，等．我国稻田甲烷主要减排措施的技术效应与影响因素［J］．吉林农业大学学报，2022，44（1）：61－70．TechnicalEffectsandInfluencingFactorsofMainMethaneEmissionManagementPracticesinChina'sPaddyFieldsLIUKechun，WANGXudong，ZHAOXin，ZHANGHailinCollegeofAgronomyandBiotechnology，KeyLaboratoryofFarmingSystemofMinistryofAgricultureandＲuralAffairs，ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100193，ChinaAbstract：PaddyfieldisamainsourceofgreenhousegasCH4．Asclimatechangehasgraduallybe-comeaglobalissuethreateningagriculturalproduction，howtoreduceCH4emissionhasbecomethefocusofagricultualattention．BasedonMeta-analysis，thisstudysystematicallycollatedandquanti-tativelyanalyzedtherelevantpublishedpositioningfieldexperimentaldatainChina．Theresultsshowedthatcomparedwithwinterfallowfields，continuingcroppinginwintersignificantlyincreasedCH4emissionsinriceseasonby25.81%．Comparedwiththeconventionalcroppingmode，thecom-poundplantingandraisingmodeinpaddyfield（withduck，fish，etc．）couldsignificantlydecrease＊＊＊基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFD0300210），国家级大学生创新训练项目（202010019003）作者简介：刘珂纯，女，从事保护性农业与农田生态研究。收稿日期：2021－04－09通信作者吉林农业大学学报2022年2月JournalofJilinAgriculturalUniversity2022，FebruaryCH4emissionby12.15%．OrganicfertilizerreturningsignificantlyincreasedCH4emissionby82.39%．TheincreaseofCH4emissionfromorganicfertilizerafterdecompositionorfermentation（composting，biogasproduction）（26.17%）islowerthanthatofdirectreturning．Comparedwiththeconventionalirrigation，water-savingirrigationcouldreduceCH4emissionby61.1%，andthereductionrateundercontrolledirrigationwas77.01%，whichwassignificantlybetterthanthatunderintermittentirrigation（55.35%）．Comparedwithnonitrogenapplication，theoverallCH4emissionwassignificantlyincreasedbynitrogenapplication，andtheeffectwasfirstlydecreasedandthenin-creasedwiththeincreaseofnitrogenapplicationlevel．NotillageorlesstillagecoulddeclineCH4e-missionby12.74%．ControlledreleasefertilizerorfertilizationcombinedwithbiologicalinhibitorssignificantlyreducedCH4emissionby18.52%．BiocharinputtothefieldsignificantlyreducedCH4emissionby23.34%，andtheemissionreductioneffectfirstlydecreasedandthenincreasedwiththeincreaseoftheamountofinputtedbiochar．Thisstudysuggestedthatdifferentmanagementprac-ticesaffectriceseasonCH4emissiondifferently．Compoundplantingandraising，appropriatenitro-genlevel，returningorganiccomposttothefieldafterfermentation，controlledreleasefertilizerorcombinedapplicationofbiologicalinhibitors，returningappropriateamountofbiochartothefield，water-savingirrigation，andnotillageandlesstillagearemoreconducivetoemissionreductionofgreenhousegasCH4inpaddyfields．Keywords：paddyfieldCH4；emissionmanagement；greenhousegasemission；fieldmanagementpractice；Meta-analysis当前，全球变暖趋势在学术界获得普遍认可，这主要源自CH4等温室气体排放［1］。一方面，气候变化给农业领域带来了自然灾害频发、种植制度界限移动、病虫害风险增加、多种作物减产等严峻的挑战［2］；另一方面，农业生产带来了全球约60%的CH4排放，不合理的农业管理措施进一步加速了土壤碳的流失和排放［1，3］，对土壤的长期翻整扰动使得温带和热带土壤有机碳分别流失了近60%和75%［4-5］。因此，如何减少温室气体排放、缓解气候变化成为保障粮食安全的一个重要命题［4，6］。我国是水稻生产大国，而稻田是重要的CH4排放源。据估算，稻田CH4排放总量约占人为排放CH4总量的11%［7］。这是由于水稻生产过程中淹水灌溉所形成的无氧环境，适宜产甲烷菌的生存。秸秆还田等施入有机肥的措施给土壤带来了大量的易分解有机质，可作为产甲烷菌的反应底物，进而显著增加稻田CH4排放量［8］。研究表明，施用氮肥对稻田CH4排放的影响存在争议，赵峥等［9］在上海进行的试验表明，施用氮肥显著增加水稻生育期53.8%的CH4排放量，而Dong等［10］认为，施用氮肥CH4排放量会减少38%～49%。李帅帅等［11］对湖南地区稻田CH4排放的研究显示，将稻作制度调整为稻田冬季填闲种植，使双季稻种植季节的CH4排放量显著增加43.88%。不同的稻田农作措施对CH4排放影响显著。耕作方式通过改变土壤的通气状况，形成特定的厌氧或有氧环境，影响产甲烷菌的活动，最终也会影响稻田CH4排放［12］。与翻耕相比，免耕会减少约30%的CH4排放量［13］。稻田养鸭、养鱼等复合种养系统中，鸭、鱼等对稻田中水分与土壤的扰动影响了气体的交换，使土壤氧化还原电位升高，从而降低了CH4的排放量［14］。另外，节水灌溉稻田的CH4排放通量多低于常规灌溉稻田［14］，不同的节水灌溉模式减排效果不同［15-16］。目前，国内外稻田CH4排放研究的结论多来源于大田试验，由于各试验位点间温度、土壤、降水量等自然条件不同，试验结果存在一定差异，在针对某一题目的研究中，甚至出现了相悖的结果。田昌等［17］在湖南双季稻连作区开展长期定位试验中得到结论，控释尿素替代普通尿素能有效降低稻田CH4排放。也有部分结论显示，缓/控释肥对稻田CH4的减排效果不一致［18］。生物炭配施化肥是一种有效的减排措施，祁乐等［19］在重庆的试验结果显示，与单施化肥相比，配施生物炭处理可显著降低CH4累积排放量的21.22%～26.69%。26刘珂纯，等：我国稻田甲烷主要减排措施的技术效应与影响因素吉林农业大学学报JournalofJilinAgriculturalUniversity尽管已有的研究证实，农田管理措施与农田固碳减排效应之间具有相关性，但目前仍缺乏揭示全国范围内农田管理措施对稻田CH4排放影响的系统分析。Meta分析是对同一主题下多个独立试验或研究进行综合统计的一种分析方法［20］，具有评价数据量更大、结果更可靠等优势，广泛应用于多个领域。本研究基于Meta分析方法，对我国2020年之前公开发表的相关定位试验数据进行了收集和整理，系统分析中国地区不同农田管理措施对稻田温室气体CH4排放量的影响，为改进农田管理措施、有效降低温室气体CH4的排放、提升水稻生产应对和缓解气候变化的能力，提供理论参考和实践支撑。1材料与方法1.1数据来源本研究收集的数据来自2020年以前公开发表的文献，所用中文检索词包括稻田、水稻、温室气体排放、甲烷等，英文检索词包括ricefield、greenhousegasemissions，分别来自中国知网（ht-tp：∥www．cnki．net/）和WebofScience核心合集数据库（http：∥apps．webofknowledge．com/）。为确保研究科学准确，本研究所采用的文献均满足以下标准：①试验性质为田间定位试验；②试验位点处于中国境内，且试验地点和试验时间具体明确；③文献中稻田CH4排放量明确给出，或根据数据可以计算得出；④试验重复次数明确；⑤试验设计包括至少一对针对目标农田管理措施的对照与处理，且除该措施外的其他条件完全相同；⑥不属于模型模拟文章或宏观综述文章。基于以上标准严格筛选，共获得符合要求的文献236篇，其中英文文献89篇，中文文献147篇，可进行数据分析的有效试验数据818对，各分组所对应的文献与数据量见表1。表1可用数据量与农田管理措施数据分组情况Table1．Amountofdataavailableanddatagroupingaboutpaddymanagementpractices项目文献篇数英文文献中文文献数据对数对照组处理组耕作方式1431123传统耕作免耕节水灌溉22101262传统淹田灌溉节水灌溉生物炭还田167947无生物炭还田生物炭还田施用氮肥1275770412不施用氮肥施用氮肥有机肥还田29722188无有机物还田配施有机物复合种养123926传统水稻种植复合种养冬季填闲种植1621460冬季闲田冬季填闲种植共计236891478181.2数据处理本研究共针对9种农田管理措施进行了CH4减排效应评价（表2）。在收集的文献中，CH4排放一般采取静态箱取样后经气象色谱测定，对于直接提供CH4排放量的，则提取数据用于分析；针对以图片形式给出的数据，则使用Getdata软件摘取；针对未直接提供CH4排放量的，根据给出排放速率，用当季作物的生育期计算得出数据；针对以每公顷CO2当量（CO2－eq/hm2）表达排放量的，根据CH4增温潜势，将其除25得到排放量数据［21-23］。1.3数据分析本研究使用MetaWin2.1进行Meta分析［24］，以响应比（Ｒ）的自然对数为效应值（lnＲ），通过公式（1）计算每一对数据的效应值［25］：lnＲ=ln（XtXc）=lnXt－lnXc，（1）式中，Xt为处理组农田管理措施下CH4排放量（kg/hm2）；Xc为传统对照农田管理措施下CH4排放量（kg/hm2）。各传统与处理组措施见表2。通过式（2）得到各效应值对应权重［26］：w=（nt×nc）（nt+nc），（2）式中，w为权重；nt为处理组农田管理措施试验重复次数；nc为传统对照农田管理措施的试验重复次数。加权综合效应值由公式（1）和（2）中相应的效应及权重计算加权平均值获得。95%置信区间由bootstrapping（4999次迭代）生成，重复计算36吉林农业大学学报2022年2月JournalofJilinAgriculturalUniversity2022，February4999次得到组间异质性［27］，如效应值的95%置信区间不与0重合，则认为效应值显著［26］，即若置信区间全部＞0，则说明该农田管理措施增加稻田CH4排放量（P＜0.05）；若置信区间全部＜0，则说明该农田管理措施减少稻田CH4排放量（P＜0.05）［26］。若置信区间包含0，则说明该农田管理措施减少稻田CH4排放量无显著影响。为方便描述和理解，通过式（3）计算得到CH4排放量的变化百分数。E=（elnＲ－1）×100%，（3）式中，E为处理组相对于对照组条件下CH4排放量的变化（增加或者减少的百分比，%）。本研究使用SigmaPlot12.5软件进行相关作图。1.4分亚组Meta分析由于中国不同气候条件、土壤条件下，各个农田管理措施对稻田温室气体排放的影响有较大差异，为探究各个因素对于稻田温室气体减排效果的影响，本研究根据多种条件因素，选择不同分类方式将收集数据进行分组，利用分亚组Meta分析方法检验不同因素对减排效应的影响，见表2。组间异质性（Qb）被用于判断亚组间是否存在显著异质性，异质性大小及其显著性水平由4999次迭代的随机化测试方法计算获得。表2数据分组Table2．Datagrouping农作措施影响因素分组nQbP复合种养养殖模式养鸭养鱼230.00380.0848冬季填闲种植填闲作物种类黑麦草小麦马铃薯紫云英油菜570.24500.0004平均气温/℃15～1616～1818～20490.12000.0228起始pH5～66～77～8410.07710.0874平均气温/℃1～1010～2020～30240.00940.0792起始pH5.5～6.56.5～7.57.5～8.5280.00780.0978生物炭还田生物炭还田量/（t·hm－2）0～1818～3636～54440.16160.0422平均气温/℃15～1717～2020～25430.04390.4926年均降雨量/mm500～10001000～15001500～2000380.34530.0134施用氮肥施氮水平/（kg·hm－2）＜7070～140140～210210～280＞2802150.99920.0454平均气温/℃0～1010～2020～301880.00520.7610起始pH4～66～88～101950.00630.7162年均降雨量/mm300～900900～15001500～21001890.02740.2542一次性施氮年均降雨量/mm1000～14001400～1800110.00330.0242平均气温/℃15～1717～19100.00130.0598起始pH5～66～7110.00330.0294节水灌溉节水灌溉方式控制灌溉间歇性灌溉540.12580.0348年均降雨量/mm400～10001000～1600480.04380.2604平均气温/℃＜1010～1515～2020～25460.21740.0290耕作措施平均气温/℃16～1717～181001有机肥还田有机肥种类菜籽饼绿肥秸秆粪肥农家肥堆肥1780.22420.0254起始pH4～55～66～7620.00900.6930平均气温/℃15～1616～1717～1818～25400.07090.1334降雨量/mm500～10001000～15001500～2000420.05120.122646刘珂纯，等：我国稻田甲烷主要减排措施的技术效应与影响因素吉林农业大学学报JournalofJilinAgriculturalUniversity2结果与分析2.1不同种植制度对稻田CH4排放的影响由图1可见，与冬季闲田相比，填闲种植模式下CH4排放量显著增加了25.81%（P＜0.05）。不同种类的冬季覆盖作物对CH4排放量的影响十分显著（Qb=0.245，P=0.0004，图2－a），水稻与黑麦草、马铃薯、小麦、油菜、紫云英轮作分别使稻田CH4排放量增加了38.27%、68.8%、28.89%、39.71%和61.61%。由此可知，冬季填闲种植马铃薯、紫云英高于种植油菜、黑麦草，水稻—小麦轮作模式的增排效应最小。与仅种植水稻相比，复合种养系统的CH4排放量显著减少了12.15%（P＜0.05，图1）。稻田养鸭、养鱼（或虾）两种模式下，CH4减排效应分别为6.16%和20.79%（图2－b）。WC．冬季填闲种植；SE．复合种养；NI．施用氮肥；OM．施用有机肥；BＲ．生物炭还田；CF．控释肥；SF．一次性施肥；WS．节水灌溉；TP．耕作措施图1各农田管理措施下的稻田CH4排放的变化率Fig．1．ChangerateofCH4emissionsfrompaddyfieldsrespondingtovariousmanagementpractices分亚组Meta分析结果显示，冬季填闲种植对CH4排放的促进效应随着年平均温度的升高呈先增加后下降的趋势。年平均气温在15～16℃、16～18℃和＞18℃时，其相对变化率分别为－35.74%、49.29%和－21.19%（P＜0.05，图3－a）。2.2不同耕作措施与灌溉制度对稻田CH4排放的影响与传统的翻耕相比，免耕处理会显著减少12.74%的CH4排放（P＜0.05，图1）。与传统的淹田灌溉相比，节水灌溉CH4排放量显著减少了61.1%（P＜0.05，图1）。本研究中将节水灌溉分为控制灌溉和间歇性灌溉进行分组，其中控制灌溉要求以根层土壤含水率为灌溉水调控指标，间歇灌溉要求田面无明显水层，淹田灌溉为传统灌水方式，要求田面维持较深水层（多为10～50mm水层）。研究结果显示，在控制灌溉的情况下，稻田CH4减排77.01%，其效果显著优于间歇性灌溉的55.35%（P＜0.05，图2－c）。此外，不同的年均气温对节水灌溉的减排效应有显著影响（Qb=0.2174，P=0.029）。随着年平均气温的升高，节水灌溉的减排效应呈先增大后减小规律，在＜10℃、10～15℃、15～20℃、20～25℃时，CH4减排效果分别为30.24%、82.05%、59.65%、57.98%（图3－b）。2.3肥料管理对稻田CH4排放的影响与不施氮的稻田相比，施用氮肥的稻田CH4排放量显著增加了9.08%（P＜0.05，图1）。随着施氮量从＜70kg/hm2、70～140kg/hm2、140～210kg/hm2、210～280kg/hm2增加到＞280kg/hm2，施用氮肥对CH4排放量的影响分别为27.88%、18.32%、4.74%、－2%和56.15%（Qb=0.9992，P=0.0454，图2－d）。整体上看，施用氮肥对CH4排放的促进作用随着施氮水平的增加呈现先减少后增加的趋势，施氮量为210～280kg/hm2时甚至对CH4起到轻微的减排效果（－2%）。控释肥的水稻田CH4的排放量显著低于传统施肥稻田，相对减少率为18.52%（P＜0.05，图1）。从施肥模式的角度分析，一次性施肥的稻田CH4排放量稍高于分次进行施肥，其变化率仅为0.57%（图1）。由于相关文献数量较少，关于施肥模式的数据量较小，其分析结果并不显著。研究结果显示，当有机物还入稻田时，CH4排放量会有非常显著的增加，其相对变化率高达82.39%（P＜0.05，图1）。将有机物按照菜籽饼、绿肥、秸秆、粪肥、农家肥堆肥分为5类，不同类型的有机物还田对稻季CH4排放量的影响十分显著（Qb=0.2242，P=0.0254，图2－e）。配施菜籽饼会增加排放46%的CH4，绿肥和秸秆还田时CH4排放量增加率高达132.12%和114.54%，施入粪肥（牛粪、鸡粪、马粪、人粪、猪粪）时会增加53.89%的CH4排放，但当粪肥经过发酵堆肥后再施入稻田，CH4排放量降低至26.17%。不同年均56吉林农业大学学报2022年2月JournalofJilinAgriculturalUniversity2022，February降水量条件下，有机物还田对CH4排放的促进作用也有所不同，降雨量高的水稻种植地，CH4排放受有机肥还田的促进作用更大（图3－c）。与有机肥还田相反，稻田中施入生物炭使CH4排放量显著减少23.34%（P＜0.05，图1）。生物炭还田量不同，CH4排放量所受的影响差异显著（Qb=0.1616，P=0.0422，图2－f）。随着生物炭还田量从＜18t/hm2、18～36t/hm2到36～54t/hm2，CH4排放量的相对变化率从－0.16%、10.03%到－52.09%，呈先增加后降低的趋势。此外，年均降雨量对生物炭还田的CH4减排效果也有显著差异（Qb=0.3453，P=0.0134）。在生物炭还田的情况下，随着降水量的增加，CH4排放量也逐渐增加，当年降水量为500～1000mm、1000～1500mm、1500～2000mm时，对应的CH4排放相对变化率分别为－77.01%，－2.41%和47.95%（图3－d）。a，b，c，d，e，f分别为冬季填闲作物种类，养殖动物种类，节水灌溉模式，施氮量，有机肥种类，生物炭还田量图2分亚组分析各农田管理措施的稻田CH4排放的变化率Fig．2．ChangerateofCH4emissionsfrompaddyfieldsrespondingtovariousmanagementpracticesunderdiffer-entconditions66刘珂纯，等：我国稻田甲烷主要减排措施的技术效应与影响因素吉林农业大学学报JournalofJilinAgriculturalUniversitya，b，c，d分别为冬季填闲种植，节水灌溉，有机肥还田和生物炭还田图3不同温度或降雨量下各农田管理措施的稻田CH4排放的变化率Fig．3．ChangerateofCH4emissionsfrompaddyfieldsrespondingtovariousmanagementpracticesunderdiffer-enttemperatureorprecipitation3讨论稻田CH4的产生过程是在无氧条件下，有机质被土壤厌氧细菌分解为CO2、H2及乙酸，随后在产甲烷菌的作用下生成CH4。水稻种植期间形成的CH4有67%被氧化，其余大部分以闭蓄态形式存留于土壤中［28］。CH4在水稻生产季节一般通过植物输送、气泡过程、扩散过程3条途径传输进入大气，各个农田管理措施通过对CH4的产生与排放进行控制影响，从而减少稻田CH4排放。水稻季CH4排放受多方面因素制约，主要的影响因素有：土壤有机质、土壤pH、土壤Eh、土壤质地、土壤有机质含量、种植地年平均气温、年均降水量等。本研究中选取了土壤pH、年均气温、年均降水量作为分组依据进行分亚组分析，推测其对农田管理措施CH4减排效果的影响。3.1不同种植制度对稻田CH4排放的影响进行填闲种植的CH4排放量比冬季闲田显著增加了25.81%（P＜0.05）。前人研究结果表明，水稻冬季闲田时CH4排放极少，常表现为净吸收或负排放。而在冬季种植填闲作物时，土壤中甲烷氧化菌的甲烷氧化活性明显低于产甲烷细菌的甲烷形成活性，这两类细菌的数量、活性与CH4排放通量高低密切相关。5种与水稻轮作作物的效应顺序：马铃薯（68.8%）＞紫云英（61.61%）＞油菜（39.71%）＞黑麦草（38.27%）＞小麦（28.89%）。其中在稻麦轮作体系中，稻田CH4排放量的增加效应最小，分析其原因为小麦种植的旱作期土壤Eh提高，增加了土壤透气性，减少土壤中厌氧的产CH4细菌含量，而增加了好氧的甲烷氧化菌含量，进而对水稻CH4有减排作用。与常规淹水稻田相比，复合种养模式能有效减少CH4排放，与甘德欣等［29］的试验中，稻田养鸭使CH4排放通量显著降低的结论一致。首先，复合种养条件下养殖动物在稻田中的活动起到了松动土壤的效果，增加了水中溶解氧，土壤氧化还原电位升高［14］，达到水稻根系泌氧效果的同时，使产甲烷菌数量减少、活性减弱［30］；其次，动物的活动一方面增加了土壤与CO2之间的接触，有效76吉林农业大学学报2022年2月JournalofJilinAgriculturalUniversity2022，February降低了水体表面的酸碱度，另一方面也减少了植物烂根和浮游植物，有效控制了田地间的氧气消耗，降低了CH4的排放［31］。这对水稻生产有改善耕地质量、减少环境污染、提高农产品质量和降低化肥生产成本［32］等优点，可以在适宜地区推广。3.2不同耕作措施与灌溉制度对稻田CH4排放的影响研究结果显示，免耕与翻耕相比会减少12.74%的CH4排放（P＜0.05）。一方面免耕提升了土壤氧化还原特性，增强了土壤对CH4的氧化能力［33］，另一方面免耕减少了土壤的水分含量和紧质度，还影响到土壤有机碳和土壤微生物的重新分布，从而起到降低CH4排放的作用［34］。与传统的淹田灌溉稻田相比，节水灌溉使CH4排放显著减少了61.1%（P＜0.05）。干湿交替的条件增加了稻田土壤的通气性，破坏了产甲烷菌的生存环境，抑制了CH4的排放。研究结果显示，随着年平均气温的升高，节水灌溉的减排效应呈现先增大后减小的规律，在年均气温10～15℃时，CH4减排效果高达82.05%，随后逐渐降低。这与李强［35］研究发现的在常规灌溉条件下升温处理的稻田CH4排放通量较常温处理有降低趋势的结果基本一致。水稻生长期耗水量大，传统的淹溉、漫灌所用水量远超过水稻的生理需水量，造成了水资源的浪费。节水灌溉在提高水分的利用效率同时显著降低了稻田CH4的排放。此外众多研究表明，间歇灌溉对产量没有显著影响。目前中国大多数地区稻田水分管理方式由传统的淹水灌溉转向中期晒田和间歇灌溉的节水方式，除有利于环境可持续外，也更适用于我国人口多而水资源并不丰富的农业生产现状。3.3不同肥料管理对稻田CH4排放的影响Meta分析结果显示，与不施氮稻田相比，施用氮肥使稻田CH4排放量显著增加，但促进效果较小。这一结论虽然与陈冠雄［36］等一致，但Cai等［37］研究结果表明，尿素施用降低了稻田CH4排放。分析其原因可知，首先，丰富的氮源提高了产甲烷菌的活性，促进了水稻生长，增加了根系分泌物、植株凋落物等，为土壤产甲烷菌提供了丰富的底物，导致CH4排放增加；其次，施氮土壤中NH4+含量增加，NH4+与CH4分子结构相似，二者的竞争关系使CH4氧化量下降，促进CH4排放；最后，施用氮肥促进了CH4氧化菌的生长，CH4氧化加剧，从而减少CH4排放。这三方面因素的强弱程度对施氮的减排或增排效应起到了决定作用［38］。氮肥对水稻田排放CH4的影响极其复杂，可能使其增加也可能减少。这与水稻的品种、氮肥的种类、施用方式、施用时间以及施氮量都有关系。本研究结果显示，随着施用氮肥量的增加，稻田CH4排放呈现先减少后增加的规律。其中施氮量为140～210kg/hm2（4.74%）、210～280kg/hm2（－2%）两区间内时最低，这与前人在宜兴的稻田观测的，施用量为200kg/hm2时排放量最低这一结论基本相符。施氮量对稻田CH4排放的影响还有待进一步研究。当施氮量高达一定值（280kg/hm2）时，大量氮肥的输入促进了植株生长，使根系分泌物明显增多，为CH4的产生提供了丰富的底物，充分促进了CH4的大量排放。缓/控释肥的养分可以被植物缓慢吸收，与速效肥料相比，释放速率更低，肥效更长［39］。研究结果显示，控释肥稻田CH4排放量显著降低了18.52%（P＜0.05）。过量的尿素所产生的高浓度氮会带来胁迫作用并改变土壤pH，从而影响到细菌的数量和活性。而缓释肥可调节养分释放模式，一方面作物全生育期对氮的生理需求更容易得到满足，另一方面也有利于土壤氮素含量的提高，在刺激微生物生长和提高活性的同时为其创造了良好的生存环境。林匡飞等［40］的双季稻试验也得到了控释肥施用显著降低约50%的早、晚稻CH4排放量的结果。但目前有关控释肥对稻田CH4排放影响的研究结果不一致。李方敏等［41］大田试验研究表明，稻季控释肥处理CH4排放量是尿素处理的2～3倍；还有部分研究显示［42］，尿素处理和控释肥处理CH4排放量之间无显著差异。根据分亚组分析结果推测，可能与当地年降水量的影响有关，降雨量高时不利于控释肥对CH4排放量的降低。由于相关试验数量较少，数据数量及代表性有限，结论的准确性可能存在一定的偏差。关于控释肥对CH4排放相关的功能还有待进一步探索与完善。研究结果显示，有机物还入稻田会显著增加82.39%的CH4排放量（P＜0.05）。其中绿肥＞秸秆＞粪肥（牛粪、鸡粪、马粪、人粪、猪粪）＞菜籽饼＞有机肥堆肥（或沼渣沼液）。秸秆等有机物还田为稻田提供了极端的厌氧条件、丰富的易分解有机物质（如蛋白质、脂肪类等）、大量不稳定化合86刘珂纯，等：我国稻田甲烷主要减排措施的技术效应与影响因素吉林农业大学学报JournalofJilinAgriculturalUniversity物（如纤维素、半纤维素等）和较低的土壤氧化还原电位，增加了土壤活性炭含量，为产生CH4打造了良好的环境［43］；此外，发酵堆肥处理可以明显降低粪肥还田对CH4排放的促进作用，其相对变化率由53.89%降低至26.17%。和单施化肥相比，畜禽粪便与化肥配施有改良土壤、提高土壤碳库储量、提高肥力等作用，但同时会增加CH4的排放。相比于新鲜有机肥直接施入，长时间的高温持续对产甲烷菌活性起到了抑制作用，使其多样性与数量都明显减少，达到稻田CH4减排的效果，这为稻田合理施肥提供了依据［44］。Meta分析结果显示，生物炭还田使CH4排放量显著减少23.34%（P＜0.05）。随着生物炭还田量的增加，CH4减排效应呈先增加后降低的趋势。生物炭通过其吸附等作用为甲烷氧化菌提供更多反应底物，加速了稻田土壤氧化还原电位的下降，提升了土壤对CH4的氧化能力，为甲烷氧化菌提供了适宜条件，从而降低了稻田土壤CH4排放量［45］。此外，生物炭还田除减少稻田CH4排放外还有改善土壤质量、提升土壤稳定性炭库容量、固定大气CO2等积极作用［46］，显然是一种适宜广泛应用的新型碳管理技术［47］。本研究在数据收集过程中，部分研究论文的试验重复数较少，农田管理措施等基本信息描述模糊，部分省和地区的相关研究论文较少，这些因素影响了结果的精确性。在未来的研究中，将进一步扩大样本量来提高结果的准确性和可靠度。3.4水稻低碳种植的建议本研究结果表明，受种植区域、自然条件、土壤条件的控制，不同情况下的CH4排放量相对变化率有一定的差异。综合而言，免耕、复合种养、生物炭还田、控释肥以及节水灌溉模式与传统的处理措施相比，更有利于稻田CH4减排。未来的水稻种植生产中应当充分考虑水旱轮作的减排效果，设置合理的种植模式，在适宜的地区广泛推广复合种养的生态种养模式。在施用肥料方面应当综合考虑粮食安全和环保问题，权衡产量和温室气体排放等因素设置合理的施氮水平；充分考虑缓控释肥带来的减排效果，合理利用粪肥、秸秆等有机物，进行发酵堆肥后再施入稻田可以一定程度上抑制有机肥还田对甲烷排放的促进作用；广泛推广应用生物质炭，并合理设置还田量。在耕作方式方面应该进一步推广免耕等耕作措施，保护原有土壤结构，减少稻季CH4排放；选择灌溉制度时，考虑用间歇性灌溉等节水灌溉方法代替传统淹灌，减少CH4排放。4结论（1）冬季填闲种植促进CH4排放，其中种植马铃薯＞紫云英＞油菜＞黑麦草＞小麦。水稻与鱼（虾）或鸭复合种养的模式可显著降低CH4排放量。节水灌溉可以显著减少CH4排放，其中控制灌溉效果显著优于间歇性灌溉。随着年平均气温的升高，节水灌溉的减排效应呈现先增大后减小的规律。免耕或少耕等减少耕作次数或减少耕作面积的耕作措施可以显著降低CH4排放。（2）施加氮肥整体上会增加稻田的CH4排放量，其效果随着施氮水平的提高呈先降低再升高的趋势，且＞280kg/hm2的施氮水平下CH4排放量增加率最大。控释肥或施肥时配施生物抑制剂有助于降低CH4排放量。（3）有机肥还田会显著增加稻田CH4排放量，其中绿肥和秸秆的还田效果明显优于粪肥和菜籽饼。相比较而言，将农家肥堆肥后还田或沼渣沼液还田会降低CH4排放；与有机肥相反，生物炭还田会显著降低CH4排放，其减排效果随着生物炭还田量的变化先减弱后增加。综上，不同的农田管理措施对水稻季CH4排放有不同的影响，稻田养鱼（虾）养鸭、适当的施氮水平（210～280kg/hm2）、减少有机肥或将有机肥堆肥发酵后还田、控释肥或配施生物抑制剂、适当的生物炭还田、非传统淹田灌溉模式以及免耕少耕等条件更有助于水稻季节温室气体CH4减排，从而实现水稻的低碳生产以及农业的可持续发展。参考文献：［1］LalＲ．Agriculturalactivitiesandtheglobalcarboncycle［J］．NutrientCyclinginAgroecosystems，2004，70（2）：103－116．［2］杨晓光，刘志娟，陈阜．全球气候变暖对中国种植制度可能影响Ⅰ．气候变暖对中国种植制度北界和粮食产量可能影响的分析［J］．中国农业科学，2010，43（2）：329－336．［3］LalＲ．Soilcarbonsequestrationtomitigateclimatechange［J］．Geoderma，2004，123（1－2）：1－22．［4］LalＲ．Soilcarbonsequestrationimpactsonglobalclimatechangeandfoodsecurity［J］．Science，2004，304（5677）：1623－1627．［5］LalＲ．Managingsoilsandecosystemsformitigatinganthropo-geniccarbonemissionsandadvancingglobalfoodsecurity［J］．BioScience，2010，60（9）：708－721．96吉林农业大学学报2022年2月JournalofJilinAgriculturalUniversity2022，February［6］王兴，赵鑫，王钰乔，等．中国水稻生产的碳足迹分析［J］．资源科学，2017，39（4）：713－722．［7］ChangeIntergovernmentalPanelonClimate．ClimateChange2013-ThePhysicalScienceBasis［M］．Cambridge：Cam-bridgeUniversityPress，2009．［8］唐海明，肖小平，孙继民，等．种植不同冬季作物对稻田甲烷、氧化亚氮排放和土壤微生物的影响［J］．生态环境学报，2014，23（5）：736－742．［9］赵峥，岳玉波，张翼，等．不同施肥条件对稻田温室气体排放特征的影响［J］．农业环境科学学报，2014，33（11）：2273－2278．［10］DongHB，YaoZS，ZhengXH，etal．Effectofammonium-based，non-sulfatefertilizersonCH4emissionsfromapaddyfieldwithatypicalChinesewatermanagementregime［J］．At-mosphericEnvironment，2011，45（5）：1095－1101．［11］李帅帅，张雄智，刘冰洋，等．Meta分析湖南省双季稻田甲烷排放影响因素［J］．农业工程学报，2019，35（12）：124－132．［12］XiongZQ，XingGX，ZhuZL．Nitrousoxideandmethaneemissionsasaffectedbywater，soilandnitrogen［J］．Pedo-sphere，2007，17（2）：146－155．［13］ZhaoX，LiuSL，PuC，etal．Methaneandnitrousoxidee-missionsunderno-tillfarminginChina：ameta-analysis［J］．GlobalChangeBiology，2016，22（4）：1372－1384．［14］成臣，杨秀霞，汪建军，等．秸秆还田条件下灌溉方式对双季稻产量及农田温室气体排放的影响［J］．农业环境科学学报，2018，37（1）：186－195．［15］昝鹏，陈燕萍．不同水肥耦合水稻温室效应及氮素利用率研究［J］．节水灌溉，2018（2）：56－60．［16］王长明，张忠学，吕纯波，等．不同灌溉模式寒地稻田CH4和N2O排放特征及增温潜势分析［J］．灌溉排水学报，2019，38（1）：14－20，68．［17］田昌，周旋，黄思怡，等．控释尿素减施对稻田CH4和N2O排放及经济效益的影响［J］．生态环境学报，2019，28（11）：2223－2230．［18］纪洋，于海洋，徐华．控释肥与尿素配合施用对稻季土壤CH4和N2O排放的影响［J］．生态环境学报，2017，26（9）：1494－1500．［19］祁乐，高明，郭晓敏，等．生物炭施用量对紫色水稻土温室气体排放的影响［J］．环境科学，2018，39（5）：2351－2359．［20］vanKesselC，VentereaＲ，SixJ，etal．Climate，duration，andNplacementdetermineN2Oemissionsinreducedtillagesystems：ameta-analysis［J］．GlobalChangeBiology，2013，19（1）：33－44．［21］丁洪，王跃思，秦胜金，等．控释肥对土壤氮素反硝化损失和N2O排放的影响［J］．农业环境科学学报，2010，29（5）：1015－1019．［22］PhilibertA，LoyceC，MakowskiD．Assessmentofthequalityofmeta-analysisinagronomy［J］．Agriculture，Ecosystems＆Environment，2012，148：72－82．［23］StockerTF，QinD，PlattnerGK，etal．Climatechange2013：thephysicalsciencebasis．ContributionofWorkingGroupⅠtotheFifthAssessmentＲeportoftheIntergovern-mentalPanelonClimateChange［C］．Cambridge：UnitedKingdomandNewYork，2013．［24］ＲosenbergMS，AdamsDC，GurevitchJ．MetaWin：statisti-calsoftwareformeta-analysis［M］．Sunderland：SinauerAsso-ciates，2000．［25］HedgesLV，GurevitchJ，CurtisPS．Themeta-analysisofresponseratiosinexperimentalecology［J］．Ecology，1999，80（4）：1150－1156．［26］CurtisPS，WangXZ．Ameta-analysisofelevatedCO2effectsonwoodyplantmass，form，andphysiology［J］．Oeco-logia，1998，113（3）：299－313．［27］AdamsDC，GurevitchJ，ＲosenbergMS．Ｒesamplingtestsformeta-analysisofecologicaldata［J］．Ecology，1997，78（4）：1277－1283．［28］严陈．大气CO2浓度升高下稻田土壤甲烷氧化的微生物调控机理［D］．南京：南京师范大学，2012．［29］甘德欣，黄璜，蒋廷杰，等．免耕稻-鸭复合系统减少甲烷排放及其机理研究［J］．农村生态环境，2005，21（2）：1－6．［30］向平安，黄璜，甘德欣，等．免耕稻-鸭生态种养技术的环境经济学分析［J］．生态学报，2005，25（8）：1981－1986．［31］张文静．稻田种养结合循环农业温室气体排放的调控与机制［J］．山西化工，2020，40（6）：222－223，227．［32］李海鸥，郑引妹，王发国，等．种养结合生态循环农业模式初探［J］．农业与技术，2019，39（18）：90－91．［33］ZhaoX，PuC，MaST，etal．Management-inducedgreen-housegasesemissionmitigationinglobalriceproduction［J］．ScienceoftheTotalEnvironment，2019，649：1299－1306．［34］黄雁飞．免耕和稻草还田下稻田CH4和CO2排放特征及机理研究［D］．南宁：广西大学，2013．［35］李强．升温、水分和氮肥对稻麦轮作系统产量及温室气体排放的影响［D］．上海：上海交通大学，2016．［36］陈冠雄，黄国宏，黄斌，等．稻田CH4和N2O的排放及养萍和施肥的影响［J］．应用生态学报，1995，6（4）：378－382．［37］CaiZC，XingGX，YanXY，etal．Methaneandnitrousox-ideemissionsfromricepaddyfieldsasaffectedbynitrogenfertilisersandwatermanagement［J］．PlantandSoil，1997，196（1）：7－14．［38］SchimelJ．Ｒice，microbesandmethane［J］．Nature，2000，403（6768）：375，377．［39］董樑．缓控释肥料及其在水稻上的应用探究［J］．南方农业，2020，14（15）：193－194．［40］林匡飞，项雅玲，姜达炳，等．湖北地区稻田甲烷排放量及控制措施的研究［J］．农业环境保护，2000（5）：267－270．［41］李方敏，樊小林．控释肥对稻田CH4排放的影响［J］．应用与环境生物学报，2005（4）：408－411．［42］纪洋，于海洋，CONＲADＲalf，等．间隙灌溉和控释肥施用对稻田土壤产甲烷微生物的影响［J］．土壤，2017，49（6）：1132－1139．［43］汤宏，吴金水，张杨珠，等．水分管理和秸秆还田对稻田甲烷排放及固碳的影响研究进展［J］．中国农学通报，2012，28（32）：264－270．［44］李波，荣湘民，谢桂先，等．有机无机肥配施条件下稻田系统温室气体交换及综合温室效应分析［J］．水土保持学报，2013，27（6）：298－304．［45］蒋晨，麻培侠，胡保国，等．生物质炭还田对稻田甲烷的减排效果［J］．农业工程学报，2013，29（15）：184－191．［46］陈曦，江赜伟，丁洁，等．生物炭施用对节水灌溉稻田土壤氮素含量及脲酶活性的影响［J］．江苏农业科学，2020，48（19）：268－274．［47］向伟．生物炭对稻田温室气体排放与产量的影响［D］．武汉：华中农业大学，2020．（责任编辑：林海涛）07