水分和秸稈管理減排稻田溫室氣體研究與展望

周 勝，張鮮鮮，王 從，孫會峰，張繼寧

（1.上海市農業科學院生態環境保護研究所，上海201403；2.上海低碳農業工程技術研究中心，上海201403）

全球氣候變化不僅影響經濟的可持續發展而且也將影響人類生存環境。人類活動排放大量溫室氣體進入大氣層，是導致全球氣候變化的主要原因，農業生產也是溫室氣體排放的主要來源之一。根據我國政府報告[1]，2014 年中國溫室氣體凈排放總量為111.86 億t 二氧化碳（CO2）當量，其中CO2排放量約為91.24 億t，甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）分別為11.61億t 和6.10 億t（CO2當量）；40%的CH4和60%的N2O來源于農業活動，其中水稻種植排放的CH4占農業活動排放量的40%，農用地土壤排放N2O占79%。

栽培稻生產是我國最重要的糧食生產方式之一。栽培稻在長期的選育過程中傾向于適應淹水環境，使栽培稻在淹水條件下能維持較高的產量。因此，為滿足水稻高產穩產需求，在稻季進行淹水種植成為保障糧食安全的必然選擇。稻田水分狀況對溫室氣體的產生和排放起到重要的調控作用，通過管理稻田灌溉方式和土壤水分狀況，調控稻田土壤中溫室氣體產生和消耗過程，可以實現減少稻田溫室氣體排放的目的。我國在20 世紀80 年代以后，為了減少水稻的無效分蘗、強化根系活力從而達到增產目的，稻田水分管理從傳統持續淹灌轉變為淹灌+中期烤田，該措施在達到水稻增產目的的同時，大幅減少了稻田CH4排放量（至2000年大約降低了500萬t CH4排放量，相當于1.25 億t CO2當量）[2]，驗證了水分管理減排稻田溫室氣體的巨大潛力。

另外，農業生產過程中產生的秸稈資源十分豐富，據估算我國每年作物秸稈產生量可達6 億～8 億t[3]。秸稈還田對稻田土壤有機質積累、土壤結構改善、地力提升等均具有明顯的效果[4]。對于實施秸稈還田的稻田，秸稈還田措施在提升稻田土壤肥力的同時，為稻田CH4的產生提供了大量外源性有機質代謝底物。稻田淹水過程中，土壤中的秸稈等有機質在厭氧環境下進行分解，促進了稻田CH4的產生與排放，間接上降低了秸稈還田的環境效益[5]。而與持續淹灌相比，采用節水灌溉技術，可大幅降低稻田CH4排放，雖然一定程度上會促進土壤N2O 的產生與排放[6-7]，但總體上，可在保障水稻產量的前提下，降低稻田綜合溫室氣體效應。因此，合理的水分管理不僅能大幅降低淹水稻田CH4的產生與排放，還能抑制因秸稈還田造成的CH4排放量增加的趨勢，水分與秸稈的協同管理可保障秸稈還田在土壤保育和溫室氣體減排方面的綜合環境效益，對于我國水稻生產的可持續發展具有重要指導意義。

1 水分管理對稻田溫室氣體排放的影響

1.1 節水灌溉管理減排稻田溫室氣體的效果

常見的稻田水分管理方式可分為常規灌溉和節水灌溉（圖1）。常規灌溉根據水稻生育與需水特點，為了減少無效分蘗、提高水稻產量，已經從傳統的持續淹灌（常規灌溉①）逐步發展到淹灌+中期烤田（常規灌溉②），或者前期淹灌+中期烤田+后期間隙式灌溉（常規灌溉③）。由于幾種常規灌溉方式下稻田水分條件不同，溫室氣體排放也具有不同的規律。中期烤田使稻田土壤通氣狀況變好，O2含量升高，抑制了土壤中CH4的產生，促進了CH4的氧化[8]。因此，與常規灌溉①相比，常規灌溉②的中期烤田使CH4排放量降低20%～60%[9]；水稻移栽28 d 后進行為期9 d 的中期烤田，CH4降低50%～53%，N2O 增加20%～37%，有效降低46%～50%的全球增溫潛勢（Global warming potential，GWP）[10]；和單次烤田相比，在水稻生長期間進行多次烤田可減少更多的CH4排放量[11]；如果中期烤田后進行間歇灌溉（常規灌溉③），同樣可有效減少CH4排放，從而降低綜合GWP[12]。

節水灌溉以滿足水稻基本需水要求為基礎，根據種植區域水利條件、氣候環境和土壤條件等制定詳細的技術規程，在減少灌溉量的同時獲得穩定產量。與常規灌溉保持一定深度的田面水層相比，節水灌溉一般保持土壤濕潤或薄水層。水稻生產上較為成熟的節水灌溉技術主要有濕潤灌溉、干濕交替（Alternate wetting and drying，AWD）和覆膜栽培等。水稻生產過程中減少灌溉量可顯著降低溫室氣體排放量，與常規灌溉②相比，減少30%灌溉量可以降低30%～53%的CH4排放量，減少70%灌溉量可以降低51%～77%的CH4排放量[13]。

圖1 稻田常規灌溉和節水灌溉管理方式Figure 1 Conventional irrigation and water-saving irrigation management of paddy field

節水灌溉技術中的濕潤灌溉模式基于水稻需水規律，滿足水稻生長關鍵期需水，控制非關鍵期的灌溉量，可分為控制灌溉、滴灌以及淺灌模式。控制灌溉要求返青期水層0.5～2.5 cm，除施肥、打藥、除草等外不再建立水層（降雨除外），以稻田土壤體積含水率作為灌水的調控指標，與常規灌溉②相比，稻田CH4排放量顯著降低60%以上[14-15]；水稻滴灌生產模式下稻田CH4排放量比常規灌溉②降低90%，綜合GWP 降低36%[16]，從全生命周期角度進行評價的結果也表明滴灌減少50% 的灌溉用水，顯著降低66% 的綜合GWP[17]；淺灌模式僅需維持稻田1～2 cm 的水層，與常規灌溉②相比，CH4排放未出現高峰值，總體排放通量顯著降低，綜合GWP減少78%[18]。

干濕交替基于設定的土壤水分閾值進行淹水-落干-復水-落干的水分管理，主要在我國南方和東南亞地區（如印度、印尼及菲律賓）主要水稻種植國家推廣應用。與常規灌溉①相比，我國南方移栽稻田進行干濕交替管理，在節約19%～30%灌溉用水的同時，顯著降低了37%～77%的CH4排放量[19]。在泰國直播稻田，干濕交替管理增加了12%的水稻產量，雖然CH4排放量降低的同時N2O 排放量增加，但是綜合GWP 降低了22%[20]。N2O 排放量增加主要是因為干濕交替管理造成土壤在潤濕和干燥兩種狀況之間頻繁切換，好氧環境下銨態氮通過硝化作用生成硝態氮，在潤濕的厭氧環境中硝態氮又容易反硝化產生N2O，所以干濕交替的稻田水分狀況加劇了土壤中氮素的硝化-反硝化過程[21]，促進了N2O 的生成和排放。另外，水稻覆膜栽培技術是將水稻直播或秧苗移栽至有地膜覆蓋的地畦上，可有效降低灌溉用水[22-23]。與常規灌溉①移栽相比，覆膜移栽稻田在保持水稻穩產的同時，降低了63%的CH4排放量，雖然N2O 排放量增加了4.1 倍，但綜合GWP 降低了58%[24]。N2O 排放量的增加可能是由于qnorB 和AOA 轉錄增強以及nifH 轉錄降低的綜合效應，促進了土壤礦化、硝化和反硝化作用[25]。

綜上所述，節水灌溉措施在節約灌溉用水的同時，能大幅降低稻田CH4排放量，但由于促進了硝化和反硝化作用，會增加N2O 排放量，但總體上降低了稻田綜合GWP。另外，為降低勞動力投入和農資消耗量，減少水稻生產環節，實際生產中從傳統育秧移栽改為稻田直播并配合節水灌溉是今后輕簡化栽培的發展趨勢，能達到穩產減排的目的[26-28]。與常規灌溉③的育秧移栽稻田相比，直播淺灌可顯著降低CH4排放量，雖然N2O 排放量增加，但綜合GWP 明顯下降[29-30]。不同栽培模式下水分管理對稻田溫室氣體排放量和產量的影響效果見表1。綜合而言，插秧移栽采用控制灌溉或淺灌，基本能兼顧穩產減排；插秧移栽進行覆膜栽培時，能在保持水稻產量的同時，大幅降低CH4排放量，但N2O 增加較大；干濕交替無論是對插秧移栽還是直播都有增產效果，同時具有較好的減排效果；而直播栽培采用滴灌或覆膜，減產幅度較大。因此，插秧移栽采用控制灌溉或淺灌，以及不管插秧移栽還是直播都可采用干濕交替管理方式，均有利于實現作物穩產和溫室氣體減排的目標。

表1 不同節水灌溉措施對稻田溫室氣體排放量及產量的影響效果Table 1 Effect of water-saving irrigation measures on greenhouse gas emission and yield in rice field

1.2 不同種植類型的水分條件對稻田溫室氣體排放的影響

由于水稻種植區域的環境條件不同，水稻種植類型及其水分管理方式具有鮮明的地域特色。除傳統淹灌稻田外，常見的基于當地環境條件的水分管理還包括雨養稻、深水稻和旱稻等。雨養稻和深水稻多見于東南亞地區，是為充分適應季節性洪澇或干旱環境而衍生出來的水分管理模式。雨養稻在稻季排放的CH4是淹灌稻季的40%[40]；深水稻的CH4排放通量比常規灌溉①減少42%，但因其稻季持續時間長，總排放量反而增加了32%[41]。

與傳統水稻淹水種植不同，旱稻多種植于沒有田埂的地里，傳統意義上的旱稻產量較低。在菲律賓旱季分別對水稻進行淹水灌溉和旱管種植管理（旱管種植是指整個生長發育期間以利用雨水為主，或缺水敏感期適當灌溉的種植方式）[42]，與淹灌相比，旱管種植條件下CH4排放量顯著降低90%以上，N2O 排放量增加了50%，但旱管種植條件下稻谷產量顯著下降[43]；與水稻淹灌相比，旱稻生長期間維持70%的田間持水量可以大幅度降低CH4排放量，降低幅度高達90%以上，N2O 顯著增加，增加量為188%，同時產量保持相對穩定[44]。近年來我國研發出不同于水稻和旱稻的新型栽培稻品種——節水抗旱稻，節水抗旱稻既具有水稻的高產優質特性又具有旱稻的節水抗旱特性，具有較好的抗旱能力，適用于旱管種植，在節水50%時產量和品質與傳統水稻持平[45]。節水抗旱稻在接近旱管（灌溉量減少70%）種植條件下，與常規灌溉②相比，CH4排放量降低了51%～77%，而產量能夠保持相對穩定[13]。

1.3 水肥耦合管理對稻田溫室氣體排放的影響

一般情況下，稻田CH4排放和N2O 排放呈現此消彼長的關系。室內培養試驗表明，在土壤深層（7.5 cm）氧化還原電位（Eh）低于-150 mV 時CH4排放增強；土壤表層（2 cm）Eh 高于140 mV 時N2O 排放增強[46]；但是當土壤水分增加到土壤孔隙含水量為75%時，N2O 排放達到最高。這主要是因為N2O 不僅來源于硝化作用，也來自反硝化作用[47]。利用節水灌溉措施對稻田CH4進行減排時，由于稻田土壤氧化還原狀況的交替變化，會促進N2O 的排放，而產生N2O 的氮素主要來自田間施肥。氮肥是硝化和反硝化作用的重要底物，當氮肥施入稻田后，稻田土壤從淹水到落干階段硝化作用加強，有利于銨態氮轉化為硝態氮，促進N2O 的排放；灌溉復水后，土壤通氣性變差，為反硝化作用提供了厭氧環境，同時前期生成的大量硝態氮為反硝化作用提供了充足的底物，硝化和反硝化的共同作用促進了N2O 的排放。因此，通過水分管理耦合施肥措施控制N2O 的生成和排放是綜合減排稻田溫室氣體的重要途徑。

研究證實，N2O 排放量隨氮肥施用量的增加而增加[48]，因此，降低氮肥施入量是最基本的減排措施。合適的施氮量可使土壤中的有效氮素在分蘗盛期被消耗掉，從而減少產生N2O 的底物濃度；采用干濕交替等節水灌溉措施時，銨態氮轉化為硝態氮是產生N2O 的重要途徑，通過施加緩釋肥或在氮肥中添加硝化抑制劑、脲酶抑制劑等可有效降低N2O 排放[49]。因此，采用節水灌溉減排稻田CH4時，通過耦合氮肥施用措施可同時降低N2O 排放，從而減少稻田綜合溫室氣體排放強度。例如干濕交替灌溉模式下通過耦合緩釋肥、硝化抑制劑+脲酶抑制劑的施肥管理措施，在降低CH4排放量的同時，有效降低了N2O 排放量，降低幅度分別為28%～49%和12%～44%[50]。

2 秸稈管理對稻田溫室氣體排放的影響

2.1 秸稈離田與還田管理對稻田溫室氣體排放的影響

作物秸稈是重要的生物質資源，2015 年我國秸稈綜合利用率達到80.1%，主要利用方式有秸稈肥料化、飼料化、燃料化、原料化和基料化。從秸稈類型來看，小麥、水稻秸稈以肥料化利用為主，利用率分別為63.1%和55.2%[51]。除了秸稈作為肥料還田利用外，其他幾種利用方式均屬于秸稈離田綜合利用。秸稈離田使生產過程中產生的大部分秸稈生物質被帶離稻田土壤。因此，水稻季的CH4排放量大幅下降，只有秸稈還田的22%～33%[52-53]。離田秸稈經過加工處理，有的作為肥料或改良劑等又返還到稻田，例如近年來研究較多的秸稈生物質炭的加工與施用，其對稻田溫室氣體排放的影響不同于秸稈直接還田。有的研究表明，在常規氮肥施用條件下，稻田土壤添加小麥秸稈生物質炭可顯著降低水稻季N2O 排放量，但對稻田CH4排放量沒有顯著影響[54]；而有的研究則表明，水稻和小麥秸稈加工而成的生物質炭，均可顯著降低稻田CH4排放量，同時稻田CH4排放量與生物質炭施用量成顯著負相關，并且水稻和小麥秸稈生物質炭之間沒有顯著差異[55]?？傮w而言，在相同水肥管理條件下，離田秸稈進行炭化后再還田可不同程度地降低稻田綜合溫室氣體排放強度。

和秸稈離田利用相比，水稻和小麥秸稈的直接還田肥料化利用仍是目前最主要的管理方式，根據還田秸稈量的多寡可分為全量還田和減量還田。在相同水肥管理條件下，小麥秸稈還田可導致水稻季稻田CH4排放量顯著增加，但同時會一定程度抑制N2O 排放，但在總體上導致水稻季CH4和N2O 排放產生的綜合GWP顯著升高[6，56-57]。水稻秸稈是雙季稻田秸稈還田的主要投入物料，雙季稻的水稻秸稈還田對稻田CH4和N2O 排放量的影響與小麥秸稈還田效果一致[58-59]，并且晚稻季的CH4排放量受秸稈還田的影響比早稻季大[58]。秸稈還田導致水稻季CH4排放量增加，主要是由于秸稈直接還田導致稻田土壤系統中外源性碳源增加，在水稻季前期，還田秸稈在稻田土壤厭氧環境中分解，為產甲烷微生物提供額外的能量和碳代謝底物，從而促進了稻田土壤CH4的產生與排放，并且秸稈還田量與稻田CH4排放量呈正相關關系[53，60-61]；而稻田N2O 排放受到抑制，秸稈還田量與稻田N2O 排放量之間則呈現負相關關系[62]，這可能是由于作物秸稈在分解過程中快速消耗稻田土壤中的O2，造成秸稈分解區域周圍的稻田土壤處于強還原環境，由于在強還原環境下N2O 易被還原為N2，因此降低了稻田N2O 排放量[56]。此外由于秸稈施用導致稻田土壤C/N 增加，影響稻田土壤中硝化與反硝化過程可利用的氮素量，從而抑制產生N2O 的相關氮循環過程，最終影響稻田N2O的產生與排放[63]。

2.2 秸稈還田方式對稻田溫室氣體排放的影響

秸稈還田從施用方式上主要包括旋耕還田、翻耕還田、溝埋還田、免耕還田（表層覆蓋）等形式，其中旋耕、翻耕和溝埋方式為秸稈埋施還田，以秸稈和稻田土壤混合為特點。秸稈在旋耕與翻耕還田過程中與土壤混合比較充分，而溝埋還田以開溝秸稈集中覆埋為特點，相對減少了秸稈與稻田土壤的接觸；免耕還田則多為秸稈直接覆蓋于土壤表面。無論秸稈以何種形式施入稻田土壤，和無秸稈還田相比，溫室氣體排放量均有較大幅度提高，但秸稈還田也相應地提高了作物產量。

秸稈以旋耕或翻耕方式還田的稻田CH4排放速率較高，旋耕還田的稻田CH4排放速率一般大于翻耕還田方式[64-65]，或者基本相同[66]。與旋耕和翻耕還田方式相比，秸稈免耕還田可使稻田CH4排放速率降低27%和24.3%，并且推遲了CH4排放峰值出現的時間，主要是與水稻季前期實行淺灌有關；同時免耕還田降低N2O 排放速率16.7%和42.1%[66]。在淺灌條件下，免耕還田秸稈與旋耕、翻耕還田秸稈相比，處于非嚴格厭氧環境，其好氧分解程度更高，因此減少了分解產物向CH4的轉化。但如果水稻季前期免耕還田（表層覆蓋）秸稈與土壤接觸少，分解速度慢，不僅降低了水稻季前期稻田土壤Eh，為CH4的產生提供了有利環境，而且增加了淹水期稻田的有機質供應量，為產甲烷菌提供了更多的反應底物，反而會促進水稻季的CH4累積排放量，使秸稈免耕還田的CH4累積排放量比旋耕還田或均勻混施還要高[67-68]。因此，秸稈免耕還田（表層覆蓋）需要協同合適的水分管理，才能達到降低稻田溫室氣體排放的目的。另外，與秸稈旋耕或翻耕還田相比，溝埋還田可降低稻田溫室氣體排放強度[67，69]。與翻耕還田相比，溝埋還田條件下CH4排放量平均減少了11%～42%，雖然N2O 排放量增至1.0～1.4 倍[69]，但綜合溫室氣體排放強度降低了6%～35%。N2O 排放量的增加表明秸稈溝埋還田對于稻田N2O的抑制作用可能具有時滯效應。一般來說，在長年秸稈還田條件下，稻田土壤碳庫的累積效應可導致土壤C/N 升高，進而增加土壤固持氮的能力，相應地減少土壤硝化和反硝化過程可利用的氮素含量，從而減少N2O的產生[61，63]。

2.3 秸稈還田時機對稻田溫室氣體排放的影響

秸稈還田本質上是外源性有機質向稻田土壤系統的輸入過程，該過程通過增加外源碳、氮底物供給刺激稻田土壤碳氮循環過程，從而促進了稻田CH4的產生和排放。秸稈還田的時機選擇對水稻季稻田溫室氣體排放也具有重要影響，水稻秸稈在休閑季施用，與水稻移栽前還田相比，可以使秸稈在好氧條件下一定程度地分解，從而減少水稻季稻田土壤中秸稈厭氧分解過程中產生CH4的相關底物，進而顯著降低秸稈對水稻季CH4排放的促進效應[70]。另外，與休閑季后的整田期施用水稻秸稈相比，休閑季前施用水稻秸稈可減少水稻季11%的CH4排放[71]，該結果也印證了上述研究結果，即延長水稻種植前的好氧分解過程，可有效減少還田秸稈在水稻季對CH4排放的促進作用。IPCC 發布的《國家溫室氣體清單指南》中也指出，與水稻移栽前施用秸稈相比，休閑季施用秸稈會降低由秸稈還田引起的水稻季CH4排放[72]。上述結果均表明，與秸稈在農田淹水狀態下還田或還田后立即淹水相比，休閑季或旱作季施用秸稈，使秸稈在土壤中經歷更長的好氧分解過程，可以部分減緩由秸稈還田引起的CH4產生與排放。

2.4 綠肥還田對稻田溫室氣體排放的影響

稻-綠肥茬口輪作是一種重要的稻田生產模式。稻田綠肥作物主要以豆科作物為主，常見綠肥作物包括：蠶豆、豌豆、苜蓿和紫云英。利用DNDC 模型結合實測數據的研究結果表明，水稻季苜蓿和蠶豆全量還田均顯著增加水稻季CH4排放量，其中蠶豆全量還田對稻田CH4排放的促進作用大于苜蓿還田[73]。雙季稻田施用紫云英，在早、晚稻季均導致稻田CH4排放量顯著增加，而N2O 排放量則顯著降低[74]。綠肥還田對稻田CH4排放的影響機制與稻、麥秸稈還田對稻田CH4排放的促進機制基本相同。例如紫云英施用導致稻田土壤CH4排放量增加，主要是由于綠肥還田增加了稻田土壤還原性物質含量，降低土壤Eh，促進了CH4排放[62]。

綠肥還田對稻田N2O 排放的抑制作用與稻、麥秸稈還田對稻田N2O 排放的影響機制基本相似，但略有差異。與稻、麥等禾本科作物秸稈相比，豆科綠肥作物植株C/N 更低，其平均值在15∶1～20∶1 之間[75]。在此基礎上，相比于稻、麥秸稈還田，綠肥還田及其分解過程中，基本不會對稻田土壤N2O 排放產生的關鍵氮循環過程產生氮素脅迫。因此，綠肥還田對稻田N2O排放的抑制作用，主要被認為是綠肥分解過程中釋放的還原性物質，改變了稻田土壤氧化還原特征，促進淹水稻田土壤中N2O 向N2的轉化，從而抑制稻田N2O排放[62]。

3 水分和秸稈協同管理對稻田溫室氣體排放的影響

3.1 水分和秸稈協同管理對稻田CH4排放的影響

無論是在常規灌溉還是節水灌溉條件下，和無秸稈還田相比，秸稈還田均會促進CH4排放[53]。與常規灌溉相比，節水灌溉措施可顯著降低秸稈還田條件下稻田CH4排放量[9，11]。在同等秸稈還田量條件下，控制灌溉與常規灌溉②相比，稻田CH4排放量下降了58%～63%[53]。另外，如前文所述，秸稈免耕還田時水稻季前期實行淺水灌溉管理，可促進秸稈有機質的好氧分解，減少分解產物向CH4轉化，顯著降低CH4排放量。雖然秸稈還田條件下稻田覆膜滴灌的相關研究資料較少，但與常規灌溉①相比，綠肥還田條件下的覆膜滴灌可顯著降低稻田CH4排放量[38]，秸稈還田條件下的覆膜濕潤灌溉和秸稈覆蓋濕潤灌溉亦顯著降低稻田CH4排放量[26]。

3.2 水分和秸稈協同管理對稻田N2O排放的影響

稻田N2O 排放主要受氮肥施用水平和土壤水分條件的影響，常規灌溉時的中期烤田或節水灌溉措施會刺激稻田N2O 排放[56，76]。在相同水肥管理條件下，受外源性有機質輸入和稻田土壤氧化還原響應特征的調控，和無秸稈還田稻田相比，秸稈還田稻田的N2O 排放有降低的趨勢。相較常規灌溉①稻田，覆膜濕潤灌溉和秸稈覆蓋濕潤灌溉的稻田N2O 排放量均顯著增加[7]，且兩種節水灌溉方式之間無顯著差異。在綠肥還田條件下，覆膜滴灌稻田與常規灌溉①稻田N2O 排放量之間無顯著差異[38]。兩項研究結果的差異，可能是由于實驗過程中土壤水分控制差異所導致。另一項土壤培養實驗結果則表明，在一定的土壤含水量（0.25 g·g-1）條件下，秸稈等外源性有機質輸入可導致土壤系統N2O 排放量顯著增加[77]，主要是由于肥料和秸稈中的氮源參與了硝化反應，促進N2O 的產生與排放；同樣，如果稻田土壤處于水分不飽和狀態，土壤氧化還原狀態利于硝化作用的發生，從而導致N2O 排放量顯著增加[7]。綜上所述，與稻田CH4排放響應相似，水分管理與秸稈還田協同作用下，水分管理是影響稻田N2O 排放的主導因素。常規灌溉①增加稻田土壤還原性，抑制稻田土壤硝化作用的同時促進N2O 向N2轉化，因此，N2O 排放量低。而節水灌溉（濕潤灌溉、干濕交替及覆膜等）條件下，土壤處于好氧-厭氧的交替狀態，硝化-反硝化作用增強，最終促進稻田N2O的產生與排放。

3.3 水分和秸稈協同管理對稻田綜合溫室效應的影響

由于稻田CH4的產生途徑主要是產甲烷菌參與下的有機質厭氧分解，而好氧條件下的硝化作用是N2O 產生的主要反應過程，因此水分管理條件下稻田CH4和N2O排放之間通常具有相反的消長趨勢[56，63，78]，例如干濕交替造成稻田水分落干和淹水之間頻繁交替，導致CH4和N2O排放峰交替出現，雖然CH4排放引起的溫室效應顯著低于常規灌溉①，但N2O 排放引起的溫室效應可能會增加；另外，秸稈還田是大量外源有機質輸入稻田土壤系統的過程，顯著增加水稻季CH4排放引起的溫室效應。與常規灌溉①稻田相比，秸稈免耕還田（表層覆蓋）條件下的濕潤灌溉可降低稻田CH4排放量達94.6%，但同時也使稻田N2O 排放量提高5.16 倍，最終僅使稻田綜合溫室效應降低9.8%，基本抵消了稻草免耕還田產生的CH4減排貢獻[7]。因此，協同運籌管理水分與秸稈還田，是降低秸稈還田對環境不利影響的重要手段。在秸稈還田條件下，通過協同節水灌溉可大幅減少稻田CH4排放量，但同時需要采取減少施氮量、添加硝化抑制劑等降低N2O 排放的措施，避免大量產生N2O，防止減排CH4的環境效益被增加的N2O排放所抵消。

4 結論與展望

4.1 主要結論

水分管理對稻田溫室氣體減排至關重要。中期烤田、間隙灌溉等常規灌溉中的措施不僅有利于增產，也降低了稻田CH4排放量。節水灌溉基于水稻需水特性減少灌溉量，進一步改變了稻田土壤氧化還原狀況，從而抑制CH4的生成并促進CH4的氧化，大幅減少稻田CH4排放量，但由于稻田土壤中CH4和N2O此消彼長的排放規律，節水灌溉在顯著降低CH4排放的同時，也可能促進N2O 的排放。因此，為進一步提升節水灌溉技術減排稻田溫室氣體的效果，水肥耦合管理是關鍵所在。通過文獻分析可知，插秧移栽采用控制灌溉或淺灌，以及無論插秧移栽還是直播采用干濕交替管理方式，均有利于實現作物穩產和溫室氣體減排的目標，尤其是采用干濕交替等節水灌溉耦合緩釋肥或添加硝化抑制劑，在降低稻田CH4排放量的同時，能有效抑制N2O的生成和排放。

秸稈還田是最重要的秸稈利用方式，既改良土壤肥力，又有利于作物增產。秸稈還田雖然有抑制N2O生成與排放的潛力，但增加了稻田土壤有機質的輸入，促進了稻田CH4的排放。減少因秸稈還田造成的CH4排放關鍵在于采用合適的秸稈還田方式與時機，創造秸稈好氧分解環境，減少秸稈處于厭氧環境的時間。因此，秸稈還田與稻田水分狀況的耦合就顯得尤為重要，可行的措施包括秸稈在稻田休閑季還田、秸稈溝埋還田適當降低秸稈與土壤的混合程度、秸稈免耕還田配合濕潤灌溉等，以上均可顯著降低CH4排放量。

4.2 研究展望

稻田生態系統對于保障我國糧食安全、維護經濟社會可持續發展具有重要的作用。為更好發揮稻田生態系統的生產與生態功能，適應水稻生產發展新趨勢，降低稻田溫室氣體排放強度，今后需要考慮從以下幾個方面開展研究：

（1）為進一步減少節水灌溉模式下的N2O 排放，一方面，今后需要深入研究如何優化節水灌溉條件下的施肥措施，研發適用于節水稻田水分特性的專用緩釋肥，提高作物氮素利用率，增強土壤氮素固持能力，從而抑制N2O 的生成與排放，達到同時減少稻田CH4和N2O 排放的目的。另一方面，秸稈還田是對稻田土壤碳庫的有效補充，本質上是將一部分光合作用固定下來的CO2通過秸稈還田儲存于稻田土壤。因此，為綜合評估稻田溫室效應，需要針對秸稈還田土壤有機質（碳庫）變化和溫室氣體排放開展長期的觀測，綜合定量評估秸稈還田形成的土壤固碳與溫室氣體排放之間的關系。

（2）近年來新型品種與栽培管理技術不斷成熟與推廣。例如新型栽培稻品種——節水抗旱稻結合旱管種植的栽培方式，生長發育期間以利用雨水為主，或僅在缺水敏感期適當灌溉，整個稻季田間基本處于無淹水狀況，徹底改變了傳統稻田土壤的水分狀況，在保證產量穩定的同時大幅減少灌溉用水量和CH4排放量。因此，深入研究新型栽培稻品種在旱管種植條件下的稻田CH4和N2O 協同減排機制、土壤有機質變遷與碳氮動態等，可為大規模推廣旱管種植減排稻田溫室氣體技術提供科學依據和技術支撐。

（3）利用稻田的水環境養殖蝦蟹類、魚類、鴨等水產或水禽的新型稻田種養結合模式近年來得到了迅速發展，此類“水稻+水產/水禽”的互利共生模式提高了稻田綜合利用率，增加了農民收益，是實現稻作供給側改革的重要措施。稻田種養模式的水肥管理不僅要滿足水稻的生長需要，養殖期間還必須維持一定的水層，有些養殖甚至需要投入餌料，這增加了水土環境的有機質含量，在厭氧環境下可能會促進CH4的大量排放。因此，如何優化稻田種養系統的水分管理，合理移除水稻秸稈，減少餌料等有機物料投入，調控整個系統的碳氮收支平衡，從而降低溫室氣體排放總量，是減少新型種養結合模式綜合溫室效應的重要研究方向。