稻田N2O排放影响因素与减排研究进展

夏仕明 陈洁 蒋玉兰 陈璐 刘贺 刘立军

（扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/农业部长江中下游作物生理生态与栽培重点开放实验室，江苏扬州225009；第一作者：349395838@qq.com；*通讯作者：ljliu@yzu.edu.cn）

稻田N2O排放影响因素与减排研究进展

夏仕明 陈洁 蒋玉兰 陈璐 刘贺 刘立军*

（扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/农业部长江中下游作物生理生态与栽培重点开放实验室，江苏扬州225009；第一作者：349395838@qq.com；*通讯作者：ljliu@yzu.edu.cn）

氧化亚氮（N2O）是稻田生态系统中一种主要的温室气体，在全球温室效应中起着很大作用。本文从稻田N2O的产生机制、影响稻田N2O排放的主要因素以及稻田N2O减排的技术措施等方面综述了稻田N2O的研究进展，并对未来开展稻田N2O排放研究提出了一些设想，以期为减少稻田温室气体排放和氮损失提供参考。

稻田；氧化亚氮；温室气体；减排技术

由于大气中温室气体含量逐年升高，全球温室效应越发严峻，引发了全球温度升高、冰川融化、海平面上升等一系列问题，已经严重影响到了人类的生存和全球的发展。氧化亚氮（N2O）是大气中仅次于甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的最主要的温室气体，其温室效应是CO2的310倍[1]。我国是一个水稻种植大国，种植面积约占世界总种植面积的17%，约有60%的人口以稻米为主食[2-3]。近年来，为了追求高产，稻田氮肥用量呈增加态势，过量的氮肥施用造成了氮肥利用率的下降。有研究表明，我国稻田氮肥利用率仅为30%~ 35%[4]。大量氮素通过径流、氨挥发、硝化和反硝化等形式流失。这一情况也直接导致我国稻田N2O的年排放量呈现上升的趋势[5]。据统计，稻田排放的N2O约占农田系统的10%左右。因此，进一步深入研究我国稻田N2O排放规律和减排措施显得尤为重要。已有研究表明，影响N2O排放的因素众多，释放机理复杂，很多排放源、排放强度等还未能准确定量。本文在前人研究基础上，从水稻品种、肥料管理、秸秆还田和水分管理等方面分析了其与稻田N2O排放之间的关系，并提出了未来稻田N2O研究的重点，以期为水稻高产、养分资源高效利用和稻田温室气体减排提供参考。

1 N2O的产生机制

稻田中N2O产生的主要途径是土壤中的微生物进行了硝化与反硝化作用[6]。土壤中N2O的排放量取决于土壤中的N2O扩散及被还原的程度[7]。

1.1 硝化作用

硝化作用是指土壤中的硝化细菌在通气良好的条件下将氨氧化为硝酸和亚硝酸的过程[8-9]。方程式：NH4＋＋2O2→NO3－＋2H＋＋H2O。这个方程式可以分解为两部分：NH4＋＋1.5O2→NO2－+2H＋＋H2O和 NO2－＋0.5O2→NO3－。N2O是羟胺氧化成NO2-N过程中因酶反应和化学反应而生成的。在酸性条件下NO2－更容易变为N2O[10]。

1.2 反硝化作用

在缺氧条件下，NO3-由反硝化细菌和化学还原剂作用还原生成NO、N2O、N2。在参加还原反应的细菌中有些生成N2，有些仅还原生成N2O，而有些产生N2O和N2的混合物[11]。它的化学反应过程是：NO3－→NO2－→NO→N2O→N2。各个反应过程都有酶的参与，促进反应的进行。张玉铭等[12]认为，反硝化过程中生成的NO、N2O、N2通常受多种因素的影响，比如土壤湿度、质地、pH值、有机质含量和温度等。

2 稻田N2O排放的影响因素

2.1 肥料管理

施肥对N2O的排放有重要影响[13]。施肥既能影响硝化反应又能影响反硝化反应的进行，而且能够影响水稻的生长，稻田N2O是通过水稻植株进入土壤，然后从土壤进入大气[14]。稻田施用肥料会促进水稻植株的生长，继而促进了植株N2O的传输能力。氮肥是促进水稻生长和产量形成的重要外部投入，但氮肥也是稻田N2O排放的重要来源，氮肥投入量越多，N2O排放量也就越多[15]。其主要原因在于氮肥的施用增加了稻田氮素的含量，为硝化和反硝化反应提供了底物NO3－和NH4＋，从而促进了稻田N2O的排放。易琼等[16]的研究结果表明，施用常规氮肥明显提高了稻田N2O的排放，改施缓释肥可有效降低稻田N2O的排放量。张怡等[17]研究认为，控释肥可以减少覆膜栽培措施下稻田43.6%的N2O排放。李方敏等[18]也发现，施用控释肥与施用尿素相比，控释肥在水稻生长期释放养分较为缓慢，稻田土壤溶液中的NO3－浓度较低，能够有效降低稻田土壤中N2O的排放。

有研究[19-20]认为，稻田施用磷肥可以增加稻田土壤磷酸酶活性，导致土壤pH值产生变化，土壤性质的变化会增加或降低N2O排放量。但也有研究[21]认为，施用磷肥促进水稻对N的吸收，从而降低了稻田N2O的排放量。我国稻田普遍施用尿素和硝态氮，有研究[22-23]证明，尿素对N2O的促进作用较硝态氮更大。普遍研究认为，与有机肥相比，化肥的施用促进了稻田N2O的排放。田光明[24]研究也认为，有机肥对N2O的排放有明显减少的作用。而陈玉芬等[25]发现，对于早稻而言，施用化肥产生的N2O量多于施用有机肥产生的N2O；对于晚稻而言，施用化肥产生的N2O量则少于施用有机肥产生的N2O。

2.2 秸秆还田

我国的秸秆资源十分丰富。秸秆还田是一种低投入可持续的资源利用方式。秸秆的科学还田还可以减少稻田化学肥料的施用。有研究[26]表明，在种植水稻时，秸秆还田可以有效降低N2O的排放量，而在无水稻种植时，秸秆还田增加了N2O的排放。也有研究[27]表明，秸秆还田量越高，N2O排放量也越高。潘婷[28]的研究则认为，秸秆还田对稻田N2O的排放与水稻类型有很大关系。秸秆还田降低了早稻稻田N2O的排放量，但会提高晚稻稻田N2O的排放量。因此，秸秆还田对稻田N2O排放的影响仍需进一步深入研究。

2.3 水分管理

水分管理是影响稻田N2O排放的重要因素之一。稻田N2O主要来源于土壤微生物的硝化与反硝化作用。土壤酶活性、土壤氧化还原电位（Eh）和土壤氮素浓度等都受水分的影响[29]，因而也会明显影响硝化与反硝化过程，从而引起稻田N2O排放的变化。Terry等[30]研究发现，旱地土壤水分含量高低是决定N2O产生的重要因素。土壤含水量高时，N2O产生的主要途径为反硝化作用；土壤含水量适中时，N2O产生的主要途径是硝化和反硝化作用；而土壤含水量低时，N2O的产生途径主要是硝化作用。王立超[31]的研究也认为，在湿润水分管理下，硝化作用比反硝化作用产生的N2O量多；在淹水处理下，反硝化作用产生的N2O量多于硝化作用。

相对于旱地的N2O排放研究而言，对稻田N2O的排放研究较少。有研究表明，稻田N2O排放主要集中在搁田期，搁田增加了稻田土壤的通透性，为土壤提供了大量氧气，有利于硝化反应和反硝化反应同时进行，促进N2O排放；在淹水时排放几乎为零，稻田N2O的大量排放主要出现在干湿交替灌溉期。Yan等[32]研究了排水搁田和淹水条件下对N2O排放的影响，结果发现，排水搁田条件下大部分N2O通过土壤表面排放，只有17.5%的N2O通过水稻植株排入空气中；而淹水条件下87.3%的N2O通过水稻植株排放。还有研究[33]表明，随着晒田期的推迟，稻田N2O排放逐渐减少。但推迟晒田减少稻田N2O排放的影响机制尚不清楚。

2.4 耕作方式

不同的耕作模式对稻田N2O的产生及排放也有很大影响。耕作改变了土壤的理化性质，直接或者间接地影响了稻田N2O的排放。目前，关于耕作方式对稻田N2O排放的影响结果不太一致。有研究[34]认为，与传统翻耕相比，免耕和旋耕可以减少稻田N2O的排放；但也有研究[35]表明，免耕和旋耕会促进N2O的排放；还有研究[36]认为，免耕和旋耕对N2O的排放没有影响。最近，成臣等[37]的研究结果表明，不同耕作方式对双季稻田N2O排放无明显影响。

2.5 水稻品种

水稻植株本身在N2O排放过程中扮演者很重要的角色，深入研究水稻品种对N2O的排放具有重要意义。已有研究证明，稻田N2O的传输途径有3种：（1）通过水稻植株的通气组织释放到大气中；（2）通过气泡扩散到大气中；（3）液相扩散。其中，通过植株本身的通气组织释放的N2O占稻田土壤N2O总排放量的80%。孙会峰等[38]观察到，各个水稻品种生长初期即有N2O排放。在中期常规搁田之前，各水稻品种的N2O的排放量较低；在搁田期间，常规籼稻和常规粳稻N2O排放剧烈，而杂交籼稻和杂交粳稻N2O排放量基本为0。稻田淹水后各水稻品种的N2O排放量基本为0。分析其原因，可能由于杂交水稻的生物量大于常规水稻，其吸收的氮素多于常规稻，从而减少了稻田N2O的排放[39]。

水稻株型对稻田N2O的排放也有一定的影响。吕小红[40]的研究表明，在相同氮肥水平下，紧凑型水稻品种的硝化反应较松散型品种强烈，导致紧凑型水稻品种N2O的排放量多于松散型品种。

2.6 土壤性状

稻田土壤性状明显影响稻田N2O排放，比如土壤微生物、温度、质地、氧气含量、pH值和有机质等[41]。秦晓波等[42]研究发现，稻田N2O的排放通量与土壤pH值呈正相关关系，但是相关性不显著。稻田土壤60%左右的N2O排放量集中在5＜pH＜6之间。稻田土壤N2O排放与土壤氧气的相关性较弱，但土壤氧气的可获得性对N2O的产生和排放有很大的影响，土壤氧气可获得性水平较低时，反硝化作用主导N2O的产生。土壤温度影响土壤微生物的活性及硝化与反硝化作用的速率，从而影响N2O的排放。总体而言，土壤N2O的排放量与温度的高低呈正相关。

另外，土壤质地影响了土壤水分含量和土壤通透性，从而影响土壤硝化和反硝化作用的强弱以及N2O在稻田土壤中的扩散速度。徐华等[43]观察到，砂质土壤N2O的排放量明显高于壤土和粘土。

3 稻田N2O减排的主要技术措施

我国是一个农业大国，水稻种植面积位居世界第2位。稻田是N2O排放的主要来源，减少稻田温室气体的排放对控制全球变暖有重要作用。在保证水稻种植面积和产量的同时，设法降低稻田N2O排放是一个亟待解决的重要问题。根据以往众多研究结果，稻田N2O减排的主要技术措施大体有以下几个方面。

3.1 合理施肥

肥料施用的方式、种类、施用量和施用时间都会对稻田N2O排放产生影响。合理施肥，提高肥料利用效率是减少稻田N2O排放的有效措施[44]。根据水稻各个时期所需的养分，测土配方施肥，合理的养分配比，改表施为深施，提高肥料的利用效率，避免因肥料的过度施用导致稻田N2O的排放。研究表明，目前我国的氮肥利用率在20%～30%之间，若将氮肥利用率从20%～30%提高到30%～40%，则可减少10%的N2O排放[45]。施用缓释肥可以有效降低稻田N2O排放。另外，铵态氮肥的深施或者混施也可以有效减少稻田N2O的排放[46]。

3.2 优化水分管理

水分管理主要是改变了土壤的通透性和氧化还原状态，抑制硝化和反硝化作用的进行，从而减少N2O的排放。在常规水分管理模式下，减少搁田和后期干湿交替灌溉的时间，是减少稻田N2O排放的有效措施[47]。长期淹水条件下稻田N2O的排放系数仅为0.02%，远低于“淹水-搁田-淹水”和“淹水-搁田-干湿交替”两种水分管理模式下N2O的排放系数[48]。但是长期淹水会导致另外一种温室气体CH4的急剧上升。由于两者存在互为消长的关系，因此综合考虑水分状况对2种温室气体排放的影响，这是优化稻田水分管理的前提。与间歇灌溉相比，常规灌溉稻田N2O的排放量较低，但是其甲烷的排放量高于间歇灌溉。间歇灌溉稻田的综合温室效应比长期淹水灌溉弱很多[49]。由此可见，间歇灌溉是较为适宜的减少稻田温室气体的水分管理模式。

3.3 选用高产低N2O排放的水稻品种

不同水稻品种N2O的排放量差异很大。有研究表明，杂交稻品种的温室气体效应明显低于常规水稻品种[50]。也有研究[51-52]认为，增产潜力大或经济产量高的水稻品种通常需要吸收较多的氮素，减少稻田土壤氮素残留，从而可以降低稻田N2O排放。因此，选择既高产又低N2O排放的水稻品种将是减少稻田N2O排放的重要措施。

4 研究展望

稻田N2O的排放与很多因素有关，是一个极其复杂的过程。虽然前人对这方面已有很多研究，但研究结果存在较大差异，很多问题仍不明确。进一步深入研究稻田N2O排放机理及减排措施对减少稻田温室气体排放具有重要意义。未来对稻田排放N2O的研究应注重以下几个方面。

4.1 水稻品种改良对稻田N2O排放的影响及其机理

不同水稻品种间N2O排放存在明显差异。在过去的几十年中，水稻品种不断更新改良，产量和品质都有很大提升，但是品种改良对稻田N2O排放的影响尚不清楚。深入研究水稻品种改良对N2O排放的影响及其机理，可为高产优质水稻选育和温室气体减排栽培提供重要的理论论据。

4.2 稻田N2O和CH4排放互补效应的研究

众多研究表明，水分和肥料是影响CH4和N2O产生的两大主要因素，有利于CH4产生的土壤条件不利于N2O的产生，反之亦然，CH4和N2O的排放存在互为消长的关系。在不同的水分养分管理条件下，稻田温室气体净排放量是增加还是减少目前尚不清楚。加强在不同水分养分管理模式下稻田温室气体净排放量的研究尤为重要。未来应该综合考虑两者的排放关系，制定更合理的灌溉模式和施肥方法，减少稻田温室气体排放。

4.3 干湿交替灌溉对稻田N2O排放的影响及其机理

传统的长期淹水灌溉方式不仅浪费水资源，而且不利于水稻产量和品质的形成。近年来，干湿交替灌溉技术作为一种高产节水灌溉模式已在生产上大面积应用。干湿交替灌溉技术虽有显著的节水和提高水分利用效率的效果，但其对稻田N2O和其他温室气体排放的影响则少见报道。研究明确干湿交替灌溉对稻田N2O排放的影响及其机理，对水稻高产节水栽培和稻田温室气体减排有重要意义。

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Advances in Nitrous Oxide Emission and Its Reduction in Rice Field

XIA Shiming,CHEN Jie,JIANG Yulan,CHEN Lu,LIU He,LIU Lijun*
（Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology of Jiangsu Province/Key Laboratory of Crop Physiology,Ecology and Cultivation in Middle and Lower Reaches of Yangtze River,Ministry of Agriculture,Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu 225009,China;1st author:349395838@qq.com;*Corresponding author:ljliu@yzu.edu.cn）

Nitrous oxide is an important greenhouse gas in paddy field ecosystem and plays a vital role in the global greenhouse effect. This article deals with the generation mechanism of paddy nitrous oxide,the influencing factors of paddy nitrous oxide emissions，and technical measures taken to reduce nitrous oxide emissions as well.And from these three aspects,this article further gives an overview of research progress regarding paddy field nitrous oxide and then offers some assumptions for future research concerning reduction of paddy nitrous oxide emissions,expecting to provide a reference for the reduction of greenhouse gas emissions and nitrogen losses.

paddy field;nitrous oxide;greenhouse gas;reduction of emission

S511.05

A

1006-8082（2017）02-0005-05

2016－11－04

国家自然科学基金（31371562;31171481）；公益性行业（农业）专项（201203031-02）