杜 彭，吴家梅，陈跃进，纪雄辉

（1.湖南人文科技学院，湖南 娄底 417000；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；3.农业部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙 410125；4.湖南省农业环境生态研究所，湖南 长沙 410125）

农艺措施对稻田土壤产甲烷菌的影响研究进展

杜 彭1，吴家梅2,3，陈跃进1，纪雄辉3,4

（1.湖南人文科技学院，湖南 娄底 417000；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；3.农业部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙 410125；4.湖南省农业环境生态研究所，湖南 长沙 410125）

从农田管理的角度综述了近年来国内外学者对稻田土壤产甲烷菌的研究成果，发现耕作模式、水分管理、肥料管理、病虫草害防治等操作都会对稻田土壤产甲烷菌的数量和（或）种群产生影响。其中，旱作、水—旱轮作、施用化肥等能在一定程度上减少稻田土壤产甲烷菌的数量。这表明采取适当地农艺措施可降低稻田土壤中产甲烷菌的数量，从而在一定程度上缓解全球温室效应。

产甲烷菌；农艺措施；稻田；甲烷排放；综述

甲烷是仅次于二氧化碳的主要温室气体，在100 a尺度上，其温室效应是二氧化碳的28.5倍[1]。目前，大气中甲烷的平均浓度是1.7×10-3mL/L，并以每年0.8%的速率逐年增长[2]，对温室效应的贡献已达19.0%～22.9%[3]。稻田是大气中甲烷的重要人为来源，其每年排放的甲烷占全球排放总量的5.3%～19.0%[4]。研究表明，稻田甲烷排放量与稻田土壤产甲烷菌的数量存在一定相关关系[5-8]。产甲烷菌是一类在厌氧条件下能将无机或有机化合物消化转化为甲烷和二氧化碳的细菌。甲烷生物合成途径有3条，分别为以氢、二氧化碳为原料的合成途径、以乙酸为原料的合成途径和以甲基化合物为原料的合成途径，稻田土壤产甲烷菌主要利用的是第一条途径[9]。当前已分离鉴定的产甲烷菌超过200 种[10]，分属于甲烷杆菌目（Methanobacteriales）、甲烷球菌目（Methanococcales）、甲烷微菌目（Methanomicrobiales）、甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）、甲烷火球菌目（Methanopyrales）、Methanocellales和Methanoplasmatales等7个目[11]。稻田土壤产甲烷菌主要属于甲烷球菌目、甲烷杆菌目和甲烷微菌目[9]。为了深入了解稻田生态系统产甲烷菌的影响因素，阐述了不同的土壤类型、耕作模式、水稻品种、水分管理、肥料管理、病虫草害防治等农艺措施对稻田土壤产甲烷菌的影响，以期为稻田减排甲烷提供参考。

1 土壤类型

水稻土是典型的水耕人为土，新开垦的稻田在水耕熟化发育初期阶段就已形成成熟的产甲烷菌群落，直到发育成熟产甲烷菌的群落结构也已基本保持稳定，且产甲烷的活性和群落数量与土壤发育年限呈正相关关系[12]。不同土壤类型由于理化性质的差异，在相同外界条件下，其产甲烷菌的数量也存在一定差异。陈美慈等[13]研究表明，涂砂田或老黄筋泥田比黄松田土壤中的产甲烷菌数量更少、咸泥土或黄筋泥比黄松土中的产甲烷菌数量更少；这可能是由于黄松土和黄松田的pH值近中性、咸泥土和涂砂田的pH值偏碱性、黄筋泥和老黄筋泥田的pH值偏酸性，而中性环境更有利于稻田土壤产甲烷菌生长的缘故[13]。

2 耕作模式

相对于常规栽培，晚稻免耕栽培模式、旱作栽培模式等可以减少土壤产甲烷菌的数量。在旱作栽培模式下，无秸秆覆盖旱作栽培比秸秆覆盖旱作栽培的土壤产甲烷菌数量更少。李大明等[6]研究发现，晚稻免耕模式下早、晚稻的产甲烷菌群落数量均比传统栽培模式低，但土壤中产甲烷菌的群落结构多样性则呈现出早稻低于传统栽培模式、晚稻高于传统栽培模式的现象；秸秆覆盖旱作稻田的产甲烷菌数量及其群落结构的多样性和丰富度均显著高于无秸秆覆盖旱作稻田，但其产甲烷菌的群落结构多样性和数量均小于常规淹水稻田[6]。王英[14]也发现淹水稻田中产甲烷菌数量和多样性均显著高于旱作稻田，但两者产甲烷菌的主要类群没有显著差异。另外，水-旱轮作模式比单一水作模式的产甲烷菌数量要少[13]。这是因为产甲烷菌的生长需要较低的氧化还原电位，旱地土的氧化还原电位一般比水田土高，不利于产甲烷菌的生长[15]。

3 水稻品种

与杂交稻相比，常规稻可以显著减少稻田土壤中产甲烷菌的数量，而种植转Bt基因水稻对此没有显著影响。段彬伍等[16]研究发现杂交稻稻田土壤中产甲烷菌数量及产甲烷潜力均显著高于常规稻田，其中产甲烷菌数可相差数倍，差异大的甚至可高出2个数量级。这可能是由于杂交稻的根系较发达、根系分泌物较多有利于产甲烷菌的生长所致。但转Bt基因水稻对淹水土壤和水稻根际产甲烷菌都没有显著性影响[17]。

4 水分管理

田间水分管理显著影响着土壤产甲烷菌的生长。与深水灌溉相比，干湿灌溉的稻田土壤产甲烷菌数量明显较少[7]；降低地下水位也可以减少稻田土壤产甲烷菌的数量[18]。闵航等[19]研究发现不同灌溉条件下，土壤产甲烷菌数量的波动幅度相对较大，地下水位的高低对施用化肥的土壤中产甲烷菌的丰度影响不显著，但高地下水位（-20 cm）与低地下水位（-80 cm）相比，能显著提升施常量有机肥土壤中产甲烷古菌的丰度[18]。

5 肥料管理

与有机肥相比，施用化肥可以减少稻田土壤产甲烷菌的数量，同时施用硝酸盐能显著降低土壤产甲烷菌的丰度。陈美慈等[13]研究发现施肥能改变土壤产甲烷菌的群落组成和丰度，且施有机肥的效果比施无机肥更明显。Bao[20]发现稻秆还田能增加稻田土壤（特别是粉沙壤土）产甲烷菌的数量和种类。Adrian等[21]认为施用腐熟的粪便能增加产甲烷菌的基因丰富度，Nguyen[22]也认为施用腐熟的猪粪能增加土壤中产甲烷菌的数量和群落组成。施牛粪和施菜饼的水稻田土壤中产甲烷菌的数量均显著高于施氯化钾的水稻田[23]。赵晓萌[24]发现紫云英和黑麦草鲜草翻压还田虽然不能对产甲烷群落结构产生决定性影响，但比施用尿素能更明显地提高双季稻（一年）稻田根际土壤中产甲烷菌群落的Shannon-Weiner指数和丰富度指数，而在水稻生长的各个生育时期，产甲烷菌群落的Shannon-Weiner指数都是紫云英翻压还田和黑麦草翻压还田大于施用尿素或不施氮肥的土壤。另外，徐婷婷[18]发现添加硝酸盐能显著降低土壤中产甲烷菌的丰度。

徐晓宇等[25-26]发现“克螟稻”秸秆还田虽然能在短期内对土壤产甲烷菌的生长及其产甲烷活性和多样性产生不利影响，但在还田后42～84 d能提高土壤产甲烷菌的产甲烷活性和多样性。另外，与亲本（秀水11号）秸秆还田相比，“克螟稻”秸秆还田7～28 d时对稻田土壤产甲烷菌的Shannon指数和ismpson指数有抑制作用，而在42～84 d内对此有促进作用[26]。任馨[27]认为在实验室条件下，与亲本相比，“克螟稻”秸秆对淹水土壤微生物没有明显的长期负面影响，只是在培养初期“克螟稻”秸秆的添加显著增加了淹水土壤中产甲烷菌的数量，但在培养后期这种显著性差异会逐渐消失。

6 病虫草害防治

甲胺磷对稻田土壤产甲烷菌表现为促进作用，苯噻草胺、丁草胺、呋喃丹等对稻田土壤产甲烷菌均表现为低浓度促进高浓度抑制，而多菌灵、乙草胺、二氯喹啉酸等对稻田土壤产甲烷菌表现为抑制作用。

杜宇峰等[28]研究发现，在浓度≤0.2 μg/g时，苯噻草胺的施用浓度越高，越能促进产甲烷菌数量的增加；但当其浓度＞0.2 μg/g时，其对产甲烷菌的数量具有明显抑制作用。呋喃丹和丁草胺也有类似的作用，当施用浓度为1.0 mg/kg（干土，下同）时，药后7 d对产甲烷菌表现为促进作用，能分别使产甲烷菌的数量增加1.35倍和1.30倍；当施用浓度大于10 mg/kg时，对产甲烷菌表现出显著的抑制作用，7 d时抑制作用最明显，且随着浓度的增加，其对黄松稻田土壤产甲烷菌数量的抑制作用越大[29]。当甲胺磷施用浓度≤1.0 mg/kg时，能使产甲烷菌的数量增加0.2～44.1倍，且随着药剂浓度的增加，刺激产甲烷菌的生长繁殖作用逐渐增强[8]；当甲胺磷的浓度在0.1及0.2 mg/L时，产甲烷菌数量在17 d恢复到正常，而在0.5及1.0 mg/L的较高浓度下，恢复时间需要31 d[30]。

当呋喃丹浓度为10 mg/kg时，7 d时对产甲烷菌的抑制强度达62%；而当其浓度达到50 mg/kg时，7 d时产甲烷菌的数量只有对照水稻田土壤的7%[29]。当乙草胺浓度在0.1～1.0 mg/kg范围时，药后7 d内产甲烷菌的生长受到抑制，数量下降了50%～99%，且这种现象随着药剂浓度的增加而趋于明显，但随着施药时间的延长，产甲烷菌数量及其活性又会逐渐恢复至原有水平[8]。当多菌灵浓度分别为0.5、10、50 mg/kg时，药后7 d对土壤中产甲烷菌的抑制强度分别为50%、80%和95%，但随着时间的延长，水稻田土壤的多菌灵含量逐渐下降，抑制作用也逐渐减弱，药后28 d时，产甲烷菌的数量基本恢复至对照水平[29]。

除草剂二氯喹啉酸对水稻田土壤产甲烷菌的抑制作用较强，当其施用浓度为1和2 μg/g时，对产甲烷菌抑制率在药后第5天就分别达到60.5%和72.9%，而且施用浓度越髙，抑制作用越强[31-32]。同时，产甲烷菌数量与二氯喹啉酸施用浓度之间符合Logistic模型，y=8.346 7/[l+exp(-3.078 8+2.360 9x)]，R2=0.924 7。当二氯喹啉酸的施加浓度为1 μg/g时，直到第5周产甲烷菌才略有回升，但抑制率仍达42.7%。这说明髙浓度二氯喹啉酸对水稻田土壤中产甲烷菌毒性较大，持续时间较长[31-32]。

7 小 结

除二氧化碳以外，产甲烷菌活动产生的甲烷气体也是温室气体的重要组成部分。研究表明，稻田土壤产甲烷菌的数量与稻田甲烷气体的排放存在显著的正相关关系，而农艺措施必然会影响稻田土壤中产甲烷菌的生长与活动。因此，深入了解农艺措施对稻田土壤产甲烷菌的影响对温室气体减排意义重大。从农田管理的角度综述了近年来国内外学者对稻田土壤产甲烷菌的研究成果，发现耕作模式、水分管理、肥料管理、病虫草害防治等操作都会对稻田土壤产甲烷菌的数量和（或）种群产生影响。其中，旱作、水—旱轮作、施用化肥等能在一定程度上减少稻田土壤产甲烷菌的数量。这表明采取适当地农艺措施可降低稻田土壤中产甲烷菌的数量，从而在一定程度上缓解全球温室效应。

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（责任编辑：成 平）

Advances in Effects of Agronomic Measures on Methane Production in Paddy Soils

DU Peng1，WU Jia-mei2,3，CHEN Yue-jin1，JI Xiong-hui3,4
（1. Hunan University of Humanities, Science and Technology, Loudi 417000, PRC; 2. Hunan Soil and Fertilizer Research Institute, Changsha 410125, PRC; 3. Key Laboratory of Agro-Environment in Midstream of Yangtze Plain, Minister of Agriculture, Changsha 410125, PRC; 4. Hunan Institute of Agro-Environment and Ecology, Changsha 410125, PRC）

The paper was found that many management practices (tillage model, water management, fertilization, pest control and so on) affected the amount or population of methanogens in paddy fi eld based on domestic and overseas research results of methanogens in paddy soil in the recent years, and rice cultivation in aerobic soil condition, paddy-upland rotation and application of chemical fertilizer could reduce the amounts of methanogens in paddy soil. The results were that appropriate management measures can reduce the number of methanogens in paddy soils and alleviate the global greenhouse effect.

methanogenic bacteria; agronomic measures; paddy soil; methane emission; review

X171

：A

：1006-060X（2017）07-0117-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.007.032

2017-04-21

国家自然科学基金（31300413）；国家科技计划（2013BAD 11B02）；湖南省自然科学基金（2017JJ2146）

杜 彭（1992-），男，湖南双峰县人，硕士研究生，主要从事作物学研究。

纪雄辉