全 文 ：黑土稻田 CH4 与 N2O 排放及减排措施研究 3
岳　进 3 3 　梁　巍　吴　杰　史　奕　黄国宏
(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室 ,沈阳 110016)
【摘要】　通过对黑土稻田 CH4 和 N2O 排放的观测 ,发现水稻生长季 CH4 和 N2O 排放量低于全国其它地
区稻田. CH4 和 N2O 排放之间存在互为消长关系 ( r = - 0. 513 , P < 0. 05) . 但在同样施肥水平条件下 ,间歇
灌溉与长期淹灌相比 ,CH4 排放明显减少而 N2O 略有增加 ,其相对综合温室效应被大大减少且水稻产量
未受影响. 为此 ,间歇灌溉可作为减少稻田温室气体排放的水分管理措施. 另外 ,通过对 CH4 和 N2O 排放
的相关微生物过程探讨 ,揭示产甲烷菌数与 CH4 排放间呈显著性正相关 ( R2 = 0. 82 , P < 0. 05) ,硝化菌数
和反硝化菌数与 N2O 排放有重要关系.
关键词 　黑土 　CH4 和 N2O 　减排措施 　微生物过程
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 11 - 2015 - 04 　中图分类号 　X171. 5 　文献标识码 　A
CH4 and N2O emissions from phaeozem rice f ield and their mitigative measures. YU E Jin ,L IAN G Wei ,WU
Jie ,SHI Yi and HUAN G Guohong( Key L aboratory of Terrest rial Ecological Process , Institute of A pplied Ecol2
ogy , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (11) :2015～
2018.
Determinations on the CH4 and N2O emissions from phaeozem rice field showed that their emission amount in
rice growing season was much lower than any other regions in China. There was trade2off relationship between
CH4 and N2O emissions( r = - 0. 513 , P < 0. 05) . Under the same fertilization ,compared with continual irriga2
tion , intermittent irrigation could reduce significantly CH4 emission and increase N2O emission ,but the overall
warming potential of greenhouse effect was reduced greatly ,while rice yield was not affected. Therefore ,intermit2
tent irrigation was an effective irrigation measures to reduce greenhouse gas emissions from rice field. In addi2
tion ,investigations on CH4 and N2O emissions and their related microbial process showed a positive relation be2
tween methanogens number and CH4 emission ( R2 = 0. 82 , P < 0. 05) ,and the important relationship between
the numbers of nitrifiers and denitrifiers and N2O emissions.
Key words 　Phaeozem , CH4 and N2O , Mitigative measures , Microbial process.3 国家重点基础研究发展规划项目 ( G1999011805) 和中国科学院资
源环境领域知识创新工程资助项目 ( KZCX22408) .3 3 通讯联系人.
2002 - 04 - 23 收稿 ,2002 - 10 - 10 接受.
1 　引 　　言
CH4 和 N2O 是重要的温室效应气体 ,可导致气
候变暖并破坏臭氧层. 对人类的生存环境产生严重
影响. 它们在大气中的含量虽然低于 CO2 ,但其增温
潜势却分别是 CO2 的 23 倍和 296 倍 ,其含量目前
仍分别以 4. 9ppb·年 - 1和 0. 8 ±0. 2ppb·年 - 1的速度
增加 . 稻田是这两种温室气体的重要排放源 ,但目
前国内的研究主要集中在潮土、红壤和水稻土上 ,在
黑土上仍处于空白. 另外 ,以往研究大多只是针对一
种气体 ,而近年在开展减排措施研究时既要考虑减
少 CH4 排放的同时 ,还要考虑 N2O 的排放情况 ,但
对它们产生的综合温室效应及采取措施方面的研究
报道很少. 为能准确估算不同土壤类型稻田生物源
温室气体排放量及阐明相关的微生物学机理 ,并提
出合理的减排措施 ,本文对黑土稻田 CH4 和 N2O 通
量进行了测定 ,探讨了相关的微生物学过程 ,同时也
提出了减少 CH4 和 N2O 排放的稻田水分管理措施.
为正确估算我国稻田温室气体排放的贡献及制定相
应的对策和措施提供科学依据.
2 　材料与方法
211 　试验地概况
本研究试验地位于黑龙江省海伦 (47°26′N ,126°38′E) .
土壤类型为黑土 ,土壤理化性质 :p H 值为 7. 02、有机质平均
含量 48. 2 g·kg - 1 、全 N 2. 2 g·kg - 1 、碱解 N 239. 7 mg·
kg - 1 .
选取 3 块条件基本一致的水稻田 (每块稻田面积各为
0. 07 hm2)为研究对象 ,在当地正常栽培管理条件下 ,进行不
同 的水肥处理 :A)长期淹灌 ,施长效尿素 ;B)长期淹灌 ,施普
通尿素 (对照 ,也是当地的水肥方式) ;C)间歇灌溉 (晒田时间
为 7 月 3～13 日 ;8 月 1～8 日 ;8 月 28 日水田彻底排水) ,施
应 用 生 态 学 报 　2003 年 11 月 　第 14 卷 　第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Nov. 2003 ,14 (11)∶2015～2018
普通尿素. 普通尿素与长效尿素用量均为 95. 4 kg·hm - 2 . 普
通尿素分 3 次施入 (一次底肥 5 月 20 日 ,二次追肥 6 月 7
日、6 月 23 日) ,长效尿素一次底肥施入. 普通尿素和长效尿
素均由德国 SKW 公司提供. 水稻插秧时间为 5 月 28 日 ,收
割时间 9 月 30 日. 水稻品种为绥梗 3 号.
212 　研究方法
21211 CH4 和 N2O 的采集 　CH4 和 N2O 的采集采用封闭式
箱法 ,每一处理 3 个重复. 箱体由透明有机玻璃制成 ,四面和
顶部封闭 ,底部开口以罩在底座上 ,底座用不锈钢板制成 ,四
周有水槽 ,插入地下 20cm ,实验时往槽里浇上水以防箱子和
底座的接触处漏气 ,采气孔位于顶部 ,用注射器采集气样.
21212 CH4 和 N2O 的测定 　用岛津 GC214B 气相色谱仪测
定 CH4 ,FID 检测器 ,气化室、分离柱、检测器的温度分别为
100 ℃、100 ℃、200 ℃,高纯 N2 作为载气. 岛津 GC214A 气
相色谱仪测定 N2O ,ECD 检测器 ,气化室、分离柱、检测器的
温度分别为 100 ℃、60 ℃、300 ℃,Ar2CH4 作为载气 ,标准 CH4
和 N2O 气体由国家标准物质研究中心提供.
21213 CH4 和 N2O 通量计算 　单位时间内和单位面积上 ,稻
田向大气释放或吸收的 CH4 和 N2O 通量的计算公式为 : F
=Δm/ A ×Δt = 273/ (273 + T )ρ×V ×Δc/ A ×Δt = 273/
(273 + T) ×ρ×h ×Δc/ Δt 式中 , F 为气体通量 ,Δm 和Δc
分别是Δt 时间里采气箱内增加或减少气体质量和混和比
浓度 , V 、A 和 h 分别为箱内有效空间的体积、底面积和高 ,
ρ为标况下气体密度.
21214 相关微生物菌群的测定 　分别在水稻种植前、各生长
期、收割后采集新鲜土样 (0～10cm) 用于相关微生物菌群测
定.硝化菌分离培养基配方 : (NH4 ) 2 SO4 2. 0g ,NaH2 PO4 0.
25g ,MnSO4·4H2O 0. 01g , K2 HPO4 0. 75g , MgSO4·7H2O 0.
03g ,CaCO3 5. 0g ,蒸溜水 1000ml. 反硝化菌分离培养基配方 :
酒石酸钾钠 20g , KNO3 2g , K2 HPO4 0. 5g , MgSO4·7H2O 0.
2g ,蒸溜水 1000ml. 产甲烷菌分离培养基配方 : HCOONa 5g ,
CH3COONa 5g ; CH3OH 5ml ; H2/ CO2 (80/ 20 体积比 ,充满
试管空间 ) ,土壤浸出液 300ml , NH4Cl lg , MgCl2 0. 1g ,
K2 HPO4 4g , KH2 PO4 4g ,半胱氨酸 0. 5g ,刃天青 0. 002g ,微
量元素液 10ml ,蒸溜水 685ml. 产甲烷菌分离培养基采用
Hungate厌氧操作技术配制[5 ] . 甲烷氧化菌分离培养基配
方 : NaNO3 1. 0g , NH4Cl 0. 25g , KH2 PO4 0. 26g , K2 HPO4 ·
3H2O 0. 74g ,MgSO4·7H2O 1. 0g ,CaCl2 0. 2g ,FeSO4·7H2O0.
004g ,EDTA 0. 01g ,微量元素液 10ml ,土壤浸出液 100ml ,琼
脂 18g ,蒸溜水 890ml. 以上细菌计数方法均采用 MPN 法.
3 　结果与讨论
311 　黑土稻田 CH4 和 N2O 排放及其相互关系
　　从图 1 可以看出 ,CH4 和 N2O 排放有明显的季
节变化规律. 在当地正常水肥管理 (长期淹灌、施普
通尿素)条件下 ,泡田初 (5 月下旬) 与稻田排水后 (9
月后) 土壤排放少量 CH4 及一定量的 N2O ;连续淹
水期 (7、8 两月) 内有大量 CH4 排放 ,N2O 的排放很
少.对 CH4 和 N2O 排放进行相关分析表明 ,相关系
数 r = - 0 . 513 , n = 17 , P < 0. 05 ,说明它们排放间
存在显著负相关. 这种互为消长关系在其他土质稻
田上已有报导[2 ,9 ] ,本研究结果证明在黑土上这种
关系也是存在的. 另外 ,结果还表明 ,间歇灌溉处理
的 CH4 和 N2O 排放也有此趋势 (图 2) ,但其负相关
性没有达到显著水平 ,这主要是受到人为排水晒田
的影响.
图 1 　长期淹灌、施普通尿素条件下稻田 CH4 (a)和 N2O (b)排放的季
节变化
Fig.1 Seasonal variation of CH4 (a) and N2O ( b) emissions from rice
field under continual irrigation and urea treatments.
图 2 　间歇灌溉、施普通尿素条件下稻田 CH4 (a)和 N2O (b)排放的季
节变化
Fig.2 Seasonal variation of CH4 (a) and N2O ( b) emissions from rice
field under intermittent irrigation and urea treatments.
　　对黑土稻田生长季 CH4 和 N2O 排放量的测定
结果表明 ,在当地正常栽培管理及水肥措施条件下
(对照处理) ,CH4 排放为 2. 48 g·m - 2 ;其它两种处
理 ,即施长效尿素长期淹灌的 CH4 排放为 2. 89 g·
m
- 2 ;施普通尿素间歇灌溉的 CH4 排放为 1. 68 g·
m
- 2
.而这些结果都比全国其他地区稻田 CH4 排放
量低. 沈阳生态站生长季常规管理条件下 CH4 排放
量 7. 4g·m - 2 [2 ] . 南方稻田生长季 CH4 排放量 13. 3
～17. 28 g·m - 2 [8 ] . 究其原因 ,可能是由于黑龙江地
区全年温度均比其它地区低 ,即使黑土养分水平较
高 ,但由于土温较低 ,影响到土壤微生物活性 ,降低
土壤有机物及养分的转化速率 ,使 CH4 的产生和排
放减少.
312 　CH4 和 N2O 排放的相关微生物学过程
　　CH4 是有机物降解过程中形成的一种重要产
6102 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
物 ,这一过程依赖于不同微生物类群联合协调的代
谢活动 ,而产甲烷菌是其中重要的一类细菌 ,它是严
格的厌氧菌 ,其最适温度为 35～37 ℃[6 ,7 ] . 甲烷氧
化菌以 CH4 作为唯一能源及主要碳源 ,通过对 CH4
的好氧氧化消耗土壤产生的甲烷. 稻田测定结果表
明 ,由于温度的逐渐升高 ,长期淹水又为产甲烷菌提
供了厌氧环境 ,所以产甲烷菌数目增多 ,在 7、8 月份
时最多 ,而 CH4 排放量在 7、8 月时也最大. 统计分
析结果表明 ,CH4 排放量的变化与产甲烷菌数目的
变化呈显著正相关 ( R2 = 0. 82 , P < 0. 05) . 而间歇灌
溉条件下 ,如晒田时 (8 月初) ,由于大气中氧气进入
表层土壤增多 ,产甲烷菌数减少 (图 3) ,CH4 氧化菌
数增加 (图 4) ,CH4 排放量也大大降低 (图 3、4) . 另
外 ,在生物形成 N2O 的过程中 ,硝化菌和反硝化菌
的作用是主要的产生机制 . 试验结果表明 ,施长效
尿素与施普通尿素相比 ,硝化菌数目在后期 (8、9
月)增多 (图 5) ,这是由于长效肥中的 DCD 对硝化
菌的抑制逐渐降低的结果. 此外 ,施长效尿素与施普
通尿素相比 ,反硝化菌数目在后期 (8、9 月) 也增多
(图 6) ,这是由于硝化作用加强 ,NO3 - 增多 ,NO3 -
为反硝化作用底物 ,其增加促进了反硝化作用. 与硝
化菌和反硝化菌的变化趋势相同 ,施长效尿素条件
下 N2O 的排放量也在后期增加 (图 5) . 但从图 5、6
图 3 　不同水分管理条件下 CH4 排放与产甲烷菌的关系
Fig. 3 Relationship between CH4 emission and methanogens under differ2
ent water managements.
A. 长期淹灌 CH4排放 CH4 emission from continual irrigation ,B. 间歇
灌溉 CH4排放 CH4 emission from intermittent irrigation ,C. 长期淹灌
产甲烷菌数 Methanogens number from continual irrigation ,D. 间歇灌
溉产甲烷菌数 Methanogens number from intermittent irrigation. 下同
The same below.
图 4 　不同水分管理条件下 CH4 排放与甲烷氧化菌的关系
Fig. 4 Relationship between CH4 emission and methanotrophs under dif2
ferent water managements.
C. 长期淹灌甲烷氧化菌数 Methanotrophs number from continual irri2
gation ,D. 间歇灌溉甲烷氧化菌数 Methanotrophs number from inter2
mittent irrigation.
图 5 　不同肥料管理条件下 N2O 排放与硝化菌的关系
Fig. 5 Relationship between N2O emissions and nitrifiers under different
fertilizers.
A. 施长效尿素 N2O 排放 N2O emission with slow2releasing urea ,B. 施
普通尿素 N2O 排放 N2O emission with urea ,C. 施长效尿素硝化菌数
Nitrifiers number with slow2releasing urea ,D. 施普通尿素硝化菌数 Ni2
trifiers number with urea. 下同 The same below.
图 6 　不同肥料管理条件下 N2O 排放与反硝化菌的关系
Fig. 6 Relationship between N2O emission and denitrifiers under differ2
ent fertilizers.
C. 施长效尿素反硝化菌数Denitrifiers number with slow2releasing ure2
a ,D. 施普通尿素反硝化菌数 Denitrifiers number with urea.
可看出 ,虽然在 9 月 22 日土壤温度已降低很多 ,但
前期硝化菌和反硝化菌数目增加的滞后效应导致土
壤中产生和累积大量 N2O 被排放出来并出现高峰.
因此 ,可以认为 ,稻田 N2O 排放与硝化菌和反硝化
菌数量与活性有重要关系.
313 　不同水肥措施对 CH4 和 N2O 通量及水稻产量
的影响
　　通过对水稻生长季 CH4 和 N2O 排放的田间原
位观测 ,得出 CH4 和 N2O 排放平均通量 (表 1) . 与
对照相比 ,施普通尿素、间歇灌溉处理的 CH4 平均
通量明显降低 ,N2O 平均通量升高 (表 1) . 从通量观
测的结果也可以看出这一点. 晒田时 (7 月初和 8 月
初) CH4 排放显著降低 ,N2O 排放升高 (图 1、2) . 这
与蔡祖聪[1 ]在室内的模拟结果相一致 ,即淹水好气
交替的 CH4 排放量显著低于连续淹水处理 ,排水促
进 N2O 排放. 另外 ,有结果表明 ,在旱田施长效碳铵
或缓释尿素能明显减少 N2O 排放[3 ,4 ] . 我们在黑土
稻田的结果表明 ,施长效尿素并进行长期淹灌处理
的 CH4 排放平均通量略高于对照 ,N2O 平均通量明
显降低 (表 1) . 根据 CH4 和 N2O 排放平均通量及其
不同相对增温潜势 ,以摩尔 CH4 为 23 ,N2O 为 296
710211 期 　　　　　　　　　　　　岳 　进等 :黑土稻田 CH4 与 N2O 排放及减排措施研究 　　　　　　　
表 1 　水肥措施对 CH4 和 N2O 排放的影响
Table 1 Effects of fertilization and irrigation on emissions of CH4 and N2O
处理
Treatments
CH4 通量 CH4 flux
通量范围
Flux range
(mg·m - 2·h - 1)
平均通量
Average flux
(mg·m - 2·h - 1)
生长季排放量
Emission
amount
(g·m - 2)
N2O 通量 N2O flux
通量范围
Flux range
(μg·m - 2·h - 1)
平均通量
Average flux
(μg·m - 2·h - 1)
生长季排放量
Emission
amount
(g·m - 2)
施长效尿素长期淹灌 - 0. 68～3. 15 0. 96 2. 89 - 11. 50～84. 52 7. 58 0. 02
Continual irrigation with slow2releasing urea
施普通尿素 长期淹灌 - 0. 05～2. 18 0. 83 2. 48 - 16. 87～81. 30 18. 51 0. 06
Continual irrigation with area
施普通尿素 间歇灌溉 - 0. 15～2. 49 0. 56 1. 68 - 12. 93～94. 54 25. 92 0. 08
Intermittent irrigation with area
表 2 　水肥措施对水稻产量的影响
Table 2 Effect of fertilization and irrigation on rice yield
处理
Treatment
产量 Yield
(kg·hm - 2)
千粒重 1000
grain wei2
ght (g)
施长效尿素长期淹灌Continual irrigation 6376. 7a 24. 8
with slow2releasing urea
施普通尿素 长期淹灌 6333. 3a 25. 1
Continual irrigation with urea
施普通尿素 间歇灌溉 6320. 0a 24. 6
Intermittent irrigation with urea
a :方差分析无显著性差异 Not significant difference.
计算不同处理间稻田排放的两种温室气体可导致的
相对温室效应[1 ] ,其中施普通尿素、长期淹灌 (对照) )
为 1. 318 ,施长效尿素、长期淹灌的处理为 1. 431 ,
比对照增加 8. 6 % ,施普通尿素、间歇灌溉为 0. 979 ,
比对照减少了 25. 7 %. 由此可以看出 ,虽然长期灌
溉及施长效尿素处理能减少 N2O ,但却增加了 CH4
排放 ,其产生的综合温室效应高于对照 ,而间歇灌溉
施普通尿素处理虽然增加了少量 N2O 排放 ,但却减
少了 CH4 排放 ,其综合温室效应低于对照. 这种水
分管理措施不但节约了用水 ,而且对水稻产量影响
不大 (表 2) . 因此 ,该措施可以作为一种减少稻田污
染的适用措施并加以推广应用.
4 　结 　　论
411 　黑土稻田 CH4 与 N2O 排放有明显的季节变化
规律并存在互为消长关系 ,黑土稻田生长季 CH4 排
放总量低于其它稻田.
412 　采用间歇灌溉方式 ,在不影响水稻产量的情况
下 ,能明显减少稻田 CH4 排放 ,而略为增加 N2O 排
放 ,但所产生的综合温室效应却明显降低. 因此 ,此
水分管理措施不仅能节约用水 ,而且还能减少土壤
对大气的污染 ,是一项值得推广和应用的稻田水分
管理措施.
413 　相关土壤微生物过程对稻田 CH4 和 N2O 排放
有明显的影响. 产甲烷菌数与稻田 CH4 通量呈显著
正相关.
参考文献
1 　Cai Z2C(蔡祖聪) . 1999. Effects of water regime on CO2 ,CH4 and
N2O emissions and overall potential for greenhouse effect caused by
emitted gases. Acta Pedol S in (土壤学报) , 36 (4) : 484～491 (in
Chinese)
2 　Chen G2X(陈冠雄) , et al . 1995. CH4 and N2O emission from a
rice field and effect of Azolla and fertilization on them. Chin J A ppl
Ecol (应用生态学报) ,6 (4) :378～382 (in Chinese)
3 　Hiroko A , Haruo T , Takeshi W. 2000. N2O and NO emissions
from soils after the application of different chemical fertilizers.
Chemosphere2Global Change Sci ,2 :313～320.
4 　Huang G2H(黄国宏) , et al . 1998. N2O emission in maize field and
its mitigation. Acta Sci Ci rcum (环境科学学报) , 18 ( 4) : 344～
349 (in Chinese)
5 　Qian Z2S(钱泽澍) ,Min H(闵　航) . 1986. Methane Fermentation
Microbiology. Hangzhou : Zhejiang Science and Teconology Press.
(in Chinese)
6 　Rajagopal BS ,Belay N ,Daniels L . 1988. Isolation and characteriza2
tion of methanogenic bacteria from rice paddies. FEMS Microbiol
Ecol ,53 :153～158.
7 　Schütz H ,Seiler W ,Conrod R. 1990. Influence of soil temperature
on methane emission from rice paddy fields. Biogeochemist ry , 11 :
77～95.
8 　Wang M2X , et al . 1994. Source of methane in China. In : Minami
K ,Mosier A and Sass R eds. CH4 and N2O : Global Emissions and
Controls from Rice Fields and Other Agricultural and Industrial
Sources. N IA ES . 1～7.
9 　Zucong Cai , et al . 1997. Methane and nitrous oxide emissions from
rice paddy fields as affected by nitrogen fertilizers and water man2
agement . Plant and Soil ,196 :7～14
作者简介 　岳　进 ,女 ,1975 年生 ,硕士 ,主要从事农田生态系
统生物源温室气体排放研究. E2mail :jyuemai @yahoo. com. cn
8102 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷