绿肥还田后延迟淹水降低稻田甲烷排放与温室气体强度的机制研究

本期推荐：为应对绿肥还田引发稻田CH4排放增加的问题，研究人员通过两年田间试验与微宇宙模拟，发现延迟淹水10天（10DbF）可显著降低CH4排放量（降幅达405.1%）和温室气体强度（GHGI），同时维持水稻产量。该研究为协调粮食安全与碳中和目标提供了关键技术路径。

　　

水稻养活了全球近一半人口，但稻田也是温室气体排放的“大户”，约占农田总排放量的48%。其中，甲烷（CH₄）的增温效应尤为突出。为了衡量水稻生产的“气候成本”，科学家常用温室气体强度（GHGI，即单位产量下的温室气体排放量）这一指标。在红壤稻作区，土壤退化、养分失衡和有机质耗竭等问题加剧了CH₄排放风险。绿肥（如紫云英）还田虽能提升土壤肥力和水稻产量，却因增加碳源供应而刺激产甲烷菌活动，导致CH₄排放激增。这一矛盾成为当前绿色稻作技术推广的瓶颈。

为解决这一问题，研究人员在《Geoderma》发表论文，通过两年田间定位试验与室内微宇宙培养，探究了绿肥还田后不同淹水时间对CH₄和氧化亚氮（N₂O）排放、全球变暖潜能（GWP）、GHGI及甲烷循环微生物群落的影响。研究发现，延迟淹水10天可显著降低CH₄排放峰值和累积量，并改变产甲烷菌与甲烷氧化菌的群落结构，为稻田减排提供了理论依据和技术支撑。

研究采用田间试验与微宇宙模拟相结合的方法。田间试验于2022–2023年在江西宜春水稻田进行，设6个处理：对照（CK，仅稻草还田+即时淹水）及绿肥与稻草共还田后淹水延迟0、2、5、10、15天（0DbF–15DbF）。气体采样采用静态箱-气相色谱法，土壤和水体理化性质依标准方法测定。微生物DNA提取后，通过定量PCR（qPCR）和高通量测序分析mcrA（产甲烷菌标志基因）和pmoA（甲烷氧化菌标志基因）的丰度与群落结构。微宇宙实验模拟早期厌氧分解过程，重点监测CH₄排放动态及微生物响应。

3.1 GHG emissions, GWP, and GHGI

绿肥还田显著增加了CH₄排放量和水稻产量，但延迟淹水有效抑制了CH₄排放。其中，10DbF处理在2022和2023年分别降低CH₄累积排放量39.0%和32.9%，GHGI下降51.6%和36.1%。N₂O排放未受显著影响，GWP的91.2–97.0%来自CH₄。

3.2 Soil physicochemical and surface water properties

绿肥还田提高了土壤全氮（STN）和速效氮（SAN），但降低了碳氮比。延迟淹水进一步提高了碳氮比，降低了STN和SAN。10DbF处理使水体溶解性有机碳（WDOC）降低31.1%，CH₄排放与STN和WDOC呈正相关。

3.3 Microcosm experiment and methane cycling microorganisms

微宇宙实验表明，10DbF推迟了CH₄排放峰值，累积排放量较0DbF降低405.1%。qPCR显示10DbF处理下mcrA基因拷贝数显著降低，pmoA基因无显著变化，mcrA/pmoA比值下降。高通量测序发现10DbF富集了Methylomonas（甲烷氧化菌），减少了Methanoregula和Methanobacterium（产甲烷菌）的相对丰度。

本研究揭示绿肥还田后延迟淹水10天可通过调控土壤碳氮转化、降低产甲烷菌活性、促进甲烷氧化菌增殖，实现CH₄减排与水稻稳产的协同。该策略操作简便、成本低廉，适用于小农户灌溉系统，为稻田系统绿色低碳发展提供了关键技术选项。未来需在多区域开展长期试验，验证该技术的普适性，并结合多组学手段深入解析微生物代谢机制。