秸秆覆盖结合干湿交替灌溉降低稻田甲烷排放：与碳有效性及产甲烷古菌群落转变的关联

《Journal of Environmental Management》：Straw mulching combined with alternate wetting and drying reduces methane emissions in paddy fields: associations with carbon availability and methanogenic archaeal community shifts

　　

稻田是农业甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）排放的重要来源，因此，优化秸秆还田措施与水分管理对温室气体减排至关重要。一项为期两年的田间试验（2021–2022）评估了3种小麦秸秆还田方式〔不还田（S0）、覆盖还田（S1）、翻埋还田（S2）〕与2种灌溉制度〔持续淹水（W1）；干湿交替（AWD，alternate wetting and drying，W2）〕联合作用下CH₄和N₂O排放、抽穗期土壤有机碳（SOC，soil organic carbon）与溶解性有机碳（DOC，dissolved organic carbon）、产甲烷古菌群落以及水稻籽粒产量的变化。W2对CH₄的减排效应明显依赖于秸秆还田方式。S1W2处理获得最低的累积CH₄排放量和全球增温潜势（GWP，global warming potential），与S0W2相比，累积CH₄排放和GWP分别降低44.9%和39.6%，并在不降低水稻产量的前提下取得最低的温室气体强度（GHGI，greenhouse gas intensity）0.20 kg CO₂-eq kg^?1 grain yield。相反，S2W2产生了最高的CH₄和N₂O排放；2021年和2022年，S2W2处理下的累积CH₄排放分别达到S2W1的2.64倍和1.37倍。产甲烷古菌群落以Methanobacterium和Methanosphaera为优势类群。在W2条件下，不同处理间α多样性和群落组成发生了显著变化；然而，这些组成变化与CH₄通量并不呈直接正比关系，表明分类学层面的模式不能等同于产甲烷功能活性。N₂O排放主要与水分管理相关，而秸秆还田方式的作用相对有限。总体而言，S1W2为降低水稻季稻田温室气体强度提供了一条有前景的农艺路径，这一结果与不同处理间碳有效性和土壤氧化还原条件的差异有关。

该研究发表于《Journal of Environmental Management》，聚焦稻田温室气体减排背景下秸秆还田与灌溉制度协同调控的关键科学问题。稻田是全球农业甲烷（CH₄）排放的重要来源，同时也是氧化亚氮（N₂O）排放的重要农田系统之一。在以水稻—小麦轮作为代表的种植体系中，小麦秸秆还田是中国普遍采用的资源化利用方式，能够提升土壤有机质、改善土壤结构并支撑作物生产力。然而，秸秆还田对温室气体排放具有“双刃剑”效应：一方面可增强土壤碳汇能力，另一方面在淹水厌氧条件下又可能通过释放易分解有机碳促进产甲烷过程，导致CH₄排放增加。与此同时，干湿交替灌溉（AWD，alternate wetting and drying）虽被广泛视为稻田节水减排的重要技术，但其减排效果并非在所有秸秆管理条件下都稳定一致，尤其在高碳输入、较高C/N秸秆翻埋情景下，AWD对CH₄的抑制作用可能减弱甚至逆转，并可能伴随N₂O排放升高。因此，如何在不同秸秆还田方式下实现CH₄与N₂O的协同减排并维持水稻产量，是当前稻田绿色生产中的现实难题。

研究人员针对四川盆地这一具有高湿、低辐射、热量资源相对有限气候特征的典型区域开展了定位田间试验。该区域每年小麦秸秆资源量大，秸秆是稻田水稻季最主要的外源碳输入来源，而其特殊气候条件又使秸秆分解动力学区别于华北和东北地区，因此需要开展具有区域针对性的管理模式筛选。论文指出，既往研究多分别考察秸秆还田或AWD的单一效应，缺乏在同一田间条件下对“不还田—覆盖还田—翻埋还田”三种秸秆管理模式的系统比较，也缺乏在不同秸秆碳输入方式下直接验证AWD适用性的田间证据。与此同时，产甲烷古菌群落作为CH₄产生的核心生物驱动力，其对土壤氧化还原状态、有机碳底物类型和水分波动高度敏感，但秸秆还田与水分管理交互作用下群落响应模式及其与CH₄通量的联系仍不清楚。基于此，研究人员构建了一个完全交叉的试验框架，以期阐明秸秆放置方式、水分管理、土壤碳状态、产甲烷古菌群落及温室气体排放之间的关系，并为兼顾减排和稳产的农艺管理提供依据。

在技术方法方面，研究以四川农业大学水稻研究所试验农场2021—2022年重复田间试验为基础，设置3种小麦秸秆还田方式〔S0、S1、S2〕与2种灌溉制度〔W1、W2〕的双因素组合处理。研究人员监测CH₄与N₂O排放通量及累积排放，计算全球增温潜势（GWP）和温室气体强度（GHGI）；在抽穗期测定土壤有机碳（SOC）与溶解性有机碳（DOC）；分析产甲烷古菌群落的α多样性及群落组成；并同步评价水稻籽粒产量，从而综合比较不同秸秆—水分管理组合的生态与生产效应。

在研究结果部分，论文首先围绕“CH₄ and N₂O emission fluxes and cumulative emissions”展开。研究显示，两年间不同处理下淹水深度、土壤温度和土壤氧化还原电位变化趋势总体一致，但不同灌溉制度的田面水动态差异显著。持续淹水（W1）在水稻主要生育期保持较稳定水层，而AWD（W2）表现出明显的周期性干湿波动。核心结论在于，AWD对CH₄的减排效果显著依赖于秸秆还田方式。S1W2处理实现了最低的累积CH₄排放、GWP和GHGI，同时并未牺牲水稻产量，说明表面覆盖秸秆与周期性落干复水相结合能够在兼顾产量的前提下有效降低温室气体排放负担。相较之下，S2W2处理反而表现出最高的CH₄和N₂O排放，且累积CH₄排放显著高于S2W1，表明在秸秆翻埋条件下，AWD并未发挥预期的CH₄抑制作用，反而可能因翻埋秸秆向厌氧耕层提供更多可利用底物，在周期性水分波动中诱发更强的温室气体释放。对于N₂O而言，研究认为其排放主要受水分管理主导，秸秆还田方式的影响较小，这提示CH₄与N₂O的响应机制并不完全一致。

在“Effects of straw return and water management on SOC and DOC in paddy soils”部分，研究将SOC视为评价土壤肥力、碳循环能力及农田生态系统缓冲潜力的核心指标，并强调在稻田轮作系统中，年度归还的小麦秸秆构成重要外源碳输入。论文总体表明，不同秸秆还田方式与灌溉制度改变了SOC和DOC水平，而这些碳库差异与CH₄排放表现存在关联。尤其是DOC作为更易被微生物利用的活性碳组分，其在不同处理中所表现出的差异，为解释CH₄排放变化提供了重要线索。研究结果支持这样一种认识：秸秆覆盖将秸秆更多暴露于土壤表层和空气界面，有利于好氧分解，从而减少深层厌氧区可利用碳输入；而秸秆翻埋则更可能在淹水耕层形成高浓度DOC积累区，为产甲烷过程提供充足底物。因此，碳有效性差异是不同处理温室气体排放分化的重要基础。

关于产甲烷古菌群落，研究指出优势类群主要为Methanobacterium和Methanosphaera。在W2条件下，各处理间α多样性和群落组成出现明显转变，说明干湿交替灌溉显著重塑了产甲烷古菌群落结构。然而，论文特别强调，群落分类组成的改变并不与CH₄通量呈简单线性对应关系，也就是说，古菌群落“是谁”发生了变化，并不必然等同于“功能活性”按相同比例变化。这一发现提示，仅依据分类学结构解释CH₄排放存在局限，还需要结合底物供应、土壤氧化还原环境等过程性因素综合理解。换言之，产甲烷古菌群落确实响应了秸秆—水分管理组合，但决定CH₄排放水平的并非单纯的群落组成变化，而是群落结构、碳底物可获得性与土壤还原状态共同作用的结果。

从综合意义上看，本研究得出的关键结论是：AWD并非在所有秸秆还田模式下都具有一致的CH₄减排效应，其效果高度依赖秸秆输入方式。与“秸秆翻埋+AWD”相比，“秸秆覆盖+AWD”更能兼顾低CH₄排放、较低GWP和GHGI以及稳定水稻产量，是更具应用前景的稻田管理路径。该研究的重要意义在于，它不仅从田间尺度验证了秸秆管理与灌溉制度之间存在显著交互作用，而且进一步从SOC、DOC以及产甲烷古菌群落变化角度揭示了潜在机制，为区域化制定稻田减排技术方案提供了依据。对四川盆地乃至相似气候区而言，简单推广某一单项技术可能不足以实现稳定减排，必须重视秸秆还田方式与灌溉制度的协同性。

讨论部分可概括为：秸秆覆盖与AWD的组合通过调节土壤碳有效性和氧化还原环境，较好地抑制了CH₄生成，并降低了单位产量对应的温室气体排放负担；而秸秆翻埋在AWD条件下因向厌氧土层输入更多易利用有机碳，削弱甚至逆转了AWD的甲烷减排优势。N₂O排放则更多受水分波动驱动。产甲烷古菌群落虽然发生重组，但群落组成变化不能被简单视为甲烷产生强度的直接替代指标，说明稻田温室气体排放调控具有明显的多因素耦合特征。

研究结论部分可译为：本研究评估了3种小麦秸秆还田方式（不还田、覆盖还田和翻埋还田）与2种灌溉制度（持续淹水和AWD）对稻田CH₄与N₂O排放、抽穗期SOC与DOC、产甲烷古菌群落结构及水稻籽粒产量的综合影响。核心发现是，AWD对CH₄的减排作用强烈依赖于小麦秸秆还田方式；S1W2在不降低水稻产量的前提下实现了最低的累积CH₄排放和GHGI。总体而言，S1W2为降低水稻季稻田温室气体强度提供了有前景的农艺途径，而这种结果与不同处理之间碳有效性和土壤氧化还原条件的差异相关。