亚热带稻田土壤中绿肥单施或绿肥与秸秆配施带来农艺效益且甲烷排放效率低于秸秆还田

《Soil and Tillage Research》：Green manure alone or combined with straw delivers agronomic benefits with lower methane emission efficiency than straw incorporation in a subtropical paddy soil

　　

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  绿肥相较于稻草可更有效地维持水稻产量并减少甲烷（CH₄）排放。
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  绿肥对mcrA丰度的正向促进效应弱于稻草。
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  CH₄排放主要受mcrA而非pmoA丰度的驱动。
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  绿肥与稻草共同施用可实现最低的CH₄排放因子。

引言

水稻作为全球近50%人口的主要粮食作物，稻田已成为人为来源的温室气体甲烷（CH₄）的主要排放源（Wang et al., 2021, Yao et al., 2025）。据估算，全球稻田每年的CH₄排放量在24至31 Tg之间，约占全球农业CH₄排放总量的30%，对气候变暖贡献显著（FAO, 2023, IPCC, 2021）。CH₄排放因子（EF），即单位农业活动排放量对应的CH₄排放强度，被广泛用于评估稻田管理措施的环境效应及其减排潜力（Flessa et al., 2002, Zhou et al., 2020）。因此，探索既能维持水稻产量又能减少CH₄排放的管理策略，成为发展气候智能型水稻生产体系的关键挑战。

在中国东南水稻主产区，长期采用过量氮肥管理以追求高产。然而，氮素持续过量施用引发土壤酸化、养分流失、生物多样性下降和温室气体排放增加等多重环境生态问题（Feng et al., 2025, Tang et al., 2024, Wu et al., 2025）。为应对这些挑战，研究者提出了多种可持续管理措施，包括氮肥减量（NR）、有机肥添加和作物残体还田（He et al., 2024, Hu et al., 2024, Liu et al., 2025a）。其中，稻草还田因能够资源化农业废弃物、积累土壤有机碳（SOC）并提升土壤肥力而广受推广（Li et al., 2025b）。然而，大量研究证明，稻草还田会显著刺激淹水稻田土壤的CH₄排放（Daba et al., 2026, Kan et al., 2023, Zhou et al., 2020）。稻草在分解过程中持续释放乙酸、氢气（H₂）等易降解碳化合物，这些物质是产甲烷菌的关键底物，从而在厌氧条件下促进CH₄生成。因此，尽管稻草还田具有农艺与肥力效益，但同时带来明显的CH₄排放代价，形成了土壤改良与气候调控之间的重大权衡。

有机肥引起的CH₄排放强度不仅取决于碳输入量，还与所添加材料的生化质量密切相关（Daba et al., 2025, Yang et al., 2022）。绿肥，尤其是田菁（Astragalus sinicus L.），主要种植于中国南方冬闲稻田，与稻草相比属于养分有效性更高、碳氮比更低的有机资源（Su et al., 2025, Zhang et al., 2025）。已有研究表明，绿肥还田可在提升水稻产量与SOC积累的同时，产生低于稻草还田的CH₄排放量与CH₄排放因子（Chen et al., 2025, Liang et al., 2025, Zhou et al., 2020）。由此可见，有机肥质量在维持农艺效益与CH₄排放之间的平衡中起着关键作用。然而，绿肥能否有效缓解稻草还田带来的CH₄排放代价，目前仍知之甚少。更重要的是，绿肥与稻草具有高度互补的生化特性，分别代表高氮/低碳与低氮/高碳的有机资源（Huo et al., 2024, Mehran et al., 2025）。在氮肥减量条件下，联合施用绿肥与稻草可能成为协调作物生产力、SOC积累与CH₄减排的可行策略。但目前尚缺乏系统证据支持这一假设。

稻田土壤CH₄排放由产甲烷过程与甲烷氧化过程的动态平衡所调控。产甲烷菌负责CH₄生成，而甲烷氧化菌则在CH₄进入大气前对其进行消耗（Huang et al., 2026, Qin et al., 2024）。由于绿肥与稻草在分解速率、底物释放动态与养分化学计量比方面存在显著差异，它们可能对CH₄循环微生物群落产生截然不同的影响。已有报道指出，有机肥能够调控甲烷氧化菌与产甲烷菌的丰度、多样性与活性，从而影响CH₄排放（Daba et al., 2025, Zhou et al., 2020）。然而，绿肥较稻草常表现出更低的CH₄排放这一现象背后的微生物机制仍不清楚。尤其是关于在氮肥减量条件下，绿肥与稻草联合施用如何调控长期稻田系统中的产甲烷菌与甲烷氧化菌群落，并进而影响CH₄排放，目前了解甚少。

为解决上述问题，我们在水稻–水稻–绿肥轮作体系中开展了一项为期8年的田间试验。本研究评估了氮肥减量、稻草还田、绿肥还田及其交互作用对稻田土壤累计CH₄排放量、CH₄排放因子以及CH₄循环微生物群落的影响。研究提出以下假设：(i) 绿肥与稻草在生化特性上的差异将导致CH₄排放量和CH₄排放因子的不同响应，且在氮肥减量条件下二者联合还田可优化CH₄排放与农艺效益之间的权衡关系；(ii) 这些响应将通过底物可利用性与分解动态差异所驱动的甲烷循环微生物群落组成与丰度变化而实现。

部分摘要

研究区详情

本长期田间研究在江西省宜春市江西农业科学院高安试验站进行（28^?15′ N, 115^?54′ E）。该地区属湿润亚热带季风气候（年均温：17.7°C；年均降水量：1560 mm）。试验所用土壤为发育于湿润地区第四纪红粘土母质上的红壤（USDA土壤分类）。田间试验始于2015年。Table S1

土壤理化性质

各处理间及年份间的土壤理化性质存在显著波动（Table S5）。2022年，在相同氮肥用量下，绿肥与稻草联合还田处理（GRN100和GRN60）显著降低了土壤pH值，同时提高了NO₃^--N和有效磷（AP）含量，与对应单独施氮处理相比差异显著。这些响应在氮肥减量条件下尤为明显。2023年，有机肥在土壤碳及

绿肥与稻草对水稻产量、SOC储量及CH₄排放的影响

与以往研究（Li et al., 2019, Fan et al., 2026）一致，无论是单独还田还是与稻草联合还田，绿肥在常规施肥和氮肥减量条件下均显著提高了水稻产量。这种增产效应源于两种有机肥的互补功能。绿肥提供生物固氮及易于矿化的养分，而稻草则补充额外的碳、钾和硅（Fan et al., 2026, Liang et al., 2025）。它们

结论

无论是在常规施肥还是氮肥减量条件下，绿肥单独施用或与稻草联合还田均能有效提高水稻产量和SOC储量，但同时也增加了累计CH₄排放量。值得注意的是，绿肥处理下的CH₄排放量始终低于稻草处理。在氮肥减量条件下，绿肥与稻草联合还田可实现最低的CH₄排放因子和最高的SOC储量。尽管绿肥和稻草均会提高产甲烷菌丰度，但绿肥

CRediT作者贡献声明

Jun Xie：撰写—原稿、方法学、调查研究、形式化分析、数据整理。Han Liu：调查研究、数据整理。Tingting Ma：调查研究、数据整理。Li Wan：方法学、形式化分析、数据整理。Guilong Li：方法学、形式化分析、数据整理、调查研究、形式化分析、数据整理。Xiaofen Chen：方法学、形式化分析。Wenjing Qin：方法学、形式化分析。Luyuan Sun：形式化分析、数据整理。Yongxin Lin：撰写—审阅与

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本研究获得国家自然科学基金（42267046）、国家重点研发计划（2021YFD1700203）、江西赣鄱英才计划（gpyc20250064）和江西省农业科学院基础研究与技术转化专项（JXSNKYCGZH202603）资助。

Jun Xie|Han Liu|Tingting Ma|Li Wan|Guilong Li|Xiaofen Chen|Wenjing Qin|Luyuan Sun|Yongxin Lin|Guangbin Zhang|Tida Ge|Jia Liu