常年淹水稻田CH4排放机理及其对水肥管理的响应

The permanently flooded rice fields, a special kind of fields in China, have the highest CH4 emission. Due to permanently flooded, the mechanism of CH4 emission from these fields is probably different from other fields. However, previous studies mainly focused on continuously flooded or intermittently irrigated fields just in the rice season, and very little on permanently flooded fields during the fallow season or the whole year. Water management and straw incorporation are the most inportant factors for influencing CH4 emission from rice fields, but no study has ever reported the mechanism of CH4 emission from permanently flooded fields under different modes of water management with straw incorporation during the fallow season. This item is intended to use the stable carbon isotope technique, combined with the analysis of molecular biology technology, to study CH4 production, oxidation and emission from permanently flooded fields in China and the effects of water management and straw incorporation on them, focusing mainly on pathways of methanogenesis, fraction of CH4 oxidized, methanogens and methanotrophs. Results of this research are favorable to illuminate the reason for the highest CH4 emission from permanently flooded fields within microbial processes, to find out the key factors that affect CH4 production and oxidation of these fields, to clarify the effects of water management and straw incorporation on CH4 emission from permanently flooded fields and their mechanisms, and further to supply the scientific principles to estimate the potentials of migitating CH4 emission from these fields and look over the best options for mitigating CH4 emission from rice fields in China.

常年淹水稻田是我国CH4排放通量最大的一类稻田。由于常年淹水，该类稻田CH4排放机理可能不同于其他类型稻田，但以往研究多侧重于水稻生长期持续淹水或间隙灌溉稻田，有关常年淹水稻田非水稻生长期或全年的研究国内外严重欠缺。水分管理和秸秆还田是影响稻田CH4排放的两大主因，但关于不同水分管理模式下非水稻生长期秸秆还田对常年淹水稻田CH4排放机理影响的研究未见报道。本项目拟采用稳定性碳同位素自然丰度法，结合分子生物学分析技术，研究我国常年淹水稻田的CH4产生、氧化和排放以及水分管理和秸秆还田对它们的影响，侧重于CH4产生途径、氧化比率、产甲烷菌和甲烷氧化菌的研究。其研究结果有助于从土壤微生物过程层次上探清常年淹水稻田CH4排放量极高的原因，揭示影响其CH4产生和氧化的关键因子，阐明水分管理和秸秆还田对常年淹水稻田CH4排放的影响及其机理，并为评估该类稻田CH4减排潜力和寻求最佳减排措施提供科学依据。

常年淹水稻田是我国CH4 排放通量最大的一类稻田。由于常年淹水，该类稻田CH4 排放机理可能不同于其他类型稻田，但以往研究多侧重于水稻生长期持续淹水或间隙灌溉稻田，有关常年淹水稻田非水稻生长期或全年的研究国内外严重欠缺。水分管理和秸秆还田是影响稻田CH4 排放的两大主因，但关于不同水分管理模式下非水稻生长期秸秆还田对常年淹水稻田CH4排放机理影响的研究未见报道。.本项目通过温室盆栽和室内培养试验，运用稳定性碳同位素自然丰度法并结合分子生物学分析技术，发现常年淹水稻田CH4排放极高的原因可能是：其甲烷古菌的数量较少但产甲烷能力强，而CH4氧化百分率相对较低；揭示温度不同可能是产生下述结果的重要因素：乙酸产CH4的贡献率和CH4氧化百分率均表现为冬季的高于稻季；恰好相反，产甲烷菌和甲烷氧化菌数量在冬季却明显小于稻季，且变化相对比较平稳。土壤溶液中的CH4在向大气释放过程中受到强烈的氧化作用，氧化百分率高达80%。与间隙灌溉相比，持续淹水并没有增加产甲烷菌的数量，但显著促进了CH4产生与排放；间隙灌溉较持续淹水减少甲烷氧化菌的数量和降低CH4氧化能力，却明显提高CH4氧化百分率。冬季持续淹水条件下秸秆还田显著增加冬季土壤溶液中的CH4浓度和CH4排放通量；冬季自然落干条件下秸秆还田对CH4产生、氧化和排放的影响受后续稻季水分管理的强烈制约，总体上表现为与不施用秸秆相比：稻季持续淹水较间隙灌溉增加产甲烷菌的效果更显著，而间隙灌溉比持续淹水更能促进甲烷氧化菌的生长，但均增加CH4排放量，且稻季持续淹水增加的更为显著。与全年淹水相比，冬季自然排干且稻季间隙灌溉显著减少CH4排放量，全年减幅在90%以上。可见，减少常年淹水稻田的CH4排放关键是控水，且这类稻田的CH4减排潜力将十分巨大。.我国常年淹水稻田CH4的年排放量为339万吨，相当于2600万吨CO2-C。如果能采取措施将我国常年淹水稻田年CH4排放量减少50%，则能减少1300万吨CO2-C的排放，折合碳税值6.75亿元人民币，说明这类稻田具有相当大的减排效益。.我国是农业大国，农田温室气体排放受到各方关注。本项目有助于从土壤微生物过程层次上探清常年淹水稻田CH4 排放量极高的原因，可为常年淹水稻田CH4减排提供数据支撑，并为提出符合我国农业生产实际的温室气体减排措施以及探明其机理提供科学的理论依据。