据国际能源署(IEA)的研究表明，甲烷的温室效应是二氧化碳的80多倍，对全球变暖的贡献率高达30%。如果在未来30年内减少50%的甲烷排放，将有助于在2050年前让全球平均气温下降0.2℃。稻田是大气重要的甲烷排放源，约占全球人为甲烷总排放量的10%。碳达峰碳中和背景下，随着化石能源逐步被清洁能源替代，稻田甲烷排放占全球人为甲烷的比重也将随之增大，其减排的紧迫性和重要性将日益凸显。我国是水稻生产大国，水稻耕作模式复杂多样，稻田甲烷产生机制及其减控措施受诸多因素影响，有针对性的探明其过程机理及减排措施，将有利于水稻丰产下深入挖掘稻田甲烷减排潜力并提出区域适应性强的减排丰产协同技术模式。
为此，南京土壤研究所研究员徐华团队通过稳定性碳同位素自然丰度法、生命周期评价法和模型模拟等方法手段，揭示了我国三大典型稻田系统[双季稻、稻麦轮作、冬水田（又称常年淹水稻田，是我国甲烷排放量最大的一类稻田，主要分布于我国西南丘陵山区）]土壤甲烷产生（产生潜力、产生途径及产甲烷菌）的时间变化规律及其差异机制（Zhu et al., 2023, BFS），发现：双季稻和稻麦轮作的乙酸产甲烷途径（fac）随水稻生长变得越来越重要并在成熟期占主导地位，这可能是由于甲烷鬃毛菌属相对丰度的增加所致，而冬水田的fac在分蘖期和成熟期都占主导地位，可能与乙酸含量和甲烷八叠球菌属代谢活性的变化有关；进一步研究结果表明，双季稻、稻麦轮作和冬水田的甲烷产生潜力、fac及产甲烷菌群落组成主要受控于土壤pH、土壤质地或SOC含量等性质（Shen et al., 2023, JGR）；而且冬水田的甲烷产生潜力、fac及产甲烷菌mcrA功能基因丰度随土壤水分含量（水土比0.5-1.5）的增加而显著增加，明显不同于双季稻和稻麦轮作，这说明不同水分含量土壤的甲烷产生强烈受控于土壤历史水分状况（Shen et al., 2024, STR），也暗示了冬水田甲烷产生对水分管理的响应更为敏感。因此，通过充分排水来尽量降低土壤水分含量是深入挖掘冬水田甲烷减排潜力的有效途径。
然而，不科学的水分管理会导致水稻容易遭受季节性干旱而减产，甚至可能绝收，这严重阻碍了排水措施减少冬水田甲烷排放的推广应用。而节水抗旱稻较常规水稻品种具有更强的节水耐旱能力，能在灌溉用水量少甚至雨养条件下种植，即使水稻遭遇到较明显旱情，节水抗旱稻依旧能相对保持高产稳产。因而，将冬水田排水后种植节水抗旱稻应该会有减排丰产协同的预料收获。连续4年的研究结果证实了这一科学假设：冬水田雨养后，种植节水抗旱稻较常规水稻具有更低的甲烷排放量和更高的水稻产量，且这种现象在降雨量相对较小的年份更加明显（Zhang et al., 2023, FCR）；水稻种植改雨养条件为覆膜栽培尽管会显著增加稻田甲烷排放，但也大幅提高水稻产量，而且使得稻田的净生态系统经济效益（NEEB）扭亏为盈，增幅达3500-6000元/公顷，覆膜下种植节水抗旱稻较常规稻进一步增加NEEB约950元/公顷（Zhang et al., 2024, RCR）。这表明，在降雨较少或灌溉条件较差的地区种植节水抗旱稻在生产实践上具有良好的减排丰产效果以及经济可行性，值得推广应用。但是在全年降雨量较大的南方双季稻区，又如何实现减排丰产共赢呢？基于DNDC和DAYCENT模型模拟发现，改冬季抛荒稻田（不排水、不翻耕）为排水翻耕稻田，预计可降低稻田甲烷排放13-37%且不影响水稻产量（Guo et al., 2023, Geoderma），是实现双季稻区甲烷减排和水稻丰产协同的有效管理措施。
上述研究可为我国农田碳减排工作的顺利开展提供理论支撑和技术路径，相关成果已发表在Resources, Conservation & Recycling、Soil & Tillage Research、Geoderma、Field Crops Research等期刊上。四川省农科院、南京信息工程大学、南通大学、宁波大学、浙江大学和英国阿伯丁大学等单位参与了相关工作。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目和江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金的资助。
甲烷产生潜力、产生途径及产甲烷菌与土壤性质间的相关性分析
稻麦轮作（RW）、冬水田（RF）和双季稻（DR）的产甲烷前体（DOC和acetate）、产甲烷菌mcrA功能基因丰度与乙酸产甲烷贡献率（fac）对土壤水分含量的响应及其结构方程模型分析
改冬水田为雨养田和覆膜栽培稻田对甲烷排放、水稻产量以及净生态系统经济效益的影响
原文链接：http://www.issas.ac.cn/xwzx/kjjz/202404/t20240410_7090070.html