南京农业大学学报2022,45(5)：839-847http://nauxb.njau.edu.cnD0I:10.7685/jnau.202111015江瑜，朱相成，钱浩宇，等.水稻丰产与稻田甲烷减排协同的研究展望[J].南京农业大学学报，2022,45(5)：839-847.水稻丰产与稻田甲烷减排协同的研究展望江瑜，朱相成2，钱浩宇，张楠，丁艳锋1·(1.南京农业大学江苏省现代作物生产协同创新中心，江苏南京210095：2.宜春学院生命科学与资源环境学院，江西宜春336000)摘要：水稻是中国第一大口粮作物，稻田是第二大温室气体甲烷的重要人为排放源之一，稻田甲烷减排对农业碳中和意义重大。稻田甲烷排放是甲烷产生和氧化的净效应，与水稻植株和农艺措施密切相关。本文重点论述水稻丰产条件下植株特性、农艺措施及两者互作对稻田温室气体排放影响及机制：明确中国水稻生长季甲烷排放动态的主体模式，即排放高峰期在拔节前，甲烷排放占57%~66%。在此基础上，未来应加强泌氧能力强的水稻品种选有，优化秸秆还田和前期水分管理技术，探索土壤微生物减排调控途径，实现水稻甲烷减排：各区域应因地制宜采取合理的农艺措施，集成稻田丰产减排技术新模式。关键词：温室气体排放：甲烷：稻田：植株特性：农艺措施中图分类号：S511文献标志码：A文章编号：1000-2030(2022)05-0839-09Higher rice yields and lower methane emissions can be reconciledfor rice cultivation:a reviewJIANG Yu',ZHU Xiangcheng'2,QIAN Haoyu'ZHANG Nan',DING Yanfeng'*1.Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China;2.College of Life Sciences and Resource Environment,Yichun University,Yichun 336000,China)Abstract:Rice is the most important food crop in China and rice paddies are a major source of anthropogenic methane emissions.Therefore,reducing methane emissions from rice paddies have significant implication for carbon neutral in agriculture.Net methaneemissions from rice paddies are determined by the balance between methane production and oxidation.Rice plant traits and agronomicpractices strongly affect methane emissions.This review focuses on the effect of plant traits and agronomic practices and theirinteraction on methane emissions.Meanwhile,we found that peak methane fluxes occurred before jointing stage,which represent asmuch as 57%66%of seasonal methane emission in China's rice paddies.We recommend breeding new variety with strong droughtresistance and high radial oxygen loss,improving straw returning practice and water management during tillering stage,and exploringsoil microbial pathways.Moreover,in the different rice planted areas,we should select different agronomic practices to combine newcropping modes for high rice yield with low greenhouse gas emission.Keywords:greenhouse gas emission;methane;paddy field;plant traits;agronomic practices温室气体大量排放引起的全球气候变暖已成为人类生存的重要威胁，减少温室气体排放是应对气候变化的关键举措。农业生产系统是温室气体甲烷和氧化亚氮的重要排放源，农业源的甲烷和氧化亚氮排放分别占全球人为排放的37.8%和65.1%-2]。在所有粮食作物中，水稻的单位产量温室气体排放是最高的，是小麦和玉米的3倍以上)。稻田温室气体排放主要以甲烷排放为主，约占90%，稻田甲烷排放占全球人为排放的10.9%山。中国是世界上最大的水稻生产国和消费国，稻田甲烷排放量占全球稻田甲烷量的21.9%左右)。与发达国家不同，中国的人口和资源现状决定了稻田CH4减排技术创新必须以水稻丰产为前提。在水稻丰产的基础上实现稻田CH4减排是实现农业碳中和的关键，更体现了中国的世界担当。因此，协同实现水稻丰产和稻田甲烷减排的科学意义和社会意义重大。收稿日期：2021-11-08基金项目：回家自然科学基金项目(32022061)：中央高校基本科研业务费专项资金(KJYQ202101)作者简介：江瑜，教授，博导，主要从事稻田生态研究，E-mail:uia@jau.e血.cm。·通信作者：丁艳锋，教授，博导，主委从事水稻栽培研究，(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net南京农业大学学报第45卷稻田甲烷净排放由甲烷产生和氧化决定[。稻田土壤在淹水、无氧条件下，土壤有机物（土壤有机质、前茬作物秸秆和当季光合产物等)被分解为氢气、二氧化碳、乙酸和甲酸等小分子化合物，然后被产甲烷菌分解成甲烷。而淹水土壤中产生的甲烷会在有氧区域（如根际和水土交界面）被甲烷氧化菌氧化。稻田甲烷产生过程和氧化过程不仅受稻田环境（如底物、pH、0,等）的影响，也受到水稻植株的影响-)。水稻植株不仅能以根系分泌物和调落物的形式为产甲烷菌提供底物，也能通过通气组织向根际泌氧，为甲烷氧化菌创造有氧环境9。因此，掌握稻田环境和水稻植株对稻田甲烷排放的影响机制，可通过调控水稻植株生长和改良农艺措施实现水稻单产递增和稻田甲烷减排的协同。本文综述了水稻植株特性和主要农艺措施对稻田甲烷排放的影响及其机制，并根据中国丰产稻田甲烷排放特征提出了研究展望，为丰产减排协同稻作提供理论参考，为高产低碳稻作模式创新提供技术参考。1水稻植株特性对稻田温室气体排放的影响甲烷是由产甲烷菌在厌氧条件下产生的，甲烷的产生过程受土壤碳底物限制。C0,同位素标记研究结果表明当季光合产物是稻田甲烷排放的主要碳源：Tkda等)发现，当季光合产物对水稻生育前期甲烷排放的贡献可忽略不计，而在抽穗期和灌浆中期，贡献率达到40%~60%：Conrad等[]认为约50%的稻田甲烷排放来自水稻植株光合产物。水稻根系能以根系分泌物和调落物的形式向甲烷产生提供底物碳，因此减少根系分泌物数量可降低甲烷排放]。同时，根系分泌物成分也可影响稻田甲烷排放过程，例如，在根系分泌物总量保持稳定的情况下，增加根系苹果酸、琥珀酸和柠檬酸的分泌量可降低稻田甲烷排放[)。另外，根系分泌物还可诱导根际有机碳的激发效应，增加土壤活性有机碳浓度，从而促进甲烷产生。由于水稻地上部的生长能显著影响根系的生长，因此，有些研究表明水稻叶面积、生物量、株高、分蘖、光合产物分配等影响稻田甲烷排放。Qi等[o]和Das等)研究发现水稻叶面积和分蘖数与稻田甲烷排放呈正相关，Huang等1研究表明地上部生物量与稻田甲烷排放通量显著正相关，van Groenigen等[]通过mta分析发现，高浓度二氧化碳通过提高根系生物量，增加根系分泌物和调落物数量，为产甲烷菌提供更多的碳源，进而促进稻田甲烷排放。正因为植株光合产物是甲烷产生过程底物的重要来源，有些研究认为提高光合产物向穗分配可以提高水稻产量并降低稻田甲烷排放。例如，S等[]通过将SUSIBA2基因导人水稻，使更多的光合产物向籽粒转移，减少根系分泌物量，实现水稻高产与减排的协同。我们前期通过突变体材料研究也发现大穗型水稻品种的甲烷排放量显著低于其小穗型突变体，主要也是因为小穗型突变体将大量光合产物转移到了根际土壤中[0。稻田土壤产生的甲烷一般有80%以上被甲烷氧化菌所氧化2)]，稻田甲烷氧化以有氧氧化为主]，根际氧浓度是影响根际土壤甲烷氧化菌的数量和活性的关键因子[o。Zeng等[]和Chen等)研究表明水稻根系径向泌氧量与甲烷排放显著负相关，Jiag等[24]发现根系孔隙度与根际土壤甲烷氧化菌丰度成正比，更高的根系孔隙度可以向根际分泌更多的氧气，从而提高甲烷氧化能力。Gutierrez等[指出根系氧化面积与甲烷氧化菌数量显著正相关。根系生物量能在一定程度上反映根系数量的多少，因此可影响甲烷氧化能力。Dig等[2研究结果表明，水稻甲烷排放和土壤溶液甲烷浓度与根系干重成反比，表明增加根系干重有助于促进甲烷氧化。Chen等[也发现更发达的根系能促进甲烷氧化。Ma等[)发现杂交水稻由于根系泌氧能力强，根际土壤甲烷氧化菌丰度要高于籼型常规稻。由于植株特性不仅影响甲烷产生过程也影响甲烷氧化过程，因此，有些研究者认为植株特性并不影响稻田甲烷排放。Zhag等[]在不同稻作区开展不同农艺措施和品种的比较试验，结果表明株高、分蘖数和地上部生物量等地上部植株特征与甲烷排放无显著相关性。Gutierrez等[]也认为水稻甲烷排放与地上部植株特性无显著相关性，而与甲烷产生菌和氧化菌显著相关。Satpathy等[0发现根系生物量与甲烷排放没有显著相关性。Km等[3划]通过根系切片染色研究发现，根系通气组织面积占横切面总面积的比例与甲烷排放不存在显著相关性。稻田甲烷的产生和氧化不仅受水稻植株的影响，还受稻田环境（土壤状况、气候条件、水肥管理等）的影响[6，)，也就意味着水稻植株特性对稻田甲烷产生和氧化的影响可能受到稻田环境调控。如植株生长特性对稻田甲烷排放的调控受土壤有机碳数量和有机物料添加的影响，当土壤活性有机碳数量很低时，当季光合产物是主要的甲烷底物[)]，而当土壤活性有机碳很多时，当季光合产物对甲烷排放的贡献下降，土壤有机碳的贡献增加[)。土壤有机碳有效性还影响植株特性对甲烷氧化的影响，Schrope等[在有机碳840(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net