(一)温室效应与土壤中的甲烷(CH₄)

太阳是地球气候的能量来源，它主要以可见光或近可见光(如紫外线)等短波形式向外辐射能量。大约有三分之一到达大气层顶部的太阳能被直接返回太空，其余三分之二主要为地球表面和大气吸收。地球吸收太阳辐射能后，主要以红外光的形式向外界进行热辐射，而这种热辐射中有相当一部分被大气中的温室气体和云层所吸收，故使地表温度得以维持，这就是所谓的温室效应。如果没有自然的温室效应，地球表面的平均温度会降到冰点以下(大约-23℃)，地球将会是一个寒冷寂寞的荒凉世界。因此，没有地球的自然温室效应，就没有人类现在的生活。然而，人类活动，特别是燃烧化石燃料和毁坏森林。导致大气中温室气体的含量不断地增加，从而增强了自然温室效应，引起全球气候变暖，其中CH₄对地球系统的能量平衡以及地球气候的变化是重要的影响因素之一(蔡祖聪等2009)。

土壤中CH₄的产生主要决定于两个条件：一是厌氧条件，即丰富的水分；二是碳源，即丰富的有机质。淹水土壤中CH₄的产生是一个生物化学过程。淹水上壤中复杂的有机物质，被各类细菌组成的食物链转化成简单的产CH₄前体。产CH₄菌在严格的厌氧条件下作用于这些产CH₄前体，然后产生CH₄。淹水土壤CH₄的产生有两条主要途径，一是在专性矿质化学营养产CH₄菌的参与下，以H₂或有机分子作H供体还原CO₂或直接利用HCOOH和CO形成CH₄：

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O                       (3-1)

4HCOOH→CH₄+3CO₃＋2H₂O             (3-2)

4CO+2H₂O→CH₄＋3CO₂                        (3-3)

另一个是在甲基营养产CH₄菌的参与下，对含甲基化合物的脱甲基作用，这里所指的含甲基化合物主要是乙酸，因为乙酸是在天然条件下有机化合物厌氧分解的主要发酵中间产物：

CH₃COOH→CH₄+CO₂              (3-4)

这是CH4形成的主要途径，占70％左右。事实上，在上述产CH4过程之前土壤中已经发生了两步反应，第一步是较复杂的土壤有机物、根系分泌物等分解为简单的有机物(简单糖类、有机酸和醇等)，第二步是由简单的有机物生成乙酸、H₂、CO₂和甲酸等产CH₄的直接前体。淹水的土壤生态系统是大气CH₄的主要来源，比如自然湿地(沼泽)、人工湿地(稻田)和湿冻原等。

(二)稻田土壤CH₄排放量及其影响因素

稻田生态系统CH₄排放量具有时间和空间变异性，同时对这种变异性的认识还十分有限，因而给准确估算排放量带来了很大的困难。为了尽可能准确地估算稻田生态系统CH₄排放量，已经发展了多种估算方法。在IPCC(政府间气候变化专门委员会)出版的《国家温室气体清单指南》中，根据国家和地区的不同情况分为三个层次，即第一层次为对某一类或全部稻田不具有实际测定数据的地区或国家，建议采用IPCC提供的缺省数据编制稻田生态系统CH₄排放量清单。第二层次为在部分类型的稻田进行了实际田间测定，具有实测CH₄排放量数据的地区或国家，IPCC鼓励对该地区或国家的稻田进行尽可能仔细地分类后，在田间实测数据的基础上对稻田水分类型等进行校正，采用与第一层次相同的方法进行估算。第三层次是指建立了稻田CH₄排放测定网，并进行连续测定和建立了估算模型的地区和国家，则可以采用模型估算的方法，但模型必须经过田间实际测定数据的验证。

世界各地的科学家虽然就全球稻田生态系统CH4排放量的估算做了大量的研究工作，然而却获得了极为不同的数值。总体来看，20世纪90年代以前估算的数值大多数都比较大，全球CH4排放量大约为30～280 Tg/a；90年代以后，除了个别数值较大外，总体数值相对较小，并且呈下降趋势，大约为10～110 Tg/a。近年来获得的数据表明，全球稻田生态系统CH₄排放量为28. 2 Tg/a，而中国为7. 67 Tg/a，占全球稻田生态系统CH₄排放量的27.2％(蔡祖聪等2009)。

影响稻田土壤CH₄ 排放量的因素很多，也很复杂，主要包括土壤水分管理、施肥、土壤理化性质、土壤温度及水稻植株生长等(徐华等2002)。

(1)土壤水分管理对CH₄排放量的影响

水分管理对涉及稻田CH₄ 排放的过程有决定性的影响，因为稻田水层限制大气中氧气向土壤传输，这是稻田厌氧环境形成的基本条件。如果水稻生长期持续淹水，则CH₄排放量远远高于经历烤田和干湿交替处理的稻田排放量。综合考虑烤田．及重新淹水期间CH₄排放量，烤田使土壤CH₄排放量约可减少8％～44%。

除了水稻生长期的水分管理强烈地影响CH₄排放量外，非水稻生长期水分管理措施对后作水稻生长期CH₄排放量的影响也不可低估。蔡祖聪等(1997)研究了我国华南、西南稻田非水稻生长期水分管理措施对稻田CH₄排放量的影响，发现冬灌田(非水稻生长期持续淹水)CH₄排放量远远高于非水稻生长期水分排干的稻田CH₄排放量，这是因为长期淹水导致土壤的强还原性，促进了产CH₄菌数量的增长。非水稻生长期排干土壤，耕翻并使土壤最大限度地暴露于空气或种植旱作作物可以有效地减少稻田产CH₄菌存活数及其活性，从而减少稻田CH₄排放量。

(2)土壤性质对CH₄排放量的影响

淹水土壤中同时进行着CH₄的生成和氧化作用，土壤理化性质分别影响这两个过程，而且影响程度各不相同，这就导致了不同土壤的CH₄排放通量与CH₄产生潜力的比值不同。淹水稻田的CH₄排放量是这两个过程的综合结果。

1)土壤Eh 在氧气或其他氧化态无机化合物存在的情况下，产CH₄菌停止其活性而逐渐死亡。当土壤悬液的氧化还原电位从-200 mV降到-300 mV时，CH₄的产生量增加十倍。而当土壤氧化还原电位处于-150 mV至-230 mV范围内，CH₄排放通量随土壤Eh的降低呈指数增加。在一定条件下，土壤Eh与CH₄排放通量呈显著相关。

应当指出，虽然CH₄产生必须在土壤严格厌氧的条件下，Eh下降到-100～-150 mv以后才有可能，然而在田间条件之下，上壤Eh的测定值与CH₄排放通量之间通常无显著相关性，其可能的原因有两点：①生成CH₄的其他必要条件满足程度的不一致。例如，对于长期淹水的稻田，土壤Eh已经下降到足以满足CH₄生成的需要，此时的Eh已经不是关键限制因子，而基质的供应水平、温度有可能成为主要的影响因素。②可能的测定误差二由于土壤的不均匀性和测量电极与土壤接触的有限性，经常出现电极的指示值远高于CH、产生的Eh值时，已经可以监测到稻田生态系统CH₄排放的现象(蔡祖聪等2009)。

2)土壤pH 一般来说，中性左右的土壤pH有利于土壤中CH₄的产生。由于微生物具有适应生长环境的能力，在酸性或碱性土壤中生长的产CH₄菌其最佳生长pH也往往偏酸或偏碱。由于Fe³⁺的还原、CO₂累积或碱度的变化，大部分酸性土壤和石灰性土壤淹水后其pH均有向中性变化的趋势，从而有利于产CH₄菌的活动；因此可以认为土壤pH并非稻田CH₄排放量的主要影响因素。然而，酸性硫酸盐土壤可能是一个例外，它的强酸性抑制了产甲烷菌的生成和活性，加之大量存在的硫酸盐和质子，此类稻田生态系统CH₄排放量往往较低。

3)土壤质地和土壤渗漏率土壤质地对稻田CH₄的排放量有一定的影响，在河南封丘对砂质、壤质和黏质水稻田CH₄排放的研究表明，黏质水稻土排放的CH₄最少。这种现象可能是由于重质地上壤氧化还原缓冲容量较大，当稻田土壤由排水良好状态到淹水状态时，土壤Eh下降速率较慢，达到产CH₄菌活动所需土壤Eh的时间较长，因而CH₄排放较少(蔡祖聪1999)。

渗漏速率对稻田CH₄排放量也有一定的影响。土壤水向下渗漏时带入一定的氧，提高了土壤Eh，减少了CH₄的排放；渗漏水还会带走一定量的溶解和闭蓄于上壤溶液中的CH₄，进一步减少CH₄ 排放量。在相同的条件下，土壤CH₄排放量有随渗漏速率提高而下降的趋势。

4)土壤类型不同类型稻田CH₄排放量差异很大，一般为泥炭土＞冲积上＞火山灰土，泥炭土稻田CH₄ 排放量是火山灰土稻田的40倍。水稻土有机碳含量对甲烷产生潜力亦有明显的影响，但其受到样品采集空间尺度的制约，土样代表的空间尺度越大，CH₄产生量和土壤有机碳之间的相关系数越小。在土壤样品空间分布较小的情况下，土壤产甲烷量与土壤多种性质显著相关，除了有机碳外，还有全氮、土壤颗粒组成和pH。由此可以认为，当研究稻田CH₄排放的空间变化时，研究区域的空间尺度越小，越应该考虑土壤类型和性质对排放量的影响；而在全球尺度上，土壤类型并非影响稻田生态系统CH₄排放量的关键因素。

(3)有机肥的施用

施用有机肥一方面为土壤产CH₄菌提供了基质，另一方面新鲜有机肥料的快速分解可加速氧化态土壤淹水后土壤Eh的下降，为产CH₄菌的生长创造了适宜的环境条件。但是有机肥品种、施用量及施用时间对稻田CH₄排放也有很大的影响。例如沼渣肥作为一种特殊形式的有机肥，并不能增加稻田CH₄ 排放量(相对于新鲜有机肥)，这是因为沼渣肥在沼气池中已经发酵并在露天堆腐，原来新鲜有机物中易分解的成分相当一部分已生成沼气(作为燃料)而消失，它所能提供微生物食物链的潜在食物量减少；不同有机肥对CH₄排放总量的影响为菜饼、麦秆＞牛厩肥＞猪厩肥，而秸秆还田方式的不同也会影响CH₄排放量，相较于均匀混施，表面覆盖可以减少稻田CH₄排放。

(4)土壤温度

土温对产生CH₄的微生物群落、水稻土表层和水稻根际CH₄的氧化以及CH₄传输过程均有影响。

土壤温度不仅影响有机质的分解速率、CH₄的产生速率及CH₄由上壤向大气的传输效率，还影响产CH₄菌本身的数量和活性。大多数产CH₄菌在温度30℃以上时最活跃，但某些产CH₄菌甚至在5℃时也能形成CH₄。有试验表明，温度每升高一度，CH₄排放量增加1.5～2.0倍，最佳温度为34.5℃左右，高于此值时，CH₄排放通量急剧下降。

(5)水稻植株生长及品种

在CH₄从土壤向大气排放的途径中．水稻通气组织的运输最重要，有时可占到稻田CH₄排放总量的95％以上：不仅如此，水稻植株也能传输大气中的氧气到根系，以维持根的呼吸，它能很大程度地影响根部区域CH₄的氧化；水稻植株还能通过根系分泌物影响土壤中CH₄的产生率。种植水稻后促进了CH₄的排放．其排放速率比未种稻的高2～50倍。

不同水稻品种由于其通气组织及根际分泌物的组成和数量不完全相同，对稻田CH₄的排放量也有一定的影响，例如，水稻“中作180”的CH₄排放通量为16.6 mg/(m²·h)，而“中花8524号”及“秦爱”则分别为13.1 mg(m²·h)和7.79 mg/(m²·h)(林尔达1993)。

相关链接：土壤有机碳的分解与转化