《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Reducing greenhouse gas emissions while improving rice yield and water use efficiency in rice paddies through mid-season drainage and intermittent irrigation
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水稻田中季排水与间歇灌溉协同减排甲烷及增产效应研究，通过两年田间试验发现3W-MD+II处理使甲烷排放减少74.6%，灌溉用水减少73.8%，产量提高16.8%。土壤微生物群落结构变化与甲烷减排相关，N2O排放增加但GWP整体降低。
张秀贤|李在寅|李昌国|金吉尔元|洪真京|朴成植
韩国汉城国立大学生物资源与农村系统工程系，安城17579
摘要
稻田是甲烷（CH4）的重要来源，甲烷是一种强效的温室气体（GHG），其全球变暖潜能约为二氧化碳（CO2的27倍。同时，水稻也是全球的主要粮食作物。作为全球广泛种植的粮食作物，水稻占据了大量的农业用地，并且与高水消耗和大量的CH4排放相关。这些特征凸显了迫切需要制定既能提高水资源利用效率又能减少温室气体排放的种植策略。本研究是一个为期两年（2023–2024年）的田间实验，评估了在生长季节进行排水（MD）处理（持续2周或3周，分别为2W-MD和3W-MD）以及是否随后进行间歇性灌溉（II）对温室气体排放、作物产量和水资源利用效率的影响。通过分析土壤性质和微生物群落组成，研究了MD和II对CH4和N2O动态的影响。结果发现，3W-MD+II处理的累积CH4排放量最低，比持续淹水（CF）处理减少了74.6%。尽管在MD和II处理下N2O排放量有所增加，但其对总全球变暖潜能（GWP）的贡献相对较小，从而实现了净减排。谷物产量在CF处理中最低，在2W-MD+II处理中最高，比CF处理高出16.8%。灌溉用水量的最大减少出现在3W-MD+II处理中，比CF处理减少了73.8%。所有处理中，土壤温度与CH4通量呈正相关，而土壤氧化还原电位与CH4通量呈负相关。生长季节排水后的间歇性灌溉显著影响了微生物群落组成，有利于适应氧化还原条件变化的微生物种类。此外，证据表明CH4和N2O排放的变化与微生物群落的变化密切相关，其中甲烷氧化细菌和反硝化菌在II处理后变得更加普遍，这有助于减少CH4排放，但同时增加了N2O排放。总体而言，MD和II的实施成功减少了CH4排放和灌溉用水量，同时提高了稻田的作物产量和微生物多样性。
引言
大气中的甲烷（CH4）比二氧化碳（CO2）更强烈地吸收地球发出的红外辐射，其温室效应是CO2的27倍（政府间气候变化专门委员会IPCC，2023年）。到2022年，大气中的CH4浓度达到了1912 ppb，比1750年的工业前水平722 ppb增加了260%（Lan等人，2022年）。随着这一增长趋势，CH4对全球变暖的贡献占总温室气体效应的17%，仅次于贡献65%的CO2（Olhoff和Christensen，2020年）。CH4排放主要来自农业、化石燃料的生产和消费以及废物管理，人为来源占CH4总排放量的60%（Saunois等人，2025年）。除了CH4，一氧化二氮（N2O）也是一种强效的温室气体，其变暖潜能是CO2的273倍（Jones等人，2023年）。大量的N2O排放来自农业活动，主要是化肥施用、土壤管理和牲畜废物处理。农业部门约占人为N2O排放量的60%（Reay等人，2012年）。因此，减少农业部门的温室气体排放需要采取针对性措施来降低CH4和N2O的排放。
在各种农业CH4排放源中，水稻（Oryza sativa）的种植尤为显著，因为淹水条件下产生的厌氧环境促进了产生CH4的甲烷生成古菌的活动（Malyan等人，2016年）。水稻是全球一半以上人口的主要食物来源，在南亚、中国、泰国和韩国等地广泛种植（Zhao等人，2020年）。全球水稻消费量从1960年的1.57亿吨增加到2022年的5.2亿吨（美国农业部，2023年）。为了满足人口增长带来的食物需求，预计水稻生产和种植面积将继续扩大，同时将广泛使用灌溉来提高单位面积的作物产量（Bin Rahman和Zhang，2023年）。然而，这种扩张带来了环境问题，因为稻田约占全球人为CH4排放量的8%，每年释放约30太克的CH4，相当于全球温室气体总排放量的1.5%（Saunois等人，2025年）。鉴于这一重要贡献，已经提出了诸如交替湿润和干燥灌溉以及优化土壤管理之类的策略来减少水稻种植中的CH4排放。
已经研究了多种减少稻田温室气体排放的策略，包括水资源管理、肥料优化、生物炭应用、耕作方式以及作物管理（Chen等人，2024年）。此外，还研究了通过叶面施用激动素和吲哚乙酸以及通过自然选择和基因工程改造微生物群落等替代方法来减少温室气体排放的潜力（Borah和Baruah，2016年）。研究还集中在接种丛枝菌根真菌作为减少N2O排放的方法（Qian等人，2023年）。在这些策略中，水资源管理被认为是一种成本效益高、劳动效率高且环境影响小的方法，因为它不需要化学投入，也不会破坏生态系统。此外，它在保护农业水资源方面发挥着关键作用，农业水资源约占全球淡水消耗量的70%（Qin等人，2024年）。常见的水资源管理措施包括生长季节排水、交替湿润和干燥以及间歇性灌溉，这些方法都被证明可以有效减少CH4排放并提高水稻种植的水资源利用效率。值得注意的是，这些技术显著减少了CH4排放，其中生长季节排水减少了52%（Liu等人，2019年），交替湿润和干燥减少了72%（Loaiza等人，2024年），间歇性灌溉减少了64%（Zhang等人，2024年）。然而，现有研究主要集中在监测CH4排放和作物产量上，对微生物群落动态和用水量减少的关注较少。
本研究重点关注生长季节排水（MD）和间歇性灌溉（II），这两种方法已被证明可以有效减少CH4排放并提高水资源利用效率。虽然交替湿润和干燥也得到了广泛研究，但由于精确控制水位所需的人工较多，其实施可能具有挑战性。在像韩国这样的地区，夏季生长季节降雨量较大，维持预定的湿润和干燥周期特别困难。相比之下，MD和II在作物生长关键阶段提供了更大的操作灵活性，并且更符合韩国的传统灌溉方式。尽管MD和II的CH4减排潜力已经得到充分证实，但它们对N2O排放的影响仍不明确。由于土壤湿度变化直接影响氧化还原电位和微生物活动，这些灌溉方式预计会调节N2O与N2排放的比例（Davidson等人，2000年）。此外，不同水资源管理方式下土壤物理化学性质和微生物群落组成的变化可能影响了氮转化途径。为了填补这些知识空白，本研究旨在提供包括CH4和N2排放、微生物群落组成、水资源利用效率、作物产量和土壤特性在内的综合评估。这种全面的方法对于优化平衡生产力与环境可持续性的水稻种植实践至关重要。
因此，本研究假设依次实施MD和II将（i）通过提高土壤氧化还原电位来减少CH4排放，（ii）通过改变土壤湿度和矿物质氮的可用性来影响N2排放，（iii）使微生物群落结构向好氧和兼性厌氧微生物转变，（iv）在灌溉用水效率和水稻产量方面产生协同效益。本研究通过提供CH4和N2排放的全面量化数据，并结合微生物群落动态和土壤物理化学参数的机制解释，为此做出了贡献。此外，它还提供了一种超越单纯温室气体减排的评估方法，同时考虑了水资源利用效率和作物产量，从而深入理解了MD和II的农艺和环境影响。
站点规格和实验设置
田间实验在韩国安城市的汉城国立大学实验农场进行，为期两年（2023–2024年）（坐标：37°0′18"N, 127°17'48"E）。该地区属于季风气候，年平均降水量为1315.7毫米，平均气温为12.6摄氏度。水稻生长期间的平均气温和降水量见图S1。这些数据是通过安装在安城市的自动气象系统监测的。
CH4和N2O排放
CH4通量的季节性变化取决于水资源管理的时间（图2a和2b）。2023年，生长季节排水10天后CH4通量开始下降。对于间歇性灌溉，CH4通量在开始后立即减少。值得注意的是，2W-MD+II处理在整个DBH期间保持了较低的CH4排放水平（图2a）。DBH处理后14天，CH4通量几乎可以忽略不计（< 0.50 kg ha?1 day
土壤条件和水资源管理对CH4和N2O通量的影响
与CF处理相比，2W-MD处理在整个两年实验期间CH4排放量平均减少了31.2%，3W-MD处理减少了41.1%。此外，实施II进一步减少了CH4排放。具体来说，2W-MD+II和3W-MD+II处理在同一时期分别进一步减少了28.4%和14.9%的CH4排放。
结论
本研究表明，在稻田中实施MD和II是一种有效减少CH4排放和灌溉用水量的策略，同时保持了水稻产量。特别是3W-MD+II处理使CH4排放量减少了74.6%，灌溉用水量减少了73.8%。尽管在MD和II处理下N2O排放量有所增加，但其对GWP的贡献相对较小，从而实现了净减排效果。微生物分析显示，MD
CRediT作者贡献声明
张秀贤：撰写——初稿、调查、正式分析。李在寅：数据管理。李昌国：撰写——审阅与编辑。金吉尔元：验证。洪真京：撰写——初稿。朴成植：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了ChatGpt 4.0来提高手稿的可读性和语言表达。资助
本工作得到了“农业科学技术发展合作研究计划（项目编号：RS-2023-00230727”（韩国农村发展行政机构）的支持。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
