稻秸还田：外源氮素转化与温室气体排放的影响机制及调控策略

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球人口持续增长的背景下，粮食安全问题愈发凸显，对农业生产提出了更高的要求。与此

同时，随着人们环保意识的增强，农业可持续发展也成为了当今农业领域的重要议题。农业生

产不仅需要保障粮食产量,满足不断增长的人口需求,还需注重生态环境保护,减少对环境的

负面影响。

秸秆作为农业生产的重要副产品，其处理方式对农业生态系统有着深远影响。据相关数据显

示，2008年中国作物秸秆产量约为8.42亿t,且以每年净L251x107t的速率增加。秸秆富

含氮、磷、钾等多种营养元素，是一种宝贵的可再生资源。传统的秸秆处理方式，如焚烧，不

仅造成了资源的浪费，还带来了严重的环境污染问题。焚烧秸秆会产生大量的二氧化碳、氮氧

化物等有害气体，加剧温室效应，同时还可能引发雾霾等环境问题。

秸秆还田作为一种有效的秸秆处理方式，具有诸多优点。秸秆还田能够为土壤提供丰富的有机

质，改善土壤结构，增加土壤孔隙度，降低土壤容重，从而提高土壤的通气性和保水性，为作

物生长创造良好的土壤环境。秸秆还田还能提高土壤养分含量，增强土壤肥力，减少化肥的使

用量，降低农业生产成本。祖关研究表明，秸秆还田可以使土壤中的有机碳含量增加8%-

35%,土壤全氮含量也会有所提高。秸秆还田在一些地区的应用中，使得土壤的保水保肥能

力显著增强，作物产量得到了有效提升。

氮素是植物生长所必需的重要营养元素之一，对作物的生长发育和产量形成起着关键作用。外

源氮素的投入是维持土壤氮素平衡和保障作物高产的重要手段，但不合理的氮素施用会导致氮

素利用率低下，造成资源浪费和环境污染。大量未被作物吸收利用的氮素会通过氨挥发、淋

溶、反硝化等途径损失，其中氨挥发会造成大气污染，淋溶会导致水体富营养化，反硝化则会

产生温室气体氧化亚氮(N2O),加剧全球气候变暖。据统计，全球农业生产中氮素的利用

率仅为30%-50%,大部分氮素损失到环境中。

温室气体排放是全球气候变化的主要驱动因素之一，农业活动是温室气体的重要排放源之一。

稻田作为重要的农业生态系统，在种植过程中会排放大量的温室气体，如甲烷(CH4)和氧化

亚氮(N2O)o甲烷是一种强效的温室气体，其全球增温潜势约为二氧化碳的25倍；氧化亚

氮的仝球增温潜势约为二氧化碳的298倍。稻田中甲烷的产生主要是在厌氧条件下，由产甲

烷菌分解土壤中的有机物质产生；氧化亚氮的产生则与土壤中的氮素转化过程密切相关，如硝

化和反硝化作用。研究表明，全球稻田甲烷排放量约占全球甲烷排放总量的10%-15%,氧

化亚氮排放量也在逐年增加。

稻秸还田作为一种常见的农业措施，对土壤生态系统的影响较为复杂。一方面，稻秸还田能够

增加土壤有机质含量，改善土壤结构，提高土壤肥力，为作物生长提供良好的土壤环境，从而

有助于提高作物产量；另一方面，稻秸还田会改变土壤的理化性质和微生物群落结构，进而影

响外源氮素的转化过程以及温室气体的排放。稻秸还田后，土壤中的有机物质增加，会为微生

物提供更多的碳源，从而影响微生物对氮素的转化和利住。稻秸还田还会改变土壤的通气性和

水分状况，这些因素都会对温室气体的产生和排放产生影响。

因此，深入研究稻秸还田对外源氮素转化及温室气体排放的影响具有重要的现实意义c这有助

于我们更好地理解稻秸还田在农业生态系统中的作用机制，为制定合理的农业生产措施提供科

学依据，从而实现农业生产的可持续发展。通过研究，可以明确不同稻秸还田方式和还田量对

外源氮素转化的影响规律，优化氮素管理策略，提高氮素利用率，减少氮素损失和环境污染。

研究稻秸还田对温室气体排放的影响，能够为制定有效的温室气体减排措施提供参考，降低农

业活动对全球气候变化的影响。在实际生产中，根据研究结果，可以合理调整稻秸还田的方式

和时间，结合科学的施肥管理，在提高土壤肥力和作物产量的同时，最大限度地减少温室气体

排放，实现农业生产的经济效益、社会效益和生态效益的协调统一。

1.2国内外研究现状

在稻秸还田对氮素转化影响的研究方面，国内外学者已取得了一定成果。秸秆还田作为一种农

业废弃物的资源利用方式，能为土壤提供有机质，提高土壤肥力，对农业生产意义深远。国外

研究较早关注到秸秆还田对土壤氮素转化的影响。有研究表明，秸秆还田后，土壤中的有机氮

会在微生物的作用下逐渐矿化，释放出镂态氮，为作物生长提供氮源。在适宜的温度、湿度和

氧气条件下，农作物秸秆会被土壤中的微生物分解，分解产物中的氮元素能够被植物吸收利

用,同时，秸秆还田还会影响土壤中氮素的硝化和反硝化过程，进而影响氮素的存在形态和有

效性。

国内学者在这一领域也进行了大量研究。有学者通过田叵试验发现，连续的秸秆还田有利于提

高土壤全氮含量。在麦(油；-稻轮作模式下，秸秆还田较不还田成熟期稻株氮素积案量有所

提高，产量也有所增加。秸秆还田后，土壤中硝态氮和铁态氮的含量也会发生变化。在一些

研究中，秸秆还田后麦(油：茬直播稻成熟期田间0-10、＞10-20cm土层的氨态氮含量有

增有减，硝态氮含量则整体降低。不同的秸秆还田方式和还田量对氮素转化的影响也有所不

同。有研究表明，在一定范围内，土壤有机碳(SOC)含量随秸秆还田量的增加而增加，这

也会间接影响氮素在土壤中的转化和保存。

关于稻秸还田对温室气体排放的影响，国内外也有诸多研究。温室气体排放是全球气候变化的

重要因素，农业生产是温室气体的重要排放源之一，稻田排放的甲烷(CH4)和氧化亚氮

(N2O)备受关注。国外研究发现，秸秆还田会增加稻田CH4的排放。秸秆中的有机物质在

厌氧条件下被微生物分解，会产生大量的CH4°不同的桔科还出量和还出方式对CH4排放

的影响也不同。有研究表明，随着秸秆还田量的增加，CH4排放量呈上升趋势。

国内学者对稻秸还田与温室气体排放的关系也进行了深入研究。通过对长江中游地区不同稻作

模式的研究发现，秸秆还田增加了双季稻、再生稻和春玉米-晚稻三种稻作模式的CH4排

放，其中玉稻模式的CH4排放量最低。秸秆还田对N2O排放的影响因稻作模式而异。在某

些稻作模式下，秸秆还田会导致N2O排放增加，而在另一些模式下则影响不显著。相关性分

析显示，CH4排放与气温、含水量等因素密切相关，N2O排放与硝态氮、锈态氮等因素也存

在显著相关性。

尽管国内外在稻秸还田对外源氮素转化及温室气体排放的影响方面取得了一定进展，但仍存在

一些不足。现有研究多集中在短期的田间试验，对于长期的稻秸还田对土壤氮素转化和温室气

体排放的累积效应研究较少。不同地区的土壤质地、气候条件、耕作制度等差异较大，而目前

的研究在这些因素对稻秸还田效果的综合影响方面还不够深入。对于稻秸还田影响氮素转化和

温室气体排放的微观机制，如微生物群落结构和功能的变化等方面，还需要进一步深入研

究。在实际农业生产中，如何根据不同的土壤和气候条件，制定合理的稻秸还田策略，以实

现提高土壤肥力、增加作物产量和减少温室气体排放的多重目标，也有待进一步探索。

1-3研究目标与内容

本研究旨在深入剖析稻秸还田对土壤外源氮素转化和温室气体排放的影响机制，为农业生产中

的秸秆还田管理提供科学依据，以实现提高土壤肥力、增加作物产量和减少温室气体排放的多

重目标。

在研究内容方面，首先探究稻秸还田对土壤氮素转化过程的影响。分析稻秸还田后，土壤中有

机氮的矿化过程，研究其如何在微生物的作用下逐步分解转化为铁态氮，以及不同还田量和还

田方式下，矿化速率和铁态氮释放量的变化规律c探讨稻秸还田对硝化和反硝化过程的影响，

研究土壤中硝化细菌和反硝化细菌的活性变化，以及这些变化如何导致硝态氮和亚硝态氮含量

的波动，进而影响氮素的有效性和损失途径。

研究稻秸还田对温室气体排放的影响也是重要内容。监测稻秸还田后稻田中甲烷和氧化亚氮的

排放动态，分析不同还田量、还田时间以及水稻生长周期等因素对这两种温室气体排放通量的

影响。通过田间试验和数据分析，明确稻秸还田与温室气体排放之间的定量关系，以及环境因

素（如温度、水分、土壤酸碱度等）对这种关系的调节作用。

此外，本研究还揩探索稻桔还田下外源氮素转化与温室气体排放的关联机制。分析氮素在不同

转化阶段与甲烷和氧化亚氮产生之间的内在联系，例如，研究硝态氮和镂态氮含量的变化如何

影响反硝化过程中氧化亚氮的产生，以及土壤中有机碳（来源于稻秸）与氮素共同作用对甲烷

排放的影响机制。通过建立相关模型，定量描述外源氮素转化与温室气体排放之间的关系，为

预测不同农业管理措施下的温室气体排放提供理论支持。

基于上述研究，提出稻秸还田下减少温室气体排放、提高氮素利用率的调控策略“结合不同地

区的土壤质地、气候条件和种植制度，优化稻秸还田的方式和还田量，制定合理的氮肥施用方

案，以减少氮素损失和温室气体排放。探索添加土壤改良剂、微生物菌剂等辅助措施，促进稻

秸的快速分解和氮素的有效转化，降低温室气体排放强度，实现农业生产的可持续发展。

1.4研究方法与技术路线

本研究采用多种研究方法，以确保研究结果的准确性和可靠性。通过田间试验，设置不同的稻

秸还田处理组，包括不同的还田量和还田方式，同时设置对照组（无稻秸还田）。选择具有代

表性的稻田区域，确保土壤质地、气候条件等相对一致。在试验过程中，严格控制其他变量，

如施肥量、灌溉量等，以突出稻秸还田对土壤外源氮素转化和温室气体排放的影响。

利用实验室分析技术，对采集的土壤样品进行理化性质分析，测定土壤的pH值、有机碳含

量、全氮含量等指标。采用凯氏定氮法测定土壤中的全氮含量，利用重铭酸钾氧化法测定土壤

有机碳含量。分析土壤中不同形态氮素的含量，包括钱态氮、硝态氮、亚硝态氮等，以了解氮

素的转化情况。使用靛酚蓝比色法测定镀态氮含量，紫外分光光度法测定硝态氮含量。通过气

相色谱仪等设备，精确测定稻田中甲烷和氧化亚氮等温室气体的排放通量，为研究温室气体排

放提供数据支持。

运用模型模拟的方法，借助DNDC(DeNitrification-DeComposition)等模型，对稻秸还田

下的土壤氮素转化和温室气体排放过程进行模拟和预测。该模型能够综合考虑土壤、气候、作

物生长等多种因素，通过输入相关参数，如土壤质地、气象数据、稻秸还田量等，模拟不同条

件下的氮素转化和温室气体排放动态。通过与实际观测数据的对比和验证，不断优化模型参

数，提高模型的准确性和可靠性，从而为农业生产管理提供科学依据。

本研究的技术路线如下：首先，进行文献调研，全面了解国内外关于稻秸还田对外源氮素转化

及温室气体排放影响的研究现状，明确研究的重点和方向。在此基础上，制定详细的田间试验

方案，准备试验所需的材料和设备。在选定的稻田区域进行田间试验，按照设计好的处理组进

行稻秸还田操作，并进行常规的田间管理。

在水稻生长周期内，定期采集土壤样品和气体样品。土壤样品用于分析土壤的理化性质和氮素

形态，气体样品用于测定温室气体排放通量。同时，记录水程的生长发育指标，如株高、叶面

积、生物量等。将采集到的数据进行整理和分析，运用统计学方法，如方差分析、相关性分析

等，探究稻秸还田对土壤外源氮素转化和温室气体排放的影响规律。

利用实验室分析数据和田间观测数据，对模型进行参数校准和验证。通过模型模拟，预测不同

稻秸还田措施下的氮素转化和温室气体排放情况，为制定合理的农业管理策略提供参考。根据

研究结果,提出稻秸还田下减少温室气体排放、提高氮素利用率的调控策略,并对研究成果讲

行总结和展望，为进一步的研究提供方向。

二、稻秸还田与外源氮素转化

2.1稻秸还田方式与氮素释放规律

2.1.1不同还田方式下稻秸的腐解过程

稻秸还田方式主要有翻埋还田和覆盖还田等，不同方式下稻秸在土壤中的腐解过程存在明显差

异。翻埋还田是将稻秸直接翻入土壤耕层，使其与土壤充分混合。在这种还田方式下，稻秸所

处的环境相对稳定，土壤微生物能够更有效地接触和分解稻秸。由于土壤中微生物种类丰富，

包括细菌、真菌和放线菌等，它们能够分泌各种酶类，如纤维素酶、半纤维素酶和蛋白酶等，

这些酶可以将稻秸中的复杂有机物质分解为简单的小分子物质，从而促进稻秸的腐解C研究表

明，翻埋还田的稻秸在土壤中腐解速率较快，前期腐解速度尤为明显。在水稻收获后的前几周

内，稻秸中的易分解成分，如可溶性糖和蛋白质等，会迅速被微生物分解利用，导致稻秸重量

快速下降。随着时间的推移，腐解速率会逐渐减缓，但仍保持一定的分解速度。在整个水稻生

长周期内，翻埋还田的稻秸腐解率可达70%・80%。

覆盖还田则是将稻秸直接覆盖在土壤表面。这种方式下，稻秸与土壤的接触相对较少，主要依

靠土壤表面的微生物和外界环境因素进行分解。覆盖还田的稻秸受光照、温度和水分等环境因

素的影响较大。在光照充足的情况下，稻秸表面的温度会升高，这有利于微生物的生长和繁

殖，从而促进稻秸的分解。如果水分不足，会限制微生物的活动，降低稻秸的腐解速率。与翻

埋还田相比，覆盖还田的稻秸腐解速率较慢。由于稻秸表面容易干燥，微生物活动受到一定限

制，而且稻秸中的养分释放用对较慢，难以迅速被土壤截生物和作物吸收利用。在相同的时间

内，覆盖还田的稻秸腐解率可能仅为40%-60%。

不同还田方式下稻秸的残留量变化也有所不同。翻埋还田的稻秸由于腐解速率较快，残留量随

着时间的推移迅速减少。在水稻生长后期，土壤中残留的稻秸量相对较少，这有利于后续的农

事操作和土壤管理。而覆盖还田的稻秸残留量下降相对缓慢，在水稻生长周期结束后，土壤表

面仍可能残留较多的稻秸。这些残留的稻秸在一定程度上可以起到保水保土、抑制杂草生长的

作用，但也可能会影响下一季作物的播种和出苗。如果残留的稻秸过多，还可能导致病虫害的

滋生和传播,对农业生产造成不利影响。

2.1.2稻秸氮素释放的动态特征

不同还田方式下稻秸氮素随时间的释放规律呈现出各自的特点。在翻埋还田方式下，稻秸中的

氮素释放较为迅速c这是因为稻秸与土壤充分混合后，土壤微生物能够快速接触到稻秸中的含

氮有机物质，并通过一系列的代谢活动将其分解为无机氮，如铁态氮和硝态氮。在稻桔翻埋后

的初期，由于微生物活性较高，对氮素的分解利用能力较强，氮素释放量较大。随着E寸间的推

移，稻秸中易分解的含氮物质逐渐减少，氮素释放速率逐渐降低，但仍会持续释放一定量的氮

素，以满足作物生长的需求。在水稻生长的前期，翻埋还田的稻秸能够为土壤提供充足的氮

素，促进水稻的分篥和生长。

覆盖还田的稻秸氮素释放相对缓慢。由于稻秸位于土壤表面，微生物对其分解作用相对较弱，

而且氮素的释放还受到外界环境因素的制约。在干旱条件下，覆盖还田的稻秸氮素释放量会明

显减少，因为水分不足会抑制微生物的活性，从而影响氮素的分解和释放。在湿润条件下，氮

素释放量会有所增加，但总体上仍低于翻埋还田的释放速率。覆盖还田的稻秸氮素释放主要集

中在水稻生长的中后期，当外界环境条件适宜时，微生物活动增强，稻秸中的氮素逐渐被分解

释放，为水稻的后期生长提供一定的氮素支持。

影响稻秸氮素释放的因素众多。土壤温度是一个重要因素，适宜的温度能够促进微生物的生长

和代谢，从而加快稻秸的分解和氮素释放。在温度较高的季节，稻秸氮素释放速率明显加快；

而在低温季节，氮素释放则会受到抑制。土壤水分含量也对氮素释放有显著影响，水分过多或

过少都会影响微生物的活性，进而影响氮素的释放“当土壤水分含量过高时，土壤通气性变

差，微生物处于缺氧状态，不利于氮素的分解和释放；当土壤水分含量过低时，微生物活动受

到限制，氮素释放也会减少。土壤的酸碱度（pH值）对微生物的生长和酶活性有重要影响，

进而影响稻秸氮素的释放。不同的微生物对pH值有不同的适应范围，在适宜的pH值条件

下，微生物能够更好地分解稻秸中的含氮物质，促进氮素释放。土壤中原有氮素含量、微生物

群落结构等因素也会与稻秸氮素释放相互作用，共同影响土壤中氮素的动态变化。

2.2稻秸还田对土壤氮素转化过程的影响

2.2.1对土壤氮矿化与硝化作用的影响

稻秸还田显著改变了土壤中有机氮转化为镂态氮的矿化过程。稻秸富含纤维素、半纤维素、木

质素等有机成分，还含有一定量的有机氮。当稻秸还田后，土壤中的微生物群落迅速响应，以

稻秸为碳源和氮源进行生长和代谢活动。在适宜的土壤温度、湿度和通气条件下，微生物分泌

的胞外酶，如蛋白酶、服酶等，将稻秸中的有机氮分解为小分子的含氮化合物，进而转化为钱

态氮。在稻秸还田后的初期，由于微生物活性较高，且稻秸中易分解的有机氮含量丰富，矿化

速率较快，镂态氮的释放量迅速增加。随着时间的推移，稻秸中易分解的有机氮逐渐戒少，微

生物可利用的底物减少，矿化速率逐渐减缓，但仍会持续进行，为土壤提供持续的氮素供应。

研究表明，在一定范围内，稻秸还田量与土壤氮矿化速率呈正相关关系。当稻秸还田量增加

时，提供给微生物的有机物质增多，微生物的数量和活性相应提高，从而促进了氮矿化作用。

过高的稻秸还田量可能会导致土壤中碳氮比失衡，微生物在分解稻秸时会大量消耗土壤中的有

效氮，出现微生物与作物竞争氮素的现象，反而不利于作物对氮素的吸收。

土壤的理化性质对稻秸还田后的氮矿化过程也有重要影响。土壤pH值通过影响微生物的活性

和酶的稳定性，进而影响氮矿化作用。在中性至微酸性的土壤环境中，微生物的活性较高，有

利于氮矿化的进行；而在过酸或过碱的土壤条件下，微生物的生长和代谢受到抑制，氮矿化速

率会降低。土壤温度和水分是影响氮矿化的关键环境因素。适宜的温度(一般为25・35℃)

和水分含量(田间持水量的60%-80%)能够为微生物提供良好的生存环境，促进氮犷化作

用的进行。在高温多雨的季节，土壤氮矿化速率通常较快；而在低温干旱的条件下，氮矿化作

用则会受到明显抑制。土壤质地也会影响氮矿化，质地较疏松的土壤通气性好，有利干微生物

的活动，氮矿化速率相对较高；而质地黏重的土壤通气性差，会限制微生物的生长和代谢，降

低氮矿化速率。

稻秸还田对土壤中铁态氮转化为硝态氮的硝化过程同样产生显著影响。硝化作用主要由氨氧化

细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)等微生物驱动，它们将铁态氮逐步氧化为亚硝态氮和硝

态氮。稻秸还田后，土壤中的碳源和氮源发生变化，会改变硝化微生物的群落结构和活性。一

方面，稻秸分解产生的有机物质可能为硝化微生物提供额外的碳源和能量，促进硝化微生物的

生长和繁殖，从而提高硝化作用的速率。另一方面，稻秸分解过程中产生的一些中间产物，如

有机酸等，可能会对硝化微生物产生抑制作用，影响硝化过程的进行。研究发现，在稻秸还田

初期，由于土壤中微生物活动旺盛，产生的有机酸等物质较多，可能会抑制硝化作用；随着稻

秸的逐渐分解，土壤环境逐渐稳定，硝化作用会逐渐增强。

土壤中的溶解氧含量是影响硝化作用的关键因素之一。硝化微生物大多为好氧微生物，充足的

氧气供应有利于硝化作用的进行。稻秸还田后，土壤的通气性会发生变化，如果稻秸还田量过

大或还田方式不当，可能会导致土壤通气性变差，氧气含量降低，从而抑制硝化作用。土壤中

的养分含量，尤其是氮素含量，也会影响硝化作用。当土壤中铁态氮含量较高时，硝化微生物

有充足的底物进行硝化作用，硝化速率会相应提高；但如果土壤中氮素含量过高，可能会对硝

化微生物产生反馈抑制，降低硝化作用的效率。此外，土壤中其他养分，如磷、钾等，也会通

过影响微生物的生长和代谢，间接影响硝化作用。

2.2.2对土壤反硝化作用的影响

稻秸还田对土壤中硝态氮还原为氮气或氧化亚氮的反硝化过程有着复杂的作用。反硝化作用是

在厌氧或微厌氧条件下，由反硝化细菌利用硝念氮作为电子受体，将具逐步还原为一氧化氮

（NO）、氧化亚氮（NzO）和氮气（N?）的过程。稻秸还田后，土壤中的有机物质含量增

加，为反硝化细菌提供了丰富的碳源和能量。反硝化细筐在利用这些碳源进行代谢活动时，会

将土壤中的硝态氮还原，从而影响土壤中氮素的形态和含量。在一些研究中发现，稻桔还田

后，土壤中的反硝化作用增通，硝态氮的还原速率加快，导致土壤中硝态氮含量降低，氮气和

氧化亚氮的排放量增加。当稻秸还田量较大时，土壤中的碳源充足，反硝化细菌的活性显著提

高，更多的硝态氮被还原为气态氮，从而减少了土壤中硝态氮的积累，降低了氮素淋失的风

险，但同时也增加了氧化亚氮等温室气体的排放°

土壤的水分状况是影响反硝化作用的重要因素之一。在淹水或高湿度条件下，土壤中的氧气含

量降低，形成厌氧或微厌氧环境，有利于反硝化细菌的生长和反硝化作用的进行。稻秸还田

后，如果土壤水分管理不当，长期处于淹水状态，会为反硝化作用提供适宜的环境，导致反硝

化作用增强，氧化亚氮等温室气体的排放增加。相反，在水分含量较低的情况下，土壤通气性

良好，氧气充足，反硝化作用会受到抑制。土壤的pH值也会对反硝化作用产生影响。一般来

说，反硝化细菌在中性至微碱性的土壤环境中活性较高，而在酸性土壤中，反硝化作用会受到

一定程度的抑制。稻秸还田后，土壤的pH值可能会发生变化，如果稻秸分解产生的酸性物质

较多，导致JL壤pH值下降，可能会影响反硝化细菌的活性，进而影响反硝化作用。

土壤中硝态氮的浓度是反硝化作用的底物浓度，对反硝化作用的速率有着直接影响。当土壤中

硝态氮浓度较高时，反硝化细菌有充足的底物进行反硝化作用，反硝化速率会相应提高。稻秸

还田后，土壤中的氮素转化过程发生改变，硝态氮的产生和消耗也会发生变化。如果稻秸还田

促进了硝化作用，使得土壤中硝态氮浓度升高，同时又提供了适宜的反硝化条件，那么反硝化

作用会增强，更多的硝态氮会被还原为气态氮。土壤中其他养分，如磷、钾等，也会影响反硝

化作用。磷是微生物生长和代谢所必需的营养元素，充足的磷供应可以促进反硝化细菌的生长

和反硝化作用的进行。钾则可以调节土壤的渗透压，影响微生物对养分的吸收和代谢，间接影

响反硝化作用。

2.3稻秸还田与外源氮肥的交互作用

2.3.1对氮肥利用率的影响

稻秸还田与不同施氮量的交互作用显著影响氮肥利用率。在农业生产实践中，合理的氮素投入

对于提高作物产量和减少资源浪费至关重要。有研究表明，当稻秸还田量一定时，随着施氮量

的增加，氮肥利用率呈现先上升后下降的趋势。在较低施氮量下，稻秸还田为土壤微生物提供

了丰富的碳源，促进了微生物的生长和繁殖。微生物在分解稻秸的过程中，会分泌一些酶类和

代谢产物，这些物质有助于土壤中氮素的转化和活化，提高了氮素的有效性，使得作物能够更

好地吸收利用氮肥，从而提高了氮肥利用率。当施氮量增加到一定程度后，土壤中氮素供应过

量，超过了作物的需求和土壤微生物的转化能力，导致部分氮素无法被作物吸收利用，从而降

低了氮肥利用率。过量的氮素还可能通过氨挥发、淋溶等途径损失到环境中，造成资源浪费和

环境污染。

不同稻秸还田方式也会对氮肥利用率产生不同影响。翻埋还田方式下，稻秸与土壤充分混合，

微生物对稻秸的分解较为迅速，氮素释放相对集中。在这种情况下，若施氮量过高，可能会导

致土壤中氮素在短期内大量积累，超过作物的吸收能力，从而降低氮肥利用率。而覆盖还田方

式下，稻秸位于土壤表面，氮素释放相对缓慢且持续时叵较长。这种方式下，氮肥的施用可以

更好地与稻秸释放的氮素相匹配，延长氮素的供应时间，满足作物不同生长阶段的需求，从而

提高氮肥利用率。有研究对比了翻埋还田和覆盖还田两种方式下不同施氮量对水稻氮肥利用率

的影响，发现覆盖还田在中低施氮量下，氮肥利用率显著高于翻埋还田。

通过优化稻秸还田量和施氟量的组合，可以显著提高氮肥利用率。在实际生产中,需要根据土

壤肥力状况、作物品种和生长阶段等因素，合理确定稻秸还田量和施氮量。对于土壤肥力较高

的地块，可以适当减少施氮量，同时增加稻秸还田量，以充分利用稻秸中的养分，提高氮肥利

用率。对于生长周期较长、需氮量较大的作物品种，可以适当增加施氮量，并选择合适的稻秸

还田方式，以确保氮素的持续供应。通过精准的氮素管理，不仅可以提高氮肥利用率，减少氮

素损失，还能降低农业生产成本，提高农业生产的经济效益和环境效益。

2.3.2对氮素在土壤・植物系统中分配的影响

稻秸还田和外源氮肥共同作用下，氮素在土壤、水稻植株各器官中的分配情况发生明显变化。

在土壤中，稻秸还田增加了土壤有机质含量，改善了土壤结构，为氮素的吸附和保存提供了更

多的位点。外源氮肥的施用则直接增加了土壤中氮素的含量C在稻秸还田和施氮的双重作用

下，土壤中不同形态氮素的含量和分布发生改变。镂态氮和硝态氮是土壤中植物可直接吸收利

用的主要氮素形态。稻秸还田后，土壤微生物活性增强，对氮素的转化作用加剧。在硝化作用

和反硝化作用的影响下，土壤中铁态氮和硝态氮的比例会发生变化。如果土壤通气性良好，硝

化作用较强，镂态氮会更多地转化为硝态氮；而在厌氧条件下，反硝化作用增强，硝态氮会被

还原为气态氮损失掉。外源氮肥的种类和施用时间也会影响土壤中氮素的形态和分布。速效氮

肥施用后，土壤中铁态氮和硝态氮的浓度会迅速升高；而缓控释氮肥则可以缓慢释放氮素，维

持土壤中氮素的稳定供应。

在水稻植株中，氮素在不同器官中的分配也受到稻秸还田和外源氮肥的影响。在水稻生长前

期，适量的稻秸还田和合理的氮肥施用能够促进水稻根系的生长和发育，使根系能够更好地吸

收氮素。此时，氮素主要分配到水稻的叶片和茎鞘中，用于构建植株的基本结构和进行光合作

用。随着水稻的生长，进入生殖生长阶段后，氮素逐渐向穗部转移，用于籽粒的形成和充实。

稻秸还田提供的长效氮素和外源氮肥的适时补充，能够确保水稻在不同生长阶段都有足够的氮

素供应，促进氮素在植株各器官中的合理分配。如果稻秸还田量过大或氮肥施用不合理，可能

会导致氮素在植株体内的分配失衡。氮肥施用过多，会使水稻植株徒长，叶片和茎鞘中氮素积

累过多，而穗部氮素供应不足，影响籽粒的发育和产量形成；稻秸还田量过大，可能会导致土

壤中微生物与水稻竞争氮素，使水稻在生长前期氮素供应不足，影响植株的正常生长。

不同生育期的水稻对氮素的需求和分配也有所不同。在分篥期，水稻需要充足的氮素供应来促

进分窠的发生，增加有效穗数。此时，稻秸还田和外源氮肥的共同作用能够满足水稻对氮素的

需求，使氮素更多地分配到分篥部位，促进分蕖的生长和发育。在拔节期和孕穰期，水稻对氮

素的需求进一步增加，用于茎秆的伸长、叶片的生长和幼穗的分化。合理的氮素供应能够确保

氮素在这些器官中的合理分配，增强水稻的抗倒伏能力和穗粒发育。在灌浆期，氮素主要向籽

粒转移，用于淀粉和蛋白质的合成，提高籽粒的饱满度和品质。稻秸还田和外源氮肥的协同作

用能够保证水稻在灌浆期有足够的氮素供应，促进氮素向籽粒的高效分配，从而提高水稻的产

量和品质。

三、稻秸还田与温室气体排放

3.1稻田温室气体排放的主要成分与来源

稻田作为重要的农业生态系统，是温室气体排放的重要来源之一。在稻田生态系统中，主要的

温室气体包括甲烷（CHC和氧化亚氮（电0）,它们对全球气候变暖有着显著的影响。

甲烷是一种强效的温室气体，其全球增温潜势（GWP）在100年的时间尺度上约为二氧化碳

的25倍。稻田中甲烷的产生主要源于土壤中有机物质的厌氧分解过程。在淹水条件下，稻田

土壤处于厌氧状态，这为产甲烷菌的生长和代谢提供了适宜的环境。产甲烷菌利用土壤中的有

机物质，如水稻残体、根系分泌物以及施用的有机肥等，通过一系列复杂的生化反应将其转化

为甲烷。在水稻生长过程中，根系会向土壤中分泌大量的有机化合物，这些物质成为产甲烷菌

的重要碳源。稻田中残留的稻秸也是甲烷产生的重要底物，格秸中的纤维素、半纤维素等有机

成分在产甲烷菌的作用下逐步分解，最终产生甲烷。

产甲烷菌是一类严格厌氧的微生物，它们对环境条件较为敏感。温度是影响产甲烷菌活性的重

要因素之一，一般来说，产甲烷菌在30-35℃的温度范围内活性较高，此时甲烷的产生速率

也相对较快。在夏季高温时期，稻田中的甲烷排放通量往往会明显增加。土壤的酸碱度（pH

值）也会影响产甲烷菌的生长和代谢，大多数产甲烷菌适宜在中性至微碱性的环境中生存。当

土壤pH值偏离这一范围时，产甲烷菌的活性会受到抑制，从而减少甲烷的产生。

稻田中甲烷的排放途径主要有三种：一是通过水稻植株的通气组织排放，这是稻田甲烷排放的

主要途径之一。水稻在生长过程中，会形成发达的通气蛆织，将根系吸收的氧气输送到根部，

同时也为土壤中的甲烷提供了排放通道。甲烷可以通过水稻的根系、茎秆和叶片等部位的通气

组织，从土壤中排放到大气中。二是通过土壤表面的气泡排放，在土壤中，甲烷会以气泡的形

式聚集，当气泡足够大时，会冲破土壤表面的水层，将甲烷释放到大气中。这种排放方式通常

在稻田淹水初期较为常见，随着土壤中甲烷含量的逐渐稳定，气泡排放的比例会相对戒少。三

是通过分子扩散的方式排放，甲烷在土壤孔隙水中溶解后，会通过分子扩散的作用，从土壤中

缓慢地扩散到大气中。这种排放方式相对较为缓慢，但在整个甲烷排放过程中也占有一定的比

例。

氧化亚氮同样是一种重要的温室气体，其全球增温潜势在100年的时间尺度上约为二氧化碳

的298倍。稻田中氧化亚氮的产生主要与土壤中的氮素转化过程密切相关，尤其是硝化作用

和反硝化作用。硝化作用是指土壤中的镀态氮在硝化细菌的作用下，逐步氧化为亚硝态氮和硝

态氮的过程。在这个过程中，会产生少量的氧化亚氮。当土壤中的镂态氮浓度较高，且硝化细

菌活性较强时，硝化作用产生的氧化亚氮量会相应增加。反硝化作用则是在厌氧或微厌氧条件

下，反硝化细菌将硝态氮还原为氮气、一氧化氮和氧化亚氮的过程。反硝化作用是稻田中氧化

亚氮产生的主要途径之一，当土壤中存在充足的硝态氮和有机碳源，且氧气含量较低E寸，反硝

化细菌会利用这些条件进行反硝化作用，产生大量的氧化亚氮。

稻田中氮素的来源广泛，包括施用的化学氮肥、有机肥以及生物固氮等。化学氮肥的施用是增

加稻田氮素含量的重要手段，但如果施用不当，如过量施用或施用时间不合理，会导致土壤中

氮素的积累，增加氧化亚氮的产生潜力。有机肥中含有丰富的有机氮，在土壤中分解后会释放

出钱态氮，为硝化作用和反硝化作用提供底物，从而影口向氧化亚氮的产生。生物固氮是指一些

微生物能够将空气中的氮气转化为植物可利用的氮素形式，虽然生物固氮在稻田氮素输入中所

占比例相对较小，但它也会对土壤中的氮素循环和氧化亚氮的产生产生一定的影响。

土壤的通气性是影响氧化亚氮产生的关键因素之一。在通气良好的土壤中，硝化作用相对较

强，而反硝化作用则受到一定程度的抑制，此时氧化亚氮的产生主要来自于硝化作用,而在通

气不良的土壤中，如淹水条件下的稻田土壤，反硝化作用会增强，成为氧化亚氮产生的主要过

程。土壤的水分含量也会影响氧化亚氮的产生，当土壤水分含量过高时，土壤通气性变差，有

利于反硝化作用的进行，从而增加氧化亚氮的排放；当土壤水分含量过低时，土壤微生物的活

性会受到抑制，氧化亚氮的产生也会相应减少。

3.2稻秸还田对甲烷排放的影响

3.2.1稻秸还田量与甲烷排放的关系

稻秸还田量与稻田甲烷排放通量之间存在紧密的联系。随着稻秸还田量的增加，稻田甲烷排放

通量通常呈现上升趋势。稻秸作为一种富含碳源的有机物料，还田后为土壤中的产甲烷菌提供

了丰富的底物。产甲烷菌在厌氧条件下，利用档桔中的有机物质进行代谢活动，将其逐步分解

转化为甲烷。当稻秸还田量增多时，产甲烷菌可利用的碳源增加，其生长和繁殖速度加快，从

而导致甲烷的产生量和排放通量增加。有研究表明，在一定范围内，稻秸还田量每增加1000

kg/hm2,甲烷排放通量可能会增加10%-20%。

不同地区的稻田由于土壤质地、气候条件等因素的差异，稻秸还田量与甲烷排放通量之间的定

量关系也有所不同。在土壤质地较为黏重的地区，土壤通气性较差，厌氧环境更易形成，稻秸

还田后甲烷排放通量对还田量的响应更为敏感。即使稻桔还田量增加幅度较小，也可能导致甲

烷排放通量显著上升。而在土壤质地疏松、通气性较好的地区，土壤中的氧气含量相对较高，

产甲烷菌的生长和代谢会受到一定抑制，甲烷排放通量对稻秸还田量的增加响应相对较弱。气

候条件也会对二者关系产生影响。在高温多雨的地区，微生物活性较高，稻秸分解速度快，稻

秸还田量的增加会更明显地促进甲烷排放；而在低温干旱地区，微生物活动受限，稻秸分解缓

慢，稻秸还田量对甲烷排放通量的影响相对较小。

通过合理控制稻秸还田量，可以在一定程度上调控稻田甲烷排放。在保证土壤肥力提升和作物

产量稳定的前提下，适当减少稻秸还田量，能够降低甲烷排放。根据不同地区的土壤和气候条

件，确定适宜的稻桔还田量阂值，对于减少稻田甲烷排放具有重要意义。对于土壤肥力较高、

气候条件较为适宜的地区，可以适当降低稻秸还田量，以减少甲烷排放，同时通过合理施肥等

措施维持土壤肥力和作物产量。对于土壤肥力较低的地区，在增加稻秸还田量以提高土壤肥力

时，需要密切关注甲烷排放情况，采取相应的减排措施，如改善土壤通气性、优化水分管理

等。

3.2.2还田年限对甲烷排放的影响机制

在稻秸长期还田的过程中，随着还田年限的增加，甲烷排放呈现出先增加后减少的变化趋势。

在还田初期，稻秸的大量输入为土壤微生物提供了丰富的新鲜有机物质，尤其是产甲烷菌。产

甲烷菌在适宜的厌氧环境下，迅速利用稻秸中的有机碳进行生长和代谢，导致甲烷产生量大幅

增加。此时，土壤中的甲烷氧化菌数量和活性相对较低，对甲烷的氧化能力有限，无法有效抵

消甲烷的产生，从而使得甲烷排放通量显著上升。有研究通过对连续5年的稻秸还田试验监

测发现，在前2-3年，甲烷排放通量随着还田年限的增皿而快速增加，增幅可达30%・

50%o

随着还田年限的进一步增加，土壤生态系统逐渐发生一系列变化，导致甲烷排放通量逐渐降

低。一方面，长期的稻秸还田使得土壤肥力得到显著提升，土壤中有机质含量增加，土壤结构

改善，通气性和保水性增强。这些变化有利于水稻植株的生长和发育，水稻根系更加发达，通

气组织更加完善，能够将更多的氧气输送到根部周围的土壤中。土壤中氧气含量的增加抑制了

产甲烷菌的生长和代谢，同时促进了甲烷氧化菌的繁殖和活性提高。甲烷氧化菌能够利用土壤

中的氧气将甲烷氧化为二氧化碳，从而减少了甲烷的排放。另一方面，随着还田年限的延长，

土壤微生物群落结构逐渐发生演替，微生物对稻秸的分解利用方式也发生改变。一些微生物逐

渐适应了稻秸还田后的土壤环境，它们对稻秸中的有机物质进行更高效的分解和转化，减少了

易被产甲烷菌利用的底物，从而降低了甲烷的产生量。

土壤微生物群落结构的变化是稻秸还田年限影响甲烷排放的重耍内在机制之一。在还田初期，

土壤中以快速利用新鲜有机物质的微生物为主，产甲烷菌在微生物群落中占据相对优势地位，

导致甲烷大量产生°随着还田年限的增加，土壤微生物群落逐渐向更复杂、更稳定的方向发

展，一些具有更强的有机物质分解能力和甲烷氧化能力的微生物逐渐增多。这些微生物通过竞

争底物、改变土壤环境等方式，抑制了产甲烷菌的生长和活性，同时促进了甲烷氧化菌的发

展，从而使得甲烷排放通量逐渐降低。通过高通量测序技术对不同还田年限土壤微生物群落结

构的分析发现，还田年限较长的土壤中，甲烷氧化菌的相对丰度显著增加，而产甲烷菌的相对

丰度则明显下降。

3.3稻秸还田对氧化亚氮排放的影响

3.3.1不同还田方式下氧化亚氮排放特征

不同的稻秸还田方式对氧化亚氮排放的时间和强度有着显著影响。翻埋还田时，稻秸被翻入土

壤耕层，与土壤充分混合。在这种情况下，土壤微生物能够迅速接触到稻秸，稻秸的分解过程

较快，从而导致氧化亚氮排放呈现出阶段性的变化。在翻埋初期，由于土壤中微生物活性急剧

增加，对稻秸的分解作用强烈，土壤中氮素的转化过程加速，硝化和反硝化作用增强，使得氧

化亚氮排放强度迅速上升，出现排放高峰。随着时间的推移，稻秸中易分解的物质逐渐减少，

微生物可利用的底物减少，氧化亚氮排放强度逐渐降低。在整个水稻生长周期内，翻埋还田的

氧化亚氮排放总量相对较高，这是因为翻埋还田为微生物提供了较为稳定的厌氧环境，有利于

反硝化作用的进行，从而增加了氧化亚氮的产生。

覆盖还田时，稻秸覆盖在土壤表面，与土壤的接触相对较少，分解速度相对较慢“氧化亚氮排

放的时间和强度变化与翻埋还田有所不同。在覆盖初期，由于格秸分解缓慢，土壤中氮素的转

化相对较慢，氧化亚氮排放三虽度较低。随着稻秸的逐渐分解，土壤中氮素含量逐渐增加，氧化

亚氮排放强度逐渐上升，但上升速度较为平缓。与翻埋还田相比，覆盖还田的氧化亚氮排放高

峰出现的时间相对较晚，且排放总量相对较低。这是因为覆盖还田下土壤通气性相对较好，氧

气含量较高，一定程度上抑制了反硝化作用，减少了氧化亚氮的产生。

不同还田方式下氧化亚氮排放的季节变化也存在差异。在水稻生长的前期，气温较低，微生物

活性相对较弱，无论是翻埋还田还是覆盖还田，氧化亚氮排放强度都相对较低。随着气温的升

高，微生物活性增强，氧化亚氮排放强度逐渐增加。在水稻生长的中后期，尤其是在施肥后的

一段时间内，由于土壤中氮素含量增加，氧化亚氮排放强度会出现明显的上升。在夏季高温多

雨的季节.翻埋还田的氧化亚氮排放强度可能会因为十蹊厌氧环境的加剧而进一步增加；而覆

盖还田由于土壤通气性较好，受雨水冲刷的影响相对较小，氧化亚氮排放强度的增加幅度相对

较小。

3.3.2土壤环境因素对氧化亚氮排放的影响

土壤水分在稻秸还田时对氧化亚氮排放起着关键作用。当土壤水分含量较低时，土壤通气性良

好，氧气充足，硝化作用相对较强，而反硝化作用受到抑制。在这种情况下，氧化亚氮的产生

主要来源于硝化作用，且产生量相对较少。因为硝化作用中产生氧化亚氮的过程相对较弱，且

充足的氧气不利于反硝化细菌的生长和代谢，从而减少了反硝化作用产生的氧化亚氮,当土壤

水分含量过高时，土壤通气性变差，氧气含量降低，形成厌氧环境，这有利于反硝化细菌的生

长和繁殖。反硝化细菌在厌氧条件下，利用土壤中的硝态氮进行反硝化作用，将其还原为氧化

亚氮等气态氮，导致氧化亚氮排放显著增加。在稻田淹水条件下，土壤处于厌氧状态，反硝化

作用强烈，氧化亚氮排放通量会明显上升。

土壤温度对氧化亚氮排放的影响也十分显著。在适宜的温度范围内，随着温度的升高，土壤微

生物的活性增强，无论是硝化作用还是反硝化作用的速率都会加快。在25-35℃的温度区间

内，微生物的酶活性较高，能够更有效地催化氮素转化过程，从而增加氧化亚氮的产生。在高

温季节，土壤中氧化亚氮排放通量通常会增加。当温度过高或过低时，微生物的活性会受到抑

制，氧化亚氮的产生也会相应减少。在低温条件下，微生物的代谢活动减缓，氮素转化过程变

慢，氧化亚氮的产生量降低；在过高的温度下，微生物可能会受到热胁迫，其生长和代谢受到

影响，导致氧化亚氮排放减少。

土壤的pH值对氧化亚氮排放有着重要影响。不同的微生物对pH值有不同的适应范围，而硝

化作用和反硝化作用都是由特定的微生物驱动的。在中性至微碱性的土壤环境中，硝化细菌和

反硝化细菌的活性较高，有利于氮素的转化和氧化亚氮的产生。当土壤pH值在7-8之间

时，硝化作用和反硝化作用用对活跃，氧化亚氮排放可能会增加。在酸性土壤中，微生物的活

性会受到抑制，尤其是反硝化细菌对酸性环境更为敏感，这会导致反硝化作用减弱，氧化亚氮

排放减少。土壤中其他因素，如土壤质地、有机质含量等，也会与土壤水分、温度和pH值相

互作用，共同影响氧化亚氮的排放。土壤质地会影响土壤的通气性和保水性，进而影响微生物

的生存环境和氮素转化过程；有机质含量则为微生物提供了碳源和能源，影响着微生物的生长

和代谢，从而对氧化亚氮排放产生间接影响。

四、案例分析

4.1不同生态区稻秸还田的实践案例

4.1・1北方寒地稻区案例

以东北某稻田为例，该地区属于北方寒地稻区，具有低温、长日照的气候特点。在该稻田开展

了稻秸还田试验，设置了不同的稻秸还田处理组，包括稻秸全量还田、稻秸半量还田以及不还

田的对照组，以探究在这种特殊气候条件下，稻秸还田对氮素转化和温室气体排放的影响。

在氮素转化方面，由于北方寒地稻区温度较低，微生物活性相对较弱，稻秸的腐解速度较慢。

在稻秸还田初期，土壤中有机氮的矿化速率较低，铁态氮的释放量较少。随着时间的推移，尤

其是在温度相对较高的夏季，微生物活性有所增强，矿化速率逐渐加快，镂态氮的释放量也相

应增加。与南方地区相比，该地区稻秸还田后氮素的释放高峰出现的时间较晚，且峰值相对较

低。在稻秸全量还田处理组中，经过一段时间的监测发现，在水稻生长前期，土壤中铁态氮含

量较低，这是因为低温抑制了微生物对稻秸的分解作用。随着气温升高，微生物活性增强，钱

态氮含量逐渐上升，但仍低于南方地区在相同还田量下的铁态氮含量。

在硝化作用方面，低温同样对硝化细菌的活性产生抑制作用，导致硝化速率较慢。土壤中镂态

氮转化为硝态氮的过程相对缓慢，使得土壤中硝态氮的含量相对较低。在稻秸还田后的一段时

间内，土壤中硝态氮含量的增加幅度较小，这也影响了水稻对硝态氮的吸收利用。在稻秸半量

还田处理组中，土壤中硝态氮含量在水稻生长中期有所增加，但增加幅度明显小于南方地区的

稻田。

对于反硝化作用，由于北方寒地稻区土壤通气性相对较好，且温度较低，反硝化细菌的活性受

到一定限制，反硝化作用相对较弱。土壤中硝态氮的还原量较少，氧化亚氮等温室气体的产生

量也相对较低。在该稻田的试验中，不同稻秸还田处理组的氧化亚氮排放通量均明显低于南方

地区的稻田。

在温室气体排放方面，北方寒地稻区稻田的甲烷排放通量相对较低。这主要是因为低温条件下

产甲烷菌的活性受到抑制，稻秸分解产生的甲烷量较少。稻田的水层管理相对稳定，土壤通气

性较好，也不利于甲烷的产生和积累。在稻秸全量还田处理组中，甲烷排放通量在整个水稻生

长周期内都维持在较低水平，与南方地区相比，排放量可降低30%-50%。

4.1.2南方亚热带稻区案例

以湖南某稻田为例，该地区处于南方亚热带稻区，气候特点为高温、多雨。在该稻田进行了稻

秸还田的实践研究，设置了多种稻秸还田方式和还田量的处理，以探讨在这种气候条件下稻秸

还田的效果及面临的问题。

在高温多雨的环境下，微生物活性旺盛，稻秸的腐解速度较快。在稻秸还田后，土壤中有机氮

迅速矿化，铁态氮的释放量在短时间内显著增加。在稻秸全量还田处理组中，还田后的前几周

内，土壤中镂态氮含量急剧上升，为水稻生长提供了充足的氮素。过高的温度和过多的降雨也

可能导致氮素的淋失风险增加。在暴雨过后，土壤中的钱态氮和硝态氮容易随雨水流失，降低

了氮素的利用率。

硝化作用在南方亚热带稻区较为强烈，由于温度适宜，硝化细菌的活性高，镀态氮能够快速转

化为硝态氮。土壤中硝态氮的含量较高，这在一定程度上有利于水稻对氮素的吸收利用。硝态

氮的增加也会增加反硝化作用的底物，从而可能导致氧化亚氮等温室气体的排放增加。在稻秸

还田后的水稻生长中期，土壤中硝态氮含量达到峰值，此时反硝化作用也较为活跃。

反硝化作用在该地区相对较遗，高温多雨的环境为反硝化细菌提供了适宜的生长条件，土壤中

硝态氮的还原量较人，氧化亚氮的排放通量较高。在稻桔还田量较人的处理组中，氧化亚氮排

放通量明显增加，这对环境产生了一定的负面影响。在稻秸全量还田且氮肥施用较多的情况

下，氧化亚氮排放通量比不还田处理组可增加50%-80%。

在甲烷排放方面，南方亚热带稻区稻田的甲烷排放通量较高。高温多雨的气候条件有利于产甲

烷菌的生长和繁殖，稻秸中的有机物质在厌氧条件下迅速分解产生大量甲烷。稻田的水层管理

相对频繁，土壤通气性较差，进一步促进了甲烷的产生和排放。在稻秸全量还田处理蛆中，甲

烷排放通量在水稻生长的中后期达到高峰，且排放量明显高于北方寒地稻区的稻田。

南方亚热带稻区在稻粘还田过程中面临着氮素淋失和温室气体排放增加的问题。为了实现农业

的可持续发展，需要采取合理的措施，如优化稻秸还田量和还田方式，加强水分管理，合理施

用氮肥等，以减少氮素损失和温室气体排放，提高稻秸还田的生态效益和经济效益。

4.2不同种植模式下稻秸还田的效果评估

4.2.1稻•麦轮作模式

在稻-麦轮作体系中，稻秸还田对下茬小麦生长季的氮素供应和温室气体排放有着显著影响。

稻秸还田为土壤提供了丰富的有机物质，这些物质在微生物的作用下逐渐分解，释放出氮素，

为小麦生长提供了长效的氮素供应。在稻秸还田后的小麦生长前期，土壤中有机氮的矿化作用

逐渐增强，镂态氮的含量逐渐增加，为小麦的出苗和幼苗生长提供了充足的氮素营养。随着小

麦的生长，土壤中的氮素转化过程不断进行，硝化作用将镀态氮转化为硝态氮，满足小麦不同

生长阶段对氮素形态的需求。研究表明，在稻秸全量还田的情况下，小麦生长前期土壤中铁态

氮含量可比不还田处理增加20%-30%,在整个生长季中，土壤中氮素的供应相对稳定，能

够较好地满足小麦的生长需求，促进小麦的分票和穗分化，提高小麦的产量和品质。

稻秸还田也会对小麦生长季的温室气体排放产生影响。在稻秸还田后，土壤中的有机物质增

加，为产甲烷菌和反硝化细菌等提供了更多的碳源和能源，从而影响甲烷和氧化亚氮的排放。

在淹水条件下，土壤中的产甲烷菌活性增强，甲烷排放通量增加。在小麦生长的前期，由于气

温较低，微生物活性相对较弱，甲烷排放通量较低；随着气温的升高，微生物活性增强，甲烷

排放通量逐渐增加，在小麦生长的中后期达到高峰。对于氧化亚氮排放，稻秸还田后，土壤中

的氮素转化过程加快，硝化和反硝化作用增强，导致氧化亚氮排放增加。在施肥后的一段时间

内，土壤中氮素含量增加，氧化亚氮排放通量会出现明显的上升。在稻秸全量还田且氮肥施用

较多的情况下，氧化亚氮排放通量可比不还田处理增加30%-50%。

4.2.2稻・油轮作模式

在稻-油轮作田，稻秸还田对油菜生长和土壤环境的影响较为复杂。稻秸还田为油菜包长提供

了一定的养分支持，有助于提高油菜的产量和品质。稻桔中的有机物质在土壤中分解后，释放

出的氮、磷、钾等养分可以被油菜吸收利用，促进油菜的生长发育。在稻秸还田的情况下，油

菜的株高、叶面积和生物量等生长指标均有所增加，油菜的产量也相应提高。有研究表明，稻

秸还田可使油菜产量提高1C%-20%0

稻秸还田还会对土壤环境产生影响。稻秸还田增加了土壤中的有机质含量，改善了土壤结构，

提高了土壤的保水保肥能力。土壤中的微生物数量和活性也会增加，促进了土壤中养分的循环

和转化。稻秸还田后，土壤中的细菌、真菌和放线菌等微生物数量显著增加，这些微生物参与

了土壤中有机物质的分解和氮素的转化过程，提高了土壤的肥力。稻秸还田也可能会带来一些

问题，如在稻秸分解过程中，可能会与油菜竞争氮素，导致油菜在生长前期氮素供应不足。为

了避免这种情况，需要合理调整施肥量和施肥时间，确保油菜在不同生长阶段都能获得充足的

氮素供应。

稻秸还田对油菜生长季的温室气体排放也有一定影响。在稻秸还田后，土壤中的有机物质增

加，为产甲烷菌和反硝化细菌提供了更多的底物，从而影响甲烷和氧化亚氮的排放。在油菜生

长的前期，由于气温较低，土壤湿度相对较小，甲烷和氧化亚氮的排放通量较低；随着气温的

升高和土壤湿度的增加，微生物活性增强，甲烷和氧化亚氮的排放通量逐渐增加。在油菜生长

的中后期，尤其是在施肥后的一段时间内，氧化亚氮排放通量会出现明显的上升。在稻秸还田

且氮肥施用较多的情况下，氧化亚氮排放通量会显著增加，这对环境产生了一定的负面影响。

因此，在稻-油轮作模式下，需要合理控制稻秸还田量和氮肥施用量，采取有效的减排措施,

以减少温室气体排放，实现农业的可持续发展。

五、调控策略与优化建议

5.1基于减少温室气体排放的稻秸还田技术优化

5.1.1适宜还田量的确定

不同生态区和种植模式下，确定适宜的稻秸还田量是实现产量与减排平衡的关键.在北方寒地

稻区，由于温度较低，微生物活性较弱，稻秸腐解速度慢，还田量过高可能导致稻秸在土壤中

积累，影响下一季作物的生长。根据相关研究和实践经验，建议该地区的稻秸还田量控制在每

公顷3000・4500kg左右。这样的还田量既能为土壤提供一定的有机质和养分，改善土壤结

构，又能避免因稻秸过多而造成的不良影响。在该还田量下，土壤中的微生物能够在有限的时

间内充分分解稻秸，释放出的养分能够满足作物生长的需求，同时减少了温室气体的产生。

南方亚热带稻区气候温暖湿润，微生物活性高，稻秸腐解速度快。但过高的还田量会增加甲烷

和氧化亚氮等温室气体的排放。对于该地区，适宜的稻秸还田量可控制在每公顷4500-6000

kg。在这个范围内，稻秸能够迅速被微生物分解，为土壤提供充足的养分，促进作物生长。

合理的还田量也能有效控制温室气体排放，降低对环境的影响。在一些试验中，当还田量控制

在每公顷5000kg左右时，水稻产量稳定，同时温室气体排放得到了有效控制。

在稻-麦轮作模式中，稻秸还田量的确定需要考虑小麦的生长需求和温室气体排放。稻秸还田

量可控制在每公顷4000-5000kg。这样既能保证为小麦生长提供足够的养分，又能减少温室

气体排放。在稻秸还田后，土壤中的氮素释放能够与小麦的生长需求相匹配，促进小麦的生长

发育。合理的还田量也能减少甲烷和氧化亚氮等温室气体的排放，实现农业生产的可持续发

展。

稻-油轮作模式下，稻秸还田量可适当降低，建议控制在每公顷3500-4500kg。油英对氮素

的需求相对较低，且生长周期较短，较低的稻秸还田量能够满足油菜的生长需求，同E寸减少温

室气体排放。在该还田量下，土壤中的养分能够得到合理利用，油菜的生长状况良好，温室气

体排放也处于较低水平。

5.1.2还田时间与方式的调整

最佳的稻秸还田时间和方式对减少温室气体排放具有重要意义。在水稻收获后立即还田，能够

使稻秸迅速与土壤接触，利用土壤中的微生物进行分解。此时稻秸的含水量较高，有利于微生

物的活动，能够加快稻秸的腐解速度，减少温室气体的产生。在一些研究中，水稻收获后立即

还田的处理，其甲烷和氧化亚氮的排放通量明显低于延迟还田的处理。立即还田还能及时为下

一季作物提供养分，促进作物的生长。

经过预处理后还田也是一种有效的方式。预处理可以采生堆泄、粉碎等方法。堆讴处理能够在

一定程度上促进稻秸的初步分解，减少还田后在土壤中的腐解时间，从而降低温室气体的排

放。通过堆讴，稻秸中的有机物质能够在有氧条件下被微生物初步分解，减少了还田后在厌氧

环境下产生甲烷的可能性。粉碎处理则可以增加稻秸与土壤的接触面积，提高微生物对稻秸的

分解效率，使稻秸更快地释放养分，同时减少温室气体的排放。将稻秸粉碎成5-10cm的小

段后还田，其腐解速度明显加快，温室气体排放也相应减少。

不同还田方式对温室气体排放的影响也不同。翻埋还田能够使超秸与土壤充分混合，有利于微

生物对稻秸的分解，但在厌氧条件下可能会增加甲烷的排放。覆盖还田则可以改善土壤的通气

性，减少甲烷的产生，但可能会导致土壤表面温度升高，影响微生物的活性。在实际生产中，

可以根据具体情况选择合适的还田方式。对于土壤通气性较差的稻田，可以采用覆盖还田的方

式，增加土壤的通气性，减少甲烷排放；对于土壤肥力较低的稻田，可以采用翻埋还田的方

式，促进稻秸的分解，提高土壤肥力。还可以将两种还田方式结合起来，如先进行部分翻埋还

田，再进行覆盖还田，以达到减少温室气体排放和提高土壤肥力的双重目的。

五、调控策略与优化建议

5.2促进氮素高效利用与减排的协同措施

5.2.1合理施肥与水分管理

根据稻秸还田情况精准调整氮肥施用量和施肥时期，是实现氮素高效利用与减排的关键措施之

-O在稻秸还田后，土壤中氮素的供应状况发生了变化，稻秸分解会释放出一定量的氮素，因

此需要减少化学氮肥的施用量，以避免氮素过量导致的损失和环境污染。有研究表明，在稻秸

全量还田的情况下，化学氮肥施用量可减少10%-20%,同时仍能保证作物的产量稳定。在

确定施肥量时，还需考虑土壤的肥力状况、作物的品种和生长阶段等因素。对于土壤肥力较高

的地块，可进一步降低氮肥施用量；对于生长周期较长、需氮量较大的作物品种，可适当增加

氮肥施用量，但也要避免过量施用。

优化施肥时期也是提高氮素利用率的重要手段。传统的施肥方式往往不能满足作物在不同生长

阶段对氮素的需求，导致氮素的浪费和损失。在稻秸还田的情况下，应根据作物的生长规律和

氮素需求特点，合理分配基肥和追肥的比例。在水稻生长前期，可适当增加基肥的比例，以满

足水稻分窠和生长的需求；在水稻生长后期，可根据水稻的生长状况，适时追施氮肥，避免氮

素供应不足或过量°采用基肥深施、追肥“以水带氮”等施肥方法，能够提高氮素的利用率，

减少氮素的挥发和淋失。基肥深施可以将氮肥施入土壤深层，减少氮肥与空气的接触，降低氨

挥发的损失；追肥“以水带氮”则是在灌溉时将氮肥溶解在水中，随水施入土壤，使氮犯能够

更有效地被作物吸收利用。

优化水分管理是调控稻秸还田下氮素转化和温室气体排放的重要措施。合理的水分管理能够改

善土壤的通气性和微生物的生存环境，从而影响氮素的转化过程和温室气体的产生。在稻田

中，采用干湿交替的灌溉方式，能够增加土壤的通气性，促进硝化作用和反硝化作用的进行，

减少氮素的损失。在水稻生长前期，适当保持浅水层，有利于水稻的生长和分窠;在水稻生长

后期，采用干湿交替的灌溉方式，能够促进土壤中氧气的进入，抑制反硝化作用，戒少氧化亚

氮等温室气体的排放。控制灌溉量和灌溉时间也非常重要。避免过度灌溉，防止氮素随水流

失；合理安排灌溉时间，避免在高温时段灌溉，减少氨挥发的损失。在夏季高温时段，应选择

在早晚进行灌溉，以降低氨挥发的风险。

5.2.2微生物菌剂的应用

利用微生物菌剂能够有效促进稻秸分解，提高氮素利用率，减少温室气体排放。微生物菌剂中

含有多种有益微生物，如纤维素分解菌、固氮菌、硝化细菌和反硝化细菌等，它们能够协同作

用，加速稻秸的分解，促进氮素的转化和利用。纤维素分解菌能够分解稻秸中的纤维素和半纤

维素，将其转化为小分子的有机物质，为其他微生物提供碳源和能源。固氮菌能够将空气中的

氮气固定为氨态氮，增加土壤中的氮素含量。硝化细菌和反硝化细菌则参与土壤中的氮素循

环，将氨态氮转化为硝态氮，以及将硝态氮还原为氮气，从而减少氮素的损失和温室气体的排

放。

不同类型的微生物菌剂在促进稻秸分解和氮素转化方面具有不同的效果。含有芽花杆菌的微生

物菌剂具有较强的纤维素分解能力，能够快速分解稻秸中的纤维素，释放出氮素。含有光合细

菌的微生物菌剂能够利用光能进行光合作用，产生氧气和有机酸，改善土壤的微环境，促进氮

素的转化和利用。在实际应用中，应根据土壤的性质、稻秸还田量和作物的需求等因素，选择

合适的微生物菌剂。对于土壤肥力较低、稻秸还田量较大的地块，可选择含有多种有益微生物

的复合菌剂，以提高稻秸的分解效率和氮素的利用率。

微生物菌剂的使用方法和剂量对其效果也有重要影响。微生物菌剂可在稻秸还田时与稻秸混合

均匀后施入土壤，也可在水稻生长过程中通过滴灌、喷施等方式施入土壤。在使用微生物菌剂

时，应按照产品说明书的要求，控制好使用剂量和使用时间。剂量过低可能无法达到预期的效

果，剂量过高则可能会对土壤生态系统造成不良影响。在使用微生物菌剂时，还应注意与其他

肥料和农药的配合使用，避免相互作用导致效果降低或产生不良反应。微生物菌剂不能与杀菌

剂同时使用，以免杀死有益微生物。

六、结论与展望

6.1研究主要结论

本研究深入探讨了稻秸还田对外源氮素转化及温室气体排放的影响，取得了一系列重要结论。

在稻秸还田与外源氮素转化方面，不同还田方式下稻秸的腐解过程和氮素释放规律差异显著。

翻埋还田的稻秸腐解速率较快，氮素释放前期迅速，能为作物生长前期提供充足氮素；覆盖还

田的稻秸腐解和氮素释放相对缓慢，氮素释放主要集中在中后期。土壤温度、水分、pH值等

因素对稻秸氮素释放影响重大，适宜的环境条件有利于氮素的有效释放和利用。

稻秸还田显著影响土壤氮素转化过程。它改变了土壤中有机氮矿化和铁态氮硝化的速率和进

程，在一定范围内，稻秸还田量与土壤氮矿化速率呈正相关，但过高还田量可能导致碳氮比失

衡，影响作物对氮素的吸收。稻秸还田对土壤反硝化作住也有重要影响，增加了土壤中有机碳

含量，为反硝化细菌提供了丰富碳源，在厌氧条件下，反硝化作用增强，硝态氮还原速率加

快，导致土壤中硝态氮含量降低，氮气和氧化亚氮排放量增加。

稻秸还田与外源氮肥存在显著交互作用。合理的稻秸还田量和施氮量组合能提高氮肥利用率，

减少氮素损失。在稻秸还田量一定时，随着施氮量增加，氮肥利用率先上升后下降；不同还田

方式下，覆盖还田在中低施氮量下氮肥利用率更高。稻秸还田和外源氮肥共同作用改变了氮素

在土壤-植物系统中的分配，影响了土壤中不同形态氮素的含量和分布，以及氮素在水稻植株

各器官中的分配和