稻田甲烷排放模型研究——模型及其修正

在过去十多年内 ,关于稻田甲烷排放的模拟已经进行了不少有益的探索并且开发出了数个有关的模型。模型的成功研制是准确定量估计不同区域范围内稻田甲烷排放的前提。以往大部分模型由于模拟精度不高 ,或者是其要求太多的输入参数 ,因而限制了它在大尺度范围内的广泛应用。在一个比较成熟的模型基础上 ,进行了必要的修正与扩充。增加了稻田甲烷通过气泡方式排放的模拟模块 ,并修正了原模型中关于土壤氧化还原电位变化的模拟 ,使之能适应于多种稻田水管理方式。新修正的模型 (CH4 MOD)不仅保留了原模型输入参数较少和易于获得的优点 ,而且能适应多种水稻耕作方式 ,这为进一步利用模型技术准确估计大尺度区域稻田甲烷排放提供了一种新的科学方法     

东北黑土地区稻田甲烷排放时空演变及排放潜力分析

稻田甲烷排放是农业源甲烷排放的主要来源。东北黑土地区是我国最大的粮食生产基地,农业温室气体减排是实现黑土地永续利用的关键议题之一。运用稻田甲烷排放模型（CH4MOD）核算并分析了2009—2018年东北黑土地区稻田甲烷排放的时空演变特征,结合GOSAT卫星遥感数据探究了水稻生产与区域甲烷排放的时空动态联系,进一步量化了稻田甲烷对区域甲烷排放的贡献程度及不同情景下的排放潜力。结果表明,受水稻生产面积扩张和排放强度提高的影响,东北黑土地区稻田甲烷排放总量从2009年的39.05万t增加到2018年的79.53万t。东北黑土地区区域甲烷排放在季节变化和栅格单元上表现出与稻田甲烷排放较为一致的时空动态,大规模的稻田耕作可能会增加水稻生产与区域甲烷排放直接相关的可能性。随着水稻持续扩种稳产,2018年东北黑土地区水稻生产贡献了区域甲烷排放总量的15.04%,其中黑龙江省的贡献率高达31.06%。在基准发展情景下,预计2035年东北黑土地区稻田CH₄排放量较2018年增加19.5%;在粮食供给保障情景下,维持当前稻田耕作面积,水稻生产集约化程度提高,预计其稻田CH₄排放量较2018年减少0.88%;在此基础上,采取促进秸秆还田、增施有机肥、实施节水间歇灌溉等稻田管理措施将使稻田CH₄排放量增加17.8%—63.6%。以满足膳食需求和供给保障为导向,优化水稻种植结构、控制稻田耕作面积,推动技术进步、品种改良以提升单产水平,采取化肥和有机肥搭配施用、节水间歇灌溉等途径能够缓解稻田甲烷排放。研究综合运用自上而下的遥感数据和自下而上的模型运算,刻画了水稻生产与区域甲烷排放的时空联系,进一步评估了稻田甲烷的排放潜力及减排措施的减排效果,为促进东北黑土地区农业甲烷减排和生产布局优化提供了理论依据和决策参考。     

基于模型和GIS技术的中国稻田甲烷排放估计

将一个比较成熟的稻田甲烷排放模型CH4MOD和GIS空间化数据库结合,模拟估计了中国大陆2000年水稻生长季稻田甲烷的排放。模型的空间输入参数包括:逐日气温、耕层土壤砂粒含量、外源有机质施用量、稻田水分管理模式、水稻移栽期与收获期、水稻种植面积与单产,空间分辨率为10km×10km。模拟结果表明:2000年稻田甲烷排放量为6.02Tg,其中:早稻生长季排放1.63Tg、晚稻1.46Tg、单季稻2.93Tg。提高区域稻田甲烷排放估计精度的进一步目标应放在减小输入参数误差和提高空间数据精度上,在现有数据库基础和模型———GIS技术下探讨我国稻田甲烷排放估计的不确定性范围是必要的。     

华南丘陵区冬闲稻田二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的排放特征

采用静态箱 气相色谱法对收获后冬闲稻田CO₂、CH₄和N₂O排放进行了田间原位测定,探讨了越冬稻田3种温室气体的排放规律.结果表明,残茬稻田和裸田的CO₂的排放峰值分别出现在18:00和16:00左右.日间CH₄排放为净值,夜间表现为弱吸收.残茬稻田和裸田N₂O夜间排放分别为日间平均的1.79和1.58倍.残茬稻田的昼夜CO₂平均排放通量显著高于裸田(P＜0.05).在测定期间,残茬稻田CO₂排放随温度升高而增高.相关分析表明,CO₂排放与土温、地表温度和气温均呈显著相关,表明温度是影响收获后稻田CO₂排放的主要因素.在11月10日至翌年1月18日测定期间,残茬稻田的CO₂和CH₄平均排放通量分别为(180.69±21.21) mg·m^-2·h^-1和(-0.04±0.01) mg·m^-2·h^-1,CO₂排放通量较裸田高13.06％,CH₄吸收增高50%.残茬稻田的N₂O排放通量为(21.26±19.31) μg·m^-2·h^-1,较裸田低60.75％.由此说明华南丘陵区冬闲稻田是大气CO₂和N₂O的源,CH₄的汇.     

太阳辐射对稻田甲烷排放的影响

太阳辐射减弱是气候变化的主要特征之一,而太阳辐射减弱对稻田甲烷(CH4)排放的影响尚不明确,且缺少高光谱遥感用于估算稻田CH4排放的研究.通过田间模拟试验,研究了不同遮阴强度对稻田CH4排放和水稻冠层光谱特征的影响,并基于冠层高光谱数据估算了CH4排放通量.采用单因子试验设计,遮阴强度设3个水平,即对照(不遮阴,CK)、轻度遮阴(S1,单层遮阴,遮阴率为60%)和重度遮阴(S2,双层遮阴,遮阴率为84%).结果表明:与对照相比,遮阴明显降低了稻田CH4排放,但重度遮阴下CH4排放高于轻度遮阴;近红外波段水稻冠层反射率表现为CK>S2>S1;水稻冠层光谱反射率(699~1349 nm)与CH4排放通量呈极显著正相关,最高相关系数达0.64,6种植被指数与CH4排放通量也呈极显著相关,其中比值植被指数(RVI)与CH4排放通量的相关系数最大,达0.84;建立了以RVI、归一化植被指数(NDVI)和507 nm原始反射率(ρ507)为参数估算CH4排放通量的逐步回归模型,决定系数R2分别为0.86和0.85,利用该模型可为开展区域稻田温室气体排放的遥感监测提供试验依据.     

华南丘陵地区农林复合生态系统晚稻田甲烷和氧化亚氮排放

采用静态箱-气相色谱法对晚稻田甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)排放进行田间原位测定。结果表明,有植株参与的稻田CH4排放通量季节变化与地下5cm温度呈显著正相关关系。稻田CH4和N2O季节平均排放通量在有植株参与时分别为1.16±0.38mgm-2h-1和42.33±20.00μgm-2h-1,而无植株参与的分别为0.15±0.11mgm-2h-1和51.69±15.87μgm-2h-1。水稻种植对CH4的排放影响较大,对N2O的排放影响较小,有植株参与的稻田CH4平均排放量显著高于无植株参与的稻田,N2O的平均排放量无显著差异。     

微生物生物量C、土壤呼吸的季节性变化与黑土稻田甲烷排放

对黑土水稻田一个生长季中土壤微生物生物量C、土壤呼吸和甲烷排放通量进行了监测。结果表明,在水稻生长初期,长效尿素能显著抑制微生物生物量C和土壤呼吸(P<0．05),间歇灌溉措施对二者几乎没有影响,间歇灌溉能减少稻田甲烷的排放,平均排放量比对照减少了32．5％,长效尿素的施用稻田使甲烷的排放略有增加,施用长效尿素的处理,微生物生物量C与甲烷排放量之间呈显著正相关关系。     

猪粪与沼气渣对双季稻田甲烷排放的影响

随着环境温度的升高,稻田甲烷排放通量增加。早稻期间甲烷排放通量随着水稻生育期的增加而逐步加快,而晚稻甲烷排放主要集中在水稻生长的前中期,而且排放量很高。一天中甲烷排放具有很强的周期性,在6：00～8：00时,甲烷排放通量进入谷底,14：00时甲烷排放通量达到峰值。稻田甲烷排放通量与土壤5cm处的温度及土壤水溶解甲烷含量具有较高的相关性。猪粪和沼气渣的施用分别提高稻田甲烷排放量22．14％和4．40％。在早稻期间,施用猪粪和沼气渣分别提高土壤水溶解甲烷含量40．3％和11．9％,而晚稻期间仅分别提高23．9％和5．04％。     

铁炉渣施加对稻田甲烷产生、氧化与排放的影响

为了阐明铁炉渣施加对稻田甲烷产生、氧化与排放的影响,采用静态箱-气相色谱法对对照(CK)、2 Mg/hm2(FeⅠ)、4Mg/hm2(FeⅡ)和8 Mg/hm2(FeⅢ)铁炉渣施加后稻田甲烷产生、氧化与排放进行了测定与分析.研究结果表明:观测期内,CK、Fe Ⅰ、FeⅡ和FeⅢ样地甲烷产生量分别为0.06-8.87、0.12-8.28、0.15-7.84、0.17-7.82 mg·m-2·h-1,平均产生量分别为4.68、3.92、3.14、2.76 mg·m-2·h-1;甲烷氧化量分别是0.02-1.27、0.09-0.95、0.09-1.54、0.09-2.79 mg·m-2·h-1,平均氧化量为0.46、0.47、0.59、0.55 mg·m-2·h-1;甲烷排放分别是0.04-7.99、0.03-7.33、0.06-6.30、0.08-5.12 mg· m-2·h-1,平均值分别为3.11、2.29、1.76、1.59 mg·m-2·h-1.铁炉渣的施加降低了甲烷产生量和排放通量,提高了甲烷氧化量.     

开放式空气CO2增高对稻田CH4和N2O排放的影响

在FACE(free aircarbondioxideenrichment)平台上 ,采用静态暗箱 气相色谱法观测研究了大气CO2 浓度增加对稻田CH4和N2 O排放的影响 .结果表明 ,在 15 0和 2 5 0kgN·hm-2 两种氮肥水平下大气CO2 浓度增加 2 0 0 μmol·mol-1均明显促进水稻生长 ,水稻生物量积累 .大气CO2 浓度增加对 15 0和 2 5 0kgN·hm-2 两种氮肥水平下稻田CH4排放均无显著影响 ,并简要分析了与现有文献报道结果不一致的原因 .大气CO2 浓度增加也未导致 15 0和 2 5 0kgN·hm-2 两种氮肥水平下稻田N2 O排放的明显变化 ,与大多数研究结果一致 .     

赤红壤早稻田甲烷排放通量及其影响因素

用封闭箱法对广东省赤红壤早稻田CH4排放通量进行了观测。结果表明,CH4排放有明显的季节变化规律,3个排放高峰分别出现在水稻分蘖末期、孕穗抽穗期和乳熟期,平均通量为5.7mg.m-2.h-1。在测定期内,CH4排放与5和10cm土壤温度呈显著正相关,与土壤Eh呈显著负相关,与土壤pH值、水层深浅相关不明显。     

有机无机肥混施对水稻土CH4排放的影响

通过网室水稻盆栽试验 ,探讨几种有机无机肥混施方式对CH4排放的影响 .结果表明 ,水稻土CH4排放有明显的逐日变化 ,在水稻分蘖末期和抽穗前期出现CH4排放高峰 .不同有机无机肥混施方式对CH4排放的影响明显 ,最高和最低的CH4排放量分别为 8.1 2和 5.72 g·m- 2 ,两者相差 42 .0 % .粒状有机无机复肥的CH4排放量高 ,但稻谷产量也高 ,因而其单位稻谷产量的CH4排放量反而较低 .     

冬季水分管理方式对稻田CH4排放量的影响

在西南农业大学和华南农业大学农场的田间试验表明 ,长期淹水是我国西南地区冬灌田水稻生长期CH4排放通量高于一般水田的主要原因 .土壤淹水前连续干燥的时间越长 ,水稻生长期CH4排放通量越低 ,但这种作用仅能维持一季水稻生长期 .冬灌田冬季排干 ,种植冬小麦 ,次年水稻生长期CH4平均排放通量可减少 63～ 72 % .如果我国西南地区冬灌田的水利设施能够得到有效改善 ,改冬灌为冬排 ,一年一季水稻为一水一旱 ,将可提高该类土壤生产力和大大减少我国稻田CH4排放总量 .     

Impact of gas transport through rice cultivars on methane emission from rice paddy fields

Two Italian rice (Oryza sativa var. japonica) cultivars, Lido and Roma, were tested in the field for methane production, oxidation and emission. In two consecutive years, fields planted with the rice cultivar Lido showed methane emissions 24–31% lower than fields planted with the cultivar Roma. This difference was observed irrespective of fertilizer treatment. In contrast to methane emissions, differences in methane production or oxidation were not observed between fields planted with the two cultivars. Plant-mediated transport of methane from the sediment to the atmosphere was the dominating pathway of methane emission. During the entire vegetation period, the contribution of this pathway to total methane emission amounted to c. 90%, whereas the contribution of gas bubble release and of diffusion through the water column to total methane emission was of minor significance. Results obtained from transport studies of tracer gas through the aerenchyma system of rice plants demonstrated that the root–shoot transition zone is the main site of resistance to plant-mediated gas exchange between the soil and the atmosphere. The cultivar Lido, showing relatively low methane emissions in the field, had a significantly lower gas transport capacity through the aerenchyma system than the cultivar Roma. Thus, the observed differences in methane emissions in the field between the cultivars Lido and Roma can be explained by different gas transport capacities. Apparently, these differences in gas transport capacities are a consequence of differences in morphology of the aerenchyma systems, especially in the root–shoot transition zone. It is, therefore, concluded that identification and use of high-yielding rice cultivars which have a low gas transport capacity represent an economically feasible, environmentally sound and promising approach to mitigating methane emissons from rice paddy fields.     

稻田CH4和N2O的排放及养萍和施肥的影响

用箱法对我国东北稻田ＣＨ４和Ｎ２Ｏ排放进行观测研究表明,东北稻田的ＣＨ４排放通量比南方稻田小,平均日排放通量和生长季节排放总量分别为０．０７和７．４ｇ·ｍ－２．稻田淹水期几乎没有Ｎ２Ｏ的净排放,但在非淹水期内却有大量Ｎ２Ｏ排放（平均通量５９μｇＮ２Ｏ·ｍ－２·ｈ－１）．稻田养萍和施肥明显促进ＣＨ４和Ｎ２Ｏ排放．稻田ＣＨ４和Ｎ２Ｏ排放之间存在消长关系．制定稻田温室气体减排技术措施时应充分注意这一关系．     

A semi-empirical model of methane emission from flooded rice paddy soils

Reliable regional or global estimates of methane emissions from flooded rice paddy soils depend on an examination of methodologies by which the current high variability in the estimates might be reduced. One potential way to do this is the development of predictive models. With an understanding of the processes of methane production, oxidation and emission, a semi-empirical model, focused on the contributions of rice plants to the processes and also the influence of environmental factors, was developed to predict methane emission from flooded rice fields. A simplified version of the model was also derived to predict methane emission in a more practical manner. In this study, it was hypothesized that methanogenic substrates are primarily derived from rice plants and added organic matter. Rates of methane production in flooded rice soils are determined by the availability of methanogenic substrates and the influence of environmental factors. Rice growth and development control the fraction of methane emitted. The amount of methane transported from the soil to the atmosphere is determined by the rates of production and the emitted fraction. Model validation against observations from single rice growing seasons in Texas, USA demonstrated that the seasonal variation of methane emission is regulated by rice growth and development. A further validation of the model against measurements from irrigated rice paddy soils in various regions of the world, including Italy, China, Indonesia, Philippines and the United States, suggests that methane emission can be predicted from rice net productivity, cultivar character, soil texture and temperature, and organic matter amendments.     

华东稻麦轮作生态系统的N2O排放研究

根据对华东稻麦轮作周期的N2 O排放及其影响因子的连续观测结果 ,分析了N2 O排放时间变化以及施肥、灌溉、温度、土壤湿度和土壤速效N素含量对N2 O排放的影响 ,同时还比较分析了稻田N2 O和CH4排放 .研究结果表明 ,稻麦轮作周期内 ,水稻生长季的N2 O排放量仅占 30 % ,稻田持续淹水可比常规灌溉增加CH4排放量 2 6% ,减少N2 O排放量 1 1～ 2 6% .     

鼎湖山主要森林土壤CO2排放和CH4吸收特征

研究了鼎湖山生物圈保护区马尾松林、混交林和季风常绿阔叶林(季风林)在2000~2001年期间土壤CO2排放和CH4吸收特征。季风林、混交林和马尾松林土壤CO2排放速率在研究期间的平均值分别为(kgCO2-C·hm-2·d-1):18.6±2.6,20.5±3.7和17.8±3.8,土壤CH4吸收速率则分别为(gCH4-C·hm-2·d-1):-5.5±1.8,-3.3±1.6和-7.7±1.8。土壤CO2排放速率和土壤CH4吸收速率在三种森林类型中均表现明显的季节性变化,且其季节性变化根据森林类型和年份不同而异。总的来说,土壤CO2排放速率在所有森林中均呈现夏季最高而冬季最低的变化,土壤CH4吸收速率的季节性变化则相反,基本上表现为冬季最高而夏季最低的变化。三种森林土壤的CO2排放速率和CH4吸收速率在两观测年间的差异均不显著。土壤CO2排放速率在不同森林类型间的差异也不显著,但土壤CH4吸收速率在马尾松林显著高于混交林。在两观测年中,土壤CO2排放速率与土壤CH4吸收速率之间在季风林呈现显著的负相关关系,在混交林和马尾松林中它们之间也趋向呈负相关关系,但未达显著水平。土壤CO2排放速率与土壤温度之间在季风林呈现显著的指数正相关关系,但在其余森林(混交林和马尾松林)中它们之间的关系则不明显。