稻田甲烷排放及產生_轉化_輸送機理

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1、第22卷第4期大氣科學Vol.22,No.41998年7月SCIENTIAATMOSPHERICASINICAJuly1998稻田甲烷排放及產生、轉化、輸送機理王明星李晶鄭循華(中國科學院大氣物理研究所,北京100029)摘要通過對中國五大水稻產區(qū)稻田甲烷排放的多年觀測實驗,描述了稻田甲烷排放的時空變化規(guī)律及特征并分析研究了其形成機理。稻田甲烷排放的日變化有四種類型,甲烷的傳輸效率是日變化形成的主要因素。稻田甲烷土壤中排放率的季節(jié)變化型式在不同的地區(qū)是不同的,這取決于氣溫變化、水稻品種、施肥及水管理等

2、不同因素。甲烷產生主要發(fā)生在稻田土壤耕作還原層(2～20cm),氧化主要發(fā)生在水土交界面的氧化層和根部氧化膜,并受多種因子的影響。土壤中的甲烷通過三個路徑向大氣排放,不同時期三個路徑在甲烷傳輸中的相對重要性不同。施用化肥和沼渣肥可以降低土壤中甲烷的產生和排放,而有機肥會增加土壤中甲烷的產生和排放。中國的稻田每年向大氣中排放9.67～12.66百萬噸甲烷,全球稻田甲烷的總排放量約為35～56Tg/a。關鍵詞甲烷排放日變化季節(jié)變化氧化和傳輸影響因子1引言大氣中的甲烷以每年約0.8%的速度增長,由于甲烷的強

3、溫室效應和化學活性,研[1]究全球甲烷的循環(huán)具有重要的意義。稻田是最重要的大氣甲烷的人為源之一,對這一重要源的研究可以提高全球甲烷排放量估算的精確程度。中國是重要的水稻生產國,水稻種植面積約占世界稻田總面積的22%,產量約占世界水稻產量的38%。從目前開展的觀測看,中國稻田不僅是中國最主要的CH4排放源,而且對全球大氣的CH4排放也起著重要的作用。根據生態(tài)氣候帶、地貌特征以及耕作制度,我國水稻田大致可分五大區(qū):華南滇南水稻區(qū)、華中水稻區(qū)、長江中下游水稻區(qū)、西南水稻區(qū)和北方水稻區(qū)。氣候土壤狀況以及植物生

4、長體系在這五大區(qū)有很大的差別。因此獲取這五大典型水稻種植區(qū)的長期的稻田甲烷排放數據是必要的。從甲烷種植面積省級的統(tǒng)計數據來看,90%以上的水稻種植在中國南部,只有7%左右的水稻種植在北方水稻區(qū)。從1987年以來我們應用靜態(tài)箱技術在中國的五大水稻區(qū)進行了觀測。除了甲烷排放通量的觀測,還進行了甲烷排放機理的研究,以及溫度、水管理、施肥對甲烷排放的影響等。本文總結了10年來的研究成果和一些甲烷排放機理方面的新發(fā)現。2稻田甲烷排放特征2.1日變化只有通過間隔時間很短的連續(xù)觀測才能對甲烷排放率的日變化做出正確的

5、描述。我1998-01-05收到,1998-02-27收到修改稿4期王明星等:稻田甲烷排放及產生、轉化、輸送機理601們通過多年中國稻田甲烷排放的連續(xù)觀測,發(fā)現了四種不同類型的日變化規(guī)律(圖1)。第一種也是最主要的一種是下午最大值型,這種日變化在浙江、四川、湖南、江蘇[2]都曾觀測到,并且和水溫、土壤淺層及空氣溫度的日變化一致。過去的文獻說明,[3]甲烷排放的日變化與甲烷在稻田土壤里的產生率有關。根據我們的實驗觀測可以得到不同的結論:(1)甲烷在土壤里的產生率并沒有明顯的日變化規(guī)律;(2)在空氣溫度變

6、化和水及土壤溫度變化之間有一段延遲;(3)實驗室模擬實驗證明,土壤溫度的確可以影響甲烷的產生率,但是這兩者變化之間有10～11小時的時間延遲;(4)稻田甲烷排放的日變化與空氣溫度和稻田水的溫度有很好的相關,但與深層土壤溫度不相關。因此我們得出結論,控制短期甲烷排放變化的主要因子不是甲烷在土壤里的產生率,而是甲烷向大氣中傳輸的效率。第二種是夜間至凌晨出現排放最大值,這是比較少見的一種,只在浙江省夏季觀測到,我們認為是植物體在炎熱夏季的中午為防止植物體內的水分散失而關閉氣孔,堵塞了甲烷向大氣傳輸的主要途徑

7、,未能排出的甲烷在晚上隨著氣孔的開啟排向大氣,從而[4]出現了甲烷排放率在夜間的極大值。但在湖南地區(qū),夏天的炎熱程度不亞于杭州,卻始終沒有測量到這種夜間極大值型式。第三種型式是一日內下午和晚上出現兩次最大值,這種情況在杭州地區(qū)的晚稻和第二種型式一起常被發(fā)現,可能是以上兩種情況排放路徑的作用結合在一起造成的。當關閉氣孔而使植物體排放能力下降時,甲烷可以通過其他的路徑排放出來(如氣泡),第二種型式還是第三種型式取決于植物體和氣泡排放的相對大小。圖1稻田甲烷排放的日變化的四種不同型式(a)下午峰型,(b)夜

8、間峰型,(c)下午夜間雙峰型,(d)無規(guī)律型602大氣科學22卷第四種變化型式是在特殊天氣條件下發(fā)生的。在陰雨天氣,冷空氣過境時,會使甲烷的排放毫無規(guī)律。2.2季節(jié)變化日平均甲烷排放率在水稻生長期波動較大,其變化型式在不同地區(qū)是不同的,這取決于水稻種植系統(tǒng)類型(例如早稻和晚稻)、稻田的預處理方式(例如施綠肥、前茬種小麥、壟作、泡田等)、土壤特性、天氣狀況、水管理、水稻品種、施肥情況等。日平均甲烷排放率在短周期波動中出現顯著的排放峰值(圖2)。江蘇單季稻分