稻田甲烷排放及產(chǎn)生_轉(zhuǎn)化_輸送機(jī)理

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1、第22卷第4期大氣科學(xué)Vol.22,No.41998年7月SCIENTIAATMOSPHERICASINICAJuly1998稻田甲烷排放及產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化、輸送機(jī)理王明星李晶鄭循華(中國科學(xué)院大氣物理研究所,北京100029)摘要通過對(duì)中國五大水稻產(chǎn)區(qū)稻田甲烷排放的多年觀測(cè)實(shí)驗(yàn),描述了稻田甲烷排放的時(shí)空變化規(guī)律及特征并分析研究了其形成機(jī)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(chǎn)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(gè)路徑向大氣排放,不同時(shí)期三個(gè)路徑在甲烷傳輸中的相對(duì)重要性不同。施用化肥和沼渣肥可以降低土壤中甲烷的產(chǎn)生和排放,而有機(jī)肥會(huì)增加土壤中甲烷的產(chǎn)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(guān)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(qiáng)

3、溫室效應(yīng)和化學(xué)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(duì)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(chǎn)國,水稻種植面積約占世界稻田總面積的22%,產(chǎn)量約占世界水稻產(chǎn)量的38%。從目前開展的觀測(cè)看,中國稻田不僅是中國最主要的CH4排放源,而且對(duì)全球大氣的CH4排放也起著重要的作用。根據(jù)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(shù)據(jù)是必要的。從甲烷種植面積省級(jí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(yīng)用靜態(tài)箱技術(shù)在中國的五大水稻區(qū)進(jìn)行了觀測(cè)。除了甲烷排放通量的觀測(cè),還進(jìn)行了甲烷排放機(jī)理的研究,以及溫度、水管理、施肥對(duì)甲烷排放的影響等。本文總結(jié)了10年來的研究成果和一些甲烷排放機(jī)理方面的新發(fā)現(xiàn)。2稻田甲烷排放特征2.1日變化只有通過間隔時(shí)間很短的連續(xù)觀測(cè)才能對(duì)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(chǎn)生、轉(zhuǎn)化、輸送機(jī)理601們通過多年中國稻田甲烷排放的連續(xù)觀測(cè),發(fā)現(xiàn)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(cè)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(xiàn)說明,[3]甲烷排放的日變化與甲烷在稻田土壤里的產(chǎn)生率有關(guān)。根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)可以得到不同的結(jié)論:(1)甲烷在土壤里的產(chǎn)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(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)證明,土壤溫度的確可以影響甲烷的產(chǎn)生率,但是這兩者變化之間有10～11小時(shí)的時(shí)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(guān),但與深層土壤溫度不相關(guān)。因此我們得出結(jié)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(chǎn)生率,而是甲烷向大氣中傳輸?shù)男省５诙N是夜間至凌晨出現(xiàn)排放最大值,這是比較少見的一種,只在浙江省夏季觀測(cè)到,我們認(rèn)為是植物體在炎熱夏季的中午為防止植物體內(nèi)的水分散失而關(guān)閉氣孔,堵塞了甲烷向大氣傳輸?shù)闹饕緩?/p>

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(xiàn)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(cè)量到這種夜間極大值型式。第三種型式是一日內(nèi)下午和晚上出現(xiàn)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(xiàn),可能是以上兩種情況排放路徑的作用結(jié)合在一起造成的。當(dāng)關(guān)閉氣孔而使植物體排放能力下降時(shí),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(duì)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(xué)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(shí),會(huì)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(dòng)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(yù)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(dòng)中出現(xiàn)顯著的排放峰值(圖2)。江蘇單季稻分