稻田甲烷排放及产生_转化_输送机理

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1、第22卷第4期大气科学Vol.22,No.41998年7月SCIENTIAATMOSPHERICASINICAJuly1998稻田甲烷排放及产生、转化、输送机理王明星李晶郑循华(中国科学院大气物理研究所,北京100029)摘要通过对中国五大水稻产区稻田甲烷排放的多年观测实验,描述了稻田甲烷排放的时空变化规律及特征并分析研究了其形成机理。稻田甲烷排放的日变化有四种类型,甲烷的传输效率是日变化形成的主要因素。稻田甲烷土壤中排放率的季节变化型式在不同的地区是不同的,这取决于气温变化、水稻品种、施肥及水管理等

2、不同因素。甲烷产生主要发生在稻田土壤耕作还原层(2～20cm),氧化主要发生在水土交界面的氧化层和根部氧化膜,并受多种因子的影响。土壤中的甲烷通过三个路径向大气排放,不同时期三个路径在甲烷传输中的相对重要性不同。施用化肥和沼渣肥可以降低土壤中甲烷的产生和排放,而有机肥会增加土壤中甲烷的产生和排放。中国的稻田每年向大气中排放9.67～12.66百万吨甲烷,全球稻田甲烷的总排放量约为35～56Tg/a。关键词甲烷排放日变化季节变化氧化和传输影响因子1引言大气中的甲烷以每年约0.8%的速度增长,由于甲烷的强

3、温室效应和化学活性,研[1]究全球甲烷的循环具有重要的意义。稻田是最重要的大气甲烷的人为源之一,对这一重要源的研究可以提高全球甲烷排放量估算的精确程度。中国是重要的水稻生产国,水稻种植面积约占世界稻田总面积的22%,产量约占世界水稻产量的38%。从目前开展的观测看,中国稻田不仅是中国最主要的CH4排放源,而且对全球大气的CH4排放也起着重要的作用。根据生态气候带、地貌特征以及耕作制度,我国水稻田大致可分五大区:华南滇南水稻区、华中水稻区、长江中下游水稻区、西南水稻区和北方水稻区。气候土壤状况以及植物生

4、长体系在这五大区有很大的差别。因此获取这五大典型水稻种植区的长期的稻田甲烷排放数据是必要的。从甲烷种植面积省级的统计数据来看,90%以上的水稻种植在中国南部,只有7%左右的水稻种植在北方水稻区。从1987年以来我们应用静态箱技术在中国的五大水稻区进行了观测。除了甲烷排放通量的观测,还进行了甲烷排放机理的研究,以及温度、水管理、施肥对甲烷排放的影响等。本文总结了10年来的研究成果和一些甲烷排放机理方面的新发现。2稻田甲烷排放特征2.1日变化只有通过间隔时间很短的连续观测才能对甲烷排放率的日变化做出正确的

5、描述。我1998-01-05收到,1998-02-27收到修改稿4期王明星等:稻田甲烷排放及产生、转化、输送机理601们通过多年中国稻田甲烷排放的连续观测,发现了四种不同类型的日变化规律(图1)。第一种也是最主要的一种是下午最大值型,这种日变化在浙江、四川、湖南、江苏[2]都曾观测到,并且和水温、土壤浅层及空气温度的日变化一致。过去的文献说明,[3]甲烷排放的日变化与甲烷在稻田土壤里的产生率有关。根据我们的实验观测可以得到不同的结论:(1)甲烷在土壤里的产生率并没有明显的日变化规律;(2)在空气温度变

6、化和水及土壤温度变化之间有一段延迟;(3)实验室模拟实验证明,土壤温度的确可以影响甲烷的产生率,但是这两者变化之间有10～11小时的时间延迟;(4)稻田甲烷排放的日变化与空气温度和稻田水的温度有很好的相关,但与深层土壤温度不相关。因此我们得出结论,控制短期甲烷排放变化的主要因子不是甲烷在土壤里的产生率,而是甲烷向大气中传输的效率。第二种是夜间至凌晨出现排放最大值,这是比较少见的一种,只在浙江省夏季观测到,我们认为是植物体在炎热夏季的中午为防止植物体内的水分散失而关闭气孔,堵塞了甲烷向大气传输的主要途径

7、,未能排出的甲烷在晚上随着气孔的开启排向大气,从而[4]出现了甲烷排放率在夜间的极大值。但在湖南地区,夏天的炎热程度不亚于杭州,却始终没有测量到这种夜间极大值型式。第三种型式是一日内下午和晚上出现两次最大值,这种情况在杭州地区的晚稻和第二种型式一起常被发现,可能是以上两种情况排放路径的作用结合在一起造成的。当关闭气孔而使植物体排放能力下降时,甲烷可以通过其他的路径排放出来(如气泡),第二种型式还是第三种型式取决于植物体和气泡排放的相对大小。图1稻田甲烷排放的日变化的四种不同型式(a)下午峰型,(b)夜

8、间峰型,(c)下午夜间双峰型,(d)无规律型602大气科学22卷第四种变化型式是在特殊天气条件下发生的。在阴雨天气,冷空气过境时,会使甲烷的排放毫无规律。2.2季节变化日平均甲烷排放率在水稻生长期波动较大,其变化型式在不同地区是不同的,这取决于水稻种植系统类型(例如早稻和晚稻)、稻田的预处理方式(例如施绿肥、前茬种小麦、垄作、泡田等)、土壤特性、天气状况、水管理、水稻品种、施肥情况等。日平均甲烷排放率在短周期波动中出现显著的排放峰值(图2)。江苏单季稻分