【学术研究】稻田甲烷排放影响因素及其研究进展_江长胜

DOI : 1 0． 1 9 3 3 6／j．cnki．t rtb． 2 0 0 4． 0 5． 0 3 2 Vol． 35No． 5 土　壤　通　报第35卷第5期　　　　　　　　　　　　Chinese Journal of Soil Science 　　　　　　　　　　　　 Oct． 2004 2004年10月　稻田甲烷排放影响因素及其研究进展江长胜12王跃思1郑循华1王明星1 （1∙中国科学院大气物理所边界层大气物理和大气化学国家重点实验室北京　100029； 2∙中国科学院研究生院北京 100039）　　摘　要： CH4 是大气中仅次于 CO2 的最重要的温室气体之一其温室效应贡献已达15～20％。中国稻田是 CH4 的重要排放源对全球大气的 CH4 排放起着重要的作用。本文较为详细地介绍了近几十年来国内外关于稻田 CH4 排放的研究进展。对稻田 CH4 的排放机理、 CH4 的排放规律及影响稻田 CH4 排放的各种因素作了详细分析并相应地提出了控制稻田 CH4 排放的各种措施最后提出了今后我国稻田 CH4 排放研究应加强的几个方面内容。关　键　词：稻田； CH4 排放；影响因素；减排措施中图分类号：X53　　　文献标识码：A　　　文章编号：0564 3945（2004）05 0663 07 　　甲烷（CH4）是大气中主要几种温室气体之一其增温效应仅次于 CO2 进入2 0世纪9 0年代 CH4 的温室效应贡献已达到1 5％～2 0％［1 2］。目前大气中平均 CH4 浓度为1． 7 2ppm而且还在以每年约0． 8％的速度增［3］长。全球每年通过各种途径排放于大气中的 CH4 达 1 2 到5 3 5Tg（1Tg＝1 0 g）通过人类活动产生的 CH4 排放为3 7 5Tg 其中稻田是 CH4 主要排放源占总排放量的 1 2％每年达到6 0Tg 左右最早在美国和欧洲进行［3 5 7］［5 8 9］。对稻田 CH4 实地监测但这两个地区的稻田所占的总面积还不到全球总面积的2％而且全球水稻种植方法、土壤特性、气候及灌溉方式等因素差别很大。稻田 CH4 的排放是土壤 CH4 产生、再氧化及排放传输三个过程相互作用的结果。CH4 的产生是这个体系中的第一步也是个极关键的过程其数量的大小会直接影响排放通量的大小。在厌氧条件下嫌气性纤维分解菌和果胶分解菌等微生物将土壤有机碳逐步降解为有机酸、醇、CO2 等在土壤产 CH4 细菌作用下主要通过2种途径产生 CH4：（1）CO2 与土壤中的 H2 或能提供 H 的有机分子反应；（2）醇、酸类物质还原［21］。但是在不同稻田土壤中这两种途径对 CH4 产生的贡献并不固定这主要取决于各不同稻田土壤中微生物菌族的差异有些 CH4 菌喜欢酸、醇类而有些更偏爱 CO2 和 H2。在特定环境中何种产 CH4 途径从分布上讲全球9 0％以上的水稻种植面积分布在亚占优势取决于底物尤其是活性有机碳含量而新形成特别重要尤其是中国和印度。近些年来又有许多国家的有机碳尤为重要。如活性有机碳含量丰富的沼泽洲因此对亚洲地区稻田 CH4 的排放特征及规律的研究和地区的科学家对稻田 CH4 的排放进行了测定和研究 CH4 主要由乙酸发酵形成因此产 CH4 能力较强。在亚［15］等。中国是重要的水稻生产国水稻种植面积约 20cm 但不同的农田作业对此有很大的影响。意大利 3 8％。中国对稻田 CH4 排放的研究始于2 0世纪8 0年 13cm 处的 CH4 产生率最大而我国湖南地区由于独观测对控制稻田 CH4 排放方法与模式进行了研下3～7cm 就到达最大值［1617］。包括日本［12］、意大利［8］、菲律宾［13］、印度［14］、印度尼西占世界稻田总面积的2 2％产量约占世界水稻产量的代陆续在我国五大稻作产区做了稻田 CH4 排放的野外究［16～20］。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［16］。本文综述了稻田 CH4 排放的最新进展与结果。 1　稻田甲烷排放的机理 1． 1　稻田甲烷的产生稻田中CH4 产生主要发生在稻田土壤耕作层 2～稻田中 7～17cm 土壤层是重要的 CH4 产生区域特的有机肥铺施操作土壤中 CH4 的产生在耕作层以 1． 2　稻田甲烷的氧化氧化在稻田 CH4 的排放过程中起着重要的作用。观测表明稻田中 CH4 排放量占 CH4 产生量的3％～ 81％［7817］剩余的部分在输入大气前被氧化。CH4 可以在有氧和厌氧环境下被氧化［2425］但土壤中 CH4 的最主要氧化过程还是有氧氧化而且主要发生在水稻根际及土壤与灌溉水交界面这两个区域。一些研究 2003 07 27；修订日期： 2003 10 23 收稿日期： 49790020）基金项目：中国科学院知识创新工程重大项目（KZCX1－S W－01）；国家自然科学基金资助项目（49675270 作者简介：江长胜（1974－）男江西贵溪人博士研究生（e－mail：jchshg＠163．com）研究方向为大气化学。土　壤　通　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　35卷 664 认为氧化过程能消耗稻田土壤所产生 CH4 总量的50 ～90％［6 8 17］。土壤中消耗 CH4 的细菌主要有甲烷氧化细菌和硝化细菌但硝化细菌氧化 CH4 的最大速率要比甲烷氧化细菌氧化 CH4 的最小速率小约 5 倍［26］因此可以认为土壤 CH4 的氧化主要由甲烷氧化细菌来完成［2425］。天气条件下发生的如在连续阴雨天气 CH4 通量的日变化不像晴天那样明显地存在余弦波式的规律而是有逐日降低趋势土壤温度的变化也只有微小的波动。这可能与阴雨天水稻光合作用减弱、水稻根系分泌物减少及阴雨天土温较低造成的较低的土壤 CH4 产生率有关［29］。 1． 3　稻田甲烷的传输 2． 2　甲烷排放的季节变化规律传输中被较少地氧化而又有较通畅的排放途径时才（例如早稻和晚稻）、稻田的预处理方式（例如施绿肥、只有当土壤中 CH4 积累到一定的数量在土壤及会出现较大的排放量。CH4 向大气传输途径的畅通能够使土壤中的 CH4 很快排向大气避免在氧化区域长时间停留因此 CH4 传输效率是影响 CH4 排放率的重要因素。土壤中的 CH4 主要通过3种途径排入大气稻田 CH4 排放的季节变化与水稻种植系统类型前茬种小麦、垄作、泡田等）、土壤特性、天气状况、水管理、水稻品种、施肥情况等因子密切相关。一般来讲水稻生长期 CH4 排放具有3个典型排放峰分别出现在水稻生长的返青、分蘖和成熟期［30］。水稻生长期第中［27］：（1）大部分被植株根系等吸收随着养分的输送 1个 CH4 排放峰值可能与水稻移栽前施入有机肥或淹的气泡气泡上升到水面破裂而喷射到大气中；（3）少大。第2个峰出现在水稻分蘖盛期气温也较高植物再经作物的通气组织排放到大气中；（2）形成含 CH4 量 CH4 是由于浓度梯度的形成而沿土壤－水和水－气界面而扩散排出。在水稻生长的大多数阶段一般认为大约90％的 CH4 排放量是通过水稻植物体排到大气中去的由气泡和分子扩散完成的输送不到排放水处理土壤水生植物的分解有关第1个峰值通常较体通气组织已比较发达传输 CH4 的净效应（CH4 传输率减去 CH4 氧化率）比较大。第3个峰出现在成熟期水稻根系的腐败物质给土壤提供较多的产 CH4 基质可能是出现第3个峰值的主要原因［17］。量的 10％［17］。由于水稻植物体内部通气组织较发 2． 3　甲烷排放的年际变化和空间变化规律取溶有 CH4 的土壤水使 CH4 进入通气组织。另一方 CH4 平均排放率的年际差异［17］。由于对单个影响因达茂密的水稻根系组织分布在稻田土壤中能主动汲面水稻植物体也能传输大气中的氧气到根系以维持根系组织的呼吸这能很大程度地影响根部区域 CH4 的氧化。水稻体还能通过根流出物质影响土壤中 CH4 的产生率由此可见水稻体对 CH4 排放的重要性。 2　稻田甲烷排放的规律 2． 1　甲烷排放的日变化规律 CH4 排放通量日变化规律随环境条件而异。目前在浙江、江苏、湖南等省能够观察到比较明显的子如气候变化、水稻品种、土壤状况、水肥管理等了解远远不够不同地区年际变化的原因还不明确估计土壤类型与土壤特性、气候系统、水稻品种与生长体系、施肥效应、水管理等是造成这种差异的原因其中土壤类型与土壤特性是最重要的。 3　影响稻田甲烷排放的因素 3． 1　土壤理化特性观察到的主要有4种日变化类型：第一种类型是午后 3． 1． 1　土壤母质　王胜春等［31］研究表明对于不同观测都出现并且和水温、土壤浅层及空气温度的日变通量大小顺序依次为：花岗岩发育的水稻土＞第四纪化一致红土发育的水稻土＞玄武岩母质发育的水稻土。可能 13： 00出现最大值这种变化在我国多数地区和国外值［28］［8 17］；第二种类型是夜间至凌晨出现排放最大这是比较少见的一种可能的原因是植物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 CH4 向大气传输的主要途径未能排出的母质发育的水稻土CH4 的排放量不同其 CH4 排放是因为花岗岩母质发育的水稻土有机质含量低为产 CH4 细菌提供的 C 源少其 CH4 排放量高。但进一步研究又发现不同母质水稻土有机质含量可能不是造成 CH4 在晚上随着气孔的开启排向大气从而出现了 CH4 排放量差异的主要原因还与土壤中有效 Mn、有午和晚上出现两次最大值这种情况在杭州地区的晚 3． 1． 2　土壤质地　土壤质地能影响土壤通透性和土 CH4 排放率在夜间的极大值；第三种类型是一日内下稻和第二种型式一起常被