中國稻田溫室氣體的排放與減排

中國稻田溫室氣體的排放與減排2016-02-23顏曉元夏龍龍【點(diǎn)擊上方藍(lán)色字體--關(guān)注我們！】本期專家：顏曉元顏曉元：中國科學(xué)院南京土壤研究所研究員，博士生導(dǎo)師。長期從事土壤碳氮循環(huán)的研究。成果被IPCC的多次評(píng)估報(bào)告和排放清單指南采用，2004年獲江蘇省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，2008年獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、日本農(nóng)林水產(chǎn)省國際青年農(nóng)業(yè)科學(xué)家獎(jiǎng)，2014年獲國家杰出青年科學(xué)基金資助。摘要中國是世界上最大的水稻生產(chǎn)國，水稻種植面積占全球總種植面積的30%水稻生產(chǎn)在糧食安全方面起著重要的作用，稻田卻是溫室氣體甲烷(CH)和氧化亞氮(N2O)的重要排放源。本文綜述了稻田CH和NO的產(chǎn)生過程、影響因素及時(shí)空變異規(guī)律，總結(jié)了近年來我國稻田CH和NO排放總量的估算結(jié)果，并提出了針對(duì)性的溫室氣體減排措施。關(guān)鍵詞：稻田，溫室氣體，CH,NO,減排措施來源：中國科學(xué)院院刊刖H中國是世界上最大的水稻生產(chǎn)國。2009年，我國稻田面積大約為26.78百萬公頃，占我國耕地總面積的20%；上，約占世界稻田面積的30%毫無疑問，水稻生產(chǎn)對(duì)于我國乃至世界的糧食安全具有至關(guān)重要的作用。然而，水稻的種植也產(chǎn)生了大量的溫室氣體。20世紀(jì)80年代，研究發(fā)現(xiàn)稻田生態(tài)系統(tǒng)是大氣溫室氣體甲烷(CH)和氧化亞氮(N2O)的重要來源,由此引發(fā)了世界范圍內(nèi)對(duì)于稻田生態(tài)系統(tǒng)CH和N2O排放的研究。CH和NO的溫室效應(yīng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二氧化碳(CO2),在一百年的尺度下，單位質(zhì)量CH和NO的全球增溫潛勢(shì)(globalwarmingpotential)分別是CO的25和298倍。《中華人民共和國氣候變化第二次信息簡報(bào)》顯示，稻田CH排放對(duì)我國整個(gè)農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放的貢獻(xiàn)為24%如果再考慮稻田NO的排放，這個(gè)數(shù)值為26%因此，研究影響我國稻田溫室氣體排放的關(guān)鍵因素，探究溫室氣體的時(shí)空排放規(guī)律以及準(zhǔn)確估算溫室氣體的排放總量，特別是CH的排放，對(duì)于制定切實(shí)有效的減排措施，發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)以及預(yù)測(cè)未來氣候變化的影響具有重要的意義。1--稻田CH的排放及影響因素稻田CH排放是CH產(chǎn)生、氧化和傳輸?shù)膬粜?yīng)。其中，稻田CH的產(chǎn)生是在淹水形成的極端厭氧條件下土壤中產(chǎn)甲烷菌作用于有機(jī)肥料、根系分泌物和動(dòng)植物殘?bào)w等產(chǎn)甲烷基質(zhì)的結(jié)果。淹水土壤CH的產(chǎn)生主要有2條途徑(圖1)(1)產(chǎn)甲烷菌利用H或者有機(jī)分子作為H的供體還原CO形成CH(4H2+CO^2HO+CH),(2)產(chǎn)甲烷菌對(duì)于乙酸的脫甲基作用進(jìn)而產(chǎn)生CH(CHCOOHCO+CH),其中CHCOO途徑往往占主導(dǎo)。StlLftjft(ob)圖1稻田生態(tài)系統(tǒng)CH的產(chǎn)生、氧化和傳輸過程示意圖CH氧化指在氧化層區(qū)域(水稻根系分泌Q形成的氧化層區(qū)域或者水土界面的氧化層區(qū)域)，在甲烷氧化菌的作用下將CH轉(zhuǎn)化為CO和HO的過程。研究表明超過一半的CH在排放到大氣之前會(huì)被氧化。CH傳輸是指稻田土壤中產(chǎn)生的CH通過植物通氣組織、氣泡以及液相擴(kuò)散等形式向大氣排放的過程，其中以水稻通氣組織輸送為主。影響CH產(chǎn)生、氧化以及傳輸?shù)囊蛩鼐鶗?huì)對(duì)稻田CH排放產(chǎn)生影響。研究表明有機(jī)肥的施用是影響稻田CH排放的關(guān)鍵因素。有機(jī)肥施用可以直接為產(chǎn)甲烷菌提供豐富的底物。除此之外，有機(jī)物在淹水條件下快速分解會(huì)加速土壤氧化還原電位的下降，為產(chǎn)甲烷菌的生長提供適宜的環(huán)境條件，進(jìn)而促進(jìn)CH的產(chǎn)生和排放。有機(jī)肥對(duì)于稻田CH的影響大小還取決于有機(jī)肥的種類和用量、施用方式和時(shí)間。一般而言，施用新鮮作物秸稈會(huì)顯著促進(jìn)CH的排放，相比之下經(jīng)過堆制發(fā)酵以后的有機(jī)物料，例如沼渣、廄肥，由于有機(jī)肥中易分解有機(jī)質(zhì)含量降低,對(duì)稻田CH排放的促進(jìn)程度會(huì)大大降低。將作物秸稈在稻田土壤表面覆蓋會(huì)促進(jìn)秸稈的好氧分解，從而使其CH排放量低于秸稈與土壤混合施用方式。作物秸稈在非水稻生長季施用可以顯著降低CH的排放，其原因在于：經(jīng)過非淹水季節(jié)的好氧分解，稻草中易分解有機(jī)質(zhì)已經(jīng)基本被分解，殘余的難分解有機(jī)質(zhì)促進(jìn)CH排放的效應(yīng)不大。水分管理會(huì)影響土壤的氧化還原狀況從而影響稻田CH的排放。水稻持續(xù)淹水期會(huì)導(dǎo)致土壤極端厭氧，進(jìn)而促進(jìn)CH的大量排放；相反，中期烤田會(huì)增加土壤通氣性，破壞土壤的還原條件從而在促進(jìn)CH氧化的同時(shí)抑制CH產(chǎn)生。止匕外，非水稻生長季土壤的水分狀況也是影響稻季CH排放量的關(guān)鍵因素。在相同的氣候條件下，冬季淹水稻田要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冬季排水的稻田的CH排放量。冬季土壤水分含量越高，后續(xù)稻季CH排放量就越高。在我國湖南省等雙季稻種植區(qū)，早稻的上一季通常是旱地作物或者休耕，稻田CH排放量較小。晚稻一般在早稻收獲后土壤仍然處于濕潤時(shí)立即灌水插秧，此時(shí)晚稻的排放量會(huì)迅速增加。據(jù)估算，晚稻生長季CH的平均排放量分別是早稻和單季稻的1.5和2.3倍。止匕外，氮肥的種類及用量、土壤質(zhì)地和土壤pH值以及水稻品種都會(huì)對(duì)稻田CH排放產(chǎn)生不同程度的影響。2--稻田NO的排放及影響因素與CH的排放類似，稻田NO的排放也是NO產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化以及傳輸三個(gè)過程共同作用的結(jié)果（圖2）。稻田N2O產(chǎn)生是土壤中硝化和反硝化細(xì)菌利用無機(jī)態(tài)氮（NH+、NO-和NG）進(jìn)行硝化作用和反硝化的共同結(jié)果。在水稻生長季持續(xù)淹水期，土壤中產(chǎn)生的2O會(huì)被反硝化細(xì)菌進(jìn)一步還原為電少量的NO會(huì)通過水稻的通氣組織向大氣排放。NH；-Q反硝化IF用訥化作用NH；-Q反硝化IF用訥化作用圖2稻田生態(tài)系統(tǒng)、。的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化和傳輸過程示意圖，在稻田土壤處于干濕交替期（比如烤田），硝化反硝化作用的劇烈進(jìn)行導(dǎo)致N2O大量產(chǎn)生，并主要通過擴(kuò)散途徑進(jìn)入大氣中。稻田土壤N2O的產(chǎn)生主要來源于微生物對(duì)氮素的硝化和反硝化作用。氮肥可以直接為硝化反硝化作用提供底物，從而促進(jìn)N2O的排放。稻田N2O的排放通常會(huì)隨著氮肥施用量的增加而呈現(xiàn)線性或指數(shù)增加。此外氮肥的種類，施用方式和時(shí)間以及有機(jī)肥的添加也會(huì)對(duì)N2O的排放產(chǎn)生影響。除了氮肥以外，土壤水分狀況是影響稻田N2O排放的關(guān)鍵因素。土壤水分可以通過調(diào)控硝化、反硝化細(xì)菌的酶活性而對(duì)N2O排放產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤水分含量處在45%-75%WFPS（water-filledporespace,土壤孔隙含水量）,硝化反硝化作用同時(shí)進(jìn)行，土壤N2O排放達(dá)到最大值。稻田土壤的干濕交替會(huì)極大地促進(jìn)N2O的排放，因?yàn)楦蓾窠惶媸沟孟趸头聪趸饔媒惶孢M(jìn)行，而且干濕交替還能抑制反硝化過程N(yùn)2O的進(jìn)一步還原。稻季排放的N2O大部分是在中期烤田和覆水前期發(fā)生的。稻田N2O排放也會(huì)隨著土壤質(zhì)地等物理性質(zhì)變化而變化，但卻沒有明確的關(guān)系。土壤pH值也會(huì)影響N2O的排放，反硝化速率通常會(huì)伴隨著pH增加而增加，最佳值大約為7.0-8.0,同樣自養(yǎng)硝化細(xì)菌在中性或略堿性的pH范圍內(nèi)生長和代謝活動(dòng)最為旺盛。對(duì)于溫度而言，在20-40C范圍之內(nèi)，硝化和反硝化作用產(chǎn)生NO的量隨著溫度升高而快速增加。3--稻田CH和NO排放的時(shí)空變化規(guī)律稻田生態(tài)系統(tǒng)CH和NO的排放存在高度的時(shí)間和空間變化。由于溫度的變異會(huì)導(dǎo)致稻田CH產(chǎn)生和傳輸速率發(fā)生變化，一天之中CH排放通量通常會(huì)隨著土壤表層溫度的變化而變化,并在下午14:00-18:00內(nèi)達(dá)到排放峰值，而夜間排放量低。通常情況下，午后的高溫會(huì)促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)降解以及蒸騰和呼吸作用，前者為產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的底物，后者則推動(dòng)了CH從土壤進(jìn)入大氣的進(jìn)程。稻田CH的晝夜變化也與天氣條件密切相關(guān)，往往在陰雨天內(nèi)表現(xiàn)出無規(guī)律性和隨機(jī)性。不同類型稻田CH排放的季節(jié)變化規(guī)律差異較大。早稻季前15天CH平均排放通量大約是季節(jié)平均排放通量的0.6倍，隨后季節(jié)波動(dòng)較小，接近季節(jié)通量的平均值。晚稻在水稻移栽后10天左右排放通量即達(dá)到峰值，前15天內(nèi)的平均排放通量約是季節(jié)平均通量值的2倍。隨后，CH排放通量迅速降低，在水稻生長后半期的排放量基本為0o對(duì)于單季稻，水稻移栽后CH排放通量逐漸增高，大約在50天后達(dá)到排放峰值，隨后逐漸減少。這種季節(jié)排放特征主要與稻季及上一季土壤水分狀況和稻季的溫度狀況有關(guān)。稻田CH排放在田塊、區(qū)域以及國家尺度上同樣具有較大的變異。我國稻田CH的排放大約在0.3-205g/m2/yr之間。其中，11月至3月稻田土壤水分的空間變異是導(dǎo)致我國CH排放量空間變異最關(guān)鍵的因素。由于NO的產(chǎn)生和土壤氮素有效性以及土壤濕度密切相關(guān)，稻田NO的排放往往是零散和脈沖式的。只有在土壤水分狀況比較穩(wěn)定，天氣持續(xù)晴朗以及田間較長時(shí)間未施肥的條件下，NO排放的才會(huì)表現(xiàn)出明顯的晝夜變化規(guī)律。理想狀況下稻田NO排放隨著溫度的變化而變化，大約在下午13:00-17:00之間達(dá)到排放峰值，并且往往在夜間排放速率較低。稻田NO排放的空間和季節(jié)變化取決于土壤水分管理以及施肥與否。水稻持續(xù)淹水期NO的排放通量很低，即使是在施用過基肥以后。伴隨著中期烤田的開始，NO的排放通量迅速增加并在烤田三天后達(dá)到峰值。隨后排放量逐漸降低，后期追肥以及間歇灌溉又會(huì)刺激NO排放。我國稻田NO季節(jié)排放量在空間上存在著巨大差異(0-6.2kgNha-1)。CH和NO的產(chǎn)生過程對(duì)土壤水分的不同響應(yīng)機(jī)制導(dǎo)致其排放存在此消彼長(trade-off)的關(guān)系。在水稻持續(xù)淹水期，有大量CH排放，卻基本檢測(cè)不到明顯的NO排放。伴隨著中期烤田，CH的產(chǎn)生受到抑制，而NO卻有大量排放。明確稻田CH和NO排放相互消長的規(guī)律對(duì)于合理評(píng)價(jià)減排措施的效果具有重要意義。4--我國稻田CH咻口N2OHE放總量的估算作為世界上最大的水稻生產(chǎn)國，其稻田CH排放總量的估算至關(guān)重要。最早的估算是在1991年，Khalil等利用成都市一塊稻田兩年的CH觀測(cè)數(shù)據(jù)外推到整個(gè)中國得出我國稻田CH4排放量約為30TgCH4yr-1(1Tg=1X1012g)0隨后，Wassman密利用杭少卜|市稻田CH的測(cè)定結(jié)果推算出總排放量在18-28TgCH4y-1之間。姚亨等利用10個(gè)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)中6個(gè)代表性觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)推算出稻田CH排放總量大約在15.3TgCHyr-1。蔡祖聰同時(shí)考慮有機(jī)肥以及水分管理的影響，估算這個(gè)數(shù)值大約為8.5TgCHyr-1。顏曉元等通過收集23個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)204個(gè)處理的觀測(cè)數(shù)據(jù)并考慮有機(jī)肥和水分管理的綜合作用，估算結(jié)果為7.67TgCHyr，為了估算稻田CH排放，國內(nèi)外相繼開發(fā)了多種過程模型。曹明奎等利用MEM1型估算出我國稻田CH總排放量為16.2Tgyr-1.黃耀等人綜合考慮光合作用、有機(jī)質(zhì)降解以及環(huán)境因素得出CH總排量約為9.66TgCH4yr-1。Matthews基于水稻生長模擬模型并考慮農(nóng)作物管理以及氣候土壤因素，估算我國稻田CH排放量在7.22-8.64TgCHyr1之間。近期，顏曉元等人利用IPCC(IntergovermentalPanelonClimateChange,政府間氣候變化專門委員會(huì)）計(jì)算區(qū)域稻田CH排放的方法估算出全球稻田CH總排放量為25.6TgCH4yr-1,其中中國稻田排放量為7.68TgCHyr-1,約占世界總排放的30%（圖3）。綜合考慮不同估算方法結(jié)果，中國稻田CH實(shí)際排放量應(yīng)該在8TgCH4yr-1左右。我國稻田N2O排放量的估算同樣備受關(guān)注。邢光熹將我國稻田分為五個(gè)區(qū)域圖3全球稻田CH排放分布圖-并利用已有的田間觀測(cè)結(jié)果估算出我國每年稻田N2O的總排放量為35.6GgN（1Gg=1X109g）0陳冠雄等通過建立稻田N2O排放通量與施肥量、累計(jì)氣溫、土壤C/N值之間的關(guān)系,推算排放量約為37.5GgNyr-1。鄭循華等通過采用蒙特卡洛隨機(jī)數(shù)方法校正NO排放系數(shù)并進(jìn)一步結(jié)合作物種植制度等信息估算出我國稻田NO總排量為50GgNyr-1。鄒建文等將全國水稻按照水分管理劃分并結(jié)合NO排放系數(shù)計(jì)算結(jié)果為29GgNyr-1。目前，稻田NO的估算還具有較大的不確定性，原因之一是不同省份稻田有機(jī)肥施用信息不明確。5--我國稻田溫室氣體的減排對(duì)策就稻田CH減排而言，合理的水分管理措施以及有機(jī)肥施用方式尤為重要。相比于稻田持續(xù)淹灌，中期烤田能夠顯著抑制稻田CH排放。減排的效果取決于烤田時(shí)間、程度以及次數(shù)。中期烤田會(huì)促進(jìn)稻田20大量排放，但大量田間測(cè)定結(jié)果表明NO排放的增加量僅能抵消15-20%CH的減排量。中期烤田還能夠抑制無效分奠，提高水稻根系活力，避免土壤極端還原條件的形成。中期烤田在我國是作為提高產(chǎn)量的一項(xiàng)有效措施已經(jīng)在水稻生產(chǎn)中廣泛引用，因此進(jìn)一步通過推廣中期烤田以減少我國稻田CH排放的潛力非常有限。據(jù)估算，我國大約有27-40萬公頃的稻田常年處于淹水狀態(tài)，每年因此排放的CH約為2.44TgCH4,約占我國稻田總排放量的32%這部分稻田主要分布在我國南部和西南部丘陵山區(qū)，是我國稻田CH減排的關(guān)鍵。覆膜栽培在保產(chǎn)甚至增產(chǎn)的前提下能夠顯著降低CH的排放。覆膜栽培技術(shù)指的是在稻田中開溝起廂，塑料膜覆蓋在廂面上，然后在塑料膜上打孔方便水稻移栽。灌溉的時(shí)候確保廂面無水，溝內(nèi)有水，保持土壤濕潤（圖4）。覆膜栽培技術(shù)對(duì)于溫室氣體減排以及增加農(nóng)民收入具有良好的效果。但是目前這項(xiàng)技術(shù)在我國推廣的面積還有限，因此進(jìn)一步推廣覆膜栽培的種植方式是保障我國西南丘陵山區(qū)全年淹水稻田水稻產(chǎn)量以及減少CH排放的關(guān)鍵。

I.I.眾所周知，秸稈還田是提高土壤有機(jī)碳含量的有效措施。但是秸稈如果在水稻季直接還田，將大幅促進(jìn)CH排放，由此增加的溫室效應(yīng)將高于其固碳效應(yīng)。因此，秸稈合理還田是稻田固碳減排的關(guān)鍵。將秸稈發(fā)酵以后還田或者是在稻田的非淹水季還田不會(huì)影響固碳效果，同時(shí)能夠顯著減少CH排放。在施用方式上，相對(duì)于均勻混施秸稈，條帶狀覆蓋能夠促進(jìn)秸稈好氧分解，減少稻田CH排放。此外選擇節(jié)水抗旱的水稻品種、合理密植、因地制宜的推廣稻鴨共作模式對(duì)于CH減排也具有良好效果。對(duì)于稻田N2O減排而言，提高氮肥的利用率是關(guān)鍵。據(jù)估算，如果把我國稻田氮肥的當(dāng)季利用率從19