中国稻田温室气体的排放与减排

中国稻田温室气体的排放与减排2016-02-23颜晓元夏龙龙【点击上方蓝色字体--关注我们！】本期专家：颜晓元颜晓元：中国科学院南京土壤研究所研究员，博士生导师。长期从事土壤碳氮循环的研究。成果被IPCC的多次评估报告和排放清单指南采用，2004年获江苏省科技进步一等奖，2008年获国家自然科学二等奖、日本农林水产省国际青年农业科学家奖，2014年获国家杰出青年科学基金资助。——————摘要中国是世界上最大的水稻生产国，水稻种植面积占全球总种植面积的30%。水稻生产在粮食安全方面起着重要的作用，稻田却是温室气体甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的重要排放源。本文综述了稻田CH4和N2O的产生过程、影响因素及时空变异规律，总结了近年来我国稻田CH4和N2O排放总量的估算结果，并提出了针对性的温室气体减排措施。关键词：稻田，温室气体，CH4，N2O，减排措施来源：中国科学院院刊前言中国是世界上最大的水稻生产国。2009年，我国稻田面积大约为26.78百万公顷，占我国耕地总面积的20%以上，约占世界稻田面积的30%。毫无疑问，水稻生产对于我国乃至世界的粮食安全具有至关重要的作用。然而，水稻的种植也产生了大量的温室气体。20世纪80年代，研究发现稻田生态系统是大气温室气体甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的重要来源,由此引发了世界范围内对于稻田生态系统CH4和N2O排放的研究。CH4和N2O的温室效应要远远高于二氧化碳(CO2),在一百年的尺度下，单位质量CH4和N2O的全球增温潜势(globalwarmingpotential)分别是CO2的25和298倍。《中华人民共和国气候变化第二次信息简报》显示，稻田CH4排放对我国整个农业源温室气体排放的贡献为24%，如果再考虑稻田N2O的排放，这个数值为26%。因此，研究影响我国稻田温室气体排放的关键因素，探究温室气体的时空排放规律以及准确估算温室气体的排放总量，特别是CH4的排放，对于制定切实有效的减排措施，发展低碳农业以及预测未来气候变化的影响具有重要的意义。1--稻田CH4的排放及影响因素稻田CH4排放是CH4产生、氧化和传输的净效应。其中，稻田CH4的产生是在淹水形成的极端厌氧条件下土壤中产甲烷菌作用于有机肥料、根系分泌物和动植物残体等产甲烷基质的结果。淹水土壤CH4的产生主要有2条途径（图1）（1）产甲烷菌利用H2或者有机分子作为H的供体还原CO2形成CH4(4H2+CO2→2H2O+CH4)，（2）产甲烷菌对于乙酸的脱甲基作用进而产生CH4(CH3COOH→CO2+CH4)，其中CH3COOH途径往往占主导。图1稻田生态系统CH4的产生、氧化和传输过程示意图CH4氧化指在氧化层区域（水稻根系分泌O2形成的氧化层区域或者水土界面的氧化层区域），在甲烷氧化菌的作用下将CH4转化为CO2和H2O的过程。研究表明超过一半的CH4在排放到大气之前会被氧化。CH4传输是指稻田土壤中产生的CH4通过植物通气组织、气泡以及液相扩散等形式向大气排放的过程，其中以水稻通气组织输送为主。影响CH4产生、氧化以及传输的因素均会对稻田CH4排放产生影响。研究表明有机肥的施用是影响稻田CH4排放的关键因素。有机肥施用可以直接为产甲烷菌提供丰富的底物。除此之外，有机物在淹水条件下快速分解会加速土壤氧化还原电位的下降，为产甲烷菌的生长提供适宜的环境条件，进而促进CH4的产生和排放。有机肥对于稻田CH4的影响大小还取决于有机肥的种类和用量、施用方式和时间。一般而言，施用新鲜作物秸秆会显著促进CH4的排放，相比之下经过堆制发酵以后的有机物料，例如沼渣、厩肥，由于有机肥中易分解有机质含量降低，对稻田CH4排放的促进程度会大大降低。将作物秸秆在稻田土壤表面覆盖会促进秸秆的好氧分解，从而使其CH4排放量低于秸秆与土壤混合施用方式。作物秸秆在非水稻生长季施用可以显著降低CH4的排放，其原因在于：经过非淹水季节的好氧分解，稻草中易分解有机质已经基本被分解，残余的难分解有机质促进CH4排放的效应不大。水分管理会影响土壤的氧化还原状况从而影响稻田CH4的排放。水稻持续淹水期会导致土壤极端厌氧，进而促进CH4的大量排放；相反，中期烤田会增加土壤通气性，破坏土壤的还原条件从而在促进CH4氧化的同时抑制CH4产生。此外，非水稻生长季土壤的水分状况也是影响稻季CH4排放量的关键因素。在相同的气候条件下，冬季淹水稻田要远远高于冬季排水的稻田的CH4排放量。冬季土壤水分含量越高，后续稻季CH4排放量就越高。在我国湖南省等双季稻种植区，早稻的上一季通常是旱地作物或者休耕，稻田CH4排放量较小。晚稻一般在早稻收获后土壤仍然处于湿润时立即灌水插秧，此时晚稻的排放量会迅速增加。据估算，晚稻生长季CH4的平均排放量分别是早稻和单季稻的1.5和2.3倍。此外，氮肥的种类及用量、土壤质地和土壤pH值以及水稻品种都会对稻田CH4排放产生不同程度的影响。2--稻田N2O的排放及影响因素与CH4的排放类似，稻田N2O的排放也是N2O产生、转化以及传输三个过程共同作用的结果（图2）。稻田N2O产生是土壤中硝化和反硝化细菌利用无机态氮(NH4+、NO3-和NO2-)进行硝化作用和反硝化的共同结果。在水稻生长季持续淹水期，土壤中产生的N2O会被反硝化细菌进一步还原为N2，少量的N2O会通过水稻的通气组织向大气排放。在稻田土壤处于干湿交替期(比如烤田)，硝化反硝化作用的剧烈进行导致N2O大量产生，并主要通过扩散途径进入大气中。稻田土壤N2O的产生主要来源于微生物对氮素的硝化和反硝化作用。氮肥可以直接为硝化反硝化作用提供底物，从而促进N2O的排放。稻田N2O的排放通常会随着氮肥施用量的增加而呈现线性或指数增加。此外氮肥的种类，施用方式和时间以及有机肥的添加也会对N2O的排放产生影响。除了氮肥以外，土壤水分状况是影响稻田N2O排放的关键因素。土壤水分可以通过调控硝化、反硝化细菌的酶活性而对N2O排放产生影响。研究发现，当土壤水分含量处在45%-75%WFPS(water-filledporespace,土壤孔隙含水量)，硝化反硝化作用同时进行，土壤N2O排放达到最大值。稻田土壤的干湿交替会极大地促进N2O的排放，因为干湿交替使得硝化和反硝化作用交替进行，而且干湿交替还能抑制反硝化过程N2O的进一步还原。稻季排放的N2O大部分是在中期烤田和覆水前期发生的。稻田N2O排放也会随着土壤质地等物理性质变化而变化，但却没有明确的关系。土壤pH值也会影响N2O的排放，反硝化速率通常会伴随着pH增加而增加，最佳值大约为7.0-8.0，同样自养硝化细菌在中性或略碱性的pH范围内生长和代谢活动最为旺盛。对于温度而言，在20-40℃范围之内，硝化和反硝化作用产生N2O的量随着温度升高而快速增加。3--稻田CH4和N2O排放的时空变化规律稻田生态系统CH4和N2O的排放存在高度的时间和空间变化。由于温度的变异会导致稻田CH4产生和传输速率发生变化，一天之中CH4排放通量通常会随着土壤表层温度的变化而变化,并在下午14：00-18：00内达到排放峰值，而夜间排放量低。通常情况下，午后的高温会促进有机物质降解以及蒸腾和呼吸作用，前者为产甲烷菌提供了丰富的底物，后者则推动了CH4从土壤进入大气的进程。稻田CH4的昼夜变化也与天气条件密切相关，往往在阴雨天内表现出无规律性和随机性。不同类型稻田CH4排放的季节变化规律差异较大。早稻季前15天CH4平均排放通量大约是季节平均排放通量的0.6倍，随后季节波动较小，接近季节通量的平均值。晚稻在水稻移栽后10天左右排放通量即达到峰值，前15天内的平均排放通量约是季节平均通量值的2倍。随后，CH4排放通量迅速降低，在水稻生长后半期的排放量基本为0。对于单季稻，水稻移栽后CH4排放通量逐渐增高，大约在50天后达到排放峰值，随后逐渐减少。这种季节排放特征主要与稻季及上一季土壤水分状况和稻季的温度状况有关。稻田CH4排放在田块、区域以及国家尺度上同样具有较大的变异。我国稻田CH4的排放大约在0.3-205g/m2/yr之间。其中，11月至3月稻田土壤水分的空间变异是导致我国CH4排放量空间变异最关键的因素。由于N2O的产生和土壤氮素有效性以及土壤湿度密切相关，稻田N2O的排放往往是零散和脉冲式的。只有在土壤水分状况比较稳定，天气持续晴朗以及田间较长时间未施肥的条件下，N2O排放的才会表现出明显的昼夜变化规律。理想状况下稻田N2O排放随着温度的变化而变化，大约在下午13：00-17：00之间达到排放峰值，并且往往在夜间排放速率较低。稻田N2O排放的空间和季节变化取决于土壤水分管理以及施肥与否。水稻持续淹水期N2O的排放通量很低，即使是在施用过基肥以后。伴随着中期烤田的开始，N2O的排放通量迅速增加并在烤田三天后达到峰值。随后排放量逐渐降低，后期追肥以及间歇灌溉又会刺激N2O排放。我国稻田N2O季节排放量在空间上存在着巨大差异(0-6.2kgNha-1)。CH4和N2O的产生过程对土壤水分的不同响应机制导致其排放存在此消彼长(trade-off)的关系。在水稻持续淹水期，有大量CH4排放，却基本检测不到明显的N2O排放。伴随着中期烤田，CH4的产生受到抑制，而N2O却有大量排放。明确稻田CH4和N2O排放相互消长的规律对于合理评价减排措施的效果具有重要意义。4--我国稻田CH4和N2O排放总量的估算作为世界上最大的水稻生产国，其稻田CH4排放总量的估算至关重要。最早的估算是在1991年，Khalil等利用成都市一块稻田两年的CH4观测数据外推到整个中国得出我国稻田CH4排放量约为30TgCH4yr-1(1Tg=1×1012g)。随后，Wassmann等利用杭州市稻田CH4的测定结果推算出总排放量在18-28TgCH4y-1之间。姚亨等利用10个农业气候区中6个代表性观测点的数据推算出稻田CH4排放总量大约在15.3TgCH4yr-1。蔡祖聪同时考虑有机肥以及水分管理的影响，估算这个数值大约为8.5TgCH4yr-1。颜晓元等通过收集23个实验点204个处理的观测数据并考虑有机肥和水分管理的综合作用，估算结果为7.67TgCH4yr-1。为了估算稻田CH4排放，国内外相继开发了多种过程模型。曹明奎等利用MEM模型估算出我国稻田CH4总排放量为16.2Tgyr-1.黄耀等人综合考虑光合作用、有机质降解以及环境因素得出CH4总排量约为9.66TgCH4yr-1。Matthews基于水稻生长模拟模型并考虑农作物管理以及气候土壤因素，估算我国稻田CH4排放量在7.22-8.64TgCH4yr–1之间。近期，颜晓元等人利用IPCC(IntergovermentalPanelonClimateChange，政府间气候变化专门委员会)计算区域稻田CH4排放的方法估算出全球稻田CH4总排放量为25.6TgCH4yr-1，其中中国稻田排放量为7.68TgCH4yr-1,约占世界总排放的30%（图3）。综合考虑不同估算方法结果，中国稻田CH4实际排放量应该在8TgCH4yr-1左右。我国稻田N2O排放量的估算同样备受关注。邢光熹将我国稻田分为五个区域并利用已有的田间观测结果估算出我国每年稻田N2O的总排放量为35.6GgN(1Gg=1×109g)。陈冠雄等通过建立稻田N2O排放通量与施肥量、累计气温、土壤C/N值之间的关系，推算排放量约为37.5GgNyr-1。郑循华等通过采用蒙特卡洛随机数方法校正N2O排放系数并进一步结合作物种植制度等信息估算出我国稻田N2O总排量为50GgNyr-1。邹建文等将全国水稻按照水分管理划分并结合N2O排放系数计算结果为29GgNyr-1。目前，稻田N2O的估算还具有较大的不确定性，原因之一是不同省份稻田有机肥施用信息不明确。5--我国稻田温室气体的减排对策就稻田CH4减排而言，合理的水分管理措施以及有机肥施用方式尤为重要。相比于稻田持续淹灌，中期烤田能够显著抑制稻田CH4排放。减排的效果取决于烤田时间、程度以及次数。中期烤田会促进稻田N2O