甲烷排放对全球气候变化的影响

全球变化(GlobalChange)全球环境变化•大气温室气体浓度增加•臭氧层破坏•有毒有害化学物质污染•海洋污染•生物多样性损失•生态环境恶化全球气候变化•全球变暖•降水量增加•暴雨事件增加•云量增加•低温事件减少•厄尔尼诺事件增加•干旱和过湿地区增加•干旱事件增加人类活动引起的全球尺度上的变化温室气体H2O、CO2、CH4、N2O、O3、氯氟烷烃类温室效应气体，简称温室气体，是指大气中存在的能吸收红外辐射并对大气有加热效果的所有气体的总称，它们是：作为全球气候变暖原因的温室气体，主要指人类活动所增加的气体成分：CO2、CH4、N2O、对流层O3、氯氟烷烃类。这也是人类能够主动控制的部分。1984年以来大气CH4浓度变化1984年以来大气CH4浓度年变化率土壤甲烷排放•大气CH4的源和汇•土壤CH4的基本过程–生成–氧化–传输•影响土壤CH4排放的主要因素•土壤CH4排放的测定方法大气CH4源和汇（TgCH4/年）来源年代Fungetal(1991)1980sHeinetal(1997)Lelieveldetal(1998)1992Houwelingetal(1999)Mosieretal(1998)1994Olivieretal(1999)1990Caoetal(1998)SAR1980sTAR1990s自然源湿地115237225B14592蚁穴20-2020海洋10-1515Hydrates5-10-人为源能源759711089109垃圾填埋4035407336反刍动物8090A115938093A废物处理-A25-14A水稻生产10088B-25-546053生物燃烧554040403423其它---2015总源500587600597598注：A，反刍动物与废物处理之和；B，湿地与水稻生产之和废弃的热带蚁穴，高4米030609012015018021024027030019601965197019751980198519901995200020052010年份甲烷排放量(Tg)YearCH4emission(Tg/yr)EstimatedCH4emissionsfromricefieldsintheworldIPCC,1992Globalsource:598Tg/yr(IPCC,TAR)1963我国稻田CH4排放量估算文献估算方法CH4排放量(TgCH4/yr)Khaliletal.(1991)Extrapolatedwithmeasuredfluxof50mgCH4m-1h-130BacheletandNeue(1993)5%ofnetprimaryproductivity(NPP)30%ofCinputsadjustedforsoil30%ofCinput0.5gCH4m-2day-113.4614.7121.3221.6Wassmannetal.(1993)Extrapolatedwithmeasuredfluxes18-28Wangetal.(1994)RegionalEmissionfactors152Bacheletetal.(1995)5%ofnetprimaryproductivity(NPP)RegressionequationusingC,Ninputandtemperature30%ofCinput6.7910.4716.0Kernetal.(1995)RegressionequationusingC,Ninputandtemperature9.97我国稻田CH4排放量估算文献估算方法CH4排放量(TgCH4/yr)Caoetal.(1995)Process-basedmethaneemissionmodel16.2Yaoetal.(1996)Regionalemissionfactors15.3Kernetal.(1997)RegressionequationusingC,NandC/Nratio9.93.0Cai(1997)ClassifyingricefieldsbasedonwaterregimeandorganicCinput8.053.68Huangetal.(1998)Empiricalmodel7.19-13.62Sassetal.(1999)Fromreviewingreportedestimates9.7-16.2Matthewsetal.(2000)Process-basedMethaneEmissionsfromRiceEcoSystems(MERES)model3.73Lietal.(2002a)Process-basedmodelconsideringclimate,watermanagement,organicinput,etc9.67-12.66Yanetal.(2003)Region-specificCH4emissionfactors7.67EstimatedCH4emissionsfromricefieldsinChinaYearCH4emission(Tg/yr)HangzhouSichuan土壤CH4的基本过程-CH4生成CH4生成的条件–强烈的还原条件（Eh-150mV)-淹水和渍水土壤–产甲烷菌的存在–产甲烷前体的存在：CO2、甲醇、甲胺、乙酸等–适宜的温度土壤CH4氧化•土壤CH4氧化是一个微生物过程，只有在甲烷氧化菌的参与下才能进行。根据CH4来源和浓度不同可以区分成：–内源CH4氧化–大气CH4氧化土壤内源CH4氧化•CH4生成于体系（垃圾填埋场）或土壤内部（厌气区域），CH4浓度高，但浓度变化大（如稻田）•CH4氧化发生的区域：界面（水土、气土、根土）和其它好气区域•参与内源CH4氧化的甲烷氧化菌为一类对甲烷亲和力低，但氧化速率大的细菌•在稻田土壤中，CH4氧化占生成量的50-90%，随水稻生长期而有很大的不同不同生态系统类型对CH4的吸收或排放（mg/m2/h)吸收大气CH4的系统排放CH4的系统生态类型CH4吸收生态类型CH4吸收生态类型CH4吸收山地草甸1.2温带森林0.12-3.84稻田1-60沼泽干季0.7-50寒温带森林0.2-3.5沼泽0-7.1草地0.14-1.46红松林1.88-4.08泥碳地0.03-8.33热带森林0.14-0.58旱耕农地0.08间歇淹水旱地0-0.9亚热带森林1.25苔原0.6-1.2淡水域0-4.17我国好气土壤对大气CH4的吸收利用类型CH4吸收速率(kgCH4ha-1y-1)年吸收量(GgCH4y-1)最小值最大值平均值草地1.866.743.391.54(10)a)1624737森林2.537.804.941.56(21)603190农田1.56b)223全部2450a)thenumberoffieldmeasurementscollectedfromliteratureb)citedfromQietal.,2002土壤CH4传输•土壤CH4传输的主要途径–植株–气泡–扩散•在稻田中，平均约80%的CH4通过水稻植株传输稻田中CH4的生成、氧化和传输过程Eur.J.SoilBiol.37(2001):25-50土壤CH4排放（吸收）的特点•时间变化大–日变化–季节变化–年际变化•空间变化大影响土壤CH4排放（吸收）的主要因素•生物气候因素•土壤因素•人为因素生物气候因素-温度•CH4生成的最佳温度：30-35C•CH4氧化的最佳温度：30-35C•CH4生成对温度的敏感性大于CH4氧化。CH4生成的Q10约为4.6。在温度低于1C仍能观察到CH4氧化•最佳温度与生态系统的环境温度有关，寒冷地区的土壤最佳温度低于暖热地区的最佳温度土壤因素•土壤类型•Eh•有机质含量和性质•pH•质地•Fe、Mn、NO3-、SO42-等氧化物含量人为因素•土壤利用–水田–旱地•稻田水分管理•施肥•农药等•水稻品种水分和有机肥施用对我国稻田CH4排放量的影响(mgCH4/m2/h)施肥水分类型间歇灌溉连续灌溉常年淹水平均化肥2.688.0317.034.66堆肥15t7.199.25--7.60新鲜有机肥18.74--38.5424.02堆肥15t13.8115.5666.9625.85平均9.6711.5652.75KangandCai.NCA,2002我国稻田CH4排放量的空间变化及其关键控制因素020406080100封丘南京长沙鹰潭CHCH4emission,g/m2苏州广州句容203040506070冬季土壤水分，%WFPSY=0.2846e0.0861xR2=0.885IPCC划分的水稻水分类型•灌溉稻田（进一步划分非水稻生长期淹水时间）–连续灌溉–间歇灌溉-一次排水–间歇灌溉-多次排水•雨养稻田–淹水为主–干燥为主•深水稻田–水深50-100cm–水深100cmIPCC排放清单指南对稻田CH4部分的历次修改情况★★★★★★★★2006GL2006GL★★★★★★GPG2000GPG2000★★1996GL1996GLSFforpreSFforpre--seasonseasonwaterwaterregimeregimeSFforsoilSFforsoiltypestypesSFforSFfororganicorganicamendmeamendmentsntsSFforSFforwaterwaterregimeregimeIPCCReportIPCCReport★★★★★★★★2006GL2006GL★★★★★★GPG2000GPG2000★★1996GL1996GLSFforpreSFforpre--seasonseasonwaterwaterregimeregimeSFforsoilSFforsoiltypestypesSFforSFfororganicorganicamendmeamendmentsntsSFforSFforwaterwaterregimeregimeIPCCReportIPCCReport引自LeandroBuendia,TechnicalSupportUnit,IPCC-NGGIP水稻种植前土壤水分的缺省系数引自2006IPCC国家温室气体排放清单编制指南氮肥对CH4氧化的影响•铵态氮肥抵制CH4氧化–对于CH4排放土壤，增加排放量–对于氧化大气CH4的土壤，减少土壤对大气CH4的吸收•在有效氮素缺乏的自然土壤在一定范围内促进CH4氧化•铵态氮肥抑制CH4氧化的特点–瞬时的抑制作用（稻田、其它旱作土壤）–长时效的抑制作用（铵态氮消失后，抑制作用继续存在，可以长达10余年，只在旱作土壤发生）铵态氮抑制CH4氧化的机理•竞争机制–NH4+竞争甲烷单氧化酶•亚硝酸盐的毒害作用–铵态氮硝化过程中生成NO2-，对甲烷氧化菌产生毒害作用•溶质效应（盐效应）•影响微生物群落