干旱區(qū)水稻田溫室氣體排放特征

李東麗， 何秉宇,2*， 王志強， 汪溪遠,2， 劉素紅

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046； 2.綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046； 3.北京師范大學 地理學部， 北京 100875)

自進入工業(yè)時代以來，受人類活動強度、廣度的影響，人為溫室氣體排放量一直在增加，現(xiàn)在的排放量已達到一個新的水平。導致大氣中二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)等溫室氣體的濃度達到了至少在過去80萬年中前所未有的水平[1]。甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體。有資料表明人類排放的溫室氣體中約20%是甲烷[2]。大氣中甲烷的濃度正以每年0.3%的速度增加[3]。甲烷的增溫潛勢(GWP)為21[4]，且壽命較短(約9 a)，二氧化碳較長(約100 a)，因此，減少甲烷的排放，將對全球變暖潛力產生迅速而顯著的影響。

農業(yè)生產活動排放的甲烷占全球人為甲烷排放的52%[5]。稻田甲烷排放被認為是人類活動引起大氣甲烷濃度增加的重要原因，因此，水稻種植作為主要的農業(yè)甲烷排放源倍受世界的關注。2005年我國水稻種植排放甲烷793萬t，占總甲烷排放量的17.84%；2012年水稻種植排放甲烷845.8萬t，占總排放量的15.12%[6]。稻田排放的溫室氣體又會導致雙重負效應，造成更高的排放量與更低的水稻產量[7]。

灌溉稻田為甲烷的排放提供了有利條件，稻田中的積水改變了土壤的氧化還原電位，從而影響有機質的分解[8-9]，甲烷的排放主要受以下因素的影響：微生物群落、積水深度、甲烷在植物與土壤中的擴散。這些因素又因為溫度、土壤性質、太陽輻射等環(huán)境條件的細小改變發(fā)生變化，最終都會影響甲烷的排放。Koyama等[10]在1963年首次發(fā)表稻田甲烷排放的相關研究，隨后各地開始展開稻田甲烷排放影響因素及排放通量的研究。Krüger等[11-12]研究表明,甲烷排放表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，排放速率與氣溫、土壤溫度相關。但是Maris等[13]研究表明,甲烷排放與溫度不相關，水稻植株結構的變化是抽穗后甲烷排放量增加的原因。在中國南方田間實驗，通過遮陰處理攔截太陽輻射，改變了水稻根系形態(tài)，表明遮陰與蒸騰速率也有顯著的交互影響[14]，遮陰明顯降低了稻田甲烷的排放[15]。

新疆深居內陸，遠離海洋，濕潤的海洋氣流難以進入，形成了極端干燥的大陸性氣候，年蒸發(fā)量遠大于降水量，是西北干旱區(qū)的重要組成部分。新疆有著悠久的水稻種植歷史[16]，目前新疆水稻種植面積每年穩(wěn)定在8萬hm2左右，產量約7萬t[17]。但干旱區(qū)稻田甲烷排放的研究少見于公開報道。本文以烏魯木齊市米東區(qū)稻田為研究對象，根據水稻生長特點，設計甲烷排放測試方案，分析干旱區(qū)稻田甲烷排放特征。

1 材料與方法

1.1 實驗區(qū)概況

本研究區(qū)設在新疆烏魯木齊市米東區(qū)三道壩鎮(zhèn)(原米泉縣三道壩鎮(zhèn))，當?shù)貙贉貛Т箨懶詺夂?，夏季炎熱，冬季寒冷。氣溫日差大[18-20]、日照豐富、年輻射總值高[21]。干燥少雨，蒸發(fā)旺盛，年降水量218 mm，年潛在蒸發(fā)量1 800 mm，經計算相對濕潤度為-0.88，根據相對濕潤度干旱等級劃分標準，屬于重度干旱[22]。月平均氣溫23.7～-12.6 ℃，最熱月平均氣溫約26 ℃，最冷月平均氣溫約-14 ℃左右，年日照時數(shù)2 813.5 h，年無霜期166 d。

1.2 處理設計

本次實驗選擇在新疆烏魯木齊市米東區(qū)的稻區(qū)分2期進行，第一期在2019年水稻生長季進行，第二期在2020年水稻生長季進行，本次實驗數(shù)據基于第二期實驗結果。實驗地選取常年種植水稻的農田，北側水稻地為1號地(#1)，每次灌溉水深15 cm(較深)。南側的水稻地為2號地(#2)，作為對照組進行常規(guī)灌溉，田間水位維持在5～10 cm。實驗地的其他管理措施一致。實驗中每次采樣前記錄田間積水深度。供試水稻品種為早稻11，是當?shù)爻Ｒ?guī)稻種，2020年5月10日移栽(株距×行距=16.5 cm×28.5 cm)，每穴2～4株，2020年10月10日收獲，一年一熟。前一年水稻收獲后翻耕，在移栽前再次翻耕，泡田。

實驗采用靜態(tài)箱法采集氣體。本研究使用的靜態(tài)箱為透明有機玻璃定制而成，箱高140 cm，底面積961.625 cm2(d=35 cm)，壁厚5 mm。在箱頂安裝風扇用于混勻氣體，安裝側桿閥用于采樣，打孔安裝溫度計探頭。在水稻生長季選取代表性生長期進行采樣，本實驗選取分蘗期(6月14日)、抽穗期(7月26日)、黃熟期(9月24日)進行稻田甲烷排放日變化采樣。采樣時間為6:00—18:00，每2 h采樣1次并采集重復樣。采樣時將靜態(tài)箱密封，確保不與外界氣體發(fā)生交換，密封后打開風扇，插入溫度計，連接采樣泵與閥門，用采樣泵將氣體導入氣袋中，每15 min采樣1次，從密封完畢開始計時，即密封完畢的0、15、30、45、60 min抽取箱內氣體。

1.3 氣體分析與通量計算

氣體中甲烷濃度采用帶有氫火焰離子化檢測器(FID)的GC-2014C型氣相色譜儀檢測(數(shù)據由中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所測得)，通過對每組的5個樣品甲烷濃度與對應的采樣時間間隔進行線性回歸可得甲烷濃度變化率，并根據以下公式算出甲烷排放通量。

式中:F為甲烷排放通量(mg·m-2·h-1)；P為箱內平均氣壓，取1.013 5×105Pa；T為箱內平均氣溫(℃)；R為普適氣體常數(shù)(8.314 41 J·mol-1·K-1)；μ為甲烷摩爾質量(16.123 g·mol-1)；H為通量箱有效高度(cm)；dc/dt為箱內甲烷濃度隨時間的變化率。

1.4 溫度的測定

采樣時用電子溫度計(DBL-902c，測溫范圍為-50～1 300 ℃，測量精確度為0.1 ℃)、水銀溫度計(飛洋儀表有限公司，測溫范圍為-30～50 ℃，測量精確度為0.2 ℃)記錄箱內溫度、空氣溫度、土壤5 cm處溫度。

2 結果與分析

2.1 水稻田甲烷排放特征

2.1.1 淺積水稻田甲烷排放特征

由圖1可知，在淺積水(1～3 cm)狀態(tài)下，水稻不同生長期甲烷排放有相似的規(guī)律，甲烷排放呈單峰模態(tài)。由圖1中a可知，分蘗期#2隨著氣溫的升高，甲烷排放通量逐漸增大，在13:00—14:00，甲烷排放通量達到最大值29.655 mg·m-2·h-1，隨后甲烷排放通量迅速降低。由圖1中b可知，抽穗期#1甲烷排放通量隨氣溫逐漸增大，在17:00—18:00，甲烷排放通量增至最大，為0.798 mg·m-2·h-1，在18:00后甲烷排放通量迅速降低。在不同生長期土壤溫度變化模態(tài)與氣溫相同，皆是單峰模態(tài)。在分蘗期氣溫與土壤溫度相近，在抽穗期氣溫與土壤溫度相差較大。

由圖1可知，在淺積水條件下，水稻不同生長期在早上7:00甲烷排放通量最低，隨著溫度的升高，甲烷排放通量增大，排放通量最大值常伴隨著最高溫的出現(xiàn)。下午的甲烷排放通量大于上午。

2.1.2 深積水稻田甲烷排放特征

由圖2可知，在深積水(>6 cm)狀態(tài)下，甲烷排放變化規(guī)律較為不同。分蘗期#1在6:00—14:00甲烷排放通量隨溫度變化沒有明顯變化，在15:00—16:00，甲烷排放通量達到最大值14.880 mg·m-2·h-1。隨后甲烷排放通量迅速降低。在抽穗期#2甲烷排放峰值出現(xiàn)在11:00—12:00，最大排放通量為0.428 mg·m-2·h-1；在13:00—18:00甲烷排放通量變化不明顯，在18:00—19:00甲烷排放通量迅速降低。在圖2中，氣溫與土壤溫度皆是單峰模態(tài)，抽穗期氣溫與土壤溫度較分蘗期相比相差較大。

圖2 深積水稻田甲烷排放日變化

在深積水時，甲烷排放通量與氣溫、土壤溫度沒有顯著的關系，甲烷排放峰值具有不確定性，甲烷排放變化較為雜亂。

2.1.3 無積水稻田甲烷排放特征分析

由圖3可知，當?shù)咎餆o積水時，#1、#2甲烷排放變化規(guī)律相似。在7:00—8:00氣溫低于土壤溫度，隨后氣溫迅速升高，土壤溫度上升緩慢，14:00氣溫與土壤溫度皆達到最高，在14:00后氣溫迅速下降。在黃熟期當?shù)咎餆o積水時，#1、#2在7:00—12:00呈現(xiàn)甲烷吸收的現(xiàn)象，當氣溫升至最高溫時，2塊地同時排放甲烷，隨著溫度的降低，甲烷排放通量又迅速降低。

圖3 無積水稻田甲烷排放通量日變化

在稻田無積水時，稻田有明顯的甲烷吸收現(xiàn)象，甲烷吸收量基本能夠抵消甲烷的排放量。

2.2 水稻不同生長期稻田甲烷排放通量與積水深度特征分析

由圖4可知，水稻分蘗期#1水深6 cm，甲烷平均排放通量為(14.880±1.901)mg·m-2·h-1；#2水深3 cm，甲烷平均排放通量(29.655±7.214)mg·m-2·h-1，積水較深的#1甲烷排放通量小于積水較淺的#2。圖5顯示抽穗期#1水深2 cm，甲烷平均排放通量(0.798±0.134)mg·m-2·h-1，#2水深8 cm，甲烷平均排放通量(0.428±0.141)mg·m-2·h-1，積水較深的#2甲烷排放通量小于積水較淺的#1。圖6可以看出，黃熟期稻田無積水，2塊地的甲烷平均排放通量相近，#1、#2甲烷平均排放通量分別為(0.123±0.016)、(-0.101±0.017)mg·m-2·h-1，甲烷排放變化規(guī)律相似。

圖4 分蘗期稻田甲烷排放通量與積水深度

圖5 抽穗期稻田甲烷排放通量與積水深度

圖6 黃熟期稻田甲烷排放通量與積水深度

在水稻分蘗期的#1、抽穗期的#2，2塊地都積水較深而甲烷平均排放通量更小。水稻黃熟期2塊地都無積水，甲烷平均排放通量相近，這說明積水深度是甲烷排放通量的重要影響因素。

3 討論

3.1 環(huán)境因素與甲烷排放

3.1.1 氣溫

觀測數(shù)據表明，當積水較淺時，靶區(qū)甲烷排放峰值多出現(xiàn)在13:00之后，在中國其他地區(qū)的研究中曾在早上或晚上出現(xiàn)排放峰值[23]不同，這可能與氣候、水稻品種有關。白天陽光強烈，氣溫較高，植物為了防止體內水分蒸發(fā)關閉了氣孔，從而阻止甲烷向大氣傳輸；到了晚上，溫度下降，水稻葉莖的氣孔重新打開，出現(xiàn)了甲烷排放的峰值。本研究甲烷排放峰值多出現(xiàn)在13:00以后，上午7:00甲烷排放通量最小，這與在江蘇、廣東的研究結果相同[24-25]，這種下午排放通量大于上午的形式，具有一定的普遍性。造成這一現(xiàn)象的原因是由于下午氣溫高促使甲烷排放路徑的改善。氣溫較高時，水稻的呼吸作用與蒸騰作用較強，促進了植物體向大氣排放甲烷[12,26]。但是江蘇、廣東的研究直到17:00靶區(qū)仍有排放峰值的出現(xiàn)，這可能是由于靶區(qū)氣候不同而導致的。靶區(qū)白天日照強烈，日照時數(shù)長。清晨氣溫隨時間迅速升高，下午能夠維持長時間的高溫狀態(tài)，產甲烷細菌適宜溫度是30～40 ℃[27]，長時間的高溫狀態(tài)使甲烷菌活性升高，甲烷的排放速率在稍后的時間呈現(xiàn)峰值。

分蘗期的#1號地與抽穗期的#2號地積水較深，甲烷排放隨氣溫變化不明顯，黃熟期甲烷排放規(guī)律也稍顯雜亂無章。這說明在積水較深時(>6 cm)，溫度不再是影響甲烷排放的主導因素。

3.1.2 土壤溫度

稻田甲烷排放與土壤溫度有著密切的聯(lián)系[8,28-30]，在意大利稻田研究顯示，甲烷通量在不同季節(jié)與土壤溫度相關性最強的土層不同，不同月份相關性最強為：5月和6月為淺層(1～5 cm)，6月和7月為深層(10～15 cm)，8月為淺層(1～5 cm)[31]。在意大利的其他觀測顯示，甲烷排放與土壤5 cm溫度相關[12]。當土壤溫度在25～30 ℃，甲烷排放通量會成倍增加[32]。本研究表明，土壤5 cm溫度變化趨勢與氣溫變化趨勢基本一致。在水稻生長前期，除了抽穗期#2甲烷排放通量與土壤溫度無顯著關系(這可能是積水較深，起了主導作用)，其他觀測都顯示甲烷排放通量峰值往往是在土壤表層最高溫后出現(xiàn)。但是全天的排放趨勢并不是嚴格一致的，兩者不一致的原因經初步分析可能是土壤和水層都在響應氣溫的同時又起到了一定緩沖作用，所以，溫度與甲烷排放之間存在相位差，并且當土壤表層達到最適宜溫度時，空氣溫度較高，較高的氣溫會改變甲烷排放路徑[33]。本研究的水稻生長后期甲烷排放與土壤溫度沒有明顯關系，這個時期甲烷排放受溫度影響不大。

3.1.3 田間積水深度

土壤水分狀況和灌溉制度對稻田甲烷排放起著至關重要的影響[8]。不同的土壤含水率影響著土壤Eh值，進而影響甲烷的排放，長期淹水降低Eh值，促進甲烷的排放。李道西等[24-25]對淹水稻田的研究表明，淹水稻田甲烷排放的日變化雜亂無章，在一天中排放峰值的出現(xiàn)表現(xiàn)為隨機性，這與本研究相似。在分蘗期的#2、抽穗期的#1都是積水較深的，數(shù)據表明，這2組的甲烷排放通量并不是嚴格隨著氣溫、土壤表層溫度變化而變化。

產甲烷細菌適宜溫度是30～40 ℃，最適溫度為35～37 ℃[27]。溫度的快速升高增加了產甲烷菌的活性，有利于有機質分解，加快土壤中微生物的活動，使得甲烷產率升高。較深的積水使得土壤表層溫度上升緩慢，對氣溫的升高起到了緩沖作用[33]。同時，較深的積水使甲烷在氣泡、液相2條傳輸途徑中擴散速率減慢。長時間的深水環(huán)境降低了根系對甲烷的吸收傳輸能力。這可能是本研究中較深積水出現(xiàn)較少甲烷排放的原因。這與Wang等[34-36]的研究結果相同，積水過深反而使甲烷排放減少。

在本研究中，同一生長期積水較淺(2～3 cm)的情況下甲烷排放速率較大，這主要是因為較淺的積水形成厭氧環(huán)境的同時又利于甲烷在液相中以氣泡的形式傳輸。當?shù)咎锝咏? cm水位時，土壤水分減少，土質松軟且有良好的透氣性，能夠明顯的抑制甲烷排放[37]。

分蘗期的#1、抽穗期的#2水深分別為6 cm、8 cm，但是甲烷平均排放速率相差較大。分蘗期的#2、抽穗期的#1積水深度分別為3 cm、2 cm，甲烷平均排放速率相差大，這說明水稻生長季甲烷排放的季節(jié)變化與積水深度無關。在黃熟期稻田甲烷排放速率#1為(0.123±0.016)mg·m-2·h-1，#2為(-0.101±0.017)mg·m-2·h-1，在這一時期稻田土壤對大氣甲烷吸收明顯。黃熟期后不再灌水，導致田間土壤含水量大大降低，土地出現(xiàn)細小裂縫，產甲烷菌數(shù)量隨季節(jié)變化不大[38-39]，但是田間裂縫破壞了厭氧環(huán)境，降低了產甲烷菌的活性，而微生物消耗土壤中甲烷的能力主要受氣體傳輸?shù)挠绊慬40]，土壤良好的透氣性使得甲烷吸收增加。黃熟期水稻根系不再像分蘗期、抽穗期那樣具有活力，部分開始腐爛，土壤中腐爛的基質又導致會有部分甲烷排放。周圍細微環(huán)境因素的改變影響了稻田甲烷的排放或吸收，這就表現(xiàn)為在黃熟期甲烷排放速率有正有負。在其他地區(qū)有與本實驗結果相似的研究[41]，但是甲烷負通量不如本研究明顯。這主要是因為土壤水分不同導致的，靶區(qū)氣候干燥、降雨少，當田間不再灌水，土壤水分迅速減少，不會經常出現(xiàn)時干時濕的狀況，土壤能夠保持較干燥的狀態(tài)，維持良好的透氣性。

3.2 水稻不同生長期與甲烷排放

稻田甲烷的排放是由土壤甲烷產生、再氧化、排放傳輸3部分組成[42]。稻田甲烷產生是有機物質在厭氧細菌作用下逐漸分解成一些簡單的小分子化合物，進一步被產甲烷細菌轉化成甲烷[25]。甲烷的氧化被甲烷好氧氧化菌催化。甲烷有2種氧化菌，一種是在甲烷高混合比情況下氧化甲烷，另一種是在甲烷低混合比情況下氧化甲烷。在淹水狀態(tài)下，只有在水土交界面的土壤有氧層與根圍氧化膜存在氧氣，當排水曬田時，甲烷的氧化作用較強。甲烷通過3種方式排放，水稻植物體的內部組織、冒氣泡、水中液相擴散。大部分甲烷是通過植物體內部組織排放的[42]，植株根系周圍土壤水溶液中的甲烷被根系吸收，進入根部孔隙，然后傳輸?shù)街仓陜炔客饨M織，由植株地上各部位排放到大氣中[43-45]。整個水稻生長期通過植株排放的甲烷占甲烷總排放量的90%[46]。通過植物體排放甲烷隨季節(jié)變化而變化[42]，通過田間實驗表明，分蘗期#1平均排放速率為(14.880±1.901)mg·m-2·h-1,#2平均排放速率為(29.655±7.214)mg·m-2·h-1，遠高于抽穗期與黃熟期，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，這與之前的一些觀測結果相同[24,28,47-48]。這主要是由于在生長季前期土壤中易分解的有機質為甲烷細菌提供了豐富的碳源，土壤中的甲烷濃度較高，形成了一個排放高峰。在黃熟期甲烷排放量降低是由于生長后期水稻根系衰老，甲烷從土壤中向根內的擴散速度減慢所致[48]。

4 小結

稻田甲烷排放在水稻的生長期有較明顯的日變化、季節(jié)變化規(guī)律。在水稻生長期的前、中期(分蘗期與成熟期)，積水不深(<6 cm)的情況下，日變化與氣溫變化呈現(xiàn)顯著的正相關，在一天內的變化較為有規(guī)律，下午甲烷排放速率較大。在生長季的后期(黃熟期)，稻田監(jiān)測數(shù)據顯示有甲烷吸收，一天之中甲烷排放速率變化較大。這說明在進行稻田甲烷排放通量季節(jié)變化研究時，在后期的采樣中通過選擇某個時間段采樣推算一天的排放量來計算季節(jié)排放量會與實際的排放值存在較大誤差，現(xiàn)在的研究基本整個生長季都是在一個固定時間采樣，顯然這是不合適的，應該根據生長期調整采樣時間。本實驗缺乏夜間觀測記錄，無法獲得稻田甲烷排放夜間變化規(guī)律，這是整個實驗的不足之處。

稻田甲烷排放速率受積水深度的影響顯著。當積水較深(>6 cm)時甲烷排放明顯減少，積水較淺(2～3 cm)時甲烷排放通量明顯增大，當積水接近0 cm時甲烷排放又會明顯減少。因此，為了減少稻田甲烷排放，在不降低水稻產量和品質的前提下，稻田灌溉中應該盡量避免較淺水位，從而減少稻田甲烷排放量。

在水稻生長季節(jié)變化中，生長季前期甲烷排放量遠大于生長季后期。在實驗研究中，應當在生長季前期加密采樣次數(shù)，便于掌握排放特征。