成都地區(qū)稻田CH4 和N2O 排放特征研究

王麗坤

（四川省核地質(zhì)調(diào)查研究所 四川 成都 610061）

引言

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是我國(guó)向國(guó)際社會(huì)做出的莊嚴(yán)承諾，是推動(dòng)我國(guó)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求。目前中國(guó)農(nóng)業(yè)排放約占二氧化碳當(dāng)量（CO2eq）排放總量的5.4%，其中水稻種植約占農(nóng)業(yè)CO2eq排放總量的16%[1]。稻田CH4和N2O 排放是農(nóng)業(yè)溫室氣體的主要來(lái)源之一，稻田的CH4和N2O排放分別占全球CH4和N2O 排放總量的20%和25%～35%[2]，故稻田CH4和N2O 排放是農(nóng)田溫室氣體減排研究的重點(diǎn)。

水稻作為四川省成都平原主要的糧食作物，研究成都平原主要水稻品種的溫室氣體排放特征，對(duì)探究農(nóng)業(yè)減排固碳具有巨大的促進(jìn)作用。本文針對(duì)成都平原當(dāng)?shù)刂饕茝V種植的水稻種植品種，利用靜態(tài)箱法和氣相色譜分析法，監(jiān)測(cè)水稻生長(zhǎng)期內(nèi)，稻田的溫室氣體排放情況，研究稻田CH4和N2O 排放特征，為進(jìn)一步的農(nóng)業(yè)減排固碳提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于四川省成都市崇州市隆興鎮(zhèn)順江村高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田（30°34'N，103°38'E），位于岷江中上游川西平原西部，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，春秋短，冬夏長(zhǎng)，雨量充沛，日照偏少，年平均氣溫16.1℃，年平均日照時(shí)數(shù)為994.9h，年平均降雨量1011.3mm，年平均無(wú)霜期282d。

試驗(yàn)區(qū)選取“宜香優(yōu)2115”秈稻品種為試驗(yàn)材料，該品種水稻為四川省2023 年唯一入選農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的《國(guó)家農(nóng)作物優(yōu)良品種推廣目錄》骨干型品種，具有抗旱、抗病性好等特點(diǎn)，在四川省境內(nèi)大面積推廣。本試驗(yàn)區(qū)土壤為水稻土，實(shí)行稻油輪作的種植制度，油菜秸稈會(huì)翻耕還田。

1.2 觀測(cè)方法

試驗(yàn)田溫室氣體利用靜態(tài)箱法進(jìn)行采集，采樣箱體為不銹鋼材質(zhì)，分為采樣底箱、采樣中箱和采樣頂箱，采樣底箱在水稻生長(zhǎng)期內(nèi)大部分箱體固定埋入稻田里，采樣中箱和采樣頂箱外側(cè)包裹保溫材料以避免外界溫度干擾，采樣頂箱內(nèi)裝有微型風(fēng)扇、溫度探頭和輸氣管。采樣時(shí)，采樣頂箱罩于采樣底箱上，用水封法隔絕外界空氣與箱內(nèi)部氣體交換。作物生長(zhǎng)中后期，因作物高度增加，采樣時(shí)需加入采樣中箱以增加箱體高度。

試驗(yàn)田設(shè)置2 個(gè)采樣重復(fù)，采樣開(kāi)始于水稻移栽后第3d，每周采樣1 次，采樣時(shí)間為無(wú)雨天氣的8:30～12:30，每個(gè)采樣點(diǎn)采集氣樣4 袋，采樣間隔7～10min，氣樣儲(chǔ)存于鋁箔氣袋中，樣品量為60mL。

1.3 排放通量

氣體分析采樣氣相色譜儀，每次檢測(cè)前，均使用使用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)儀器標(biāo)定，獲取到相應(yīng)溫室氣體的峰面積。接著由峰面積法按式（1）計(jì)算溫室氣體的濃度。

本次檢測(cè)中溫室氣體CH4、N2O 和CO2的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度分別為4.3ppm、0.44ppm 和424.1ppm。

溫室氣體排放通量，通過(guò)線性回歸計(jì)算相應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)溫室氣體濃度隨時(shí)間的變化速率。當(dāng)氣體排放通量為正值時(shí)表示向大氣排放，負(fù)值則表示吸收。詳細(xì)計(jì)算見(jiàn)式（2）[3]。

1.4 溫室氣體排放強(qiáng)度

由溫室氣體排放通量累加計(jì)算得到其總累積排放量，再由增溫潛勢(shì)和作物標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量，即得到排放強(qiáng)度。

溫室氣體累積排放總量計(jì)算見(jiàn)式（3）。

式中Fi—溫室氣體排放通量；i—采樣次數(shù)；t—采集時(shí)間的天數(shù)。

溫室氣體排放強(qiáng)度計(jì)算見(jiàn)式（4）、式（5）。

式中Q—溫室氣體排放強(qiáng)度；和—當(dāng)季CH4和N2O 的累積排放量，kg/hm2；—水稻稻谷標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量，kg/hm2—稻谷烘干重量；25和298—在100 年的時(shí)間尺度內(nèi)CH4和N2O 增溫潛勢(shì)是CO2的25 倍和298 倍；0.14—秈稻品種的標(biāo)準(zhǔn)含水量[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室氣體排放規(guī)律

水稻在移栽后，CH4排放通量整體呈先增大后減少趨勢(shì)，期間出現(xiàn)過(guò)2 次CH4排放峰值，詳見(jiàn)圖1。水稻生長(zhǎng)后期烤田，CH4排放通量很低，幾乎接近于0。

圖1 水稻CH4 排放通量情況

水稻移栽后，施一次復(fù)合肥后，出現(xiàn)N2O排放高值，詳見(jiàn)圖2?？赡苡捎谒旧L(zhǎng)前期長(zhǎng)勢(shì)較弱，有大量未被水稻植株吸收的氮素以N2O 的形式從土壤中逸出，出現(xiàn)N2O 排放通量峰值（712μgN·m-2·h-1）；中后期，隨著水稻生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)，N2O 排放較少，呈穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 水稻N2O 排放通量情況

2.2 溫室氣體排放強(qiáng)度

通過(guò)式（3），計(jì)算得到本次雜交秈稻的CH4累積排放量為103.3kgC·hm-2，N2O 的累積排放量為2.01kgN·hm-2。本次試驗(yàn)用水稻宜香優(yōu)2115 產(chǎn)量為12.3thm-2。

試驗(yàn)用水稻溫室氣體排放強(qiáng)度主要取決于溫室氣體的累積排放量和水稻產(chǎn)量，其溫室氣體排放強(qiáng)度為222.45kgCO2eq·t-1。

3 討論

3.1 CH4 排放規(guī)律

水稻作為土壤中CH4向大氣排放的主要通道，90%以上的CH4是通過(guò)水稻植物排放[5][6]，水稻種植是CH4產(chǎn)生的主要來(lái)源。本次試驗(yàn)水稻的CH4通量排放為先增大后減少的趨勢(shì)，與相關(guān)研究結(jié)果相一致。

水稻CH4排放峰值出現(xiàn)于水稻分蘗盛期，隨著水稻分蘗數(shù)量的增加，稻田里CH4排放的通道也在增加；水稻淹水時(shí)，甲烷氧化發(fā)生于土壤有氧層和植物體根部氧化膜[7]，水稻分蘗期隨著葉片的出生，水稻也會(huì)一節(jié)節(jié)發(fā)根，這樣從上部向根輸送氧氣的途徑也會(huì)增多，使水稻在淹水缺氧的情況下仍能生長(zhǎng)和產(chǎn)生更多的CH4氣體。因此，這段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到CH4排放峰。

水稻生長(zhǎng)中期，長(zhǎng)勢(shì)較弱，可能輸送給根部的氧氣減少，從而產(chǎn)生的CH4也相應(yīng)減少。水稻在拔節(jié)期，又發(fā)育了少量新根，使根系輸送氧氣增多，從而又出現(xiàn)了CH4排放的第二個(gè)峰值。

水稻生長(zhǎng)后期，曬田使土壤水位下降，受好氧菌催化作用CH4開(kāi)始產(chǎn)生，這樣會(huì)降低CH4的產(chǎn)生速率，最終導(dǎo)致CH4排放減少。

3.2 N2O 排放規(guī)律

本次試驗(yàn)，水稻移栽后，施用了含有氮磷鉀的復(fù)合肥。氮肥施入土壤中，會(huì)產(chǎn)生銨根離子和硝酸根離子等活性氮，活性氮可為土壤微生物活動(dòng)提供底物，從而促進(jìn)土壤N2O 的產(chǎn)生和排放，而且氮肥施入后，土壤碳氮比也發(fā)生變化，同樣會(huì)影響產(chǎn)生N2O 的過(guò)程[8～11]。故水稻移栽初期，會(huì)出現(xiàn)N2O 排放通量增加的情況，這與相關(guān)的研究結(jié)果一致。

水稻生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)吸收大量的無(wú)機(jī)氮，而無(wú)機(jī)氮為微生物產(chǎn)N2O 提供底物，這樣提供給土壤微生物的氮素相對(duì)較少[12][13]，故水稻生長(zhǎng)過(guò)程中N2O 的排放會(huì)減少。而水稻生長(zhǎng)中期，可能由于比前期長(zhǎng)勢(shì)較弱，有大量未被水稻植株吸收的氮素以N2O 的形式從土壤中逸出，出現(xiàn)了N2O 排放峰值。

3.3 產(chǎn)量、CH4 和N2O 的排放量

本次試驗(yàn)用雜交秈稻為目前成都平原大量推廣的水稻品種，該秈稻的CH4累積排放量為103.3kgC·hm-2，N2O的累積排放量為2.01kgN·hm-2，產(chǎn)量為12.3thm-2。

通過(guò)比較相關(guān)資料，本次試驗(yàn)用秈稻產(chǎn)量很高，屬于高產(chǎn)水稻。而該品種水稻的CH4和N2O累積排放量相較于氣體品種水稻略高，其他品種水稻的平均CH4累積排放量55.4～100kg·Chm-2，平均N2O 累積排放量0.1～0.77 kgNhm-2[4]，但其溫室氣體排放強(qiáng)度約為0.2tCO2eq·t-1，低于單季稻溫室氣體強(qiáng)度0.15～0.87 tCO2eq·t-1（均值0.45 tCO2eq·t-1）[2]，說(shuō)明該品種秈稻的溫室氣體強(qiáng)度不高，且單位產(chǎn)出水稻所引起的溫室效應(yīng)影響也較小。

結(jié)論

本試驗(yàn)秈稻作為成都平原地區(qū)重點(diǎn)推廣的水稻品種，其CH4和N2O 累積排放量較高，水稻產(chǎn)量高，溫室氣體排放強(qiáng)度較低，說(shuō)明該水稻產(chǎn)生的溫室氣體較多，而單位產(chǎn)出水稻所引起的溫室效應(yīng)影響較小。因此，需要在保持水稻高產(chǎn)的情況下，研究適合當(dāng)?shù)氐奶镩g水肥管理措施，以減少溫室氣體的排放，達(dá)到減排固碳的效果。