浅论稻田甲烷的产生和排放

目前的研究结果表明,我国稻田甲烷排放通量大约在7.8—60mg/m~2·h。稻田甲烷的排放包含着甲烷在水田土壤中的生成和从土壤向大气释放这样两个过程。前者是通过土壤中微生物活动分解复杂的有机物质,在渍水还原条件(氧化还原电位低于-200mv)下,由产甲烷菌最后转化形成甲烷;后者主要是通过水稻植株向大气释放,只有少量通过气泡或分子扩散从水田土壤通过田面水层向大气排放。显然,稻田甲烷的生成、排放是一个以生物学过程为中心,并与土壤环境、土表水层和大气环境的一些物理、化学条件密切相关的过程。土壤温度、pH值、水稻品种的生物学特性及稻田的水浆管理、施肥措施等等都会影响稻田甲烷的排放。只有研究并掌握稻田甲烷排放的机理及其影响因素,才能真正做到在争取水稻优质、高产的同时,抑制或减少甲烷的排放。     

免耕稻-鸭复合系统减少甲烷排放及其机理研究

以免耕不养鸭和翻耕不养鸭稻田为参照，研究了免耕稻-鸭复合系统中甲烷排放的日变化和季节变化以及稻-鸭复合系统中土壤氧化还原特性对甲烷排放的影响。结果表明：稻田甲烷排放通量日变化与日气温变化基本趋于一致。在水稻分蘖盛期和孕穗期，免耕养鸭稻田甲烷排放通量明显低于免耕不养鸭和翻耕不养鸭稻田，3者之间甲烷排放通量大小差异白天明显，夜间较小。在水稻分蘖盛期、孕穗期和齐穗期，免耕养鸭稻田水中溶解氧含量比免耕不养鸭和翻耕不养鸭稻田提高38．4％～44．7％。由于鸭子的活动，免耕养鸭稻田的氧化还原电位分别比免耕不养鸭和翻耕不养鸭稻田高11和18mV。而翻耕不养鸭稻田的还原物质总量分别是免耕养鸭稻田和免耕不养鸭稻田的4．17～12．34倍和3．26～7．02倍，其亚铁离子含量也明显高于后2者，表明翻耕使土壤还原程度增强，进而促进了稻田甲烷的排放。相关分析表明，免耕养鸭稻田氧化还原电位与还原物质总量、活性还原物质总量和亚铁离子含量呈极显著负相关，也与稻田甲烷排放通量呈负相关，但未达显著水平。     

稻田施用沼渣对甲烷排放通量的影响

通过网室小区试验，观测得出：（１）４种沼渣处理和单施化肥处理的一季稻田平均甲烷排放通量为０．５６９～２．１８８ｍｇ０￣２·ｈ，两者无显著差异；农家肥处理稻田的平均甲烷排放通量为４４．１８ｍｇ／ｍ￣２·ｈ显著高于前两种处理，表明施用沼渣和化肥比施用农家肥能显著减少稻田甲烷排放量；（２）各处理稻田甲烷排放通量峰值期部出现在水稻蘖期至拔节初期，表明这一时期是控制稻田甲烷排放总量的关键时间；（３）各处理甲烷排放通量分别与淹水前各处理土壤及供试有机肥的易矿化碳含量、ＣＨ＿４－Ｃ含量呈显著正相关关系，这表明土壤易矿化碳含量是形成稻田甲烷的重要条件；（４）各处理之间水稻产量没有明显差异。     

控制稻田甲烷排放的农业技术选择

本文探讨了通过农业技术措施，控制稻田甲烷排放以及减少甲烷排放的潜力。试验结果表明：（１）用沼渣代替农家肥堆肥作基肥时，４种沼渣基肥处理中，有３种处理稻田甲烷排放通量比施农家肥的处理减少２４～６２％，比单纯施化肥处理减少１１～５６％；１种沼渣（马粪）由于腐熟度不够，其处理甲烷减排效果不明显；（２）改换氮肥的施用种类。以硝铵、硫铵代替尿素作追肥，甲烷排放通量分别减少２６％和４６％；（３）稻田的科学灌溉技术，从水用分蘖到抽穗期间，间歇落干，可以明显减少甲烷排放，而对产量无影响；（４）水稻半旱式栽培技术，也可明显抑制稻田甲烷排放。     

稻田甲烷排放量估算和减缓技术选择

根据中国不同生态类型地区的稻田甲烷排放通量，估算了中国稻田甲烷排放总量。结果表明，１９９０年中国稻田甲烷排放总量为１１．３３５Ｔｇ。提出了一些减缓稻田甲烷排放措施，包括：（１）使用稻田甲烷抑制剂；（２）肥料管理；（３）水分管理；（４）筛选低排放率、高产的水稻品种。     

不同耕作制度对南方稻田甲烷排放的影响

以南方稻田温室气体甲烷排放为研究对象,选取冬季休闲和种植绿肥作物紫云英(AstragalussinicusL.)两种主要模式,在早稻(OryzasativaL.)移栽之前进行旋耕和翻耕两种处理,以全年休闲为空白对照,利用静态箱法测定甲烷排放通量。结果表明,甲烷排放在水稻抽穗期达到极大值,至收获甲烷排放呈减少趋势,以无稻全年休闲区甲烷排放通量最低,在抽穗至收获阶段平均排放速率为3.43mg·m-2·h-1,冬闲及冬季种植紫云英处理分别比无稻休闲区排放通量高114.3%和420.3%;甲烷浓度具有强烈的空间异质性,地表以上50cm空间内,早稻抽穗至成熟阶段甲烷浓度是大气甲烷浓度的35.2倍;稻田甲烷高浓度低排放速率以及低浓度高排放速率现象表明,甲烷排放速率与其浓度之间具有非一致性。     

我国南方红壤丘岚区稻田甲烷产生规律

温度对稻田甲烷产生有显著影响，温度每升高１０℃，甲烷产生率的增长３倍。水稻在插秧后和收割前出现甲烷产生高峰，在生长中期产生率较低。稻田土壤中甲烷产生率的垂直分布与有机酸含量的垂直分布一致。水稻植株对甲烷产生率有巨大影响，即种植水稻比不种水稻甲烷产生率显著增加。稻田土壤排到大气中的甲烷不到其产生量的２０％。     

我国南方红壤丘岗区稻田甲烷产生规律

温度对稻田甲烷产生有显著影响，温度每升高１０℃，甲烷产生率约增长３倍。水稻在插秧后和收割前出现甲烷产生高峰，在生长中期产生率较低。稻田土壤中甲烷产生率的垂直分布与有机酸含量的垂直分布一致。水稻植株对甲烷产生率有巨大影响，即种植水稻比不种水稻甲烷产生率显著增加。稻田土壤排到大气中的甲烷不到其产生量的２０％。     

免耕稻-鸭复合系统减少甲烷排放及其机理研究

以免耕不养鸭和翻耕不养鸭稻田为参照,研究了免耕稻-鸭复合系统中甲烷排放的日变化和季节变化以及稻-鸭复合系统中土壤氧化还原特性对甲烷排放的影响。结果表明:稻田甲烷排放通量日变化与日气温变化基本趋于一致。在水稻分蘖盛期和孕穗期,免耕养鸭稻田甲烷排放通量明显低于免耕不养鸭和翻耕不养鸭稻田, 3者之间甲烷排放通量大小差异白天明显,夜间较小。在水稻分蘖盛期、孕穗期和齐穗期,免耕养鸭稻田水中溶解氧含量比免耕不养鸭和翻耕不养鸭稻田提高38. 4% ~44. 7%。由于鸭子的活动,免耕养鸭稻田的氧化还原电位分别比免耕不养鸭和翻耕不养鸭稻田高11和18mV。而翻耕不养鸭稻田的还原物质总量分别是免耕养鸭稻田和免耕不养鸭稻田的4. 17~12. 34倍和3. 26~7. 02倍,其亚铁离子含量也明显高于后2者,表明翻耕使土壤还原程度增强,进而促进了稻田甲烷的排放。相关分析表明,免耕养鸭稻田氧化还原电位与还原物质总量、活性还原物质总量和亚铁离子含量呈极显著负相关,也与稻田甲烷排放通量呈负相关,但未达显著水平。     

施肥对稻田甲烷排放的影响

采用自动连续测量系统，对不同施肥情况下稻田甲烷排放通量进行了监测。结果表明：施肥是影响稻田甲烷排放的重要因素。增施有机肥会导致甲烷排放量增加．应用化肥可降低甲烷排放，有机肥加倍处理，３２ｄ甲烷总排放量１６．４０ｇＣＨ＿４／ｍ￣２，是化肥加倍处理的１．５６倍；常规施肥处理介于两者之间。略高于常规加倍处理。肥料种类对甲烷排放量也有影响。全施有机肥高于有机肥加化肥（１：１）组，施沼渣肥组次之，全化肥组排放量最低，不到全有机肥处理排放量的１／５．有机肥又以施人畜粪的甲烷排放率最高，绿肥次之，沼渣肥和稻草的甲烷排放率最低。有机肥的多级利用是减少稻田甲烷排放的一条重要途径。     

不同农业措施对稻田甲烷排放通量的影响

经过三年的田间试验发现,稻田甲烷排放通量随着农业措施的不同而大幅度地变化。在1990年至1992年的三个晚稻生长季节里,试验地块的甲烷排放通量分别为10.83、25.18及19.85mg/m~2·h。半旱式栽培使甲烷排放量减少了约1/3;施用硫酸铵、烤田、间歇灌溉亦可显著地降低甲烷排放通量。高有机肥与长期淹水是造成稻田甲烷排放量大的主要原因。控制稻田甲烷排放的关键在于调节灌溉水。只要采用合适的灌溉制度。有机肥用量的增加不一定引起甲烷排放量的增大。     

湿地甲烷的产生、氧化及排放通量研究进展

甲烷研究已倍受科学界关注,不仅由于其对全球变暖的贡献仅次于二氧化碳,贡献率达25%,还因为单分子甲烷的增值潜势是二氧化碳的15~30倍.湿地是甲烷的重要来源,估计湿地生态系统对全球甲烷排放的贡献率约为20%,即为100~200Tg a?1.湿地甲烷在厌氧条件下产生,在土壤氧化层以及根际中部分氧化,然后通过土壤、水体和植物体排放到大气中去.就近10a来湿地甲烷产生、氧化、传输过程及其影响因素等的研究进展进行了综述.产甲烷菌的研究主要集中在其对环境因子的生理生态和分子生物学,尤其集中在稻田产甲烷菌的研究上,因此在深度和广度上都有待突破.产甲烷过程是一个复杂的生化过程,要对甲烷排放量估计、甲烷排放动态研究以及在甲烷排放建模等方面取得进展,必需在甲烷产生机制上进行突破.甲烷氧化菌的研究集中于菌群对环境的适应以及其自身氧化能力上,应用研究还不是很深入.甲烷氧化过程的研究已经有了一定的深度,但氧化过程具体机理的研究还有待进一步深入,这需要分子生物学以及基因组学等多学科的交叉.甲烷传输过程是研究甲烷排放动态的基础,目前相关研究较少,国内有关研究主要集中在稻田研究上,对高寒湿地的研究则几乎是空白.湿地甲烷通量的研究是目前温室气体研究的热点问题,但主要解决的问题是大气中甲烷气体浓度增加与湿地甲烷通量的关系.湿地甲烷通量是由多种因素决定的,对影响湿地甲烷通量的因素的研究相当丰富,特别是近年来对生物因素的关注.由于学科的发展,近10a在这方面的研究较之过去更为全面和系统.图1表1参68     

稻田甲烷排放通量与农业管理措施的关系

1990至1992年对北京地区的麦后稻区及单季稻区进行了三年的稻田甲烷排放通量的测定,麦后稻区的甲烷排放通量约17.5mg/m~2·h;单季稻小区约在8.5-10mg/m~2·h。有机底肥的用量是影响甲烷排放通量的首要因素,旱直播及仅使用化肥可降低甲烷排放通量。在一定量有机底肥的条件下,采用间歇灌溉的方法既可保持或提高水稻的产量,又可抑制或降低甲烷的排放通量,但也观测到干干湿湿的状态下温室气体N_2O的排放通量有所增加。     

广州地区稻田甲烷排放连续自动监测

本文介绍了采用甲烷自动采集及分析测量系统在广州地区进行稻田甲烷排放通量监测的试验设计。     

甲烷排放通量及上海市排放量估算

本文介绍了甲烷主要人为排放源及各排放源的排放通量,甲烷在大气中的浓度及对温室效应的贡献,估算了上海市各人为排放源的甲烷排放通量。     

天然草地利用方式改变对土壤排放CO2和吸收CH4的影响

１９９７年～１９９８年在内蒙古达拉特旗中国农业科学院草原研究所草原生态试验站对天然草地、天然草地墨迹为人工草地、玉米和土豆地后，土壤ＣＯ２排放和ＣＨ４吸收通量进行了测定。天然草地、人工草地和旱地农田均为大气中甲烷的吸收汇，天然草地墨迹为农田后，增强了土壤的ＣＯ２排放量，减少了土壤对大气中甲烷的吸收。天然草地各玉米地的ＣＯ２排放通量与５ｃｍ处土壤温度呈线性相关，土壤对甲烷的吸收率与土壤含水量呈线性负     

稻田冬闲期CO2气体排放的观测研究

亚热带红壤稻作区是华中地区的主要生态系统类型,在生态、经济以及社会效益方面都起着非常重要的作用。为了解这一生态区域的碳循环过程的因素和机理,同时为进一步解释农田碳循环过程对温室气体CO2的影响提供科学依据,采用静态箱式法对亚热带红壤性稻田长达约5个月的冬季休闲期(2005年11月—2006年4月)CO2气体排放通量进行了田间原位观测,并结合同步气象资料进行了分析。结果表明:亚热带红壤性稻田冬闲期CO2通量与近地面CO2体积分数的季节变化基本同步,与地面稻田生态系统的CO2通量对大气CO2体积分数的影响60%;CO2通量日变化规律基本为昼吸夜排:白天表现为田间杂草光合作用的结果,受光合有效辐射的影响,CO2通量与光合有效辐射的关系符合对数曲线,相关性达到显著水平;夜晚则以呼吸过程为主,主要受温度的影响,CO2通量与温度呈线性关系,其中气温和5cm地温最适宜用作于描述夜间CO2通量对温度变化的响应的指标。亚热带红壤性稻田生态系统在149d的休闲期内从大气中累积吸碳量(以CO2计)约4.03t·hm-2,表现为大气的碳汇。     

稻田甲烷排放的研究进展

稻田是甲烷的重要排放源之一。文章对稻田甲烷的最新研究进展作了较为详尽的综述,包括稻田甲烷排放的机理、规律;重点分析了影响稻田甲烷排放的因素以及控制稻田甲烷排放的措施。最后指出了今后的研究重点应以现有的田间数据为基础,建立稻田温室气体排放的综合模型,预测稻田温室气体排放变化。     

稻田甲烷氧化与铵氧化关系研究进展

稻田生态系统中存在着好氧微域，其中同时发生甲烷氧化和铵氧化。甲烷和铵氧化过程具有极为相似的微生物机理。稻田土壤中的甲烷可能影响铵氧化过程；施用铵态氮肥对甲烷的氧化也有强烈影响。本文对稻田土壤中甲烷氧化与铵氧化关系做一简要综述。     

种稻盆钵土壤甲烷排放通量变化的研究

通过温室盆栽试验，研究了不同冬作处理时后茬水稻生长期甲烷排放通量及土壤温度、土壤Ｅｈ的日变化规律。结果表明：连续晴天甲烷排放通量和土壤温度存在明显的昼夜变化，最大值出现在下午４时左右，最小值出现在凌晨４时左右，符合余弦函数变化规律；连续阴雨天甲烷排放通量有逐日降低的趋势，但其昼夜变化缺乏规律性。种稻盆钵土壤甲烷排放通量昼夜变化主要受０～１０ｃｍ深土壤温度的影响，而与土壤氧化还原电位无关。