两种灌溉条件下稻田CH4气体排放研究

发布时间：2016-06-20 05:24

第一章   绪论 

1.1 稻田 CH4排放的研究进展  
目前大气中平均CH4浓度为1.72ppm，而且还在以每年约0.8%的增长速度增长[4]。全球每年通过各种途径排放于大气中的 CH4达到 535Tg(1Tg =1012g)，而通过人类活动产生的 CH4排放为 375Tg，其中稻田是 CH4主要排放源,  占总排放量的 12%,达到60Tg 左右[4,5,6]。世界范围内美国和欧洲率先开展了稻田 CH4的监测[5,7,8]，但这两个地区水稻种植总面积少，不足全球总面积的 2%。从水稻种植的分布上看，全世界超过90%的水稻种植在亚洲，其中中国是重要的水稻生产国，水稻种植面积超过世界稻田总面积的 1/5，产量约占世界水稻产量的 38%，因此研究亚洲地区，特别是中国不同灌溉方式的稻田 CH4 的排放模式是十分必要的。我国对稻田 CH4排放的研究起于 20世纪 80 年代[5]。自 1987 年起，中国科学院大气物理研究所与德国夫琅和费大气物理环境研究所合作使用自动连续观测系统，在我国杭州进行了亚太地区稻田 CH4排放通量的首次观测，接着又在四川、湖南、广州、苏州等地开展了一系列系统的实验观测。至今，我国己经先后在广东清远、广州，浙江杭州、富阳，江苏吴县、无锡和南京，江西鹰潭、进贤，湖南桃源、长沙，四川乐山、成都，重庆，天津，北京，吉林沈阳等地进行了稻田 CH4排放的观测研究，在稻田 CH4排放机理、排放规律、影响稻田CH4排放的因素、总量估算、减排措施等方面均取得了较大进展[9-18]。 
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1.2 稻田 CH4排放的机理 
稻田 CH4的排放量是土壤 CH4产生、再氧化及排放传输三个过程相互作用的结果。稻田 CH4主要在土壤耕作层下，由产 CH4细菌在厌氧条件下产生[19,20]。土壤中产生的大多数 CH4在排放到大气中之前会被氧化。稻田中的 CH4会在水稻根际及土壤和灌溉水交界面两个区域进行有氧或无氧氧化。土壤中的CH4主要通过3种途径排入大气中：(1)大部分被植株根系等吸收，随着养分的输送再经作物的通气组织排放到大气中；(2)形成含 CH4的气泡,气泡上升到水面破裂而喷射到大气中；(3)少量 CH4是由于浓度梯度的形成而沿土壤-水和水-气界面而扩散排出排放到大气中的。稻田土壤中的 CH4大多通过水稻植株体内的通气组织排放的大气中，而冒气泡和液相扩散的作用比较小[5]。 稻田 CH4的排放是一个复杂的生物学过程，受到环境因子、耕作方式、土壤特性及水稻生长状况等因素影响。有研究表明，不同的灌溉方式会对稻田 CH4的释放特性具有不同的作用[21]，当稻田处于淹水状态时，土壤的理化性状发生重大变化，氧化还原电位(EH 值)急剧下降，会产生大量的 CH4气体[22,23]。其产生的作用机理是：淹水状态会使稻田处于一个严格的厌氧状态，在此条件下微生物酶会分解碳水化合物形成单糖，单糖进一步分解形成酸，最后生成 CH4气体[24]；谢志煌等（2013）研究了不同的栽培方式对稻田 CH4排放的影响，发现 CH4平均排放由小到大的顺序分别为抛秧＜手插＜直播＜机插，说明栽培方式对稻田 CH4排放是有影响的[25]；不同土壤类型由于其物理性质、矿物组成等差异较大，产 CH4率明显不一，有机质和粘土含量高的土壤产CH4率较高，一般泥炭土>潜育土>火山灰土>浅色火山灰土。研究表明土壤中 Fe 和Mn 的含量对稻田 CH4排放量具有显著影响，Fe 和 Mn 的含量越低，稻田中 CH4排放量越低[26]。不同品种的水稻对稻田甲烷排放的影响也是不一样的。研究表明不同的水稻品种对甲烷的氧化和排放能力相差 1 倍以上[27,28]。而种植杂交水稻能增加稻田土壤中甲烷细菌数和土壤产生甲烷的量，研究表明杂交水稻天中甲烷细菌数比常规稻田高2 个数量级左右[29]。林匡飞等[30]发现甲烷排放量与水稻产量呈显著负相关,  这可能是因为增加的甲烷排放量的同时损失了水稻生长可利用的能量。 
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第二章   材料与方法

2.1 实验材料 
吉林当地抗旱主栽水稻品种：吉旱 1 号。 
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2.2 实验地概况
实验在吉林九台饮马河试验基地进行。九台位于吉林省中部（（44°20′N，126°15′E），属中温带大陆季风性气候，年平均日照 2900 小时，无霜期 140—155 天。年平均气温 4.7℃，年≥10℃活动积温 2,880℃。年平均降水量 577mm，年平均风力 8级以上，大风日 16 天左右，多西南风向，平均风速 3.4m/s。基地土壤属中性黑土，肥力水平处于中高等级别。土壤主要理化性质：PH 为 6.67，全氮 1.93 g/kg，全磷 0.19 g/kg，速效磷 0.0099 g/kg，全钾 0.47 g/kg，有机质 14.73 g/kg，CEC 25.32 cmol/kg。
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2.3 实验处理 
实验分一个对照组和两个实验组（覆膜滴灌处理Ⅰ和覆膜滴灌处理Ⅱ），，具体处理方式如下： 覆膜滴灌处理Ⅰ：当水稻正常出苗后，以田面以下深 15cm 处的土壤含水量为 100%作为临界值，低于这个临界值则进行滴灌处理（用水势仪测定 15cm 处的土壤水分，取样方法为 5 点对角取样），要在全生育期间重复进行，若期间发生降雨，应立即进行排水。切记安装水表，以记录用水量。 覆膜滴灌处理Ⅱ：当水稻正常出苗后，以田面以下深 15cm 处的土壤含水量为 50%作物临界值，低于这个临界值则进行滴灌处理（用水势仪测定 15cm 处的土壤水分，取样方法为 5 点对角取样），要在全生育期间重复进行，若期间发生降雨，应立即进行排水。切记安装水表，以记录用水量。 对照处理：按照当地栽培管理措施及习惯（当地基本都是直接漫灌）进行水分管理。 
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第三章结论与分析 ........ 8 
3.1   稻田甲烷的收集及测量 ........ 8 
3.2   覆膜滴灌条件下稻田土壤不同含水率对 CH4排放影响 ........... 8 
3.3   稻田土壤不同含水率对 CH4排放影响 ..... 10 
3.4   覆膜滴灌对稻田 CH4排放通量的稻季变化的影响 ......... 10 
3.5   水稻生长发育对稻田甲烷排放的影响 ...... 11 
第四章结论与讨论 ...... 12 
4.1   结论 ...... 12 
4.2   讨论 ...... 12 
4.2.1   土壤水分影响稻田 CH4的排放 ....... 12 
4.2.2   稻田 CH4排放的稻季变化 ....... 13 
4.2.3   合理灌溉以减少温室气体排放 ........ 13 

第三章   结论与分析

3.1   稻田甲烷的收集及测量 

我们按照材料方法 2.5 中的描述的方法在规定的时间进行甲烷的收集。收集的甲烷在实验室中利用气相色谱对甲烷的浓度进行测定，再根据根据气温、大气压力、采样箱的有效高度、普适气体常数等计算出甲烷的排放通量，三次重复取平均值进行计算。通过计算我们得到了各个时间点稻田甲烷的排放通量（表 1）。从水稻出苗后开始采用静态暗箱-气相色谱法对不同处理稻田的 CH4排放量进行测定。实验组采用两组不同的覆膜滴灌处理，对照组采用当地传统的漫灌方式。从测量的数据可以看出：漫灌条件下稻田 CH4的排放通量显著高于覆膜滴灌条件下的 CH4排放通量，而且在不同的测量时间点均出现了这种现象（表 1，图 3.1 和图 3.2），说明漫灌条件下稻田 CH4的排放通量比覆膜滴灌条件下高是一种普遍的现象，同时也说明稻田水位对 CH4排通量具有重要影响。 

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结论

本实验探究了不同灌溉方式对稻田 CH4排放的影响，依据已有的报道及本文的结论我们提出了几条减少温室气体排放的建议：(1)采取科学合理的灌溉方法。与淹水灌溉相比较而言,节水灌溉可以达到减少水稻全生育期内 CH4的排放量的目的。而漫灌时，稻田 CH4的排放主要集中在分蘖的前中期和拔节孕穗期,因此可在分蘖前中期这两个 CH4主要排放期进行适当的控制灌溉,以减少稻田 CH4的排放总量[35]；(2)充分利用降雨,以减少灌溉的次数及灌溉量。受季风气候的影响,我国大部分地区可实现雨热同期，一般降雨都会发生在 5-9 月，且这段时间也是水稻生长需水最大的时期，若这时利用稻田蓄水，不仅可以做到节约水资源,减少浇灌的费用,还可以达到减少稻田CH4排放量的目的[36]。 
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参考文献(略)

本文编号：59283