吉林西部盐碱水田区全球变暖潜势研究

汤洁，方天儒，赵仁竹，梁爽

吉林大学环境与资源学院，吉林 长春 130012

吉林西部盐碱水田区全球变暖潜势研究

汤洁，方天儒，赵仁竹，梁爽

吉林大学环境与资源学院，吉林 长春 130012

为了探讨吉林西部土地整理工程对区域全暖所做贡献，基于实测的水田土壤温室气体数据，进行区域温室气体排放分析，为进一步评估水田开发对全球变暖的影响提供科学依据。以吉林省西部盐碱水田区为研究对象，将野外调查采样和小区试验相结合，采集了水田的0～30 cm表层土壤样品带回进行小区实验。在小区内挖取100 cm×100 cm×50 cm的坑，在土坑底部铺设塑料布后，将从采样点带回的土壤填进坑内灌水，种植水稻，6块样地分别为不同开发年限，其处置模式与前郭当地的水肥管理相同，样地周围挖掘了排水渠。通过静态箱-气相色谱法监测水稻生长期土壤所释放的温室气体CH4，N2O和CO2，计算水稻不同生长时期温室气体排放量及贡献率，估算研究区的区域变暖潜势（GWP），结合30年水田面积变化加权法分析温室气体GWP贡献率。结果表明：水田生长期温室气体排放总量（以CO2气体计）随着开发年限的增加呈递增趋势，水田开发过程中CO2、CH4和N2O各时期温室气体排放的贡献率都有一定变化，CO2气体排放贡献率占主导地位在80%左右，CH4的贡献率16.69%～20.39%，是N2O的14～22倍，水田CH4气体的排放对研究区综合温室效应有较大贡献，水田开发初期N2O气体贡献率较成熟水田相比较高。在水稻生长旺盛期CO2气体贡献率下降明显，CH4气体贡献率显著升高，N2O气体贡献率变化不大，在返青期和成熟期CH4和N2O 2种气体贡献率均较小，其中，除成熟期外新开发水田的CH4气体贡献率均高于成熟水田，在水稻生长发育较快速的分蘖期、拔节孕穗期和抽穗开花期，CO2气体贡献率下降且降幅明显，该阶段CH4气体对温室效应的贡献比重加大，远高于N2O气体。在水稻成熟期，3种温室气体的贡献率与其他时期相比发生较大变化，CH4比N2O略有优势，CO2所占比例恢复至95%。这主要与水稻生长期间土壤条件的变化有关，生长旺盛期，淹水层为土壤中微生物提供了良好的厌氧条件，使得CH4贡献率增加。而成熟期水层浅，后期排水落干的条件不利于CH4排放，N2O相比于成熟后植物呼吸作用大于光合作用产生的较多CO2来说基本属于痕量气体。研究区GWP产生总量持续增加，且增长幅度与水田面积增加趋势一致。新开发水田对温室效应的贡献很大，这与本研究区近20年来大力发展水稻种植业有直接关系。说明吉林西部盐碱水田面积大规模的开发对区域变暖做出了一定贡献。

盐碱水田；温室气体；GWP；贡献率

近年来气候的异常变化引起国际社会和科学界对温室气体的增加及其温室效应极大的关注，并采取了一系列的措施和行动减少温室气体的排放，以减缓其对自然环境和人类社会的严重影响。全球变暖潜势（Global Warming Potential, GWP）是基于充分混合的温室气体辐射特性的一个指数，它表示这些气体在不同时间内在大气中保持综合影响及其吸收外逸热红外辐射的相对作用，实质表述就是将某种温室气体在一定时间范围内产生的增温效应折换成等效的CO2。目前学者们主要针对土壤理化性质、田间管理措施对稻田温室气体排放的影响开展了研究，Khalil等对西南稻区四川稻田进行了2年的观测，结果认为CH4的平均排放通量为438 g·m-2·a-1；江长胜通过实地观测数据认为西南稻区川中丘陵区的冬灌田平均 N2O排放量为 558.45 mg·m-2·a-1。亚洲其他地区水稻田CH4排放通量观测主要来自于印度、泰国和菲律宾等，排放通量因不同的水分管理方式、施肥类型与方法、土壤性质及水稻品种等因素而有很大差异，关于水田土壤温室气体排放的研究，极少涉及盐碱土区，不同区域的水田温室气体排放量存在差异，因此，对全球变化的影响也各不相同。本文以吉林西部盐碱水田区为研究对象，进行野外调查和小区试验，为了探讨吉林西部土地整理工程对区域全暖所做贡献，基于实测的水田土壤温室气体数据，进行区域温室气体排放分析，并针对研究区水田变暖潜势估算开展研究，为进一步评估水田开发对全球变暖的影响提供科学依据。

吉林西部包括松原与白城2个地级市，10个县（市、区），地理坐标为东经123°09′～124°22′，北纬44°57′～45°46′，位于近百年来气候变暖显著的东北地区，为世界三大盐碱土分布区之一。研究区在嫩江和松花江沿岸种植水稻历史悠久，大规模的水田开发始于上世纪的五、六十年代。2000年以来，为了应对日趋严重的土壤盐碱化，该区引嫩江水改造盐碱土为水田，是东北地区重要的粮食农业生产基地。

1 材料和方法

1.1 样品采集和分析

为了分析水田开发过程中稻田土壤质量对温室气体的影响，本研究依据实地调研和遥感影像解译结果确定水田开发年限，进行土壤采集，采样点见表1。受连续观测的条件限制，采集了水田的0～30 cm表层土壤样品带回进行小区实验。将小区实验地点选在吉林大学南区实验楼后的一片平坦空地，考虑到长春与研究区气象条件相近，适宜水稻种植与生长；在小区内挖取100 cm×100 cm×50 cm的坑，在土坑底部铺设塑料布后，将从采样点带回的土壤填进坑内灌水，种植水稻，6块样地分别为不同开发年限，其处置模式与前郭当地的水肥管理相同，样地周围挖掘了排水渠，采样箱底槽内共九株水稻。于水稻生长期6月至9月利用静态箱−气相色谱法进行温室气体的采集测试，采样工作固定在9:00-11:00，观测频率为每周2次，每隔40 min采1次样。样品采集好后用带有三通阀的50 ml注射器注入真空气体采样袋中立即带回实验室，使用气相色谱仪分析CO2、CH4、N2O气体（最终以mg·m-2·h-1为计）。本次试验采集气体样本 744个，按照公式对不同生长期进行统计计算。

1.2 面积计算方法

通过查阅相关资料和文献，获取不同基准年吉林西部盐碱水田区不同开发年限水田面积，其中，1985年以前水田面积来自相关资料和文献，1985年以后水田面积为统计年鉴数据，以 2012年为基准年，开发1年以上水田面积是由2012年底水田面积减去2007年底水田面积得出，开发5年以上水田面积是由2007年底水田面积减去1997年底水田面积得出，其余同理。由于正在开展的土地开发整理项目拟新开发水田27×104hm2，以2012年底水田面积为基准，假设区域内不再有自然增长的水田面积且项目在5年内完工，除新开发水田面积外，其余开发年限水田土壤面积直接使用 2012年各值进行估算，其中分别以土地开发整理完工后、2012年、2000年和1990年为基准年，得到不同开发年限水田面积变化表（表2）。

表1 采样点位置Table 1 Sampling point Location

表2 不同基准年不同开发年限水田面积变化Table 2 Paddy area Change of different base year of development age

1.3 气体计算方法

文中将要出现的平均排放通量和季节累积量的计算公式分别为：

式中F—气体平均排放通量，mg·m-2·h-1；Fi—采集日气体排放通量，mg·m-2·h-1；n—气体采集天数； FS—气体季节累积量，mg·m-2；FS—气体季节排放通量，mg·m-2·h-1； DS—季节总天数，d。

2 结果与分析

2.1 不同开发年限水田温室气体排放量及贡献率

以百年尺度看，水田开发的释放的温室气体中，CH4的温室效应为CO2的25倍，N2O的温室效应为CO2的298倍。根据这一标准，对实验区水田生长期释放的CO2、CH4和N2O 3种温室气体排放量（以CO2气体计）及贡献率进行计算，公式如下：

公式中的符号含义如表3所示。

表3 温室气体排放量公式符号含义Table 3 Greenhouse gas emissions formula alphabet meaning in the table

图1 不同开发年限水田生长期温室气体排放量Fig. 1 Greenhouse gas emission of development age during rice growth period

从图1中可清晰地看出，在由盐碱土改造为水田的长期开发过程中，水田生长季温室气体排放总量（以CO2气体计）呈随着开发年限的增加而递增的趋势，即开发年限越长水田温室气体年排放总量越大。水田开发初期至 25年左右，温室气体排放量的增加幅度明显，25年至55年以上的成熟水田的温室气体排放量基本处于小幅度增加的趋势。这主要是由于在水田开发过程中土壤有机碳呈现累积的趋势，土壤活性有机碳含量高低直接影响土壤微生物的活性，为微生物提供基质，从而影响温室气体的排放量。Chen等研究得出全球尺度上土壤呼吸与有机碳含量之间的关系表现为有机碳含量较低会限制土壤呼吸，有机碳含量高则对呼吸作用的促进作用相对弱化；Reichstein等认为土壤呼吸与有机碳含量的相关性取决于土壤中易分解与难分解组分的比例以及植物根际分泌物与凋落物的激发效应。多数研究表明CH4排放通量与土壤有机质含量呈显著正相关，但也有研究表明两者间关系并不密切，甚至没有相关性。N2O排放与有机碳含量间并非直接相关，而是通过有机碳对其他因素的作用带来影响。

本研究结果在东北地区农田CO2气体排放值范围内，和陈卫卫等人对于三江平原水田N2O的研究对比，吉林西部水田 N2O排放率处于全国较低水平，本区CH4排放值高于天津一季稻田区及沈壬兴等对广州地区的测量值，但远低于全国其他区域。

水田开发过程中CO2、CH4和N2O等3种气体各自的贡献率都有一定的变化，但变化不是很明显，同一气体的百分比相差不多。其中CO2气体排放一直占主要地位，贡献率在 80%左右。CH4和N2O气体相比，CH4的贡献率为16.69%～20.39%，远高于N2O的0.93%～1.37%，是N2O的14～22倍，说明水田CH4气体的排放对研究区综合温室效应有较大的贡献，水田开发初期N2O气体贡献率较成熟水田相比较高。

图2 不同开发年限水田温室气体排放贡献率Fig. 2 The Contribution of Greenhouse gas emission of development age

2.2 水田不同时期温室气体贡献率分析

在水稻生长期间共分为5个生长期，包括返青期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期和成熟期，各时期3种温室气体排放的贡献率会发生一定的变化，图3和图4是以新开发水田和开发55年以上水田做对比，可以看出在水稻不同生长期，3种温室气体的贡献率各有不同，在返青期和成熟期CH4和N2O 2种气体贡献率均较小，其中，除成熟期外新开发水田的CH4气体贡献率均高于成熟水田，但三者在2种不同开发年限水田的各时期贡献率基本趋势相同。

在水稻生长发育较快速的分蘖期、拔节孕穗期和抽穗开花期，CO2气体贡献率下降且降幅明显，其中仅占61.79%～70.26%，CH4气体贡献率显著升高达到28.60%～36.74%，N2O气体贡献率变化不大占1%左右，这表明该阶段CH4气体对温室效应的贡献比重加大，远高于N2O气体。在水稻种植期间，返青期和成熟期CO2气体排放占主导地位，在水稻成熟期，3种温室气体的贡献率与其他时期相比发生较大变化，CH4比N2O略有优势，CO2所占比例恢复至95%。这主要与水稻生长期间土壤条件的变化有关，生长旺盛期，淹水层为土壤中微生物提供了良好的厌氧条件，加上水稻植株通气组织已相当发达，使得CH4贡献率增加。而成熟期水层浅，后期排水落干的条件不利于CH4排放，N2O相比于成熟后植物呼吸作用大于光合作用产生的较多CO2来说基本属于痕量气体。

图3 新开发水田不同时期温室气体贡献率Fig. 3 Greenhouse gas contribution rate of the new paddy in different periods

图4 成熟水田不同时期温室气体贡献率Fig. 4 Greenhouse gas contribution rate of the mature paddy in different periods

2.3 水田面积变化及变暖潜势分析

为积极推进吉林省百亿斤粮食生产能力增加，2007年以来，吉林省政府推行了吉林西部土地整理工程，该项目分3个项目区（主要是前郭县和乾安县），项目建设规模32.86×104hm2，新增水田面积27×104hm2，在现有的土地利用变化的基础上，开展新一轮的水田大规模开发整理工程将进一步引起温室气体的排放。

水田作为一种特殊的生态系统，释放着CO2、CH4和N2O等温室气体。由于CH4和N2O这2种温室气体对于温室效应的贡献大大高于CO2，在评估水田开发过程中产生的增温效应，应综合考虑3种温室气体的贡献率，选取GWP计算，根据面积加权法，计算出不同基准年吉林西部盐碱水田区GWP。公式如下，符号含义见表4。

表4 GWP估算公式符号项含义Table 4 Global Warming Potential Estimation formula alphabet meaning

图5 不同基准年生长季盐碱水田GWP图Fig. 5 In saline-alkali paddy field GWP of different base year during rice growth period

从图5可知，1990年至土地整理完工后的水田面积在迅速增加，且近年来的增长幅度较大，水田开发速度加快，随着面积的增加，研究区的 GWP产生总量呈现持续增加的趋势，其增长幅度与水田面积变化趋势一致，土地整理后水田的GWP比之前2012年的GWP值增加了一倍，图6中看出两者相关系数r2为0.9979，呈显著线性相关。因此，新开发水田对温室效应的贡献很大，这与本研究区近20年来大力发展水稻种植业有直接关系。说明吉林西部盐碱水田面积大规模的开发对区域变暖做出了一定贡献。

图6 盐碱水田GWP与水田面积相关分析图Fig. 6 In saline-alkali paddy field GWP and area correlation analysis

3 结论与建议

不同开发年限水田生长季温室气体排放总量（以 CO2气体计）呈递增趋势，水田开发初期温室气体排放量的增加幅度明显，水田开发过程中CO2、CH4和N2O 3种气体各自的贡献率都有一定变化，其中CO2气体排放一直占主要地位，贡献率在80%左右，CH4的贡献率 16.69%～20.39%，是 N2O的14～22倍，表明水田CH4气体的排放对研究区综合温室效应有重要作用。

从 1990年至土地整理完工，新开发的水田面积大幅度增加，研究区的GWP产生总量呈现持续增加的趋势，吉林西部水田面积大规模的开发对区域变暖做出了一定贡献。在水稻生长不同时期各气体所贡献比例有所不同，在水稻生长旺盛的阶段，CH4气体贡献比重显著增加，CO2气体贡献率降幅明显，此时期可有利于减排措施的实施。

针对土地整理工程大量开发水田引起的区域变暖，减排过程要综合考虑3种温室气体的变暖潜势，在温室气体采集方面，将逐渐开展野外原位监测，进行全年候及多年观测数据，获得长时间序列的温室气体排放特征值，以便更为精确地计算区域温室气体排放总量。

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Estimation of Global Warming Potential in the Saline-alkali Paddy Fields of Western Jilin

TANG Jie, FANG Tian Ru, ZHAO Ren Zhu, LIANG Shuang

College of Environment and Resource, Jilin University, Changchun 130012, China

In order to explore the western Jilin land consolidation project's contribution to regional-wide warming, based on the measured data of paddy soil greenhouse gases, the analysis of regional greenhouse gas emissions, a scientific basis for assessing the impact of paddy development on global warming had been provided. With the method of combining field sampling and region experiments, taking saline-alkali paddy field of Jilin province as an investigation object, of 0～30 cm surface soil samples of paddy were collected back to the experiments field. Pits with the size of 100 cm × 100 cm × 50 cm were digged in the field, after laying plastic sheeting at the bottom of the pits, the soil taking back from the sampling points were filled into the pits, watering, planting rice. Six plots were filled with different developed age soil, their disposal model was the same as QianGuo's local water and fertilizer management, drainage.was digged around the plots To research the greenhouse gas emission and contribution in the paddy, estimate GWP in the area, CH4, CO2and N2O that released by soil during rice growth period were monitored by Static box - gas chromatography. combine The greenhouse gas GWP contribution was analysised combined with thirty years paddy area change. The results show that different development age total value greenhouse gas emissions (CO2-eqv) during paddy growing appeared an increasing trend, in the development process paddy CO2, CH4and N2O emissions of greenhouse gases contribution rate for each period has a certain change, CO2emissions contribution rate is dominant about 80%, CH4contribution rate 16.69%～20.39%, is N2O 14 to 22 times, indicating CH4emissions have a great comprehensive contribution on study area .In early paddy, N2O has higher contribution rate compared to mature paddy. In the rice growing vigorous period, CO2contribution rate was decreased obviously, CH4contribution rate was increased significantly, N2O contribution rate changed little. CH4and N2O contribution rate is small in mature stage and returning green stage, which, apart from maturity stage the newly developed paddy CH4contribution rate, CO2contribution rate has dropped and fell significantly, the proportion of the contribution to greenhouse gas CH4increase, much higher than N2O in this period. In mature stage three greenhouse gas contribution rate compared with other periods changed greatly, CH4than N2O has a slight advantage, CO2makes a recovery percentage to 95%. This is mainly with changes in soil conditions, In the rice growing vigorous period, waterlogged layer provides a good soil microbial anaerobic conditions, makes CH4contribution rate increase.In mature stage shallow water layer and draining off, the dry conditions are not conducive to CH4emissions, N2O is basically trace gas compared to the CO2which produced by mature plant respiration more than photosynthesis. The total GWP in the study area continue to increase, and the growth rate was the same with the area of paddy field increased trend. The newly developed paddy contributed significantly to the greenhouse effect, which with the development of rice farming in nearly 20 years in the study area has a direct relationship. It shows that large-scale development in the western area of Jilin saline paddy has made some contribution to regional warming.

saline-alkali paddy field; greenhouse gas; GWP; contribution rate

X144

：A

：1674-5906（2014）08-1372-06

汤洁，方天儒，赵仁竹，梁爽. 吉林西部盐碱水田区全球变暖潜势研究[J]. 生态环境学报, 2014, 23(8): 1372-1377.

TANG Jie, FANG Tian Ru, ZHAO Ren Zhu, LIANG Shuang. Estimation of Global Warming Potential in the Saline-alkali Paddy Fields of Western Jilin [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1372-1377.

国家自然科学基金项目（40871088；51179073）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（20130061110065）

汤洁（1957年生），女，教授，博士生导师，主要从事生态环境理论与技术研究。E-mail: tangjie@jlu.edu.cn

2014-07-07