温度对东北平原水稻田甲烷排放的影响

贾庆宇，李晓岚，于文颖，周莉，温日红，谢艳兵，赵一俊，孙胜阳

1. 中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166；2. 中国气象科学研究院，北京 100081；3. 盘锦市气象局，辽宁 盘锦 124000；4. 富锦市气象局，黑龙江 佳木斯 156100

水稻（Oryza sativa）田排放的CH4总量约占全世界的 12%—26%（IPCC，2007），是导致大气中CH4浓度不断增加的重要原因之一，与全球变化有着密切的联系（Wang et al.，2018）。中国水稻种植面积约占全世界水稻面积的18.85%（高照良等，2015），中国稻田排入大气中的CH4占全世界水田土壤CH4排放总量的37.6%（刘红江等，2016）。CH4已成了应对气候变化的一大威胁。探索CH4地域排放特征一直是全球变化的重要研究领域。如果不采取适当的措施，水稻田农业甲烷的总排放量将会大大地增加。在浸水还原状态下，CH4细菌分解有机物过程即会产生CH4，并通过植物传送、冒泡、扩散释放到近地层空气中（蔡祖聪等，2009）。在所有控制水稻田CH4排放的因素中，温度起着直接和非常重要的作用，一是温度直接影响有机质的分解和土壤微生物的活动，包括甲烷产生和氧化过程中所涉及的一系列微生物菌群的数量、结构和活性。二是土壤温度影响稻田甲烷的传输，稻田甲烷排放随土壤温度的升高而呈指数形式增加，其规律可用温度敏感性Q10定律描述，Q10也被认为是评估土壤呼吸和生态系统呼吸的表观温度敏感性的最重要参数之一。然而，迄今为止，很少有研究湿地CH4排放的Q10报道（Wang et al.，2015）。

近年发展出的涡度协方差观测技术（EC）可持续长时间监测获取更精确的CH4排放量，对监测环境无干扰、分析频率高、取得资料具代表性，因此该方法已经成为CH4通量观测的基本方法。对于东北尤其在三江平原多采用Chamber结合气象色谱方法人工控制小区定位测量不同灌溉制度（张忠明等，2018；Wu et al.，2018）、不同种植方式（龚振平等，2015）水稻CH4排放，并且采用Chamber方法对三江平原毛果苔草（Carex lasiocarpa）和小叶章（Deyeuxia angustifolia）等类型沼泽湿地CH4排放（杨文燕等，2006）进行了较细致的研究。在东北由于缺乏水稻田温室气体CH4排放源的长期连续的实测数据，无法准确定位测量甲烷的真实排放状况，影响了全球生态系统模型和遥感反演模拟碳库估算的准确性。

中国东北是水稻的主要产区，均为全年一熟、冬休闲的寒地单季稻类型。种植面积全国占比为17.78%，总产量占比为19.27%（2015年）。近30年种植面积从119.3×104hm2增加到了 530.6×104hm2，在东北粮食作物中占比从8.9%增加到23.6%，种植面积和产量正在逐渐替代大豆（Glycine max）和玉米（Zea mays）。辽河平原位于中国东北南端（图1），受人为因素影响湿地面积和类型一直在变化。在1988—2006年间辽河平原水稻田面积增加了977.1 km2（汲玉河等，2010）。三江平原位于中国东北的东北端，是世界三大黑土带之一。本区从90年代开始人工将大规模的旱地转变成水稻田，开始大规模发展井灌水稻耕种已有20多年的时间，近10年来面积增加非常迅速，区域环境上稻田面积增加必然对CH4排放产生的严重影响（王平等，2009）。张远等（2011）采用遥感和DNDC模型结合的方法模拟结果得出，稻田是三江平原农业生态系统中的一个较大的甲烷“源”。由于各地气象因素年际变化、环境变量复杂，需要更多点位、长期的EC实测数据支持，才能充分了解不同环境下形成的CH4交换之间的关系。

图1 观测位置图Fig. 1 Location of observation stations

通过长期定位站涡动相关连续监测，找出在全球变化和人为活动影响下东北水稻田CH4排放关键时期特征、排放量、交换强度，结合气温和土壤温度数据研究温度变化对CH4的影响，对于制定合理的减排措施来减缓全球的温室气体排放具有一定参考意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

辽河平原（40°41′—41°27′N，121°30′—122°41′E，海拔高度0.0—3.8 m），年平均气温为8.6 ℃，7月平均气温为24.4 ℃，1月平均气温为-9.8 ℃，无霜期为171 d，≥10 ℃积温为3509 ℃。年平均降水量为 631 mm（贾庆宇等，2017）。三江平原（43°49′—48°27′N，129°11′—135°05′E，海拔高度为 30.0—50.0 m），7月平均气温为21—22 ℃，1月平均气温为-21— -18℃，≥10 ℃积温为 2300—2500 ℃，无霜期为140 d，平均降水量为500—650 mm（李文福等，2012）（图 1）。

辽河平原供试水稻品种是盐丰47，土壤种类为盐渍水稻土（Saline paddy soil），pH值偏碱。4月中旬播种，灌水时间和排水时间见表 1，三叶期到分蘖期通过灌水和排水使水层深度维持在3—5 cm，拔节期通过灌水使水层深度维持在5—7 cm。灌溉水来源为辽河干流配水。

三江平原供试水稻品种是龙粳31，土壤种类为草甸黑土（Meadow black soil），pH值中性偏酸。4月中旬播种，移栽时间和成熟期早于辽河平原，辽河平原生育期比三江平原长半个月，收割时间是10月初（表1）。三江站灌溉水来源为松花江和地下水配水。

表1 观测的水稻生育期Table 1 Rice growth period observed

1.2 试验方法

EC观测地点辽河平原站（LH站）位于盘锦市（40°55′53″N，121°57′66″E），三江平原站（SJ站）位于富锦市（47°9′7″N，131°56′19″E）（图 1），隶属于中国气象局东北地区生态与农业气象野外科学试验基地。KM 模型原始输出 100%的通量贡献区内是典型水稻田。采用GHG-1涡度观测系统（Licor，Inc.，USA）监测CH4排放，系统安装高度4 m，主要由三维超声风速仪（WindMaster，Gill，USA）、开路式 CH4分析仪（Li-7700）和数据采集器（Li-7550）组成，采样频率10 Hz，传感器安装高度4.2 m。原始输出数据包括水平风速（Ux、Uy）、垂向风速（Uz）、CH4绝对密度（ρCH4）、水蒸汽绝对密度（ρH2O）、超声虚温（Ts）、大气压力（P）和CSAT3诊断值（diag_csat）。为了确保仪器测量CH4浓度的准确和可比较性，使用制造商 Licor，USA提供的校准单元，用 5 mg·L-1（指标纯度≥99.99%)的标准 CH4气体，每间隔半年检查校准CH4开路气体分析仪。气象观测仪器型号 Telemetry A753WS（Adcon，GER），温湿传感器型号SEN-R TR-1，安装高度2 m，土壤温度传感器型号SM1，深度10 cm和40 cm。

1.3 数据计算方法

涡度协方差方法：通过计算风速脉动与CH4脉动的协方差求算湍流输送量（湍流通量）（Baldocchi et al.，1988）。

其中，F为CH4通量；w'为垂直风速与平均值的瞬时偏差；ρ'c为CH4密度的瞬时扰动值。

为确保资料的可靠性，本研究采用EddyPro 6.0（Li-Cor，Inc.USA）软件对原始10 Hz湍流数据资料进行处理，湍流通量进行频率订正（Moore，1986）、WPL订正（Kondo et al.，2012）、在软件GUI用户界面设定“过大通量”和“过小通量”阈值。对处理后获得的30 min平均值进行降水剔除、夜间摩擦风速剔除（朱治林等，2006）。对缺失数据：缺失 1—3个数据用 Forecast function （x，known_y's，known_x's）函数线性内插；缺失4个点以上数据插补用平均日变化法 Mean Diurnal Variation（MDV）（Sagerfors et al.，2008）。经过QA/QC和插补处理，计算出了完整的连续1年的半小时通量数据，然后将半小时累加合并为日、月和年度的通量数据。

CH4排放和土壤温度的关系用指数模型拟合。

其中，R为在t ℃时CH4排放速率；a是0 ℃时的土壤呼吸速率；b为温度反应系数。

用 Q10值表示 CH4排放对温度变化的敏感程度，即：

2 结果与分析

2.1 水稻田近地层CH4通量

2017年三江站水稻三叶期（5月2日）水稻田CH4开始释放，抽穗后期（9月12日）释放结束，在水稻分蘖期（6月26日）CH4日排放通量达到峰值（0.52 g·m-2）（图2），其他时间排放基本为零。年释放量为26.77 g·m-2，6月和7月释放量占全年的79.57%。辽河站4月18日（播种期）水稻田CH4开始释放，生育期末（10月27日）排放结束。辽河站CH4日排放通量值有 3个峰值，在泡田—移栽期较高，拔节期—抽穗排放量再次升高，花期—成熟期即生长季末出现第 3个峰值，峰值时间为返青—分蘖的 6月 10日（0.24 g·m-2），拔节期的 7月 18日（0.33 g·m-2）和生长季末 9 月 16 日（0.14 g·m-2），返青期—分蘖期CH4排放降低，出现排放的谷值。辽河站水稻田CH4的年释放量为16.17 g·m-2（图3），7月的排放量最大，占全年的34.78%，冬季有甲烷微弱吸收。

图2 水稻田甲烷排放通量（Fd）日变化Fig. 2 Methane flux (Fd) daily changes in Paddy fields

图3 水稻田甲烷排放量（Fm）月变化Fig. 3 Methane flux (Fm) monthly changes in Paddy fields

2018年三江站水稻田 CH4排放通量为 32.76 g·m-2，辽河站为 20.51 g·m-2。CH4排放的变化趋势与2017年相似，但两地分别存在22.37%和26.84%排放量的增加，尤其是月排放峰值增加显著（图3），年际之间排放量差异较大，辽河站在泡田—移栽期CH4日排放通量的峰值高于拔节期—抽穗排放量的峰值。

2.2 水稻田温度特征

监测结果表明，东北平原2018年和2017年的气温条件基本一致。2018年三江站年平均气温为3.38 ℃，与2017年（3.36 ℃）持平，5—9月平均气温为18.08 ℃，略低于2017年的18.25 ℃。2018年辽河站平均气温为 9.44 ℃，比 2017年低0.65 ℃，5—9月平均气温为21.64 ℃，与2017年（21.63 ℃）持平。两站的平均气温最高时间均在6月底至7月（图4、5）。

图4 水稻田气温日变化Fig. 4 Daily change of air temperature

图5 水稻田气温月变化Fig. 5 Monthly change of air temperature

对比两个站的土壤温度（图 6），三江站土壤表层年平均温度6.06 ℃，冻土时间为138 d，冻土时间段为1月1日—3月17（1—76 d）日和11月2日—12月 31日，表层土壤温度比辽河站低4.53 ℃。辽河站表层土壤温度10.59 ℃，冻土时间为114 d，冻土时间段为1月1日—3月16日（1—75 d）和11月23日—12月31日，比三江站冻土时间短24 d，在冻土阶段水稻田甲烷的日交换量很低。2018年三江站 5—9月土壤温度均明显高于2017年，随着土壤温度的上升（10—25 ℃），甲烷排放量线性增加（图7）。辽河站在7—8月土壤温度均明显高于 2017年，土壤温度增加与甲烷排放的相关性不显著。

2.3 水稻不同生长阶段温度敏感性

图8所示为不同时间段CH4通量的日变化，辽河站非生长季的年初到土壤解冻、土壤解冻到泡田、排水到生长季末、生长季末到年末各阶段CH4通 量 的 峰 值 分 别 为 (0.12±0.13)、 (0.17±0.12)、(0.04±0.07) μmol·m-2·s-1，存在日变化，CH4通量从09:00—10:00开始增加，13:00达到高峰，15:00—16:00排放停止，夜间弱吸收可以抵消白天的排放。在生长季泡田到返青前、返青到孕穗、孕穗到排水各阶段日平均排放量为 0.080 μmol·m-2·s-1，峰值分别 为 (0.15±0.14) 、 (0.19±0.07) 、 (0.15±0.24)μmol·m-2·s-1，生长季 CH4通量存在明显的日变化，08:00开始增加，在12:00—14:00达到高峰，17:00—18:00排放量降低到较低值，夜间排放较弱或不排放，白天甲烷排放通量集中在 0.2 μmol·m-2·s-1以下，夜间排放通量集中在 0.1 μmol·m-2·s-1以下。在 CH4通量较高时期，日变化活跃，日较差大。

三江站CH4通量在非生长季没有日变化，基本为 0，变幅低于辽河站。在生长季 CH4排放具有明显昼夜变化，生长季泡田到返青前、返青到孕穗、孕穗到排水各阶段 CH4通量的峰值分别为(0.07±0.09)、(0.43±0.13)、(0.18±0.11) μmol·m-2·s-1。返青到孕穗阶段CH4通量最大，此时的通量的日变化随气温升高而升高，温度达最大值之后逐渐降低。生长季 08:00 CH4通量开始增加，在 12:00—13:00达到高峰，在 15:00—18:00排放量降低到较低，其中在分蘖到拔节期夜间的CH4通量排放在0.2 μmol·m-2·s-1以上，孕穗到乳熟前夜间排放在 0.1 μmol·m-2·s-1以上。

图6 水稻田土壤温度月变化Fig. 6 Monthly change of soil temperature

图7 土壤温度与甲烷排放相关性Fig. 7 Correlation between soil temperature and methane emission

图8 水稻田不同阶段甲烷排放的日变化（Fd）Fig. 8 Diurnal variation of methane emissions(Fd) at different stages

土壤温度低于 0 ℃时 CH4排放通量较低或者为零，因此对土壤温度大于0 ℃时CH4排放通量具有明显日变化的泡田到返青之前、返青到孕穗、孕穗到排水前3个时期与土壤温度之间的关系和响应进行敏感性分析（图9），得出CH4温度敏感性系数Q10。Q10是指温度每升高10 ℃时CH4排放增大的倍数。结果显示，三江站夜间温度敏感性明显好于白天，夜间的符合温度敏感性的指数方程，3个阶段夜间的温度敏感性指数方程分别为 y=0.0015e0.1729x，R2=0.3389，Q10=5.635；y=0.044e0.0903x，R²=0.3151，Q10=2.463； y=0.0007e0.2428x， R2=0.2235，Q10=11.336，白天返青到孕穗时期符合温度指数方程y=0.096e0.038x，R2=0.077。辽河站甲烷排放通量的温度敏感性比三江站差（图10），仅在泡田到返青时期夜间符合温度敏感性指数方程y=0.0076e0.1046x，R2=0.1107，Q10=2.846。

3 讨论

准确描述该地一年中的净碳平衡，估计温室气体对全球碳循环贡献，除CO2外还必须考虑CH4通量项，需要考虑来自水稻田的大量甲烷排放量。两地泡田时间相近，三江平原泡田时间略早有利于加速土壤温度提高，生长季都维持3—7 cm的薄水层，均是在成熟期排干水，降水过后适当排水，排干水后基本没有甲烷排放，甲烷排放开始时间在土壤解冻后灌水之前，结束时间均与排灌水周期有一致性。受土壤温度升高影响，2018年甲烷排放量高于2017年，随着气候变暖作物生长季延长，土壤深层次有机质矿化加速，有必要在东北水稻地区对甲烷通量项进行更长期的测量，深入探讨年际之间以及冷热季节交替之间的转换（例如春季融化和衰老后）。针对冬季冰层溶解和生长季对CH4排放的影响，应该在这些生态系统中进行更密切的研究，以便更好地量化湿地中的C交换。

龚振平等（2015）研究表明，水稻生育期内CH4排放通量存在2个峰值，张忠明等（2018）采用箱式法进行研究，表明寒地水稻田存在2个峰值。本试验中，辽河水稻生育期内CH4排放通量共出现3个排放峰值，出现第3个峰值是因为辽河平原生育期较长，土壤中易分解的有机质分解之后，水稻根的死亡、根细胞的脱落及根系的分泌物又成为甲烷化的有机质，所以在花期至成熟期又出现第3个甲烷排放高峰。

图9 三江平原甲烷排放的土壤温度敏感性Fig. 9 Soil temperature sensitivity of methane emission in Sanjiang Plain

图10 辽河平原甲烷排放的土壤温度敏感性Fig. 10 Soil temperature sensitivity of methane emission in Liaohe Plain

温度影响甲烷产生和排放，稻田甲烷排放通量与气温和土壤温度密切相关。由于下午气温和太阳辐射增高，使植物体的呼吸和蒸腾作用增强，能够促进甲烷通过植物体向大气的传输，使甲烷气体通过水层扩散率加快，土壤中的甲烷气体也易形成气泡冒出水面。可见，下午气温高，使甲烷排放路径得到改善是甲烷排放出现峰值的主要原因，这种形式是最基本、最普通的日变化形式，与世界上其他地区的观测结果一致。CH4排放通量的高峰都在午后，与已有的稻田研究一致（颜晓元等，2015；Ge et al.，2018）。

Watanabe et al.（2005）研究指出，在不施肥和施用秸秆情况下，稻田甲烷季节排放总量与水稻生长季有效积温（日平均温度大于 15 ℃）呈显著正相关。周超等（2013）研究发现，在不同时期，CH4排放日变化与稳定深层的土壤温度有较好的相关性，CH4排放率的季节变化则与土壤温度相关性较差。而Yagi et al.（1996）认为，稻田CH4排放量与浅层 5 cm处土层温度密切相关。相关研究的CH4排放速率与本试验结果差异的存在原因可能是试验地气候与土壤条件不同，本研究结果表明甲烷产生的最适宜温度为25—30 ℃，若土壤温度变化较明显，且有机质供应充足，则甲烷季节排放通量与空气、土壤温度有较好相关性。水稻田夜间甲烷的产率与温度的关系满足 Arrheniu关系（Centeno et al.，2017），因此温度升高会增加甲烷产生的概率。在非生长季，三江平原甲烷排放没有日变化，辽河平原有日变化。相同温度范围内，各个温度下酸性水稻土的产甲烷量以及产甲烷平均速率均大于偏碱性土壤（买尔哈巴·力提甫等，2015），是因为甲烷产生与土壤有机碳的含量呈正相关，当环境条件适宜时，底物供应成为控制甲烷产生的关键因素（Wassmann et al.，2000）。

4 结论

（1）东北地区水稻主产区三江平原和辽河平原的灌溉制度、淹水条件、种植方式基本相同，而滨海的盐渍水稻土比内陆pH偏中性水稻土CH4年排放量低。三江平原分蘖期是CH4排放高峰，而辽河平原存在3个排放峰值。2017年和2018年气温持平，2018年和2017年CH4排放年际变化显著，土壤温度均呈升高的趋势，加速甲烷排放。

（2）三江平原稻田生态系统分蘗期CH4交换通量较高，具有明显峰值，在 10—30 ℃范围内，土壤温度与CH4排放速率呈正相关，孕穗到排水前夜间CH4排放对温度变化最敏感，土壤温度变化会直接影响东北较高纬度内陆水稻田CH4排放，使三江平原拔节期产生明显的CH4排放峰值。辽河平原泡田期、拔节—抽穗期和成熟期CH4交换通量较高且具有明显峰值，泡田—返青夜间CH4排放对温度变化最敏感。两地CH4通量较高时期，日变化活跃，均表现为夜间浓度较低、日间浓度较高，日较差大，通量的日变化随气温升高而升高，温度达最大值之后逐渐降低。

（3）不同生育阶段CH4排放与土壤温度的敏感性Q10不同，三江平原孕穗—排水前夜间CH4排放对温度变化最敏感，辽河平原泡田—返青夜间CH4排放对温度变化最敏感。

致谢：盘锦国家气候观象台孙占印、张野、陈龙等科技人员和富锦市气象局刘俊吉在整个监测过程中给予大力支持，在此表示感谢。