成都地区稻田CH4 和N2O 排放特征研究

2024-02-27王丽坤

资源节约与环保 2024年1期

王丽坤

（四川省核地质调查研究所四川成都 610061）

引言

实现碳达峰、碳中和是我国向国际社会做出的庄严承诺，是推动我国高质量发展的内在要求。目前中国农业排放约占二氧化碳当量（CO2eq）排放总量的5.4%，其中水稻种植约占农业CO2eq排放总量的16%[1]。稻田CH4和N2O 排放是农业温室气体的主要来源之一，稻田的CH4和N2O排放分别占全球CH4和N2O 排放总量的20%和25%～35%[2]，故稻田CH4和N2O 排放是农田温室气体减排研究的重点。

水稻作为四川省成都平原主要的粮食作物，研究成都平原主要水稻品种的温室气体排放特征，对探究农业减排固碳具有巨大的促进作用。本文针对成都平原当地主要推广种植的水稻种植品种，利用静态箱法和气相色谱分析法，监测水稻生长期内，稻田的温室气体排放情况，研究稻田CH4和N2O 排放特征，为进一步的农业减排固碳提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于四川省成都市崇州市隆兴镇顺江村高标准农田（30°34'N，103°38'E），位于岷江中上游川西平原西部，属亚热带湿润季风气候，四季分明，春秋短，冬夏长，雨量充沛，日照偏少，年平均气温16.1℃，年平均日照时数为994.9h，年平均降雨量1011.3mm，年平均无霜期282d。

试验区选取“宜香优2115”籼稻品种为试验材料，该品种水稻为四川省2023 年唯一入选农业农村部的《国家农作物优良品种推广目录》骨干型品种，具有抗旱、抗病性好等特点，在四川省境内大面积推广。本试验区土壤为水稻土，实行稻油轮作的种植制度，油菜秸秆会翻耕还田。

1.2 观测方法

试验田温室气体利用静态箱法进行采集，采样箱体为不锈钢材质，分为采样底箱、采样中箱和采样顶箱，采样底箱在水稻生长期内大部分箱体固定埋入稻田里，采样中箱和采样顶箱外侧包裹保温材料以避免外界温度干扰，采样顶箱内装有微型风扇、温度探头和输气管。采样时，采样顶箱罩于采样底箱上，用水封法隔绝外界空气与箱内部气体交换。作物生长中后期，因作物高度增加，采样时需加入采样中箱以增加箱体高度。

试验田设置2 个采样重复，采样开始于水稻移栽后第3d，每周采样1 次，采样时间为无雨天气的8:30～12:30，每个采样点采集气样4 袋，采样间隔7～10min，气样储存于铝箔气袋中，样品量为60mL。

1.3 排放通量

气体分析采样气相色谱仪，每次检测前，均使用使用标准气体对仪器标定，获取到相应温室气体的峰面积。接着由峰面积法按式（1）计算温室气体的浓度。

本次检测中温室气体CH4、N2O 和CO2的标准气体浓度分别为4.3ppm、0.44ppm 和424.1ppm。

温室气体排放通量，通过线性回归计算相应时间间隔内温室气体浓度随时间的变化速率。当气体排放通量为正值时表示向大气排放，负值则表示吸收。详细计算见式（2）[3]。

1.4 温室气体排放强度

由温室气体排放通量累加计算得到其总累积排放量，再由增温潜势和作物标准产量，即得到排放强度。

温室气体累积排放总量计算见式（3）。

式中Fi—温室气体排放通量；i—采样次数；t—采集时间的天数。

温室气体排放强度计算见式（4）、式（5）。

式中Q—温室气体排放强度；和—当季CH4和N2O 的累积排放量，kg/hm2；—水稻稻谷标准产量，kg/hm2—稻谷烘干重量；25和298—在100 年的时间尺度内CH4和N2O 增温潜势是CO2的25 倍和298 倍；0.14—籼稻品种的标准含水量[4]。

2 结果与分析

2.1 温室气体排放规律

水稻在移栽后，CH4排放通量整体呈先增大后减少趋势，期间出现过2 次CH4排放峰值，详见图1。水稻生长后期烤田，CH4排放通量很低，几乎接近于0。

图1 水稻CH4 排放通量情况

水稻移栽后，施一次复合肥后，出现N2O排放高值，详见图2。可能由于水稻生长前期长势较弱，有大量未被水稻植株吸收的氮素以N2O 的形式从土壤中逸出，出现N2O 排放通量峰值（712μgN·m-2·h-1）；中后期，随着水稻生长发育进程推进，N2O 排放较少，呈稳定状态。

图2 水稻N2O 排放通量情况

2.2 温室气体排放强度

通过式（3），计算得到本次杂交籼稻的CH4累积排放量为103.3kgC·hm-2，N2O 的累积排放量为2.01kgN·hm-2。本次试验用水稻宜香优2115 产量为12.3thm-2。

试验用水稻温室气体排放强度主要取决于温室气体的累积排放量和水稻产量，其温室气体排放强度为222.45kgCO2eq·t-1。

3 讨论

3.1 CH4 排放规律

水稻作为土壤中CH4向大气排放的主要通道，90%以上的CH4是通过水稻植物排放[5][6]，水稻种植是CH4产生的主要来源。本次试验水稻的CH4通量排放为先增大后减少的趋势，与相关研究结果相一致。

水稻CH4排放峰值出现于水稻分蘖盛期，随着水稻分蘖数量的增加，稻田里CH4排放的通道也在增加；水稻淹水时，甲烷氧化发生于土壤有氧层和植物体根部氧化膜[7]，水稻分蘖期随着叶片的出生，水稻也会一节节发根，这样从上部向根输送氧气的途径也会增多，使水稻在淹水缺氧的情况下仍能生长和产生更多的CH4气体。因此，这段时间内检测到CH4排放峰。

水稻生长中期，长势较弱，可能输送给根部的氧气减少，从而产生的CH4也相应减少。水稻在拔节期，又发育了少量新根，使根系输送氧气增多，从而又出现了CH4排放的第二个峰值。

水稻生长后期，晒田使土壤水位下降，受好氧菌催化作用CH4开始产生，这样会降低CH4的产生速率，最终导致CH4排放减少。

3.2 N2O 排放规律

本次试验，水稻移栽后，施用了含有氮磷钾的复合肥。氮肥施入土壤中，会产生铵根离子和硝酸根离子等活性氮，活性氮可为土壤微生物活动提供底物，从而促进土壤N2O 的产生和排放，而且氮肥施入后，土壤碳氮比也发生变化，同样会影响产生N2O 的过程[8～11]。故水稻移栽初期，会出现N2O 排放通量增加的情况，这与相关的研究结果一致。

水稻生长过程中会吸收大量的无机氮，而无机氮为微生物产N2O 提供底物，这样提供给土壤微生物的氮素相对较少[12][13]，故水稻生长过程中N2O 的排放会减少。而水稻生长中期，可能由于比前期长势较弱，有大量未被水稻植株吸收的氮素以N2O 的形式从土壤中逸出，出现了N2O 排放峰值。

3.3 产量、CH4 和N2O 的排放量

本次试验用杂交籼稻为目前成都平原大量推广的水稻品种，该籼稻的CH4累积排放量为103.3kgC·hm-2，N2O的累积排放量为2.01kgN·hm-2，产量为12.3thm-2。

通过比较相关资料，本次试验用籼稻产量很高，属于高产水稻。而该品种水稻的CH4和N2O累积排放量相较于气体品种水稻略高，其他品种水稻的平均CH4累积排放量55.4～100kg·Chm-2，平均N2O 累积排放量0.1～0.77 kgNhm-2[4]，但其温室气体排放强度约为0.2tCO2eq·t-1，低于单季稻温室气体强度0.15～0.87 tCO2eq·t-1（均值0.45 tCO2eq·t-1）[2]，说明该品种籼稻的温室气体强度不高，且单位产出水稻所引起的温室效应影响也较小。