溫度對東北平原水稻田甲烷排放的影響

賈慶宇，李曉嵐，于文穎，周莉，溫日紅，謝艷兵，趙一俊，孫勝陽

1. 中國氣象局沈陽大氣環境研究所，遼寧 沈陽 110166；2. 中國氣象科學研究院，北京 100081；3. 盤錦市氣象局，遼寧 盤錦 124000；4. 富錦市氣象局，黑龍江 佳木斯 156100

水稻（Oryza sativa）田排放的CH4總量約占全世界的 12%—26%（IPCC，2007），是導致大氣中CH4濃度不斷增加的重要原因之一，與全球變化有著密切的聯系（Wang et al.，2018）。中國水稻種植面積約占全世界水稻面積的18.85%（高照良等，2015），中國稻田排入大氣中的CH4占全世界水田土壤CH4排放總量的37.6%（劉紅江等，2016）。CH4已成了應對氣候變化的一大威脅。探索CH4地域排放特征一直是全球變化的重要研究領域。如果不采取適當的措施，水稻田農業甲烷的總排放量將會大大地增加。在浸水還原狀態下，CH4細菌分解有機物過程即會產生CH4，并通過植物傳送、冒泡、擴散釋放到近地層空氣中（蔡祖聰等，2009）。在所有控制水稻田CH4排放的因素中，溫度起著直接和非常重要的作用，一是溫度直接影響有機質的分解和土壤微生物的活動，包括甲烷產生和氧化過程中所涉及的一系列微生物菌群的數量、結構和活性。二是土壤溫度影響稻田甲烷的傳輸，稻田甲烷排放隨土壤溫度的升高而呈指數形式增加，其規律可用溫度敏感性Q10定律描述，Q10也被認為是評估土壤呼吸和生態系統呼吸的表觀溫度敏感性的最重要參數之一。然而，迄今為止，很少有研究濕地CH4排放的Q10報道（Wang et al.，2015）。

近年發展出的渦度協方差觀測技術（EC）可持續長時間監測獲取更精確的CH4排放量，對監測環境無干擾、分析頻率高、取得資料具代表性，因此該方法已經成為CH4通量觀測的基本方法。對于東北尤其在三江平原多采用Chamber結合氣象色譜方法人工控制小區定位測量不同灌溉制度（張忠明等，2018；Wu et al.，2018）、不同種植方式（龔振平等，2015）水稻CH4排放，并且采用Chamber方法對三江平原毛果苔草（Carex lasiocarpa）和小葉章（Deyeuxia angustifolia）等類型沼澤濕地CH4排放（楊文燕等，2006）進行了較細致的研究。在東北由于缺乏水稻田溫室氣體CH4排放源的長期連續的實測數據，無法準確定位測量甲烷的真實排放狀況，影響了全球生態系統模型和遙感反演模擬碳庫估算的準確性。

中國東北是水稻的主要產區，均為全年一熟、冬休閑的寒地單季稻類型。種植面積全國占比為17.78%，總產量占比為19.27%（2015年）。近30年種植面積從119.3×104hm2增加到了 530.6×104hm2，在東北糧食作物中占比從8.9%增加到23.6%，種植面積和產量正在逐漸替代大豆（Glycine max）和玉米（Zea mays）。遼河平原位于中國東北南端（圖1），受人為因素影響濕地面積和類型一直在變化。在1988—2006年間遼河平原水稻田面積增加了977.1 km2（汲玉河等，2010）。三江平原位于中國東北的東北端，是世界三大黑土帶之一。本區從90年代開始人工將大規模的旱地轉變成水稻田，開始大規模發展井灌水稻耕種已有20多年的時間，近10年來面積增加非常迅速，區域環境上稻田面積增加必然對CH4排放產生的嚴重影響（王平等，2009）。張遠等（2011）采用遙感和DNDC模型結合的方法模擬結果得出，稻田是三江平原農業生態系統中的一個較大的甲烷“源”。由于各地氣象因素年際變化、環境變量復雜，需要更多點位、長期的EC實測數據支持，才能充分了解不同環境下形成的CH4交換之間的關系。

圖1 觀測位置圖Fig. 1 Location of observation stations

通過長期定位站渦動相關連續監測，找出在全球變化和人為活動影響下東北水稻田CH4排放關鍵時期特征、排放量、交換強度，結合氣溫和土壤溫度數據研究溫度變化對CH4的影響，對于制定合理的減排措施來減緩全球的溫室氣體排放具有一定參考意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

遼河平原（40°41′—41°27′N，121°30′—122°41′E，海拔高度0.0—3.8 m），年平均氣溫為8.6 ℃，7月平均氣溫為24.4 ℃，1月平均氣溫為-9.8 ℃，無霜期為171 d，≥10 ℃積溫為3509 ℃。年平均降水量為 631 mm（賈慶宇等，2017）。三江平原（43°49′—48°27′N，129°11′—135°05′E，海拔高度為 30.0—50.0 m），7月平均氣溫為21—22 ℃，1月平均氣溫為-21— -18℃，≥10 ℃積溫為 2300—2500 ℃，無霜期為140 d，平均降水量為500—650 mm（李文福等，2012）（圖 1）。

遼河平原供試水稻品種是鹽豐47，土壤種類為鹽漬水稻土（Saline paddy soil），pH值偏堿。4月中旬播種，灌水時間和排水時間見表 1，三葉期到分蘗期通過灌水和排水使水層深度維持在3—5 cm，拔節期通過灌水使水層深度維持在5—7 cm。灌溉水來源為遼河干流配水。

三江平原供試水稻品種是龍粳31，土壤種類為草甸黑土（Meadow black soil），pH值中性偏酸。4月中旬播種，移栽時間和成熟期早于遼河平原，遼河平原生育期比三江平原長半個月，收割時間是10月初（表1）。三江站灌溉水來源為松花江和地下水配水。

表1 觀測的水稻生育期Table 1 Rice growth period observed

1.2 試驗方法

EC觀測地點遼河平原站（LH站）位于盤錦市（40°55′53″N，121°57′66″E），三江平原站（SJ站）位于富錦市（47°9′7″N，131°56′19″E）（圖 1），隸屬于中國氣象局東北地區生態與農業氣象野外科學試驗基地。KM 模型原始輸出 100%的通量貢獻區內是典型水稻田。采用GHG-1渦度觀測系統（Licor，Inc.，USA）監測CH4排放，系統安裝高度4 m，主要由三維超聲風速儀（WindMaster，Gill，USA）、開路式 CH4分析儀（Li-7700）和數據采集器（Li-7550）組成，采樣頻率10 Hz，傳感器安裝高度4.2 m。原始輸出數據包括水平風速（Ux、Uy）、垂向風速（Uz）、CH4絕對密度（ρCH4）、水蒸汽絕對密度（ρH2O）、超聲虛溫（Ts）、大氣壓力（P）和CSAT3診斷值（diag_csat）。為了確保儀器測量CH4濃度的準確和可比較性，使用制造商 Licor，USA提供的校準單元，用 5 mg·L-1（指標純度≥99.99%)的標準 CH4氣體，每間隔半年檢查校準CH4開路氣體分析儀。氣象觀測儀器型號 Telemetry A753WS（Adcon，GER），溫濕傳感器型號SEN-R TR-1，安裝高度2 m，土壤溫度傳感器型號SM1，深度10 cm和40 cm。

1.3 數據計算方法

渦度協方差方法：通過計算風速脈動與CH4脈動的協方差求算湍流輸送量（湍流通量）（Baldocchi et al.，1988）。

其中，F為CH4通量；w'為垂直風速與平均值的瞬時偏差；ρ'c為CH4密度的瞬時擾動值。

為確保資料的可靠性，本研究采用EddyPro 6.0（Li-Cor，Inc.USA）軟件對原始10 Hz湍流數據資料進行處理，湍流通量進行頻率訂正（Moore，1986）、WPL訂正（Kondo et al.，2012）、在軟件GUI用戶界面設定“過大通量”和“過小通量”閾值。對處理后獲得的30 min平均值進行降水剔除、夜間摩擦風速剔除（朱治林等，2006）。對缺失數據：缺失 1—3個數據用 Forecast function （x，known_y's，known_x's）函數線性內插；缺失4個點以上數據插補用平均日變化法 Mean Diurnal Variation（MDV）（Sagerfors et al.，2008）。經過QA/QC和插補處理，計算出了完整的連續1年的半小時通量數據，然后將半小時累加合并為日、月和年度的通量數據。

CH4排放和土壤溫度的關系用指數模型擬合。

其中，R為在t ℃時CH4排放速率；a是0 ℃時的土壤呼吸速率；b為溫度反應系數。

用 Q10值表示 CH4排放對溫度變化的敏感程度，即：

2 結果與分析

2.1 水稻田近地層CH4通量

2017年三江站水稻三葉期（5月2日）水稻田CH4開始釋放，抽穗后期（9月12日）釋放結束，在水稻分蘗期（6月26日）CH4日排放通量達到峰值（0.52 g·m-2）（圖2），其他時間排放基本為零。年釋放量為26.77 g·m-2，6月和7月釋放量占全年的79.57%。遼河站4月18日（播種期）水稻田CH4開始釋放，生育期末（10月27日）排放結束。遼河站CH4日排放通量值有 3個峰值，在泡田—移栽期較高，拔節期—抽穗排放量再次升高，花期—成熟期即生長季末出現第 3個峰值，峰值時間為返青—分蘗的 6月 10日（0.24 g·m-2），拔節期的 7月 18日（0.33 g·m-2）和生長季末 9 月 16 日（0.14 g·m-2），返青期—分蘗期CH4排放降低，出現排放的谷值。遼河站水稻田CH4的年釋放量為16.17 g·m-2（圖3），7月的排放量最大，占全年的34.78%，冬季有甲烷微弱吸收。

圖2 水稻田甲烷排放通量（Fd）日變化Fig. 2 Methane flux (Fd) daily changes in Paddy fields

圖3 水稻田甲烷排放量（Fm）月變化Fig. 3 Methane flux (Fm) monthly changes in Paddy fields

2018年三江站水稻田 CH4排放通量為 32.76 g·m-2，遼河站為 20.51 g·m-2。CH4排放的變化趨勢與2017年相似，但兩地分別存在22.37%和26.84%排放量的增加，尤其是月排放峰值增加顯著（圖3），年際之間排放量差異較大，遼河站在泡田—移栽期CH4日排放通量的峰值高于拔節期—抽穗排放量的峰值。

2.2 水稻田溫度特征

監測結果表明，東北平原2018年和2017年的氣溫條件基本一致。2018年三江站年平均氣溫為3.38 ℃，與2017年（3.36 ℃）持平，5—9月平均氣溫為18.08 ℃，略低于2017年的18.25 ℃。2018年遼河站平均氣溫為 9.44 ℃，比 2017年低0.65 ℃，5—9月平均氣溫為21.64 ℃，與2017年（21.63 ℃）持平。兩站的平均氣溫最高時間均在6月底至7月（圖4、5）。

圖4 水稻田氣溫日變化Fig. 4 Daily change of air temperature

圖5 水稻田氣溫月變化Fig. 5 Monthly change of air temperature

對比兩個站的土壤溫度（圖 6），三江站土壤表層年平均溫度6.06 ℃，凍土時間為138 d，凍土時間段為1月1日—3月17（1—76 d）日和11月2日—12月 31日，表層土壤溫度比遼河站低4.53 ℃。遼河站表層土壤溫度10.59 ℃，凍土時間為114 d，凍土時間段為1月1日—3月16日（1—75 d）和11月23日—12月31日，比三江站凍土時間短24 d，在凍土階段水稻田甲烷的日交換量很低。2018年三江站 5—9月土壤溫度均明顯高于2017年，隨著土壤溫度的上升（10—25 ℃），甲烷排放量線性增加（圖7）。遼河站在7—8月土壤溫度均明顯高于 2017年，土壤溫度增加與甲烷排放的相關性不顯著。

2.3 水稻不同生長階段溫度敏感性

圖8所示為不同時間段CH4通量的日變化，遼河站非生長季的年初到土壤解凍、土壤解凍到泡田、排水到生長季末、生長季末到年末各階段CH4通 量 的 峰 值 分 別 為 (0.12±0.13)、 (0.17±0.12)、(0.04±0.07) μmol·m-2·s-1，存在日變化，CH4通量從09:00—10:00開始增加，13:00達到高峰，15:00—16:00排放停止，夜間弱吸收可以抵消白天的排放。在生長季泡田到返青前、返青到孕穗、孕穗到排水各階段日平均排放量為 0.080 μmol·m-2·s-1，峰值分別 為 (0.15±0.14) 、 (0.19±0.07) 、 (0.15±0.24)μmol·m-2·s-1，生長季 CH4通量存在明顯的日變化，08:00開始增加，在12:00—14:00達到高峰，17:00—18:00排放量降低到較低值，夜間排放較弱或不排放，白天甲烷排放通量集中在 0.2 μmol·m-2·s-1以下，夜間排放通量集中在 0.1 μmol·m-2·s-1以下。在 CH4通量較高時期，日變化活躍，日較差大。

三江站CH4通量在非生長季沒有日變化，基本為 0，變幅低于遼河站。在生長季 CH4排放具有明顯晝夜變化，生長季泡田到返青前、返青到孕穗、孕穗到排水各階段 CH4通量的峰值分別為(0.07±0.09)、(0.43±0.13)、(0.18±0.11) μmol·m-2·s-1。返青到孕穗階段CH4通量最大，此時的通量的日變化隨氣溫升高而升高，溫度達最大值之后逐漸降低。生長季 08:00 CH4通量開始增加，在 12:00—13:00達到高峰，在 15:00—18:00排放量降低到較低，其中在分蘗到拔節期夜間的CH4通量排放在0.2 μmol·m-2·s-1以上，孕穗到乳熟前夜間排放在 0.1 μmol·m-2·s-1以上。

圖6 水稻田土壤溫度月變化Fig. 6 Monthly change of soil temperature

圖7 土壤溫度與甲烷排放相關性Fig. 7 Correlation between soil temperature and methane emission

圖8 水稻田不同階段甲烷排放的日變化（Fd）Fig. 8 Diurnal variation of methane emissions(Fd) at different stages

土壤溫度低于 0 ℃時 CH4排放通量較低或者為零，因此對土壤溫度大于0 ℃時CH4排放通量具有明顯日變化的泡田到返青之前、返青到孕穗、孕穗到排水前3個時期與土壤溫度之間的關系和響應進行敏感性分析（圖9），得出CH4溫度敏感性系數Q10。Q10是指溫度每升高10 ℃時CH4排放增大的倍數。結果顯示，三江站夜間溫度敏感性明顯好于白天，夜間的符合溫度敏感性的指數方程，3個階段夜間的溫度敏感性指數方程分別為 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，白天返青到孕穗時期符合溫度指數方程y=0.096e0.038x，R2=0.077。遼河站甲烷排放通量的溫度敏感性比三江站差（圖10），僅在泡田到返青時期夜間符合溫度敏感性指數方程y=0.0076e0.1046x，R2=0.1107，Q10=2.846。

3 討論

準確描述該地一年中的凈碳平衡，估計溫室氣體對全球碳循環貢獻，除CO2外還必須考慮CH4通量項，需要考慮來自水稻田的大量甲烷排放量。兩地泡田時間相近，三江平原泡田時間略早有利于加速土壤溫度提高，生長季都維持3—7 cm的薄水層，均是在成熟期排干水，降水過后適當排水，排干水后基本沒有甲烷排放，甲烷排放開始時間在土壤解凍后灌水之前，結束時間均與排灌水周期有一致性。受土壤溫度升高影響，2018年甲烷排放量高于2017年，隨著氣候變暖作物生長季延長，土壤深層次有機質礦化加速，有必要在東北水稻地區對甲烷通量項進行更長期的測量，深入探討年際之間以及冷熱季節交替之間的轉換（例如春季融化和衰老后）。針對冬季冰層溶解和生長季對CH4排放的影響，應該在這些生態系統中進行更密切的研究，以便更好地量化濕地中的C交換。

龔振平等（2015）研究表明，水稻生育期內CH4排放通量存在2個峰值，張忠明等（2018）采用箱式法進行研究，表明寒地水稻田存在2個峰值。本試驗中，遼河水稻生育期內CH4排放通量共出現3個排放峰值，出現第3個峰值是因為遼河平原生育期較長，土壤中易分解的有機質分解之后，水稻根的死亡、根細胞的脫落及根系的分泌物又成為甲烷化的有機質，所以在花期至成熟期又出現第3個甲烷排放高峰。

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

圖10 遼河平原甲烷排放的土壤溫度敏感性Fig. 10 Soil temperature sensitivity of methane emission in Liaohe Plain

溫度影響甲烷產生和排放，稻田甲烷排放通量與氣溫和土壤溫度密切相關。由于下午氣溫和太陽輻射增高，使植物體的呼吸和蒸騰作用增強，能夠促進甲烷通過植物體向大氣的傳輸，使甲烷氣體通過水層擴散率加快，土壤中的甲烷氣體也易形成氣泡冒出水面。可見，下午氣溫高，使甲烷排放路徑得到改善是甲烷排放出現峰值的主要原因，這種形式是最基本、最普通的日變化形式，與世界上其他地區的觀測結果一致。CH4排放通量的高峰都在午后，與已有的稻田研究一致（顏曉元等，2015；Ge et al.，2018）。

Watanabe et al.（2005）研究指出，在不施肥和施用秸稈情況下，稻田甲烷季節排放總量與水稻生長季有效積溫（日平均溫度大于 15 ℃）呈顯著正相關。周超等（2013）研究發現，在不同時期，CH4排放日變化與穩定深層的土壤溫度有較好的相關性，CH4排放率的季節變化則與土壤溫度相關性較差。而Yagi et al.（1996）認為，稻田CH4排放量與淺層 5 cm處土層溫度密切相關。相關研究的CH4排放速率與本試驗結果差異的存在原因可能是試驗地氣候與土壤條件不同，本研究結果表明甲烷產生的最適宜溫度為25—30 ℃，若土壤溫度變化較明顯，且有機質供應充足，則甲烷季節排放通量與空氣、土壤溫度有較好相關性。水稻田夜間甲烷的產率與溫度的關系滿足 Arrheniu關系（Centeno et al.，2017），因此溫度升高會增加甲烷產生的概率。在非生長季，三江平原甲烷排放沒有日變化，遼河平原有日變化。相同溫度范圍內，各個溫度下酸性水稻土的產甲烷量以及產甲烷平均速率均大于偏堿性土壤（買爾哈巴·力提甫等，2015），是因為甲烷產生與土壤有機碳的含量呈正相關，當環境條件適宜時，底物供應成為控制甲烷產生的關鍵因素（Wassmann et al.，2000）。

4 結論

（1）東北地區水稻主產區三江平原和遼河平原的灌溉制度、淹水條件、種植方式基本相同，而濱海的鹽漬水稻土比內陸pH偏中性水稻土CH4年排放量低。三江平原分蘗期是CH4排放高峰，而遼河平原存在3個排放峰值。2017年和2018年氣溫持平，2018年和2017年CH4排放年際變化顯著，土壤溫度均呈升高的趨勢，加速甲烷排放。

（2）三江平原稻田生態系統分蘗期CH4交換通量較高，具有明顯峰值，在 10—30 ℃范圍內，土壤溫度與CH4排放速率呈正相關，孕穗到排水前夜間CH4排放對溫度變化最敏感，土壤溫度變化會直接影響東北較高緯度內陸水稻田CH4排放，使三江平原拔節期產生明顯的CH4排放峰值。遼河平原泡田期、拔節—抽穗期和成熟期CH4交換通量較高且具有明顯峰值，泡田—返青夜間CH4排放對溫度變化最敏感。兩地CH4通量較高時期，日變化活躍，均表現為夜間濃度較低、日間濃度較高，日較差大，通量的日變化隨氣溫升高而升高，溫度達最大值之后逐漸降低。

（3）不同生育階段CH4排放與土壤溫度的敏感性Q10不同，三江平原孕穗—排水前夜間CH4排放對溫度變化最敏感，遼河平原泡田—返青夜間CH4排放對溫度變化最敏感。

致謝：盤錦國家氣候觀象臺孫占印、張野、陳龍等科技人員和富錦市氣象局劉俊吉在整個監測過程中給予大力支持，在此表示感謝。