成都地區稻田CH4 和N2O 排放特征研究

王麗坤

（四川省核地質調查研究所 四川 成都 610061）

引言

實現碳達峰、碳中和是我國向國際社會做出的莊嚴承諾，是推動我國高質量發展的內在要求。目前中國農業排放約占二氧化碳當量（CO2eq）排放總量的5.4%，其中水稻種植約占農業CO2eq排放總量的16%[1]。稻田CH4和N2O 排放是農業溫室氣體的主要來源之一，稻田的CH4和N2O排放分別占全球CH4和N2O 排放總量的20%和25%～35%[2]，故稻田CH4和N2O 排放是農田溫室氣體減排研究的重點。

水稻作為四川省成都平原主要的糧食作物，研究成都平原主要水稻品種的溫室氣體排放特征，對探究農業減排固碳具有巨大的促進作用。本文針對成都平原當地主要推廣種植的水稻種植品種，利用靜態箱法和氣相色譜分析法，監測水稻生長期內，稻田的溫室氣體排放情況，研究稻田CH4和N2O 排放特征，為進一步的農業減排固碳提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點位于四川省成都市崇州市隆興鎮順江村高標準農田（30°34'N，103°38'E），位于岷江中上游川西平原西部，屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，春秋短，冬夏長，雨量充沛，日照偏少，年平均氣溫16.1℃，年平均日照時數為994.9h，年平均降雨量1011.3mm，年平均無霜期282d。

試驗區選取“宜香優2115”秈稻品種為試驗材料，該品種水稻為四川省2023 年唯一入選農業農村部的《國家農作物優良品種推廣目錄》骨干型品種，具有抗旱、抗病性好等特點，在四川省境內大面積推廣。本試驗區土壤為水稻土，實行稻油輪作的種植制度，油菜秸稈會翻耕還田。

1.2 觀測方法

試驗田溫室氣體利用靜態箱法進行采集，采樣箱體為不銹鋼材質，分為采樣底箱、采樣中箱和采樣頂箱，采樣底箱在水稻生長期內大部分箱體固定埋入稻田里，采樣中箱和采樣頂箱外側包裹保溫材料以避免外界溫度干擾，采樣頂箱內裝有微型風扇、溫度探頭和輸氣管。采樣時，采樣頂箱罩于采樣底箱上，用水封法隔絕外界空氣與箱內部氣體交換。作物生長中后期，因作物高度增加，采樣時需加入采樣中箱以增加箱體高度。

試驗田設置2 個采樣重復，采樣開始于水稻移栽后第3d，每周采樣1 次，采樣時間為無雨天氣的8:30～12:30，每個采樣點采集氣樣4 袋，采樣間隔7～10min，氣樣儲存于鋁箔氣袋中，樣品量為60mL。

1.3 排放通量

氣體分析采樣氣相色譜儀，每次檢測前，均使用使用標準氣體對儀器標定，獲取到相應溫室氣體的峰面積。接著由峰面積法按式（1）計算溫室氣體的濃度。

本次檢測中溫室氣體CH4、N2O 和CO2的標準氣體濃度分別為4.3ppm、0.44ppm 和424.1ppm。

溫室氣體排放通量，通過線性回歸計算相應時間間隔內溫室氣體濃度隨時間的變化速率。當氣體排放通量為正值時表示向大氣排放，負值則表示吸收。詳細計算見式（2）[3]。

1.4 溫室氣體排放強度

由溫室氣體排放通量累加計算得到其總累積排放量，再由增溫潛勢和作物標準產量，即得到排放強度。

溫室氣體累積排放總量計算見式（3）。

式中Fi—溫室氣體排放通量；i—采樣次數；t—采集時間的天數。

溫室氣體排放強度計算見式（4）、式（5）。

式中Q—溫室氣體排放強度；和—當季CH4和N2O 的累積排放量，kg/hm2；—水稻稻谷標準產量，kg/hm2—稻谷烘干重量；25和298—在100 年的時間尺度內CH4和N2O 增溫潛勢是CO2的25 倍和298 倍；0.14—秈稻品種的標準含水量[4]。

2 結果與分析

2.1 溫室氣體排放規律

水稻在移栽后，CH4排放通量整體呈先增大后減少趨勢，期間出現過2 次CH4排放峰值，詳見圖1。水稻生長后期烤田，CH4排放通量很低，幾乎接近于0。

圖1 水稻CH4 排放通量情況

水稻移栽后，施一次復合肥后，出現N2O排放高值，詳見圖2?？赡苡捎谒旧L前期長勢較弱，有大量未被水稻植株吸收的氮素以N2O 的形式從土壤中逸出，出現N2O 排放通量峰值（712μgN·m-2·h-1）；中后期，隨著水稻生長發育進程推進，N2O 排放較少，呈穩定狀態。

圖2 水稻N2O 排放通量情況

2.2 溫室氣體排放強度

通過式（3），計算得到本次雜交秈稻的CH4累積排放量為103.3kgC·hm-2，N2O 的累積排放量為2.01kgN·hm-2。本次試驗用水稻宜香優2115 產量為12.3thm-2。

試驗用水稻溫室氣體排放強度主要取決于溫室氣體的累積排放量和水稻產量，其溫室氣體排放強度為222.45kgCO2eq·t-1。

3 討論

3.1 CH4 排放規律

水稻作為土壤中CH4向大氣排放的主要通道，90%以上的CH4是通過水稻植物排放[5][6]，水稻種植是CH4產生的主要來源。本次試驗水稻的CH4通量排放為先增大后減少的趨勢，與相關研究結果相一致。

水稻CH4排放峰值出現于水稻分蘗盛期，隨著水稻分蘗數量的增加，稻田里CH4排放的通道也在增加；水稻淹水時，甲烷氧化發生于土壤有氧層和植物體根部氧化膜[7]，水稻分蘗期隨著葉片的出生，水稻也會一節節發根，這樣從上部向根輸送氧氣的途徑也會增多，使水稻在淹水缺氧的情況下仍能生長和產生更多的CH4氣體。因此，這段時間內檢測到CH4排放峰。

水稻生長中期，長勢較弱，可能輸送給根部的氧氣減少，從而產生的CH4也相應減少。水稻在拔節期，又發育了少量新根，使根系輸送氧氣增多，從而又出現了CH4排放的第二個峰值。

水稻生長后期，曬田使土壤水位下降，受好氧菌催化作用CH4開始產生，這樣會降低CH4的產生速率，最終導致CH4排放減少。

3.2 N2O 排放規律

本次試驗，水稻移栽后，施用了含有氮磷鉀的復合肥。氮肥施入土壤中，會產生銨根離子和硝酸根離子等活性氮，活性氮可為土壤微生物活動提供底物，從而促進土壤N2O 的產生和排放，而且氮肥施入后，土壤碳氮比也發生變化，同樣會影響產生N2O 的過程[8～11]。故水稻移栽初期，會出現N2O 排放通量增加的情況，這與相關的研究結果一致。

水稻生長過程中會吸收大量的無機氮，而無機氮為微生物產N2O 提供底物，這樣提供給土壤微生物的氮素相對較少[12][13]，故水稻生長過程中N2O 的排放會減少。而水稻生長中期，可能由于比前期長勢較弱，有大量未被水稻植株吸收的氮素以N2O 的形式從土壤中逸出，出現了N2O 排放峰值。

3.3 產量、CH4 和N2O 的排放量

本次試驗用雜交秈稻為目前成都平原大量推廣的水稻品種，該秈稻的CH4累積排放量為103.3kgC·hm-2，N2O的累積排放量為2.01kgN·hm-2，產量為12.3thm-2。

通過比較相關資料，本次試驗用秈稻產量很高，屬于高產水稻。而該品種水稻的CH4和N2O累積排放量相較于氣體品種水稻略高，其他品種水稻的平均CH4累積排放量55.4～100kg·Chm-2，平均N2O 累積排放量0.1～0.77 kgNhm-2[4]，但其溫室氣體排放強度約為0.2tCO2eq·t-1，低于單季稻溫室氣體強度0.15～0.87 tCO2eq·t-1（均值0.45 tCO2eq·t-1）[2]，說明該品種秈稻的溫室氣體強度不高，且單位產出水稻所引起的溫室效應影響也較小。

結論

本試驗秈稻作為成都平原地區重點推廣的水稻品種，其CH4和N2O 累積排放量較高，水稻產量高，溫室氣體排放強度較低，說明該水稻產生的溫室氣體較多，而單位產出水稻所引起的溫室效應影響較小。因此，需要在保持水稻高產的情況下，研究適合當地的田間水肥管理措施，以減少溫室氣體的排放，達到減排固碳的效果。