賈慶宇，劉晶淼，梁成華，劉國飛，謝艷兵，于文穎，王笑影，呂國紅，溫日紅. 中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 066；. 沈陽農(nóng)業(yè)大學，遼寧 沈陽 0866；. 大洼縣氣象局，遼寧 盤錦 400

遼河三角洲稻區(qū)近地層CH4濃度與通量特征

賈慶宇1,2，劉晶淼1*，梁成華2，劉國飛3，謝艷兵1，于文穎1，王笑影1，呂國紅1，溫日紅1
1. 中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166；2. 沈陽農(nóng)業(yè)大學，遼寧 沈陽 110866；3. 大洼縣氣象局，遼寧 盤錦 124200

為準確獲取遼河三角洲水稻濕地CH4濃度與通量特征，分析水稻生長發(fā)育對CH4濃度與通量的影響，進一步估算稻田CH4排放量，基于采用渦度協(xié)方差法（Eddy Covariance Method, EC）獲取的2013年4─10月遼河三角洲稻區(qū)近地層CH4監(jiān)測資料，結合水稻生育期，分析了稻田CH4濃度與通量的時間變化規(guī)律。結果表明：水稻（Oryza sativa Linn）生長季內(nèi)，近地層CH4的平均濃度是0.242 mmol·m-3，期間出現(xiàn)3個峰值，分別與泡田期、拔節(jié)-抽穗期和成熟期3個生育期相對應；CH4濃度較高時期，其日變化活躍，表現(xiàn)為日間濃度較低夜間濃度較高，日較差大，在其它濃度較低時期，日變化不大。CH4的月排放量在5月最大，為0.700 mol·m-2。CH4通量在水稻生長季內(nèi)日平均為0.080 μmol·m-2·s-1，通量峰值出現(xiàn)規(guī)律與濃度一致，其中泡田-移栽期較高，最高值出現(xiàn)在5月11日，為0.707 μmol·m-2·s-1，返青期-分蘗期基本無CH4排放，拔節(jié)期-抽穗排放量再次升高，之后逐漸降低，在CH4通量較高時期，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。濃度與通量的日變化呈負相關關系。

遼河三角洲；水稻；甲烷；濃度；通量

濕地是全球最大的CH4天然排放源（周文昌等，2015）。每年從濕地排放的CH4約為110 Tg，占全球排放量的21%（Watson等，1992），因此研究濕地 CH4的排放對全球氣候變化研究具有重要意義（王維奇等，2008）。水稻（Oryza sativa Linn）是人工濕地的重要組成部分，其CH4排放是導致大氣中CH4濃度不斷增加的重要原因之一（徐華等，2008），我國水稻種植面積約占全世界水稻面積的 18.85%（趙平，2013），與全球變化有著密切的聯(lián)系（Ramesh等，1997），研究我國水稻田 CH4的排放狀況及其影響因素，對于制定合理的減排措施來減緩全球的農(nóng)業(yè)溫室氣體排放有很大的意義。

圖1 稻田CH4的產(chǎn)生、氧化及傳輸過程示意圖(蔡祖沖, 2009)Fig. 1 Production, oxidation and emission of methane in paddy fields

在氣候變化和環(huán)境因素綜合控制下，植物生長和土壤微生物過程直接影響著水稻濕地CH4的排放過程（Cao等，1998）。水稻田在浸水還原狀態(tài)下，甲烷細菌微生物分解有機物過程會產(chǎn)生CH4，并通過植物傳送、冒泡、擴散釋放到近地層空氣中（圖1），因此近地層CH4濃度與通量特征能間接地反映出地下的生物化學過程。之前的研究多利用“Chamber”法即箱式法（又稱靜態(tài)箱法）測量（黃國宏等，2001；王維奇等，2008；閆敏華等，1997；劉惠等，2006）稻田CH4排放量，箱式法需要在密閉環(huán)境中測量累積氣體濃度，田間取樣與設置時長都可能產(chǎn)生干擾，且分析頻率低，無法連續(xù)捕捉CH4釋放的變化特征，適用小面積或盆栽試驗調(diào)查，相對代表性較低，不能直接反映濕地CH4的收支情況。因此受儀器條件的制約濕地溫室氣體收支一直是全球溫室氣體變化研究中的短板。

近年發(fā)展的渦度協(xié)方差方法（Eddy Covariance Method, EC）即EC法，能通過測量各種屬性的湍流脈動值來直接測量氣體的通量，已經(jīng)應用于CH4通量研究，其優(yōu)勢在于能確定生態(tài)系統(tǒng)通量的連續(xù)變化，可獲取更精確的CH4排放量，減少對監(jiān)測環(huán)境干擾，分析頻率高，使得資料具較大的監(jiān)測范圍，更具有代表性。

國外關于濕地 CH4排放規(guī)律已有較多的研究和較深入的認識。而我國在該方面也開展了相關工作如蔡祖聰?shù)龋?009）和李道西（2007）從機理上詳細闡述了水稻田 CH4產(chǎn)生的機制，在較大程度上為確立過程模型變量之間的定量關系提供了重要的基礎；在不同區(qū)域開展了相關觀測如閩江口濕地（王維奇等，2008）、長江口濕地（馬安娜和陸健健，2011），研究結果表明稻田CH4排放有較大的地域差異，排放量、排放時間有很大的異質(zhì)性，這種差異是由于水稻品種、耕作措施、氣象條件、土壤類型、有機質(zhì)含量等的不同造成的（展茗，2009）。

遼河三角洲是我國3大河口三角洲之一，受人為因素影響濕地面積和類型一直在變化，尤其是濕地利用方式改變，開墾為水稻，水稻退耕成蘆葦，都可能直接影響大氣組成中的CH4（宋長春，2004），黃國宏等（2001）采用箱式法較早的對遼河三角洲濕地CH4的排放進行了研究，但在1988─2006年間該區(qū)域水稻田面積增加了977.1 km2（周廣勝等，2006），其區(qū)域環(huán)境上CH4排放必然發(fā)生重大變化，而近10年間遼河三角洲稻區(qū)CH4排放的觀測研究仍然是空白。本研究通過連續(xù)監(jiān)測力求找出在全球變化和人為活動影響下遼河三角洲水稻濕地CH4濃度與排放關鍵時期、排放量，結合生育期對CH4排放特征進行闡述。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

觀測區(qū)選在中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所盤錦濕地生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站（40°56′N、121°58′E），距儀器500 m范圍內(nèi)下墊面為均一的水稻植被。該站位于遼河三角洲雙臺子河口，地處40°41′～41°27′N，121°30′～122°41′E，海拔高度為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，大于等于10 ℃積溫為3509 ℃。年平均降水量為631 mm，降水量集中在 7─9月份。年蒸發(fā)量為1390～1705 mm，為年降水量的2.5倍左右（周廣勝等，2006）。遼河三角洲稻區(qū)是東北優(yōu)質(zhì)粳米的主產(chǎn)區(qū)（侯守貴等，2012），土壤類型是濱海鹽漬型水稻土，質(zhì)地粘而重，通透性較差；下遼河平原的地質(zhì)構造決定了本區(qū)不僅是地表水匯集區(qū)，也是地下水匯集區(qū)。雙臺子河在本區(qū)是半地下式河流，年內(nèi)有2/3時間是河水補給地下水，1/3時間是地下水補給河水，并受潮汐影響。沼澤區(qū)水源由大凌河、雙臺子河河水，地下水，大氣降水及海潮水補給，土壤表層含有大量的水分。

1.2 試驗方法

采用GHG-1渦度觀測系統(tǒng)（Li-cor，Inc，USA）監(jiān)測 CH4排放，系統(tǒng)主要由三維超聲風速儀（WindMaster，Gill，USA）、開路式 CH4分析儀（Li-7700）和數(shù)據(jù)采集器（Li-7550）組成，采樣頻率10 Hz。原始輸出數(shù)據(jù)包括水平風速（Ux，Uy）、垂向風速（Uz）、CH4絕對密度（CH4）、水蒸汽絕對密度（H2O）、超聲虛溫（Ts）、大氣壓力（pressure）和 CSAT3診斷值（diag_csat），同時地表下 5cm安裝土壤溫度傳感器。系統(tǒng)工作時計算在線通量（每30 min），并存貯通量數(shù)據(jù)（每30 min）和時間系列數(shù)據(jù)（10 Hz）。

本研究供試水稻品種為鹽豐47，是遼河三角洲稻區(qū)水稻的主栽品種。2013年水稻的播種日期是4月14日，收割日期為10月3日時間段，渦度觀測數(shù)據(jù)時間段為2013年4月─2013年11月，時間跨度7個月，可代表水稻的整個生育期（表1）。

表1 2013年水稻生育期Table 1 The growth period of rice in 2013

1.3 數(shù)據(jù)計算方法

渦度協(xié)方差方法（Eddy Covariance Method, EC），是通過計算物理量的脈動與風速脈動的協(xié)方差求取湍流輸送量（湍流通量）的方法，也稱湍流脈動法。CH4通量的計算如下：

式中，F(xiàn)c是CH4通量，w'是垂直風速與平均值的瞬時偏差，即擾動值， ρc'是 CH4密度的瞬時擾動值，w'ρC'是垂直風速和CH4密度的協(xié)方差。

原始數(shù)據(jù)通過 Eddypro 5.0.1軟件坐標旋轉、WPL校正等操作，得到30 min 1次的通量數(shù)據(jù)。進行QA/QC質(zhì)量控制剔除異常值。

2 結果與討論

2.1 稻田近地層CH4濃度特征

2.1.1 稻田近地層CH4濃度的月變化特征

水稻生育期近地層CH4濃度的平均值為0.242 mmol·m-3，整個生育期內(nèi)CH4濃度存在3個峰值，分別出現(xiàn)在5月（泡田期-移栽前期）、7月（拔節(jié)期-孕穗期）、9月底至10月初（成熟期），峰值分別為0.609、0.740、0.532 mmol·m-3；在4月（播種期）、6月（分蘗期）和8─9月（乳熟期）CH4濃度值在0.1～0.2 mmol·m-3，低于其它生育期（圖2）。

圖2 水稻近地層CH4濃度月變化特征Fig. 2 The near surface CH4concentration characteristics of rice

2.1.2 稻田近地層CH4濃度的日變化特征

水稻田近地層CH4濃度旬日較差變化表現(xiàn)為，4月、6月、8月、10月CH4濃度的旬平均日較差在0.016～0.102 mmol·m-3之間，日變化不明顯。在5月中旬、7月、9月下旬CH4濃度日變化明顯日較差大于0.186～0.207 mmol·m-3，7月中旬平均日較差達到0.256 mmol·m-3（圖3）。日較差較大的時期，CH4濃度日變化均呈“雙峰一谷”的曲線（圖4），但峰谷出現(xiàn)的時間不一致。表現(xiàn)為5月中旬日出后CH4濃度逐漸降低下午3時左右到達最低值，之后逐漸升高，在日出前和23時出現(xiàn)2個明顯峰值；7月和9月下旬最低值出現(xiàn)在9─10時。主要是由于夜晚對流輸送降低，產(chǎn)生的CH4在近地層大氣中積累，導致到06:00左右有峰值出現(xiàn)，日出后隨溫度的升高對流作用加強，加速 CH4的擴散，使 CH4濃度降低。綜上CH4濃度的日變化型基本上分兩種，第一種是日出前和日落后較高，10:00─14:00左右達到最低值，如5月中上旬、7月、9月下旬。第二種日變化型式是全天濃度穩(wěn)定，日變化不明顯，如4月、6月、8月和10月。

圖3 水稻近地層CH4濃度旬平均日較差特征Fig. 3 The near surface CH4concentration daily diurnal range characteristics of rice

2.2 稻田近地層CH4通量特征

2.2.1 稻田近地層CH4通量的月變化特征

水稻田整個生育期CH4通量以排放為主，排放速率日平均值為0.080 μmol·m-2·s-1，5月的排放量最大為0.700 mol·m-2，7月為0.204 mol·m-2、8月為0.133 mol·m-2、9月為0.128 mol·m-2依次遞減，6月對CH4略有吸收（圖5）。CH4通量在水稻生長季也存在3個峰值區(qū)間與CH4濃度相似（圖6），即5月、7月和9月下旬─10月上旬，這主要是由于水稻田泡田后至插秧前的5月CH4釋放量明顯升高，此時釋放的CH4主要來源于土壤由干轉濕產(chǎn)甲烷細菌得到較適宜的溫度和厭氧環(huán)境激發(fā)了對甲烷的轉化，通過冒泡和擴散方式釋放出CH4；6月在插秧結束后水稻返青和分蘗期CH4釋放明顯減弱，此時水稻根系主要分布在好氧層，通過植株輸送到該層的氧氣與下層產(chǎn)生的CH4在該層經(jīng)甲烷氧化細菌分解轉化成H2O和CO2，抵消了CH4的排放，顯示弱的吸收；7月─8月中旬為水稻的分蘗終止期-拔節(jié)期-抽穗期，CH4日平均通量值基本呈現(xiàn)釋放，根系向深層生長有助于厭氧層產(chǎn)生的CH4通過水稻植株向外輸送；在9月─10月初，退水使土壤下層產(chǎn)生的CH4可以通過毛管孔隙直接向空氣中擴散，導致出現(xiàn)了甲排放的峰值。

圖4 水稻近地層分旬CH4濃度日變化特征Fig. 4 The near surface CH4concentration daily variation characteristics of rice

2.2.2 稻田近地層CH4通量的日變化特征

水稻田近地層CH4通量日變化特征（圖7），4月、6月和8月下旬─9月CH4收支基本為零，日變化不明顯，6月中上旬返青期白天呈現(xiàn)了較弱的吸收，返青期與彭世彰等（2006）的研究（弱釋放）略有差異，這可能是耕作制度的原因，在返青期通過淺水勤灌，使根系附近得到充足的氧氣，有利于提高甲烷氧化細菌的活性。

圖5 水稻近地層CH4排放量Fig. 5 The near surface CH4emissions of rice

圖6 水稻近地層CH4通量特征Fig. 6 The near surface CH4flux characteristics of rice

在5月中上旬、8月上旬、9月下旬和10月上旬CH4通量的日夜變化較明顯，白天有明顯的CH4排放。在5中上旬水稻插秧前，此階段CH4通量呈“單峰”曲線（圖 7），CH4的排放量隨氣溫升高而升高，表現(xiàn)為日出后CH4排放立刻增加，溫度達最大值之后逐漸降低，說明溫度對產(chǎn)氧甲烷細菌活性有促進作用（韓廣軒等，2005；江長勝等，2004）；由于7月降水較頻繁，較強的湍流活動會干擾渦度觀測系統(tǒng)對CH4的監(jiān)測，使CH4通量日變化不穩(wěn)定仍以排放為主；9月下旬（抽穗期）和10月上旬（成熟期）均以排放為主；10月中下旬即退水后隨著濕度的降低為甲烷氧化菌提供了好氧環(huán)境，消耗甲烷的能力一般超過 CH4由大氣向土壤中擴散的潛力（侯守貴等，2012），CH4排放能力減弱。綜上CH4通量的日變化型不同，基本上分3種，第一種是上午10:00左右出現(xiàn)最大值，如5月。第二種日變化型式是全天保持不穩(wěn)定排放，如7月。第三種型式是日出后排放量開始升高，午后17時達到最大值，如8月。

3 結論

（1）通過渦度觀測系統(tǒng)進行了遼河三角洲水稻田近地層CH4的連續(xù)監(jiān)測，及時捕捉到2013年CH4隨時間變化的規(guī)律，通過試驗精確的監(jiān)測到了遼河三角洲近地層CH4的濃度及通量，為進一步估算本地區(qū)稻田CH4排放提供了參考。

（2）遼河三角洲水稻田近地層大氣中的CH4濃度與水稻生育期和排灌水有很強的對應關系，水稻田近地層 CH4濃度并不是隨著水稻的生長線性升高，而是在不同的生育期存在著突然升高、生育期結束又突然下降的現(xiàn)象。濃度較高的時期分別對應了泡田期（插秧前）、拔節(jié)期～抽穗期、排水期（成熟后）。在其他期濃度較低且變化穩(wěn)定，灌水后和排水后都有一定程度的升高，說明排灌水方式會激發(fā)濕地甲烷氧化細菌或產(chǎn)甲烷細菌的活性。CH4濃度較高的時間段日變化也活躍，表現(xiàn)為日較差大、白天濃度較低夜晚濃度較高。

（3）遼河三角洲水稻田近地層大氣中的CH4通量的月季變化特征與濃度變化相似，隨著水稻的生長時期的不同，釋放的關鍵時期分別對應了濃度較高的3個時期。泡田-移栽期CH4排放量較高主要是通過土壤擴散，溫度和CH4通量變化有一定的對應關系，說明適宜的溫度條件有利于提高產(chǎn)甲烷細菌的活性；之后的返青期-分蘗期基本無CH4排放；分蘗期-拔節(jié)期-孕穗期通過水稻株體的排放是 CH4排放的最主要的途徑，并且此時的排放量是最大的，與李道西（2007）的研究結果一致；抽穗期形成期后CH4通量明顯變小，并無明顯排放現(xiàn)象，此現(xiàn)象應與生長初期浸水時間較長與前期作物殘體分解提供CH4菌生長所需基本消耗，影響其活性有關；成熟期CH4通量又有升高。因此不同時間CH4通量受土壤、水、溫度、水稻生長、微生物等綜合因素影響。

圖7 水稻近地層分旬CH4通量日變化特征Fig. 7 The near surface CH4flux daily variation characteristics of rice

（4）通過對遼河三角洲水稻田CH4濃度和通量對比發(fā)現(xiàn)：兩者的月變化相似，而日變化型卻存在差異，濃度日變化型有兩種的，通量有3種日變化型。濃度和通量日變化活躍的時期是一致的，但此時二者的日變化曲線呈負相關，即濃度值較高時對應了通量值較低，反之亦然，主要是因為濃度值較高時地表湍流不活躍，通量較低，不利于擴散，產(chǎn)生的CH4在地表積累使?jié)舛壬?。隨著氣溫升高湍流活躍，通量升高，利于CH4向上輸送，使地表濃度降低。

致謝：盤錦市氣象局濕地生態(tài)監(jiān)測站孫占印、張野、陳龍等科技人員在整個監(jiān)測過程中提供了幫助，在此表示感謝。

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The Characteristics of CH4Concentration and Flux of the near Surface in Liaohe Delta Rice Region

JIA Qingyu1,2, LIU Jingmiao1*, LIANG Chenghua2, LIU Guofei3, XIE Yanbing1, YU Wenying1, WANG Xiaoying1, LV Guohong1, WEN Rihong1
1. Institute of Atmospheric Environment, China Meteorological Administration, Shenyang 110166, China; 2. Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 3. Dawa Meteorological Bureau, Panjin 124200, China

In order to obtain accurately the characteristics of near surface CH4concentration and flux in paddy field of the Liaohe Delta region, analyze the impacts of rice growth on CH4concentration and flux and estimate the CH4emissions of rice region, characteristics of CH4concentration and flux during April and October of 2013 were analyzed by an eddy covariance method. The results indicate that the mean CH4concentration near surface level is 0.242 mmol·m-3in the rice (Oryza sativa Linn) growing season, and there are three peaks during this period, which are corresponding to the ponding, jointing-heading and maturity stages respectively. When the CH4concentration is high, its diurnal variation is active, namely, its concentration is lower in daytime and higher in nighttime and diurnal concentration range is large, while its diurnal variation is inactive when the CH4concentration is low. The monthly CH4emission is largest in May, which is 0.700 mol·m-2. The daily mean CH4flux is 0.080 μmol·m-2·s-1during the growing season, and its variation rules are consistent with those of concentration. The CH4flux over ponding stage is large, and the maximum is 0.707 μmol·m-2·s-1on May 11; there is nearly no CH4emission during turning green-tillering stage, and then the CH4emission rises again during jointing-heading stage, and the emission decreases gradually after that stage. When the CH4flux is large, its diurnal variation rises with the increase of temperature and reaches the maximum value, and then decreases. There is a negative correlation between CH4concentration and flux.

Liaohe Delta; rice; CH; concentration; flux

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.013

X16

A

1674-5906（2015）05-0804-07

賈慶宇，劉晶淼，梁成華，劉國飛，謝艷兵，于文穎，王笑影，呂國紅，溫日紅. 遼河三角洲稻區(qū)近地層 CH4濃度與通量特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(5): 804-810.

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國家自然科學基金項目（31270480；41375146；41405109）；國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃（973）項目（2010CB951303；2004CB418507）

賈慶宇（1978年生），男，博士研究生，副研究員，主要研究方向為氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)相互作用。E-mail: beyond.22@126.com *通信作者：劉晶淼，E-mail: jingmiaol@cams.cma.gov.cn

2015-01-29