李東麗， 何秉宇,2*， 王志強(qiáng)， 汪溪遠(yuǎn),2， 劉素紅

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046； 2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830046； 3.北京師范大學(xué) 地理學(xué)部， 北京 100875)

自進(jìn)入工業(yè)時(shí)代以來，受人類活動(dòng)強(qiáng)度、廣度的影響，人為溫室氣體排放量一直在增加，現(xiàn)在的排放量已達(dá)到一個(gè)新的水平。導(dǎo)致大氣中二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)等溫室氣體的濃度達(dá)到了至少在過去80萬年中前所未有的水平[1]。甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體。有資料表明人類排放的溫室氣體中約20%是甲烷[2]。大氣中甲烷的濃度正以每年0.3%的速度增加[3]。甲烷的增溫潛勢(GWP)為21[4]，且壽命較短(約9 a)，二氧化碳較長(約100 a)，因此，減少甲烷的排放，將對全球變暖潛力產(chǎn)生迅速而顯著的影響。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)排放的甲烷占全球人為甲烷排放的52%[5]。稻田甲烷排放被認(rèn)為是人類活動(dòng)引起大氣甲烷濃度增加的重要原因，因此，水稻種植作為主要的農(nóng)業(yè)甲烷排放源倍受世界的關(guān)注。2005年我國水稻種植排放甲烷793萬t，占總甲烷排放量的17.84%；2012年水稻種植排放甲烷845.8萬t，占總排放量的15.12%[6]。稻田排放的溫室氣體又會(huì)導(dǎo)致雙重負(fù)效應(yīng)，造成更高的排放量與更低的水稻產(chǎn)量[7]。

灌溉稻田為甲烷的排放提供了有利條件，稻田中的積水改變了土壤的氧化還原電位，從而影響有機(jī)質(zhì)的分解[8-9]，甲烷的排放主要受以下因素的影響：微生物群落、積水深度、甲烷在植物與土壤中的擴(kuò)散。這些因素又因?yàn)闇囟?、土壤性質(zhì)、太陽輻射等環(huán)境條件的細(xì)小改變發(fā)生變化，最終都會(huì)影響甲烷的排放。Koyama等[10]在1963年首次發(fā)表稻田甲烷排放的相關(guān)研究，隨后各地開始展開稻田甲烷排放影響因素及排放通量的研究。Krüger等[11-12]研究表明,甲烷排放表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，排放速率與氣溫、土壤溫度相關(guān)。但是Maris等[13]研究表明,甲烷排放與溫度不相關(guān)，水稻植株結(jié)構(gòu)的變化是抽穗后甲烷排放量增加的原因。在中國南方田間實(shí)驗(yàn)，通過遮陰處理攔截太陽輻射，改變了水稻根系形態(tài)，表明遮陰與蒸騰速率也有顯著的交互影響[14]，遮陰明顯降低了稻田甲烷的排放[15]。

新疆深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，濕潤的海洋氣流難以進(jìn)入，形成了極端干燥的大陸性氣候，年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，是西北干旱區(qū)的重要組成部分。新疆有著悠久的水稻種植歷史[16]，目前新疆水稻種植面積每年穩(wěn)定在8萬hm2左右，產(chǎn)量約7萬t[17]。但干旱區(qū)稻田甲烷排放的研究少見于公開報(bào)道。本文以烏魯木齊市米東區(qū)稻田為研究對象，根據(jù)水稻生長特點(diǎn)，設(shè)計(jì)甲烷排放測試方案，分析干旱區(qū)稻田甲烷排放特征。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

本研究區(qū)設(shè)在新疆烏魯木齊市米東區(qū)三道壩鎮(zhèn)(原米泉縣三道壩鎮(zhèn))，當(dāng)?shù)貙贉貛Т箨懶詺夂颍募狙谉?，冬季寒冷。氣溫日差大[18-20]、日照豐富、年輻射總值高[21]。干燥少雨，蒸發(fā)旺盛，年降水量218 mm，年潛在蒸發(fā)量1 800 mm，經(jīng)計(jì)算相對濕潤度為-0.88，根據(jù)相對濕潤度干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬于重度干旱[22]。月平均氣溫23.7～-12.6 ℃，最熱月平均氣溫約26 ℃，最冷月平均氣溫約-14 ℃左右，年日照時(shí)數(shù)2 813.5 h，年無霜期166 d。

1.2 處理設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)選擇在新疆烏魯木齊市米東區(qū)的稻區(qū)分2期進(jìn)行，第一期在2019年水稻生長季進(jìn)行，第二期在2020年水稻生長季進(jìn)行，本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于第二期實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)地選取常年種植水稻的農(nóng)田，北側(cè)水稻地為1號(hào)地(#1)，每次灌溉水深15 cm(較深)。南側(cè)的水稻地為2號(hào)地(#2)，作為對照組進(jìn)行常規(guī)灌溉，田間水位維持在5～10 cm。實(shí)驗(yàn)地的其他管理措施一致。實(shí)驗(yàn)中每次采樣前記錄田間積水深度。供試水稻品種為早稻11，是當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)稻種，2020年5月10日移栽(株距×行距=16.5 cm×28.5 cm)，每穴2～4株，2020年10月10日收獲，一年一熟。前一年水稻收獲后翻耕，在移栽前再次翻耕，泡田。

實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)箱法采集氣體。本研究使用的靜態(tài)箱為透明有機(jī)玻璃定制而成，箱高140 cm，底面積961.625 cm2(d=35 cm)，壁厚5 mm。在箱頂安裝風(fēng)扇用于混勻氣體，安裝側(cè)桿閥用于采樣，打孔安裝溫度計(jì)探頭。在水稻生長季選取代表性生長期進(jìn)行采樣，本實(shí)驗(yàn)選取分蘗期(6月14日)、抽穗期(7月26日)、黃熟期(9月24日)進(jìn)行稻田甲烷排放日變化采樣。采樣時(shí)間為6:00—18:00，每2 h采樣1次并采集重復(fù)樣。采樣時(shí)將靜態(tài)箱密封，確保不與外界氣體發(fā)生交換，密封后打開風(fēng)扇，插入溫度計(jì)，連接采樣泵與閥門，用采樣泵將氣體導(dǎo)入氣袋中，每15 min采樣1次，從密封完畢開始計(jì)時(shí)，即密封完畢的0、15、30、45、60 min抽取箱內(nèi)氣體。

1.3 氣體分析與通量計(jì)算

氣體中甲烷濃度采用帶有氫火焰離子化檢測器(FID)的GC-2014C型氣相色譜儀檢測(數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所測得)，通過對每組的5個(gè)樣品甲烷濃度與對應(yīng)的采樣時(shí)間間隔進(jìn)行線性回歸可得甲烷濃度變化率，并根據(jù)以下公式算出甲烷排放通量。

式中:F為甲烷排放通量(mg·m-2·h-1)；P為箱內(nèi)平均氣壓，取1.013 5×105Pa；T為箱內(nèi)平均氣溫(℃)；R為普適氣體常數(shù)(8.314 41 J·mol-1·K-1)；μ為甲烷摩爾質(zhì)量(16.123 g·mol-1)；H為通量箱有效高度(cm)；dc/dt為箱內(nèi)甲烷濃度隨時(shí)間的變化率。

1.4 溫度的測定

采樣時(shí)用電子溫度計(jì)(DBL-902c，測溫范圍為-50～1 300 ℃，測量精確度為0.1 ℃)、水銀溫度計(jì)(飛洋儀表有限公司，測溫范圍為-30～50 ℃，測量精確度為0.2 ℃)記錄箱內(nèi)溫度、空氣溫度、土壤5 cm處溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻田甲烷排放特征

2.1.1 淺積水稻田甲烷排放特征

由圖1可知，在淺積水(1～3 cm)狀態(tài)下，水稻不同生長期甲烷排放有相似的規(guī)律，甲烷排放呈單峰模態(tài)。由圖1中a可知，分蘗期#2隨著氣溫的升高，甲烷排放通量逐漸增大，在13:00—14:00，甲烷排放通量達(dá)到最大值29.655 mg·m-2·h-1，隨后甲烷排放通量迅速降低。由圖1中b可知，抽穗期#1甲烷排放通量隨氣溫逐漸增大，在17:00—18:00，甲烷排放通量增至最大，為0.798 mg·m-2·h-1，在18:00后甲烷排放通量迅速降低。在不同生長期土壤溫度變化模態(tài)與氣溫相同，皆是單峰模態(tài)。在分蘗期氣溫與土壤溫度相近，在抽穗期氣溫與土壤溫度相差較大。

由圖1可知，在淺積水條件下，水稻不同生長期在早上7:00甲烷排放通量最低，隨著溫度的升高，甲烷排放通量增大，排放通量最大值常伴隨著最高溫的出現(xiàn)。下午的甲烷排放通量大于上午。

2.1.2 深積水稻田甲烷排放特征

由圖2可知，在深積水(>6 cm)狀態(tài)下，甲烷排放變化規(guī)律較為不同。分蘗期#1在6:00—14:00甲烷排放通量隨溫度變化沒有明顯變化，在15:00—16:00，甲烷排放通量達(dá)到最大值14.880 mg·m-2·h-1。隨后甲烷排放通量迅速降低。在抽穗期#2甲烷排放峰值出現(xiàn)在11:00—12:00，最大排放通量為0.428 mg·m-2·h-1；在13:00—18:00甲烷排放通量變化不明顯，在18:00—19:00甲烷排放通量迅速降低。在圖2中，氣溫與土壤溫度皆是單峰模態(tài)，抽穗期氣溫與土壤溫度較分蘗期相比相差較大。

圖2 深積水稻田甲烷排放日變化

在深積水時(shí)，甲烷排放通量與氣溫、土壤溫度沒有顯著的關(guān)系，甲烷排放峰值具有不確定性，甲烷排放變化較為雜亂。

2.1.3 無積水稻田甲烷排放特征分析

由圖3可知，當(dāng)?shù)咎餆o積水時(shí)，#1、#2甲烷排放變化規(guī)律相似。在7:00—8:00氣溫低于土壤溫度，隨后氣溫迅速升高，土壤溫度上升緩慢，14:00氣溫與土壤溫度皆達(dá)到最高，在14:00后氣溫迅速下降。在黃熟期當(dāng)?shù)咎餆o積水時(shí)，#1、#2在7:00—12:00呈現(xiàn)甲烷吸收的現(xiàn)象，當(dāng)氣溫升至最高溫時(shí)，2塊地同時(shí)排放甲烷，隨著溫度的降低，甲烷排放通量又迅速降低。

圖3 無積水稻田甲烷排放通量日變化

在稻田無積水時(shí)，稻田有明顯的甲烷吸收現(xiàn)象，甲烷吸收量基本能夠抵消甲烷的排放量。

2.2 水稻不同生長期稻田甲烷排放通量與積水深度特征分析

由圖4可知，水稻分蘗期#1水深6 cm，甲烷平均排放通量為(14.880±1.901)mg·m-2·h-1；#2水深3 cm，甲烷平均排放通量(29.655±7.214)mg·m-2·h-1，積水較深的#1甲烷排放通量小于積水較淺的#2。圖5顯示抽穗期#1水深2 cm，甲烷平均排放通量(0.798±0.134)mg·m-2·h-1，#2水深8 cm，甲烷平均排放通量(0.428±0.141)mg·m-2·h-1，積水較深的#2甲烷排放通量小于積水較淺的#1。圖6可以看出，黃熟期稻田無積水，2塊地的甲烷平均排放通量相近，#1、#2甲烷平均排放通量分別為(0.123±0.016)、(-0.101±0.017)mg·m-2·h-1，甲烷排放變化規(guī)律相似。

圖4 分蘗期稻田甲烷排放通量與積水深度

圖5 抽穗期稻田甲烷排放通量與積水深度

圖6 黃熟期稻田甲烷排放通量與積水深度

在水稻分蘗期的#1、抽穗期的#2，2塊地都積水較深而甲烷平均排放通量更小。水稻黃熟期2塊地都無積水，甲烷平均排放通量相近，這說明積水深度是甲烷排放通量的重要影響因素。

3 討論

3.1 環(huán)境因素與甲烷排放

3.1.1 氣溫

觀測數(shù)據(jù)表明，當(dāng)積水較淺時(shí)，靶區(qū)甲烷排放峰值多出現(xiàn)在13:00之后，在中國其他地區(qū)的研究中曾在早上或晚上出現(xiàn)排放峰值[23]不同，這可能與氣候、水稻品種有關(guān)。白天陽光強(qiáng)烈，氣溫較高，植物為了防止體內(nèi)水分蒸發(fā)關(guān)閉了氣孔，從而阻止甲烷向大氣傳輸；到了晚上，溫度下降，水稻葉莖的氣孔重新打開，出現(xiàn)了甲烷排放的峰值。本研究甲烷排放峰值多出現(xiàn)在13:00以后，上午7:00甲烷排放通量最小，這與在江蘇、廣東的研究結(jié)果相同[24-25]，這種下午排放通量大于上午的形式，具有一定的普遍性。造成這一現(xiàn)象的原因是由于下午氣溫高促使甲烷排放路徑的改善。氣溫較高時(shí)，水稻的呼吸作用與蒸騰作用較強(qiáng)，促進(jìn)了植物體向大氣排放甲烷[12,26]。但是江蘇、廣東的研究直到17:00靶區(qū)仍有排放峰值的出現(xiàn)，這可能是由于靶區(qū)氣候不同而導(dǎo)致的。靶區(qū)白天日照強(qiáng)烈，日照時(shí)數(shù)長。清晨氣溫隨時(shí)間迅速升高，下午能夠維持長時(shí)間的高溫狀態(tài)，產(chǎn)甲烷細(xì)菌適宜溫度是30～40 ℃[27]，長時(shí)間的高溫狀態(tài)使甲烷菌活性升高，甲烷的排放速率在稍后的時(shí)間呈現(xiàn)峰值。

分蘗期的#1號(hào)地與抽穗期的#2號(hào)地積水較深，甲烷排放隨氣溫變化不明顯，黃熟期甲烷排放規(guī)律也稍顯雜亂無章。這說明在積水較深時(shí)(>6 cm)，溫度不再是影響甲烷排放的主導(dǎo)因素。

3.1.2 土壤溫度

稻田甲烷排放與土壤溫度有著密切的聯(lián)系[8,28-30]，在意大利稻田研究顯示，甲烷通量在不同季節(jié)與土壤溫度相關(guān)性最強(qiáng)的土層不同，不同月份相關(guān)性最強(qiáng)為：5月和6月為淺層(1～5 cm)，6月和7月為深層(10～15 cm)，8月為淺層(1～5 cm)[31]。在意大利的其他觀測顯示，甲烷排放與土壤5 cm溫度相關(guān)[12]。當(dāng)土壤溫度在25～30 ℃，甲烷排放通量會(huì)成倍增加[32]。本研究表明，土壤5 cm溫度變化趨勢與氣溫變化趨勢基本一致。在水稻生長前期，除了抽穗期#2甲烷排放通量與土壤溫度無顯著關(guān)系(這可能是積水較深，起了主導(dǎo)作用)，其他觀測都顯示甲烷排放通量峰值往往是在土壤表層最高溫后出現(xiàn)。但是全天的排放趨勢并不是嚴(yán)格一致的，兩者不一致的原因經(jīng)初步分析可能是土壤和水層都在響應(yīng)氣溫的同時(shí)又起到了一定緩沖作用，所以，溫度與甲烷排放之間存在相位差，并且當(dāng)土壤表層達(dá)到最適宜溫度時(shí)，空氣溫度較高，較高的氣溫會(huì)改變甲烷排放路徑[33]。本研究的水稻生長后期甲烷排放與土壤溫度沒有明顯關(guān)系，這個(gè)時(shí)期甲烷排放受溫度影響不大。

3.1.3 田間積水深度

土壤水分狀況和灌溉制度對稻田甲烷排放起著至關(guān)重要的影響[8]。不同的土壤含水率影響著土壤Eh值，進(jìn)而影響甲烷的排放，長期淹水降低Eh值，促進(jìn)甲烷的排放。李道西等[24-25]對淹水稻田的研究表明，淹水稻田甲烷排放的日變化雜亂無章，在一天中排放峰值的出現(xiàn)表現(xiàn)為隨機(jī)性，這與本研究相似。在分蘗期的#2、抽穗期的#1都是積水較深的，數(shù)據(jù)表明，這2組的甲烷排放通量并不是嚴(yán)格隨著氣溫、土壤表層溫度變化而變化。

產(chǎn)甲烷細(xì)菌適宜溫度是30～40 ℃，最適溫度為35～37 ℃[27]。溫度的快速升高增加了產(chǎn)甲烷菌的活性，有利于有機(jī)質(zhì)分解，加快土壤中微生物的活動(dòng)，使得甲烷產(chǎn)率升高。較深的積水使得土壤表層溫度上升緩慢，對氣溫的升高起到了緩沖作用[33]。同時(shí)，較深的積水使甲烷在氣泡、液相2條傳輸途徑中擴(kuò)散速率減慢。長時(shí)間的深水環(huán)境降低了根系對甲烷的吸收傳輸能力。這可能是本研究中較深積水出現(xiàn)較少甲烷排放的原因。這與Wang等[34-36]的研究結(jié)果相同，積水過深反而使甲烷排放減少。

在本研究中，同一生長期積水較淺(2～3 cm)的情況下甲烷排放速率較大，這主要是因?yàn)檩^淺的積水形成厭氧環(huán)境的同時(shí)又利于甲烷在液相中以氣泡的形式傳輸。當(dāng)?shù)咎锝咏? cm水位時(shí)，土壤水分減少，土質(zhì)松軟且有良好的透氣性，能夠明顯的抑制甲烷排放[37]。

分蘗期的#1、抽穗期的#2水深分別為6 cm、8 cm，但是甲烷平均排放速率相差較大。分蘗期的#2、抽穗期的#1積水深度分別為3 cm、2 cm，甲烷平均排放速率相差大，這說明水稻生長季甲烷排放的季節(jié)變化與積水深度無關(guān)。在黃熟期稻田甲烷排放速率#1為(0.123±0.016)mg·m-2·h-1，#2為(-0.101±0.017)mg·m-2·h-1，在這一時(shí)期稻田土壤對大氣甲烷吸收明顯。黃熟期后不再灌水，導(dǎo)致田間土壤含水量大大降低，土地出現(xiàn)細(xì)小裂縫，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量隨季節(jié)變化不大[38-39]，但是田間裂縫破壞了厭氧環(huán)境，降低了產(chǎn)甲烷菌的活性，而微生物消耗土壤中甲烷的能力主要受氣體傳輸?shù)挠绊慬40]，土壤良好的透氣性使得甲烷吸收增加。黃熟期水稻根系不再像分蘗期、抽穗期那樣具有活力，部分開始腐爛，土壤中腐爛的基質(zhì)又導(dǎo)致會(huì)有部分甲烷排放。周圍細(xì)微環(huán)境因素的改變影響了稻田甲烷的排放或吸收，這就表現(xiàn)為在黃熟期甲烷排放速率有正有負(fù)。在其他地區(qū)有與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似的研究[41]，但是甲烷負(fù)通量不如本研究明顯。這主要是因?yàn)橥寥浪植煌瑢?dǎo)致的，靶區(qū)氣候干燥、降雨少，當(dāng)田間不再灌水，土壤水分迅速減少，不會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)時(shí)干時(shí)濕的狀況，土壤能夠保持較干燥的狀態(tài)，維持良好的透氣性。

3.2 水稻不同生長期與甲烷排放

稻田甲烷的排放是由土壤甲烷產(chǎn)生、再氧化、排放傳輸3部分組成[42]。稻田甲烷產(chǎn)生是有機(jī)物質(zhì)在厭氧細(xì)菌作用下逐漸分解成一些簡單的小分子化合物，進(jìn)一步被產(chǎn)甲烷細(xì)菌轉(zhuǎn)化成甲烷[25]。甲烷的氧化被甲烷好氧氧化菌催化。甲烷有2種氧化菌，一種是在甲烷高混合比情況下氧化甲烷，另一種是在甲烷低混合比情況下氧化甲烷。在淹水狀態(tài)下，只有在水土交界面的土壤有氧層與根圍氧化膜存在氧氣，當(dāng)排水曬田時(shí)，甲烷的氧化作用較強(qiáng)。甲烷通過3種方式排放，水稻植物體的內(nèi)部組織、冒氣泡、水中液相擴(kuò)散。大部分甲烷是通過植物體內(nèi)部組織排放的[42]，植株根系周圍土壤水溶液中的甲烷被根系吸收，進(jìn)入根部孔隙，然后傳輸?shù)街仓陜?nèi)部通氣組織，由植株地上各部位排放到大氣中[43-45]。整個(gè)水稻生長期通過植株排放的甲烷占甲烷總排放量的90%[46]。通過植物體排放甲烷隨季節(jié)變化而變化[42]，通過田間實(shí)驗(yàn)表明，分蘗期#1平均排放速率為(14.880±1.901)mg·m-2·h-1,#2平均排放速率為(29.655±7.214)mg·m-2·h-1，遠(yuǎn)高于抽穗期與黃熟期，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，這與之前的一些觀測結(jié)果相同[24,28,47-48]。這主要是由于在生長季前期土壤中易分解的有機(jī)質(zhì)為甲烷細(xì)菌提供了豐富的碳源，土壤中的甲烷濃度較高，形成了一個(gè)排放高峰。在黃熟期甲烷排放量降低是由于生長后期水稻根系衰老，甲烷從土壤中向根內(nèi)的擴(kuò)散速度減慢所致[48]。

4 小結(jié)

稻田甲烷排放在水稻的生長期有較明顯的日變化、季節(jié)變化規(guī)律。在水稻生長期的前、中期(分蘗期與成熟期)，積水不深(<6 cm)的情況下，日變化與氣溫變化呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，在一天內(nèi)的變化較為有規(guī)律，下午甲烷排放速率較大。在生長季的后期(黃熟期)，稻田監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示有甲烷吸收，一天之中甲烷排放速率變化較大。這說明在進(jìn)行稻田甲烷排放通量季節(jié)變化研究時(shí)，在后期的采樣中通過選擇某個(gè)時(shí)間段采樣推算一天的排放量來計(jì)算季節(jié)排放量會(huì)與實(shí)際的排放值存在較大誤差，現(xiàn)在的研究基本整個(gè)生長季都是在一個(gè)固定時(shí)間采樣，顯然這是不合適的，應(yīng)該根據(jù)生長期調(diào)整采樣時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)缺乏夜間觀測記錄，無法獲得稻田甲烷排放夜間變化規(guī)律，這是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的不足之處。

稻田甲烷排放速率受積水深度的影響顯著。當(dāng)積水較深(>6 cm)時(shí)甲烷排放明顯減少，積水較淺(2～3 cm)時(shí)甲烷排放通量明顯增大，當(dāng)積水接近0 cm時(shí)甲烷排放又會(huì)明顯減少。因此，為了減少稻田甲烷排放，在不降低水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的前提下，稻田灌溉中應(yīng)該盡量避免較淺水位，從而減少稻田甲烷排放量。

在水稻生長季節(jié)變化中，生長季前期甲烷排放量遠(yuǎn)大于生長季后期。在實(shí)驗(yàn)研究中，應(yīng)當(dāng)在生長季前期加密采樣次數(shù)，便于掌握排放特征。