近20年中国稻田CH4排放观测数据的集成分析

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甲烷(CH4)是重要的温室气体之一。灌溉稻田是大气CH4的重要排放源,我国是水稻种植大国,因此研究我国稻田CH4排放及其影响因素有助于制定合理的减排措施。本研究通过建立稻田甲烷排放数据库,构建了基于地理位置、土壤C/N比、土壤粘粒和砂粒含量、pH、水分管理、有机肥和化肥氮施用量、温度等影响因子的稻田甲烷排放模型,并进一步分析了相关影响因子与稻田甲烷排放的定量化关系。目的在于阐明中国不同稻作类型CH4排放的区域特征以及稻田CH4排放与环境因子和水肥管理的定量关系。通过文献调研,获得1987至2010年中国稻田CH4排放观测的有效文献117篇,含生长季CH4排放总量或平均排放通量的有效观测数据696组,涵盖70个观测点,采用方差分析、相关分析和逐步回归方法对上述观测数据进行相应的分析。研究的主要结果:1.通过对接近一般田间管理的495组CH4排放观测数据进行分析。结果表明,中国单季稻、双季早稻和晚稻田的CH4季节排放总量(均值±标准误差)分别为383.5±31.1、234.3±16.8和361.8±25.0k·hm-2。西南单季稻区CH4排放分别是华北、华中和东北单季稻区的2.3、2.2和4.3倍;华中早、晚稻区的CH4排放分别是两广早、晚稻区的2.6和1.9倍。在相同或相近水肥管理下,不同稻作类型的甲烷排放量存在差异。表现为:淹灌下,晚稻>单季稻>早稻;烤田下,晚稻>早稻>单季稻,且两种水分管理方式下晚稻和早稻的甲烷排放量均存在显著性差异。2.稻田CH4排放与有机肥施用量呈正相关,与化肥氮施用量及土壤pH值呈负相关;单季稻区CH4排放随纬度升高和经度增加而降低,双季稻区CH4排放则随纬度升高而增加;单季稻区CH4排放随土壤全氮含量的增加而降低,但晚稻区则反之。单季稻、早稻、晚稻的水分管理方式中烤田比例均达50%以上,其中西南单季稻以占到83.8%的淹灌为主,两广早稻区以80%的烤田为主。不同的水分管理模式(F、F-M、F-D-F和F-D-F-M)下的稻田CH4排放量存在显著性差异,且淹灌F下的稻田甲烷排放量是烤田(3、4)下的1.75~2.85倍。近20年来我国的水稻种植的平均施氮量为147kgN·hm-2,且60%以上的施氮量水平集中在75~150kgN·hm-2间。其中华北单季稻上的化肥氮施用量最多,为188kgN·hm-2,西南单季稻施用量相对最低(123.4kgN·hm-2)。与不施氮肥相比,氮肥的施用降低了稻田甲烷的排放量,淹灌和烤田下降幅范围分别在44%-47%及14%-62%之间,但是随氮肥的施用量的增加,甲烷排放量降幅并不显著。随有机肥施用量的增加,甲烷的排放量呈现显著性增多的趋势;在相近条件下施入绿肥、农家肥、沼渣、秸秆及堆肥的稻田甲烷外源碳转化率不同,且有机肥在烤田和淹灌两种灌溉模式下转化率分别为1.9%~9.4%和6.1%~26.2%。3.综合影响我国单季稻田CH4排放的因子为土壤C/N比、水分管理方式、有机肥和化肥氮施用量等6个,这6个因子的变化可解释CH4排放空间变异的72%;早稻田CH4排放空间变异的35%可由土壤C/N比、水分管理和有机肥施用量等5个因子的变化得以解释;土壤C/N比、粘粒含量和有机肥施用量等6个因子可解释我国晚稻田CH4排放空间变异的47%。4.西南单季稻和华中双季晚稻分别以86.8%和50.55%的杂交稻为主,其它稻区主要是常规稻。相近条件下籼稻的CH4排放量约是粳稻排放量的1.22~1.92倍,常规籼稻的CH4排放量较常规粳稻高出40%;得到杂交稻的甲烷排放量略大于常规稻。研究的主要结论:1.中国不同稻作类型的CH4排放在不同稻区上存在差异,其中西南单季稻区CH4排放最高,东北单季稻最低,华北、华中和东北单季稻区的CH4排放则无统计显著性差异。无论是早稻还是晚稻,华中双季稻区的CH4排放均显著高于两广稻区。由环境和水肥管理因子决定的多元统计模型可解释我国稻田CH4排放空间变异的35%-72%,土壤C/N比和有机肥施用量是不同稻作类型CH4排放模型的共选因子,单季稻CH4排放模型的可解释性优于双季稻。2.与不施氮肥相比,氮肥的施用显著地降低了稻田甲烷的排放量,降幅范围在14%~62%之间;在外源有机碳投入量低于2t·hm-2时,外源有机碳与稻田甲烷排放量存在正相关(P=0.005);在相近条件下不同种类有机肥的碳转化率不同,其范围在6.1%~26.1%间不等,且同种有机肥在淹灌和烤田下的碳转化率亦有较大的差异;杂交稻的甲烷排放量略大于常规稻,籼稻的平均CH4排放量较粳稻的要多40%。
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