吉林西部鹽堿水田區(qū)全球變暖潛勢研究

湯潔，方天儒，趙仁竹，梁爽

吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長春 130012

吉林西部鹽堿水田區(qū)全球變暖潛勢研究

湯潔，方天儒，趙仁竹，梁爽

吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長春 130012

為了探討吉林西部土地整理工程對區(qū)域全暖所做貢獻(xiàn)，基于實(shí)測的水田土壤溫室氣體數(shù)據(jù)，進(jìn)行區(qū)域溫室氣體排放分析，為進(jìn)一步評估水田開發(fā)對全球變暖的影響提供科學(xué)依據(jù)。以吉林省西部鹽堿水田區(qū)為研究對象，將野外調(diào)查采樣和小區(qū)試驗(yàn)相結(jié)合，采集了水田的0～30 cm表層土壤樣品帶回進(jìn)行小區(qū)實(shí)驗(yàn)。在小區(qū)內(nèi)挖取100 cm×100 cm×50 cm的坑，在土坑底部鋪設(shè)塑料布后，將從采樣點(diǎn)帶回的土壤填進(jìn)坑內(nèi)灌水，種植水稻，6塊樣地分別為不同開發(fā)年限，其處置模式與前郭當(dāng)?shù)氐乃使芾硐嗤?，樣地周圍挖掘了排水渠。通過靜態(tài)箱-氣相色譜法監(jiān)測水稻生長期土壤所釋放的溫室氣體CH4，N2O和CO2，計算水稻不同生長時期溫室氣體排放量及貢獻(xiàn)率，估算研究區(qū)的區(qū)域變暖潛勢（GWP），結(jié)合30年水田面積變化加權(quán)法分析溫室氣體GWP貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明：水田生長期溫室氣體排放總量（以CO2氣體計）隨著開發(fā)年限的增加呈遞增趨勢，水田開發(fā)過程中CO2、CH4和N2O各時期溫室氣體排放的貢獻(xiàn)率都有一定變化，CO2氣體排放貢獻(xiàn)率占主導(dǎo)地位在80%左右，CH4的貢獻(xiàn)率16.69%～20.39%，是N2O的14～22倍，水田CH4氣體的排放對研究區(qū)綜合溫室效應(yīng)有較大貢獻(xiàn)，水田開發(fā)初期N2O氣體貢獻(xiàn)率較成熟水田相比較高。在水稻生長旺盛期CO2氣體貢獻(xiàn)率下降明顯，CH4氣體貢獻(xiàn)率顯著升高，N2O氣體貢獻(xiàn)率變化不大，在返青期和成熟期CH4和N2O 2種氣體貢獻(xiàn)率均較小，其中，除成熟期外新開發(fā)水田的CH4氣體貢獻(xiàn)率均高于成熟水田，在水稻生長發(fā)育較快速的分蘗期、拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期，CO2氣體貢獻(xiàn)率下降且降幅明顯，該階段CH4氣體對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)比重加大，遠(yuǎn)高于N2O氣體。在水稻成熟期，3種溫室氣體的貢獻(xiàn)率與其他時期相比發(fā)生較大變化，CH4比N2O略有優(yōu)勢，CO2所占比例恢復(fù)至95%。這主要與水稻生長期間土壤條件的變化有關(guān)，生長旺盛期，淹水層為土壤中微生物提供了良好的厭氧條件，使得CH4貢獻(xiàn)率增加。而成熟期水層淺，后期排水落干的條件不利于CH4排放，N2O相比于成熟后植物呼吸作用大于光合作用產(chǎn)生的較多CO2來說基本屬于痕量氣體。研究區(qū)GWP產(chǎn)生總量持續(xù)增加，且增長幅度與水田面積增加趨勢一致。新開發(fā)水田對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)很大，這與本研究區(qū)近20年來大力發(fā)展水稻種植業(yè)有直接關(guān)系。說明吉林西部鹽堿水田面積大規(guī)模的開發(fā)對區(qū)域變暖做出了一定貢獻(xiàn)。

鹽堿水田；溫室氣體；GWP；貢獻(xiàn)率

近年來氣候的異常變化引起國際社會和科學(xué)界對溫室氣體的增加及其溫室效應(yīng)極大的關(guān)注，并采取了一系列的措施和行動減少溫室氣體的排放，以減緩其對自然環(huán)境和人類社會的嚴(yán)重影響。全球變暖潛勢（Global Warming Potential, GWP）是基于充分混合的溫室氣體輻射特性的一個指數(shù)，它表示這些氣體在不同時間內(nèi)在大氣中保持綜合影響及其吸收外逸熱紅外輻射的相對作用，實(shí)質(zhì)表述就是將某種溫室氣體在一定時間范圍內(nèi)產(chǎn)生的增溫效應(yīng)折換成等效的CO2。目前學(xué)者們主要針對土壤理化性質(zhì)、田間管理措施對稻田溫室氣體排放的影響開展了研究，Khalil等對西南稻區(qū)四川稻田進(jìn)行了2年的觀測，結(jié)果認(rèn)為CH4的平均排放通量為438 g·m-2·a-1；江長勝通過實(shí)地觀測數(shù)據(jù)認(rèn)為西南稻區(qū)川中丘陵區(qū)的冬灌田平均 N2O排放量為 558.45 mg·m-2·a-1。亞洲其他地區(qū)水稻田CH4排放通量觀測主要來自于印度、泰國和菲律賓等，排放通量因不同的水分管理方式、施肥類型與方法、土壤性質(zhì)及水稻品種等因素而有很大差異，關(guān)于水田土壤溫室氣體排放的研究，極少涉及鹽堿土區(qū)，不同區(qū)域的水田溫室氣體排放量存在差異，因此，對全球變化的影響也各不相同。本文以吉林西部鹽堿水田區(qū)為研究對象，進(jìn)行野外調(diào)查和小區(qū)試驗(yàn)，為了探討吉林西部土地整理工程對區(qū)域全暖所做貢獻(xiàn)，基于實(shí)測的水田土壤溫室氣體數(shù)據(jù)，進(jìn)行區(qū)域溫室氣體排放分析，并針對研究區(qū)水田變暖潛勢估算開展研究，為進(jìn)一步評估水田開發(fā)對全球變暖的影響提供科學(xué)依據(jù)。

吉林西部包括松原與白城2個地級市，10個縣（市、區(qū)），地理坐標(biāo)為東經(jīng)123°09′～124°22′，北緯44°57′～45°46′，位于近百年來氣候變暖顯著的東北地區(qū)，為世界三大鹽堿土分布區(qū)之一。研究區(qū)在嫩江和松花江沿岸種植水稻歷史悠久，大規(guī)模的水田開發(fā)始于上世紀(jì)的五、六十年代。2000年以來，為了應(yīng)對日趨嚴(yán)重的土壤鹽堿化，該區(qū)引嫩江水改造鹽堿土為水田，是東北地區(qū)重要的糧食農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。

1 材料和方法

1.1 樣品采集和分析

為了分析水田開發(fā)過程中稻田土壤質(zhì)量對溫室氣體的影響，本研究依據(jù)實(shí)地調(diào)研和遙感影像解譯結(jié)果確定水田開發(fā)年限，進(jìn)行土壤采集，采樣點(diǎn)見表1。受連續(xù)觀測的條件限制，采集了水田的0～30 cm表層土壤樣品帶回進(jìn)行小區(qū)實(shí)驗(yàn)。將小區(qū)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在吉林大學(xué)南區(qū)實(shí)驗(yàn)樓后的一片平坦空地，考慮到長春與研究區(qū)氣象條件相近，適宜水稻種植與生長；在小區(qū)內(nèi)挖取100 cm×100 cm×50 cm的坑，在土坑底部鋪設(shè)塑料布后，將從采樣點(diǎn)帶回的土壤填進(jìn)坑內(nèi)灌水，種植水稻，6塊樣地分別為不同開發(fā)年限，其處置模式與前郭當(dāng)?shù)氐乃使芾硐嗤?，樣地周圍挖掘了排水渠，采樣箱底槽?nèi)共九株水稻。于水稻生長期6月至9月利用靜態(tài)箱?氣相色譜法進(jìn)行溫室氣體的采集測試，采樣工作固定在9:00-11:00，觀測頻率為每周2次，每隔40 min采1次樣。樣品采集好后用帶有三通閥的50 ml注射器注入真空氣體采樣袋中立即帶回實(shí)驗(yàn)室，使用氣相色譜儀分析CO2、CH4、N2O氣體（最終以mg·m-2·h-1為計）。本次試驗(yàn)采集氣體樣本 744個，按照公式對不同生長期進(jìn)行統(tǒng)計計算。

1.2 面積計算方法

通過查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)，獲取不同基準(zhǔn)年吉林西部鹽堿水田區(qū)不同開發(fā)年限水田面積，其中，1985年以前水田面積來自相關(guān)資料和文獻(xiàn)，1985年以后水田面積為統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，以 2012年為基準(zhǔn)年，開發(fā)1年以上水田面積是由2012年底水田面積減去2007年底水田面積得出，開發(fā)5年以上水田面積是由2007年底水田面積減去1997年底水田面積得出，其余同理。由于正在開展的土地開發(fā)整理項(xiàng)目擬新開發(fā)水田27×104hm2，以2012年底水田面積為基準(zhǔn)，假設(shè)區(qū)域內(nèi)不再有自然增長的水田面積且項(xiàng)目在5年內(nèi)完工，除新開發(fā)水田面積外，其余開發(fā)年限水田土壤面積直接使用 2012年各值進(jìn)行估算，其中分別以土地開發(fā)整理完工后、2012年、2000年和1990年為基準(zhǔn)年，得到不同開發(fā)年限水田面積變化表（表2）。

表1 采樣點(diǎn)位置Table 1 Sampling point Location

表2 不同基準(zhǔn)年不同開發(fā)年限水田面積變化Table 2 Paddy area Change of different base year of development age

1.3 氣體計算方法

文中將要出現(xiàn)的平均排放通量和季節(jié)累積量的計算公式分別為：

式中F—?dú)怏w平均排放通量，mg·m-2·h-1；Fi—采集日氣體排放通量，mg·m-2·h-1；n—?dú)怏w采集天數(shù)； FS—?dú)怏w季節(jié)累積量，mg·m-2；FS—?dú)怏w季節(jié)排放通量，mg·m-2·h-1； DS—季節(jié)總天數(shù)，d。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同開發(fā)年限水田溫室氣體排放量及貢獻(xiàn)率

以百年尺度看，水田開發(fā)的釋放的溫室氣體中，CH4的溫室效應(yīng)為CO2的25倍，N2O的溫室效應(yīng)為CO2的298倍。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，對實(shí)驗(yàn)區(qū)水田生長期釋放的CO2、CH4和N2O 3種溫室氣體排放量（以CO2氣體計）及貢獻(xiàn)率進(jìn)行計算，公式如下：

公式中的符號含義如表3所示。

表3 溫室氣體排放量公式符號含義Table 3 Greenhouse gas emissions formula alphabet meaning in the table

圖1 不同開發(fā)年限水田生長期溫室氣體排放量Fig. 1 Greenhouse gas emission of development age during rice growth period

從圖1中可清晰地看出，在由鹽堿土改造為水田的長期開發(fā)過程中，水田生長季溫室氣體排放總量（以CO2氣體計）呈隨著開發(fā)年限的增加而遞增的趨勢，即開發(fā)年限越長水田溫室氣體年排放總量越大。水田開發(fā)初期至 25年左右，溫室氣體排放量的增加幅度明顯，25年至55年以上的成熟水田的溫室氣體排放量基本處于小幅度增加的趨勢。這主要是由于在水田開發(fā)過程中土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)累積的趨勢，土壤活性有機(jī)碳含量高低直接影響土壤微生物的活性，為微生物提供基質(zhì)，從而影響溫室氣體的排放量。Chen等研究得出全球尺度上土壤呼吸與有機(jī)碳含量之間的關(guān)系表現(xiàn)為有機(jī)碳含量較低會限制土壤呼吸，有機(jī)碳含量高則對呼吸作用的促進(jìn)作用相對弱化；Reichstein等認(rèn)為土壤呼吸與有機(jī)碳含量的相關(guān)性取決于土壤中易分解與難分解組分的比例以及植物根際分泌物與凋落物的激發(fā)效應(yīng)。多數(shù)研究表明CH4排放通量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，但也有研究表明兩者間關(guān)系并不密切，甚至沒有相關(guān)性。N2O排放與有機(jī)碳含量間并非直接相關(guān)，而是通過有機(jī)碳對其他因素的作用帶來影響。

本研究結(jié)果在東北地區(qū)農(nóng)田CO2氣體排放值范圍內(nèi)，和陳衛(wèi)衛(wèi)等人對于三江平原水田N2O的研究對比，吉林西部水田 N2O排放率處于全國較低水平，本區(qū)CH4排放值高于天津一季稻田區(qū)及沈壬興等對廣州地區(qū)的測量值，但遠(yuǎn)低于全國其他區(qū)域。

水田開發(fā)過程中CO2、CH4和N2O等3種氣體各自的貢獻(xiàn)率都有一定的變化，但變化不是很明顯，同一氣體的百分比相差不多。其中CO2氣體排放一直占主要地位，貢獻(xiàn)率在 80%左右。CH4和N2O氣體相比，CH4的貢獻(xiàn)率為16.69%～20.39%，遠(yuǎn)高于N2O的0.93%～1.37%，是N2O的14～22倍，說明水田CH4氣體的排放對研究區(qū)綜合溫室效應(yīng)有較大的貢獻(xiàn)，水田開發(fā)初期N2O氣體貢獻(xiàn)率較成熟水田相比較高。

圖2 不同開發(fā)年限水田溫室氣體排放貢獻(xiàn)率Fig. 2 The Contribution of Greenhouse gas emission of development age

2.2 水田不同時期溫室氣體貢獻(xiàn)率分析

在水稻生長期間共分為5個生長期，包括返青期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期和成熟期，各時期3種溫室氣體排放的貢獻(xiàn)率會發(fā)生一定的變化，圖3和圖4是以新開發(fā)水田和開發(fā)55年以上水田做對比，可以看出在水稻不同生長期，3種溫室氣體的貢獻(xiàn)率各有不同，在返青期和成熟期CH4和N2O 2種氣體貢獻(xiàn)率均較小，其中，除成熟期外新開發(fā)水田的CH4氣體貢獻(xiàn)率均高于成熟水田，但三者在2種不同開發(fā)年限水田的各時期貢獻(xiàn)率基本趨勢相同。

在水稻生長發(fā)育較快速的分蘗期、拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期，CO2氣體貢獻(xiàn)率下降且降幅明顯，其中僅占61.79%～70.26%，CH4氣體貢獻(xiàn)率顯著升高達(dá)到28.60%～36.74%，N2O氣體貢獻(xiàn)率變化不大占1%左右，這表明該階段CH4氣體對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)比重加大，遠(yuǎn)高于N2O氣體。在水稻種植期間，返青期和成熟期CO2氣體排放占主導(dǎo)地位，在水稻成熟期，3種溫室氣體的貢獻(xiàn)率與其他時期相比發(fā)生較大變化，CH4比N2O略有優(yōu)勢，CO2所占比例恢復(fù)至95%。這主要與水稻生長期間土壤條件的變化有關(guān)，生長旺盛期，淹水層為土壤中微生物提供了良好的厭氧條件，加上水稻植株通氣組織已相當(dāng)發(fā)達(dá)，使得CH4貢獻(xiàn)率增加。而成熟期水層淺，后期排水落干的條件不利于CH4排放，N2O相比于成熟后植物呼吸作用大于光合作用產(chǎn)生的較多CO2來說基本屬于痕量氣體。

圖3 新開發(fā)水田不同時期溫室氣體貢獻(xiàn)率Fig. 3 Greenhouse gas contribution rate of the new paddy in different periods

圖4 成熟水田不同時期溫室氣體貢獻(xiàn)率Fig. 4 Greenhouse gas contribution rate of the mature paddy in different periods

2.3 水田面積變化及變暖潛勢分析

為積極推進(jìn)吉林省百億斤糧食生產(chǎn)能力增加，2007年以來，吉林省政府推行了吉林西部土地整理工程，該項(xiàng)目分3個項(xiàng)目區(qū)（主要是前郭縣和乾安縣），項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模32.86×104hm2，新增水田面積27×104hm2，在現(xiàn)有的土地利用變化的基礎(chǔ)上，開展新一輪的水田大規(guī)模開發(fā)整理工程將進(jìn)一步引起溫室氣體的排放。

水田作為一種特殊的生態(tài)系統(tǒng)，釋放著CO2、CH4和N2O等溫室氣體。由于CH4和N2O這2種溫室氣體對于溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)大大高于CO2，在評估水田開發(fā)過程中產(chǎn)生的增溫效應(yīng)，應(yīng)綜合考慮3種溫室氣體的貢獻(xiàn)率，選取GWP計算，根據(jù)面積加權(quán)法，計算出不同基準(zhǔn)年吉林西部鹽堿水田區(qū)GWP。公式如下，符號含義見表4。

表4 GWP估算公式符號項(xiàng)含義Table 4 Global Warming Potential Estimation formula alphabet meaning

圖5 不同基準(zhǔn)年生長季鹽堿水田GWP圖Fig. 5 In saline-alkali paddy field GWP of different base year during rice growth period

從圖5可知，1990年至土地整理完工后的水田面積在迅速增加，且近年來的增長幅度較大，水田開發(fā)速度加快，隨著面積的增加，研究區(qū)的 GWP產(chǎn)生總量呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，其增長幅度與水田面積變化趨勢一致，土地整理后水田的GWP比之前2012年的GWP值增加了一倍，圖6中看出兩者相關(guān)系數(shù)r2為0.9979，呈顯著線性相關(guān)。因此，新開發(fā)水田對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)很大，這與本研究區(qū)近20年來大力發(fā)展水稻種植業(yè)有直接關(guān)系。說明吉林西部鹽堿水田面積大規(guī)模的開發(fā)對區(qū)域變暖做出了一定貢獻(xiàn)。

圖6 鹽堿水田GWP與水田面積相關(guān)分析圖Fig. 6 In saline-alkali paddy field GWP and area correlation analysis

3 結(jié)論與建議

不同開發(fā)年限水田生長季溫室氣體排放總量（以 CO2氣體計）呈遞增趨勢，水田開發(fā)初期溫室氣體排放量的增加幅度明顯，水田開發(fā)過程中CO2、CH4和N2O 3種氣體各自的貢獻(xiàn)率都有一定變化，其中CO2氣體排放一直占主要地位，貢獻(xiàn)率在80%左右，CH4的貢獻(xiàn)率 16.69%～20.39%，是 N2O的14～22倍，表明水田CH4氣體的排放對研究區(qū)綜合溫室效應(yīng)有重要作用。

從 1990年至土地整理完工，新開發(fā)的水田面積大幅度增加，研究區(qū)的GWP產(chǎn)生總量呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，吉林西部水田面積大規(guī)模的開發(fā)對區(qū)域變暖做出了一定貢獻(xiàn)。在水稻生長不同時期各氣體所貢獻(xiàn)比例有所不同，在水稻生長旺盛的階段，CH4氣體貢獻(xiàn)比重顯著增加，CO2氣體貢獻(xiàn)率降幅明顯，此時期可有利于減排措施的實(shí)施。

針對土地整理工程大量開發(fā)水田引起的區(qū)域變暖，減排過程要綜合考慮3種溫室氣體的變暖潛勢，在溫室氣體采集方面，將逐漸開展野外原位監(jiān)測，進(jìn)行全年候及多年觀測數(shù)據(jù)，獲得長時間序列的溫室氣體排放特征值，以便更為精確地計算區(qū)域溫室氣體排放總量。

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Estimation of Global Warming Potential in the Saline-alkali Paddy Fields of Western Jilin

TANG Jie, FANG Tian Ru, ZHAO Ren Zhu, LIANG Shuang

College of Environment and Resource, Jilin University, Changchun 130012, China

In order to explore the western Jilin land consolidation project's contribution to regional-wide warming, based on the measured data of paddy soil greenhouse gases, the analysis of regional greenhouse gas emissions, a scientific basis for assessing the impact of paddy development on global warming had been provided. With the method of combining field sampling and region experiments, taking saline-alkali paddy field of Jilin province as an investigation object, of 0～30 cm surface soil samples of paddy were collected back to the experiments field. Pits with the size of 100 cm × 100 cm × 50 cm were digged in the field, after laying plastic sheeting at the bottom of the pits, the soil taking back from the sampling points were filled into the pits, watering, planting rice. Six plots were filled with different developed age soil, their disposal model was the same as QianGuo's local water and fertilizer management, drainage.was digged around the plots To research the greenhouse gas emission and contribution in the paddy, estimate GWP in the area, CH4, CO2and N2O that released by soil during rice growth period were monitored by Static box - gas chromatography. combine The greenhouse gas GWP contribution was analysised combined with thirty years paddy area change. The results show that different development age total value greenhouse gas emissions (CO2-eqv) during paddy growing appeared an increasing trend, in the development process paddy CO2, CH4and N2O emissions of greenhouse gases contribution rate for each period has a certain change, CO2emissions contribution rate is dominant about 80%, CH4contribution rate 16.69%～20.39%, is N2O 14 to 22 times, indicating CH4emissions have a great comprehensive contribution on study area .In early paddy, N2O has higher contribution rate compared to mature paddy. In the rice growing vigorous period, CO2contribution rate was decreased obviously, CH4contribution rate was increased significantly, N2O contribution rate changed little. CH4and N2O contribution rate is small in mature stage and returning green stage, which, apart from maturity stage the newly developed paddy CH4contribution rate, CO2contribution rate has dropped and fell significantly, the proportion of the contribution to greenhouse gas CH4increase, much higher than N2O in this period. In mature stage three greenhouse gas contribution rate compared with other periods changed greatly, CH4than N2O has a slight advantage, CO2makes a recovery percentage to 95%. This is mainly with changes in soil conditions, In the rice growing vigorous period, waterlogged layer provides a good soil microbial anaerobic conditions, makes CH4contribution rate increase.In mature stage shallow water layer and draining off, the dry conditions are not conducive to CH4emissions, N2O is basically trace gas compared to the CO2which produced by mature plant respiration more than photosynthesis. The total GWP in the study area continue to increase, and the growth rate was the same with the area of paddy field increased trend. The newly developed paddy contributed significantly to the greenhouse effect, which with the development of rice farming in nearly 20 years in the study area has a direct relationship. It shows that large-scale development in the western area of Jilin saline paddy has made some contribution to regional warming.

saline-alkali paddy field; greenhouse gas; GWP; contribution rate

X144

：A

：1674-5906（2014）08-1372-06

湯潔，方天儒，趙仁竹，梁爽. 吉林西部鹽堿水田區(qū)全球變暖潛勢研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(8): 1372-1377.

TANG Jie, FANG Tian Ru, ZHAO Ren Zhu, LIANG Shuang. Estimation of Global Warming Potential in the Saline-alkali Paddy Fields of Western Jilin [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1372-1377.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40871088；51179073）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（20130061110065）

湯潔（1957年生），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生態(tài)環(huán)境理論與技術(shù)研究。E-mail: tangjie@jlu.edu.cn

2014-07-07