不同耕作制度下江西省稻田甲烷排放的时空特征

李柏贞，苏 睿，孔 萍，黄彩婷

(1.江西省生态气象中心,江西 南昌 330096;2.江西省气候中心,江西 南昌 330096;3.江西省大气探测技术中心,江西 南昌 330096)

自工业革命以来,人类造成的温室气体排放明显增加,其中甲烷(CH4)是重要的温室气体之一,单位质量CH4全球增温潜势是二氧化碳(CO2)的20～34倍,其温室效应要远远高于CO2[1-3]。根据2019年《WMO温室气体公报》,2018年全球CH4浓度打破了历史记录,达到了(1869±2)ppb,比工业化前增加了159%；同时2017年至2018年观测到的全球CH4浓度增幅高于2016年至2017年观测到的增幅以及过去10年的平均增长率,快速增长的CH4等温室气体有可能引发气候系统不可预测的变化,并导致严重的生态和经济破坏[4]。我国2019年青海大气本底站瓦里关站观测到甲烷浓度为(1907±3)ppb,明显高于同期全球平均水平,表明北半球中纬度内陆地区的大气温室气体浓度增长态势不容乐观[5,6]。

在20世纪80年代,研究发现稻田生态系统是大气温室气体CH4和N2O的重要源,2019年《WMO温室气体公报》表示大气中60%的甲烷排放来自人为源,其中水稻种植是其中重要来源之一[7-9]。中国是世界上最大的水稻生产国[10]；据统计,我国CH4排放总量中有56.62%来自农业生产,其中稻田生态系统的贡献率为24%[11]。

江西省作为我国重要的水稻种植区之一,稻谷产量占粮食总产的90%以上(图1)。江西省还是建国以来全国两个从未间断输出商品粮的省份之一,江西省的水稻生产在保障我国粮食安全和国民经济发展方面发挥着举足轻重的作用。据统计,2018年江西省水稻种植面积和产量分别为343.62万hm2和2092.2万t,分别占全国水稻播种面积和产量的11.4%和9.9%,在全国仅次于黑龙江和湖南省[12]。

图1 2000～2018年江西省稻谷产量占粮食产量的比例

稻田是江西省最大的甲烷人为排放源,因此,江西省稻田生态系统的甲烷排放量不容忽视。稻田因水淹存在较强的厌氧环境,土壤有机物厌氧分解会排放大量的CH4。根据耕作制度的不同,江西水稻种植方式可分为双季稻(双季早稻、双季晚稻)和单季稻两大类型,其中双季稻种植比例居全国之首,在水稻生长季,存在着大量的CH4排放。此外,江西存在特殊的水稻田—冬水田(或冷浸田),在冬季休闲时期仍然处于淹水状态。因休闲期持续时间长,在冬水田休闲期单位面积的CH4年排放因子远远高于耕作期的[13]。目前国内对江西省稻田CH4排放的研究多集中在短期的大田试验研究[14-16],同时江西省有关部门在2005、2010、2012及2014年已编制了农业温室气体排放清单,但对不同耕作制度(休闲期和耕作期,单季稻和双季稻)稻田生态系统的CH4排放动态及时空特征并没有深入研究。因此,研究江西稻田耕作期和休闲期甲烷排放的时空变化特征,可为江西省政府编制农业温室气体排放清单,制定切实有效的减排调控措施,发展低碳农业以及预测未来气候变化的影响提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

江西省地处北回归线附近(24°29′～30°4′N,113°34′～118°29′E),面积为16.69万km2,辖11个地级市、100个县(市、区)。研究区属亚热带季风气候区,四季分明,光照充足,雨量丰沛。春季阴冷多雨,偶有桃花汛;夏季高温多雨,间有台风影响;秋季风和日丽,秋高气爽;冬季湿冷,多偏北大风。全省气候温暖,年平均气温11.6～19.6 ℃,无霜期长达240～307 d;雨量充沛,但降水季节分配不均,年均降水量1341～1940 mm,50%以上降水集中在4～6月。全省光资源北多南少,热量资源南多北少,水分资源东多西少,风能资源在湖区、山区多。

1.2 数据资料

本研究所用的气象资料来自江西省气象局气象信息化资料,包括2000～2019年江西省87个国家地面气象观测站的逐日平均气温资料。冬水田面积资料来源于江西省第二次土壤普查数据。

本研究所用的全国统计数据来源于国家统计局,包括2001～2019年全国31个省市稻谷、早稻、中稻及一季晚稻、二季晚稻播种面积及产量。江西统计数据来源于2001～2019年江西省统计年鉴,包括全省及各设区市农作物播种面积、粮食作物、稻谷、早稻、中稻及一季晚稻、二季晚稻播种面积及产量。

1.3 研究方法

1.3.1 不同种植制度下稻田生态系统的CH4排放 根据以下公式,计算江西省不同种植类型(双季早稻、双季晚稻和单季稻)的甲烷排放量:

ECH4=EFCH4×S

上式中：ECH4为稻田甲烷排放总量(t);EFCH4为不同类型稻田甲烷排放因子(kg/hm2)，根据《2006年IPCC指南》推荐的方法进行计算;S为对应于该排放因子的水稻播种面积(khm2),数据来源于《江西省统计年鉴》。

江西省迄今未测定当地稻田的甲烷排放因子,因此采用《省级温室气体清单编制指南》推荐的排放因子,单季稻、双季早稻和双季晚稻的甲烷排放因子分别为215.5、211.4和224.0 kg/hm2[17]，该排放因子是基于2005年稻田平均的有机肥(包括作物秸秆和农家肥)施用水平、稻田水管理方式、气候条件和水稻生产力水平(水稻单产)获得的。根据江西省统计年鉴,稻田类型分为早稻、中稻及一季晚稻、二季晚稻,本研究将早稻和二季晚稻种植面积的最小值作为用于计算的双季早稻、双季晚稻面积,其余面积均为单季稻种植面积。

1.3.2 不同时期(耕作期和休闲期)稻田生态系统的CH4排放 水稻田是江西省CH4的主要人为排放源,稻田不仅在水稻耕作期有CH4排放,在休闲期也会有CH4排放。耕作期稻田生态系统的CH4排放量为双季早稻、双季晚稻及单季稻生长季甲烷排放量之和。休闲期稻田的CH4排放量主要为冬水田水稻非生长季的CH4排放量,其计算公式如下:

E冬CH4=EF冬CH4×S×10-3

EF冬CH4=0.24×ΣFCH4

上式中：E冬CH4为冬水田的甲烷排放量(t);S为研究区域冬水田面积(hm2);EF冬CH4为冬水田甲烷排放因子(kg/hm2),即冬水田休闲期甲烷排放通量FCH4[mg/(m2·h)]的累计值,参照已有的研究结果[13,18],甲烷排放通量与气温呈极显著的指数关系,故甲烷排放通量FCH4的计算公式如下:

FCH4=1.5352exp(0.1043T)

上式中,T为非生长期间的日平均气温(℃)。

2 结果与分析

2.1 单季稻和双季稻田的CH4排放特征

自21世纪以来，江西省水稻种植面积呈先降后升的特征(图2a)。在21世纪初，水稻种植面积为283万hm2左右,到2003年下降到269万 hm2左右,这是因为在2003年7～8月出现了历史上罕见的高温少雨干旱天气,致使江西省双季晚稻移栽面积较上年明显减少。在2004年以后江西省的水稻种植面积稳步上升,在2017年达到最高值350万hm2；在2016年以后受农业供给侧结构性改革和极端气候等因素的影响,江西水稻种植面积有所波动,在2018年下降至344万hm2。此外,自21世纪以来江西省双季稻的种植比例明显高于单季稻,2000～2018年单、双季稻的种植比例分别为17.90%±11.81%和82.10%±11.81%。图2a还显示在2016年以后双季稻的种植比例略有下降,这是受供给侧结构性改革的影响,江西省缩减了品质较差、单产较低的早稻和双季晚稻的播种面积,同时替代增加了品质更好、单产更高的中稻面积,进而导致单季稻的种植比例有所增加。

在2000～2018年期间江西省不同水稻种植制度下的甲烷排放量见图2b。结果表明,自21世纪以来,江西省稻田生态系统甲烷年排放总量呈增加趋势,增长率为0.80万t/a。在21世纪初江西省稻田生态系统甲烷年排放总量为61.6万t；2003年受水稻种植面积减少的影响,甲烷年排放总量有所下降,为58.3万t；之后甲烷年排放总量稳定上升,在2018年达到了74.6万t。在不同水稻种植制度下的甲烷排放量也有不同程度的增加,单季稻田、双季稻田甲烷排放增加率分别为0.34万、0.46万t/a,其中双季早稻和双季晚稻的甲烷排放增加率分别为0.22万和0.23万t/a。

自21世纪以来,在江西省稻田生态系统中双季稻的CH4排放量明显高于单季稻的,双季稻的平均贡献率达82.3%,这与两种稻田类型的种植面积有关；在2016年以后受供给侧结构改革的影响,双季稻的种植比例有所下降,使得单季稻温室气体排放比例有所提升；2018年江西省单季稻的CH4排放量为22.0万t,对稻田生态系统CH4排放的贡献率升高至29.5%,而双季稻温室气体排放量为52.6万t,贡献率降为70.5%。

2.2 耕作期和休闲期稻田生态系统的CH4排放

根据江西省农业气象观测站2000～2018年的观测资料,确定冬水田休闲期为10月11日至次年5月19日[13]。2000～2018年江西省稻田生态系统休闲期平均气温为13.2 ℃,平均每年排放甲烷12.0万t (252万t CO2)；2018年甲烷排放最多，达12.8万t；2000年甲烷排放最少，只有10.9万t。从图3可以看出，自21世纪以来,江西省稻田生态系统休闲期的CH4排放量呈现波动增加趋势(增长率为457 t/a),但增长趋势不显著。对稻田休闲期逐年CH4排放量与气温进行相关性分析,相关系数为0.671(P<0.01),表明休闲期甲烷排放量与气温呈显著的正相关。在全球气候变暖的大背景下,尤其是在冬季增温明显的情景下[19],未来江西省稻田生态系统在休闲期的CH4排放量将呈持续上升趋势。

a:水稻种植面积及单双季稻比例; b:甲烷年排放量。

图3 2000～2018年江西省稻田生态系统在休闲期的甲烷排放量

表1给出了2000～2018年江西省各年稻田生态系统在不同时期(耕作期和休闲期)的甲烷排放量。2000～2018年江西省稻田生态系统CH4平均排放69.3万t,其中在耕作期的排放贡献率较大,平均为85.2%,而在休闲期的排放贡献率为14.8%。2018年江西省稻田生态系统的CH4排放总量为87.4万t,较2000年提高了21.6%,其中在耕作期排放74.6万t,较2000年提高了21.3%,在休闲期排放12.8万t,较2000年提高了17.4%。

表1 2000～2018年江西省不同时期稻田生态系统的CH4排放量 万t

2.3 江西省稻田生态系统甲烷排放的时空规律

进入21世纪以来,江西省11个设区市稻田生态系统的甲烷年总排放量(包括耕作期和休闲期)均呈现逐年增长趋势,且除萍乡市外,江西省其它设区市的稻田CH4年总排放量的增长趋势均非常显著(P<0.001)(图4),其中,上饶市和吉安市稻田CH4年总排放量的增长速率居前2位,增长率分别为2424.6和2162.5 t/a；而萍乡市和景德镇市CH4年总排放量的增长率居后2位,分别为21.1和184.1 t/a。与年总排放量一致,在水稻耕作期,除萍乡市外,江西省其它设区市的稻田CH4排放量呈显著增长趋势(P<0.001),其中上饶市和吉安市在耕作期的CH4排放增长速率居前2位,分别达2375.0和2029.8 t/a；只有萍乡市稻田的CH4排放量略有减少,增长速率为-7 t/a,这可能因为2018年萍乡市水稻种植面积比2000年减少了13.4%。在休闲期,江西省11个设区市稻田生态系统的CH4排放量均呈显著增长趋势,其中有6个设区市(南昌市、萍乡市、吉安市、宜春市、抚州市和上饶市)的增长趋势通过了0.05水平的显著性检验,其中吉安市和抚州市的增长速率较大,分别达132.8和60.9 t/a；而鹰潭市和新余市的增长速率较小，分别只有4.5和8.4 t/a。对比图4a和图4b可知,休闲期的CH4排放增长率明显低于耕作期的。

在2018年,江西省稻田CH4年排放高值区主要分布在吉安市、宜春市和上饶市,总共占江西省排放总量的49.1%；年排放低值区则分布在萍乡市、新余市和景德镇市(图5c)。在耕作期,甲烷排放量位居前3名的设区市分别为吉安市、宜春市和上饶市,与总排放量的排名一致；甲烷排放量居后3名的则为萍乡市、景德镇市和新余市(图5a)。在休闲期,2018年稻田CH4排放高值区位于吉安市、赣州市和抚州市,总共占全省休闲期排放总量的52.0%；排放低值区则位于鹰潭市、新余市和萍乡市(图5b),这与各地的纬度及冬水田面积有关。与2000年相比,除萍乡市以外,2018年江西省其它设区市稻田甲烷年总排放量(包括耕作期及休闲期)均有明显增加,其中吉安市、上饶市、宜春市的增加幅度居前3位,分别增加了3.87万、3.45万、2.30万t,这主要因为受水稻种植面积增加较多的影响。受气候变暖的影响,在冬季休闲期,江西省各设区市的CH4排放量均有明显增加,增加幅度较大的区域位于吉安市、抚州市和宜春市(图5b)。

从江西省各设区市单位面积的CH4排放量来看,2018年在耕作期的CH4排放量明显高于休闲期的(图4a和图4b)。在2018年，单位面积稻田CH4排放总量最高区域位于南昌市(10.89 t/km2),其次为新余市和鹰潭市;排放低值区则位于九江市(2.90 t/km2)和赣州市(3.04 t/km2)(图4c)。

a:耕作期; b:休闲期; c:总排放量。G、W、T分别表示2018年耕作期、休闲期和本年度的单位面积甲烷排放量(t/km2), R则代表2000～2018年不同时期的甲烷排放变化率(t/a)。

a:耕作期甲烷排放; b:休闲期甲烷排放; c:稻田甲烷排放总量。

3 结论与讨论

水稻田是甲烷的主要人为排放源。本研究基于2000～2019年江西省气象资料及统计资料,研究了江西省单季稻田和双季稻田的CH4排放特征,同时分析了江西省稻田生态系统在耕作期和休闲期的CH4排放动态及空间分布特征,主要结论如下:

自21世纪以来,在江西省稻田生态系统中双季稻的CH4排放量明显高于单季稻,双季稻对CH4总排放的平均贡献率达82.3%。江西省稻田生态系统CH4年排放总量呈增加趋势,增长率为0.80万t/a,其中双季稻田CH4排放增加率略高于单季稻田,两者的增加率分别为0.46万、0.34万t/a。

进入21世纪以来,江西省稻田生态系统在耕作期的CH4排放量明显高于休闲期,耕作期CH4排放平均贡献率为85.2%。江西省稻田生态系统在耕作期和休闲期的甲烷排放量均呈增加趋势。

江西省11个设区市稻田的甲烷年总排放量均呈现逐年增长趋势,增速最快的设区市为上饶市,其次为吉安市。在2018年,江西省稻田CH4年排放高值区主要分布在吉安市、宜春市和上饶市,年排放低值区则分布在萍乡市、新余市和景德镇市。2018年单位面积稻田甲烷排放最高的地区为南昌市(10.89 t/km2),其次为新余市和鹰潭市;排放较低的区域则位于九江市和赣州市。

稻田生态系统的甲烷排放量在很大程度上取决于各地的水稻种植面积,但是甲烷排放因子的影响也不容忽视。由于缺乏一些基础资料和实测的田间数据,文中采用甲烷排放因子的推荐值会造成很多不确定性,因为水稻品种、土壤理化性状、田间管理措施、气候等因素均会影响稻田的排放因子[20-22],因此未来应加强稻田本地化排放因子的试验或研究,这对准确预估稻田生态系统的甲烷排放量具有重要意义,进而能为江西省农业减排措施的制定提供更为科学准确的依据。