李柏貞，蘇 睿，孔 萍，黃彩婷

(1.江西省生態(tài)氣象中心,江西 南昌 330096;2.江西省氣候中心,江西 南昌 330096;3.江西省大氣探測技術(shù)中心,江西 南昌 330096)

自工業(yè)革命以來,人類造成的溫室氣體排放明顯增加,其中甲烷(CH4)是重要的溫室氣體之一,單位質(zhì)量CH4全球增溫潛勢是二氧化碳(CO2)的20～34倍,其溫室效應(yīng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CO2[1-3]。根據(jù)2019年《WMO溫室氣體公報(bào)》,2018年全球CH4濃度打破了歷史記錄,達(dá)到了(1869±2)ppb,比工業(yè)化前增加了159%；同時(shí)2017年至2018年觀測到的全球CH4濃度增幅高于2016年至2017年觀測到的增幅以及過去10年的平均增長率,快速增長的CH4等溫室氣體有可能引發(fā)氣候系統(tǒng)不可預(yù)測的變化,并導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)破壞[4]。我國2019年青海大氣本底站瓦里關(guān)站觀測到甲烷濃度為(1907±3)ppb,明顯高于同期全球平均水平,表明北半球中緯度內(nèi)陸地區(qū)的大氣溫室氣體濃度增長態(tài)勢不容樂觀[5,6]。

在20世紀(jì)80年代,研究發(fā)現(xiàn)稻田生態(tài)系統(tǒng)是大氣溫室氣體CH4和N2O的重要源,2019年《WMO溫室氣體公報(bào)》表示大氣中60%的甲烷排放來自人為源,其中水稻種植是其中重要來源之一[7-9]。中國是世界上最大的水稻生產(chǎn)國[10]；據(jù)統(tǒng)計(jì),我國CH4排放總量中有56.62%來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn),其中稻田生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率為24%[11]。

江西省作為我國重要的水稻種植區(qū)之一,稻谷產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)的90%以上(圖1)。江西省還是建國以來全國兩個(gè)從未間斷輸出商品糧的省份之一,江西省的水稻生產(chǎn)在保障我國糧食安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì),2018年江西省水稻種植面積和產(chǎn)量分別為343.62萬hm2和2092.2萬t,分別占全國水稻播種面積和產(chǎn)量的11.4%和9.9%,在全國僅次于黑龍江和湖南省[12]。

圖1 2000～2018年江西省稻谷產(chǎn)量占糧食產(chǎn)量的比例

稻田是江西省最大的甲烷人為排放源,因此,江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)的甲烷排放量不容忽視。稻田因水淹存在較強(qiáng)的厭氧環(huán)境,土壤有機(jī)物厭氧分解會排放大量的CH4。根據(jù)耕作制度的不同,江西水稻種植方式可分為雙季稻(雙季早稻、雙季晚稻)和單季稻兩大類型,其中雙季稻種植比例居全國之首,在水稻生長季,存在著大量的CH4排放。此外,江西存在特殊的水稻田—冬水田(或冷浸田),在冬季休閑時(shí)期仍然處于淹水狀態(tài)。因休閑期持續(xù)時(shí)間長,在冬水田休閑期單位面積的CH4年排放因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于耕作期的[13]。目前國內(nèi)對江西省稻田CH4排放的研究多集中在短期的大田試驗(yàn)研究[14-16],同時(shí)江西省有關(guān)部門在2005、2010、2012及2014年已編制了農(nóng)業(yè)溫室氣體排放清單,但對不同耕作制度(休閑期和耕作期,單季稻和雙季稻)稻田生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放動態(tài)及時(shí)空特征并沒有深入研究。因此,研究江西稻田耕作期和休閑期甲烷排放的時(shí)空變化特征,可為江西省政府編制農(nóng)業(yè)溫室氣體排放清單,制定切實(shí)有效的減排調(diào)控措施,發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)以及預(yù)測未來氣候變化的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江西省地處北回歸線附近(24°29′～30°4′N,113°34′～118°29′E),面積為16.69萬km2,轄11個(gè)地級市、100個(gè)縣(市、區(qū))。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,光照充足,雨量豐沛。春季陰冷多雨,偶有桃花汛;夏季高溫多雨,間有臺風(fēng)影響;秋季風(fēng)和日麗,秋高氣爽;冬季濕冷,多偏北大風(fēng)。全省氣候溫暖,年平均氣溫11.6～19.6 ℃,無霜期長達(dá)240～307 d;雨量充沛,但降水季節(jié)分配不均,年均降水量1341～1940 mm,50%以上降水集中在4～6月。全省光資源北多南少,熱量資源南多北少,水分資源東多西少,風(fēng)能資源在湖區(qū)、山區(qū)多。

1.2 數(shù)據(jù)資料

本研究所用的氣象資料來自江西省氣象局氣象信息化資料,包括2000～2019年江西省87個(gè)國家地面氣象觀測站的逐日平均氣溫資料。冬水田面積資料來源于江西省第二次土壤普查數(shù)據(jù)。

本研究所用的全國統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計(jì)局,包括2001～2019年全國31個(gè)省市稻谷、早稻、中稻及一季晚稻、二季晚稻播種面積及產(chǎn)量。江西統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于2001～2019年江西省統(tǒng)計(jì)年鑒,包括全省及各設(shè)區(qū)市農(nóng)作物播種面積、糧食作物、稻谷、早稻、中稻及一季晚稻、二季晚稻播種面積及產(chǎn)量。

1.3 研究方法

1.3.1 不同種植制度下稻田生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放 根據(jù)以下公式,計(jì)算江西省不同種植類型(雙季早稻、雙季晚稻和單季稻)的甲烷排放量:

ECH4=EFCH4×S

上式中：ECH4為稻田甲烷排放總量(t);EFCH4為不同類型稻田甲烷排放因子(kg/hm2)，根據(jù)《2006年IPCC指南》推薦的方法進(jìn)行計(jì)算;S為對應(yīng)于該排放因子的水稻播種面積(khm2),數(shù)據(jù)來源于《江西省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

江西省迄今未測定當(dāng)?shù)氐咎锏募淄榕欧乓蜃?因此采用《省級溫室氣體清單編制指南》推薦的排放因子,單季稻、雙季早稻和雙季晚稻的甲烷排放因子分別為215.5、211.4和224.0 kg/hm2[17]，該排放因子是基于2005年稻田平均的有機(jī)肥(包括作物秸稈和農(nóng)家肥)施用水平、稻田水管理方式、氣候條件和水稻生產(chǎn)力水平(水稻單產(chǎn))獲得的。根據(jù)江西省統(tǒng)計(jì)年鑒,稻田類型分為早稻、中稻及一季晚稻、二季晚稻,本研究將早稻和二季晚稻種植面積的最小值作為用于計(jì)算的雙季早稻、雙季晚稻面積,其余面積均為單季稻種植面積。

1.3.2 不同時(shí)期(耕作期和休閑期)稻田生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放 水稻田是江西省CH4的主要人為排放源,稻田不僅在水稻耕作期有CH4排放,在休閑期也會有CH4排放。耕作期稻田生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放量為雙季早稻、雙季晚稻及單季稻生長季甲烷排放量之和。休閑期稻田的CH4排放量主要為冬水田水稻非生長季的CH4排放量,其計(jì)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為冬水田的甲烷排放量(t);S為研究區(qū)域冬水田面積(hm2);EF冬CH4為冬水田甲烷排放因子(kg/hm2),即冬水田休閑期甲烷排放通量FCH4[mg/(m2·h)]的累計(jì)值,參照已有的研究結(jié)果[13,18],甲烷排放通量與氣溫呈極顯著的指數(shù)關(guān)系,故甲烷排放通量FCH4的計(jì)算公式如下:

FCH4=1.5352exp(0.1043T)

上式中,T為非生長期間的日平均氣溫(℃)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單季稻和雙季稻田的CH4排放特征

自21世紀(jì)以來，江西省水稻種植面積呈先降后升的特征(圖2a)。在21世紀(jì)初，水稻種植面積為283萬hm2左右,到2003年下降到269萬 hm2左右,這是因?yàn)樵?003年7～8月出現(xiàn)了歷史上罕見的高溫少雨干旱天氣,致使江西省雙季晚稻移栽面積較上年明顯減少。在2004年以后江西省的水稻種植面積穩(wěn)步上升,在2017年達(dá)到最高值350萬hm2；在2016年以后受農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和極端氣候等因素的影響,江西水稻種植面積有所波動,在2018年下降至344萬hm2。此外,自21世紀(jì)以來江西省雙季稻的種植比例明顯高于單季稻,2000～2018年單、雙季稻的種植比例分別為17.90%±11.81%和82.10%±11.81%。圖2a還顯示在2016年以后雙季稻的種植比例略有下降,這是受供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的影響,江西省縮減了品質(zhì)較差、單產(chǎn)較低的早稻和雙季晚稻的播種面積,同時(shí)替代增加了品質(zhì)更好、單產(chǎn)更高的中稻面積,進(jìn)而導(dǎo)致單季稻的種植比例有所增加。

在2000～2018年期間江西省不同水稻種植制度下的甲烷排放量見圖2b。結(jié)果表明,自21世紀(jì)以來,江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)甲烷年排放總量呈增加趨勢,增長率為0.80萬t/a。在21世紀(jì)初江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)甲烷年排放總量為61.6萬t；2003年受水稻種植面積減少的影響,甲烷年排放總量有所下降,為58.3萬t；之后甲烷年排放總量穩(wěn)定上升,在2018年達(dá)到了74.6萬t。在不同水稻種植制度下的甲烷排放量也有不同程度的增加,單季稻田、雙季稻田甲烷排放增加率分別為0.34萬、0.46萬t/a,其中雙季早稻和雙季晚稻的甲烷排放增加率分別為0.22萬和0.23萬t/a。

自21世紀(jì)以來,在江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)中雙季稻的CH4排放量明顯高于單季稻的,雙季稻的平均貢獻(xiàn)率達(dá)82.3%,這與兩種稻田類型的種植面積有關(guān)；在2016年以后受供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的影響,雙季稻的種植比例有所下降,使得單季稻溫室氣體排放比例有所提升；2018年江西省單季稻的CH4排放量為22.0萬t,對稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4排放的貢獻(xiàn)率升高至29.5%,而雙季稻溫室氣體排放量為52.6萬t,貢獻(xiàn)率降為70.5%。

2.2 耕作期和休閑期稻田生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放

根據(jù)江西省農(nóng)業(yè)氣象觀測站2000～2018年的觀測資料,確定冬水田休閑期為10月11日至次年5月19日[13]。2000～2018年江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)休閑期平均氣溫為13.2 ℃,平均每年排放甲烷12.0萬t (252萬t CO2)；2018年甲烷排放最多，達(dá)12.8萬t；2000年甲烷排放最少，只有10.9萬t。從圖3可以看出，自21世紀(jì)以來,江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)休閑期的CH4排放量呈現(xiàn)波動增加趨勢(增長率為457 t/a),但增長趨勢不顯著。對稻田休閑期逐年CH4排放量與氣溫進(jìn)行相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)為0.671(P<0.01),表明休閑期甲烷排放量與氣溫呈顯著的正相關(guān)。在全球氣候變暖的大背景下,尤其是在冬季增溫明顯的情景下[19],未來江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)在休閑期的CH4排放量將呈持續(xù)上升趨勢。

a:水稻種植面積及單雙季稻比例; b:甲烷年排放量。

圖3 2000～2018年江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)在休閑期的甲烷排放量

表1給出了2000～2018年江西省各年稻田生態(tài)系統(tǒng)在不同時(shí)期(耕作期和休閑期)的甲烷排放量。2000～2018年江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4平均排放69.3萬t,其中在耕作期的排放貢獻(xiàn)率較大,平均為85.2%,而在休閑期的排放貢獻(xiàn)率為14.8%。2018年江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放總量為87.4萬t,較2000年提高了21.6%,其中在耕作期排放74.6萬t,較2000年提高了21.3%,在休閑期排放12.8萬t,較2000年提高了17.4%。

表1 2000～2018年江西省不同時(shí)期稻田生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放量 萬t

2.3 江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)甲烷排放的時(shí)空規(guī)律

進(jìn)入21世紀(jì)以來,江西省11個(gè)設(shè)區(qū)市稻田生態(tài)系統(tǒng)的甲烷年總排放量(包括耕作期和休閑期)均呈現(xiàn)逐年增長趨勢,且除萍鄉(xiāng)市外,江西省其它設(shè)區(qū)市的稻田CH4年總排放量的增長趨勢均非常顯著(P<0.001)(圖4),其中,上饒市和吉安市稻田CH4年總排放量的增長速率居前2位,增長率分別為2424.6和2162.5 t/a；而萍鄉(xiāng)市和景德鎮(zhèn)市CH4年總排放量的增長率居后2位,分別為21.1和184.1 t/a。與年總排放量一致,在水稻耕作期,除萍鄉(xiāng)市外,江西省其它設(shè)區(qū)市的稻田CH4排放量呈顯著增長趨勢(P<0.001),其中上饒市和吉安市在耕作期的CH4排放增長速率居前2位,分別達(dá)2375.0和2029.8 t/a；只有萍鄉(xiāng)市稻田的CH4排放量略有減少,增長速率為-7 t/a,這可能因?yàn)?018年萍鄉(xiāng)市水稻種植面積比2000年減少了13.4%。在休閑期,江西省11個(gè)設(shè)區(qū)市稻田生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放量均呈顯著增長趨勢,其中有6個(gè)設(shè)區(qū)市(南昌市、萍鄉(xiāng)市、吉安市、宜春市、撫州市和上饒市)的增長趨勢通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn),其中吉安市和撫州市的增長速率較大,分別達(dá)132.8和60.9 t/a；而鷹潭市和新余市的增長速率較小，分別只有4.5和8.4 t/a。對比圖4a和圖4b可知,休閑期的CH4排放增長率明顯低于耕作期的。

在2018年,江西省稻田CH4年排放高值區(qū)主要分布在吉安市、宜春市和上饒市,總共占江西省排放總量的49.1%；年排放低值區(qū)則分布在萍鄉(xiāng)市、新余市和景德鎮(zhèn)市(圖5c)。在耕作期,甲烷排放量位居前3名的設(shè)區(qū)市分別為吉安市、宜春市和上饒市,與總排放量的排名一致；甲烷排放量居后3名的則為萍鄉(xiāng)市、景德鎮(zhèn)市和新余市(圖5a)。在休閑期,2018年稻田CH4排放高值區(qū)位于吉安市、贛州市和撫州市,總共占全省休閑期排放總量的52.0%；排放低值區(qū)則位于鷹潭市、新余市和萍鄉(xiāng)市(圖5b),這與各地的緯度及冬水田面積有關(guān)。與2000年相比,除萍鄉(xiāng)市以外,2018年江西省其它設(shè)區(qū)市稻田甲烷年總排放量(包括耕作期及休閑期)均有明顯增加,其中吉安市、上饒市、宜春市的增加幅度居前3位,分別增加了3.87萬、3.45萬、2.30萬t,這主要因?yàn)槭芩痉N植面積增加較多的影響。受氣候變暖的影響,在冬季休閑期,江西省各設(shè)區(qū)市的CH4排放量均有明顯增加,增加幅度較大的區(qū)域位于吉安市、撫州市和宜春市(圖5b)。

從江西省各設(shè)區(qū)市單位面積的CH4排放量來看,2018年在耕作期的CH4排放量明顯高于休閑期的(圖4a和圖4b)。在2018年，單位面積稻田CH4排放總量最高區(qū)域位于南昌市(10.89 t/km2),其次為新余市和鷹潭市;排放低值區(qū)則位于九江市(2.90 t/km2)和贛州市(3.04 t/km2)(圖4c)。

a:耕作期; b:休閑期; c:總排放量。G、W、T分別表示2018年耕作期、休閑期和本年度的單位面積甲烷排放量(t/km2), R則代表2000～2018年不同時(shí)期的甲烷排放變化率(t/a)。

a:耕作期甲烷排放; b:休閑期甲烷排放; c:稻田甲烷排放總量。

3 結(jié)論與討論

水稻田是甲烷的主要人為排放源。本研究基于2000～2019年江西省氣象資料及統(tǒng)計(jì)資料,研究了江西省單季稻田和雙季稻田的CH4排放特征,同時(shí)分析了江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)在耕作期和休閑期的CH4排放動態(tài)及空間分布特征,主要結(jié)論如下:

自21世紀(jì)以來,在江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)中雙季稻的CH4排放量明顯高于單季稻,雙季稻對CH4總排放的平均貢獻(xiàn)率達(dá)82.3%。江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4年排放總量呈增加趨勢,增長率為0.80萬t/a,其中雙季稻田CH4排放增加率略高于單季稻田,兩者的增加率分別為0.46萬、0.34萬t/a。

進(jìn)入21世紀(jì)以來,江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)在耕作期的CH4排放量明顯高于休閑期,耕作期CH4排放平均貢獻(xiàn)率為85.2%。江西省稻田生態(tài)系統(tǒng)在耕作期和休閑期的甲烷排放量均呈增加趨勢。

江西省11個(gè)設(shè)區(qū)市稻田的甲烷年總排放量均呈現(xiàn)逐年增長趨勢,增速最快的設(shè)區(qū)市為上饒市,其次為吉安市。在2018年,江西省稻田CH4年排放高值區(qū)主要分布在吉安市、宜春市和上饒市,年排放低值區(qū)則分布在萍鄉(xiāng)市、新余市和景德鎮(zhèn)市。2018年單位面積稻田甲烷排放最高的地區(qū)為南昌市(10.89 t/km2),其次為新余市和鷹潭市;排放較低的區(qū)域則位于九江市和贛州市。

稻田生態(tài)系統(tǒng)的甲烷排放量在很大程度上取決于各地的水稻種植面積,但是甲烷排放因子的影響也不容忽視。由于缺乏一些基礎(chǔ)資料和實(shí)測的田間數(shù)據(jù),文中采用甲烷排放因子的推薦值會造成很多不確定性,因?yàn)樗酒贩N、土壤理化性狀、田間管理措施、氣候等因素均會影響稻田的排放因子[20-22],因此未來應(yīng)加強(qiáng)稻田本地化排放因子的試驗(yàn)或研究,這對準(zhǔn)確預(yù)估稻田生態(tài)系統(tǒng)的甲烷排放量具有重要意義,進(jìn)而能為江西省農(nóng)業(yè)減排措施的制定提供更為科學(xué)準(zhǔn)確的依據(jù)。