稻田CO2和CH4通量特征及碳平衡研究

1、本文发表于云南大学学报（自然科学版）,2013,35(S2)291-295稻田CO2和CH4通量特征及碳平衡研究*收稿日期：2013作者简介:杨智,(1983-),男，学士,工程师,主要从事边界层气象研究.Email:yeyuanyangzhi资助项目: 国家自然科学基金:41165001; 科技部公益性行业（气象）科研专项:GYHY201006054项目负责人：孙绩华,男,博士,正研高级工程师,Email:sunjh9595杨智1，孙绩华2，徐安伦3（1.云南省气象局，昆明 650034；2.云南省气象科学研究所，昆明 650034；3.大理国家气候观象台，大理 671003）摘 要：利用大

2、理国家气候观象台20082010年水稻生育期内近地层通量观测系统资料，分析研究了水稻田二氧化碳浓度和通量的月际变化特征、日变化特征等。结果表明：稻田二氧化碳浓度具有明显的日变化特征。稻田二氧化碳通量具有明显的日变化特征和月际变化特征，二氧化碳通量平均日变化最低值达-1.068mg·m-2·s-1。水稻田系统总体表现为对大气中碳的净吸收，是碳汇区。关键词：稻田；近地层；CO2通量；源汇Analyses of the Characteristics of CO2 and CH4 Fluxes and Carbon Balance over the Rice FieldYang

3、Zhi1，Sun Jihua2, Xu Anlun3(1.Yunnan Meteorology Bureau, Kunming 650034; 2. Yunnan Provincial Institute of Meteorology, Kunming 650034; 3. .Dali National Climatic Observatory, Dali 671003)Abstract: Based on the data of the observation system of surface layer in Dali National Climatic Observatory at t

4、he rice growing stage from 2008 to 2010. The diurnal and monthly variation of CO2 density and CO2 flux over the rice field were analyzed by eddycorrelation method, CH4 flux was contrasted with CO2 flux .The results showed that CO2 density presents obvious diurnal variation, CO2 density in the nightt

5、ime is much higher than that in the daytime, the vale usually appears at 14:00-18:00, the peak usually appears at sunrise. CO2 flux presents obvious diurnal and monthly variation. The vale usually appears at 14:00, the average lowest carbon dioxide flux is -1.068mg·m-2·s-1 in the diurnal v

6、ariation. CO2 flux is negative from transplant to ripe over the rice field, the lowest carbon dioxide flux appears at jointing and heading stage, that means rice field economy system absorb CO2 from transplant to ripe. CO2 flux absorption is much strong than CH4 flux discharge. The rice field acts a

7、s a sink of CO2 for the whole growth stages.Keywords: Rice field; Surface layer; Flux of CO2; Source and sink引言 气候变化是当前社会各界关注的热点，也是复杂的科学问题。CO2和CH4等温室气体的大量排放是全球气候变暖的原因之一。CO2对温室效应的贡献率约为55%，CH4对温室效应的贡献率约为15%20%1。在2009年的哥本哈根会议上，发达国家和发展中国家互相指责对方排放甲烷。对于稻田生态系统CO2和CH4的排放，世界各国的科学家在不同地区已经做了多年的观测和研究工作，国内对稻田CO2

8、和CH4的排放及其估算也有许多报道2-3。然而，水稻在生长过程中排放CO2和CH4的同时，还通过光合作用吸收CO2。监测和分析研究水稻田生态系统碳的净收支，可判断水稻田生态系统究竟是碳源还是碳汇，对正确预测未来气候变化和政府减排决策具有重要的意义，同时也为中国等水稻主要种植国家在联合国气候变化大会上博弈提供科学依据。1 观测仪器和计算方法1.1 观测站环境及观测仪器 通量观测站设在云南省大理国家气候观象台（25°42N, 100°11E,海拔1990.5m）内，观测场下垫面较为平坦，水稻生育期观测场内外植被主要均为水稻，因而构成了大范围均一的下垫面，满足了试验要求盛行风向的

9、风浪区长度4。 观测仪器由中日JICA项目提供，为20m高的铁塔，在5m处安装超声风速温度仪(CSAT3)和CO2红外气体分析仪(Li-Cor,LI7500), 用于测量大气中CO2，采样频率10Hz，分辨率为10-3 mg/m3，测量误差<1%。1.2 数据处理和计算方法通量数据在使用前经过了一系列的订正、筛选和插补工作。在通量资料处理中，平均时间尺度为30分钟，计算前先进行噪声剔除5，坐标系旋转修正6，和WPL校正7。本文对噪音和故障记录的剔除方法是，首先剔除仪器出现诊断信息错误的数据，然后剔除有降水天气现象时的数据，最后是剔除奇异点，剔除奇异点的判据为,其中为测量值，为半小时均值，

10、是标准差。由于观测场地可能不满足理想的水平均一条件，出现地形斜面，或仪器安装不够水平出现人为斜面，使得垂直速度的测量中包含了水平风速的贡献，出现误差。解决此类问题的办法是通过坐标轴旋转，将水平轴确定为随平均气流方向，使之与地形基本平行，避免气流的分离，从而减小地形倾斜对垂直速度的影响8-9。本文中对于湍流资料的处理就是应用了二次旋转修正的方法。湍流特征值由湍流脉动观测数据通过涡动相关法直接计算获得10-1，计算公式为： Fc=- (1)（1）式中w为垂直风速脉动； c为二氧化碳脉动； 为空气密度；Fc为仪器所在高度二氧化碳通量。CH4通量的数据通过引用文献的方式获得。2 结果与分析2.1 二氧

11、化碳浓度月际变化特征大理国家气候观象台属农业气象观测一级站，农业气象观测田为其通量观测系统周围的农田，故水稻生育期资料可直接采用准确可靠的农业气象观测资料。表1 水稻平均生育期日期（月、日）Table 1 The date of the stages of rice播种移栽拔节抽穗乳熟成熟4.15.257.188.89.109.30 从表1可以看出，水稻多年平均生育期为49月，故选取2008、2009、2010连续三年的49月的观测数据计算与分析水稻生育期内下垫面与大气之间CO2交换量及变化规律。图1 不同年份水稻全生育期CO2浓度月际变化Fig. 1 The monthly variatio

12、n of CO2 density over the rice field at different years从图1可以看出，水稻全生育期内，CO2平均浓度约为530.6mg/m-3，不同年份的CO2浓度的月际变化不明显，大致趋势是移栽期浓度最低，成熟收割后CO2浓度最高。其中2009、2010年CO2浓度在5月份水稻移栽期出现明显的降低现象。2.2二氧化碳通量月际变化特征图2 不同年份水稻全生育期CO2通量月际变化Fig.2 The monthly variation of CO2 flux over the rice field at different years CO2通量是指水稻与大

13、气CO2的交换速率，CO2通量为负值表示作物从大气中吸收CO2，正值表示向大气排放CO2。图2给出了不同年份CO2通量的月际变化。从图2可知，水稻从移栽开始，CO2通量就为负值。表示水稻田从移栽开始就从大气中吸收CO2，到水稻生长最旺盛的拔节抽穗期的7月份，CO2通量达到最大负值。由此可知，从移栽开始，水稻田就是CO2的汇区。2.3不同生育期二氧化碳浓度的日变化特征图3 不同生育期CO2浓度的日变化Fig.3 The diurnal variation of CO2 density at different stage of rice field 从不同生育期CO2浓度的日变化特征可以看出，水

14、稻各生育期内CO2平均浓度有明显日变化。日出后CO2浓度迅速下降，14:00-18:00达到最低值，日落后缓慢增加，日出前出现最大值。其变化特征与水稻白天进行光合作用吸收CO2、晚上排放CO2的植物活动规律是一致的。 不同生育期CO2浓度不同，水稻生长较旺盛的时期近地面层的CO2浓度较低，从移栽后到乳熟前，CO2浓度均较低，到乳熟成熟阶段，CO2浓度才逐渐升高。2.4 不同生育期二氧化碳通量的日变化特征图4 不同生育期CO2通量的日变化Fig.4 The diurnal variation of CO2 flux at different stage of rice field图4给出了水稻田

15、不同生育期CO2通量的日变化特征。从图4可知，水稻在不同生育期，近地层CO2通量都具有正负交替的明显日变化特征，早上08:00和傍晚18:00大致为通量从正转负和从负转正的时间，白天，CO2通量为负，最低值在14:00左右，由此说明水稻进行光合作用时，从上层吸收CO2，造成近地面的CO2汇，而在夜间，CO2通量为正，不过绝对数值较白天小，近地面成为CO2的弱排放源。不同生育期CO2通量强度不同。水稻播种移栽期植株矮小，叶面积指数小，植物光合作用微弱，CO2通量日变化特征不明显，随着水稻的生长，作物光合作用强度逐渐增强，对大气中CO2吸收能力亦随之增强，白天水稻吸收的CO2不断增多，到拔节抽穗期

16、最为显著，CO2通量平均日变化最低值达-1.068mg·m-2·s-1。乳熟成熟期水稻叶逐渐变黄，光合作用逐渐减弱，对CO2吸收能力逐渐减弱，因此白天CO2通量值明显升高。值得指出的是，CO2通量与CO2浓度不同，通量直接表征作物与大气CO2交换速率，故光合作用减弱时，CO2通量有明显升高（绝对值减小），但此时水稻仍从大气中吸收CO2，故CO2浓度仍表现出降低趋势。由此可知，水稻田是CO2的汇区。2.5 不同年份二氧化碳浓度和通量的日变化特征从图5可以看出，不同年份CO2浓度的日变化特征基本一致，并且有明显的日变化特征。与图3一致，日出后CO2浓度不断降低，17:00左右出

17、现最低值，日落后缓慢增加，日出前出现最大值，白天浓度明显低于夜间。 不同年份CO2通量具有正负交替的明显日变化特征，与图4基本一致，早上08:00和傍晚18:30大致为通量从正转负和从负转正的时间，白天，CO2通量为负，最低值在北京时间13:00左右；夜间，CO2通量为正，不过绝对值较白天小很多，由此也可知，水稻田是CO2的汇区。 图5 不同年份CO2浓度和通量的日变化Fig.5 The diurnal variation of CO2 density and flux at different years2.6 CH4通量及稻田碳排放总量估算表2 不同地区水稻田CH4排放通量Table.2

18、CH4 flux over the rice field at different place地点时间排放通量 mg·m-2·s-1方法参考文献四川盐亭县20031.7*10-3静态箱气相色谱法韩广轩等12四川双流县1996-19993*10-3静态箱气相色谱法任丽新13四川乐山1988-19948.3*10-3静态箱气相色谱法M.A.K.Khalil14重庆北培1998-20004.7*10-3静态箱气相色谱法蔡祖聪15贵阳19914.3*10-3静态箱气相色谱法曹景蓉16四川（含重庆）19944.9*10-3排放模式估算王明星17云南19941.6*10-3韩广轩等12

19、南京20011.7*10-3静态箱气相色谱法邹建文等18本研究中的水稻田CH4排放通量采用查阅文献法获得。表2给出了不同地区水稻田CH4的排放通量。由表可知，水稻田排放通量平均值为3.8*10-3 mg·m-2·s-1左右，虽然不同地区，不同水稻品种对稻田甲烷排放量有影响18，但是甲烷排放量的数量级均相同，因此，我们可以认为，在二氧化碳观测同期，大理国家气候观象台附近水稻田的甲烷排放通量亦为10-3数量级，而同期二氧化碳吸收通量比甲烷排放通量大23个数量级，因此，稻田系统总体表现为对大气碳的净吸收，稻田生态系统为碳汇。3.结论本文利用大理国家气候观象台2008-2010年水

20、稻生育期的相关观测资料，计算与分析了大理地区水稻田生态系统CO2浓度及通量变化规律，并对CO2通量及CH4通量作了对比，为进一步了解水稻田生态系统冠层上方碳通量的碳汇/源提供依据，并为深入研究水稻种植与气候变化的关系提供参考。通过分析得出以下结论：（1）水稻田生态系统近地层CO2浓度具有明显的日变化特征，夜间CO2浓度明显高于白天。日出后CO2浓度迅速下降，14:00-18:00达到最低值，日落后缓慢增加，日出前出现最大值。水稻不同生育期CO2浓度不同，生长期CO2浓度较低，成熟期CO2浓度较高。（2）水稻田生态系统近地层CO2通量具有正负交替的明显日变化特征，早上08:00和傍晚18:00大

21、致为通量从正转负和从负转正的时间，白天，CO2通量为负，最低值在14:00左右；而在夜间，CO2通量为正，不过绝对数值较白天小。不同生育期CO2通量强度不同，拔节抽穗期最为显著，CO2通量平均日变化最低值达-1.068mg·m-2·s-1。水稻全生育期CO2通量表现为自移栽开始，CO2通量就为负值，至拔节抽穗期的7月份CO2通量值最低，表示水稻田生态系统从移栽开始就从大气中吸收CO2，直至成熟。（3）水稻田生态系统CO2吸收通量比CH4排放通量大23个数量级，水稻田生态系统总体表现为对大气中碳的净吸收，水稻田生态系统为碳汇。参考文献：1丁一汇.IPCC第二次气候变化科学评估

22、报告的主要科学成果和问题J.地球科学进展,1997,12(2):158163.2韩广轩,朱波,高美荣，张中杰.中国稻田甲烷排放研究进展J.西南农业学报，2003,16:4954.3邹建文,黄耀,宗良纲,郑循华,王跃思.稻田CO2、CH4和N2O排放及其影响因素J.环境科学学报，2003,23(6):758764.4李祎君,许振柱,王云龙,周莉,周广胜.玉米农田水热通量动态与能量闭合分析J.植物生态学报.2007,31(6):1132-1144.5Kaimal J.C. and Businger J.A., A continuous wave sonic anemometer- thermome

23、terJ.Journal of Applied Meteorology, 1963,(2),156-164.6王春林,周国逸,王旭,周传燕,于贵瑞.复杂地形条件下涡度相关法通量测定修正方法分析J.中国农业气象.2007,28(3):233-240.7Webb E k,Pearman G I,Leuning R.Correction of flux measurements for density effects due to hear and water vapour transferJ.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,1980,106:85-100.8周明煜,徐祥德,