淮河流域稻麦轮作农田甲烷通量变化特征.pdf

*通信作者，Email：d c f118 12 6.c o mhttp:/气象科技KOct.2023METEORCSCHNCEANHNOLOGY7642023年10 月第5 1卷第5 期Vol.51,No.5象科技淮河流域稻麦轮作农田甲烷通量变化特征李侠丽1.2段春锋冬3*冯颖4潘先洁5王雅正邵陈丽燕少威1.2张国玲1.2（1安徽省寿县国家气候观象台/中国气象局淮河流域典型农田生态气象野外科学试验基地，寿县2 3 2 2 0 0；2安徽省寿县气象局，寿县2 3 2 2 0 0；3 安徽省气候中心，合肥2 3 0 0 3 1；4安徽省气象台合肥2 3 0 0 3 1；5 安徽省淮南市气象局，淮南2 3 2 0 0 0）摘要禾利用寿县国家气候观象台开路式甲烷气体分析仪的观测数据，分析了准河流域稻麦轮作农田不同生育期甲烷通量变化特征及其影响因素。结果表明：准河流域甲烷通量一年中呈单峰型分布，峰值出现在夏季。甲烷通量日变化呈单峰型分布，峰值出现在午后，白天高于夜间。水稻生育期甲烷通量明显高于小麦生育期；小麦出苗期甲烷通量最小，成熟期最大.达到0.14g.m-s；水稻拔节期甲烷通量最大，达到3.0 2 g.m2.s-1，成熟期最小，为0.12 ugm2.s-。作物生物量对甲烷通量影响明显，水稻和小麦收割前后2 4h甲烷通量降幅达到5 0%和30%。甲烷通量与降水、相对湿度、水汽压、土壤温度、气温均呈显著的正相关关系。降水量越大，湿度越大，温度越高，甲烷通量就越大。关键词甲烷通量：稻麦轮作；气象要素；淮河流域中图分类号：P49D0I:10.19517/j.1671-6345.20220213文献标识码：A引言甲烷（CH）是仅次于二氧化碳（CO）的重要温室气体。大气中甲烷的主要来源是天然湿地、稻田、化石燃料、垃圾处理及浅水湖沼，据估计每年有30%45%的甲烷来自土壤，而稻田又是土壤生态系统温室气体释放的重要来源 1-2】。我国是世界上水稻种植面积最大的国家之一，因此研究稻田甲烷通量有着重要的意义门研究发现不同时空分布3-8 1，不同下垫面类型 9-1，甲烷通量存在显著差异。杨萌等 5 发现：修建水库明显提高该区域的CH排放通量。孙晓新等7 发现：7 种类型的湿地，甲烷排放量的日变化规律不一致。周文昌等 8 研究若尔盖高原湿地甲烷通量和张裴雷等12 研究青藏高原高寒草甸甲烷通量存在显著差异。甲烷通量的变化不仅受时空分布、下垫面特征的影响，同时与气候变化紧密相关 3-5 随着全球极端气候事件的增多以及气候要素时空分布模式的改变，导致光合作用和土壤的呼吸作用以及土壤微生物的活性等都发生变化，目前较多学者深入研究气候变化对甲烷排放量的影响 12-17 淮河流域是我国典型的稻麦轮作区和主要的粮食生产区，粮食产量占中国粮食总产量的18%18 ，该流域的农田生态系统对区域碳收支具有重要影响，研究其通量变化特征对区域碳平衡估算具有重要意义18。寿县国家气候观象台自2 0 0 7 年6 月安装了开路式涡度相关系统，用于测量农田生态系统与大气间的通量交换，基于通量观测资料，已连续开展较多的农田生态系统CO,通量研究 18-2 1。2 0 19年7 月寿县国家气候观象台安装LI-7700开路式甲烷气体分析仪，用于大气中甲烷气体含量的测定。由于仪器安装较晚，至今还没有甲烷通量的研究。准南市科技计划项目（2 0 2 1A281）、安徽省气象局研究型业务科技攻关项目（YJG202005）共同资助作者简介：李侠丽，女.198 8 年生，硕士，工程师，主要从事地面气象观测与预报工作，Email：96 493 3 8 0 6 q q.c o m收稿日期：2 0 2 2 年5 月19 日；定稿日期：2 0 2 3 年7 月2 4日气象科技编辑部（CCBY-NC-ND4.0）765第5 期李侠丽等：准河流域稻麦轮作农田甲烷通量变化特征本研究基于寿县国家气候观象台2 0 2 0 年5 月到2 0 2 1年5 月的甲烷通量观测资料，分析准河流域稻麦轮作农田生态系统不同时间尺度和不同生育期甲烷通量的变化特征及其影响因素，为准河流域农田甲烷通量的估算和相关碳模型参数修正提供参考，为政府制订减排决策提供依据。1资料与方法1.1观测场地概况寿县国家气候观象台属于中国气候观测系统确定的黄淮农业生态观测区，代表了东亚季风区的主要气候条件和生态环境状况，也是我国农业生产经营活动的典型区域之一 19。寿县国家气候观象台位于城区中心以南12 km处，占地面积2 4hm，四面均为大片农田；观测塔立于基准气候观测区东北侧，下垫面平坦开阔，周边植被类型为当地典型的稻麦轮作农田。观测场的环境3 0 5 0 年不受破坏，周边无污染源、无高层建筑，因此是研究农田生态系统各要素变化规律及其物理过程的理想观测试验区 18 1.2研究资料寿县近地面层通量观测系统由瑞流观测分系统和梯度观测分系统组成。瑞流观测分系统主要包括三维超声风温仪和红外H,O/CO分析仪，仪器安装高度为4m；梯度观测系统中通量塔高3 2 m，由安装在梯度塔上的5 层温度、湿度、风速传感器，1层风向传感器，四分量长、短波（向上、向下）辐射传感器，光合有效辐射传感器，气压、红外地表温度传感器，5 层铂电阻地温传感器，5 层土壤水分观测传感器和1层3 点土壤热通量传感器组成。2019年7 月寿县观象台安装了L17700开路式甲烷气体气体分析仪，安装在通量塔4m处，用于测量农田生态系统与大气间的通量交换。它主要采用波长调制光谱技术来测定大气中甲烷气体的含量，采样频率为10 Hz，同时在线计算3 0 min通量并把结果存储在数据采集器内。由于甲烷气体分析仪信号强度会影响数据的准确度，该仪器配有自动清洗系统。日常工作中，观象台业务员上、下午会对仪器进行全面巡视一次，发现自洁后信号强度仍低于40%时，值班员会登塔用镜头专用试纸擦拭上下镜头（雨天除外），保障数据的准确度。1.3数据处理研究表明，通量观测过程中，受仪器故障、天气状况、大气稳定度和供电系统故障等影响造成大量数据的异常和缺失，数据不可用比例通常17%50%11。本研究观测时间为2 0 2 0 年5 月至2 0 2 1年5 月，有效观测数据13 2 49个，约占7 0%，不可用数据（例如降水期间）、异常数据剔除2 5 6 6 个，约占13%，缺测数据3 193 个，约占17%。本文使用的是10 Hz数据在线质控后的3 0 min数据。3 0 min通量数据奇异值剔除主要采用：降水同期数据剔除、经验阈值剔除、摩擦风速剔除、3 倍标准差剔除等 17 。缺失数据插补方法主要采用查表法、线性内插、平均日变化法插补 17-18 1。由于半小时尺度的通量数据缺失数据过多，直接用平均日变化、线性内插不能插补完全，因此先用查表法插补，剩余缺失数据采用线性内插和平均日变化法插补，不超过2 h缺测的数据采用线性内插，超过2 h缺测的数据采用7 d、14d 的平均日变化插补上，超过14d的缺测值按缺测处理日18 7本文小时、日、季节变化的数据均为半小时均值处理所得，四季按照春季（3 5 月）、夏季（6 8 月）、秋季（911月）、冬季（12 2 月）进行划分。文中辐射、温度、水汽压、相对湿度是3 2 m通量塔的梯度数据处理所得，其中10 cm土壤温度有部分数据缺测，缺测时段用寿县国家基准站的数据代替，由于通量塔没有降水量数据，文中降水数据从寿县国家基准站所得。采用Pyton语言进行数据质量控制，采用SPSS22.0软件对数据进行相关性和回归分析，采用Excel2010和Origin8.5软件绘图。2农田甲烷通量的变化特征2.1甲烷通量日变化图1为寿县农田甲烷通量日变化图。由图可知，寿县稻麦轮作农田甲烷通量存在明显的日变化，呈单峰型，白天的甲烷通量高于夜间。从年均值来看，甲烷通量表现为甲烷的源，14：0 0 甲烷通量最大，为0.6 3 gm.s-，夜间甲烷通量波动较小。如图1所示，日出后地面温度升高，甲烷通量明显增加，14：0 0 达到峰值，2 0：0 0 至次日0 6：0 0 甲烷通量在0.2 5 gm-2.s-左右。四季变化中，甲烷通量日变化均呈单峰型。夏季显著高于其他季节，14:0 0 达2.0 6 gm.s，是年均值的3 倍多，夜间甲烷通量在1.0 ugms左766象第5 1卷科技右。春季、秋季、冬季甲烷通量均低于年平均值且波动较小，冬季甲烷通量最小。秋季甲烷通量表现为甲烷的源，峰值0.19gm-2.s-1出现在12:0 0。春季白天表现为甲烷的源，峰值0.2 2 gm-.s出现在13：0 0，夜间表现为甲烷的汇。甲烷排放量差异主要与气象条件和作物生育期有关。夏季和春季分别是水稻和小麦的关键生育期，气温高、太阳辐射强，光合作用强，作物生长迅速，致使春夏季白天甲烷排放大于其他季节；冬季小麦处于越冬期，生长缓慢、光合作用弱，同时温度低，甲烷排放量小7.2 5 O2.3春夏一一秋一冬一年平均1.81.30.80.3-0.200:0004:0008:0012:0016:0020:00图1甲烷通量的年平均和季节平均日变化Fig.1Hourly variation of annual and seasonal CH,fluxes2.2甲烷通量逐日变化结合淮河流域农田稻麦轮作生产周期，水稻生育期2 0 2 0 年5 月6 日至10 月18 日，小麦生育期2 0 2 0 年11月9 日至2 0 2 1年5 月3 0 日，分析2 0 2 0 年5 月到2021年5 月寿县甲烷通量逐日变化（图2）。寿县稻麦轮作农田甲烷通量存在明显的季节变化，呈单峰分布特征，7 月2 0 日甲烷通量最大达到3.7 5 gm.s。6月下旬至8 月上旬甲烷排放量最大，这一时期是43.5(.Sa.u.)/吾更由32.521.510.50-0.5.05-0107-0109-0111-0101-0103-0105-0120202021图22020年5 月至2 0 2 1年5 月甲烷通量逐日变化Fig.2Daily variation of CH,flux from May 2020 toMay2021水稻的分一拔节一孕穗期。其他时段甲烷通量波动较小，甲烷排量基本处于0 0.2 gm-2.s-1，仅冬季个别天数表现为甲烷的汇。2.3水稻和小麦不同生育期甲烷通量的变化水稻生育期平均甲烷通量为1.0 3 gm.s-1，小麦生育期生育期平均甲烷通量为0.3 8 gm水稻生育期甲烷排放量约是小麦生育期的3 倍。图3 a为小麦不同生育期甲烷通量的变化，小麦出苗期甲烷通量最小，这一时期无论是光、温、水的配合，还是作物的生产活动都较弱，致使这一阶段甲烷通量较小，甲烷通量为0.0 0 7 g.m-2.s-1，基本不排放。分一拔节甲烷排放量逐渐增大，此时处于12 月至翌年2 月（冬季），这一时期光、温、水不足，但冬小麦处于起身发育阶段，作物的生长活动大于出苗期。乳熟、成熟期甲烷通量最大，乳熟期甲烷通量0.0 5 gm.s-1，成熟期甲烷通量最大，达到0.14ugm-.s-。成熟期甲烷排放量最大，这与贾仲君等 10 1研究的结论不一致，这可能是由于准河流域冬小麦成熟期主要处于5 月，虽然成熟期作物的活动量减弱，但此时淮河流域的光、温、水条件较好，促使甲烷排放量达到最大，可见气候条件对甲烷0.16(a)0.140.120.10.080.060.040.020出苗分拔节抽穗乳熟成熟生育期4(b)3(S)/喜巢由322110分業拔节孕穗抽穗乳熟成熟生育期图3小麦（a）和水稻（b）各生育期甲烷通量及5%标准误差Fig.3CH4 flux with 5%standard error duringdifferent growth stages of wheat(a)and rice(b)767第5 期李侠丽等：准河流域稻麦轮作农田甲烷通量变化特征排放量有很大影响。图3 b为水稻不同生育期甲烷通量的变化，水稻拔节期甲烷通量最大，达到3.0 2 gm-2.s-1，拔节期处于水稻生产活动较为旺盛的时刻，同时6 月下旬至7 月下旬，淮河流域光、温、水条件较好。最小值出现在成熟期，为0.12 gm-.s-1，成熟期作物的生长活动减弱，水热条件逐渐转差。这与杨光明等研究水稻生长期甲烷排放量的峰值出现在拔节一孕穗期的结论基本一致。通过小麦和水稻不同生育期甲烷通量的变化特征，可以发现：甲烷排放量大小不仅和作物活动强弱有关，同时与气候条件也有密切的关系 3 3甲烷通量影响因素的研究3.1甲烷通量与植株的关系植株会影响甲烷的产生、氧化和传输，是导致甲烷排放变化的重要因素 10 。为了解淮河流域稻一麦的植株对甲烷排放的影响，对比分析作物收割前后2 4h的甲烷通量变化。如表1所示，水稻收割前甲烷通量为0.0 8 gm-.s-1，收割后2 4h其甲烷通量降至0.0 4gm-s-1，降幅达到5 0%；小麦收割前0.10 gms-1，收割后2 4h其甲烷通量降至0.0 7 g.m.s-l，降幅达到3 0%。这与杨萌等5 研究北京密云水库甲烷通量，发现去除植物地上部分组织2 4h后，其甲烷通量降幅达到7 5.5%的结论差异较大。由此可知，下垫面不同作物收割前后甲烷降幅量也不同。表1作物收割前后甲烷通量变化Table 1 Changes in CH,flux before and after harvesting收割前/（gm-2.s-1）收割后/（g*m-2.s-1）降幅/%水稻0.080.0450小麦0.100.07303.2甲烷通量与气象要素的关系通过前文研究发现：除了作物活动量和生物量影响甲烷排放量，同时该地气候条件，比如光、温、水的配合也会影响甲烷排放量。因此，本文利用2020一2 0 2 1年日平均数据，分析辐射、温度、降水、湿度、水汽压与甲烷通量的相关性。计算净辐射、光合有效辐射、10 cm土壤温度、10 m气温、10 m相对湿度、10 m水汽压、降水量和甲烷通量进行皮尔森(Pearson）双变量相关系数（表2），通过分析发现：净辐射和光合有效辐射未通过相关性检验，10 m相对湿度、10 m水汽压、降水量通过0.0 1相关性检验，相关性极好，呈正相关。10 m气温、10 cm土壤温度与甲烷通量通过了0.0 5 相关性检验，相关性好，呈正相关关系。表2气象要素与甲烷通量的Pearson相关系数rTable2Pearsons r of meteorological elements and CH,flux光合有土壤相对净辐射气温水汽压降水量效辐射温度湿度0.5210.3420.675*0.669*0.8670.856*0.892*注：*在0.0 1级别（双尾），相关性显著，*在0.0 5 级别（双尾），相关性显著。进一步对通过相关性检验的气象要素做回归分析，假设降水量（P）、10 m相对湿度（R）、10 c m土壤温度（T.）、10 m气温（T）、10 m水汽压（e)和甲烷通量（Y)进行归一化处理，并建立回归方程如表3。结果表明：寿县甲烷通量的变化与降水、相对湿度、气温、土壤温度、水汽压存在显著的正相关关系，其中降水、相对湿度、水汽压通过99%的置信度检验。土壤温度、气温通过95%的置信度检验。通过多元回归分析，表明多要素与甲烷通量有较高的相关性，相关系数为0.95 4，通过99%的置信度检验。通过以上分析得出，降水量越大、湿度越大、温度越高，则甲烷排放量也越大 2 5 表3 气象要素与甲烷通量的回归方程Table 3 Regression equation between meteorological elements and CH,flux是否通过95%是否通过99%要素回归方程相关系数置信度检验置信度检验降水量Y=0.196P-0.2150.892是是10cm相对湿度Y=0.072R-4.9770.855是是10m土壤温度Y=0.071T-0.5920.674是否10m气温Y=0.056Ta-0.5850.669是香是是10m水汽压Y=0.057e-0.5250.867是多要素Y=0.092P+0.122T+0.028T+0.015R+0.094e+0.9160.954是768象科第5 1卷技从回归方程看，水汽压、降水量对甲烷通量影响最大。将2 0 2 0 2 0 2 1年数据进行月平均发现（图4)：甲烷通量、水汽压和降水量6 一8 月是大值区，其余季节波动较小，甲烷通量和水汽压及降水量的相关性较好。502.5(a)甲通量水汽压402.0301.51.0200.5100.01月2 月3 月4月5 月6 月7 月8 月9月10 月11月12 月2.5(b)一甲烷通量360降水量2.03002401.51801.01200.5600.01月2 月3 月4月5 月6 月7 月8 月9月10 月11月12 月图4甲烷通量与水汽压（a）、降水量（b)逐月变化Fig.4 Monthly variation of CH,flux andwater vapor pressure(a),precipitation(b)由图5 可知，相对湿度 90%时甲烷通量最大，为1.0 5 gm-2.s-，次大值0.3 g.m=.s出现在8 1%90%，而相对湿度908190718061705160 90%时甲烷通量最大，达到1.0 5 gm.s-，而相对湿度 7 0%时，甲烷排通量波动较小，在0.09gm.s左右。降水量越大、湿度越大、温度越高，甲烷通量就越大。参考文献1杨光明.武文明，沙丽。西双版纳地区稻田甲烷的排放通量.山地学报2 0 0 7.2 5（4)：46 1-46 8.YangGM.WuWM.ShaL.CH4 Emission from paddy fields in Xishuangbanna JJ.Journal of mountant since（in C h in e s e),2 0 0 7.2 5（4):461-468.2李佩佩，张桂玲.赵玉川.等.夏季渤海溶解甲烷的分布与通量研究 JJ.海洋科学进展2 0 10,2 8（4)：2 7 8-2 8 8.LiPP，Zh a n gG L.Zhao Y C,et al.Study on distributions and flux ofmeathane dissolved in the bohai sea in summer JJ.Advancesinmarine science(in Chinese).2010.28(4):278-288.3潘占磊，王忠武，韩国栋，等.短花针茅荒漠草原甲烷通量对增温和施氮的响应 J.生态环境学报2 0 16.2 5（2）：2 0 9-2 16.Pan Z L,Wang Z W.HAN G D,et al.Responses of methanefluxes on warming and nitrogen additionin Stipa breviflorafesert steppe JJ.Ecology and 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Meteorological Science and Technology(CC BY-NC-ND 4.O)770象第5 1卷科技Evaluation of energy balance in farmland in Shouxian County,Anhui Province EJJ.Journal of Applied Meteorological Science(inChinese),2011,22(3):356-361.24胡雪，王文，李理，等.太平洋潜热通量及其与黄淮夏季降水的关系 JJ.气象科技，2 0 15，43（3）：48 2-48 7.HuX，Wa n g W，Li L,et al.Latent heat flux over Pacific and its relationshipwith summer precipitation in Huanghuai region J.Meteoro-logical Science And Technology(in Chinese),2015,43(3):482-487.25谢冰，张华，杨冬冬.甲烷浓度变化的有效辐射强迫及其对气候的影响J.气候变化研究进展2 0 17.13（1）：8 3-8 8 XieB，Zhang H,Yang D D.Effective Radiative forcing of methaneconcentration change and its impact on climate Jl.ClimateChangeResearch(inChinese),2017,13(1):83-88.Characteristics of CH,Flux over Rice-Wheat Rotation Fields inHuaihe River BasinLI Xialil.2DUAN ChunfengFENG Ying4PAN XianjiesWANG YazhengSHAO Chenli5YAN Shaoweil.2ZHANG Guolingl.2(1 Shouxian National Climatology Observatory,Huaihe River Basin Typical Farm Eco-meteorological ExperimentField of CMA,Anhui,Shouxian 232200;2 Meteorological Bureau of Shouxian,Anhui,Shouxian 232202;3 Anhui Climate Center,Hefei 230031;4 Anhui Meteorological Obervatory,Hefei 230031;5 Meteorological Bureau of Huainan City,Anhui,Huainan 232000)Abstract:Based on the observation data of the open-circuit CH,gas analyzer at Shouxian NationalClimatological Observatory,we analyze the variation characteristics and influencing factors of CH,flux indifferent growth periods of rice-wheat rotation farmland in the Huaihe River Basin.The results show thatCH,flux in the Huaihe River Basin has a single peak distribution throughout the year,with the peakoccurring in summer.The diurnal variation of CH,flux shows a single peak during the day,and the peaksmostly appear in the afternoon.CH,flux during the day is higher than at night.CH,flux in the ricegrowth period is significantly higher than that in the wheat growth period.During the wheat growthperiod,CH,flux is the smallest during the seedling period but the largest during the mature period,reaching O.14 g m-2 s-1.During the rice growth period,the maximum CH,flux during the jointing periodis 3.02 g m-2s-1,and the minimu