Climate Change Research Letters
Vol.06 No.02(2017), Article ID:20264,8 pages
10.12677/CCRL.2017.62012

Greenhouse Gas Emissions from Paddy Field Ecosystems in China and Corresponding Mitigation Strategies

Yongcai Lai1*, Wenjun Dong1,2,3#, Ying Meng1, Jun Zhang4, Ao Tang1, Xijuan Zhang1, Chunxu Leng1, Youhong Liu1, Lianmin Wang1, Lizhi Wang1, Shufeng Di1, Zhongliang Yang5, Lei Chen6

1Institute of Farming and Cultivation, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin Heilongjiang

2Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences Postdoctoral Programme, Harbin Heilongjiang

3Northern Japonica Rice Molecular Breeding Joint Research Center, Chinese Academy of Sciences, Harbin Heilongjiang

4Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing

5Rice Institute of Wuchang, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Wuchang Heilongjiang

6Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin Heilongjiang

Received: Apr. 8th, 2017; accepted: Apr. 24th, 2017; published: Apr. 27th, 2017

ABSTRACT

In recent years, the issue of increase in greenhouse gas emissions and greenhouse effect induced by them has already aroused people’s great attention. Reducing greenhouse gas emission has become an urgent problem, which should be solved as soon as possible. CH4 and N2O are two major greenhouse gases, which play very significant role in global warming. Paddy field ecosystem is the important greenhouse gases (CH4 and N2O) emission sources. For the purpose of providing technological support for the sustainable development of low carbon agriculture, and making a positive contribution in reducing China’s greenhouse gas emission and relieving global warming, several controlling methods for reducing greenhouse gas emissions in Chinese paddy field ecosystem were elaborated from the following aspects: varieties selection, irrigation, fertilizer application, cropping system, straw amendments and straw complex utilization.

Keywords:Paddy Field, Greenhouse Gases, Climate Change, Methane, Nitrous Oxide, Mitigation Strategies

我国稻田系统温室气体排放及减排对策分析

来永才1*,董文军1,2,3#,孟英1,张俊4,唐傲1,张喜娟1,冷春旭1,刘猷红1,王连敏1,王立志1,邸树峰1,杨忠良5,陈磊6

1黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所,黑龙江 哈尔滨

2黑龙江省农业科学院博士后科研工作站,黑龙江 哈尔滨

3中国科学院北方粳稻分子育种联合研究中心,黑龙江 哈尔滨

4中国农业科学院作物科学研究所,北京

5黑龙江省农业科学院五常水稻研究所,黑龙江 五常

6黑龙江省农业科学院,黑龙江 哈尔滨

收稿日期:2017年4月8日;录用日期:2017年4月24日;发布日期:2017年4月27日

摘 要

近年来温室气体排放增加引起的全球气候变暖备受人们的广泛关注,缓减温室气体排放势在必行。CH4和N2O是大气中两种重要的温室气体,在全球变暖中具有非常重要的作用。稻田系统是重要的温室气体排放源,本文从品种选择、水分管理、肥料施用、耕作制度以及秸秆还田和综合利用等几个方面总结了可以减缓我国稻田温室气体排放的一些措施,为我国低碳农业的可持续发展提供一定的技术支撑,为我国温室气体减排和缓解全球气候变暖作出积极的贡献。

关键词 :稻田,温室气体,气候变化,甲烷,氧化亚氮,减排对策

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1. 引言

全球气候变化与人类社会的生产、消费和生活息息相关,全球气候正经历着一次以变暖为主要特征的显著变化。IPCC第五次评估报告 [1] 显示,到本世纪末,全球平均表面温度和过去20年相比可能上升0.3℃~4 .8 ℃ 。全球变暖已是不争的事实,也是威胁人类生存的重大环境问题。普遍认为,全球变暖主要是由于人为温室气体排放增加所致。2016年11月正式生效的《巴黎协定》指出,气候变化对人类社会和地球构成紧迫的可能无法逆转的威胁,这就要求所有国家尽可能开展最广泛的合作,参与有效和适当的国际应对行动,以期更快地减少全球温室气体排放量。

甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是大气中两种重要的温室气体,其浓度的不断升高加剧了全球温室效应。自工业革命(1750年)以来,全球大气中CH4和N2O浓度明显增加,其浓度已由工业革命前的约715 ppb和270 ppb分别增至2011年的1803 ppb和324.2 ppb。CH4是仅次于CO2的一种温室气体,它的全球增温潜势(GWP: Global Warming Potential)相当于CO2的25倍。虽然N2O是大气中一种含量更低的痕量温室气体,但它在大气中滞留的时间较长,并具有更大的全球增温潜势,相当于CO2的298倍 [2] 。由此可见,采取各种有效的措施来减少CH4和N2O的排放对于缓减温室效应迫在眉睫。

稻田系统是重要的温室气体排放源。我国是世界上重要的水稻生产大国,水稻种植面积达3000万hm2,占世界稻田面积的27%,占我国粮食作物耕地面积的34% [3] ,因此,稻田系统温室气体减排潜力巨大。为此,在掌握我国稻田系统温室气体排放概况的基础上,探索我国稻田系统温室气体排放的减排对策,为我国发展低碳、可持续发展的农业提供技术保障,为我国稻田节能减排的综合调控和国际谈判提供科学依据和技术支撑。

2. 我国稻田系统温室气体排放概况

据2007年IPCC第4次评估报告显示 [2] ,稻田CH4的年排放量为31~112 Tg,占全球总排放量的5%~19%。另有报道 [4] [5] 统计,稻田CH4排放约占全球每年总排放量的20%或17%左右。通过对文献资料和大量研究结果分析得出 [6] ,中国农业源温室气体占全国温室气体排放总量的17%。根据2004年中国政府向联合国提交的《中华人民共和国气候变化初始国家信息通报》 [7] 显示,1994年我国稻田CH4排放量为6.147 Tg,占到农业活动CH4排放总量的35.75%。Zou等 [8] 研究发现,在20世纪90年代,我国稻田CH4的年排放量为6~10 Tg。通过模型与GIS技术相结合 [9] 表明,我国大陆2000年水稻生长季的稻田CH4排放量为6.02 Tg。

稻田N2O主要通过土壤和肥料中微生物的硝化和反硝化作用产生,大气中N2O有90%来源于这两个过程 [10] 。据统计 [11] [12] ,2012年我国稻田排放的N2O占我国农田总排放的7%~11%。Gao等 [13] 通过模型预测,我国稻田N2O每年排放约为35.7 Gg,氮肥的施用对N2O的排放具有促进作用,在我国随着氮肥的大量投入,N2O的排放也呈明显的增加趋势 [14] 。

3. 减缓我国稻田系统温室气体排放的对策

3.1. 品种选择

不同类型的水稻品种在相同的土壤和栽培管理水平下,稻田温室气体排放也存在很大的差异。王丽丽等 [15] 研究发现,由于超级稻宁粳1号有强大的根系,CH4排放总量比常规稻镇稻11低35.22%。对不同类型超级稻品种的研究显示 [16] ,籼型超级稻的平均CH4排放总量比粳型超级稻低37.6%,籼型超级稻CH4排放量低主要是由于其根系生物量显著高于粳型超级稻。可见,水稻庞大的根系具有较强的氧化能力,泌氧能力强,使得根际氧化还原电位上升,抑制了CH4的产生;与此同时,CH4氧化菌活力增强,促进CH4的氧化,则CH4的排放量降低 [17] 。综合比较植株产量形成和CH4排放强度,发现CH4排放总量与总生物量、籽粒产量和收获指数等呈显著负相关或相关不显著 [16] ,且选用根系活力强、产量潜力大的品种,能有效降低稻田系统CH4的排放 [17] 。对三江平原3个主栽品种的温室气体排放研究发现 [18] ,垦鉴稻6产生的温室效应较空育131和龙粳18分别下降14.0%和17.7%。可见,品种间温室气体排放差异明显。此外,选用氮高效利用的水稻品种,可适当的减少氮肥用量,防止氮素流失,减少氮肥在稻田土壤中的存留时间,降低水稻生长过程中N2O产生的排放 [3] 。

3.2. 水分管理

水分是影响稻田系统CH4和N2O产生、氧化和排放的最为重要的影响因素之一。长期淹水和间歇灌溉是我国水稻种植的两种较为普遍的水分管理方式。长期淹水条件下,由于是处于极端还原状态,厌氧性产CH4菌作用于产CH4基质而产生CH4气体。前人研究表明 [19] ,厌氧条件下产生的CH4有58%~80%被水—土界面和根—土界面的CH4氧化细菌所氧化而释放到大气中。已有研究表明 [20] [21] [22] ,与长期淹水相比,间歇灌溉能大幅度降低稻田CH4排放量,而增加N2O的排放量。彭世彰等 [23] 研究发现,控制灌溉稻田CH4和N2O的综合全球增温潜势较常规灌溉稻田显著减少,减少幅度为15.0%~34.8%。此外,在水稻生长季,通过采取一次或多次的排水烤田措施可有效减少CH4排放 [24] 。还有研究显示,如果水稻生育时期烤田至少一次,则全球每年可减少4.1 × 109 t的CH4排放,但增加了N2O的排放 [25] [26] 。通过盆栽试验对烤田结束后复水期CH4和N2O的排放研究结果发现 [27] ,间隙灌溉条件下,N2O排放主要集中在烤田期及随后的复水期,CH4排放峰值出现在烤田开始后的第3 d并在烤田结束前降为零。另有研究表明 [28] ,水稻生长期N2O的排放集中在施分蘖肥后的烤田期间及随后复水的5~8天之内,长期淹水N2O的排放通量是正常烤田的12.1%,随着烤田开始时间的推迟,N2O排放量逐渐降低。最新的模拟研究表明 [29] ,稻田落干开始后4h N2O释放量就明显增加,在24 h时N2O的释放量比淹水条件增加了5倍多。因此,稻田系统水分管理对减少N2O和CH4的排放具有相反的作用,一种气体排放降低而另一种气体排放则增加,需要提出适宜的水分管理制度,对两种温室气体排放的综合效应进行协调。

3.3. 肥料施用

肥料对稻田CH4和N2O排放的影响程度与施用肥料的种类、施用量等有关。其中有机肥的种类也很多,主要包括农作物秸秆、堆肥、绿肥、厩肥和沼渣肥等,对稻田CH4的排放影响存在抑制或促进作用。邹建文等 [30] 研究指出,不同有机肥处理的全球增温潜势表现为菜饼 > 秸秆 > 牛厩肥 > 化肥 > 猪厩肥。大量研究表明 [31] [32] ,增施有机肥能明显促进稻田CH4的排放。盆栽试验显示 [33] ,施用小麦秸秆大大促进了CH4的排放,其增幅在2.0~8.3倍。最新研究表明 [34] ,在双季稻田用猪粪替代50%的化学氮肥处理CH4排放较化学氮肥处理提高33.85%~54.83%。但是另有研究表明,经过干燥处理的沼渣肥能够降低CH4排放约50%,而未经处理的沼渣因向土壤中带入了产甲烷菌而增加CH4排放量 [35] 。与施用新鲜有机肥相比,施用好氧条件下腐熟的堆肥能有效控制CH4排放 [36] [37] [38] 。可见,有机肥对CH4排放的影响十分复杂,不同类型有机肥对CH4排放量的影响程度还有待进一步研究。施用有机肥对稻田N2O排放的影响也较为复杂,尚无明确定论。如有研究表明 [39] [40] ,施用有机肥可降低N2O的排放通量。然而另有研究发现 [34] ,在氮肥施用相同的情况下,增施有机肥(猪粪)能提高N2O的排放量。

由于我国稻田氮肥的利用率较低,约为30%左右,为了获得更高的产量,盲目增加氮肥的用量,由此带来了一系列的环境问题。氮肥施用是增加稻田N2O排放的主要因素。统计分析表明 [41] ,由于施用氮肥所排放的N2O占土壤总N2O排放量的25%~82%。稻田系统中,通过施用尿素或硫铵,N2O的排放量均随施氮量的增加而增加 [42] [43] ,因此有效地控制氮源可减少稻田土壤N2O的排放 [44] 。研究还发现,施用包膜型控释肥比未包膜复合肥能极显著地降低稻田N2O的排放量 [45] 。另外,稻田CH4的排放量随氮肥的施用量有的增加 [46] 有的降低 [47] ,结果不太一致。比如石英尧等的研究表明,随着氮肥用量的增加稻田CH4排放量增加 [48] ,而另有研究则发现相反的结果 [49] 。张鲜鲜等 [50] 对上海崇明岛稻田研究发现,适当降低氮肥用量可显著降低稻田温室气体排放。中国稻田施纯氮量一般在120~300 kg·hm−2,氮肥用量对CH4排放减少的作用不可低估 [43] 。综上所述,施肥对稻田系统土壤中CH4和N2O的排放有很大的影响,CH4的排放受有机肥的促进作用较大,而N2O的排放受氮肥的促进作用较大,但是不同氮肥和有机肥对CH4和N2O的排放以及综合效应还有待于进一步研究。

3.4. 耕作制度

不同的耕作制度对稻田系统温室气体排放具有显著的影响。已有学者 [51] [52] 研究表明,广州地区早稻和晚稻采用水旱轮作能有效减少稻田CH4排放。江长胜等 [53] 研究显示,在川中丘陵区冬灌田采用水旱轮作制后,冬灌田CH4排放量大大降低而N2O排放量显著增大,最终大大减少排放CH4和N2O所产生的综合全球增温潜势。另有研究发现 [54] 就不同耕作方式对紫色稻田系统CH4和N2O所产生的综合增温潜势表现为平作 > 垄作免耕 > 厢作免耕 > 水旱轮作。最新的研究表明 [55] ,免耕髙茬还田模式能显著减缓双季稻田温室气体排放强度。另有研究显示 [56] ,稻麦旋耕的处理CH4、N2O和C2O的排放量显著低于麦季和稻季均免耕的处理。马二登等 [57] 研究表明,在抛秧方式下,浅旋耕稻田CH4排放量较深翻耕减少31.3%。可见,采用科学合理的耕作制度能减少稻田排放CH4和N2O产生的综合全球增温潜势 [58] 。

3.5. 其他措施

最新研究表明 [59] ,秸秆还田下配施硝化抑制剂双氰胺DCD在保证水稻产量的基础上,显著降低稻田土壤CH4和N2O排放,是一种经济可行的温室气体减排措施。侯晓莉等 [60] 发现,田间原位焚烧秸秆与直接还田相比,能大幅减少CH4排放,小幅减少N2O排放,但降低了土壤性质,同时排放大量污染性气体。可见,秸秆被大量焚烧,虽能减少温室气体排放,但浪费资源,污染环境 [61] ,今后需要加强稻田温室气体减排的秸秆还田技术以及秸秆资源综合利用研究 [62] 。

前人大量研究 [63] [64] [65] 证实,添加生物质炭可抑制水稻土N2O的排放。在江苏太湖地区的水稻田中,生物质炭与氮肥配施和单施生物质炭处理的N2O排放分别降低了40%~51%和21%~28% [64] 。在水稻-小麦轮作体系中,添加由小麦秸秆制成的生物质炭,水稻季N2O排放也降低39.5%~45.1% [66] 。此外,生物质炭添加还可通过提高N肥利用率,减少N肥损失 [64] ,从而减少N2O的排放 [67] 。而Shen等 [68] 的研究表明,在湖南典型的双季稻田中添加小麦秸秆制成的生物质炭,添加的当季CH4排放降低,但效果并不显著,而在后续的水稻季及休闲季中,生物质炭显著降低了CH4排放 [69] ,主要是由于添加生物质炭增加了土壤孔隙度,改善了土壤通气状况 [63] ,抑制了产甲烷菌的活性 [70] ,而为甲烷氧化菌的生长提供了良好的环境 [71] 。Liu等 [72] 在稻田淹水条件下,分别添加竹炭和稻秆炭后发现均能明显抑制CH4的排放,且秸秆炭对淹水稻田土壤CH4排放的抑制作用要明显优于竹炭 [73] ,可能是由于秸秆炭的碳含量低于竹炭,分解矿化产生的CH4较竹炭少 [74] 。

此外,不同的栽培方式对稻田系统温室气体排放具有明显的影响。马二登等 [57] 研究表明,与水稻移栽相比,水稻直播能够显著降低水稻生育前期CH4排放,具有一定的CH4减排潜力。臧英等 [75] 研究显示,开沟起垄穴直播技术可以有效降低水稻分蘖前期CH4的排放,可见,水稻直播技术是减少稻田CH4排放的有效措施。

4. 小结

全球气候变化日益引起人们的重视,目前已成为各国关注的重大环境问题。《巴黎协定》要求所有国家尽可能开展最广泛的合作,更快地减少全球温室气体排放量。《中美气候变化联合声明》中强调,中国计划2030年左右CO2排放达到峰值且将努力早日达峰,并计划到2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右。《中国应对气候变化的政策与行动2016年度报告》中明确指出,农业部推动实施“到2020年化肥使用量零增长行动”,提高秸秆综合利用水平,实施保护性耕作等,减少农业温室气体排放。由此可见,应对全球气候变化这一重大环境问题既是世界的需要,也是我国未来发展低碳、绿色和环保型国家的需要,为此,我国要加大农业减排的力度,尤其要加强稻田系统温室气体减排。在了解目前我国稻田温室气体排放状况的基础上,重点对我国稻田温室气体的减排对策进行了阐述,主要从品种选择、水分管理、肥料施用、耕作制度以及秸秆还田和综合利用等方面展开。由于我国稻田类型较多,包括单季稻田、双季稻田和水旱轮作田等,南方和北方气候、土壤和耕作制度等条件的不同,为此,针对我国不同的稻作区,研究相应的减排对策,对于缓解我国温室气体排放以及引起的气候变暖等环境问题,具有非常重要的意义。

基金项目

国家科技支撑计划项目(2015BAC02B02);国家自然科学基金(31501263);公益性行业(农业)科研专项(201303102);中国博士后科学基金项目( 2012M 511005);国家重点研发计划项目(2016YFD0300900);黑龙江省应用技术研究与开发计划国家项目省级资助项目(GX16B002);黑龙江省农业科学院引进博士人员科研启动金项目(201507-14);黑龙江省应用技术研究与开发计划重大项目(GA15B101)。

文章引用

来永才,董文军,孟 英,张 俊,唐 傲,张喜娟,冷春旭,刘猷红,王连敏,王立志,邸树峰,杨忠良,陈 磊. 我国稻田系统温室气体排放及减排对策分析
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