稻田甲烷排放现状、减排技术和低碳生产战略路径

作为第一大主粮作物,水稻在我国粮食和重要农产品稳定安全供给体系中占有举足轻重的地位,其低碳生产不仅关乎国家双碳战略的推进,更对国家粮食自给率提升、国民膳食营养改善和气候外交的实施意义重大。文中从我国稻田甲烷(CH_(4))排放现状、减排技术和低碳生产战略等方面,系统论述了低碳可持续稻谷生产系统的实现路径。近年来,我国水稻种植面积尽管有所波动,但水稻单产持续增加,2021年平均亩产高达474.2 kg,创历史新高。与此同时,稻田也是我国CH_(4)主要排放源(1.87亿t CO_(2)e),占我国农业活动CH_(4)排放总量的40.1%。因此,面对水稻可持续生产、未来气候变化不利影响及气候外交的多重挑战,稻田CH_(4)减排要充分考虑水分、肥料、品种、耕作和菌剂产品等的综合运筹,以人为强化措施为主,辅以基于自然的解决方案,建立主产稻区适用“抑菌减排-增腐固碳-良种丰产-减投增效”的“抑增良减”技术体系。实施覆盖作物种植、免耕轮作、高产低排品种选育、覆膜保墒、菌剂增效产品、智能机具、合理密植、肥蘖脱钩、干湿交替和增氧耕作等十大技术模式,在确保稻米有效供给的同时减排增碳,实现水稻可持续绿色高质量发展。

秸秆还田下节水减氮对不同双季稻品种N_(2)O排放的影响及驱动因素

为明确秸秆还田下节水减氮以及高效肥料对不同双季稻品种N_(2)O排放的影响及其关键驱动因素。于2020年开展田间试验,试验采用裂区设计,主区为4个水肥处理:尿素100%+间歇灌溉(U)、尿素80%+秸秆还田+间歇灌溉(US+S)、控释尿素80%+秸秆还田+间歇灌溉(CRUS+S)、尿素80%+秸秆还田+节水灌溉(US+S+SWD),副区为常规稻和杂交稻,共8个处理。监测双季稻生育期内N_(2)O排放规律,分析单位产量N_(2)O排放强度和影响其排放的主要驱动因素。结果表明,灌溉量、碳氮投入和植株吸氮量是调控稻田N_(2)O排放的主导因子,可解释99%的排放变化,其中氮投入增加会促进N_(2)O排放,而灌溉量、碳投入和吸氮量对N_(2)O排放有负向作用。秸秆还田可以补充氮肥减量20%的养分,秸秆还田下常规氮肥或控释氮肥减量施用降低了N_(2)O排放14.4%~49.4%,但CRUS+S较US+S处理促进了N_(2)O排放,表明秸秆还田下施用控释尿素并不能实现N_(2)O减排。秸秆还田后进一步控水促进了N_(2)O排放,相比US+S,US+S+SWD处理显著增加了双季稻N_(2)O的排放114.8%~186.4%,且常规稻增幅大于杂交稻。各处理间产量无显著差异,氮肥减量及进一步控水均可保证稳产,但US+S+SWD处理单位产量N_(2)O排放强度显著高于其他处理。总体而言,秸秆还田搭配减氮20%有助于降低稻田N_(2)O排放,但并不能抵消节水灌溉导致的N_(2)O增长。在水稻生产中合理利用秸秆资源,适当减少氮肥用量可以减少稻田N_(2)O排放并保证稳产。

中国水稻食物系统碳足迹结构组成和地区差异

水稻是中国及全球食物系统的重要组成部分,以食物系统视角研究其生命周期碳足迹对实现水稻食物系统低碳转型和绿色发展具有重要意义。该研究基于中国2018年22个水稻主产省份的统计数据,结合生命周期评估(LCA)法和国际水稻研究所(IRRI)开发的CF-Rice水稻碳足迹计算工具,计算并分析了中国水稻食物系统“从摇篮到销售”的碳足迹及其结构组成、地区差异和水稻类型差异。结果表明:1)以单位产量碳足迹进行比较(以CO_(2) eq计),晚籼稻(2.31 kg∙kg^(-1))>中籼稻(1.32kg∙kg^(-1))>粳稻(1.13kg∙kg^(-1))>早籼稻(1.08kg∙kg^(-1));以单位面积碳足迹进行比较(以CO_(2)eq计),晚籼稻(9.15×10^(3) kg∙hm^(-2))>中籼稻(6.34×10^(3)kg∙hm^(-2))>粳稻(5.56×10^(3)kg∙hm^(-2))>早籼稻(4.16×10^(3)kg∙hm^(-2));2)稻田甲烷(CH_(4))是水稻食物系统碳足迹最主要的组成部分,占36.2%-71.5%,其次是施肥,占8.69%-20.0%,收获环节占8.41%-18.5%,产前环节占4.97%-12.1%,机械作业、仓储、加工、包装和运输环节虽占比较小(均<10%)但也不容忽视;3)早籼稻、中籼稻和晚籼稻没有表现出明显的空间分布规律,而粳稻呈现出自北向南碳足迹增加的趋势,具体表现为:除山东外,东北地区(黑龙江、吉林、辽宁)和华北地区(内蒙古、河北)的粳稻碳足迹低于华东地区(安徽、江苏、浙江)、华中地区(河南、湖北)和西南地区(云南);4)从温室气体的构成来看,CH_(4)对水稻食物系统碳足迹的贡献率最高,达到20.1%-76.4%,其次为二氧化碳(CO_(2)),贡献率为21.1%-72.3%,氧化亚氮(N2O)的贡献率最低,仅有1.76%-10.7%。水稻食物系统碳足迹的地区和类型差异主要与气候条件、种植管理措施和排放因子有关,因此,控制稻田CH_(4)排放,优化水肥管理,减少能源消耗及粮食损失和浪费可有效降低水稻食物系统碳足迹。

开顶式气室原位模拟温度和CO_2浓度升高在早稻上的应用效果

该研究针对气候变化模拟中自由大气CO2浓度增加和红外增温技术投入及运行成本高、波动大，而全封闭的环境模拟室对作物生长环境改变大的不利因素，对传统的开顶式气室（open-top chamber，OTC）系统加以改进，采用将 OTC 外部空气抽入内部交换过程中自动控制增补 CO2浓度及加热增温的方式来模拟未来大气中 CO2浓度及气温升高的情况，在早稻生育期内对其温度、CO2浓度和空气相对湿度进行了监测，结果表明：可控温及CO2的 OTC 内部的日平均温度控制偏差能达到＆#177;0.2℃以内，最大偏差为-0.58℃；对 CO2浓度的控制偏差范围在-39.4～4.8μL/L，达到了很好的控制效果，完全可以用于气候变化研究中模拟大气CO2浓度及温度升高的情景。同时，该研究还对OTC内部的空气湿度进行了监测，其结果显示在不增温的情况下对空气相对湿度无影响，若增温，则OTC内部的空气相对湿度会增加2%左右。总体来说，可控温及CO2的OTC技术可以用于稻田气候变化模拟试验研究。

CO_2浓度和温度升高对早稻生长及产量的影响

研究温度升高和CO2浓度增加的气候变化条件对我国主要粮食作物早稻生长及产量的影响对评估国家粮食安全有重要参考意义。采用改进后的开顶式气室原位模拟大气CO2浓度450μL·L^-1及温度升高2℃的环境条件对早稻生长及产量的影响,试验设置三个处理（对照、增温、增温＋CO2）,结果表明：①温度及CO2同增对早稻最终株高有显著增加作用,而仅增温只能加快前期株高增长速度而对最终株高没有影响;②增温处理使最终分蘖数增加2～3茎·穴^-1,但在增温条件下增加CO2浓度,分蘖数不再增加;③增加CO2浓度使早稻叶片叶绿素含量略增,但增温处理没有效应;④增温处理对不同时期地上部生物量无显著影响,但增温＋CO2处理使各期生物量较对照显著增加;⑤增温2℃使早稻增产13.3%,而增温基础上再增CO2,产量不再进一步增加。从产量构成因子看,增温或增温＋CO2处理条件下早稻增产主要与穗数和每穗粒数增加有关。

田间管理对华北平原冬小麦产量土壤碳及温室气体排放的影响

选取华北平原冬小麦为研究对象,针对(1)秸秆移除;(2)秸秆表覆;(3)免耕;(4)秸秆深施;(5)施农家肥这5种典型的田间管理,使用农田自动温室气体测定系统对冬小麦农田全生育期进行了原位长期观测,并采用13C自然丰度法对土壤碳的转化进行了监测,同时对冬小麦产量及生物量、土壤有机碳的变化进行了监测。结果表明,冬小麦产量及生物量高低顺序为施农家肥、秸秆深施、秸秆表覆、秸秆移除和免耕,而且土壤有机碳的更新也有同样的趋势;施农家肥能显著增加土壤有机碳而秸秆移除和免耕则会导致土壤有机碳的轻微下降;冬小麦甲烷的排放或吸收只占总增温潜势的不到1%,在进行统计总排放当量时基本可以忽略,N2O在总排放当量中的比例在2.55%～11.62%范围内;N2O的大量排放主要来自于拔节期及开花期,秸秆移除、施农家肥和秸秆深施会导致N2O排放在总当量中的份额增加至10%左右,而秸秆覆盖和免耕N2O排放在总排放当量中的份额只有3%左右,冬小麦农田总的温室气体排放88%以上来自于CO2的排放,特别是秸秆表覆和免耕95%以上来自土壤碳的损失而释放的CO2。总体来看,秸秆深施能保证较高的产量,减少碳的损失,增加土壤碳并产生相对较少的总温室气体排放量,是较好的固碳减排方式。

静态箱法测定旱地农田温室气体时密闭时间的研究

应用自动观测装置对华北平原冬小麦田典型天气条件下密闭箱内气体排放通量进行了连续测定,分析了不同气体排放通量的变化过程,研究了密闭时间对其产生的影响.结果表明：测定CO2的密闭时间应不超过25min,测定N2O的密闭时间以15～30min为宜,测定CH4的密闭时间应在30min以内.此结果对静态箱法测定农田温室气体具有重要的参考价值.

西藏气候变化趋势及其对青稞产量的影响

为了研究气候变化对西藏青稞产量的影响,采用西藏37个气象站点1986—2015年的气象资料,选取年均以及青稞生长期平均气温、最高气温、最低气温、降水量、空气相对湿度和日照时数以及逐年青稞产量数据,运用趋势分析、相关分析和逐步回归方法分析了气候变化趋势及其对青稞产量的影响。结果表明:1986—2015年以来西藏地区气温呈线性增加趋势,温度(平均气温、最高温和最低温)增加特别是最低温的增加与青稞产量增加呈极显著正相关,是影响青稞产量的最重要因素;降水量也是影响青稞产量的主要因素之一,与青稞产量呈极显著正相关;空气相对湿度对青稞产量的影响不显著;日照时数与青稞产量呈负相关,但相关性不显著。

西藏那曲地区草地植被及土壤养分状况调查

对西藏那曲地区草地植被状况、土壤水分、养分状况进行了调查分析。结果表明:无论是从牧草生长还是从土壤水分、养分状况来看,那曲地区东西部草地存在显著差异,东部草地明显好于西部草地。东部草地的平均土壤含水量比西部草地高50%,植被覆盖度约是西部草地的2.36倍,单位面积产草量约是西部草地的3倍。那曲地区草地土壤偏碱性,东部草地土壤pH值比西部低0.6。东部草地土壤有机质、全氮、碱解氮、有效钾含量都很丰富,土壤质地均为壤质;西部草地土壤有机质、全氮、碱解氮、有效钾含量都很低,土壤砂化较严重。东西部草地土壤速效磷差别不大,并且含量都较低。

不同农业措施下冬小麦田N_2O排放通量的特征

利用静态自动箱连续观测系统对冬小麦农田翻耕（对照）、秸秆覆盖、免耕、秸秆深施和有机肥5种农业措施条件下N2O排放通量进行了监测。结果表明，各处理中N2O高排放通量均在12：00—17：00，低排放通量在0：00—3：00；冬小麦孕穗期N2O排放通量与气温和土壤5cm处温度显著相关；拔节期的水肥同期会导致15～20d的N2O排放高峰。不同农业措施N2O排放量大小顺序是有机肥〉免耕〉秸秆覆盖、秸秆深施和对照，差异极显著，而秸秆覆盖、秸秆深施和对照三种措施之间N2O排放量差异不明显。研究结果对估算不同农业措施下冬小麦田N。O的排放量有一定的参考价值。

夏季放牧强度对藏北草原温室气体排放的影响

高寒草原是我国青藏高原最主要的放牧草地类型之一,为了研究放牧强度对其温室气体排放的影响,在藏北紫花针茅(Stipa purpurea)草原进行不同放牧强度试验,并采用静态箱法在夏季放牧期间对不同放牧强度下CO2、CH4和N2O 3种主要的温室气体排放情况进行了测定。结果表明,高寒紫花针茅草原CO2的排放在适宜的放牧强度下随放牧强度的增加而增加,但当放牧强度继续增大至重牧水平时,CO2排放降低;放牧强度的增加会显著(P<0.05)降低高寒紫花针茅草原对CH4的吸收,但不改变草原作为CH4汇的功能;轻牧对高寒紫花针茅草原N2O排放无显著影响,当放牧强度达中牧或重牧水平,N2O的排放也显著(P<0.05)增加,且中牧与重牧相互之间差异显著(P<0.05);以全球增温潜势折算总温室气体排放,CO2排放平均占总温室气体排放的约98%,CH4吸收和N2O的排放各只占约1%,CH4吸收与N2O的排放与放牧强度互为消长。

翻耕对冬闲农田CH_4和CO_2排放通量的影响初探

通过连续观测 ,比较了冬闲农田翻耕和不翻耕情况下甲烷 (CH4)和二氧化碳 (CO2 )的排放通量。结果表明 :翻耕能显著增加CO2 的排放通量 ,但这种影响只在翻耕后的 4d内较明显 ;翻耕对CH4排放通量的影响在翻耕后的 3d内比较明显 ,表现为翻耕初期导致CH4的峰值排放 ,而在 6～ 8h后 ,则对降低CH4的排放有一定的作用。且CH4和CO2 排放通量与气温呈显著正相关。

三开门自动温室气体测定箱的应用效果

为了降低农田自动温室气体测定箱在观测过程中对作物生长环境及作物生长的干扰,本研究在玉米大田环境条件下比较了一种新型的三开门自动温室气体测定箱与传统单开门自动温室气体测定箱对环境空气温湿度、土壤温度与水分、玉米生长以及温室气体排放的影响。结果表明:三开门温室气体测定箱能显著减小与大田环境条件下的空气温度、湿度及土壤温度的差异;相对于单开门箱,三开门箱在箱体打开及关闭条件下气温平均低0.90和0.74℃,空气湿度平均增加1.36%和降低5.69%;在玉米小喇叭口期前土壤温度约降低2℃,小喇叭口期后差异不显著;对土壤水分的影响在玉米苗期有一定的作用,但差异不显著;三开门箱相对于单开门箱能显著降低箱体对作物生长的影响,还能降低CO2平均通量值6.85%及N2O的平均通量值3.68%,而对CH4平均通量值基本无影响。因此,三开门箱相对于传统单开门自动温室气体测定箱能显著减小测定箱对观测环境及作物生长的干扰,应用这种箱体观测能更好地反映田间温室气体排放状况。

应用预抽真空采样提高田间自动采气精度

为了提高农田温室气体自动采样精度,该文比较了田间自动连续测定系统观测温室气体通量过程中实际管道直接采样与预抽真空采样的差异,结果表明:管道预抽真空采样能显著减少分析时的样品量,缩短采样时间和减小采集气样与源气样的差异,提高了采样的精度。因此,预抽真空采样能显著提高农田温室气体自动观测的精度。

中国农田管理土壤碳汇估算

【目的】长期大规模翻耕和秸秆燃烧造成土壤有机质(SOM)大量损失,使农田成为温室气体的一个排放源。然而,近年来,随着免耕技术的逐步推广、秸秆还田面积的增加,加上施肥、灌溉等农田管理措施的应用,农田土壤有机碳(SOC)储量有所回升,预计其将成为温室气体的吸收汇。本文通过分析各种农田管理措施下土壤有机碳(SOC)的变化量,估算中国农田管理土壤碳汇量,为制定中国农田温室气体清单提供科学参考。【方法】通过查阅相关文献著作等,构建农田管理情景,分析各管理措施长期定位试验土壤有机碳变化量的数据。根据中国农作制的分区,估算各区域及水田、旱地农田管理下的碳汇量,并与政府间气候变化专门委员会(IPCC)制定的2006IPCC国家温室气体排放清单指南中农田仍为农田的层次(Tier)2方法的估算结果进行比较。最后用Meta分析法估算中国农田管理土壤碳汇量。【结果】不同农田管理措施对土壤碳的影响不同。各种措施表现为化肥与有机肥配施的增碳作用最大,达到0.889tC·ha-1·a-1;其次为秸秆还田、施有机肥和免耕,分别为0.597、0.545、0.514tC·ha-1·a-1;施化肥的作用最不明显,仅为0.129tC·ha-1·a-1。这一结果明显高于IPCCTier2方法估算的结果。研究还揭示,不同管理措施在不同区域对土壤有机碳变化的影响存在一定的差异,黄淮海区、长江上中游区和西南区增加量较大,东北区增加量较小,在施化肥条件下东北黑土SOC甚至有降低的趋势。土壤有机碳的年增长率和初始值之间呈很好的负相关,由此可得出不同管理措施下农田土壤有机碳的平衡值及固碳潜力。【结论】农田管理措施中,配施、秸秆还田、施有机肥和免耕可以在很大程度上提高土壤SOC含量。其中,配施和秸秆还田的固碳潜力较大。

放牧对藏北紫花针茅高寒草原植物群落特征的影响

基于放牧试验,研究了不同放牧强度下藏北地区紫花针茅(Stipa purpurea)高寒草原植物群落特征的变化规律。结果表明,随着放牧强度的增强,植物群落盖度、地上生物量均呈现显著降低的趋势;紫花针茅等禾草类植物的重要值逐渐降低,莎草类中青藏苔草(Carex moorcroftii)、牲畜不喜食的杂类草及有毒有害植物均有增加的趋势;如果持续过度放牧,植物群落表现出由紫花针茅等禾草为建群种的草地型向青藏苔草(Carex moorcroftii)、杂类草(Herbarum variarum)草地型过度的趋势;在中度放牧强度下,紫花针茅高寒草原α物种多样性达到最高水平,而继续增强放牧强度,则造成各项指标的迅速降低。

藏北地区草地退化的时空分布特征

根据草地退化国家标准和藏北地区草地退化实际情况以及遥感数据特征,选择草地植被盖度为草地退化的遥感监测指标,建立藏北地区草地退化遥感监测和评价指标体系,并对藏北地区近24年的草地退化进行遥感监测和评价。结果表明:藏北地区草地退化现状(2004年)十分严重,重度和极重度退化草地面积分别占草地总面积的8.0%和1.7%,区域草地退化指数(GDI)为1.86,接近中度退化等级;其中藏北地区冰川与雪山及其周围等气候变化较为敏感区域和交通要道沿线等人类活动较为频繁区域的草地退化相对严重;从1981年到2004年的近24年以来,藏北地区及其各个区域草地退化较为严重,其草地退化等级分布比例和草地退化指数年际波动较大,草地退化等级在轻度退化至重度退化等级之间波动;近几年藏北全地区总体草地退化情况及中部、东部和北部地区的草地退化具有更加严重的趋势,而西部地区草地退化状况则略有减缓趋势。

耕作方式和稻草还田对双季稻田CH4和N2O排放的影响

稻田温室气体(甲烷和氧化亚氮)排放强度受多种田间管理的影响,以往对各种措施间的交互效应研究较少。为此,该研究利用改进的静态箱-气相色谱法进行了连续4个生长季的湖南典型双季稻田温室气体排放强度观测,旨在分析耕作和稻草还田2种措施的交互效应并探寻多措施联合减缓温室气体排放强度的途径。试验设4个处理:翻耕(CWS,conventional tillage without straw residue)、免耕(NWS,no till without straw residue)、免耕高茬还田(HN,no till with high stubble straw residue)和翻耕高茬还田(HC,conventional tillage with high stubble straw residue)。结果表明,耕作和稻草还田2种措施对稻田甲烷排放有显著的交互效应(P<0.05),但对氧化亚氮交互效应不显著。2种措施对稻田温室气体排放强度的影响有明显的季节和年际变异。多生长季平均而言,各处理甲烷排放顺序为HC>HN>CWS>NWS(HC显著高于HN,HN和CWS差异不显著),水稻产量顺序为CWS>HN>HC>NWS(HN和CWS差异不显著),而温室气体排放强度(greenhouse gas intensity)顺序为HC>CWS>HN>NWS(HN显著低于HC和CWS,P<0.05)。可见,"免耕高茬还田"模式能抵消翻耕处理的高温室气体排放,并能比NWS处理提高水稻产量,显著减缓双季稻田温室气体排放强度。在保护性耕作和农田碳库提升的需求下,该模式应被予以高度重视。该研究可为中国双季稻主产区温室气体排放强度减缓措施的选择提供科学支撑。

基于CASA模型的藏北地区草地植被净第一性生产力及其时空格局

基于1981-2004年遥感监测和气象数据，采用CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型模拟分析藏北地区草地植被净第一性生产力（NPP）及其时空变化特征．结果表明：受水热条件的制约，藏北地区草地植被NPP空间分布规律呈水平地带性分布，由东南向西北逐渐由230gC·m^-2·a^-1减少到接近0．藏北地区草地植被NPP整体水平较低，年均草地植被总NPP为21．5×10^12g C·a^-1，多年平均值仅为48．1g C·m^-2·a^-1，明显低于青藏高原和其它草原区．藏北地区坡度小于1°平地和平滩地，以及南坡的草地植被年平均NPP相对较低．藏北主要高寒草地7-9月NPP占全年NPP的64．0％～70．0％．1981-2004年间，藏北地区草地植被总NPP的年际变化较大，并有进一步下降趋势．

控释肥和添加剂对双季稻温室气体排放影响和减排评价

【目的】稻田生态系统的温室气体排放一直是气候变化领域的研究热点,对发展低碳农业和缓解全球变暖具有重要意义。研究控释肥和添加剂对双季稻(Oryza sative L)温室气体排放和产量的影响,旨在综合评价其减排效果,筛选既能保证产量又能有效减排的施肥措施。【方法】以华中江汉平原地区双季稻为研究对象,设置6种不同控释肥或添加剂处理,包括①习惯施肥作为对照,②硫包膜控释尿素,③树脂包膜控释尿素,④缓释碧晶尿素,⑤尿素中加入质量分数1%的硝化抑制剂二甲基吡唑磷酸盐(DMPP),⑥施肥时泼洒与尿素等量的1:200倍稀释有效微生物菌剂培养液(EM菌剂),采用自动静态箱-气相色谱法对温室气体排放通量进行长期连续监测,同步观测土壤无机氮素和产量,得出不同施肥处理的温室气体(CH4和N2O)排放特征,由内插加权法求得排放总量,最终计算出综合温室效应和排放强度。【结果】不同施肥处理下CH4和N2O排放通量具有较为明显的季节变化规律。早稻CH4排放总量以树脂包膜控释尿素最低,晚稻以碧晶尿素最低;而早稻和晚稻N2O排放总量均以硝化抑制剂DMPP最低。综合两个季节,各施肥处理的综合温室效应(以CO2当量100年算)差异显著(P<0.05),其中常规施肥>硫包膜控释尿素>硝化抑制剂DMPP>EM菌剂>碧晶尿素>树脂包膜控释尿素;控释肥和添加剂处理对比常规均有不同程度的减排效果,其中树脂包膜控释尿素减排效果最高为56.2%,碧晶尿素次之为45.6%,且晚稻减排效果明显高于早稻。早稻控释肥和添加剂处理产量与常规施肥差异不显著,晚稻则存在显著增产,增产幅度为13.5%—16.2%。各处理的温室气体排放强度GHGI以树脂包膜控释尿素最低,与常规施肥差异极显著(P<0.01)。【结论】双季稻不同施肥处理CH4和N2O的排放总量差异显著,控释肥和添加剂处理均能达到不同程度的减排。控释肥和添加剂处理对早稻增产效果差异不显著,对晚稻增产效果差异显著,减排效果也高于早稻。综合考虑经济效益和减排效果,可得出在当前的稻田管理条件下施用包膜控释肥、抑制剂和生物菌剂,能保证产量并有效降低温室气体排放,是水稻低碳高产可行的施肥措施。