从区域到生态系统尺度稻田甲烷排放规律及影响因素
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘晓 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 王辉民 ; 戴晓琴 |
| 关键词 | 涡度相关 甲烷排放 环境 水稻功能性状 稻田 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 甲烷（CH4）作为全球仅次于CO2 的第二大温室气体，其增温潜势是CO2的25-34 倍，其中稻田是最大的人为CH4 排放源，其排放量占总人为源的12–26%。稻田CH4 排放具有明显的时间和空间差异，受生物因素和非生物因素的影响。为了提高CH4 排放估算精度，通常需要在连续时间（小时至年）和空间（米至公里）尺度上高频和连续地测量CH4 通量。基于高时间分辨率的涡度相关（EC）测量，为研究CH4 排放主要影响因素并更好地预测CH4 排放提供了可能。以往对稻田CH4 排放的研究表明温度、土壤水分、大气压等环境因素是稻田CH4 排放的主要影响因素，对于生物因素如GPP 等对CH4 排放影响的分析存在差异（线性或指数关系）。近期研究表明植物功能性状的对稻田CH4 排放存在较大影响。水稻功能性状对稻田CH4 的产生、氧化和运输均有显著影响，植株作为整体，部分当季光合产物从水稻地上部分运输到地下部分并分泌到土壤中作为产甲烷基质，植株地上和地下的通气组织是稻田CH4 传输的主要通道。但现有研究大多考虑水稻地上性状或者地下性状对CH4 排放的影响，较少研究地上性状和地下性状共同作用对CH4 排放的影响，因而造成同一水稻功能性状在不同研究中对CH4 排放的影响存在争议。本研究基于全球不同地区七个站点稻田CH4 涡度相关数据，探究不同地区稻田CH4 排放的年度和季节的共性主导因素；以CH4 排放重点区域的中国亚热带双季稻田为研究对象，基于7 年CH4 通量长期观测结果，精细分析了稻田CH4 通量在年际变化、季节变化和日变化规律及其关键影响因素；并基于水稻刈割实验结合水稻功能性状观测，分析了影响稻田CH4 排放的关键功能性状，并对其作用机制进行了探讨。本研究的主要结果如下：（1）在全年尺度和季节尺度上，日平均空气温度（Ta）、日平均土壤温度（Ts）、总初级生产力（GPP）、净CO2 通量（NEE）、生态系统呼吸（RECO）、大气压（PA）、向下的短波辐射（SW_IN）、饱和水汽压差（VPD）、潜热通量（LE）、风速（WS）、降水（P）解释了全球不同地区稻田站点CH4 排放>55%的变异，其中土壤温度是最重要的共性主导因素，其次为GPP 和NEE。根据玻尔兹曼-阿伦尼乌斯方程，将日CH4 排放和土壤温度进行拟合，其中表观活化能可以表征CH4 排放的温度依赖性。CH4 排放的温度依赖性在全年为0.78 eV，低于季节尺度（1.22 eV）。在全年尺度上，CH4 排放的温度依赖性同时受观测年数和季节（生长季和非生长季）的影响；在生长季CH4 排放的温度依赖性不受观测年数的影响。（2）基于千烟洲站七年通量数据，估算双季稻种植体系的CH4 年排放量为42±2 g C m-2，变异系数（CV）为12%，稻田CH4 排放量高于大多数站点。生长季CH4 排放会出现双峰，峰值分别在早稻和晚稻分蘖期出现。早稻半小时尺度CH4 通量在苗期和分蘖期波动较大，晚稻在苗期、分蘖期和抽穗期波动较大，分蘖期CH4 通量峰值多出现在午夜，苗期多出现在14:00 左右。晚稻的日变化趋势较早稻明显，尤其是在苗期和孕穗期。在CH4 排放非常低的非生长季，没有观察到明显的CH4 通量日变化。无论在生长季还是非生长季，土壤温度都是影响水稻CH4 排放年际变化的主要驱动力。但在年尺度上，GPP 对CH4 排放的影响不显著。在季节尺度上，生长季的淹水期CH4 日通量与GPP 呈对数关系，而非以往研究中两者呈线性或指数关系，CH4 排放不会一直随着GPP 的增加而增加，其排放存在阈值。在小时尺度上， CH4 通量与GPP 和土壤温度存在时滞。（3）在分蘖期，当季光合产物是CH4 产生的主要基质。地上性状对早稻和晚稻CH4 排放的影响存在差异，地上性状中的叶面积指数、分蘖数、地上部生物量、叶生物量与晚稻CH4 排放量显著相关，与早稻CH4 排放量不相关，产量与早稻CH4 排放量显著负相关，与晚稻CH4 排放量不相关。刈割实验表明，移除水稻地上部分后的CH4 排放量与完整植株的CH4 排放量无显著差异。因此地上性状不是CH4 排放量的直接影响因素。根性状对稻田CH4 排放的重要性高于地上性状。根生物量和根组织密度与稻田CH4 排放显著正相关；比根长与稻田CH4 排放显著负相关。早稻影响CH4 排放的关键水稻功能性状为比根长和根长，晚稻影响CH4 排放的关键性状为根生物量和根组织密度，两个生长季影响CH4排放的关键功能性状存在不同。水稻地下性状对稻田CH4 排放有直接影响。由于地上性状与地下性状是相互依赖的，地上性状会通过显著影响地下性状从而对稻田CH4 排放产生间接影响。综上可知，土壤温度是影响不同地区稻田CH4 排放最重要的共性主导因素，其次为GPP 和NEE。在亚热带地区，双季稻种植体系的CH4 年排放量为42±2g C m-2，土壤温度是影响水稻CH4 排放年际变化的主要驱动力，GPP 对CH4 年排放的影响不显著。在季节尺度上，生长季的淹水期CH4 日通量与GPP 呈对数关系，CH4 排放存在阈值。进一步从植株的角度分析其对稻田CH4 排放的影响，结果表明比根长、根组织密度、根长、根生物量是影响CH4 排放的关键植物功能性状。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 115 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199841]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘晓. 从区域到生态系统尺度稻田甲烷排放规律及影响因素[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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