贵阳近效水稻田甲烷的释放通量及其碳同位素组成的研究

全球环境问题越来越引起人们的关注，其中的温室效应气体是最引人注目的环境问题之一。近年来，大气中温效应气体的增多导致全球气候的变化。甲烷作为一种重要的温室效应气体，在大气中的浓度也连续增加。据观测，大气中甲烷浓度的年增长率为1%。甲烷不仅是一种重要的温室效应气体，而且还是一种重要的化学活性成分，它在大气中的化学过程影响了大气化学的成分。由于甲烷的重要作用，研究大气甲烷的来源及增加的原因成了学术界十分热门的领域，尤其是识别大气甲烷的来源和人力活动的释放显得更为有意义。水稻田释放的甲烷是大气甲烷的重要来源之一。目前，对水稻田释放的甲烷虽进行了许多研究，然而都是个别的、不连续的观测，根据这些数据估计全球水稻田释放甲烷总量的可靠性差，尤其是象我国这样一个水稻种植大国（水稻种植面积占全球水稻面积的22%），才刚刚开始对这一领域进行研究。因此，为了对我国水稻田释放的甲烷有一个较全面的认识以及为“八五”国家重大基础课题“中国环境未来演变趋势的研究”第三题奠定一些基础，本文于1991年水稻生长期间（6-9月）对贵阳近效水稻田释放的甲烷进行了研究，并且希望通过开展对甲烷稳定同位素的研究来识别甲烷的来源。利用透明有机玻璃为材料，自行设计了一套采样系统，收集的气体样品装于气袋内。而对甲烷碳同位素的测定，则尝试用化学方法在田间进行样品的处理，将稻田释放的甲烷直接转换成碳酸锶固体样品，以便于保存和运输。在整个实验过程中，共收集了160个样品，对甲烷释放率的日变化及季节变化进行了研究。甲烷释放率最高时达71.9mg/m~2.h，而最低只有3.0mg/m~2.h。平均释放率为15.6mg/m~2.h。在此期间，对10cm以下土壤温度、水温、大气温度和水稻生长情况作了记录，对土壤有机质含量和土壤质地进行了分析，试图揭示出水稻田甲烷释放的规律及影响水稻田甲烷释放的因素，并对所得出的结论作出进一步的讨论。经过研究发现，水稻田甲烷释放率在一日之内的变化有一定的规律。几次24小时的连续观测，都显示出一日之内甲烷释放率的最大值出现在凌晨或夜晚，而在正午阳光最强烈时甲烷释放率偏低。这一结果同文献报导的有一定偏差，可用甲烷的产生、输送和转化机制对这一现象定性地加以解释。稻田甲烷的排放率除了有日变化之外，还有明显的季节。在整个水稻生长期间，甲烷的释放率除了几天尺度的小波动外，还有三个明显的高甲烷排放期。第一个排放峰值出现在插秧后的分蘖期，即六月中旬，第二、第三个峰值分别出现在七月下旬和八月中旬。其中，第一个峰值最大，第三个峰值最小。当水稻种植需排水晒田时，甲烷释放率明显下降，复水后，甲烷释放率又增加。对稻田总有机碳和活性有机碳的分析揭示出，活性有机碳同甲烷的释放率之间有一定的相关关系。在活性有机碳含量高时，甲烷的释放率也越大，但总有机碳含量与甲烷释放率之间关系不明显。在水稻生长期间，甲烷释放率也显示出较大的日变化幅度。在排放峰值期间，日变化幅度最大，最高时达59.0mg/m~2.h，出现在第一排放峰值期间。收获前，日变化幅度最小，只有0.3mg/m~2.h。温度对甲烷释放率有一定的影响，在水稻生长期里，大气温度及土壤温度的变化趋势同甲烷释放率的季节变化比较一致。根据本文的测量结果，对贵州省水稻田的甲烷释放量进行了一个很粗略的估计，约为6.96 * 10~10克/年。在甲烷碳同位素组成的测定，本文采用化学方法对样品进行前处理，这种方法用于开展稳定同位素的工作是一种新的尝试。但由于缺乏经验，时间紧，只得到几个可供测试的样品，质谱的测定结果重现性不好，使得这一尝试的结果不令人满意。在测定甲烷碳同位素的同时，对土壤中有机质和空气的中CO_2的碳同位素也进行了测量，结果表明，土壤有机碳同位素较接近，为-20%左右，而空气CO_2由于光合作用与呼吸作用之故，白天和夜晚存在着差异，白天的δ~（13）C为-25%左右，夜晚δ~（13）C为-29%左右。通过建立一套系统和方法，对水稻田释放的甲烷进行了研究，对这一领域有一初步的认识，为今后系统地开展这一领域的研究奠定了基础。由于是初次开展地表生物源释放气体的研究，难免存在一些问题和不足，将在以后的更深入的研究中加以改进和提高。