甲烷排放对全球气候变化的影响

1984年以来大气CH4浓度变化
1984年以来大气CH4浓度年变化率
土壤甲烷排放
• 大气CH4的源和汇 • 土壤CH4的基本过程
–生成
–氧化 –传输
• 影响土壤CH4排放的主要因素 • 土壤CH4排放的测定方法
大气CH4源和汇（TgCH4/年）
来源
年代
Fung et al (1991) 1980s
温室气体
温室效应气体，简称温室气体，是指大气中 存在的能吸收红外辐射并对大气有加热效果 的所有气体的总称，它们是： H2O、 CO2、 CH4、 N2O、O3、氯氟烷烃类
作为全球气候变暖原因的温室气体，主要指 人类活动所增加的气体成分：CO2、 CH4、 N2O、对流层O3、氯氟烷烃类。这也是人类 能够主动控制的部分。
Hangzhou
Year
土壤CH4的基本过程-CH4生成
CH4生成的条件
– 强烈的还原条件（Eh<-150mV)-淹水和渍水土壤 – 产甲烷菌的存在 – 产甲烷前体的存在：CO2、甲醇、甲胺、乙酸等 – 适宜的温度
Hale Waihona Puke 壤CH4氧化• 土壤CH4氧化是一个微生物过程，只有在 甲烷氧化菌的参与下才能进行。根据CH4 来源和浓度不同可以区分成： – 内源CH4氧化
CH4排放量
(Tg CH4/yr)
30 13.46 14.71 21.32 21.6 18-28 152
Wassmann et al. (1993) Wang et al. (1994)
Bachelet et al. (1995)
5% of net primary productivity (NPP) Regression equation using C, N input and temperature 30% of C input
Regression equation using C, N input and temperature
6.79 10.47
16.0 9.97
Kern et al. (1995)
我国稻田CH4排放量估算
文献
Cao et al. (1995) Yao et al. (1996) Kern et al. (1997) Cai (1997) Huang et al. (1998) Sass et al. (1999) Matthews et al. (2000) Li et al. (2002a) Yan et al. (2003)
土壤因素
• • • • • • 土壤类型 Eh 有机质含量和性质 pH 质地 Fe、Mn、NO3-、SO42-等氧化物含量
人为因素
• 土壤利用
–水田 –旱地
• • • •
稻田水分管理 施肥 农药等 水稻品种
水分和有机肥施用对我国稻田CH4 排放量的影响(mg CH4/m2/h)
施肥 水分类型 间歇灌溉 连续灌溉 常年淹水 化肥 堆肥<15t 新鲜有机肥 2.68 7.19 18.74 8.03 9.25 -17.03 -38.54 平均 4.66 7.60 24.02
240
1963
210 180 150 120 90 60 30
1960
1965
1970
0 1975 1980 Year 年份
1985
1990
1995
2000
2005
2010
我国稻田CH4排放量估算
文献
Khalil et al. (1991) Bachelet (1993) and Neue
估算方法
注：A，反刍动物与废物处理之和；B，湿地与水稻生产之和
废弃的热带蚁穴，高4米
Estimated CH4 emissions from rice fields in the world
300 270
Global source: 598 Tg/yr (IPCC, TAR)
IPCC, 1992
CH甲烷排放量(Tg) 4 emission (Tg/yr)
不同生态系统类型对CH4的吸收或排 放（mg/m2/h)
吸收大气CH4的系统
生态类型 山地草甸 沼泽干季 CH4吸收 1.2 0.7-50 生态类型 温带森林 寒温带森 林 CH4吸收 0.12-3.84 0.2-3.5
排放CH4的系统
生态类型 稻田 沼泽 CH4吸收 <1-60 0-7.1
草地
热带森林 亚热带森林
年吸收量 (Gg CH4 y-1) 1624737 603190 223 2450
a) the number of field measurements collected from literature b) cited from Qi et al., 2002
土壤CH4传输
• 土壤CH4传输的主要途径
Hein et al (1997)
Lelievel d et al (1998) 1992
Houweling et al (1999)
Mosier et al (1998) 1994
Olivier et al (1999) 1990
Cao et al (1998)
SAR
TAR
1980s
1990s
自然源 湿地 蚁穴 海洋 Hydrates 115 20 10 5 237 225B 20 15 10 145 20 15 人为源 能源 垃圾填埋 反刍动物 废物处理 水稻生产 生物燃烧 其它 总源 75 40 80 100 55 500 97 35 90A A 88 40 587 110 40 115 25 B 40 600 89 73 93 40 20 80 14 25-54 34 15 597 598 109 36 93A A 60 23 53 92
CH4排放量
(Tg CH4/yr) 16.2 15.3 9.93.0 8.053.68 7.19-13.62 9.7-16.2 3.73 9.67-12.66 7.67
Estimated CH4 emissions from rice fields in China
Sichuan
CH4 emission (Tg/yr)
全球变化 (Global Change)
人类活动引起的全球尺度上的变化
全球环境变化
• • • • • • 大气温室气体浓度增加 臭氧层破坏 有毒有害化学物质污染 海洋污染 生物多样性损失 生态环境恶化
全球气候变化 • 全球变暖
• • • • • • • 降水量增加 暴雨事件增加 云量增加 低温事件减少 厄尔尼诺事件增加 干旱和过湿地区增加 干旱事件增加
堆肥>15t
平均
13.81
9.67
15.56
11.56
66.96
52.75
25.85
我国稻田CH4排放量的空间变化 及其关键控制因素
100
鹰潭
80
CH4 emission, g/m2
Y=0.2846e0.0861x R2=0.885
长沙
60 40 20
封丘
广州 苏州
南京
0
句容
20
30
40
50
60
70
• 影响微生物群落
– 大气CH4氧化
土壤内源CH4氧化
• CH4生成于体系（垃圾填埋场）或土壤内部（厌气 区域），CH4浓度高，但浓度变化大（如稻田） • CH4氧化发生的区域：界面（水土、气土、根土） 和其它好气区域 • 参与内源CH4氧化的甲烷氧化菌为一类对甲烷亲和 力低，但氧化速率大的细菌 • 在稻田土壤中，CH4氧化占生成量的50-90%，随水 稻生长期而有很大的不同
估算方法
Process-based methane emission model Regional emission factors Regression equation using C, N and C/N ratio Classifying rice fields based on water regime and organic C input Empirical model From reviewing reported estimates Process-based Methane Emissions from Rice EcoSystems (MERES) model Process-based model considering climate, water management, organic input, etc Region-specific CH4 emission factors
– 植株
– 气泡
– 扩散
• 在稻田中，平均约80%的CH4通过水稻植 株传输
稻田中CH4的生成、氧化和传输过程
Eur. J. Soil Biol. 37(2001): 25-50
土壤CH4排放（吸收）的特点
• 时间变化大
– 日变化 – 季节变化 – 年际变化
• 空间变化大
影响土壤CH4排放（吸收）的 主要因素
0.14-1.46
0.14-0.58 1.25
红松林
旱耕农地 苔原
1.88-4.08
0.08 0.6-1.2
泥碳地
间歇淹水 旱地 淡水域
0.03-8.33
0-0.9 0-4.17
我国好气土壤对大气CH4的吸收
利用类型 草地 森林 农田 全部
CH4 吸收速率 (kg CH4 ha-1 y-1) 最小值 1.86 2.53 最大值 6.74 7.80 平均值 3.391.54 (10)a) 4.941.56 (21) 1.56b)
水稻种植前土壤水分的缺省系数
引自2006IPCC国家温室气体排放清单编制指南
氮肥对CH4氧化的影响
• 铵态氮肥抵制CH4氧化
– 对于CH4排放土壤，增加排放量 – 对于氧化大气CH4的土壤，减少土壤对大气CH4的吸 收
• 在有效氮素缺乏的自然土壤在一定范围内促进 CH4氧化 • 铵态氮肥抑制CH4氧化的特点
• 生物气候因素 • 土壤因素 • 人为因素
生物气候因素-温度
• CH4生成的最佳温度：30-35C
• CH4氧化的最佳温度：30-35C • CH4生成对温度的敏感性大于CH4氧化。 CH4生成的Q10约为4.6。在温度低于1C 仍能观察到CH4氧化
• 最佳温度与生态系统的环境温度有关， 寒冷地区的土壤最佳温度低于暖热地区 的最佳温度
Extrapolated with measured flux of 50 mg CH4 m-1 h-1 5% of net primary productivity (NPP) 30% of C inputs adjusted for soil 30% of C input 0.5 g CH4 m-2 day-1 Extrapolated with measured fluxes Regional Emission factors
– 瞬时的抑制作用（稻田、其它旱作土壤）
– 长时效的抑制作用（铵态氮消失后，抑制作用继续存 在，可以长达10余年，只在旱作土壤发生）
铵态氮抑制CH4氧化的机理
• 竞争机制
– NH4+竞争甲烷单氧化酶
• 亚硝酸盐的毒害作用
– 铵态氮硝化过程中生成NO2-，对甲烷氧化菌产生毒 害作用
• 溶质效应（盐效应）
冬季土壤水分，% WFPS
Kang and Cai. NCA, 2002
IPCC划分的水稻水分类型
• 灌溉稻田（进一步划分非水稻生长期淹水时间）
– 连续灌溉 – 间歇灌溉-一次排水
– 间歇灌溉-多次排水
• 雨养稻田
– 淹水为主
– 干燥为主
• 深水稻田
– 水深50-100cm
– 水深>100cm
IPCC排放清单指南对稻田CH4部分的历次修改情况
IPCC Report SF for water regime SF for organic amendme nts SF for soil types SF for preseason water regime
1996 GL GPG2000 2006 GL
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引自Leandro Buendia, Technical Support Unit, IPCC-NGGIP