内容简介
水稻是世界上最重要的粮食作物之一。由于水稻在特定的生长阶段需要淹水,水稻生产也成为大气温室气体CH4的重要来源之一,同时此过程还排放另一种重要的大气温室气体——N2O。《稻田生态系统CH4和N2O排放》结合国内外最新研究进展,总结了中国科学院南京土壤研究所过去16年对稻田生态系统CH4和N2O排放的研究成果。全书共分8章,分别介绍了全球变化的最新研究进展,稻田土壤中CH4和N2O产生、转化和传输的基本过程,稻田CH4和N2O排放的研究方法,稻田CH4和N2O排放的影响因素,水稻生长过程中CH4和N2O排放基本过程的变化规律,排放量的时间和空间变化规律,宏观尺度的排放量估算以及减排措施。
《稻田生态系统CH4和N2O排放》可供从事陆地生态系统碳、氮循环与温室气体排放研究的科技工作者、该领域研究生、涉及全球变化的政府相关部门的决策者等参考。《稻田生态系统CH4和N2O排放》有助于关注温室气体排放与全球变化问题的读者了解水稻生产与全球变化的关系。
内页插图
目录
总序
序
前言
第1章 全球气候变化
1.1 全球气候变暖
1.1.1 气候变化
1.1.2 全球气候变暖的事实
1.1.3 全球气候变暖的影响
1.1.4 全球气候变暖的原因
1.2 温室气体
1.2.1 温室效应
1.2.2 温室气体
1.2.3 大气中主要温室气体的浓度变化
1.2.4 温室气体对全球变暖的贡献
1.2.5 《京都议定书》
1.3 大气CO2、CH4以及N2O的源和汇
1.3.1 大气CO2收支
1.3.2 大气CH4的源和汇
1.3.3 大气N2O的源和汇
第2章 稻田生态系统CH4和N2O排放的基本过程
2.1 稻田生态系统CH4排放的基本过程
2.1.1 CH4的产生过程
2.1.2 CH4的氧化过程
2.1.3 CH4的传输过程
2.2 稻田生态系统N2O排放的基本过程
2.2.1 N2O的产生过程
2.2.2 N2O的转化过程
第3章 稻田生态系统CH4和N2O排放的研究方法
3.1 稻田CH4和N2O排放通量测定方法
3.1.1 箱法
3.1.2 微气象学方法
3.1.3 土壤空气浓度分析法
3.2 稻田CH4生成能力测定方法
3.2.1 N2连续冲洗法
3.2.2 抽真空法
3.3 稻田CH4产生途径相对贡献研究方法
3.3.1 碳同位素示踪技术
3.3.2 甲烷产生途径抑制剂方法
3.3.3 稳定性碳同位素法
3.4 稻田CH4氧化率研究方法
3.4.1 甲烷产生一排放差值法
3.4.2 甲烷氧化抑制剂法
3.4.3 稳定性碳同位素自然丰度方法
3.5 土壤反硝化势和硝化势的测定方法
3.5.1 反硝化势的测定方法
3.5.2 硝化势的测定方法
3.6 硝化和反硝化作用对N2O排放相对贡献的研究方法
3.6.1 硝化和反硝化抑制剂法
3.6.2 15N示踪法
3.6.3 气压过程区分方法
3.7 稻田CH4和N2O传输途径研究方法
3.7.1 植株通气组织排放CH4和N2O的测定方法
3.7.2 气泡途径CH4和N2O排放量的测定方法
3.7.3 水稻生长期液相扩散途径CH4和N2O排放量的测定方法
3.8 土壤溶解和闭蓄态CH4和N2O的采样方法
3.8.1 注射器采样
3.8.2 土壤溶液采样器采样
3.8.3 土柱采样
3.9 气体样品CH4和N2O浓度分析方法
3.9.1 气体样品中CH4浓度的气相色谱分析方法
3.9.2 气体样品中N2O浓度的气相色谱分析方法
第4章 稻田生态系统CH4和N2O排放的影响因素
4.1 稻田CH4排放的影响因素
4.1.1 土壤性质
4.1.2 土壤水分管理
4.1.3 耕作轮作制
4.1.4 有机肥的施用
4.1.5 氮肥的施用
4.1.6 大气CO2浓度增加
4.1.7 气候因素
4.1.8 水稻植株生长及品种
4.2 水稻土CH4氧化能力的影响因素
4.2.1 CH4浓度
4.2.2 氧的供应
4.2.3 水稻植株
4.2.4 氮肥施用
4.2.5 土壤水分含量
4.2.6 土壤温度
4.3 稻田N2O排放的影响因素
4.3.1 土壤通气性
4.3.2 土壤水分状况
4.3.3 氮肥的施用
4.3.4 有机肥的施用
4.3.5 种植制度
4.3.6 脲酶/硝化抑制剂施用
4.3.7 土壤类型和质地
4.3.8 作物种植
4.3.9 土壤pH值
4.3.10 土壤温度
第5章 稻田生态系统CH4和N2O排放基本过程的变化规律
5.1 稻田土壤CH4产生能力的时间变化
5.2 稻田土壤CH4产生途径的季节变化
5.3 稻田CH4氧化率的季节变化
5.4 稻田CH4和N2O的传输规律
5.4.1 水稻植株通气组织
5.4.2 气泡
5.4.3 液相扩散
第6章 稻田生态系统CH4和N2O排放的时空变化
6.1 CH4和N2O排放的昼夜变化
6.1.1 CH4排放通量的昼夜变化
6.1.2 N2O排放通量的昼夜变化
6.1.3 测定时间的选择和排放通量的校正
6.2 CH4和N2O排放的季节变化
6.2.1 常年淹水稻田CH4排放通量的季节变化
6.2.2 非水稻生长期排水稻田CH4排放通量的季节变化
6.2.3 水稻生长期N2O排放通量的季节变化
6.2.4 非水稻生长期N2O排放通量的季节变化
6.3 CH4和N2O排放的年际变化
6.4 CH4和N2O排放的空间变化
6.4.1 试验小区或田块尺度CH4排放的空间变化
6.4.2 全国尺度CH4排放的空间变化
6.4.3 N2O排放的空间变化
6.5 CH4和N2O排放的相互消长规律
第7章 稻田生态系统CH4和N2O排放量估算
7.1 稻田生态系统CH4和N2O排放量估算方法
7.1.1 IPCC稻田CH4排放量估算
7.1.2 以田间测定数据为基础的面积扩展方法
7.1.3 采用转化系数估算稻田CH4和N2O排放量
7.1.4 模型估算
7.1.5 全球和中国稻田CH4排放量估算值
7.2 中国稻田生态系统CH4排放量及其时空变化
7.2.1 WinSM模型
7.2.2 全国稻田CH4排放量时间变化
7.2.3 全国稻田CH4排放量空间分布
7.3 中国稻田生态系统N2O排放量估算
7.3.1 区域面积扩展法
7.3.2 单位氮肥N2O排放系数法
7.3.3 模型估算
7.4 研究展望
第8章 稻田生态系统CH4和N2O排放的减缓对策
8.1 水分管理
8.1.1 水稻生长期水分管理
8.1.2 非水稻生长期水分管理,
8.2 肥料管理
8.2.1 沼气发酵
8.2.2 秸秆还田方式
8.2.3 秸秆还田时间
8.2.4 无机肥管理
8.3 农学措施
8.3.1 常年淹水稻田垄作
8.3.2 耕作强度和轮作
8.3.3 种植技术
8.3.4 水稻品种
8.4 研制和应用抑制剂
8.4.1 甲烷抑制剂
8.4.2 脲酶抑制剂和硝化抑制剂
8.5 研究展望
精彩书摘
气候变暖可能会使得某些本已濒临灭绝的物种的生存环境更加恶化,并对野生动植物的分布、数量、密度和行为产生直接的影响。此外,由于人类社会对土地的占用,生态系统无法进行自然的迁移,将使原生态系统内的物种出现重大损失。陆地上的苔原、北方森林、山区和地中海类型生态系统,海岸地区的红树林和盐沼,以及海洋中的珊瑚礁和海冰生物群落等生态系统在面临全球变暖威胁的时候表现得最为脆弱,很可能产生物种灭绝和生物群落变化等后果。
据预测,如果全球平均温度升高2℃,高纬度地区生态系统净初级生产力将会有所增加,而低纬度地区的生态系统净初级生产力将很可能下降。如果全球增温小于2℃,北美以及欧亚大陆的森林面积将会发生扩张,而热带森林将可能遭受生物多样性减少及其他损失。如果全球平均温度升高超过3℃,亚马逊森林、中国针叶林、西伯利亚苔原和加拿大苔原生态系统将会出现巨大变化。
海洋生态系统受全球变暖的影响更大。海水温度变化以及某些洋流型的潜在变化,可能引起涌升流发生区和鱼类聚集地的变化。某些渔场可能会消失,而另一些渔场则可能扩大。预测表明,如果全球平均温度增加大约1.5~3℃,副热带海洋中生产力较低的区域面积将会扩大5%(北半球)和10%(南半球),而生产力较高的海冰生物群落很可能会收缩40%(北半球)和20%(南半球)。海冰生物群落的缩小会导致依赖其生存的极地物种,包括企鹅、海豹和北极熊等食肉动物面临栖息地状况恶化和破坏的危险。
此外,受气候变暖的影响,全球范围内野火的发生频率将会有所提高,发生范围将会扩大。全球降雨变率也会增大,这将使得降雨的时间、时长和水位的高低发生波动从而危及内陆和沿海湿地物种。
前言/序言
大学最重要的功能是向社会输送人才。大学对于一个国家、民族乃至世界的重要性和贡献度,很大程度上是通过毕业生在社会各领域所取得的成就来体现的。
中国科学技术大学建校只有短短的五十年,之所以迅速成为享有较高国际声誉的著名大学之一,主要就是因为她培养出了一大批德才兼备的优秀毕业生。他们志向高远、基础扎实、综合素质高、创新能力强,在国内外科技、经济、教育等领域做出了杰出的贡献,为中国科大赢得了“科技英才的摇篮”的美誉。
2008年9月,胡锦涛总书记为中国科大建校五十周年发来贺信,信中称赞说:半个世纪以来,中国科学技术大学依托中国科学院,按照全院办校、所系结合的方针,弘扬红专并进、理实交融的校风,努力推进教学和科研工作的改革创新,为党和国家培养了一大批科技人才,取得了一系列具有世界先进水平的原创性科技成果,为推动我国科教事业发展和社会主义现代化建设做出了重要贡献。
据统计,中国科大迄今已毕业的5万人中,已有42人当选中国科学院和中国工程院院士,是同期(自1963年以来)毕业生中当选院士数最多的高校之一。其中,本科毕业生中平均每1 000人就产生1名院士和七百多名硕士、博士,比例位居全国高校之首。还有众多的中青年才俊成为我国科技、企业、教育等领域的领军人物和骨干。在历年评选的“中国青年五四奖章”获得者中,作为科技界、科技创新型企业界青年才俊代表,科大毕业生已连续多年榜上有名,获奖总人数位居全国高校前列。
《稻田生态系统CH4和N2O排放:一项综合研究》 引言 稻田,作为世界上最重要的粮食作物生产基地之一,不仅为全球人口提供了充足的食物,更在全球碳循环和温室气体排放中扮演着至关重要的角色。稻田生态系统中甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的排放,是影响气候变化的关键因素之一,也是当前环境科学领域研究的热点和难点。这两类温室气体,特别是CH4,其增温潜能远高于二氧化碳,而N2O则不仅是强效温室气体,还对平流层臭氧层造成损耗。因此,深入理解稻田生态系统中CH4和N2O的排放机制、影响因素及其调控策略,对于实现农业可持续发展、减缓全球气候变化具有深远的意义。 本书《稻田生态系统CH4和N2O排放:一项综合研究》旨在汇集国内外最新的科研成果,从理论、实验和模型等多个层面,对稻田生态系统中CH4和N2O的排放进行系统性的梳理与探讨。本书的研究范畴涵盖了稻田生态系统的物理、化学、生物过程,重点关注导致温室气体排放的微生物活动、土壤理化性质、水热条件、耕作管理以及不同稻作模式的影响。通过整合多学科的研究方法,本书力求为读者提供一个全面、深入的稻田温室气体排放认知框架,并为相关政策制定者、科研工作者以及广大农民提供科学依据和实践指导。 第一章 稻田生态系统的基本特征与温室气体排放的科学背景 本章首先阐述了稻田生态系统的定义、基本结构和功能,包括水稻植被、土壤微生物群落、水文状况以及养分循环等关键要素。随后,深入剖析了CH4和N2O在全球温室气体排放中所占的比重及其对气候变化的影响。重点介绍了CH4和N2O的产生机制,特别是厌氧和好氧条件下微生物的代谢过程。对于CH4,强调了甲烷生成菌(methanogens)在厌氧环境中的作用,以及甲烷氧化菌(methanotrophs)在好氧环境中的氧化过程。对于N2O,则详细阐述了硝化作用(nitrification)和反硝化作用(denitrification)是其主要的两大来源,并分析了土壤含氧量、氮素形态和可用性等因素如何调控这两种过程。通过对现有科学文献的回顾,本章也指出了当前研究中存在的不足和未来的研究方向,为后续章节的研究奠定理论基础。 第二章 稻田土壤微生物群落结构与温室气体产生 土壤微生物是稻田生态系统中CH4和N2O产生与转化的直接驱动者。本章聚焦于土壤微生物群落的结构、多样性及其在温室气体生物地球化学循环中的作用。首先,介绍了先进的分子生物学技术(如16S rRNA基因测序、宏基因组学和宏转录组学)在揭示微生物群落组成和功能方面的应用。其次,深入探讨了甲烷生成菌和甲烷氧化菌在不同土壤环境(如土壤质地、有机质含量、pH值)下的分布和活性。特别地,关注了不同种类的甲烷生成菌对CH4产量的贡献,以及甲烷氧化菌在减少CH4排放中的作用。在N2O排放方面,本章着重分析了硝化细菌和反硝化细菌的群落结构与功能。讨论了土壤氧化还原电位(Eh)和溶解氧(DO)等环境因子如何影响硝化和反硝化过程的相对强度,从而影响N2O的净排放。此外,本章还探讨了土壤有机物类型和分解速率对微生物群落代谢的影响,以及外源性有机物(如秸秆还田)对温室气体排放的潜在驱动作用。 第三章 土壤理化性质对稻田CH4和N2O排放的影响 土壤作为微生物生存和代谢的载体,其理化性质直接影响着温室气体的产生和排放。本章详细分析了多种关键土壤理化参数对稻田CH4和N2O排放的调控作用。 土壤水分管理: 稻田的淹水淹排是影响CH4排放的最重要因素之一。本章深入探讨了淹水时长、淹水深度以及水分波动对土壤厌氧程度的影响,进而分析了其如何改变甲烷生成和氧化的速率。对于N2O,淹水条件虽然会抑制硝化,但反硝化作用仍可能发生,特别是在水分波动期间。干旱和灌溉的交替模式对N2O排放的影响也进行了详细分析。 土壤有机质: 有机质是微生物的能量和碳源,其含量、组成和分解速率对CH4生成具有显著影响。本章分析了不同有机质来源(如秸秆、绿肥、厩肥)对微生物群落组成和CH4产量的差异化影响。同时,探讨了土壤有机质的分解过程如何为反硝化提供底物,从而影响N2O的排放。 土壤pH值: pH值不仅影响微生物的生长和活性,也影响土壤中氨的形态分布。本章分析了不同pH值对甲烷生成菌、甲烷氧化菌、硝化细菌和反硝化细菌的影响,以及pH值如何间接调控CH4和N2O的产生。 土壤温度: 温度是影响所有生物化学反应速率的关键因素。本章研究了不同季节和不同耕作措施下的土壤温度变化对CH4和N2O排放速率的影响。高温通常会加速微生物代谢,但也可能导致土壤水分蒸发,改变土壤氧化还原状态,产生复杂效应。 土壤容重和孔隙度: 土壤的物理结构影响着土壤的通气性、持水能力和微生物的分布。本章分析了土壤容重和孔隙度如何影响土壤中的氧气扩散,从而间接影响CH4氧化和N2O的产生。 土壤养分含量(N, P, K): 土壤养分,特别是氮素,是影响N2O排放的关键因素。本章详细探讨了不同施肥量、施肥方式(缓释肥、速释肥、有机肥)和施肥时期对土壤氮素循环过程和N2O排放量的影响。磷和钾肥虽然不是直接的温室气体底物,但它们可能通过影响植株生长和土壤有机质积累,间接调控温室气体排放。 第四章 稻作管理措施对稻田CH4和N2O排放的影响 稻作管理措施直接影响着稻田的生态环境,从而对CH4和N2O的排放产生显著影响。本章系统地分析了以下几种关键的稻作管理措施: 灌溉管理: 传统的淹水灌溉模式是CH4排放的主要驱动因素。本章探讨了间歇灌溉、湿润灌溉等节水灌溉技术对CH4和N2O排放的影响。分析了这些措施如何通过改变土壤氧化还原状态和水分条件来调控微生物活性。 施肥管理: 氮肥的使用是N2O排放的主要来源。本章研究了不同氮肥用量、氮肥类型(如尿素、硝酸铵、缓释肥)、施肥时期和施肥方式(如侧施、深施)对N2O排放的影响。同时,也探讨了磷肥和钾肥对CH4和N2O排放的间接影响。 秸秆管理: 秸秆还田是提高土壤有机质、改善土壤肥力的重要途径,但其分解过程可能伴随CH4和N2O的排放。本章分析了不同秸秆还田方式(如翻埋、撒施、粉碎)和还田量对温室气体排放的影响。 耕作方式: 不同耕作方式(如免耕、少耕、深耕)会影响土壤结构、水分运动和微生物活性。本章探讨了这些耕作方式对CH4和N2O排放的潜在影响。 稻作模式: 单季稻、双季稻、稻—麦轮作、稻—油轮作等不同的稻作模式,由于其种植周期、水肥管理和秸秆处理方式的差异,对温室气体排放也表现出不同的特征。本章对几种常见的稻作模式的CH4和N2O排放进行了比较分析。 品种选择: 不同水稻品种在生长习性、养分需求以及对环境胁迫的响应方面存在差异,可能对土壤微生物群落和温室气体排放产生影响。本章简要探讨了品种选择可能带来的潜在影响。 第五章 稻田CH4和N2O排放的区域差异与气候变化响应 不同地理区域的稻田由于气候、土壤、水文和耕作管理上的差异,其CH4和N2O的排放特征也存在显著的区域差异。本章旨在分析这些区域差异,并探讨稻田温室气体排放如何响应气候变化。 地理区域性差异: 重点分析了亚洲、非洲、欧洲和美洲等主要水稻种植区的CH4和N2O排放特点。讨论了热带、亚热带和温带稻田在温室气体排放强度上的差异,并分析其背后的驱动因素。 气候变化的影响: 探讨了温度升高、降水模式改变(如极端降雨事件增加)以及二氧化碳浓度升高等气候变化因素对稻田CH4和N2O排放的潜在影响。例如,温度升高可能加速微生物活动,增加温室气体排放;降水模式的改变可能影响土壤水分条件,进一步影响CH4和N2O的产生。 气候变化与稻作管理措施的交互作用: 分析了在气候变化背景下,不同的稻作管理措施(如节水灌溉、精准施肥)对缓解温室气体排放的有效性。研究了如何通过优化管理措施来增强稻田的碳汇能力,同时减少温室气体排放。 第六章 稻田CH4和N2O排放的测量、模拟与减排策略 本章将重点介绍稻田CH4和N2O排放的测量方法、模拟模型以及可行的减排策略。 测量方法: 详细介绍了常用的CH4和N2O排放测量技术,包括静态暗室/明室法、动态暗室/明室法、涡度相关技术、以及现场在线监测系统等。讨论了各种方法的优缺点、适用范围以及数据采集和处理的注意事项。 模拟模型: 介绍了目前广泛应用于模拟稻田CH4和N2O排放的各种模型,如DayCent、DNDC、GHG-IPCC等。分析了这些模型的结构、输入参数、输出结果以及在预测和评估减排效果方面的应用。 减排策略: 综合前几章的研究,系统性地提出并评估了稻田CH4和N2O的减排策略。这些策略包括: 优化水分管理: 推广间歇灌溉、浅湿灌溉等节水灌溉技术。 改进施肥管理: 采用测土配方施肥,推广缓释肥、配方肥,优化施肥量、施肥时期和施肥方式。 合理秸秆管理: 探索有利于减少温室气体排放的秸秆还田技术,如秸秆炭化还田。 发展生态友好型稻作模式: 如生态稻田、再生稻等。 品种选育: 培育低CH4和N2O排放潜力的水稻品种。 政策与经济激励: 探讨通过政策引导和市场机制来鼓励农民采取减排措施。 减排效益评估: 对各种减排策略的减排潜力和成本效益进行了初步的评估,为制定可行的减排方案提供依据。 结论与展望 本书的最后部分将对全书的研究内容进行总结,并对未来稻田CH4和N2O排放的研究方向进行展望。强调了跨学科合作的重要性,以及在不同区域和不同管理条件下开展更多实地监测和实验研究的必要性。同时,指出将模型的预测能力与实际管理措施相结合,是实现稻田温室气体减排的关键。本书旨在为读者提供一个关于稻田生态系统CH4和N2O排放的全面视角,并为推动农业的可持续发展和应对全球气候变化贡献一份力量。 附录 本书可能包含相关的术语解释、数据表格、图表以及参考文献等,以进一步补充和深化书中的内容。