內容簡介
     水稻是世界上最重要的糧食作物之一。由於水稻在特定的生長階段需要淹水,水稻生産也成為大氣溫室氣體CH4的重要來源之一,同時此過程還排放另一種重要的大氣溫室氣體——N2O。《稻田生態係統CH4和N2O排放》結閤國內外最新研究進展,總結瞭中國科學院南京土壤研究所過去16年對稻田生態係統CH4和N2O排放的研究成果。全書共分8章,分彆介紹瞭全球變化的最新研究進展,稻田土壤中CH4和N2O産生、轉化和傳輸的基本過程,稻田CH4和N2O排放的研究方法,稻田CH4和N2O排放的影響因素,水稻生長過程中CH4和N2O排放基本過程的變化規律,排放量的時間和空間變化規律,宏觀尺度的排放量估算以及減排措施。
  《稻田生態係統CH4和N2O排放》可供從事陸地生態係統碳、氮循環與溫室氣體排放研究的科技工作者、該領域研究生、涉及全球變化的政府相關部門的決策者等參考。《稻田生態係統CH4和N2O排放》有助於關注溫室氣體排放與全球變化問題的讀者瞭解水稻生産與全球變化的關係。     
內頁插圖
          目錄
   總序
序
前言
第1章 全球氣候變化
1.1 全球氣候變暖
1.1.1 氣候變化
1.1.2 全球氣候變暖的事實
1.1.3 全球氣候變暖的影響
1.1.4 全球氣候變暖的原因
1.2 溫室氣體
1.2.1 溫室效應
1.2.2 溫室氣體
1.2.3 大氣中主要溫室氣體的濃度變化
1.2.4 溫室氣體對全球變暖的貢獻
1.2.5 《京都議定書》
1.3 大氣CO2、CH4以及N2O的源和匯
1.3.1 大氣CO2收支
1.3.2 大氣CH4的源和匯
1.3.3 大氣N2O的源和匯
第2章 稻田生態係統CH4和N2O排放的基本過程
2.1 稻田生態係統CH4排放的基本過程
2.1.1 CH4的産生過程
2.1.2 CH4的氧化過程
2.1.3 CH4的傳輸過程
2.2 稻田生態係統N2O排放的基本過程
2.2.1 N2O的産生過程
2.2.2 N2O的轉化過程
第3章 稻田生態係統CH4和N2O排放的研究方法
3.1 稻田CH4和N2O排放通量測定方法
3.1.1 箱法
3.1.2 微氣象學方法
3.1.3 土壤空氣濃度分析法
3.2 稻田CH4生成能力測定方法
3.2.1 N2連續衝洗法
3.2.2 抽真空法
3.3 稻田CH4産生途徑相對貢獻研究方法
3.3.1 碳同位素示蹤技術
3.3.2 甲烷産生途徑抑製劑方法
3.3.3 穩定性碳同位素法
3.4 稻田CH4氧化率研究方法
3.4.1 甲烷産生一排放差值法
3.4.2 甲烷氧化抑製劑法
3.4.3 穩定性碳同位素自然豐度方法
3.5 土壤反硝化勢和硝化勢的測定方法
3.5.1 反硝化勢的測定方法
3.5.2 硝化勢的測定方法
3.6 硝化和反硝化作用對N2O排放相對貢獻的研究方法
3.6.1 硝化和反硝化抑製劑法
3.6.2 15N示蹤法
3.6.3 氣壓過程區分方法
3.7 稻田CH4和N2O傳輸途徑研究方法
3.7.1 植株通氣組織排放CH4和N2O的測定方法
3.7.2 氣泡途徑CH4和N2O排放量的測定方法
3.7.3 水稻生長期液相擴散途徑CH4和N2O排放量的測定方法
3.8 土壤溶解和閉蓄態CH4和N2O的采樣方法
3.8.1 注射器采樣
3.8.2 土壤溶液采樣器采樣
3.8.3 土柱采樣
3.9 氣體樣品CH4和N2O濃度分析方法
3.9.1 氣體樣品中CH4濃度的氣相色譜分析方法
3.9.2 氣體樣品中N2O濃度的氣相色譜分析方法
第4章 稻田生態係統CH4和N2O排放的影響因素
4.1 稻田CH4排放的影響因素
4.1.1 土壤性質
4.1.2 土壤水分管理
4.1.3 耕作輪作製
4.1.4 有機肥的施用
4.1.5 氮肥的施用
4.1.6 大氣CO2濃度增加
4.1.7 氣候因素
4.1.8 水稻植株生長及品種
4.2 水稻土CH4氧化能力的影響因素
4.2.1 CH4濃度
4.2.2 氧的供應
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 土壤溫度
4.3 稻田N2O排放的影響因素
4.3.1 土壤通氣性
4.3.2 土壤水分狀況
4.3.3 氮肥的施用
4.3.4 有機肥的施用
4.3.5 種植製度
4.3.6 脲酶/硝化抑製劑施用
4.3.7 土壤類型和質地
4.3.8 作物種植
4.3.9 土壤pH值
4.3.10 土壤溫度
第5章 稻田生態係統CH4和N2O排放基本過程的變化規律
5.1 稻田土壤CH4産生能力的時間變化
5.2 稻田土壤CH4産生途徑的季節變化
5.3 稻田CH4氧化率的季節變化
5.4 稻田CH4和N2O的傳輸規律
5.4.1 水稻植株通氣組織
5.4.2 氣泡
5.4.3 液相擴散
第6章 稻田生態係統CH4和N2O排放的時空變化
6.1 CH4和N2O排放的晝夜變化
6.1.1 CH4排放通量的晝夜變化
6.1.2 N2O排放通量的晝夜變化
6.1.3 測定時間的選擇和排放通量的校正
6.2 CH4和N2O排放的季節變化
6.2.1 常年淹水稻田CH4排放通量的季節變化
6.2.2 非水稻生長期排水稻田CH4排放通量的季節變化
6.2.3 水稻生長期N2O排放通量的季節變化
6.2.4 非水稻生長期N2O排放通量的季節變化
6.3 CH4和N2O排放的年際變化
6.4 CH4和N2O排放的空間變化
6.4.1 試驗小區或田塊尺度CH4排放的空間變化
6.4.2 全國尺度CH4排放的空間變化
6.4.3 N2O排放的空間變化
6.5 CH4和N2O排放的相互消長規律
第7章 稻田生態係統CH4和N2O排放量估算
7.1 稻田生態係統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 以田間測定數據為基礎的麵積擴展方法
7.1.3 采用轉化係數估算稻田CH4和N2O排放量
7.1.4 模型估算
7.1.5 全球和中國稻田CH4排放量估算值
7.2 中國稻田生態係統CH4排放量及其時空變化
7.2.1 WinSM模型
7.2.2 全國稻田CH4排放量時間變化
7.2.3 全國稻田CH4排放量空間分布
7.3 中國稻田生態係統N2O排放量估算
7.3.1 區域麵積擴展法
7.3.2 單位氮肥N2O排放係數法
7.3.3 模型估算
7.4 研究展望
第8章 稻田生態係統CH4和N2O排放的減緩對策
8.1 水分管理
8.1.1 水稻生長期水分管理
8.1.2 非水稻生長期水分管理,
8.2 肥料管理
8.2.1 沼氣發酵
8.2.2 秸稈還田方式
8.2.3 秸稈還田時間
8.2.4 無機肥管理
8.3 農學措施
8.3.1 常年淹水稻田壟作
8.3.2 耕作強度和輪作
8.3.3 種植技術
8.3.4 水稻品種
8.4 研製和應用抑製劑
8.4.1 甲烷抑製劑
8.4.2 脲酶抑製劑和硝化抑製劑
8.5 研究展望      
精彩書摘
     氣候變暖可能會使得某些本已瀕臨滅絕的物種的生存環境更加惡化,並對野生動植物的分布、數量、密度和行為産生直接的影響。此外,由於人類社會對土地的占用,生態係統無法進行自然的遷移,將使原生態係統內的物種齣現重大損失。陸地上的苔原、北方森林、山區和地中海類型生態係統,海岸地區的紅樹林和鹽沼,以及海洋中的珊瑚礁和海冰生物群落等生態係統在麵臨全球變暖威脅的時候錶現得最為脆弱,很可能産生物種滅絕和生物群落變化等後果。
  據預測,如果全球平均溫度升高2℃,高緯度地區生態係統淨初級生産力將會有所增加,而低緯度地區的生態係統淨初級生産力將很可能下降。如果全球增溫小於2℃,北美以及歐亞大陸的森林麵積將會發生擴張,而熱帶森林將可能遭受生物多樣性減少及其他損失。如果全球平均溫度升高超過3℃,亞馬遜森林、中國針葉林、西伯利亞苔原和加拿大苔原生態係統將會齣現巨大變化。
  海洋生態係統受全球變暖的影響更大。海水溫度變化以及某些洋流型的潛在變化,可能引起湧升流發生區和魚類聚集地的變化。某些漁場可能會消失,而另一些漁場則可能擴大。預測錶明,如果全球平均溫度增加大約1.5~3℃,副熱帶海洋中生産力較低的區域麵積將會擴大5%(北半球)和10%(南半球),而生産力較高的海冰生物群落很可能會收縮40%(北半球)和20%(南半球)。海冰生物群落的縮小會導緻依賴其生存的極地物種,包括企鵝、海豹和北極熊等食肉動物麵臨棲息地狀況惡化和破壞的危險。
  此外,受氣候變暖的影響,全球範圍內野火的發生頻率將會有所提高,發生範圍將會擴大。全球降雨變率也會增大,這將使得降雨的時間、時長和水位的高低發生波動從而危及內陸和沿海濕地物種。      
前言/序言
     大學最重要的功能是嚮社會輸送人纔。大學對於一個國傢、民族乃至世界的重要性和貢獻度,很大程度上是通過畢業生在社會各領域所取得的成就來體現的。
  中國科學技術大學建校隻有短短的五十年,之所以迅速成為享有較高國際聲譽的著名大學之一,主要就是因為她培養齣瞭一大批德纔兼備的優秀畢業生。他們誌嚮高遠、基礎紮實、綜閤素質高、創新能力強,在國內外科技、經濟、教育等領域做齣瞭傑齣的貢獻,為中國科大贏得瞭“科技英纔的搖籃”的美譽。
  2008年9月,鬍錦濤總書記為中國科大建校五十周年發來賀信,信中稱贊說:半個世紀以來,中國科學技術大學依托中國科學院,按照全院辦校、所係結閤的方針,弘揚紅專並進、理實交融的校風,努力推進教學和科研工作的改革創新,為黨和國傢培養瞭一大批科技人纔,取得瞭一係列具有世界先進水平的原創性科技成果,為推動我國科教事業發展和社會主義現代化建設做齣瞭重要貢獻。
  據統計,中國科大迄今已畢業的5萬人中,已有42人當選中國科學院和中國工程院院士,是同期(自1963年以來)畢業生中當選院士數最多的高校之一。其中,本科畢業生中平均每1 000人就産生1名院士和七百多名碩士、博士,比例位居全國高校之首。還有眾多的中青年纔俊成為我國科技、企業、教育等領域的領軍人物和骨乾。在曆年評選的“中國青年五四奬章”獲得者中,作為科技界、科技創新型企業界青年纔俊代錶,科大畢業生已連續多年榜上有名,獲奬總人數位居全國高校前列。    
				
 
				
				
					《稻田生態係統CH4和N2O排放:一項綜閤研究》  引言  稻田,作為世界上最重要的糧食作物生産基地之一,不僅為全球人口提供瞭充足的食物,更在全球碳循環和溫室氣體排放中扮演著至關重要的角色。稻田生態係統中甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)的排放,是影響氣候變化的關鍵因素之一,也是當前環境科學領域研究的熱點和難點。這兩類溫室氣體,特彆是CH4,其增溫潛能遠高於二氧化碳,而N2O則不僅是強效溫室氣體,還對平流層臭氧層造成損耗。因此,深入理解稻田生態係統中CH4和N2O的排放機製、影響因素及其調控策略,對於實現農業可持續發展、減緩全球氣候變化具有深遠的意義。  本書《稻田生態係統CH4和N2O排放:一項綜閤研究》旨在匯集國內外最新的科研成果,從理論、實驗和模型等多個層麵,對稻田生態係統中CH4和N2O的排放進行係統性的梳理與探討。本書的研究範疇涵蓋瞭稻田生態係統的物理、化學、生物過程,重點關注導緻溫室氣體排放的微生物活動、土壤理化性質、水熱條件、耕作管理以及不同稻作模式的影響。通過整閤多學科的研究方法,本書力求為讀者提供一個全麵、深入的稻田溫室氣體排放認知框架,並為相關政策製定者、科研工作者以及廣大農民提供科學依據和實踐指導。  第一章 稻田生態係統的基本特徵與溫室氣體排放的科學背景  本章首先闡述瞭稻田生態係統的定義、基本結構和功能,包括水稻植被、土壤微生物群落、水文狀況以及養分循環等關鍵要素。隨後,深入剖析瞭CH4和N2O在全球溫室氣體排放中所占的比重及其對氣候變化的影響。重點介紹瞭CH4和N2O的産生機製,特彆是厭氧和好氧條件下微生物的代謝過程。對於CH4,強調瞭甲烷生成菌(methanogens)在厭氧環境中的作用,以及甲烷氧化菌(methanotrophs)在好氧環境中的氧化過程。對於N2O,則詳細闡述瞭硝化作用(nitrification)和反硝化作用(denitrification)是其主要的兩大來源,並分析瞭土壤含氧量、氮素形態和可用性等因素如何調控這兩種過程。通過對現有科學文獻的迴顧,本章也指齣瞭當前研究中存在的不足和未來的研究方嚮,為後續章節的研究奠定理論基礎。  第二章 稻田土壤微生物群落結構與溫室氣體産生  土壤微生物是稻田生態係統中CH4和N2O産生與轉化的直接驅動者。本章聚焦於土壤微生物群落的結構、多樣性及其在溫室氣體生物地球化學循環中的作用。首先,介紹瞭先進的分子生物學技術(如16S rRNA基因測序、宏基因組學和宏轉錄組學)在揭示微生物群落組成和功能方麵的應用。其次,深入探討瞭甲烷生成菌和甲烷氧化菌在不同土壤環境(如土壤質地、有機質含量、pH值)下的分布和活性。特彆地,關注瞭不同種類的甲烷生成菌對CH4産量的貢獻,以及甲烷氧化菌在減少CH4排放中的作用。在N2O排放方麵,本章著重分析瞭硝化細菌和反硝化細菌的群落結構與功能。討論瞭土壤氧化還原電位(Eh)和溶解氧(DO)等環境因子如何影響硝化和反硝化過程的相對強度,從而影響N2O的淨排放。此外,本章還探討瞭土壤有機物類型和分解速率對微生物群落代謝的影響,以及外源性有機物(如秸稈還田)對溫室氣體排放的潛在驅動作用。  第三章 土壤理化性質對稻田CH4和N2O排放的影響  土壤作為微生物生存和代謝的載體,其理化性質直接影響著溫室氣體的産生和排放。本章詳細分析瞭多種關鍵土壤理化參數對稻田CH4和N2O排放的調控作用。     土壤水分管理: 稻田的淹水淹排是影響CH4排放的最重要因素之一。本章深入探討瞭淹水時長、淹水深度以及水分波動對土壤厭氧程度的影響,進而分析瞭其如何改變甲烷生成和氧化的速率。對於N2O,淹水條件雖然會抑製硝化,但反硝化作用仍可能發生,特彆是在水分波動期間。乾旱和灌溉的交替模式對N2O排放的影響也進行瞭詳細分析。    土壤有機質: 有機質是微生物的能量和碳源,其含量、組成和分解速率對CH4生成具有顯著影響。本章分析瞭不同有機質來源(如秸稈、綠肥、廄肥)對微生物群落組成和CH4産量的差異化影響。同時,探討瞭土壤有機質的分解過程如何為反硝化提供底物,從而影響N2O的排放。    土壤pH值: pH值不僅影響微生物的生長和活性,也影響土壤中氨的形態分布。本章分析瞭不同pH值對甲烷生成菌、甲烷氧化菌、硝化細菌和反硝化細菌的影響,以及pH值如何間接調控CH4和N2O的産生。    土壤溫度: 溫度是影響所有生物化學反應速率的關鍵因素。本章研究瞭不同季節和不同耕作措施下的土壤溫度變化對CH4和N2O排放速率的影響。高溫通常會加速微生物代謝,但也可能導緻土壤水分蒸發,改變土壤氧化還原狀態,産生復雜效應。    土壤容重和孔隙度: 土壤的物理結構影響著土壤的通氣性、持水能力和微生物的分布。本章分析瞭土壤容重和孔隙度如何影響土壤中的氧氣擴散,從而間接影響CH4氧化和N2O的産生。    土壤養分含量(N, P, K): 土壤養分,特彆是氮素,是影響N2O排放的關鍵因素。本章詳細探討瞭不同施肥量、施肥方式(緩釋肥、速釋肥、有機肥)和施肥時期對土壤氮素循環過程和N2O排放量的影響。磷和鉀肥雖然不是直接的溫室氣體底物,但它們可能通過影響植株生長和土壤有機質積纍,間接調控溫室氣體排放。  第四章 稻作管理措施對稻田CH4和N2O排放的影響  稻作管理措施直接影響著稻田的生態環境,從而對CH4和N2O的排放産生顯著影響。本章係統地分析瞭以下幾種關鍵的稻作管理措施:     灌溉管理: 傳統的淹水灌溉模式是CH4排放的主要驅動因素。本章探討瞭間歇灌溉、濕潤灌溉等節水灌溉技術對CH4和N2O排放的影響。分析瞭這些措施如何通過改變土壤氧化還原狀態和水分條件來調控微生物活性。    施肥管理: 氮肥的使用是N2O排放的主要來源。本章研究瞭不同氮肥用量、氮肥類型(如尿素、硝酸銨、緩釋肥)、施肥時期和施肥方式(如側施、深施)對N2O排放的影響。同時,也探討瞭磷肥和鉀肥對CH4和N2O排放的間接影響。    秸稈管理: 秸稈還田是提高土壤有機質、改善土壤肥力的重要途徑,但其分解過程可能伴隨CH4和N2O的排放。本章分析瞭不同秸稈還田方式(如翻埋、撒施、粉碎)和還田量對溫室氣體排放的影響。    耕作方式: 不同耕作方式(如免耕、少耕、深耕)會影響土壤結構、水分運動和微生物活性。本章探討瞭這些耕作方式對CH4和N2O排放的潛在影響。    稻作模式: 單季稻、雙季稻、稻—麥輪作、稻—油輪作等不同的稻作模式,由於其種植周期、水肥管理和秸稈處理方式的差異,對溫室氣體排放也錶現齣不同的特徵。本章對幾種常見的稻作模式的CH4和N2O排放進行瞭比較分析。    品種選擇: 不同水稻品種在生長習性、養分需求以及對環境脅迫的響應方麵存在差異,可能對土壤微生物群落和溫室氣體排放産生影響。本章簡要探討瞭品種選擇可能帶來的潛在影響。  第五章 稻田CH4和N2O排放的區域差異與氣候變化響應  不同地理區域的稻田由於氣候、土壤、水文和耕作管理上的差異,其CH4和N2O的排放特徵也存在顯著的區域差異。本章旨在分析這些區域差異,並探討稻田溫室氣體排放如何響應氣候變化。     地理區域性差異: 重點分析瞭亞洲、非洲、歐洲和美洲等主要水稻種植區的CH4和N2O排放特點。討論瞭熱帶、亞熱帶和溫帶稻田在溫室氣體排放強度上的差異,並分析其背後的驅動因素。    氣候變化的影響: 探討瞭溫度升高、降水模式改變(如極端降雨事件增加)以及二氧化碳濃度升高等氣候變化因素對稻田CH4和N2O排放的潛在影響。例如,溫度升高可能加速微生物活動,增加溫室氣體排放;降水模式的改變可能影響土壤水分條件,進一步影響CH4和N2O的産生。    氣候變化與稻作管理措施的交互作用: 分析瞭在氣候變化背景下,不同的稻作管理措施(如節水灌溉、精準施肥)對緩解溫室氣體排放的有效性。研究瞭如何通過優化管理措施來增強稻田的碳匯能力,同時減少溫室氣體排放。  第六章 稻田CH4和N2O排放的測量、模擬與減排策略  本章將重點介紹稻田CH4和N2O排放的測量方法、模擬模型以及可行的減排策略。     測量方法: 詳細介紹瞭常用的CH4和N2O排放測量技術,包括靜態暗室/明室法、動態暗室/明室法、渦度相關技術、以及現場在綫監測係統等。討論瞭各種方法的優缺點、適用範圍以及數據采集和處理的注意事項。    模擬模型: 介紹瞭目前廣泛應用於模擬稻田CH4和N2O排放的各種模型,如DayCent、DNDC、GHG-IPCC等。分析瞭這些模型的結構、輸入參數、輸齣結果以及在預測和評估減排效果方麵的應用。    減排策略: 綜閤前幾章的研究,係統性地提齣並評估瞭稻田CH4和N2O的減排策略。這些策略包括:        優化水分管理: 推廣間歇灌溉、淺濕灌溉等節水灌溉技術。        改進施肥管理: 采用測土配方施肥,推廣緩釋肥、配方肥,優化施肥量、施肥時期和施肥方式。        閤理秸稈管理: 探索有利於減少溫室氣體排放的秸稈還田技術,如秸稈炭化還田。        發展生態友好型稻作模式: 如生態稻田、再生稻等。        品種選育: 培育低CH4和N2O排放潛力的水稻品種。        政策與經濟激勵: 探討通過政策引導和市場機製來鼓勵農民采取減排措施。    減排效益評估: 對各種減排策略的減排潛力和成本效益進行瞭初步的評估,為製定可行的減排方案提供依據。  結論與展望  本書的最後部分將對全書的研究內容進行總結,並對未來稻田CH4和N2O排放的研究方嚮進行展望。強調瞭跨學科閤作的重要性,以及在不同區域和不同管理條件下開展更多實地監測和實驗研究的必要性。同時,指齣將模型的預測能力與實際管理措施相結閤,是實現稻田溫室氣體減排的關鍵。本書旨在為讀者提供一個關於稻田生態係統CH4和N2O排放的全麵視角,並為推動農業的可持續發展和應對全球氣候變化貢獻一份力量。  附錄  本書可能包含相關的術語解釋、數據錶格、圖錶以及參考文獻等,以進一步補充和深化書中的內容。