稳定性碳同位素技术在稻田甲烷排放研究中的应用课件

1、稳定性碳同位素技术在稻田甲烷排放研究中的应用一、研究背景 二、方法原理三、总体思路 四、主要进展五、成果影响 六、工作展望报告提纲温室气体全球增温潜势辐射强迫(W/m2)20年100年500年CO21111.66CH472257.60.48N2O2892981530.16温室 气体大气浓度(ppm)1750年2013年CO2280396CH40.7151.824N2O0.2700.326WMO, 2014全球气候变暖已成为 “不可争辩的事实” !（IPCC, 2007）（IPCC, 2007）研究背景大气温室气体浓度增加是导致气候变暖的主要原因。 （IPCC, 2007）水分管理和有机肥施用是

2、影响稻田甲烷排放量最重要的两个因素（Yan et al., 2009）稻田甲烷排放水分管理有机肥施用氮肥施用CO2浓度水稻品种稻田是大气甲烷的重要排放源(IPCC, 2013)全球稻田排放占人为总排放的11%，为36 Tg y-1（Roger and Mer, 2001） 科学问题水分管理和有机肥施用等因素是如何影响稻田甲烷的产生和氧化进而来调控稻田甲烷的排放？1，甲烷产生潜力和产生途径？2，甲烷氧化潜力和氧化百分率？有关它们对产生途径和氧化百分率影响的系统研究还比较缺乏稻田甲烷排放是土壤中甲烷的产生、氧化和传输三过程共同作用的结果甲烷产生途径和氧化百分率研究方法优点缺点产生排放差值法（厌氧、

3、好氧培养）操作简单、容易测定高估氧化百分率，只能评估氧化百分率。甲烷氧化抑制剂法（添加C2H2、 CH2F2等）操作简单、容易测定可能抑制产生，存在较大不确定性，只能评估氧化百分率。甲烷产生抑制剂法（添加CH3F、氯仿等）操作简单、容易测定可能抑制氧化，存在较大不确定性，只能评估甲烷产生途径。稳定性碳同位素自然丰度法(同位素质量守恒)可在自然条件下非扰动性测定，同时定量评估产生途径及氧化百分率。同位素组成的测定耗时较长,且存在同位素分馏等。CH4产生途径和氧化百分率的测定上个世纪80年代末、90年代初，美国和日本相继出现了采用稳定性碳同位素技术研究稻田甲烷排放的科学报道美国首次报道日本随后报道

4、我国在1995年首次报道了贵州稻田甲烷排放稳定性碳同位素组成1997年德国学者报道了我国苏州地区稻田甲烷排放的稳定性碳同位素组成上述的研究论文均未能从产生、氧化和传输等过程层次上阐明排放机理，仅仅是报道了稻田甲烷排放的稳定性碳同位素组成氧化百分率19971999年，美国学者在GBC上陆续发表2篇文章，首次详细介绍该方法在稻田甲烷排放研究中的应用产生途径植株传输分馏上述研究并未深入探讨田间水分管理和施用秸秆等措施对甲烷排放过程的影响以及由于同位素分馏而导致研究结果存在不确定性等问题。20012002年，德国学者运用该方法在GCB上相继发表2篇论文，详细报道了意大利持续淹水稻田甲烷产生途径和氧化百

5、分率的季节变化规律抓住机遇方法先进：较以往传统方法更科学可靠，且能同时定量评估产生途径和氧化百分率；技术优良：本所具有良好的分析与测定稳定性碳同位素组成的技术和平台；问题关键：有关我国稻田甲烷排放过程的系统研究尚十分缺乏，稳定性碳同位素组成分析提供了很好的技术手段。质谱仪MAT-253预浓缩装置气相色谱质谱仪器面临挑战试验工作量大：田间通量观测（排放）、传输实验（传输）以及培养试验（产生和氧化）需要同步进行；样品保存困难：同位素样品的采集及保存之前没有任何经验，长时间存放后测定结果是否可靠？方法有待改善：开发了一种新的稻田甲烷传输分馏系数测定方法。自然界中碳主要有3种同位素，其中12C和13C

6、是稳定性同位素，14C唯一的天然放射性同位素 ；同位素比值：单位物质中碳元素的重同位素和轻同位素的原子数之比 R=13C/12C1.11/98.89=1/89.08值：样品中两种同位素比值相对于某一标准的对应比值的相对千分差。 13C = ( R样/R标)- 11000 ()式中: R样-样品中碳元素的重轻同位素丰度之比； R标-国际通用标准物的重轻同位素丰度之比。稳定性碳同位素自然丰度法-方法介绍方法原理稳定性碳同位素组成的变化同位素效应：由同位素质量差所引起的物理和化学性质上的差异；同位素分馏：由于同位素效应所造成的同位素以不同比例在不同物质或不同相之间的分配；同位素分馏系数：在平衡条件下

7、，经过同位素分馏之后二种物质或不同相的同一物质中某元素的相应同位素比值之商（）或值之差（）A-B=(A+1000)/( B+1000)=B-ACH4的产生、氧化和传输过程皆存在同位素分馏：产甲烷菌优先利用12C基质、甲烷氧化菌优先氧化12CH4 、12CH4能更快地被传输。稳定性碳同位素自然丰度法是通过测定CH4排放过程中碳同位素的组成，并根据同位素质量守恒定律来定量评估CH4产生途径和氧化百分率。稳定性碳同位素自然丰度法-基本原理CH4排放过程中的碳稳定性同位素组成以持续淹水稻田为例稻田CH4产生有两个主要途径： H2/CO2途径：4H2+CO2CH4+2H2O； 乙酸途径： CH3COOH

8、CH4+CO2根据同位素质量守恒定律，通过下面两式计算乙酸产CH4的贡献率 (fac)： fac = CH4ac/(CH4(CO2)+CH4ac）； 13CH4= fac 13CH4ac+(1- fac ) 13CH4 (CO2) 13CH4：厌氧培养产生的13CH413CH4 (CO2)：根据厌氧培养产生的13CO2以及H2/CO2还原途径的同位素分馏系数推算（ 13CH4 (CO2) = (13CO2 +1000)/ (CO2/CH4) -1000）(CO2/CH4) =1.061.083（Fey et al., 2004）； 13CH4ac= -43 -30 （Nakagawa et a

9、l., 2002）乙酸产CH4途径的相对贡献率：fac13CH4氧化前：厌氧培养产生的13CH413CH4氧化后：由田间排放的13CH4推算出来 13CH4氧化后 = 13CH4排放-传输。传输实验（传输分馏系数传输）： 由植株排放的13CH4减去植株通气组织中的13CH4土壤好氧培养实验（氧化分馏系数ox ）： （ ox =1+(13CH4开始 +1000)-(13CH4结束 +1000)/f ） 。 ox = 1.0251.038（Coleman et al., 1981; Krger et al., 2002）根据同位素质量守恒定律由下式计算CH4氧化百分率 (fox)：13CH4氧化前

10、=13CH4氧化后+ fox(1/ ox)-1)(1+13CH4氧化后/1000)1000 CH4氧化百分率fox详细系统地介绍了该方法，并指出了当前研究的不足与需要深入探索的内容厌氧培养N2连续冲洗法好氧培养高浓度CH4（10000ppm）N2N2N2N2大田和培养试验水分管理有机肥施用冬季水分管理稻季水分管理稻季秸秆还田冬季秸秆还田甲烷产生潜力甲烷氧化潜力甲烷排放通量上述各过程的碳同位素组成稳定性碳同位素自然丰度法水分管理、有机肥施用等对稻田甲烷产生、氧化和排放的影响溶液中甲烷浓度总体思路1，水分管理（稻季和冬季）对稻田CH4 排放过程的影响； （稻季持续淹水和间隙灌溉；冬季持续淹水和自然

11、排水）2，稻季秸秆还田对CH4 排放过程的影响；（稻季施用秸秆和不施秸秆）3，CH4传输的碳同位素分馏； 持续淹水稻田4，CH4氧化的碳同位素分馏。 风干土壤，水分一致，不同地区土壤；3种不同温度（15,25和35）研究内容试验地点：江苏省句容市白兔镇行香村（3158N, 11918E），典型的稻麦轮作系统；环境气候：属北亚热带季风气候区，年平均气温15.1 ，年平均降雨量10001100 mm；土壤性质：试验土壤是发育于下蜀黄土的爽水性水稻土，土壤有机碳11.2 g kg-1, 全氮 1 g kg-1, 土壤 pH 6.9 。观测时间：2007年冬季至2009年稻季。 试验点基本情况阐明了稻

12、季水分管理对CH4产生、氧化和排放的影响主要进展（一）间隙灌溉提高Eh，可能导致乙酸营养型产甲烷菌受到更大程度上的抑制。降低810%产生提高4563%间隙灌溉显著降低CH4产生并相对增强CH4氧化，从而显著提高CH4氧化百分率。氧化28CH4排放通量与排放13CH4CH4排放通量与CH4产生潜力、排放13CH4的关系 12 22 高CH4氧化百分率排放2945%CH4产生量0.00.30.60.9间隙灌溉持续淹水CH4氧化比率fox55%CH4氧化量05101520间隙灌溉持续淹水CH4排放量 (g CH4m-2)71%CH4排放量小结探明了冬季水分管理对CH4产生、氧化和排放的影响主要进展主

13、要进展（二）冬季排水导致稻季土壤Eh相对比较高，使得其乙酸营养型产甲烷菌产CH4的能力相对减弱。降低510%产生土壤CH4产生潜力和产生途径 32水稻根CH4产生潜力及产生13CH4水稻根CH4产生途径 40%-75 土壤与稻根的乙酸产CH4的贡献率不同可能与它们的产甲烷优势菌不同有关。证实： RC-I主要利用CO2还原产CH433发现：RC-I是根表面的主要产甲烷菌提高515%冬季排水显著降低CH4产生，但对CH4氧化无明显影响，从而明显提高CH4氧化百分率。氧化35CH4排放通量和土壤Eh 排放36CH4排放总量37稻田CH4产生量、氧化量及排放量的比较61%42%56%15%5%52%3

14、9%57%42% 稻田小结揭示了稻季秸秆还田对CH4产生、氧化和排放的影响主要进展（三）施秸秆提高乙酸产CH4的贡献率1030%产生1、施秸秆降低稻田CH4氧化百分率4171%；2、 CH4产生提高的幅度远大于CH4氧化增加的幅度。氧化甲烷传输分馏：施秸秆：-8，不施秸秆：-12施秸秆影响水稻植株生长，降低其干物质积累量传输42CH4排放通量与土壤Ehr = -0.538 -0.426, P 0.05 r = 0.943, P0.01 CH4排放通量与溶液中CH4浓度排放13CH4排放CH4产生量（g g-1）CH4 产生95%56%CH4氧化CH4氧化量fox (%)CH4排放168%CH4

15、排放量（g m-2）小结开发一种新的水稻植株CH4传输碳同位素分馏的观测方法以往测定 传输主要有两种方法：1）田间排放的 13CH4 值减去土壤孔隙水中的 13CH4 值，2）田间排放的 13CH4 值减去水稻植株通气组织中的13CH4 值，但均存在较大的不确定性。新方法：密闭箱+植株切割法主要进展（四）CH4传输过程的同位素分馏 = a-b通气组织13CH4 植株排放13CH4 1，根据文献方法得到的CH4传输同位素分馏系数变化范围为-12.1 2.1，均存 在正值，不符合实际。 2，而采用分隔箱法得到的CH4传输同位素分馏系数变化范围为-12.6-9.8，本方法科学、合理。 稻田的13CH

16、4田间排放、13CH4孔隙水、13CH4植株排放、13CH4通气组织和CH4传输同位素分馏系数移栽后天数（天）13CH4（田间排放）（A）13CH4（孔隙水）（B）13CH4（植株排放）（C）13CH4（通气组织）（D）CH4传输同位素分馏系数A-BA-DC-D37-51.9-43.1-63.1-53.3-8.81.4-9.862-51.3-51.8-66.0-53.40.52.1-12.679-53.5-41.4-64.8-54.5-12.11.0-10.3首次报道稻田土壤的甲烷氧化分馏系数并发现不同土壤和温度对氧化分馏影响明显主要进展主要进展（五）不同土壤1.0061.0211.026不同

17、温度总结持续淹水稻田的甲烷产生途径和氧化百分率与国外报道结果相似：乙酸产甲烷在水稻生长后期占主导地位，其贡献率超过60%；氧化百分率在水稻生长前期最大，随后逐渐减小。但较国外稻田的产生途径与氧化百分率，我国的均相对偏大；稻季排水烤田减少乙酸产甲烷的贡献率，提高甲烷氧化能力与氧化百分率；冬季稻田自然排水减少后续稻季乙酸产甲烷的贡献率，提高甲烷氧化氧化百分率；稻季施用秸秆促进乙酸产甲烷，增强甲烷氧化能力但降低氧化百分率；施用秸秆抑制植株生长，减弱甲烷的传输分馏能力；培养温度升高，增强甲烷氧化能力，促进氧化分馏；不同土壤的甲烷氧化能力越强，氧化分馏越小。 从产生、氧化和传输等过程层次上比较全面、系统

18、地阐明了水分管理和有机肥施用对稻田CH4排放的影响及其机理，初步推动了我国稻田CH4排放研究从宏观通量观测向微观过程层次方向深入发展，也能为探索稻田CH4排放的模型估算、减排措施提供重要的支撑和科学依据。研究意义Zhang GB, Yu HY, Fan XF, Liu G, Ma J, Xu H. Effect of rice straw application on stable carbon isotopes, methanogenic pathway, and fraction of CH4 oxidized in a continuously flooded rice field in

19、 winter season. Soil Biology & Biochemistry, 2015, 84: 75-82.Zhang GB, Zhang WX, Yu HY, Ma J, Xu H, Yagi K. Increase in CH4 emission due to weeds incorporation prior to rice transplanting in a rice-wheat rotation system. Atmospheric Environment, 2015, 116: 83-91.Zhang GB, Zhang WX, Yu HY, Ma J, Xu H

20、, Yagi K. Fraction of CH4 oxidized in paddy field measured by stable carbon isotopes. Plant and Soil, 2015, 389: 349-359, DOI 10.1007/s11104-014-2365-5.Zhang GB, Ji Y, Liu G, Ma J, Xu H. Carbon isotope fractionation during CH4 transport in a paddy field. SCIENCE CHINA Earth Sciences, 2014, 57(7): 16

21、64-1670, doi: 10.1007/s11430-014-4879-3. Zhang GB, Liu G, Zhang Y, Ma J, Xu H, Yagi K.Methanogenic pathway and fraction of CH4 oxidized in paddy fields: seasonal variation and effect of water management in winter fallow season. PLoS ONE, 2013, 8(9): e73982. doi:10.1371/journal.pone.0073982. Zhang GB

22、, Ji Y, Ma J, Liu G, Xu H, Cai ZC, Yagi K. Pathway of CH4 production, fraction of CH4 oxidized, and 13C isotope fractionation in a straw incorporated rice field. Biogeosciences, 2013, 10: 3375-3389.Zhang GB, Ji Y, Ma J, Xu H, Cai ZC, Yagi K. Intermittent irrigation changes production, oxidation, and

23、 emission of CH4 in paddy fields determined with stable carbon isotope technique. Soil Biology & Biochemistry, 2012, 52: 108-116.Zhang XY, Zhang GB, Ji Y, Ma J, Xu H, Cai ZC. Straw application altered CH4 emission, concentration and 13C-isotopic signature of dissolved CH4 in a rice field. Pedosphere

24、, 2012, 22(1): 13-21.Zhang GB, Zhang XY, Ji Y, Ma J, Xu H, Cai ZC. Carbon isotopic composition, methanogenic pathway, and fraction of CH4 oxidized in a rice field flooded year-round. Journal of Geophysical Research, 2011, 116, G04025, doi: 10.1029/2011JG001696.张广斌，马静，徐华，蔡祖聪。稳定性碳同位素方法在稻田甲烷研究中的应用。土壤学报，2009，46(4)：676-683。张广斌，马静，徐华，蔡祖聪。稻田甲烷产生途径研究进展。土壤，2011，43(1)：6-11。张晓艳，张广斌，纪洋，马静，徐华，蔡祖聪。冬季淹水稻田CH4排放通量及其13C的时间变化特征。土壤学报，2012，49