Effects of elevated CO2 concentration on CH4 and N2O emissions from paddy fields: A meta-analysis

The inevitable rise of atmospheric CO₂ concentration plays an important role in regulating the carbon(C)and nitrogen(N)cycling in the rice-cropping system.Elucidating the effects of elevated CO₂ concentration(ECO₂)on CH₄ and N₂O emissions from paddy fields is essential for evaluating agricultural production in response to global climate change.In this study,we conducted a global meta-analysis to assess the overall effect of ECO₂ on CH₄ and N₂O emissions from paddy fields,aiming at providing a guideline for sustainable C and N management in paddy fields under future climate conditions.The results showed that,overall,ECO₂ significantly increased CH₄ emissions from rice fields by 23%(P<0.05),but reduced N₂O emissions by 22%(P<0.05).With a long duration(>10 yr)of ECO₂ ,ECO₂ significantly reduced CH₄ and N₂O emissions from paddy fields by 27%and 53%,respectively(P<0.05).Along with the increasing levels of ECO₂ ,the stimulating effect of ECO₂ on CH₄ emissions showed a trend of"weakening firstly and then strengthening",while its effect on N₂O emissions changed from stimulation to inhibition.Agronomy managements(e.g.,N application rates,straw incorporations,water regimes,and rice cultivars)affected the effects of ECO₂ on CH₄ and N₂O emissions from paddy fields.With no or half amount of straw incorporation,ECO₂ increased CH₄ emissions by 27% or 49%(P<0.05)from paddy fields,respectively,while non-significant effects on CH₄ emissions from paddy fields were observed under full straw incorporation.With the increasing amount of straw incorporation,the reductions in N₂O emissions from paddy fields were enhanced by ECO₂.Compared with a continuous flooding regime,intermittent irrigation weakened the promoted effect on CH₄ emissions but stimulated the inhibited effect on N₂O emissions from paddy fields under ECO₂.Therefore,under the future condition of ECO₂,it is recommended to adopt the appropriate agricultural management measures,such as combining straw incorporation and intermittent irrigation,and optimizing N application and using rice cultivars of high-yield with lower emissions.In addition,it is necessary to conduct comprehensive studies at multiscale,with multi-factor,and by multi-method to effectively reduce the uncertainty of quantifying the response of CH₄ and N₂O emissions from paddy fields to future ECO₂ .     

三峡水库CO2、CH4通量监测分析研究

自成库以来,三峡水库CO₂、CH₄等温室气体通量较蓄水前发生明显改变。如何科学认识和客观评估三峡水库修建及运行对其CO₂、CH₄等温室气体通量的影响备受关注。本文简要回顾了自2009年以来在三峡水库开展CO₂、CH₄等温室气体通量监测与分析工作,综述认为,现阶段三峡水库温室气体排放以水-气界面扩散释放为主要途径。陆源输入的有机碳是主导三峡水库CO₂、CH₄产生的主要碳源,但在局部区段或时段自源性有机碳的贡献亦十分显著。同蓄水前相比,三峡水库碳排放量呈现为净增加,淹没效应约占水库C净增量的20%,库区内点面源污染负荷并未对CO₂排放的净增量产生显著贡献,阻隔效应和生态系统重建效应对三峡水库碳排放的净增量产生显著贡献。近10年来,监测方法比对、监测点位优化等工作在一定程度上完善了三峡水库温室气体通量监测体系。新方法、新技术的引入也为三峡水库温室气体通量监测分析提供了有利支撑和保障,但复杂水文环境...     

N2O增加对大气环境影响的模拟及其与甲烷和平流层水汽影响的比较

本文利用美国国家大气环境中心(NCAR)的二维化学、辐射和动力相互作用的模式(SOCRATES),模拟了大气中N₂O增加对O₃和温度的影响,并从化学、辐射和动力过程讨论了影响原因,此外还与大气甲烷和平流层水汽增加对大气环境的影响进行了对比.分析表明:大气中N₂O浓度增加以后,将通过化学过程引起30 km以上O₃损耗,30~40 km损耗较多;30 km以上降温明显,下平流层中低纬度地区以及对流层O₃增加并有微弱升温;30~40 km附近,北半球中高纬地区O₃减少以及降温幅度都大于南半球.对流层升温主要是N₂O和O₃增加所致,而平流层温度变化主要受O₃控制.北半球中高纬地区动力过程对温度变化的反馈较其它地区明显,这种反馈对平流层中高层北半球中高纬地区温度和O₃的变化都有明显影响.大气中甲烷增加引起的O₃损耗在45 km以上,45 km以下O₃增加.平流层水汽增加会引起40 km以上O₃减少,20~40 km大部分地区O₃增加.N₂O增加造成的O₃损耗正好位于臭氧层附近,其排放对未来O₃层恢复至关重要.N₂O增加引起下平流层15~25 km中低纬度地区有弱的升温,这与其它温室气体增加对该地区温度的影响不同,CO₂,CH₄和H₂O等增加后下平流层通常是降温.     

微囊藻CO2-浓缩机制基因型的动态变化及其对CO2的竞争效应

由于具有高效的CO₂-浓缩机制,蓝藻在低CO₂浓度条件下具有竞争优势。然而,随着大气中CO₂浓度急剧增加,蓝藻CO₂-浓缩机制如何响应的研究较少。因此,本文以常见水华蓝藻——微囊藻为研究对象,通过对滇池微囊藻水华动态及不同CO₂-浓缩机制基因型进行监测,探讨蓝藻CO₂-浓缩机制基因的微进化特征及其动态变化。同时,设置高(0.08%)、中(0.04%)、低(0.02%)CO₂浓度(V/V)进一步揭示微囊藻不同CO₂-浓缩机制基因微进化对CO₂的竞争效应。结果表明:滇池无机碳浓度在4个采样点存在空间差异性,均呈现先降低后升高的趋势,并以HCO₃^-为主要无机碳存在形式。调查期间,东大河、观音山、洛龙河和生态所4个采样点的微囊藻均以sbtA基因型占绝对优势,相对丰度远高于bicA基因型。在不同水华时期,bicA基因型和sbtA基因型呈现相反的变化趋势,即从...     

大气CO2浓度非均匀动态分布条件下的气候模拟

利用现有大气本底站的大气CO₂浓度观测信息,综合考虑不同经济区划与土地覆盖类型对应的CO₂浓度差异及其季节变化规律,构建模式区域内以月为单位的网格化大气CO₂浓度非均匀动态分布数据模型.由此数据模型驱动RegCM4-CLM3.5区域气候模式运行,对东亚区2000年3月—2009年2月之间的气候变化特征进行了模拟,进而对大气CO₂浓度非均匀动态分布可能引起的区域气候效应进行了初步研究.结果表明:目前气候模式中CO₂浓度的常态均匀分布假设可能将温室效应夸大了10%左右.对大气CO₂浓度非均匀动态分布影响气温变化的可能机制进行研究表明:CO₂的自身效应(改变大气透射率)并不是导致Exp2试验温度降低的主要原因.大气CO₂浓度的变化影响了大气与植物胞间CO₂分压差,陆地植被通过改变气孔阻力适应这种变化,气孔阻力的变化直接影响到植物与大气间水分的交换,这种作用一方面通过蒸发冷却改变环境温度,另一方面,蒸发水分改变了近地面层湿度,进而水汽扩散到空中影响低云的分布.冬季,植物处于非生长季,对大气CO₂浓度变化响应微弱,湿度和低云变化不明显;夏季,植物生长旺盛,由CO₂生理学强迫激发的云反馈效应强烈,其效果是使中低云趋于增加,进而减弱了到达对流层低层的太阳短波辐射,造成温室效应减弱.     

2008年汶川MS8.0地震前后川西含碳气体卫星高光谱特征

2008年汶川地震导致了大量地下含碳气体释放. 本文基于卫星高光谱数据采用差值法获取了汶川地震前后川西地区含碳气体异常的时空分布特征. 结果显示汶川地震前后不同含碳气体异常的时空分布特征不同. 空间分布上,CH₄,CO₂和CO异常分布于震中附近且受断裂控制明显,与热红外异常特征类似;CO和CO₂异常的范围较CH₄大,CO除沿断裂带分布外,在四川盆地也大面积出现. 异常出现时间上,CO₂异常最早,其次为CH₄和CO. 气体来源上,CO₂和CH₄主要来源于地球内部沿断裂带释放,在地球内部还原条件下,CH₄还可由CO₂还原形成;CO异常除了沿断裂带释放和由断裂带释放的CH₄氧化生成外,还由四川盆地渗漏的CH₄氧化生成. 本文结果可用于地震监测预测研究,不仅提供了新的地震前兆观测参数,还为地震热红外异常机制“地球放气温室效应”提供了科学依据,同时对地震引起的地质碳排放研究也有重要意义.      

武汉和阿德莱德大气太阴N2潮及M2潮的对比分析

利用阿德莱德（35°S,138°E）和武汉（30.6°N,114.5°E）的流星雷达观测数据首次给出了80~100 km高度上周期为12.66太阳时的大气太阴半日潮汐（N₂潮）的季节、高度、年度变化及其与周期为12.42太阳时的大气太阴半日潮汐（M₂潮）的对比分析.分析结果表明：武汉和阿德莱德的N₂潮和M₂潮均有明显的季节、高度和年度变化.N₂潮与M₂潮的幅度比值大于其引力势之比0.191,在某些年份的不同季节和高度上,N₂潮的幅度甚至大于M₂潮的幅度.大多幅度之比接近或超过N₂潮和M₂潮引力势之比的2倍.中低热层的大气太阴N₂潮汐值得关注.     

巢湖水-气界面N2O通量排放特征及影响因素

湖泊是温室气体氧化亚氮(N₂O)的潜在排放源,但由于自然环境以及人类活动的差异,其N₂O排放规律也存在特殊性和地域性。为探究巢湖N₂O排放通量的时空特征,利用静态暗箱-气相色谱法于2018年3月至2019年12月对巢湖不同区域(东、中、西)N₂O的排放进行观测。结果表明,巢湖水体N₂O年均排放通量为(25.14±55.01)μg/(m²·h),表现为N₂O的“源”,且具有较为明显的时空分布规律。在时间分布上,季节变化趋势呈现“M”形模式,7月出现最小值且表现为N₂O的“汇”((-12.97±16.32)μg/(m²·h)),在6月和8月为峰值,全年最大值出现在8月((68.25±78.05)μg/(m²·h)),极值均出现在夏季。在空间分布上,东、中、西3个湖区N₂O排放通量差异显著(P=0.03),N₂O排放通量最大值((4...     

藻型湖区氧化亚氮排放特征及其影响因素

湖泊等内陆水体是大气N₂O潜在的重要排放源,也是全球N₂O收支估算的重要组成部分。目前全球湖泊普遍面临富营养化和蓝藻暴发等问题,明晰藻型湖泊N₂O排放强度及其环境影响因子对准确估算湖泊N₂O排放和预测其未来变化至关重要。本研究选择太湖藻型湖区为研究对象,同时选取人为活动影响较小的湖心区作为对比区域,基于2011年8月至2013年8月为期2年的逐月连续观测,探讨藻型湖区N₂O排放特征及其影响因素。结果表明,藻型湖区呈现极强的N₂O排放,其排放通量为(4.88±3.05) mmol/(m²·d),是参考区域(湖心:(2.10±4.31) mmol/(m²·d))的2倍多。此外,在藻型湖区中不同点位N₂O排放差异显著,受河流外源输入影响,近岸区是N₂O的热点排放区,其年均排放通量高达10.93 mmol/(m²·d)。连续观测表明N₂     

2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗MS5.8地震前后CH4和CO变化

基于卫星高光谱数据讨论鄂尔多斯西缘CH₄和CO气体背景场特征和2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗M_S5.8地震前后气体异常变化。 结果表明, CH₄和CO气体总量在时间上均存在显著的季节变化, 空间分布上受构造地质背景、 地形地貌影响, 高值区位于银川、 吉兰泰、 河套断陷盆地。 2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗M_S5.8地震当月, CH₄异常沿鄂尔多斯西缘断裂带呈线性展布, 地震前1周左右, 震中两侧油气田出现CH₄异常, 异常幅度达到6倍标准偏差, 与地震引起附近油气田CH₄逸出增加有关; CO异常空间分布与CH₄基本一致, 时间上滞后CH₄异常1周左右, 持续2周左右后消失。 CH₄和CO关系密切, CO异常部分源自CH₄氧化。     

中国大陆科学钻探工程主孔地下流体特征及与地震活动的关系初步研究

收集了中国大陆科学钻探主孔工程(CCSD)主孔中117～2045 m深度地下流体某些组分(He、 Ar、 CO₂、 CH₄)的浓度资料和2001年7月1日至2002年4月30日时间段内钻孔周围500 km范围内震级M_L≥1.0地震目录资料, 对其流体资料进行日均值处理、 差分分析和最大相关系数处理。 由日均值浓度看出地震前后He、 Ar、 CO₂、 CH₄浓度存在明显异常; 最大相关系数分析表明, CH₄和CO₂组分两者相关性好, 最大相关系数平均值为0.95, 均方差为0.08, 说明两者可能具有相同的来源。 CH₄和CO₂浓度日均值最大相关系数在地震前后出现明显的异常波动。 主孔中的地下流体特征及与周围地震活动的对应关系揭示大陆科学钻探主孔中的地下流体异常与区内地震活动可能存在一定关系。     

低等级河流CO2分压的时空变化及驱动因素——以汉江流域月河为例

河流CO₂排放是全球碳循环的重要组成部分。 以汉江上游流域低等级(Strahler 等级 1 ～ 3) 河流月河为研究对象,采样测定 2016 年 12 月和 2017 年 6 月的关键环境因子并计算河流 CO₂分压(pCO₂)。 利用统计学模型,探讨不同等级河流水环境因子的时空变化及关键控制因素。 结果表明,月河流域低等级河流 CO₂约有 87% 的采样点过饱和,pCO₂变化范围是 135～5960 μatm,不同等级河流环境因子和pCO₂具有明显的时空差异,且河流pCO₂随着河流等级的增加而增加。利用 R 语言“ggpair”函数分析显示,河流pCO₂与建设用地占比、耕地占比和总氮(TN)、总磷(TP)、溶解性有机碳(DOC)浓度呈正相关,与森林用地占比、溶解氧(DO)浓度及坡度呈负相关。 对比分析不同等级河流的关键控制因素发现,低等级河流 pCO₂受土地利用和环境因子共同控制,且土地利...     

江西南昌新建—樵舍断裂土壤气Rn、CO2地球化学特征

为研究南昌新建—樵舍断裂土壤气体地球化学特征及构造地球化学背景,采用野外断层土壤气测量方法,于2021年4月和9月开展2期土壤气Rn、CO₂的重复观测,结果发现：(1)土壤气浓度范围：第1期Rn、CO₂的浓度范围分别为2 280—81 408 Bq/m³和0.09%—1.49%,背景值分别为21984Bq/m³和0.53%;第2期Rn、CO₂的浓度范围分别为5 560—97 000 Bq/m³和0.33%—7.05%,背景值分别为30 500 Bq/m³和1.44%。(2)断裂带位置判定：测线上测点2附近土壤气浓度出现高值异常,由于气体在断裂带附近较为富集,判断此处可能为新建—樵舍断裂浅层位置所在。基于2期实测土壤气Rn浓度的断裂活动性评价结果,认为新建—樵舍断裂带现今活动较弱或活动不明显。本研究结果可为研究区土壤气的进一步研究和地质构造活动分析提供地球化学基础资料。     

陇县—宝鸡断裂带CO2气体地球化学特征及成因

陇县—宝鸡断裂带位于青藏块体东北缘,属于鄂尔多斯块体西南缘弧形断裂束的最南段。为对比分析该断裂带的分段活动性强弱特征,利用断裂带逸出气CO₂的地球化学特征进行反演。布设6条跨断层土壤气CO₂测线,进行2期测量,共计获取150个土壤气CO₂组分浓度,计算了气体的相对活动强度;收集了60件CO₂气体样品,测试了其碳同位素组成。结果表明：岐山—马召断裂的气体活动强度（1.56～2.70）比固关—虢镇断裂的气体活动强度（1.73～1.75）大,且岐山—马召断裂上的CO₂碳同位素组成比固关—虢镇断裂上的CO₂更靠近深部物质端元。位于南段的岐山—马召断裂的地下构造连通性较好,断裂闭锁程度较低,而位于北段的固关—虢镇断裂气体活动性较弱,闭锁程度较高,未来发生地震的危险性较高。     

中国火山温泉气体地球化学特征及其在火山监测中的应用

中国火山温泉主要分布在吉林长白山、云南腾冲和黑龙江五大连池等火山区。这些火山虽然处于休眠状态,但大面积的温泉分布指示着岩浆房存在的可能性。本文总结了前人研究成果,分析了中国主要火山区温泉气体地球化学特征,并探讨了温泉气体在火山监测中的应用。长白山、腾冲和五大连池火山区温泉气体地球化学性质类似,都以CO₂为主要气体,含量在80%以上,最高可达99%以上,其它气体组分包括CH₄、N₂、O₂、SO₂、H₂S、He和H₂等。长白山火山温泉气体中氦同位素比值（3He/4He）最高,约为4—6R_A,CO₂中碳同位素比值（δ13C）为-7.9‰—-1.3‰,CH₄中碳同位素为-48.0‰—-28.7‰;腾冲火山温泉气体氦同位素比值为3—5.5R_A,CO₂中的碳同位素为-6.49‰—-2.07‰,CH₄中碳同位素为-23.5‰—-9.3‰;五大连池火山温泉气体氦同位素比值约为3R_A,CO₂中的碳同位素比值为-9.6‰—-3.1‰,CH₄中碳同位素为-47.2‰—-44.4‰。3个火山区的温泉气体均显示地幔来源的岩浆气体特征,并在上升运移过程中受地壳或古俯冲物质的影响。     

江苏宿迁台断层气CO2浓度特征及影响因素分析

选用江苏宿迁台2021年4月1日至11月26日观测数据,分析断层气CO₂浓度与地质构造、土壤覆盖层及气象等因素的关系。研究结果显示：宿迁台断层气CO₂测点位置优良,高值出现在每年的10、11月,低值出现在每年的1、2月,7月的观测值有轻微下降趋势,8—11月的观测值有上升趋势;断层气CO₂浓度变化主要受气压和降雨量影响,与气压呈正相关性,具有较好的同步性,与降水关系密切,由于降水会阻碍地下气体的运移和释放,从而影响观测数据的稳定性,出现突跳或台阶,导致测值不能真正反映测点CO₂的释放情况。通过对干扰因素及特征的研究,丰富了断层气观测手段,为研究宿迁市及郯庐断裂带中段的断裂活动与断层气关系积累资料。     

基于机器学习的水-气界面CO2、CH4扩散通量预测及影响因素分析——以三峡水库为例

传统的水-气界面温室气体通量的监测方法具有诸多局限,对其影响因素的分析也大多基于数学统计层面。对此,本研究提供了一种较为新颖的研究和分析方法——基于机器学习的数据预测和分析。本研究采用2种经典机器学习算法——随机森林(RF)和支持向量机(SVM)和2种深度学习算法——卷积神经网络(CNN)和长短时记忆神经网络(LSTM),通过环境因素预测水库水-气界面CO₂和CH₄扩散通量。此外,采用RF中的特征重要性评估和经典算法决策树(DT),对环境因素和水库温室气体扩散通量的关系进行了全新角度的数据挖掘和分析。结果表明:深度学习算法的预测效果均较好,经典机器学习算法中RF预测效果显著优于SVM。LSTM和RF分别产生了最优的CO₂扩散通量和CH₄扩散通量的预测精度,均方根误差(RMSE)分别为0.424 mmol/(m²·h)和0.140μmol/(m²·h),预测值与实测值的R²分别为0.960和0.758。RF的特征重要性评估表明沉积物因子...     

三峡水库典型支流库湾沉积物CH4产生和氧化规律

以三峡水库香溪河库湾为研究对象,采用原位加密采样(2021年5月)和室内培养方法,结合沉积物特性与水环境因子分析,探讨了香溪河库湾沉积物甲烷(CH₄)释放潜力、沉积物-水界面CH₄产生和氧化通量空间分布规律及其影响因素。结果表明:三峡水库泄水期间,香溪河库湾沉积物CH₄释放潜力的变化范围是6.35-2029.37 mg/(kg·d),沉积物-水界面CH₄产生通量和氧化通量的变化范围分别为0.04～0.73、0.03～0.62 mmol/(m²·d);空间上,沉积物CH₄释放潜力、沉积物-水界面CH₄产生及氧化通量在香溪河库湾和各典型横切面(XX02、XX05和XX06)间表现出空间差异性,主要受水深、TOC和温度的影响。垂向上,CH₄产生速率随沉积物深度的增加而减小,表层20 cm沉积物CH₄释放潜力占整柱沉积物的70%,可以用于估算库湾沉积物CH₄释放潜力。此外,沉积...     

岩溶湿地表层水体CO2分压时空分布特征及其扩散通量

为揭示岩溶湿地表层水体二氧化碳分压(pCO₂)的时空分布规律及其扩散通量,以我国最大的岩溶湿地贵州威宁草海为研究对象,分别于2019年7月(丰水期)和12月(枯水期)通过网格布点法,系统采集草海表层湿地水体,测定水样理化指标和离子组成,利用PHREEQCI软件计算水体pCO₂,并基于Cole提出的气体扩散模型估算水-气界面二氧化碳(CO₂)的扩散通量.结果表明:草海湿地表层水体丰水期pCO₂的变化范围为0.44~645.65μatm,平均值为(55.94±124.73)μatm;枯水期变化范围为35.48~707.95μatm,平均值为(310.46±173.54)μatm;丰水期水体整体pCO₂低于枯水期,空间上两期水体均呈现东部区域及河流入湖口处pCO₂较高,而中西部区域pCO₂欠饱和的特征.水-气界面CO₂的扩散通量在丰水期变化范围为-43.27~27.16 mmol/(m²·d),平均值(-34.49±12.93)mmol/(m²·d),枯水期变化范围为-33.36~28.15 mmol/(m²·d),平均值(-8.02±15.85)mmol/(m²·d),与其他岩溶湖库相比,水生植物丰富的草海在两个极端水文期CO₂扩散通量相对较低,总体表现为大气CO₂的汇.     

北天山泥火山对2012年6月30日 新源-和静MS6.6地震的响应

2012年6月30日新源-和静M_S6.6地震前后, 北天山泥火山出现了喷溢和地球化学异常变化. 该地震前、 后4天内两次观测了北天山泥火山, 采集了两批温泉和泥火山气体样品, 测定了样品的气体组分和He、 Ne同位素及CH₄、 CO₂的碳同位素组成. 结果表明, 泥火山发生了同震喷发, 气体排放量增加, 温泉和泥火山气体出现了不同程度的微量气体浓度异常, 独山子泥火山震前出现了3He/4He高值异常. 研究结果有利于确定利用泥火山和温泉监测地震活动的方法和指标.