利用遥感监测厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)对泰国水稻栽培甲烷(CH4)排放潜力的影响

《Environments》：Remote Sensing of El Ni?o–Southern Oscillation Impact on Methane Flux Potential from Rice Cultivation in Thailand

　　

摘要：水稻栽培常采用持续淹水(Continuous Flooding, CF)方式，该方法严重依赖水资源以形成产甲烷(CH4)所需的厌氧条件。雨养稻田依靠降水灌溉，使该系统对气候变率敏感。本研究利用2012—2022年GOSAT(温室气体观测卫星)为主要长期数据集、Sentinel-5P/TROPOMI为近期空间格局辅助数据集，分析ENSO(厄尔尼诺—南方涛动)相位与泰国上空卫星观测大气柱平均干空气甲烷摩尔分数(XCH4，column-averaged dry-air mole fraction of CH4)变率之间的关联。分析涵盖三个作物季：(1)1—4月、(2)5—8月、(3)9—12月。结果显示，厄尔尼诺(El Ni?o)期间平均大气甲烷浓度为1787.94±11.50 ppb XCH4，中性(Neutral)条件下为1788.8±11.22 ppb XCH4，拉尼娜(La Ni?a)期间为1793.45±10.93 ppb XCH4。数据表明存在季节变率，卫星观测XCH4最高值出现在9—12月，对应于雨季水稻主生长期。结果表明气候变化通过改变降水和可用水量放大这些异常。当前水稻栽培方式值得重新考量，特别是交替湿润干燥(Alternate Wetting and Drying, AWD)法可在节约水资源的同时减少CH4排放。这强调了水分管理策略对可持续水稻生产及气候变率适应力的重要性。

论文解读：

《Remote Sensing of El Ni?o–Southern Oscillation Impact on Methane Flux Potential from Rice Cultivation in Thailand》发表于《Environments》。甲烷(CH₄)是仅次于二氧化碳(CO₂)的重要温室气体，全球增温潜势在100年时间尺度约为CO₂的25～28倍。水稻田因持续淹水形成土壤厌氧环境，促进产甲烷古菌(methanogen)活动，是人为CH₄排放的主要来源之一。泰国是全球重要水稻生产与出口国，其水稻种植区主要集中在昭拍耶河(Chao Phraya)与 chi 河洪泛平原，绝大部分为雨季(9—12月)移栽的主季稻，依赖季节性降雨与河流灌溉。ENSO(El Ni?o–Southern Oscillation，厄尔尼诺—南方涛动)通过改变太平洋海表温度(SST)及沃克环流，强烈影响东南亚降水——El Ni?o伴少雨干旱，La Ni?a伴多雨洪涝，Neutral接近均值，进而改变稻田淹水持续时间与厌氧程度，理论上可调制CH₄产生与排放。已有研究多基于田间箱式通量(chamber flux)观测，难以反映区域尺度变异；而卫星遥感可获取柱平均干空气甲烷摩尔分数(XCH₄，column-averaged dry-air mole fraction of CH₄)，为大尺度分析提供可能。因此研究人员利用2012—2022年GOSAT与Sentinel-5P/TROPOMI卫星XCH₄数据，结合ONI(Oceanic Ni?o Index，大洋尼诺指数)划分ENSO相位，按泰国水稻历将一年分为三期，经去长期趋势(detrending)与距平(anomaly)处理，分析不同ENSO相位下泰国水稻主产区大气XCH₄时空变异及其与水稻物候、水文气候的关联，并辅以HYSPLIT( Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model，混合单粒子拉格朗日综合轨迹模型)后向轨迹分析气团输送背景，探讨ENSO通过水文气候调控稻田淹水进而影响CH₄相关大气信号的可能性，最终为推广AWD(Alternate Wetting and Drying，交替湿润干燥)节水减排措施提供科学依据。

主要关键技术方法：研究人员选取泰国全境(5°37′–20°27′N，97°22′–105°37′E)为研究区，依据NOAA CPC的Ni?o 3.4区ONI值将2012—2022年各月划分为El Ni?o(ONI≥+0.5℃)、La Ni?a(ONI≤?0.5℃)、Neutral(?0.4～+0.4℃)三类，排除ENSO分类模糊年份(2014、2018)。主要数据源为GOSAT(日本 Greenhouse Gases Observing Satellite，Level 2 SWIR XCH₄，~10.5 km直径像元)2012—2022年全年数据与Sentinel-5P/TROPOMI(TROPospheric Monitoring Instrument，~5.5/7×7 km分辨)2018年后数据作辅助空间验证；两源分别做质量筛选(validity>50)、DCT(Discrete Cosine Transform)滤波后重采样至0.25°×0.25°网格，按月与按季(Period 1:1—4月，Period 2:5—8月，Period 3:9—12月)统计均值。为消除全球大气CH₄长期上升趋势干扰，对2012—2022年逐像元XCH₄时间序列做一元线性回归拟合得到年际趋势线，从原始值扣除年趋势得去趋势XCH₄，再算月距平(减长期月气候平均)。ENSO相位间与季节间差异用Bootstrap置信区间检验。选用泰国5个代表性产稻省份(Nakhon Sawan、Suphan Buri、Phetchaburi、Ubon Ratchathani、Phitsanulok)做48 h后向轨迹计算( HYSPLIT模型，GDAS 1°气象场，起始高度100/300/500 m AGL)，叠合土地利用数据分析可能影响测站上空气团来源的CH₄潜在排放区，仅作输送背景参考而非源解析。

研究结果：

3.1. Seasonal Climate Impacts on Rice Cultivation in Thailand

研究人员比对2012—2022年年降雨、均温与水稻面积、单产数据发现：El Ni?o年(2015、2016、2019)气温偏高(27.9～28.1℃)、降雨最少(1344～1718 mm)，水稻种植面积显著缩减(<10,000 kha)，单产最低(2.53～2.70 t/ha；强El Ni?o的2015年仅2.53 t/ha)；La Ni?a年(2020—2022)降雨增多(1529～2012 mm)、气温略低(27.4～28.0℃)，2022年达最高单产2.86 t/ha；Neutral年居中。ONI与降雨(r=?0.70)、ONI与水稻种植面积(r=?0.72)均呈显著负相关(p<0.05)，证实El Ni?o导致缺水压缩稻田面积。持续淹水(CF)造成长时厌氧促CH₄生成；CH₄排放途径含扩散(diffusion)、气泡释放(ebullition)及植株介导传输(plant-mediated transport经由通气组织aerenchyma)。Period 3为主季稻分蘖—抽穗—成熟阶段，植株通气组织发育完善、淹水持久，CH₄传输与产甲烷最强；Period 2为苗期—分蘖初期，根系未发育完全且常排水晒田，土壤好氧抑制产甲烷，故CH₄相关信号最弱。

3.2. Variability in Atmospheric CH₄in Thailand

因大气CH₄寿命约9～12年，原始XCH₄含历史累积与新排贡献，研究人员经线性回归去趋势分离年际波动。全期平均XCH₄：El Ni?o年为1787.94±11.50 ppb，Neutral为1788.80±11.22 ppb，La Ni?a为1793.45±10.93 ppb，La Ni?a略高于El Ni?o与Neutral，但总体重叠较大。季节平均：Period 1(1—4月)1764.07～1815.01 ppb段中值为1791.19±0.75 ppb，Period 2(5—8月)最低1764.07±1.64 ppb，Period 3(9—12月)最高1815.01±1.69 ppb，三期差异显著(p<0.05)。最高值对应主季稻生长盛期及持续淹水，最低值对应早季秧田及排水期，符合水稻物候—淹水动态—产甲烷过程耦合预期，但XCH₄为柱均值，不能直接等同于稻田排放通量。

讨论与结论翻译归纳：

研究人员指出卫星XCH₄受背景浓度、垂直混合、输送及多源(湿地、牲畜、废弃物、生物质燃烧、化石燃料、稻田)共同影响，故时空格局应解释为区域大气CH₄变率而非稻田直接源归因。尽管如此，La Ni?a期较高XCH₄、El Ni?o期较低XCH₄与ENSO降水—淹水时长—厌氧条件预期方向一致。HYSPLIT后向轨迹显示影响泰国稻区气团多源自东北(中南半岛、华南)及西南(泰国湾)，途经农地/淹没植被但未量化各源贡献。本研局限含地面涡度相关/eddy covariance或箱式CH₄通量站点稀少，难以严格分离稻田份额，未来需融合地面通量、排放清单、灌水管理与输送模型做源解析。主要结论如下：ENSO是泰国大气CH₄变率的关联驱动因子之一，通过调节降雨与稻田淹水时长影响厌氧产甲烷环境；卫星XCH₄在La Ni?a年偏高、El Ni?o年偏低、Neutral居中；季节上Period 3(9—12月主季稻生长期)XCH₄最高，Period 2(5—8月)最低；提倡推广AWD法可减排约35%稻田CH₄且保产，增强气候韧性；卫星遥感XCH₄具区域至国家尺度估算与监测潜力，支撑减排政策制定。