农田土壤温室气体排放机理与影响因素研究进展

第23卷第4期中国农业气象2002年11月农田土壤温室气体排放机理与影响因素研究进展Ξ

谢军飞,李玉娥

(中国农业科学院气象研究所,北京　100081)

摘要:根据近几年国内外相关文献,对农田土壤中二氧化碳、甲烷与氧化亚氮排放相关机理及影响因子进行了归纳,并介绍了动物废弃物施用于农田土壤所导致的温室气体排放的变化情况;同时还对一些与土壤温室气体排放影响因素有关的定量模拟方程进行了介绍。

关键词:温室气体;排放机理;影响因素;模拟方程

中图分类号:S16119 文献标识码:A 文章编号:1000-6362(2002)04-0047-06

全球气候变化是温室气体浓度增加、土地与植被变化、地球的大气物理化学作用等各种因素综合作用的结果,其中人类活动所造成的大气中温室气体浓度急剧增加已成为全球变化最主要的因素。联合国政府间气候变化专门委员会IPCC(The Inter2 governmental Panel on Climate Change)第3次评估报告指出:在1990～2100年,全球平均气温很可能上升114～518℃[1]。农业生产是一种大规模的人类活动,农田土壤是重要的温室气体[二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)]的源汇。通过对农田土壤中温室气体的排放进行准确测量,研究分析其机理和影响因素,正确地评价农田土壤对大气中主要温室气体浓度变化的贡献,有助于我们对温室气体排放量及其规律和减排措施的正确了解,从而为温室气体减排以及减少气候变化预测的不确定性提供理论依据[2]。

1　农田土壤中二氧化碳(CO2)的产生过程与影响因素

111　农田土壤中CO2的产生过程

CO2是大气中最重要的温室气体,其排放量及对气候变暖的贡献远超过其它温室气体。

土壤中CO2产生的过程通常又称为“土壤呼吸”,其强度主要取决于土壤中有机质的数量及矿化速率、土壤微生物类群的数量及活性、土壤动植物的呼吸作用等。CO2排放实际是土壤中生物代谢和生物化学过程等所有因素的综合产物,通常可使土壤空气中CO2浓度升高到3000mg/kg,约是大气中的10～50倍。

112　影响农田土壤CO2排放的因素

11211　温度的影响　在一定范围内环境温度升高可加速土壤中有机质的分解和微生物活性,从而增加土壤中CO2浓度,温度对CO2释放量的影响是通过多种途径起作用的。国外学者长期观测得出了一些定量关系。Kucera[5]等在1968～1970年得出下列公式

Iny=a+bln(T+10)(1)

(1)式中:y为土壤CO2释放量;a为常数;b为温度系数(10～30℃时取116～213);T为土壤温度(℃)。K1Mathes等人[6]通过实验也得出了回归方程

Y=a+bx2(2)

(2)式中:Y为土壤CO2释放量;x为土壤温度;

a、b为统计常数。并且认为x值用地表下5cm处的温度比用地表温度效果要好一些[4]。

Monteith经长期观测发现:冬季土壤CO2释放较少,初春后逐渐增加,当8月份土温升到最高时, CO2释放量最大。农田CO2释放有明显的日变化规律,主要是气温变化的结果。

温度不仅影响微生物细胞的物理反应及化学反应速率,而且对环境的物理化学特征也有影响,微生物细胞的活动是受热力学定律所控制的。土壤有机质在微生物的参与下分解成简单的有机化合物,其中一部分进一步矿化成CO2、CH4等,该矿化过程受温度的控制。CO2排放速率的日均值与气温、地表温度呈显著的相关关系。

Ξ收稿日期:2001-12-20

　资助项目:国家自然科学基金重大项目“中国农业生态系统及全球化相互作用机理研究”。项目编号为:39899370　作者简介:谢军飞(1976-),湖南湘潭人,男,硕士生

11212　土壤水分　土壤水分不仅影响生物体的有效水分含量,也影响土壤通气状况、可溶物质的数量和p H 值等,在一定的水分含量范围内,CO 2释放量与水分含量呈极显著相关关系。在Joukoslvola 的实验中[5],有效的排水会引起约一倍的CO 2排放增长。这可能是因为CO 2在水中能被离子化,溶解度高,约为019cm 3/L (O 2约01031cm 3/L ),有效的排水会减少土壤中CO 2的溶解,从而导致CO 2排放增长。目前关于土壤水分与CO 2释放的定量化关系的研究结果还较少。Valerie 通过测量干湿交替循环的土壤呼吸强度,得出公式

[6]

A =aln (-Φ)+b (3)

(3)式中:A 为土壤CO 2呼吸强度;Φ为土壤水

势;a 、b 为统计常数。

11213　农业管理　农业生产中的水肥管理及耕作

方式直接影响土壤CO 2释放量。一般培肥土壤和调节农田小气候的措施,都有增加土壤CO 2释放的作用。

2　农田(稻田)土壤中甲烷(CH 4)产生、氧

化、传输的机理与影响因素

CH 4是第2大重要温室气体,在大气中的驻留

时间很长,单位质量的CH 4增温潜势是CO 2的56倍。尽管近年来CH 4在大气中的浓度增长速率有所变慢,但其增长幅度仍值得重视。其中稻田产生的

CH 4占相当重要的比例。

211　农田(稻田)土壤中CH 4产生、氧化、传输的机

理

21111　CH 4产生　生态系统中的CH 4都是在严格

厌氧环境下由微生物活动而产生的,即在酶的作用下分解碳水化合物成单糖,单糖再分解成酸,进而生成CH 4,基本化学式如下[7][8]:

C 6H 12O 6+2H 2O =2CH 3COOH +2CO 2+4H 2CH 3COOH =CH 4+CO 2CO 2+8H +

CH 4+2H 2O

有机碳C +4H +

CH 4

产生CH 4的土壤环境主要为各种类型的湿地及水稻田。目前认为水稻田是CH 4的主要人为源,但在好气条件下CH 4又会被CH 4氧化菌所氧化,从而使好气土壤成为CH 4吸收汇。

21112　CH 4氧化　CH 4氧化在农田CH 4的排放过

程中起着重要的作用。观测表明,稻田CH 4排放量只占CH 4产生量的很小一部分,大部分(约82%～

84%)在输送到大气前被土壤微生物氧化,土壤中消

耗CH 4的微生物有CH 4氧化细菌和CH 4硝化细菌两种,但土壤CH 4的氧化主要由CH 4氧化细菌完成。注意到CH 4氧化细菌[7]同时也参与氨氧化,氨氧化是稻田氮素反硝化损失的基本过程。因此研究稻田的CH 4氧化机理也可能有助于揭示稻田氮素损失的机理。CH 4的氧化基本在土壤表层发生。孙向阳[10]运用化学动力学中的一级反应动力学方程

C =C 0e -kt 对森林土壤中CH 4的吸收速率进行了计

算,式中,C 、C 0分别为t 时刻初始的CH 4浓度,k 为与浓度无关的速率常数或叫一级反应常数。CH 4氧化过程也与土壤温度、水分等因子密切相关[9]。

DNDC 模型还确定了在CH 4向大气输送的过程中土

壤的多孔结构与植物的通气性所起的重要作用。

21113　CH 4传输　稻田土壤中的CH 4传输通过3

个路径向大气排放,即水稻植物体内部的通气组织、水田冒气泡和水中液相扩散。水稻植物体排放CH 4的能力随水稻的生长呈线性增长趋势,抽穗中期达到最大,后随水稻的成熟不断下降。整个季节平均排放的CH 4中,通过水稻植株传输的占73%(早稻)及55%(晚稻);气泡的作用占总排放的24(早稻)及

41%(晚稻);液相扩散可以忽略。若甲烷传输畅通,

则有利于甲烷排放,在稻田养萍实验[11]中,陈冠雄等发现甲烷排放增加可能与增加植株的传输作用有关。

212　影响CH 4排放的因素21211　环境因素

土壤质地　不同质地的土壤,CH 4排放量有明显的不同,壤质稻田的CH 4排放量显著大于粘质稻田土壤,但砂质和壤质土壤CH 4平均排放通量的比较结果在年际之间不一致。粘质土壤排放较少的原因可能是其对有机质有较强的保持作用,对氧化还原电位(Eh )变化的缓冲作用较强,同时气体扩散也较慢的缘故。另外,不同耕地类型和管理措施对

CH 4的氧化量是不同的,直播土壤的CH 4氧化率为

连续开耕土壤的415～11倍[13]。

土壤温度　产生CH 4微生物活动的适宜温度在

30～40℃范围内,土壤CH 4的产生量随着土壤温度

的升高而增长;意大利对稻田CH 4排放的研究表明,当温度从20℃增加到35℃时,CH 4排放量增加1倍。在中国,5cm 深处的土壤温度从18℃上升到

31℃时,稻田CH 4排放量增加很快。孙向阳[9]通过CH 4排放通量与几种环境因子的灰色关联分析得

出:5cm 深处土壤温度和CH 4排放通量关系最为密

切,其次为地表温度。与生成作用相比,其氧化作用对温度较不敏感。王明星等[3]研究发现CH4氧化率与温度呈正相关关系。相关研究表明:土壤氧化CH4的最适合温度为25～35℃,超过37℃时大多数CH4氧化菌停止生长。

土壤水分　土壤常年淹水可导致大量的CH4排放,土壤水分的微小变化都会明显改变CH4排放量。徐星凯等[14]指出15%～22%的土壤水分含量是促进CH4氧化的最适水分条件。当土壤水分含水量很高(如当水稻田处于淹水状况下),CH4排放量会增大。Rach等[15]发现不同水分含量土壤的温室气体排放有较大差异。在比利时,Boeckx等[16]通过实验发现土壤水分含量是能解释当时CH4的氧化变化的重要参数。

土壤p H　大多数已知CH4氧化菌生长的最适p H值为616～618。它和土壤Eh控制着CH4形成的微生物过程。当p H小于5175或大于8175时[17],CH4产生几乎完全受到控制。

土壤Eh　因生成CH4的反应处于土壤氧化还原系列的还原端,经实验观察,只有当土壤Eh低于-100～-150mV时才有CH4产生。因此,土壤还原状态是生成CH4的前提,当Eh低于上述数值时, CH4排放量随Eh的下降而呈指数增加[18];另外,蔡祖聪等[19]研究发现,土壤温度和Eh变化对稻田CH4排放通量日变化具有极显著的影响,但它们不是决定稻田CH4排放通量季节变化的主要因素。21212　农业管理措施

施肥(有机肥、无机肥)　施肥增加了土壤基质供应,必定会增加CH4排放,但不同的施肥方法会产生不同效果,不同的实验结果差异也很大,有的甚至相反。一般来说,化肥处理CH4产生及排放低于有机肥处理,王明星等[20]研究了几种不同比例有机肥及化肥的施肥方案对稻田甲烷排放的影响,在维持氮、磷、钾含量基本不变时,施较多的有机肥是CH4排放率高的重要原因,而施化肥则能降低CH4排放,同样是有机肥,已在沼气池中发酵后的沼渣对稻田CH4排放的正效应也要大大低于“新鲜”的有机肥。

Chan(2001)发现[22]:在一段时间内,自然土壤CH4累积净排放为负值;而在垃圾处理与动物废弃物处理下的土壤,CH4累积净排放为正值。在不同土地利用方式下,可利用的碳含量存在很大差异,从而导致不同的CH4排放。

灌溉管理　灌溉管理对稻田甲烷排放影响很大,科学的间歇晒田被证明是一种很好的减排措施,在韩国[21]的实验中,间歇灌溉比漫灌可减少36%的土壤CH4排放。

耕作制度　卢维盛等[23]用密闭箱法研究了不同水旱轮作方式对稻田甲烷排放的影响,水旱年间轮作显著减少早稻甲烷排放,对晚稻甲烷排放影响较少。在广州[24]的田间观察发现:水稻种植前连续种植旱作也显著地影响水稻生长期间的甲烷排放,这与土壤水分状况含量及保持密切相关。很明显,非作物生长期的土地管理对CH4排放与季节变化也有影响[25]。

影响甲烷排放的众多因素都存在时间和空间变异性,且相互影响,故加强土壤和环境因素与稻田甲烷排放量关系的定量研究将有助于精确估算其排放量。

3　土壤中氧化亚氮(N2O)产生的机理与影响因素

氧化亚氮(N2O)是一种受人类活动影响的重要温室气体,由于N2O在大气中的驻留时间长达140年,因而其温室效应是等质量CO2的310倍(IPCC, 1995年),在增温贡献中约占6%,而且还是平流层中导致臭氧层被破坏的光化学过程的主要参与者。热带土壤和农田土壤,是大气中N2O的最主要来源,其贡献高达70%左右。

311　农田土壤中氧化亚氮(N2O)产生的机理农田土壤中N2O的产生主要是在微生物的参与下,通过硝化和反硝化作用完成。参照相关资料可以得出[7]:

硝化作用:NH+4H2NOH NOH NO-2NO-3

↓　↓

NO N2O

反硝化作用:NO-3NO-2NO N2O N2

上述反应中,NO作为中间产物还有争议,基于对土壤中N2O产生机理的不同理解,导致不同的硝化过程表达,蒋静艳等[26]文中就有不同表述,但N2O作为中间产物是肯定的。在有氧条件下,硝化作用是产生NO与N2O的主要来源。土壤的温度、湿度、p H与NH+4的浓度控制着硝化的进程。

如何判断N2O的产生来源,在Mǔller等[27]的文章中提出用N的示踪技术或硝化抑制剂的方法来确定。史奕等通过研究施肥条件下土壤反硝化酶活性与N2O排放量之间的关系,也可以区分硝化过程和反硝化过程产生的N2O[28]。

312　影响氧化亚氮(N2O)排放的因素

31211　影响氧化亚氮(N2O)排放的环境因素在众多的环境因素影响下,土壤作为N2O产生的载体,通过控制硝化、反硝化进程与土壤温室气体的扩散而影响N2O的排放。

土壤通气状况　土壤通气状况由水分含量、O2在土壤中扩散的难易程度以及微生物对O2的需求所决定。反硝化速率与O2含量成反比。明显的反硝化作用发生在Eh为300～650mV之间,氧化势在0mV以下则不对N2O/N2之比产生影响。在其它条件相同时,嫌气条件下的反硝化作用强于好气状况。

土壤质地　土壤质地影响土壤通透性和水分含量,因而影响硝化和反硝化作用的相对强弱以及N2O在土壤中的扩散速率。土壤质地还影响土壤有机碳的分解速率,进而会影响产生N2O的基质供应。徐华[29]等的实验表明,土壤质地明显影响小麦和棉花田N2O的排放量,壤质土壤排放的N2O高于砂质和粘质土壤。

土壤温度　土壤温度除影响微生物的活动强度外,还强烈影响调节土壤中N2O传输速率的物理化学参数。据研究,15～35℃为硝化作用微生物活动的适宜温度,反硝化微生物所要求的适宜温度为5～75℃。郑循华等通过实验发现[30],在华东地区水稻-冬麦轮作农田中,在适宜的土壤湿度条件下,N2O 排放通量对温度的依赖性可用指数函数来描述,同时发现轮作周期内显著N2O排放发生的频率随5cm 土壤温度的变化呈正态分布,67%的排放量都集中在15～25℃温度范围内。

K amp等为了解在全球变暖的条件下N2O的排放正负反馈响应,通过人为提高休闲地与小麦地的地温发现;在夏季增温处理的N2O排放速率是非增温处理的3倍[31]。

Dorland和Beauchamp的研究发现,在-2℃～25℃的范围内,反硝化量的平方根与温度成直线关系。

土壤水分　土壤水分含量增加或减少均会影响不同微生物的活性。实验表明,在土壤含水量较低的情况下,N2O产生主要来自硝化过程,反之,N2O 主要来自反硝化过程。徐华等的实验表明[29]:在淹水状态下稻田N2O排放很少,水分落干期间的N2O 排放占水稻生长期N2O排放总量的8715%～9816%,同时干湿交替也会增加排放,这与K amp等实验发现冻结与解冻的次数有助于增加N2O排放的原理一致[31]。郑循华[30]等发现在温度适宜的旱地阶段,当土壤处于饱和含水量以下时,N2O排放通量与土壤湿度呈正相关。

土壤p H　土壤p H对N2O净排放的影响十分复杂,一般认为反硝化菌最适宜的p H值为6～8,活动范围在315～1112之间。

土壤Eh　倪吾钟等[32]通过实验发现:氧化还原条件下均能进行硝态氮的反硝化作用,在实验中测得的氧化(Eh为290～330mV)和还原(Eh为-114～42mV)条件下的15N气态损失分别占加入量的60123±8104%和83189±4179%,但是,氧化条件下反硝化作用速率明显减缓,外加的硝态氮的半衰期延长,显示了溶解氧对反硝化作用的抑制作用。31212　影响氧化亚氮(N2O)排放的农业管理措施农业活动影响土壤的物理化学性质,从而影响到土壤的温室气体排放。

施肥(有机肥、无机肥)　反硝化过程是酶促反应,故与底物浓度含量呈正相关,氮肥的施用将导致N2O在短期内增加。含氮量相同的有机肥要比无机肥对反硝化的促进更明显;但有机碳的加入使供氧不足,最终导致自养微生物参与的硝化作用减弱。一般土壤微生物适宜的有机质C/N比为25～30∶1。有研究表明,有机肥处理要比无机肥处理排放的N2O更大,但也有相反的结论。

另外,由于大量的家畜废弃物在农田中的施用,相关影响研究已经展开,Watanabe等的实验表明[33]:在施用牛粪和猪粪后一定时间内,会明显出现两排放高峰;同时NO-N/N2O-N的比率与土壤含水量也成负相关。Cabrera等[34]发现:在其它条件基本相同下,团粒与非团粒畜肥料的施用也有不同的N2O排放通量。

Kuroda等使用堆肥处理设备[35],对猪的废弃物进行了处理,得出N2O排放迅速重复上升下降,氨气的排放量最大,CH4排放量最少。总体来说,目前有关动物废弃物在不同处理下的N2O排放的研究还较少。

考虑施肥时既要保证作物产量又要控制N2O 排放,可在某些化肥中添加硝化抑制剂[36]。

灌溉管理　旱田灌溉不应采用漫灌的方式。旱地土壤的间歇灌溉能促进反硝化过程的进行,因而增加了N2O排放。在淹水条件下,大田的短期落干促进硝化反应的进行,同样增加N2O排放。

耕作制度　不同作物系统的N2O排放通量有差异,丁洪等[37]实验中表明,大豆、花生、玉米和棉

花4种作物N 2O 排放通量随时间变化。Baggs 等[38]发现作物轮作系统中,前茬作物残留物的性质在短期内会产生影响。H énault 等[39]通过实验发现油菜与冬小麦对农田N 2O 排放通量影响很小,另外,植物的多样性也会影响氮的分解[40]。

实际上,由于硝化与反硝化过程是同时进行、相互影响的,从而导致控制N 2O 排放存在一定的难度。

4　讨论

在农田土壤温室气体产生的机理研究中,关于氧化亚氮的硝化与反硝化过程有待进一步研究。相关的影响因子所起的作用还有待通过实验室进一步确定。关于土壤温室气体排放量的单因子模拟方程计算,由于考虑的参数较少,应用范围存在一定的限制。参考文献:

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A R evie w of Studies on Mechanism of G reenhouse G as(GHG)

Emission and its Affecting factors in Arable Soils

XIE Jun2fei,L I Yu’e

(Institute of Agro2meteorology,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing100081)

Abstract:Based on literatures in recent years,the mechanisms of greenhouse gas(GHG)emission and its affecting factors on soil carbon dioxide,methane and nitrous oxide were reviewed1The effects of animal waste application to change of the GHG were introduced1The relevant simulation equations to affecting factors of soil GHG were dis2 cussed1

K ey w ords:Greenhouse gas(GHG),Emission mechanism;E ffect factor;Simulation equation

(上接第25页)

Agro2meteorology Operation and Service System in Shaanxi Province L I Xing2min,L IU An2lin,FAN Jian2zhong,JING Yi2gang

(Center of Agricultural Remote sensing information of Shaanxi Province,Xi’an710015)

Abstract:The designations,features and functions of agro2meteorology operation and service system in Shaanxi province were introduced1This system includes collecting,managing,processing information and consulting service for agriculture1This system is one of the operation and service plate form combinedwith agro2meteorological knowl2 edge,remote sensing information and service for agriculture1

K ey Words:Agro2meteorology;Remote sensing;Service system

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A ne w T echnique for Q uick R aising of Crab Seedlings in Plastic H ouse

ZH ONG Ji2hong1,L I Zhi2hong2

(11Meteorological Bureau of Baoying County,Jiangshu province,Baoying225800;21Aquatic Bureau of Baoying County) Abstract:The climatic conditions in plastic house were created for the growth and development of river crab seedlings1By the developed modern raising techniques,the raising period of commercial river crabs were shortened from2～3years to7～10months,and the average weight of commercial river crabs reached at110～135g per crab1The costs were reduced and economic benefits were improved by the new raising technique1

K ey w ords:Crab seedling;Plastic house;Raising