农田土壤主要温室气体CO2CH4N2O的源汇强度及其温室效应研究.doc

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1、DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00966农田土壤主要温室气体(CO2、CH4、N2O)的源/汇强度及其温室效应研究进展*张玉铭 1,2,3胡春胜 2张佳宝 1董文旭 2王玉英 2宋利娜 2(1. 封丘农田生态系统国家试验站 土壤与农业可持续发展国家重点实验室 中国科学院南京土壤研究所 南京 210008;2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 中国科学院农业水资源重点实验室 河北省节水农业重点实验室 石家庄 050022; 3. 中国科学院研究生院 北京 100049)摘 要 气候变化是当今全球面临的重大挑战, 人类社会生产生活引起的温室气体排放是全球

2、气候变暖的主要原因。大气中 CO2、CH4 和 N2O 是最重要的温室气体, 对温室效应的贡献率占了近 80%。据估计, 大气中 每年有 5%20%的 CO2、15%30%的 CH4、80%90%的 N2O 来源于土壤, 而农田土壤是温室气体的重要排放 源。本文重点阐述了农田土壤温室气体产生、排放或吸收机理及其影响因素, 指出土地利用方式和农业生产 力水平等人为控制因素通过影响土壤和作物生长条件来影响农田土壤温室气体产生与排放或吸收。所以, 我 们可以从人类活动对农田生态系统的影响着手, 通过改善农业生产方式和作物生长条件来探索温室气体减排 措施, 达到固碳/氮增汇的目的。对国内外关于农田温室

3、气体排放的源/汇强度及其综合温室效应评估的最新研 究进展进行了综述, 指出正确估算与评价农田土壤温室气体的源/汇强度及其对大气中主要温室气体浓度变化 的贡献, 有助于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。关键词 农田土壤 温室气体 二氧化碳 甲烷 氧化亚氮 温室效应中图分类号: X171.1; X51文献标识码: A文章编号: 1671-3990(2011)04-0966-10Research advances on source/sink intensities and greenhouse effects of CO2,CH4 and N2O in agricultur

4、al soilsZHANG Yu-Ming1,2,3, HU Chun-Sheng2, ZHANG Jia-Bao1, DONG Wen-Xu2, WANG Yu-Ying2, SONG Li-Na2(1. State Experimental Station of Agro-ecosystem in Fengqiu; State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture; Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2.

5、 Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences; Hebei Key Laboratory of Agricultural Water-saving; Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 3. Graduate Universit

6、y of ChineseAcademy of Sciences, Beijing 100049, China)Abstract Climate change is an increasing global challenge. Greenhouse gas emission via anthropogenic processes is the maincause of global warming. CO2, CH4 and N2O are the main greenhouse gases, accounting for 80% of greenhouse effect. It is est

7、i- mated that each year, 5%20% of CO2, 15%30% of CH4 and 80%90% of N2O in air are emitted from soils. Agricultural soils are the main sources of greenhouse gas emission. This work expatiated the mechanisms and affecting factors of greenhouse gas forma- tion, emission and absorption in agricultural s

8、oils. And the contribution of farmland ecosystem to greenhouse effects was discussed. It was indicated that anthropogenic factors such as land use and agricultural activity influenced greenhouse gas formation, emission and absorption in agricultural soils. Because anthropogenic processes affected ag

9、ricultural ecosystems, greenhouse gas emission re- ductions for stabilized carbon and nitrogen were possible through improved agricultural cultivation and production systems. This study summarized the latest research advances in source/sink intensities of greenhouse gas emissions from farmlands and

10、how that contributes to greenhouse effect. The study suggested that accurate estimation of source/sink intensities of greenhouse gases and ap- propriate assessments of greenhouse gas effects were the theoretical basis for reducing greenhouse gas emissions and uncertainties in predicting climate chan

11、ge.* 中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX2-YW-Q1-07)和国家自然科学基金面上项目(30970534)资助张玉铭(1964), 女, 副研究员, 主要研究方向为农田生态系统养分循环与平衡及其环境效应。E-mail: ymzhang收稿日期: 2011-04-15 接受日期: 2011-05-20Key wordsAgricultural soil, Greenhouse gas, Carbon dioxide, Methane, Nitrous oxide, Greenhouse effect(Received Apr. 15, 2011; accepted May 20, 2

12、011)气候变化是当今全球面临的重大挑战。遏制气候变暖, 拯救地球家园, 是全人类共同的使命。近百 年来, 全球气候正在发生以变暖为主要特征的显著 变化, 人类社会生产生活引起的温室气体排放是全球气候变暖的主要原因。随着全球气候变化问题越 来越成为全球关注的热点, 共同应对气候变化的全 球性合作步伐正在逐渐加快。1992 年里约热内卢环 境与发展大会以来, 国际社会先后制定了联合国气候变化框架公约、京都协议书、伯恩协定、布伊诺斯艾利斯行动计划、马拉喀什协定、德 里宣言、巴厘路线图和哥本哈根协议等一 系列重要文件, 目标是“将大气中的温室气体含量稳 定在一个适当的水平, 进而防止剧烈的气候改变对

13、人类造成伤害”, 这些文件在加强全球共识和减缓全 球气候变化的过程中发挥了重要作用。气候科学家 们表示全球必须停止增加温室气体排放 , 并且在 20152020 年间开始减少排放。科学家们预计想要 防止全球平均气温再上升 2 , 到 2050 年, 全球的温室气体减排量需达到 1990 年水平的 80%。 大气中 CO2、CH4 和 N2O 是最重要的温室气体,对温室效应的贡献率近 80%1。其中 CO2 对增强温室效应的贡献率最大, 约占 60%, 是最重要的温室 气体2。其次是 CH4, 温室效应潜能是 CO2 的 2123倍, 对温室效应的贡献率约占 15%3。N2O 增温效应 是 CO

14、2 的 296310 倍4, 对温室效应的贡献率约占5% 。据估 计 , 大气中 每年 有 5%20% 的 CO2 、15%30%的 CH4、80%90%的 N2O 来源于土壤3,而农田土壤是温室气体的重要排放源5。在气候、植被、土壤及人为扰动下, 农田土壤 有机质经微生物分解为无机态的碳和氮, 无机碳在好 氧条件下多以 CO2 形式释放进入大气, 在厌氧条件下以 CH4 形式排向大气。铵态氮在硝化菌作用下转化成 硝态氮, 硝态氮在反硝化菌作用下转换成多种状态的 氮氧化合物, 在硝化和反硝化过程中均可产生 N2O,全球一半以上的 N2O 来自土壤的硝化与反硝化过程。 在气候、植被、土壤及农田管

15、理措施等诸条件中, 任 何一个因子的微小变化都会改变 CO2、CH4 和 N2O 的产生及排放。研究分析农田温室气体产生、排放或吸 收机理及其影响因素, 正确地估算与评价农田生态系 统温室气体的源/汇强度及其对大气中主要温室气体浓度变化的贡献, 有助于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。1农田土壤温室气体生成机制与源/汇强度1.1农田 CO2 生成机制与源/汇强度在温室气体中, 大气 CO2 浓度的增加对气候变6化产生的影响尤其引人关注 。CO2 在大气中的存留72寿命为 5200 年 , 辐射强迫 1.46 Wm , 对全球温2,8室效应的相对贡献约为 50%60%。

16、政府间气候变化专门委员会(IPCC)指出, 如果温室气体以目前速 率持续排放下去, 2100 年大气中 CO2 浓度可能会增1加到 540970 mgkg , 全球平均温度则可能增加 71.35.8 。农田生态系统是重要的 CO2 的源与汇。大气中 CO2 通过植物载体的光合作用变为有机碳进入土壤, 稳定和增加土壤碳库, 是农田生态系统作为 CO2 汇 的重要过程。被植物光合作用固定为有机物的碳或通过地上部植物茎、叶的呼吸作用再变为 CO2 排入 大气或通过土壤呼吸排入大气, 是农田生态系统作 为 CO2 源的重要过程(图 1)。土壤呼吸包括 3 个生物 学过程 植物根呼吸、土壤微生物呼吸、土

17、壤动 物呼吸和一个非生物学过程 含碳物质化学氧化作用。土壤呼吸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。土壤 CO2 排放实际是土壤中9生物代谢和生物化学过程等所有因素的综合产物,1通常可使土壤空气中 CO2 浓度升高到 3 000 mgkg约是大气中的 1050 倍。图 1大气植物土壤界面 CO2 的交换过程Fig. 1 CO2 exchanges among air, plant and soil作物生长对农田 CO 排放有重要影响。采用室2外盆栽试验对土壤 作物系统周年呼吸规律的观测968中国生态农业学报 2011第 19 卷结果

18、表明 , 小麦返青期 土壤 作物系统呼吸速率 最低, 成熟期较高, 返青成熟期内的平均值为 756.5 mgm2h1; 土壤 水稻系统在分 蘖期较高 , 成熟期 较低, 平均为 1 018.7 mgm2h1。根系对土壤呼吸 产生较大影响 , 在小麦生长季 , 由于根系的参与使 得表观呼吸率比土壤异养呼吸增加 0.233.30 倍, 平 均 1.78 倍; 水稻生长季, 表观呼吸率比土壤异养呼吸增加 2.475.61 倍, 平均 3.31 倍6。利用静态箱法 测定的农田土壤 CO2 排放速率的试验结果表明, CO2 排放速率的 日变化呈单 峰型 , 06:0016:00 最高 ,0:0008:0

19、0 最低, 且 CO2 排放速率随作物生长发育 的加速而逐渐加快, 越接近成熟其排放速率越低10。大气 CO2 浓度直接影响植物的光合作用、呼吸 作用、气孔导度以及植物对水分的利用效率等。研 究发现 C3 植物在目前大气 CO2 浓度下基本上是光这种有机酸直接被产 CH4 细菌利用产生 CH4, 或有机酸进一步降解生成 CO2 和 H2, CO2 和 H2 在产 CH4菌作用下生成 CH4; 另一种是复杂有机物在细菌作 用下不经过产酸过程直接产生 CO2 和 H2。从复杂有 机物分解为单糖开始, CH4 产生的生物化学过程可 归结为:(1)产酸途径(2)不产酸途径合作用不足1112,因此, C

20、O2 浓度增加将提高净初级生产力, 称之为 CO2 的“施肥效应”。这一作用被认为是导致陆地生态系统净吸收大量 CO2 的主要原 因。有研究认为, CO2 的“施肥效应”并不像过去认为 的那样显著, 还不足以揭示全部的“漏失汇”。主要原 因是其他营养元素(如 N、P 等)限制了植物对 CO2的吸收13。大气 CO2 浓度的增加, 不仅会增加植物 的净初级生产力, 同时会导致一系列植物生理上的 变化 , 如改变植物组织中的碳氮比 , 降低凋落物的 分解速率等1415。在大气 CO2 浓度增加的情况下, 因为光合作用效率提高所增加的有机碳较多地储存于地下根系中, 增加了土壤中可分解碳含量。这样 就

21、会对土壤生物圈的食物链产生影响。由于真菌分 解有机物的竞争增加, 甚至有可能导致土壤释放出 更多的 CO2 到大气中6,16。1.2 农田 CH4 生成机制与源/汇强度CH4 在大气条件下是一种化学活性气体, 是地球大气中含量最高的有机气体, 参与许多重要的大 气化学过程 , 是大气化学研究的关键成分之一 , 它又是一种红外辐射活性气体, 有很强的红外吸收带, 是一种仅次于 CO2 的重要温室效应气体之一。大气 CH4 在地球气候系统中起着重要的作用, 是大气化 学研究中最受重视的微量气体之一, 其对温室效应 的贡献可达 15%3,17。大气 CH4 的主要来源是厌氧环境的生物过程, 非生物过

22、程产生的大气 CH4 只占20%左右。20 多年来, 大气 CH4 浓度年增幅达 0.8%, 近年增幅降为 0.3%左右18, 导致其浓度升高的原因 是源的增强和汇的减弱。一般来说生态系统中 CH4 产生有两种途径: 一种是复杂有机物在细菌作用下产生某种简单有机酸,无论通过哪种途径, 生态系统产生 CH4 必须具备: 有机物和水分、厌氧环境、适于发酵菌和产 CH4菌生存和繁殖的温度。由于 CH4 是 在厌氧 条件 下产生 的 , 所以产 生 CH4 的土壤环境主要有各类型的沼泽、较浅的水体 及湿地水稻田。目前认为水稻田是大气 CH4 的主要 人为源 , 通常由于水稻田长期处于淹水状态 , 土壤

23、中形成了一个还原性厌氧环境, 利于产 CH4 菌和其 他一些厌氧细菌繁殖, 分解土壤中的有机物而产生 CH4。土壤中产生的 CH4 并不会全部排放到大气中, 其中有一部分在土壤或水层中被氧化, 所以单位面 积稻田的 CH4 排放率不仅取决于土壤中 CH4 的产生 速率, 还取决于排放路径的通畅程度, 是其产生、氧19化和传输共同作用的结果。国际社会一直在温室气体排放清单和减排方法 的研究领域进行着不懈的努力, 由于稻田生态系统 在 CH4 排放中占有举足轻重的地位, 对于稻田生态 系统 CH4 的排放, 世界各国的科学家在不同地区已经进行了多年的观测和研究。根据最新资料, 全球1920稻田 C

24、H4 年排放总量为 30 Tg(2040 Tg)。中国是水稻种植大国 , 水稻总产量世界排名首位 , 占全621球总产量的 34% , 种植面积占全球的 32% 。因此 , 中国地 区水稻田 CH4 的排放对 中国乃至世 界 CH4 源的贡献都非常重要。据预测, 为了满足日益增 长的人口对粮食的需求, 到 2020 年, 全球水稻总产量必须增加到 781106 t22。水稻种植面积与产量的6,23增加很可能会导致全球稻田甲烷排放的增加。大气 CH4 的汇主要是 CH4 在对流层和平流层与OH 自由基发生氧化反应, 每年大约有 470 Tg CH4在大气中被氧化。其另一重要的汇是好气性的土壤,是

25、目前惟一已知的由生物氧化甲烷的汇。在土壤中, CH4 被氧化成 CO2, 因为 CO2 吸收辐射能的能力比 CH4 低 23 倍, 所以这个氧化过程对环境是有利于 的。但旱地土壤对 CH4 氧化是一个复杂过程, 氧化 速率很低, 试验测量困难很大, 至今很少有实测数。趋势, 全面理解与预测未来全球变化及温室效应的尺度与规模具有重要意义。1.3 农田 N2O 生成机制与源/汇强度农田土壤是全球重要的 N2O 排放源。土壤向大气排放的 N2O 占生物圈释放到大气中 N2O 总量的90%8, 其中每年因施用化学氮肥约产生 150 万吨 N2O-N, 占人类活动向大气输入 N2O-N 量的 44%和

26、每年向大气输入 N2O-N 总量的 13%。20 世纪 80 年 代前反硝化作用被认为是 N2O 形成的主要机制, 而Bremner 等研究 表明 , 硝化 过程同样可 产生大量 N2O, 这两个过程在形成 N2O 方面的相对重要性取 决于环境条件31。反硝化作用是在反硝化细菌或化学还原剂的作用根据北美荒漠地区的少数测量资料估算,全球每年大约有 30 Tg 的甲烷在土壤中氧化19, 占总甲烷氧化量的 6%。尽管相对于对流层来说土壤作为甲烷汇 小到可以忽略不记, 但是如果缺少土壤这个汇将会 使大气中 CH4 浓度以目前增长速率的 1.5 倍的速度增加24。土壤被视为大气 CH4 的汇是一个非常新

27、的 理念, 继 Harriss 等25报道在美国弗尼吉亚一片森林 覆盖的泥炭沼的沉积物中发现土壤氧化 CH4 后, 土 壤作为 CH4 汇氧化(吸收)CH4 的研究才得到普遍的 重视与广泛的开展。研究农田土壤对大气 CH4 的氧化吸收, 减轻人类活动对土壤 CH4 吸收的负面影响,对减缓气候变暖有深远意义。下, 由 NO3 还原成 NO、N2O、N2 的生物过程或化学过程的吸能 反应 , 其反 应式为 NO3 NO2 NON2ON2。农田土壤主要是通过生物过程产生 N2O, 通 常被认为是细菌起主要作用, 但在厌氧条件下真菌也 可以产生 N2O。厌氧条件下一些自养微生物可利用NO3 氧化无机化

28、合物如 FeS 等以获取能量, 而许多异养微生物在低氧时将 NO2 作为原初电子受体从分解随着人们对旱地农田生态系统可作为大气汇的认识的加强, 华北地区有关农田生态系统CH4CH4有机质的过程中获取能量。一般认为, 从 NO3 还原为N2 需分 4 步进行, 每步均有相应的酶参与作用。反硝 化过程中产生的 NO、N2O、N2 相对量依赖于土壤湿 度、通气状况、pH、有机质含量和硝酸盐浓度等。整源与汇的研究日渐增多。研究表明华北小麦玉米轮作农田是大气 CH4 的弱吸收汇, CH4 平均日通量均有 明显的季节性变化规律2629, 冬小麦生长季土壤对CH4 的吸收量低于夏玉米生长季27,29,个 N

29、O2 的还原过程中, N2O 还原成 N2 一方面通过不稳定的氧化亚氮还原酶或更不稳定的氮酶来进行32; 另 一方面在参与还原反应的细菌中, 有些仅生成 N2, 有 些产生 N2O 和 N2 的混合物 , 还有些细菌仅 产生 N2O33。因此随反应条件改变, 中间产物可能积累并最施肥减弱了土壤对大气 CH4 的吸收汇的功能, 随着施氮量的增加, 土壤对大气 CH4 的吸收量减少2627。也有结果 认为, 不同施肥处理间(包括不施肥)土壤作为 CH4 吸收汇的差异不显著29。CH4 通量日平均值与土壤 温度关系不明显, 而与土壤水分呈负相关(P=0.01); 日变化中土壤 CH4 通量与地表温度

30、的相关性较差,而与 5 cm 地温相关密切26。关于秸秆还田对土壤吸 收大气 CH4 的影响结果不尽相同。孙善彬等30研究 了小麦植株在麦田 CH4 交换中的作用以及光照的影 响, 结果表明, 麦田土壤和土壤植物系统 CH4 通量 均无明显的日变化, 但季节变化显著; 小麦的存在使土壤植物系统 CH4 通量的季节波动加剧, 小麦植 株和光照促进麦田土壤植物系统对 CH4 的吸收。估算和预测当前和未来大气 CH4 的源与汇及其 变化趋势已成为国内外研究的一个热点。目前, 对 大气 CH4 源(排放)的研究较深入, 而对大气 CH4 及土壤内源 CH4 汇 ( 吸收 ), 特别是对 土壤氧化 (

31、吸 收)CH4 及其影响因子尚无比较全面和系统的研究。 因此, 在全球范围内不同生态系统全面开展 CH4 汇 的研究, 对准确估算、预测大气 CH4 含量及其变化终逸出土体。NO、N2O、N2 排放可能伴随临时性 NO2的积累, 高含量 NO2 有时发现在高剂量施用 NH3 或NH4-N 肥的嫌气土壤中。施用磷肥可增加 NO2 积累,有利于形成 N2、N2O。大部分反硝化细菌在一定条件+下能把 N2O 还原成 N2, 但 NH4 通过反硝化细菌抑制N2O 的进一步还原34。硝化作用是氨或铵盐通过硝化微生物的作用被 氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程。硝化作用是好气 过程 , 微生物 对 NH4+ 的

32、氧化分两步进行 35, 即 NH4+NO2 氧化过程, 由亚硝酸细菌参与, 中间过渡产物为 NH2OH, 这是一个慢反应过程, 决定了整 个过程的反应速度; NO2NO3的氧化过程由硝化 细菌参与, 反应速度快于亚硝化过程。N2O 是羟胺 氧化成 NO2-N 过程中因化学反应、酶反应或两方面 反应而生成的。土壤 N2O 排放通量取决于土壤剖面生成的 N2O970中国生态农业学报 2011第 19 卷分布特征, 发现 90 cm 处 N2O 浓度从 100.4 mLL1降至 1.7 mLL1 时在表层并未发现有 N2O 排放, 但 其 15N 却富集了 50, 这亦说明 N2O 在扩散过程中 发

33、生了还原。另有大量研究证明, 在一定条件下农 田 N2O 排放存在负通量4244, 这很可能是土壤剖面中 N2O 还原过程加强或扩散过程减弱导致表层土壤 N2O 浓度下降而使大气 N2O 扩散回土壤中的结果。 而 Prez 等45的研究则表明, 当 N2O 排放至大气之 前仅有很少部分被还原, 主要原因是大量施用化肥扩散及扩散过程中的还原强度, 但国内外土壤 N2O排放研究大多利用静态箱式法测定土壤表层, 对土 壤剖面特别是深层土壤 N2O 扩散过程的研究非常薄 弱, 深层土体 N2O 对表层 N2O 的贡献作用还不清 楚。国内梁冬丽等3637研究了 150 cm 土体内不同施土剖面 N2O

34、浓度时空变异规律, 发现 60肥措施下cm 埋深处 N2O 浓度最高, 其次是 90 cm 和 150 cm处, 下层土壤 N2O 浓度显著高于上层土壤; 受气温 和降雨的影响, 69 月是 N2O 蓄积高峰期; 在每年施 氮量为 660 kg(N)hm2 情况下, 60 cm 处 N2O 最高浓 度高达 1 3092 467 LL1, 并且土壤剖面 N2O 浓度 随施肥量的增加而增加。根据笔者在中国科学院栾 城农田生态系统试验站的前期研究结果, 300 cm 土 体内 N2O 浓度随深度的增加而增加 , 年施氮量为 400 kg(N)hm2 水平下, 从 30 cm 到 300 cm 土体

35、N2O 浓度为 4571 417 LL1; 不同土层的 N2O 浓度随着 施氮量增加而增加。国外的研究3839也表明, 深层 土体内 N2O 浓度高, 同时 N2O 在扩散过程还发生了 还原作用, 深层土体 N2O 对表层排放通量的贡献还 需进一步研究。众所周知, 我国许多集约农田年施 氮量远高于 400 kg(N)hm2, 根据我们在太行山前平原的监测资料, 近 50%的农田每年氮肥用量已经超过500 kg(N)hm2, 个别田块已高达 700 kg(N)hm2。过 量施肥造成硝态氮在土体深层过量积累, 为深层土壤 反硝化过程提供了充足的底物, 导致大量 N2O 气体蓄 积在深层土体内, 提

36、高了农田 N2O 排放的风险。深层 土壤蓄积的 N2O 非常不稳定, 一方面通过扩散、对流 向上迁移至土壤表层而排入大气, 增加了农田 N2O 排 放量, 对大气环境产生危害; 另一方面, 在迁移过程 中很可能被还原成 N2 而以 N2 的形式进入大气40, 这 是深层土体残留 NO3-N 发生脱氮的一个有益过程, 既 减弱了 NO3-N 对水体污染的威胁也不会对大气环境造 成危害。深入研究土壤剖面蓄积 N2O 的扩散过程与还 原机制, 定量深层土体 N2O 的去向, 可为精确评估深 层土体对农田 N2O 排放的贡献提供科学参数。通常认为当土壤剖面中 N2O 还原速率大于其向 上的扩散速率时土

37、壤剖面中形成的 N2O 可能就难以到达土壤表面, 从而减弱了土壤剖面蓄积 N2O 对农 田 N2O 排放的贡献。近年来, 国外一些专家开始应 用标记 15N2O 气体和稳定性同位素技术研究土壤剖 面中 N2O 在扩散过程中的还原机制及其对农田 N2O 排放的影响。Clough 等41应用室内土柱被动扩散法增加了土壤 NO3 浓度, 促进了 N2O 的生成, 因反硝化过程中微生物更容易利用 NO3 作为电子受体, 从而影响了 N2O 的还原进程, 导致反硝化产物中 N2O/N2 的比 例增加。如何调控土壤条件使其更有利于 N2O 向 N2 的转化是农田 N2O 减排的关键, 这一领域的研究正在

38、引起国内外的重视, 加强土壤剖面蓄积 N2O 的还原作 用及其与影响因素的定量研究, 可为制定合理的温室 气体减排技术途径提供科学依据。农田温室气体源/汇强度的影响因素影响农田生态系统温室气体源(排放)或汇(吸收) 强度的因素众多, 只有深入了解各因素对温室产生 和排放/吸收的影响机制, 才能对各因素作用的大小 和形式做出评估, 从而提出农田生态系统温室气体 的减排措施。通常认为农田生态系统温室气体源/汇2强度的影响因素主要包括土地利用方式、气候因子、农业生产水平和结构、土壤条件、作物生长等(图 2),土地利用方式和农业生产力水平等人为控制因素通 过影响土壤和作物生长条件来影响农田生态系统温

39、室气体产生与排放/吸收。所以, 我们可以从人类活 动对农田生态系统的影响着手, 通过改善农业生产 方式和作物生长条件来探索温室气体减排措施, 达 到固碳/氮增汇的目的。2.1 耕作耕作是影响农田温室气体排放的重要农业生产方式。大量研究结果表明, 传统耕作措施下农田 CO2 排放显著高于免耕。传统耕作增加 CO2 排放的主要 原因: 一是耕作作业时, 耕作机具通过燃油的消耗直接排放 CO , 这种耕作是指机械化生产条件下进2行的耕作, 而这也是目前主要的耕作方式; 二是耕作 改善 了土壤 的通 气状况 , 促进 土壤中 微生 物的活 动及有机物质的分解, 从而增加了土壤 CO2 的排放通量, 同

40、时也加速了郁闭于土壤内的 CO2 排放。而 免耕减缓了土壤的扰动, 减少了土壤的干湿交替变 化, 减低了土壤有机质的分解速率, 使土壤呼吸量 也相对减少, 从而弱化了土壤 CO2 排放源的特征。 不同耕作方法对小麦 玉米两熟和双季稻农田温室15N2O注 入标记 气体 进行 培育 , 研究 土壤剖 面中 N2O 扩散、还原过程, 结果表明 N2O 从 90 cm 埋深处扩散至 15 cm 处会有 67%被还原成 N2; Van Gro- enigen 等38研究了土壤剖面 N2O 动态变化及其 15N图 2农田生态系统温室气体源汇强度影响因素框图Fig. 2 Influence factors

41、of intensity of source/sink of greenhouse gases of farmland ecosystem免耕农田 为 12.0 kghm2a1, 常规耕作与免耕 在N2O 排放上无显著差异54。也有研究认为凿式犁耕 作的农田 N2O 排放比免耕下高55, 其原因可能是免 耕时间太短, 免耕对土壤物理、生物性状还未产生 影响。国内的研究结果表明28, 耕作措施和秸秆还田方式显著影响农田 N2O 排放, 翻耕比免耕更有利 于农田 N2O 排放, 主要是土壤扰动促进了郁闭于土 壤内的 N2O 的释放; 秸秆深施较秸秆表面覆盖更有 利于农田 N2O 排放, 秸秆深施较

42、表覆更易于分解, 为反硝化微生物提供了充足的能源物质和微域厌氧环境, 利于反硝化过程的进行, 促进了 N2O 的生成 与排放。绝大多数反硝化细菌是化能异养型的, 需 要有机物质作为电子供体和细胞能源。故土壤有机 物质的生物有效性是调控土壤生物反硝化速率和作 用强度的重要因子。同时土壤中高含量的易分解有机物质激活了土壤微生物的呼吸作用, 加快了土壤 氧的消耗 , 加速了土壤厌氧环境的形成 , 间接地增 强了土壤生物反硝化作用。C/N 值影响微生物分解 有机质 , 一 般土壤微 生 物适宜的 有 机质 C/N 值为 25301, 如果 C/N 比大于 25301, 有机质分解慢, 微生物活性弱,

43、N2O 排放受到抑制; 如果 C/N 比 小于 25301, 则微生物活性强, 促进 N2O 形成与 排放。Reddy 等56证实土壤碳矿化率与土壤 NO3消 失量呈显著相关。Koskinen 等57发现土壤有机碳矿 化率直接影响土壤生物反硝化作用强度, 但反硝化强度与土壤有机碳总量无显著相关; 而 Bouwman58 发现 , 反硝化速率与全碳有相关性 , 与水溶性或可 矿化碳量间相关性更好。2.2 施肥施 肥是影响农田 CO2 排 放 的重要农业 措施之 一。施肥通过影响作物产量、秸秆根茬还田量、土气体排放影响的试验研究结果表明, 翻耕温室总效应比免耕高 36%46。冬闲农田进行翻耕前后温

44、室效 应比较发现, 翻耕后短期内存在 1 个 CO2 排放峰, 显 著增加 CO2 的排放通量47。刘博等48利用静态箱/ 气相色谱法研究了不同耕作措施对黄土高原旱地春小麦成熟期 CO2 排放的影响, 结果表明, 常规耕作 的 CO2 排放通量比免耕高 9.74%。美国在其东南沿 海平原上的研究发现, 常规耕作比免耕在 80 h 内累 积的 CO2 排放通量大近 3 倍49。频繁的耕作会导致 土壤有机碳的大量损失, CO2 释放量增加, 而免耕则能有 效控制土壤 有机碳损失 , 增加有机 碳的储量 ,降低 CO2 释放量50。 对未扰动土壤进行耕作可大大降低土壤 CH4 汇的强度51,耕作破坏

45、了土壤原有结构, 减少了土壤CH4 氧化程度, 并且弃耕后土壤微生物的氧化能力很难恢复。也有报道认为翻耕初期会增加 CH4 的排 放, 但经过一定时间(68 h)后, 则有降低 CH4 排放 通量的趋势 52 。 秸秆还田和免耕措施促进土壤 对 CH4 的吸收, 秸秆深施对土壤吸收 CH4 的影响大于 秸秆表覆与免耕, 主要是由于改善了土壤通气状况,更有利于 CH4 的氧化和对空气中 CH4 的吸收28。而 张雪松等26在同一地区开展的麦田土壤 CH4 吸收特 征结果表明, 秸秆还田后不利于土壤对 CH4 的吸收。 由于农田 CH4 的排放受诸多因素的影响, 且 CH4 的排放机理也非常复杂,

46、 耕作引起 CH4 吸收/排放的结 果还有待进一步研究。耕作与秸秆还田对农田 N2O 排放的影响研究结 果不尽相同。有研究认为, 免耕可能会增加 N2O 的排放53,19981999 年在新西兰潜育性淋溶土上进行的耕作措施对农田 N2O 排放速率影响研究结果显kghm2a1,示, 常规耕作农田 N2O 排放速率为 9.2972中国生态农业学报 2011第 19 卷壤有机质含量与土壤微生物数量及其活性等土壤性状来影响农田 CO2 排放。董玉红等59研究了长期定 位施肥对小麦玉米轮作农田土壤 CO2 排放的影响, 结果表明, 氮磷钾配合施用(NPK)对土壤 CO2 排放 通量的影响最大, 不同肥料处理农田土壤 CO2 排放 通量顺序依次为 NPKNPPKNKCK。氮