农田土壤温室气体产生、排放及吸收的影响因素 气候变化是世界面临的主要挑战。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2015~2020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%。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。其次是CH4,温室效应潜能是CO2的21~23倍,对温室效应的贡献率约占15%。N2O增温效应是CO2的296~310倍,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,而农田土壤是温室气体的重要排放源。 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 在农业土壤温度区，气体生产机制与源相结合强度 1.1 对农田二氧化碳等生物行动的影响 在温室气体中,大气CO2浓度的增加对气候变化产生的影响尤其引人关注。CO2在大气中的存留寿命为5~200年,辐射强迫1.46 W·m-2,对全球温室效应的相对贡献约为50%~60%。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浓度可能会增加到540~970 mg·kg-1,全球平均温度则可能增加1.3~5.8℃。 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3 000 mg·kg-1,约是大气中的10~50倍。 作物生长对农田CO2排放U8国际平台官网有重要影响。采用室外盆栽试验对土壤-作物系统周年呼吸规律的观测结果表明,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756.5mg·m-2·h-1;土壤-水稻系统在分蘖期较高,成熟期较低,平均为1 018.7 mg·m-2·h-1。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0.23~3.30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2.47~5.61倍,平均3.31倍。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,06:00~16:00最高,0:00~08:00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。 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浓度下基本上是光合作用不足,因此,CO2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。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。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。 1.2 对土壤ch4的排放与释放意义 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%。大气CH4的主要来源是厌氧环境的生物过程,非生物过程产生的大气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,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,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 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,全球稻田CH4年排放总量为30 Tg(20~40 Tg)。中国是水稻种植大国,水稻总产量世界排名首位,占全球总产量的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781×106t。水稻种植面积与产量的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。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,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。土壤被视为大气CH4的汇是一个非常新的理念,继Harriss等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。 随着人们对旱地农田生态系统可作为大气CH4汇的认识的加强,华北地区有关农田生态系统CH4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,冬小麦生长季土壤对CH4的吸收量低于夏玉米生长季,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。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。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通量与地表温度的相关性较差,而与5 cm地温相关密切。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(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 施肥对土壤no的影响 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%,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。 反硝化作用是在反硝化细菌或化学还原剂的作用下,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-→NO→N2O→N2。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,但在厌氧条件下线O。厌氧条件下一些自养微生物可利用NO3-氧化无机化合物如Fe S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、p H、有机质含量和硝酸盐浓度等。整个NO2-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;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N2O。因此随反应条件改变,中间产物可能积累并最终逸出土体。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。 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+的氧化分两步进行,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;NO2-→NO3-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N2O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。国内梁冬丽等研究了150 cm土体内不同施肥措施下土剖面N2O浓度时空变异规律,发现60cm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,6~9月是N2O蓄积高峰期;在每年施氮量为660 kg(N)·hm-2情况下,60 cm处N2O最高浓度高达1 309~2 467μL·L-1,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)·hm-2水平下,从30 cm到300 cm土体N2O浓度为457~1 417μL·L-1;不同土层的N2O浓度随着施氮量增加而增加。国外的研究也表明,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)·hm-2,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)·hm-2,个别田块已高达700 kg(N)·hm-2。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,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等应用室内土柱被动扩散法注入标记15N2O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

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