农田土壤主要温室气体(CO2.CH4.N2O)的源汇强度

中国生态农业学报 2011年7月 第19卷 第4期

Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jul. 2011, 19(4): 966−975

DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00966

农田土壤主要温室气体(CO2、CH 4、N 2O) 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气候变暖的主要原因。大气中CO 2、CH 4和N 2O 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CO 2、15%~30%的CH 4、80%~90%的N 2O 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)04-0966-10

Research advances on source/sink intensities and greenhouse effects of CO2, CH 4 and N2O in agricultural soils

ZHANG 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. 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 University of Chinese

Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract Climate change is an increasing global challenge. Greenhouse gas emission via anthropogenic processes is the main cause of global warming. CO2, CH4 and N2O are the main greenhouse gases, accounting for ≈80% of greenhouse effect. It is esti-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 soils. 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 agricultural 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 how that contributes to greenhouse effect. The study suggested that accurate estimation of source/sink intensities of greenhouse gases and ap-

* 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: [email protected] 收稿日期: 2011-04-15 接受日期: 2011-05-20

第4期

张玉铭等: 农田土壤主要温室气体(CO2、CH 4、N 2O) 的源/汇强度及其温室效应研究进展 967

propriate assessments of greenhouse gas effects were the theoretical basis for reducing greenhouse gas emissions and uncertainties in predicting climate change.

Key words Agricultural soil, Greenhouse gas, Carbon dioxide, Methane, Nitrous oxide, Greenhouse effect (Received Apr. 15, 2011; accepted May 20, 2011)

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CO 2、CH 4和N 2O 是最重要的温室气体, 对温室效应的贡献率近80%[1]。其中CO 2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CH 4, 温室效应潜能是CO 2的21~23倍, 对温室效应的贡献率约占15%[3]。

N 2O 增温效应是CO 2的296~310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CO 2、15%~30%的CH 4、80%~90%的N 2O 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CO 2形式释放进入大气, 在厌氧条件下以CH 4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N 2O, 全球一半以上的N 2O 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CO 2、CH 4和N 2O 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CO 2生成机制与源/汇强度

在温室气体中, 大气CO 2浓度的增加对气候变化产生的影响尤其引人关注[6]。CO 2在大气中的存留寿命为5~200年[7], 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%[2,8]。

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CO 2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 ℃[7]。

农田生态系统是重要的CO 2的源与汇。大气中CO 2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CO 2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CO 2排入大气或通过土壤呼吸排入大气, 是农田生态系统作为CO 2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CO 2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[9], 通常可使土壤空气中CO 2浓度升高到3 000 mg·kg−1, 约是大气中的10~50倍。

图1 大气−植物−土壤界面CO 2的交换过程

Fig. 1 CO2 exchanges among air, plant and soil

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中国生态农业学报 2011 第19卷

作物生长对农田CO 2排放有重要影响。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756.5 mg·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[6]。利用静态箱法测定的农田土壤CO 2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CO 2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CO 2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CO 2浓度下基本上是光合作用不足[11−12], 因此, CO2浓度增加将提高净初级生产力, 称之为CO 2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CO 2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CO 2的吸收[13]。大气CO 2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[14−15]。在大气CO 2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CO 2到大气中[6,16]。

1.2 农田CH 4生成机制与源/汇强度

CH 4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CO 2的重要温室效应气体之一。大气CH 4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CH 4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CH 4只占20%左右。20多年来, 大气CH 4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CH 4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CH 4细菌利用产生CH 4, 或有机酸进一步降解生成CO 2和H 2, CO2和H 2在产CH 4菌作用下生成CH 4; 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CO 2和H 2。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CH 4必须具备: 有机物和水分、厌氧环境、适于发酵菌和产CH 4菌生存和繁殖的温度。

由于CH 4是在厌氧条件下产生的, 所以产生CH 4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CH 4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CH 4菌和其他一些厌氧细菌繁殖, 分解土壤中的有机物而产生CH 4。土壤中产生的CH 4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CH 4排放率不仅取决于土壤中CH 4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[19]。

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CH 4排放中占有举足轻重的地位, 对于稻田生态系统CH 4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CH 4年排放总量为30 Tg(20~40 Tg)[19−20]。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%[6], 种植面积占全球的32%[21]。因此, 中国地区水稻田CH 4的排放对中国乃至世界CH 4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781×106 t [22]。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[6,23]。

大气CH 4的汇主要是CH 4在对流层和平流层与

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张玉铭等: 农田土壤主要温室气体(CO2、CH 4、N 2O) 的源/汇强度及其温室效应研究进展 969

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, CH 4被氧化成CO 2, 因为CO 2吸收辐射能的能力比CH 4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CH 4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。尺度与规模具有重要意义。

1.3 农田N 2O 生成机制与源/汇强度

农田土壤是全球重要的N 2O 排放源。土壤向大气排放的N 2O 占生物圈释放到大气中N 2O 总量的90%[8], 其中每年因施用化学氮肥约产生150万吨N 2O-N, 占人类活动向大气输入N 2O-N 量的44%和每年向大气输入N 2O-N 总量的13%。20世纪80年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CH 4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CH 4的汇是一个非常新的理念, 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CH 4后, 土壤作为CH 4汇氧化(吸收)CH 4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CH 4的氧化吸收, 减轻人类活动对土壤CH 4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CH 4

汇的认识的加强, 华北地区有关农田生态系统CH 4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CH 4的弱吸收汇, CH4平均日通量均有明显的季节性变化规律

[26−29]

, 冬小麦生长季土壤对

CH 4的吸收量低于夏玉米生长季[27,29]

, 施肥减弱了土壤对大气CH 4的吸收汇的功能, 随着施氮量的增加, 土壤对大气CH 4的吸收量减少[26−27]

。也有结果

认为, 不同施肥处理间(包括不施肥) 土壤作为CH 4

吸收汇的差异不显著

[29]

。CH 4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CH 4通量与地表温度的相关性较差, 而与5 cm地温相关密切

[26]

。关于秸秆还田对土壤吸

收大气CH 4的影响结果不尽相同。孙善彬等[30]研究了小麦植株在麦田CH 4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CH 4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CH 4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CH 4的吸收。

估算和预测当前和未来大气CH 4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CH 4源(排放) 的研究较深入, 而对大气CH 4及土壤内源CH 4汇(吸收), 特别是对土壤氧化(吸收)CH 4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CH 4汇的研究, 对准确估算、预测大气CH 4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

代前反硝化作用被认为是N 2O 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N 2O, 这两个过程在形成N 2O 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下, 由NO 3−还原成NO 、N 2O 、N 2的生物过程或化学过程的吸能反应, 其反应式为NO 3−→NO 2−→NO → N 2O →N 2。

农田土壤主要是通过生物过程产生N 2O, 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N 2O 。厌氧条件下一些自养微生物可利用NO 3−氧化无机化合物如FeS 等以获取能量, 而许多异养微生物在低氧时将NO 2−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NO 3−还原为N 2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 、N 2O 、N 2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。整个NO 2−的还原过程中, N2O 还原成N 2一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N 2, 有些产生N 2O 和N 2的混合物, 还有些细菌仅产生N 2O [33]。

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 、N 2O 、N 2排放可能伴随临时性NO 2−的积累, 高含量NO 2−有时发现在高剂量施用NH 3或NH 4-N 肥的嫌气土壤中。施用磷肥可增加NO 2−积累, 有利于形成N 2、N 2O 。大部分反硝化细菌在一定条件下能把N 2O 还原成N 2, 但NH 4+通过反硝化细菌抑制N 2O 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NH 4+的氧化分两步进行[35], 即NH 4+→NO 2−氧化过程, 由亚硝酸细菌参与, 中间过渡产物为NH 2OH, 这是一个慢反应过程, 决定了整个过程的反应速度; NO2−→NO 3−的氧化过程由硝化细菌参与, 反应速度快于亚硝化过程。N 2O 是羟胺氧化成NO 2-N 过程中因化学反应、酶反应或两方面反应而生成的。

土壤N 2O 排放通量取决于土壤剖面生成的N 2O 扩散及扩散过程中的还原强度, 但国内外土壤N 2O

970

中国生态农业学报 2011 第19卷

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N 2O 扩散过程的研究非常薄弱, 深层土体N 2O 对表层N 2O 的贡献作用还不清楚。国内梁冬丽等[36−37]研究了150 cm土体内不同施

肥措施下土剖面N 2O 浓度时空变异规律, 发现60 cm 埋深处N 2O 浓度最高, 其次是90 cm和150 cm处, 下层土壤N 2O 浓度显著高于上层土壤; 受气温和降雨的影响, 6~9月是N 2O 蓄积高峰期; 在每年施氮量为660 kg(N)·hm−2情况下, 60 cm处N 2O 最高浓度高达1 309~2 467 µL·L−1, 并且土壤剖面N 2O 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N 2O 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N 2O 浓度为457~1 417 µL·L−1; 不同土层的N 2O 浓度随着施氮量增加而增加。国外的研究[38−39]也表明, 深层土体内N 2O 浓度高, 同时N 2O 在扩散过程还发生了还原作用, 深层土体N 2O 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N 2O 气体蓄积在深层土体内, 提高了农田N 2O 排放的风险。深层土壤蓄积的N 2O 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N 2O 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N 2而以N 2的形式进入大气

[40]

, 这

是深层土体残留NO 3-N 发生脱氮的一个有益过程, 既减弱了NO 3-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N 2O 的扩散过程与还原机制, 定量深层土体N 2O 的去向, 可为精确评估深层土体对农田N 2O 排放的贡献提供科学参数。

通常认为当土壤剖面中N 2O 还原速率大于其向上的扩散速率时土壤剖面中形成的N 2O 可能就难以到达土壤表面, 从而减弱了土壤剖面蓄积N 2O 对农田N 2O 排放的贡献。近年来, 国外一些专家开始应用标记

15

N 2O 气体和稳定性同位素技术研究土壤剖

面中N 2O 在扩散过程中的还原机制及其对农田N 2O 排放的影响。Clough 等[41]应用室内土柱被动扩散法注入标记

15

N 2O 气体进行培育, 研究土壤剖面中

N 2O 扩散、还原过程, 结果表明N 2O 从90 cm埋深处扩散至15 cm处会有67%被还原成N 2; Van Gro-enigen 等[38]研究了土壤剖面N 2O 动态变化及其δ15N

分布特征, 发现90 cm处N 2O 浓度从100.4 mL·L−1降至1.7 mL·L−1时在表层并未发现有N 2O 排放, 但其δ15N 却富集了50‰, 这亦说明N 2O 在扩散过程中发生了还原。另有大量研究证明, 在一定条件下农田N 2O 排放存在负通量[42−44], 这很可能是土壤剖面中N 2O 还原过程加强或扩散过程减弱导致表层土壤N 2O 浓度下降而使大气N 2O 扩散回土壤中的结果。而Pérez等[45]的研究则表明, 当N 2O 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增加了土壤NO 3−浓度, 促进了N 2O 的生成, 因反硝化过程中微生物更容易利用NO 3−作为电子受体, 从而影响了N 2O 的还原进程, 导致反硝化产物中N 2O/N2的比例增加。如何调控土壤条件使其更有利于N 2O 向N 2的转化是农田N 2O 减排的关键, 这一领域的研究正在引起国内外的重视, 加强土壤剖面蓄积N 2O 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。

2 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CO 2排放显著高于免耕。传统耕作增加CO 2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 2, 这种耕作是指机械化生产条件下进行的耕作, 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CO 2的排放通量, 同时也加速了郁闭于土壤内的CO 2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CO 2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

第4期

张玉铭等: 农田土壤主要温室气体(CO2、CH 4、N 2O) 的源/汇强度及其温室效应研究进展 971

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 of intensity of source/sink of greenhouse gases of farmland ecosystem

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室效应比较发现, 翻耕后短期内存在1个CO 2排放峰, 显著增加CO 2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CO 2排放的影响, 结果表明, 常规耕作的CO 2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CO 2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CO 2释放量[50]。

对未扰动土壤进行耕作可大大降低土壤CH 4汇的强度[51], 耕作破坏了土壤原有结构, 减少了土壤CH 4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CH 4的排放, 但经过一定时间(6~8 h)后, 则有降低CH 4排放通量的趋势[52]。秸秆还田和免耕措施促进土壤对CH 4的吸收, 秸秆深施对土壤吸收CH 4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CH 4的氧化和对空气中CH 4的吸收[28]。而张雪松等[26]在同一地区开展的麦田土壤CH 4吸收特征结果表明, 秸秆还田后不利于土壤对CH 4的吸收。由于农田CH 4的排放受诸多因素的影响, 且CH 4的排放机理也非常复杂, 耕作引起CH 4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N 2O 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N 2O 的排放[53], 1998~1999年在新西兰潜育性淋溶土上进行的耕作措施对农田N 2O 排放速率影响研究结果显示, 常规耕作农田N 2O 排放速率为9.2 kg·hm−2·a−1, 免耕农田为12.0 kg·hm−2·a−1, 常规耕作与免耕在

N 2O 排放上无显著差异[54]。也有研究认为凿式犁耕作的农田N 2O 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N 2O 排放, 翻耕比免耕更有利于农田N 2O 排放, 主要是土壤扰动促进了郁闭于土壤内的N 2O 的释放; 秸秆深施较秸秆表面覆盖更有利于农田N 2O 排放, 秸秆深施较表覆更易于分解, 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N 2O 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25~30∶1, 如果C/N比大于25~30∶1, 有机质分解慢, 微生物活性弱, N2O 排放受到抑制; 如果C/N比小于25~30∶1, 则微生物活性强, 促进N 2O 形成与排放。Reddy 等[56]证实土壤碳矿化率与土壤NO 3−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Bouwman [58]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CO 2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CO 2排放。董玉红等[59]研究了长期定

972

中国生态农业学报 2011 第19卷

位施肥对小麦−玉米轮作农田土壤CO 2排放的影响, 结果表明, 氮磷钾配合施用(NPK)对土壤CO 2排放通量的影响最大, 不同肥料处理农田土壤CO 2排放通量顺序依次为NPK>NP>PK>NK>CK。氮磷钾配合施用显著提高了作物产量和秸秆残茬还田量, 提高了土壤有机质含量, 从而提高了土壤CO 2排放量。有机肥和化肥的施用能显著增加土壤呼吸释放的CO 2, 培肥土壤有增加CO 2排放的作用[60]。

施肥可改变农田生态系统作为大气CH 4源与汇的强度。施用有机肥可大大促进水稻田CH 4的产生与排放。Sommer 等[61]研究表明, 有机肥施用后, 最初是被溶解在溶液中的CH 4挥发, 紧接着是短链挥发性脂肪酸被细菌降解而释放CH 4。将牛粪注入耕地土壤内部所释放出的CH 4比在表土使用所释放的量要高[62], 主要是由于粪便注入土壤后通气状况受到限制而形成缺氧环境, 从而缩短粪便的分解过程, 增加CH 4的释放。有研究亦表明长期使用农家肥料可引起旱地土壤对CH 4氧化的抑制作用, 但是, 其影响要小于使用等量的无机肥料所产生的影响[63]。利用英国洛桑实验站1843年开始的“Broadbalk小麦试验”测定了无机氮肥的长期效应, 结果表明CH 4氧化速率最高值出现在无氮肥处理的小区, 并且当无机氮施用量由48 kg·hm−2增加至每年144 kg·hm−2时, 土壤的CH 4氧化速率明显降低

[63]

。不同肥料如NH 4Cl 、(NH4) 2SO 4和尿素

等对CH 4氧化的影响是类似的, 施肥后即对CH 4氧化产生80%~96%的抑制作用, 当土壤中NH 4+浓度几乎为零时, 对土壤CH 4氧化速率抑制仍达20%左右[64]。Nesbit 等[65]观察到在施用的NH 4Cl 被完全硝化后, 对CH 4氧化仍有抑制作用, 这可能是由于长期反复施用氮肥产生的长期效应, 即长期施肥可能引起了微生物区系或数量的改变而造成的[66]。

施肥通过改变土壤NO 3−

含量来影响农田N 2O 排放。NO 3−作为反硝化细菌进行反硝化作用的底物,

直

接影响土壤反硝化强度和农田N 2O 排放。当土壤中NO 3-N 浓度>25 mg·kg−1时, 土壤反硝化速率不受NO 3−含量影响, 呈零级反应; 当土壤NO 3-N 浓度

−1

时, 土壤反硝化反应呈一级反应, 此时土壤生

物反硝化速率完全取决于NO 3−在土壤溶液中的扩散速率。还有人认为, 低浓度的NO 3−

可刺激N 2O 还原酶活性, 大多数情况下NO 3−

是N 2O 还原阻抑剂, 阻止或延缓N 2O 向N 2的转化, 其结果随NO 3−

浓度增加N 2O/N2值迅速增加。其原因为硝酸还原酶生成较快, 而N 2O 还原酶生成需要更长时间, 这个滞后效应随NO 3−浓度增加而增加。农田施用氮肥、进行土地耕作能增加N 2O 形成与排放。施肥、浇水等农事活动是农

田土壤N 2O 排放的重要控制因素。不同肥料品种和施肥量引起N 2O 形成与排放量也存在差异, NH4-N 肥、NO 3-N 肥和尿素N 2O 排放损失率分别为0.01%~ 0.94%、0.04%~0.18%和0.15%~1.98%。通常情况下N 2O 排放量占肥料施用量的0.01%~2.00%, 全球以N 2O 排放形式年损失的化肥量为N 2O-N 20~8 000 Gg, 含氮量相同的有机肥要比无机肥对反硝化作用和N 2O 生成的促进作用更为明显。作物生长发育对氮肥以N 2O 排放形式的损失具有显著影响[67]。 2.3 土壤水分

土壤水分可通过影响土壤通气状况来影响分解土壤有机质的微生物种类、数量及其活性进而影响有机质的分解速率以及温室气体的生成速率和扩散速率。土壤含水量的多少可直接影响CO 2在土壤水中的溶解量以及在土壤孔隙中的扩散速率进而影响CO 2的排放量。在一定的水分含量范围内, CO2排放量与水分含量呈极显著相关关系。在Silvola 等[68]的试验中, 有效的排水引起CO 2排放量增长近一倍。

究其原因, 主要是因为CO 2在水中可被离子化, 且溶解度高, 约为0.9 cm3·L−1(O2约0.031 cm3·L−1), 有效的排水降低了土壤中CO 2的溶解, 增加了CO 2在土壤孔隙中的扩散速率, 导致CO 2排放量的增加。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。杨平等[69]通过测量干湿交替循环的土壤呼吸强度, 建立了土壤呼吸强度与土水势之间的数量关系: A =a ln(−Φ)+b (1)

式中, A 为土壤呼吸强度, Φ为土水势, a 、b 为统计 常数。

水分状况是影响稻田CH 4排放的最重要因素之一。CH 4氧化对土壤水分含量的反应呈极显著的负相关性, 烤田会大大抑制CH 4的产生和排放[70−71]。水稻生长期一直保持淹水状态, 其CH 4排放量高于一般水田, 如果稻田淹水前连续晒干时间越长, 水稻生长期CH 4排放量越低[72]。说明土壤湿度及土壤湿润期的长短都影响CH 4的排放。李长生等[71]利用DNDC 模型对我国连续淹灌和烤田两种不同水管理制度下的稻田CH 4排放进行了模拟, 结果表明, 采用连续淹灌措施, 我国水稻田CH 4年排放量为860~1 600万吨; 如果改为生长期烤田, 水稻田CH 4年排放量为350~1 160万吨, 仅水管理措施的改变可使稻田CH 4排放量减少27.5%~59.3%。

土壤水分通过影响硝化与反硝化过程而影响农田N 2O 的生成速率, 通过影响N 2O 在土壤中的扩散与还原速率而影响农田N 2O 的排放。当土壤含水量既能促进硝化又能促进反硝化过程时, N2O 形成与排放量会达到最高值。试验表明土壤含水量为

第4期

张玉铭等: 农田土壤主要温室气体(CO2、CH 4、N 2O) 的源/汇强度及其温室效应研究进展 973

WFPS(water-filled pore space)的45%~75%时硝化细菌与反硝化细菌均可能成为N 2O 的主要制造者; 土壤处于饱和含水量以下时由硝化作用产生的N 2O 占61%~98%; 而当水分饱和时反硝化过程是N 2O 的最基本来源。土壤含水量为WFPS 的54%时硝化速率与N 2O 的生成速率均最高[33], 硝化速率相当于水分含量为WFPS18%时的1.7倍和36%时的1.5倍, 而N 2O 生成速率分别为7.4倍和1.6倍。

土壤干湿交替能激发N 2O 形成与排放, 其主要原因是干燥时部分微生物死亡增加了土壤中可降解有机碳的量, 氧的存在又促进了硝化过程; 土壤湿润时发生反硝化作用, N2O 产生比还原快, 导致N 2O 积累并使N 2O 扩散排放成为可能。一般土壤干湿交替处理引起的N 2O 排放高于土壤持续湿润处理。土壤含水量低时N 2O 产生和NO 3−

浓度同时随土壤含水量的增大而增加, 表明硝化作用是产生N 2O 的机理; 土壤含水量高且仅N 2O 排放量随土壤含水量增大而提高时, 反硝化作用是N 2O 产生的主要机理。但当土壤含水量>田间持水量时, 不仅O 2扩散进入土壤受到限制, 且影响了反硝化气体在土壤中的运动、分布和释放。随着N 2O 在土壤中逗留时间的延长, 被进一步还原成N 2的可能性将增大。 2.4 土壤质地

土壤质地是影响有机质矿化和温室气体生成与排放的重要因素。土壤质地直接影响土壤的水分含量和通透性, 进而影响土壤微生物活性和有机质氧化分解、还原过程的相对强弱及其分解产物的构成, 从而影响温室气体的产生及其在土壤中的扩散。一般而言, 黏性土壤中的空气较砂性土壤要少, 好气性微生物的活性往往受到抑制。许多试验证明土壤黏粒具有保持土壤碳素的能力, 其含量影响外源有机质及其转化产物的分解速率或稳定性

[73−74]

。可以

推断, 有机物料在黏粒含量低的土壤中分解比较快, 随黏粒含量的增加分解趋于缓慢。土壤质地黏重的土壤, 土壤通透性差, 土壤气体扩散速率慢, 减弱了气体向大气的排放。

3 农田生态系统对温室效应的贡献

温室效应(greenhouse effect)是地球大气层具有的一种物理特性, 通常是指因温室气体聚集于大气层中的浓度增加而引起地球温度升高的现象。温室气体浓度增加使大气层对红外线辐射的吸收量大于释放到太空外的量, 从而引起近地面空气温度的升高。工业革命后, 全球变暖的趋势日益严重, 在过去的一个半世纪中全球表面温度上升了0.6±0.2 ℃, 20世纪是过去千年以来最暖的世纪。IPCC 估计, 因温

室气体增加的作用将导致全球平均气温每10年上升0.2 ℃。

由于CO 2、CH 4和N 2O 这3种温室气体的增温效应不同, 它们对全球变暖的影响亦不相同。当这3种气体从一个系统或区域同时排放时, 只有计算它们作用的综合效果才能了解该系统或区域或某一农业管理措施对温室效应的贡献。根据IPCC 的报告[75], 以100年影响尺度为计, 1 kg的CH 4的增温效应是1 kg的CO 2的21倍, 而1 kg的N 2O 的增温效应是1 kg的CO 2的310倍, 用全球增温潜势(global warming potential, GWP)来表示3种温室气体的联合作用。GWP 的计算如下:

GWP =f CO 442×

12+f CH ×16

412

×21+f N 2O ×44

(2)

28

×310式中, f CO 2为CO 2净排放量(kg CO2-C), fCH 4为CH 4净排放量(kg CH4-C), f N 2O 为N 2O 净排放量(kg N 2O-N) 。

世界许多国家针对农业活动对温室气体排放的影响进行了研究。李长生等[71]运用DNDC 模型模拟了1990年我国农业生态系统CO 2、

CH 4和N 2O 的排放量, 每年CO 2净排放量约9 500万吨C, CH4约为920万吨C, N2O 约为130万吨N; 并据此公式估算了我国农田的GWP 值, 约为34 400~210 200万吨CO 2当量, 其中值为122 255万吨CO 2当量。在3种温室气体中N 2O 排放对GWP 值的贡献最大, 占50%, 其次是CO 2, 占29%, CH4排放贡献最小, 占21%。美国的研究认为农业在温室气体排放中的贡献在本国大致占7%~10%[76], 加拿大和英国的研究资料均表明农业在其温室气体排放源中的比例大致为8%[77−78], 尽管德国的工业高度发达, 农业仍是N 2O 和CH 4的重要排放源, 因农业活动引起的N 2O 排放占全部排放量的39%~52%[79], CH4占34%[80]。

王效科等[81]利用DNDC 模型模拟估算了1978~ 1998年间我国农田粮食生产中温室气体排放量, 结果表明CO 2和CH 4排放量变化很小, 而N 2O 排放量增加很快, 我国农业土壤是大气的重要N 2O 源, 减少化肥施用量是减少农田N 2O 排放的重要措施。农业生产对温室气体排放有重要贡献, 正确评价各温室气体的温室效应可为农业生产中制定减排策略提供参考依据。

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