（环境科学专业论文）稻麦轮作农田生态系统温室气体排放及机制研究.pdf

2 1 1 0 7 g h m 2 ，在麦季分别为7 1 1 0 3g h m 2 、4 8 1 0 3g h m 。、1 3x1 0 7 g h m - 2 。 c h 4 排放以稻季为主，麦季排放量仅占稻季的1 5 4 8 ；n 2 0 排放为麦季大于稻 季；c 0 2 排放，在两季的对照小区其总量差距不大，在施肥小区是稻季大于麦季。 两季农田系统因施肥而造成n 2 0 排放损失的n 仅占施肥量的o 5 0 和o 4 8 。 n 2 0 排放对农田生态系统n 循环的作用较微弱。 基于对温室气体排放的影响因子的主成分分析，建立了稻季c l - h 、n 2 0 和 c 0 2 通量的三个半经验方程，以及麦季n 2 0 和c 0 2 通量的两个半经验方程。其 拟合结果均与实测值有显著的相关关系。通过实测值与半经验模型模拟值的对比 发现，半经验模型基本上体现了c h 4 、n 2 0 和c 0 2 的耕作季变化趋势。 关键词；温室气体，c t t 4 ，n 2 0 ，c 0 2 ，捧放机制，稻麦轮作农田 a b s t r a c t n o w a d a y s ，r e s e a r c h e r sp a ym o r ea t t e n t i o no i lt h es t u d yo fg r e e n h o u s eg a s e s e m i s s i o nw h i c hr e s u l t si ng l o b a lc h a n g ed i r e c t l y a g r o - c c o s y s t e ma c t sa sa ni m p o r t a n t s o u r c eo fg r e e n h o u s eg a s e si nb o t hg l o b a la n dl o c a lv i e w m e t h a n e ( c h 4 ) ，n i t r o u s o x i d e ( n 2 0 ) a n dc a r b o nd i o x i d e ( c 0 2 ) a r et h r e eo ft h et y p i c a lg r e e n h o u s eg a s e s i n p a d d yw e t l a n de c o s y s t e m ，c h 4e m i s s i o ni ss i g n i f i c a n t ，a n da l t e r n a t i o no f w e t t i n ga n d d r y i n gi nt h es y s t e mw i l le n h a n c et h en 2 0e m i s s i o n i nw i n t e rw h e a ts e a s o n , n 2 0 e m i t sr e m a r k i b l y d e c o m p o s i t i o no fo r g a n i cm a t t e ri nt h ef i e l ds o i lw i l lp r o d u c ec 0 2 i n t ot h ea t m o s p h e r e t h i ss t u d ys e t sat e s tf i e l di np a d d y - w h e a tr o t a t i o nf i e l d si n s h a n g h a is u b u r b t h es t u d yw a sc o n d u c t e d t oo b s e r v et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f g r e e n h o u s eg a s e si no n ey e a rs c a l e ，e l u c i d a t et h ee f f e c tf a c t o r so fe m i s s i o ne s p e c i a l l y t h ef i e l dm a n a g e m e n t ( i r r i g a t i o na n df e r t i l i z e ra p p l i c a t i o n ) ，a n a l y z et h ec nc y c l ei n a g r o - e c o s y s t e mw i t hg r e e n h o u s eg a s e se m i s s i o n , e s t i m a t et o t a la m o u n to fe m i s s i o n s i ne a c hc r o pg r o w i n gs e a s o n ，a n db u i l dt h es e m i e m p i r i c a lm o d e lt os i m u l a t et h e f l u x e s i ns e a s o n a ls c a l e ，p a d d yf i e l dw a st h es o u r c eo fc h 4 ，n 2 0a n dc 0 2 w h e a t f i e l de m i t t e dn 2 0a n dc 0 2 ，w h i l et h ec h 4f l u xw a ss l i g h t ，i nc o m m o nf i e l d m a n a g e m e n t ( f e r t i l i z i n gp l o t ) i np a d d ys e a s o n ，t h r e eg a s e se m i t t e dw i t hav a l u eo f 4 2 1m g - 埘产一h ( m e a nv a l u e ，t h es a m eb e l o w ) f o rc h 4 ，8 4 7 7 嵋m - 2 h - 1f o rn 2 0 ，a n d 6 0 2 7 3m g m - 2 h - 1f o rc 0 2 ，a n di nw h e a ts e a s o n ，o 。1 4m g m - 2 h 1f o rc h 4 ，9 4 2 4 烬n 1 2 h - 1f o rn 2 0 ，a n d2 6 5 31m g - m - 2 h 1f o rc 0 2 i no n ey e a rs c a l e ，t h e r ew a sa s i g n i f i c a n tp o s i t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h 4a n dc 0 2 ，a n dc h 4 w a sf o u n dan e g a t i v e c o r r e l a t i o nw i t hn 2 0 t h ee f f e c tf a c t o r so f g r e e n h o u s eg a s e sa r et e m p e r a t u r e ，w a t e rc o n d i t i o n , p h y s i c a l a n dc h e m i c a lc h a r a c t e r so fs o i l ，p l a n tc o n d i t i o n , a sw e l la sf i e l dm a n a g e m e n t ，e t c t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e dt h ef l u x e so fc h 4a n dc 0 2l i n e a r l y t h ee x t r e m u mo fc i - 1 4 o c c u r r e dw h i l es o i lt e m p e r a t u r ea t5c mw a s3 0 - 3 3 ，a n dt h ee x t r e m u mo fn 2 0 1 8 3 0 t h et h i c k n e s so f s u r f a c ew a t e ra n dw a t e r t e m p e r a t u r es i g n i f i c a n t l yp o s i t i v e c o r r e l a t e dw i mc r t 4 a n ds i g n i f i c a n t l yn e g a t i v ec o r r e l a t e dw i t hn 2 0d u r i n gt h ep a d d y s e a s o n b e c a u s eo ft h el o n g t i m ef l u s hi r r i g a t i o ni np a d d ys e a s o n , t h ep a d d ys o i li n 4 1 2c mk e p tar e d u c t i o ns t a t e i nw h e a ts e a s o nw i t h o u ti r r i g a t i o n , t h es o i lb e c a m e t h eo x i d a t i o ns t a t e t h ep l a n th e i g h tr e m a r k a b l yc o r r e l a t e dw i t hc 0 2i np a d d ys e a s o n ， a n dr e m a r k a b l yc o r r e l a t e dw i t hc 0 2a n dn 2 0i nw h e a ts e a s o n a n a l y z i n gt h ed a t ao f f e r t i l i z i n ga n dc o n t r o lp l o tw i t ht h ep a i r e dt - t e s tm e t h o d ，t h e r ew a sas i g n i f i c a n t d i s t i n c t n e s so f c h 4a n dc 0 2e m i s s i o ni nd i f f e r e n tf e r t i l i z e ra p p l i c a t i o n t h et o t a la m o u n to fg r e e n h o u s eg a s e se m i s s i o n so fp a d d y - w h e a tr o t a t i o n a g r o e c o s y s t e mi ns h a n g h a is u b u r bi nc o m m o nf i e l dm a n a g e m e n t ( f e r t i l i z i n gp l o t ) w a s1 5 x1 0 5 9 h m - 2f o rc 地，3 0 x1 0 3 9 h m - 2f o rn 2 0 ，a n d2 1 1 0 7g h m - zf o rc 0 2 i np a d d ys e a s o n a n dt h et o t a la m o u n ti nw h e a ts e a s o nw a s7 1 1 0 jg - h m - 2f o rc h 4 4 8 1 0 3 9 h m - 2f o rn 2 0 ，a n d1 3 x1 0 7g - h m - 2f o rc 0 2 p a d d ys e a s o np r o d u c e dm o s t o ft h ec h 4e m i s s i o n , a n dt h ec h 4a m o u n to fw h e a ts e a s o nw a so n l y1 5 - - 4 8 o f p a d d ys e a s o n n 2 0a m o u n to fw h e a ts e a s o nw a sh i g h e rt h a no fp a d d ys e a s o n c 0 2 e m i s s i o na m o b n ti nt w os e a s o n sw e r ec l o s ei nc o n t r o lp l o t ，a n di nf e r t i l i z i n gp l o tt h e a m o u n to fp a d d ys e a s o nw a sh i g h e rt h a no fw h e a ts e a s o n nl o s td u et ot h en 2 0 e m i s s i o nw a so n l y0 5 0 o ft h enf e r t i l i z e ra m o u n ti np a d d ys e a s o na n d0 4 8 i n w h e a ts e a s o n , w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h en 2 0e m i s s i o nc o n t r i b u t e ds l i g h t l yi nt h en c y c l eo f t h ea g r o e c o s y s t e m b a s e do np r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i so ft h ee f f e c tf a c t o r so fg a se m i s s i o n , w e b u i l dt h r e es e m i - e m p i r i c a le q u a t i o n so fc h 4 ，n 2 0a n dc 0 2i np a d d ys e a s o n ，a n d t w oe q u a t i o n so fn 2 0a n dc 0 2i nw h e a ts e a s o n t h es i m u l a t e dg r e e n h o u s eg a s e s f l u x e sb a s e do i lt h e s em o d e l sa c c o r d e dw i t ht h em e a s u r e dv a l u e si nt h es a m eo r d e ro f m a g n i t u d ea n dt h es a m ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i e s k e yw o r d s ：g r e e n h o u s eg a s e s ，o h 4 ，n 2 0 ，c 0 2 ，e m i s s i o n m e c h a n i s m ， p a d d y - w h e a t r o t a t i o na g r o - e e o s y s t e m 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：耋豳蕴日期：礁丑：五： 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留，使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：凿碉街 日期：塑丑：堕： 导专1 处 导师签名：记v l 彰k 弋一 日期：丝! ：盟， 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出与研究意义 自上世纪7 0 年代以来，区域气候变暖已为全世界各领域学者关注的 焦点。近年来资料表明，全球变暖的趋势仍在继续( h a n s e ne ta 1 ，2 0 0 2 ) ， 并有可能在以后的二三十年里加快变暖的速度( k n u t t ie ta 1 ，2 0 0 2 ) 。虽然 有一些人认为全球变暖与温室效应无关( s i n g e r ，1 9 9 9 ) ，但大多数学者认 为温室效应加剧是造成全球变暖的重要原因，而人类活动则是造成温室效 应加剧的重要原因( i p c c ，2 0 0 1 ) ，即温室效应增强主要归因于人类活动 向大气中排放的温室气体的急剧增加。引起全球气候变暖的温室气体主要有 水汽( h e o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 、甲烷( c h 4 ) 、氧化亚氮( n 2 0 ) 、臭氧( 0 3 ) 、 氟里昂或氯氟烃类化合物( c f c s ) 、氢代氯氟烃类化合物( h c f c s ) 、氢氟碳化 物( i - i f c s ) 、全氟碳化物( p f c s ) 、六氟化硫( s f 6 ) ( 王明星，2 0 0 1 ) 。其中水汽主 要来自于海洋，受人类活动影响较小；c 0 2 、c h 4 和n 2 0 在自然界中本来就存在， 因人类活动而显著增加；c f c s 、h c f c s 、h f c s 、p f c s 和s f 6 则完全是人类活动 的产物。这些温室气体的浓度、增加速率、吸收红外辐射能力、残留时间及全球 增温潜势各不相同。c 0 2 、c h 4 和n 2 0 凭借它们来源的复杂性、较高的增长 速率以及增温潜势，成为人们研究的重点( 蒋静艳，2 0 0 1 ) 。 表1 1 列出了三种主要温室气体c h 4 、n 2 0 和c 0 2 的特征值。c h 4 在1 0 0 年尺度下的g w p ( g l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l s ，增温潜势) 值要比c 0 2 高出2 0 倍， 且是这三种温室气体中浓度增幅最大的一种，由工业化之前的7 0 0 x 1 0 母( v v ) 增加 到1 9 9 8 年的1 7 3 0 1 0 4 ( v v ) 。大气中c i - 1 4 的排放源包括天然湿地、白蚁、海洋、 森林、化石燃料、反刍动物、稻田、生物质燃烧、城市垃圾污水和动物废弃物等， 其中有7 0 9 0 来自地表生物源，而全球由水稻释放的c h 4 量可占生物产生总量 的1 0 3 0 ( c i e r o n ee ta 1 ，1 9 8 8 ；h o u g h t o n ，e t a l ，1 9 9 0 ) ，是大气c h 4 的主要来源。 大气中c 1 4 的汇是通气良好的土壤或干燥土壤的吸收以及大气中c h 4 的氧化， 后者占主导地位，主要机制是在土壤微生物参与下的c h 4 的氧化和大气中o h - 自由基参与下的c h 4 的氧化。 n 2 0 在大气中的浓度相对较低，工业化之前为2 7 5 x 1 0 9 ( v v ) ，1 9 9 8 年为 3 1 2 x 1 0 4 ( v v ) ，但它的g w p 值是c 0 2 的3 1 0 倍，且在大气中的存留时间长达1 2 0 年，因此是一种重要的温室气体。目前大气中n 2 0 的源已确认不少，包括海洋 以及温带、热带的草原和森林生态系统，农田生态系统、生物质燃烧和化石燃烧、 己二酸以及硝酸的生产过程，但每种源的贡献难以准确定量。不过，不同研究者 达到共识的一点是土壤，尤其是热带土壤和农业土壤，是大气中n ：o 的最主要 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文第一章绪论 来源( 蒋静艳等，2 0 0 1 ) 。而n 2 0 在大气中的唯一的汇是在平流层被光解。 c 0 2 在大气圈、生物圈和海洋中的流动是全球碳循环的主要形式。而且陆地、 生物圈和海洋这些大的碳库的微小变化也可能引发对大气c 0 2 浓度的较大影响。 工业革命以来，碳循环的平衡开始被破坏，造成大气中的c 0 2 浓度快速增加。 一方面，生态环境恶化，植被遭到前所未有的破坏，碳汇不断减少；另一方面， 化石燃料的消耗量大幅增加。此外，土地利用变化、一些敏感地貌区如岩溶区也 会影响c 0 2 的源汇平衡。工业革命以前大气中c 0 2 的浓度只有2 8 0 1 0 。( v v ) ，到 1 9 9 8 年已达到3 6 6 7 x 1 0 4 ( v v ) 。 衰1 1 大气中的主要温室气体特征 t a b 1 1c h a r a c t e r i s t i c so f m a j o rg r e e n h o u s eg a s e sa ta t m o s p h e r e 注：引自蒋静艳( 2 0 0 0 ，有改动。 研究认为，农田是重要的温室气体排放源。稻田湿地系统中c h 排放 量所占份额极高，田间干湿交替处理则会增加n 2 0 的排放；而冬小麦n 2 0 排放量也占到了重要份额( 田光明等，2 0 0 2 ) 。农业土壤中的有机质经微 生物分解后，碳素也多以c 0 2 的形式释放入大气；而植物的光合作用可吸 收空气中的c 0 2 并排放0 2 。此外，农田生态系统中c h 4 、n 2 0 和c 0 2 的 排放也是区域以至全球碳( c ) 、氮( n ) 循环的重要组成部分。因此，深 入了解农田生态系统中c h 4 、n 2 0 和c 0 2 的排放过程并正确评估及设法减少 其排放量对于减少温室效应，改善人类生存环境，维护生态平衡均具有重 大的意义。 上海市所在的长江三角洲地区，是受季风影响的典型亚热带地区。目 前上海地区农田温室气体排放研究仍很薄弱。因此，本研究在上海市郊区 设置试验田，以大田条件下的稻麦轮作农田生态系统为研究对象，通过对c h 4 、 n 2 0 和c 0 2 三种典型温室气体排放的长期连续观测，分析稻麦轮作农田生态系 统温室气体排放的时间变化规律；并结合环境参数的分析测试和记录，探讨各个 2 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文第一章绪论 影响因子特别是灌溉及降雨引起的干湿交替以及施肥管理等对温室气体排放的 影响，以期完善稻麦轮作农田生态系统温室气体排放机理研究；将温室气体排放 与农田c 、n 循环过程相结合，估算气体排放总量，进行农田生态系统的n 平衡 分析，为区域c 、n 平衡研究提供依据：建立农田温室气体排放的半经验模型， 以便对农田温室气体排放进行准确的估算。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 温室气体排放通量研究的方法 温室气体排放( 吸收) 通量即单位时间内单位面积的下垫面所排放或吸收的 温室气体的量，其测定的最常用的方法有箱法和微气象法。 ( 1 ) 箱法 箱法的工作原理是用特制采样箱罩在一定面积的土壤及其植物上方，并隔绝 箱内外气体的自由交换，测定箱内空气中被测温室气体随时问的变化，并据此计 算得到该气体的交换通量。箱法又分为静态箱法和动态箱法。 静态箱法是在保持位于被测地块上方的箱内空气与外界没有任何交换的情 况下，通过在一段不太长的时间内( 如十几分钟) 箱内被测气体的浓度变化来获 得该气体的界面交换通量。因此使用静态箱法最重要的一点就是在整个过程中保 持密闭性。计算公式如下： f = 口h a c a t 2 7 3 ( 2 7 3 + t ) 1 0 6 式中f 为温室气体排放通量，单位为m g m - 2 h - 1 ，p 为标准状态下温室气体 的密度，单位为埏m - 3 ，h 为密闭箱高度，单位为m ，a c a t 为单位时间密闭箱 内温室气体浓度的变化量，一般气体浓度以体积比计，所以此项单位为h - 1 ，t 为密闭箱内温度，单位为。尽管箱法测定温室气体通量具有不确定性，但是由 于它具有原理简单、仪器廉价、操作容易、移动便利和灵敏度高等优点，在国内 应用最为普遍，已有十多年的历史，趋于成熟。除了森林生态系统外的其他陆地 生态系统如草地、农田、湿地等，几乎都广泛采用箱法，尤其是静态箱法( 杜睿 等，2 0 0 1 ；王跃思等，2 0 0 2 ) 。 动态箱法又称开放箱法，其工作原理是让一定流量的空气通过箱子，通过测 量箱体入口处和出口处空气中被测气体的浓度来确定被罩表面温室气体的交换 通量。使用动态箱法的关键是如何在整个过程中保持箱内外气压差为最小( 即箱 内不出现明显对流) ，否则很小的气压差就会使气体通过土壤流入或流出箱体而 造成测量误差。计算公式如下： f = p 。qx ( c l - c 2 ) a 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文第一章绪论 式中f 为通量，p 为气体密度，q 为流量，c l 和c 2 分别为箱体出1 ：3 处和入口 处的气体浓度，a 为箱体底面积。 ( 2 ) 微气象法 微气象法的基本原理是在近地层中，湍流扩散是气体传输的基本过程，因此 测量近地层的湍流状况和被测气体的浓度便可获得该气体的通量值。用微气象学 法获得气体通量值的基本条件是微气象参数测量必须在常通量层中进行。经验表 明，常通量层的高度是测点上风方向水平均匀尺度的0 5 ，因此使用这种方法 时要求测试地为大面积均匀地表状况。在某一高度上测量得到的气体输送通量被 认为是测点附近地表的该气体交换通量。微气象学法可分为涡度相关法、空气动 力学方法、能量平衡法、质量平衡法、涡度积累法以及对流边界层收支法等 ( g o u l d e ne ta 1 ，1 9 9 6 1 李俊等，2 0 0 2 ) 。 1 2 2 不同生态系统的通量研究 ( 1 ) 农田生态系统 农田通量研究开展最早和最全面的生态系统之一。农田是极为重要的温室气 体排放源，农田生态系统中c h 4 、n 2 0 和c 0 2 的排放也是区域以至全球c 、 n 循环的重要组成部分。k o w a l e n k o 等( 1 9 7 8 ) 研究了农田c 0 2 排放的影响因 素，并计算出年排放量的估算值。b r e n m e r 等( 1 9 8 0 ) 报道了农田年际周期的n 2 0 排放情况，发现n 2 0 排放具有明显的季节性规律。c i c e r o n e 等( 1 9 8 1 ) 研究了 稻田甲烷排放，指出了农田管理措施的促排作用。郑循华等( 1 9 9 6 ) 的大田观测 表明，春季和秋季麦田n 2 0 的排放与降雨量呈明显正相关。h u a n g 等( 1 9 9 7 ) 研究发现，稻田甲烷排放的季节总量与水稻生产力里正相关，甲烷的排放通量与 水稻干物质积累呈正相关。d o b b i e 等( 1 9 9 9 ) 报道了氮肥施用对农业土壤n 2 0 的排放具有明显的促进作用。z h e n g 等( 1 9 9 9 ) 的大田结果表明，灌溉水稻栽培 的烤田过程可抑制c i q 4 的产生，但同时却促进了n 2 0 的排放。王明星( 2 0 0 1 ) 对稻田c h 4 的研究较为系统，并估算了中国稻田c h 4 排放量。 ( 2 ) 草地生态系统 全球关于草地生态系统温室气体排放的研究，已开展较长时间。r e d m a n n ( 1 9 7 8 ) 对混合草地土壤呼吸的日变化规律进行了研究，发现由于温度影响，夜 间土壤呼吸速率降为白天的一半。m o s i e r 等( 1 9 8 1 ) 则对草地n 2 0 排放的季节 变化做了研究，认为即便在干热天气下草地的n 2 0 排放量很少，但仍是大气中 n 2 0 的源。国内草地生态系统温室气体通量的主要研究区域集中在温带草地( 董 4 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文 第一章绪论 云社等，2 0 0 0 ；耿远波等，2 0 0 1 ) ，目前也开展了高寒草地的温室气体排放研究 ( 胡启武等，2 0 0 5 ) 。 ( 3 ) 森林生态系统 森林作为陆地生态系统的重要组成部分，在温室气体排放方面有十分重要的 地位。森林生态系统温室气体通量研究有明显的特征，即对于n 2 0 和c i - 1 4 ，主 要研究的是森林土壤气界面的交换( c a s t r oe la 1 ，1 9 9 3 ；徐慧等，1 9 9 5 ；董云社 等，1 9 9 6 ：齐玉春等，2 0 0 2 ；杜睿等，2 0 0 4 ) ；而对于c 0 2 ，则侧重于森林植被 与大气界面的交换( m a l h ie la 1 ，1 9 9 9 ) 。由于森林树木的高度大，限制了箱法的 使用，因此基于箱法的森林生态系统温室气体排放通量研究实际上多局限于森林 土壤的排放，这样微气象法的应用就对森林生态系统中植被与大气界面交换的监 测尤为重要( v a l e n t i n ie la 1 2 0 0 0 ) 。 ( 4 ) 淡水沼泽湿地生态系统 储藏在不同类型湿地中的碳约占全球陆地碳总量的1 5 ( f r a n z e n ，1 9 9 2 ) ， 天然湿地每年向大气中排放的c h 4 占全球c i - h 排放总量的1 5 3 0 ( b a r t l e t te t a 1 ，1 9 9 3 ) ，占自然排放的7 5 9 6 ( k h a l i l ，1 9 9 9 ) 。目前的研究区域多为高海拔地 区和高纬度地区，前者如青藏高原和若尔盖湿地( 王长科等，2 0 0 4 ；h i r o t ae l a 1 ，2 0 0 4 ) ，后者如三江平原和北欧湿地( 宋长春等，2 0 0 3 ；刘景双等，2 0 0 3 ；h u t t u n e n e ta 1 ，2 0 0 3 ) 。丁维新等( 2 0 0 2 ) 对我国沼泽每年甲烷排放量进行了估算，即年排 放量约为1 7 1 t g ，并集中于春夏季。 ( 5 ) 河口滨岸湿地生态系统 s m i t h 等( 1 9 8 3 ) 研究了墨西哥湾滨岸湿地从盐到淡三种湿地沉积物的n 2 0 排放，认为干湿交替会增加n 2 0 的排放。a l f b r d 等( 1 9 9 7 ) 报道了密西西比河 三角洲平原上三种湿地的c 王4 年均排放都为正值，且季节变化明显。b a u z a 等 ( 2 0 0 2 ) 发现波多黎各红树林沉积物n 2 0 的排放具有明显的日变化规律，日出 前后最高，近中午时最低。国内有关河口滨岸湿地生态系统温室气体排放的研究 开展较少，叶勇等( 2 0 0 0 ) 和卢昌义等( 2 0 0 0 ) 对海南和厦门红树林的c i - h 排 放做了相关研究。黄国宏等( 2 0 0 1 ) 研究了辽河三角洲芦苇湿地的c h 4 排放， 认为芦苇对c h 4 的增排机理是芦苇能产生更多的c h 4 ，且植株本身能作为c n 4 排放的重要通道。汪青( 2 0 0 6 ) 对长江口崇明东滩湿地生态系统c h 4 、n 2 0 、 c 0 2 等三种主要温室气体排放及机制进行了研究，认为潮暴露过程会显著影响温 室气体排放。 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 影响因子及机制 在对农田生态系统的研究中，一般考虑的影响c h 4 、n 2 0 和c 0 2 排放的因 子包括：水分状况、温度、土壤理化( 质地、结构) 、p h 、e h 、有机质、植物、 施肥、灌溉等。c h 4 、n 2 0 和c 0 2 的产生、消耗和传输过程和机制都有各自的 特点，因此各影响因子的重要性也有所差别。微生物对有机质的降解作用是造成 这三种温室气体排放的极为重要的原因( b e m e r , 1 9 8 0 ) ，有机质在土壤中的降解 是一系列微生物参与的氧化还原反应，分别是异养生物呼吸、反硝化、锰还原、 铁还原、硫酸盐还原和甲烷生成。其中反硝化及其反应生成物的硝化作用产生 n 2 0 ，甲烷生成反应产生c h 4 ，而c 0 2 产生于每一个反应。这样，有机质降解过 程就在很大程度上把这三种温室气体的产生机制统一起来了，所有影响有机质降 解的因素都可能影响到这些气体的产生和排放。 ( 1 ) c l k 现有对c h 4 机理的研究比较系统，一般把c h 4 的排放过程分解为产生、消 耗( 氧化) 和传输三个过程。 c h 4 产生的机理是有机质在水解发酵酶作用下降解为小分子有机酸，然后经 氢还原菌生成h 2 和c 0 2 ，或经乙酸菌生成乙酸后，由产甲烷菌生成c h 4 。土壤 温度影响产甲烷菌等土壤微生物的数量、结构和活性，进而影响c h 4 的产生 ( s c h i m e l 等，1 9 9 8 ) 。b u b i e r 等( 1 9 9 3 ) 研究发现c i 4 产生量与地下水位呈显 著相关，当水位接近或超过地表时，c h 4 排放量远远高于低水位时的排放量。排 水可造成土壤厌氧环境破坏，氧化还原电位升高，产甲烷菌失去活性，k i c f t 等 ( 1 9 8 7 ) 的研究发现，一次土壤的“干湿交替”过程最高会杀死5 0 的菌群。一 些常用的水管理技术，如我国传统的晒田等都会较大改变土壤的e h 值以及土壤 的有机营养，进而对c h 4 产生进行影响( 上官行健，1 9 9 3 ) 。c 1 4 4 产生的最佳p h 值大约为6 8 7 2 ( p a c c ye ta 1 ，1 9 8 6 ) ，当p h 值大于8 7 5 或小于5 7 5 时c h 4 的产生完全被抑制( w a n ge ta 1 ，1 9 9 3 ) 。k l u d z e 等( 1 9 9 3 ) 报道称，当e h 降至 - 1 5 0 m v 时c h 4 才开始产生，e h 从2 0 0 m v 降至3 0 0 m v ，c h 4 产生速率上升了 l o 倍。然而在印度北部的天然湿地研究中发现，当土壤e h 低于1 5 0 m v 时就有 利于产甲烷菌的活性( s i n g he ta 1 ，2 0 0 0 ) 。土壤有机碳、溶解有机碳及氮素含 量都与湿地c h 4 的产生有密切关系( 宋长春等，2 0 0 4 ) ，黄国宏等( 2 0 0 1 ) 发现 根际土壤产甲烷菌活性最高，这主要是由于该土壤中有较多的基质提供给产甲烷 菌的原故。叶勇等( 2 0 0 0 ) 发现土壤全氮是厦门红树林土壤c n 4 产生率的主要 影响因素。农田施用有机质肥料，可使c h 4 排放显著增加( d e n i e r , 1 9 9 5 ) ，但其 6 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文第一章绪论 它的化肥对甲烷排放的作用还无一定论。光照等因子也能够影响c h 4 的排放， 陈德章等( 1 9 9 3 ) 在中国杭州地区观测到c h 4 排放率与气温的线性关系受天气 阴晴的影响，晴天相关系数较高，阴天反之。 叶勇等( 2 0 0 1 ) 在厦门东屿滩面c h 4 排放的研究表明，所有季节所有滩面 的平均氧化率达到8 7 。而李晶等( 2 0 0 3 ) 的研究却认为，稻田土壤中产生的 c h 4 只有1 2 1 6 被排放到大气中，其余都在输送过程中被氧化了。c 出的氧化 也是在微生物的参与下进行的，一般认为分有氧氧化和无氧氧化两种，其中有氧 氧化是主要的过程( n e u e ，1 9 9 3 ) ，又分甲烷氧化细菌和硝化菌两种反应( p a p e n e ta 1 ，1 9 9 0 ) 。通气性好的土壤中产生的c h 4 能很快到达氧化区，c h 4 氧化率的 最大值出现在土壤湿度为1 8 5 1 之间，土壤温度为3 1 - 3 8 之间( 王明星等， 1 9 9 8 ) ，p n 为5 6 和6 3 时( h u t s c he ta 1 ，1 9 9 4 ) 。n 1 4 + 能通过竞争氧化菌来抑 制c n 4 氧化( c o n r a de ta 1 ，1 9 9 9 ；d u b e ye ta 1 ，2 0 0 0 ) 。闵航等( 2 0 0 2 ) 认为 硝酸盐对土壤氧化外源c h 4 活性的抑制强度要强于铵盐类物质，而王智平等 ( 2 0 0 3 ) 的研究却认为n h 4 + 的抑制作用比n 0 3 更大。 c h 4 传输有三种途径：分子扩散、气泡、植株通气组织传输，主要受植物体 生长状态、气温等因素的影响。李晶等( 2 0 0 3 ) 认为水稻植物体输送c 地占总 排放量的5 5 7 0 ，气泡的作用要比过去估计的重要得多，占总排放的2 4 - - 4 0 ， 分子扩散基本小于5 。黄国宏等( 2 0 0 1 ) 研究了芦苇湿地的c h 4 排放，认为土 壤中产生的c h 4 主要是通过芦苇植株的传输作用进入到大气中，地表水层氧化 了大部分经分子扩散传输的c h 4 。上官行健等( 1 9 9 3 ) 在进行单株植物体的排放 测量里发现，早稻和晚稻c n 4 通过水稻植株的传输占总排放的4 3 9 8 和 1 1 1 0 0 ，而气泡冒出及通过水层扩散仅占不到1 0 。植株的生长状况影响着植 株的传输能力，水稻植株排放c t h 的能力随着水稻的生长而不断增强，到水稻 抽穗期达到最大，以后则随着水稻的成熟而变小。除此之外，稻田c h 4 排放的 季节总量与水稻生产力里正相关，c h 4 的排放通量与水稻干物质积累呈正相关 ( h u a n g ，e ta 1 ，1 9 9 7 ) 。 ( 2 ) n 2 0 研究表明，n 2 0 产生的主要机理是微生物参与下的硝化反应、反硝化反应和 硝酸盐异化还原成铵反应( d n r a ) 。硝化过程可分为两部分，n h 4 + 先被氧化成 n 0 2 1 ，然后再进一步氧化为n 0 3 ，如果在后一阶段供氧受限，则n 0 2 不能彻底 被氧化为n 0 3 ，就会导致n 2 0 产生量的增加。反硝化过程中，n 2 0 n 2 的产生量 之比随着n o x 浓度和0 2 浓度的升高而升高，随着有效碳源的增加而降低( w e i e r e ta 1 ，1 9 9 3 ) ，随着p h 的降低而升高( d a u me ta 1 ，1 9 9 8 ) 。反硝化反应最适宜 7 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文 第一章绪论 发生在e h 为3 0 0 - 一6 5 0 m v 、p h 为“8 时( 陈文新，1 9 8 9 ) 。d n r a 反应是指n 0 1 。 在微生物作用下异化还原成n h 4 + 的反应。在富含n 0 3 而贫碳的培养基中，反硝 化作用占优势，而在富n o ：富碳的培养基中，则以d n r a 作用居主导。除此之 外，n 2 0 还可作为电子受体，消耗于氨的厌氧氧化反应( a n a m m o x ) 。水分通 过改变土壤的氧化还原状况，进而影响n 2 0 的产生和排放。s m i t h ( 1 9 9 0 ) 研究 发现土壤处于干一湿交替过程中，会有较高的反硝化作用率。z h e n g 等( 1 9 9 9 ) 发现当土壤水分含量小于4 1 5 时，土壤中n 2 0 的排放量随着含水量的增加而线 性增加，当土壤含水量大于此值时，n 2 0 的排放量随含水量的增加以指数形式减 少。梁东丽等( 2 0 0 2 ) 报道了，旱地土壤灌溉后的2 3 天n 2 0 排放量呈上升趋 势，且土壤由湿变干过程产生的n 2 0 通量高于由干变湿过程的产生量。郑循华 等( 1 9 9 7 b ) 对稻麦轮作系统n 2 0 排放通量的研究结果表明，n 2 0 排放通量发生 的频率随着土温( 5e m ) 的变化呈正态分布，6 7 的n 2 0 排放量都集中在1 5 2 5 。 而m y e r s ( 1 9 7 5 ) 在澳大利亚热带土壤的研究中发现，硝化作用的最佳温度为 3 5 c ，大大超过温带土壤中的相应值。d o r l a n d ( 1 9 9 1 ) 的研究发现，在2 2 5 的范围内反硝化量的平方根与温度呈直线关系。施n 肥对n 2 0 有促排作用 ( d o b b i ee ta 1 ，1 9 9 9 ) ，但是以n 2 0 的形式损失的化肥氮素只占到0 i 1 4 左 右( 侯爱新等，1 9 9 8 ) 。植物n 2 0 通量的可能来源是植株自身代谢中产生的n 2 0 和土壤中产生的n 2 0 ( 黄国宏等，1 9 9 8 ) ，陈冠雄等( 2 0 0 3 ) 以大量的研究结果 说明，植物排放n 2 0 是一个普遍存在的自然现象，一些结果还显示其速率达到 了可与土壤排放相比较的水平。 一些研究对c n 4 和n 2 0 同时进行系统观测，并且深入探讨了其相互机理。 在菲律宾，b r o n s o n 等( 1 9 9 7 ) 用自动观测法监测了水稻一休闲生态系统c h 4 和 n 2 0 的排放，指出烤田在减少c h 4 排放的同时，大大促进n 2 0 的排放。a b a o 等 ( 1 9 9 8 ) 根据土壤理化性质研究了c h 4 的产生和n 的矿化之间的关系，指出在 室内培养条件下，能产生大量c h 4 的土壤就不可能释放大量的n 。在中国，自陈 冠雄等( 1 9 9 5 ) 提出稻田c i - h 和n 2 0 排放有互为消长的关系之后，侯爱新等( 1 9 9 7 ) 研究了稻田c 地和n 2 0 排放莱系及其微生物机理，指出二者之间互为消长关系 受与其释放密切相关的6 种菌群数量及酶活性变化的共同调控。田光明等( 2 0 0 2 ) 则认为干湿交替虽然会增加s 2 0 的排放，但却明显抑制了c t t 4 的通量，所以从 土壤产生的总温室效应来看，干湿交替处理的措施是更为合理的。鉴于目前消除 温室效应、消除含氮化合物环境污染的要求，把碳氮循环综合起来考虑，对其相 互影响过程进行深入的探索，具有一定的意义。 华东师范大学2 0 0 7