农田土壤温室气体产生机制及影响因素研究进展doc.doc

生态环境 2008 17 6 2488 2493 Ecology and Environment E mail editor 基金项目 山东省科技攻关项目 2006GG2309001 山东省优秀中青年科学家科研奖励基金 2007BS08028 作者简介 翟胜 1974 年生 男 内蒙古人 副教授 博士 主要从事土壤环境与农业可持续发展方面的教学研究工作 E mail zhaisheng 收稿日期 2008 07 20 农田土壤温室气体产生机制及影响因素研究进展 翟胜 1 2 高宝玉1 王巨媛3 董杰2 张玉斌4 1 山东大学环境科学与工程学院 山东 济南 252059 2 聊城大学环境与规划学院 山东 聊城 252059 3 聊城大学农学院 山东 聊城 252059 4 吉林大学农学部植物科学学院 吉林 长春 130062 摘要 农田土壤通过微生物呼吸 植物根系呼吸和土壤动物呼吸 释放大量温室气体 成为大气中主要温室气体 CO2 CH4和 N2O 的重要来源 文章在阐述土壤温室气体产生机制的基础上 着重从土壤生物 土壤理化性质 主要包括温湿度 有机质 pH Eh 土壤质地等 水肥管理及耕作措施等角度对农田土壤温室气体释放的影响进行了综述 对土壤温室气体的减排措施 进行了总结 并就今后农田土壤温室气体的研究重点和方向进行了展望 关键词 农田土壤 温室气体 产生机制 影响因素 减排措施 研究展望 中图分类号 X144 文献标识码 A 文章编号 1672 2175 2008 06 2488 06 大气中 CO2 CH4和 N2O 对温室效应的贡献率 占了近 80 1 是温室效应的主要贡献者 其中 CO2对增强温室效应的贡献率最大 约占 56 是 最重要的温室气体 2 其次是 CH4 其温室效应潜 能是 CO2的 23 倍 对温室效应的贡献率约占 15 3 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 而农田又是土壤生态系统温室气体释放的重 要来源 4 为此 通过了解农田土壤温室气体产生 机理及影响因素 可为温室气体减排措施制订提供 理论依据 1 农田土壤温室气体产生机制 1 1 农田土壤 CO2的产生机理 农田生态系统 CO2的排放来源于土壤呼吸 包 括三个生物学过程即植物活根呼吸 土壤微生物呼 吸 土壤动物呼吸和一个非生物学过程即含碳物质 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 5 1 2 农田土壤 CH4的产生机理 大气中 CH4浓度的增加主要源于土壤生物过 程的排放 即在厌氧环境下 土壤有机物 根系分 泌物 死亡的作物根系或作物残茬 死亡的土壤动 物及微生物 施入的有机肥等有机物在厌氧细菌的 作用下逐步降解为有机酸 醇 CO2等小分子化合 物 然后 产 CH4菌再将小分子化合物转化为 CH4 土壤 CH4的排放主要受土壤含水量 有机质 含量 酸碱性等土壤理化特性的影响 如天然湿地 水稻田 废弃物的堆积处理场等均是 CH4的排放源 其中水稻田是农田土壤 CH4的主要排放源 约占全 球总排放量的 12 6 1 3 农田土壤 N2O 的产生机理 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的 7 硝化和反硝化作 用是农田氮素循环的重要过程 其机理如下 硝化过程 反硝化过程 硝化过程是在通气条件下 亚硝化和硝化微生 物将铵盐转化为硝酸盐的过程 反硝化过程则是在 厌气条件下 由反硝化细菌将硝酸盐或硝态氮还原 成氮气 N2 或氧化氮 N2O 和 NO 的过程 2 农田土壤温室气体排放的影响因素 研究表明 影响土壤呼吸的因素很多 土壤理 化性质如温度 含水量 有机质含量 pH 氧化还原 电位 Eh 土壤质地等因素直接影响土壤微生物种 类 数量及其生理生化过程 进而影响温室气体排 放 8 10 此外 水肥管理以及耕作措施等通过改变 土壤理化性质及呼吸底物来影响温室气体排放 11 13 2 1 生物因素 土壤主要温室气体 CO2 CH4 N2O 的产生无 N2O NO3 NO2 X NO NH4 NO HNO NH2O H NO NO3 NO2 NO N2ON2 翟胜等 农田土壤温室气体产生机制及影响因素研究进展 2489 不与土壤微生物 作物根系 土壤动物和各种真菌 的数量及活性有关 即与生物因素密切相关 5 7 其 中 6 种菌群 发酵细菌 产氢产乙酸细菌 产甲烷细 菌 甲烷氧化菌 硝化细菌 反硝化细菌 与 CH4和 N2O 释放密切相关 14 研究发现 80 以上的 CH4 是通过甲烷产生微生物 甲烷产生菌 和甲烷营养 微生物 甲烷氧化菌 相互作用产生的 15 16 不同碳 素 氮素物质和土壤理化特性对这些菌群的种类 数量和活性产生重要影响 进而影响温室气体的产 生与排放 17 18 水稻田土壤中甲烷氧化菌种群数量 对土壤氧化甲烷速率有显著影响 随着外源甲烷的 加入 可刺激土壤中的甲烷氧化菌增殖 进而诱导 甲烷氧化速率达到最大 19 此外 农作物的种类 生育时期等对土壤温室气体的排放具有重要作用 20 研究发现 玉米植株能通过其根系的作用增加土壤 向大气排放 N2O 21 旱田大豆 N2O 排放通量在 1 d 内有两个释放高峰 而菠菜田和春小麦田只有 1 个 释放高峰 而农田裸地是一较弱的 N2O 释放源 22 在稻田里 水稻分孽期和成熟期一般会出现 CH4排 放峰值 而其他生育期没有峰值 而且水稻植物体 根 茎 叶 重量对 CH4排放具有重要影响 23 随 着水稻品种的演进 稻田 CH4排放通量呈逐渐减小 的趋势 24 表明农田土壤温室气体排放与作物种类 生长期等密切相关 2 2 土壤理化特性 2 2 1 土壤质地 土壤质地直接影响土壤通透性和水分含量 进而影响土壤硝化作用 反硝化作用 有机质氧 化分解和还原过程的相对强弱及温室气体的产生 及其在土壤中的扩散 26 27 研究表明 水稻田粘 质土壤排放的 CH4显著或极显著低于壤质和砂质 土壤 28 30 这主要是由于砂质土壤氧化还原电位易 于变化 土壤硝化和反硝化作用容易发生 再加上 砂质土壤的气体扩散较粘质土壤快 有利于土壤 N2O 向大气排放 31 而旱地壤土排放的 N2O 高于砂 质和粘质土壤 32 2 2 2 土壤温度 在一定范围内 土壤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 33 研究表明 CO2释放速率与温度呈线性或指数 正相关关系 其中 10 cm 和 5 cm 土层温度对土壤 CO2排放影响最大 25 34 水分充足时 温度是影响土 壤 CO2释放的主要因子 35 大多数产甲烷菌活动的 最适温度为 35 37 在田间条件下 产甲烷菌的活 性随土壤温度升高而提高 36 CH4排放速率也随之 增加 37 温度不仅影响 N2O 产生的生物学过程 还 是土壤 N2O 排放日变化的最主要控制因素 38 硝化 微生物活动的适宜温度范围是 15 35 在适宜的 土壤湿度范围内 67 的 N2O 排放量集中在 15 25 范围内 39 低于 5 或高于 40 抑制硝化作用 N2O 排放通量与温度之间存在一定程度的正相关性 N2O 排放通量随年均气温升高而升高 40 2 2 3 土壤湿度 Eh 土壤产生 CH4 排放 N2O 和 CO2的最佳水分 含量不同 CO2排放的最佳土壤含水量接近或高于 CH4氧化的最佳土壤含水量 CH4氧化和 N2O 排放 对土壤水分含量的反应呈极显著的负相关性 41 水 分状况是影响稻田 CH4排放的最重要因素之一 一 般来讲 产甲烷菌开始活动并放出 CH4的 Eh 范围 是 150 230 mV 临界 Eh 是 150 160 mV 42 也有 研究者发现 Eh 为 120 mV 甚至 110 mV 时有 CH4 排放 且 CH4排放量随 Eh 的下降而增加 43 44 水 稻生长期一直保持淹水状态 其 CH4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 CH4排放量越低 45 说明土壤湿度及土壤湿 润期的长短都影响 CH4的排放 土壤含水量较低时 N2O 主要来自硝化过程 土壤含水量较高时 N2O 主要来自反硝化过程 在 中等含水量 45 75 WFPS 情况下 硝化和反硝 化作用产生的 N2O 大约各占一半 46 47 水分状况 不仅影响土壤中 N2O 的生成量 也极大地影响着 水田 N2O 向大气的传输 48 连续淹水条件下 稻田 土壤仅排放微量的 N2O 但排放出大量的 CH4和 CO2 好气条件下 土壤不排放 CH4 但排放出大量 的 N2O 淹水好气交替处理的土壤其排放的 CO2 CH4和 N2O 均在好气和连续淹水之间 49 2 2 4 土壤 pH 研究表明 土壤 pH 对土壤温室气体的产生具 有重要影响 一定的酸化累积促进 CO2排放 50 而 累积到某值时 pH3 05 又抑制 CO2的排放 而 CH4 和 N2O 的排放基本上随酸化累积程度的加深而增 加 但土壤 pH 值不是造成土壤温室气体排放差异 的直接原因 CO2和 CH4排放差异主要是由于酸化 累积过程导致土壤碳 氮以及其他养分元素含量的 差异造成的 51 CH4排放的最适 pH 是近中性环境 pH 的微小降低会导致 CH4排放通量明显降低 在 250 和 200 mV 时 pH 增加 0 2 导致 CH4排放通量 增加近 20 土壤 pH 对 N2O 净排放的影响十分复 杂 一般认为反硝化菌活动范围在 3 5 11 2 之间 最适宜的 pH 值为 6 8 低 pH 影响各种反硝化产物 的比例 并降低反硝化损失氮素的总量 在 pH 值 3 4 6 8 内 硝化作用与土壤 pH 值呈正相关 52 在 土壤 pH 值为 3 时 N2O 排放量和土壤 N2O 浓度都 明显降低 53 当土壤为中性时 N2是反硝化作用的 2490 生态环境 第 17 卷第 6 期 2008 年 11 月 主要产物 pH 降低则反硝化作用产生 N2O 的比例 增大 54 在相同的气候条件和农业管理措施下季节 性 N2O 平均排放通量与 pH 成正相关 55 2 2 5 土壤有机质 土壤有机碳含量决定微生物碳库的大小 从而 影响 CO2 CH4排放的总量 有机碳总量少则周转 速率加快 活性有机碳的多少限制着土壤碳的净矿 化 56 57 有机碳加入土壤可促进微生物活动 使 O2 供应不足 导致自养微生物参与的硝化作用减弱 从而使反硝化作用增强 研究表明 土壤中反硝化 作用与土壤有效 C 含量密切相关 而与总 C 量无 关 土壤中加入有机质可大大加强反硝化强度 而 在有效碳缺乏时 即使氮的浓度很高 反硝化速率 仍很低 随着有效碳的增加 反硝化速率也随着提 高 26 残茬稻田的 CO2 排放通量较裸田高 而 CH4吸收增高 50 N2O 排放较裸田低 12 冬小麦 季节性 N2O 平均排放通量与土壤有机碳含量 全 氮含量 铵态氮含量及 C N 比成显著负相关 55 表 明土壤有机质是影响温室气体排放的重要因素之 一 2 3 施肥措施 研究发现 水稻田施用作物秸秆 猪粪 沼气 渣等有机肥能显著增加 CH4的排放 58 60 而化学氮 肥的施用增加了稻田 N2O 的排放量 且硫铵能比 尿素排放更多的 N2O 61 与常规灌溉 淹水和烤田 相结合 相比 水稻生长季持续淹水促进了后季麦 田 N2O 的排放 在常规灌溉方式下 秸秆施用可减 少后季麦田 N2O 的排放 而在持续淹水方式下 施 用秸秆并不减少 N2O 排放量 62 在夏玉米田 施用 农家肥可显著增加 CO2的排放量 但抑制了土壤 对 CH4的吸收 施肥量高抑制作用强 63 长期 N P K 养分配施 土壤 CO2平均排放通量有所增 加 而且施氮肥增加土壤 N2O 平均排放通量 64 2 4 农作措施 农作措施通过改变土壤环境 土壤理化特性及 土壤生物的类型 数量及活性来影响土壤温室气体 的排放 研究表明 耕作制度 冬水田 半旱式垄作 水旱轮作 不仅影响水稻田 CH4的排放通量 也影 响稻田甲烷排放的季节变化规律 水稻 小麦轮作 的土壤 CH4平均排放通量仅是冬水稻田排放通量 的 1 3 65 稻田甲烷排放的季节变化与前作有关 前作是旱季蔬菜或单季早稻 单季晚稻 CH4平均 排放通量显著低于常规连作 66 此外 稻田不同栽 培密度的 CH4排放量以每穴栽插 4 苗处理最高 3 苗次之 2 苗最小 24 种植密度对农田 N2O 排放也 有影响 且不同生长阶段差异较大 67 稻草免耕还 田不仅能降低 CH4 N2O 平均排放量和排放速率 而且使 CH4 N2O 峰值出现晚 7 10 d 68 3 减排措施 随着温室气体产生机理和释放机制的深入研 究 有关温室气体减排措施方面的研究报道逐渐增 多 研究发现 水肥管理可有效控制温室气体排放 例如沼渣肥与化肥结合施用可有效降低稻田 CH4 的排放 69 长期施用有机肥对削弱土壤碳释放 抑 制大气 CO2浓度升高具有重要作用 70 包膜型控释 肥能极显著地降低稻田 N2O 的排放量 71 控释肥料 长效碳酸氢铵和缓释尿素能明显减少玉米田土壤 N2O 排放 21 铵态氮能抑制旱地土壤 CH4释放 促 进土壤 CH4的氧化 72 脲酶抑制剂 氢醌 和硝化抑 制剂 双氰胺 可协同抑制水稻田土壤 N2O 和 CH4 的排放 73 74 间歇灌溉可减少稻田温室气体排放 75 将冬水田改为水 旱轮作可达到温室气体减排的 目的 13 另外 化感物质 苯甲酸和对叔丁基苯甲 酸 对土壤 N2O 释放有明显的抑制作用 且随着浓 度的增大 其抑制效果越显著 76 纤维素碳源对设 施栽培土壤 CH4氧化的抑制作用小 高浓度的甲醇 则对 CH4氧化具有强烈的抑制作用 而适当浓度的 甲醇可极大地促进土壤 CH4的氧化 减少 CH4释 放 77 4 研究展望 随着土壤 CO2 CH4 N2O 产生机理的深入研 究 影响农田土壤温室气体排放的内因与外因广泛 展开 逐渐由宏观环境影响向微观条件影响 由单 因素影响向多因素交互作用转变 研究内容和深度 不断深入 然而 就已有的研究结果来看 本文提 出以下建议以供参考 1 在深入研究水稻田土壤温 室气体排放的基础上 加强对大田土壤温室气体研 究 尤其要加大对设施栽培土壤温室气体排放的研 究力度 2 在研究土壤理化特性对温室气体排放 影响的基础上 更要突出生物因素 微生物和作物 的影响 使土壤生物特性 土壤理化特性与温室气 体排放有机联系起来 3 综合分析已有研究资料 提出关于土壤温室气体排放量模拟计算模型和参 数确定方法 扩大模型的应用范围 4 加强土壤微 环境碳氮循环机制研究 重点放在土壤温室气体产 生菌的产气机理研究 为温室气体减排提供理论依 据 参考文献 1 KIEHLJ T TRENBERTH K E Earth s annual global mean energy budget J Bulletin of the American Meteorological Society 1997 78 2 197 208 2 IPCC Special Report on Emissions Scenarios Working Group III Intergovernmental Panel on Climate Change C Cambridge Cambridge University Press 2000 3 HANSEN J E LACIS A A Sun and dust versus greenhouse gases An 翟胜等 农田土壤温室气体产生机制及影响因素研究进展 2491 assessment of their relative roles in global climate change J Nature 1990 346 713 719 4 MELILLO J M STEUDLER P A ABER D et al Soil warming and carbon cycle feedbacks to the climate systems J Science 2002 298 2173 2176 5 Singh J S Gupta S R Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems J Botanical Review 1997 43 449 528 6 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