施肥与温室效应的关系.doc

论施肥与温室效应的关系1 引言俗话说：民以食为天。在经济全球化的今天，越来越重视粮食的供给，保证粮食安全生产，提高粮食生产的效率和质量，让非洲饥民的恶梦永远成为梦，让世界根本的摆脱粮食的困扰。为了提高粮食产量，人们通过施肥直接为植物提供养分。肥料有两种：有机肥料和无机肥料。有机肥料是指生命残体，它是在土壤中矿化后释放植物养分的。无机肥料是指经过加工（粉碎、溶解、浓缩、反应、干燥、皂隶等）的矿物质肥料或从大气中含有的惰性氮气转化合成的氨和铵态氮肥。有机肥料与无机肥料的本质区别是：前者是生命本身的残体（以含有机碳为特征），而后者是无生命物质（不含有机碳为特征）。由合成氨进一步生产转化的尿素虽然含有一个有机碳，但因为是人工合成的，故仍可称“矿质”肥料或“无机”肥料，但人和动物排泄的尿素则属于“有机肥料”无疑。世界上使用化学加工的无机肥料只有150160年的历史，是科技进步的产物。德国农业化学家李比西博士于1840年创立了植物无机营养学说，促进了无机肥料工业的发展。而事实证明，正是依靠了无机肥料工业的突飞猛进，世界农业才能提供和基本满足人口膨胀和其他事业需求的粮食。对于中国，正是由于化肥工业的长足进步，才保证了近50年来人口翻3番的粮食需求，以不足世界10%的耕地养活占世界22%的人口。但是如果在施肥过程中如果不注意合理使用，例如不重视有机肥与无机肥的合理配合使用；或者把有机废弃物、人畜排泄物任意堆放、而不加以利用或直接排入水体等，均会导致局部地区的生态环境问题：如对大气的污染。地下水硝酸盐含量超标，水体富营养化、重金属污染以及土壤肥力衰退等。所以只有科学施肥才能保持和改善土壤质量和生产力，满足人类社会对粮食的和其他生活用品的数量和品质的要求；又能使生态环境受到良好的保护，实现农业和人类社会的可持续发展。所以认识到施肥对生态环境的影响及采取相应的对策就显得很有必要，下面就对施肥与温室效应的关系进行综述。任何物质都能发射出电磁波,而且其波长取决于这个物体的温度。物体的温度越高,发射出的电磁波的波长越短,发射出的能量也就越多。地球在太阳光的照射下,吸收了大量的热能,同时本身也不断地向外辐射红外线。这样地球就变成一个小小的收支系统,有开有合,存在着收支平衡。地球放出的电磁波为长波红外线,肉眼很难观察到。在地球的大气中,有各种各样的气体,它们对不同波长的辐射都有其特征吸收光谱,其中一些气体具有吸收红外线的作用。红外线本是从地球表面发射往宇宙空间,但在半途空中被这些大气所拦截,这些气体不仅吸收红外线,本身还具有发射红外线的性质。从大气中向下辐射能量,减少了地球的热量损失,这就是温室效应现象。在大气成分中吸收红外线特别多的大气有水气(吸收波长700-850nm和1100-1400nm的红外辐射)、二氧化碳(强吸收波长1200-1630nm的红外辐射)、臭氧、甲氧、氧化亚氮,同时还有人工制造的氟里昂气体,这些气体称为“温室气体”1。工业化之前大气层中对“温室效应”负责的温室气体组分是CO2，CH4，N2O和水气，其在大气中的浓度相对稳定，吸收热量和释放热量的平衡使地球表层大气的温度稳定的维持在15OC左右。因此“温室效应”是客观存在的自然现象，是有利于人类生存的。但随着工业革命到来之后，现代社会在取得巨大的经济发展的同时造成相应得外部性，最有影响力的就是日益严重的并且已经威胁到人类生存和发展的环境污染。石油、煤炭、天然气等燃料的燃烧使得向大气排放的CO2，CH4，NOX急剧增加，而森林吸收的CO2日益减少，裸露的土地加强了土壤有机质的氧化，使大气层中温室气体的浓度大大上升。表一是最近400年来大气中温室气体组分浓度的变化2，3表1 地表温室气体浓度（ug/L）变化、近50年平均增长率及对全球变暖的贡献率（%）气 体1600年1800年1950年1995年增长率（%）贡献率（%）CO22802803113610.20.550CH40.70.81.151.730.91925N2O0.280.280.290.320.20.34表一数据说明了对全球变暖的主要贡献来自于CO2和CH4两种温室气体组分。NOX（N2O）的贡献率仅为4%，而且数量增加也不明显。但是施肥对N2O释放也是有密切关系的。关于化肥施用后对温室气体的排放研究已有很多,有机肥施用后对温室气体排放影响的研究也已展开,温室气体排放受多种因素的影响!肥料施用后温室气体排放通量的测定有助于了解温室气体排放量及其排放规律,有助于采取合理的减排措施.18下面分别叙述施肥对于温室效应气体释放的影响。2 施肥与各温室气体的关系2.1二氧化碳二氧化碳是造成温室效应的主要的气体之一。其产生与矿物燃料的燃烧有关。例如1990年全球排放的二氧化碳为28*108t/年，其中79%是燃烧石化燃料产生的（达22*108t/年），另外因森林被毁、土壤有机质增加所产生的排放量有1.8*108t/年，占6%4。 与农业和施肥有关的 CO2的排放有：肥料生产过程中石化燃料的燃烧；肥料运输和机械施肥所用机械的燃油消耗；秸秆等农业废弃物的焚烧；堆肥发酵过程 CO2的释放；土壤耕作增加的有机质氧化等等。当然有机肥的使用、秸秆还田等都会增加土壤 CO2的排放。徐琪等5报道稻麦两熟稻田生态系统中土壤排放的 CO2量：不施肥的为 4.4 t/hm2，施肥的为 4.87.1 t/hm2。其中施粪肥的最高，粪肥无机肥的其次，秸秆无机肥的是再次，施无机肥的为最低。 大气中二氧化碳浓度的增加，被海洋吸收占37%，约有57%滞留在大气层。大气CO2增加植物光合作用，但是排放的总量仍然大于吸收，呈现增加状态。从农业施肥及土壤管理看，任何增加农作物产量的措施都将意味着增加二氧化碳固定，鲁如坤6等研究每增产1t玉米，将可多固定1.28t CO2。徐琪等研究指出5在稻麦两熟制的条件下，每年固定的有机 C：不施肥时为 8.7t/hm2，施肥后增加到 15.616.6 t/hm2, 提高 24%，而且是施无机肥增加最多，施有机肥增加最少。单独使用化肥产生的二氧化碳和后面即将提到的甲烷的量要远远高于无机和有机肥料共同施用所产生的气体的量。不同生物颗粒体积产生的甲烷产量不同于二氧化碳的产量，显示了产生甲烷的微生物和产生二氧化碳的微生物对于碳源的利用的不同。当二氧化碳的产量占主导时，化肥就会大大加强甲烷的微生物的活性。1656使用 N 肥促进森林的生长，也能增加森林对CO2的吸收，有利于大气中 CO2浓度的下降。包括中国在内的北半球的大多数林木，都是因为 N 肥供应不足而使林木生长不良，调节森林土壤的 N/C 比值 和 N/S 比值，以及退耕还林等措施，都将有利于降低大气中CO2浓度，还能缓解土壤酸度的下降4。温度对土壤CO2排放的影响主要是通过影响土壤微生物活性而起作用,土壤温度的作用最大,温度与土壤 CO2排放的显著正相关关系在其它研究中也已经指出.20,212.2 甲烷（CH4） CH4对全球气候变暖的贡献率达2025%，近来的增长率是所有温室气体中最高的（每年达0.9%）。但是CH4在空气中的存在时间较短，一般只有12年。其浓度变化比较敏感而且速度快，比二氧化碳快7.5倍。自然界排放CH4的源主要是湿地、滩涂，每年为 1.5108t，而人为活动导致的 CH4的排放量则每年达 3.3108t，其中农业生产中反刍动物导致的排放及畜禽排泄物堆放过程中的排放、土壤的排放及热带草原和秸秆焚烧过程中的排放达 1.9108t4。 土壤中CH4 的排放主要受土壤通气状况氧化还原电位控制。因为 CH4是在强还原条件下产甲烷细菌作用于土壤有机质而产生的。因此，在稻田施用有机肥既增加了 C 源，又强化了土壤还原条件，使之有利于增加 CH4的排放。全球稻田 CH4的排放量为 31.48 M t/年，即每年 3107t 左右，约占全球人为活动导致的 CH4排放总量的 10%，不占主要地位，其中因使用有机肥而排放的CH4 占稻田排放量的45%4。 施用 N 肥特别是含有 NO3- 和 SO42- 的 N 肥（如硫铵及硝态N肥）；施用普通过磷酸钙（SP）及硝酸磷肥等 P 肥都能显著抑制甲烷细菌的活动。因为NO3 和 SO4 均可提高或维持土壤的氧化还原电位，而且其还原产物如 H2S，N2O，NO 等对甲烷细菌有毒害作用，使 CH4的产出下降。国内外的许多试验都已证明了这一点。但是值得注意的是，稻田CH4排放不是大气甲烷增加的原因，对全球气候变暖的贡献可以忽略不计7。2.3 氨 （NH3） 据估计，全球每年排放 NH3的总量是 5400 万 t，其中75 是人为活动所致。农业生产是主要的NH3挥发源，每年达 4100 万 t，占总排放的 76 。其中畜牧业及其排出的粪尿的NH3挥发量每年是2200万 t；NH4 -N（包括有机 N 肥和无机 N 肥）施用后从农田发挥的 NH3达 900 万 t /年， 草地及其它作物残茬的焚烧产 NH3达 600 万 t /年， 直接从作物叶面挥发的 NH3也达 400 万 t /年 2。据朱兆良15估计，我国农田氮素的主要损失途径为氨挥发、反硝化和淋失及径流损失。综合有关资料看出，稻田中氮的损失主要是反硝化和氨挥发，分别占氮肥施用量的 16%41%和 9%40%。硝酸盐淋失和氮素径流损失主要发生在降水量和强度较大的地区和季节，约占氮肥施用量的 0.23%30%。由此可见，我国农田氨挥发的氮素损失量可能占肥料氮肥施用量的10%以上。 旱地，特别是石灰性土壤上撒施尿素，碳酸氢铵的 NH3 挥发损失很大，一般为所施 N 量的10%25%；在水田，由于灌溉稻田表面水层的H 高达 78，撒施或分次施用尿素（或碳酸氢铵）的 NH3 挥发量很大，有时高达所施 N 量的 40%50%9，10。因此各种N 肥的深施技术：旱地的雨前表施、施后灌水、条深施、粒肥深施等，以及水田中的以水带 N、机前肥、条深施、球肥深施、大粒 N 肥深施（碳酸氢铵和/或尿素）、长效碳酸氢铵等等，都是以减少铵态 N 肥暴露于空气中的时间为目标来减少 NH3挥发，而且都有较好的效果。 有机 N 肥施于土表，或在堆制过程中的 NH3挥发同样是十分严重的。将有机肥耕翻入土、堆制时加土覆盖，减少其直接暴露空气的时间，让覆盖的土层来吸收挥发的 NH3，同样是十分有效的办法。 据 De Datta 报道，从农田挥发的 NH3绝大多数仍然降落在原地的农田和水体8。因此，它既是农田 N 素的来源，也可能是诱发水体富营养化的 N 源之一。N 化合物的排放与沉降的有益方面是增加了农田的 N 素，但过量 N 的干湿沉降对农田生态环境也未必是好事。因为从负面的影响来看，N化合物的沉降是酸雨的主要原因之一，也是温室气体的组分。氨是一种刺激性气体，对眼、喉、上呼吸道刺激性很强。高含量的氨还可熏伤作物，并引起人畜中毒事故。大气氨含量的增加，可增加经由降雨等形式进入陆地水体的氨量，是造成水体富营养化的一个因素。2.4 氮氧化物NOX和氧化亚氮 NOx 的主要给源是汽车或其它燃油装置的尾气；它们可以随风漂移到郊区农村，甚至更远距离的地方，以干、湿沉降的形式污染环境。 全球每年排放的 NOx 达 4800 万 t 左右，其中65%是人为原因造成的。其中北美占 25，欧、俄、非洲、亚洲各占 10 4。 随着化肥的大量施用，大气中氮氧化物含量不断增加。化肥施入土壤，有相当一部分以有机或无机氮形态的硝酸盐进入土壤，在土壤反硝化微生物作用下，会使难溶态、吸附态和水溶态的氮化合物还原成亚硝酸盐，同时转化生成氮和氮氧化物进入大气，使空气质量恶化。1992 年 IPPC 工作报告指出，由于人类活动加强，大气中 N2O 的含量正急剧增加，由农业系统中无机和有机氮肥的施用及生物固氮作用产生的 N2O 量约占年排放量的 60%14。NOx（NO）也可以由土壤的反硝化过程产生。根据 Veldkamp 和 Keller11估计，大约有 0.5所施N 肥是以 NOx 的形式损失。 近地面环境中 NOx 在阳光的作用下与氧气（O2）反应，形成臭氧（O3），组成化学烟雾，刺激人、畜的呼吸器官。在农田则对农作物产生危害，最典型的是导致烟叶的赤星病，在阳光强烈照射下，形成的 O3对具有庞大叶面积烟株的伤害，表现为叶面出现了密密麻麻的褐红色斑点，使光合作用受挫，烟叶的产量和烘烤后烟叶的质量下降。我国的黄淮烟区、东北烟区、云贵烟区及长江中下游烟区每年都有赤星病发生，损失不小。据 Anon 13报道，美国各种农作物（包括烤烟）受 O3危害的损失每年高达 30 亿美金。 土壤反硝化过程中也排放出 N2O。N2O 是温室气体组分之一，对全球变暖的贡献率约为4%（表1）。它具有较稳定的化学性质，是作物不能利用的 N 素形态。从地面到 16 km高空的同温层，N2O 形成一个由低到高的浓度梯度，进入 O3层的 N2O 与 O3发生如下反应，是其在地面形成 O3的逆反应 12： N2OO(D) 2NO NOO3 NO2O2 NO2O(D) NOO2上述反应不断地消耗 O3，使 O3 层受到破坏，直到出现新的平衡。因此 N2O 浓度的增加对 O3层的保护是不利的。董玉红等采用静态箱/气相色谱法（GC）研究了等氮量的肥料施用以及环境因子对农田土壤CO2和N2O排放的影响。结果表明，肥料施用对农田土壤CO2排放的季节模式无明显影响，但是影响N2O的季节模式。有机肥施用促进了小麦季土壤 CO2和N2O的排放，后作玉米季施用化肥的情况下，有机肥处理的土壤 CO2,与对照没有显著的差异，N2O排放通量和对照差异显著。虽然是等氮量施入，由于牛粪中有机碳和氮的可降解性要低于猪粪$施入土壤后对土壤中CO2和N2O 排放的影响也要低于猪粪处理。除了受肥料施用的影响外，土壤CO2和N2O 的排放