土壤中甲烷的形成_排放及影响因素.pdf

文章编号 1003 4803 2000 05 0044 04 土壤中甲烷的形成 排放及影响因素 孙文涛1 肖千明1 娄春荣1 付仲鑫1 李亮亮2 1 辽宁省农业科学院 辽宁 沈阳 110161 2 沈阳农业大学 辽宁 沈阳 110161 摘要 主要论述了土壤痕量温室气体甲烷的产生条件 排放规律及其影响因素 甲烷 是引起地球温室效应和臭氧层破坏的最主要因素 对温室效应的影响是CO2的21 倍 在极端还原条件下 甲烷是甲烷微生物活动的产物 不同地区的土壤质地 土壤 温度 土地利用方式和肥料施用等都影响着土壤作为大气源和汇的作用 关键词 土壤 痕量气体 甲烷 中图分类号 S19 文献标识码 B 甲烷 二氧化碳 一氧化碳 NOx和氯氟 烃 简称CFCs 常被称为痕量温室气体 即能 够导致温室效应 大气中含量极低的气体 这 些气体既来自自然过程 又来自人为活动 由它们所导致的全球变暖是当前世界最受人 们关注的问题之一 虽然围绕着全球变暖问 题尚有许多不确定因素 但导致温室效应的 痕量气体自工业革命后在大气中的浓度持续 增长却是一个不可争议的事实 大气温室痕 量气体已成为当今多门学科的研究热点 土 壤是大气痕量气体的重要源和汇之一 源是 指土壤向大气释放温室气体 汇是指土壤对 大气中温室气体的吸收和消耗 人类通过改 变土地利用方式 大量施用化肥等活动正在 改变着土壤作为温室气体源和汇的强度 进 而引起生存环境的变化 影响人类自身健康 因此 土壤痕量气体研究已在生物科学领域 中占有相当重要的位置 1 土壤中甲烷的形成的排放 土壤是一个历史自然体 土壤的气体组 成因受植物根系的呼吸作用 微生物的活动 各种物理 化学和生物的作用而发生变化 在各个过程中 许多气体成分不断产生或消 失 土壤的气体组成虽然与大气的不相同 但依浓度与大气的气体进行着交换 以至土 壤生态系统的气体代谢也受到地球大气的组 成变化的影响 但同时 土壤生态系统产生的 N2O和CH4等微量气体 能导致地球的温室 效应和臭氧层的破坏 A F Bouwman等的 报告指出 温室气体是大气圈平衡变化的因 素之一 土壤是温室气体 如水蒸气 CO2 CH4 N2O的重要发生来源 据报道 全球大 约有半数的CH4 30 的N2O及NH3来自 土壤 在导致温室效应的各种痕量气体中 CH4对O3层的破坏程度最严重 N 2O的存 在时间短 见光分解 对温室效应的影响是 CO2的21倍 在大气中 甲烷浓度增长较 快 由工业革命前的0 8 ml L增加到现在的 1 72 ml L 1989年测定大气中CH4增加 10 l L 增加速度为0 6 因此 人们担忧 收稿日期 1999 12 07 作者简介 孙文涛 1969 男 辽宁大连人 助理研究员 从事土壤培肥与改良研究 杂 粮 作 物 Rain Fed Crops 2000 20 5 44 47 甲烷浓度日益增加可能对全球热平衡产生极 大的影响 引起地球表面温度上升 因此 研 究CH4的形成对大气环境保护显得至关重 要 水稻田被认为是大气CH4的一个重要 来源 还有反刍动物的肠道发酵 天然湿地的 排放 生物物质燃烧 煤矿开采和天燃气泄 漏 目前 世界水稻田面积接近1 45 108 hm2 且90 在亚洲 因此 研究水稻田的 CH4排放问题成为农业科研人员的攻关项 目 在极端还原条件下 甲烷是甲烷微生物 活动的产物 实验室研究结果表明 只有当 氧化还原电位低于 150 160 mV时 产 甲烷微生物开始明显活动 它们利用CO2 H2或分解乙酸等生成甲烷 相反 好气的土 壤环境 有利于甲烷营养微生物的生长 土壤 吸收和氧化甲烷 成为大气甲烷的一个重要 汇 淹水植稻后 土壤氧化还原电位降低 有 利于甲烷生成菌的生长 在土壤中生成的 CH4通过水稻植株的输导组织以扩散 气泡 等形式进入大气 蔡祖聪 1998 等研究证 实 在水稻整个生育期间 甲烷通量具有较大 的季节性变化 水稻从移栽后 6 月21日 CH4的通量逐渐升高 第一个峰值通常出现 在6月底水稻分蘖后期 第二个峰值出现在 7月中旬追施化肥前 第三个峰值出现在8 月中旬 到达一定值后CH4的排放通量基本 维持相对较高的水平 近8月底 CH4的排 放通量显著下降 并维持到水稻收获 但 Yagi等发现间歇灌溉显著影响稻田CH4排 放的季节变化 但不同地区的水田 因耕作 制度 管理方式和土壤性质等的不同 排放的 CH4量有很大差别 但即使是自然湿地改种 水稻后 CH4排放量通常也增加 2 土壤中甲烷形成和排放的影响因素 土壤质地 温度 土地利用方式以及施肥 等因素都影响着土壤作为大气源和汇的作 用 2 1 土壤质地对稻田CH4排放通量的影响 稻田CH4排放与土壤质地有关 不同 质地的稻田土壤CH4排放通量有明显的不 同 砂质稻田土壤的CH4排放通量显著大 于壤质稻田土壤 壤质稻田又显著大于粘质 土壤 土壤质地越粘 排放的CH4量越少 但如果砂质稻田土壤的渗漏性较好 经常不 能维持完整的水层 稻田CH4排放通量就有 很大的空间变异性 其CH4排放通量极显著 地大于壤质稻田 且土壤质地越粗 空间变异 越显著 2 2 土壤温度和氧化还原电位 Eh 对稻田 CH4排放通量的影响 产甲烷微生物的活动需要适宜的温度 对于大多数产甲烷微生物而言 这一最适温 度为35 37 在严格控制的田间条件下 当温度低于最适温度时 产甲烷微生物的活 性随土壤温度的升高而提高 稻田CH4排放 通量在此土壤温度变化范围内就随温度的增 高而增大 其日变化通常是上午稻田CH4 排放通量小于下午 当淹水土壤氧化还原电 位低于 150 16 mV时 产甲烷微生物开 始明显活动而排放出CH4 氧化还原电位低 于这一数值时 稻田CH4排放通量随Eh的 下降而呈指数增加 但无论是温度还是Eh 它们的变化都不足以解释稻田CH4排放的 变化规律 只能从定性的角度说 一日中土壤 温度和Eh变化对稻田CH4排放通量日变化 具有极显著的影响 蔡祖聪 1998 2 3 土地利用方式对CH4排放的影响 土地利用方式的改变 使土壤向大气释 放的气体组成也随之变化 Crush等比较研 究了新西兰Kairahga土壤作草场饲养牛和 农业利用时对温室效应的影响 其结果是 土壤养牛对大气变暖产生的影响最大 以免 耕农用为最小 此法虽忽略了土地利用方式 的改变后土壤作为其它温室气体源及汇的变 化 但可以看出 土地利用方式的改变可以改 变土壤释放的温室气体的类型和数量 从而 54 第5期 孙文涛等 土壤中甲烷的形成 排放及影响因素 使土壤对大气变暖所产生的影响发生变化 此外 土壤旱地改水田后 有利于有机质的积 累 因而增加对CO2的固定量 水田土壤中 施用的N肥 逸出土体的主要是N2 N2O 但 释放量较少 所以 旱地改水田后对温室效 应的影响 应该考虑土壤作为各种温室气体 的源和汇的作用的综合变化 而不应只考虑 CH4气体的排放 土地利用方式改变后的另一个影响是改 变土壤作为温室气体汇的作用 自然生态系 统 如森林 草地生态系统都具有吸收大气中 CH4的作用 即使是冻原和沼泽土 在无水层 覆盖时也具有吸收大气CH4的作用 但是土 壤经开垦后对大气CH4吸收能力几乎消失 Nesbit和Breitenbeck的实验室结果表明 种 植糖蔗 大豆或棉花的耕作土壤对大气CH4 吸收能力消失 只有在很高浓度的CH4的刺 激下才能吸收CH4 现已发现 甲烷营养微 生物对湿地 温度及是否有CH4存在等很敏 感 对此尚有待大量深入的研究 2 4 施肥对土壤中CH4排放的影响 化肥的大量施用是导致土壤作为温室气 体源和汇的作用发生变化的又一个重要原 因 施用氮肥不仅直接导致含N气体的释 放增加 还影响土壤对CH4的排放和吸收 有资料证明 化学N肥的施用使土壤对CH4 的吸收减少 有人甚至认为它可能是大气中 CH4浓度升高的一个重要原因 施用N肥 降低土壤对CH4吸收的机理还不十分清楚 实验室研究表明 NH4 可以作为CH4替代 物而被许多甲烷营养微生物利用 甲烷营养 微生物可能对土壤溶质势敏感 因为施用 KCl也有降低土壤吸收CH4的作用 Mosier 等则认为 土壤中N的转化 矿化和硝化 而 不是矿质态N的含量抑制土壤对CH4的吸 收 另一方面 施用硝态氮肥和硫酸盐肥料 可以抑制淹水土壤中CH4的生成和排放 Lindau等的田间试验证明 表施120 kg hm2 的 NH 4 2SO4或KNO3使水田的CH4排放 都显著降低 但尿素无显著影响 施用有机物 水稻秸秆 的稻田CH4的 排放量显著增加 施用6 9 t hm2秸秆并追 施化肥小区的CH4年排放量比单施化肥小 区的增加1 8 3 5倍 施堆肥对CH4排放 的影响轻微 除此之外 pH值 最适宜pH 值为 6 土壤结构 氧气含量 通气状况等因 素也影响土壤中CH4气体的排放通量 3 解决温室效应的措施 如何抑制温室效应的进一步加剧 保护 我们的生态环境 合理使用现有农业资源 使 大气环境产生良性循环 已成为当代农业科 学家关心的焦点 为此 在农业上应施行 3 1 合理施肥 平衡施肥制度和提高肥料利 用率 特别要减少农田径流和渗漏 减少养分 流失 3 2 加强水稻田的科学管理 适时排水 科 学安排间歇灌溉制度 创造良好的农业生态 环境 3 3 在其它湿地土壤上 采用有效的水分管 理措施和合理的栽培 耕作制度 3 4 在培肥地力上 要合理施用有机物料 施行科学配方施肥 降低土壤中CH4的排放 量 科学使用硫酸盐化肥 可抑制土壤CH4 的产生 3 5 实行科学的土地管理制度 防止湿地面 积的增加 3 6 增强全民的环保意识 加强面源污染的 控制 参考文献 1 赵其国 土壤与环境问题国际研究概况及其发展趋向 参加第16届国际土壤学会专题综述 J 土壤 1998 30 6 281 290 2 赵其国 现代土壤学与农业持续发展 J 土壤学报 1996 33 1 1 4 64 杂 粮 作 物 第20卷 文章编号 1003 4803 2000 05 0047 03 向日葵菌核病的药剂防治试验 于基成1 刘秋1 房德纯1 魏守恩2 1 沈阳农业大学 辽宁 沈阳 110161 2 辽宁省农业科学院 辽宁 沈阳 110161 摘要 经室内和田间药剂筛选试验表明 75 百菌清800倍液 50 农利灵1000倍 液 50 福美双1000倍液 40 菌核净1000倍液等药剂灌根及于开花末期喷施对向 日葵菌核病有一定的防效 关键词 向日葵菌核病 杀菌剂 菌核 子囊孢子 中图分类号 S435 655 文献标识码 A 向日葵菌核病可侵染向日葵根 茎 叶 花盘等各个部位 可造成植株整体或局部腐 烂死亡 严重影响向日葵的生产 而且它还可 以引起多种农作物的病害 其寄主范围较广 可侵染64科361种植物 常造成严重的经济 损失 由此 本文分别于室内和田间进行了防 治向日葵菌核病的药剂筛选试验 1 材料和方法 1 1 材料 供试药剂见表1 向日葵菌核病病原菌 是从辽宁省农业科学院采集向日葵菌核病的 菌核于PDA平板上分离获得纯菌株 同时 将菌核经表面消毒于保湿的大培养皿中24 h 光照培养 菌核萌发形成子囊盘 获得子囊孢 子 1 2 方法 1 2 1 室内药剂筛选 1 药剂对孢子萌发的抑制作用 将供 试药剂配成1000 mg kg药液 加入2 蔗 糖 挑取成熟子囊盘上的子囊孢子与药液混 合 配成农药孢子悬浮液 将孢子悬浮液滴 于载玻片上 20 培养24 h后 检测孢子的 萌发率 重复3次 以2 的蔗糖溶液为对 收稿日期 2000 04 17 3 赵其国 土壤与环境问题国际研究概况及其发展 参加第十六届国际土壤学会专题综述 J 土壤 1998 30 6 1 4 4 阳捷行 土壤生态系统中的气体代谢研究 J 土壤学 进展 1993 35 37 5 蔡祖聪 土壤痕量气体研究展望 J 土壤学报 1993 30 2 117 123 6 蔡祖聪 沈光裕 颜晓元 土壤质地 温度和Eh对稻田 甲烷排放的影响 J 土壤学报 1998 35 2 145 152 7 B P Warkentin 土壤科学与环境质量 试谈土壤学 发展过程 J 土壤学进展 1995 5 1 6 8 Kazuyuki Yagi 等 施用有机物对稻田甲烷排放的影响 J 土壤学进展 1992 20 6 25 29 9 Wang Z P Delaune R D Masscheleyn P H S oil redox and pH effects on methane reduction in a flooded rice J Soil Sci Soc Am J 1993 57 382 385 10 Rajagopal B S Belay N Daniels L Isolation and char2 acterization of methanogenic bacteria from rice paddies J FEMS Microbiol Col 1988 53 153 158 11 Schutz H Seiler W Conrad R Influence of soil tem2 perat