土壤生态学课件 第十章 土壤生态系统与全球气候变化

1、第10章：土壤生态系统与全球气候变化，导言第1节：土壤生态系统中环境气体的特征、产生和转移途径第2节：影响环境气体排放的因素第3节：土壤生态系统中环境气体排放的调控，导言：大气化学成分影响太阳辐射和地球热辐射的传输、吸收和反射；氮和氧占大气的99%，既不吸收也不释放热量。占大气不到1%的水蒸气、二氧化碳和微量气体吸收地球的热辐射，并确保地球的热平衡。所有这些微量气体都被称为温室气体。土壤生态系统中存在多种温室气体，包括二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氮氧化物、氨气、H2S和有机硫等。第一节：土壤生态系统中环境气体的特征、产生和转移途径；1.土壤生态系统中的碳和氮储存。土壤生态系统中的碳储存

2、全球碳库由三部分组成：大气中的二氧化碳和甲烷、陆地生态系统中的碳和海洋中的碳。海洋总量为39 000Gt，大气最小量为750Gt，陆地轻土壤生态系统为2500Gt。不同类型土壤有机碳含量的差异：见表：不同地区有机碳含量的差异：见表2。土壤生态系统中的氮储存，空气中的氮不能被其他生物直接利用，只有转化为微氨、亚硝酸盐和硝酸盐后才能被植物吸收。固定大气中氮的方法有三种：自然界中的光电化学反应，如闪电作用将氮分子固定到硝酸中；合成氮肥；生物固氮，2。土壤中环境气体的产生和氧化。甲烷的产生和氧化(1)甲烷产生的机理：甲烷是产甲烷细菌在厌氧条件下作用于产甲烷底物的结果；甲烷生成反应的临界氧化还原电位为-

3、150毫伏，甲烷生成量随氧化还原电位的降低而增加。基质在产甲烷菌的作用下转化为甲烷。目前已知的方法有两种：第一种是利用H2作为电子供体还原CO2，或者直接利用羟基乙酸和一氧化碳生成甲烷，反应式为：co24h 4 H2O 4 HCOOH 43 co 2 H2O 2 och 2 och 3 co 2，第二种是在甲基营养型产甲烷菌的参与下对含甲基的化合物进行脱甲基，其基质主要是乙酸，因为乙酸是有机物厌氧分解的主要中间产物。甲烷氧化土壤中甲烷的氧化可以发生在非淹水土壤中，如林地、旱地、沙漠、雪地等。以及湿地，如沼泽、稻田等。前者主要氧化大气中的甲烷以降低其浓度，而后者主要氧化湿地中的内源性甲烷以减少其

4、向大气的排放。详细的机制非常复杂，忽略了N2O的生成。土壤中N2O的产生有四种方式：硝化、反硝化、硝态氮异化和还原铵以及化学反硝化。第三，环境气体从土壤向大气转移的方式。土壤中产生的甲烷、二氧化碳和氧化亚氮主要通过三种途径进入大气：扩散、气泡和植物运输。以甲烷为例：1。气相或液相扩散土壤中的甲烷浓度下降形成梯度，并以浓度差的形式自下而上扩散。这种方式的比例很小。2.当水箱中气泡的分压达到一定水平时，气泡会上浮，从水面逸出并进入大气。3.植物运输；在有通气组织的植物存在的情况下，甲烷通过植物的释放速率比通过水相的释放速率高10 000倍，并且土壤中大约90%的甲烷通过植物的通气组织排放到大气中。

5、(4)土壤和大气之间的环境气体交换；(1)在生物光合作用的驱动下，二氧化碳在大气、海洋和土壤之间循环。土壤储存量的微小波动将直接影响大气中二氧化碳的浓度。土壤中有机碳的积累和分解影响全球碳循环，而外部条件的变化强烈影响土壤中微生物对有机碳的分解。2.甲烷，由于湿地甲烷排放在时间和空间上存在明显的变化，并且没有区域变化，因此总排放量的估算存在很大的不确定性。目前主要有两种估算方法：根据野外测量的甲烷排放量和该类型湿地所代表的面积计算建立相关数据模型，并利用相关参数进行计算。3.N2O，N2O向大气的年输入量约为17.7Tg，明显高于N2O的输出量，导致大气中N2O含量增加；主要来源是人为的和自然

6、的。第二部分是影响环境气体排放的因素。首先，影响二氧化碳排放的因素。1.土地利用模式影响森林砍伐后的碳循环：a、减少植物对大气中二氧化碳的固定；有机碳通过燃烧排放到大气中；加速土壤中有机碳的分解并释放到大气中。2.施肥和施用磷肥没有加速凋落物的分解；施氮对土壤有机碳影响不大，主要是加速土壤轻有机碳的分解，但促进土壤有机-矿物复合体的形成，增加有机碳含量。因此，施用氮肥促进了林地大气二氧化碳的固定。3.土壤的酸性越强，有机物的溶解和分散就越低，这就减少了微生物和有机物之间的接触，不利于有机物的分解，而且残留物也越多。一般来说，土壤有机碳的残留量随着粘土含量的增加而增加；但对于石灰性潮土和热带土壤

7、来说，这是不正常的。4.水分条件、分解土壤有机质的微生物种类和活动与水分条件密切相关。一般来说，在有氧条件下，一种微生物可以直接将有机物转化为二氧化碳，而在无氧条件下，需要一系列的微生物来传递。因此，好氧环境中有机物的分解速度比厌氧环境中快得多。5.温度，土壤中微生物活动的最佳温度为35。随着土壤温度的升高，有机质的分解速率也增加。2.甲烷排放的影响因素1。地表水位决定湿地类型和植物种类，水位的波动会使湿地从产甲烷环境向甲烷氧化环境转变。因此，水位对湿地拱道中的甲烷有很大影响，水位越低，湿地中产生和排放的甲烷越少。2.在甲烷排放过程中，植物在提供底物和运输甲烷和氧气方面起着双重作用。季节性植物

8、提供的甲烷碳通常占生物量的3%和7%。生物量越高，甲烷排放量越多。芦苇沼泽的甲烷排放量是泥炭藓沼泽的612倍。3.温度甲烷排放与温度有关。产甲烷菌比甲烷氧化细菌更依赖温度。因此，甲烷排放量随着温度的升高而增加。4.土壤性质和水条件影响产甲烷菌生活和运行的环境。土壤的酸碱度也会影响产甲烷菌，进而影响甲烷的产生和排放。土壤越粘，释放到土壤中的甲烷就越多。5.氮被添加到泥炭土中，这大大提高了甲烷的产量。氮可以促进植物的生长，促进有机碳的分解，抑制甲烷的氧化，从而增加甲烷的排放。第三，大气甲烷演化的影响因素。1.土壤通过土地利用吸收大气甲烷的能力是：林地、草地和农田。土地利用极大地影响了土壤向大气的氧

9、化。在天然草地上种植玉米和马铃薯时，土壤对大气甲烷的氧化能力分别下降了41.56%和42%。2.土壤水分的甲烷氧化速率与土壤湿度呈负相关。3.高温好氧土壤中甲烷氧化速率随着温度的升高而逐渐增加，并与土壤温度呈正相关。4.氮肥的施用提高了氨氧化菌的活性，优势菌需要大量的氧气，从而限制了甲烷氧化菌的繁殖和功能。4.N2O排放的影响因素。1.土壤含氮量和氮肥施用铵离子肥后有两个N2O排放峰，即硝化作用产生的排放峰和后续反硝化作用产生的排放峰。土壤中的硝酸根离子可以抑制或延缓N2O向N2的还原，因此反硝化作用产生的N2O/N2比随着硝酸根离子含量的增加而增加。2.土壤通风影响硝化和反硝化过程，也影响气

10、体排放到大气中的速度。3.土壤湿度会影响土壤微生物，进而影响N2O。土壤湿度会影响通风、硝化或反硝化作用、气体生成以及排放到大气中的难度。土壤间隙灌溉将迫使N2O进入大气。4.土壤性质N2O排放随土壤质地而变化。质地影响通风土壤的酸碱度，进而影响N2O的产生和排放。5.耕作方法改善了土壤通风，减缓了水分蒸发，增加了土壤微生物和作物残留物之间的接触。6.外源有机物质输入土壤激活了好氧环境中微生物的活性，加速了土壤空气中氧气的消耗，削弱了自养消化。由于通风性能下降，土壤产生更多的N2O 7，土壤温度中硝化的最佳温度为2535度。脱氮的最佳温度为3067。第三部分，调控土壤生态系统的环境气体排放，减

11、少土壤向大气的排放，是抑制大气中环境气体浓度增加的有效措施。通过湿施氮肥减少稻田和自然湿地面积以及减少甲烷和N2O排放的最简单和最有效的方法如下：1 .甲烷排放减缓措施；1.水管理可以通过水管理改善土壤通风来减少甲烷的产生。稻田可以减少甲烷的产生，而氮可以增加N2O的排放。因此，我们应该掌握烘焙场的时间和程度。2.减少有机肥和甲烷的产量。然而，有机肥料必须在堆积后施用或在以前的旱作中施用，这可以减少甲烷的产生和排放，并且不影响土壤肥力。3.冬季稻田的科学管理。中国稻田排放的甲烷有60%来自冬季稻田。冬季排水和垄作可以减少甲烷排放。4.水稻品种的选择最好的水稻品种是高产优质的，但是它们运输甲烷和分泌有机物的能力低，并且分泌氧气的能力强。2.减缓N2O排放的措施：1 .不同氮肥品种转化为N2O的氮量有很大差异。选择尿素和N2O转化系数小的控释肥作为氮肥可以有效减少N2O排放。2.根据作物肥料需求规律，适时适量施用氮肥，提高肥料利用率，减少氮素转化为N2O的量；由于高N2O排放往往伴随着旱地土壤的降水或灌溉，所以在雨天或灌溉前后应避免施用氮肥。3.铵态氮肥应作为硝化抑制剂，施用硝化抑制剂可有效防止硝化作用，从而有效减少N2O的产生和排放。4.土地管理应使土壤长期被作物覆盖而不是裸露，这不仅减少了氮的淋失，还减少了反硝化作用。谢谢你！这门课到此结束！1.如何理解土壤生态系统和土壤生