發(fā)布時間：2022-05-11所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：農(nóng)田土壤通過微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤動物呼吸，釋放大量溫室氣體.成為大氣中主要溫室氣體(C02、CH4 和N20)的重要來源。文章在闡述土壤溫室氣體產(chǎn)生機制的基礎(chǔ)上，著重從土壤生物、土壤理化性質(zhì)(主要包括溫濕度、有機質(zhì)、pH、Eh、土壤質(zhì)地等)、水肥管理及
摘要：農(nóng)田土壤通過微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤動物呼吸，釋放大量溫室氣體.成為大氣中主要溫室氣體(C02、CH4 和N20)的重要來源。文章在闡述土壤溫室氣體產(chǎn)生機制的基礎(chǔ)上，著重從土壤生物、土壤理化性質(zhì)(主要包括溫濕度、有機質(zhì)、pH、Eh、土壤質(zhì)地等)、水肥管理及耕作措施等角度對農(nóng)田土壤溫室氣體釋放的影響進(jìn)行了綜述，對土壤溫室氣體的減排措施進(jìn)行了總結(jié)，并就今后農(nóng)田土壤溫室氣體的研究重點和方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤;溫室氣體;產(chǎn)生機制;影響因素;減排措施;研究展望
大氣中C02、CI-14和N20對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率占了近80%…，是溫室效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)者。其中C02 對增強溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率最大，約占56%，是最重要的溫室氣體【2】。其次是CH4，其溫室效應(yīng)潛能是 C02的23倍，對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約占15%【3J。據(jù)估計，大氣中每年有5%～20%的C02、1 5%～30%的 CI-b,、80%90%的N20來源于土壤【jJ。而農(nóng)田又是土壤生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體釋放的重要來測41。為此，通過了解農(nóng)田土壤溫室氣體產(chǎn)生機理及影響因素，可為溫室氣體減排措施制訂提供理論依據(jù)。
1 農(nóng)田土壤溫室氣體產(chǎn)生機制
1.1農(nóng)田土壤C02的產(chǎn)生機理
農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)C02的排放來源于土壤呼吸，包括三個生物學(xué)過程即植物活根呼吸、土壤微生物呼吸、土壤動物呼吸和一個非生物學(xué)過程即含碳物質(zhì)化學(xué)氧化作用。土壤呼吸強度主要取決于土壤中有機質(zhì)的數(shù)量及礦化速率、土壤微生物類群的數(shù)量及活性、土壤動植物的呼吸作用等。土壤C02排放實際是土壤中生物代謝和生物化學(xué)過程等所有因素的綜合產(chǎn)物
1.2農(nóng)田土壤CH4的產(chǎn)生機理
大氣中CH4濃度的增加主要源于土壤生物過程的排放，即在厭氧環(huán)境下，土壤有機物、根系分泌物、死亡的作物根系或作物殘茬、死亡的土壤動物及微生物、施入的有機肥等有機物在厭氧細(xì)菌的作用下逐步降解為有機酸、醇、C02等小分子化合物，然后，產(chǎn)CH4菌再將小分子化合物轉(zhuǎn)化為CH4。土壤CH4的排放主要受土壤含水量、有機質(zhì)含量、酸堿性等土壤理化特性的影響。如天然濕地、水稻田、廢棄物的堆積處理場等均是cH4的排放源，其中水稻田是農(nóng)田土壤CH。的主要排放源，約占全球總排放量的12%【6J。 1.3農(nóng)田土壤NzO的產(chǎn)生機理土壤中N20的產(chǎn)生主要是在微生物的參與下，通過硝化和反硝化作用完成的【丌。
硝化過程是在通氣條件下，亞硝化和硝化微生物將銨鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程;反硝化過程則是在厭氣條件下，由反硝化細(xì)菌將硝酸鹽或硝態(tài)氮還原成氮氣(N2)或氧化氮(N20和NO)的過程。
2農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響因素
研究表明，影響土壤呼吸的因素很多，土壤理化性質(zhì)如溫度、含水量、有機質(zhì)含量、pH、氧化還原電位(Eh)、土壤質(zhì)地等因素直接影響土壤微生物種類、數(shù)量及其生理生化過程，進(jìn)而影響溫室氣體排放‘8一01。此外，水肥管理以及耕作措施等通過改變土壤理化性質(zhì)及呼吸底物來影響溫室氣體排放【11·1 31。
2.1 生物因素
土壤主要溫室氣體(C02、CH4、N20)的產(chǎn)生無不與土壤微生物、作物根系、土壤動物和各種真菌的數(shù)量及活性有關(guān)，即與生物因素密切相關(guān)p—J。其中6種菌群(發(fā)酵細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌、產(chǎn)甲烷細(xì)菌、甲烷氧化菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌)與 CH4和N20釋放密切相關(guān)¨4。。研究發(fā)現(xiàn)，80%以上的CH。是通過甲烷產(chǎn)生微生物(甲烷產(chǎn)生菌)和甲烷營養(yǎng)微生物(甲烷氧化菌)相互作用產(chǎn)生的【¨。6|。不同碳素、氮素物質(zhì)和土壤理化特性對這些菌群的種類、數(shù)最和活性產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響溫室氣體的產(chǎn)生與排放[17-18】。水稻田土壤中甲烷氧化菌種群數(shù)量對土壤氧化甲烷速率有顯著影響，隨著外源甲烷的加入，可刺激土壤中的甲烷氧化菌增殖，進(jìn)而誘導(dǎo)甲烷氧化速率達(dá)到最大ll 9I。此外，農(nóng)作物的種類、生育時期等對土壤溫室氣體的排放具有重要作用12…。研究發(fā)現(xiàn)，玉米植株能通過其根系的作用增加土壤向大氣排放N20【2u;旱田大豆N20排放通量在l d內(nèi)有兩個釋放高峰，而菠菜田和春小麥田只有1個釋放高峰，而農(nóng)田裸地是一較弱的N20釋放源【22I。在稻田里，水稻分孽期和成熟期一般會出現(xiàn)CHo排放峰值，而其他生育期沒有峰值，而且水稻植物體(根、莖、葉)重量對CH。排放具有重要影響P馴;隨著水稻品種的演進(jìn)，稻田CH4排放通量呈逐漸減小的趨判24J。表明農(nóng)田土壤溫室氣體排放與作物種類、生長期等密切相關(guān)。
2.2土壤理化特性
2.2.1 土壤質(zhì)地
土壤質(zhì)地直接影響土壤通透性和水分含量，進(jìn)而影響土壤硝化作用、反硝化作用、有機質(zhì)氧化分解和還原過程的相對強弱及溫室氣體的產(chǎn)生及其在土壤中的擴散【2n27 J。研究表明，水稻田粘質(zhì)土壤排放的CH。顯著或極顯著低于壤質(zhì)和砂質(zhì)土壤【2出3UJ。這主要是由于砂質(zhì)土壤氧化還原電位易于變化，土壤硝化和反硝化作用容易發(fā)生，再加上砂質(zhì)土壤的氣體擴散較粘質(zhì)土壤快，有利于土壤 N20向大氣排放川;而旱地壤土排放的N20高于砂質(zhì)和粘質(zhì)土壤132|。
2.2.2土壤溫度
在一定范圍內(nèi)，土壤溫度升高可加速土壤中有機質(zhì)的分解和微生物活性，從而增加土壤中C02濃度【331。研究表明，C02釋放速率與溫度呈線性或指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，其中10 cm和5 cm土層溫度對土壤 C02排放影響最大【25翔】。水分充足時，溫度是影響土壤C02釋放的主要因子1351。大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌活動的最適溫度為35～37℃。在田間條件下，產(chǎn)甲烷菌的活性隨土壤溫度升高而提高136]，CI-h排放速率也隨之增加”7l。溫度不僅影響N20產(chǎn)生的生物學(xué)過程，還是土壤N20排放日變化的最主要控制因裂38】。硝化微生物活動的適宜溫度范圍是15～35℃，在適宜的土壤濕度范圍內(nèi)，67%的N20排放量集中在15-25 ℃范圍內(nèi)【391;低于5℃或高于40℃抑制硝化作用。 N20排放通量與溫度之間存在一定程度的正相關(guān)性，N20排放通量隨年均氣溫升高而升高Ⅲj。
2.2.3土壤濕度(Eh)
土壤產(chǎn)生CH4、排放N20和C02的最佳水分含量不同，C02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N20排放對土壤水分含量的反應(yīng)呈極顯著的負(fù)相關(guān)性【411。水分狀況是影響稻田CH4排放的最重要因素之一。一般來講，產(chǎn)甲烷菌開始活動并放出CH4的Eh范圍是.150～230 mV，臨界Eh是.150~-160 mVE421;也有研究者發(fā)現(xiàn)Eh為.120mV甚至.110mV時有CH4 排放，且CI-h排放量隨Eh的下降而增加[43-44]。水稻生長期一直保持淹水狀態(tài)，其cH4排放量高于一般水田，如果稻田淹水前連續(xù)曬干時間越長，水稻生長期CH4排放量越低【451。說明土壤濕度及土壤濕潤期的長短都影響CH4的排放。
土壤含水量較低時，N20主要來自硝化過程;土壤含水量較高時，N20主要來自反硝化過程;在中等含水量(45%～75%WFPS)情況下，硝化和反硝化作用產(chǎn)生的N20大約各占一半m卻J。水分狀況不僅影響土壤中N20的生成量，也極大地影響著水田N20向大氣的傳輸[481。連續(xù)淹水條件下，稻田土壤僅排放微量的N20，但排放出大量的cH4和c02;好氣條件下，土壤不排放CH4，但排放出大量的 N20。淹水好氣交替處理的土壤其排放的C02、C144 和N20均在好氣和連續(xù)淹水之間一J。
2.2.4土壤pH
研究表明，土壤pH對土壤溫室氣體的產(chǎn)生具有重要影響。一定的酸化累積促進(jìn)C02排放[50J，而累積到某值時(pH3.05)又抑制C02的排放;而 cH4和N20的排放基本上隨酸化累積程度的加深而增加。但土壤pH值不是造成土壤溫室氣體排放差異的直接原因，C02和CH4排放差異主要是由于酸化累積過程導(dǎo)致土壤碳、氮以及其他養(yǎng)分元素含量的差異造成的【511。CH。排放的最適pH是近中性環(huán)境，pH的微小降低會導(dǎo)致cH4排放通量明顯降低。在.250和一200 mV時，pH增加0.2導(dǎo)致CH4排放通量增加近20%。土壤pH對N20凈排放的影響十分復(fù)雜，一般認(rèn)為反硝化菌活動范圍在3.5—11.2之間，最適宜的pH值為6～8，低pH影響各種反硝化產(chǎn)物的比例，并降低反硝化損失氮素的總量。在pH值 3.4~6.8內(nèi)，硝化作用與土壤pH值呈正相關(guān)吲;在土壤pH值為3時，N20排放量和土壤N20濃度都明顯降低【5副;當(dāng)土壤為中性時，N2是反硝化作用的主要產(chǎn)物，pH降低則反硝化作用產(chǎn)生N20的比例增大i541。在相同的氣候條件和農(nóng)業(yè)管理措施下季節(jié)性N20平均排放通量與pH成正相判"J。
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2.2.5土壤有機質(zhì)
土壤有機碳含量決定微生物碳庫的大小，從而影響C02、CH4排放的總量，有機碳總量少則周轉(zhuǎn)速率加快，活性有機碳的多少限制著土壤碳的凈礦化【5¨¨。有機碳加入土壤可促進(jìn)微生物活動，使 Oz供應(yīng)不足，導(dǎo)致自養(yǎng)微生物參與的硝化作用減弱，從而使反硝化作用增強。研究表明，土壤中反硝化作用與土壤有效C含量密切相關(guān)，而與總c量無關(guān)，土壤中加入有機質(zhì)可大大加強反硝化強度。而在有效碳缺乏時，即使氮的濃度很高，反硝化速率仍很低;隨著有效碳的增加，反硝化速率也隨著提高【26|。殘茬稻田的C02排放通量較裸田高，而 CH4吸收增高50%，N20排放較裸田低【l列;冬小麥季節(jié)性N20平均排放通量與土壤有機碳含量、全氮含量、銨態(tài)氮含量及C/N比成顯著負(fù)相關(guān)【55】。表明土壤有機質(zhì)是影響溫室氣體排放的重要因素之一。
2.3施肥措施
研究發(fā)現(xiàn)，水稻田施用作物秸稈、豬糞、沼氣渣等有機肥能顯著增加CH4的排放158。60】，而化學(xué)氮肥的施用增加了稻田N20的排放量，且硫銨能比尿素排放更多的N20[611。與常規(guī)灌溉(淹水和烤田相結(jié)合)相比，水稻生長季持續(xù)淹水促進(jìn)了后季麥田 N20的排放;在常規(guī)灌溉方式下，秸稈施用可減少后季麥田N20的排放，而在持續(xù)淹水方式下，施用秸稈并不減少N20排放量帕烈。在夏玉米田，施用農(nóng)家肥可顯著增加C02的排放量，但抑制了土壤對 CH4的吸收，施肥量高抑制作用強163l。長期N、P、 K養(yǎng)分配施，土壤C02平均排放通量有所增加，而且施氮肥增加土壤N20平均排放通量憚J。
2.4農(nóng)作措施
農(nóng)作措施通過改變土壤環(huán)境、土壤理化特性及土壤生物的類型、數(shù)量及活性來影響土壤溫室氣體的排放。研究表明，耕作制度(冬水田、半旱式壟作、水旱輪作)不僅影響水稻田CH4的排放通量，也影響稻田甲烷排放的季節(jié)變化規(guī)律。水稻刮、麥輪作的土壤CH4平均排放通量僅是冬水稻田排放通量的l/3f6 51。稻田甲烷排放的季節(jié)變化與前作有關(guān)，前作是旱季蔬菜或單季早稻、單季晚稻，cH4平均排放通量顯著低于常規(guī)連作【66I。此外，稻田不同栽培密度的CH。排放量以每穴栽插4苗處理最高，3 苗次之，2苗最小【24’;種植密度對農(nóng)田N20排放也有影響，且不同生長階段差異較大【們J。稻草免耕還田不僅能降低CH4、N20平均排放量和排放速率，而且使CH4、N20峰值出現(xiàn)晚7—10 d16引。
3減排措施
隨著溫室氣體產(chǎn)生機理和釋放機制的深入研究，有關(guān)溫室氣體減排措施方面的研究報道逐漸增多。研究發(fā)現(xiàn)，水肥管理可有效控制溫室氣體排放，例如沼渣肥與化肥結(jié)合施用可有效降低稻田cH4的排放㈣;長期施用有機肥對削弱土壤碳釋放，抑制大氣C02濃度升高具有重要作用【7Ⅵ;包膜型控釋肥能極顯著地降低稻田N20的排放量川;控釋肥料、長效碳酸氫銨和緩釋尿素能明顯減少玉米田土壤 N20排放【211;銨態(tài)氮能抑制旱地土壤CH4釋放，促進(jìn)土壤CH4的氧化【721;脲酶抑制劑(氫醌)和硝化抑制劑(雙氰胺)可協(xié)同抑制水稻田土壤N20和 CH。的排放173-74】。間歇灌溉可減少稻田溫室氣體排放【7別;將冬水田改為水—早輪作可達(dá)到溫室氣體減排的目的[1 31。另外，化感物質(zhì)(苯甲酸和對叔丁基苯甲酸)對土壤N20釋放有明顯的抑制作用，且隨著濃度的增大，其抑制效果越顯著【7刨;纖維素碳源對設(shè)施栽培土壤CH。氧化的抑制作用小，高濃度的甲醇則對CH。氧化具有強烈的抑制作用，而適當(dāng)濃度的甲醇可極大地促進(jìn)土壤CH4的氧化，減少CH4 釋放【77】。
4研究展望
隨著土壤C02、CH4、N20產(chǎn)生機理的深入研究，影響農(nóng)田土壤溫室氣體排放的內(nèi)因與外因廣泛展開，逐漸由宏觀環(huán)境影響向微觀條件影響、由單因素影響向多因素交互作用轉(zhuǎn)變，研究內(nèi)容和深度不斷深入。然而，就已有的研究結(jié)果來看，本文提出以下建議以供參考，(1)在深入研究水稻田土壤溫室氣體排放的基礎(chǔ)上，加強對大田土壤溫室氣體研究，尤其要加大對設(shè)施栽培土壤溫室氣體排放的研究力度;(2)在研究土壤理化特性對溫室氣體排放影響的基礎(chǔ)上，更要突出生物因素(微生物和作物)的影響，使土壤生物特性、土壤理化特性與溫室氣體排放有機聯(lián)系起來;(3)綜合分析已有研究資料，提出關(guān)于土壤溫室氣體排放量模擬計算模型和參數(shù)確定方法，擴大模型的應(yīng)用范圍;(4)加強土壤微環(huán)境碳氮循環(huán)機制研究，重點放在土壤溫室氣體產(chǎn)生菌的產(chǎn)氣機理研究，為溫室氣體減排提供理論依據(jù)。——論文作者：翟勝L2，高寶玉1，王巨媛3，董杰2，張玉斌4
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