第23卷第4期中国农业气象2002年11月农田土壤温室气体排放机理与影响因素研究进展Ξ谢军飞,李玉娥(中国农业科学院气象研究所,北京　100081)摘要:根据近几年国内外相关文献,对农田土壤中二氧化碳、甲烷与氧化亚氮排放相关机理及影响因子进行了归纳,并介绍了动物废弃物施用于农田土壤所导致的温室气体排放的变化情况;同时还对一些与土壤温室气体排放影响因素有关的定量模拟方程进行了介绍。

关键词:温室气体;排放机理;影响因素;模拟方程中图分类号:S16119 文献标识码:A 文章编号:1000-6362(2002)04-0047-06 全球气候变化是温室气体浓度增加、土地与植被变化、地球的大气物理化学作用等各种因素综合作用的结果,其中人类活动所造成的大气中温室气体浓度急剧增加已成为全球变化最主要的因素。

联合国政府间气候变化专门委员会IPCC(The Inter2 governmental Panel on Climate Change)第3次评估报告指出:在1990～2100年,全球平均气温很可能上升114～518℃[1]。

农业生产是一种大规模的人类活动,农田土壤是重要的温室气体[二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)]的源汇。

通过对农田土壤中温室气体的排放进行准确测量,研究分析其机理和影响因素,正确地评价农田土壤对大气中主要温室气体浓度变化的贡献,有助于我们对温室气体排放量及其规律和减排措施的正确了解,从而为温室气体减排以及减少气候变化预测的不确定性提供理论依据[2]。

1　农田土壤中二氧化碳(CO2)的产生过程与影响因素111　农田土壤中CO2的产生过程CO2是大气中最重要的温室气体,其排放量及对气候变暖的贡献远超过其它温室气体。

土壤中CO2产生的过程通常又称为“土壤呼吸”,其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。

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,通常可使土壤空气中CO2浓度升高到3000mg/kg,约是大气中的10～50倍。

112　影响农田土壤CO2排放的因素11211　温度的影响　在一定范围内环境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,温度对CO2释放量的影响是通过多种途径起作用的。

国外学者长期观测得出了一些定量关系。

Kucera[5]等在1968～1970年得出下列公式Iny=a+bln(T+10)(1)(1)式中:y为土壤CO2释放量;a为常数;b为温度系数(10～30℃时取116～213);T为土壤温度(℃)。

K1Mathes等人[6]通过实验也得出了回归方程Y=a+bx2(2)(2)式中:Y为土壤CO2释放量;x为土壤温度;a、b为统计常数。

并且认为x值用地表下5cm处的温度比用地表温度效果要好一些[4]。

Monteith经长期观测发现:冬季土壤CO2释放较少,初春后逐渐增加,当8月份土温升到最高时, CO2释放量最大。

农田CO2释放有明显的日变化规律,主要是气温变化的结果。

温度不仅影响微生物细胞的物理反应及化学反应速率,而且对环境的物理化学特征也有影响,微生物细胞的活动是受热力学定律所控制的。

土壤有机质在微生物的参与下分解成简单的有机化合物,其中一部分进一步矿化成CO2、CH4等,该矿化过程受温度的控制。

CO2排放速率的日均值与气温、地表温度呈显著的相关关系。

Ξ收稿日期:2001-12-20　资助项目:国家自然科学基金重大项目“中国农业生态系统及全球化相互作用机理研究”。

项目编号为:39899370　作者简介:谢军飞(1976-),湖南湘潭人,男,硕士生11212　土壤水分　土壤水分不仅影响生物体的有效水分含量,也影响土壤通气状况、可溶物质的数量和p H 值等,在一定的水分含量范围内,CO 2释放量与水分含量呈极显著相关关系。

在Joukoslvola 的实验中[5],有效的排水会引起约一倍的CO 2排放增长。

这可能是因为CO 2在水中能被离子化,溶解度高,约为019cm 3/L (O 2约01031cm 3/L ),有效的排水会减少土壤中CO 2的溶解,从而导致CO 2排放增长。

目前关于土壤水分与CO 2释放的定量化关系的研究结果还较少。

Valerie 通过测量干湿交替循环的土壤呼吸强度,得出公式[6]A =aln (-Φ)+b (3)(3)式中:A 为土壤CO 2呼吸强度;Φ为土壤水势;a 、b 为统计常数。

11213　农业管理　农业生产中的水肥管理及耕作方式直接影响土壤CO 2释放量。

一般培肥土壤和调节农田小气候的措施,都有增加土壤CO 2释放的作用。

2　农田(稻田)土壤中甲烷(CH 4)产生、氧化、传输的机理与影响因素CH 4是第2大重要温室气体,在大气中的驻留时间很长,单位质量的CH 4增温潜势是CO 2的56倍。

尽管近年来CH 4在大气中的浓度增长速率有所变慢,但其增长幅度仍值得重视。

其中稻田产生的CH 4占相当重要的比例。

211　农田(稻田)土壤中CH 4产生、氧化、传输的机理21111　CH 4产生　生态系统中的CH 4都是在严格厌氧环境下由微生物活动而产生的,即在酶的作用下分解碳水化合物成单糖,单糖再分解成酸,进而生成CH 4,基本化学式如下[7][8]:C 6H 12O 6+2H 2O =2CH 3COOH +2CO 2+4H 2CH 3COOH =CH 4+CO 2CO 2+8H +CH 4+2H 2O有机碳C +4H +CH 4产生CH 4的土壤环境主要为各种类型的湿地及水稻田。

目前认为水稻田是CH 4的主要人为源,但在好气条件下CH 4又会被CH 4氧化菌所氧化,从而使好气土壤成为CH 4吸收汇。

21112　CH 4氧化　CH 4氧化在农田CH 4的排放过程中起着重要的作用。

观测表明,稻田CH 4排放量只占CH 4产生量的很小一部分,大部分(约82%～84%)在输送到大气前被土壤微生物氧化,土壤中消耗CH 4的微生物有CH 4氧化细菌和CH 4硝化细菌两种,但土壤CH 4的氧化主要由CH 4氧化细菌完成。

注意到CH 4氧化细菌[7]同时也参与氨氧化,氨氧化是稻田氮素反硝化损失的基本过程。

因此研究稻田的CH 4氧化机理也可能有助于揭示稻田氮素损失的机理。

CH 4的氧化基本在土壤表层发生。

孙向阳[10]运用化学动力学中的一级反应动力学方程C =C 0e -kt 对森林土壤中CH 4的吸收速率进行了计算,式中,C 、C 0分别为t 时刻初始的CH 4浓度,k 为与浓度无关的速率常数或叫一级反应常数。

CH 4氧化过程也与土壤温度、水分等因子密切相关[9]。

DNDC 模型还确定了在CH 4向大气输送的过程中土壤的多孔结构与植物的通气性所起的重要作用。

21113　CH 4传输　稻田土壤中的CH 4传输通过3个路径向大气排放,即水稻植物体内部的通气组织、水田冒气泡和水中液相扩散。

水稻植物体排放CH 4的能力随水稻的生长呈线性增长趋势,抽穗中期达到最大,后随水稻的成熟不断下降。

整个季节平均排放的CH 4中,通过水稻植株传输的占73%(早稻)及55%(晚稻);气泡的作用占总排放的24(早稻)及41%(晚稻);液相扩散可以忽略。

若甲烷传输畅通,则有利于甲烷排放,在稻田养萍实验[11]中,陈冠雄等发现甲烷排放增加可能与增加植株的传输作用有关。

212　影响CH 4排放的因素21211　环境因素土壤质地　不同质地的土壤,CH 4排放量有明显的不同,壤质稻田的CH 4排放量显著大于粘质稻田土壤,但砂质和壤质土壤CH 4平均排放通量的比较结果在年际之间不一致。

粘质土壤排放较少的原因可能是其对有机质有较强的保持作用,对氧化还原电位(Eh )变化的缓冲作用较强,同时气体扩散也较慢的缘故。

另外,不同耕地类型和管理措施对CH 4的氧化量是不同的,直播土壤的CH 4氧化率为连续开耕土壤的415～11倍[13]。

土壤温度　产生CH 4微生物活动的适宜温度在30～40℃范围内,土壤CH 4的产生量随着土壤温度的升高而增长;意大利对稻田CH 4排放的研究表明,当温度从20℃增加到35℃时,CH 4排放量增加1倍。

在中国,5cm 深处的土壤温度从18℃上升到31℃时,稻田CH 4排放量增加很快。

孙向阳[9]通过CH 4排放通量与几种环境因子的灰色关联分析得出:5cm 深处土壤温度和CH 4排放通量关系最为密切,其次为地表温度。

与生成作用相比,其氧化作用对温度较不敏感。

王明星等[3]研究发现CH4氧化率与温度呈正相关关系。

相关研究表明:土壤氧化CH4的最适合温度为25～35℃,超过37℃时大多数CH4氧化菌停止生长。

土壤水分　土壤常年淹水可导致大量的CH4排放,土壤水分的微小变化都会明显改变CH4排放量。

徐星凯等[14]指出15%～22%的土壤水分含量是促进CH4氧化的最适水分条件。

当土壤水分含水量很高(如当水稻田处于淹水状况下),CH4排放量会增大。

Rach等[15]发现不同水分含量土壤的温室气体排放有较大差异。

在比利时,Boeckx等[16]通过实验发现土壤水分含量是能解释当时CH4的氧化变化的重要参数。

土壤p H　大多数已知CH4氧化菌生长的最适p H值为616～618。

它和土壤Eh控制着CH4形成的微生物过程。

当p H小于5175或大于8175时[17],CH4产生几乎完全受到控制。

土壤Eh　因生成CH4的反应处于土壤氧化还原系列的还原端,经实验观察,只有当土壤Eh低于-100～-150mV时才有CH4产生。

因此,土壤还原状态是生成CH4的前提,当Eh低于上述数值时, CH4排放量随Eh的下降而呈指数增加[18];另外,蔡祖聪等[19]研究发现,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,但它们不是决定稻田CH4排放通量季节变化的主要因素。

21212　农业管理措施施肥(有机肥、无机肥)　施肥增加了土壤基质供应,必定会增加CH4排放,但不同的施肥方法会产生不同效果,不同的实验结果差异也很大,有的甚至相反。

一般来说,化肥处理CH4产生及排放低于有机肥处理,王明星等[20]研究了几种不同比例有机肥及化肥的施肥方案对稻田甲烷排放的影响,在维持氮、磷、钾含量基本不变时,施较多的有机肥是CH4排放率高的重要原因,而施化肥则能降低CH4排放,同样是有机肥,已在沼气池中发酵后的沼渣对稻田CH4排放的正效应也要大大低于“新鲜”的有机肥。

Chan(2001)发现[22]:在一段时间内,自然土壤CH4累积净排放为负值;而在垃圾处理与动物废弃物处理下的土壤,CH4累积净排放为正值。

在不同土地利用方式下,可利用的碳含量存在很大差异,从而导致不同的CH4排放。