伊 第８卷第１期 ２ ０ ０ ０年３月 生态农业研究
Ｅｃｏ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｖ。１．８
Ｍａｒｃｈ． Ｎｏ．１
２０ ０ ０
农业微环境对土壤温室气体排放的影响＊ 齐玉春董云社 章 申 （中国科学院地理研究所北京１００１Ｏ１）
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摘 要 二氧化碳（ＣＯ。）、氧化亚氮（Ｎ ｚｏ）、甲烷（ｃ｝Ｉ‘）等气体排放量的增加所｝ｌ起的温室效应是 全球变暖的主要慢动固素 同时各种温室气体的产生和掉效量也同样受其所处环境状况的影响与 反馈作用。研究各环境要素对土壤温室气体掉放的主要影响机制是调节气候变化与温室气体掉放 循环反馈过程的关键环节，对减步温室气体掉放、减缳垒球变暖趋势具有较强的现实意义。阐逮了 土壤排故Ｎ。０、ＣＨ 对环境田素的影响．并提出温室气体碱掉措施。 关键词士堇 垂童 苎茎茎、毫些进 境 精 ｝携；色
ｌｎｆｌａｅｎｃｅ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｇａ￣ｅｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｅｌｌ、 Ｑｉ Ｙｕｃｈｕｎ，Ｄｏｎｇ Ｙｕｎｓｈｅ，Ｚｈａｎｇ Ｓｈｅｎ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ，ＣＡＳ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１０１），ＥＡＲ， ２０００，８（１）：４５～４８ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｗａｒｍｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｃｌｉｍａｔｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｓ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｈｕｍａｎ ａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ，ｎｉｔｒｏｕｓ ｏｘ— ｉｄｅ ａｎｄ ｍｅｔｈａｎｅ’ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｌｕｘ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｍｐｅｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ、Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｇａｓｅｓ（ＧＨＧ）ａｒｅ ａｌｓｏ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ・ｓｏ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｌｈｅ ｋｅｙ ｌｉｎｋ ｏｆ ｋｅｅｐｉｎｇ ａｂｒｅａｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔ￣ｚｅｅｎ ｔｈｅ ｃｌｉｍａｔｅ ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ＧＨＧ ｅｍｉｓｓｉｏｎ．Ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＧＨＧ ａｎｄ ｓｌｏｗｉｎｇ ｄｏｗｎ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｗａｒｍｉｎｇ ｐａｃｅ、ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｗｉｌｌ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｓｏｍｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｈａｔ ｃｏｕｌｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｒｅｔａｒｄ ｔｈｅ ＧＦＩＧ ｅｍｉｓｓｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｓｏｉｌ，Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ， ｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ
氧化亚氮（Ｎ Ｏ）与甲烷（ＣＨ。）都是重要的温室气体。Ｎ。Ｏ增温潜势大，滞留大气时间长＋ 通过在平流层参与化学反应间接破坏臭氧层，使人类健康受到威胁。目前大气中Ｎ Ｏ的浓度 已由工业革命前的０．２８８／￣ｍｏ１．／ｍｏｌ上升到０．３１０ｖｍｏｌ／ｍｏｌ，并以０．２５ 的年速率增长，在过 去１００年中Ｎ Ｏ对温室效应的贡献约为５ ，Ｎ。Ｏ在大气中的浓度和年增长率低于ＣＯ。，但其 潜在增暖作用却为ＣＯ：的１９０￣２７０倍，Ｎ。Ｏ在大气中存留时间较长（平均寿命为１５０年）［１］， 对其排放进行调控具有长远的影响；ＣＨ 是重要的化学活性气体，在大气中参与许多光化学反 应，全球大气ＣＨ。平均浓度已从产业革命前的０．６～０．８ｇｍｏｌ／ｍｏｌ增加到１９９０年的 １．７２￣ｍｏｌｔｍｏｌ，且目前仍以每年０．９ 的年增长率递增。在过去１００年中ＣＨ 对全球温室效
－国家自然科学基金项目（４９６７１００４）和中国科学院地理研究所’ｇ８青年基金资助项目 收稿日期；１９９９－０８－１６改回日期：１９．９９—０９ ２０ ４６ 生态农业研究 第８卷 应的贡献约为１８ ．仅次于ｃＯ。，但相对增温潜力却为ＣＯ。的２１～３ｏ倍，ＣＨ 在大气中的平 均寿命为８－－１２年．与Ｎ ｏ相比，ＣＨ 在大气中存留时间较短，因此对其进行调控见效较快。 １影响Ｎ：０与ＣＩｔ 排放的农业微环境因素 土壤温度、水分、氧化还原电位、ｐＨ值、肥料状况及光照等环境因素对Ｎ。Ｏ与ＣＨ。的排 放均有影响。土壤温度是影响土壤ＣＨ 及Ｎ Ｏ排放量的主要因子之一。Ｈｏｌｚａｐｆｅｌ—Ｐｓｃｈｏｒｎ Ａ． 等 对水稻田ＣＨ 排放量的研究表明，ＣＨ 排放速率的目变化与０－－１０ｃｍ土壤表层温度日变 化较一致。土壤温度主要通过土壤微生物对ＣＨ 排放量产生影响，在一定温度范围内ＣＨ 细 菌的代谢能力随温度的上升而增强。当温度从２０Ｃ增至３５℃时ＣＨ 排放量增加１倍。同时温 度在一定条件下还影响ＣＨ 的氧化，王明星等研究口 ＣＨ。氧化率与温度呈正相关关系。Ｎ。Ｏ 排敢是温度、Ｏ。和反应底物及传输过程交互作用的结果。土壤温度对Ｎ Ｏ产生的生物学过程 有十分重要的影响。据研究，１ ５～３５℃为硝化作用微生物活动的适宜温度范围，＜５℃或￣４０＂Ｃ 均抑制硝化作用发生．反硝化微生物所要求的适宜温度为５～７５℃。郑循华等（１９９７）对稻麦轮 作系统Ｎ。Ｏ排放通量的研究结果表明，Ｎ Ｏ排放通量发生频率随５ｃｒｎ表层土壤目均温度变 化呈正态分布，６７ 的Ｎ Ｏ排放量均集中于１ ５～２５℃范围，＞２５℃和＜１５℃时的排放量仅分 别占１７ 和１６ ，温度变化使Ｎ Ｏ的排放具有较明显的日变化与季节变化。 土壤水分主要通过改变土壤的氧化还原电位（Ｅｈ）、Ｏ 供给情况、土壤中微生物活性及土、 壤中气体向大气扩散速率等来影响Ｎ。Ｏ和ＣＨ 的产生与排放。由于ＣＨ 产生要求厌氧环境， 且要求氧化还原电位≤一３００ｍＶ．故土壤常年淹水可导致稻田排放大量的ＣＨ ，而冬季排水种 植旱作物则使稻田土壤的氧化还原电位升高，使ＣＨ。排放量大幅度下降０］。此外Ｎｉｇｅｌ Ｔ． Ｒｏｕｌｅｔ等 对泥炭土地区的研究表明，地下水位降低会降低近地面层的ＣＨ 产生量，增加地 下水与泥炭土表面问的ＣＨ 氧化层厚度，囤此土壤水分细微变化都会明显改变ＣＨ 排放量。 土壤ＮｚＯ的主要产生机制、产生量及其排放过程都受到土壤水分的强烈影响，研究表明，最大 Ｎ。Ｏ排放一般发生在土壤湿度为９Ｏ ～１００ 田问持水量或７７ ～８６ 饱和含水量ｕ］。封克 等 研究表明．土壤含水量为饱和含水量的４５ ～７５ 时硝化作用和反硝化作用共同作用产 生较多的Ｎ Ｏ。土壤处于饱和含水量以下时Ｎ Ｏ排放量随土壤水分的增加而增加，而在饱和 含水量以上时Ｎ Ｏ的排放逐渐减弱，因此高水分含量条件下Ｎ Ｏ的产生并非与土壤含水量 成正比。土壤的干湿交替也会促进Ｎ Ｏ的生成与排放，土壤的干湿交替使硝化作用和反硝化 作用交替成为Ｎ：Ｏ的主要产生机制，同时土壤的干湿交替还能抑制反硝化过程中的探度还 原，使Ｎ ｏ的产生量增大“ 此外土壤含水量通过对硝化、反硝化细菌酶活性的影响而对Ｎ Ｏ 的生成量产生影响。据侯爱新等（１９９７）对水稻田水分含量变化的研究表明，土壤含水量较高的 淹水期淹水造成的厌氧环境可抑制硝化细菌的ＮＨ＋单氧化酶活性，而落干期由于可得性Ｏ 增多，硝化细菌酶活性抑制被解除。另一方面土壤含水量还将对Ｎ Ｏ的排放过程产生影响。 土壤氧化还原电位（Ｅｈ）和土壤ｐＨ值控制着ＣＨ 形成的微生物过程。Ｗａｎｇ Ｚ．Ｐ．等［”研 究证明，当土壤氧化还原电位为一１５０－－一１６０ｍＶ时土壤中ＣＨ 开始产生，但此时ＣＨ。排放 量极少，当氧化还原电位为１ ５０～一２３０ｍＶ时ＣＨ。产生速率与氧化还原电位呈负指数关系， 当氧化还原电位为一２３０ｍＶ，ｐＨ值为６．ｇ～７，ｌ时ＣＨ 的产生量达到最大。当ｐＨ值＜５．７５或 ＞８．７５时 ＣＨ 产生几乎完全受到控制。土壤ｐＨ值作为一个重要的土壤化学参数对Ｎ：ｏ生 第１期 齐玉春等：农业微环境对土壤温室气体排放的影响 ４７ 成的相关化学反应起着一定促进或抑制作用。据研究，反硝化速率的最佳ｐＨ值范围为７．０～ ８．０。土壤ｐＨ值可调节反硝化过程中Ｎ。Ｏ的还原速率，影响反应产物中Ｎ Ｏ／Ｎ 的比例叫。模 拟试验表明，在ｐＨ值为４的有氧条件下，Ｎ Ｏ产生量达ｐＨ值为６时的４～６倍左右，在ｐＨ 值７～１０范围内Ｎ。Ｏ排放随ｐＨ值下降呈递增趋势。 施用肥料对土壤中Ｎ Ｏ、ＣＨ．的排放与吸收均产生较大影响。不同种类肥料、施肥方式和 施肥量，不同肥料利用率及施肥与其他环境条件配合不同对Ｎ Ｏ、ＣＨ 排放和吸收的影响显 著不同。化学Ｎ肥旋用可减少土壤ＣＨ．的排放量与吸收量，而有机肥施用对原有机质含量低 的土壤可大幅增加ＣＨ。的排放量。试验表明，施用硝态氮肥和硫酸盐肥料均抑制淹水土壤中 ＣＨ 的生成与排放，施用腐熟度较高的沼渣、氯化钾、包被复台肥及氧化硅粉等均对ＣＨ。的排 放有一定抑制作用。由于旋肥方式的不同，各种肥料对ＣＨ 排放量的影响明显不同。据Ｓｃｈｕｔｚ Ｈ．等 研究，浅施或表施尿素可增加１９ 的ＣＨ．排放量，而深施尿素则降低Ｎ Ｏ释放量的 ４Ｏ 左右。有机肥和化学Ｎ肥对Ｎ。Ｏ排放量的影响不同，有研究表明，化肥处理比有机肥处理 Ｎ Ｏ的排放量更大，但也有相反的结论，因此关于有机肥与化肥处理对Ｎ Ｏ排放量的影响大 小有待于进一步研究。常用普通碳酸氢铵、尿素、长效碳酸氢铵３种化学Ｎ肥中长效碳酸氢铵 与其他２种肥料相比，可明显延后Ｎ Ｏ释放高峰期出现的时间，且大多数情况下可显著减少 其释放量，但长效碳酸氢铵减少Ｎ ０释放的效果随土壤含水量的增加而减少，因此要注意施 肥与灌溉水的配合。另有研究表明，施长效碳酸氢铵和缓释尿素后，Ｎ。０排放高峰的出现分别 落后于施尿素高峰３０ｄ和施碳酸氢铵高峰５０ｄ，说明这２种长效肥料能有效控制土壤中Ｎ的 快速转化，即硝化和反硝化进程避免了土壤中Ｎ的过多淋溶及气态Ｎ损失，明显减少了Ｎ Ｏ 的排放 Ｎ Ｏ的产生量与Ｎ肥施用量问存在一定的相关关系，Ｎ肥有效利用率的提高可减少 Ｎ Ｏ排放。 土壤质地、渗透率、动态水含量、土壤孔隙度、土壤紧实度、有机质含量、微生物种群密度、 土壤温度等参数均从产生、传输等各个过程影响ＣＨ 及Ｎ。Ｏ的排放量。Ｈａｎｓｅｎ Ｓ．等口 研究土 壤紧实度对土壤ＣＨ 源、汇强度的影响结果表明，试验区内土壤经４ｔ重的拖拉机压实后，该土 壤对ＣＨ。的吸收量比压实前降低了５２ ，并发现施硝酸铵肥的压实土壤空气中Ｎ Ｏ的浓度 比其他处理高７倍多。但土壤压实对土壤中Ｎ Ｏ向大气的排放起到一定阻隔作用，使其排放 通量降低。一些研究结果表明，植物根系对反硝化作用的影响限于孔隙度低的条件下，当孔隙 度＜ＩＺ％时根系中Ｏ 耗竭将使反硝化作用增强。此外Ｙａｇｉ等（１９９０）试验研究泥炭土、潜育 土、火山炭土３种土壤类型对ＣＨ 排放量的影响结果表明，稻田ＣＨ 排放量的大小顺序为泥 炭土稻田＞潜育土稻田＞火山炭土稻田，这可能与不同土壤中易矿化碳的古量及土壤性能有 关。土壤中有机质的含量对Ｎ Ｏ产生过程中的硝化与反硝化作用均存在较为重要的影响。土 壤有机质的矿化产物为反硝化过程提供了反应底物，且有机质本身为参与这一过程的微生物 提供了能源。有机质本身是一种呼吸基质，可引起０ 胁迫 一般土壤微生物适宜的有机质Ｃ／Ｎ 比为２５～３０：１，Ｃ／Ｎ比在此范围内微生物活性强，Ｎ可被矿化并产生Ｎ Ｏ，促进土壤Ｎ Ｏ的 排放。 陈冠雄等对大豆植株进行了光照影响的田间试验和室内模拟试验研究，发现Ｎ Ｏ通量在 较弱光照条件下较高，在完全黑暗和较强光照条件下较低，甚至吸收大气中的Ｎ Ｏ。杨思河等 对木本植物（抄松、赤扬、落叶松等）的研究也证宴了这一点。Ｋｉｎｇ等在室内模拟实验发现，