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    农田土壤主要温室气体(CO2、CH4、N2O)的源/汇强度及其温室效应研究进展

    时间:2012-04-06 11:18来源:中国农业生态学报 作者:张玉铭等 浏览: 次    收藏 挑错 推荐 打印
    摘要:农田生态系统是重要的碳源与碳汇。施肥、耕作是影响农田温室气体排放的重要农业生产方式。土壤水分、质地是影响温室气体生成与排放的重要因素。

      气候变化是当今全球面临的重大挑战。遏制气候变暖, 拯救地球家园, 是全人类共同的使命。近百年来, 全球气候正在发生以变暖为主要特征的显著变化, 人类社会生产生活引起的温室气体排放是全球气候变暖的主要原因。自1992年以来,国际社会先后制定了一些列的重要文件,这些文件在加强全球共识和减缓全球气候变化的过程中发挥了重要作用。气候科学家们表示全球必须停止增加温室气体排放, 并且在2015~2020年间开始减少排放。科学家们预计想要防止全球平均气温再上升2 ℃, 到2050 年, 全球的温室气体减排量需达到1990年水平的80%。

      大气中CO2、CH4和N2O 是最重要的温室气体,对温室效应的贡献率近80%。其中CO2对增强温室效应的贡献率最大, 约占60%, 是最重要的温室气体。其次是CH4, 温室效应潜能是CO2的21~23倍, 对温室效应的贡献率约占15%。N2O 增温效应是CO2的296~310倍, 对温室效应的贡献率约占5%。据估计,大气中每年有5%~20%CO215的 CH4、80%~90%N2O 来源于土壤,而农田土壤是温室气体的重要排放源。

      研究分析农田温室气体产生、排放或吸收机理及其影响因素, 正确地估算与评价农田生态系统温室气体的源/汇强度及其对大气中主要温室气体浓度变化的贡献, 有助于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。

    农田土壤温室气体生成机制

      农田CO2生成机制

      农田生态系统是重要的CO2的源与汇。大气中CO2通过植物载体的光合作用变为有机碳进入土壤,稳定和增加土壤碳库, 是农田生态系统作为CO2汇的重要过程。被植物光合作用固定为有机物的碳或通过地上部植物茎、叶的呼吸作用再变为CO2排入大气或通过土壤呼吸排入大气, 是农田生态系统作为CO2源的重要过程。

      农田CH4生成机制

      一般来说生态系统中CH4产生有两种途径: 一种是复杂有机物在细菌作用下产生某种简单有机酸,这种有机酸直接被产CH4细菌利用产生CH4, 或有机酸进一步降解生成CO2和H2, CO2和H2在产CH4菌作用下生成CH4; 另一种是复杂有机物在细菌作用下不经过产酸过程直接产生CO2和H2。

      农田N2O 生成机制

      农田土壤主要是通过生物过程产生N2O, 通常被认为是细菌起主要作用, 但在厌氧条件下真菌也可以产生N2O。厌氧条件下一些自养微生物可利用NO3氧化无机化合物如FeS 等以获取能量, 而许多异养微生物在低氧时将NO2作为原初电子受体从分解有机质的过程中获取能量。一般认为, 从 NO3还原为N2需分4 步进行, 每步均有相应的酶参与作用。反硝化过程中产生的NO、N2O、N2相对量依赖于土壤湿度、通气状况、pH、有机质含量和硝酸盐浓度等。

    农田温室气体源/汇强度的影响因素

      耕作

      耕作是影响农田温室气体排放的重要农业生产方式。大量研究结果表明, 传统耕作措施下农田CO2排放显著高于免耕。传统耕作增加CO2排放的主要原因: 一是耕作作业时, 耕作机具通过燃油的消耗直接排放CO2, 这种耕作是指机械化生产条件下进行的耕作, 而这也是目前主要的耕作方式; 二是耕作改善了土壤的通气状况,促进土壤中微生物的活动及有机物质的分解, 从而增加了土壤CO2的排放通量, 同时也加速了郁闭于土壤内的CO2排放。而免耕减缓了土壤的扰动, 减少了土壤的干湿交替变化, 减低了土壤有机质的分解速率, 使土壤呼吸量也相对减少, 从而弱化了土壤CO2排放源的特征。

      施肥

      施肥是影响农田CO2排放的重要农业措施之一。施肥通过影响作物产量、秸秆根茬还田量、土壤有机质含量与土壤微生物数量及其活性等土壤性状来影响农田CO2排放。施肥可改变农田生态系统作为大气CH4源与汇的强度。施用有机肥可大大促进水稻田CH4的产生与排放。施肥通过改变土壤NO3含量来影响农田N2O 排放。NO3作为反硝化细菌进行反硝化作用的底物, 直接影响土壤反硝化强度和农田N2O 排放。

      土壤水分

      土壤水分可通过影响土壤通气状况来影响分解土壤有机质的微生物种类、数量及其活性进而影响有机质的分解速率以及温室气体的生成速率和扩散速率。土壤含水量的多少可直接影响CO2在土壤水中的溶解量以及在土壤孔隙中的扩散速率进而影响CO2的排放量。

      土壤质地

      土壤质地是影响有机质矿化和温室气体生成与排放的重要因素。土壤质地直接影响土壤的水分含量和通透性, 进而影响土壤微生物活性和有机质氧化分解、还原过程的相对强弱及其分解产物的构成,从而影响温室气体的产生及其在土壤中的扩散。一般而言, 黏性土壤中的空气较砂性土壤要少, 好气性微生物的活性往往受到抑制。许多试验证明土壤黏粒具有保持土壤碳素的能力, 其含量影响外源有机质及其转化产物的分解速率或稳定性。

      王效科等利用DNDC 模型模拟估算了1978~1998 年间我国农田粮食生产中温室气体排放量, 结果表明CO2CH4排放量变化很小, N2O 排放量增加很快, 我国农业土壤是大气的重要N2O , 减少化肥施用量是减少农田N2O 排放的重要措施。农业生产对温室气体排放有重要贡献, 正确评价各温室气体的温室效应可为农业生产中制定减排策略提供参考依据。

    (责任编辑:窦虹)

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