農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放研究進(jìn)展

戴桂金，楊知建,*，肖潤林

（1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙410128；2 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南長沙410125）

溫室氣體是指大氣中能吸收地面反射的太陽輻射，并重新發(fā)射輻射的一些氣體，如水蒸氣、二氧化碳、大部分制冷劑等。它們的作用是使地球表面變得更暖，類似于溫室截留太陽輻射并加熱溫室內(nèi)空氣的作用。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)排放中主要的溫室氣體是二氧化碳（CO2）、氧化亞氮（N2O）、甲烷（CH4）。近十幾年來，溫室氣體的排放及其對(duì)全球氣候的影響成為人們一直關(guān)注的熱點(diǎn)，人們開始尋求更有效的減排方式與措施，并開始逐步研究陸地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體的源匯功能以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)溫室氣體排放的影響。

1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的影響因子

1.1 溫 度

溫度是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中CO2，CH4，N2O排放的主要影響因子。研究表明，一定溫度范圍內(nèi)，土壤的呼吸會(huì)隨溫度的升高而增強(qiáng)，當(dāng)溫度達(dá)到一定極限后土壤的呼吸會(huì)隨著溫度的升高而減弱[1]。同時(shí)土壤呼吸的日變化及其季節(jié)變化會(huì)隨著土壤溫度的變化而呈相應(yīng)的變化趨勢(shì)，兩者之間是呈相關(guān)關(guān)系的[2,3]。

溫度對(duì)甲烷排放也有影響。在甲烷排放的稻田實(shí)驗(yàn)顯示，一定范圍內(nèi)的土壤溫度會(huì)影響甲烷氣體排放的通量，通常溫度在 20~35℃時(shí)，甲烷的排放量增加了一倍。測量5 cm深的土壤，當(dāng)其溫度從18℃上升到31℃時(shí)，稻田中甲烷排放的通量相應(yīng)會(huì)增加很快[4]。土壤溫度對(duì)旱地甲烷排放也有影響，而土壤甲烷吸收的最適宜的溫度會(huì)根據(jù)不同的試驗(yàn)條件，如施肥、土壤濕度等因素的影響而有所不同。Nesbit等[5]在其進(jìn)行的室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，甲烷吸收的最適宜溫度是 20~30℃；而 Grun等[6]認(rèn)為甲烷吸收與土壤溫度無明顯關(guān)系，原因可能是由于試驗(yàn)階段中土壤干旱影響了甲烷的吸收。Peterjohn等[7]的研究則指出，土壤溫度與甲烷日平均吸收率的關(guān)系是呈線性關(guān)系的。

N2O排放是溫度、氧氣和反應(yīng)底物濃度以及傳輸過程交互作用的結(jié)果。研究指出，15~35℃是硝化作用下微生物活動(dòng)時(shí)適宜的溫度范圍；而反硝化下微生物所要求的適宜溫度為5~75℃，最適范圍為30~67℃[8]。孫向陽等[9]對(duì)森林土壤 N2O的排放研究指出，夏季的排放量最高，春秋季次之，冬季為最低甚至達(dá)負(fù)值。此外，劉嘩等[10]的研究表明，一定的溫度范圍（7~15℃），N2O是有可能出現(xiàn)負(fù)排放的。

1.2 水 分

土壤水分是影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的另一個(gè)重要因子。Conant等[11]認(rèn)為，土壤呼吸有隨季節(jié)變化的趨勢(shì)，在干旱季節(jié)土壤CO2的釋放受水分的影響較大。Grahammer等[12]則認(rèn)為，土壤晝夜的呼吸通量在土壤水分充足的情況下，基本上沒有差別。Kucera和Kirkham[13]指出，另一種情況是當(dāng)土壤水分超過田間持水力或者達(dá)到土壤中微生物的永久性萎蔫點(diǎn)時(shí)，土壤CO2釋放量才會(huì)減少。

水分對(duì)稻田CH4排放起決定性作用。土壤的理化性質(zhì)很大程度上受土壤含水量的影響。徐星凱等[14]指出，CH4吸收的最適水分條件是 15%~22%的土壤水分含量。Rach等[15]發(fā)現(xiàn)，不同水分含量土壤的溫室氣體排放有較大差異。

土壤含水量對(duì) N2O的影響是通過硝化和反硝化作用，其產(chǎn)生與排放量出現(xiàn)最高值。研究表明，N2O排放在土壤田間持水量 90%~100%或 77%~86% WFPS(water-FilledPoreSpaee，充水孔隙)時(shí)[16]，排放量最大。封克等[17]的研究還表明，土壤含水量為WFPS的45%~75%時(shí)，硝化作用和反硝化作用的共同作用對(duì)N2O的影響較大。

1.3 施 肥

研究表明，在施肥和未施肥的農(nóng)田中，在其它條件相同的情況下，施過肥后的農(nóng)田土壤呼吸CO2的排放量呈增加趨勢(shì)[18]。當(dāng)然，施肥對(duì)土壤呼吸的影響因地點(diǎn)的不同、施肥時(shí)間長短不同、植被類型的不同等所產(chǎn)生的土壤呼吸效果也不同[19]。

施肥會(huì)增加CH4排放，但施肥方法的不同所產(chǎn)生的效果也不同。王明星等[20]對(duì)稻田甲烷排放的研究表明，施用不同比例有機(jī)肥和化肥對(duì)CH4排放的影響不同，當(dāng)?shù)⒘?、鉀含量基本不變的情況下，施較多有機(jī)肥的稻田其 CH4的排放率明顯高于施化肥的稻田。天然草地施氮肥后，甲烷吸收率可降低 35%[21]。

此外，植被、光照、耕作制度和氣候因子等也影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放。

2 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體呼吸通量及總量估算

許多學(xué)者對(duì)各種生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸CO2的測定進(jìn)行了研究。宋文質(zhì)等[22]指出，我國農(nóng)田的 CO2排放通量的平均值為295 mg/m2·h，變化范圍70~630 mg/m2·h；施肥的麥田平均值為 262 mg/m2·h，變動(dòng)范圍 120~400 mg/m2·h;未施肥的麥田 177 mg/m2·h，變動(dòng)范圍100~250 mg/m2·h。孫向陽等[23]指出，我國森林土壤的 CO2排放通量平均值為286.22 mg/m2·h。在對(duì)全球土壤的呼吸總量概算上，Raich等[24]認(rèn)為全球土壤向大氣釋放的CO2量高達(dá)68 Pg/a。Fang等[25]對(duì)中國土壤呼吸總碳量也作了估算(3.4 Pg/a)，單正軍等[26]通過土壤有機(jī)質(zhì)的礦化率對(duì)土壤CO2的釋放量的進(jìn)行了估算。

在對(duì)甲烷通量的估算上，Cao[27]等估計(jì)我國稻田的甲烷通量為 16.2 Tg/a。任麗新等[28]認(rèn)為，甲烷通量與地區(qū)差異有關(guān)，成都平原在1996~1999的4年間稻田甲烷通量為12.2 mg/m2·h，而四川樂山為30 mg/m2·h。

在對(duì)N2O排放總量的估算上，人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)一直是農(nóng)田。黃國宏等[29]測定出大豆、玉米、春小麥等農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)甲烷排放總量分別為 5.8，26.1和 1.0 GgN(112 d)。Xing等[30]在大田觀測實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，我國南方地區(qū)水稻田N2O排放通量為39.5 μg/m2·h，北方旱地排放通量為30.60 μg/m2·h。宋文質(zhì)等[31]測得的旱田 N2O排放平均通量為 16.0 μg/m2·h，同時(shí)估算出1990年農(nóng)田排放N2O總量為 0.096 Tg，與當(dāng)年我國N2O總排放量 0.95 Tg相比占到10%左右。

3 溫室氣體通量測定方法

3.1 靜態(tài)箱法

目前，在陸地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中測定溫室氣體排放大多是采用靜態(tài)箱法，其工作原理是用觀測箱子罩住被測表面并加水密封，隔絕箱內(nèi)與外界氣體進(jìn)行交換，對(duì)箱內(nèi)空氣中被測氣體濃度（隨時(shí)間的變化）進(jìn)行定量地測定，以此來計(jì)算被測表面該種氣體的交換通量。Smith等[32]采用巨箱(64 m2)觀測草地氣體的排放通量，驗(yàn)證了其測量后得出結(jié)果的準(zhǔn)確度和代表性，但同時(shí)也降低了箱內(nèi)外氣體的滲漏性。

3.2 動(dòng)態(tài)箱法

動(dòng)態(tài)箱法的特點(diǎn)是測量的開放性，它允許一定流量的空氣通過箱子，同時(shí)對(duì)箱體入口處和出口處空氣中的被測氣體濃度進(jìn)行測量，來獲得并計(jì)算出被罩表面該氣體的交換通量。雖然這在一定程度上可以降低自然環(huán)境狀況對(duì)箱體中被測表面的干擾，但其實(shí)際操作存在一定困難。

除了以上常用方法外，在實(shí)際中也嘗試性地應(yīng)用微氣象學(xué)法、梯度法、遙感法、對(duì)流邊界層收支法等，但其實(shí)際操作和推廣較難。

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