北方旱地农田主要温室气体排放研究进展

2020-05-15 09:37孙丽惠李中强
辽宁农业科学 2020年2期
关键词:硝化旱地耕作

孙丽惠,李中强

(辽宁省农业科学院玉米研究所,辽宁 沈阳 110161)

当前,农业生产活动不断改变着农田生态系统中作物和土壤等田间环境的变化,而且也对全球气候变化造成了重要的影响。 农田生态系统是温室气体的重要来源之一,其对气候变化的影响主要是通过改变3 种温室气体,即二氧化碳( CO2)、甲烷( CH4)和氧化亚氮( N2O)在 SPAC(土壤一植物一大气连续体)之间的交换而导致的。 根据研究表明,当前大气中CH4的70%和N2O 的90%来源于农业生产等过程,而CO2排放的源汇问题也与土地利用和农业活动联系极为紧密,所以,农田温室气体相关研究成为当前气候变化研究中的重要组成部分[1]。 我国北方主要是以旱地农业为主,随着以全球变暖为主要特征的气候变化问题研究的不断深入,旱地农田温室气体排放问题已成为当前的研究热点。

由于CH4的主要来源是天然湿地和水稻田,旱田中缺乏淹水所导致的厌氧呼吸,与甲烷产生有关的微生物难以生存,并且缺水的好气性土壤可以对甲烷有部分吸收[1],所以,旱地农田通常不会成为甲烷的排放源, 其主要温室气体的排放为 N2O 和 CO2。

1 旱地农田土壤N2O 排放研究进展

1. 1 旱地农田土壤N2O 的排放机理

氧化亚氮( N2O) 的排放主要来自于人为源,其中旱作农田是N2O 的主要排放源。 农田N2O排放主要来自于在土壤相关微生物的作用下的硝化和反硝化过程,其过程可表示为[2]:

硝化过程通常发生在土壤水分含量较低情况下,其过程中会释放N2O;而反硝化过程通常发生在土壤淹水条件下,其过程中会释放N2O,也会将N2O 继续转化成N2。

1. 2 农田土壤N2O 排放的影响因素

研究表明,旱田土壤N2O 排放主要受到作物种类、土壤微生物、土壤理化性质、耕作措施(施肥水平和灌溉管理)等影响,其中土壤理化性质包括土壤通气状况、土壤质地、土壤温湿度等要素。

1. 2. 1作物种类

N2O 排放是受种植的作物及其土壤环境共同影响的,所以,在旱地农田中种植的作物种类是影响其N2O 排放的首要因素。 黄国宏等对玉米的研究发现,相同的土壤条件下且不施氮肥种植玉米与裸地的N2O 排放差异极大,种植玉米会导致N2O 排放倍增[3]。 张国等研究也表明,种植玉米比小麦和水稻会产生更高的温室气体排放当量[4]。 这些N2O 排放的差别可能是与种植不同作物导致的农业管理方式以及作物和土壤之间的相互影响等多方面原因所致,其相关机制仍需开展更多研究。

1. 2. 2土壤微生物

旱地农田N2O 排放主要与微生物主导的氮素转化过程有关,所以,其排放量与相关微生物数量有着密切关系,而且微生物相关酶的活性也会影响N2O 的排 放量[5~6]。 旱地 N2O 排放 是由硝化作用还是反硝化作用产生主要是由土壤中还原酶的活性来决定,当还原酶活性高时反硝化作用强度增强,土壤中还原酶活性与土壤透气性密切相关,淹水厌气条件下其活性最强,但旱田土壤通常处于非淹水好气性状态,所以,旱地土壤中硝化过程产生的N2O 通常要高于反硝化过程[7]。 王亚男等研究还发现土壤微生物群落组成和变化也会导致N2O 的排放产生差异[8]。

1. 2. 3土壤理化性质

土壤通气状况主要受土壤含水量、 O2在土壤中是否容易扩散和作物以及土壤微生物耗氧量的影响[9]。 Anderson 等研究表明,土壤充氧后的180 h 内,土壤中 N2O 排放量随着土壤含氧量的增加而显著增加, 但超过320 h 后,N2O 的排放量却随土壤含氧量的降低而增加[10]。 徐新超等研究表明,土壤通气状况决定土壤发生硝化、反硝化作用的强度, 土壤通气状况好的条件下反硝化作用较弱[11]。

土壤质地对N2O 排放的影响主要通过影响土壤保水能力和土壤通透性间接改变了硝化作用和反硝化作用强度。 翟洋洋的研究表明,土壤中黏粒比例较高时,N2O 排放要高于砂粒比例高时,这是不同土壤质地土壤的保水能力所间接导致的[12]。 徐华等研究中发现,在相同管理措施不同土壤质地的小麦和棉花田中,排放的N2O 存在显著差异,壤土比其他质地土壤存在着较高的N2O排放[13]。

土壤温度对N2O 排放的影响主要与相关微生物活性有关。 石洪艾等研究表明,在常温条件下,N2O 的排放量与土壤温度成正相关关系 ,白天温度高于夜晚,N2O 排放也较高。 夏季的N2O排放量也高于冬季,这主要是受到夏季土壤温度高,微生物活性也较高的影响[14]。

土壤含水量的高低对硝化过程和反硝化过程均产生影响,土壤水分较低时,N2O 的产生主要来源于硝化过程;反之,尤其是超过田间持水量后,则主要来源于反硝化过程。 康新立等研究表明,土壤干湿变化导致了土壤硝化作用和反硝化作用的不断交替,而且,因为干湿交替的存在,使得土壤无法长时间处于淹水条件,从而减少反硝化过程中对N2O 的进一步还原,从而导致N2O 排放增加[15]。

土壤 pH 主要影响了土壤中与N2O 排放相关的微生物的活性。 王海飞等研究结果发现,土壤中的部分硝化菌在 pH 值7 ~8 时活性最强,但其它的一些异养微生物受pH 值影响较小,但这些异养微生物在某些酸性土壤中可能会起主导作用[16]。 此外,土壤pH 值在土壤温湿度不同时对N2O 排放的影响有较大差异,需待进一步研究。

1. 2. 4耕作措施

农田施用氮肥、进行土地耕作等会显著影响农田土壤N2O 排放。 不同氮肥种类和施氮肥量会导致 N2O 排放有显著差异。 黄国宏等研究发现,施肥采用长效NH4HCO3和缓释尿素能降低N2O 排放,长效NH4HCO4和缓释尿素相比普通尿素能分别减少N2O 排放76%和58%[3]。

土壤结构的不同会影响N2O 在土壤中的运移。 伍延正等人研究发现,经过耕作的土壤N2O排放要高于自然土壤,原因是耕作后的土壤中土壤有效氮的含量更高。 而同样在耕作土壤中, 免耕和少耕土壤,土壤空隙度较小,土壤水分不容易蒸发和流失,因此,其N2O 排放量要高于经常翻耕的土壤[17]。

1. 2. 5减排措施

旱田 N2O 减排的方法主要控制氮的来源和减缓硝化、反硝化作用,但这些的前提是不能降低农业总产量。 目前,主要采用的减排方式有:增加氮肥利用效率、采用缓释肥、添加脲酶、硝化抑制剂等。 研究发现,利用模型运算仅提高氮肥利用效率从30%到60%而其它要素不变 ,可以减排N2O38.5%[18]。

2 旱地农田土壤CO2 排放研究进展

2. 1 旱地农田土壤CO2 的排放机理

土壤排放CO2的过程称作“土壤呼吸”,旱地农田的土壤呼吸包括土壤微生物呼吸、作物根系呼吸和其它碳化合物的氧化,旱田CO2的产生主要来自于微生物的异养呼吸和作物根系的自养呼吸[19]。

2. 2 农田土壤CO2排放的影响因素

农田土壤CO2的排放通量主要受生物因素、土壤理化性质和耕作措施等影响。 其中土壤的理化性质主要改变了种植作物和微生物的生存环境,农田耕作措施的不同改变了耕作土壤与作物之间的关系,间接影响 CO2产生。

2. 2. 1生物因素

旱田CO2的产生与土壤微生物和农田作物直接相关。 土壤中的各种有机物质和土壤原有腐殖质,其中部分有机碳以能量形式供微生物消耗,转化成CO2释放出来。 作物通过光合作用从大气中固定的碳,也经由作物本身的呼吸作用导致其中的一部分再一次排放到外界[20]。 而且土壤动物,如蚯蚓、蚂蚁等的呼吸和由于它们的生存活动改变了土壤理化性质,这也直接和间接的影响到CO2的释放。

2. 2. 2土壤理化性质

在一定范围内提高土壤温度可以导致 CO2排放上升,其主要原因是温度增加导致土壤有机质加快分解,并且也一定程度提高了相关微生物的活跃程度[21]。 陈全胜等人研究表明,在低温条件下,随着温度上升 CO2排放量与温度成正比;当温度增加到一定阈值后,其影响 CO2排放的效果逐渐下降[22]。

土壤质地主要通过透气性和土壤含水量来影响CO2的排放。 蒋跃林等人研究表明,当土壤温湿度不变时,土壤质地是影响CO2排放的主导因素,土壤质地越细密,CO2在土壤中的运移越困难, CO2排放量越小[23]。

土壤含水量决定了作物生长过程中的水分吸收,也对土壤中的含氧量、土壤溶质以及土壤酸碱度等产生影响。 Yang 等发现,在非淹水条件下,CO2排放与土壤含水量关系极为显著[24]。 张延研究表明,土壤含水量与其他土壤理化性质相比,其对CO2排放的影响最为明显[25]。

土壤pH 对CO2排放也影响显著,于伟家研究证明,随着pH 值的降低CO2排放量增加,但降低到pH 为3.05 后,随着pH 值的继续降低,CO2的排放量减少[26]。 但土壤pH 值只是影响CO2排放的间接原因,其主要原因是因为随着土壤酸碱程度的变化,土壤中微生物生存环境和其他矿物质元素的构成方式受到了影响,从而影响了CO2的排放。

2. 3 耕作措施

农业生产中的耕作方式及水肥管理都对农田土壤CO2释放量产生重要影响。 土壤的耕作导致土壤孔隙度增强,土壤有机质暴露度增加而易于分解;此外,土壤透气性(增加)和土壤温湿度随耕作而受到影响,与有机质的矿化的相关微生物活性也随之变化,这个过程也容易影响CO2排放(增加)。

农田土壤经过长期施肥后土壤中各种营养成分存在较大差异,从而影响CO2的排放。 刘爽等研究发现,土壤CO2排放随着施肥量的变化存在季节性变化规律,不同施肥量和施肥方式导致的CO2排放差异较大[27]。 农田中微生物活动也可能受施肥影响,施肥使农作物脱落枝叶分解速度产生变化,而这些对变化方面的研究现在还很少。

3 农田温室气体测量方法

农田温室气体的测量方法主要包括箱法(静态箱、动态箱)和微气象法。 箱法是应用最为普遍的方法之一,箱法是用一个特制的箱子罩住下方的土壤及其植物,并保持密闭。 通过测量密闭后不同时间所抽取的箱内气体浓度,从而计算所抽取气体的排放通量。

当前静态箱—气相色谱法是对农田CO2和N2O 通量检测和分析的最主要方式,操作简单、造价低、使用范围广,但箱法也有缺点,其无法动态测量气体的排放通量,只能得到瞬时值。 万运帆等研究结果表明,采用密闭箱测量会受到温度、密闭时间、箱体透明状况等的影响比较大, 温度高、天气晴朗时要减少测量的密闭时间[28]。 而且,箱法测量还存在时效性的问题,采样后无法就地进行气体浓度分析,另外,需把采集到的样品带到实验室用气象色谱仪进行测定,在这一过程中就会导致样品泄露或污染,从而影响测量值的准确性。

微气象法是利用气体在地表的湍流过程,通过测量气体的浓度和湍流状况,以此计算被测气体排放通量。 其中主流的研究方法是涡度相关法。 涡度相关法是通过测量不同高度垂直风速和被测气体密度的脉动值,根据连续方程,计算气体的排放通量。

涡度相关法的优点在于不干扰被测气体,且可以做到长期动态连续观测,相比箱法测得的数据代表的面积更大。 但想要测量准确就必须选点合适,对仪器精度和响应速度也有较高要求,但在应用上很难达到以上要求,其测量值需要采用其他测量方法进一步验证, 这就使测量比较复杂,而且不确定性加大,容易出现偏差,不易大范围使用[29]。 赵佳玉等研究表明,利用涡度相关法测量 N2O 排放通量,由于传感器无法及时快速的响应,导致测量结果存在较大误差, 所以,对 N2O 的涡度相关法测量还处于尝试阶段[30]。

4 存在的问题和展望

综上所述,农田温室气体排放是气候变化科学研究中的重要内容之一,也是研究农业可持续发展的主要因素。 研究表明,旱地农田温室气体排放主要为N2O、CO2,目前,已在排放规律和影响机制等有了较多的研究结果。 但众多研究结果同时表明,农田温室气体排放受诸多因素影响,而且是众多因素综合作用的结果,当前的研究主要集中在生成机理、单个或几个影响因素上, 所以,相关研究需要更加深入,特别是旱地农田温室气体的总体排放规律与评价方面的研究有待加强。随着气候变化问题研究日益深入,由大气中温室气体增加所导致的全球气候变暖已成共识,回答不同温室气体排放特征及其温室效应贡献是减缓气候变化根本途径。 为了更好的解释旱地农田温室气体排放特征与规律,应进一步加强以下方面的研究:

4. 1深入开展不同作物各种种植方式条件下的旱地农田温室气体排放研究,为提出不同条件下旱地农田温室气体减排措施提供理论依据。

4. 2加大非生物因素与生物因素综合影响下的旱地农田温室气体研究, 深入探讨多要素综合影响旱地农田温室气体的排放特征与规律,从而制定旱地农田温室气体综合减排模式。

4. 3研究温室气体排放综合评估模型,从而整体估算大范围区域尺度上农业源温室气体的排放情况, 并对未来排放情景进行模拟,探究对未来环境的影响,为评估旱地农田温室气体排放贡献、制定减排措施、促进旱地农业可持续发展提供理论依据。

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