气候变化影响下农田温室气体释放的研究进展

于奇林程浩淼费文辉李晓霜丁伟

(1.扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2.日照山海天旅游度假区渔政监督管理站，山东 日照 276800；3.日照锦蓝城市发展有限公司，山东 日照 276800；4.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225007)

温室气体(GHGs)过量释放是全人类面临的重要挑战，其中农业作为全球温室气体的主要排放源之一，对全球变暖的影响不容忽视，其释放量约占全球人为GHGs总量的10%～12%[1]。研究农田GHGs释放机制对实现“双碳”目标具有重要作用。

农田GHGs释放主要有二氧化碳(CO2)、一氧化二氮(N2O)和甲烷(CH4)。农田CO2主要来自土壤微生物的呼吸作用，农田N2O来自硝化细菌和反硝化细菌在生长繁殖过程中的硝化和反硝化作用[2,3]。农田CH4主要释放源是水田，由于长期的厌氧条件为产甲烷菌提供了适宜的生长环境，导致大量CH4释放到大气中[4]。在农业生产过程中，农田GHGs释放主要受植物和微生物的共同作用[5]。然而，当前气候变化条件下(如大气温度和大气CO2浓度逐年升高等)，其会对农作物的生长和土壤微生物的呼吸作用造成不利影响[6,7]。因此，在当前气候变化的大背景下，探索既能减少农田GHGs释放又能保产的农艺措施对指导农业生产具有现实意义。

本文综述了当前主流的气候变化模型，分析了农田GHGs的主要释放机理，进而总结了在气候变化的背景下(尤其是T和大气CO2浓度变化)对农田GHGs释放的影响机理及相关模拟的研究进展，以期得到最佳的农艺措施和最少的农田GHGs释放的目的。

1 气候变化

气候变化是指气候平均状态统计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时间的气候变动。气候变化的原因有自然进程、外部强迫和人类活动。其中，人类活动导致的未来气候变化情景设计一直是政府间气候变化专门委员会(IPCC)的主要工作之一。2000年IPCC在《排放情景特别报告》中定义了一套新的排放情景(SRES)，然而SRES情景并没有考虑应对气候变化的各种政策对未来排放的影响。因此，为协调不同科学研究机构和团队的相关研究工作，在最新的第五次评估报告中开发了以稳定浓度为特征的新情景，并将其应用到气候模式、影响、适应和减缓等各种预估中[8]。

新情景的开发分为以下3个阶段：初始阶段，开发一套辐射强迫和GHGs释放浓度的路径；平行阶段，开发符合社会经济的气候模型；整合阶段，将第一阶段的信息整合到整体，进行影响和脆弱性评估。在第1阶段开发的路径称为代表性浓度路径(RCPs)，其不同路径特点见表1[8]。这些数据为综合评估模型提供了重要参考，同时在利用气候模型的试验中发挥了重要作用，为缓解气候变化造成的农田GHGs释放问题提供了替代途径和解决办法。

表1 不同RCPs路径的特点

2 农田GHGs的释放机理

图1 农业GHGs释放机理

3 气候变化对农田GHGs的影响

3.1 气候变化对农田GHGs释放的影响机理

农田CO2释放大多来自微生物的异养呼吸，N2O释放直接或间接来自土壤。土壤微生物是许多生物化学过程的关键驱动力，相当一部分微生物都表现出对温度的敏感性。当温度升高时，微生物的呼吸速率、C矿化程度、硝化细菌和反硝化细菌的活性增强，CO2、N2O释放量随之增加[7,15]。此外，温度升高还会加剧作物的水分胁迫导致产量降低，此时N2O释放量会随N利用率降低而升高[16]。温度升高往往还伴随着降雨量的再分配[17]，从而刺激反硝化作用影响N2O释放[15]。当大气CO2浓度升高时，更容易被分解的作物根系分泌物导致土壤中微生物活性增强，硝化作用和反硝化作用速率提高，也使得N2O释放量增加[18]。

水田是农田CH4的主要释放源[4]。其厌氧条件为产甲烷菌提供了适宜的生长环境，有机物在产甲烷菌的作用下分解形成CH4释放到大气中。当温度升高时，土壤有机质的分解速率和产甲烷菌的活性增强[19]。CO2和CH4都与C循环有关，大气CO2浓度升高可为CH4的产生提供充足的代谢基质，使得CH4释放量增加[20]。

3.2 气候变化条件下农田GHGs释放的模拟研究

模拟气候变化对农田GHGs释放的影响需要综合考虑不同农业生态系统的物理、生物和化学过程，精确模拟农田GHGs对气候变化的反应[21,22]。当前，模拟气候变化下农田GHGs释放的主流农业系统模型有DNDC、RZWQM2、DAYCENT等。模拟农田GHGs释放的步骤比较固定，利用气候模型产生的气象数据(如温度、短波辐射、相对湿度等)导入到农业系统模型中，根据农艺措施选择作物品种、种植方式、施肥量等，模拟结果需同时满足校核和验证的统计学参数要求。

Yu等[23]通过DNDC模型模拟了中国新疆的棉花种植。利用1986—2005年和3种2016—2035年(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)的气候数据进行模拟，大气CO2浓度分别为370ppm、437ppm、448ppm、468ppm。比较了在有无覆膜条件下温度以及大气CO2浓度变化对N2O释放和产量的影响。模拟发现，随着温度的升高，硝化菌和反硝化菌的活性随之增强，N2O释放量增加。但温度升高也加剧了作物水分胁迫的产生使得产量减少，此时产量随降雨量的增加而增加。在比较不同气候条件下覆膜的影响时，发现覆膜能够促进了棉花根系对N的吸收使得产量增加，同时N2O释放量减少了12.83～63.74kg·hm-2。

Nie等[19]通过DNDC模型模拟了中国东北的水稻种植。利用5种全球气候模型和2种RCPs(RCP4.5和RCP8.5)组合生成气候数据。模拟发现，1960—2015年CH4释放量为98.27～215.94kg·hm-2，在RCP4.5和RCP8.5情况下分别为160.00～318.68kg·hm-2和167.15～442.07kg·hm-2。为了进一步分析大气CO2浓度和气候变化的影响，将气候数据分为以下4组：不改变CO2浓度和温度；仅改变CO2浓度(CO2only)；仅改变温度(T only)；同时改变CO2浓度和温度(CO2+T)。模拟发现，同第1组相比，CH4释放量分别增加了13.74%、16.31%和32.78%；这是因为温度升高加快了土壤有机质的分解和产甲烷菌的活动，大气中CO2浓度增加为CH4的产生提供了更多的代谢基质。

Minamikawa等[24]通过DNDC模型模拟了泰国的水稻种植。利用7种全球气候模型和4种RCPs(RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5)组合生成气候数据。比较3种灌溉方式(持续灌水；每月为1周期，灌水20d后排水10d；每周为1周期，灌水3d后排水4d)下气候变化对CH4释放的影响。模拟发现，在持续灌水的灌溉方式下，2051—2060年在4种RCPs下CH4释放量分别比2001—2010年多5.3%～7.8%、9.6%～16.0%、7.3%～18.0%和13.6%～19.0%。其中，以月为周期和以周为周期的频率灌溉方式下CH4释放量分别比2001—2010年减少了21.9%～22.9%和53.5%～55.2%。产甲烷菌是专性厌氧菌，水稻田中干湿交替灌溉频率增加破坏了厌氧环境，使得CH4释放量大幅度减少。为具体分析大气CO2浓度和气候变化的影响，T only、CO2only、CO2+T时释放量分别增加了1.3%、12.7%和12.5%。这是因为CH4和CO2都与C循环有关，CH4释放量与CO2浓度呈正相关。此外，温度升高使得土壤有机C分解和C矿化增强，导致CH4释放量增加。

Jiang等[7]通过RZWQM2模型模拟了加拿大魁北克省南部的玉米、大豆轮流种植。利用11种耦合的全球气候模型和区域气候模型生成气候数据，整理发现，2038—2070年的最低温度、最高温度、大气CO2浓度分别比1971—2000年高5.0℃、13.3℃、204ppm。模拟发现，由于温度升高导致玉米灌浆期变短使产量下降7%，而大豆属于C3作物，对CO2浓度变化更为敏感，产量增加了31%。在气候变化下农田CO2和N2O的释放量分别增加15.7%和20.8%。为具体分析T及大气CO2浓度变化造成的影响，当T only时，微生物呼吸速率、C矿化作用、硝化作用、反硝化作用增强，使得CO2、N2O排放量分别增加1.9%和9%。当CO2only时，作物残留物累积量增加使得土壤C、N矿化以及根系分泌物的分解加快导致土壤微生物活性增强，CO2、N2O释放量分别增加15%、13%。在模拟其他气候变化(如降雨量、太阳辐射、相对湿度、风速)的影响时，农田GHGs释放量的变化范围均在2%以内。

Rafique等[25]通过DAYCENT模型模拟了美国艾奥瓦州的玉米和大豆种植。模拟时以2003年的实测气候数据为基础，根据大气环流模型预测，未来地球温度升高会伴随着降雨量的变化。其中，气温升高2℃加旱季40%的降水重新分配到雨季较为合理。模拟发现，N2O、CO2释放量分别减少9%和38%，而CH4释放量增加10%。这是因为温度和干旱极端事件的增加会影响土壤生物活性，降低细菌的分解能力，最终导致生物量减少和土壤肥力降低，使得N2O释放量随之减少。CH4和CO2都与C循环动力学直接相关，CO2释放量减少是由于免耕条件下土壤有机质含量较高，而温度升高加速土壤有机质分解，导致CH4释放量增加。

此外，还有学者在模拟农田GHGs释放时考虑了施肥量、排水方式、耕作方式[26,27]等农艺措施对农田GHGs释放的影响，发现这些措施会通过改变土壤的pH值、含水量、有机物残留量等进而影响农田GHGs释放。因此在探索减少农田GHGs释放的最佳农艺措施时需要综合各种因素的影响。

4 结论

本文综述了农田GHGs释放机理、气候变化对不同类型农田GHGs释放的影响及其模拟研究，比较了不同农艺措施对减少农田GHGs释放的影响，研究成果可为实现“双碳”目标提供参考。主要结论如下。

在气候变化背景下，影响农田GHGs释放最重要的因子是大气CO2浓度和T，其他气候因子对其释放量影响相对较小，如降雨量、太阳辐射、相对湿度、风速等。

通常条件下，大气CO2浓度和T升高都会导致农田GHGs释放量增加。主要是因为当T升高时，微生物呼吸作用、活性以及土壤有机质分解速率增强，矿化程度提高；当大气CO2浓度升高时，代谢基质、作物残留物累积量增加，土壤微生物活性增强。

在气候变化背景下，管理者可以通过改变农艺措施(如覆膜、增加干湿交替灌溉频率、减少施肥、优化排水方式、改变耕作方式等)以减少农田GHGs的释放量。