油菜田碳排放研究综述

王 娟,秦 雄*,田效琴

(1.四川众望安全环保技术咨询有限公司,成都 610031;2.四川省农业科学院作物研究所,成都 610066)

由二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)等温室气体造成的全球变暖和臭氧层破坏是全球面临的重大环境问题[1-2]。自18世纪进入工业化时代后,人类活动排放的CO2和CH4浓度不断增加,截至2011年,较工业前分别提高了40%和150%[3]。其中,农田生态系统在人类活动排放的温室气体中占重要比例,据报道,CH4占人类活动排放总量的52%,成为温室气体的重要碳排放源[4]。在农业温室气体排放中,CO2也是重要组成部分,研究显示,中国区域农田生态系统CO2排放对全球农田生态系统的贡献为10.52%[5]。

油菜作为我国最重要的油料作物之一,自1995年以来,常年种植面积约667×104hm2,总产量1.2×107t以上,均居世界首位[6]。随着我国居民生活对食用油依赖程度加大,油菜种植面积也持续扩大。明确我国油菜田碳排放特征,对制定合理的农田碳减排措施和缓解全球变暖等具有重要的理论及现实意义。目前,国内外针对油菜田碳排放的研究已经取得了一些进展和成果[7-9]。笔者综述油菜田碳排放特征及减排耕作措施,提出了目前研究的不足,为油菜田碳排放的未来研究指明了方向,也为我国发展农田低碳提供一定的参考。

1 油菜田碳排放特征

1.1 油菜田CO2排放特征

油菜田CO2净通量是经土壤呼吸和油菜呼吸与油菜光合作用之后油菜田与大气之间的CO2通量。田间试验结果表明,油菜田CO2通量日变化和季节变化呈单峰或双峰曲线变化。如戴佳伟等[10]研究发现,CO2排放通量日变化出现了2个峰值,分别为12：00和16：00。而在季节变化中发现,CO2排放通量从蕾苔期到开花期平稳上升,而开花期到角果期下降,开花期达到最大值。张军科[11]和吴永成等[12]研究也表明油菜田CO2排放通量表现出先升高后降低趋势,1月份达到最低值,在生育期间CO2排放通量的顺序表现为开花期>角果期>苗期>蕾苔期。土壤温度[13]、生物量[14]、耕作方式[11]、施肥和水分管理[15]等是影响其变化规律的主要因素,除水分外,均与CO2排放通量呈正相关关系,而土壤水分对油菜田CO2排放通量影响结果不一[15-16],具体原因和机理还需进一步探讨。关于油菜生长期间CO2排放通量研究结果也大相径庭,如刘晓雨等[17]在太湖稻油轮作区基于长期定位试验,探讨了油菜生长期间CO2排放通量,发现不同施肥处理CO2平均排放通量为49.37～85.97mg/(m2·h)。而张小洪等[14]在成都平原稻-油轮作区,原位测定油菜地CO2排放通量时发现,其范围在121.4～1585.8mg/(m2·h)之间,平均为656.8mg/(m2·h)。造成研究结果的差异可以与不同地区气候、土壤质地等有关。

1.2 油菜田CH4排放特征

在嫌气厌氧条件下,经过产甲烷细菌的作用,CH4由土壤中的有机物发酵分解形成的低碳有机酸、氢气和二氧化碳转化产生。从1990年至今的文献可以看出,关于农田CH4排放状况基本上是针对水稻田的研究,尤其在作物品种[18]、水分管理[19]、施肥措施[20]和轮作方式[21]等因素上。从现有关于油菜田CH4排放研究资料可以看出,在田间条件下,油菜田CH4通量也有明显的日变化和季节变化,同CO2通量一样均呈单峰或双峰曲线变化。陈琛[22]等发现巢湖油菜田CH4通量在12：00和18：00各有一个排放峰值,随油菜生育期不同有所差异。其在季节变化中呈现与CO2相似的变化趋势,即从蕾苔期到开花期不断增长,而开花期到角果期开始下降,在开花期达到峰值。油菜整个生长期间,CH4通量变化为-0.08～0.05mg/(m2·h),总排放量为2.989g/m2(翻耕移栽)和1.731g/m2(免耕直播)[23]。根据目前文献可发现,油菜田CH4排放也主要受土壤温度、生物量、耕作方式、施肥和水分管理等因素的影响。温度升高有助于提高产甲烷菌的活性,从而在一定温度范围内,温度的升高有助于CH4排放[24],而施肥可以为甲烷细菌提供能量来源和反应底物,从而也促进了CH4的产生和排放[25]。张岳芳等[26]在研究稻田旱作季CH4排放特征中表明,CH4平均排放通量表现为油菜>黑麦草>冬小麦>紫云英>休闲,种植油菜处理的CH4季节总排放量最大,较对照休闲提高49%。唐海明等[23]在研究种植不同冬季作物在其生长季节内CH4的排放特征中也发现,CH4平均排放通量和总排放量均表现为翻耕移栽油菜>免耕直播黑麦草>免耕直播油菜>免耕直播紫云英>冬闲。说明与未种植作物相比,种植油菜后大大提高了CH4的排放量,且翻耕较免耕也大大促进了CH4的排放。关于土壤水分对油菜田CH4排放通量的影响结果也存在明显差异[22,27],具体原因和机理还需进一步探讨。

2 油菜田碳减排措施

随大气中CH4和CO2浓度增加而导致全球变暖和臭氧层破坏的加剧,研究农田生态系统碳减排措施来缓解环境、生态和社会的压力已迫在眉睫。关于农田碳减排措施,前人已做了大量报道,主要集中在固碳措施[28]、耕作方式[29]、施肥管理[30]、水分管理[31]和添加抑制剂[32]等方面。

2.1 油菜田CO2减排措施

生物炭在农田土壤固碳减排中的应用近年来已成为学者们的研究热点。在研究生物炭对油菜田土壤中CO2排放量的影响时发现,生物炭通过减缓油菜生长季内农田CO2排放的波动,从而使其处于一个相对平缓的状态,最终实现减排[33]。这与生物炭施用能明显改变土壤的理化性质和微生物活性有关。此外,通过降低土壤呼吸速率来减小油菜田土壤CO2的排放也是值得探讨的方法。已有研究表明,与春小麦复种冬油菜和春小麦复种春油菜相比,春油菜复种马铃薯最有利于降低CO2的排放[34],与冬小麦轮作夏玉米、冬小麦轮作夏大豆、冬小麦+夏闲相比,冬油菜轮作夏玉米平均CO2排放通量显著降低[35],因为间作和轮作模式有效降低了配置作物的土壤呼吸速率强度。关于耕作方式、留茬高度和减量施肥对降低油菜田土壤CO2排放的研究也有报道。例如,吴永成[12]在不同耕作措施对稻茬直播冬油菜田土壤呼吸的影响研究中发现,旋耕处理CO2排放量大于免耕处理。何向南等[36]在测定不同施肥水平和不同秸秆还田方式下油菜农田CO2排放的特征中也发现,较小麦低茬收割+浅耕播种油菜,小麦高茬收割+免耕播种油菜的处理明显降低了CO2排放。这与高婕等[37]发现CO2平均排放速率在油菜整个生长季受处理因素的影响排序为：传统耕作>留低茬处理>留中茬处理>留高茬处理相似。同时,何向南等[36]还发现与常规施肥处理相比,土壤CO2排放量在N、P减量15%时显著下降。

2.2 油菜田CH4减排措施

前茬作物水稻生长季应用节水灌溉模式可以有效减少后茬作物油菜生长季的CH4排放,因为节水灌溉主要影响了土壤含水量和土壤可溶性有机碳造成了CH4排放的不同。有研究表明,在油-稻整个生长季,与常规淹灌处理相比,干旱式间歇灌溉、湿润式间歇灌溉和旱作栽培处理CH4总排放量分别平均降低了80%、62%和90%[38]。通过合理的施肥措施可以在保持油菜产量的同时降低油菜田CH4的排放量。已有研究表明,在稻油轮作系统中,与同等施氮量的优化施肥处理相比,一次性基施普通尿素或一次性基施控释尿素分别降低CH4年排放量29.0%和29.9%[9]。有研究发现,生物炭的施用显著改变了土壤的理化性质,与常规施肥相比,减少了45.54%的CH4排放[33]。除上述措施之外,有研究者提出利用免耕技术和轮作制度来减少CH4排放,调整耕作方式使土壤充分保持好氧状态,能够有效减少油菜生长季节 CH4排放量。研究耕作措施对油菜田CH4排放量的影响时发现,农田进行免耕和轮作后,比传统耕作减少了CH4排放,且水旱轮作处理CH4减排效应最为明显。冬水田平作CH4排放总量大于垄作免耕,且水旱轮作和厢作免耕均能汇集少量CH4,将垄作免耕、厢作免耕及水旱轮作代替冬水田后,显著降低了CH4排放通量[39]。

3 展望

CO2和CH4均是油菜农田生态系统中主要的温室气体,关于2种温室气体的综合排放特征和减排措施研究对于准确评估我国油菜田的综合温室效应和制定行之有效的减排计划具有重要意义。在未来研究计划中,应在综合评估碳排放量的基础上制定合理有效的减排措施。

目前,国内外研究者对耕作措施和肥料减量下油菜田碳排放进行了大量研究,得出适宜的耕作措施和肥料减量配施有机物显著提高了油菜产量,并有助于土壤肥力的维持。因此,未来的研究需重点考虑如何在维持正面效应的同时降低碳排放。

通过施肥可以改变土壤理化性状,由此产生的影响会直接造成油菜田根际土壤微生物群落结构和功能特征的差异(如产CH4菌、硝化细菌和反硝化细菌的种群丰度与活性),从而对油菜田土壤碳排放产生较大影响,此方面的研究在我国还鲜见报道。故未来研究可以考虑从作物根际微生态效应等方面深入揭示施肥管理对碳排放影响的机理机制,为土壤固碳减排提供理论依据。目前,水分管理对农田碳排放的影响还未得出统一定论,后续应加强其原因和机理的探讨。