农业微环境对土壤温室气体排放的影响

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齐玉 春 董 云 社 章 申
北京 １ ０Ｏ ） ０ １ １
Ｘ ７ ＇｝ ｔ
（ 国科 学院 地 理研 究所 中
摘 要 二氧 化碳 （ Ｏ。 、 化 亚氮 （ 、 Ｃ ）氧 Ｎｚ ｏ） 甲烷 （ ｝‘等 气体 排 放 量 的 增加 所 ｝起 的 温 室效 应是 ｃ Ｉ） ｌ
全球 变 暖 的主要 慢 动 固素 同 时各种 温 室气体 的产 生和 掉 效 量也 同样 受 其 所处 环境状 况 的 影响 与
－
国 家 自然 科 学 基 金 项 目（ ９ ７ ０ ４ 和 中 国 科 学 院 地 理 研 究 所 ’ ８青 年 基 金 资 助 项 目 ４ ６１ ０） ｇ 收 稿 日期 ； ９ ９０ －６ 改 回 日期 ：９ ９０ ０ １ ９ － ８１ １． —９ ２ ９
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生
态
农
业
研
究
第 ８卷
反 馈作 用 。研 究各 环 境要 素 对土 壤 温室 气体 掉放 的主要 影响 机 制是 调节 气 候 变化 与 温 室 气体 掉 放 循 环反 馈过 程 的关键 环 节 ， 减 步 温室 气体掉 放 、 缳 垒球 变 暖趋 势 具有 较 强的 现实 意义 。阐逮 了 对 减
土 பைடு நூலகம் 排 故 Ｎ。 、 ０ ＣＨ 环 境 田素 的 影 响 ． 提 出 温 室 气 体 碱 掉 措 施 。 对 并
Ｑｉ ｃ ｕ ，Ｄ ｎ ｕ ｓ ｅ Ｙｕ ｈ ｎ ｏ ｇ Ｙ ｎ ｈ ，Ｚ ａ ｇ Ｓ ｅ Ｉ ｓ ｉ ｔ ｆ Ｇｅ ｇ ａ ｈ ，Ｃ ｈ ｎ ｈ ｎ（ ｎ ｔ ｕ ｅ ｏ ｏ ｒ ｐ ｙ ｔ ＡＳ，Ｂ ｉｎ ０ １ １ ， ＡＲ， ｅｊ ｇ １ ０ ０ ） Ｅ ｉ
２ ０ ， １ ： ５ ４ ０ ０ ８（ ） ４ ～ ８
关 词 士 垂 苎 茎 、 些 境 精 携； 键 堇 童 茎 毫进 ｝ 色
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排敢 是 温 度 、 和 反 应 底 物 及 传输 过 程 交 互 作 用 的结 果 。土 壤 温 度 对 Ｎ 产 生 的 生 物 学 过 程 Ｏ。 Ｏ
有十分重要 的影响 。 据研 究 ， ～ ３ ℃为 硝 化 作 用 微 生物 活 动 的 适 宜 温 度 范 围 ， ５ １ ５ ５ ＜ ℃或 ￣ ４ ＂ ０Ｃ
对其排放进 行调 控具有长远 的影响 ； Ｈ 是重要 的化学活性 气体 ， Ｃ 在大气 中参 与许多光化学 反 应 ， 球 大 气 Ｃ 平 均 浓 度 已 从 产 业 革 命 前 的 ０ ６～ ０ ８ ｍｏ／ ｌ增 加 到 １ ９ 全 Ｈ。 ． ． ｇ ｌｍｏ ９ ０年 的
１ ７ ￣ ｌｍｏ ， 目 前 仍 以 每 年 ０ ９ 的年 增 长 率 递 增 。 过 去 １ ０ 中ＣＨ 对 全 球 温 室 效 ． ２ ｍｏｔ ｌ且 ． 在 ０年
Ｎ。 排 放 一 般发 生 在 土 壤 湿 度 为 ９ ～ １ ０ 田问 持 水 量 或 ７ ～ ８ 饱 和 含 水 量 ｕ 。封 克 Ｏ Ｏ ０ ７ ６ ］ 等 研 究 表 明 ． 壤 含 水 量 为 饱 和 含 水 量 的 ４ ～ ７ 时 硝 化 作 用 和 反 硝化 作 用 共 同作 用 产 土 ５ ５ 生 较 多 的 Ｎ 。土壤 处 于 饱 和 含 水量 以 下 时 Ｎ Ｏ 排 放 量 随 土 壤 水 分 的 增 加 而 增 加 ， 在 饱 和 Ｏ 而
且要 求 氧 化还 原 电位 ≤ 一３ ０ ０ ｍＶ． 土 壤 常年 淹 水 可 导 致 稻 田 排放 大 量 的 ＣＨ 而冬 季 排水 种 故 ，
植 旱 作 物 则 使 稻 田 土 壤 的 氧 化 还 原 电 位 升 高 ， Ｃ 排 放 量 大 幅 度 下 降 ０ 。此 外 Ｎｉｅ Ｔ． 使 Ｈ。 ］ ｇｌ
均抑制硝 化作用发生 ． 反硝化微 生物所要求 的适 宜温度为 ５ ５ 。 ～７ ℃ 郑循 华等 （９ ７ 对稻 麦轮 １ ９） 作 系统 Ｎ。 排 放 通 量 的 研 究 结 果 表 明 ， 排 放 通 量 发 生 频 率 随 ５ｒ 层 土 壤 目均 温 度 变 Ｏ ＮＯ ｃｎ表
化 呈 正 态 分 布 ， ７ 的 Ｎ 排 放 量 均 集 中 于 １ ～ ２ ℃ 范 围 ， ２ ℃ 和 ＜ １ ℃ 时 的 排 放 量 仅 分 ６ Ｏ ５ ５ ＞ ５ ５
通过在平 流层参与化学反 应 间接破坏 臭氧层 ， 人类 健康 受到威胁 。目前大 气 中 Ｎ Ｏ 的浓度 使 已 由 工 业 革 命 前 的 ０ ２ ８￣ １ｍｏ 上 升 到 ０ ３ ０ ｍｏ／ ｌ并 以 ０ ２ 的 年 速 率 增 长 ， 过 ． ８／ ． ｌ ｍｏ／ ． １ｖ ｌｍｏ ， ．５ 在
去 １ ０年 中 Ｎ 对 温 室效 应 的贡 献 约 为 ５ ， Ｏ 在 大 气 中 的 浓度 和 年 增 长 率 低 于 Ｃ ， 其 ０ Ｏ Ｎ。 Ｏ。但 潜 在 增 暖作 用 却 为 Ｃ 的 １ ０ ２ ０倍 ， Ｏ 在 大 气 中 存 留 时 间较 长 （ 均 寿 命 为 １ ０年 ）１， Ｏ： ９￣ ７ Ｎ。 平 ５ ［ ］
Ｒ ｕｅ 等 对泥 炭土地 区的研 究表 明 ， 下水位 降低 会 降低近地 面层 的 Ｃ 生量 ， 加地 ｏｌ ｔ 地 Ｈ 产 增 下水 与 泥 炭 土 表 面 问 的 ＣＨ 氧 化 层厚 度 ， 囤此 土 壤 水 分 细 微 变 化 都 会 明 显 改 变 Ｃ Ｈ 排 放 量 。
土 壤 Ｎｚ 的 主 要 产 生 机 制 、 生 量 及 其 排 放 过 程 都 受 到 土 壤 水 分 的 强 烈 影 响 ， 究 表 明 ， 大 Ｏ 产 研 最
１ 影响 Ｎ： 与 Ｃ ｔ ０ Ｉ 排放 的 农业 微 环境 因素
土 壤 温 度 、 分 、 化 还 原 电位 、Ｈ 值 、 料 状 况 及 光 照 等 环 境 因素 对 Ｎ。 与 ＣＨ。的 排 水 氧 ｐ 肥 Ｏ 放 均 有 影 响 。 壤 温 度 是 影 响 土 壤 ＣＨ Ｎ 排 放 量 的 主 要 因子 之 一 。 ｌａｆｌＰ ｃ ｏｎＡ． 土 及 Ｏ Ｈｏｚｐｅ— ｓｈ ｒ 等 对 水 稻 田 ＣＨ 排放 量 的 研 究 表 明 ， ＣＨ 排放 速 率 的 目变 化 与 ０ １ ｃ 土 壤 表 层 温 度 日变 － ０ｍ
伊
生 态 农 业 研 究
Ｅｃ ｇ ｉ ｕ ｔ ｒ ｓ ａ ｃ ｏ ａ ｒｃ ｌｕ ｅ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ
Ｖ。 ． Ｎ ｏ．１ １８
Ｍ ａ ｃ ．２０ ００ ｒ ｈ
第 ８卷 第 １期
２ ００ ０ 年 ３ 月
农业微环 境对土壤温 室气体排放 的影响 ＊
ａｎ ｒ ｔ ｒ ｈ Ｆ Ｇ ｄ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ Ｇ Ｉ ｅｍ ｉ ｉ ｓｓｏｎ．
Ｋｅ ｒ ｓ Ｓ ｌ ｙ ｗｏ ｄ ｏｉ，Ｇｒ ｅ ｈ ｕ ｅ ｇ ｓ ｅ ｓ ｉ ｎ， ｅ ｎ ｏ ｓ ａ ｍｉ ｓｏ
ｒｃ ｔ ｒ ｌ ｉｕｌｕ ａ
氧 化 亚 氮 （ 与 甲烷 （ ） 是 重 要 的 温室 气 体 。Ｎ。 增 温 潜 势 大 ， 留 大 气 时 间 长 ＋ Ｎ Ｏ） ＣＨ。都 Ｏ 滞
化较 一 致 。土 壤 温 度 主 要 通 过 土壤 微 生 物 对 Ｃ Ｈ 排 放 量 产 生影 响 ， 一 定 温 度 范 围 内 ＣＨ 在 细
菌 的 代 谢 能力 随 温 度 的 上 升 而增 强 。 温 度 从 ２ Ｃ增 至 ３ ℃ 时 ＣＨ 放 量 增 加 １倍 。 时 温 当 ０ ５ 排 同 度 在一 定 条 件 下 还 影 响 Ｃ Ｈ 的 氧 化 ， 明 星 等 研 究 口Ｃ 氧 化 率 与温 度 呈 正 相 关 关 系 。Ｎ。 王 Ｈ。 Ｏ
ｉ ｆｕｅ ｃ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｉ ｈｅ ｋｅ ｉ ｋ ｆ ｋ ｅ ｉ ｇ ａ ｒ ａ ｔ ｏ ｅ ｉ ｅ ａ ｔｏ ｅ ￣ ｅ ｎ ｔ ｌ ａ ｅ ｎｌ ｎ ｅ ｃ ａ ｉ ｍ ｓ ｌ ｙ ｌｎ ｏ ｅ ｐ ｎ ｂ ｅ ｓ ｆ ｔ ｍ ｒ ｃ ｉ ｎ ｂ ｔ ｚ ｅ ｈｅ ｃ ｉ ｔ ｈ ｍ ｃ ａ ｇｅ ａ ｈ ｈ ｎ ｎｄ ｔ ｅ ＧＨＧ ｍｉ ｓｏ ｅ ｓ ｉ ｎ．Ｉ ｓ ｏ ｍｐ ｒ ａ ｔ ｒ ａ ｉ ｔ ｉ ｎ ｆｃ ｎ ｅ ｆ ｅ ｒ ａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｅ ｉｓｏｎ ｔ ｉ ｆ ｉ ｏ ｔ ｎ ｅ ｌｓ ｃ ｓｇ ｉｉａ ｃ ｏｒｄ ｃ ｅ ｓ ｎ ｈ ｍ ｓ ｉ ｉ ｏ ｈ ｆｔ ｅ ＧＨＧ ｎ ｌ ｗ ｉ ｇ ｄ ｗｎ ｔ ｅ ｇ ｏ ａ ｒ ｉ ｇ ｐ ｃ 、 ｉ ｈｉ ｐ ｐ ｒ ａ ｄ ｓｏ ｎ ｏ ｈ ｌｂ ｌ ｗａ ｍ ｎ ａ ｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｅ ，ｗｅ ｗｉ ｎ ｒ ｌｙ ｄ ｓ ｕ ｓ ｌ ｇ ｅ ａ ｌ ｉｃ ｓ ｌｅ ａ ｏｕ ｈｅ ｉ ｆ ｕ ｎ ｅ ｏ ｅ ｅ ｖ ｒ ｎ ｅ ｔ ｆ ｃ ｏ ｓ ａ ｄ ｐ ｔ ｆ ｒ ｒ ｏｍｅ ｍ ｅ ｓ ｅ ｈａ ｏ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌ ｂ ｔ ｔ ｎ ｅ ｃ ｆ ｔ ｎ ｉｏ ｍ ｎ ａ ｔ ｒ ｎ ｕ ｏ ｗａ ｄ ｓ ｌ ｈ ａ ｕｒ ｓ ｔ ｔｃ ｕｌ ｏ ｔ ｏ
应 的 贡 献 约 为 １ ． 次 于 ｃ ， 相 对 增 温 潜 力 却 为 Ｃ 的 ２ ～ ３ ８ 仅 Ｏ。但 Ｏ。 １ ｏ倍 ， 在 大 气 中 的 平 ＣＨ 均寿命 为 ８ １ － ２年 ． Ｎ ｏ 相 比 ， Ｈ 在 大 气 中存 留时 间 较 短 ， 此 对 其 进行 调 控 见效 较 快 。 与 Ｃ 因
ｇ ｅ ｎ ｏ ｓ ａ ｅ （ ｒ ｅ ｈ ｕ ｅ ｇ ｓ ｓ ＧＨＧ ） ａｅ ａ ｓ ｆｅ ｔｄ ｂ ｈｅ ｅ ｖｒ ｎｍｅ ｔ ｏ ｔ ｅｓ ｕ ｙ ｏ ｈ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔ ｒ ｌｏ ａｆ ｃｅ ｙ ｔ ｎ ｉｏ ｎ ・ｓ ｈ ｔ ｄ ｎ ｔ ｅｅ ｖｒ ｎ ｎ
别 占 １ 和 １ ， 度 变 化 使 Ｎ 的 排 放 具 有 较 明显 的 日变 化 与 季 节 变 化 。 ７ ６ 温 Ｏ
土 壤 水分 主要 通 过 改 变 土 壤 的氧 化 还 原 电位 （ ｈ） Ｏ Ｅ 、 供 给 情 况 、 壤 中微 生 物 活性 及 土 、 土
壤 中气 体 向大 气扩 散 速 率 等 来 影 响 Ｎ。 和 Ｃ Ｏ Ｈ 的 产 生 与 排 放 。由于 Ｃ Ｈ 产 生要 求 厌 氧 环境 ，