外源N输入对淡水湿地土壤CH4排放的影响

外源N输入对淡水湿地土壤CH4排放的影响

【摘要】甲烷是大气中最重要的温室气体之一，湿地是全球目前已知的CH4重要排放源之一。近年来的许多研究表明了氮素与土壤甲烷的产生有密切的关系。为了弄清外源氮素输入对甲烷产生的影响及其机理，本文对现有研究结果进行了总结，以期找出其内在的规律，推动相关领域研究，并对今后的研究方向提出建议。

【关键词】淡水湿地；甲烷；氮输入

全球气候变暖是人们广泛关注的全球性环境问题，导致这一现象产生的根源是大气中温室气体的不断增加。大气温室气体CH4浓度的持续升高正日益受到国际社会的广泛关注。甲烷对当前全球变暖的贡献率达19 %，仅次于CO2。氮素是湿地系统中最主要的限制性养分，其含量直接影响湿地系统的生产力，但随着不同种类氮肥用量的增加以及外源氮通过其它不同方式进入淡水湿地，改变了湿地原有的甲烷产生和排放规律。

1.淡水湿地土壤外源氮输入途径

湿地生态系统的外源氮素输入过程主要包括大气氮干湿沉降、生物固氮、人为氮和径流氮输入等途径，它们通过影响湿地系统自身的营养状况而决定氮素生物地球化学过程的运行。

在我国，关于大气氮沉降也有许多分析和研究。彭琳等根据黄土高原降水量和降水中氮浓度计算出，在该区域每年因降水带入农田的氮素在4152～10160 kg/ （hm2·a）。

此外，生物固氮以及人为氮和径流氮输入等也是湿地系统氮素的重要来源。

2.湿地土壤甲烷的产生机理

根据孙文涛等研究表明，在极端还原条件下，甲烷是甲烷微生物活动的产物。当氧化还原电位低于- 150～- 160 mV时，产甲烷微生物开始明显活动，它们利用CO2、H2 或分解乙酸等生成甲烷。相反，好气的土壤环境，有利于甲烷营养微生物的生长。淹水植稻后，土壤氧化还原电位降低，有利于甲烷生成菌的生长。

根据王维奇等研究得出，甲烷是土壤有机物厌氧分解过程中产生的。土壤中多种细菌对有机底物进行厌氧分解，最后由甲烷产生菌产生甲烷。

3.外源氮输入对湿地土壤甲烷排放的影响

3.1外源氮素的不同种类对土壤甲烷排放的影响

不同种类的外源氮素的施用对土壤甲烷的产生及排放的作用机理及影响都不尽相同，下面主要从三种主要的外源氮的不同类型，即硝态氮、铵态氮、有机氮对土壤甲烷排放的影响做一总结。

3.1.1外源硝态氮对甲烷排放的影响

根据Nelson等的实验，加NO3-于土壤中，结果表明其抑制了土壤甲烷的产生。然而根据Groot CJD等的研究表明，只有当土壤有机碳含量低于一定值时，NO3-加入土壤才能出现抑制作用。

根据丁维新等实验结果表明，当土壤有机碳含量较低但质地较粗或土壤C/N比较高而有效态氮含量较少时，由于NO3-可以被快速还原从土壤中消失，对产甲烷的影响很弱，因此硝态氮肥促进甲烷产生；当土壤有机碳含量较低或者有机碳含量相对较高但土壤质地粘重导致活性有机碳含量较少时，硝态氮肥施入导致NO3-对产甲烷的抑制作用强于氮肥对甲烷产生的促进作用，硝态氮肥表现为抑制甲烷的产生。

3.1.2外源铵态氮对甲烷排放的影响

根据研究表明，NH4+最初抑制沼泽土氧化大气浓度CH4。但是，铵态氮对沼泽土氧化大气浓度CH4和高浓度CH4的抑制作用都是短暂的，其长期作用将是促进沼泽土氧化CH4。

3.1.3外源有机态氮对甲烷排放的影响

甲烷是土壤有机质厌氧分解的最终产物，因此有机肥料的供应直接影响湿地土壤中的有机质含量从而影响甲烷的产生。

秦晓波等的研究表明：与单施化肥相比，施用有机肥可以显著促进CH4的排放。然而，当施用经过沼气池发酵以后的沼渣有机肥时，由于有机碳在沼气池中被部分或全部分解，反而会减少CH4的产生。

邹建文等实验表明，有机肥施用对稻田CH4和排放的季节变化模式无明显影响，但影响其排放量。土壤N2O是微生物参与的反硝化产物，农田有机肥料的施用由于向土壤中提供了外源C、N ，有机质分解提供反硝化所需能量，影响反硝化作用，进而影响土壤CH4的排放。

3.2外源氮素的数量对甲烷排放的影响

不仅不同种类外源氮素的施用对土壤甲烷的产生及排放的作用机理及影响都不尽相同，其施用数量的不同，即使是同种氮素肥料，对土壤甲烷的产生和排放也有不同的影响。

根据陈冠雄等研究结果表明，与不施肥相比，无论是单施无机N肥（尿素）还是无机N肥和有机N肥同时施用，均明显增加稻田CH4的排放。

然而，持续而过量的N肥可能降低土壤甲烷的排放。Steudler P.A，等发现，CH4吸收率随N肥用量增加和时间延续而降低。连续多年施用N肥土壤再施加N肥，当季末发现对土壤甲烷氧化有抑制作用。

3.3 氮素通过影响植物生长从而影响甲烷排放

研究发现，植物生长对甲烷的产生、氧化及排放过程有很大的影响。植物排放CH4的通量及其季节性变化规律是由植物根系产生分泌物能力、分泌O2 能力和传输CH4能力综合决定的。

根据丁维新等人的研究表明，植物在CH4排放过程中起3种作用：1）释放根系分泌物和凋落物等为产甲烷菌提供底物；2）为CH4排放提供通道；3）通过根系释放O2，从而在根际形成微氧化环境，氧化内源CH4。

氮可以促进植物生长，加速有机碳从植物向土壤释放，同时降低植物残留物和有机质的C/N比，促进有机碳的分解，抑制甲烷的氧化，从而增加甲烷的排放。陈冠雄等人的研究表明，施氮肥改善了水稻的生长状况并促进根系的发育和分泌作用，提高了植株向大气传输土壤生成的CH4的能力，从而增加CH4排放。

4.湿地甲烷排放研究展望