全 文 ： 伊
第 8卷 第 1期
2 0 0 0年 3月
生 态 农 业 研 究
Eco agriculture Research
V。1．8
M arch．
N o．1
20 0 0
农业微环境对土壤温室气体排放的影响 *
齐玉春 董云社 章 申
(中国科学院地理研究所 北京 1001O1)
Xt7}
摘 要 二氧化碳(CO。)、氧化亚氮(N zo)、甲烷(c}I‘)等 气体排放量的增加所 }l起 的温室效应是
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
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 ，对减步温室气体掉放、减缳垒球变 暖趋势具有较强的现实意义。阐逮 了
土壤排故 N。0、CH 对环境 田素 的影响 ．并提 出温室气体碱掉措施 。
关键词 士堇 垂童 苎茎茎、毫些进 境 精 }携；色
lnflaence of agricultural factors on greenhouse ga~es em ission from the sell、
Qi Yuchun，Dong Yunshe，Zhang Shen(Institute of Geography，CAS，Beijing 100101)，EAR，
2000，8(1)：45～ 48
Abstract The global warming is one of the environmental problems．The global climate change is
the result of the natural process and human activity．The increasing of carbon dioxide，nitrous ox—
ide and methane’emission flux is the main impeling force、At the same time，the emission of the
greenhouse gases(GHG)are also affected by the environment·so the study on the environment
influence mechanism is lhe key link of keeping abreast of th e imeraction bet~zeen the climate
change and the GHG emission．It is of important realistic significance for decreasing the emission
of the GHG and slowing down the global warming pace、in this paper，we wil ge nerally discuss
about the influence of the environment factors and put forward some measures that could control
and retard the GFIG emission．
Key words Soil，Greenhouse gas emission， ricultural
氧化亚氮(N O)与甲烷 (CH。)都是重要的温室气体。N。O增温潜势大，滞留大气时间长+
通过在平流层参与化学反应间接破坏臭氧层 ，使人类健康受到威胁。目前大气中N O的浓度
已由工业革命前的 0．288／~mo1．／mol上升到 0．310vmol／mol，并以 0．25 的年速率增长，在过
去 100年中N O对温室效应 的贡献约为 5 ，N。O在大气中的浓度和年增长率低于CO。，但其
潜在增暖作用却为 CO：的 190~270倍 ，N。O在大气中存留时间较长 (平均寿命为 150年)[1]，
对其排放进行调控具有长远的影响；CH 是重要的化学活性气体，在大气中参与许多光化学反
应 ，全 球 大气 CH。平 均 浓度 已从 产 业革 命 前 的 0．6～0．8gmol／mol增 加到 1990年 的
1．72~moltmol，且 目前仍以每年0．9 的年增长率递增 。在过去100年中CH 对全球温室效
- 国家 自然科学基金项 目(49671004)和 中国科学院地理研究所’g8青年基金资助项 目
收稿 日期；1999-08-16 改回日期 ：19．99—09 20
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应的贡献约为 18 ．仅次于 cO。，但相对增温潜力却为 CO。的 21～3o倍，CH 在大气中的平
均寿命为 8-12年 ．与 N o相 比，CH 在大气中存 留时间较短 ，因此对其进行调控见效较快。
1 影响 N：0与 CIt 排放的农业微环境因素
土壤温度 、水分、氧化还原 电位 、pH值、肥料状况及光照等环境 因素对 N。O与 CH。的排
放均有影响。土壤温度是影响土壤CH 及 N O排放量的主要因子之一。Holzapfel—Pschorn A．
等 对水稻田CH 排放量的研究表明，CH 排放速率的目变化与 0-10cm土壤表层温度 日变
化较一致。土壤温度主要通过土壤微生物对 CH 排放量产生影响，在一定温度范围内 CH 细
菌的代谢能力随温度的上升而增强。当温度从 20C增至 35℃时CH 排放量增加 1倍 。同时温
度在一定条件下还影响 CH 的氧化 ，王明星等研究口 CH。氧化率与温度呈正相关关系。N。O
排敢是温度、O。和反应底物及传输过程交互作用的结果。土壤温度对 N O产生的生物学过程
有十分重要的影响。据研究，1 5～35℃为硝化作用微生物活动的适宜温度范围，<5℃或~40"C
均抑制硝化作用发生．反硝化微生物所要求的适宜温度为 5～75℃。郑循华等(1997)对稻麦轮
作 系统 N。O排放通量的研究结果表 明，N O排放通量发生频率随 5crn表层土壤 目均温度变
化呈正态分布 ，67 的 N O排放量均集中于 1 5～25℃范围，>25℃和<15℃时的排放量仅分
别占 17 和 16 ，温度变化使 N O的排放具有较明显的日变化与季节变化。
土壤水分 主要通过改变土壤的氧化还原 电位(Eh)、O 供给情况 、土壤中微生物活性及土 、
壤中气体向大气扩散速率等来影响 N。O和 CH 的产生与排放 。由于 CH 产生要求厌氧环境 ，
且要求氧化还原 电位≤一300mV．故土壤常年淹水可导致稻田排放大量的CH ，而冬季排水种
植旱作物则使稻 田土壤的氧化还原电位升高，使 CH。排放量大幅度下降0]。此 外 Nigel T．
Roulet等 对泥炭土地区的研究表明，地下水位降低会降低近地面层的 CH 产生量，增加地
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 CH 排放量。
土壤 NzO的主要产生机制、产生量及其排放过程都受到土壤水分的强烈影响，研究表明，最大
N。O排放一般发生在土壤湿度为 9O ～100 田问持水量或 77 ～86 饱和含水量u]。封克
等 研究表明．土壤含水量为饱和含水量的 45 ～75 时硝化作用和反硝化作用共同作用产
生较多的N O。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，而在饱和
含水量以上时 N O的排放逐渐减弱，因此高水分含量条件下 N O的产生并非与土壤含水量
成正 比。土壤的干湿交替也会促进 N O的生成与排放 ，土壤的干湿交替使硝化作用和反硝化
作用交替成为 N：O的主要产生机制 ，同时土壤的干湿交替还能抑制反硝化过程中的探度还
原，使 N o的产生量增大“ 此外土壤含水量通过对硝化、反硝化细菌酶活性的影响而对 N O
的生成量产生影响。据侯爱新等(1997)对水稻田水分含量变化的研究表明，土壤含水量较高的
淹水期淹水造成的厌氧环境可抑制硝化细菌的 NH+单氧化酶活性 ，而落干期 由于可得性 O
增多 ，硝化细菌酶活性抑制被解除。另一方面土壤含水量还将对 N O的排放过程产生影响。
土壤氧化还原电位(Eh)和土壤 pH值控制着 CH 形成的微生物过程 。Wang Z．P．等[”研
究证明，当土壤氧化还原电位为一150-一160mV时土壤 中 CH 开始产生，但此时 CH。排放
量极少 ，当氧化还原电位为 1 50～一230mV时CH。产生速率与氧化还原电位呈负指数关系，
当氧化还原电位为一230mV，pH值为 6．g～7，l时CH 的产生量达到最大。当pH值<5．75或
>8．75时 CH 产生几乎完全受到控制。土壤 pH值作为一个重要的土壤化学参数对 N：o生
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成的相关化学反应起着一定促进或抑制作用。据研究 ，反硝化速率的最佳 pH值范围为7．0～
8．0。土壤 pH值可调节反硝化过程 中N。O的还原速率 ，影响反应产物中N O／N 的比例叫。模
拟试验表明，在 pH值为 4的有氧条件下，N O产生量达 pH值为 6时的 4～6倍左右 ，在 pH
值 7～10范围内 N。O排放随 pH值下降呈递增趋势。
施用肥料对土壤中 N O、CH．的排放与吸收均产生较大影响 。不同种类肥料、施肥方式和
施肥量，不同肥料利用率及施肥与其他环境条件配合不同对 N O、CH 排放和吸收的影响显
著不同。化学 N肥旋用可减少土壤 CH．的排放量与吸收量 ，而有机肥施用对原有机质含量低
的土壤可大幅增加 CH。的排放量。试验表明，施用硝态氮肥和硫酸盐肥料均抑制淹水土壤中
CH 的生成与排放，施用腐熟度较高的沼渣、氯化钾 、包被复台肥及氧化硅粉等均对 CH。的排
放有一定抑制作用 。由于旋肥方式的不同，各种肥料对 CH 排放量的影响明显不同。据 Schutz
H．等 研究 ，浅施或表施尿素可增加 19 的 CH．排放量，而深施尿素则降低 N O 释放量的
4O 左右 。有机肥和化学 N肥对 N。O排放量的影响不同 ，有研究表明，化肥处理 比有机肥处理
N O的排放量更大，但也有相反的结论，因此关于有机肥与化肥处理对 N O排放量的影响大
小有待于进一步研究。常用普通碳酸氢铵、尿素、长效碳酸氢铵 3种化学 N肥中长效碳酸氢铵
与其他 2种肥料相比，可明显延后 N O释放高峰期出现的时间，且大多数情况下可显著减少
其释放量 ，但长效碳酸氢铵减少 N 0释放的效果随土壤含水量的增加而减少，因此要注意施
肥与灌溉水的配合 。另有研究表明，施长效碳酸氢铵和缓释尿素后，N。0排放高峰的出现分别
落后于施尿素高峰 30d和施碳酸氢铵高峰 50d，说明这 2种长效肥料能有效控制土壤中 N的
快速转化 ，即硝化和反硝化进程避免 了土壤中 N的过多淋溶及气态 N损失 ，明显减少了 N O
的排放 N O的产生量与 N肥施用量问存在一定的相关关系，N肥有效利用率的提高可减少
N O排放。
土壤质地、渗透率、动态水含量、土壤孔隙度、土壤紧实度、有机质含量、微生物种群密度、
土壤温度等参数均从产生、传输等各个过程影响 CH 及 N。O的排放量 。Hansen S．等口 研究土
壤紧实度对土壤 CH 源、汇强度的影响结果表明，试验区内土壤经 4t重的拖拉机压实后 ，该土
壤对 CH。的吸收量 比压实前降低了 52 ，并发现施硝酸铵肥的压实土壤空气中 N O 的浓度
比其他处理高 7倍多。但土壤压实对土壤中 N O 向大气的排放起到一定阻隔作用，使其排放
通量降低。一些研究结果表明，植物根系对反硝化作用的影响限于孔隙度低的条件下，当孔隙
度
炭土稻 田>潜育土稻 田>火 山炭土稻田，这可能与不同土壤中易矿化碳的古量及土壤性能有
关。土壤中有机质的含量对 N O产生过程中的硝化与反硝化作用均存在较为重要的影响。土
壤有机质的矿化产物为反硝化过程提供了反应底物 ，且有机质本身为参与这一过程的微生物
提供了能源。有机质本身是一种呼吸基质 ，可引起 0 胁迫 一般土壤微生物适宜的有机质C／N
比为 25～30：1，C／N比在此范围内微生物活性强 ，N可被矿化并产生 N O，促进土壤 N O 的
排放 。
陈冠雄等对大豆植株进行 了光照影响的田间试验和室内模拟试验研究，发现 N O通量在
较弱光照条件下较高，在完全黑暗和较强光照条件下较低 ，甚至吸收大气中的 N O。杨思河等
对木本植物 (抄松、赤扬、落 叶松等 )的研 究也证宴 了这一 点。King等在室 内模拟实验发现 ，
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CHt通过植物体的排放在黑暗中较大，在较强光照下则较小，另外不同光照强度还对 CH 的
氧化过程产生影响。
2 温室气体减排措施
改变施肥方式、灌溉方式、种植制度 ，提高化肥利用率和加强农 田管理可减少温室气体的
排放。施肥类型上 ，实行化肥和有机肥混施 、发展沼气、施用腐熟度较高的沼渣、采用包被复合
肥、施用长效缓释性肥料对 N。O及稻田CH 的排放均有一定减弱作用，并能保持较高的产量 ，
对土壤及生态环境不会产生太大的不 良影响。施用KCI、含 s0：的肥料及施用弱氧化剂“氧化
硅粉”有可能降低稻 田CH 的排放量 。施肥方式采用少量频施、叶面喷施、深施及停止使用新
鲜秸秆还田等措施，均可在一定程度上减少 N O及 CH 的排放量；改变灌溉方式 ，深浅干湿交
替灌水或冬季停止灌永露田均可减少 CH。的排放。采用间歇灌溉技术比不采用此技术CH 排
放通量下降 11．8 ～59．3 。深灌(约 10cm)水对 CH 的排放有一定抑制作用，旱作农业的大
量、少次浇水能减少土壤 N：O的排放；改变种植制度，采用间歇落干晒 田及稻田在冬季排水种
植旱作物 ，均使稻田土壤 CH 排放量显著低于冬季淹水土壤。据蔡祖聪等研究表明，冬季稻 田
排水种植冬小麦 ，使水稻生长期 CH 的平均排放通量显著低于冬季淹水的处理 ，且其下降幅
度随水稻移栽前土壤连续干燥时间的延长而增大 因此．改 1年 1季为 l旱 1水，可提高土壤
生产力，且大大降低 CH 的排放量；提高化肥利用率可大大减少土壤 N O 的排放，目前我国化
肥利用率仅有 3o ，而发达国家已达 60 左右 ，据推测在其他条件不变情况下，将化肥利用率
从 目前的 3o 提高到 ∞ ，土壤 N o的排放将降低 38． ． 左右j其他措施如疏松土壤、调节
微生物活动 ，避免作物秸秆等生物质的直接燃烧 ，施用硝化抑制剂双氰铵(DCD)及脲酶抑制
剂氢醌 (HQ)、高压灭菌及施用甲醛等化学措施均可在一定程度上减少土壤 N o的排放量 。选
育和种植植株较大、产量较高、通气组织鞍弱但又不影晌大气中氧气进入植株根部的水稻品种
将大为减少稻田CH 的排放量 。此外加强其他减排措施的研究也不容忽视。
参 考 文 献
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