農業生態系統溫室氣體排放研究進展

戴桂金，楊知建,*，肖潤林

（1 湖南農業大學生物科學技術學院，長沙410128；2 中國科學院亞熱帶農業生態研究所，湖南長沙410125）

溫室氣體是指大氣中能吸收地面反射的太陽輻射，并重新發射輻射的一些氣體，如水蒸氣、二氧化碳、大部分制冷劑等。它們的作用是使地球表面變得更暖，類似于溫室截留太陽輻射并加熱溫室內空氣的作用。在農業生態系統排放中主要的溫室氣體是二氧化碳（CO2）、氧化亞氮（N2O）、甲烷（CH4）。近十幾年來，溫室氣體的排放及其對全球氣候的影響成為人們一直關注的熱點，人們開始尋求更有效的減排方式與措施，并開始逐步研究陸地農業生態系統中溫室氣體的源匯功能以及農業生產活動對溫室氣體排放的影響。

1 農業生態系統溫室氣體排放的影響因子

1.1 溫 度

溫度是農業生態系統中CO2，CH4，N2O排放的主要影響因子。研究表明，一定溫度范圍內，土壤的呼吸會隨溫度的升高而增強，當溫度達到一定極限后土壤的呼吸會隨著溫度的升高而減弱[1]。同時土壤呼吸的日變化及其季節變化會隨著土壤溫度的變化而呈相應的變化趨勢，兩者之間是呈相關關系的[2,3]。

溫度對甲烷排放也有影響。在甲烷排放的稻田實驗顯示，一定范圍內的土壤溫度會影響甲烷氣體排放的通量，通常溫度在 20~35℃時，甲烷的排放量增加了一倍。測量5 cm深的土壤，當其溫度從18℃上升到31℃時，稻田中甲烷排放的通量相應會增加很快[4]。土壤溫度對旱地甲烷排放也有影響，而土壤甲烷吸收的最適宜的溫度會根據不同的試驗條件，如施肥、土壤濕度等因素的影響而有所不同。Nesbit等[5]在其進行的室內培養實驗中發現，甲烷吸收的最適宜溫度是 20~30℃；而 Grun等[6]認為甲烷吸收與土壤溫度無明顯關系，原因可能是由于試驗階段中土壤干旱影響了甲烷的吸收。Peterjohn等[7]的研究則指出，土壤溫度與甲烷日平均吸收率的關系是呈線性關系的。

N2O排放是溫度、氧氣和反應底物濃度以及傳輸過程交互作用的結果。研究指出，15~35℃是硝化作用下微生物活動時適宜的溫度范圍；而反硝化下微生物所要求的適宜溫度為5~75℃，最適范圍為30~67℃[8]。孫向陽等[9]對森林土壤 N2O的排放研究指出，夏季的排放量最高，春秋季次之，冬季為最低甚至達負值。此外，劉嘩等[10]的研究表明，一定的溫度范圍（7~15℃），N2O是有可能出現負排放的。

1.2 水 分

土壤水分是影響農業生態系統的另一個重要因子。Conant等[11]認為，土壤呼吸有隨季節變化的趨勢，在干旱季節土壤CO2的釋放受水分的影響較大。Grahammer等[12]則認為，土壤晝夜的呼吸通量在土壤水分充足的情況下，基本上沒有差別。Kucera和Kirkham[13]指出，另一種情況是當土壤水分超過田間持水力或者達到土壤中微生物的永久性萎蔫點時，土壤CO2釋放量才會減少。

水分對稻田CH4排放起決定性作用。土壤的理化性質很大程度上受土壤含水量的影響。徐星凱等[14]指出，CH4吸收的最適水分條件是 15%~22%的土壤水分含量。Rach等[15]發現，不同水分含量土壤的溫室氣體排放有較大差異。

土壤含水量對 N2O的影響是通過硝化和反硝化作用，其產生與排放量出現最高值。研究表明，N2O排放在土壤田間持水量 90%~100%或 77%~86% WFPS(water-FilledPoreSpaee，充水孔隙)時[16]，排放量最大。封克等[17]的研究還表明，土壤含水量為WFPS的45%~75%時，硝化作用和反硝化作用的共同作用對N2O的影響較大。

1.3 施 肥

研究表明，在施肥和未施肥的農田中，在其它條件相同的情況下，施過肥后的農田土壤呼吸CO2的排放量呈增加趨勢[18]。當然，施肥對土壤呼吸的影響因地點的不同、施肥時間長短不同、植被類型的不同等所產生的土壤呼吸效果也不同[19]。

施肥會增加CH4排放，但施肥方法的不同所產生的效果也不同。王明星等[20]對稻田甲烷排放的研究表明，施用不同比例有機肥和化肥對CH4排放的影響不同，當氮、磷、鉀含量基本不變的情況下，施較多有機肥的稻田其 CH4的排放率明顯高于施化肥的稻田。天然草地施氮肥后，甲烷吸收率可降低 35%[21]。

此外，植被、光照、耕作制度和氣候因子等也影響農業生態系統溫室氣體排放。

2 農業生態系統溫室氣體呼吸通量及總量估算

許多學者對各種生態系統土壤呼吸CO2的測定進行了研究。宋文質等[22]指出，我國農田的 CO2排放通量的平均值為295 mg/m2·h，變化范圍70~630 mg/m2·h；施肥的麥田平均值為 262 mg/m2·h，變動范圍 120~400 mg/m2·h;未施肥的麥田 177 mg/m2·h，變動范圍100~250 mg/m2·h。孫向陽等[23]指出，我國森林土壤的 CO2排放通量平均值為286.22 mg/m2·h。在對全球土壤的呼吸總量概算上，Raich等[24]認為全球土壤向大氣釋放的CO2量高達68 Pg/a。Fang等[25]對中國土壤呼吸總碳量也作了估算(3.4 Pg/a)，單正軍等[26]通過土壤有機質的礦化率對土壤CO2的釋放量的進行了估算。

在對甲烷通量的估算上，Cao[27]等估計我國稻田的甲烷通量為 16.2 Tg/a。任麗新等[28]認為，甲烷通量與地區差異有關，成都平原在1996~1999的4年間稻田甲烷通量為12.2 mg/m2·h，而四川樂山為30 mg/m2·h。

在對N2O排放總量的估算上，人們普遍關注的焦點一直是農田。黃國宏等[29]測定出大豆、玉米、春小麥等農田生態系統甲烷排放總量分別為 5.8，26.1和 1.0 GgN(112 d)。Xing等[30]在大田觀測實驗中發現，我國南方地區水稻田N2O排放通量為39.5 μg/m2·h，北方旱地排放通量為30.60 μg/m2·h。宋文質等[31]測得的旱田 N2O排放平均通量為 16.0 μg/m2·h，同時估算出1990年農田排放N2O總量為 0.096 Tg，與當年我國N2O總排放量 0.95 Tg相比占到10%左右。

3 溫室氣體通量測定方法

3.1 靜態箱法

目前，在陸地農業生態系統中測定溫室氣體排放大多是采用靜態箱法，其工作原理是用觀測箱子罩住被測表面并加水密封，隔絕箱內與外界氣體進行交換，對箱內空氣中被測氣體濃度（隨時間的變化）進行定量地測定，以此來計算被測表面該種氣體的交換通量。Smith等[32]采用巨箱(64 m2)觀測草地氣體的排放通量，驗證了其測量后得出結果的準確度和代表性，但同時也降低了箱內外氣體的滲漏性。

3.2 動態箱法

動態箱法的特點是測量的開放性，它允許一定流量的空氣通過箱子，同時對箱體入口處和出口處空氣中的被測氣體濃度進行測量，來獲得并計算出被罩表面該氣體的交換通量。雖然這在一定程度上可以降低自然環境狀況對箱體中被測表面的干擾，但其實際操作存在一定困難。

除了以上常用方法外，在實際中也嘗試性地應用微氣象學法、梯度法、遙感法、對流邊界層收支法等，但其實際操作和推廣較難。

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