農田N2O排放研究進展

尹釋玉

(吉林農業大學 資源與環境學院, 吉林 長春 130118)

?

農田N2O排放研究進展

尹釋玉

(吉林農業大學 資源與環境學院, 吉林 長春 130118)

摘要：指出了N2O作為土壤硝化及反硝化作用的中間產物，其排放受到土壤理化性狀、氣候因素及農田措施等因素的影響，在概述農田土壤N2O排放機制及影響因素的同時，系統總結了國內外其觀測所采用的方法，并提出了相應的減排對策，以期為控制農田土壤N2O排放、發展低碳農業提供參考依據。

關鍵詞：溫室氣體；N2O排放；作用機理；影響因子；減排措施

1引言

農業在為人類提供糧食作物的同時,也產生溫室氣體導致全球變暖已成為不爭的事實[1]。自工業革命以來，大氣中的CO2、CH4及N2O濃度均呈現逐年增加的趨勢，其產生的潛在溫室效應均能跨越百年之久[2]。其中，N2O作為溫室氣體之一，雖然其含量僅占溫室氣體總量的7.1 %，但其在全球范圍內的增溫潛力相對較大。據估算，我國農田N2O排放量在398Gg左右，約占全球N2O排放總量的11.3 %，其中由化學氮肥施用所造成的N2O排放量占70 %。由于農田氮肥的不合理使用所引起的N2O等溫室氣體的排放，造成的氮肥損失、不可再生資源的浪費及環境的惡化，嚴重影響人口—資源—環境的可持續發展，為此，減少N2O排放，緩解全球氣候變暖得到人們的廣泛關注，本文通過對農田N2O排放機理及其影響因素的探討，并為減少農田N2O排放提供合理化建議。

2農田N2O排放機理

↓ ↓

N2O N2O

上述每一個步驟有任何不利因素均會阻止N2O進一步還原而導致N2O的累積量增加[4]。化學反硝化作用產生N2O途徑有以下3種:氮素轉化生成的羥胺與亞硝酸鹽反應產生N2O，反應如下：NH2OH+HNO2→N2O+2H2O；羥胺自身分解生成N2O，反應如下：NH2OH→N2O+H2O；土壤有機質組分與亞硝酸根反應生成N2O。

3農田N2O排放影響因素

由于土壤硝化和反硝化過程是N2O產生與排放的決定性過程，因此，凡是對土壤硝化和反硝化過程具有影響的因素都將會影響土壤N2O的排放。主要包括土壤理化性狀、氣候因素及農業技術措施等，多種因素在各種尺度水平上存在交互作用，從而直接或間接的影響土壤N2O的產生、轉運和排放[5]。

3.1土壤理化性狀

土壤質地、溫度、濕度、pH值及有機碳含量等土壤理化性狀均對N2O的排放存在強烈的影響。其中，土壤質地作為土壤透氣度，土壤水分含量及土壤微生物活性的重要影響因素，對土壤硝化和反硝化作用的相對強弱及N2O在土壤中的擴散速度[6]。土壤水分含量是影響O2及其他有效性、擴散率、微生物活性和氧化還原狀況的關鍵因素，并通過影響土壤中銨態氮和硝態氮含量及分布間接的對土壤硝化及反硝化速率產生影響。土壤溫度作為影響N2O排放的重要元素，主要是通過抑制土壤產甲烷菌、硝化細菌和反硝化細菌的活性，從而影響土壤N2O的產生及釋放。土壤pH值對土壤硝化作用、反硝化作用及N2O排放的影響十分復雜，土壤pH值通過影響土壤硝化和反硝化細菌的活性劑相關氮素轉化過程，并對N2O產生的相關化學反應起著一定程度的促進或抑制作用。有機碳源可作為能源的電子供體與細胞成分合成物質被反硝化微生物利用，因此有機碳對土壤微生物活性及行為過程和強度均有較大影響。

3.2氣候因素

氣候因素包括太陽輻射、溫度、降水等通過改變土壤環境從而對土壤硝化和反硝化作用微生物活性產生影響，最終作用于土壤N2O的產生及排放。例如溫度和降水的季節性變化使土壤水熱條件發生變化，進而影響硝化和反硝化過程，最終導致N2O排放量的季節性變化[7]。光照強度作為影響農田N2O排放的影響因素之一，究其原因可能是光照強度的變化使得作為體內的代謝過程發生相應改變，影響植物的氣孔傳導性。研究表明：N2O排放量在較弱光照條件下較高或在黑暗及較強光照條件下，農作物的N2O排放量較低，甚至吸收大氣中的N2O。

3.3農田措施

農田N2O產生排放機理十分復雜，水肥管理、耕作措施及作物類型等因素均對N2O的排放產生一定影響。研究表明：土壤N2O排放量隨著氮肥施用量的增加而增加，且呈現明顯的直線關系。肥料類型對N2O的排放的影響也較大，研究表明：在相同施氮量情況下，施用有機肥處理的N2O排放量大于化學氮肥處理，且有機無機化肥配合施用可促進土壤N2O的產生[8，9]。施肥方式、施肥時間及施肥方法對土壤N2O的產生及排放存在影響。施肥時間與作物對養分需求一致時，可有效提高肥料利用效率，減少土壤N2O排放量，因此分次施肥較一次性施肥方式相比可減少N2O的排放[10，11]。作物和土壤相互作用顯著影響土壤-植物系統，因此，作物生長對農田土壤N2O的排放有一定的影響，不同作物系統下土壤N2O排放的規律、數量和強度均存在較大差異。

4農田N2O排放測定方法

農田系統N2O排放是土壤N2O產生、排放及運輸共同作用的結果。其過程中受到土壤理化性狀、氣候因素和農田措施等多種因素的影響，因此所觀測的N2O排放通量僅為一個表觀結果。就目前而言，農田N2O排放的測定方法主要包括箱法、微氣象學法、超大箱長光程紅外色譜以及同位素法。箱法由于具有簡便靈活、造價低、易操作及交換通量檢測限制低等特點，逐漸成為當前最常用的農田N2O排放測定方法。箱法分為動態箱法和靜態箱法兩種，其中，動態箱法由于需測量進氣口和排氣口痕量氣體的濃度差，因此檢測下限較高，給實際應用造成一定困難。與之相比，靜態箱法箱內的痕量氣體的濃度是不斷累積，因此檢測下限較低。靜態箱法也同樣具有相應缺點，但由于靜態箱法具有靈敏高；操作簡單，容易控制；儀器設備簡單，價格低廉等優點，因此成為當前國內外學者測量農田N2O排放量應用最廣的一種測定方法。

5農田N2O減排措施

農田土壤N2O排放的主要來源是農業化學肥料的施用，大量研究表明N2O排放隨氮肥的施用量的增加而增加，同時農田土壤N2O排放受氮肥施用速率及肥料類型的影響較大[12]。因此，減少農田N2O排放的主要措施包括：加強區域間氮肥施用的均衡發展。提高氮肥利用率。控釋肥料及環境友好型肥料的施用。穩定性肥料的施用。

然而當前對有機肥施用及免耕等措施對農田N2O排放的影響研究結果不盡相同。因此，選擇通過施肥和耕作措施達到減少農田N2O的排放之前，應充分考慮當地土壤及氣候因素，做到因地制宜，優化選擇。

6結語

農田N2O的產生與排放是生態系統氮素循環的重要環節，是陸地系統向大氣系統輸出活性氮的重要方式。N2O所引起的一系列環境問題對整個生態系統產生深遠的影響。農田生態系統作為大氣N2O的重要排放源，了解其作用機理和影響因素對尋求切實可行的減排措施至關重要。總之，根據當地特定的農業發展歷史、土地利用現狀及氣候環境特點，采用先進的科學方法去深入研究特定區域的具體問題，找到當地合理減排措施，從而保證農業的可持續發展已成為亟待解決的問題。

參考文獻：

[1]Ju XT,Xing GX,Chen XP et al.Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural svstems[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,2009(106):3041～3046.

[2]Snyder CS,Bruulsema TW,Jensen TL et al.Review of greenhouse gas emissions from crop production systems and fertilizer management effects[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2009(133):247～266.

[3]鄒國元,張福鎖.根際反硝化作用于N2O釋放[J].中國農業大學學報,2002,7(1):77～82.

[4]黃樹輝,呂軍.農田N2O排放研究進展[J].土壤通報，2004,35(4):516～522.

[5]Barnad R,Leadley PW,Hungate BA.Global change,nitrification,and denitrification:Areview[J].Global Biogeochemical Cycles,2005,19(1):23～28.

[6]保瓊莉,巨曉棠.夏玉米根系密集區與行間N2O濃度及與氨氧化細菌和反硝化細菌數量的關系[J].植物營養與肥料學報,2011,17(5):1156～1165.

[7]蔣靜艷,黃耀,宗良綱，等.環境因素和作物生長對稻田CH4和N2O排放的影響[J].農業環境科學學報,2003,22(6):711～714.

[8]梁巍,張穎,岳進，等.長效氮肥施用對黑土水旱田CH4和N2O排放的影響[J].生態學雜志,2004,23(3):44～48.121

[9]Hadi A,Jumadi O,Inubushi et al.Mitigation options for N2Oemission from a corn field in Kalimanntan,Indonesia[J].Soil Science and Plant Nutrition,2008,54(4):644～649.

[10]Ding WX,Cai Y,Cai ZC et al.Nitrous oxide emissions from an intensively cultivated maize-wheat rotation soil in the North China Plain[J].Science of the total environment,2007,373:501～511.

[11]Bouwman AF,Boumans LJM,Batjes NH.Emissions of N2O and NO from fertilized fields:Summary of available measurement data[J].Global Biogeochemical Cycles,2002,16(4):1058.

[12]王立剛,李虎，邱建軍，等.黃淮海平原典型農田土壤N2O的排放特征[J].中國農業科學,2008,41(4):1248～1254.

收稿日期：2016-04-22

作者簡介：尹釋玉(1989—)，男，吉林農業大學資源與環境學院碩士研究生。

中圖分類號：X592

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)12-0152-03

The Progress of Study on N2O Emissions in Cropland

Yin Shiyu

(ResourcesandEnvironmentSchool,JilinAgriculturalUniversity,ChangchunJilin130118,China)

Abstract:Global warming has become an indisputable fact. N2O, an important component of the greenhouse gas, received much attention from experts and scholars at home and abroad. Therefore, soil as a major source of N2O emissions and cause for concernhas gotmuchstressed. N2O as the intermediate product of nitrification and denitrification in soil,its emissions receives soil physics and chemistry character, climatic factor and farmland measure influences. This article provided an overview of agricultural soil N2O emission mechanism and influencing factors. At the same time, it systematically summarized the observation of the methods used by both at home and abroad, and put forward the corresponding countermeasures to reduce emissions, in order to control soil N2O emission andtoprovide some references for the development of low carbon agriculture.

Key words:greenhouse gases; N2O emissions;action mechanism;impact factor;emission reduction measures