氣候變化影響下農田溫室氣體釋放的研究進展

于奇林程浩淼費文輝李曉霜丁偉

(1.揚州大學環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；2.日照山海天旅游度假區漁政監督管理站，山東 日照 276800；3.日照錦藍城市發展有限公司，山東 日照 276800；4.揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007)

溫室氣體(GHGs)過量釋放是全人類面臨的重要挑戰，其中農業作為全球溫室氣體的主要排放源之一，對全球變暖的影響不容忽視，其釋放量約占全球人為GHGs總量的10%～12%[1]。研究農田GHGs釋放機制對實現“雙碳”目標具有重要作用。

農田GHGs釋放主要有二氧化碳(CO2)、一氧化二氮(N2O)和甲烷(CH4)。農田CO2主要來自土壤微生物的呼吸作用，農田N2O來自硝化細菌和反硝化細菌在生長繁殖過程中的硝化和反硝化作用[2,3]。農田CH4主要釋放源是水田，由于長期的厭氧條件為產甲烷菌提供了適宜的生長環境，導致大量CH4釋放到大氣中[4]。在農業生產過程中，農田GHGs釋放主要受植物和微生物的共同作用[5]。然而，當前氣候變化條件下(如大氣溫度和大氣CO2濃度逐年升高等)，其會對農作物的生長和土壤微生物的呼吸作用造成不利影響[6,7]。因此，在當前氣候變化的大背景下，探索既能減少農田GHGs釋放又能保產的農藝措施對指導農業生產具有現實意義。

本文綜述了當前主流的氣候變化模型，分析了農田GHGs的主要釋放機理，進而總結了在氣候變化的背景下(尤其是T和大氣CO2濃度變化)對農田GHGs釋放的影響機理及相關模擬的研究進展，以期得到最佳的農藝措施和最少的農田GHGs釋放的目的。

1 氣候變化

氣候變化是指氣候平均狀態統計學意義上的巨大改變或者持續較長一段時間的氣候變動。氣候變化的原因有自然進程、外部強迫和人類活動。其中，人類活動導致的未來氣候變化情景設計一直是政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的主要工作之一。2000年IPCC在《排放情景特別報告》中定義了一套新的排放情景(SRES)，然而SRES情景并沒有考慮應對氣候變化的各種政策對未來排放的影響。因此，為協調不同科學研究機構和團隊的相關研究工作，在最新的第五次評估報告中開發了以穩定濃度為特征的新情景，并將其應用到氣候模式、影響、適應和減緩等各種預估中[8]。

新情景的開發分為以下3個階段：初始階段，開發一套輻射強迫和GHGs釋放濃度的路徑；平行階段，開發符合社會經濟的氣候模型；整合階段，將第一階段的信息整合到整體，進行影響和脆弱性評估。在第1階段開發的路徑稱為代表性濃度路徑(RCPs)，其不同路徑特點見表1[8]。這些數據為綜合評估模型提供了重要參考，同時在利用氣候模型的試驗中發揮了重要作用，為緩解氣候變化造成的農田GHGs釋放問題提供了替代途徑和解決辦法。

表1 不同RCPs路徑的特點

2 農田GHGs的釋放機理

圖1 農業GHGs釋放機理

3 氣候變化對農田GHGs的影響

3.1 氣候變化對農田GHGs釋放的影響機理

農田CO2釋放大多來自微生物的異養呼吸，N2O釋放直接或間接來自土壤。土壤微生物是許多生物化學過程的關鍵驅動力，相當一部分微生物都表現出對溫度的敏感性。當溫度升高時，微生物的呼吸速率、C礦化程度、硝化細菌和反硝化細菌的活性增強，CO2、N2O釋放量隨之增加[7,15]。此外，溫度升高還會加劇作物的水分脅迫導致產量降低，此時N2O釋放量會隨N利用率降低而升高[16]。溫度升高往往還伴隨著降雨量的再分配[17]，從而刺激反硝化作用影響N2O釋放[15]。當大氣CO2濃度升高時，更容易被分解的作物根系分泌物導致土壤中微生物活性增強，硝化作用和反硝化作用速率提高，也使得N2O釋放量增加[18]。

水田是農田CH4的主要釋放源[4]。其厭氧條件為產甲烷菌提供了適宜的生長環境，有機物在產甲烷菌的作用下分解形成CH4釋放到大氣中。當溫度升高時，土壤有機質的分解速率和產甲烷菌的活性增強[19]。CO2和CH4都與C循環有關，大氣CO2濃度升高可為CH4的產生提供充足的代謝基質，使得CH4釋放量增加[20]。

3.2 氣候變化條件下農田GHGs釋放的模擬研究

模擬氣候變化對農田GHGs釋放的影響需要綜合考慮不同農業生態系統的物理、生物和化學過程，精確模擬農田GHGs對氣候變化的反應[21,22]。當前，模擬氣候變化下農田GHGs釋放的主流農業系統模型有DNDC、RZWQM2、DAYCENT等。模擬農田GHGs釋放的步驟比較固定，利用氣候模型產生的氣象數據(如溫度、短波輻射、相對濕度等)導入到農業系統模型中，根據農藝措施選擇作物品種、種植方式、施肥量等，模擬結果需同時滿足校核和驗證的統計學參數要求。

Yu等[23]通過DNDC模型模擬了中國新疆的棉花種植。利用1986—2005年和3種2016—2035年(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)的氣候數據進行模擬，大氣CO2濃度分別為370ppm、437ppm、448ppm、468ppm。比較了在有無覆膜條件下溫度以及大氣CO2濃度變化對N2O釋放和產量的影響。模擬發現，隨著溫度的升高，硝化菌和反硝化菌的活性隨之增強，N2O釋放量增加。但溫度升高也加劇了作物水分脅迫的產生使得產量減少，此時產量隨降雨量的增加而增加。在比較不同氣候條件下覆膜的影響時，發現覆膜能夠促進了棉花根系對N的吸收使得產量增加，同時N2O釋放量減少了12.83～63.74kg·hm-2。

Nie等[19]通過DNDC模型模擬了中國東北的水稻種植。利用5種全球氣候模型和2種RCPs(RCP4.5和RCP8.5)組合生成氣候數據。模擬發現，1960—2015年CH4釋放量為98.27～215.94kg·hm-2，在RCP4.5和RCP8.5情況下分別為160.00～318.68kg·hm-2和167.15～442.07kg·hm-2。為了進一步分析大氣CO2濃度和氣候變化的影響，將氣候數據分為以下4組：不改變CO2濃度和溫度；僅改變CO2濃度(CO2only)；僅改變溫度(T only)；同時改變CO2濃度和溫度(CO2+T)。模擬發現，同第1組相比，CH4釋放量分別增加了13.74%、16.31%和32.78%；這是因為溫度升高加快了土壤有機質的分解和產甲烷菌的活動，大氣中CO2濃度增加為CH4的產生提供了更多的代謝基質。

Minamikawa等[24]通過DNDC模型模擬了泰國的水稻種植。利用7種全球氣候模型和4種RCPs(RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5)組合生成氣候數據。比較3種灌溉方式(持續灌水；每月為1周期，灌水20d后排水10d；每周為1周期，灌水3d后排水4d)下氣候變化對CH4釋放的影響。模擬發現，在持續灌水的灌溉方式下，2051—2060年在4種RCPs下CH4釋放量分別比2001—2010年多5.3%～7.8%、9.6%～16.0%、7.3%～18.0%和13.6%～19.0%。其中，以月為周期和以周為周期的頻率灌溉方式下CH4釋放量分別比2001—2010年減少了21.9%～22.9%和53.5%～55.2%。產甲烷菌是專性厭氧菌，水稻田中干濕交替灌溉頻率增加破壞了厭氧環境，使得CH4釋放量大幅度減少。為具體分析大氣CO2濃度和氣候變化的影響，T only、CO2only、CO2+T時釋放量分別增加了1.3%、12.7%和12.5%。這是因為CH4和CO2都與C循環有關，CH4釋放量與CO2濃度呈正相關。此外，溫度升高使得土壤有機C分解和C礦化增強，導致CH4釋放量增加。

Jiang等[7]通過RZWQM2模型模擬了加拿大魁北克省南部的玉米、大豆輪流種植。利用11種耦合的全球氣候模型和區域氣候模型生成氣候數據，整理發現，2038—2070年的最低溫度、最高溫度、大氣CO2濃度分別比1971—2000年高5.0℃、13.3℃、204ppm。模擬發現，由于溫度升高導致玉米灌漿期變短使產量下降7%，而大豆屬于C3作物，對CO2濃度變化更為敏感，產量增加了31%。在氣候變化下農田CO2和N2O的釋放量分別增加15.7%和20.8%。為具體分析T及大氣CO2濃度變化造成的影響，當T only時，微生物呼吸速率、C礦化作用、硝化作用、反硝化作用增強，使得CO2、N2O排放量分別增加1.9%和9%。當CO2only時，作物殘留物累積量增加使得土壤C、N礦化以及根系分泌物的分解加快導致土壤微生物活性增強，CO2、N2O釋放量分別增加15%、13%。在模擬其他氣候變化(如降雨量、太陽輻射、相對濕度、風速)的影響時，農田GHGs釋放量的變化范圍均在2%以內。

Rafique等[25]通過DAYCENT模型模擬了美國艾奧瓦州的玉米和大豆種植。模擬時以2003年的實測氣候數據為基礎，根據大氣環流模型預測，未來地球溫度升高會伴隨著降雨量的變化。其中，氣溫升高2℃加旱季40%的降水重新分配到雨季較為合理。模擬發現，N2O、CO2釋放量分別減少9%和38%，而CH4釋放量增加10%。這是因為溫度和干旱極端事件的增加會影響土壤生物活性，降低細菌的分解能力，最終導致生物量減少和土壤肥力降低，使得N2O釋放量隨之減少。CH4和CO2都與C循環動力學直接相關，CO2釋放量減少是由于免耕條件下土壤有機質含量較高，而溫度升高加速土壤有機質分解，導致CH4釋放量增加。

此外，還有學者在模擬農田GHGs釋放時考慮了施肥量、排水方式、耕作方式[26,27]等農藝措施對農田GHGs釋放的影響，發現這些措施會通過改變土壤的pH值、含水量、有機物殘留量等進而影響農田GHGs釋放。因此在探索減少農田GHGs釋放的最佳農藝措施時需要綜合各種因素的影響。

4 結論

本文綜述了農田GHGs釋放機理、氣候變化對不同類型農田GHGs釋放的影響及其模擬研究，比較了不同農藝措施對減少農田GHGs釋放的影響，研究成果可為實現“雙碳”目標提供參考。主要結論如下。

在氣候變化背景下，影響農田GHGs釋放最重要的因子是大氣CO2濃度和T，其他氣候因子對其釋放量影響相對較小，如降雨量、太陽輻射、相對濕度、風速等。

通常條件下，大氣CO2濃度和T升高都會導致農田GHGs釋放量增加。主要是因為當T升高時，微生物呼吸作用、活性以及土壤有機質分解速率增強，礦化程度提高；當大氣CO2濃度升高時，代謝基質、作物殘留物累積量增加，土壤微生物活性增強。

在氣候變化背景下，管理者可以通過改變農藝措施(如覆膜、增加干濕交替灌溉頻率、減少施肥、優化排水方式、改變耕作方式等)以減少農田GHGs的釋放量。