孫麗惠，李中強

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所，遼寧 沈陽 110161)

當前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動不斷改變著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中作物和土壤等田間環(huán)境的變化，而且也對全球氣候變化造成了重要的影響。 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體的重要來源之一，其對氣候變化的影響主要是通過改變3 種溫室氣體，即二氧化碳( CO2)、甲烷( CH4)和氧化亞氮( N2O)在 SPAC(土壤一植物一大氣連續(xù)體)之間的交換而導(dǎo)致的。 根據(jù)研究表明，當前大氣中CH4的70%和N2O 的90%來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等過程，而CO2排放的源匯問題也與土地利用和農(nóng)業(yè)活動聯(lián)系極為緊密，所以，農(nóng)田溫室氣體相關(guān)研究成為當前氣候變化研究中的重要組成部分[1]。 我國北方主要是以旱地農(nóng)業(yè)為主，隨著以全球變暖為主要特征的氣候變化問題研究的不斷深入，旱地農(nóng)田溫室氣體排放問題已成為當前的研究熱點。

由于CH4的主要來源是天然濕地和水稻田，旱田中缺乏淹水所導(dǎo)致的厭氧呼吸，與甲烷產(chǎn)生有關(guān)的微生物難以生存，并且缺水的好氣性土壤可以對甲烷有部分吸收[1]，所以，旱地農(nóng)田通常不會成為甲烷的排放源， 其主要溫室氣體的排放為 N2O 和 CO2。

1 旱地農(nóng)田土壤N2O 排放研究進展

1. 1 旱地農(nóng)田土壤N2O 的排放機理

氧化亞氮( N2O) 的排放主要來自于人為源，其中旱作農(nóng)田是N2O 的主要排放源。 農(nóng)田N2O排放主要來自于在土壤相關(guān)微生物的作用下的硝化和反硝化過程，其過程可表示為[2]:

硝化過程通常發(fā)生在土壤水分含量較低情況下，其過程中會釋放N2O；而反硝化過程通常發(fā)生在土壤淹水條件下，其過程中會釋放N2O，也會將N2O 繼續(xù)轉(zhuǎn)化成N2。

1. 2 農(nóng)田土壤N2O 排放的影響因素

研究表明，旱田土壤N2O 排放主要受到作物種類、土壤微生物、土壤理化性質(zhì)、耕作措施(施肥水平和灌溉管理)等影響，其中土壤理化性質(zhì)包括土壤通氣狀況、土壤質(zhì)地、土壤溫濕度等要素。

1. 2. 1作物種類

N2O 排放是受種植的作物及其土壤環(huán)境共同影響的，所以，在旱地農(nóng)田中種植的作物種類是影響其N2O 排放的首要因素。 黃國宏等對玉米的研究發(fā)現(xiàn)，相同的土壤條件下且不施氮肥種植玉米與裸地的N2O 排放差異極大，種植玉米會導(dǎo)致N2O 排放倍增[3]。 張國等研究也表明，種植玉米比小麥和水稻會產(chǎn)生更高的溫室氣體排放當量[4]。 這些N2O 排放的差別可能是與種植不同作物導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)管理方式以及作物和土壤之間的相互影響等多方面原因所致，其相關(guān)機制仍需開展更多研究。

1. 2. 2土壤微生物

旱地農(nóng)田N2O 排放主要與微生物主導(dǎo)的氮素轉(zhuǎn)化過程有關(guān)，所以，其排放量與相關(guān)微生物數(shù)量有著密切關(guān)系，而且微生物相關(guān)酶的活性也會影響N2O 的排 放量[5～6]。 旱地 N2O 排放 是由硝化作用還是反硝化作用產(chǎn)生主要是由土壤中還原酶的活性來決定，當還原酶活性高時反硝化作用強度增強，土壤中還原酶活性與土壤透氣性密切相關(guān)，淹水厭氣條件下其活性最強，但旱田土壤通常處于非淹水好氣性狀態(tài)，所以，旱地土壤中硝化過程產(chǎn)生的N2O 通常要高于反硝化過程[7]。 王亞男等研究還發(fā)現(xiàn)土壤微生物群落組成和變化也會導(dǎo)致N2O 的排放產(chǎn)生差異[8]。

1. 2. 3土壤理化性質(zhì)

土壤通氣狀況主要受土壤含水量、 O2在土壤中是否容易擴散和作物以及土壤微生物耗氧量的影響[9]。 Anderson 等研究表明，土壤充氧后的180 h 內(nèi)，土壤中 N2O 排放量隨著土壤含氧量的增加而顯著增加， 但超過320 h 后，N2O 的排放量卻隨土壤含氧量的降低而增加[10]。 徐新超等研究表明，土壤通氣狀況決定土壤發(fā)生硝化、反硝化作用的強度， 土壤通氣狀況好的條件下反硝化作用較弱[11]。

土壤質(zhì)地對N2O 排放的影響主要通過影響土壤保水能力和土壤通透性間接改變了硝化作用和反硝化作用強度。 翟洋洋的研究表明，土壤中黏粒比例較高時，N2O 排放要高于砂粒比例高時，這是不同土壤質(zhì)地土壤的保水能力所間接導(dǎo)致的[12]。 徐華等研究中發(fā)現(xiàn)，在相同管理措施不同土壤質(zhì)地的小麥和棉花田中，排放的N2O 存在顯著差異，壤土比其他質(zhì)地土壤存在著較高的N2O排放[13]。

土壤溫度對N2O 排放的影響主要與相關(guān)微生物活性有關(guān)。 石洪艾等研究表明，在常溫條件下，N2O 的排放量與土壤溫度成正相關(guān)關(guān)系 ，白天溫度高于夜晚，N2O 排放也較高。 夏季的N2O排放量也高于冬季，這主要是受到夏季土壤溫度高，微生物活性也較高的影響[14]。

土壤含水量的高低對硝化過程和反硝化過程均產(chǎn)生影響，土壤水分較低時，N2O 的產(chǎn)生主要來源于硝化過程；反之，尤其是超過田間持水量后，則主要來源于反硝化過程。 康新立等研究表明，土壤干濕變化導(dǎo)致了土壤硝化作用和反硝化作用的不斷交替，而且，因為干濕交替的存在，使得土壤無法長時間處于淹水條件，從而減少反硝化過程中對N2O 的進一步還原，從而導(dǎo)致N2O 排放增加[15]。

土壤 pH 主要影響了土壤中與N2O 排放相關(guān)的微生物的活性。 王海飛等研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤中的部分硝化菌在 pH 值7 ～8 時活性最強，但其它的一些異養(yǎng)微生物受pH 值影響較小，但這些異養(yǎng)微生物在某些酸性土壤中可能會起主導(dǎo)作用[16]。 此外，土壤pH 值在土壤溫濕度不同時對N2O 排放的影響有較大差異，需待進一步研究。

1. 2. 4耕作措施

農(nóng)田施用氮肥、進行土地耕作等會顯著影響農(nóng)田土壤N2O 排放。 不同氮肥種類和施氮肥量會導(dǎo)致 N2O 排放有顯著差異。 黃國宏等研究發(fā)現(xiàn)，施肥采用長效NH4HCO3和緩釋尿素能降低N2O 排放，長效NH4HCO4和緩釋尿素相比普通尿素能分別減少N2O 排放76%和58%[3]。

土壤結(jié)構(gòu)的不同會影響N2O 在土壤中的運移。 伍延正等人研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過耕作的土壤N2O排放要高于自然土壤，原因是耕作后的土壤中土壤有效氮的含量更高。 而同樣在耕作土壤中， 免耕和少耕土壤，土壤空隙度較小，土壤水分不容易蒸發(fā)和流失，因此，其N2O 排放量要高于經(jīng)常翻耕的土壤[17]。

1. 2. 5減排措施

旱田 N2O 減排的方法主要控制氮的來源和減緩硝化、反硝化作用，但這些的前提是不能降低農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量。 目前，主要采用的減排方式有:增加氮肥利用效率、采用緩釋肥、添加脲酶、硝化抑制劑等。 研究發(fā)現(xiàn)，利用模型運算僅提高氮肥利用效率從30%到60%而其它要素不變 ，可以減排N2O38.5%[18]。

2 旱地農(nóng)田土壤CO2 排放研究進展

2. 1 旱地農(nóng)田土壤CO2 的排放機理

土壤排放CO2的過程稱作“土壤呼吸”，旱地農(nóng)田的土壤呼吸包括土壤微生物呼吸、作物根系呼吸和其它碳化合物的氧化，旱田CO2的產(chǎn)生主要來自于微生物的異養(yǎng)呼吸和作物根系的自養(yǎng)呼吸[19]。

2. 2 農(nóng)田土壤CO2排放的影響因素

農(nóng)田土壤CO2的排放通量主要受生物因素、土壤理化性質(zhì)和耕作措施等影響。 其中土壤的理化性質(zhì)主要改變了種植作物和微生物的生存環(huán)境，農(nóng)田耕作措施的不同改變了耕作土壤與作物之間的關(guān)系，間接影響 CO2產(chǎn)生。

2. 2. 1生物因素

旱田CO2的產(chǎn)生與土壤微生物和農(nóng)田作物直接相關(guān)。 土壤中的各種有機物質(zhì)和土壤原有腐殖質(zhì)，其中部分有機碳以能量形式供微生物消耗，轉(zhuǎn)化成CO2釋放出來。 作物通過光合作用從大氣中固定的碳，也經(jīng)由作物本身的呼吸作用導(dǎo)致其中的一部分再一次排放到外界[20]。 而且土壤動物，如蚯蚓、螞蟻等的呼吸和由于它們的生存活動改變了土壤理化性質(zhì)，這也直接和間接的影響到CO2的釋放。

2. 2. 2土壤理化性質(zhì)

在一定范圍內(nèi)提高土壤溫度可以導(dǎo)致 CO2排放上升，其主要原因是溫度增加導(dǎo)致土壤有機質(zhì)加快分解，并且也一定程度提高了相關(guān)微生物的活躍程度[21]。 陳全勝等人研究表明，在低溫條件下，隨著溫度上升 CO2排放量與溫度成正比；當溫度增加到一定閾值后，其影響 CO2排放的效果逐漸下降[22]。

土壤質(zhì)地主要通過透氣性和土壤含水量來影響CO2的排放。 蔣躍林等人研究表明，當土壤溫濕度不變時，土壤質(zhì)地是影響CO2排放的主導(dǎo)因素，土壤質(zhì)地越細密，CO2在土壤中的運移越困難， CO2排放量越小[23]。

土壤含水量決定了作物生長過程中的水分吸收，也對土壤中的含氧量、土壤溶質(zhì)以及土壤酸堿度等產(chǎn)生影響。 Yang 等發(fā)現(xiàn)，在非淹水條件下，CO2排放與土壤含水量關(guān)系極為顯著[24]。 張延研究表明，土壤含水量與其他土壤理化性質(zhì)相比，其對CO2排放的影響最為明顯[25]。

土壤pH 對CO2排放也影響顯著，于偉家研究證明，隨著pH 值的降低CO2排放量增加，但降低到pH 為3.05 后，隨著pH 值的繼續(xù)降低，CO2的排放量減少[26]。 但土壤pH 值只是影響CO2排放的間接原因，其主要原因是因為隨著土壤酸堿程度的變化，土壤中微生物生存環(huán)境和其他礦物質(zhì)元素的構(gòu)成方式受到了影響，從而影響了CO2的排放。

2. 3 耕作措施

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的耕作方式及水肥管理都對農(nóng)田土壤CO2釋放量產(chǎn)生重要影響。 土壤的耕作導(dǎo)致土壤孔隙度增強，土壤有機質(zhì)暴露度增加而易于分解；此外，土壤透氣性(增加)和土壤溫濕度隨耕作而受到影響，與有機質(zhì)的礦化的相關(guān)微生物活性也隨之變化，這個過程也容易影響CO2排放(增加)。

農(nóng)田土壤經(jīng)過長期施肥后土壤中各種營養(yǎng)成分存在較大差異，從而影響CO2的排放。 劉爽等研究發(fā)現(xiàn)，土壤CO2排放隨著施肥量的變化存在季節(jié)性變化規(guī)律，不同施肥量和施肥方式導(dǎo)致的CO2排放差異較大[27]。 農(nóng)田中微生物活動也可能受施肥影響，施肥使農(nóng)作物脫落枝葉分解速度產(chǎn)生變化，而這些對變化方面的研究現(xiàn)在還很少。

3 農(nóng)田溫室氣體測量方法

農(nóng)田溫室氣體的測量方法主要包括箱法(靜態(tài)箱、動態(tài)箱)和微氣象法。 箱法是應(yīng)用最為普遍的方法之一，箱法是用一個特制的箱子罩住下方的土壤及其植物，并保持密閉。 通過測量密閉后不同時間所抽取的箱內(nèi)氣體濃度，從而計算所抽取氣體的排放通量。

當前靜態(tài)箱—氣相色譜法是對農(nóng)田CO2和N2O 通量檢測和分析的最主要方式，操作簡單、造價低、使用范圍廣，但箱法也有缺點，其無法動態(tài)測量氣體的排放通量，只能得到瞬時值。 萬運帆等研究結(jié)果表明，采用密閉箱測量會受到溫度、密閉時間、箱體透明狀況等的影響比較大， 溫度高、天氣晴朗時要減少測量的密閉時間[28]。 而且，箱法測量還存在時效性的問題，采樣后無法就地進行氣體濃度分析，另外，需把采集到的樣品帶到實驗室用氣象色譜儀進行測定，在這一過程中就會導(dǎo)致樣品泄露或污染，從而影響測量值的準確性。

微氣象法是利用氣體在地表的湍流過程，通過測量氣體的濃度和湍流狀況，以此計算被測氣體排放通量。 其中主流的研究方法是渦度相關(guān)法。 渦度相關(guān)法是通過測量不同高度垂直風速和被測氣體密度的脈動值，根據(jù)連續(xù)方程，計算氣體的排放通量。

渦度相關(guān)法的優(yōu)點在于不干擾被測氣體，且可以做到長期動態(tài)連續(xù)觀測，相比箱法測得的數(shù)據(jù)代表的面積更大。 但想要測量準確就必須選點合適，對儀器精度和響應(yīng)速度也有較高要求，但在應(yīng)用上很難達到以上要求，其測量值需要采用其他測量方法進一步驗證， 這就使測量比較復(fù)雜，而且不確定性加大，容易出現(xiàn)偏差，不易大范圍使用[29]。 趙佳玉等研究表明，利用渦度相關(guān)法測量 N2O 排放通量，由于傳感器無法及時快速的響應(yīng)，導(dǎo)致測量結(jié)果存在較大誤差， 所以，對 N2O 的渦度相關(guān)法測量還處于嘗試階段[30]。

4 存在的問題和展望

綜上所述，農(nóng)田溫室氣體排放是氣候變化科學研究中的重要內(nèi)容之一，也是研究農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。 研究表明，旱地農(nóng)田溫室氣體排放主要為N2O、CO2，目前，已在排放規(guī)律和影響機制等有了較多的研究結(jié)果。 但眾多研究結(jié)果同時表明，農(nóng)田溫室氣體排放受諸多因素影響，而且是眾多因素綜合作用的結(jié)果，當前的研究主要集中在生成機理、單個或幾個影響因素上， 所以，相關(guān)研究需要更加深入，特別是旱地農(nóng)田溫室氣體的總體排放規(guī)律與評價方面的研究有待加強。隨著氣候變化問題研究日益深入，由大氣中溫室氣體增加所導(dǎo)致的全球氣候變暖已成共識，回答不同溫室氣體排放特征及其溫室效應(yīng)貢獻是減緩氣候變化根本途徑。 為了更好的解釋旱地農(nóng)田溫室氣體排放特征與規(guī)律，應(yīng)進一步加強以下方面的研究:

4. 1深入開展不同作物各種種植方式條件下的旱地農(nóng)田溫室氣體排放研究，為提出不同條件下旱地農(nóng)田溫室氣體減排措施提供理論依據(jù)。

4. 2加大非生物因素與生物因素綜合影響下的旱地農(nóng)田溫室氣體研究， 深入探討多要素綜合影響旱地農(nóng)田溫室氣體的排放特征與規(guī)律，從而制定旱地農(nóng)田溫室氣體綜合減排模式。

4. 3研究溫室氣體排放綜合評估模型，從而整體估算大范圍區(qū)域尺度上農(nóng)業(yè)源溫室氣體的排放情況， 并對未來排放情景進行模擬，探究對未來環(huán)境的影響，為評估旱地農(nóng)田溫室氣體排放貢獻、制定減排措施、促進旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。