生物质炭对农田温室气体排放的作用效应及其影响因素探讨

气候变暖已成为当今全球关注的焦点。农田生态系统作为CO2、CH4、N2O等温室气体的主要排放源,在全球温室效应中起重要作用。近年来,由于生物质炭在改善土壤性质,提高土壤碳汇和控制农业温室气体排放方面的巨大应用潜力,特别是对土壤碳的增汇减排作用,已成为土壤学和环境科学的研究热点。目前,关于生物质炭在农田温室气体排放方面的影响研究主要集中在我国华中、太湖平原、成都平原等地。然而由于受空间地域、实验条件等因素的差异,众多学者开展生物质炭作用于农田温室气体排放的研究结果不尽相同,也未曾见有报道从影响因素的角度深入探讨其作用机制。综述对比了近几年来国内外关于生物质炭对农田温室气体排放的影响研究,并从生物质炭的种类、施炭量、应用的土壤类型以及耕作方式和施肥条件等因素探讨了生物质炭对农田温室气体排放的作用机制。旨在通过改变生物质炭的种类和施炭量等条件,从而为抑制农业温室气体的排放乃至缓解全球气候变化提供可靠的科学依据。综合各项研究发现,秸秆炭在抑制农田温室气体排放方面要优于其他种生物质炭;40 t·hm-2的施炭量是一个既能提高作物产量又能实现固碳减排目标的较好选择;单作物耕作方式和合理的保护性耕作技术有利于减少农田温室气体的排放;在肥料的施用选择上,施用氮磷钾有机肥比普通氮肥更能有效地减少农田温室气体的综合排放效应。然而,从微生物活性和群落结构变化的角度深入探讨生物质炭作用于农田温室气体排放的微观机理及其温室气体减排还仍需进一步的研究。     

中国农田主要温室气体排放特征与控制技术

全球气候变化已成为不争的事实,已经引起了各国科学家和政府的高度重视。人类活动向大气中排放的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等温室气体浓度的增加是导致气候变化的重要原因之一。农田土壤是这三种温室气体的重要来源。文章概述了农田土壤CO2、CH4和N2O三种主要温室气体的排放机制,系统总结了国内对这三种温室气体排放通量的观测研究,提出了相应的减排技术对策,并对目前的研究问题和未来的发展方向作了深入的探讨,以期为控制农田土壤温室气体排放、发展低碳农业提供参考依据。     

农田土壤温室气体产生机制及影响因素研究进展

农田土壤通过微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤动物呼吸,释放大量温室气体,成为大气中主要温室气体(CO2、CH4和N2O)的重要来源.文章在阐述土壤温室气体产生机制的基础上,着重从土壤生物、土壤理化性质(主要包括温湿度、有机质、pH、Eh、土壤质地等)、水肥管理及耕作措施等角度对农田土壤温室气体释放的影响进行了综述,对土壤温室气体的减排措施进行了总结,并就今后农田土壤温室气体的研究重点和方向进行了展望.     

施肥对冬小麦土壤温室气体排放的影响

通过对不同施肥处理下冬小麦（Triticum aestivum）农田土壤温室气体排放的测定,研究了巢湖流域圩区农业生态系统春季土壤温室气体的排放特点。结果表明,土壤温室气体通量与温度等因素正相关,与土壤水分质量分数负相关,不同施肥方式对土壤温室气体排放也有重要影响。土壤系统维持持续的CO2气体排放,土壤是CO2气体的净排放源;CH4的情况则较为复杂,在较低温度条件下,土壤可以吸收少量的CH4气体,随着温度的上升开始出现CH4的净排放。与对照相比,优化施肥、减量施肥＋秸秆还田、常规施肥可减少的温室气体排放量折合CO2体积当量分别相当于减排12.0%、20.5%、17.6%,合理的施肥管理可以大幅度减少温室气体的排放。     

施肥及秸秆还田处理下玉米季温室气体的排放

以华北地区冬小麦-夏玉米轮作农田为研究对象,在玉米整个生长季,运用静态箱法针对正常施肥及正常施肥结合秸秆还田处理进行了为期3年N2O排放通量的连续观测,并开展了1季CO2和CH4交换通量的研究.在玉米整个生长过程中施肥阶段N2O的排放量占到了总排放量的83%—96%,表明现有化肥的使用明显导致了农田N2O排放增加.与控制地相比,施肥和耕种可导致玉米田CO2排放明显增加,且正常施肥及秸秆还田样地CO2排放主要集中在苗期至吐丝期.控制地、正常施肥样地及施肥结合秸秆还田样地CH4的累积排放量均为负值,说明旱地土壤是CH4的一个汇.秸秆还田在一定程度上增加了玉米季N2O和CO2的排放量,但对CH4的吸收有所抑制.正常施肥样地和秸秆还田样地全球净增温潜势分别为-1392.8 kg C.hm-2和-179.2 kg C.hm-2,表明华北农田在现有耕作方式下是大气温室气体的一种重要汇.     

土壤温室气体产生与排放影响因素研究进展

土壤是温室气体(如CO2、CH4和N2O)产生的重要源,土壤温室气体主要来自于微生物呼吸,植物根呼吸和土壤动物呼吸。土壤温室气体排放机制及其影响因素是研究全球碳氮循环的重要组成部分。研究表明,影响土壤呼吸的因素很多,土壤理化性质如温度、含水量、有机质含量、pH值、氧化还原电位(Eh)、土壤质地等因素都可以直接影响土壤微生物量及其生理生化过程,从而影响温室气体排放。其中,土壤温度,湿度、有机质含量是关键性因素。此外,地域气候、土地利用以及土地覆盖变化也可以通过改变土壤理化性质及呼吸底物来影响温室气体排放。文章重点论述了土壤温室气体排放机制,排放影响因素以及排放的日变化和季节变化规律。认为今后的研究方向应该是土壤微环境碳氮循环机制,土壤呼吸模型在尺度上的推延,以及注重中国陆地与近海生态系统碳固定及减少碳排放的对策和应用技术研究,特别在人工林碳固定及农业固碳减排方面加大研究力度等。     

吉林西部盐碱水田区全球变暖潜势研究

为了探讨吉林西部土地整理工程对区域全暖所做贡献,基于实测的水田土壤温室气体数据,进行区域温室气体排放分析,为进一步评估水田开发对全球变暖的影响提供科学依据。以吉林省西部盐碱水田区为研究对象,将野外调查采样和小区试验相结合,采集了水田的0-30 cm表层土壤样品带回进行小区实验。在小区内挖取100 cm×100 cm×50 cm的坑,在土坑底部铺设塑料布后,将从采样点带回的土壤填进坑内灌水,种植水稻,6块样地分别为不同开发年限,其处置模式与前郭当地的水肥管理相同,样地周围挖掘了排水渠。通过静态箱-气相色谱法监测水稻生长期土壤所释放的温室气体 CH4,N2O 和CO2,计算水稻不同生长时期温室气体排放量及贡献率,估算研究区的区域变暖潜势（GWP）,结合30年水田面积变化加权法分析温室气体GWP贡献率。结果表明：水田生长期温室气体排放总量（以CO2气体计）随着开发年限的增加呈递增趋势,水田开发过程中CO2、CH4和N2O各时期温室气体排放的贡献率都有一定变化,CO2气体排放贡献率占主导地位在80%左右,CH4的贡献率16.69%-20.39%,是N2O的14-22倍,水田CH4气体的排放对研究区综合温室效应有较大贡献,水田开发初期N2O气体贡献率较成熟水田相比较高。在水稻生长旺盛期CO2气体贡献率下降明显,CH4气体贡献率显著升高,N2O气体贡献率变化不大,在返青期和成熟期CH4和N2O 2种气体贡献率均较小,其中,除成熟期外新开发水田的CH4气体贡献率均高于成熟水田,在水稻生长发育较快速的分蘖期、拔节孕穗期和抽穗开花期,CO2气体贡献率下降且降幅明显,该阶段CH4气体对温室效应的贡献比重加大,远高于N2O气体。在水稻成熟期,3种温室气体的贡献率与其他时期相比发生较大变化,CH4比 N2O 略有优势,CO2所占比例恢复至95%。?     

施肥与不施肥措施下小麦田的CO2、CH4、N2O排放日变化特征

二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）是对全球气候变化影响最大的温室气体。由于土壤与大气之间的水热交换需要一定的传导平衡时间,因此土壤温室气体与温湿度之间的关系存在不同的表现形式。目前,有关温室气体研究多集中于季节性排放特征,而关于CO2、CH4、N2O的日变化研究却少见报道。以北京小麦（Triticum aestivuml）农田土壤为研究对象,对施肥和不施肥条件下CO2、CH4、N2O交换通量和气温、土壤温度进行连续观测,来探讨3种温室气体的日变化特征。采用人工静态暗箱法对小麦田土壤进行连续48 h原位观测,每2 h测定1次,每次盖箱时间为30 min。气体样品中的CO2、CH4、N2O用气相色谱仪（Agilent 6890A,FID/ECD）测定。结果表明：施肥与不施肥条件下小麦生育后期麦田土壤CO2、CH4、N2O交换通量具有明显的日变化特征。土壤表现为CH4的吸收汇、CO2和N2O的排放源。CH4的吸收通量、CO2和N2O的排放通量均表现为施肥区＞对照区。CO2、CH4的交换通量的70%以上出现在白天,而施肥区和对照区的N2O白天排放通量分别达到全天的81.8%、91.1%。另外,相关性分析表明,CO2、N2O交换通量的日变化与气温和5 cm地温呈极显著（P＜0.01）或显著（P＜0.05）的正相关关系,且N2O交换通量日变化与10 cm地温呈现极显著的正相关关系,说明温度是影响CO2、N2O交换通量日变化的重要因素;而气温、5 cm地温、10 cm地温对CH4交换通量日变化不存在显著性影响。     

施肥与不施肥措施下小麦田的CO_2、CH_4、N_2O排放日变化特征

二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)是对全球气候变化影响最大的温室气体。由于土壤与大气之间的水热交换需要一定的传导平衡时间,因此土壤温室气体与温湿度之间的关系存在不同的表现形式。目前,有关温室气体研究多集中于季节性排放特征,而关于CO2、CH4、N2O的日变化研究却少见报道。以北京小麦(Triticum aestivuml)农田土壤为研究对象,对施肥和不施肥条件下CO2、CH4、N2O交换通量和气温、土壤温度进行连续观测,来探讨3种温室气体的日变化特征。采用人工静态暗箱法对小麦田土壤进行连续48 h原位观测,每2 h测定1次,每次盖箱时间为30 min。气体样品中的CO2、CH4、N2O用气相色谱仪(Agilent 6890A,FID/ECD)测定。结果表明:施肥与不施肥条件下小麦生育后期麦田土壤CO2、CH4、N2O交换通量具有明显的日变化特征。土壤表现为CH4的吸收汇、CO2和N2O的排放源。CH4的吸收通量、CO2和N2O的排放通量均表现为施肥区对照区。CO2、CH4的交换通量的70%以上出现在白天,而施肥区和对照区的N2O白天排放通量分别达到全天的81.8%、91.1%。另外,相关性分析表明,CO2、N2O交换通量的日变化与气温和5 cm地温呈极显著(P0.01)或显著(P0.05)的正相关关系,且N2O交换通量日变化与10 cm地温呈现极显著的正相关关系,说明温度是影响CO2、N2O交换通量日变化的重要因素;而气温、5 cm地温、10 cm地温对CH4交换通量日变化不存在显著性影响。     

温度和土壤含水量对温带森林土壤温室气体排放的影响

全球温带森林土壤是影响陆地主要温室气体——二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的重要源和汇,土壤温湿度的交互作用是影响温室气体吸收与释放的重要影响因素,但目前针对温带森林土壤的温湿度变化对温室气体的影响研究甚少。本研究用自动控制温湿度的人工气候箱模拟不同温度(5、10、15℃)和土壤水分含量(最大田间持水量的20%、40%、60%、80%)环境,比较研究3种我国温带典型森林土壤CO2、N2O、CH4的通量动态变化及其综合增温潜势(GWP)。结果表明:温度和土壤含水量增加会导致3种森林土壤的CO2和N2O表现为排放源、CH4为弱吸收汇。其中,阔叶林和针叶林土壤CO2排放通量变化幅度相近,针阔混交林的排放通量波动范围较小于二者;针阔混交林和阔叶林土壤的N2O排放通量变化幅度相近,而针叶林土壤的排放通量波动范围明显高于二者;阔叶林土壤CH4吸收通量随温度和土壤含水量增加的幅度较其他2种林型显著。3种林型土壤GWP受温度和土壤含水量影响的敏感性由高到低依次为阔叶林针叶林针阔混交林。     

杀虫剂对土壤温室气体排放的影响

在室内培养条件下,研究了在施用尿素的土壤（有效氮质量分数为200 mg·kg^-1）中分别添加不同剂量（在5、10和50 mg·kg^-1）的吡虫啉和毒死蜱2种杀虫剂时,杀虫剂对土壤温室气体CO2、N2O和CH4排放过程的影响。结果表明：和空白相比,施用尿素明显地增加了土壤中温室气体N2O和CO2的排放量,但对CH4的排放无明显影响。当施用5 mg·kg^-1吡虫啉时,土壤中N2O和CO2排放总量和尿素处理相比无明显差异,但吡虫啉用量上升至10和50 mg·kg^-1时则显著降低了温室气体N2O和CO2的排放量（P〈0.05）,N2O排放量分别降低了26.89%和53.10%,CO2排放量分别降低15.14%和13.79%。毒死蜱在5、10和50 mg·kg^-1三种用量时土壤的N2O排放量与尿素处理相比均无明显差异。毒死蜱在5和10 mg·kg^-1用量时则明显抑制了土壤CO2的排放（p〈0.05）,分别比尿素处理降低了19.88%和19.02%;用量上升到50 mg·kg^-1用量时,土壤的CO2排放量与尿素处理相比无差异。吡虫啉和毒死蜱对CH4排放量均没有明显影响。可见,杀虫剂施用明显影响到土壤温室气体的排放,但不同杀虫剂品种及其用量的效应也存在明显差异。     

玉米免耕秸秆覆盖对土壤微生物群落功能多样性的影响

为了研究免耕对土壤微生物功能多样性的影响,本项试验运用Biolog-ECO检测手段,对连续2年的玉米（Zea mays L.）保护性耕作试验全部秸秆覆盖免耕和常规耕作2种耕作处理的土样进行了土壤微生物功能多样性研究。试验表明：（1）免耕土壤微生物对碳源利用率以及不同碳源利用率高于常规耕作,免耕对总体碳源利用率平均值比常规耕作高53.1%;（2）免耕土壤微生物丰富度指数、多样性指数显著高于常规耕作,免耕微生物群落丰富度指数22.33±0.57,多样性指数3.02±0.04,常规耕作微生物群路丰富度指数14.33±1.15,多样性指数2.56±0.12。免耕秸秆覆盖耕作措施促进了土壤微生物活性、增加土壤微生物数量。     

崇明岛稻麦轮作生态系统主要温室气体排放特征及影响因素分析

采用静态箱——气相色谱法对崇明岛稻麦轮作生态系统主要温室气体CO2、CH4和N2O排放进行了田间原位观测,并分析了影响温室气体排放的主要因素.结果表明,崇明岛稻麦轮作生态系统中,CH4和N2O的显著排放仅出现在水稻生长季,且透明箱与暗箱测得通量季节变化趋势具有高度一致性;水稻田是CH4和N2O的排放源,是CO2的吸收汇;冬小麦生长季农田表现为CH4的吸收汇,是CO2和N2O的排放源.整个稻麦轮作周期内,CH4、N2O以及暗箱CO2(即呼吸排放CO2)通量与各温度因子呈现出显著或极显著正相关性;CH4通量与土壤含水率、土壤C/N比值均存在极显著正相关性.另外,稻田CH4通量与土壤有机质(SOM)含量之间存在极显著正相关性,与土壤NH+4-N含量呈显著正相关关系;而稻田N2O通量与NO-3-N含量存在极显著正相关关系.     

N_2O、CO_2温室气体与土壤DNDC模型

本文对N2O、CO2两种温室气体的研究工作进行了评述，重点介绍了土壤脱氮-分解模型（DNDC）的起始原由、发展过程及其结构.并通过对模型在不同国家和地区的灵敏度检验，表明与实测结果非常吻合，得出了非常重要的结论.这一模型不仅对N2O、CO2等温室气体的全球变化研究有重要意义.而且对土壤农业耕作实践也有指导作用，但这些结论有待于进一步的详细研究.     

免耕对华北平原潮土N_2O和CO_2排放的影响

采用静态箱-气相色谱法研究了免耕和常规耕作下玉米生长季华北平原潮土N2O和CO2的排放特征。结果表明,免耕土壤N2O累积排放量（以N2O-N计,下同）为0.31 kg.hm-2,略高于常规耕作土壤的0.27 kg.hm-2,两者没有显著差异。灌水、强烈降水或连续阴天会诱发土壤大量排放N2O,免耕处理N2O排放峰值（28.1～38.4μg.m-2.h-1）高于常规耕作处理（18.6～25.7μg.m-2.h-1）。免耕处理CO2累积排放量（以CO2-C计,下同）为1 880 kg.hm-2,显著高于常规耕作土壤的1 333 kg.hm-2。土壤N2O和CO2排放通量与土壤温度呈显著指数相关,常规耕作处理下的相关程度更高。     

免耕对华北平原潮土N2O和CO2排放的影响

采用静态箱-气相色谱法研究了免耕和常规耕作下玉米生长季华北平原潮土N2O和CO2的排放特征.结果表明,免耕土壤N2O累积排放量(以N2O-N计,下同)为0.31 kg· hm-2,略高于常规耕作土壤的0.27 kg·hm-2,两者没有显著差异.灌水、强烈降水或连续阴天会诱发土壤大量排放N2O,免耕处理N2O排放峰值(28.1 ～38.4μg·m-2·h-1)高于常规耕作处理(18.6 ～25.7 μg·m-2·h-1).免耕处理CO2累积排放量(以CO2-C计,下同)为1 880 kg·hm-2,显著高于常规耕作土壤的1 333 kg·hm-2.土壤N2O和CO2排放通量与土壤温度呈显著指数相关,常规耕作处理下的相关程度更高.     

秸秆生物炭对菜地N_2O、CO_2与CH_4排放及土壤化学性质的影响

通过盆栽模拟试验,探究玉米秸秆生物炭施用对菜地温室气体N2O、CO2与CH4排放及土壤理化性质的影响。结果表明,生物炭施用抑制了菜地N2O排放,NB1(施N 400 kg·hm-2,生物炭20 t·hm-2)和NB2(施N 400kg·hm-2,生物炭40 t·hm-2)的N2O累积排放量分别比N处理(施N 400 kg·hm-2)低76.4%和70.7%,但抑制效应并未随生物炭用量的增加而加强。生物炭施用增强了CO2排放,但对CH4排放影响不显著。NB1和NB2累积CO2排放量分别为N处理的1.8和2.1倍,不容忽视的是,这2种处理同时增加了土壤中有机碳含量,分别比N处理高15.2%与21.3%。NB1和NB2在不降低甚至提高蔬菜产量的基础上,提高了土壤中NH4+-N含量与p H值,降低了NO3--N含量。p H值和NH4+-N含量分别平均比N处理高0.265和34.9%,NO3--N含量平均比N处理低12.7%,因此生物炭具有减排N2O与改良菜地土壤质量的巨大潜力。但生物炭引起的CO2排放以及对土壤有机碳增加的净影响效应尚需进一步研究。     

种植不同冬季作物对稻田甲烷、氧化亚氮排放和土壤微生物的影响

研究双季稻收获后填闲种植不同冬季作物在其生长季节内甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）的排放特征,对合理利用冬闲稻田、发展冬季作物生产及合理评价不同种植模式具有重要意义。采用静态箱-气相色谱法对冬季免耕直播黑麦草、紫云英和冬闲的双季稻田中CH4和N2O排放及其相关微生物数量变化进行了分析。在冬季作物生长期,不同冬季作物稻田CH4和N2O排放通量均显著高于对照（冬闲）,CH4和N2O排放通量均表现为免耕直播黑麦草〉免耕直播紫云英〉冬闲;免耕直播黑麦草和紫云英处理稻田CH4排放量分别为2.28和1.07 g·m^-2,分别比对照增加241.92%和60.63%;N2O排放量分别为0.59和0.48 g·m^-2,分别比对照增加71.93%和40.06%;各处理稻田土壤产甲烷细菌、甲烷氧化细菌、硝化细菌及反硝化细菌的数量变化范围分别为0.33×10^2 163.37×10^2 cfu·g^-1、11.05×10^3~245.68×10^3 cfu·g^-1、3.21×10^3~178.26×10^3 cfu·g^-1和10.47×10^5~198.88×10^5 cfu·g-1,免耕直播黑麦草和紫云英处理稻田土壤产甲烷细菌、甲烷氧化细菌、硝化细菌和反硝化细菌的数量均显著高于冬闲,其中免耕直播黑麦草处理稻田土壤的产甲烷细菌、甲烷氧化细菌和硝化细菌数量显著高于免耕直播紫云英处理,而免耕直播紫云英处理稻田土壤反硝化细菌的数量则显著高于免耕直播黑麦草处理。研究结果显示,种植不同冬季作物能促进稻田生态系统中CH4和N2O的排放,而这两种气体的排放量与稻田土壤产甲烷细菌、甲烷氧化菌、硝化细菌和反硝化细菌数量变化密切相关。     

保护性耕作对土壤有机碳、氮储量的影响

以辽宁彰武县保护性耕作示范推广基地土壤为研究对象,通过实地调查和取样分析,对比研究了传统犁耕和6年免耕秸秆覆盖条件下的土壤有机碳、氮储量,为广泛评价保护性耕作的土壤碳、氮截获功能和合理选择农业耕作方式提供科学依据。研究结果表明,与犁耕相比,免耕覆盖不同程度地提高了0-5cm和5～15cm土层的有机碳、氮储量,对15cm以下土层没有影响,从而增加了0～100em土体总的有机碳、氮储量,证明了免耕覆盖的土壤碳、氮截获功能,年均截获率分别为1．37Mg·hm-2和0．84Mg·hm-2有机碳、氮在犁耕土壤0～30cm剖面的垂直分布较为均匀,免耕覆盖后则发生明显的分层,产生表聚现象。     

保护性耕作对土壤有机碳、氮储量的影响

以辽宁彰武县保护性耕作示范推广基地土壤为研究对象,通过实地调查和取样分析,对比研究了传统犁耕和6年免耕秸秆覆盖条件下的土壤有机碳、氮储量,为广泛评价保护性耕作的土壤碳、氮截获功能和合理选择农业耕作方式提供科学依据。研究结果表明,与犁耕相比,免耕覆盖不同程度地提高了0～5cm和5～15cm土层的有机碳、氮储量,对15cm以下土层没有影响,从而增加了0～100cm土体总的有机碳、氮储量,证明了免耕覆盖的土壤碳、氮截获功能,年均截获率分别为1.37Mg·hm-2和0.84Mg·hm-2。有机碳、氮在犁耕土壤0～30cm剖面的垂直分布较为均匀,免耕覆盖后则发生明显的分层,产生表聚现象。