免耕和秸秆覆盖对农田土壤温室气体排放的影响

农业土壤是重要的温室气体排放源,各种农业措施对温室气体排放产生重要的影响。免耕和秸秆覆盖作为两种重要的保护性耕作措施正在被越来越广泛的应用,但是其对土壤温室气体排放的影响还不明确,结果存在分歧。通过对免耕和秸秆覆盖措施下农田三种主要的温室气体（CO2、CH4和N2O）排放的相关研究进行对比分析,探讨两种保护性农业措施对温室气体排放的影响。研究表明,免耕减少土壤干扰,增加团聚体的稳定性,有利于难分解碳的形成,减少土壤CO2排放;与常规耕作相比,免耕有利于CH4氧化,增强甲烷氧化菌活性,降低CH4排放;免耕对N2O排放的影响与气候类型和土壤性质有密切的相关关系,在干燥的气候条件下,免耕增加通气条件差的土壤的N2O排放,对通气好的土壤影响不大。而在湿润的气候条件下,不同的土壤性质结论不一致。秸秆覆盖增加土壤CO2排放,并随着秸秆覆盖量的增加而增大;秸秆覆盖对CH4排放的影响有很大的不确定性,与覆盖方式和覆盖秸秆性质有密切联系;大部分研究认为秸秆覆盖增加N2O排放,但也有研究认为秸秆覆盖对N2O排放无影响或降低N2O排放量,秸秆覆盖对N2O排放机理复杂,需要进一步研究。通过综述发现随着保护性农业措施的推广,大量的研究集中在其对作物产量、土壤水分利用率、土壤性质等方面的研究;而保护性农业措施对温室气体排放的研究相对较少,特别是对三种温室气体的综合影响研究并不多见。因此,需结合不同土地类型,开展不同气候类型下免耕和秸秆覆盖对三种主要温室气体排放影响的综合研究,预测增温潜势,为不同气候带保护性农业措施下温室气体排放提供基础数据,并为制定合理的耕作和秸秆覆盖措施提供理论支持。运用同位素示踪等新技术明确秸秆覆盖对温室气体排放的直接和间接贡献率,结合不同研究区?     

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。     

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.     

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。     

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%。?     

长期不同施肥条件下红壤小麦和玉米季CO2、N2O排放特征

基于中国农业科学院红壤实验站红壤旱地小麦-玉米轮作长期定位试验,采用静态箱/气相色谱法,研究红壤旱地连续施肥16 a后,不同施肥条件下小麦季和玉米季土壤CO2和N2O的排放特征。结果表明,CO2和N2O排放具有明显的季节性,施肥对土壤CO2和N2O排放有明显影响,且有机肥的施用显著促进了土壤CO2和N2O排放。不施肥对照（CK）、氮磷配施（NP）、氮钾配施（NK）、氮磷钾配施（NPK）和有机无机肥配施（NPKM）处理小麦季和玉米季土壤CO2累积排放量分别为5 904、8 062、4 298、9 235、14 098和4 708、7 530、5 435、7 089、15 472 kg.hm-2,土壤N2O累积排放量分别为0.34、0.63、0.44、0.62、1.00和0.25、0.39、0.35、0.52、1.73 kg.hm-2,小麦休闲期土壤CO2和N2 O累积排放量平均占小麦生长季的63.52%和28.43%,玉米休闲季平均占玉米生长季的49.98%和32.72%,说明休闲期土壤CO2和N2O累积排放量不容忽视。除玉米季NP、NK、NPK处理外,其他各处理小麦季和玉米季土壤CO2排放通量与5 cm深处土壤温度显著相关;而土壤N2O排放通量与土壤温度间均未表现出显著相关性;除NPKM处理外,其他各处理土壤CO2或N2O排放通量与土壤水分间相关性均未达显著水平。     

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。     

长期不同施肥条件下红壤小麦和玉米季CO_2、N_2O排放特征

基于中国农业科学院红壤实验站红壤旱地小麦-玉米轮作长期定位试验,采用静态箱/气相色谱法,研究红壤旱地连续施肥16 a后,不同施肥条件下小麦季和玉米季土壤CO2和N2O的排放特征。结果表明,CO2和N2O排放具有明显的季节性,施肥对土壤CO2和N2O排放有明显影响,且有机肥的施用显著促进了土壤CO2和N2O排放。不施肥对照(CK)、氮磷配施(NP)、氮钾配施(NK)、氮磷钾配施(NPK)和有机无机肥配施(NPKM)处理小麦季和玉米季土壤CO2累积排放量分别为5 904、8 062、4 298、9 235、14 098和4 708、7 530、5 435、7 089、15 472 kg.hm-2,土壤N2O累积排放量分别为0.34、0.63、0.44、0.62、1.00和0.25、0.39、0.35、0.52、1.73 kg.hm-2,小麦休闲期土壤CO2和N2 O累积排放量平均占小麦生长季的63.52%和28.43%,玉米休闲季平均占玉米生长季的49.98%和32.72%,说明休闲期土壤CO2和N2O累积排放量不容忽视。除玉米季NP、NK、NPK处理外,其他各处理小麦季和玉米季土壤CO2排放通量与5 cm深处土...     

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.     

Simulation of NO and N2O emissions from a spruce forest during a freeze/thaw event using an N-flux submodel from the PnET-N-DNDC model integrated to CoupModel

The amount of nitrogen gases (N₂O, NO and N₂) emitted from forest soils depends on interactions between soil properties, climatic factors and soil management. To increase the understanding of nitrogen processes in soil ecosystems, two dynamic models, CoupModel (coupled heat and mass transfer model for soil–plant–atmosphere systems) and the denitrification–decomposition (DNDC) model were selected. Both are dynamic models with different submodels for soil, vegetation, hydrology and climate system. CoupModel has a higher degree of detail on soil physical and abiotic components, whereas the DNDC model contains details of microbiological processes involved in production of nitrogen gases. To improve the previous simple submodel of nitrogen emission in CoupModel, we included a submodel corresponding to the forest version of DNDC containing photosynthesis/evapotranspiration-nitrogen (PnET-N-DNDC model).     

温室气体排放与中国粮食生产

中国用占世界8％的土地养活了世界上1／5的人口，粮食生产已经基本满足了现有人口的需求。但是，生产粮食会向大气释放大最的温室气体。面对全球减少温室气体排放的压力，在粮食生产中，增加农田生态系统的碳固定能力及减少N2O和CH4的排放，直接关系着中国粮食生产的未来发展。文章分析全球和中国温室气体排放清单中粮食生产的作用和意义；利用生物地球化学模型DNDC和中国农业生产数据库，估算中国农田生态系统的土壤碳动态和N2O排放；通过情景分析(Scenario)，预测在不同方案下，中国农田生态系统碳动态和N2O的排放量；提出了我国未来粮食生产应该采取的对策和技术措施。     

农田N2O排放研究进展

农田土壤是大气中N2O的重要来源，与1990年相比，2000年我国氮肥用量升高了40％，因此，迫切需要对我国农田土壤N2O的排放通量作出新的估算。土壤理化性状的空间变异和不同生态条件下进行长期的、多点的农田N2O原位监测数据的匮乏成为提高N2O排放测定精度的制约因素。目前，航空采样法-驰豫涡动技术(微气象学方法)能够成功克服空间变异，且已经被成功应用在农业生态系统N2O排放的定量化观测上；另外Century-NGAS和DNDC模型是目前应用较广泛的机理模型，但应用不同模型所获得的N2O排放量相差较大。因此，今后农业土壤N2O排放的工作重点应集中在如何提高N2O原位观测精度，寻找合适的机理模型和提出相应的减排措施。     

冻融条件下土壤N_2O排放研究进展

随着全球气候变化以及突发性气候事件频繁发生,温室气体逐渐成为公众普遍关注的问题.作为温室气体的重要组成之一,土壤N_2O气体排放也一直都是研究的焦点.但长期以来开展的土壤N_2O监测大多在作物生长季节,随着研究的深入和领域的拓展,很多试验和数据证实冻融条件下土壤N_2O的排放不容忽视.冻融条件下土壤N_2O排放主要受土壤水分形态和分布,土壤团聚体形成或破碎,土壤微生物种群和数量,以及N_2O产生途径变化等因素影响.从以上几个方面综述了国内外冻融条件下土壤N_2O排放的研究进展.结合作者相关研究结果认为应加强以下重点领域研究:土壤团聚体形成或破碎导致微生物可利用的有机碳的包被或释放,冻融过程微生物种群变化引起对不同氮素形态的利用效率差异.解决这些问题将可以进一步丰富土壤温室气体产排领域的研究内容和理论体系.     

氧化亚氮形成的微生物学分子机制研究进展

1　氧化亚氮 (Ｎ2 Ｏ)的形成Ｎ2 Ｏ是继ＣＯ2 、ＣＨ4之后的第三大温室气体 ,它能破坏大气中的臭氧层 .在过去的 2 0～ 30年间 ,Ｎ2 Ｏ以每年 0 .2 %～ 0 .3%的速率增长 ,并且有进一步增长的趋势[1 ] .地球上人类和其他生物的活动是Ｎ2 Ｏ产生的主要来源 ,而微生物是其中最重要的生物源 .微生物产生Ｎ2 Ｏ的机理主要是通过硝化作用和反硝化作用过程进行的 ,如图 1所示 .反硝化过程中Ｎ2 Ｏ的形成 :硝化过程中Ｎ2 Ｏ的形成 :图 1　Ｎ2 Ｏ的形成Ｆｉｇ.1　ＦｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＮ2 Ｏ　　催化反硝化过程的酶有 4种 :硝酸还原酶 (Ｎａｒ)、亚…     

Optimal resource management control for CO2 emission and reduction of the greenhouse effect

In recent years, the world has witnessed an ever-growing concern towards global warming caused by greenhouse gases, such as carbon dioxide (CO₂). In order to reduce the emissions of CO₂ without limiting economic growth, substantial investments should target the development of clean technology and the expansion of forested areas. Considering the limited availability of resources, investments must be used in the most effective way. The present work proposes a method to efficiently manage these resources by applying the optimal control theory to a new mathematical model that describes the dynamics of the atmospheric CO₂. The contributions of this work are twofold: (1) present a model that describes the dynamic relation of CO₂ emission with investment in reforestation and clean technology and (2) present a method to efficiently manage the available resources by casting an optimal control problem. The mathematical model uses ordinary differential equations to relate the production of CO₂ with forest area and Gross Domestic Product (GDP). The model parameters are adjusted to fit the actual published data. Given an appropriate performance index, the optimal solution is found by numerically solving the Two-Point Boundary Value Problem (TPBVP) that arises from the application of Pontriagyn's Maximum Principle. The sensitivity of the obtained numerical solution is evaluated with respect to the uncertainties in the model parameters. The main objective of this work is to provide a quantitative tool for the efficient allocation of resources to reduce the greenhouse effect caused CO₂ emissions.     

密云水库上游地区农田土壤有机碳储量及变化模拟

农田土壤有机碳(SOC)库对粮食安全和全球气候变化具有重要影响,因此,开展农田土壤有机碳储量及其动态变化研究在政治经济和生态环境层面具有重要意义.采用农业生物地球化学模型--DNDC对密云水库上游地区农田土壤有机碳储量及其变化进行模拟研究,首先应用当地实测结果进行模型验证,然后根据当地气候条件、土壤性质和现行农业耕作管理特点等建立GIS区域数据库,并在数据库的支持下进行区域模拟和分析.结果表明:2006年密云水库上游地区214 920 hm~2农田土壤(0～25 cm)的总有机碳储量为7 646×10~6 kg,其中位于河北省境内的该地区63.1%的农田储存了全区68.1%的SOC;平均每公顷农田SOC储量为35 576.1 kg,低于全国平均水平;由于化肥和有机肥投入的增加,经过1 a耕种后,2006年该地区农田SOC储量增加142.5×10~6 kg,整个地区及各区县农田土壤碳收支均为正,是大气CO_2的一个汇.情景分析表明,气温升高对该地区农田SOC积累具有显著的负效应;而提高秸秆还田比例、适量施用化肥、增施有机肥、增加灌溉和采取免耕方式等措施均能有效增加土壤有机碳的积累.     

红壤丘陵区冬闲稻田CH4和N2O排放通量的研究

CH4和N2O是与全球气候变化密切相关的2种主要温室气体,其排放规律以及减排措施已成为当前研究的热点。休闲期抛荒稻田普遍存在于我国西南和南方地区,而对于其CH4和N2O排放规律的研究还比较少。本实验选取江西红壤丘陵区进行观测,于稻田休闲期采用静态箱-气相色谱法进行原位观测,旨在探讨休闲期CH4和N2O的排放规律,可为制定减排措施提供一定的依据。研究结果表明:红壤丘陵区冬闲稻田CH4和N2O平均排放通量(以CH4和N2O-N计)分别为0.03mg.m-2.h-1和3.27μg.m-2.h-1。冬闲期CH4和N2O平均排放通量与土温、降雨量无明显线性关系(P>0.05)。冬闲稻田排放CH4和N2O的综合温室效应(以CO2-eq计)为7.58 g.m-2,其中,CH4和N2O产生的温室效应(以CO2-eq计)分别为2.33和5.25 g.m-2。N2O排放量是冬闲稻田温室气体观测中不可忽视的部分。     

基于DNDC模型评估水位变化对滨海湿地净生态系统CO2交换的影响

水位是影响滨海湿地生态系统蓝碳功能的重要因素。气候变化引起的海平面上升以及极端气候事件的频发,可能加快水位的变化,从而改变生态系统碳交换的过程。然而,滨海湿地碳汇功能响应水位变化的机制尚不清楚。为了评估水位对滨海湿地净生态系统CO₂交换(NEE)特征的影响,以及验证DNDC(denitrification-decomposition)模型对模拟预测滨海湿地生态系统碳交换的适用性,该研究设计了野外水位控制试验(自然水位,地下20 cm水位、地表10 cm水位),并利用DNDC模型模拟和预测水位变化对滨海湿地NEE的影响。结果表明:(1)不同水位处理之间NEE差异显著,地表10 cm水位处理促进CO₂吸收,地下20 cm水位则抑制CO₂吸收;(2)经过校准和验证的DNDC模型可以准确模拟水位变化对黄河三角洲湿地NEE的影响,NEE模拟值的日动态与田间观测结果显著相关(R²>0.6);(3)通过改变气候、土壤和田间管理等输入参数对DNDC模型进行灵敏度检验,生态系统碳交换过程对日均温、降雨和水位改变的响应最为显著,其中,水位对NEE的影响主要作用于土壤呼吸(Rs)。未来气候情境下,不同水位变化下的生态系统碳交换过程随年份增长呈现不同的规律,因此未来的模拟研究应关注DNDC中水文模块和植被演替过程的完善。该研究可为预测水文变化情境下滨海湿地碳汇功能的未来发展以及政策制定提供参考。     

Uncertainty analysis of climate change mitigation options in the forestry sector using a generic carbon budget model

Industrialized countries agreed on a reduction of greenhouse gas emissions under the Kyoto Protocol. Many countries elected forest management activities and the resulting net balance of carbon emissions and removals of non-CO₂ greenhouse gases by forest management in their climate change mitigation measures. In this paper a generic dynamic forestry model (FORMICA) is presented. It has an empirical basis. Several modules trace C pools relevant for the Kyoto Protocol and beyond: biomass, litter, deadwood and soil, and harvested wood products. The model also accounts for the substitution of fossil fuels by wood products and bioenergy.