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摘 要： 摘要：農田土壤通過微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤動物呼吸，釋放大量溫室氣體.成為大氣中主要溫室氣體(C02、CH4 和N20)的重要來源。文章在闡述土壤溫室氣體產生機制的基礎上，著重從土壤生物、土壤理化性質(主要包括溫濕度、有機質、pH、Eh、土壤質地等)、水肥管理及
摘要：農田土壤通過微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤動物呼吸，釋放大量溫室氣體.成為大氣中主要溫室氣體(C02、CH4 和N20)的重要來源。文章在闡述土壤溫室氣體產生機制的基礎上，著重從土壤生物、土壤理化性質(主要包括溫濕度、有機質、pH、Eh、土壤質地等)、水肥管理及耕作措施等角度對農田土壤溫室氣體釋放的影響進行了綜述，對土壤溫室氣體的減排措施進行了總結，并就今后農田土壤溫室氣體的研究重點和方向進行了展望。
關鍵詞：農田土壤;溫室氣體;產生機制;影響因素;減排措施;研究展望
大氣中C02、CI-14和N20對溫室效應的貢獻率占了近80%…，是溫室效應的主要貢獻者。其中C02 對增強溫室效應的貢獻率最大，約占56%，是最重要的溫室氣體【2】。其次是CH4，其溫室效應潛能是 C02的23倍，對溫室效應的貢獻率約占15%【3J。據估計，大氣中每年有5%～20%的C02、1 5%～30%的 CI-b,、80%90%的N20來源于土壤【jJ。而農田又是土壤生態系統溫室氣體釋放的重要來測41。為此，通過了解農田土壤溫室氣體產生機理及影響因素，可為溫室氣體減排措施制訂提供理論依據。
1 農田土壤溫室氣體產生機制
1.1農田土壤C02的產生機理
農田生態系統C02的排放來源于土壤呼吸，包括三個生物學過程即植物活根呼吸、土壤微生物呼吸、土壤動物呼吸和一個非生物學過程即含碳物質化學氧化作用。土壤呼吸強度主要取決于土壤中有機質的數量及礦化速率、土壤微生物類群的數量及活性、土壤動植物的呼吸作用等。土壤C02排放實際是土壤中生物代謝和生物化學過程等所有因素的綜合產物
1.2農田土壤CH4的產生機理
大氣中CH4濃度的增加主要源于土壤生物過程的排放，即在厭氧環境下，土壤有機物、根系分泌物、死亡的作物根系或作物殘茬、死亡的土壤動物及微生物、施入的有機肥等有機物在厭氧細菌的作用下逐步降解為有機酸、醇、C02等小分子化合物，然后，產CH4菌再將小分子化合物轉化為CH4。土壤CH4的排放主要受土壤含水量、有機質含量、酸堿性等土壤理化特性的影響。如天然濕地、水稻田、廢棄物的堆積處理場等均是cH4的排放源，其中水稻田是農田土壤CH。的主要排放源，約占全球總排放量的12%【6J。 1.3農田土壤NzO的產生機理土壤中N20的產生主要是在微生物的參與下，通過硝化和反硝化作用完成的【丌。
硝化過程是在通氣條件下，亞硝化和硝化微生物將銨鹽轉化為硝酸鹽的過程;反硝化過程則是在厭氣條件下，由反硝化細菌將硝酸鹽或硝態氮還原成氮氣(N2)或氧化氮(N20和NO)的過程。
2農田土壤溫室氣體排放的影響因素
研究表明，影響土壤呼吸的因素很多，土壤理化性質如溫度、含水量、有機質含量、pH、氧化還原電位(Eh)、土壤質地等因素直接影響土壤微生物種類、數量及其生理生化過程，進而影響溫室氣體排放‘8一01。此外，水肥管理以及耕作措施等通過改變土壤理化性質及呼吸底物來影響溫室氣體排放【11·1 31。
2.1 生物因素
土壤主要溫室氣體(C02、CH4、N20)的產生無不與土壤微生物、作物根系、土壤動物和各種真菌的數量及活性有關，即與生物因素密切相關p—J。其中6種菌群(發酵細菌、產氫產乙酸細菌、產甲烷細菌、甲烷氧化菌、硝化細菌、反硝化細菌)與 CH4和N20釋放密切相關¨4。。研究發現，80%以上的CH。是通過甲烷產生微生物(甲烷產生菌)和甲烷營養微生物(甲烷氧化菌)相互作用產生的【¨。6|。不同碳素、氮素物質和土壤理化特性對這些菌群的種類、數最和活性產生重要影響，進而影響溫室氣體的產生與排放[17-18】。水稻田土壤中甲烷氧化菌種群數量對土壤氧化甲烷速率有顯著影響，隨著外源甲烷的加入，可刺激土壤中的甲烷氧化菌增殖，進而誘導甲烷氧化速率達到最大ll 9I。此外，農作物的種類、生育時期等對土壤溫室氣體的排放具有重要作用12…。研究發現，玉米植株能通過其根系的作用增加土壤向大氣排放N20【2u;旱田大豆N20排放通量在l d內有兩個釋放高峰，而菠菜田和春小麥田只有1個釋放高峰，而農田裸地是一較弱的N20釋放源【22I。在稻田里，水稻分孽期和成熟期一般會出現CHo排放峰值，而其他生育期沒有峰值，而且水稻植物體(根、莖、葉)重量對CH。排放具有重要影響P馴;隨著水稻品種的演進，稻田CH4排放通量呈逐漸減小的趨判24J。表明農田土壤溫室氣體排放與作物種類、生長期等密切相關。
2.2土壤理化特性
2.2.1 土壤質地
土壤質地直接影響土壤通透性和水分含量，進而影響土壤硝化作用、反硝化作用、有機質氧化分解和還原過程的相對強弱及溫室氣體的產生及其在土壤中的擴散【2n27 J。研究表明，水稻田粘質土壤排放的CH。顯著或極顯著低于壤質和砂質土壤【2出3UJ。這主要是由于砂質土壤氧化還原電位易于變化，土壤硝化和反硝化作用容易發生，再加上砂質土壤的氣體擴散較粘質土壤快，有利于土壤 N20向大氣排放川;而旱地壤土排放的N20高于砂質和粘質土壤132|。
2.2.2土壤溫度
在一定范圍內，土壤溫度升高可加速土壤中有機質的分解和微生物活性，從而增加土壤中C02濃度【331。研究表明，C02釋放速率與溫度呈線性或指數正相關關系，其中10 cm和5 cm土層溫度對土壤 C02排放影響最大【25翔】。水分充足時，溫度是影響土壤C02釋放的主要因子1351。大多數產甲烷菌活動的最適溫度為35～37℃。在田間條件下，產甲烷菌的活性隨土壤溫度升高而提高136]，CI-h排放速率也隨之增加”7l。溫度不僅影響N20產生的生物學過程，還是土壤N20排放日變化的最主要控制因裂38】。硝化微生物活動的適宜溫度范圍是15～35℃，在適宜的土壤濕度范圍內，67%的N20排放量集中在15-25 ℃范圍內【391;低于5℃或高于40℃抑制硝化作用。 N20排放通量與溫度之間存在一定程度的正相關性，N20排放通量隨年均氣溫升高而升高Ⅲj。
2.2.3土壤濕度(Eh)
土壤產生CH4、排放N20和C02的最佳水分含量不同，C02排放的最佳土壤含水量接近或高于 CH4氧化的最佳土壤含水量，CH4氧化和N20排放對土壤水分含量的反應呈極顯著的負相關性【411。水分狀況是影響稻田CH4排放的最重要因素之一。一般來講，產甲烷菌開始活動并放出CH4的Eh范圍是.150～230 mV，臨界Eh是.150~-160 mVE421;也有研究者發現Eh為.120mV甚至.110mV時有CH4 排放，且CI-h排放量隨Eh的下降而增加[43-44]。水稻生長期一直保持淹水狀態，其cH4排放量高于一般水田，如果稻田淹水前連續曬干時間越長，水稻生長期CH4排放量越低【451。說明土壤濕度及土壤濕潤期的長短都影響CH4的排放。
土壤含水量較低時，N20主要來自硝化過程;土壤含水量較高時，N20主要來自反硝化過程;在中等含水量(45%～75%WFPS)情況下，硝化和反硝化作用產生的N20大約各占一半m卻J。水分狀況不僅影響土壤中N20的生成量，也極大地影響著水田N20向大氣的傳輸[481。連續淹水條件下，稻田土壤僅排放微量的N20，但排放出大量的cH4和c02;好氣條件下，土壤不排放CH4，但排放出大量的 N20。淹水好氣交替處理的土壤其排放的C02、C144 和N20均在好氣和連續淹水之間一J。
2.2.4土壤pH
研究表明，土壤pH對土壤溫室氣體的產生具有重要影響。一定的酸化累積促進C02排放[50J，而累積到某值時(pH3.05)又抑制C02的排放;而 cH4和N20的排放基本上隨酸化累積程度的加深而增加。但土壤pH值不是造成土壤溫室氣體排放差異的直接原因，C02和CH4排放差異主要是由于酸化累積過程導致土壤碳、氮以及其他養分元素含量的差異造成的【511。CH。排放的最適pH是近中性環境，pH的微小降低會導致cH4排放通量明顯降低。在.250和一200 mV時，pH增加0.2導致CH4排放通量增加近20%。土壤pH對N20凈排放的影響十分復雜，一般認為反硝化菌活動范圍在3.5—11.2之間，最適宜的pH值為6～8，低pH影響各種反硝化產物的比例，并降低反硝化損失氮素的總量。在pH值 3.4~6.8內，硝化作用與土壤pH值呈正相關吲;在土壤pH值為3時，N20排放量和土壤N20濃度都明顯降低【5副;當土壤為中性時，N2是反硝化作用的主要產物，pH降低則反硝化作用產生N20的比例增大i541。在相同的氣候條件和農業管理措施下季節性N20平均排放通量與pH成正相判"J。
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2.2.5土壤有機質
土壤有機碳含量決定微生物碳庫的大小，從而影響C02、CH4排放的總量，有機碳總量少則周轉速率加快，活性有機碳的多少限制著土壤碳的凈礦化【5¨¨。有機碳加入土壤可促進微生物活動，使 Oz供應不足，導致自養微生物參與的硝化作用減弱，從而使反硝化作用增強。研究表明，土壤中反硝化作用與土壤有效C含量密切相關，而與總c量無關，土壤中加入有機質可大大加強反硝化強度。而在有效碳缺乏時，即使氮的濃度很高，反硝化速率仍很低;隨著有效碳的增加，反硝化速率也隨著提高【26|。殘茬稻田的C02排放通量較裸田高，而 CH4吸收增高50%，N20排放較裸田低【l列;冬小麥季節性N20平均排放通量與土壤有機碳含量、全氮含量、銨態氮含量及C/N比成顯著負相關【55】。表明土壤有機質是影響溫室氣體排放的重要因素之一。
2.3施肥措施
研究發現，水稻田施用作物秸稈、豬糞、沼氣渣等有機肥能顯著增加CH4的排放158。60】，而化學氮肥的施用增加了稻田N20的排放量，且硫銨能比尿素排放更多的N20[611。與常規灌溉(淹水和烤田相結合)相比，水稻生長季持續淹水促進了后季麥田 N20的排放;在常規灌溉方式下，秸稈施用可減少后季麥田N20的排放，而在持續淹水方式下，施用秸稈并不減少N20排放量帕烈。在夏玉米田，施用農家肥可顯著增加C02的排放量，但抑制了土壤對 CH4的吸收，施肥量高抑制作用強163l。長期N、P、 K養分配施，土壤C02平均排放通量有所增加，而且施氮肥增加土壤N20平均排放通量憚J。
2.4農作措施
農作措施通過改變土壤環境、土壤理化特性及土壤生物的類型、數量及活性來影響土壤溫室氣體的排放。研究表明，耕作制度(冬水田、半旱式壟作、水旱輪作)不僅影響水稻田CH4的排放通量，也影響稻田甲烷排放的季節變化規律。水稻刮、麥輪作的土壤CH4平均排放通量僅是冬水稻田排放通量的l/3f6 51。稻田甲烷排放的季節變化與前作有關，前作是旱季蔬菜或單季早稻、單季晚稻，cH4平均排放通量顯著低于常規連作【66I。此外，稻田不同栽培密度的CH。排放量以每穴栽插4苗處理最高，3 苗次之，2苗最小【24’;種植密度對農田N20排放也有影響，且不同生長階段差異較大【們J。稻草免耕還田不僅能降低CH4、N20平均排放量和排放速率，而且使CH4、N20峰值出現晚7—10 d16引。
3減排措施
隨著溫室氣體產生機理和釋放機制的深入研究，有關溫室氣體減排措施方面的研究報道逐漸增多。研究發現，水肥管理可有效控制溫室氣體排放，例如沼渣肥與化肥結合施用可有效降低稻田cH4的排放㈣;長期施用有機肥對削弱土壤碳釋放，抑制大氣C02濃度升高具有重要作用【7Ⅵ;包膜型控釋肥能極顯著地降低稻田N20的排放量川;控釋肥料、長效碳酸氫銨和緩釋尿素能明顯減少玉米田土壤 N20排放【211;銨態氮能抑制旱地土壤CH4釋放，促進土壤CH4的氧化【721;脲酶抑制劑(氫醌)和硝化抑制劑(雙氰胺)可協同抑制水稻田土壤N20和 CH。的排放173-74】。間歇灌溉可減少稻田溫室氣體排放【7別;將冬水田改為水—早輪作可達到溫室氣體減排的目的[1 31。另外，化感物質(苯甲酸和對叔丁基苯甲酸)對土壤N20釋放有明顯的抑制作用，且隨著濃度的增大，其抑制效果越顯著【7刨;纖維素碳源對設施栽培土壤CH。氧化的抑制作用小，高濃度的甲醇則對CH。氧化具有強烈的抑制作用，而適當濃度的甲醇可極大地促進土壤CH4的氧化，減少CH4 釋放【77】。
4研究展望
隨著土壤C02、CH4、N20產生機理的深入研究，影響農田土壤溫室氣體排放的內因與外因廣泛展開，逐漸由宏觀環境影響向微觀條件影響、由單因素影響向多因素交互作用轉變，研究內容和深度不斷深入。然而，就已有的研究結果來看，本文提出以下建議以供參考，(1)在深入研究水稻田土壤溫室氣體排放的基礎上，加強對大田土壤溫室氣體研究，尤其要加大對設施栽培土壤溫室氣體排放的研究力度;(2)在研究土壤理化特性對溫室氣體排放影響的基礎上，更要突出生物因素(微生物和作物)的影響，使土壤生物特性、土壤理化特性與溫室氣體排放有機聯系起來;(3)綜合分析已有研究資料，提出關于土壤溫室氣體排放量模擬計算模型和參數確定方法，擴大模型的應用范圍;(4)加強土壤微環境碳氮循環機制研究，重點放在土壤溫室氣體產生菌的產氣機理研究，為溫室氣體減排提供理論依據。——論文作者：翟勝L2，高寶玉1，王巨媛3，董杰2，張玉斌4
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