| 释义 |
【农业生态系统和大气间的温室效应气体交换】
由于地球变暖趋势的出现，人们愈来愈重视地球大气层的温室效应及其产生的原因，并且给予温室效应气体的释放过程更多的注意。在已知的温室效应气体中，除了燃料燃烧过程产生的CO2和制冷剂氟利昂气体的释放外，还有一些气体直接或间接对地球的变暖有重要影响。其中的大部分或多或少与农业生态系统或人类的农业生产活动有关。 温室效应气体是指地球大气层的对流层中可吸收地球表面的长波辐射的气体。这些气体象温室的玻璃，太阳射线可透过该层，而地面的长波辐射却被它们吸收并释放出热辐射(H．Rodhe，1988)。这些气体主要是指CO2、CH4、N2O、对流层中的O3和氟利昂气体(主要是指氟利昂－11和氟利昂－12)。此外大气中的H2O(气)、NH3和SOx等也可吸收长波辐射。一般来说，其他气体均比二氧化碳有较强的吸收长波辐射的能力。在这些温室效应气体中，CO2在空气中的分压最大，而且每年增加的绝对量也最高。另外CH4、氟利昂、N2O和对流层中的O3等均有不可忽视的重要作用，特别是CH4和N2O，其重要性随着农业生产的集约化而日益显著。除了这些可吸收长波辐射、对温室效应的产生有直接作用的气体外，还有一些气体对温室效应的产生有间接作用。例如CO在空气中不稳定，很易转化成CO2，氮的氧化物(NOx)和非甲烷碳氢化合物可参与O3的形成，NH3在空气中很易氧化成NO和NO2，而后者则参与O3的形成，而对温室效应产生间接影响(A．F．Bouwman，1940；H．A．Mwney等，1988)。1989年在荷兰召开的“土壤和温室效应气体”国际会议上，A．F．Bouwman认为，土壤不仅是温室效应气体的重来源，也是温室效应气体的一个重要“汇”，直接或间接来源于土壤－植物系统的主要温室效应气体的情况见表。除了以上几种外，农业生态系统中NH3的释放量每年为107t，主要来自于 －N肥和动物排泄物中NH3的挥发。虽然NH3在空气中的滞留时间较短，但由于其中的10%或以与空气中的QH和自由基反应，生成NO和NO2或者进一步形成NiO和N2其重要性也应该给予重视。在间接影响温室效应气体产生中，CO占有重要地位，每年有109t的CO进入大气层。其中的80%～90%可被氧化成CO2，植物和土壤还会释放出非甲烷的碳氢化合物和NOx等。表1 温室效应气体的来源 
土壤－植物系统还是温室效应气体的一个重要的汇，植物每年吸收的CO2的量约占年释放总量的15%，免耕农业和水稻面积的增加均可增加CO2的汇容。土壤吸收的CH4每年可达所释放量的5%～10%，另外土壤还可吸收少量的CO、N2O和NOx等。1．二氧化碳。在农业生态系统中，CO2的主要来源是植物呼吸过程中所释放的CO2，同时除了海洋，陆地植物又是CO2的主要固定场所，土壤有机碳水平下降和森林植被的更替是农业生态系统中CO2收支不平衡的主要原因。据IA．V．Veen等及P．R．Voroney等(1981)的资料，加拿大的黑钙土在开垦后土壤有机质减少了50%以上，其中耕层土壤有机质损失占损失总量的90%以上。在中国东北，黑土开垦20年后其表层有机质下降了43%(熊毅等，1987)。这些有机物质除了水土流失的损失外，主要是以CO2形式进入大气层。森林和草原开垦农田后，土壤中固态的机碳减少和CO2的释放量增加，加速了地球表面温度的提高，温度的提高又加快了土壤有机质的分解，减少了有机质的积累。按照1983年联合国粮农组织(FAO)的估计，全世界每年有6×106hm2的森林和草原被开垦为农田。另外游垦农业中的放火烧荒也是CO2的重要来源之一。2．甲烷。其在农业生态系统中的主要来源是通气状况较差的土壤包括稻田和湿草原土壤。前者每年释放量在0．60～1．40×108t，后者在0．4～1．6×108t，通气良好的土壤每年吸收0．16～0．48×108t CH4，按照FAO估计，世界上的水稻面积由1935年的8．69×107hrn2增加到1985年的14．47×107hm2，增加了近70%，水稻种植面积的增加无疑会增加土壤中CH4的释放，而氮肥施用量的增加却又减少通气状况较好的土壤对大气中CH4的吸收，农业生态系统中CH4的其他来源还包括反刍动物的消化道，按照P．J．Grutzem等(1986)估计，其数量每年可达0．7×108t。3．一氧化二氮。N2O破坏平流层中的O3早已被人们所认识，但其作为温室效应气体直到最近才引起许多人的注意。N2O作为一个重要的温室效应气体不仅是因为它对长波辐射有很强的吸收能力和它在空气中较稳定。更重要的是其释放量随着氮肥施用量增加而出现显著增加的趋势。N2O的主要来源是土壤，其中农业土壤每年的释放量约3×106t，自然土壤为6×6t，而土壤对N2O的吸收量较小。除了氮肥施用量会增加N2O释放外，放火烧荒也是N2O的另一个重要来源。4．其他气体。CO的来源在农业生态系统中主要是游垦农业(刀耕火种)中放火烧荒以及植物和土壤中释放的CH4或其他碳氢化合物的氧化。CO作为空气中CO2的一个重要来源也应该引起注意。NO和NO2主要来自于土壤和有机氮化合物的燃烧，其数值变异较大。在农业生态系统中氨的挥发损失是氮肥利用率不高的一个重要原因，NH3可从土壤中，动物排泄物中甚至植物中挥发进入大气层。从土壤中挥发的氨约占氮肥施用量5%，动物排泄物中每年约有2．0～3．0×107tNH3进入大气。另外从植株上每年1hm2会有1．6kgN挥发损失掉。作为一个“汇”，土壤每年要接纳3．0×107t随降水进入的NH3、CO2、CH4、N2O等温室效应气体的释放和吸收与土壤中碳氮循环过程有关，是土壤微生物、植物根系、土壤动物和原生动物共同作用的结果。其中土壤微生物起着关键作用。1．二氧化碳和甲烷的释放和吸收过程。土壤中的有机物质处在一个动态的变化过程中，新鲜的有机物质不断地进入土壤。1971年D．S．Jenkinson认为新鲜的有机物质施入土壤1年后约有2／3以上的有机碳被矿化。在热带地区其分解速度更快，1年后约4／5的有机碳被矿化。在好气条件下，这些有机碳除形成生物体外，绝大部会完全氧化成CO2。在嫌气条件下，有机物质会发生不完全分解产生乙醇、丁酸和丙酸等物质，并且进一步反应生成乙酸、H2和甲烷，微生物利用H2和CO2产生甲烷，从而使得有机物质的分解能继续进行，其反应式如下：HCO3－+H++4H2→CH4+3H2O此外，CH4也可由乙酸、甲酸和甲胺等直接产生。土壤通气状况是影响土壤有机质分解和积累平衡的一个重要因素，好气条件会加速其分解而减少其积累。自然土壤开垦后，土壤有机质含量下降，其主要原因之一是由于土壤氧还状况的改变。而免耕则可以在一定程度上促进有机质积累，减少CO2的释放。除了CO2可被化能自养的微生物吸收利用外，光能自养的微生物也可利用CO2。土壤中甲烷氧化微生物还可能在好气条件下利用CH4作为碳源和能源进行生命代谢活动。因而在通气良好的土壤上，CH4可逐以被这部分微生物吸收利用。2．氮的氧化物的释放过程。土壤中N2O和NOx的产生与氮素的生物转化过程密切相关。不但生物反硝化过程，就是硝化过程也有N2O的释放。在生物反硝化过程中，NO3－被逐步还原成Nz：NO3－→NO2－→［NO］→N2O－→N2参与生物反硝化过程的微生物中，有些可直接将NO3－还原成N2，有些则只能还原到其中的一步而释放出中间产物来，也有的可利用中间产物并将其进一步还原。因而在生物反硝化过程中除了N2的释放外，NO和N2O均可能产生。例如我们常用C2H2可抑止N2O还原成N2这一原理来测定N2O的释放量。已有大量资料证明硝化过程中有N2O产生。其证据主要有：在水分含量很低(＜5%)的情况下环境中仍有N2O释放；在这些通气良好的土壤中，N2O的释放量和土壤中 －N含量无关，而是与可以氧化的氮的化合物(NH4－，尿素等)有关；硝化抑止剂在很大程度上可抑止N2O的释放；C2H2可抑制N2O的释放。除了氮素的生物转化过程外，氮素的非生物转化过程也可能有N2O和NOx的释放。这些化学转化过程需要以生物学转化过程为基础，如在硝化过程中，NO2－进一步氧化会由于高NH3分压和低H+浓度等其他因素而受到抑制，从而导致了NO2－的积累。积累的NO2－会和有机物质反应生成N2和氮和其他氧化物：NO2－ 硝基苯酚类→醌肟化合物→N2、N2O、NO和NO2等。N2O和NOx的释放量受多种因素的影响，其中主要有土壤水分含量、氮肥的种类和数量，土壤有机质含量等。一般来说，反硝化过程释放的N2O强度较大，因而还原条件是生物反硝化过程中N2O释放的必要条件。氮肥施用量的增加也可显著增加N2O的释放量，如根据R．L．Cate和D．R．Keeney(1987)的结果，对照的NOx，N2O释放的要条件，氮肥施用量的增加也可显著增加N2O的的释放量为＜1～2kg，N2O－N／hm2·a－1。施用肥料的处理则可达40kgNO－N－N／hm2·a－1氮肥的种类也影响N2O和NOx的释放量。如液氨显著大于尿素和硫铵。液态有机肥也可大大促进N2O的释放，这可能与有机肥为反硝化微生物既提供了氮源又提供了能源有关。其他影响N2O释放的环境条件包括土壤、pH、植被、温度和硝化抑止剂。土壤空气中的CH4、N2O可通过土壤孔隙扩散进入大气。在水田CH4和N2O气体还可通过水稻植株进入大气。土壤的生物学过程及其影响因素与氮素转化和温室效应气体的关系还有很多工作要做。其中一个主要原因是因为土壤是一个不均匀的体系，有较大的空间变异性。例如，即使是通气状况较好的土壤也会有局部处于还原状态。加上其他环境条件的空间变异性，如土壤有机质和土壤生物空间变异性等。因而可以推测在旱田由于局中还原条件的存在，而产生生物反硝化过程和温室效应气体的释放。(北京农业大学王敬国撰) |