時(shí)亞文,李宙煒,陽(yáng)劍,唐啟源
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農(nóng)田系統(tǒng)氨揮發(fā)與溫室氣體排放研究進(jìn)展
時(shí)亞文,李宙煒,陽(yáng)劍,唐啟源*
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410128)
通過對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)農(nóng)田系統(tǒng)氨揮發(fā)與溫室氣體排放的機(jī)理及其影響因子等進(jìn)行綜述,發(fā)現(xiàn)已有研究對(duì)植物體是否揮發(fā)損失N2及N2O存在爭(zhēng)議。指出今后可以從栽培模式、氨揮發(fā)與溫室氣體排放的規(guī)律及影響因子等方面入手進(jìn)行研究,以期為最佳栽培模式的管理提供理論依據(jù)。
農(nóng)田系統(tǒng);氨揮發(fā);溫室氣體排放
近年來(lái),農(nóng)田中氮肥的施用為提高糧食生產(chǎn)做出了突出貢獻(xiàn),但隨著氮肥的過度施用及施用方法不當(dāng),由此而引發(fā)的一系列生態(tài)環(huán)境問題,已影響到農(nóng)業(yè)的可持續(xù)和健康發(fā)展。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,施入土壤的氮肥一部分被作物吸收利用;另一部分則以氨(NH3)、氮(N2)、氮氧化物(N2O)的形式進(jìn)入大氣或水體,這些氮氧化物不僅加劇了全球氣溫的升高,而且還使農(nóng)田系統(tǒng)水體富營(yíng)養(yǎng)化。有研究表明,全世界施入土壤中的氮肥1%~47%以氨揮發(fā)的形式進(jìn)入大氣,因此,加強(qiáng)農(nóng)田系統(tǒng)氨揮發(fā)研究刻不容緩。
由溫室氣體排放而引起的全球氣候變暖成為當(dāng)今國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)IPCC第四次評(píng)估報(bào)告[1]表明,預(yù)計(jì)到2030年,農(nóng)田甲烷和氧化亞氮排放量將比2005年分別增加60%和35%~60%,并且地球表面的氣溫有z可能每10年上升0.2℃,進(jìn)而加劇全球氣候變暖。農(nóng)業(yè)源是溫室氣體的主要排放源。因此,要深入研究農(nóng)田系統(tǒng)溫室氣體排放的機(jī)理及影響因素,為保障我國(guó)糧食生產(chǎn)和建設(shè)良好生態(tài)環(huán)境奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1.1.1 植物氨揮發(fā)
在農(nóng)田系統(tǒng)中,NH3的產(chǎn)生主要來(lái)自植物體光呼吸氮循環(huán)等過程[2]。其中,主要是葉片通過谷氨酰胺合成酶途徑將NH3同化(谷氨酸 + NH3+ATP → 谷胱酰胺 + ADP + Pi+ NH4+),合成含氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。根據(jù)化學(xué)平衡原理,植物體中氨揮發(fā)是在一定環(huán)境條件下,葉片NH4+積累和同化不平衡的結(jié)果。因此,通過光呼吸內(nèi)源產(chǎn)生NH3與GS途徑中固定NH3之間的不平衡,是導(dǎo)致植物體氨揮發(fā)的主要原因之一。
1.1.2 田間氨揮發(fā)
NH4+-N及其轉(zhuǎn)化在水-氣界面是一個(gè)復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程,包括多種反應(yīng)在內(nèi)的水分、溫度、光照和施肥技術(shù)等都對(duì)氨揮發(fā)的動(dòng)力學(xué)變化產(chǎn)生影響[3]。氮肥在稻田中的氨揮發(fā)的化學(xué)平衡如下:
NH4+代換性<=> NH4+液相<=> NH3液相 <=> NH3氣相<=> NH3大氣
在上述化學(xué)平衡式中,凡是能使平衡向右進(jìn)行的因素都能促進(jìn)氨揮發(fā)。
N2作為氨揮發(fā)的氣體之一,也有很多科學(xué)家對(duì)其進(jìn)行了不同的試驗(yàn)研究。其中,Vanceko和Varner研究發(fā)現(xiàn),小麥出苗后10~12d,葉片通過發(fā)生Van Slyke反應(yīng)[4,5]產(chǎn)生N2。然而Mkcee通過研究得出植物體內(nèi)HNO2含量極少,并且Van Slyke反應(yīng)只能在HNO2存在和pH值低的條件下發(fā)生,所以進(jìn)行正常生理活動(dòng)的植物很難發(fā)生這種反應(yīng)[6]。又有李生秀等[2]通過水培氣室法及同位素15N標(biāo)記肥料進(jìn)一步研究表明植株并未揮發(fā)N2。總體來(lái)說,對(duì)于植物體是否揮發(fā)損失N2還需要進(jìn)行更深入的研究。
目前,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,N2O是化學(xué)反硝化和生物反硝化作用的產(chǎn)物,但是,很少有人將土壤、空氣和植株體內(nèi)不同來(lái)源的N2O區(qū)別出來(lái)[2]。有研究者用差減法研究發(fā)現(xiàn),玉米生長(zhǎng)期間每公頃約釋放3 kg N2O,其中,土壤反硝化作用占了相當(dāng)大的比例[7]。然而,由于土壤屬非均勻介質(zhì),反硝化過程因時(shí)因地變異甚大。況且,差減法不能排除土壤中已有的N2O,因而采用差減法不能得到相對(duì)可靠的結(jié)果[2]。何文壽[8]通過在pH偏酸性的無(wú)機(jī)培養(yǎng)液中,以銨態(tài)氮肥為氮源進(jìn)行水培試驗(yàn),對(duì)培養(yǎng)液中銨態(tài)氮濃度的測(cè)定,得出植物體無(wú)N2O釋放的結(jié)論。所以,要確證植物體是否釋放N2O,還需要不斷改進(jìn)研究方法并進(jìn)一步深入研究。
光照和溫度與農(nóng)田系統(tǒng)息息相關(guān)。由于植物氣孔導(dǎo)度與氨揮發(fā)密切聯(lián)系,所以,光照和溫度通過對(duì)植物葉片氣孔導(dǎo)度的影響來(lái)進(jìn)一步影響植物氨揮發(fā)。蔡貴信等[9]研究表明,在一定范圍內(nèi),氨揮發(fā)與光照呈正相關(guān)。Matrsson等[10]報(bào)道,溫度從20℃上升到32℃的過程中,3個(gè)不同基因型大麥的氨揮發(fā)速率均成倍增加。同時(shí)Sturrr[11]對(duì)水稻的研究也表明,在一定溫度范圍內(nèi),不同品種水稻間的氮素?fù)]發(fā)損失均隨著溫度的升高而增加。光照和溫度不僅對(duì)植物體氨揮發(fā)有影響,對(duì)田間氨揮發(fā)也有一定影響。王朝輝等[12]通過對(duì)小麥地溫的變化研究表明,施肥后,隨著地溫的升高,尿素的水解加快,從而促進(jìn)NH4+-N的轉(zhuǎn)化致使氨揮發(fā)增強(qiáng)。因此,光照和溫度是影響農(nóng)田氨揮發(fā)的重要因素。
氨揮發(fā)與水分的散失關(guān)系密切。氨揮發(fā)的機(jī)制主要取決于土-氣界面氨的濃度梯度所導(dǎo)致的氨擴(kuò)散作用。許多研究表明,土壤水分保持穩(wěn)定,無(wú)水分散失時(shí),氨氣揮發(fā)量?jī)H占到施氮量的1%;當(dāng)土壤含水量高時(shí),土-氣界面氨的濃度梯度減小,氨擴(kuò)散作用減弱,氨揮發(fā)量降低;相反,土壤含水量低時(shí),氨揮發(fā)量增大[13]。
土壤pH值代表著土壤的理化性質(zhì)。魏玉云[15]研究發(fā)現(xiàn):在土壤含水量相同的各種母質(zhì)磚紅壤上分別施入尿素,隨著土壤pH值的上升,以氨揮發(fā)形式損失的氮量增多,損失率增大。土壤pH=4.0是尿素在變質(zhì)巖土壤上發(fā)生氨揮發(fā)作用的激發(fā)起始值,即當(dāng)土壤pH上升至此值時(shí),氨揮發(fā)損失量會(huì)極顯著增加。因此,土壤pH值的高低對(duì)農(nóng)田氨揮發(fā)的潛力有重要影響[14]。
施肥技術(shù)是田間栽培管理的重要措施之一。有研究表明,在農(nóng)田系統(tǒng)中,采用深施、混施,氨揮發(fā)量較小,表施則氨揮發(fā)量相對(duì)較大。其中,深施的主要作用在于當(dāng)銨態(tài)氮從土壤下層向表層擴(kuò)散時(shí)能被土壤陽(yáng)離子交換復(fù)合體所吸附,使液相中銨離子濃度逐漸降低,隨著施肥深度的增加,氨揮發(fā)量逐步降低。當(dāng)田面無(wú)水層時(shí),撒施氮肥隨即耙混、灌水,可將較多的氮肥混入土中,從而降低施肥后田面水中氨的濃度,有利于顯著減少氨揮發(fā)[16]。因此,不斷改善施肥管理有助于減少農(nóng)田氨揮發(fā)。
生育期是作物生長(zhǎng)的重要環(huán)節(jié)。氨揮發(fā)損失因作物生育時(shí)期不同而有明顯的差異。有研究表明,從拔節(jié)期到灌漿期,冬小麥地上部氨揮發(fā)的速率和數(shù)量都很低,進(jìn)入成熟期后成倍升高,這與不同生育期冬小麥吸氮量的變化相一致[17]。因此,在作物關(guān)鍵生育期,控制氨揮發(fā)損失對(duì)提高植物氮素利用有重要意義。
農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2的排放源于土壤呼吸,即植物活根呼吸、土壤微生物呼吸和土壤動(dòng)物呼吸(一個(gè)非生物學(xué)過程即含碳物質(zhì)化學(xué)氧化作用)三個(gè)生物學(xué)過程。其中,影響土壤呼吸強(qiáng)度的因素主要有:有機(jī)質(zhì)含量及其礦化速率,微生物類群和數(shù)量及其活性,土壤動(dòng)植物的呼吸作用強(qiáng)度。因此,土壤中CO2排放是生物代謝和生物化學(xué)的綜合產(chǎn)物[18]。
稻田是土壤CH4的主要排放源,約占全球總排放量的12%[18]。厭氧細(xì)菌在厭氧環(huán)境下,將土壤有機(jī)物、根系分泌物、作物殘茬、死亡的土壤動(dòng)物、土壤中有機(jī)肥等有機(jī)物逐步降解為有機(jī)酸、醇、CO2等小分子化合物,然后,產(chǎn)甲烷菌再將其轉(zhuǎn)化為CH4。土壤CH4的排放主要受土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量、酸堿性等理化特性的影響。因此,農(nóng)田中CH4主要源于土壤的生化反應(yīng)。
土壤中N2O的產(chǎn)生主要是在微生物參與下通過硝化和反硝化作用進(jìn)行。硝化過程是在通氣條件下,亞硝化和硝化微生物將銨鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程;反硝化過程則是在缺氧條件下,由反硝化細(xì)菌將土壤中的硝酸鹽或硝態(tài)氮還原成氮?dú)?N2)或氧化氮(N2O和NO)的過程。機(jī)理如下:
硝化過程:
反硝化過程:NO3→ NO2+→NO → N2O → N2
硝化和反硝化作用是農(nóng)田N2O產(chǎn)生的重要過程。
微生物的活動(dòng)與農(nóng)田溫室氣體的排放密切相關(guān)。馮虎元等[19]研究表明,80%的甲烷是通過微生物的相互作用產(chǎn)生的。并且,不同碳氮源和土壤理化特性通過對(duì)微生物的種群、數(shù)量和活性的影響,進(jìn)而影響溫室氣體的排放[20,21]。岳進(jìn)等[22]研究表明,一定條件下,稻田甲烷排放量與反硝化菌數(shù)量、硝化菌數(shù)量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。因此,農(nóng)田中微生物是衡量溫室氣體排放程度的重要指標(biāo)。
農(nóng)田的水分狀況對(duì)溫室氣體排放有顯著影響。徐華、王增遠(yuǎn)等[23,24]研究發(fā)現(xiàn),稻田采用間歇灌溉,甲烷排放通量比淹灌減少59%,比常規(guī)灌溉減少46%。王明星和李晶等[25,26]研究也得出間歇灌溉可降低稻田甲烷排放30%以上的結(jié)論。因此,通過控制土壤水分可以有效的減少溫室氣體排放。
不同的施肥管理對(duì)農(nóng)田溫室氣體的排放有一定的影響。李晶等[26]試驗(yàn)表明,施用沼渣肥比普通有機(jī)肥可以減少溫室氣體排放率達(dá)12%。長(zhǎng)效碳酸氫銨和緩釋尿素也能明顯減少N2O排放。黃國(guó)宏等[27]研究表明,長(zhǎng)效碳酸氫銨與碳酸氫銨和尿素相比能減少76%左右的N2O排放,緩釋尿素能減少58%左右的N2O排放。通過合理的養(yǎng)分配比、改表施為深施、有機(jī)肥與化肥混施等在提高氮肥利用率的同時(shí),可以有效減少溫室氣體排放[28]。楊書運(yùn)等[29]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),與不施肥相比,優(yōu)化施肥、減量施肥和秸桿還田、常規(guī)施肥對(duì)溫室氣體的排放量分別減排12%,20.5%,17.6%,由此可見,合理的施肥管理可以大幅度減少溫室氣體的排放。
土壤理化性質(zhì)包括土壤通透性、土壤水分含量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤溫度和土壤pH等。土壤質(zhì)地通過對(duì)土壤中硝化作用、反硝化作用、生物氧化還原反應(yīng)等的影響進(jìn)而影響溫室氣體的排放[30]。蔡裉聰?shù)萚31]研究表明,稻田粘質(zhì)土壤排放的CH4極顯著低于壤質(zhì)和砂質(zhì)土壤。耿遠(yuǎn)波等[32]通過對(duì)錫林河流域草原CO2的排放與草原土壤的有機(jī)碳含量、全氮含量、C/N值的相關(guān)性的研究,發(fā)現(xiàn)CO2通量與有機(jī)碳含量、C/N值呈正相關(guān)性。焦燕等[33]研究發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi),土壤溫度升高可加速有機(jī)質(zhì)分解和微生物活性,從而增加土壤中CO2的排放速率。Priha[34]研究表明,CH4和N2O的排放基本上隨酸化累積程度的加深而增加,但累積到某值時(shí)(pH=3.05)又抑制CO2的排放。因此,土壤理化性質(zhì)對(duì)溫室氣體的產(chǎn)生,既有促進(jìn)又有抑制。
農(nóng)田系統(tǒng)氨揮發(fā)與溫室氣體排放的過程,是當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)系統(tǒng)研究的重要方向和重點(diǎn)領(lǐng)域,也是國(guó)內(nèi)外科學(xué)家研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。隨著農(nóng)田系統(tǒng)氨揮發(fā)與溫室氣體排放機(jī)理的分析研究,影響氨揮發(fā)與溫室氣體排放的影響由單因素影響到多因素交互作用,研究?jī)?nèi)容和深度不斷廣泛和深入以后的研究可以從以下幾方面入手:1)通過建立同類作物的不同栽培模式,研究農(nóng)田氨揮發(fā)與溫室氣體排放的變化差異,并在深入研究栽培模式的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)氨揮發(fā)與溫室氣體排放的研究力度;2)將氮肥利用率、作物產(chǎn)量、農(nóng)田氣象因子和土壤中氨化細(xì)菌等與農(nóng)田系統(tǒng)氨揮發(fā)和溫室氣體排放相結(jié)合,分析和總結(jié)氨揮發(fā)與溫室氣體排放的規(guī)律及影響因子;3)加強(qiáng)對(duì)氨揮發(fā)和溫室氣體排放機(jī)理的研究,為最佳栽培模式的管理提供理論依據(jù);4)通過綜合分析和總結(jié)前人已有研究,加強(qiáng)氨揮發(fā)與溫室氣體排放對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響研究。
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責(zé)任編輯:黃燕妮
2011-02-17
時(shí)亞文(1986—),女,陜西寶雞人,碩士研究生,研究方向:水稻生理生態(tài),Email: shiyawen628@163.com。
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S181
A
1001-5280(2011)04-0621-05
10.3969/j.issn.1001-5280.2011.04.24