油菜田碳排放研究綜述

王 娟,秦 雄*,田效琴

(1.四川眾望安全環(huán)保技術(shù)咨詢有限公司,成都 610031;2.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所,成都 610066)

由二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)等溫室氣體造成的全球變暖和臭氧層破壞是全球面臨的重大環(huán)境問題[1-2]。自18世紀(jì)進(jìn)入工業(yè)化時代后,人類活動排放的CO2和CH4濃度不斷增加,截至2011年,較工業(yè)前分別提高了40%和150%[3]。其中,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在人類活動排放的溫室氣體中占重要比例,據(jù)報道,CH4占人類活動排放總量的52%,成為溫室氣體的重要碳排放源[4]。在農(nóng)業(yè)溫室氣體排放中,CO2也是重要組成部分,研究顯示,中國區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放對全球農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)為10.52%[5]。

油菜作為我國最重要的油料作物之一,自1995年以來,常年種植面積約667×104hm2,總產(chǎn)量1.2×107t以上,均居世界首位[6]。隨著我國居民生活對食用油依賴程度加大,油菜種植面積也持續(xù)擴(kuò)大。明確我國油菜田碳排放特征,對制定合理的農(nóng)田碳減排措施和緩解全球變暖等具有重要的理論及現(xiàn)實意義。目前,國內(nèi)外針對油菜田碳排放的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展和成果[7-9]。筆者綜述油菜田碳排放特征及減排耕作措施,提出了目前研究的不足,為油菜田碳排放的未來研究指明了方向,也為我國發(fā)展農(nóng)田低碳提供一定的參考。

1 油菜田碳排放特征

1.1 油菜田CO2排放特征

油菜田CO2凈通量是經(jīng)土壤呼吸和油菜呼吸與油菜光合作用之后油菜田與大氣之間的CO2通量。田間試驗結(jié)果表明,油菜田CO2通量日變化和季節(jié)變化呈單峰或雙峰曲線變化。如戴佳偉等[10]研究發(fā)現(xiàn),CO2排放通量日變化出現(xiàn)了2個峰值,分別為12：00和16：00。而在季節(jié)變化中發(fā)現(xiàn),CO2排放通量從蕾苔期到開花期平穩(wěn)上升,而開花期到角果期下降,開花期達(dá)到最大值。張軍科[11]和吳永成等[12]研究也表明油菜田CO2排放通量表現(xiàn)出先升高后降低趨勢,1月份達(dá)到最低值,在生育期間CO2排放通量的順序表現(xiàn)為開花期>角果期>苗期>蕾苔期。土壤溫度[13]、生物量[14]、耕作方式[11]、施肥和水分管理[15]等是影響其變化規(guī)律的主要因素,除水分外,均與CO2排放通量呈正相關(guān)關(guān)系,而土壤水分對油菜田CO2排放通量影響結(jié)果不一[15-16],具體原因和機(jī)理還需進(jìn)一步探討。關(guān)于油菜生長期間CO2排放通量研究結(jié)果也大相徑庭,如劉曉雨等[17]在太湖稻油輪作區(qū)基于長期定位試驗,探討了油菜生長期間CO2排放通量,發(fā)現(xiàn)不同施肥處理CO2平均排放通量為49.37～85.97mg/(m2·h)。而張小洪等[14]在成都平原稻-油輪作區(qū),原位測定油菜地CO2排放通量時發(fā)現(xiàn),其范圍在121.4～1585.8mg/(m2·h)之間,平均為656.8mg/(m2·h)。造成研究結(jié)果的差異可以與不同地區(qū)氣候、土壤質(zhì)地等有關(guān)。

1.2 油菜田CH4排放特征

在嫌氣厭氧條件下,經(jīng)過產(chǎn)甲烷細(xì)菌的作用,CH4由土壤中的有機(jī)物發(fā)酵分解形成的低碳有機(jī)酸、氫氣和二氧化碳轉(zhuǎn)化產(chǎn)生。從1990年至今的文獻(xiàn)可以看出,關(guān)于農(nóng)田CH4排放狀況基本上是針對水稻田的研究,尤其在作物品種[18]、水分管理[19]、施肥措施[20]和輪作方式[21]等因素上。從現(xiàn)有關(guān)于油菜田CH4排放研究資料可以看出,在田間條件下,油菜田CH4通量也有明顯的日變化和季節(jié)變化,同CO2通量一樣均呈單峰或雙峰曲線變化。陳琛[22]等發(fā)現(xiàn)巢湖油菜田CH4通量在12：00和18：00各有一個排放峰值,隨油菜生育期不同有所差異。其在季節(jié)變化中呈現(xiàn)與CO2相似的變化趨勢,即從蕾苔期到開花期不斷增長,而開花期到角果期開始下降,在開花期達(dá)到峰值。油菜整個生長期間,CH4通量變化為-0.08～0.05mg/(m2·h),總排放量為2.989g/m2(翻耕移栽)和1.731g/m2(免耕直播)[23]。根據(jù)目前文獻(xiàn)可發(fā)現(xiàn),油菜田CH4排放也主要受土壤溫度、生物量、耕作方式、施肥和水分管理等因素的影響。溫度升高有助于提高產(chǎn)甲烷菌的活性,從而在一定溫度范圍內(nèi),溫度的升高有助于CH4排放[24],而施肥可以為甲烷細(xì)菌提供能量來源和反應(yīng)底物,從而也促進(jìn)了CH4的產(chǎn)生和排放[25]。張岳芳等[26]在研究稻田旱作季CH4排放特征中表明,CH4平均排放通量表現(xiàn)為油菜>黑麥草>冬小麥>紫云英>休閑,種植油菜處理的CH4季節(jié)總排放量最大,較對照休閑提高49%。唐海明等[23]在研究種植不同冬季作物在其生長季節(jié)內(nèi)CH4的排放特征中也發(fā)現(xiàn),CH4平均排放通量和總排放量均表現(xiàn)為翻耕移栽油菜>免耕直播黑麥草>免耕直播油菜>免耕直播紫云英>冬閑。說明與未種植作物相比,種植油菜后大大提高了CH4的排放量,且翻耕較免耕也大大促進(jìn)了CH4的排放。關(guān)于土壤水分對油菜田CH4排放通量的影響結(jié)果也存在明顯差異[22,27],具體原因和機(jī)理還需進(jìn)一步探討。

2 油菜田碳減排措施

隨大氣中CH4和CO2濃度增加而導(dǎo)致全球變暖和臭氧層破壞的加劇,研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳減排措施來緩解環(huán)境、生態(tài)和社會的壓力已迫在眉睫。關(guān)于農(nóng)田碳減排措施,前人已做了大量報道,主要集中在固碳措施[28]、耕作方式[29]、施肥管理[30]、水分管理[31]和添加抑制劑[32]等方面。

2.1 油菜田CO2減排措施

生物炭在農(nóng)田土壤固碳減排中的應(yīng)用近年來已成為學(xué)者們的研究熱點。在研究生物炭對油菜田土壤中CO2排放量的影響時發(fā)現(xiàn),生物炭通過減緩油菜生長季內(nèi)農(nóng)田CO2排放的波動,從而使其處于一個相對平緩的狀態(tài),最終實現(xiàn)減排[33]。這與生物炭施用能明顯改變土壤的理化性質(zhì)和微生物活性有關(guān)。此外,通過降低土壤呼吸速率來減小油菜田土壤CO2的排放也是值得探討的方法。已有研究表明,與春小麥復(fù)種冬油菜和春小麥復(fù)種春油菜相比,春油菜復(fù)種馬鈴薯最有利于降低CO2的排放[34],與冬小麥輪作夏玉米、冬小麥輪作夏大豆、冬小麥+夏閑相比,冬油菜輪作夏玉米平均CO2排放通量顯著降低[35],因為間作和輪作模式有效降低了配置作物的土壤呼吸速率強(qiáng)度。關(guān)于耕作方式、留茬高度和減量施肥對降低油菜田土壤CO2排放的研究也有報道。例如,吳永成[12]在不同耕作措施對稻茬直播冬油菜田土壤呼吸的影響研究中發(fā)現(xiàn),旋耕處理CO2排放量大于免耕處理。何向南等[36]在測定不同施肥水平和不同秸稈還田方式下油菜農(nóng)田CO2排放的特征中也發(fā)現(xiàn),較小麥低茬收割+淺耕播種油菜,小麥高茬收割+免耕播種油菜的處理明顯降低了CO2排放。這與高婕等[37]發(fā)現(xiàn)CO2平均排放速率在油菜整個生長季受處理因素的影響排序為：傳統(tǒng)耕作>留低茬處理>留中茬處理>留高茬處理相似。同時,何向南等[36]還發(fā)現(xiàn)與常規(guī)施肥處理相比,土壤CO2排放量在N、P減量15%時顯著下降。

2.2 油菜田CH4減排措施

前茬作物水稻生長季應(yīng)用節(jié)水灌溉模式可以有效減少后茬作物油菜生長季的CH4排放,因為節(jié)水灌溉主要影響了土壤含水量和土壤可溶性有機(jī)碳造成了CH4排放的不同。有研究表明,在油-稻整個生長季,與常規(guī)淹灌處理相比,干旱式間歇灌溉、濕潤式間歇灌溉和旱作栽培處理CH4總排放量分別平均降低了80%、62%和90%[38]。通過合理的施肥措施可以在保持油菜產(chǎn)量的同時降低油菜田CH4的排放量。已有研究表明,在稻油輪作系統(tǒng)中,與同等施氮量的優(yōu)化施肥處理相比,一次性基施普通尿素或一次性基施控釋尿素分別降低CH4年排放量29.0%和29.9%[9]。有研究發(fā)現(xiàn),生物炭的施用顯著改變了土壤的理化性質(zhì),與常規(guī)施肥相比,減少了45.54%的CH4排放[33]。除上述措施之外,有研究者提出利用免耕技術(shù)和輪作制度來減少CH4排放,調(diào)整耕作方式使土壤充分保持好氧狀態(tài),能夠有效減少油菜生長季節(jié) CH4排放量。研究耕作措施對油菜田CH4排放量的影響時發(fā)現(xiàn),農(nóng)田進(jìn)行免耕和輪作后,比傳統(tǒng)耕作減少了CH4排放,且水旱輪作處理CH4減排效應(yīng)最為明顯。冬水田平作CH4排放總量大于壟作免耕,且水旱輪作和廂作免耕均能匯集少量CH4,將壟作免耕、廂作免耕及水旱輪作代替冬水田后,顯著降低了CH4排放通量[39]。

3 展望

CO2和CH4均是油菜農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中主要的溫室氣體,關(guān)于2種溫室氣體的綜合排放特征和減排措施研究對于準(zhǔn)確評估我國油菜田的綜合溫室效應(yīng)和制定行之有效的減排計劃具有重要意義。在未來研究計劃中,應(yīng)在綜合評估碳排放量的基礎(chǔ)上制定合理有效的減排措施。

目前,國內(nèi)外研究者對耕作措施和肥料減量下油菜田碳排放進(jìn)行了大量研究,得出適宜的耕作措施和肥料減量配施有機(jī)物顯著提高了油菜產(chǎn)量,并有助于土壤肥力的維持。因此,未來的研究需重點考慮如何在維持正面效應(yīng)的同時降低碳排放。

通過施肥可以改變土壤理化性狀,由此產(chǎn)生的影響會直接造成油菜田根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能特征的差異(如產(chǎn)CH4菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的種群豐度與活性),從而對油菜田土壤碳排放產(chǎn)生較大影響,此方面的研究在我國還鮮見報道。故未來研究可以考慮從作物根際微生態(tài)效應(yīng)等方面深入揭示施肥管理對碳排放影響的機(jī)理機(jī)制,為土壤固碳減排提供理論依據(jù)。目前,水分管理對農(nóng)田碳排放的影響還未得出統(tǒng)一定論,后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)其原因和機(jī)理的探討。