2018, Vol. 26
2. 福建农林大学资源与环境学院 福州 350002
2. College of Resources and Environment, Fujian Agricultural and Forestry University, Fuzhou 350002, China
自工业革命以来, 人类活动造成的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)等温室气体排放量明显增加。截至2011年, 大气中CO2、N2O和CH4的浓度依次升至704 mg·m-3、0.58 mg·m-3和1.18 mg·m-3, 分别比工业革命前增加40%、20%和150%[1]。这势必会加剧全球气候变化进程。研究表明大气中每年有5%~20%的CO2、80%~90%的N2O和15%~30%的CH4来源于土壤[2]。而农田作为陆地生态系统的主要组成部分, 其温室气体排放动态对全球气候变化具有重要影响。IPCC的研究报告指出农业源温室气体排放量占全球人为活动产生的温室气体排放总量的10%~12%, 其中N2O和CH4排放占比分别达60%和50%[1]。而我国农业源温室气体排放在全国所占比例超过15%, 其中N2O和CH4排放分别高达90%和60%[3]。因此, 我国作为农业大国农田土壤CO2、CH4和N2O减排对减缓全球气候变化具有重要意义。
华北平原作为我国粮食主产区之一, 耕地面积占全国总耕地面积的25%[4], 生产了全国76%的小麦和29%的玉米[5], 依靠大量水(> 667 mm·a-1)和肥[500~600 kg(N)·hm-2·a-1]投入来保障粮食产量是该地区农业生产的主要特点[6], 但是该种农业生产与农田应用也伴随着温室气体排放的迅速增加。因此在保障作物产量的同时采取合理的农艺措施来减少温室气体排放是目前该区域面对的主要挑战。鉴于此, 研究华北平原典型农田温室气体排放, 探索农田温室气体减排调控措施对于发展低碳农业, 减缓全球变暖具有重要价值。
1 华北平原温室气体排放研究进展 1.1 土壤-大气界面温室气体排放研究 1.1.1 外源肥料输入经典的静态箱法被广泛应用于研究土壤-大气界面温室气体排放中。近年来, 利用静态箱法观测华北平原小麦(Triticum aestivum)-玉米(Zea mays)轮作系统土壤-大气界面温室气体排放的报道很多[6-12]。第一, 氮肥施入、水分和温度变化均会影响CH4、CO2和N2O排放。王玉英等[7-8]的研究表明华北平原冬小麦-夏玉米轮作农田生态系统总体为CH4吸收汇、CO2和N2O排放源, 氮肥施入和灌溉可以直接导致农田CO2和N2O的排放通量迅速增加, 同时降低农田土壤对CH4的吸收强度。例如施氮量[kg(N)·hm-2·a-1]为0、200、400和600时, 冬小麦-夏玉米轮作系统N2O排放总量[kg(N2O)·hm-2·a-1]分别为1.27、2.24、4.85和6.40, 其CH4吸收量[kg(CH4)·hm-2·a-1]分别为-2.01、-1.11、-1.01和-1.34[8]。氮肥施入后土壤中NH4+和NO3-浓度迅速增加, 而硝酸盐作为土壤硝化和反硝化作用的主要底物, 其迅速增加必然导致硝化和反硝化过程加剧进而使其产物N2O产生量增加。化肥用量增加使CO2排放量略有提高, 这是由于施肥量高的处理留落在田间的作物根系更为发达导致。长期定位施肥试验结果表明, 氮肥对土壤CH4氧化的影响主要来源于铵态氮肥, 由于NH4+能够抑制土壤对CH4的吸收, 其可能的抑制机制为由于NH4+和CH4的氧化是相互排斥的, 铵态氮肥的使用增加了土壤NH4+含量, 而甲烷氧化细菌优先同化氨, 从而抑制了土壤对CH4的吸收速率[13], 这也可以解释尿素氮施入农田后CH4吸收汇强度减弱的现象。第二, 有机肥投入是土壤固碳的有效途径, 但同时增加农田CO2和N2O的排放[14-16]。有机肥和化肥养分有效性和形态明显不同, 对温室气体排放的影响也明显不同。例如李燕青等[14]在华北平原冬小麦-夏玉米种植制度下, 以长期定位试验为平台持续监测了化肥和有机肥在不同施肥水平下潮土玉米季土壤N2O和CO2的排放特征; 其研究结果表明等氮条件下化肥处理的N2O日排放通量明显高于有机肥, 有机肥处理显著增加了农田土壤CO2的排放量, 而化肥对CO2排放总量的影响不明显。相较于化肥有机肥速效态氮的含量很低(仅占全氮含量的13%左右), 因此N2O排放量也相对较少[17-18]。另外, 有机肥中有效氮的缓慢释放决定了土壤中N2O排放是一个缓慢过程, 而现在测定周期基本上是周年(短期)测定, 因此这些研究可能低估了有机肥对N2O排放的影响[19]。此外, 有机肥在提高微生物活性方面更具潜力[20], 因此有机肥施入后会显著提高农田土壤CO2的排放量[14]。第三, 秸秆还田对农田土壤温室气体排放也有重要影响。秸秆还田将改变农田土壤氮状况及氮循环速率、碳吸存量、pH、生物(微生物、细根、土壤动物等)量, 进而影响地表CO2通量。一般认为, 随着秸秆还田量的增加, 土壤呼吸通量也增加[21-23]。这主要是由于秸秆还田能增加土壤总孔隙度, 同时土壤溶液中的CO2含量随秸秆添加量的增加而增大[23], 从而增加了土壤中CO2的释放速率。同时秸秆还田能影响土壤中微生物量、微生物活性和微生物群落结构, 进而导致土壤CO2排放量增加。秸秆还田将改变农田土壤氮状况及氮循环速率、生物量、碳氮比以及NO3-和NH4+的含量, 进而影响地表N2O通量, 各试验结果有着一定的差异。由于CH4产生的特殊性, 国内的研究一般集中于水稻田土壤的CH4排放。研究认为麦秆直接还田增加了稻田CH4的排放量[24]。
1.1.2 灌溉方式虽然漫灌仍然是华北平原主要的灌溉方式, 但最近几年因淡水资源日益匮乏, 为维持粮食水平的高产, 节水灌溉技术(如微喷灌溉和滴灌)正在迅速发展, 节水灌溉方式下的农田面积也逐渐增加[25]。华北平原是我国粮食的主产区, 未来粮食产量的进一步提高需要灌溉和施肥的高效性, 而灌溉和施肥等措施改变势必会导致温室气体排放强度的变化。郭树芳等[26]在华北平原冬小麦田的研究表明微喷水肥一体化(微喷)方式下土壤CO2排放通量均值比漫灌高12.37%, N2O排放通量值比漫灌高76.22%。微灌加强土壤呼吸可能与微喷缓解了因漫灌造成的土壤紧实度增加, 使土壤保持相对疏松, 提高了根系活力有关。此外微喷方式下土壤水分含量和温度均高于漫灌, 且微喷增加了土壤微生物量碳含量, 促进土壤微生物作用下的硝化和反硝化反应, 进而带来土壤N2O排放通量的增加[26]。但是也有相反的研究报道, 例如Kallenbach等[27]研究认为地下滴灌比沟灌减少了50%的N2O排放量。Sánchez-Martín等[28]也认为, 与沟灌相比, 滴灌减少了甜瓜(Cucumis melo)田土壤N2O的排放。其原因可能是, 与沟灌相比, 滴灌模式下水分分布促进了硝化反应[28]。由此可见, 不同节水灌溉方式对土壤温室气体排放通量的影响也存在很大差异, 因此应进一步加强不同灌溉条件下温室气体排放通量及其影响机制的深入探索。
1.1.3 耕作方式耕作方式主要是通过改变土壤有机碳分解环境, 如土壤充气环境以及破坏土壤团聚体结构等影响土壤CO2排放[29]。大部分研究表明免耕会降低土壤CO2释放量, 原因为常规频繁耕作条件会导致土壤有机碳大量损失, CO2排放量增加; 免耕则可以有效地控制土壤有机碳损失, 减少土壤干扰, 降低土壤微生物对活性碳的利用, 进而抑制CO2排放[29-30]。耕作措施主要是通过影响土壤湿度、土壤硬度及土壤营养含量等来影响CH4排放。干旱地区土壤CH4排放量较低, 大多表现为CH4吸收汇[7-8]。大部分研究认为免耕降低CH4排放量或者对CH4排放量没有显著影响[29-30]。原因可能为免耕土壤更稳定, 通透性好, 增强甲烷氧化菌活性有利于CH4氧化, 使CH4吸收量增加。例如Omonode等[31]通过对玉米地和玉米-大豆(Glycine max)轮作地研究发现犁耕和凿耕的农田为弱的CH4排放源, 免耕农田为弱的CH4汇。但也有学者研究表明CH4通量不受耕作方式的影响[32]。造成上述研究结果不同的原因可能由于旱地土壤CH4排放量很低, 很多时候都无法监测到有效数据, 而且受外界干扰因素较多。免耕对土壤N2O排放的影响主要通过对温度、土壤湿度和土壤性质等过程来实现。Abdalla等[33]通过综述相关文献认为气候条件与土壤对免耕N2O排放存在着交互作用。例如在干燥的气候条件下, 免耕增加通气条件差的土壤N2O排放[34], 降低通气性好的土壤N2O排放或者影响不显著[34-35]。在湿润气候条件下, 土壤性质不同其结论亦不同。目前免耕等保护性农业措施被逐渐推广, 大部分研究主要集中在免耕对土壤水分利用率、作物产量和土壤理化性质的响应机制, 而对保护性农业措施下温室气体排放的研究相对较少。
1.2 冠层和土壤剖面温室气体排放研究 1.2.1 冠层温室气体排放地-气之间进行的物理、化学和生物过程及相互作用对全球气候变化、生物多样性和环境变化有重要影响。涡度相关技术是直接观测下垫面与大气之间水热通量和CO2通量的微气象技术, 具有理论论证完善、观测精度高和连续稳定等优点, 已逐渐成为地-气之间能量和物质通量观测的标准方法。农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分, 也是受人为因素强烈控制和干扰的系统, 因此农田生态系统碳循环研究受到广泛关注, 对该系统碳的源/汇评价是目前国际上研究的热点问题之一。
针对华北平原从20世纪80年代初转变为秸秆还田的冬小麦-夏玉米轮作精细管理农业体系, 其温室气体排放也发生了巨大变化[36]。Wang等[36]分析了华北平原1978年到2008年0~20 cm土壤的有机碳储量, 其研究结果表明从1978年到2002年土壤有机碳含量从2.5 kg(C)·m-2迅速增加到4.0 kg(C)·m-2; 但之后从2003年到2008年, 0~20 cm土壤有机碳储量开始降低且最终稳定在3.7 kg(C)·m-2。鉴于此, Wang等[36]认为在华北平原冬小麦-夏玉米轮作农田生态系统中, 虽然秸秆还田措施使土壤有机碳含量增加, 但长期的高水高肥精细管理方式可能会造成温室气体排放增加, 进而导致整个生态系统处于碳损失状态。为了验证这个假说, Wang等[36]将涡度相关法、静态箱法和生物量观测结合起来评估了华北平原冬小麦-夏玉米轮作农田生态系统的碳平衡。研究结果表明冬小麦-夏玉米轮作农田生态系统为碳源, 其碳源强度为77 g(C)·m-2·a-1。其中冬小麦季为碳汇, 碳汇强度为90 g(C)·m-2·a-1; 而夏玉米季为碳源, 其碳源强度为167 g(C)·m-2·a-1。冬小麦和夏玉米季碳源强度的巨大差异主要是由于其总生态系统呼吸(TER)和净初级生产力(NPP)的巨大差异造成的。例如与寒冷干燥的冬小麦季相比, 温暖湿润的玉米季的TER和NPP分别增加1/4和降低1/10。其次, 虽然夏玉米的生长季(113 d)比冬小麦季(235 d)短52%, 但是全年超过55%的CO2排放来自于玉米季。说明碳排放动力学虽然与作物生长密切相关, 但是生长季内的气候变异才是其主要驱动因素[36]。
1.2.2 土壤剖面温室气体排放如上文所述, 目前对冠层和土壤-大气界面的温室气体排放报道很多, 但是针对农田系统土壤剖面温室气体产生和排放的报道很少[37]。土壤包气带中的温室气体含量是土壤-大气界面温室气体浓度的数倍。因此明确土壤剖面中CH4、CO2和N2O的浓度及通量可以更清楚地解释其表层气体排放动力学, 进而能够制定更加有效的减排措施指导农业生产。
Wang等[38-39]报道了华北平原冬小麦-夏玉米轮作农田生态系统4个施氮[kg(N)·hm-2·a-1]水平(0、200、400和600)下0~300 cm土壤剖面的温室气体浓度和通量变化动态。研究结果表明土壤空气CH4浓度随着土壤深度的增加而降低, 氮肥施入对土壤剖面中CH4的浓度没有显著影响; 土壤空气CO2浓度随着土壤深度的增加迅速上升, 氮肥施入对土壤剖面中CO2的浓度同样没有显著影响; 土壤空气N2O浓度随着土壤深度的增加而上升, 氮肥施入显著增加土壤剖面中N2O的浓度。土壤剖面中CH4浓度随着土壤深度增加而降低说明甲烷氧化细菌将CH4氧化, 但是60~300 cm的CH4浓度变化不大, 说明在低于0.75 mL·m-3的浓度下甲烷氧化菌不足以氧化或者吸收CH4。CO2浓度随着土层深度增加而迅速上升, 与前人研究结果一致[40], 这可能与CO2的分子量有关, 土壤空气中分子量比较重的气体会主要分布于底层。土壤剖面N2O浓度随着土层深度增加有缓慢上升的趋势, 氮肥施入对土壤剖面中N2O浓度有明显的激发效应, 这主要是氮肥中的硝酸盐为土壤空气中N2O产生的主要底物而致[38]。根据土壤剖面中温室气体浓度的监测结果, Wang等[39]利用Fick定律计算了土壤剖面中CH4、CO2和N2O的扩散速率。其研究结果表明土壤剖面中0~90 cm土层为CO2和N2O排放及CH4吸收的主要发生层, 90 cm以下土层的排放和吸收量都很小, 可以忽略不计。施用氮肥显著增加剖面中的N2O排放, 但是对CH4和CO2排放影响不大。其中 > 90%的CO2和N2O排放及CH4吸收均发生在0~90 cm土层, 这主要是由该试验地点的土壤特征导致, 0~90 cm土壤容重明显低于90 cm以下的土壤[39]。
2 华北平原温室气体减排措施 2.1 合理施肥和灌溉农田土壤N2O的一个重要来源是化肥的施用, 研究表明N2O的排放随着施肥量的增加而增加, N2O受施肥速率和施肥种类的影响很大[7-10, 12, 14, 16]。据粗略估计, 我国目前化肥氮的总消耗量可基本满足农业生产的需要, 但约有1/3的区域(主要在经济发达区)过量施用。例如华北平原属于典型高氮肥施入区域。Qin等[9]在华北平原冬小麦-夏玉米轮作农田生态系统N2O排放的研究中表明, N2O排放强度(yield-scaled N2O emission)在氮肥施入量为136 kg(N)·hm-2·a-1时最低, 且在施氮量为317 kg(N)·hm-2·a-1即可获得最高作物产量。而当前华北平原的平均氮肥施入量 > 400 kg(N)·hm-2·a-1。因此减少华北平原氮素施入量是降低当前N2O排放的有效措施。此外选用氮利用率高和N2O排放少的硝态氮和尿素以及缓释性化肥, 采用根外追肥, 减少因土壤微生物活物活动造成额外N2O排放, 这些措施均对当前华北平原的温室气体减排具有一定效果。碳酸氢铵和尿素是我国农业的主体肥料, 但其肥效期短, 挥发损失量大, 氮素利用率低。研究表明与施用普通碳酸氢铵和尿素相比, 长效碳酸氢铵与长效尿素能显著减少N2O排放27%~88%[41]。Xu等[42]的研究表明脲酶抑制剂氢醌与硝化抑制剂双氰胺适宜组合, 可有效地减少N2O排放和其他气态氮损失。
华北平原目前主要的灌溉方式为漫灌。针对华北平原地下水位下降, 水资源短缺等问题, 微喷水肥一体化(微喷)方式正在被广泛推广[26]。研究表明虽然华北平原冬小麦田微喷水肥一体化(微喷)方式下土壤CO2排放通量均值比漫灌高12.37%, N2O排放通量值比漫灌高76.22%, 但是其农田碳汇强度也增加了176.48 g(C)·m-2[26]。因此由于土壤水分、温度和肥料是影响温室气体排放的重要因素, 在节水灌溉条件下进入土壤的水分和肥料的不均匀性必然会带来温室气体排放在空间上的异质性。
2.2 变更农作制度免耕和秸秆覆盖作为两种重要的保护性耕作措施受到广泛重视。华北平原目前主要以翻耕为主。免耕被认为是减少N2O排放的有效措施, 因为翻耕对土壤的扰动促进了郁闭于土壤内的N2O的释放。而通过改进和优化耕作措施, 注重化肥与有机肥的配合施用, 推广少耕与免耕技术, 提高秸秆与有机物质的归还量, 能稳定甚至增加土壤有机碳贮量, 减少农田土壤的CO2净排放[43]。研究表明秸秆还田提高了土壤的C/N比值, 引起微生物对N源的充分利用, 同时也减少了硝化、反硝化过程的中间产物N2O的排出[43]。然而也有研究认为施入秸秆为反硝化微生物提供了充足的能源物质和微域厌氧环境, 利于反硝化过程的进行, 促进了N2O的生成与排放[44]。但增加土地覆盖秸秆还田、增加有机肥施用和采用轮作等方式能显著降低土壤侵蚀、改善有机质和养分循环[43]。鉴于此, 通过农作制度管理达到减少温室气体排放, 应在选择方式之前对实施地区土壤和气象等条件进行实地分析和优化选择。
2.3 “固碳”和“减排”同步土壤通过生物和非生物过程捕获大气中的碳素并将其稳定地存入碳库, 这一过程被称为碳固存。增加土壤有机碳固存不仅为植被生长及微生物活动提供碳源、维持土壤良好的物理结构, 同时也是减少大气中CO2等温室气体含量的一个有效、持续措施。我国耕地土壤有机碳含量总体上较低, 低于世界平均值的30%以上, 低于欧洲50%以上[33, 35], 因此我国农业土壤具有巨大的固碳减排潜力。
农田土壤固碳措施的主要目的是将CO2固持于土壤中, 以降低大气温室气体浓度。但是如何同时利用土壤固碳潜力并降低大气中温室气体浓度, 却仍是当前面临的一个难题。研究表明通过改进和优化耕作措施, 注重化肥与有机肥的配合施用, 推广少耕与免耕技术, 提高秸秆与有机物质的归还量, 能稳定甚至增加土壤有机碳贮量, 减少农田土壤的CO2净排放。例如土壤免耕减缓了土壤中碳、氮基质供应量, 通过陆地生物及落叶的转化使有机碳蓄积量增加[35], 有效提高了土壤有机碳含量。但是农田生态系统的碳氮气体交换对人为扰动变化的响应时常表现为互为消涨效应, 一系列固碳措施减少土壤CO2排放的同时也可能会增加CH4和N2O排放[35]。例如Qiu等[45]利用DNDC模型对全国土壤有机碳的研究结果表明, 在目前的施肥水平下采取秸秆还田、增施有机肥、免耕等措施, 土壤有机碳含量能够明显增加, 土壤CO2释放“源”变为“汇”; 但同时发现在北方地区土壤有机碳提高的同时, 由于微生物活性的增加, 导致土壤中可溶性有机碳和硝态氮含量的升高, 从而N2O排放呈现增加趋势。因此采取只针对单一气体简单的调控策略可能达不到减缓气候变化的预期目标, 甚至会产生与预期完全相反的后果。因此, 在讨论减排技术措施时应两者兼顾, 既提高农田生态系统的固碳效果, 又减少温室气体排放以有效应对气候变化。Zhang等[46]的研究也指出通过合理减少化肥投入, 配合采取固碳替代管理措施, 在保持作物产量、增加碳固存的同时能显著地减少温室气体排放。
3 总结与展望综上所述, 华北平原作为典型的冬小麦-夏玉米轮作高水肥精细管理农田, 在目前的秸秆还田条件下生态系统正在以77 g(C)·m-2·a-1的速度损失碳, 说明高水高肥管理下其碳排放量 > 秸秆还田的固碳量。华北平原农田 > 400 kg(N)·hm-2·a-1的过高氮素投入是造成其碳排放增加的主要原因, 其土壤N2O排放强度在氮肥施入量为136 kg(N)·hm-2·a-1时最低, 且在施氮量为317 kg(N)·hm-2·a-1可获得最高作物产量。华北平原土壤中温室气体的产生和消耗主要发生在0~90 cm土壤剖面内, > 90 cm土层主要作为土壤包气带中的缓冲层而存在。减少当前华北平原农田温室气体排放除了合理施肥和灌溉, 还需要改变固有的农作制度实行减免耕等保护性措施, 并将减排和固碳同步进行。
对华北平原温室气体净排放研究, 今后需要进一步加强的研究方向有以下几个方面: 1)在地-气之间加强冠层尺度除CO2和H2O以外的CH4和N2O等温室气体的原位连续在线监测研究, 并将稳定性同位素技术应用到此研究中, 以达到追踪其来源和比例构成的目的。2)在土壤包气带中, 利用稳定性同位素技术探索土壤空气中的温室气体来源比例, 明确变更农事制度对剖面温室气体排放的直接和间接影响; 进而探索剖面土壤温室气体产生和消耗与土壤-大气界面温室气体排放的响应机制。并根据不同研究区土壤类型和气候条件, 探索既可以减少温室气体排放, 又可以保持作物产量的最佳措施。3)将模型研究应用于土-气界面温室气体排放研究。短期的试验数据能够得出单位面积粮食产量和温室气体的排放量, 但存在年际间的波动, 且不能够完全反映农田管理措施的长期效应。经过验证的过程机理模型可进行长时间尺度的模拟, 可能是解决此问题的一条捷径。
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