摘要：农田土壤通过微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤动物呼吸，释放大量温室气体.成为大气中主要温室气体(C02、CH4 和N20)的重要来源。文章在阐述土壤温室气体产生机制的基础上，着重从土壤生物、土壤理化性质(主要包括温湿度、有机质、pH、Eh、土壤质地等)、水肥管理及耕作措施等角度对农田土壤温室气体释放的影响进行了综述，对土壤温室气体的减排措施进行了总结，并就今后农田土壤温室气体的研究重点和方向进行了展望。
关键词：农田土壤;温室气体;产生机制;影响因素;减排措施;研究展望
大气中C02、CI-14和N20对温室效应的贡献率占了近80%…，是温室效应的主要贡献者。其中C02 对增强温室效应的贡献率最大，约占56%，是最重要的温室气体【2】。其次是CH4，其温室效应潜能是 C02的23倍，对温室效应的贡献率约占15%【3J。据估计，大气中每年有5%～20%的C02、1 5%～30%的 CI-b,、80%90%的N20来源于土壤【jJ。而农田又是土壤生态系统温室气体释放的重要来测41。为此，通过了解农田土壤温室气体产生机理及影响因素，可为温室气体减排措施制订提供理论依据。
1 农田土壤温室气体产生机制
1.1农田土壤C02的产生机理
农田生态系统C02的排放来源于土壤呼吸，包括三个生物学过程即植物活根呼吸、土壤微生物呼吸、土壤动物呼吸和一个非生物学过程即含碳物质化学氧化作用。土壤呼吸强度主要取决于土壤中有机质的数量及矿化速率、土壤微生物类群的数量及活性、土壤动植物的呼吸作用等。土壤C02排放实际是土壤中生物代谢和生物化学过程等所有因素的综合产物
1.2农田土壤CH4的产生机理
大气中CH4浓度的增加主要源于土壤生物过程的排放，即在厌氧环境下，土壤有机物、根系分泌物、死亡的作物根系或作物残茬、死亡的土壤动物及微生物、施入的有机肥等有机物在厌氧细菌的作用下逐步降解为有机酸、醇、C02等小分子化合物，然后，产CH4菌再将小分子化合物转化为CH4。土壤CH4的排放主要受土壤含水量、有机质含量、酸碱性等土壤理化特性的影响。如天然湿地、水稻田、废弃物的堆积处理场等均是cH4的排放源，其中水稻田是农田土壤CH。的主要排放源，约占全球总排放量的12%【6J。 1.3农田土壤NzO的产生机理土壤中N20的产生主要是在微生物的参与下，通过硝化和反硝化作用完成的【丌。
硝化过程是在通气条件下，亚硝化和硝化微生物将铵盐转化为硝酸盐的过程;反硝化过程则是在厌气条件下，由反硝化细菌将硝酸盐或硝态氮还原成氮气(N2)或氧化氮(N20和NO)的过程。
2农田土壤温室气体排放的影响因素
研究表明，影响土壤呼吸的因素很多，土壤理化性质如温度、含水量、有机质含量、pH、氧化还原电位(Eh)、土壤质地等因素直接影响土壤微生物种类、数量及其生理生化过程，进而影响温室气体排放‘8一01。此外，水肥管理以及耕作措施等通过改变土壤理化性质及呼吸底物来影响温室气体排放【11·1 31。
2.1 生物因素
土壤主要温室气体(C02、CH4、N20)的产生无不与土壤微生物、作物根系、土壤动物和各种真菌的数量及活性有关，即与生物因素密切相关p—J。其中6种菌群(发酵细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷细菌、甲烷氧化菌、硝化细菌、反硝化细菌)与 CH4和N20释放密切相关¨4。。研究发现，80%以上的CH。是通过甲烷产生微生物(甲烷产生菌)和甲烷营养微生物(甲烷氧化菌)相互作用产生的【¨。6|。不同碳素、氮素物质和土壤理化特性对这些菌群的种类、数最和活性产生重要影响，进而影响温室气体的产生与排放[17-18】。水稻田土壤中甲烷氧化菌种群数量对土壤氧化甲烷速率有显著影响，随着外源甲烷的加入，可刺激土壤中的甲烷氧化菌增殖，进而诱导甲烷氧化速率达到最大ll 9I。此外，农作物的种类、生育时期等对土壤温室气体的排放具有重要作用12…。研究发现，玉米植株能通过其根系的作用增加土壤向大气排放N20【2u;旱田大豆N20排放通量在l d内有两个释放高峰，而菠菜田和春小麦田只有1个释放高峰，而农田裸地是一较弱的N20释放源【22I。在稻田里，水稻分孽期和成熟期一般会出现CHo排放峰值，而其他生育期没有峰值，而且水稻植物体(根、茎、叶)重量对CH。排放具有重要影响P驯;随着水稻品种的演进，稻田CH4排放通量呈逐渐减小的趋判24J。表明农田土壤温室气体排放与作物种类、生长期等密切相关。
2.2土壤理化特性
2.2.1 土壤质地
土壤质地直接影响土壤通透性和水分含量，进而影响土壤硝化作用、反硝化作用、有机质氧化分解和还原过程的相对强弱及温室气体的产生及其在土壤中的扩散【2n27 J。研究表明，水稻田粘质土壤排放的CH。显著或极显著低于壤质和砂质土壤【2出3UJ。这主要是由于砂质土壤氧化还原电位易于变化，土壤硝化和反硝化作用容易发生，再加上砂质土壤的气体扩散较粘质土壤快，有利于土壤 N20向大气排放川;而旱地壤土排放的N20高于砂质和粘质土壤132|。
2.2.2土壤温度
在一定范围内，土壤温度升高可加速土壤中有机质的分解和微生物活性，从而增加土壤中C02浓度【331。研究表明，C02释放速率与温度呈线性或指数正相关关系，其中10 cm和5 cm土层温度对土壤 C02排放影响最大【25翔】。水分充足时，温度是影响土壤C02释放的主要因子1351。大多数产甲烷菌活动的最适温度为35～37℃。在田间条件下，产甲烷菌的活性随土壤温度升高而提高136]，CI-h排放速率也随之增加”7l。温度不仅影响N20产生的生物学过程，还是土壤N20排放日变化的最主要控制因裂38】。硝化微生物活动的适宜温度范围是15～35℃，在适宜的土壤湿度范围内，67%的N20排放量集中在15-25 ℃范围内【391;低于5℃或高于40℃抑制硝化作用。 N20排放通量与温度之间存在一定程度的正相关性，N20排放通量随年均气温升高而升高Ⅲj。
2.2.3土壤湿度(Eh)
土壤产生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排放对土壤水分含量的反应呈极显著的负相关性【411。水分状况是影响稻田CH4排放的最重要因素之一。一般来讲，产甲烷菌开始活动并放出CH4的Eh范围是.150～230 mV，临界Eh是.150~-160 mVE421;也有研究者发现Eh为.120mV甚至.110mV时有CH4 排放，且CI-h排放量随Eh的下降而增加[43-44]。水稻生长期一直保持淹水状态，其cH4排放量高于一般水田，如果稻田淹水前连续晒干时间越长，水稻生长期CH4排放量越低【451。说明土壤湿度及土壤湿润期的长短都影响CH4的排放。
土壤含水量较低时，N20主要来自硝化过程;土壤含水量较高时，N20主要来自反硝化过程;在中等含水量(45%～75%WFPS)情况下，硝化和反硝化作用产生的N20大约各占一半m却J。水分状况不仅影响土壤中N20的生成量，也极大地影响着水田N20向大气的传输[481。连续淹水条件下，稻田土壤仅排放微量的N20，但排放出大量的cH4和c02;好气条件下，土壤不排放CH4，但排放出大量的 N20。淹水好气交替处理的土壤其排放的C02、C144 和N20均在好气和连续淹水之间一J。
2.2.4土壤pH
研究表明，土壤pH对土壤温室气体的产生具有重要影响。一定的酸化累积促进C02排放[50J，而累积到某值时(pH3.05)又抑制C02的排放;而 cH4和N20的排放基本上随酸化累积程度的加深而增加。但土壤pH值不是造成土壤温室气体排放差异的直接原因，C02和CH4排放差异主要是由于酸化累积过程导致土壤碳、氮以及其他养分元素含量的差异造成的【511。CH。排放的最适pH是近中性环境，pH的微小降低会导致cH4排放通量明显降低。在.250和一200 mV时，pH增加0.2导致CH4排放通量增加近20%。土壤pH对N20净排放的影响十分复杂，一般认为反硝化菌活动范围在3.5—11.2之间，最适宜的pH值为6～8，低pH影响各种反硝化产物的比例，并降低反硝化损失氮素的总量。在pH值 3.4~6.8内，硝化作用与土壤pH值呈正相关吲;在土壤pH值为3时，N20排放量和土壤N20浓度都明显降低【5副;当土壤为中性时，N2是反硝化作用的主要产物，pH降低则反硝化作用产生N20的比例增大i541。在相同的气候条件和农业管理措施下季节性N20平均排放通量与pH成正相判"J。
相关知识推荐：土壤肥料研究所研究员职称论文要求
2.2.5土壤有机质
土壤有机碳含量决定微生物碳库的大小，从而影响C02、CH4排放的总量，有机碳总量少则周转速率加快，活性有机碳的多少限制着土壤碳的净矿化【5¨¨。有机碳加入土壤可促进微生物活动，使 Oz供应不足，导致自养微生物参与的硝化作用减弱，从而使反硝化作用增强。研究表明，土壤中反硝化作用与土壤有效C含量密切相关，而与总c量无关，土壤中加入有机质可大大加强反硝化强度。而在有效碳缺乏时，即使氮的浓度很高，反硝化速率仍很低;随着有效碳的增加，反硝化速率也随着提高【26|。残茬稻田的C02排放通量较裸田高，而 CH4吸收增高50%，N20排放较裸田低【l列;冬小麦季节性N20平均排放通量与土壤有机碳含量、全氮含量、铵态氮含量及C/N比成显著负相关【55】。表明土壤有机质是影响温室气体排放的重要因素之一。
2.3施肥措施
研究发现，水稻田施用作物秸秆、猪粪、沼气渣等有机肥能显著增加CH4的排放158。60】，而化学氮肥的施用增加了稻田N20的排放量，且硫铵能比尿素排放更多的N20[611。与常规灌溉(淹水和烤田相结合)相比，水稻生长季持续淹水促进了后季麦田 N20的排放;在常规灌溉方式下，秸秆施用可减少后季麦田N20的排放，而在持续淹水方式下，施用秸秆并不减少N20排放量帕烈。在夏玉米田，施用农家肥可显著增加C02的排放量，但抑制了土壤对 CH4的吸收，施肥量高抑制作用强163l。长期N、P、 K养分配施，土壤C02平均排放通量有所增加，而且施氮肥增加土壤N20平均排放通量惮J。
2.4农作措施
农作措施通过改变土壤环境、土壤理化特性及土壤生物的类型、数量及活性来影响土壤温室气体的排放。研究表明，耕作制度(冬水田、半旱式垄作、水旱轮作)不仅影响水稻田CH4的排放通量，也影响稻田甲烷排放的季节变化规律。水稻刮、麦轮作的土壤CH4平均排放通量仅是冬水稻田排放通量的l/3f6 51。稻田甲烷排放的季节变化与前作有关，前作是旱季蔬菜或单季早稻、单季晚稻，cH4平均排放通量显著低于常规连作【66I。此外，稻田不同栽培密度的CH。排放量以每穴栽插4苗处理最高，3 苗次之，2苗最小【24’;种植密度对农田N20排放也有影响，且不同生长阶段差异较大【们J。稻草免耕还田不仅能降低CH4、N20平均排放量和排放速率，而且使CH4、N20峰值出现晚7—10 d16引。
3减排措施
随着温室气体产生机理和释放机制的深入研究，有关温室气体减排措施方面的研究报道逐渐增多。研究发现，水肥管理可有效控制温室气体排放，例如沼渣肥与化肥结合施用可有效降低稻田cH4的排放㈣;长期施用有机肥对削弱土壤碳释放，抑制大气C02浓度升高具有重要作用【7Ⅵ;包膜型控释肥能极显著地降低稻田N20的排放量川;控释肥料、长效碳酸氢铵和缓释尿素能明显减少玉米田土壤 N20排放【211;铵态氮能抑制旱地土壤CH4释放，促进土壤CH4的氧化【721;脲酶抑制剂(氢醌)和硝化抑制剂(双氰胺)可协同抑制水稻田土壤N20和 CH。的排放173-74】。间歇灌溉可减少稻田温室气体排放【7别;将冬水田改为水—早轮作可达到温室气体减排的目的[1 31。另外，化感物质(苯甲酸和对叔丁基苯甲酸)对土壤N20释放有明显的抑制作用，且随着浓度的增大，其抑制效果越显著【7刨;纤维素碳源对设施栽培土壤CH。氧化的抑制作用小，高浓度的甲醇则对CH。氧化具有强烈的抑制作用，而适当浓度的甲醇可极大地促进土壤CH4的氧化，减少CH4 释放【77】。
4研究展望
随着土壤C02、CH4、N20产生机理的深入研究，影响农田土壤温室气体排放的内因与外因广泛展开，逐渐由宏观环境影响向微观条件影响、由单因素影响向多因素交互作用转变，研究内容和深度不断深入。然而，就已有的研究结果来看，本文提出以下建议以供参考，(1)在深入研究水稻田土壤温室气体排放的基础上，加强对大田土壤温室气体研究，尤其要加大对设施栽培土壤温室气体排放的研究力度;(2)在研究土壤理化特性对温室气体排放影响的基础上，更要突出生物因素(微生物和作物)的影响，使土壤生物特性、土壤理化特性与温室气体排放有机联系起来;(3)综合分析已有研究资料，提出关于土壤温室气体排放量模拟计算模型和参数确定方法，扩大模型的应用范围;(4)加强土壤微环境碳氮循环机制研究，重点放在土壤温室气体产生菌的产气机理研究，为温室气体减排提供理论依据。——论文作者：翟胜L2，高宝玉1，王巨媛3，董杰2，张玉斌4
参考文献：
[1】ⅪEHLJ T'TRENBERTH K E.Earth’S annual global mean energy budget[J].Bulletin of the American Meteorological Society,1997， 78(2)：1 97-208.
【21 IPCC.Special Report on Emissions Scenarios，Working Group 11I， Intergovernmental Panel on Climate Change[C].Cambfidge：Cam· bridge University Press，2000.
[3】HANSEN J E，LACIS A A.Sun and dust vcrsus greenhouse gases：An assessment of their relative roles in global climate change[J].Nature， 1990，346：713-719.
[4】MELILLO J M，STEUDLER P A，ABER D，et a1.Soil warming and carbon—cycle feedbacks to the climate systems【J】.Science，2002，298： 2173—2176.
【5】Singh J S，Gupta S R.Plant decomposition and soil respiration interrestrial ecosystems[J】.Botanical Review,1997，43：449—528.
【6】 SASS R L，FISHER F M，WANG Y B，et a1.Methane emission from rice fields：the effect of floodwater management[J].Global Biogeochemical Cycles，1 992，6：249—262.
【7】IPCC，Climate Change 2001：The Scientific Basis，HOUGHTON J T. DING Y，(Eds.)，Cambddge University Press，Cambridge，UK,2001： 38-41.
【8】KHALIL M A K SHEARER M J.Decreasing emissions of methane from rice agriculture【J】.International Congress Series，2006，1293： 33-41.
【9] 秦小光，蔡炳贵，吴会水，等.土壤温室气体昼夜变化及其环境影响因素研究【J】.第四纪研究，2005，25(3)：376.388. Qin Xiaoguang，Cai Binggui，Wu Jinshui，et a1.Diurnal variations of soil trace gases and related impacting factors【J】.Quaternary Sciences， 2005，25(3)：376—388.
【10]SMITH KA，BALL T，CONEN F，et a1.Exchange of greenhouse gases between soil and atmosphere：interaction of soil physical factors and biological processes【J】.European Journal of Soil Science，2003，54： 779—791.
『1 l】HANSEN M N，HENRIKSEN K，SOMMER S G Observations of production and emission of greenhouse gases and ammonia during storage of solids separated from pig slurry：Effects of covering[J】. Atmospheric Environment，2006，40：4172-4181.
