模拟增温对华北平原长期免耕农田土壤N2O排放通量影响研究

1 绪论
1.1选题背景及理论依据
IPCC2007年公布第四次评估报告指出，全球气候变暖这一不争的事实，和人类活动无疑是全球变暖的主要原因。在全球变化的大背景之下，有研究表明中国与全球或北半球平均温度的年代变化和线性趋势一致[1] [2]随着人类活动的不断加剧，大气当中温室气体浓度不断增加，导致地表增温，唐国利[3]等研究表明自1905 年后中国年地表平均气温呈现明显增加趋势，升高幅度为 0.79℃，增温速率为 0.08℃/10a。N2 O和CO2，CH4被列为大气中的三个最重要的温室气体[4] ，虽然大气中N2O较CO2的浓度偏低，却有很大的增温潜势,近年来，N2O成为了全球关注的热点议题。目前，N2O在大气中的浓度的历史上最长的是以来的格陵兰中部Summit 冰芯资料获得的37 ka BP以来的中央峰曲线[4]。。N2O 浓度随温度而变化, 低温低浓度, 暖期高浓度。 在末次冰期转换向全新世的过程中, 随温度升高, N2O 浓度从末次冰期末期的约200 × 10- 9 增加到全新世早期的约270 ×10- 9[4]。 此外，N2O浓度也显示快速变化的特点，Dansgaard-Oeschger事件末次冰期（ 36.5 〜 33.5 ka BP前后）的快速气候波动的过程中，在短短的3500a常压N2O浓度从小于210×10-9上升到超过250×10-9。然后又降低到210×10-9以下[4]早在1990 年Rodhe[5]指出,lmoL N2O 的增温效应是CO2的150一200倍,且N2O在大气中可以存留120年左右[6]。Delgado也指出在20 a、100 a、500 a 的时间尺度上，单位质量N2O 的全球增温潜势（Global WarmingPotential，GWP）分别为CO2 的275、296、156 倍[7] 。与此同时， N2 O是还参与大气中的许多光化学反应， N2 O不仅吸收7.78 、8.56和16.98 PTM中心波长的长波红外辐射，通过降低空气的表面热辐射到空间，直接导致温室效应，在平流层中的经紫外线照射，分解成与臭氧发生反应的NO分子分导致臭氧含量降低 ，从而增加到达地球表面的紫外辐射，破坏人类生存环境，威胁人类生存安全[8]，N 2 O的浓度在大气中增加1倍将导致臭氧层的较少10％ ，辐射到地球的辐射将有20 ％增加[9]。目前，大气中的N2O每年以0.2%～0.3%的速率在增加，其浓度已从工业化前的约2.7×10-4 ml/L 增加到2005 年的3.19×10-4ml/L，预计到2050 年其浓度将增加到3.5×10-4 ～4×10-4 ml/L[10]。
因此,人们越来越关注N2O浓度升高对全球气候变暖和臭氧层的影响，同时气候变暖反作用与N2O浓度的变化气候变暖已不存在争议，所以我们需要一方面更加准确的预测未来几十年的气候变化情况，另一方面也要找到合适的办法来降低N2O排放。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 N2O排放研究现状
在美国，N2O的排放6.3%,来自农田，而农田土壤N2O的主要排放源是土壤管理尤其是施用化学氮肥，其贡献率高达70%~80%；叶欣等[11]研究表明, 土壤N2O排放的日最高值随着土壤湿度的降低,从夜间转至白天,其日较差变小;另有研究表明,在华北地区,N2O通量在越冬后速率明显高出其他阶段很多倍,而在越冬期,N2O通量很低,基本没有N2O排放另一项研究表明，在中国北方， N2O的越冬后排放速率比其他阶段的显著增高，而在冬季， N2O通量很低，基本没有N2O排放； Pathak[12]等研究表明,小麦灌溉 5 次比灌溉 3 次排放更多的 N2O；叶丹丹[13, 14]等对华北平原典型农田 CO2和 N2O排放通量的研究表明,各主要生育期特别是施肥后的生育期, 不同施肥处理土壤无机氮含量和相应的N2O通量之间呈显著正相关； Li[14]等在华北地区的研究,在8月份施用90kg N/ha后N2O的最高排[15]放速率为450.42 Lg N2O-N/(m2.h),而胡小康[16]等研究,在同一时期内施用60和150 kg N/ha 后N2O的最高排放速率分别571.9和701.61 Lg N2O-N/(m2.h)”在相等施氮量的条件下,普通尿素处理所造成的N2O排放结果不同土壤最大田间持水量WHC(water holding capacity)和土壤空隙含水率WFPS(water-filled pore space)常被作为土壤湿度表征,虽然WHC和WFPS表示同一土壤含水量不能完全等同的,但二者结果非常接近并可以相互转化。研究发现，稻田生态系统排放量高峰通常发生在整个冬小麦生长期90%~100%WHC或77%~86%WFPS之间，冬小麦整个生育期内,N2O 排放随灌溉、降水引起的 WFPS 变化而起伏.冬小麦播种后115天内,不同耕作处理WFPS的增加导致N2O 排放通量减少，再小麦播种后175d 之后,N2O 的排放与 WFPS 的变化趋势接近一致[17]。王重阳[18]等对下辽河平原旱作农田地研究表明,N 肥处理的春小麦田和玉米田分别是无 N 处理的 1/3.88和 1/1.10 倍。陈书涛[19].等通过对施氮肥玉米田土壤和未施氮肥裸地土壤的研究发现:土壤-玉米系统中以 N2O 的形式通过土壤排放化肥氮约有1.25%; 研究表明，秸秆加入土壤后主要有两个方面的作用：一是自身的碳/氮比高,促进微生物氮的有效吸收土壤矿质氮, 固定土壤中的矿质氮,固定在减少硝化反硝化底物发挥作用，减少稻田排放量;其次秸秆腐化分解后剩余的有机碳继续分解,加快消耗土壤中O2,促进中间产物N2O还原为N2,来减少N2O的排放，晚稻期间秸秆还田处理能在一定程度上减少早稻田N2O排放,但会增加CH4排放而显著提高整体的GWP。
1.2.2 增温对N2O排放影响
温度升高会影响土壤pH值、土壤含水量、土壤有机质、土壤中微生物量以及酶的活性从而间接影响土壤N2O排放。陈智[20]等通过夜间19: 00–07: 00 12 h的连续增温与对照相比, 土壤pH和有机碳含量呈下降趋势, 土壤全氮含量升高, 但与对照处理间均无显著差异(p > 0.05)。李娜[21]等通过在6~9月测定模拟增温处理、对照处理不同土层土壤湿度,发现模拟增温处理能够显著提高各土层土壤湿度( p < 0. 05)。并且增温处理中不同土层土壤湿度提高程度不同，20cm土层土壤湿度显著高于10cm 与30cm，这说明模拟增温改变了土壤水分状况, 温度增加改变土壤生态系统并影响地上植物，引起的植物蒸腾和光合作用等一系列变化也在改变一定程度上影响了土壤水分。而Beier[22]等的研究结果表明, 增温对不显著影响土壤氮有效性，土壤水分才是影响土壤氮素矿化的重要因素。。包秀荣[23]等通过在野外自然条件下的模拟增温实验，结果表明模拟增温使各个观测深度的土壤有机质含量均增加。温度不仅影响土壤微生物以及各种生物酶活性，还会影响土壤呼吸速率以及土壤反应的速度，最终对土壤有机质的转化产生影响。增温在很大程度上通过增加土壤微生物数量而增强土壤酶活性[25]土壤中各种酶活性通过影响土壤中有机质的分解和转化速率，从而影响土壤呼吸速率[26]。刘琳等[27]研究发现单独增温后土壤纤维素酶和磷酸酶活性分别提高了12.4%、29.1%，说明增温促进了土壤有机物质分解，加速了生态系统C-P循环，这与 Beier[28]等对欧洲自然灌木生态系统的研究结论得相似。杨文英[29]等通过对湾滨海湿地芦苇群落土壤研究后发现模拟短期增温会不同程度影响各种酶活性。在地表0～10cm土层中三种生物酶活性都有所提高。其中β－葡萄糖苷酶脲酶、蔗糖酶活性比对照分别提高了32.5%、0.76%、52.8％，而碱性磷酸酶活性比对照降低了2.54％。其中蔗糖酶活性与对照的差异显著（p＜0.05）。Sardans[24] 等研究发现模拟增温增加了土壤脲酶在冬、春季的活性，而在夏、秋季对土壤脲酶活性无影响，分析原因为在冬、春季土壤水分充足，增温与水分的交互作用显著刺激了土壤脲酶活性，而在水分缺乏的秋、夏季土壤中土壤脲酶活性没有显著的变化。李娜[25]等通过对长江源区进行两年的模拟增温实验后发现高寒沼泽草甸和高寒草甸中相应土层中微生物生物量碳、氮含量具有相一致的变化趋势, 开顶式增温棚内0~ 5 cm和5~ 20cm土层的土壤微生物生物量碳、氮含量均高于自然样地, 差异均达到显著水平( p < 0.05)。开顶式增温棚内0~5 cm和5~20 cm土层的土壤微生物量、碳、氮含量均高于自然样地，差异均达到显着水平( p(0.05)。表明温度微弱的提升能够增加土壤中微生物生物量、碳、氮的含量，其中， 并且适度的增温对表层土壤微生物生物量碳、氮的影响显著于深层土壤。Grant和Pattey[26]研究表明,N2O通量随气温增加而增大。Li[14]等用反硝化分解模型（DNDC）研究美国农业N2O排放表明，气温增加20%，N2O排放量增加33%。Hu[27]等用红外加热系统增温青藏高原高原草甸土壤，结果表明升温1.8-3℃并未影响N2O通量的年度变化。而草场与非草场比，升温还降低了草场N2O的排放量。Hart[28]认为年平均气温的微量增加能够显著影响土壤N循环。1.2.3 免耕对N2O排放影响国际社会正在努力减缓温室气体排放以应对全球气候变化，提高氮肥利用率可以有效减少N2O 排放，利用土壤分馏碳则可以减缓大气CO2浓度升高。提高土壤有机碳含量的有效举措之一是免耕。有三个方面的优势：①免耕可以有效减弱土壤侵蚀强度，减少水土流失。②免耕不破坏活提高土壤团聚性，使其土壤蓄供水、养分能力及利用率提高。③免耕能够加速土壤有机质积累，提高土壤肥力。因此，免耕技术十分受到国际上的重视、推广及应用。免耕即是指不再搅动土壤除播种或注入肥料外，施肥与播种可选择同时或分期进行均可，肥料可施入土壤也可撒施于地表的田间耕作方式。常见的免耕类型有直接播种、带耕和垄作。免耕不仅能够有效分馏大气碳，促进农业可持续发展的同时，可能还影响着其它温室气体比如N2O的排放。目前关于免耕对土壤N2 O排放通量影响的研究结果不尽相同，促进、抑制都存在，因此分析研究免耕对土壤 N2O排放的影响及其内在作用机制是非常有必要的。免耕能够提高土壤含水量以及土壤本底物有效性，并促进土壤形成厌氧微域环境，从而为反硝化作用的发生提供便利。免耕土壤中反硝化的底物NO3-含量一般情况下低于常规耕作土壤。因此免耕土壤强于常规耕作的较高的N2O排放通常被认为是土壤反硝化能力增强的结果。与此同时免耕由于提高了土壤容重、增强了土壤贯穿阻力从而降低了气体扩散速率，使得硝化、反硝化过程产生的 N2 O在向大气中散逸之前被进一步还原为N2，从而降低了 N2 O排放。因而在研究中首先需要明确免耕在提升土壤反硝化能力的情况下，反硝化强度的变化程度、存在哪些关键因素影响着反硝化强度变化，能否可以通过改变施肥、灌溉等田间管理措施来调控其变化。不同的肥料种类、施肥方式也有可能会导致免耕和常规耕作土壤N2O 排放间差异。Venterea[29] 等研究发现，当施用无水氨时，免耕土壤N2O排放通量比常规耕作土壤排放更少。但当施用肥料为尿素时，则增加了免耕土壤N2O的排放。在加拿大粘壤土上，Drury[30]等研究，随着施肥深度的差异，免耕土壤N2O排放通量存在差异，在2 cm深度浅施氮肥时，不同耕作方式间 N2 O排放量相近，而在氮肥深施10 cm深度时，免耕土壤 N2 O排放低于常规耕作土壤，氮肥深施会因土壤含水量的增加而提高土壤的反硝化能力和N2 O排放，但与常规耕作相比，深层次的免耕土壤由于活性有机碳含量较少而致使反硝化能力较低，N2 O排放也较少。由于免耕土壤具有较高的水分含量，一般认为灌溉后免耕处理N2O 排放量的增强幅度更大。不过当高强度降水或灌溉后，两种耕作体系中土壤含水量都很高，反硝化作用强度均会明显增大，此时，免耕土壤N2 O排放量可能呈相近常规耕作N2 O排放量还有可能存在减少的现象。此外，随着免耕年限增加和土壤固定有机碳增多，土壤反硝化强度呈增加的态势，因而免耕对温室气体的减排成效可能随着时间的延长而愈加显著。其次，当免耕并未显著影响土壤反硝化能力时，因土壤中较高的硝化能力常规耕作土壤就会促使其N2O排放量高于免耕土壤。但在不同耕作措施下，常规耕作土壤硝化能力提升所产生排放的N2 O量于免耕土壤反硝化能力提升产生的 N2 O量相比是提高于还是降低，硝化和反硝化作用对不同耕作土壤 N2 O排放的贡献程度存在多大差异？这些均将是今后研究中需要重点关注的对象。5 展望本试验采用的静态箱法观测，该方法本身存在一些的固有缺陷,无法避免人工采样对田间观测点及其周围自然条件的扰动,改变观测点的自然条件会影响到土壤气体的交换过程和观测结果。尽管在田间观测时, 通过在底座周围铺垫砖头,减少踩踏;尽量避免对底座周围植株的损坏等方式最大程度地降低了人为活动对土壤和地表植株的影响,但仍无法避免观测点周围土壤由于长期踩踏而引起的土壤板结,观测点作物倒伏或折断,造成了观测点与其他地块条件的微弱差异,使其结果的代表性受到影响。这个问题可以在今后的实验中可以通过修葺田埂或者预先在采样点周围铺设简易道路解决，也可通过自动采样系统最大程度上降低人为扰动。对于土壤N2O排放通量是一个复杂的过程，是的各个影响因子交互影响的结果,大多数的学者进行的研究都是基于单因子的分析和讨论,本研究地区环境条件,尤其是水分和温度,相互影响,使得土壤N2O通量受水分影响变得十分复杂"由于试验的限制，尽管我们尝试排除其他因素的影响,但仍然有一些我们人为无法控制的影响，比如土壤动物、微生物活性等,我们在没有设置灌溉与不灌溉对照处理的情况下,灌溉的影响不能完全去除,由于土壤的空间差异性较大,受试验实际条件限制,我们所设置的重复较少,这样对农田土壤N2O总排放量的估算会产生一定的影响，同时对土壤N2O通量的估算方法也期待能够利用土壤N20通量与各影响因子的综合关系来模拟实现,以更真实的反映具体土壤环境条件下的土壤N20排放量，另外种植作物类型对土壤N2O的排放也有一定的影响,对可能的原因也有待进一步的研究。