农田系统氨挥发与温室气体排放研究进展

时亚文，李宙炜，阳剑，唐启源



农田系统氨挥发与温室气体排放研究进展

时亚文，李宙炜，阳剑，唐启源*

(湖南农业大学农学院, 长沙 410128)

通过对国内外有关农田系统氨挥发与温室气体排放的机理及其影响因子等进行综述，发现已有研究对植物体是否挥发损失N2及N2O存在争议。指出今后可以从栽培模式、氨挥发与温室气体排放的规律及影响因子等方面入手进行研究，以期为最佳栽培模式的管理提供理论依据。

农田系统；氨挥发；温室气体排放

近年来，农田中氮肥的施用为提高粮食生产做出了突出贡献,但随着氮肥的过度施用及施用方法不当，由此而引发的一系列生态环境问题，已影响到农业的可持续和健康发展。在农业生产中，施入土壤的氮肥一部分被作物吸收利用；另一部分则以氨(NH3)、氮(N2)、氮氧化物(N2O)的形式进入大气或水体，这些氮氧化物不仅加剧了全球气温的升高，而且还使农田系统水体富营养化。有研究表明，全世界施入土壤中的氮肥1%～47%以氨挥发的形式进入大气，因此，加强农田系统氨挥发研究刻不容缓。

由温室气体排放而引起的全球气候变暖成为当今国际社会普遍关注的焦点。据IPCC第四次评估报告[1]表明，预计到2030年，农田甲烷和氧化亚氮排放量将比2005年分别增加60%和35%～60%,并且地球表面的气温有z可能每10年上升0.2℃,进而加剧全球气候变暖。农业源是温室气体的主要排放源。因此,要深入研究农田系统温室气体排放的机理及影响因素，为保障我国粮食生产和建设良好生态环境奠定坚实的基础。

1 氮肥的气态损失形式

1.1 NH3的挥发损失

1.1.1 植物氨挥发

在农田系统中，NH3的产生主要来自植物体光呼吸氮循环等过程[2]。其中，主要是叶片通过谷氨酰胺合成酶途径将NH3同化(谷氨酸 + NH3+ATP → 谷胱酰胺 + ADP + Pi+ NH4+)，合成含氮营养物质。根据化学平衡原理，植物体中氨挥发是在一定环境条件下，叶片NH4+积累和同化不平衡的结果。因此，通过光呼吸内源产生NH3与GS途径中固定NH3之间的不平衡，是导致植物体氨挥发的主要原因之一。

1.1.2 田间氨挥发

NH4+-N及其转化在水-气界面是一个复杂动力学过程，包括多种反应在内的水分、温度、光照和施肥技术等都对氨挥发的动力学变化产生影响[3]。氮肥在稻田中的氨挥发的化学平衡如下：

NH4+代换性<=> NH4+液相<=> NH3液相 <=> NH3气相<=> NH3大气

在上述化学平衡式中，凡是能使平衡向右进行的因素都能促进氨挥发。

1.2 N2的挥发损失

N2作为氨挥发的气体之一，也有很多科学家对其进行了不同的试验研究。其中，Vanceko和Varner研究发现，小麦出苗后10～12ｄ，叶片通过发生Van Slyke反应[4,5]产生N2。然而Mkcee通过研究得出植物体内HNO2含量极少，并且Van Slyke反应只能在HNO2存在和pH值低的条件下发生，所以进行正常生理活动的植物很难发生这种反应[6]。又有李生秀等[2]通过水培气室法及同位素15N标记肥料进一步研究表明植株并未挥发N2。总体来说，对于植物体是否挥发损失N2还需要进行更深入的研究。

1.3 N2O的挥发损失

目前，在农业生产中，N2O是化学反硝化和生物反硝化作用的产物，但是，很少有人将土壤、空气和植株体内不同来源的N2O区别出来[2]。有研究者用差减法研究发现，玉米生长期间每公顷约释放3 kg N2O，其中，土壤反硝化作用占了相当大的比例[7]。然而，由于土壤属非均匀介质，反硝化过程因时因地变异甚大。况且，差减法不能排除土壤中已有的N2O，因而采用差减法不能得到相对可靠的结果[2]。何文寿[8]通过在pH偏酸性的无机培养液中，以铵态氮肥为氮源进行水培试验，对培养液中铵态氮浓度的测定，得出植物体无N2O释放的结论。所以，要确证植物体是否释放N2O，还需要不断改进研究方法并进一步深入研究。

2 氨挥发的影响因素

2.1 光照和温度

光照和温度与农田系统息息相关。由于植物气孔导度与氨挥发密切联系，所以，光照和温度通过对植物叶片气孔导度的影响来进一步影响植物氨挥发。蔡贵信等[9]研究表明，在一定范围内，氨挥发与光照呈正相关。Matrsson等[10]报道，温度从20℃上升到32℃的过程中，3个不同基因型大麦的氨挥发速率均成倍增加。同时Sturrr[11]对水稻的研究也表明，在一定温度范围内，不同品种水稻间的氮素挥发损失均随着温度的升高而增加。光照和温度不仅对植物体氨挥发有影响，对田间氨挥发也有一定影响。王朝辉等[12]通过对小麦地温的变化研究表明，施肥后，随着地温的升高，尿素的水解加快，从而促进NH4+-N的转化致使氨挥发增强。因此，光照和温度是影响农田氨挥发的重要因素。

2.2 水分

氨挥发与水分的散失关系密切。氨挥发的机制主要取决于土-气界面氨的浓度梯度所导致的氨扩散作用。许多研究表明，土壤水分保持稳定，无水分散失时，氨气挥发量仅占到施氮量的1%；当土壤含水量高时，土-气界面氨的浓度梯度减小，氨扩散作用减弱，氨挥发量降低；相反，土壤含水量低时，氨挥发量增大[13]。

2.3 土壤pH值

土壤pH值代表着土壤的理化性质。魏玉云[15]研究发现：在土壤含水量相同的各种母质砖红壤上分别施入尿素，随着土壤pH值的上升，以氨挥发形式损失的氮量增多，损失率增大。土壤pH＝4.0是尿素在变质岩土壤上发生氨挥发作用的激发起始值，即当土壤pH上升至此值时，氨挥发损失量会极显著增加。因此，土壤pH值的高低对农田氨挥发的潜力有重要影响[14]。

2.4 施肥技术

施肥技术是田间栽培管理的重要措施之一。有研究表明，在农田系统中，采用深施、混施，氨挥发量较小，表施则氨挥发量相对较大。其中，深施的主要作用在于当铵态氮从土壤下层向表层扩散时能被土壤阳离子交换复合体所吸附，使液相中铵离子浓度逐渐降低，随着施肥深度的增加，氨挥发量逐步降低。当田面无水层时，撒施氮肥随即耙混、灌水，可将较多的氮肥混入土中，从而降低施肥后田面水中氨的浓度，有利于显著减少氨挥发[16]。因此，不断改善施肥管理有助于减少农田氨挥发。

2.5 生育时期

生育期是作物生长的重要环节。氨挥发损失因作物生育时期不同而有明显的差异。有研究表明，从拔节期到灌浆期，冬小麦地上部氨挥发的速率和数量都很低，进入成熟期后成倍升高，这与不同生育期冬小麦吸氮量的变化相一致[17]。因此，在作物关键生育期，控制氨挥发损失对提高植物氮素利用有重要意义。

3 农田土壤温室气体的排放机理

3.1 CO2的产生机理

农田生态系统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动物呼吸(一个非生物学过程即含碳物质化学氧化作用)三个生物学过程。其中，影响土壤呼吸强度的因素主要有：有机质含量及其矿化速率，微生物类群和数量及其活性，土壤动植物的呼吸作用强度。因此，土壤中CO2排放是生物代谢和生物化学的综合产物[18]。

3.2 CH4的产生机理

稻田是土壤CH4的主要排放源，约占全球总排放量的12%[18]。厌氧细菌在厌氧环境下，将土壤有机物、根系分泌物、作物残茬、死亡的土壤动物、土壤中有机肥等有机物逐步降解为有机酸、醇、CO2等小分子化合物，然后，产甲烷菌再将其转化为CH4。土壤CH4的排放主要受土壤含水量、有机质含量、酸碱性等理化特性的影响。因此，农田中CH4主要源于土壤的生化反应。

3.3 N2O的产生机理

土壤中N2O的产生主要是在微生物参与下通过硝化和反硝化作用进行。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；反硝化过程则是在缺氧条件下，由反硝化细菌将土壤中的硝酸盐或硝态氮还原成氮气(N2)或氧化氮(N2O和NO)的过程。机理如下：

硝化过程：

反硝化过程：NO3→ NO2+→NO → N2O → N2

硝化和反硝化作用是农田N2O产生的重要过程。

4 农田土壤温室气体排放的影响因素

4.1 微生物群体对温室气体排放的影响

微生物的活动与农田温室气体的排放密切相关。冯虎元等[19]研究表明，80%的甲烷是通过微生物的相互作用产生的。并且，不同碳氮源和土壤理化特性通过对微生物的种群、数量和活性的影响，进而影响温室气体的排放[20,21]。岳进等[22]研究表明，一定条件下，稻田甲烷排放量与反硝化菌数量、硝化菌数量均呈显著正相关关系。因此，农田中微生物是衡量温室气体排放程度的重要指标。

4.2 灌溉与水分对温室气体排放的影响

农田的水分状况对温室气体排放有显著影响。徐华、王增远等[23,24]研究发现，稻田采用间歇灌溉，甲烷排放通量比淹灌减少59%，比常规灌溉减少46%。王明星和李晶等[25,26]研究也得出间歇灌溉可降低稻田甲烷排放30%以上的结论。因此，通过控制土壤水分可以有效的减少温室气体排放。

4.3 施肥管理对温室气体排放的影响

不同的施肥管理对农田温室气体的排放有一定的影响。李晶等[26]试验表明，施用沼渣肥比普通有机肥可以减少温室气体排放率达12%。长效碳酸氢铵和缓释尿素也能明显减少N2O排放。黄国宏等[27]研究表明，长效碳酸氢铵与碳酸氢铵和尿素相比能减少76%左右的N2O排放，缓释尿素能减少58%左右的N2O排放。通过合理的养分配比、改表施为深施、有机肥与化肥混施等在提高氮肥利用率的同时，可以有效减少温室气体排放[28]。杨书运等[29]进一步研究发现，与不施肥相比，优化施肥、减量施肥和秸杆还田、常规施肥对温室气体的排放量分别减排12%，20.5%，17.6%，由此可见，合理的施肥管理可以大幅度减少温室气体的排放。

4.4 土壤性质对温室气体排放的影响

土壤理化性质包括土壤通透性、土壤水分含量、土壤有机质含量、土壤温度和土壤pH等。土壤质地通过对土壤中硝化作用、反硝化作用、生物氧化还原反应等的影响进而影响温室气体的排放[30]。蔡裉聪等[31]研究表明，稻田粘质土壤排放的CH4极显著低于壤质和砂质土壤。耿远波等[32]通过对锡林河流域草原CO2的排放与草原土壤的有机碳含量、全氮含量、C/N值的相关性的研究，发现CO2通量与有机碳含量、C/N值呈正相关性。焦燕等[33]研究发现，在一定范围内，土壤温度升高可加速有机质分解和微生物活性，从而增加土壤中CO2的排放速率。Priha[34]研究表明，CH4和N2O的排放基本上随酸化累积程度的加深而增加，但累积到某值时(pH＝3.05)又抑制CO2的排放。因此，土壤理化性质对温室气体的产生，既有促进又有抑制。

5 展 望

农田系统氨挥发与温室气体排放的过程，是当今农业生产及生态系统研究的重要方向和重点领域，也是国内外科学家研究的热点和焦点。随着农田系统氨挥发与温室气体排放机理的分析研究，影响氨挥发与温室气体排放的影响由单因素影响到多因素交互作用，研究内容和深度不断广泛和深入以后的研究可以从以下几方面入手：1)通过建立同类作物的不同栽培模式，研究农田氨挥发与温室气体排放的变化差异，并在深入研究栽培模式的基础上，加强对农田系统氨挥发与温室气体排放的研究力度；2)将氮肥利用率、作物产量、农田气象因子和土壤中氨化细菌等与农田系统氨挥发和温室气体排放相结合，分析和总结氨挥发与温室气体排放的规律及影响因子；3)加强对氨挥发和温室气体排放机理的研究，为最佳栽培模式的管理提供理论依据；4)通过综合分析和总结前人已有研究，加强氨挥发与温室气体排放对生态环境的影响研究。

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责任编辑：黄燕妮

2011-02-17

时亚文(1986—)，女，陕西宝鸡人，硕士研究生，研究方向：水稻生理生态，Email: shiyawen628@163.com。

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S181

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1001-5280(2011)04-0621-05

10.3969/j.issn.1001-5280.2011.04.24