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干旱地区农田生态系统中N_2O排放研究

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安徽农业科学, Journal of Anhui Agri. Sci. 2008, 36( 34) : 15197- 15199, 15265

责任编辑

常俊香

责任校对

张士敏

干旱地区农田生态系统中 N2 O 排放研究
李友宏 , 王 芳 , 刘汝亮 , 赵天成 , 陈 晨 , 杨正礼
1 1 1 1 1 2
(1. 宁夏农林科学院农业资源与环境研究所, 宁夏银川 750002; 2. 中国农业科学院, 北京 100081)

摘要 综述了土壤水分和通气、 土壤质地、 土壤 pH 值、 土壤温度及土壤微生物等因素对农田 N2 O 排放的影响, 指出了继续深入研究这些 因素对农田 N2 O 排放的综合影响机理及其与 N2 O 排放量之间的数量关系应是未来的研究重点。 关键词 旱地; N2 O 排放; 硝化- 反硝化作用 中图分类号 S 181 文献标识码 A 文章编号 0517- 6611( 2008)34- 15197- 03 Study on N2 O Emission in the Farmland Ecosystem of Arid Areas LI You hong et al ( Institute of Agricultural Resources and Environment, Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan, Ningxia 750002) Abstract The effects of such factors as soil water and ventilation, soil texture, soil pH value, soil temperature and edaphon on N2O emission from farmland were summarized. It was pointed out that it would be the research emphases to study deeply the integrated effects of such factors on N2 O emission from farmland and its mechanism and quantitative relationship with the e mission amount of N2 O. Key words Arid area; N2 O emission; Nitrification denitrification -

N2O 与 CO2、 4 一样, 被列为 3 种最重要的温室效应气 CH 体之一 。农田 N2O 的产生不仅降低肥料利用率, 而且与全 球变暖和臭氧层的破坏相关联, 导致到达地面的紫外辐射增 强, 使人类的生存健康受到影响。大气中 N 2O 的年逸出量以 每年 0. 2% ~ 0. 5% 的速度递增, 其中 70% 的 N2O 来源于土 壤, 农业的贡献占人类活动总贡献量的 81%
[ 2] [ 1]

硝化产物的转移、 分布和气体种类, 是影响 N2O 通量的重要 因子。在旱地土壤中存在的局部或暂时性的嫌气微域环境 是引起反硝化作用的条件, 如施有机肥因消耗了局部土壤中 的氧而促进反硝化作用。在田间条件下, 灌水、 降雨以及土 壤本身的机械组成都会影响旱地土壤的水分和通气状况, 从 而影响反硝化作用。Rolston 等用乙炔抑制方法测定了不同 灌水条件下旱地土壤中的反硝化损失, 结果表明, 反硝化作 用产生 的( N2O+ N2 ) 气体 量随每周灌 水次数的增 多而增 加[ 8] 。而灌溉的这种影响受到土壤类型的制约。在砂土地 上灌水 2 cm 时, 灌后 3~ 5 h 内反硝化速率达到最大值, 12 h 后又恢复到灌前水*; 而在壤土地上灌溉后 12 h 反硝化速率 才达到最大值, 48 h 后才恢复到灌前水*; 壤土中的反硝化 损失量是砂土中的 2 倍[ 9] 。梁东丽等研究结果表明, 在干旱 土壤灌溉后 N2O 通量呈现上升趋势, 且该变化趋势在灌溉后 2~ 3 d 出现。对土壤干湿交替后 N 2O 通量的研究结果表明, 同一土壤在同等的土壤 WFPS( Water Filled Pore Space) 含量条 件下, 土壤由湿变干过程产生的 N2O 通量高于土壤由干变湿 产生的 N2O 通量 [10] 。 土壤通气状况由土壤的水分含量、 氧气在土体中的扩散 难易、 以及微生物和根系对氧气的消耗程度所决定。Ander son 等利用开放式气流体系在土壤中灌注 O2 含量不同的气 体。结果表明: 土壤充氧后的 180 h 内, 灌注 O2 含量为 100% 的气体的土壤中 N2O 排放量显著大于灌注 O2 含量为 33% 和 81% 的气体的土壤, 但超过 320 h N2O 排放量却随 O2 含量的 降低而增加[ 11] 。显然, 在硝化和反硝化两个相反的过程中, 适当的 O2 浓度有利于 N2O 的产生。土壤通透性对 N2O 排放 的影响受多种因素相互制约, 因而较复杂。如果土壤既有丰 富的厌氧微域, 又有丰富的好氧微域, N2O 的产生和排放量 往往最高。 1. 2 土壤质地 土壤质地影响土壤的通透性和水分含量, 进而影响土壤硝化和反硝化作用的相对强弱及 N2O 在土壤 中的扩散速率。土壤质地还影响有机质的分解速率, 进而影 响产生 N2O 的微生物的基质供应。土壤质地对旱作农田土 壤 N2O 排放通量的影响已有一些研究 [12] 。总体而言, 重质

, 土壤 N2O 主

要来源于受多种因子影响的土壤硝化和反硝化作用。硝化 作用和反硝化作用是土壤中氮素转化的两个重要过程, 硝化 作用是指在通气条件下, 土壤中硝化微生物将铵盐转化为硝 酸盐并释放部分 N2O 的过程, 其反应过程如公式( 1) ; 反硝化 过程是指在通气不良的条件下, 土壤微生物将硝酸盐或硝态 氮还原成氮气( N2) 或氧化氮(N 2O, NO) 的过程 如公式( 2) 。 NH4+ yNH2OH y( NOH) yNO2- yNO3| NO3yNO2N2O 公式( 1) 公式( 2)
[ 4] [ 5] [3]

, 其反应过程

yNO yN2O yN2

国内外已有研究表明, 影响农田 N2O 排放的因素主要有 土壤类型( 物理化学性质和微生物结构) 、 作物类型 、 农 [ 6] [ 7] 业措施 ( 施肥、 灌溉和保护性耕作措施) 和气候因素 ( 温 度、 降水、 光照) 等。研究农田 N2O 排放的过程以及减少农田 N2O 排放的技术方法, 不仅能减少农田 N2O 损失, 提高农业 经济效益, 而且还可以防止由此引发的环境污染。笔者综述 了国内外干旱地区农田 N 2O 排放的研究进展, 以期为我国农 田 N2O 排放的进一步研究提供参考。 1 影响干旱地区农田生态系统中 N2 O排放的因素 影响旱地土壤中 N2O 排放的因素很多, 其中主要有土壤 的水分和通气条件、 土壤温度和 pH 值、 施入肥料的种类和数 量, 以及耕作制度和植物根系等。 1. 1 土壤水分和通气条件 土壤水分不仅影响 O2 的有效 性, 进而影响土壤反硝化微生物的活性和合成, 而且决定反
基金项目 作者简介 收稿日期 农业立体污染防 治科学创 新条件 建设 - 吴忠 示范基 地项 目资助。 李友宏( 1959- ) , 男, 辽宁 营口人, 研 究员, 从 事施肥 与农 业环境污染方面的研究。 2008 -25 -09

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安徽农业科学

2008 年

地旱作土壤的 N2O 排放量高于轻质地土壤, 这主要是由重质 地旱作土壤较强的保水能力引起的。在严格的可比较条件 下, 土壤质地对农田旱作土壤 N2O 排放通量的影响*乎等于 零。只有徐华等研究得出, 不同土壤质地的小麦和棉花田 N2O 排放强度依次为壤土> 沙土> 粘土, 沙质稻田土壤排放 的N2O 量显著或极显著高于壤质和粘质稻田土壤 。氮肥 对N 2O 排放的影响也与土壤质地有关。Mosier 等研究发现, 在沙性土壤中少量施用氮肥不会明显增加 N2O 排放通量, 但 粘质土壤 N2O 的排放量会显著增加。也有学者研究发现在 土壤孔隙含水量 WFPS 较高的条件下, 粘土 N2O 排放量的增 加是由于粘质土壤的温度系数 Q10 比沙质土壤大, 促进了反 硝化作用的缘故[ 14] 。 1. 3 土壤 pH 值 土壤 pH 值可通过影响反硝化和硝化微 生物的活性及相应的氮素转化过程而影响 N 2O 的释放。一 般认为, 反硝化作用最适宜的 pH 值在 7. 0~ 8. 0 之间, 而硝 化过程的 自养硝化 菌的最 适 pH 值也 在 7. 0~ 8. 0 之 间。 Katyal 等研究了 15 种土壤微生物的硝化活性, 结果表明, 在 pH 值为4. 6~ 5. 1 的土壤中, 硝化作用不明显; 在 pH 值为 5. 8 ~ 6. 0 的土壤中, 硝化作用进行缓慢; 只有在 pH 值为 6. 4~ 8. 3 的土壤中, 硝化作用才强烈进行[ 15] 。当土壤 pH 值降低时, N2O 成为反硝化作用的主要产物, 其原因是低的 pH 值能抑 制N 2O 还原酶的活性, 从而增大 N2O 在反硝化产物中的比 例。Keeney 等的研究表明, 在 pH 值为 4. 6~ 5. 4 的土壤中, 反 硝化气体产物的 83% 是 N2O, 但 pH 值为 6. 9 时反硝化的主 要产物是 N2[ 16] 。当温度、 水分含量等其他条件不同时, pH 值对 N2O 排放量的影响也不同。Goodroad 和 Keeney 的研究 发现, 当施入 NH4+ 的土壤在 30 e 和 30% 水分含量的条件下 培养时, pH 值为 5. 1 和 6. 7 时的 N2O 排放量比 pH 值为 4. 7 时分别高 3 倍和 4 倍。但在 10~ 20 e 、 水分含量为 10% ~ 20% 时, pH 值对 N2O 排放量的影响不明显。因此, 水作农田 土壤和旱作农田土壤的 pH 值对 N2O 排放量的影响可能有不 同的规律, 这方面的研究报道还很少。 1. 4 土壤温度 土壤温度影响微生物的代谢活动及硝化和 反硝化速率, 土壤微生物的活性、 硝化及反硝化速率都随土 壤温度升高而增加。反硝化作用产物比 N2O/ N2 随土壤温度 升高而降低, 硝化作用产物比 N2O/ N2 则相反。国内外研究 结果表明, 15~ 35 e 是硝化微生物活动的适宜温度范围, 其 中最适范围为 25~ 35 e , < 5 e 或< 40 e 都抑制硝化作用发 生; 反硝化微生物所要求的适宜温度范围为 5~ 75 e , 最适宜 范围为 30~ 67 e 。对于农田土壤来说, 温度的影响可部分地 解释 N2O 排放的日变化和季节变化。由于 N2O 产生与扩散 传输过程的综合作用, N2O 排放速率的变化几乎与表层土壤 温度同步, 温度的变化使得 N2O 的排放量具有较为明显的日 变化与季节变化。郑循华等发现, 当土壤湿度比较适宜时, N2O 排放通量对温度的依赖性可用指数函数 F = Ae at来描 述, 式中, F 为 N 2O 日*均排放通量, t 为 5 cm 土层深度的日 *均温度, A 和 a 为常数[ 17] 。 1. 5 土壤微生物 农田土壤N 2O 的产生与氮素的微生物转 化过程密切相关。生物硝化和反硝化过程均产生 N2O, 硝化 过程中的 N2O 主要是由氨氧化细菌以 NO2 - 作为电子受体将
[13]

其还原产生。据 Anderson 研究, 在纯培养的条件下亚硝化单 孢菌就可在 NH4+ 氧化成 NO2- 的过程中释放出 N2O, 而且亚 硝化螺菌、 亚硝化叶菌和亚硝化球菌也可产生 N2O[ 18] 。生物 反硝化过程是反硝化细菌的嫌气呼吸过程, 被认为是土壤中 N2O 产生的主要过程。反硝化细菌广泛分布于细菌的各属 之中, 且在不同土壤中呈特异性分布, 反硝化细菌的酶系统 极其复杂, 这势必导致 N 2O 排放的差异。有些细菌虽然非硝 化微生物也非反硝化微生物, 但仍可参与释放 N2O 的过程, 它们通过非呼吸的( 异养) 硝酸还原过程产生并释放出 N 2O, 有的还可以同时进行异养的硝化过程。硝化、 反硝化过程中 相关微生物的数量及其酶活性的变化对 N2O 排放量也会产 生较大影响 。 1. 6 施肥种类和数量
[ 14]

农田土壤 N2O 的产生除跟各种土壤

因素有关外, 还跟施入肥料的种类和数量有关。Nugroho 等 研究了硫铵用量对硝化作用的影响, 结果表明, 当硫铵用量 为 0~ 300 mg/ kg 土时, 硝化速率随硫铵施用量的增加而增 加, 超过此用量时, 硝化速率即迅速降低, 这是由于高浓度的 氨所产生的毒害作用以及过量施用硫铵使土壤 pH 值下降所 致[ 19] 。Hayatsu 等也得到了类似的结 果, 硫铵用量为 1 200 kg/ hm2 的土壤, 其硝化速率低于硫铵用量为 400 kg/ hm2 的土 壤。不仅施肥量对硝化作用有显著影响, 肥料种类对硝化速 率也有影响。李良谟等报道, 在等氮量条件下, 单施猪粪土 壤的硝化率> 猪粪和硫铵各施一半的土壤> 单施硫铵的土 壤[ 20] 。有机物的组成也影响硝化作用, Nugroho 等的研究表 明, 加入 C/ N 比低的有机物质能促进硝化作用[ 19] 。Brernner 等也发现施尿素后土壤产生的 NO-N 量最高, 施尿素后土壤 3 中硝化细菌的数量迅速增加; 碳铵虽也使土壤 pH 值升高, 但 对 NO3 N 的生成量影响不大[ 21] 。 1. 7 影响 N2O 排放的其他因素 除了上述因素外, 农田生 态系统中 N2O 的排放还受到土壤化学性质、 耕作和植物根系 等因素的影响。土壤中的氮素和碳素是对 N2O 的产生影响 较大的两种化学物质, 硝酸盐和铵的浓度在许多估算 N2O 排 放通量的模型中被作为关键参数。绝大多数微生物从有机 碳中获得能量和基质, 因此有机碳对土壤微生物的类型和作 用强度有重大影响, 这些作用也包括 N2O 的形成和还原。有 机碳为土壤呼吸作用提供基质, 而呼吸作用能导致氧气供应 的限制和 CO2 浓度的增加, 有利于 N2O 的形成, 土壤中有机 碳含量与 N2O 生成量呈正相关。 耕作可引起土壤物理性质和生物学特性的变化, 从而影 响硝化和反硝化作用。不同学者关于免耕对土壤硝化作用 影响的研究结果有所不同。Hoyt 等报道, 免耕条件下土壤的 硝化作用受到抑制[ 22] 。但 Rice 和 Smith 发现, 玉米免耕田土 壤的硝化活性比常规耕作的高[ 23] 。这可能与免耕区在作物 残茬覆盖下土壤的水分状况较好有关。 由于植物根系分泌物和脱落物进入土壤增加了碳源, 而 且植物根系的活动使根系周围土壤的通气状况、 水分条件, 以及 pH 值与根外土壤不同, 因此, 植物根系能提高硝化和反 硝化作用[ 24, 38] 。Bremner 综述了根系分泌物中的 3 种酚类物 质对土壤硝化作用的影响, 结果表明, 这些酚类物质的浓度 达到 10- 4 mol/ L 时, 才表现出 抑制作用, 但其抑制 率都在

36 卷 34 期

李友宏等 干旱地区农田生态系统中 N2O 排放研究

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15% 以下, 远低于商业硝化抑制剂[ 21] 。植物根系生长对反硝 化产物中 N2O/ N2 的比例也有非常明显的影响。有关植物根 系影响土壤硝化和反硝化作用的机理还需进一步深入研究。 2 旱地土壤氮肥硝化 ) 反硝化损失量的研究 对旱地土壤中氮肥硝化 ) 反硝化损失的定量评价, 长期 以来一直是困扰各国研究者的一个重要问题。自 20 世纪 80 年代以来, 许多研究者采用乙炔抑制法和15N 示踪- 气体通 量法, 原位观测田间条件下旱地土壤中化肥氮的硝化- 反硝 化损失。Ryden 等用乙炔抑制法测定了黑麦草地土壤中施用 NH4NO3 后的反硝化损失, 在不施氮时, 土壤氮的反硝化损失 量为 1. 6 kg/ hm , 在施氮量为 250 和 500 kg/ hm 时, 土壤氮的 反硝化损失量则分别为 11. 1 和 29. 1 kg/ hm , 肥料氮的反硝 化损失量分别占施氮量的 3. 8% 和 5. 5% [9] 。De Klein 用原状 土柱培育- 乙炔抑制法测定了 3 种类型黑麦草地土壤中施 用硝酸铵钙肥料的反硝化损失, 在施肥后的 8~ 10 d 中反硝 化损失的氮量占施入氮量的 0. 03% ~ 9% 。反硝化损失量占 施入氮量的比例还受施入氮肥种类的影响。Ruz -Jerez 用乙 炔抑制法测定了旱地施入 400 kg/ hm 尿素后的反硝化损失, 其量占施入氮量的 4. 8% [ 24] 。 我国对旱地土壤中氮肥硝化- 反硝化损失的田间原位 研究工作还很少。Zhang 等报道, 在河南封丘用 N *衡法测 得玉米追肥表施尿素的硝化- 反硝化损失为 15% 、 深施为 18% , 两者没有明显差异[ 25] 。但是, 李亚星用乙炔抑制法在 北京测得的小麦地土壤中的反硝化损失量仅占施入氮量的 1% [ 26] 。范晓晖等用15N 示踪- 气体通量法测定河南封丘夏 玉米追肥的硝化- 反硝化损失量小于施氮量的 0. 5% [ 27] 。 由此可见, 明确我国旱作土壤系统中氮肥的硝化- 反硝化损 失的程度及其影响因素, 对充分发挥氮肥的增产效用和环境 保护具有重要意义。 3 农田生态系统中 N2O 排放研究展望 由于 N2O 排放源广泛, 并且目前对 N2O 诸排放源及其排 放机理的研究较其他温室气体更为薄弱, 因此应加强对反硝 化和硝化过程发生机理及微生物学机制方面的研究。尽管 国内外学者对影响农田 N 2O 排放的土壤因素做了大量研究, 但大都是单因素研究, 而且由于农业管理措施及气候条件等 的影响, 不同学者的研究结果不尽相同。特别是土壤作为一 个不均匀的物体, 有机物质和土壤生物在土壤中的分布均有 较大的空间变异性, 而且由此产生了硝化与反硝化强度的变 异性 [20] , 时间上的变异状况更为突出。所有这些均给测定 的准确性带来很大困难。因此, 深入研究多个土壤参数对农 田N 2O 排放的综合影响和影响机理, 以及它们之间的数量关 系是未来的研究主题之一。 3. 1 土壤参数对农田 N2 O排放的综合影响研究 需进一步 证实不同土壤质地、 土壤含水量、 值等土壤理化性质对农 pH 田 N2O 排放规律的影响; 加强土壤中化学物质对 N2O 产生和 排放影响的研究; 着重探讨土壤质地、 氮元素和 pH 值等 碳、 对N 2O 排放的综合影响及影响机理; 给出在类似的气候条件 和栽培管理条件下影响农田 N2O 排放的关键土壤参数, 确定 农田 N2O 产生与排放强度以及它们之间的数量关系; 阐明不 同农田土壤施用化肥对 N2O 排放的影响规律及其与土壤参
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数间的数量关系等。 3. 2 农田生态系统 N2O 排放模型研究中关键土壤参数的确 定 由于区域间气候和土壤差异显著, 且栽培管理方式不 尽相同, 人们不可能对各种条件组合下的农田生态系统均设 点观测以取得农田 N2O 的排放通量, 因而准确估计现行耕作 制度和农业技术措施下农田 N2O 的排放量乃是制定减排目 标和确定减排措施的基础。因此, 建立一个受气候、 土壤及 农业管理措施综合影响的农田 N2O 排放模型尤为重要, 这是 准确估计区域范围乃至全球范围农田 N2O 排放总量的一条 有效途径[ 28] 。 3. 3 不同农田土壤 N2O 排放的综合增温潜势( GWP) 研究 着重研究不同农田土壤在水旱轮作和旱旱轮作制度下 N2O 排放的季节性变化特征、 年排放总量及全球综合增温潜 势。我国 N2O 排放的土壤源可粗略地划分为水稻田和旱地 两大类型, 对于不同类型的农田, 施用氮肥直接释放 N2O 的 排放因子可能有很大差别。因此, 在应用有效模式来计算各 主要源的 N2O 排放因子时, 计算排放因子的模式应当能够综 合诸如氮肥类型和用量、 降水或灌水、 温度、 土壤性质、 有机 肥、 土壤有机碳含量等各种关键调节因素的影响。 参考文献
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王永哲等

基于 ArcGIS Engine 9. 2 的图幅自动接边算法的实现

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Pextent2= pfeaturecompare. Extent; a= pextent1. xmin+ ( pextent1. Width) / 2; b= pextent2. xmin+ pextent2.Width/ 2; } } if ( ( ( Mx < 0&& (Mx > 0) | | ( ( Mx > 0&& (Mx -a) -b) -a) -b) < 0) ) { / / 判断条件 3: 是否在合适的距离范围内 if ( ( pextent1. ymin- pextent2. ymax) > ( pextent1.Height+ pextent2. Height) ) { / / 2 个 Extent 距离大于容差 continue; } } Else { / / 判断条件 4: 判断属性特征/ / strcomparefieldname 变量 存储指定判断列名 / / 如果返回真, 则合并, 传递 3 个参数 Bcanun= compareproperty ( pfeaturenow, pfeaturecompare) ; if ( bcanun) { FeatureUN( ,) ; } } } } ( 上接第 15199 页)
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4. 3. 2 要素合并模块。 Public void FeatureUN( ISelectionSet pSelectedSet) { ITopologicalOperator pTopo; pSelectedSet. Search ( null, true, pCursor) ; pFeatureCursor = pCursor as IFeatureCursor; pFeature= pFeatureCursor. NextFeature( ) ; FlashGeometry( pFeature) ; / / feature1 闪烁 pTopo= pFeature. Shape; pTopo. Union ( pFeature. Shape) as IPolygon; / / a new polygon. . . / * 更新操作完成后, 需将另一个合并前的 Polygon 删 除, 否则数据库中将出现多余图元* / pFeatureOld. Delete ( ) ; } 5 结语 实践检验表明, 这种地理要素接边合并算法可有效节省 系统内存资源, 快速进行图幅要素的识别与合并, 实现了数 字地形图无缝拼接, 解决了存在的弊端; 而且具有简单、 实 用、 运行效率高等特点, 特别是在数据量比较大的情况下效 果尤其明显。 参考文献
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