農田系統氨揮發與溫室氣體排放研究進展

時亞文，李宙煒，陽劍，唐啟源

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農田系統氨揮發與溫室氣體排放研究進展

時亞文，李宙煒，陽劍，唐啟源*

(湖南農業大學農學院, 長沙 410128)

通過對國內外有關農田系統氨揮發與溫室氣體排放的機理及其影響因子等進行綜述，發現已有研究對植物體是否揮發損失N2及N2O存在爭議。指出今后可以從栽培模式、氨揮發與溫室氣體排放的規律及影響因子等方面入手進行研究，以期為最佳栽培模式的管理提供理論依據。

農田系統；氨揮發；溫室氣體排放

近年來，農田中氮肥的施用為提高糧食生產做出了突出貢獻,但隨著氮肥的過度施用及施用方法不當，由此而引發的一系列生態環境問題，已影響到農業的可持續和健康發展。在農業生產中，施入土壤的氮肥一部分被作物吸收利用；另一部分則以氨(NH3)、氮(N2)、氮氧化物(N2O)的形式進入大氣或水體，這些氮氧化物不僅加劇了全球氣溫的升高，而且還使農田系統水體富營養化。有研究表明，全世界施入土壤中的氮肥1%～47%以氨揮發的形式進入大氣，因此，加強農田系統氨揮發研究刻不容緩。

由溫室氣體排放而引起的全球氣候變暖成為當今國際社會普遍關注的焦點。據IPCC第四次評估報告[1]表明，預計到2030年，農田甲烷和氧化亞氮排放量將比2005年分別增加60%和35%～60%,并且地球表面的氣溫有z可能每10年上升0.2℃,進而加劇全球氣候變暖。農業源是溫室氣體的主要排放源。因此,要深入研究農田系統溫室氣體排放的機理及影響因素，為保障我國糧食生產和建設良好生態環境奠定堅實的基礎。

1 氮肥的氣態損失形式

1.1 NH3的揮發損失

1.1.1 植物氨揮發

在農田系統中，NH3的產生主要來自植物體光呼吸氮循環等過程[2]。其中，主要是葉片通過谷氨酰胺合成酶途徑將NH3同化(谷氨酸 + NH3+ATP → 谷胱酰胺 + ADP + Pi+ NH4+)，合成含氮營養物質。根據化學平衡原理，植物體中氨揮發是在一定環境條件下，葉片NH4+積累和同化不平衡的結果。因此，通過光呼吸內源產生NH3與GS途徑中固定NH3之間的不平衡，是導致植物體氨揮發的主要原因之一。

1.1.2 田間氨揮發

NH4+-N及其轉化在水-氣界面是一個復雜動力學過程，包括多種反應在內的水分、溫度、光照和施肥技術等都對氨揮發的動力學變化產生影響[3]。氮肥在稻田中的氨揮發的化學平衡如下：

NH4+代換性<=> NH4+液相<=> NH3液相 <=> NH3氣相<=> NH3大氣

在上述化學平衡式中，凡是能使平衡向右進行的因素都能促進氨揮發。

1.2 N2的揮發損失

N2作為氨揮發的氣體之一，也有很多科學家對其進行了不同的試驗研究。其中，Vanceko和Varner研究發現，小麥出苗后10～12ｄ，葉片通過發生Van Slyke反應[4,5]產生N2。然而Mkcee通過研究得出植物體內HNO2含量極少，并且Van Slyke反應只能在HNO2存在和pH值低的條件下發生，所以進行正常生理活動的植物很難發生這種反應[6]。又有李生秀等[2]通過水培氣室法及同位素15N標記肥料進一步研究表明植株并未揮發N2。總體來說，對于植物體是否揮發損失N2還需要進行更深入的研究。

1.3 N2O的揮發損失

目前，在農業生產中，N2O是化學反硝化和生物反硝化作用的產物，但是，很少有人將土壤、空氣和植株體內不同來源的N2O區別出來[2]。有研究者用差減法研究發現，玉米生長期間每公頃約釋放3 kg N2O，其中，土壤反硝化作用占了相當大的比例[7]。然而，由于土壤屬非均勻介質，反硝化過程因時因地變異甚大。況且，差減法不能排除土壤中已有的N2O，因而采用差減法不能得到相對可靠的結果[2]。何文壽[8]通過在pH偏酸性的無機培養液中，以銨態氮肥為氮源進行水培試驗，對培養液中銨態氮濃度的測定，得出植物體無N2O釋放的結論。所以，要確證植物體是否釋放N2O，還需要不斷改進研究方法并進一步深入研究。

2 氨揮發的影響因素

2.1 光照和溫度

光照和溫度與農田系統息息相關。由于植物氣孔導度與氨揮發密切聯系，所以，光照和溫度通過對植物葉片氣孔導度的影響來進一步影響植物氨揮發。蔡貴信等[9]研究表明，在一定范圍內，氨揮發與光照呈正相關。Matrsson等[10]報道，溫度從20℃上升到32℃的過程中，3個不同基因型大麥的氨揮發速率均成倍增加。同時Sturrr[11]對水稻的研究也表明，在一定溫度范圍內，不同品種水稻間的氮素揮發損失均隨著溫度的升高而增加。光照和溫度不僅對植物體氨揮發有影響，對田間氨揮發也有一定影響。王朝輝等[12]通過對小麥地溫的變化研究表明，施肥后，隨著地溫的升高，尿素的水解加快，從而促進NH4+-N的轉化致使氨揮發增強。因此，光照和溫度是影響農田氨揮發的重要因素。

2.2 水分

氨揮發與水分的散失關系密切。氨揮發的機制主要取決于土-氣界面氨的濃度梯度所導致的氨擴散作用。許多研究表明，土壤水分保持穩定，無水分散失時，氨氣揮發量僅占到施氮量的1%；當土壤含水量高時，土-氣界面氨的濃度梯度減小，氨擴散作用減弱，氨揮發量降低；相反，土壤含水量低時，氨揮發量增大[13]。

2.3 土壤pH值

土壤pH值代表著土壤的理化性質。魏玉云[15]研究發現：在土壤含水量相同的各種母質磚紅壤上分別施入尿素，隨著土壤pH值的上升，以氨揮發形式損失的氮量增多，損失率增大。土壤pH＝4.0是尿素在變質巖土壤上發生氨揮發作用的激發起始值，即當土壤pH上升至此值時，氨揮發損失量會極顯著增加。因此，土壤pH值的高低對農田氨揮發的潛力有重要影響[14]。

2.4 施肥技術

施肥技術是田間栽培管理的重要措施之一。有研究表明，在農田系統中，采用深施、混施，氨揮發量較小，表施則氨揮發量相對較大。其中，深施的主要作用在于當銨態氮從土壤下層向表層擴散時能被土壤陽離子交換復合體所吸附，使液相中銨離子濃度逐漸降低，隨著施肥深度的增加，氨揮發量逐步降低。當田面無水層時，撒施氮肥隨即耙混、灌水，可將較多的氮肥混入土中，從而降低施肥后田面水中氨的濃度，有利于顯著減少氨揮發[16]。因此，不斷改善施肥管理有助于減少農田氨揮發。

2.5 生育時期

生育期是作物生長的重要環節。氨揮發損失因作物生育時期不同而有明顯的差異。有研究表明，從拔節期到灌漿期，冬小麥地上部氨揮發的速率和數量都很低，進入成熟期后成倍升高，這與不同生育期冬小麥吸氮量的變化相一致[17]。因此，在作物關鍵生育期，控制氨揮發損失對提高植物氮素利用有重要意義。

3 農田土壤溫室氣體的排放機理

3.1 CO2的產生機理

農田生態系統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動物呼吸(一個非生物學過程即含碳物質化學氧化作用)三個生物學過程。其中，影響土壤呼吸強度的因素主要有：有機質含量及其礦化速率，微生物類群和數量及其活性，土壤動植物的呼吸作用強度。因此，土壤中CO2排放是生物代謝和生物化學的綜合產物[18]。

3.2 CH4的產生機理

稻田是土壤CH4的主要排放源，約占全球總排放量的12%[18]。厭氧細菌在厭氧環境下，將土壤有機物、根系分泌物、作物殘茬、死亡的土壤動物、土壤中有機肥等有機物逐步降解為有機酸、醇、CO2等小分子化合物，然后，產甲烷菌再將其轉化為CH4。土壤CH4的排放主要受土壤含水量、有機質含量、酸堿性等理化特性的影響。因此，農田中CH4主要源于土壤的生化反應。

3.3 N2O的產生機理

土壤中N2O的產生主要是在微生物參與下通過硝化和反硝化作用進行。硝化過程是在通氣條件下，亞硝化和硝化微生物將銨鹽轉化為硝酸鹽的過程；反硝化過程則是在缺氧條件下，由反硝化細菌將土壤中的硝酸鹽或硝態氮還原成氮氣(N2)或氧化氮(N2O和NO)的過程。機理如下：

硝化過程：

反硝化過程：NO3→ NO2+→NO → N2O → N2

硝化和反硝化作用是農田N2O產生的重要過程。

4 農田土壤溫室氣體排放的影響因素

4.1 微生物群體對溫室氣體排放的影響

微生物的活動與農田溫室氣體的排放密切相關。馮虎元等[19]研究表明，80%的甲烷是通過微生物的相互作用產生的。并且，不同碳氮源和土壤理化特性通過對微生物的種群、數量和活性的影響，進而影響溫室氣體的排放[20,21]。岳進等[22]研究表明，一定條件下，稻田甲烷排放量與反硝化菌數量、硝化菌數量均呈顯著正相關關系。因此，農田中微生物是衡量溫室氣體排放程度的重要指標。

4.2 灌溉與水分對溫室氣體排放的影響

農田的水分狀況對溫室氣體排放有顯著影響。徐華、王增遠等[23,24]研究發現，稻田采用間歇灌溉，甲烷排放通量比淹灌減少59%，比常規灌溉減少46%。王明星和李晶等[25,26]研究也得出間歇灌溉可降低稻田甲烷排放30%以上的結論。因此，通過控制土壤水分可以有效的減少溫室氣體排放。

4.3 施肥管理對溫室氣體排放的影響

不同的施肥管理對農田溫室氣體的排放有一定的影響。李晶等[26]試驗表明，施用沼渣肥比普通有機肥可以減少溫室氣體排放率達12%。長效碳酸氫銨和緩釋尿素也能明顯減少N2O排放。黃國宏等[27]研究表明，長效碳酸氫銨與碳酸氫銨和尿素相比能減少76%左右的N2O排放，緩釋尿素能減少58%左右的N2O排放。通過合理的養分配比、改表施為深施、有機肥與化肥混施等在提高氮肥利用率的同時，可以有效減少溫室氣體排放[28]。楊書運等[29]進一步研究發現，與不施肥相比，優化施肥、減量施肥和秸桿還田、常規施肥對溫室氣體的排放量分別減排12%，20.5%，17.6%，由此可見，合理的施肥管理可以大幅度減少溫室氣體的排放。

4.4 土壤性質對溫室氣體排放的影響

土壤理化性質包括土壤通透性、土壤水分含量、土壤有機質含量、土壤溫度和土壤pH等。土壤質地通過對土壤中硝化作用、反硝化作用、生物氧化還原反應等的影響進而影響溫室氣體的排放[30]。蔡裉聰等[31]研究表明，稻田粘質土壤排放的CH4極顯著低于壤質和砂質土壤。耿遠波等[32]通過對錫林河流域草原CO2的排放與草原土壤的有機碳含量、全氮含量、C/N值的相關性的研究，發現CO2通量與有機碳含量、C/N值呈正相關性。焦燕等[33]研究發現，在一定范圍內，土壤溫度升高可加速有機質分解和微生物活性，從而增加土壤中CO2的排放速率。Priha[34]研究表明，CH4和N2O的排放基本上隨酸化累積程度的加深而增加，但累積到某值時(pH＝3.05)又抑制CO2的排放。因此，土壤理化性質對溫室氣體的產生，既有促進又有抑制。

5 展 望

農田系統氨揮發與溫室氣體排放的過程，是當今農業生產及生態系統研究的重要方向和重點領域，也是國內外科學家研究的熱點和焦點。隨著農田系統氨揮發與溫室氣體排放機理的分析研究，影響氨揮發與溫室氣體排放的影響由單因素影響到多因素交互作用，研究內容和深度不斷廣泛和深入以后的研究可以從以下幾方面入手：1)通過建立同類作物的不同栽培模式，研究農田氨揮發與溫室氣體排放的變化差異，并在深入研究栽培模式的基礎上，加強對農田系統氨揮發與溫室氣體排放的研究力度；2)將氮肥利用率、作物產量、農田氣象因子和土壤中氨化細菌等與農田系統氨揮發和溫室氣體排放相結合，分析和總結氨揮發與溫室氣體排放的規律及影響因子；3)加強對氨揮發和溫室氣體排放機理的研究，為最佳栽培模式的管理提供理論依據；4)通過綜合分析和總結前人已有研究，加強氨揮發與溫室氣體排放對生態環境的影響研究。

[1] IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change). Climate Change 2007：Mitigation of climate change[A].In: IPCC．Contribution of working group Ⅲ to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[C]. Cambridge：Cambridge University Press，2007. 63-67．

[2] 李生秀，李宗讓，田霄鴻，等．植物地上部氮素的揮發損失[J]．植物營養與肥料學報，1995，1(2) ：8-25．

[3] Zhuang SY，Yin B，Zhu ZL．Model estimation of volatilization of ammonia applied with surface file-forming material[J]．Pedosphere，1999，9(4)：299-304．

[4] Tanka A，Navasero SA．Loss of Nitrogen from the rice plant through rain or dew[J]．Soil Sci Plant Nur，1964，10(1)：36-39．

[5] Pilneam DJ，Mengel K．Nitrogen Metabolism of Plants [M]．Oxford：Clarendon Press，1992. 281．

[6] Chibnall AC．Protein Metabolism in the Plant[M]. Newhaven：Yale University Press，1939. 81-98．

[7] Hutchinson GL，Mosier AR．Nitrous oxide emissions from an irrigated cornfield[J]．Science，1979，205：1125-1127．

[8] 何文壽．幾種作物對銨態氮和硝態氮的吸收，植物釋放氧化亞氮的研究[J]．應用生態學報，1994，5(1)：94-96．

[9] 蔡貴信，朱兆良．稻田中化肥氮的氣態損失[J]．土壤學報，1995，32(增刊)：128-135．

[10] Mattson M，Husted S，Schjoerring JK．Influence of nitrogen nutrition and metabolism on ammonia volatilization in plants[J]．Nutrient Cycling in Agroecosystems，1998，51(1)：35-40．

[11] Sturrr ECA，Silva PRF．Nitrogen volatilization from rice leave i．effects of genotype and air temperature[J]．Crop Science，1981，21(3)：596-600．

[12] 王朝輝，田霄鴻，李生秀，等．冬小麥生長后期地上部分氮素的氨揮發損失[J]．作物學報，2004，27(1)：1-6．

[13] 高鵬程，張一平．氨揮發與土壤水分散失關系的研究[J]．西北農林科技大學學報，2001，29(6) ：21-26．

[14] 宋勇生，范曉暉．稻田氨揮發研究進展[J]．生態環境，2003，12(2)：240-244．

[15] 魏玉云．熱帶地區磚紅壤上不同土壤pH和含水量對尿素氨揮發的影響研究[D]．廣州：華南農業大學，2006．

[16] 蔡貴信，朱兆良，朱宗武，等．水稻田中碳銨和尿素的氮素損失的研究[J]．土壤，1985，17(5)：225-229．

[17] 李生秀．植物體氮素的揮發損失Ⅰ．小麥生長后期地上部分氮素的損失[J]．西北農業大學學報，1992，20(增)：1-6．

[18] Sass RL，Fisher FM，Wang YB，et a1．Methane emission from rice fields：the effect of flood water management [J]．Global Biogeochemical Cycles，1992，6：249-262．

[19] 馮虎元，程圍棟，安黎哲．微生物介導的土壤甲烷循環及全球變化研究[J]．冰川凍土，2004，26(4)：411-419．

[20] Jin Yue，Yi Shi，Wei Liang，et a1．Methane and nitrous oxide emissions from rice field and related microorganism in black soil，Northeastern China[J]. Nutrient Cycling in Agro-ecosystems，2005，73(2-3)：293-301．

[21] Ruo H，Ruan AD，Jiang CJ，et a1．Responses of oxidation rate and microbial communities to methane in simulated landfill cover soil microcosms[J]．Bio-resource Technology, 2008，99(15)：7192-7199．

[22] 岳 進，黃國宏，梁 巍，等．不同水分管理下稻田土壤CH4和N2O排放與微生物菌群的關系[J]．應用生態學報，2003，14(2)：2273-2277．

[23] 徐華，邢光熹，蔡祖聰，等．土壤水分狀況和土壤質地對稻田氧化亞氮排放的影響[J]．土壤學報，2000，37(4)：499-505．

[24] 王增遠，徐雨昌，李震，等．稻田甲烷排放及其控制[J]．作物雜志，1998，(3)：10-11．

[25] 王明星．中國稻田甲烷排放[M]．北京：科學出版社，2001. 216-219．

[26] 李晶，王明星，陳德章．水稻田甲烷減排方法研究及評價[J]．大氣科學，1998，22(3)：354-362．

[27] 黃國宏，陳冠雄，張志明，等．玉米田氧化亞氮排放及減排措施研究[J]．環境科學學報，1998，18(4)：344-349．

[28] 羅輯，楊忠，楊清偉．貢嘎山東坡峨眉冷衫林區土壤CO2排放[J]．土壤學報，2000，37：403-408．

[29] 楊書運，嚴平，馬友華．施肥對冬小麥土壤溫室氣體排放的影響[J]．生態環境學報，2010，19(7)：1642-1645．

[30] Hassink J. Density fractions of soil macro-organic matter and microbial biomass as predictors of C and N mineralization[J]．Soil Biology & Biochemistry，1995，27(8)：1099-1108．

[31] 蔡裉聰，沈光裕，顏曉元，等．土壤質地、溫度對稻田甲烷排放的影響[J]．土壤學報，1998，35(2)：145-154．

[32] 耿遠波，章申，董云社，等．草原土壤的碳氮含量及其與溫室氣體通量的相關性[J]．地理學報，2001，56(1)：44-53．

[33] 焦燕，黃耀，宗良綱，等．土壤理化特性對稻田CH4排放的影響[J]．環境科學，2002，23(5)：l-7．

[34] Priha O，Smolander A．Fumigation extraction and substrate—induced respiration derived microbial biomass C，and respiration rate in limed soil of Scot pine sapling stands [J]．Biology and Fertility of Soils，1994，17：301-308．

責任編輯：黃燕妮

2011-02-17

時亞文(1986—)，女，陜西寶雞人，碩士研究生，研究方向：水稻生理生態，Email: shiyawen628@163.com。

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S181

A

1001-5280(2011)04-0621-05

10.3969/j.issn.1001-5280.2011.04.24