稻田甲烷排放影响因素及其研究进展

CH4是大气中仅次于CO2的最重要的温室气体之一,其温室效应贡献已达15～20%。中国稻田是CH4的重要排放源,对全球大气的CH4排放起着重要的作用。本文较为详细地介绍了近几十年来国内外关于稻田CH4排放的研究进展。对稻田CH4的排放机理、CH4的排放规律及影响稻田CH4排放的各种因素作了详细分析,并相应地提出了控制稻田CH4排放的各种措施,最后提出了今后我国稻田CH4排放研究应加强的几个方面内容。     

稻田灌溉和秸秆施用对后季麦田N_2O排放的影响

 选用水稻 冬小麦轮作试验田 ,采用裂区设计 ,研究水稻生长季灌溉方式 (常规灌溉和持续淹水 )和秸秆施用 (0、2 2 5、4 5 0g·m-2 共 3水平 )对后季冬小麦田N2 O排放的影响。结果表明 ,与常规灌溉 (淹水和烤田相结合 )相比 ,水稻生长季持续淹水处理促进了后季麦田N2 O的排放 ,方差分析达极显著水平 (P =0 .0 0 3)。在水稻生长季不同的灌溉方式下 ,秸秆施用处理对麦田N2 O排放的影响不同。在常规灌溉方式下 ,2 2 5和 4 5 0 g·m-2 施用水平间N2 O季节平均排放通量无明显差异 ,但显著低于无秸秆施用的处理 (P =0 .0 4 5 ) ,秸秆施用可减少后季麦田N2 O的排放 ;而在持续淹水方式下 ,施用秸秆 2 2 5、4 5 0 g·m-2 与无秸秆施用 3处理间N2 O在水稻生长季节平均排放量无显著差异 ,施用秸秆并不减少N2 O排放量 ;不同处理N2 O排放通量 (Y)的季节变化与土壤温度 (T)、湿度 (W )的相互关系 ,皆可用方程 :Y =A0 +A1T +A2 W +A3 W2 (n =2 3,R2 ≥ 0 .4 15 9 )和Y =C0 +C1W +C2 W2 (n =2 3,R2 ≥0 .4 0 74 )分别描述 ,与土壤温度相比 ,土壤湿度对N2 O排放量的影响更为明显。     

茶园生态系统的一氧化氮年排放特征

采用静态暗箱-化学发光法,对亚热带典型茶园不同施肥处理(常规施尿素、施有机肥和不施肥对照)条件下的一氧化氮(NO)排放通量进行了原位周年观测。结果显示:施肥茶园的NO排放量主要集中在3—9月(春夏季)的茶树生长期,占全年排放量的58%~73%;土壤铵态氮含量是茶园在春夏季NO排放通量变化的主要环境控制因素;对照、尿素、有机肥处理的NO年排放量分别为2.85、19.42、17.04 kg N·hm^-2,施肥显然大幅度增加了NO排放;与茶农常规施尿素处理相比,施有机肥处理显著降低了约12%的NO年排放量;在整个观测期内,常规施尿素和施有机肥处理的NO年直接排放系数分别为3.68%和3.15%。这些结果表明,我国亚热带茶园可能是一个不容忽视的NO强排放源,对此尚需多地点多年的长期研究进一步证实。     

亚热带地区蔬菜地甲烷净交换通量研究

农田土壤是大气甲烷(CH_4)的重要源和汇,以往关于农田CH_4净交换通量的研究多关注水稻、小麦、玉米等作物,而蔬菜地的观测研究不足。本研究采用静态暗箱-气相色谱法对亚热带地区一块种植包菜的典型露天蔬菜地开展将近1年的田间原位CH_4通量观测,以揭示蔬菜地CH_4净交换通量的周年变化特征及其影响因素,估算CH_4年累积净交换通量,并定量评估CH_4净交换通量的误差。本试验在包菜地的垄上和垄间同时布设观测点进行CH_4通量观测,并对环境因子进行同步测量,观测期为2016年1月1日至12月8日。结果表明,所研究的蔬菜地为大气CH_4的微弱汇,年平均通量为(-9.9±7.0)μg(C)×m~(-2)×h~(-1),全年累积通量为-0.84kg(C)×hm~(-2),较高的土壤水分条件和高施氮量可能是导致本研究蔬菜地CH_4吸收较弱的主要原因。全年CH_4累积通量的总体误差为-48%~-16%,其中,由于通量计算方法引起的系统误差会使估算的通量偏低32%,年尺度上的随机误差大小为16%,主要来自CH_4通量的空间差异,因此可适当增加空间重复,以减小空间随机误差。研究还发现垄上的CH_4吸收通量显著高于垄间(P0.01),因此在开展农田温室气体通量观测时应兼顾垄上和垄间、种植行和行间等农田管理措施存在显著差异的区域,均布设观测点,避免对通量观测结果造成系统性偏差。     

川中丘陵区桤柏混交林地土壤CO2释放与Forest-DNDC模型模拟

采用静态箱-气相色谱法对长江上游桤柏混交林地土壤呼吸进行测定。结果表明:保留枯枝落叶和去除枯枝落叶处理的土壤呼吸速率季节变化趋势均呈单峰曲线,土壤呼吸速率最大值出现在6月下旬到8月上旬之间;最小值出现在12月底至翌年1月初间。试验期间,保留枯枝落叶和去除枯枝落叶处理的土壤呼吸速率变化范围分别是66.23～520.42 mg/(m2·h)、34.25～395.47 mg/(m2·h),年平均土壤呼吸速率分别为273.18和221.82 mg/(m2·h),枯枝落叶分解释放的CO2量对林地土壤总呼吸的贡献为18.80%。土壤温度和土壤湿度是影响该地区土壤呼吸的主要因子。双因素关系模型较好地拟合了土壤(5 cm)温度和土壤(0～10 cm)湿度对土壤呼吸的影响,土壤温度和湿度共同解释了保留枯枝落叶处理土壤呼吸变化的73%、去除枯枝落叶处理的86%。Forest-DNDC模型较好地模拟了两种试验处理的土壤CO2的释放。模型敏感性试验结果表明,该区影响林地土壤CO2释放的主要因子是土壤表层有机质含量,其次是气温和降水量。      

放牧草地氧化亚氮排放：研究进展与展望

氧化亚氮(N2O)是一种长寿命、高辐射效率的温室气体,草地是其重要的自然排放源,放牧活动和气候变化剧烈影响草地排放特征与强度,排放通量测量误差、研究对象的局限、关键过程影响不清等因素限制了对草地排放总量和氮气候反馈效应的准确评估。本文讨论了差异化的观测方案包括N2O浓度分析方法和采样频率可能给草地排放量估算造成的影响;指出研究放牧草地N2O排放,应综合考虑放牧相关排放源的贡献,定量整个放牧系统的排放量;提出气候变化影响程度取决于气候因子是否能够缓解放牧草地土壤“贫氮”对N2O生产的限制。未来应加强观测方法的误差评估和非生长季通量观测的频率,明确土壤冻融过程触发和主导N2O排放的机制以及冻融期脉冲排放对国家尺度排放的贡献,了解多年冻土区高寒草地N2O排放水平及其对全球变暖的响应,探明大气氮干沉降增加及干沉降组分变化对草地排放的影响。     

中国茶园N2O排放及其影响因素

茶叶作为一种广受欢迎的天然饮料在中国经济和文化方面具有重要作用,但高氮肥投入的茶园种植系统也引起了一系列的环境问题,如土壤酸化和温室气体氧化亚氮(N2O)排放。迄今为止,尽管在茶园生态系统中已开展了一些田间观测研究,但对于中国茶园N2O排放总量及其影响因素仍缺乏全面的评估和量化。本研究基于田间观测研究的文献数据(共收集70个数据,其中包括45个常规施肥处理和25个不施肥处理)荟萃(Meta)分析,定量分析了基于环境因子(气候和土壤性质)和管理措施影响条件下中国茶园N2O年排放和直接排放系数(EFd)的变化特征。结果表明,中国茶园平均N2O年排放量为9.55 kg N·hm^-2·a-1(95%置信区间为7.54~11.9 kg N·hm^-2·a^-1),高于我国粮食作物农田的排放;茶园的平均EFd为1.92%(95%置信区间为1.49%~2.39%),约是IPCC建议的全球农田N2O排放系数默认值1%的两倍。综合分析茶园N2O排放的影响因子表明,氮肥施用量是土壤N2O年排放量的关键驱动因素,且二者呈显著线性正相关关系。而EFd则主要受土壤C/N和黏粒含量的协同影响,且与二者呈显著负相关关系。基于中国茶园种植总面积(仅占<2%的中国农田总面积)和主要茶区的年平均氮肥施用量以及本研究的EFd,估算出2018年我国茶园N2O排放总量为28 Gg N·a^-1,约占中国农田总排放量的15%。可见,茶园在中国农田种植系统中是大气N2O的强排放源。本研究进一步分析表明,茶园施用有机无机复混肥或新型肥料(如缓控释肥或添加生物炭),可有效地提高茶树的氮肥利用率并减少土壤N2O排放。     

轮作制度对农田氧化亚氮排放的影响及驱动因子

 于2003年6月至2004年5月进行田间试验，2003年夏种植大豆、玉米和水稻，后季种植冬小麦。观测项目包括农田N2O排放、土壤温度、湿度及生物学因子。观测结果表明，在不同的轮作方式中，玉米（施氮）-小麦（施氮）轮作农田的N2O年度排放量最高，为(18.5±0.7)kgN·ha-1；大豆（不施氮）-小麦（施氮）处理次之，为（13.2±0.4）kgN·ha-1；水稻（施氮）-小麦（施氮）轮作最低，为（11.7±0.7）kgN·ha-1，三者之间存在极显著差异（P =0.001）。相对于耕翻处理，稻茬麦田播前免耕在冬前促进了N2O排放（P＜0.001），但并未增加季节性排放总量(P＞0.1)。大豆、玉米、水稻、小麦田N2O通量的自然对数值（y）与土壤温度（T）、湿度（W）和叶面积指数（L）的关系可用逐步回归方程y=a·W＋b ·T＋c·L＋d表示（a、b、c、d为回归系数），其中玉米田y与L关系不明显，c值为0；大豆田y与W、T关系不显著，a=0，b=0；灌溉稻田a值为0，且y与L关系不明显。大豆、水稻、小麦田N2O通量均与生态系统呼吸速率呈极显著正相关关系（P＜0.0001），而玉米田不存在类似关系。     

若尔盖高原高寒草甸地表能量交换和蒸散研究

若尔盖高原高寒草甸生态系统是青藏高原能量和水分循环的重要组成部分,但该地区地面水热通量观测数据非常缺乏。本研究基于涡动相关法,于2013年11月1日−2014年10月31日,利用三维超声风温仪和红外开路二氧化碳/水汽分析仪在若尔盖高原一典型高寒草甸开展周年通量观测,以揭示其地表能量交换和蒸散特征及影响因素。结果表明：高寒草甸地表能量通量各组分呈显著的日变化和季节变化特征,净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年均值分别为94.5、21.0、51.8和1.2Wm−2。非生长季感热稍占优势,生长季潜热占绝对主导地位,波文比全年平均值为0.70,能量平衡闭合率年平均值为0.77。辐射是感热通量的主要气象影响因子,潜热通量则受温度、辐射和饱和水汽压差共同影响。日蒸散量变化范围为0.12～5.09mmd−1,全年平均值为1.82mmd−1。非生长季蒸散主要受土壤表面导度因子控制,生长季则由辐射主导,土壤和植被表面导度因子为次要影响因素。在季节尺度上,蒸散的变化取决于降水分布,全年降水和蒸散量分别为682.7mm和673.6mm,其中生长季分别占全年总量的84%和82%。6−7月降水匮乏抑制了蒸散,此时土壤储水成为蒸散的主要水源,从全年看,降水基本都以蒸散的方式返回大气。与青藏高原上同类观测研究相比,地表能量通量和蒸散都有相似的季节变化趋势,但观测到的年平均波文比和年蒸散量最大,气温、降水、地表植被等因素的共同作用导致这一结果。研究数据可作为地面验证资料,用于若尔盖地区陆面模式参数化方案的优化和卫星遥感反演资料的校验。     

氧气浓度对小麦-玉米轮作农田土壤剖面N2和N2O产生的影响

反硝化过程是集约化农田土壤剖面硝态氮(NO₃^--N)去除的重要途径。但对土壤剖面反硝化氮气(N₂)产生速率的准确定量很难,尤其不同深度的土壤氧气(O₂)浓度状况如何影响土壤N₂的产生仍不清楚。本研究依托集约化管理的冬小麦-夏玉米轮作田间长期定位试验(始于2006年),采集传统施肥处理0~2.5m剖面的原状土柱,并基于在玉米生长季田间原位观测的不同深度土壤O₂浓度和温度状况,设置不同O₂浓度水平(15.0%、12.0%、2.5%和0)和培养温度(26℃和20℃),采用氦培养-直接测定N₂法测定 3个不同深度(0~0.2、0.5~0.7m 和 2.0~2.2m)土壤N₂O和N₂产生速率。结果显示:无论是有氧还是无氧条件,土壤剖面N₂和N₂O 的产生均表现为表层高于深层;有氧条件下(2.5%~15.0% O₂)土壤N₂产生速率(以N计)为 5.3~7.1 μg·h^-1·kg^-1 (0.2m)和 0.5~2.3 μg·h^-1·kg^-1 (0.5m和2.0m),显著低于无氧下速率的93.0%~93.7%。同样地,有氧条件下N₂O产生速率(以N计)为1.1 μg·h^-1·kg^-1 (0.2m)和<0.2 μg·h^-1·kg^-1 (0.5m 和 2.0m),显著低于无氧条件下速率的 84.0%~99.1%。原位观测的土壤 O₂浓度>2.5%(0.2m和0.5m)和>14.0%(2m),表明在无氧条件下的观测会高估土壤真实条件下的N₂和N₂O产生速率。无氧显著增加深层土壤的N₂O/(N₂O+N₂)值,这可能是由于深层土壤的碳更加缺乏,不利于N₂O被进一步还原。基于有氧条件下观测的N₂和N₂O产生速率,估算得到玉米生长季(按120 d计)剖面0~2.0m土体的反硝化(N₂+N₂O)损失量可达219 kg·hm^-2,表明土壤对其剖面累积的NO₃^--N具有很强的脱氮能力,从而极大地减少了包气带累积NO₃^--N进一步向地下水迁移的风险。