（环境工程专业论文）长江中下游地区农田生态系统Nlt2gtO排放.pdf

西南大学硕十学位论文 摘要 长江中下游地区1 9 9 0 1 9 9 4 年、1 9 9 5 1 9 9 9 年、2 0 0 0 2 0 0 4 年农田n 2 0 直接排放量分别为 l o 3 7 ( 2 6 4 2 3 0 2 ) 、1 2 5 3 ( 3 5 4 2 7 5 7 ) 、1 2 1 7 ( 3 1 1 2 6 7 7 ) 万吨年。农田n 2 0 直接排放量 整体呈现先快速增长而后排放鼍有所回落的趋势。各省市的年代变化规律各不相同、排放区 域分布并不均匀主要排放地区为江苏、安徽、湖北。江苏省主要排放地区为北部和东部地区， 安徽省主要排放区域为中撕部地区，湖北省主要排放区域为中部地区。长江中下游地区 1 9 9 0 1 9 9 4 年、1 9 9 5 1 9 9 9 年、2 0 0 0 2 0 0 4 年农田n 2 0 排放通量分别为5 8 7 、6 8 8 、6 9 0 千克 ( 公顷宰年) 。农田n 2 0 排放通最整体呈现先快速增长而后排放通量增长速度大大减缓并接近 停滞。排放强度最高的地区是上海市，其次为江苏省。 就耕作制度和农田类型而言，水早轮作农田是长江中下游地区农田n 2 0 直接排放的最主 要排放源，占该地区农田n 2 0 ：直接排放量的4 6 8 2 。非蔬菜早地对该地区农田n 2 0 直接排放 量的贡献也很火，达2 3 2 4 。长江中下游地区农田n 2 0 直接排放源结构较为稳定，主要的变 化在于蔬菜地排放所l 比例有所增加。该地区各省市农田n ：o 直接排放源结构各不相同，相 同省市不同年代之间也有区别。 该研究结果可为决策者合理利j = l = j 肥料、制定合理的农田耕作方式，制定长江中下游地区 农田生态系统温室气体减排措施提供科学依据。 关键词：l a p n 模型氮循环农田生态系统n 2 0 排放长江中下游地区 西南大学硕十学1 _ 奇= 论文 a b s t r a c t n 2 0e m i s s i o nf r o ma g r i c u l t u r a le c o s y s t e mi nm i d d l e l o w e r r e a c h e soft h ey a n g t z er i v e rr e g io n a bs t r a c t c l i m a t ec h a n g ei sac u r r e n tg l o b a le n v i r o n m e n t a li s s u e ，o n eo ft h em a i nr e a s o n si st h ec o n s t a n t i n c r e a s i n go fg r e e n h o u s eg a s e sc o n c e n t r a t i o n si na t m o s p h e r e c 0 2 ，c h 4a n dn 2 0a r ec o n s i d e r e da s t h em o s ti m p o r t a n tg r e e n h o u s eg a s e s n i t r o u so x i d ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o c e s so ft h e g l o b a lw a r m i n ge n h a n c e m e n ta n da t m o s p h e r i co z o n e ( 0 3 ) l a y e rd e s t r u c t i o n ( i p c c ，2 0 0 1 ，2 0 0 7 ) t h e a t m o s p h e r i cn 2 0c o n c e n t r a t i o nw a s31 9 x10 母l l li n2 0 0 5 ，w h i l ei n t h ep a s tf e wd e c a d e s ，i t i n c r e a s i n ga tt h er a t ea b o u t0 s x l 0 。9 l l 1l i n e a r l y t h es o u r c eo fn 2 0e m i s s i o nc a l ld i v i d ei n t on a t u r es o u r c e s ( i n c l u d i n go c e a n s ，f o r e s t s ，g r a s s l a n d s ) a n da r t i f i c i a ls o u r c e s ( i n c l u d i n ga g r i c u l t u r a lf e r t i l i z e r , a n i m a lw a s t ed i s p o s a ls y s t e m s ，f o s s i l f u e lc o m b u s t i o n ，b i o m a s sc o m b u s t i o n ，a d i p i ca c i da n dn - f e r t i l i z e rp r o d u c t i o n ，e t c ) a g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o ni sa l li m p o r t a n ts o u r c eo fn 2 0i na t m o s p h e r i c ，n 2 0e m i s s i o n sf r o ma g r i c u l t u r a ll a n d a f f e c t e db ym a n yf a c t o r s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft h ea g r o e c o l o g i c a ln 2 0e m i s s i o ni nt i m ea n d s p a c eu n d e rc l i m a t ec h a n g es c e n a r i o s ，c a nh e l pu sm a k et h ef u t u r ec l i m a t ep r e d i c tm o r er e a s o n a b l y , t od e a lw i t ht h ee f f e c to fc l i m a t ec h a n g e ，o z o n ed e p l e t i o no nt h eg l o b a le n v i r o n m e n ta n dh u m a n b e i n g s a tp r e s e n t ，t h ee s t i m a t e ss t u d yo fn 2 0e m i s s i o no fa g r o - e c o s y s t e mi nc h i n a ( i n c l u d i n gd i r e c t i n d i r e c te m i s s i o n s f r o ma g r i c u l t u r a ll a n d ) ，a c t i v i t yl e v e l so n l ya c c u r a t et ot h ep r o v i n c i a la n d m u n i c i p a ll e v e l s i no r d e rt og a i nab e r e ru n d e r s t a n d i n go fd i f f e r e n ta g r i c u l t u r a ll a n dt y p e sn 2 0 e m i s s i o n sa n di t sc h a n g e sy e a rb yy e a ro ft h ec o u n t y 1 e v e la d m i n i s t r a t i v eu n i t si nt h em i d d l ea n d l o w e rr e a c h e so fy a n g t z er i v e rr e g i o n ( i n c l u d i n go n em u n i c i p a l i t y , s h a n g h a ia n ds i xp r o v i n c e s ， j i a n g s u ，z h e j i a n g ，a n h u i ，j i a n g x i ，h u b e ia n dh u n a n ) ，t h ea g r o e c o s y s t e mn 2 0e m i s s i o ns o u r c e so f t h em i d d l ea n dl o w e rr e a c h e so ft h ey a n g t z er i v e rr e g i o nd u r i n g19 9 0 2 0 0 4w e r ee s t i m a t e db a s e do n t h el e v e lo fc o u n t y - l e v e ld a t aa n dr e g i o n a ln i t r o g e nc y c l em o d e lo fl a p - nm e t h o d s ，a n dt h et e m p o r a l a n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o nw e r ea n a l y z e d b yt h ea p p l i c a t i o no f a r c g i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e m p o r a lc h a n g ea n dt h ed i s t r i b u t i o no fa r a b l el a n da n dn i t r b g e n f e r t i l i z e ra p p l i c a t i o ni nt h en f i d d l ea n dl o w e rr e a c h e so ft h ey a n g t z er i v e rr e g i o nd e t e r m i n ed i r e c t a n di n d i r e c tn 2 0e m i s s i o n so ff a r m l a n da n dt h ed i r e c te m i s s i o n sf l u xc h a n g ey e a r l ya n dr e g i o n a l d i s t r i b u t i o no fa g r i c u l t u r a ll a n d t h ea v e r a g ea g r o e c o s y s t e mn 2 0e m i s s i o n si nt h em i d d l e l o w e ry a n g t z er i v e rb a s i na r e a f r o m1 9 9 0 1 9 9 4 ，1 9 9 5 1 9 9 9 ，2 0 0 0 2 0 0 4w e r e 1 3 3 2 ，1 6 0 2 ，1 5 7 7 x1 0 4 t ar e s p e c t i v e l y t h eo v e r a l l i i i 两南大学硕十学何论文 a b s t r a c t a g r o e c o s y s t e mn 2 0e m i s s i o nf o l l o w e dt h et r e n dt h a ti n c r e a s e dr a p i d l ya tf i r s ta n dt h e nf e l lb a c k t h ec h a n g e so ft h ea g eo fi n t e r m u n i c i p a ln 2 0e m i s s i o n sf r o ma g r o e c o s y s t e mi nt h em i d d l e l o w e r y a n g t z er i v e rb a s i nr e g i o nw e r ed i f f e r e n t ，a n dt h er e g i o n a ld i s t r i b u t i o n w a sd i f f e r e n t t h em a i n e m i s s i o nr e g i o n sa r ej i a n g s u ，a n h u i ，h u b e ia n dh u n a n t h em a i ne m i s s i o nr e g i o n si nj i a n g s u p r o v i n c ea r et h en o r t ha n de a s t e r na r e a s ，i na n h u ip r o v i n c ea r et h en o r t h e r np a r to ft h ec e n t r a la n d w e s t e r na r e a s ，i nh u b e ip r o v i n c ea r ec e n t r a lr e g i o n sa n di nh u n a np r o v i n c ea r ec e n t r a la n d n o r t h e a s t t h ed i r e c tn 2 0e m i s s i o n sf r o ma g r i c u l t u r a ll a n do ft h em i d d l e l o w e ry a n g t z er i v e rb a s i na r e a f r o m1 9 9 0 1 9 9 4 ，1 9 9 5 1 9 9 9 ，2 0 0 0 2 0 0 4w e r e1 0 3 7 ( 2 6 4 2 3 0 2 ) ，1 2 5 3 ( 3 5 4 - 2 7 5 7 ) ，1 2 1 7 ( 3 1 l 一2 6 7 7 ) 10 4t ar e s p e c t i v e l y t i l eo v e r a l la g r o e c o s y s t e md i r e c t l yn 2 0e m i s s i o nf o l l o w e dt h e t r e n dt h a ti n c r e a s e dr a p i d l ya tf i r s ta n dt h e nf e l lb a c k t h ec h a n g e so ft h ea g eo fi n t e r m u n i c i p a ln 2 0 e m i s s i o n sf r o ma g r o e c o s y s t e mi nt h em i d d l ea n dl o w e ry a n g t z er i v e rb a s i nr e g i o nw e r ed i f f e r e n t ， a n dt h er e g i o n a ld i s t r i b u t i o nw e r ed i f f e r e n tt o o t h em a i ne m i s s i o nr e g i o n sa r ej i a n g s u ，a n h u ia n d h u b e i t h em a i ne m i s s i o nr e g i o n si nj i a n g s up r o v i n c ea r et h en o r t ha n de a s t e ma r e a s ，i na n h u i p r o v i n c ea r et h ec e n t r a la n dw e s t e r na r e a sa n di nh u b e ip r o v i n c ea r ec e n t r a lr e g i o n s t h e a g r i c u l t u r a ln 2 0e m i s s i o nf l u xi nt h em i d d l e l o w e ry a n g t z er i v e rb a s i na r e af r o m19 9 0 - 19 9 4 ， 1 9 9 5 1 9 9 9a n d2 0 0 0 2 0 0 4w e r e5 8 7 ，6 8 8 a n d6 9 0 k g ( h a a ) r e s p e c t i v e l y t h eo v e r a l la g r o e c o s y s t e m n 2 0e m i s s i o nf o l l o w e dt h et r e n dt h a ti n c r e a s e dr a p i d l ya tf i r s ta n dt h e ns l o w l yt on e a r l ys t a n d s t i l l e m i s s i o ni n t e n s i t yi sh i g h e s ti ns h a n g h a i ，f o l l o w e db yj i a n g s up r o v i n c e f o rt h et y p eo ff a n n i n gs y s t e m sa n da g r i c u l t u r a ll a n d s ，f l o o da n dc r o pr o t a t i o ni st h em o s t i m p o r t a n tn 2 0e m i s s i o ns o u r c eo ft h ey a n g t z er i v e ra r e af a r m l a n d ，w h i c ha c c o u n t e df o r4 6 8 2 o f t h ed i r e c tn 2 0e m i s s i o n si nt h er e g i o n n o n - v e g e t a b l ed r yl a n di sa l s oag r e a tc o n t r i b u t i o ni nd i r e c t n 2 0e m i s s i o n so ft h ea r e aa m o u n t i n gt o2 3 2 4 t h es t r u c t u r eo ft h ed i r e c tn 2 0e m i s s i o n ss o u r c e s o ft h em i d d l ea n dl o w e ry a h g t z er i v e rb a s i na r e af a r m l a n di sm o r es t a b l e ，t h em a i nc h a n g ei st h a t t h ep r o p o r t i o no fv e g e t a b l el a n de m i s s i o nh a si n c r e a s e d t h ep r o v i n c e sa n dc i t i e sd i r e c te m i s s i o n s s t r u c t u r e si nt h i sr e g i o nw e r ed i f f e r e n ta n dt h er e s u l t si nd i f f e r e n ty e a ri ns a m ep r o v i n c e sa n dc i t i e s w e r ea l s od i f f e r e n t t h er e s u l t so ft i l es t u d yc a l lp r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rp o l i c y m a k e r st om a k er a t i o n a lu s eo f f e r t i l i z e r s ，p l a nt h ed e v e l o p m e n to ff a m l i n ga n dr a t i o n a lm a m l e ra n dm a k et h ey a n g t z er i v e rr e g i o n a g r o e c o s y s t e mg r e e n h o u s eg a se m i s s i o nr e d u c t i o nm e a s u r e s k e y w o r d s ：i a p nm o d e l ；n i t r o g e nc y c l e ；a g r o - e c o s y s t e m ；n 2 0e m i s s i o n s ；m i d d l e - l o w e rr e a c h e so ft h ey a n g t z er i v e rr e g i o n 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了标注。 学位论文作者：棚俊签字日期：z o o 7 年石月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生部可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：哜保密， 口保密期限至年月止) 学位论文作者签名：撷俊 签字日期：1 0 0 7 年月弓日 导师签名：各磊 签字日期：汐。7 年6 月3 日 保护知识产权声明 本人完全了解西南大学关于对研究生在本校攻读学位期间撰写论 文的知识产权保护规定。本人撰写的论文是在导师具体指导下，并得 到相关研究经费支持下完成的。具体数据和研究成果归属于导师和作 者本人，知识产权单位属西南大学。本人保证毕业后，以本论文数据 和资料发表论文或使用论文工作成果时，需征得导师同意，并且署名 第一单位仍然为西南大学。 学位论文作者签名：桶俊 签字日期：冲0 1 年月3 日 两南大学硕士学位论文 文献综述 第一章文献综述 气候变暖是当今全球性的环境问题，其主要原因之一是由于大气中温室气体浓度的不断 增加。c 0 2 、c h 4 和n 2 0 被认为是最重要的温室气体( i n a m o r ie ta l ，1 9 9 1 ) 。氧化亚氮( n 2 0 ) 虽是大气中的一种痕量气体，但其在大气中滞留时间很长，寿命为1 1 4 1 2 0 年，远高于c 0 2 和c h 4 。n 2 0 可以吸收来白陆地的热辐射，减少地表向外层空间的热辐射，从而产生温室效 应，单位分子量n 2 0 的全球增温渐势( g l o b a lw a n n i n gp o t e n t i a l ，g w p ) 在1 0 0 年时间尺度上 是c 0 2 的2 9 6 倍，是c h 4 的1 3 倍( i p c c ，2 0 0 1 ，2 0 0 7 ) 。除导致温室效应外，n 2 0 还能够 通过混合作用利分子扩散作用进入平流层，并参与平流层大气中的光化学反应，其中n 2 0 发 生光解以及与激发态氧原予发生光化学反应的过程会消耗0 3 ，破坏人类生存的重要保护屏障 臭氧层，从而增加紫外线到达地球表面的辐射量，对地球生物圈产生多方面的伤害( c r u t z e n ， 1 9 7 0e ta l ，1 9 9 5 ；t h o m p s o ne ta l ，1 9 9 2 ) 。 研究表明：工业革命( 1 7 5 0 年) 前，大气n 2 0 浓度维持在2 7 0 - a ：7 x 1 0 9l l - 1 左右，工业革 命之后其浓度快速上升，1 9 9 8 年达到3 1 4 x 1 0 母l l 1 ，2 5 0 年间累积增加了4 4 x 1 0 。9l l 1 。在过 去1 0 年间，大气n 2 0 浓度增加尤为迅速，2 0 0 5 年已经上升至3 1 9 x 1 0 。9l l - 1 ，高于4 2 万年以 来任何时期大气n 2 0 的浓度。目前，大气中的n 2 0 还在近似以每年约o 8 1 0 9l l d 的速率线 性增加( i p c c ，2 0 0 1 ，2 0 0 7 ) 。 1 1 大气中n 2 0 的源与汇 n 2 0 排放源分为自然源( 包括海洋、森林、草地等等) 和人为源( 包括施肥农田、动物 废弃物处理系统、化石燃料燃烧、生物质燃烧、2 - 酸和氮肥生产等等) 。估计全球向大气每 年排放n 2 0 达1 7 7t g n 2 0 - n ( 1 t g = 1 0 1 2g ) ，人类活动排放的n 2 0 占全球n 2 0 排放总量的4 6 ， 其中农业生产活动n 2 0 排放量i 三。人为源的7 5 8 0 ( k r o e z ee ta l ，1 9 9 9 ) 。 表1 - 1 大气中n 2 0 的源与汇( i p c c ，2 0 0 1 ) t a b l el 一1s o u r c e sa n ds i n k so f a t m o s p h e r i cn i t r o u so x i d e ( i p c c ，2 0 0 1 ) 两南大学硕十学何论文 文献综述 家畜业 2 10 6 - 3 i 总人为源 8 12 1 - 2 0 7 注：+ 引自m o s i e r 等( 1 9 9 8 ) 和k r o e z e 等( 1 9 9 9 ) ) 的结果估算值反i 吠- j 1 9 9 4 年的源汇情况 1 2 农田生态系统氮循环过程及n 2 0 排放 农田生态系统是一个十分复杂的生态系统，图1 1 简单地表述了农业生态系统的氮循环过 程以及排放n 2 0 的各个环仃。进入农田生态系统的氮素主要包括：化肥和动物粪肥、生物固 氮、作物残茬及火气干湿沉降等。这些氮素的去向主要包括：被作物吸收、残留在十壤中、 通过淋溶进入底下水或深层土体或通过径流进入地表水体，和以氮素气体( n 2 、n h 3 、n 2 0 、 n o 。( n o + n 0 2 ) ) 的形式挥发进入大气。被作物吸收利用的氮接着被人畜利用后，部分以 有机肥的形式返回到农田，与返回到农田的作物秸杆和残茬起进入氮素的再循环。复杂的 农田氮循环过程中产生和排放n ! o 的各个环节，以农田土壤排放最为重要。 图1 1 农田土壤中n 循环以及n 2 0 排放 ( m o s i e r & k r o e z e ，1 9 9 8 ：n e v i s o ne ta l ，1 9 9 6 ) 1 3 农田土壤n 2 0 的产生机制 一般认为，十壤( 尤其是热带土壤和农田土壤) 中微生物参与下的硝化和反硝化过程释 放的n 2 0 是全球n 2 0 的主要源，约占生物圈释放到大气中n 2 0 总量的7 0 9 0 ( b o u w m a n ， e ta l ，1 9 9 0 ) 。除了硝化和反硝化微生物过程外，化学反硝化、羟胺的化学分解等化学过程也 可产生n ，o 。 2 西南大学硕十学何论文 文献综述 1 3 1 硝化过程 硝化过程是指在通气条件下，土壤中硝化微生物将铵盐转化为硝酸盐或硝态氮还原成氮 气( n 2 ) 或氧化氮( n 2 0 平n o ) 的过程( p a r t o ne ta 1 ，1 9 9 6 ) 。它由两个连续而又不同的阶 段所构成。第一阶段是由弧硝酸细菌将铵氧化为n o ：此阶段的生化过程尚不十分清楚；第二 阶段是由硝酸细菌将n o ：氧化为n 0 3 这一阶段的过程比较清楚( 朱兆良和文启孝，1 9 9 2 ) 。参 与两个阶段的微生物火多属丁硝化细菌科，均系化能自养菌。除白养硝化菌外，有些异养微 生物也能进行硝化作川。其反应过程如下： 罗o 节 硝化过税：m + 一套蕊3 0 h 一【h n o 】： 碧n q - - i , t 0 3 迅【x 】之 上述反应中，虚线和方括号表示对该过程不甚完全了解。 1 3 2 反硝化过程 反硝化过程是指在通气不良条件下，由土壤微生物将硝酸盐或硝态氮还原成氮气( n 2 ) 或氧化氮( n 2 0 和n o ) 的过程( p a r t o ne ta 1 ，1 9 9 6 ) ，其反应过程如下： 反硝化过程：n 0 3 - _ n 0 2 一_ n o _ n 2 0 _ n 2 n 2 0 作为反硝化过程的中间产物己得到广泛承认，活性的n 2 0 还原酶再将n 2 0 还原为 n z ，但n o 究竟是一种中间产物还是一种副产物尚存在争议。根据条件的变化，中间产物可 以积累并逸散，反硝化凶有多种不完全的还原途径。有的细菌只产生n ：，有的只产生n 2 0 ， 有的既产生n 2 0 又产生n 2 ( k a p l a n 和w o f s e y ，1 9 8 5 ；r o b e r t s o n 和k u e n e n ，1 9 9 1 ) 。在有利 于n ：o 生成的环境条件下，反硝化菌是兼性好氧细菌。 1 3 3 非生物转化过程 n 2 0 形成的化学转化过程通常与n 2 0 形成的生物学过程相伴而生。例如在硝化过程中， n 0 2 的进一步氧化有时会冈高n h 3 分压和高p h 等因素而受到抑制，从而导致n o ：积累，较 高浓度的n 0 2 与有机质发生化学反应，从而反应生成n ：和各种氮氧化物( b o u w m a ne ta 1 ， 1 9 9 3 ) 。 n 0 2 _ 硝基苯酚类_ 醌肟化合物一n 2 、n 2 0 、n o 和n 0 2 等 上述硝化、反硝化过科中，通气与不通气都是相对的，具有一定的限度。通气状况十分 良好或过分通气不良均不利于硝化或反硝化过程中n 2 0 的生成，从而使得n 2 0 排放量降低。 当土壤供氧十分充足时，有利丁形成硝化作用的最终产物n 0 3 ，而严格厌氧造成的强还原环 境会促进形成反硝化的最终产物n 2 ，二者均不利于形成中间产物n 2 0 。同时，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n ：o 的排放量也将产生较大的影响。 3 两南大学硕+ 学位论文 文献综述 1 4 国内外农田n 2 0 排放的观测研究 田间观测是研究农田n 2 0 排放时间空间变化规律的基础工作。世界上众多的科学家对农 田n 2 0 排放进行了人量的观测研究。田间观测表明n 2 0 排放具有很大的时空变异性 ( b o u w m a n ，1 9 9 6 ：b o u w m a ne ta 1 ，2 0 0 2 a ，2 0 0 2 b ；c h r i t e n s e ne ta l ，1 9 8 5 ；c a ie ta 1 ， 1 9 9 7 ， 1 9 9 9 ；s t e h f e s t b o u w m a n ，2 0 0 6 ；z h e n ge ta l ，1 9 9 9 ， 2 0 0 0 ，2 0 0 4 ) 。时间变异性表现为n 2 0 排放的日变化、季：1 ，变化和年际间变化，主要是由气候因素和作物生长控制。空间变异性表 现在两个方面：其一为同一实验地不同的观测点上n ：o 排放的差异，主要与厌氧微环境和微 生物活性热岛等土壤异质性的微域变异性有关；其二为不同地区n 2 0 排放的差异，与土壤类 型、生物气候条件、土地利川方式和耕作管理等宏观空间变化有关。 迄今为止，国外科学家开展的n 2 0 排放田间观测研究主要有，关于化肥和有机肥施用对 n 2 0 排放的影响( m o s i e re ta l ，1 9 9 4 ；f l e s s a 和b e e s ee ta l ，1 9 9 5 ；b o u w m a n ，1 9 9 6 ；m o g g e 等，1 9 9 9 ；s h e l p 等，2 0 0 0 ) 、种植制度或耕作方式对n 2 0 排放的影u 向( b e n c k i s e r 等，1 9 9 6 ； c o r r i e 等，1 9 9 6 ；c o c h r a n 等1 9 9 7 ；d o b b i e 等，1 9 9 9 ；t e e p e 等，2 0 0 0 ) 、土壤特性对n 2 0 排 放的影响( d a u m 和s c h e n k ，1 9 9 8 ；k a i s e r 和r u s e r ，2 0 0 0 ) 、气候条件对n 2 0 排放的影响( v a n b o c h o v e 等，1 9 9 6 ) 、时空变异型即n 2 0 排放的日变化、季：宵变化和年际变化观测研究( a m b u s h 和c h r i s t e n s e n ，1 9 9 5 ；k a i s e r 等，1 9 9 8 ) 。 国内科学家开展的n 2 0 排放田间观测研究主要有，关于化肥和有机肥对n 2 0 排放的影响 ( 陈冠雄等，1 9 9 5 ：黄国宏等，1 9 9 5 ；杨军等，1 9 9 6 ；郑循华等1 9 9 7 a 、b ；侯爱新等，1 9 9 8 ； 梁东丽等2 0 0 2 ；邹建文等，2 0 0 6 ) 、种植制度或耕作方式对n 2 0 排放的影响( 曾江海等，1 9 9 5 ； 宋文质等，1 9 9 7 ；王智平等，1 9 9 7 ；丁洪等，2 0 0 1 ) 、灌溉和土壤水分对n 2 0 排放的影响( 郑 循华等，1 9 9 6 ；蔡祖聪等，1 9 9 6 ：黄国宏等，1 9 9 9 ：颜晓元等2 0 0 0 ；徐文斌等，2 0 0 2 ；) 、植 物类型对n 2 0 排放的影响( 杨思河等，1 9 9 5 ；于克伟等，1 9 9 5 ；熊正琴等，2 0 0 2 ) 。 1 5 影晌n 2 0 排放的因素 国内外研究表明，影响农田十壤n ：o 排放的因素主要有：施肥、土壤性质、作物种类、 农作措施及气候冈素等。 1 5 1n 2 0 排放与氮肥消费量的关系 研究表明，n ：o 的年排放总量与年施肥量之间有显著的线性关系( b o u w m a n ，1 9 9 6 ) 。施 肥对土壤n 2 0 排放的影响：e 要体现在肥料的施入为n 2 0 的产生提供了丰富的氮源，施肥将增 加土壤n 2 0 排放的潜力( b o u w n m ne ta 1 ，2 0 0 2 a ，2 0 0 2 b ；s t e h f e s t & b o u w m a n ，2 0 0 6 ；z h e n g 甜a 1 2 0 0 4 ) 。 氮肥的类型利施用量、施肥方式和施肥时间都会影响农田土壤n 2 0 排放。据报道，n 2 0 生成与排放量一般为肥料施川量的o 1 2 之间( 封克等，1 9 9 5 ) ，x i n g 等根据我国的资料估 4 两南大学硕十学位论文 文献综述 计施氮量的o 6 左右转化成n ：o ，n 3 0 - n 肥的施用往往会提高反硝化速率和反硝化产物比 ( n 2 0 n ) ( x i n g 等，1 9 9 8 ) 。b o u w m a n 等研究表明，不同肥料类型和施用量下，农田n 2 0 排 放系数存在较人差异，以尿素排放系数最低，约o 1 ：有机质+ n h 4n 0 3 + 尿素最高，其排放 系数达2 2 ( b o u w m a n 等，1 9 9 5 ) 。邢光熹等也发现猪粪加尿素处理比含同样氮的尿素处理 n 2 0 排放量多6 1 ( x i n g 等，1 9 9 7 ) 。 农田施肥可以通过影响有机质含量和c n 比影响n 2 0 排放。绝大多数的反硝化细菌是化 能异养型，它们需要有机物质作为电子供体和细胞能源，土壤有机物质的生物有效性是调控 土壤生物反硝化速率和作川强度的重要因子。土壤中易分解的有机物质含量高激活了土壤微 生物的呼吸作用，加快了十壤氧的消耗，加速了土壤厌氧环境的形成，间接地增强了土壤生 物硝化作用。往十壤中加入有机质，如植物秸秆或厩肥，可大火增加反硝化强度( d r u r y 等， 1 9 9 1 ) 。土壤有机碳矿化率直接影响土壤生物反硝化作用强度，但反硝化强度与土壤有机碳 总鼍无显著相关( k o s k m e n 等，1 9 8 2 ) 。 1 5 2n 2 0 排放与土壤性质的关系 1 5 2 1 土壤质地 土壤质地是土壤通透性、土壤空气组份、水分有效性和微生物活性的一个重要控制因素， 因而影响硝化和反硝化作川的相对强弱及n ：o 在土壤中的扩散速率。田间观测结果表明，土 壤质地明显影响小麦和棉花田n 2 0 排放量，壤质土壤排放的n 2 0 高于砂质和粘质土壤( 徐华 等，2 0 0 0 ) 。土壤质地也显并影响稻田n 2 0 平均排放通量，砂质土壤排放的n 2 0 显著或极 显著高于壤质和粘质土壤( 邢光熹等，2 0 0 0 ) 。 1 5 2 2 土壤通透性 土壤通气状况由水分含量、氧气在土壤中的扩散难易程度以及微生物和根系对氧气消耗 的程度所决定。对反硝化过程而言，其速率与o ：供给量呈负相关关系。对硝化过程而言，现 只知道有氧时，其最终产物是n o ，但绝对厌氧条件下能否硝化完全尚存争议。有研究发现， 在温度和湿度相同的情况下，通气状况极人地影响土壤反硝化作用，嫌气条件下，通气状况 极大地影响土壤反硝化作用，嫌气条件反硝化作用强于好气条件( 衣纯真等，1 9 9 4 ) 。总之 土壤通透性对n z 0 排放影响受多种冈素相互影响制约，因此比较复杂。如果土壤既有丰富的 厌氧微域，又有丰富的好氧微域，n ：o 的产生和排放往往最高。 1 5 2 3 土壤水分 土壤水分状况主要决定于降水量、灌溉、土表蒸发和植物蒸腾等。土壤水分可以通过不 同的途径影响n 2 0 的形成和排放。土壤水分的分布影响溶质的迁移，从而影响n h 4 + 和n 0 3 浓度的分布及其对微生物的有效性。n 2 0 的硝化过程和反硝化过程均受到土壤水分的影响， 当土壤含水量既能促进硝化作用又能促进反硝化作用时，会导致最多的n 2 0 排放( d a v i d s o n 等，1 9 9 1 ) 。有观测结果表明，在土壤水分低于饱和含水量时，n 2 0 的排放量随土壤含水量的 5 西南大学硕+ 学位论文 文献综述 增加而线性增加：反之，则随十壤含水量的增加呈以指数形式减少( z h e n ge ta 1 2 0 0 0 ) 。 1 5 2 4 土壤温度 土壤温度影响微生物的活性强度，也就极强地影响硝化反硝化速率。在适宜的水分条件 下和一定温度范围内，n 2 0 排放量随土壤温度的上升而增加。有研究发现，在一2 2 5 c 的范围 内，反硝化量的平方根与温度呈直线关系( d o r l a n de ta l ，1 9 9 1 ) 。在旱地土壤条件下，温度是 影响n 2 0 排放季节变化的关键冈子，而在水田阶段则不然。但水田和早地具有相同的日变化 形式，只是后者达到极人值的时间比前者延迟3h ( 郑循华等，1 9 9 7 a ) 。 1 5 2 5 土壤p h 土壤p h 对n ：o 排放的影响十分复杂，不同研究者在不同土壤上对此进行研究的结果不 尽一致。一般认为，反硝化作用菌最适宜的p h 值一般与异养菌相似，为p h6 8 ，活动范围为 p h3 。5 1 1 2 ；而对丁硝化作用来说，在p h3 4 8 6 数值范围内，n 2 0 的排放量与土壤的p h 值 呈正相关( 陈文新等，1 9 8 9 ) 。当土壤p h 降低时，反硝化作用产生的n 2 0 的比例增大：当土 壤p h 为中性时，n 2 是反硝化作刚的主要产物。由此可见，当p h 降低时则有利于n 2 0 的释放。 因此，n 2 0 常表现为酸性二l 二中反硝化的主要产物，n 2 0 n 2 比例随p h 下降而上升( d a u m 和 s c h e n k ，1 9 9 8 ) 。 1 5 3 气候因子与n 2 0 排放的关系 气候要素( 如温度、降水、太阳辐射等) 直接影响土壤环境，而土壤环境驱动着n ：o 的 产生和排放。如温度和降水的季1 ，性变化改变了土壤的水热条件，进而影响硝化和反硝化作 用，最终导致土壤n 2 0 排放的季节性变化。 郑循华等对太湖地区稻麦轮作周期内n 2 0 排放的自动连续观测研究表明，显著n ：o 排放 发生的频率随气温变化警正态分布，6 7 的排放量都集中在1 5 c 一2 5 范围之内 ( 郑循华等， 1 9 9 7 ) 。d o r l a n d 和b e a u c h a m p 研究发现，在2 2 5 的范围内反硝化量的平方根与温度呈直 线关系( d o r l a n d 等，1 9 9 1 ) 。冻融交替可导致短期的极端排放高峰( b u r t o n 和b e a u c h a m p ， 1 9 9 4 ) 。研究表明，在冬季冻融交替过程中产生的n 2 0 排放占全年排放的4 6 。他们认为这是 由于表土中反硝化作用增强引起的，当冻土融