模拟增温对华北平原长期免耕农田土壤N2O排放通量影响研究

1 绪论
1.1选题背景及理论依据
全球气候变化已经被认为是一个重要的问题，它成为世界经济的可持续发展和国际社会面临的最大挑战之一。 IPCC的报告说，全球平均综合陆地和海洋表面温度在此期间1880年至2012年增加约0.85 ℃ （ 0.65 〜1.06 ℃ ）在全球变化的大背景之下，有研究表明中国与全球或北半球平均温度的年代变化和线性趋势一致[1][2]随着人类活动的不断加剧，大气当中温室气体浓度不断增加，导致地表增温，唐国利[3]等研究表明自1905年后中国年地表平均气温呈现明显增加趋势，升高幅度为0.79℃，增温速率为0.08℃/10 a。 N2 O和 CO2， CH4被列为大气中的三个最重要的温室气体[4]，尽管N2O在大气当中浓度低，但其有着巨大的气候变暖的潜力，近年来， N2 O成为了全球关注的热点议题。N2O的浓度随着温度的不同而不同，成正比例关系。然后又降低到210×10-9以下[4]早在1990年 Rodhe[5]指出， lmoL N2 O的增温效应是 CO2的150一200倍，且 N2 O在大气中可以存留120年左右[6]。Delgado也指出在20 a、100 a、500 a 的时间尺度上，单位质量N2O 的全球增温潜势（Global WarmingPotential，GWP）分别为CO2 的275、296、156 倍[7] 。同时，也参与了一些大气光化学反应，和只吸收中心波长的长波红外辐射，通过降低表面辐射热的空气空间，温室效应的一个直接结果，采用紫外辐射在平流层，臭氧分解成无分子减少导致臭氧水平的反应，从而增加到达地球表面的紫外辐射，破坏人类生存环境，威胁人类生存安全[8]，N2O在大气中的浓度增加1倍，将导致臭氧层减少10％ ，辐射到地球的辐射将有20％增加[9]。目前， N2O每年向大气中的比例为0.2％ 〜 0.3上升％;其浓度已从工业化前的约2.7×10-4 ml/ L增加到2005年的3.19×10-4 ml/ L，预计到2050年其浓度将增加到3.5×10-4～4×10-4 ml/ L[10]。农业土壤被确认为大气N2O ， CH4，CO2的主要来源，其中约为温室气体（ GHG）的排放量贡献20％,随着全球温度变暖的温室气体排放有可能刺激大的土壤碳，氮库的农田土壤，导致全球气候变暖和温室气体排放之间的正反馈，因此，人们越来越关注 N2 O浓度升高对全球气候变暖和臭氧层的影响，同时气候变暖反作用与 N2 O浓度的变化气候变暖已不存在争议，
所以我们需要一方面更加准确的预测未来几十年的气候变化情况，另一方面也要找到合适的办法来降低 N2 O排放。
4 结论与讨论
4.1 结论
通过对华北平原典型农田种植制度下的增温翻耕、常温翻耕、增温免耕、常温免耕四个处理土壤N20通量的观测研究,得出以下结论:
（1)增温翻耕处理与常温翻耕处理5cm土层温度差异显著(P﹤0.05)说明模拟增温有效的提高了表层5cm土壤温度，常温条件下，翻耕地与免耕地表层5cm土层平均温度增加了0.47℃。免耕地较翻耕地能够降低土壤表层5cm温度，说明不同的耕作方式能够改变土壤表层5cm平均温度但不显著。经方差分析得增温翻耕与增温免耕、常温翻耕与常温免耕间温度差异均不显著，说明单纯的免耕对5cm土层的土壤温度影响不显著。
（2）增温翻耕处理与常温翻耕处理、增温免耕处理与常温免耕处理土壤水分存在显著差异(P﹤0.05)，而增温翻耕处理与增温免耕处理、常温翻耕处理与常温免耕处理土壤含水量差异显著(P﹤0.05)，说明增温处理对土壤含水量存在显著影响，而耕作方式的不同处理对土壤含水量影响不显著。模拟增温处理分别比对照处理土壤含水量增加-8.18%、-6.35%，表明模拟增温使表层5cm土壤含水量降低。
(3) 在作物生长季内, 增温翻耕、常温翻耕、增温免耕、常温免耕四种不同处理土壤N2O、排放的平均通量为: 49.61、28.70、29.04、31.05(µg.m-2.h-1)从排放强度上看, 增温翻耕＞常温免耕＞增温免耕＞常温翻耕，四种处理的农田土壤都是N20的排放源。
(4) 增温翻耕、常温翻耕、增温免耕、常温免耕四个处理的农田土壤N2O通量都呈现明显的季节变化,主要表现为冬季的平均通量较低,夏季较高，模拟增温对土壤N2O通量
的排放有较大影响,在温度较高 土壤湿度适宜的季节通量都出现排放高峰。
(5)对四个处理农田土壤，连续三个月进行日变化观测知四个不同处理日变化趋势一致，但不同月份之间存在明显差异，四月日变化观测N2O平均排放通量结果：常温翻耕>增温翻耕>增温免耕>常温免耕、五月日变化观测N2O平均排放通量结果：增温翻耕>常温翻耕>增温免耕>常温免耕、六月日变化观测N2O平均排放通量结果：增温免耕>常温翻耕>常温免耕>增温翻耕，日变化总体趋势一致，均表现为昼高夜低，但由于水热条件的差异，不同月份之间存在明显差异。
4.2讨论
4.2.1增温和免耕对土壤温度和湿度的影响
目前，主要有四大类野外加热装置来模拟增温为全球气候变暖与陆地生态系统关系的研究提供实验方法。不同的野外加热装置提供的增温方式，可能会导致研究结果的差异。其中温室(Greenhouse)和开顶箱(Open-top chamber)受到天气的制约，只在白天有太阳辐射时才能够起到增温作用；虽然土壤加热管道和电缆线增温与常温小区间的差异更加明显但其只能引起土壤温度的恒定升高对气温以及加热植物地上部分影响较小；根据牛书丽[86]等（2007）的报道，农田增温的试验更适合使用红外线辐射的方法。土壤温度是影响土壤理化性质以及生物过程的一个重要因素。 种子萌发，植物的生长对温度有一定的要求，土壤温度场密切影响微生物的活性。通过红外辐射器对农田生态系统增温，5cm 土层的土壤温度分别比对照区提高了1.91℃、1.50℃。说明模拟增温效果比较理想。水是最重要的环境因素之一，全球水循环和水的增加，地球表面的温度并在相应的改变大气环流形势的时空格局发生变化。 温度变化是影响土壤水分运动的主要因素之一。普遍认为，土壤水分蒸发过程明显受土壤温度和能量。潘新丽[87] ，对亚高山森林中发现模拟增温，增温区土壤含水量明显下降，结果相似。
4.2.2增温和免耕对土壤温室气体通量及日变化的影响
全球变暖是当今人类面临的严峻挑战，是国际社会公认的全球性问题。 大气中 N2 O等温室气体浓度逐年增加，“温室效应”已成为影响全球气候变化的一个重要因素[88]，所以源检测的温室气体是当前全球变化研究的一个重要课题。大气中，虽然含量相对较少，但的全球变暖潜力大，也参与许多的大气光化学反应， 不仅能吸收长波红外辐射，在大气中减少表面热辐射到空间，温室效应的一个直接结果，其但在平流层通过紫外线照射，臭氧分子在反应后分解成NO ，产生臭氧量减少，从而增加了到达地球表面的紫外辐射；因此，人类环境的破坏，人类生存的安全受到威胁。本实验通过在野外对农田土壤进行控制性增温和免耕也发现，华北农田土壤主要为N2O源。在全球变暖的背景下，人们更关心的温室气体排放的趋势。
本实验发现土壤 N2 O排放通量增温翻耕区＞常温免耕＞增温免耕＞对照区，增温和增温免耕样地的土壤 N2 O排放通量显着高于对照。描述温度密切影响排放通量在北方农田生态系统。徐文彬[55]通过研究土壤N2O排放发现：温度是控制土壤排放通量的一天中最重要的因素，也存在一定程度的正相关的排放通量和温度的季节变化之间的。研究Dorland和Beauchamp发现，在 – 2 ℃〜 25 ℃左右范围内的反硝化量和线性[54]的温度的平方根。谢妃[56]通过研究土壤温度和N2 O排放被发现在旱田，在范围10 〜 30 ℃，随着地表温度的增加，小麦大豆轮作生态系统N2 O排放通量表现出不同程度的上涨，但线性相关关系较不明显。郑循化温度的研究[ 53 ]中的N2O通量影响的关键因素。这是因为温度的微生物过程可影响N2 O通过影响微生物代谢的活性，增温样地的土壤温度比照区高，免耕样地的土壤透气性较好，形成好氧环境更有利于硝化，反硝化细菌的生理代谢活动。本实验研究发现，增温、免耕和增温免耕对一天中N2O浓度的影响均不显着。 这可能是因为相对于模拟增温装置对土壤增温影响来说，太阳对一天内不同时段土壤温度变化的影响更大，由此引起的土壤微环境、土壤微生物、动物等对其影响程度更大，使得一天内 N2 O浓度对增温、免耕和免耕处理温度响应不明显。
4.2.3 增温和免耕对N2O通量和土壤温度关系的影响
增增温翻耕、常温翻耕、增温免耕、常温免耕四个不同处理与表层5 cm土壤温度的 相关系数分别为0.215（ P(0.05）、0.227（ P(0.05）、-0.041、0.023，)翻耕处理通量与土壤温度的大幅度的升温处理使通量与土壤温度相关的降低。免耕使得N2 O排放通量和土壤表面的相关性大大降低，随着温度的升高，免耕效应使得从N2 O排放通量较显着的正相关转为微弱的负相关
4.2.4 增温和免耕对N2O通量与土壤湿度关系的影响
增温翻耕、常温翻耕、增温免耕、常温免耕四个不同处理 N2 O排放通量与 表层5 cm土壤温度的相关系数分别为0.225（ P(0.05）、0.113（ P(0.05）、-0.085、0.043，翻耕处理区N2 O排放通量和土壤水分的相关性，气候变暖处理使得N2 O排放通量和土壤水分的相关性。土壤水分免耕处理区相关N2 O排放通量和免耕使N2 O排放通量和土壤表面减少的相关性，增温、免耕共同影响使得 N2 O排放通量与土壤湿度由较强的正相关转为微弱的负相关。
5 展望
本试验采用的静态箱法观测，该方法本身存在一些的固有缺陷,无法避免人工采样对田间观测点及其周围自然条件的扰动,改变观测点的自然条件会影响到土壤气体的交换过程和观测结果。尽管在田间观测时, 通过在底座周围铺垫砖头,减少踩踏;尽量避免对底座周围植株的损坏等方式最大程度地降低了人为活动对土壤和地表植株的影响,但仍无法避免观测点周围土壤由于长期踩踏而引起的土壤板结,观测点作物倒伏或折断,造成了观测点与其他地块条件的微弱差异,使其结果的代表性受到影响。这个问题可以在今后的实验中可以通过修葺田埂或者预先在采样点周围铺设简易道路解决，也可通过自动采样系统最大程度上降低人为扰动。
对于土壤N2O排放通量是一个复杂的过程，是的各个影响因子交互影响的结果,大多数的学者进行的研究都是基于单因子的分析和讨论,本研究地区环境条件,尤其是水分和温度,相互影响,使得土壤N2O通量受水分影响变得十分复杂”由于试验的限制，尽管我们尝试排除其他因素的影响,但仍然有一些我们人为无法控制的影响，比如土壤动物、微生物活性等,
我们在没有设置灌溉与不灌溉对照处理的情况下,灌溉的影响不能完全去除,由于土壤的空间差异性较大,受试验实际条件限制,我们所设置的重复较少,这样对农田土壤N2O总排放量的估算会产生一定的影响，同时对土壤N2O通量的估算方法也期待能够利用土壤N20通量与各影响因子的综合关系来模拟实现,以更真实的反映具体土壤环境条件下的土壤N20排放量，另外种植作物类型对土壤N2O的排放也有一定的影响,对可能的原因也有待进一步的研究。