于奇林程浩淼費(fèi)文輝李曉霜丁偉

(1.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.日照山海天旅游度假區(qū)漁政監(jiān)督管理站，山東 日照 276800；3.日照錦藍(lán)城市發(fā)展有限公司，山東 日照 276800；4.揚(yáng)州市勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225007)

溫室氣體(GHGs)過量釋放是全人類面臨的重要挑戰(zhàn)，其中農(nóng)業(yè)作為全球溫室氣體的主要排放源之一，對全球變暖的影響不容忽視，其釋放量約占全球人為GHGs總量的10%～12%[1]。研究農(nóng)田GHGs釋放機(jī)制對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要作用。

農(nóng)田GHGs釋放主要有二氧化碳(CO2)、一氧化二氮(N2O)和甲烷(CH4)。農(nóng)田CO2主要來自土壤微生物的呼吸作用，農(nóng)田N2O來自硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌在生長繁殖過程中的硝化和反硝化作用[2,3]。農(nóng)田CH4主要釋放源是水田，由于長期的厭氧條件為產(chǎn)甲烷菌提供了適宜的生長環(huán)境，導(dǎo)致大量CH4釋放到大氣中[4]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)田GHGs釋放主要受植物和微生物的共同作用[5]。然而，當(dāng)前氣候變化條件下(如大氣溫度和大氣CO2濃度逐年升高等)，其會對農(nóng)作物的生長和土壤微生物的呼吸作用造成不利影響[6,7]。因此，在當(dāng)前氣候變化的大背景下，探索既能減少農(nóng)田GHGs釋放又能保產(chǎn)的農(nóng)藝措施對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義。

本文綜述了當(dāng)前主流的氣候變化模型，分析了農(nóng)田GHGs的主要釋放機(jī)理，進(jìn)而總結(jié)了在氣候變化的背景下(尤其是T和大氣CO2濃度變化)對農(nóng)田GHGs釋放的影響機(jī)理及相關(guān)模擬的研究進(jìn)展，以期得到最佳的農(nóng)藝措施和最少的農(nóng)田GHGs釋放的目的。

1 氣候變化

氣候變化是指氣候平均狀態(tài)統(tǒng)計學(xué)意義上的巨大改變或者持續(xù)較長一段時間的氣候變動。氣候變化的原因有自然進(jìn)程、外部強(qiáng)迫和人類活動。其中，人類活動導(dǎo)致的未來氣候變化情景設(shè)計一直是政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的主要工作之一。2000年IPCC在《排放情景特別報告》中定義了一套新的排放情景(SRES)，然而SRES情景并沒有考慮應(yīng)對氣候變化的各種政策對未來排放的影響。因此，為協(xié)調(diào)不同科學(xué)研究機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊的相關(guān)研究工作，在最新的第五次評估報告中開發(fā)了以穩(wěn)定濃度為特征的新情景，并將其應(yīng)用到氣候模式、影響、適應(yīng)和減緩等各種預(yù)估中[8]。

新情景的開發(fā)分為以下3個階段：初始階段，開發(fā)一套輻射強(qiáng)迫和GHGs釋放濃度的路徑；平行階段，開發(fā)符合社會經(jīng)濟(jì)的氣候模型；整合階段，將第一階段的信息整合到整體，進(jìn)行影響和脆弱性評估。在第1階段開發(fā)的路徑稱為代表性濃度路徑(RCPs)，其不同路徑特點(diǎn)見表1[8]。這些數(shù)據(jù)為綜合評估模型提供了重要參考，同時在利用氣候模型的試驗中發(fā)揮了重要作用，為緩解氣候變化造成的農(nóng)田GHGs釋放問題提供了替代途徑和解決辦法。

表1 不同RCPs路徑的特點(diǎn)

2 農(nóng)田GHGs的釋放機(jī)理

圖1 農(nóng)業(yè)GHGs釋放機(jī)理

3 氣候變化對農(nóng)田GHGs的影響

3.1 氣候變化對農(nóng)田GHGs釋放的影響機(jī)理

農(nóng)田CO2釋放大多來自微生物的異養(yǎng)呼吸，N2O釋放直接或間接來自土壤。土壤微生物是許多生物化學(xué)過程的關(guān)鍵驅(qū)動力，相當(dāng)一部分微生物都表現(xiàn)出對溫度的敏感性。當(dāng)溫度升高時，微生物的呼吸速率、C礦化程度、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性增強(qiáng)，CO2、N2O釋放量隨之增加[7,15]。此外，溫度升高還會加劇作物的水分脅迫導(dǎo)致產(chǎn)量降低，此時N2O釋放量會隨N利用率降低而升高[16]。溫度升高往往還伴隨著降雨量的再分配[17]，從而刺激反硝化作用影響N2O釋放[15]。當(dāng)大氣CO2濃度升高時，更容易被分解的作物根系分泌物導(dǎo)致土壤中微生物活性增強(qiáng)，硝化作用和反硝化作用速率提高，也使得N2O釋放量增加[18]。

水田是農(nóng)田CH4的主要釋放源[4]。其厭氧條件為產(chǎn)甲烷菌提供了適宜的生長環(huán)境，有機(jī)物在產(chǎn)甲烷菌的作用下分解形成CH4釋放到大氣中。當(dāng)溫度升高時，土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率和產(chǎn)甲烷菌的活性增強(qiáng)[19]。CO2和CH4都與C循環(huán)有關(guān)，大氣CO2濃度升高可為CH4的產(chǎn)生提供充足的代謝基質(zhì)，使得CH4釋放量增加[20]。

3.2 氣候變化條件下農(nóng)田GHGs釋放的模擬研究

模擬氣候變化對農(nóng)田GHGs釋放的影響需要綜合考慮不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物理、生物和化學(xué)過程，精確模擬農(nóng)田GHGs對氣候變化的反應(yīng)[21,22]。當(dāng)前，模擬氣候變化下農(nóng)田GHGs釋放的主流農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模型有DNDC、RZWQM2、DAYCENT等。模擬農(nóng)田GHGs釋放的步驟比較固定，利用氣候模型產(chǎn)生的氣象數(shù)據(jù)(如溫度、短波輻射、相對濕度等)導(dǎo)入到農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模型中，根據(jù)農(nóng)藝措施選擇作物品種、種植方式、施肥量等，模擬結(jié)果需同時滿足校核和驗證的統(tǒng)計學(xué)參數(shù)要求。

Yu等[23]通過DNDC模型模擬了中國新疆的棉花種植。利用1986—2005年和3種2016—2035年(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)的氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，大氣CO2濃度分別為370ppm、437ppm、448ppm、468ppm。比較了在有無覆膜條件下溫度以及大氣CO2濃度變化對N2O釋放和產(chǎn)量的影響。模擬發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，硝化菌和反硝化菌的活性隨之增強(qiáng)，N2O釋放量增加。但溫度升高也加劇了作物水分脅迫的產(chǎn)生使得產(chǎn)量減少，此時產(chǎn)量隨降雨量的增加而增加。在比較不同氣候條件下覆膜的影響時，發(fā)現(xiàn)覆膜能夠促進(jìn)了棉花根系對N的吸收使得產(chǎn)量增加，同時N2O釋放量減少了12.83～63.74kg·hm-2。

Nie等[19]通過DNDC模型模擬了中國東北的水稻種植。利用5種全球氣候模型和2種RCPs(RCP4.5和RCP8.5)組合生成氣候數(shù)據(jù)。模擬發(fā)現(xiàn)，1960—2015年CH4釋放量為98.27～215.94kg·hm-2，在RCP4.5和RCP8.5情況下分別為160.00～318.68kg·hm-2和167.15～442.07kg·hm-2。為了進(jìn)一步分析大氣CO2濃度和氣候變化的影響，將氣候數(shù)據(jù)分為以下4組：不改變CO2濃度和溫度；僅改變CO2濃度(CO2only)；僅改變溫度(T only)；同時改變CO2濃度和溫度(CO2+T)。模擬發(fā)現(xiàn)，同第1組相比，CH4釋放量分別增加了13.74%、16.31%和32.78%；這是因為溫度升高加快了土壤有機(jī)質(zhì)的分解和產(chǎn)甲烷菌的活動，大氣中CO2濃度增加為CH4的產(chǎn)生提供了更多的代謝基質(zhì)。

Minamikawa等[24]通過DNDC模型模擬了泰國的水稻種植。利用7種全球氣候模型和4種RCPs(RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5)組合生成氣候數(shù)據(jù)。比較3種灌溉方式(持續(xù)灌水；每月為1周期，灌水20d后排水10d；每周為1周期，灌水3d后排水4d)下氣候變化對CH4釋放的影響。模擬發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)灌水的灌溉方式下，2051—2060年在4種RCPs下CH4釋放量分別比2001—2010年多5.3%～7.8%、9.6%～16.0%、7.3%～18.0%和13.6%～19.0%。其中，以月為周期和以周為周期的頻率灌溉方式下CH4釋放量分別比2001—2010年減少了21.9%～22.9%和53.5%～55.2%。產(chǎn)甲烷菌是專性厭氧菌，水稻田中干濕交替灌溉頻率增加破壞了厭氧環(huán)境，使得CH4釋放量大幅度減少。為具體分析大氣CO2濃度和氣候變化的影響，T only、CO2only、CO2+T時釋放量分別增加了1.3%、12.7%和12.5%。這是因為CH4和CO2都與C循環(huán)有關(guān)，CH4釋放量與CO2濃度呈正相關(guān)。此外，溫度升高使得土壤有機(jī)C分解和C礦化增強(qiáng)，導(dǎo)致CH4釋放量增加。

Jiang等[7]通過RZWQM2模型模擬了加拿大魁北克省南部的玉米、大豆輪流種植。利用11種耦合的全球氣候模型和區(qū)域氣候模型生成氣候數(shù)據(jù)，整理發(fā)現(xiàn)，2038—2070年的最低溫度、最高溫度、大氣CO2濃度分別比1971—2000年高5.0℃、13.3℃、204ppm。模擬發(fā)現(xiàn)，由于溫度升高導(dǎo)致玉米灌漿期變短使產(chǎn)量下降7%，而大豆屬于C3作物，對CO2濃度變化更為敏感，產(chǎn)量增加了31%。在氣候變化下農(nóng)田CO2和N2O的釋放量分別增加15.7%和20.8%。為具體分析T及大氣CO2濃度變化造成的影響，當(dāng)T only時，微生物呼吸速率、C礦化作用、硝化作用、反硝化作用增強(qiáng)，使得CO2、N2O排放量分別增加1.9%和9%。當(dāng)CO2only時，作物殘留物累積量增加使得土壤C、N礦化以及根系分泌物的分解加快導(dǎo)致土壤微生物活性增強(qiáng)，CO2、N2O釋放量分別增加15%、13%。在模擬其他氣候變化(如降雨量、太陽輻射、相對濕度、風(fēng)速)的影響時，農(nóng)田GHGs釋放量的變化范圍均在2%以內(nèi)。

Rafique等[25]通過DAYCENT模型模擬了美國艾奧瓦州的玉米和大豆種植。模擬時以2003年的實測氣候數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)大氣環(huán)流模型預(yù)測，未來地球溫度升高會伴隨著降雨量的變化。其中，氣溫升高2℃加旱季40%的降水重新分配到雨季較為合理。模擬發(fā)現(xiàn)，N2O、CO2釋放量分別減少9%和38%，而CH4釋放量增加10%。這是因為溫度和干旱極端事件的增加會影響土壤生物活性，降低細(xì)菌的分解能力，最終導(dǎo)致生物量減少和土壤肥力降低，使得N2O釋放量隨之減少。CH4和CO2都與C循環(huán)動力學(xué)直接相關(guān)，CO2釋放量減少是由于免耕條件下土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，而溫度升高加速土壤有機(jī)質(zhì)分解，導(dǎo)致CH4釋放量增加。

此外，還有學(xué)者在模擬農(nóng)田GHGs釋放時考慮了施肥量、排水方式、耕作方式[26,27]等農(nóng)藝措施對農(nóng)田GHGs釋放的影響，發(fā)現(xiàn)這些措施會通過改變土壤的pH值、含水量、有機(jī)物殘留量等進(jìn)而影響農(nóng)田GHGs釋放。因此在探索減少農(nóng)田GHGs釋放的最佳農(nóng)藝措施時需要綜合各種因素的影響。

4 結(jié)論

本文綜述了農(nóng)田GHGs釋放機(jī)理、氣候變化對不同類型農(nóng)田GHGs釋放的影響及其模擬研究，比較了不同農(nóng)藝措施對減少農(nóng)田GHGs釋放的影響，研究成果可為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供參考。主要結(jié)論如下。

在氣候變化背景下，影響農(nóng)田GHGs釋放最重要的因子是大氣CO2濃度和T，其他氣候因子對其釋放量影響相對較小，如降雨量、太陽輻射、相對濕度、風(fēng)速等。

通常條件下，大氣CO2濃度和T升高都會導(dǎo)致農(nóng)田GHGs釋放量增加。主要是因為當(dāng)T升高時，微生物呼吸作用、活性以及土壤有機(jī)質(zhì)分解速率增強(qiáng)，礦化程度提高；當(dāng)大氣CO2濃度升高時，代謝基質(zhì)、作物殘留物累積量增加，土壤微生物活性增強(qiáng)。

在氣候變化背景下，管理者可以通過改變農(nóng)藝措施(如覆膜、增加干濕交替灌溉頻率、減少施肥、優(yōu)化排水方式、改變耕作方式等)以減少農(nóng)田GHGs的釋放量。