土壤生態(tài)學課件 第十章 土壤生態(tài)系統(tǒng)與全球氣候變化

1、l引言l第一節(jié) 土壤生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境氣體的特點、產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移途徑l第二節(jié) 影響環(huán)境氣體排放的因素l第三節(jié)土壤生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境氣體排放的調(diào)控l大氣化學組成影響太陽輻射和地球熱輻射的傳輸、吸收和反射；l占大氣99%的氮氣和氧氣既不吸收也不發(fā)射熱量l大氣中組分不足1%的水汽、二氧化碳和微量氣體則吸收地球熱輻射，確保地球的熱平衡。所有這些微量氣體背稱為溫室氣體。l與土壤生態(tài)系統(tǒng)關聯(lián)的溫室氣體種類很多，由CO2、CO、CH4、N2O、NOx、NH3、H2S 和有機硫等l一、土壤生態(tài)系統(tǒng)中碳氮儲量l1、土壤生態(tài)系統(tǒng)中碳儲量l全球碳庫由三部分構(gòu)成：大氣中二氧化碳和甲烷、陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳和海洋中碳。海洋總量達39 0

2、00Gt、大氣最少750Gt，陸地中光土壤生態(tài)系統(tǒng)有2500Gt。l不同類型土壤有機碳含量差異：見表l不同地區(qū)土壤中有機碳含量差異：見表l空氣中的氮氣不能背生物直接利用，必須轉(zhuǎn)化微氨、亞硝酸態(tài)及硝酸態(tài)才能為植物所吸收。l大氣中氮被固定有三種方式：l自然界中的光電化學反應，如雷電作用將氮分子固定為硝酸；l人工合成氮肥；l生物固氮作用l1、甲烷產(chǎn)生和氧化l（1）甲烷產(chǎn)生機理：l甲烷是在厭氧條件下產(chǎn)甲烷菌作用于產(chǎn)甲烷基質(zhì)的結(jié)果；l產(chǎn)甲烷反應的臨界氧化還原電位為-150mV，并且產(chǎn)生甲烷量隨氧化還原電位降低而增加。l基質(zhì)在產(chǎn)甲烷菌的作用下被轉(zhuǎn)化為甲烷，目前已知途徑有二：l一是專性礦質(zhì)營養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的參與

3、下，以H2作為電子供體還原CO2或直接利用HCOOH和CO形成甲烷，反應式為：lCO2 + 4 H2 CH4 + 2H2Ol4 HCOOH CH4 + 3 CO2 + 2H2OlCO + 2H2O CH4 + 3 CO2 l二是在甲基營養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的參與下，對含有甲基的化合物進行脫甲基作用，基質(zhì)主要是乙酸，因為乙酸是有機物厭氧分解的主要中間產(chǎn)物，反應式lCH3COO + 2H2O CH4 + 3 HCO3- l（2）甲烷氧化l土壤中甲烷的氧化既可以發(fā)生在非淹水土壤，例如林地、旱地、沙漠、雪地等，也可發(fā)生在濕地，例如沼澤、水稻田等。前者主要氧化大氣中的甲烷，以降低大氣中甲烷的濃度，后者主要氧化濕地

4、的內(nèi)源甲烷，以減少向大氣排放。l詳細機理很復雜，略去l土壤中四條途徑產(chǎn)生N2O：硝化作用、反硝化作用、硝態(tài)氮異化還原銨作用和化學反硝化作用l土壤中產(chǎn)生的甲烷、二氧化碳和N2O主要通過三種途徑進入大氣：擴散、氣泡和植物傳輸，以甲烷為例說明：l1、氣或液相擴散l土壤向大氣層甲烷濃度降低，形成梯度，以濃度差形式從下向上擴散，此方式排放的比例較小l2、氣泡l當水箱中氣泡分壓達到一定程度時就會上浮，逸出水面、進入大氣l3、植物傳輸；l在有通氣組織的植物存在時，甲烷通過植物的釋放速率是通過水相擴散的10 000倍，土壤中的甲烷大約90%通過植株的通氣組織排放到大氣中。l1、二氧化碳l碳在大氣、海洋 與土壤

5、之間在生物光合作用驅(qū)動下進行循環(huán)。l土壤庫量的較小波動都將直接影響大氣中二氧化碳濃度。l土壤中有機碳的積累和分解量影響著全球碳循環(huán)，而外界條件的變化強烈地影響著土壤中微生物對有機碳的分解l由于濕地甲烷排放存在明顯的時空變化和缺乏地帶性的變化規(guī)律，在排放總量估算上有著很大的不確定性l目前估算主要有兩種方法：l依據(jù)該類型濕地野外實測的甲烷排放量及所代表的面積進行計算l建立相關的數(shù)據(jù)模型，運用相關參數(shù)進行計算l每年輸入大氣N2O量大約17.7Tg，明顯高于N2O輸出量，導致大氣中N2O含量增加；來源主要有人為和自然l一、二氧化碳排放的影響因素l1、土地利用方式l當森林遭到砍伐后影響碳的循環(huán)：A、降低

6、了植物對大氣二氧化碳的固定；B、有機碳通過燃燒排入大氣；C、加速土壤中有機碳的分解、釋放進入大氣。l磷肥的施用沒有加速枯枝落葉的分解；l氮肥施用對土壤中有機碳的影響不大，主要加速土壤輕組有機碳的分解，但促進了土壤有機-礦質(zhì)復合體形成，提高了有機碳的含量。因此施用氮肥促進了林地對大氣二氧化碳的固定l一般土壤愈酸，有機質(zhì)的溶解和分散性降低，使得微生物與有機物之間的接觸降低，不利于有機質(zhì)分解，殘留就愈多。l一般來說土壤有機碳的殘留量隨粘粒含量增加而增大；l但對石灰性潮土和熱帶土壤則異常。l土壤中分解有機物的微生物種類及其活性同水分狀況密切相關。l一般好氧條件下一種微生物可以直接把有機物轉(zhuǎn)化為二氧化碳

7、，而厭氧條件下需要一系列微生物來接力完成。l因此好氧環(huán)境中有機物分解速率遠快于厭氧環(huán)境l土壤中微生物活性發(fā)揮最佳的溫度是35度。有機物質(zhì)隨土壤溫度生高分解速率也提高。l1、地表水狀況l地表水位決定了濕地的類型及其植物種類，水位波動可使?jié)竦赜僧a(chǎn)生甲烷環(huán)境邊為氧化甲烷環(huán)境。l因此水位對濕地牌坊甲烷影響強烈，水位越低，濕地甲烷產(chǎn)生和排放就越少。l2、植物l植物在甲烷排放過程中，起著提供基質(zhì)及傳輸甲烷和氧氣的雙重作用。l當季植物提供的甲烷碳一般占生物量的3%7%，生物量越高，甲烷排放量就越多。l蘆葦沼澤排放甲烷量是泥炭蘚沼澤的612倍。l3、溫度l甲烷排放與溫度有關。產(chǎn)甲烷菌比甲烷氧化菌對溫度更有依賴

8、性。所以甲烷排放量隨溫度升高而增加。l4、土壤性質(zhì)l土壤水分狀況影響產(chǎn)甲烷菌生存和功能發(fā)揮的環(huán)境l土壤酸堿性也影響產(chǎn)甲烷菌，進而影響甲烷的產(chǎn)生和排放l土壤越粘，甲烷在土壤中排出的越多l(xiāng)5、氮素l在泥炭土中加入氮，顯著提高了甲烷的產(chǎn)生。l氮可促進植物生長，促進有機碳的分解，還可抑制甲烷的氧化，從而增加甲烷的排放l1、土地利用方式l土壤吸收大氣甲烷的能力是：林地 草地 農(nóng)田。l土地利用方式極大影響土壤對大氣的氧化。當天然草地開墾種玉米和土豆后，土壤對大氣甲烷的氧化能力分別下降了4156%和42%。l2、土壤水分l甲烷的氧化率與土壤濕度呈負相關l3、溫度l好氧土壤中甲烷氧化率隨溫度升高而逐漸增加，甲

9、烷氧化率與土壤溫度呈極顯著正相關l4、氮素l氮肥施用提高了氨氧化菌的活性，優(yōu)勢菌大量需氧，從而限制甲烷氧化菌的繁殖和功能發(fā)揮l1、土壤氮含量和氮肥施用l銨根離子肥料施用后出現(xiàn)2個N2O排放峰，即硝化作用產(chǎn)生的排放峰和隨后的反硝化作用產(chǎn)生的排放峰l土壤中硝酸根離子具有抑制或延緩N2O還原為N2，因此反硝化作用產(chǎn)生的N2O/ N2比例隨著硝酸根離子含量增加而提高l2、土壤通氣狀況l影響硝化與反硝化過程，也影響氣體排放到大氣中的速度l3、土壤水分狀況l土壤水分影響土壤中微生物，進而影響N2O的產(chǎn)生；l土壤水分影響通氣性，影響硝化或反硝化作用，影響氣體的產(chǎn)生以及排到大氣中的難易l土壤空隙灌水會迫使N2

10、O進入大氣l4、土壤性質(zhì)lN2O的排放量隨土壤質(zhì)地而變化。質(zhì)地影響通氣性l土壤酸堿性影響微生物或細菌的作用，從而影響N2O的產(chǎn)生和排放l5、耕作方式l耕作翻動提高土壤通氣性，減緩水分蒸發(fā)，增加土壤微生物與作物殘體之間的接觸l6、外源有機物l有機物料輸入土壤激活了好氧環(huán)境中微生物的活性，加速土壤空氣中氧氣的消耗，減弱了自養(yǎng)消化作用；l由于通氣性能的降低使得土壤產(chǎn)生更多的N2Ol7、土壤溫度l土壤中硝化作用最佳溫度是2535度；l反硝化作用最佳溫度是3067度l減少土壤向大氣排放是抑制大氣中環(huán)境氣體濃度升高的有效舉措。l減少水田和自然濕地面積和氮肥施用濕減緩甲烷和N2O排放最簡單而有效的方法l1、

11、水分管理l通過水分管理，提高土壤通氣性來減少甲烷產(chǎn)生l水田烤田可減少甲烷產(chǎn)生，氮可引起N2O排放增加。因此烤田的時間和程度要把握l2、有機肥施用l減少有機肥施用量降低甲烷產(chǎn)生。但有機肥又必須施用l有機肥堆制后施用或施用在前茬旱作上都能減少與降低甲烷產(chǎn)生和排放，同時也不影響土壤培肥l3、冬水田的科學管理l我國稻田排放的甲烷中60%來自冬水稻田l可以冬水田冬季排水和壟作減少甲烷排放l4、水稻品種的選擇l最好的水稻品種是產(chǎn)量高、品質(zhì)好，但傳輸甲烷和分泌有機物能力低，分泌氧的能力強。l1、氮肥品種l不同氮肥品種中氮轉(zhuǎn)化為N2O的數(shù)量存在很大的差異，選擇使用N2O轉(zhuǎn)化系數(shù)小的尿素和控釋肥料作為氮肥可有效減少N2O的排放l2、氮肥用量和使用時間l按照作物需肥規(guī)律適時適量使用提高了肥料的利用率，又減少氮肥轉(zhuǎn)化為N2O的數(shù)量；由于旱地土壤降水或灌溉后常伴有較高的N2O的排放，因此應該避免在雨天前后或灌溉前后施用氮肥l3、硝化抑制劑l當使用銨態(tài)氮肥，同時施用硝化抑制劑可有效阻止硝化作用的進行，從而有效減少N2O的產(chǎn)生和排放l4、田面管理l盡可能使土壤長期為作物覆蓋而不是裸露，既減少氮素淋溶損失，又降低了反硝化作用l本課程講述部分到此結(jié)束！l1、如何理解土壤生態(tài)系統(tǒng)和土壤生態(tài)學的含義及研究領域