土壤生态学课件 第十章 土壤生态系统与全球气候变化

第十章土壤生态系统与全球气候变化引言第一节土壤生态系统中环境气体的特点、产生和转移途径第二节影响环境气体排放的因素第三节土壤生态系统环境气体排放的调控引言大气化学组成影响太阳辐射和地球热辐射的传输、吸收和反射；占大气99%的氮气和氧气既不吸收也不发射热量大气中组分不足1%的水汽、二氧化碳和微量气体则吸收地球热辐射，确保地球的热平衡。所有这些微量气体背称为温室气体。与土壤生态系统关联的温室气体种类很多，由CO2、CO、CH4、N2O、NOx、NH3、H2S和有机硫等第一节土壤生态系统中环境气体的特点、产生和转移途径一、土壤生态系统中碳氮储量1、土壤生态系统中碳储量全球碳库由三部分构成：大气中二氧化碳和甲烷、陆地生态系统中碳和海洋中碳。海洋总量达39000Gt、大气最少750Gt，陆地中光土壤生态系统有2500Gt。不同类型土壤有机碳含量差异：见表不同地区土壤中有机碳含量差异：见表2、土壤生态系统中氮的储量空气中的氮气不能背生物直接利用，必须转化微氨、亚硝酸态及硝酸态才能为植物所吸收。大气中氮被固定有三种方式：自然界中的光电化学反应，如雷电作用将氮分子固定为硝酸；人工合成氮肥；生物固氮作用二、土壤中环境气体产生和氧化1、甲烷产生和氧化（1）甲烷产生机理：甲烷是在厌氧条件下产甲烷菌作用于产甲烷基质的结果；产甲烷反应的临界氧化还原电位为-150mV，并且产生甲烷量随氧化还原电位降低而增加。基质在产甲烷菌的作用下被转化为甲烷，目前已知途径有二：一是专性矿质营养产甲烷菌的参与下，以H2作为电子供体还原CO2或直接利用HCOOH和CO形成甲烷，反应式为：CO2+4H2CH4+2H2O4HCOOHCH4+3CO2+2H2OCO+2H2OCH4+3CO2二是在甲基营养产甲烷菌的参与下，对含有甲基的化合物进行脱甲基作用，基质主要是乙酸，因为乙酸是有机物厌氧分解的主要中间产物，反应式CH3COO—+2H2OCH4+3HCO3-（2）甲烷氧化土壤中甲烷的氧化既可以发生在非淹水土壤，例如林地、旱地、沙漠、雪地等，也可发生在湿地，例如沼泽、水稻田等。前者主要氧化大气中的甲烷，以降低大气中甲烷的浓度，后者主要氧化湿地的内源甲烷，以减少向大气排放。详细机理很复杂，略去N2O的产生土壤中四条途径产生N2O：硝化作用、反硝化作用、硝态氮异化还原铵作用和化学反硝化作用三、土壤中环境气体向大气转移的途径土壤中产生的甲烷、二氧化碳和N2O主要通过三种途径进入大气：扩散、气泡和植物传输，以甲烷为例说明：1、气或液相扩散土壤向大气层甲烷浓度降低，形成梯度，以浓度差形式从下向上扩散，此方式排放的比例较小2、气泡当水箱中气泡分压达到一定程度时就会上浮，逸出水面、进入大气3、植物传输；在有通气组织的植物存在时，甲烷通过植物的释放速率是通过水相扩散的10000倍，土壤中的甲烷大约90%通过植株的通气组织排放到大气中。四、土壤与大气之间环境气体的交换1、二氧化碳碳在大气、海洋与土壤之间在生物光合作用驱动下进行循环。土壤库量的较小波动都将直接影响大气中二氧化碳浓度。土壤中有机碳的积累和分解量影响着全球碳循环，而外界条件的变化强烈地影响着土壤中微生物对有机碳的分解2、甲烷由于湿地甲烷排放存在明显的时空变化和缺乏地带性的变化规律，在排放总量估算上有着很大的不确定性目前估算主要有两种方法：依据该类型湿地野外实测的甲烷排放量及所代表的面积进行计算建立相关的数据模型，运用相关参数进行计算3、N2O每年输入大气N2O量大约17.7Tg，明显高于N2O输出量，导致大气中N2O含量增加；来源主要有人为和自然第二节影响环境气体排放的因素一、二氧化碳排放的影响因素1、土地利用方式当森林遭到砍伐后影响碳的循环：A、降低了植物对大气二氧化碳的固定；B、有机碳通过燃烧排入大气；C、加速土壤中有机碳的分解、释放进入大气。2、施肥磷肥的施用没有加速枯枝落叶的分解；氮肥施用对土壤中有机碳的影响不大，主要加速土壤轻组有机碳的分解，但促进了土壤有机-矿质复合体形成，提高了有机碳的含量。因此施用氮肥促进了林地对大气二氧化碳的固定3、土壤性质一般土壤愈酸，有机质的溶解和分散性降低，使得微生物与有机物之间的接触降低，不利于有机质分解，残留就愈多。一般来说土壤有机碳的残留量随粘粒含量增加而增大；但对石灰性潮土和热带土壤则异常。4、水分状况土壤中分解有机物的微生物种类及其活性同水分状况密切相关。一般好氧条件下一种微生物可以直接把有机物转化为二氧化碳，而厌氧条件下需要一系列微生物来接力完成。因此好氧环境中有机物分解速率远快于厌氧环境5、温度土壤中微生物活性发挥最佳的温度是35度。有机物质随土壤温度生高分解速率也提高。二、甲烷排放的影响因素1、地表水状况地表水位决定了湿地的类型及其植物种类，水位波动可使湿地由产生甲烷环境边为氧化甲烷环境。因此水位对湿地牌坊甲烷影响强烈，水位越低，湿地甲烷产生和排放就越少。2、植物植物在甲烷排放过程中，起着提供基质及传输甲烷和氧气的双重作用。当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。芦苇沼泽排放甲烷量是泥炭藓沼泽的6—12倍。3、温度甲烷排放与温度有关。产甲烷菌比甲烷氧化菌对温度更有依赖性。所以甲烷排放量随温度升高而增加。4、土壤性质土壤水分状况影响产甲烷菌生存和功能发挥的环境土壤酸碱性也影响产甲烷菌，进而影响甲烷的产生和排放土壤越粘，甲烷在土壤中排出的越多5、氮素在泥炭土中加入氮，显著提高了甲烷的产生。氮可促进植物生长，促进有机碳的分解，还可抑制甲烷的氧化，从而增加甲烷的排放三、大气甲烷演化的影响因素1、土地利用方式土壤吸收大气甲烷的能力是：林地草地农田。土地利用方式极大影响土壤对大气的氧化。当天然草地开垦种玉米和土豆后，土壤对大气甲烷的氧化能力分别下降了41—56%和42%。2、土壤水分甲烷的氧化率与土壤湿度呈负相关3、温度好氧土壤中甲烷氧化率随温度升高而逐渐增加，甲烷氧化率与土壤温度呈极显著正相关4、氮素氮肥施用提高了氨氧化菌的活性，优势菌大量需氧，从而限制甲烷氧化菌的繁殖和功能发挥四、N2O排放的影响因素1、土壤氮含量和氮肥施用铵根离子肥料施用后出现2个N2O排放峰，即硝化作用产生的排放峰和随后的反硝化作用产生的排放峰土壤中硝酸根离子具有抑制或延缓N2O还原为N2，，因此反硝化作用产生的N2O/N2比例随着硝酸根离子含量增加而提高2、土壤通气状况影响硝化与反硝化过程，也影响气体排放到大气中的速度3、土壤水分状况土壤水分影响土壤中微生物，进而影响N2O的产生；土壤水分影响通气性，影响硝化或反硝化作用，影响气体的产生以及排到大气中的难易土壤空隙灌水会迫使N2O进入大气4、土壤性质N2O的排放量随土壤质地而变化。质地影响通气性土壤酸碱性影响微生物或细菌的作用，从而影响N2O的产生和排放5、耕作方式耕作翻动提高土壤通气性，减缓水分蒸发，增加土壤微生物与作物残体之间的接触6、外源有机物有机物料输入土壤激活了好氧环境中微生物的活性，加速土壤空气中氧气的消耗，减弱了自养消化作用；由于通气性能的降低使得土壤产生更多的N2O7、土壤温度土壤中硝化作用最佳温度是25—35度；反硝化作用最佳温度是30—67度第三节土壤生态系统环境气体排放的调控减少土壤向大气排放是抑制大气中环境气体浓度升高的有效举措。减少水田和自然湿地面积和氮肥施用湿减缓甲烷和N2O排放最简单而有效的方法一、甲烷排放的减缓措施1、水分管理通过水分管理，提高土壤通气性来减少甲烷产生水田烤田可减少甲烷产生，氮可引起N2O排放增加。因此烤田的时间和程度要把握2、有机肥施用减少有机肥施用量降低甲烷产生。但有机肥又必须施用有机肥堆制后施用或施用在前茬旱作上都能减少与降低甲烷产生和排放，同时也不影响土壤培肥3、冬水田的科学管理我国稻田排放的甲烷中60%来自冬水稻田可以冬水田冬季排水和垄作减少甲烷排放4、水稻品种的选择最好的水稻品种是产量高、品质好，但传输甲烷和分泌有机物能力低，分泌氧的能力强。二、N2O排放的减缓措施1、氮肥品种不同氮肥品种中氮转化为N2O的数量存在很大的差异，选择使用N2O转化系数小的尿素和控释肥料作为氮肥可有效减少N2O的排放2、氮肥用量和使用时间按照作物需肥规律适时适量使用提高了肥料的利用率，又减少氮肥转化为N2O的数量；由于旱地土壤降水或灌溉后常伴有较高的N2O的排放，因此应该避免在雨天前后或灌溉前后施用氮肥3、硝化抑制剂当使用铵态氮肥，同时施用硝化抑制剂可有效阻止硝化作用的进行，从而有效减少N2O的产生和排放4、田面管理尽可能使土壤长期为作物覆盖而不是裸露，既减少氮素淋溶损失，又降低了反硝化作用谢谢大家！本课程讲述部分到此结束！思考作业题1、如何理解土壤生态系统和土壤生态学的含义及研究领域2、如何理解土壤生态系统的物质流和能量流3、如何理解土壤生态地带与地理环境自然带之间的关系4、如何理解土壤退化和土壤污染问题？以及当今关于恢复与重建的热点领域5、论述维护土壤生态系统与循环经济和可持续农业开展之间的相互关系、维护土壤生态系统的措施6、论述世界气温上升的原因，并讨论气温上升会引起怎样的全球性的后果要求：1、2、3选择一题做；2、3、4选择两题做