不同施肥模式下稻田CH4气体排放观测研究开题报告

1.选题意义

农业生产是人类生产生活中最重要的一部分，是人类生存发展的基本保障。农业发展的同时，也成为了温室气体的主要排放源之一。据估计，农业温室气体占全球总温室气体排放的13.5，CH₄是其中最重要的温室气体之一。IPCC第五次报告指出，截止到2011年大气中CH₄的浓度已达到1803ppb，相较于工业革命时期的浓度水平，增长了150^[1]。大气中每年有15~30的CH₄来源于土壤，农田生态系统作为陆地生态系统的主要组成部分，是农业生产温室气体的重要排放源,对温室气体总排放的贡献率大约是20^[2]。中国是人口众多的农业大国，拥有1.21亿的耕地。水稻和小麦是我国的主要粮食生产方式。其中稻田面积高达2.29亿公顷，占全国粮食作物种植面积的四分之一，产量占总产量的一半以上^[3]。而稻田表面的掩水层为CH₄的产生和排放提供了良好的厌氧环境^[4]。因此，准确测定及评估农田系统中CH₄的排放特征对于减少温室气体排放具有指导意义。

2.国内外研究状况

2.1农田甲烷的产生和排放：

一般来说生态系统中CH₄产生有两种途径一种是复杂有机物在细菌作用下产生某种简单有机酸，这种有机酸直接被产CH₄细菌利用产生CH₄,或有机酸进一步降解生成CO₂和H₂, CO₂和H₂在产CH₄菌作用下生成CH₄;另一种是复杂有机物在细菌作用下不经过产酸过程直接产生CO₂和H₂，二者通过产甲烷菌作用生成CH₄^[5]。由于甲烷是在厌氧条件下产生的，所以产生甲烷的土壤主要有沼泽、较浅的水体、湿地水稻田。稻田甲烷排放量约在40-60 Tg / y，是主要排放源之一^[6]。通常由于水稻田长期处于淹水状态，土壤中形成了一个还原性厌氧环境，利于产甲烷菌和其它一些厌氧细菌繁殖，分解土壤中的有机物而产生CH₄。土壤中产生的CH₄并不会全部排放到大气中,其中有一部分在土壤或水层中被氧化,所以单位面积稻田的CH₄排放率不仅取决于土壤中CH₄的产生速率,还取决于排放路径的通畅程度,是其产生、氧化和传输共同作用的结果^[7]。

2.2不同农田生产方式对甲烷温室气体产生的影响：

通过对农田生态系统的温室气体排放研究发现，土壤的养分状况、农作物残茬量及组分、温度、农业管理措施、施肥制度（用量、类型及方式）及农田水分管理状况等均会影响。农田生态系统的CH₄排放通量，进而影响对农田生态系统温室效应的评估。例如，降水能改变农业土壤水分状态,雨水中溶解氧还可提高土壤氧化还原电位,改变供给状况,从而影响的排放。郑循华等的大田观测表明,春季和秋季麦田的排放与降雨量呈明显正相关,但水稻田和冬季麦田的不受降雨影响^[8]；另研究了不连续灌溉条件下不同施肥处理对稻田CH4排放的影响，发现与对照相比，施用硫铵或尿素后CH₄排量降低^[9]；另外，CH₄排放主要发生在淹水期。前期研究发现常规移栽稻田多种肥料的综合施用都不同程度地加剧水稻生长季和排放的综合温室效应，尤其是常规尿素和脲曱醛施用下的增温效应最为明显。另外，Fe(III)肥料施用能降低稻麦轮作系统中包括CO₂、CH₄及N₂O的净综合温室效应和温室气体排放强度^[10]。

2.3不同农田管理模式影响甲烷排放的微生物学机制研究概述

近年来，国内外学者对农田生态系统温室气体的排放特征研究较多，也得到了较为合理的排放估算模型，并在田间原位观测数据的基础上，开始深入解析产生甲烷等温室气体的微生物学驱动机制，目前，国内外学者通过各种手段初步揭示了涉及该过程的功能基因及其微生物类群的动态变化，并取得了一定进展。研究表明对土壤施用不同的无机有机肥料，结果显示无论是有机肥料还是无机肥料都可以在一定程度上影响土壤微生物的生长发育，但是有机肥的影响比无机肥的要大。

李秀英等（2005）在施肥对褐潮土土壤肥力和微生物的影响中指出，单施化肥与不施肥处理比较，土壤微生物数量较低；无机有机肥配施可显著提高土壤微生物数量，且效果优于单施无机肥处理，同时也可改善微生物特性、提高土壤肥力。另有研究等也得出类似的结论，对耕作土壤合理施用有机肥或有机无机配施能够增加土壤微生物生长繁殖活性，从而提高土壤中细菌、真菌等微生物数量^[11]；运用传统微生物培养法以及分子生物学方法研究施肥对微生物多样性影响时指出，施用磷肥能增加土壤微生物数量和多样性^[12]；氮磷肥配施也能提高微生物数量和多样性；施用钾肥对微生物的特性影响不明显；张平究等（2004）利用分子技术研究了施肥对水稻土壤微生物群落结构的影响，结果显示单施无机肥与无肥处理土壤微生物群落结构相似，氮磷钾配施稻秆的处理与氮磷钾配施有机猪粪处理土壤微生物群落结构相似。研究表明水稻微生态系统下不同氮素处理（尿素、硫铵及对照）对甲烷氧化菌多样性及群落结构的影响，发现尽管各处理间甲烷氧化速率相差不大，但硫铵显著抑制了产甲烷菌的活性，从而相对影响了甲烷氧化菌的生境^[13]。对pmoA基因的T-RFLP分析表明在氮肥（尿素）施用的根际环境中I型产甲烷菌占主导地位并发挥功能，而在相对逆境的环境，如硫铵处理的环境中则以II型产甲烷菌为主。研究中指出堆肥及无机肥的施用对土壤甲烷氧化活性及甲烷氧化菌的群落均无明显影响^[14]。也有研究发现尿素、畜尿及硝化抑制剂的施用对草地土壤中甲烷氧化菌的丰度（pmoA基因）及CH₄排量均没有显著影响^[15]。土壤氮素代谢通过酶的催化作用完成，受相应功能基因调控。目前对土壤氮素代谢微生物功能基因研究集中在nirK、nirS、nosZ、nB等多样性方面。

3.应用前景

准确测定及评估农田系统中CH₄的排放特征，明确其减排调控机理，对通过经济有效科学施肥来减少农田温室气体排放具有重要的指导意义，还能实现高产稳定与提高生态系统服务功能的共赢。

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