施肥与温室效应的关系

论施肥与温室效应的关系1 引言俗话说：民以食为天。

在经济全球化的今天，越来越重视粮食的供给，保证粮食安全生产，提高粮食生产的效率和质量，让非洲饥民的恶梦永远成为梦，让世界根本的摆脱粮食的困扰。

为了提高粮食产量，人们通过施肥直接为植物提供养分。

肥料有两种：有机肥料和无机肥料。

有机肥料是指生命残体，它是在土壤中矿化后释放植物养分的。

无机肥料是指经过加工（粉碎、溶解、浓缩、反应、干燥、皂隶等）的矿物质肥料或从大气中含有的惰性氮气转化合成的氨和铵态氮肥。

有机肥料与无机肥料的本质区别是：前者是生命本身的残体（以含有机碳为特征），而后者是无生命物质（不含有机碳为特征）。

由合成氨进一步生产转化的尿素虽然含有一个有机碳，但因为是人工合成的，故仍可称“矿质”肥料或“无机”肥料，但人和动物排泄的尿素则属于“有机肥料”无疑。

世界上使用化学加工的无机肥料只有150~160年的历史，是科技进步的产物。

德国农业化学家李比西博士于1840年创立了植物无机营养学说，促进了无机肥料工业的发展。

而事实证明，正是依靠了无机肥料工业的突飞猛进，世界农业才能提供和基本满足人口膨胀和其他事业需求的粮食。

对于中国，正是由于化肥工业的长足进步，才保证了近50年来人口翻3番的粮食需求，以不足世界10%的耕地养活占世界22%的人口。

但是如果在施肥过程中如果不注意合理使用，例如不重视有机肥与无机肥的合理配合使用；或者把有机废弃物、人畜排泄物任意堆放、而不加以利用或直接排入水体等，均会导致局部地区的生态环境问题：如对大气的污染。

地下水硝酸盐含量超标，水体富营养化、重金属污染以及土壤肥力衰退等。

所以只有科学施肥才能保持和改善土壤质量和生产力，满足人类社会对粮食的和其他生活用品的数量和品质的要求；又能使生态环境受到良好的保护，实现农业和人类社会的可持续发展。

所以认识到施肥对生态环境的影响及采取相应的对策就显得很有必要，下面就对施肥与温室效应的关系进行综述。

任何物质都能发射出电磁波,而且其波长取决于这个物体的温度。

物体的温度越高,发射出的电磁波的波长越短,发射出的能量也就越多。

地球在太阳光的照射下,吸收了大量的热能,同时本身也不断地向外辐射红外线。

这样地球就变成一个小小的收支系统,有开有合,存在着收支平衡。

地球放出的电磁波为长波红外线,肉眼很难观察到。

在地球的大气中,有各种各样的气体,它们对不同波长的辐射都有其特征吸收光谱,其中一些气体具有吸收红外线的作用。

红外线本是从地球表面发射往宇宙空间,但在半途空中被这些大气所拦截,这些气体不仅吸收红外线,本身还具有发射红外线的性质。

从大气中向下辐射能量,减少了地球的热量损失,这就是温室效应现象。

在大气成分中吸收红外线特别多的大气有水气(吸收波长700-850nm和1100-1400nm的红外辐射)、二氧化碳(强吸收波长1200-1630nm的红外辐射)、臭氧、甲氧、氧化亚氮,同时还有人工制造的氟里昂气体,这些气体称为“温室气体”[1]。

工业化之前大气层中对“温室效应”负责的温室气体组分是CO2，CH4，N2O和水气，其在大气中的浓度相对稳定，吸收热量和释放热量的平衡使地球表层大气的温度稳定的维持在15O C左右。

因此“温室效应”是客观存在的自然现象，是有利于人类生存的。

但随着工业革命到来之后，现代社会在取得巨大的经济发展的同时造成相应得外部性，最有影响力的就是日益严重的并且已经威胁到人类生存和发展的环境污染。

石油、煤炭、天然气等燃料的燃烧使得向大气排放的CO2，CH4，NO X急剧增加，而森林吸收的CO2日益减少，裸露的土地加强了土壤有机质的氧化，使大气层中温室气体的浓度大大上升。

表一是最近400年来大气中温室气体组分浓度的变化[2，3]表1 地表温室气体浓度（ug/L）变化、近50年平均增长率及对全球变暖的贡献率（%）气体1600年1800年1950年1995年增长率（%）贡献率（%）CO2280 280 311 361 0.2~0.5 50CH40.7 0.8 1.15 1.73 0.9 19~25N2O 0.28 0.28 0.29 0.32 0.2~0.3 4表一数据说明了对全球变暖的主要贡献来自于CO2和CH4两种温室气体组分。

NO X（N2O）的贡献率仅为4%，而且数量增加也不明显。

但是施肥对N2O释放也是有密切关系的。

关于化肥施用后对温室气体的排放研究已有很多,有机肥施用后对温室气体排放影响的研究也已展开,温室气体排放受多种因素的影响!肥料施用后温室气体排放通量的测定有助于了解温室气体排放量及其排放规律,有助于采取合理的减排措施.[18]下面分别叙述施肥对于温室效应气体释放的影响。

2 施肥与各温室气体的关系2.1二氧化碳二氧化碳是造成温室效应的主要的气体之一。

其产生与矿物燃料的燃烧有关。

例如1990年全球排放的二氧化碳为28*108t/年，其中79%是燃烧石化燃料产生的（达22*108t/年），另外因森林被毁、土壤有机质增加所产生的排放量有1.8*108t/年，占6%[4]。

与农业和施肥有关的CO2的排放有：肥料生产过程中石化燃料的燃烧；肥料运输和机械施肥所用机械的燃油消耗；秸秆等农业废弃物的焚烧；堆肥发酵过程CO2的释放；土壤耕作增加的有机质氧化等等。

当然有机肥的使用、秸秆还田等都会增加土壤CO2的排放。

徐琪等[5]报道稻麦两熟稻田生态系统中土壤排放的CO2量：不施肥的为4.4 t/hm2，施肥的为4.8~7.1 t/hm2。

其中施粪肥的最高，粪肥＋无机肥的其次，秸秆＋无机肥的是再次，施无机肥的为最低。

大气中二氧化碳浓度的增加，被海洋吸收占37%，约有57%滞留在大气层。

大气CO2增加植物光合作用，但是排放的总量仍然大于吸收，呈现增加状态。

从农业施肥及土壤管理看，任何增加农作物产量的措施都将意味着增加二氧化碳固定，鲁如坤[6]等研究每增产1t玉米，将可多固定1.28t CO2。

徐琪等研究指出[5]在稻麦两熟制的条件下，每年固定的有机C：不施肥时为8.7t/hm2，施肥后增加到15.6~16.6 t/hm2, 提高24%，而且是施无机肥增加最多，施有机肥增加最少。

单独使用化肥产生的二氧化碳和后面即将提到的甲烷的量要远远高于无机和有机肥料共同施用所产生的气体的量。

不同生物颗粒体积产生的甲烷产量不同于二氧化碳的产量，显示了产生甲烷的微生物和产生二氧化碳的微生物对于碳源的利用的不同。

当二氧化碳的产量占主导时，化肥就会大大加强甲烷的微生物的活性。

[16]56使用N 肥促进森林的生长，也能增加森林对CO2的吸收，有利于大气中CO2浓度的下降。

包括中国在内的北半球的大多数林木，都是因为N 肥供应不足而使林木生长不良，调节森林土壤的N/C 比值和N/S 比值，以及退耕还林等措施，都将有利于降低大气中CO2浓度，还能缓解土壤酸度的下降[4]。

温度对土壤CO2排放的影响主要是通过影响土壤微生物活性而起作用,土壤温度的作用最大,温度与土壤CO2排放的显著正相关关系在其它研究中也已经指出.[20,21]2.2 甲烷（CH4）CH4对全球气候变暖的贡献率达20~25%，近来的增长率是所有温室气体中最高的（每年达0.9%）。

但是CH4在空气中的存在时间较短，一般只有12年。

其浓度变化比较敏感而且速度快，比二氧化碳快7.5倍。

自然界排放CH4的源主要是湿地、滩涂，每年为 1.5×108t，而人为活动导致的CH4的排放量则每年达3.3×108t，其中农业生产中反刍动物导致的排放及畜禽排泄物堆放过程中的排放、土壤的排放及热带草原和秸秆焚烧过程中的排放达1.9×108t[4]。

土壤中CH4的排放主要受土壤通气状况——氧化还原电位控制。

因为CH4是在强还原条件下产甲烷细菌作用于土壤有机质而产生的。

因此，在稻田施用有机肥既增加了C 源，又强化了土壤还原条件，使之有利于增加CH4的排放。

全球稻田CH4的排放量为31.48 M t/年，即每年3×107t 左右，约占全球人为活动导致的CH4排放总量的10%，不占主要地位，其中因使用有机肥而排放的CH4占稻田排放量的45%[4]。

施用N 肥特别是含有NO3-和SO42-的N 肥（如硫铵及硝态N肥）；施用普通过磷酸钙（SP）及硝酸磷肥等P 肥都能显著抑制甲烷细菌的活动。

因为NO3和SO4均可提高或维持土壤的氧化还原电位，而且其还原产物如H2S，N2O，NO 等对甲烷细菌有毒害作用，使CH4的产出下降。

国内外的许多试验都已证明了这一点。

但是值得注意的是，稻田CH4排放不是大气甲烷增加的原因，对全球气候变暖的贡献可以忽略不计[7]。

2.3 氨（NH3）据估计，全球每年排放NH3的总量是5400 万t，其中75 ％是人为活动所致。

农业生产是主要的NH3挥发源，每年达4100 万t，占总排放的76 ％。

其中畜牧业及其排出的粪尿的NH3挥发量每年是2200万t；NH4 -N（包括有机N 肥和无机N 肥）施用后从农田发挥的NH3达900 万t /年，草地及其它作物残茬的焚烧产NH3达600 万t /年，直接从作物叶面挥发的NH3也达400 万t /年[2]。

据朱兆良[15]估计，我国农田氮素的主要损失途径为氨挥发、反硝化和淋失及径流损失。

综合有关资料看出，稻田中氮的损失主要是反硝化和氨挥发，分别占氮肥施用量的16%~41%和9%~40%。

硝酸盐淋失和氮素径流损失主要发生在降水量和强度较大的地区和季节，约占氮肥施用量的0.23%~30%。

由此可见，我国农田氨挥发的氮素损失量可能占肥料氮肥施用量的10%以上。

旱地，特别是石灰性土壤上撒施尿素，碳酸氢铵的NH3挥发损失很大，一般为所施N 量的10%~25%；在水田，由于灌溉稻田表面水层的H 高达7~8，撒施或分次施用尿素（或碳酸氢铵）的NH3挥发量很大，有时高达所施N 量的40%~50%[9，10]。

因此各种N 肥的深施技术：旱地的雨前表施、施后灌水、条深施、粒肥深施等，以及水田中的以水带N、机前肥、条深施、球肥深施、大粒N 肥深施（碳酸氢铵和/或尿素）、长效碳酸氢铵等等，都是以减少铵态N 肥暴露于空气中的时间为目标来减少NH3挥发，而且都有较好的效果。

有机N 肥施于土表，或在堆制过程中的NH3挥发同样是十分严重的。

将有机肥耕翻入土、堆制时加土覆盖，减少其直接暴露空气的时间，让覆盖的土层来吸收挥发的NH3，同样是十分有效的办法。

据De Datta 报道，从农田挥发的NH3绝大多数仍然降落在原地的农田和水体[8]。

因此，它既是农田N 素的来源，也可能是诱发水体富营养化的N 源之一。

N 化合物的排放与沉降的有益方面是增加了农田的N 素，但过量N 的干湿沉降对农田生态环境也未必是好事。