土壤与气温

近年来,关于温室效应和温室气体的话题一直是科学界与公众共同关注的焦点。那么土壤与大气中的温室气体究竟有何关系呢,又是如何影响气温的呢?

首先要解释两个名词:温室效应和温室气体。

温室效应,又称“花房效应”,是大气保温效应的俗称,就是太阳的短波辐射能够透过大气射入地面,而地面增暖后放出的长波辐射却被温室气体吸收,从而产生大气变暖的效应。大气中的温室气体就像一层厚厚的玻璃,使地球变成了一个大暖房。

图1 温室效应

图1 温室效应

温室气体是指大气中那些能够吸收地球表面放射的长波红外辐射、对地球有保温作用的气体。温室气体中最重要的是水汽,它在大气中的含量不受人类活动的直接影响,直接受人类活动影响的主要温室气体是二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氯氟烃(CFCS)和臭氧(O3)等约30余种。如果不存在温室效应, 据科学家计算, 地球表面的温度大约在-18℃左右, 而地球表面的实际年平均温度为15℃。这样看来,温室效应其实是多么重要而又必须的呢,那么又何必引起恐慌呢?人们的担心,实际上是温室效应的增强后引起地球升温的环境问题。

图2 温室气体

图2 温室气体

然后再来谈谈土壤与几种重要温室气体的关系。

土壤是温室气体如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4 )和氧化亚氮(N2O)产生的重要源,土壤温室气体主要来自于微生物呼吸,植物根呼吸和土壤动物呼吸。据估计,大气中每年有5%~20%的二氧化碳、15%~30%的甲烷、80%~90%的氧化亚氮来源于土壤,而农田土壤是温室气体的重要排放源。

二氧化碳与土壤的关系在办栏目的很多文章中都已经讲过,这里就不多说了。

甲烷对温室效应的贡献虽然小于二氧化碳,但等当量甲烷的温室效应(包括直接的和间接的效应)是二氧化碳的20多倍。甲烷多属天然排放,主要来源于自然界的生物厌氧腐解作用。土壤是甲烷的重要排放源和汇,大气中约70%的甲烷来源于农业活动及土地利用方式的转变等过程,其中稻田和天然湿地土壤被认为是甲烷的主要排放源。与此同时,由于土壤中的甲烷氧化菌以甲烷为唯一的碳源和能源, 使土壤每年可以从大气中吸收20~60 百万吨的甲烷。

氧化亚氮对大气温室效应的贡献并不大,但是近几年来它却受到特别的重视。这是因为在平流层中的氧化亚氮不但可以消耗、破坏臭氧层, 导致到达地球表面的紫外辐射增强, 使人类的生存健康受到影响;而且其在大气中的浓度逐年攀升,虽然在大气中的浓度和年增长率低于二氧化碳, 但它的潜在增暖作用却约为二氧化碳的190~270倍, 为甲烷的4~21倍, 同时氧化亚氮在大气中存留时间较长(平均寿命为150 年),也就是与二氧化碳和甲烷相比,等量的氧化亚氮对温室效应的贡献要大得多。大气中氧化亚氮主要来源于土壤释放、生物质燃烧、化石燃料燃烧、水体以及某些工业生产过程。其中, 值得注意的是,土壤的硝化作用与反硝化作用(硝化作用与反硝化作用为氮素在土壤中重要的转化过程)是大气中氧化亚氮的主要产生机制,农田氮肥的施用是导致土壤氧化亚氮排放量增加的一个重要原因。而土壤是否具有大气中氧化亚氮汇的作用,还有待于科学家们的进一步探索研究。

影响土壤呼吸的因素也就会影响土壤温室气体的排放与吸收,比如土壤理化性质如温度、含水量、有机质含量、pH 值、氧化还原电位(Eh)、土壤质地等因素都可以直接影响土壤微生物量及其生理生化过程,从而影响温室气体排放。其中,土壤温度,湿度、有机质含量是关键性因素。另外,地域气候、土地利用以及土地覆盖变化也可以通过改变土壤理化性质及呼吸底物来影响温室气体排放。

土壤产生与排放二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等温室气体的过程,是陆地生态系统碳氮循环的一个重要过程,是土壤碳氮库的主要输出途径。有关土壤温室气体排放研究仍是国际国内生态学家与环境学家们研究的热点领域,对此问题的深入研究,对于经济发展以及温室气体减排都有重要的实际应用意义。

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