毕业论文不同生态系统温室气体排放通量的特征及其影响因素.docx
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毕业论文不同生态系统温室气体排放通量的特征及其影响因素
前言1
1几种主要温室气体的认识2
1.1CO2的循环机制2
1.2CH4概述2
1.3N2O的变化趋势3
2不同生态系统类型温室气体排放通量特征及其影响因素3
2.1湿地生态系统温室气体排放通量特征及其影响因素3
2.2草原生态系统温室气体排放通量特征及其影响因素6
2.3农田生态系统温室气体排放通量特征及其影响因素8
2.4水库生态系统温室气体排放通量特征及其影响因素10
3不同生态系统温室气体排放通量的概括比较及减排对策12
3.1影响温室气体排放的因素12
3.2减少温室气体排放的措施（生态角度）13
结语13
参考文献14
致谢16
摘要
据相关资料显示，近百年来,随着人类活动的日益增强，大气中O2、CH4和N2O等主要温室气体的浓度比工业革命以前分别增加了约28%、118%和8%。
温室气体的排放（吸收）过程受到一切影响生态系统生命过程的因子的制约，而且,生态系统本身可以同时排放（吸收）多种温室气体，而且在其生长过程中的不同阶段也会有不同的输送方式。
不仅如此，大气中的温室气体浓度变化也会直接影响到生态系统温室气体排放（吸收）率。
生态系统服务功能在维持人类生存和发展的环境过程中发挥着重要的作用，正确、客观地评价各类生态系统对大气中主要温室气体浓度变化的贡献是当前全球变化和全球气候、环境变化研究中的重要内容。
本文主要探究不同生态系统温室气体的排放特征及影响温室气体排放的因素，更好的认识不同生态系统中温室气体的排放机理和制定减少温室气体排放的措施。
关键词：
生态系统；温室气体；排放通量；影响因素
Abstract
Accordingtorelevantdatashowthathumanactivitiesin100years,withtheincreasing,theatmosphereCH4,N2OandO2,suchmaingreenhousegasconcentrationsrespectivelythanbeforetheindustrialrevolution,increasedroughly28%,118%and8%.Greenhousegasemissions（absorption）processesareallaffecttheprocessofecologicalsystemconstraintsoflife,andfactorofecologicalsystemitselfcanalsoemissionsofgreenhousegases（absorption）,andinitsvariousstagesofgrowthprocesswillhavedifferenttransportationmode.Notonlythat,theatmosphericconcentrationofgreenhousegasconcentrationschangealsowilldirectlyaffecttheecosystemgreenhousegasemissions（absorption）rate.Ecosystemservicefunctioninmaintaininghumansurvivalanddevelopmentprocessoftheenvironmentplayanimportantrole,objectivelyevaluatingtheecologicalsystemcontributionofgreenhousegasestotheatmosphereistheimportantcontenttosettlethecurrentglobalchange.Thispapermainlyexploresdifferentecologicalsystemgreenhousegasemissioncharacteristicsandtheinfluencefactorsofgreenhousegasemissions,betterunderstandingofdifferentecologicalsystemingreenhousegasemissionsmechanismandmakethemeasurestoreducegreenhousegasemissions.
Keywords:
ecologicalsystem；greenhousegases;emissionflux;influencefactors
不同生态系统温室气体排放通量的
特征及其影响因素
前言
温室气体是大气中具有温室效应的某些微量气体,有CO2、CH4、N2O等，是大气中由自然或人为产生的能够吸收长波辐射的气体成分。
大量的温室气体排放将会引发臭氧层破坏，全球变暖，海平面上升等一系列生态环境问题，给人类的生产和生活带来长期的危害。
温室气体排放自工业革命以来因为人类活动而急剧增加。
例如化石燃料燃烧，以及植被破坏放出的的二氧化碳，农业活动产生的甲烷及氧化亚氮和制冷释放出的卤碳化合物。
由此带来的温室效应成为了一个重要的环境问题，其引起的危害主要有：
1．海平面上升，全世界大约有1/3的人口生活在沿海岸线60km的范围内，经济发达，城市密集。
全球气候变暖导致的海洋水体膨胀和两极冰雪融化，可能在2100年使海平面上升50cm，危及全球沿海地区，特别是那些人口稠密、经济发达的河口和沿海低地。
这些地区可能会遭受淹没或海水人侵，海滩和海岸遭受侵蚀，土地恶化，海水倒灌和洪水加剧，港口受损，并影响沿海养殖业，破坏供排水系统。
2．影响农业和自然生态系统，随着二氧化碳浓度增加和气候变暖，可能会增加植物的光合作用，延长生长季节，使世界一些地区更加适合农业耕作。
但全球气温和降雨形态的迅速变化，也可能使世界许多地区的农业和自然生态系统无法适应或不能很快适应这种变化，使其遭受很大的破坏性影响，造成大范围的森林植被破坏和农业灾害。
3．加剧洪涝、干旱及其他气象灾害，气候变暖导致的气候灾害增多可能是一个更为突出的问题。
全球平均气温略有上升，就可能带来频繁的气候灾害--过多的降雨、大范围的干旱和持续的高温，造成大规模的灾害损失。
有的科学家根据气候变化的历史数据，推测气候变暖可能破坏海洋环流，引发新的冰河期，给高纬度地区造成可怕的气候灾难。
4．影响人类健康，气候变暖有可能加大疾病危险和死亡率，增加传染病。
高温会给人类的循环系统增加负担，热浪会引起死亡率的增加。
由昆虫传播的疟疾及其他传染病与温度有很大的关系，随着温度升高，可能使许多国家疟疾、淋巴腺丝虫病、血吸虫病、黑热病、登革热、脑炎增加或再次发生。
在高纬度地区，这些疾病传播的危险性可能会更大。
气候变化及其影响是多尺度、全方位、多层次的，正面和负面影响并存，但负面影响更受关注。
全球变暖对许多地区的自然生态系统已经产生了影响，如气候异常、海平面升高、冰川退缩、冻土融化、河（湖）冰迟冻与早融、中高纬生长季节延长、动植物分布范围向极区和高海拔区延伸、某些动植物数量减少、一些植物开花期提前，等等。
长期以来人们普遍认为是由于化石燃料的大量燃烧导致了温室气体的大量增长，忽略了自然界中各种生态系统对于大气中温室气体的影响。
人们对各种生态系统的不同利用方式，以及各种生态系统的源汇机制不同，对于大气中温室气体的平衡往往会有不同的贡献程度。
各种生态系统内的温室气体与大气之间的平衡是一个动态变化的生物地球化学过程,包括气体的产生、传输和排放,且影响生态系统温室气体排放的因素很多,而这些过程和因素直接导致了温室气体排放的不确定性[1]。
本文综述了影响不同生态系统温室气体排放的机制、排放过程及其影响因素,以期为精确估算水库温室气体排放量、生态系统利用过程中温室气体排放的减少提供参考。
1几种主要温室气体的认识
1.1CO2的循环机制
自然界中各种物质通过循环达到平衡，从而形成了一个完整的系统。
碳循环是其中的重要组成部分，而它主要是通过CO2来进行的。
碳循环可以分为三种形式：
第一种形式是植物经光合作用将大气中的CO2和水化合生成碳水化合物（糖类），在植物呼吸中又以CO2形式返回大气中，而后被植物再度利用；第二种形式是植物被动物采食后，糖类被动物吸收，在动物体内被氧化生成CO2，并通过动物呼吸释放回大气中，又可再被植物利用；第三种形式是煤、石油和天然气等化石燃料燃烧时，生成CO2，它返回大气中后重新进入生态系统的碳循环。
1.2CH4概述
CH4是仅次于CO2的重要温室气体，在大气中的寿命约为12年，其百年尺度的增温潜势是CO2的23倍，对全球低层臭氧的变化也有明显影响。
它在大气中的浓度虽比CO2少得多，但增长率却大得多。
据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）1996年发表的第二次气候变化评估报告，从1750~1990年共240年间CO2增加了30%，而同期CH4却增加了145%。
1.3N2O的变化趋势
N2O是一种重要的温室气体，在大气中的寿命可长达114年左右，N2O有很强的辐射活性，百年尺度的增温潜势是CO2的296倍（IPCC，2001）。
N2O主要由氮肥以及含氮有机物腐败后被土壤内的细菌分解而产生，在低层大气中的化学性质比较稳定，属于惰性气体，其生命期长达约114年，有充分的时间进行全球混合，因此，N2O浓度的全球分布相当均匀。
大气中N2O的浓度近年也有所升高。
与CO2相比，N2O可以解释附加温室效应的6%～7%,它对全球气候和环境的影响主要表现在两个方面。
一方面，大气N2O作为温室气体可以吸收地面长波辐射，其浓度的增高会直接导致温室效应增强；另一方面，它可以通过一系列化学反应破坏平流层臭氧层。
这两方面的作用都可能对全球生态环境及气候产生影响。
因此，大气中N2O浓度的增加引起了人们的重视，成为当今全球环境变化问题的重要研究对象之一。
2不同生态系统类型温室气体排放通量特征及其影响因素.
2.1湿地生态系统温室气体排放通量特征及其影响因素
湿地生态系统是指介于水、陆生态系统之间的一类生态单元。
其生物群落由水生和陆生种类组成，物质循环、能量流动和物种迁移与演变活跃，具有较高的生态多样性、物种多样性和生物生产力。
全球湿地分布较多,其功能在全球的生态系统中不可缺少。
大气中的温室气体80%来自于地表生物源,而湿地的温室气体的排放量又占大气中的温室气体的重要部分,其中CH4的排放量占大气总量约50%[2]。
因此,湿地生态系统温室气体的排放已成为全球研究的热点。
湿地中含有大量的物种和能量，维持生命活动的正常运转，同时还具有调节气温、维持生态平衡等多种功能。
由于湿地是一个巨大的有机碳库，土壤有机碳密度高，固碳能力较强，所以其对温室气体的排放（吸收）有着重大影响。
碳循环是指碳元素在大气、水体、动植物、土壤等圈层中的迁移和转变的一系列物理化学和生物过程。
湿地碳循环的过程主要表现为：
植物吸收大气中的CO2与水分，通过光合作用生成有机物和O2，有机物经过食物链传递被动物吸收，生物死亡后在好氧条件下腐蚀在土壤中的有机质经微生物分解成CO2又释放到大气中，在厌氧环境下则生成CH4释放到大气中，同时植物在呼吸过程中也会释放出CO2（图1）[3]。
湿地碳循环影响着CO2和CH4的平衡：
湿地植物吸收大气中的CO2经光合作用产生有机质供植物吸收并通过食物链传递给各级高级消费者，动植物残体在微生物的分解下形成腐殖质储藏于土壤中，起到固碳作用；同时湿地植物呼吸释放CO2，微生物在产生腐殖作用的同时也在使有机质发生矿化，释放CO2与CH4，由此可知，湿地土壤既是碳汇又是碳源，由于人类的开垦利用，自然界中CO2、CH4严重失衡，因此要增强湿地碳汇功能，发挥湿地在温室气体减排中的作用。
图1湿地土壤温室气体循环
湿地土壤CO2排放量占全球排放量很大比例其影响因素主要有植物根系呼吸、微生物分解、土壤温度、土壤水分含量。
植物根系呼吸释放CO2，其排放量占土壤总排放量的20%~50%之多[4]。
植物在生长旺期根系呼吸旺盛CO2排放量较大，而在生长后期根系生长缓慢，CO2排放也减少。
微生物在一定的水热条件下会分解土壤有机碳，使有机碳无机化，也是湿地CO2排放的原因之一。
湿地CO2排放量的多少还受土壤温度与水位高低的限制。
有关学者通过试验证明二者成正相关关系，表明：
温度越高，土壤中有机质分解越剧烈，CO2排放量越大[5]。
在土壤水分达到饱和之前土壤湿度大，促进土壤呼吸作用，湿度增加CO2产生量也增加，饱和之后由于缺少O2，土壤呼吸减缓，CO2产生量减少[6]。
CO2能够在水中电离溶解，土壤湿度越大，CO2浓度就越高，水位降低，溶于水中的CO2就会释放到大气中。
只有在一定的水分条件下，温度才会对土壤呼吸作用产生显著影响，同时水分一定时，需要有一定的温度，根系周围的微生物活性才会发挥分解作用。
土壤温度与土壤湿度对湿地土壤碳排放存在着相互制约的关系。
对于湿地中的CH4来说，CH4是土壤有机质在厌氧环境下被分解生成，湿地水分含量高，具备缺氧条件，因此成为CH4的主要源。
CH4排放量主要受到土壤水分、土壤温度、土壤氧化还原电位（Eh）、土壤pH值的影响。
水分是CH4产生的必备条件，淹水条件下土壤有机质在厌氧环境中矿化产生CH4。
水位持续时间长短直接关系到CH4的排放量，水位下降时CH4与空气中的氧气发生氧化还原反应，因而释放量减少[3]。
温度也是影响CH4排放量的一大因素，CH4产生的适宜温度大致在30℃~40℃之间，在这个范围内，土壤温度与其排放量成正相关关系[7]。
土壤Eh与CH4排放量呈负相关关系，较低的土壤Eh有利于增强CH4产生菌的活性，疏通植物通气促进CH4的产生。
CH4产生菌在中性或者偏碱性土壤中更有活性，对土壤pH值感应很灵敏，碱性土壤中的CH4量要比酸性土壤中的含量要高得多。
湿地N2O的排放主要源于土壤中的硝化和反硝化作用。
土壤中温度、水分、植物、碳源等是N2O排放变化的主要因素。
由于在一定范围内，温度升高会提高土壤中硝化和反硝化细菌的活性，从而促进N2O的大量排放。
水分对N2O的释放亦有重要的影响，干燥的土壤会阻碍微生物的反硝化作用，硝化作用成为N2O的主要源，灌溉后以反硝化作用为主，但长期淹水后N2O排放量又会趋于零，因此频繁的干湿交替会促进N2O的产生和释放[8]，但过高的水分不与N2O呈显著相关性。
研究表明，土壤含水量在45%-75%时，硝化和反硝化作用同时处于旺盛时期，共同产生大量的N2O。
种植作物也是N2O产生的重要原因，大麦根区N2O释放量达90%，而行间只有5%，这是由于植物根系凋落物和分泌物导致了根际反硝化作用的增强。
豆科植物相对于其他作物能减少土壤N2O的排放，原因是豆科植物生长需要吸收根部周围的N2O。
丰富的氮源也是N2O产生的根源，大量氮肥和有机肥的施用，给硝化和反硝化作用提供了源源不断的氮素，导致N2O的增排。
2.2草原生态系统温室气体排放通量特征及其影响因素
草原生态系统指以各种多年生草本植物占优势的生物群落与其环境构成的功能综合体。
草原生态系统是草原地区生物〔植物、动物、微生物〕和草原地区非生物环境构成的，进行物质循环与能量交换的基本机能单位。
草原生态系统在其结构、功能过程等方面与森林生态系统，农田生态系统具有完全不同的特点，它不仅是重要的畜牧业生产基地，而且是重要的生态屏障。
目前对于草地生态系统温室气体排放的研究并不多见，但是，草地生态系统占我国国土面积的37.4%。
其参与土壤—植被—大气之间温室气体平衡的作用不可忽略。
影响温室气体在土壤中扩散及其在土壤与大气交换的土壤参数（如扩散系数）将会对生态系统和大气之间的平衡产生重要影响。
而这些参数又与土壤温度、土壤水分含量、土壤液相及非液相组成等有关,相对比较复杂。
影响典型草原生态系统温室气体生成和释放的因素比较多,土壤、植被、土地利用方式、家畜排泄物以及土地利用方式等均应进行考虑。
其中，土壤类型及其理化性状是决定温室气体排放量的关键因子[9]。
几种影响草地生态系统温室气体排放主要的影响因子：
（1）土壤温度，土壤温度与N2O排放通量的日变化趋势密切相关，并且N2O的日变化与温度呈正相关[10]。
温度主要通过影响土壤微生物的反硝化过程来影响N2O的排放，由于反硝化的最是温度是25oC，当温度低于25oC时，N2O的释放速率随温度的升高而升高。
高于25oC时相反。
（2）土壤水分，土壤水分通过影响土壤N2O气体的组成和微生物的活性来影响氮素的转化和的释放。
在低土壤水分条件下,增加水分会增加N2O的释放和NO3-的积累，高水分条件下，增加水分含量只有N2O的释放量增加。
这说明，两种情况下N2O的产生过程不同，前者是硝化过程，后者是反硝化过程。
（3）土壤有机质，土壤有机质是土壤中较大的碳、氮源，而其中的有机氮化合物是土壤氮素存在的主要形式，土壤中无机氮的水平较低。
因此，土壤有机质的矿化产物为反硝化过程提供了底物，而且有机质本身为参与这一过程的微生物提供了能源。
（4）土壤孔隙度，土壤孔隙度不仅通过控制O2分压决定着硝化、反硝化过程的进行的方向，而且土壤中产生的N2O是否能够最终释放进入大气层亦与此有关。
一些研究结果表明，植物根系对反硝化作用的影响限于孔隙度低的条件下，当孔隙度低于10%～12%时，根系中O2的耗竭使反硝化作用增强。
反硝化作用随土壤空气含量下降和土壤有机质含量的增加而呈指数增加。
（5）土地利用方式和植物种类，除了草原生态系统土壤—植被亚系统自身的特性之外,土地利用方式对N2O排放的影响亦十分重要。
主要表现为农垦和放牧，放牧过程中可能会改变草地生态系统土壤的理化性质，农垦作为天然草地主要的农业利用方式对整个草地生态系统的影响十分突出。
土地利用方式的改变会直接造成土壤有机质储量的减少。
根据万运帆[11]等对藏北草原温室气体排放的研究，可以看出，
图2夏季放牧对CO2排放通量图3夏季放牧对CH4吸收日日变化的影响变化通量日变化的影响
从不同放牧强度对CO2排放通量
的日变化影响来看（图1），虽然不同
时段CO2排放通量大小趋势并不完全
一致，但总体上的大小顺序是：
中牧>
轻牧>重牧>对照。
从不同放牧强度对
CH4吸收的日变化影响来看（图2），
随着放牧强度的增加，草地对CH4的
吸收能力下降，但还没有改变草地作为
CH4汇的功能。
其中轻牧对草原CH4图4夏季放牧对N2O排放通量日变化吸收的程度较轻，而中牧和重牧有相当的影响
明显的影响，对照与轻牧、轻牧与中牧之间不同时段的平均吸收通量大小有交叉，但它们与重牧之间均无交叉，重牧大大低于其他放牧强度的CH4吸收通量。
从夏季放牧期间N2O日平均排放通量的变化来看（图3），整个放牧期间都没有大的起伏变化，变化趋势线基本上是一条水平线。
比较不同放牧强度对N2O日均通量的影响发现，与其日变化表现出的差异基本一致，其变化趋势是重牧>中牧>轻牧=对照。
此外，植物对N2O释放的影响比较复杂。
高等植物本身被认为是N2O的源，同时，植物还通过影响其他环境条件而影响N2O的释放。
植物根系的存在因能提供C并使局部区域O2浓度降低而促进反硝化作用。
2.3农田生态系统温室气体排放通量特征及其影响因素
农田生态系统是指一定农田范围内，作物和其他生物及其环境通过复杂的相互作用和相互依存而形成的统一整体，即一定范围内农田构成的生态系统。
农田生态系统是人工建立的生态系统，其主要特点是人的作用非常关键，人们种植的各种农作物是这一生态系统的主要成员。
农田中的动植物种类较少，群落的结构单一。
农田土壤通过微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤动物呼吸，释放大量温室气体，成为大气中主要温室气体（CO2、CH4和N2O）的重要来源。
影响农田土壤CO2排放的因素有：
（1）温度的影响在一定范围内环境温度升高可加速土壤中有机质的分解和微生物活性,从而增加土壤中CO2浓度，温度对CO2释放量的影响是通过多种途径起作用的。
温度不仅影响微生物细胞的物理反应及化学反应速率,而且对环境的物理化学特征也有影响,微生物细胞的活动是受热力学定律所控制的。
土壤有机质在微生物的参与下分解成简单的有机化合物,其中一部分进一步矿化成CO2、CH4等，该矿化过程受温度的控制。
CO2排放速率的日均值与气温、地表温度呈显著的相关关系。
（2）土壤水分土壤水分不仅影响生物体的有效水分含量,也影响土壤通气状况、可溶物质的数量和pH值等,在一定的水分含量范围内,CO2释放量与水分含量呈极显著相关关系。
对于农田中的甲烷气体来说，生态系统中的CH4都是在严格厌氧环境下由微生物活动而产生的,即在酶的作用下分解碳水化合物成单糖,单糖再分解成酸,进而生成CH4,基本化学式如下：
C6H12O6+2H2O=2CH3COOH+2CO2+4H2
CH3COOH=CH4+CO2
CO2+8H+—CH4+2H2O
有机碳C+4H+—CH4
产生CH4的土壤环境主要为各种类型的湿地及水稻田。
目前认为水稻田是CH4的主要人为源，但在好气条件下CH4又会被CH4氧化菌所氧化，从而使好气土壤成为CH4吸收汇[12]。
影响农田生态系统CH4排放因素主要通过影响CH4的产生、氧化和传输过程来调节CH4的排放和吸收。
这些因素主要有：
（1）土壤质地：
不同质地的土壤，CH4排放量有明显的不同，壤质稻田的CH4排放量显著大于粘质稻田土壤，但砂质和壤质土壤CH4平均排放通量的比较结果在年际之间不一致。
粘质土壤排放较少的原因可能是其对有机质有较强的保持作用，对氧化还原电位（Eh）变化的缓冲作用较强，同时气体扩散也较慢的缘故。
（2）土壤温度：
产生CH4微生物活动的适宜温度在30～40℃范围内，土壤CH4的产生量随着土壤温度的升高而增长，意大利对稻田CH4排放的研究表明，当温度从20℃增加到35℃时，CH4排放量增加1倍。
（3）土壤水分：
土壤常年淹水可导致大量的CH4排放，土壤水分的微小变化都会明显改变CH4排放量。
土壤水分含量较高时，往往温室气体的排放量也会增大[13]。
（4）土壤Eh：
因生成CH4的反应处于土壤氧化还原系列的还原端。
土壤还原状态是生成CH4的前提，土壤温度和Eh变化对稻田CH4排放通量日变化具有极显著的影响，但它们不是决定稻田CH4排放通量季节变化的主要因素[14]。
农田土壤中氧化亚氮（N2O）产生的机理农田土壤中N2O的产生主要是在微生物的参与下,通过硝化和反硝化作用完成。
其过程为：
硝化作用：
NH4+—H2NOH—NOH—NO2-—NO3- ↓ ↓
NON2O
反硝化作用：
NO3-—NO2-—NO—N2O—N2
上述反应中，NO作为中间产物还有争议，基于对土壤中N2O产生机理的不同理解，导致不同的硝化过程表达，但N2O作为中间产物是肯定的。
在有氧条件下，硝化作用是产生NO与N2O的主要来源。
土壤的温度、湿度、pH与NH4+的浓度控制着硝化的进程。
在众多的环境因素影响下，土壤作为N2O产生的载体，通过控制硝化、反硝化进程与土壤温室气体的扩散而影响N2O的排放。
概括说来，有如下因素：
（1）土壤通气状况土壤通气状况由水分含量
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