外源氮输入对土壤N_2O释放的影响研究进展

气候变暖是当今世界最大的全球性环境问题之一,哥本哈根会议之后,温室气体的减排受到国际社会的普遍关注。N2O是一种重要的温室气体,其全球增温潜势约是CO2的300倍。N2O对臭氧同温层有严重的破坏,并且它在大气中的寿命是已知温室气体中最长的。所以它对全球环境的影响是长期和潜在的。由于人类活动的影响,大气的N2O浓度持续增高。因此,关于N2O的研究备受关注,而土壤N2O气体排放一直是研究焦点。氮是土壤微生物养分来源,外源氮的输入,对主要由微生物驱动的N2O释放过程有着重要影响。文章以国内外相关研究为基础,对氮素输入土壤的方式、不同外源氮输入对土壤N2O排放的影响以及土壤N2O排放量的估算研究进行了综述,并提出了今后研究的方向和需要关注的问题。     

放牧对草原十壤N2O产生及微生物的影响

利用AIM乙炔抑制法 ,首次测试了我国内蒙古放牧和非放牧羊草草原土壤N2 O产生的微生物过程 ;通过分析不同类型草原土壤N2 O产生的微生物过程和相关微生物菌群的季节变化 ,研究了放牧行为对于草原土壤N2 O微生物产生过程的影响 .放牧行为改变了土壤结构 ,有利于土壤微生物反硝化作用的发生 ,在一定程度上降低了草原土壤N2 O的排放 .揭示了内蒙古草原土壤N2 O产生是以异养硝化作用过程为主的微生物过程 ,解释了内蒙古典型草原土壤N2 O通量较低和其季节变化的微生物学机理     

农田土壤N2O产生的关键微生物过程及减排措施

氧化亚氮(N2O)作为一种重要的温室气体,其全球排放总量仍然在持续上升.它不仅可以产生温室效应,还可以间接破坏臭氧层,使其在全球气候变化和生态环境变化研究中备受关注.土壤生态系统是大气中N2O的最重要排放源.本文详细论述了农田土壤中反硝化作用、硝化作用、硝化微生物的反硝化作用以及硝酸盐异化还原成铵作用等过程产生N2O的微生物学机制,并从土壤理化性质(土壤pH、氮素、有机质、土壤温度和湿度)和土壤生物等方面对农田土壤N2O排放的影响进行综述,在此基础上对农田土壤N2O的减排措施进行总结,并就今后农田土壤N2O排放的研究重点和方向进行了展望,为调控农田土壤温室气体排放、氮转化过程和提高氮素利用效率提供科学依据.     

硝化作用对盐碱湿地N_2O排放的影响及其环境因子分析

湿地是温室气体氧化亚氮(N2O)重要的源或汇,盐碱湿地作为湿地的重要组成部分,研究其N2O排放对于探究盐碱湿地N2O产生的硝化作用机制及评估其在温室效应中的作用具有重要意义。本文对代表性盐碱湿地——扎龙芦苇沼泽湿地生长季的N2O释放量及相关环境因子进行了研究。结果表明,生长季N2O通量呈波动性下降趋势,最大值出现在7月中旬,平均排放通量为(37.49±15.75)μg·(m2·h)-1,表现为N2O的释放“源”。N2O通量与不同深度土层温度存在显著正相关关系(P0.05),且上层土温对N2O排放的影响程度高于深层土;淹水期期间N2O通量与积水深度呈显著负相关关系(P0.05);且土壤TOC和TN含量较低,N2O通量与0~40 cm土层NH4+-N含量呈显著正相关关系(P0.05),而与NO3--N含量没有关系,硝化作用程度要比反硝化强;此外,土壤氨氧化菌活性与0~20 cm土层温度存在极显著正相关关系(P0.01),且N2O通量与氨氧化菌活性也呈极显著的线性正相关关系(P0.001),表明盐碱湿地的N2O释放受硝化作用影响巨大。     

滨海湿地生态系统N_2O排放研究进展

滨海湿地作为陆地和海洋过渡区的重要组成部分,是陆源N的一个重要"汇",其N2O排放对于大气环境具有重要影响。综述了滨海湿地系统N2O通量特征、排放机制及影响因素的研究动态。当前滨海湿地N2O的排放研究主要集中在N2O排放规律、"源/汇"功能评估、硝化-反硝化作用机制及影响因素的探讨上。影响滨海湿地N2O排放的因素主要包括土壤理化性质、水文过程、生物群落及人类活动等。鉴于当前研究中存在的问题,其在今后研究中应亟需加强的领域包括:①长时间尺度N2O排放规律及"源/汇"功能评估;②多因子交互作用对N2O排放的影响;③植被本身N2O排放规律及影响机制;④N2O排放模型表征;⑤全球变化和人类活动对N2O排放的影响。     

生物碳的物理结构与化学成分对土壤氧化亚氮排放的影响

为探究生物碳对土壤中重要温室气体氧化亚氮(N2O)排放的影响机制,将生物碳的可溶性化学成分和稳定的物理结构分离后得到浸提液和碳骨架,设置了4种不同的实验处理方式:土壤(对照)、土壤+生物碳、土壤+浸提液、土壤+碳骨架,进行了为期90 d的室内培养试验.实验结果显示,在培养前期(前7 d),添加生物碳和碳骨架的处理都显著抑制了土壤N2O的释放,且抑制程度相似,最高均可达80%,而添加浸提液的处理却显著促进了土壤N2O的释放.因此,土壤添加生物碳后对N2O排放的抑制作用主要归因于生物碳的物理结构,生物碳的物理结构可以有效地提高土壤的pH值、吸附土壤及其自身含有的可能促进N2O释放的化学物质,从而减少土壤中N2O的产生和排放.     

不同生态系统土壤生化特征及其与土壤呼吸和N2O排放的关系

通过室内培养实验,研究了不同生态系统土壤生化特征及其对土壤呼吸和N2O排放的影响.结果表明,不同生态系统土壤的生化特征不同,土壤呼吸和N2O排放也不相同.一般果园细菌数量最多,草地放线菌数量最多,林地真菌数量最多,而竹园细菌放线菌数量最少,果园真菌最少;微生物碳氮含量一般果园>林地>农田.相关分析表明细菌数量与微生物碳氮呈显著正相关,放线菌数量与土壤有机碳和全氮含量呈极显著正相关(P<0.01),而真菌数量仅与全氮含量呈显著正相关(P<0.05).土壤呼吸累积排放量从高到低为果园>竹林>农田>林地>草地.N2O累积排放量为农田>果园>草地>林地>竹林.土壤呼吸与细菌、微生物碳氮呈显著正相关(P<0.05);土壤的N2O排放与三大微生物、铵态氮呈显著正相关(P<0.05).逐步回归分析表明土壤呼吸主要取决于土壤细菌数量和pH的变化;土壤N2O排放主要取决于土壤细菌数量和铵态氮含量的变化.     

添加不同 N源条件下典型除草剂对土壤呼吸和 N2O排放的影响

通过室内土壤培养实验,采用间歇密闭培养-气相色谱法研究了添加不同N源条件下我国典型旱地除草剂对农田土壤呼吸和N2O排放的影响.结果表明,在添加（NH4）2SO4氮源条件下,莠去津和百草枯对土壤呼吸和N2O排放无显著影响（P〉0.05）.草甘膦显著抑制了土壤呼吸（P〈0.05）,是对照的78.5%,N2O的排放无显著影响（P〉0.05）,仅表现为均值降低了20.1%.苯磺隆显著促进了土壤呼吸（P〈0.05）,是对照的1.1倍,对N2O排放也无显著影响（P〉0.05）.乙草胺显著促进了土壤呼吸和N2O的排放（P〈0.05）,分别是对照的1.1和1.5倍.在添加尿素的条件下,莠去津和乙草胺对土壤呼吸和N2O排放无显著影响（P〉0.05）.百草枯显著促进了N2O的排放（P〈0.05）,是对照的1.4倍,却对土壤呼吸无显著影响（P〉0.05）.草甘膦显著抑制了土壤呼吸（P〈0.05）,仅为对照的82.5%,对N2O的排放却无显著影响（P〉0.05）.苯磺隆显著促进了土壤呼吸和N2O的排放（P〈0.05）,其分别是对照的1.3和1.6倍.鉴于不同除草剂对不同微生物生理代谢影响的复杂性,其对温室气体的作用和影响还需长期田间试验研究.     

三江平原泥炭沼泽湿地N2O排放通量及影响因子

运用静态暗箱-气相色谱法观测了三江平原毛苔草泥炭沼泽湿地植物生长季N2O排放通量,并分析了其关键影响因子.结果表明:生长季N2O排放通量季节变化动态明显,最大值出现在7月上旬;平均排放通量为76.77μg/(m2·h),高于潜育沼泽湿地[20~60μg/(m2·h), 2002~2005].N2O排放通量与土壤温度存在极显著指数关系(P<0.01),且随土壤深度(土壤10cm以下)的增加相关关系逐渐减弱;与水位呈极显著负相关关系(P<0.01);另外,植被是影响N2O排放的主要生物因子,有植被参与的N2O排放是无植被的1.7倍.总之,水位和土壤温度是控制泥炭沼泽N2O排放呈明显季节变化的主要因素,而土壤水文物理特性的差异是引起泥炭沼泽N2O排放高于潜育沼泽的主要原因.经初步估算,三江平原泥炭沼泽每年植物生长季N2O排放总量约为72.9Mg,表明泥炭沼泽湿地在生长季是重要的N2O潜在排放源.     

不同污水生物脱氮工艺中N2O释放量及影响因素

微生物的硝化及反硝化过程为污水处理过程中N2O的主要产生源.从微生物学和生物化学反应的角度,阐述了硝化及反硝化过程中N2O的生成机理以及与N2O产生相关的关键酶的基本特性,同时给出了几种典型硝化及反硝化菌的N2O产生与释放情况.通过对实际污水处理厂、不同污水处理工艺,尤其是新工艺过程中N2O释放量及产因的分析,指出污水生物处理过程中N2O的释放量与污水水质、污水处理工艺、工艺的运行工况及微生物的种群结构有关,并对底物浓度、DO浓度、SRT等关键性因素进行了重点论述.在综合分析N2O产生机理及影响因素的基础上,从工艺运行工况及微生物种群优化2个角度,初步提出了控制污水生物处理过程中N2O释放的策略.     

Effects of temperature change and tree species composition on N2O and NO emissions in acidic forest soils of subtropical China

Tree species and temperature change arising from seasonal variation or global warming are two important factors influencing N2O and NO emissions from forest soils. However, few studies have examined the effects of temperatures(5–35℃) on the emissions of forest soil N2O and NO in typical subtropical region. A short-term laboratory experiment was carried out to investigate the influence of temperature changes(5–35℃) on soil N2O and NO emissions under aerobic conditions in two contrasting(broad-leaved and coniferous) subtropical acidic forest types in China. The results showed that the temporal pattern of N2O and NO emissions between the three lower temperatures(5℃, 15℃, and 25℃) and 35℃ was significantly different for both broad-leaved and coniferous forest soils. The effects of temperature on soil N2O and NO emission rates varied between broad-leaved and coniferous forest soils. Both N2O and NO emissions increased exponentially with an increase in temperature in the broad-leaved forest soil. However, N2O and NO emissions in the coniferous forest soil were not sensitive to temperature change between 5℃ and 25℃. N2O and NO emission rates were significantly higher in the broad-leaved forest soil as compared with the coniferous forest soil at all incubation temperatures except 5℃. These results suggest that the broad-leaved forest could contribute more N2O and NO emissions than the coniferous forest for most of the year in the subtropical region of China.     

盐度水平对不同盐渍化程度土壤氧化亚氮排放的影响

选取内蒙古河套灌区3种不同盐渍化程度土壤(盐土、重度盐渍化土壤和轻度盐渍化土壤),采用室内培养方法,用不同浓度KCl溶液调节不同盐渍化程度土壤盐含量分别为原土壤盐含量(对照)的2倍和3倍,研究盐分对不同盐渍化程度土壤氧化亚氮(N_2O)排放的影响.结果表明,盐分含量显著影响不同盐渍化程度土壤N_2O排放.无外源盐分加入时,不同盐碱程度土壤中盐土N_2O排放量最高,重度盐渍化土壤次之,轻度盐渍化土壤最低.外源盐加入后,随盐度梯度升高,与其对照相比,盐土N_2O排放量降低;重度盐渍化土壤N_2O排放量呈现先增加后降低趋势;轻度盐渍化土壤N_2O排放量升高.与其对照相比,土壤的盐分含量增加2倍时,盐土N_2O排放量减少90%;轻度盐渍化土壤N_2O排放量增加9倍.外源盐加入不同盐渍化程度土壤对N_2O排放的影响程度取决于土壤培养前后铵态氮含量差值,加入外源盐后,N_2O累积排放变化量的94.6%由土壤NH_4~+-N含量差值解释(R2=0.95,p0.01).     

Sources of nitrous and nitric oxides in paddy soils：Nitrification and denitrification

Rice-paddies are regarded as one of the main agricultural sources of N 2O and NO emissions. To date, however, specific N2O and NO production pathways are poorly understood in paddy soils. ^15N-tracing experiments were carded out to investigate the processes responsible for N2O and NO production in two paddy soils with substantially different soil properties. Laboratory incubation experiments were carried out under aerobic conditions at moisture contents corresponding to 60% of water holding capacity. The relative importance of nitrification and denitrification to the flux of NaO was quantified by periodically measuring and comparing the enrichments of the N2O, NH~-N and NO3-N pools. The results showed that both N2O and NO emission rates in an alkaline paddy soil with clayey texture were substantially higher than those in a neutral paddy soil with silty loamy texture. In accordance with most published results, the ammonium N pool was the main source of N2O emission across the soil profiles of the two paddy soils, being responsible for 59.7% to 97.7% of total N2O emissions. The NO3-N pool of N2O emission was relatively less important under the given aerobic conditions. The rates of N2O emission from nitrification （N2On） among different soil layers were significantly different, which could be attributed to both the differences in gross N nitrification rates and to the ratios of nitrified N emitted as NzO among soil layers. Furthermore, NO fluxes were positively correlated with the changes in gross nitrification rates and the ratios of NO/N2O in the two paddy soils were always greater than one （from 1.26 to 6.47）. We therefore deduce that, similar to N2O, nitrification was also the dominant source of NO in the tested paddy soils at water contents below 60% water holding capacity.     

华北平原农田管理措施对冬小麦-夏玉米轮作系统N2O和CH4排放的影响

华北平原是我国重要的粮食生产基地,其农业生产对N_2O和CH_4也具有重要影响.本研究设置包括3类不同农田管理措施的田间试验,即免耕(No-tillage,N)/旋耕(Rotary,T)、秸秆清茬(Cleaning,S0)/还田(Straw,S1)以及不同氮肥水平(常规氮肥(F2),优化氮肥(F1)和空白处理(F0)),分析对产量、N_2O和CH_4排放的影响以及与土壤性状的关系.结果表明,优化氮肥能保持和当地常规氮肥水平相同的粮食产量,同时可以有效降低温室气体CO2-eq(45.4%).秸秆还田可以显著降低N_2O的排放,其中在夏玉米季效果尤为明显.施用氮肥能够抑制土壤对CH_4的吸收.夏玉米季是N_2O排放的主要时期(N_2O累积排放占全年的59%~78%).土壤NO-3含量、WFPS和土壤温度都对N_2O有显著影响.主效应和交互作用分析证明,氮肥水平对两季作物产量、秸秆还田对冬小麦的产量有显著影响;耕作方式与氮肥水平、秸秆还田分别对两季作物产量和CH_4有极显著的交互作用,秸秆处理和氮肥水平对CH_4排放和冬小麦产量有显著的交互作用;三因素的交互作用体现在对冬小麦产量和两季作物的总产量有显著影响.在华北平原当前氮肥水平上降低30%仍能维持和当地常规农业管理措施相同的作物产量,降低N_2O和CH_4排放45%以上,秸秆还田体现出降低N_2O排放以及长期提高土壤有机碳水平的效益.     

放牧对草原土壤N2O产生及微生物的影响

利用AIM乙炔抑制法,首次测试了我国内蒙古放牧和非放牧羊草草原土壤N₂O产生的微生物过程;通过分析不同类型草原土壤N₂O产生的微生物过程和相关微生物菌群的季节变化,研究了放牧行为对于草原土壤N₂O微生物产生过程的影响.放牧行为改变了土壤结构,有利于土壤微生物反硝化作用的发生,在一定程度上降低了草原土壤N₂O的排放.揭示了内蒙古草原土壤N₂O产生是以异养硝化作用过程为主的微生物过程,解释了内蒙古典型草原土壤N₂O通量较低和其季节变化的微生物学机理.     

添加磷对水稻-油菜轮作土壤N2O排放影响

我国南方红壤区域普遍属于缺磷土壤,种植作物需要施用较多的磷肥,但添加磷对水稻-油菜轮作土壤中N_2O的排放影响并不明确.以潜江、咸宁两处水稻-油菜轮作模式下的土壤为研究对象,添加不同浓度的磷(0、15和30 mg·kg-1)和不同浓度的氮(0和100 mg·kg-1)进行室内培养实验,探究添加磷对水稻-油菜轮作土壤N_2O排放的影响.结果表明,添加磷对土壤中N_2O的排放有较为显著的影响,但影响的方式有所不同:在土壤本身氮比较少的情况下,添加磷会促进土壤中微生物对氮的固定,降低N_2O的排放;在土壤中有充足的氮情况下,添加较少的磷会促进土壤中硝化微生物的活动,促进N2O的排放,但添加较多的磷同样会促进土壤中微生物对氮的固定,相比于添加较少的磷处理会抑制N_2O的排放;在土壤本身磷的含量较为充足的情况下,无论土壤中的氮源是否充足,添加磷仅对土壤中N_2O的排放起抑制作用.     

昼夜增温对大豆田土壤N2O排放的影响

通过田间试验,用静态箱-气相色谱法测定N2O排放通量,研究昼夜增温对大豆田土壤N2O排放的影响.结果表明,增温没有改变大豆田土壤N2O排放通量的季节性变化规律.整个生长季,与对照相比,增温土壤N2O平均排放通量增加了17.31%(P=0.019),累积排放量显著增加了20.27%(P=0.005).对照与增温处理土壤N2O排放通量与土壤温湿度均呈显著性相关关系,对照与增温土壤的N2O排放温度敏感系数分别为3.75和4.10.整个生育期,增温显著增加了植株地上和总生物量、叶片硝酸还原酶活性和全氮含量,显著降低了叶片NO3--N含量;显著增加了土壤NO3--N含量,但对土壤有机碳及全氮含量没有显著影响.本研究表明,昼夜增温显著增加了大豆田土壤N2O的排放.     

Responses of greenhouse gas fluxes to experimental warming in wheat season under conventional tillage and no-tillage fields

Understanding the effects of warming on greenhouse gas(GHG, such as N_2O, CH_4 and CO_2 )feedbacks to climate change represents the major environmental issue. However, little information is available on how warming effects on GHG fluxes in farmland of North China Plain(NCP). An infrared warming simulation experiment was used to assess the responses of N_2O, CH_4 and CO_2 to warming in wheat season of 2012–2014 from conventional tillage(CT) and no-tillage(NT) systems. The results showed that warming increased cumulative N_2O emission by 7.7% in CT but decreased it by 9.7% in NT fields(p 0.05). Cumulative CH_4 uptake and CO_2 emission were increased by 28.7%–51.7% and 6.3%–15.9% in both two tillage systems,respectively(p 0.05). The stepwise regressions relationship between GHG fluxes and soil temperature and soil moisture indicated that the supply soil moisture due to irrigation and precipitation would enhance the positive warming effects on GHG fluxes in two wheat seasons.However, in 2013, the long-term drought stress due to infrared warming and less precipitation decreased N_2O and CO_2 emission in warmed treatments. In contrast, warming during this time increased CH_4 emission from deep soil depth. Across two years wheat seasons, warming significantly decreased by 30.3% and 63.9% sustained-flux global warming potential(SGWP) of N_2O and CH_4 expressed as CO_2 equivalent in CT and NT fields, respectively. However, increase in soil CO_2 emission indicated that future warming projection might provide positive feedback between soil C release and global warming in NCP.