厌氧条件下砂壤水稻土N2、N2O、NO、CO2和CH4排放特征

了解厌氧条件土壤反硝化气体(N2、N2O和NO)、CO2和CH4排放特征,是认识反硝化过程机制的基础,并有助于制定合理的温室气体减排措施.定量反硝化产物组成,可为氮转化过程模型研发制定正确的关键过程参数选取方法或参数化方案.本研究选取质地相同(砂壤土)的两个水稻土为研究对象,通过添加KNO3和葡萄糖的混合溶液,将培养土壤的初始NO-3和DOC含量分别调节到50 mg·kg-1和300 mg·kg-1,采用氦环境培养-气体及碳氮底物直接同步测定方法,研究完全厌氧条件下土壤N2、N2O、NO、CO2和CH4的排放特征,并获得反硝化气态产物中各组分的比率.结果表明,在整个培养过程中,两个供试土壤的N2、N2O和NO累积排放量分别为6~8、20和15~18 mg·kg-1,这些气体排放量测定结果可回收土壤NO-3变化量的95%~98%,反硝化气态产物以N2O和NO为主,其中3种组分的比率分别为15%~19%(N2)、47%~49%(N2O)和34%~36%(NO);但反硝化气体产物组成的逐日动态均显现为从以NO为主逐渐过渡到以N2O为主,最后才发展到以N2为主.以上结果说明,反硝化气体产物组成是随反硝化进程而变化的,在以气体产物组成比率作为关键参数计算各种反硝化气体产生率或排放率的模型中,很有必要重视这一点.     

不同水分管理条件下添加生物炭对琼北地区水稻土N2O排放的影响

干湿交替会影响土壤硝化和反硝化等N₂O主要的产生过程,频繁的干湿交替在以海南为代表的热带水稻种植地区十分常见.生物炭作为一种土壤改良剂在改良土壤理化性质,减少土壤温室气体排放方面应用广泛,然而当前关于生物炭在琼北地区水稻土频繁干湿交替过程中减排效果研究并未深入.本试验以海南琼北地区典型水稻土为供试土壤,以400℃厌氧条件下炭化的玉米秸秆生物炭为供试生物炭,探究不同水分管理条件下添加生物炭对土壤温室气体排放及微生物相关功能基因的影响.试验设置干湿交替条件下不添加生物炭（AWD1）,干湿交替并添加2%生物炭（AWD2）,干湿交替并添加4%生物炭（AWD3）,持续淹水不添加生物炭（CF1）,持续淹水并添加2%生物炭（CF2）,持续淹水并添加4%生物炭（CF3）共6个处理,进行为期30 d的25℃恒温避光培养.结果表明：①不同水分条件下添加玉米秸秆生物炭均可减少酸性水稻土中N₂O的排放（P<0.05,下同）,AWD3处理N₂O排放总量为0.43 mg·kg^-1,相比AWD1处理减少了68%;②玉米秸秆生物炭在不同水分管理条件下均可以显著提高土壤pH,添加生物炭处理相对于不添加生物炭处理在培养结束后土壤pH平均提高了0.5个单位,同时提高土壤NH₄⁺-N含量,但会导致Eh的降低;③玉米秸秆生物炭的添加显著降低了氨氧化细菌（AOB）丰度,显著提高了nosZ基因丰度,降低了（nirK+nirS）/nosZ的比值,抑制了硝化过程,同时促进了反硝化过程N₂O的还原,从而降低了N₂O排放.结果表明,干湿交替过程添加生物炭有利于减少水稻田土N₂O排放,在琼北地区农业温室气体减排方面有较大的应用前景.     

N2O产生机制的同位素方法研究进展

N₂O是一种重要的温室气体,是由多种微生物的硝化与反硝化作用产生,但是它产生的生物地球化学机制还不十分清楚。本文结合N₂O产生的微生物过程,阐述了国内外利用同位素标记法、N₂O的δ¹⁵N和δ¹⁸O双同位素法、N₂O的δ¹⁵N^α（¹⁴N¹⁵N¹⁶O）和δ¹⁵N^β（¹⁵N¹⁴N¹⁶O）、SP值同位素异构体法以及多种同位素法相结合研究N₂O的产生机制及微生物过程,比较了这些方法的优缺点,尤其重点阐述了近些年来兴起的N₂O同位素异构体计算各过程贡献比例及其判别源与汇的理论及其应用。¹⁵N同位素富集因子法和SP值法也分别应用于产生N₂O的微生物群落结构、数量和活性变化的研究,以从根本上达到控制N₂O排放量的目的。同时指出同位素方法研究N₂O产生机制的困难和不足。     

设施菜田土壤N2O产生对O2的响应

以添加(DIS)/不添加(DI)玉米秸秆的常规设施菜田土壤为研究对象,通过室内培养试验,利用在线自动监测培养系统,在不同初始氧气体积分数下(0%、1%、3%、5%和10%)监测土壤N_2O、NO、N_2和CO_2产生量的动态变化,并同步分析了土壤无机氮(NO-2、NO-3、NH+4)含量,同时设置添加Na Cl O3的处理抑制土壤NO-2的氧化,以期对比研究不同碳投入菜田土壤N_2O产生量对O_2的响应.结果表明,厌氧条件下土壤N_2O产生量显著高于有氧条件下土壤N_2O产生量(P0.01).当氧气体积分数≤1%时,添加秸秆的(DIS)土壤N_2O产生量显著高于未添加秸秆的(DI)土壤(P0.01).土壤中氧耗竭时会观察到明显的N_2O产生速率峰值,但N_2产生速率峰值随着初始氧气体积分数的升高极显著降低(P0.01),反之,土壤中如果没有出现氧耗竭的现象,则N_2O和N_2产生量随着初始氧气体积分数的升高显著降低(P0.01).初始氧气体积分数介于1%~5%时,培养过程中会观察到持续的NO-2累积,且在该氧梯度内N_2O/(NO+N_2O+N_2)指数显著高于0%以及10%初始氧气体积分数的处理,此外,添加Na Cl O3后,当初始氧气体积分数为5%和10%时,持续增加的NO-2与N_2O产生量两者之间线性相关(R2≥0.85).本研究结果表明,低氧条件下不完全的反硝化和NO-2诱导的硝化细菌反硝化共同作用,显著增加了土壤N_2O的产生量和N_2O/(N_2O+NO+N_2)指数;但是,有氧条件下土壤N_2O的产生量显著低于厌氧条件(P0.01).     

大气CO2摩尔分数升高对高、低应答水稻稻田N2O排放的影响

依托稻田大气CO₂摩尔分数（x［CO₂］）升高平台FACE （free-air CO₂ enrichment）,采用静态透明箱-气相色谱法研究x［CO₂］升高（正常x［CO₂］+200 μmol·mol^-1）对高、低应答水稻（产量对x［CO₂］升高的响应分别为>30%和10%~15%）稻田N₂O排放的影响.本试验设置4个处理：A-W （正常x［CO₂］+低应答水稻）、F-W （x［CO₂］升高+低应答水稻）、A-S （正常x［CO₂］+高应答水稻）和F-S （x［CO₂］升高+高应答水稻）.结果表明,对比正常x［CO₂］处理（A-S和A-W）,x［CO₂］升高条件下高、低应答水稻（F-S和F-W）稻田N₂O排放分别降低52.54%（P<0.05）和38.40%（P<0.05）,水稻产量分别增加22.96%（P<0.05）和12.11%（P>0.05）,稻田N₂O排放强度分别降低61.68%（P<0.05）和45.13%（P<0.05）.另外,高、低应答水稻稻田N₂O排放与稻田土壤NH₄⁺-N含量呈显著相关关系,而与NO₂^--N含量无显著相关.x［CO₂］升高条件下,土壤温度是影响高应答水稻稻田N₂O排放的重要因素.综合考虑,未来x［CO₂］升高条件下,高应答水稻品种的\"增产减排\"效果最佳.     

太湖地区湖水与河水中溶解N2O及其排放

水体是N₂O排放的重要来源.2000-09～2001-09,每月2次采样(重复3次)连续监测太湖地区太湖和大运河水体N₂O排放通量和水中溶解的N₂O浓度,还同时监测不同深度水样中的N₂O浓度.结果表明,太湖N₂O-N的年均排放通量为3.53 μg/(m²·h),而大运河已高达122.5,μg/(m²·h).太湖湖水中溶解N₂O-N浓度为0.36μg/L,大运河河水中浓度高达11.31μg/L,浅水型水体是N2O排放的源.结果还表明,不同深度水中N2O浓度差异不明显,而时间差异显著.水面N2O的排放通量和水中溶解的N2O浓度呈显著正相关关系,二者又都与水温呈显著正相关. .     

不同海拔茶园土壤N2O排放的温度敏感性

针对氧化亚氮（N₂O）排放对增温响应在不同生物群落中可能存在差异和茶园土壤高度异质性会加剧其对增温响应的不确定性的问题,以海拔分别为（E1）537、（E2）433、（E3）350、（E4）308和（E5）238 m的茶园土壤为对象,在3个温度（15 、25 和30 ℃）下进行了为期35 d的培养实验,探究不同海拔茶园土壤N₂O温度敏感性及其驱动因素. 结果表明,增温会促进不同海拔茶园土壤N₂O排放,但对于不同海拔的影响并不一致. 具体而言,增温降低了E1处理的N₂O累计排放量,但差异不显著;同时增加了E2~E5处理的N₂O累计排放量,其中E3~E5处理的排放量显著增加. 不同海拔茶园土壤N₂O的Q₁₀值之间存在极显著差异,Q₁₀值的范围为0.90~4.98,其中：E4>E5>E3>E2>E1. 多元回归模型分析表明,土壤理化和微生物共同解释了不同海拔茶园土壤N₂O温度敏感性变异的97.4%,其中N₂O温度敏感性与细菌beta多样性PCoA1显著正相关. 研究结果认为,增温可促进不同海拔茶园土壤N₂O排放,但海拔与N₂O温度敏感性变化之间没有一致的变化规律,而N₂O温度敏感性主要受细菌beta多样性的影响.     

水稻产量、稻田CH4和N2O排放对长期大气CO2浓度升高的响应

大气CO₂浓度升高（[CO₂]_e）是全球气候变化的主要驱动力,可直接或间接影响稻田生态系统碳氮循环.深入探究长期（大于10 a）[CO₂]_e对水稻产量和稻田温室气体排放的影响,对保障粮食安全和评估未来气候变化意义重大.本研究以高、低应答水稻品种为供试材料,利用连续运行14 a的[CO₂]升高（free-air CO₂ enrichment,FACE）平台,共设置2个[CO₂]处理：对照（正常[CO₂],[CO₂]_a）和在[CO₂]_a基础上升高200 μmol·mol^-1（[CO₂]_e）.采用静态透明箱-气相色谱法测定稻田CH₄和N₂O排放量,并测定水稻产量.结果表明,对比[CO₂]_a,长期[CO₂]_e分别增加高、低应答水稻品种产量29%~31%（P<0.05）和12%~14%（P>0.05）;分别减少高、低应答水稻品种稻田CH₄排放21%~59%和11%~54%;同时,分别显著减少高、低应答水稻品种稻田N₂O排放70%（P<0.05）和40%（P<0.05）.水稻产量、稻田CH₄排放对长、短期[CO₂]_e的响应具有明显差异,随着[CO₂]_e年限的增加,水稻产量和稻田CH₄排放的增幅显著下降,而稻田N₂O排放无明显变化.综合考虑,长期[CO₂]_e条件下,高应答水稻品种为优先考虑种植的\"增产减排\"水稻品种.     

农田生态系统N2O排放的数值模拟研究

综合大气化学等多学科最新研究进展,建立了农田N₂O排放数值模式,模式较好地模拟了农田生态系统中N₂O排放过程.利用模式分析了气象因子对N₂O排放影响.结果表明:苏州稻田N₂O排放量与生长期平均气温存在显著正相关,与总辐射和降水量相关不明显;功率谱分析表明N₂O排放量存在7～9年的变化周期,与平均温度变化周期比较接近.模拟气候变化对N₂O排放的可能影响表明:气温比目前升高1℃,苏州稻田N2O排放量将平均增加4.5%.     

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.     

稻田土壤N2O消纳能力及nosZ-I型功能种群应答机制

稻田土壤长期的淹水厌氧环境有利于反硝化作用的进行,是导致N₂O大量排放的重要原因之一.目前,关于稻田土壤N₂O排放特征的相关研究已有不少,然而关于稻田土壤N₂O的消纳能力及相关功能微生物的应答机制尚不明确.本研究以淹水水稻土原状土柱（0~5 cm）为研究对象,在土柱底部输入外源N₂O气体,系统监测所添加外源N₂O通过土柱的浓度及关键土壤因子的动态变化特征,以及分析nosZ-I型功能种群组成的演替规律,以期揭示淹水水稻土N₂O的消纳能力及nosZ-I型功能种群的应答机制.结果表明,外源N₂O输入后约97.39%扩散进入土柱,逸散出土表的N₂O占0.72%~7.75%,达到排放高峰后被土壤继续消耗,培养192 h后外源N₂O处理比对照多消耗67.10% N₂O,N₂O消耗速率提高144.2%.同时,NH₄⁺-N、NO₃^--N和DOC分别多消耗了19.65%、16.29%和8.41%.N₂O输入192 h后nosZ-I的群落多样性没有显著差异,但是其种群组成发生显著改变：优势菌株OTU5004、OTU5065、OTU960和OTU1282（Proteobacteria）相对丰度显著提高,其中OTU5004菌株相对丰度比初始样和CK升高7.30%和4.63%,非优势菌株OTU5265（Azoarcus sp.）比初始样和CK升高0.33%和0.15%.上述结果表明,0~5 cm深度渍水水稻土壤具有很强的N₂O消耗能力,外源N₂O添加使N₂O消耗速率明显加快,提高了淹水水稻土壤对N₂O的消纳潜力,促进碳氮转化和nosZ-I群落组成变化,这将为降低大气N₂O排放提供新的参考.     

中亚热带森林土壤N2O消耗潜势及其控制因素研究

为了量化森林土壤N_2O消耗潜势并探讨其可能控制因素,选取中亚热带4种典型森林(建瓯的杉木人工林、罗浮栲天然林、米槠林及武夷山的米槠林)植被覆盖下的土壤,设置8个处理(预处理、基线处理、添加葡萄糖处理、添加NO~-_3处理、非淋洗处理、不添加N_2O处理、添加N_2O好气鲜土处理、不添加N_2O好气鲜土处理)进行室内培养实验.结果表明,厌氧条件下,在水分饱和、氮有效性低及添加外源N_2O时具有较大的N_2O消耗潜势.在上述条件下进行培养的土壤N_2O净通量在4种森林类型之间与两个土层之间均具有显著差异.添加外源硝态氮能显著降低土壤N_2O消耗,甚至出现N_2O排放现象(净通量高达2.19～2.38μg·g~(-1)·h~(-1));不添加外源N_2O也能显著降低土壤N_2O消耗.建瓯米槠林表层土具有较大的TC、TN及NH~+_4含量,结果表明,该种土壤具有较大的N_2O消耗潜力(净通量约为-1.39μg·g~(-1)·h~(-1)).     

碳底物含量对厌氧条件下水稻土N2、N2O、NO、CO2和CH4排放的影响

理解底物碳氮对厌氧条件下水稻土排放氮素气体——氮气(N2)、氧化亚氮(N2O)和一氧化氮(NO)以及二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的影响,有助于制定合理的温室气体减排措施,定量了解反硝化产物组成对碳底物水平的依赖性,也有助于氮转化过程模型研发中制定正确的关键过程参数选取方法或参数化方案.本研究采用粉砂壤质水稻土为研究对象,设置对照(CK)和加碳(C+)两个处理,前者的初始硝态氮和可溶性有机碳(DOC)含量分别为~50 mg·kg-1和~28 mg·kg-1,后者的分别为~50 mg·kg-1和~300 mg·kg-1.采用氦环境培养-气体及碳氮底物直接同步测定系统,研究了完全厌氧条件下碳底物水平对上述气体排放的影响.结果表明,CK处理无CH4排放,而C+处理可观测到CH4排放;C+处理的综合增温潜势显著高于CK处理(P<0.01);NO、N2O和N2排放量占这3种氮素气体排放总量的比重,在CK处理分别约为9%、35%和56%,在C+处理分别约为31%、50%和19%,处理间差异显著(P<0.01).由此表明,碳底物水平可显著改变所排放氮素气体的组成;对于旱地阶段硝态氮比较丰富的水稻土,避免在淹水前或淹水期间施用有机肥,有利于削减温室气体排放.     

杀菌剂对湖泊水体温室气体浓度分析的影响

通过往湖泊水样中添加杀菌剂(CuSO4和HgCl2),利用平衡法,用气相色谱仪测定CO2、CH4、N2O浓度,研究杀菌剂(CuSO4和HgCl2)添加对湖泊水体CO2、CH4、N2O浓度分析的影响.实验设计:对照组(CK)不加任何试剂;处理组T1加1mL CuSO4溶液,T2加5 mL CuSO4溶液,T3加0.5 mL HgCl2溶液;每组的水样分两批分析:(Ⅰ)预处理完成后立即分析和(Ⅱ)预处理完成后静置两天再分析.结果表明,CuSO4和HgCl2的添加均能明显增加水体中CO2的浓度,CK(Ⅰ)和CK(Ⅱ)的CO2平均浓度分别为(11.5±1.47)μmol·L-1和(14.38±1.59)μmol·L-1,T1(Ⅰ)和T1(Ⅱ)的CO2平均浓度分别为(376±70)μmol·L-1和(448±246.83)μmol·L-1;T2(Ⅰ)和T2(Ⅱ)的CO2平均浓度分别为(885±51.53)μmol·L-1和(988.83±101.96)μmol·L-1;T3(Ⅰ)和T3(Ⅱ)的CO2平均浓度分别为(287.19±30.01)μmol·L-1和(331.33±22.06)μmol·L-1.但CuSO4和HgCl2添加对水体中CH4和N2O的浓度没有影响.对比Ⅰ和Ⅱ的实验结果可知,在水样预处理完成后需当天分析其温室气体(CO2、CH4、N2O)浓度.本研究表明,杀菌剂的添加能显著增加水体CO2的浓度.     

基于区域氮循环模型IAP-N的安徽省农用地N2O排放量估算

本研究采用区域氮循环模型IAP-N估算了2011年安徽省县级共计7种农用地类型的N2O排放,估算所需的统计数据来源于安徽省各市统计年鉴,排放因子来源于已发表文献中的观测数据.结果表明,2011年安徽省农用地N2O总排放量(以N2O-N计)为3.51万t.其中,直接排放2.76万t,间接排放0.66万t,田间秸秆燃烧排放0.08万t.淮北平原(Ⅰ区)和沿江圩丘(Ⅱ区)是安徽农用地N2O主要排放区,对农用地N2O总排放的贡献分别为41%和35%.单纯旱作农田是各区最主要的直接排放源,约占直接排放的74%.Ⅱ区和Ⅲ区水旱轮作中的旱作地N2O排放居第二位(分别占Ⅱ区和Ⅲ区直接排放的19%和14%),Ⅳ区的果园茶园N2O直接排放居第二位(占Ⅳ区直接排放的22%).间接排放源中由大气氮沉降引起的N2O排放占三分之二.该研究结果可为决策者合理利用肥料,制定安徽省农业土壤温室气体减排措施提供科学依据.     

长期生物炭添加对稻田土壤细菌和真菌反硝化N2O排放的影响

由细菌和真菌驱动的反硝化作用是稻田土壤氧化亚氮（N₂O）排放的主要来源,一般认为生物炭通过影响细菌反硝化过程来减少N₂O排放,而对真菌反硝化的相关影响机制尚不清楚.以中国科学院常熟农业生态实验基地长期秸秆炭化还田试验田为对象,通过室内厌氧培养和分子生物学技术研究了长期不同生物炭施加量下（空白、 2.25 t·hm^-2和22.5 t·hm^-2,分别用BC0、 BC1和BC10表示）稻田土壤细菌和真菌反硝化产生N₂O的相对贡献及相关微生物的作用机制.结果表明,与BC0相比,生物炭处理显著降低了N₂O排放速率、反硝化势以及N₂O累积排放量,且3个处理中细菌反硝化贡献均大于真菌反硝化;其中,BC10的细菌反硝化相对贡献率（62.9%）相较于BC0（50.8%）显著增加,BC10的真菌反硝化相对贡献率（37.1%）显著低于BC0（49.2%）.生物炭施加显著增加了细菌反硝化功能基因（nirK、 nirS和nosZ）的丰度,减低了fungal nirK基因的丰度.相关分析结果表明真菌反硝化贡献率与N₂O排放速率显著正相关,与土壤pH、 TN、 SOM和DOC显著负相关.生物炭可能通过提高pH和碳氮含量等来抑制反硝化真菌的生长,降低相关功能基因丰度,从而减弱了真菌反硝化过程NO还原为N₂O的能力,使真菌反硝化过程产生N₂O的贡献率显著下降,从而减少了稻田土壤反硝化N₂O排放.本研究有助于拓宽对稻田土壤反硝化过程的认知,并为生物炭施用调控真菌反硝化N₂O排放提供理论基础.