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%.     

氮肥水平对不同土壤N2O排放的影响

鉴于N₂O排放量占施用氮肥量的比例即N₂O排放系数还有很大不确定性,室外盆栽试验于2002～2003年选取3个供试土壤,各土壤设置对照和低、中、高氮肥水平,全年施尿素量 (以N计) 分别为334、 670和1 004 kg/hm².结果表明,水稻生长季,各个土壤的N₂O累积排放量与其对照相比的增加量在低、中、高氮肥水平间无明显差异;而小麦生长季,随氮肥施用量增加,各个土壤的N₂O累积排放量与其对照相比的增加量在3种氮肥水平之间的差异显著.整个稻麦轮作系统,随氮肥用量的增加明显促进麦田N₂O的排放.无论水稻或小麦生长季,对照3个土壤的N₂O累积排放量并无显著差异,F土壤（江苏溧水）、G土壤（江苏涟水）和H土壤（江苏农科院）的N₂O累积排放量,在水稻生长季分别为168、 127和146 mg/m²;小麦生长季,分别为134、 124和168 mg/m².在施氮肥后,3个土壤的N₂O排放量出现差异,如在中氮水平下,小麦生长季,F土壤、G土壤和H土壤N₂O累积排放量分别为976、 744和626 mg/m².稻麦轮作生长季内,在低氮与中氮2个水平下,不同土壤间N₂O排放系数存在显著差异.以1个稻麦轮作周期为时间尺度,F土壤、G土壤和H土壤总的N₂O排放系数分别为1.1%±0.23%、 0.75%±0.17%和1.01%±0.11%,表明不同土壤对N₂O排放系数的影响不同.     

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. .     

地膜覆盖对稻-油轮作农田CH4和N2O排放的影响

以位于西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站内的稻-油轮作农田为研究对象,采用静态暗箱/气相色谱法,对覆膜与常规(不覆膜)两种处理下稻-油轮作农田CH_4和N_2O的排放特征及影响因素进行了为期一年的原位观测.结果表明,两种处理下,CH_4和N_2O的排放均主要集中在各作物的生长前期,水稻季CH_4和油菜季N_2O的排放通量均具有较明显的季节变化;全年CH_4的排放通量介于-0.45~1.90 mg·(m~2·h)~(-1),N_2O的排放通量介于-46.1~2 040.7μg·(m~2·h)~(-1).地膜覆盖提高了CH_4和N_2O排放总量,其中覆膜处理全年CH_4排放总量为(27.22±4.48)kg·hm~(-2),相比常规处理(19.93±0.56)kg·hm~(-2)提高了26.22%;覆膜处理N_2O的年排放总量为(13.14±0.82)kg·hm~(-2),较常规处理下(11.27±2.77)kg·hm~(-2)增加了16.6%.覆膜显著提高了油菜季土壤含水率,而对全年各作物季土壤温度(地下5 cm温度和地表温度)没有明显的影响.覆膜处理下油菜季CH_4和N_2O的排放与土壤含水率呈负相关,幼苗期达显著负相关;两种处理下,各作物季CH_4和N_2O的排放与土壤温度的相关性均很小.研究表明,地膜覆盖影响作物各生育期内CH_4和N_2O的排放规律,改变了作物各生育期内2种气体排放占全季排放量的比例,促进了稻-油轮作农田CH_4和N_2O的排放.在100 a时间尺度上,覆膜处理下全年排放的CH_4和N_2O所引起的综合GWP(CO_2量)为4 213.00 kg·hm~(-2),较常规处理3 454.17 kg·hm~(-2)提高了22.0%,表明覆膜不是一种有效的碳减排措施.     

地膜覆盖和生物炭添加对菜地N2O排放的影响

为研究生物炭添加(B0:0 t·hm^-2、 B20:20 t·hm^-2、 B40:40 t·hm^-2)和地膜覆盖（FM:覆膜、 NM:不覆膜）对菜地N₂O排放的影响,以西南大学农场内辣椒-萝卜轮作菜地为研究对象,采用静态暗箱/气相色谱法进行为期1 a的田间原位观测.共设置6个处理,分别为NMB0（CK）和FMB0、 NMB20和FMB20、 NMB40和FMB40.结果表明,FM显著提高辣椒季土壤中铵态氮和硝态氮含量（P<0.05）,而对萝卜季土壤环境因子均无显著影响.与NM相比,辣椒季FM分别对B0、 B20和B40处理下的N₂O排放提高了52.87%、 52.97%和52.49%（P<0.05）,但萝卜季FM对N₂O排放无显著影响.生物炭对辣椒和萝卜季土壤环境因子均无显著影响.萝卜季生物炭添加减少了28.76%～67.88%的N₂O排放（P<0.01）,辣椒季生物炭添加对N₂O排放无显著影响...     

三江平原沼泽湿地N2O浓度与排放特征初步研究

2001年8月到9月在三江平原沼泽湿地进行N₂O的原位静态箱观测.结果发现近地气层N₂O平均浓度为281.7×10^-9m³/m³,低于大气背景浓度,说明沼泽湿地可能是人类目前了解较少但很重要的N₂O汇.选取积水状况和地表植被不同的毛果苔草沼泽、小叶章湿草甸(Ⅰ,Ⅱ)以及作为对照的小麦休耕地进行观测,发现4个地点的N₂O排放日变化形式不完全相同,除小麦田全天持续排放N₂O外,其余各点一天当中均出现排放与吸收交替出现的情况.温度是影响排放模式的主要因素.观测期内毛果苔草沼泽、小叶章湿草甸(Ⅰ,Ⅱ)和小麦休耕地N₂O的平均排放强度分别为0.22μg/(m²·h),1.75μg/(m²·h),1.31μg/(m²·h)和4.86μg/(m²·h).氧化还原电位是决定沼泽湿地N₂O排放特征的关键因子,地表积水情况和土壤水分状况则是影响N₂O排放的另一重要因素.     

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).     

耕作制度对川中丘陵区冬灌田CH4和N2O排放的影响

采用静态暗箱/气相色谱法连续2 a田间原位测定,研究川中丘陵区冬灌田CH₄和N₂O的排放特征和不同耕作制度对冬灌田CH₄和N₂O排放的影响.结果表明,1a只种1季中稻冬季灌水休闲的冬灌田(PF),在水稻生长期,CH₄平均排放通量为(21.44±1.77)mg·(m²·h)^-1,非水稻生长期为(3.77±0.99)mg·(m²·h)^-1,分别大大低于以前文献报道的在西南其它地方观测值;全年CH₄排放量以水稻生长期CH₄排放量为主,非水稻生长期CH₄排放量仅占全年总排放量的23.2%.冬灌田N₂O排放通量年均值为(0.051±0.008)mg·(m²·h)^-1,且主要集中在水稻生长季,非水稻生长期N₂O排放量仅占全年总排放量的8.1%.在采用水旱轮作制后,冬灌田CH₄排放量大大降低,稻-麦轮作(RW)和稻-油菜轮作(RR)全年CH₄排放量分别为PF的43.8%和40.6%.但冬灌田改为水旱轮作制后,N₂O排放量显著增大,RW和RR的N₂O年排放量分别是PF的3.7倍和4.5倍.综合考虑冬灌田在采用不同耕作制度后排放CH₄和N₂O的全球增温潜势(GWP),无论是短时间尺度还是长时间尺度,采用3种耕作制度全年所排放的CH₄和N₂O所产生的综合GWP都为:PF RW≈RR.在20a、100a和500a时间尺度上,PF分别约是RW和RR的2.6、2.1和1.7倍.冬灌田改为水旱轮作制度后能大大减少CH₄和N₂O所产生的综合GWP.     

三峡库区消落带N2O排放及其影响因素

为了探讨亚热带水库消落带N_2O的排放规律,选取三峡库区王家沟一典型消落带内3个高程(180、175和155 m)作为研究对象,采用静态暗箱和浮箱法进行了为期2 a的连续观测.175 m和155 m高程位于三峡库区消落带上,而180 m高程作为对照,为永不淹水的陆地.结果表明,各高程处的N_2O排放通量都表现出明显的季节变化,180 m高程处的春季N_2O排放最低;175 m高程在实验观测的第一年表现为单峰型的夏季N_2O排放高峰,次年在三峡水库实现最高蓄水位175 m后,表现为干湿交替和夏季N_2O高排放的双峰型;155 m高程处只呈现为夏季高N_2O排放的单峰态.另外,位于消落带上的175 m和155 m高程均表现为落干期N_2O排放大于淹水期.各高程处N_2O的年累积排放量为175 m(853.92 mg·m-2)180 m(336.69mg·m~(-2))155 m(324.69 mg·m~(-2)),与180 m高程对照相比,表明短期淹水会促进N_2O排放,而长期淹水则会抑制N_2O排放.相关性分析显示,陆地与消落带落干期的N_2O排放与各环境因子间无显著相关性,消落带淹水期排放与水温和风速呈极显著负相关.对影响陆地、消落带淹水期和落干期N_2O排放的因素进行主成分分析可知,消落带淹水期水体中可溶性氮素的分布是影响水面N_2O排放的最主要因素,而消落带落干期及陆地则是受土壤碳氮含量、土壤温度、湿度及pH等因素的共同影响和制约.     

地膜覆盖对菜地垄沟CH4和N2O排放的影响

为了探讨地膜覆盖对菜地垄沟温室气体CH₄和N₂O排放的影响,以位于西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站内辣椒-萝卜轮作菜地为研究对象,采用静态暗箱/气相色谱法,进行为期1 a的田间原位观测.本试验设置常规和覆膜两种处理方式,研究地膜覆盖对菜地垄沟中CH₄和N₂O排放的影响.结果表明,地膜覆盖能极显著提高土壤全年pH（P<0.01）,显著提高全年的地表温度和地下5 cm温度（P<0.05）,显著提高萝卜季土壤含水率（P<0.05）.不论是辣椒季还是萝卜季,覆膜显著降低了垄的CH₄排放（P<0.05）,辣椒季垄的CH₄平均排放通量常规和覆膜处理分别为0.110 mg·（m²·h）^-1和0.028 mg·（m²·h）^-1,萝卜季分别为0.011 mg·（m²·h）^-1和-0.019 mg·（m²·h）^-1,但覆膜对沟的CH₄排放没有显著影响（P>0.05）,辣椒季常规和覆膜处理分别为0.058 mg·（m²·h）^-1和0.057 mg·（m²·h）^-1,萝卜季分别为0.083 mg·（m²·h）^-1和0.092 mg·（m²·h）^-1,对比垄和沟,除了辣椒季常规处理下垄CH₄排放量显著高于沟,其它均为沟显著高于垄,这与西南地区较高的降雨量下沟内较稳定的缺氧环境有关.覆膜处理对N₂O没有显著影响,辣椒季垄N₂O的平均排放通量常规和覆膜处理下分别为65.41 μg·（m²·h）^-1和68.39 μg·（m²·h）^-1,萝卜季分别为78.43 μg·（m²·h）^-1和66.19 μg·（m²·h）^-1,辣椒季沟N₂O的平均排放通量分别为19.82 μg·（m²·h）^-1和22.85 μg·（m²·h）^-1,萝卜季分别为35.80 μg·（m²·h）^-1和40.00 μg·（m²·h）^-1,均无显著差异（P>0.05）,对比垄和沟,垄N₂O的排放量显著高于沟,N₂O主要由垄向大气排放.CH₄排放通量与地表及地下5 cm温度呈显著正相关,N₂O的排放通量仅与碱解氮和铵态氮含量呈显著正相关.     

地膜覆盖和施氮对菜地N2O排放的影响

为了探讨地膜覆盖和不同施氮处理对菜地N_2O排放的影响,以位于西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站内辣椒-萝卜轮作菜地为研究对象,采用静态暗箱/气相色谱法,进行为期2 a的田间原位观测.试验设置8个处理,分别为对照常规(NN0)、对照覆膜(FN0),低N常规(NN1)、低N覆膜(FN1),中N常规(NN2)、中N覆膜(FN2),高N常规(NN3)、高N覆膜(FN3),研究地膜覆盖和施氮对菜地N_2O的排放特征和影响因素.结果表明,覆膜与常规两种种植方式对于菜地N_2O的排放体现出明显差异,表现为辣椒季常规显著大于覆膜(P 0. 05),萝卜季为覆膜显著大于常规(P 0. 05). 2014年5月至2016年4月观测期间,覆膜种植下无氮、低氮、中氮和高氮菜地N_2O年均累积排放量分别为244. 91、730. 49、903. 32和1 867. 45 mg·m-2,常规种植下N_2O年均累积排放量为221. 48、840. 33、1 256. 50和1 469. 67 mg·m-2.不同施氮梯度对于菜地N_2O的排放呈现为随施氮量增加N_2O的排放随之增加.通过计算N_2O排放系数可知,覆膜可以一定程度上降低辣椒季N_2O的排放系数,而萝卜季则没有明显规律. 2014年5月至2015年4月,辣椒季常规和覆膜种植下均为低氮菜地的N_2O排放系数最高,在萝卜季则显示为高氮排放系数最高; 2015年5月至2016年4月,则显示辣椒季为高氮菜地N_2O排放系数最高,而萝卜季低氮菜地最高. N_2O的排放通量和土壤氮素含量以及土壤温度呈显著相关关系,而地膜覆盖可一定程度地增加土壤中氮素的含量,进而影响菜地N_2O的排放通量.     

地膜覆盖和施氮对菜地CH4排放的影响

以位于西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站内辣椒-萝卜轮作菜地为研究对象,采用静态暗箱/气相色谱法,进行为期2 a的田间原位观测,探讨地膜覆盖和不同施氮处理对菜地CH_4排放的影响.本实验设置8个处理,分别为对照常规(NN0)、对照覆膜(FN0),低N常规(NN1)、低N覆膜(FN1),中N常规(NN2)、中N覆膜(FN2),高N常规(NN3)、高N覆膜(FN3),研究地膜覆盖和施氮对菜地CH_4的排放特征和影响因素以及土壤碳氮组分的变化规律.结果表明,覆膜与常规两种种植方式对于菜地CH_4的排放没有明显差异. 2014年5月～2016年4月,覆膜种植下无氮、低氮、中氮和高氮菜地CH_4年均累积吸收量分别为28. 96、51. 90、43. 43和34. 41 mg·m~(-2),常规种植下CH_4年均累积吸收量分别为40. 76、63. 56、62. 77和21. 92 mg·m~(-2).不同施氮梯度对于菜地CH_4的排放没有显著影响.菜地CH4的吸收量与土壤温度呈显著正相关关系,与土壤含水率则呈现为显著负相关关系.地膜覆盖在辣椒季加速了土壤碳素的矿化,而在萝卜季则没有显著影响.     

地膜覆盖对蔬菜地甲烷排放的影响

以位于西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站内辣椒-萝卜轮作菜地为研究对象,采用静态暗箱/气相色谱法,通过1 a的田间原位观测,研究地膜覆盖对菜地生态系统土壤的水热条件、CH_4排放通量及各土层CH_4剖面浓度的影响.结果表明,地膜覆盖能显著提高春夏辣椒种植季的土壤温度(P0.01),而在秋冬萝卜种植季则改变不明显(P0.05);覆膜种植土壤含水率在萝卜季显著高于常规种植(P0.05),而在辣椒季则差异不显著(P0.05);在整个观测周期内,覆膜和常规种植条件下,土壤CH_4的排放通量均无明显变化规律,CH_4排放通量的均值分别为-7.64μg·(m~2·h)~(-1)和-9.00μg·(m~2·h)~(-1),整个观测期CH_4净吸收量分别为0.54 kg·hm~(-2)和0.64 kg·hm~(-2),表明地膜覆盖在一定程度上能削弱土壤作为CH_4汇的能力.在各土层CH_4浓度观测方面,发现两种种植方式在整个观测周期内各土层CH_4浓度变化趋势大致相同,表现为:10 cm20 cm30 cm,覆膜土壤CH_4浓度在20 cm、30 cm深土层显著低于常规种植(P0.05),而在10 cm土层差异不显著(P0.05).相关性分析结果表明,覆膜种植土壤CH_4的排放通量与5 cm地温显著正相关(P0.05),与土壤含水率之间显著负相关(P0.05),而在常规种植条件下,CH_4排放通量与地表温度、5 cm地温及土壤含水率均无相关性;两处理10 cm、20 cm土层CH_4浓度均与地表CH_4浓度呈显著正相关(P0.01),30 cm土层CH_4浓度与地表温度及5 cm地温均呈显著正相关,各土层CH_4浓度与土壤含水率无显著相关关系.     

高强度农业种植区不同景观池塘氧化亚氮排放特征

农业流域水体氮循环过程与农业活动有着十分紧密联系,会随着农业活动的持续进行而成为大气N₂O的重要排放源.小型池塘具有灌溉、蓄水和纳污等多种功能,是农业种植区和农村景观的重要组成部分.以巢湖北岸典型农业流域烔炀河流域为研究对象,选取3种不同类型(村塘、农塘和水塘),共计6个池塘,于2020年9月至2021年9月连续采样观测,探究了农业流域不同景观池塘N₂O排放特征及其影响因素.结果表明,用于生活污水承纳的村塘N₂O排放最高,其次为用于农业灌溉的农塘,其N₂O排放通量分别为流域自然水塘排放量[(1.33±2.50)μmol·(m²·d)^-1]的8倍和4倍.连续观测表明不同景观池塘N₂O排放表现出明显的时间变化特征,但其N₂O排放时间变化的调控因子有所不同.其中,村塘与农塘N₂O排放主要受氮负荷和降雨影响,而远离村庄农田的水塘N₂O排放变化主要受水温驱动.烔炀河流域池塘是大气...     

秸秆还田、地膜覆盖及施氮对冬小麦田N2O和N2排放的影响

为探究不同耕作方式及施氮水平下黄土高原地区旱地冬小麦田N₂O排放规律,运用静态箱-气相色谱法研究了冬小麦田N₂O排放动态.以冬小麦‘小偃22’为材料,采取双因素裂区试验设计,主区为3种耕作模式：常规耕作（CT）、秸秆还田（SM）和平膜覆盖（FM）;副区为3种氮水平处理：不施氮、减氮20%(144 kg·hm^-2)和常规施氮(180 kg·hm^-2).以常规耕作（CT）为对照,探讨不同施氮水平下FM和SM对土壤N₂O排放产生的影响,同时分析环境因子与N₂O排放通量的相关性,并根据经验公式估算N₂排放量.结果表明,各施氮处理的土壤N₂O的排放主要集中在施肥后20 d内,且N₂O排放通量峰值出现在施肥后两周之内.冬小麦田的平均N₂O通量为1.92～22.75μg·（m²·h）^-1,累积排放量为0.10～0.46 kg·hm^...     

川中丘陵区农田源头沟渠玉米季中氧化亚氮排放及其影响因素

农田周边的排水沟渠不仅是农田养分迁移的重要通道,也是氮转化非常活跃的场所和潜在的氧化亚氮(N_2O)排放源.本研究以川中丘陵区农田源头沟渠为对象,在6~9月的玉米季(雨季),采用静态箱-气相色谱法对其N_2O排放开展原位观测.结果表明,在整个观测期有自然植被覆盖的沟渠生态系统(V)N_2O累积排放量(以N计)为0.43 kg·hm~(-2),而无自然植被覆盖的对照处理(NV,代表沟渠中的沉积物-水界面系统)则为0.07 kg·hm~(-2).该沟渠生态系统的N_2O平均排放通量[14.7μg·(m~2·h)-1]已达到本地区玉米农田直接排放的水平,表明玉米季中农田源头沟渠是不容忽视的N_2O源.川中丘陵区雨季丰富的降雨径流携带大量农田硝态氮进入沟渠,促进N_2O产生和排放,此外,植物的存在可大幅度提高农田沟渠的N_2O间接排放系数(V:0.05%vs.NV:0.01%).由于本研究的N_2O间接排放系数远低于2006年IPCC建议的缺省值(0.25%),如果仅采用IPCC缺省值来估算本地区沟渠生态系统的N_2O排放,可能导致较大误差.未来研究中应对原位观测多予以重视,为进一步修正其缺省值提供理论依据.