长期施肥对双季稻田甲烷排放和关键功能微生物的影响

研究不同施肥措施对双季稻田甲烷(CH_4)排放特征的影响及其微生物学机理,对合理利用及评价不同施肥模式对水稻生长的影响具有重要意义。以长期施肥定位试验田为平台,采用静态箱-气相色谱法对施用化肥(MF:mineral fertilizer alone)、秸秆还田配施化肥(RF:rice residues plus mineral fertilizer)、30%有机肥配施70%化肥(LOM:30%organic matter plus 70%mineral fertilizer)、60%有机肥配施40%化肥(HOM:60%organic matter plus 40%mineral fertilizer)和无肥(CK:without fertilizer)条件下双季稻田CH_4排放及其微生物学机理进行了分析。结果表明,早稻和晚稻生长期,不同施肥处理稻田CH_4排放通量均显著高于CK,表现为HOMLOMRFMFCK。各处理间CH_4总排放量差异达显著水平,其大小顺序与排放通量趋势一致,以HOM处理为最高,比CK处理增加105.56%,其次是LOM和RF处理,分别比CK处理增加72.97%和54.17%。关键功能土壤微生物测定结果表明,早稻和晚稻各个主要生育时期,各处理稻田土壤产甲烷古菌的数量变化范围为(3.18—81.07)×10~3cfu/g,土壤甲烷氧化细菌的数量变化范围为(24.82—379.72)×10~3cfu/g。稻田土壤产甲烷古菌和甲烷氧化细菌数量大小顺序为HOMLOMRFMFCK,各施肥处理均显著高于CK;HOM、LOM、RF处理显著高于MF、CK处理。双季稻田CH_4排放与稻田土壤产甲烷古菌、甲烷氧化细菌数量变化关系密切。采用有机无机肥配施促进了双季稻田生态系统CH_4的排放和关键功能微生物的数量。     

遮阴对米槠和杉木原位排放甲烷的影响

尽管植物在有氧环境是否有氧排放甲烷(CH4)一直存在很大的争议,但越来越多的研究证实植物自身可以排放CH4,而光照是影响植物排放CH4的重要因素。利用13C同位素标记技术结合盆栽实验,探讨了米槠和杉木叶片原位排放CH4的来源及其对太阳光照和遮阴处理的响应。结果表明,标记米槠和杉木叶片的碳稳定同位素13C值分别比未标记的高128.9和71.1倍;密封标记米槠和杉木叶片2h后的δ13CH4值分别比0h时高21.1倍和28.2倍,而未标记米槠和杉木在密封0h与2h时的δ13CH4值之间均没有显著差异,这证实了米槠和杉木排放的CH4主要源于他们自身。自然光照下,杉木的平均CH4排放速率比米槠的平均CH4排放速率高29%。自然光照下的米槠和杉木的CH4排放速率具有相同的波动规律;遮阴对米槠和杉木的CH4排放的影响不同,遮阴处理米槠的CH4排放速率显著低于自然光照处理,平均低23%;遮阴处理杉木的平均CH4排放速率与自然光照处理的没有显著差异,但在遮阴处理5d之后,其CH4排放速率比自然光照下的高71%,之后其CH4排放速率急剧下降,且明显低于自然光照下的CH4排放速率。以上结果表明,太阳光照促进了植物排放CH4的速率。     

土壤氧气可获得性对双季稻田温室气体排放通量的影响

为探讨土壤氧气可获得性(SOA)对双季稻田温室气体排放的影响,利用静态箱气相色谱法对多种管理措施影响下稻田温室气体排放通量和土壤氧化还原电位(Eh)、pH值及田间淹水深度(H)等3种SOA因子进行了观测。结果表明,甲烷(CH₄)排放最集中的Eh值、pH值和H范围分别为-100-0mV、5 < pH < 6和1-5cm,3个范围内分别观测到48.8%、61.1%和77.0%的CH₄排放,其中H对CH₄排放影响最明显,单独由其就可解释37.8%的CH₄排放通量(P < 0.0001)。对于氧化亚氮(N₂O),观测到较多的负通量,其纯排放最密集的3种SOA因子的范围分别是:0-100mV、5 < pH < 6和1-5cm,而200-300mV是其排放的临界Eh范围,高于此范围N₂O排放极少。厌氧的反硝化过程是双季稻田N₂O产生的主导过程。可为水稻田温室气体排放机理研究提供基础数据。     

不同冬季覆盖作物对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响

采用静态箱-气相色谱法对不同冬季覆盖作物处理［免耕直播黑麦草-双季稻(T₁)、免耕直播紫云英 双季稻(T₂)、翻耕移栽油菜-双季稻(T₃)、免耕直播油菜-双季稻(T₄)和冬闲-双季稻(CK)］下稻田甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）排放进行观测,分析了不同冬季覆盖作物对稻田CH₄和N₂O排放的影响.结果表明：在冬季作物生长期,不同冬季覆盖作物稻田CH₄和N₂O总排放量与对照（CK）的差异均达到极显著水平（P<0.01）;T₃和T₁处理的稻田CH₄和N₂O排放量最高,其CH₄排放量分别为0.88 和0.60g·m^-2,N₂O排放量分别为0.23 和0.20 g·m^-2;冬季作物还田后,各处理早、晚稻田CH4排放量均明显高于对照.早稻田CH₄排放量最高的为T₁和T₂处理,分别达21.70和20.75 g·m^-2;晚稻田CH₄排放量最高的为T₃和T₄处理,分别为58.90和54.51 g·m^-2.各处理早、晚稻田N₂O总排放量均显著高于对照,T₁、T₂、T₃和T₄处理的早稻田N₂O总排放量分别比对照增加53.7%、12.2%、46.3%和29.3%,晚稻田分别比对照增加28.6%、3.8%、34.3%和27.6%.     

川中丘陵区冬灌田甲烷和氧化亚氮排放研究

采用静态暗箱/气相色谱法对川中丘陵区冬灌田CH₄和N₂O排放特征进行连续一年的田间原位测定.结果表明,种植水稻区(种植区)在水稻生长季平均CH₄排放速率为22.76±2.76 mg·m^-2·h^-1,休闲期平均为1.43±0.20 mg·m^-2·h^-1,全年平均为9.64±1.17 mg·m^-2·h^-1;全年CH₄排放主要集中在水稻生长季,其累计CH₄排放量占全年总CH₄排放量的91.2%未种植水稻区(对照区) 全年CH₄平均排放速率为2.03±0.18 mg·m^-2·h^-1,水稻生长季CH₄排放量占全年总排放量的86.2%.N₂O的排放在稻田落干时呈现脉冲排放.在水稻生长季,对照区CH₄和N₂O的季节排放速率分别为4.53±0.38mg·m^-2·h^-1和32.01±5.02 μg·m^-2·h^-1,而种植区则分别为22.76±2.76 mg·m^-2·h^-1和73.04±5.03 μg·m^-2·h^-1,植株参与导致CH₄和N₂O排放速率分别增加302%和128%.CH₄和N₂O的排放随土水分条件的变化呈互为消长关系.在冬灌田中,即使考虑500年的时间尺度,全年N₂O排放产生的全球增温潜势也只有CH₄的7.9%,与CH₄相比,冬灌田排放的N₂O所产生的温室效应很小.     

生物黑炭对旱地土壤CO2、CH4、N2O排放及其环境效益的影响

采用土柱室内模拟的方法,通过添加0%、0.5%、2%、4%、6%、8%生物黑炭于土壤中,测定土壤CO2、CH4、N2O排放通量,探讨生物黑炭对旱地土壤CO2、CH4、N2O排放及其环境效益的影响。结果表明:室内模拟土柱培养期内,施用生物黑炭能显著增加CO2排放,且生物黑炭添加百分数(x)与CO2累积排放量(y)之间满足线性方程:y=12.591x+235.02(R2=0.834,n=24);当生物黑炭添加量达到2%及以上时,基本抑制了CH4的排放和显著减少土壤N2O排放,并显著减少CH4和N2O的综合温室效应,当其达到4%以上时,CH4和N2O的综合温室效应降幅更大并趋于稳定,但施用少量生物黑炭(0.5%)可显著促进N2O排放,对减少CH4和N2O综合温室效应并无明显效果。生物黑炭表观分解率随其添加量的增加逐渐减少,生物黑炭添加比例越高,积累于土壤中的碳越多,从投入生物黑炭量与固碳量和减排比角度综合考虑,农业生产中推荐生物黑炭施用量为20 t/hm2,其固碳减排效果俱佳。     

冬季作物种植对双季稻根系酶活性及形态指标的影响

基于湖南长沙7a定位试验,以冬闲为对照,研究了冬种马铃薯、紫云英及油菜为前茬作物对早、晚稻根系酶活性、形态指标及产量的影响.结果表明,与冬闲相比,冬种作物后早、晚稻根系丙二醛(MDA)含量增加,但其根系的活性氧清除能力更强(SOD、POD和CAT活性高),能够在一定程度上缓解膜脂过氧化作用带来的伤害;冬种不同作物对早晚稻根系形态的影响表现不一.冬种马铃薯和紫云英处理在早稻生育后期的根系优势明显,并能在一定程度上促进晚稻根系生长,双季稻总产量较对照分别增加6.29％和7.76％,而冬种油菜抑制了晚稻根系生长,导致晚稻产量及双季稻总产分别降低6.31％和1.96％;相关性分析表明,灌浆期较高的根长、根数、根体积和根表面积是冬种作物改善双季稻产量的主要原因.综合来看,冬种马铃薯和紫云英对于促进双季稻根系生长,提高稻谷产量具有重要作用,而冬种油菜则不利于提高双季稻的稻谷生产力.     

作物对黄土性土壤氧化亚氮排放的影响——根系与土壤氧化亚氮排放

以冬小麦田耕作层原状土为研究对象,采用了室内培养实验的方法,观测了小麦生长期不同阶段根系对土壤N2O排放的影响,及对土壤N2O排放的水、热效应的影响。结果表明,在实验的各个时期土壤N2O平均排放通量麦田均高于休耕地,在孕穗期麦田N2O排放通量出现最大值;而随根系质量和活性下降,生殖后期N2O排放量减少。小麦主根区与行间土壤N2O排放量存在差异,其主要表现在孕穗期,行间N2O排放通量是主根区的5.64倍,但开花期和成熟期差异表现并不明显。在小麦开花期和成熟期土壤N2O排放温度效应受作物根系的影响显著,而孕穗期不明显。小麦根系对水分效应影响主要集中表现在15～20cm的土层。同时,研究还发现种植小麦使土壤中N2O排放的主要区域扩大。     

不同水位管理对恢复泥炭地土壤CO2、CH4排放的影响

泥炭地水文条件影响泥炭地生物地球化学循环,控制和维持着泥炭地生态系统的结构和功能,是泥炭地生态恢复的重要前提。然而,目前关于恢复泥炭地土壤碳排放对不同水位的响应尚不明确。以长白山区天然（NP）、退耕（DP）及实施不同水文管理的恢复泥炭地（低水位（LR）、高水位（HR）与高低交替水位（H-LR））为研究对象,采用静态箱-气相色谱法对研究区泥炭地进行生长季（6-10月）土壤CO₂、CH₄排放监测。结果表明：温度和水位变化是研究区泥炭地土壤CO₂、CH₄排放季节变化的主控因子。H-LR受水位控制的影响,生长季土壤CO₂排放速率波动剧烈,其它水位管理恢复区土壤CO₂排放速率呈单峰型排放模式,且均与近地表温度呈指数相关（P<0.05）。除HR外,土壤CO₂排放速率与水位呈显著负相关（P<0.05）。生长季,研究区HR土壤CH₄排放速率呈双峰型,H-LR与NP的土壤CH₄排放呈单峰型,与近地表温度呈指数相关（P<0.05）,LR水位与CH₄排放速率显著正相关（P<0.05）。研究区不同水位管理恢复泥炭地土壤碳排放差异显著,虽然HR的土壤CO₂-C累积碳排放量显著低于其它水位恢复区,但其土壤CH₄-C累积碳排放量和综合增温潜势显著高于其它水位恢复区（P<0.05）。LR的累积碳排放量显著低于退化泥炭地,且其综合增温潜势最低。因此,建议在泥炭地恢复初期将低水位管理作为短期策略,以更好地恢复泥炭地碳汇功能,减弱其增温潜势。     

免耕施肥对稻田甲烷与氧化亚氮排放及其温室效应的影响

2008年采用静态箱-气相色谱法对鄂东南免耕不施肥(NT₀)、翻耕不施肥(CT₀)、免耕施肥(NTC)和翻耕施肥(CTC) 4种处理下稻田CH₄和N₂O的排放进行测定.结果表明：各处理CH₄排放均呈先升高后降低的季节性规律,而N₂O排放的季节性规律不明显;施肥显著提高了稻田CH₄和N₂O的排放.与翻耕不施肥相比,免耕不施肥显著提高了CH₄的排放量,并显著降低了N₂O的排放量;与翻耕施肥相比,免耕施肥仅略降低了CH₄的排放量和略提高了N₂O的排放量.对稻田CH₄和N₂O两种气体的综合温室效应分析表明,与翻耕不施肥相比,免耕不施肥的综合温室效应提高了25.9%,与翻耕施肥相比,免耕施肥的综合温室效应降低了10.1%.因此,合理的肥料运筹和稻田免耕技术可降低两种气体的综合温室效应.     

黄河上游灌区稻田N2O排放特征

黄河上游灌区稻田高产区过量施肥现象十分突出,氮肥过量施用引起土壤氮素盈余,导致N₂O排放量增大,由此引起的温室效应引起广泛关注。采用静态箱-气相色谱法研究黄河上游灌区稻田不同施肥处理下N₂O排放特征。试验设置5个施肥处理,包括常规氮肥300 kg/hm²下单施尿素和有机肥配施2个处理,分别用N300和N300-OM代表;优化氮肥240 kg/hm²下单施尿素和有机肥配施2个处理,分别用N240和N240-OM代表;对照不施氮肥用N0代表。试验结果得出,灌区水稻生长季稻田土壤N₂O排放主要集中在水稻分蘖前及水稻生长的中后期,稻田氮肥施用、灌水及土壤温度的变化对N₂O排放通量影响较大,不同处理水稻各生育阶段N₂O累积排放量与稻田土壤耕层NO^-₃-N含量动态变化显著相关。稻田N₂O排放不是黄河上游灌区稻田氮素损失的主要途径,但灌区稻田N₂O排放的增温潜势较大;稻田氮肥过量施用会显著增加N₂O排放量,在相同氮素水平下,有机肥配施会显著增加稻田土壤N₂O的排放量(P＜0.01)。优化施氮能有效减少灌区稻田水稻生长季N₂O排放量。稻田不同处理的水稻整个生长季土壤N₂O排放总量为2.69-3.87 kg/hm²,肥料氮通过N₂O排放损失的百分率仅为0.43%-0.64%。在灌区习惯灌水和高氮肥300 kg/hm²时,N300-OM处理的稻田N₂O排放量达3.87 kg/hm²,在100 a时间尺度上的全球增温潜势(GWPs)为20.76×10⁷ kg CO₂/hm²;优化施氮240 kg/hm²水平下,N240和N240-OM处理的N₂O累计排放量较N300-OM处理,分别降低了1.18 kg/hm²和0.57 kg/hm²,在100 a尺度上每年由稻田N₂O排放引起的GWPs分别降低了6.33×10⁷ kg CO₂/hm²和3.06×10⁷ kg CO₂/hm²。     

东北温带次生林和落叶松人工林土壤CH4吸收和N2O排放通量

2007年6月-2008年6月,在帽儿山用静态箱/气相色谱法测定了相邻次生林和落叶松人工林土壤CH4和N2O通量,结果表明:次生林转变为落叶松人工林后土壤年CH4吸收和年N2O排放通量均显著增加,分别为次生林的1.2倍和3.6倍.两林分CH4和N2O通量表现相似的季节动态,生长季土壤CH4吸收通量和N2O排放通量均高于非生长季.次生林和落叶松人工林土壤CH4吸收通量与土壤温度均呈正相关关系,而与土壤含水量呈负相关关系.土壤N2O排放通量与土壤温度和土壤铵态氮含量均呈正相关关系,而与土壤含水量没有明显相关性.次生林转变为落叶松人工林后,落叶松林地较厚的凋落物层改变了林地土壤水分的格局,影响了土壤的CH4和N2O通量.     

复合稻田生态系统温室气体交换及其综合增温潜势

研究稻田CO2、CH4、N2O等温室气体的综合增温潜势,有助于科学评价复合稻田生态系统在减少温室气体排放和减缓全球变暖方面的作用,为稻鸭、稻鱼复合种养模式的发展提供依据。2006年采用静态箱法研究了养鸭稻田（RD）、养鱼稻田（RF）和常规淹水稻田（CK）的CH4、N2O的排放量。水稻整个生育期间,RD、CK和RF的CH4排放量分别是19.11、26.71g/m^2和25.01g/m^2;N2O排放量分别是0.237、0.229、0.237g/m^2。采用干物质积累法测得,水稻整个生长期内RD处理地上稻株对CO2的净固定量为2766.4g/m2,RF为2759.59g/m^2,CK为2533.9g/m^2。采用土壤有机碳库的变化估算土壤CO2净交换通量,水稻整个生育期间,三类稻田土壤亚系统均表现为对CO2的净固定,相当于固定CO2量分别为RD675.55g/m^2、CK575.43g/m^2、RF562.62g/m^2。三类稻田温室气体的交换均表现为CO2的净吸收、CH4、N2O的净排放,综合增温潜势以RD为最低。稻田养鸭能显著减少甲烷排放,降低增温潜势,其减缓综合温室效应的潜力是常规淹水稻田的1.6倍左右。     

城市化地区典型水体的N2O排放通量特征——以南京市为例

内陆淡水水体是大气中N₂O的重要排放源,然而目前对于内陆典型城市水体N₂O排放通量的监测数据依然匮乏,典型城市水体的N₂O排放特征及驱动因素尚不清楚。本研究选取了南京市江北新区的典型水体,包括湖库、河流、养殖池塘和景观池塘,在2020年5月-2021年4月利用漂浮箱法连续监测了不同水体类型的水-气界面N₂O排放特征,并通过测定水环境特征,探究驱动水体N₂O排放通量的关键因素。研究结果表明,典型城市水体整体均表现为N₂O排放源,河流和养殖池塘的日平均排放通量最大,分别为（503±1236）μg m^-2 d^-1和（508±797）μg m^-2 d^-1,其次为景观池塘（（179±989）μg m^-2 d^-1）,而湖库的N₂O排放通量最小,仅表现为微弱的N₂O排放源（（54±212）μg m^-2 d^-1）。水体的N₂O排放呈现季节性差异,河流和养殖池塘夏季的N₂O排放通量显著高于其他季节（P<0.01）。水体全年N₂O排放数据与水体温度和溶解氧含量（DO）呈显著相关。而在温度较高的5月份-9月份（>20℃）,氮输入成为影响N₂O排放通量的关键因素（P<0.01）,因此控制城市水体的氮输入尤其是在水温较高的夏季是减少N₂O排放的有利措施。此外,由于水文化学条件差异等因素,小型封闭水体包括养殖池塘和景观池塘的N₂O排放通量差异较大,未来应加强监测不同水体的水文化学特征和N₂O的时空排放特征,探讨影响小型封闭水体水-气界面N₂O排放通量的具体驱动因素。此研究为城市区域N₂O排放的精准核算提供了数据支撑,为N₂O排放模型的修正提供了科学依据。     

Earthworm effects on gaseous emissions during vermifiltration of pig fresh slurry

Treatment of liquid manure can result in the production of ammonia, nitrous oxide and methane. Earthworms mix and transform nitrogen and carbon without consuming additional energy. The objective of this paper is to analyse whether earthworms modify the emissions of NH₃, N₂O, CH₄ and CO₂ during vermifiltration of pig slurry.The experiment used mesocosms of around 50 L, made from a vermifilter treating the diluted manure of a swine house. Three levels of slurry were added to the mesocosms, with or without earthworms, during one month, in triplicate. Earthworm abundance and gas emissions were measured three and five times, respectively.There was a decrease in emissions of ammonia and nitrous oxide and a sink of methane in treatments with earthworms. We suggest that earthworm abundance can be used as a bioindicator of low energy input, and low greenhouse gas and ammonia output in systems using fresh slurry with water recycling.     

Role of Microorganisms in Emission of Nitrous Oxide and Methane in Pulse Cultivated Soil Under Laboratory Incubation Condition

Soil from a pulse cultivated farmers land of Odisha, India, have been subjected to incubation studies for 40 consecutive days, to establish the impact of various nitrogenous fertilizers and water filled pore space (WFPS) on green house gas emission (N₂O & CH₄). C₂H₂ inhibition technique was followed to have a comprehensive understanding about the individual contribution of nitrifiers and denitrifiers towards the emission of N₂O. Nevertheless, low concentration of C₂H₂ (5 ml: flow rate 0.1 kg/cm²) is hypothesized to partially impede the metabolic pathways of denitrifying bacterial population, thus reducing the overall N₂O emission rate. Different soil parameters of the experimental soil such as moisture, total organic carbon, ammonium content and nitrate–nitrogen contents were measured at regular intervals. Application of external N-sources under different WFPS conditions revealed the diverse role played by the indigenous soil microorganism towards green house gas emission. Isolation of heterotrophic microorganisms (Pseudomonas) from the soil samples, further supported the fact that denitrification might be prevailing during specific conditions thus contributing to N₂O emission. Statistical analysis showed that WFPS was the most influential parameter affecting N₂O formation in soil in absence of an inhibitor like C₂H₂.     

Nitrogen retention versus methane emission: Environmental benefits and risks of large-scale wetland creation

Coastal eutrophication by nutrient fluxes from agricultural land to marine recipients is presently combated by measures such as the implementation of watershed-scale wetland creation programs aimed at nitrogen removal. Such created agricultural wetlands - termed ‘nitrogen farming wetlands’ (NFWs) - receive nitrogen (N) loads predominantly as nitrate, facilitating N removal by denitrification. However, the conversion of agricultural soils into waterlogged wetland area is likely to increase climate gas emissions, particularly methane (CH₄). There is thus a need to evaluate the benefits and risks of wetland creation at a large, watershed-scale.Here we investigate N retention and CH₄ emission originating from watershed-scale wetland creation in South Sweden, the relation between both processes, and how CH₄ emission depends on individual wetland parameters. We combine data from intensively studied reference wetlands with an extensive wetland survey to predict N retention and CH₄ emission with simple models, to estimate the overall process rates (large-scale effects) as well as spatial variation among individual NFWs.We show that watershed-scale wetland creation serves targeted environmental objectives (N retention), and that CH₄ emission is comparably low. Environmental benefit and risk of individual wetlands were not correlated, and may thus be managed independently. High cover of aquatic plants was the most important wetland property that suppressed CH₄ net production, potentially facilitating N retention simultaneously. Further, differences between wetlands in water temperature and wetland age seemed to contribute to differences in CH₄ net production. The nationally planned wetland creation (12,000 ha) could make a significant contribution to the targeted reduction of N fluxes (up to 27% of the Swedish environmental objective), at an environmental risk equaling 0.04% of the national anthropogenic climate gas emission.