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。     

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。     

冬季水分管理和水稻覆膜栽培对川中丘陵地区冬水田CH4排放的影响

采用静态箱-气相色谱法观测冬季水分管理和水稻覆膜栽培对川中丘陵地区冬水田全年的CH_4排放通量。试验设置持续淹水(CF)、冬季直接落干+稻季淹水(TF)与冬季覆膜落干+稻季覆膜(PM)3个处理。结果表明,冬季休闲期,CF、TF和PM处理CH_4排放分别为16.1、1.4 g/m~2和2.7 g/m~2;水稻生长期,CF、TF和PM处理CH_4排放分别为57.7、27.7 g/m~2和13.5 g/m~2。相较于CF处理,TF与PM处理分别减少其全年CH_4排放60.6%和78.0%。TF与PM处理水稻生长期CH_4排放峰值分别较CF处理低33.0%和56.1%。休闲期,TF、PM处理厢面与厢沟区域CH_4排放与土壤温度显著正相关(P0.05),与土壤氧化还原电位(土壤Eh)显著负相关(P0.05),而CF处理CH_4排放仅与土壤温度显著正相关(P0.05)。水稻生长期,CF处理CH_4排放与土壤温度显著正相关(P0.05),与土壤Eh显著负相关(P0.05),TF处理CH_4排放仅与土壤Eh显著负相关(P0.05),PM处理厢沟CH_4排放与土壤Eh显著正相关(P0.05)。各处理水稻生长期土壤可溶性有机碳含量(DOC)与微生物生物量碳含量(MBC)显著高于休闲期(P0.05)。研究结果为进一步研究冬水田全年CH_4排放规律及寻求有效的减排措施提供数据支撑和科学依据。     

温带针阔混交林土壤碳氮气体通量的主控因子与耦合关系

中高纬度森林地区由于气候条件变化剧烈,土壤温室气体排放量的估算存在很大的不确定性,并且不同碳氮气体通量的主控因子与耦合关系尚不明确。以长白山温带针阔混交林为研究对象,采用静态箱-气相色谱法连续4a(2005—2009年)测定土壤二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)净交换通量以及温度、水分等相关环境因子。研究结果表明:温带针阔混交林土壤整体上表现为CO2和N2O的排放源和CH4的吸收汇。土壤CH4、CO2和N2O通量的年均值分别为-1.3 kg CH4hm-2a-1、15102.2 kg CO2hm-2a-1和6.13 kg N2O hm-2a-1。土壤CO2通量呈现明显的季节性规律,主要受土壤温度的影响,水分次之;土壤CH4通量的季节变化不明显,与土壤水分显著正相关;土壤N2O通量季节变化与土壤CO2通量相似,与土壤水分、温度显著正相关。土壤CO2通量和CH4通量不存在任何类型的耦合关系,与N2O通量也不存在耦合关系;土壤CH4和N2O通量之间表现为消长型耦合关系。这项研究显示温带针阔混交林土壤碳氮气体通量主要受环境因子驱动,不同气体通量产生与消耗之间存在复杂的耦合关系,下一步研究需要深入探讨环境变化对其耦合关系的影响以及内在的生物驱动机制。     

CO2浓度升高与硝化抑制剂对冬小麦田间N2O排放量的影响

以冬小麦中麦175为供试品种,利用农田开放式CO_2浓度增高(FACE)系统,研究未来大气高CO_2浓度对冬小麦田间N_2O排放的影响,以及施用硝化抑制剂(2-氯-6-三氯甲基吡啶)是否可以起到抑制冬小麦田间N_2O的排放量升高的潜能。试验结果表明:CO_2浓度升高显著提高冬小麦田间N2O的排放增幅达到67.6%,追肥灌溉后小麦田N_2O排放量较大,随着冬小麦生育进程的推进N_2O的排放量逐渐减少,硝化抑制剂对中麦175田间N_2O排放量的影响并不明显。因此,在未来高CO_2浓度环境条件下,可以通过采取相应的耕作制度和栽培技术措施等来降低冬小麦田N_2O的排放量。试验结果对冬小麦田间是否选择施用2-氯-6-三氯甲基吡啶来控制N_2O的排放起到一定的参考作用。     

广州地区晚稻田 CH4和N2O 的排放通量及其影响因素

用密闭箱法同时研究了广州地区晚稻田CH₄和N₂O的排放通量。结果表明,连续淹水、常规连作和水旱轮作等3种处理的CH₄平均排放通量分别为1.763、2.84和0.36mg·m^-2·h^-1,而N₂O的平均排放通量分别为6.74、11.69和55.07μgN₂O-N·m^-2·h^-1,表明稻田连续淹水显著增加CH₄的排放而降低N₂O的排放。水旱轮作降低CH₄排放而提高N₂O的排放,说明稻田CH₄和N₂O排放之间存在着消长关系。讨论了这2种温室气体排放的影响因素,并初步分析了它们对温室效应的相对贡献。     

稻田CH4和N2O的排放及养萍和施肥的影响

用箱法对我国东北稻田CH₄和N₂O排放进行观测研究表明,东北稻田的CH₄排放通量比南方稻田小,平均日排放通量和生长季节排放总量分别为0.07和7.4g·m^-2.稻田淹水期几乎没有N₂O的净排放,但在非淹水期内却有大量N₂O排放(平均通量59μgN₂O·m^-2·h^-1).稻田养萍和施肥明显促进CH₄和N₂O排放。稻田CH₄和N₂O排放之间存在消长关系。制定稻田温室气体减排技术措施时应充分注意这一关系。     

控释肥料对稻田氧化亚氮排放的影响

采用静态箱法研究了控释肥料和常规肥料处理对华南赤红壤发育的稻田N₂O排放的影响. 结果表明,施用控释肥处理与非包膜复合肥处理,在水稻移栽后10 d内水层中NH₄+-N和NH₃--N浓度间差异达极显著水平,各处理水层中NH₃--N浓度与2 d后或当天N₂O排放量间的偏相关系数达极显著水平.包膜型控释肥比未包膜复合肥能极显著地降低稻田N₂O的排放量.在施肥后100 d内,控释肥的N₂O累积排放量仅为未包膜型复合肥料的13.45%～21.26%,是尿素处理的71.17%～112.47%.复合肥处理的N₂O排放主要集中在施肥后1～25d和水稻晒田期间,控释肥在此时期的排放量显著降低,尿素处理则延缓并减小了N₂O排放峰.控释肥一次施用和尿素分次施用都能减少N₂O排放.     

神农架主要森林土壤CH4、CO2和N2O排放对降水减少的响应

研究降水格局改变后森林土壤温室气体排放格局,可为森林温室气体排放清单制定提供科学依据。以神农架典型森林类型常绿落叶阔叶混交林和2种人工林马尾松和杉木林为研究对象,研究了降水格局改变后,其土壤CH_4吸收、CO_2和N_2O的排放格局和可能机制。结果表明:常绿落叶阔叶混交林吸收CH_4通量为(-36.79±13.99)μg Cm~(-2)h~(-1),显著大于马尾松和杉木两种人工林的CH_4吸收通量,其吸收通量分别为(-14.10±3.38)μg Cm~(-2)h~(-1)和(-7.75±2.80)μg Cm~(-2)h~(-1)。马尾松和杉木两种人工林CO_2排放通量分别为(107.03±12.11)μg Cm~(-2)h~(-1)和(80.82±10.29)μg Cm~(-2)h~(-1),显著大于常绿落叶阔叶混交林(71.27±10.59)μg Cm~(-2)h~(-1)。常绿落叶阔叶混交林N_2O排放通量为(8.88±6.75)μg Nm~(-2)h~(-1),显著大于杉木人工林(5.93±2.79)μg Nm~(-2)h~(-1)和马尾松人工林(1.64±1.02)μg Nm~(-2)h~(-1)。分析3种森林土壤CH_4吸收量与其环境因子之间的关系发现,常绿落叶阔叶混交林的CH_4吸收通量与其土壤温度呈现显著的指数负相关关系(P0.01)。常绿落叶阔叶混交林、马尾松林和杉木林的土壤CO_2排放通量与其空气温度和土壤温度之间均呈现显著的指数正相关关系(P0.01)。常绿落叶阔叶混交林和马尾松林土壤N_2O排放通量与空气温度之间均呈现显著的指数正相关关系(P0.01),而马尾松林与土壤温度之间呈显著正相关(P0.05),与土壤湿度之间均无显著相关。降水减半后,减少降水对常绿落叶阔叶混交林和马尾松林土壤CH_4吸收通量均具有明显的促进作用,但对杉木林土壤CH_4吸收量具有抑制作用,对常绿落叶阔叶混交林和杉木林土壤CO_2平均排放通量均具有明显的促进作用,而对马尾松林土壤CO_2平均排放通量明显抑制作用,对常绿落叶阔叶混交林、马尾松和杉木林土壤N_2O排放量具有明显的抑制作用。