中国农田土壤N2O排放通量分布格局研究

中国作为世界上一个重要农业大国,对全球大气中N2O浓度的影响正在引起人们的普遍关注.该研究采用针对农业土壤痕量气体排放估算建立的、基于N2O的产生、传输和消耗机理的反硝化分解(DNDC)模型,在建立了有关中国气候、农业土壤和农业生产的分县数据库基础上,估计了我国各县农业土壤N2O的排放通量,发现我国农田土壤N2O排放通量有较明显的地区差异,西北地区较低,东南地区较高.还发现无论温度升高,还是施肥量变化,对我国农田土壤N2O排放通量的影响,都存在区域差异,表现为东南地区的变化幅度较西北地区大,这可能与我国气候的干湿变化有较密切的关系.     

辽宁省农田土壤碳库分布及变化的模拟分析

中国作为世界上一个重要的农业大国,农业土壤对全球大气中CO2浓度的影响正在引起人们的普遗关注。研究以辽宁省为对象,采用针对农业土壤碳库和痕量气体排放估算建立的反硝化分解(DNDC)模型,在建立有关辽宁省气候、农业土壤和农业生产的分县数据库基础上,估算了辽宁省农田土壤碳库储量,为118．55TgC,并发现辽宁省农田土壤碳量有较明显的地区差异,东北地区较高,西南地区较低。经过一年的耕种后,农田土壤碳的变化量也有较明显的地区差异,东北地区减少幅度较大,西南地区相对变化不大或有所增加。还发现无论何种施肥方式,辽宁省农田土壤碳的变化都存在地区差异。且施用有机肥有利于农田土壤碳的积累。在输入的土壤性质数据中,有机质数据的详细程度对DNDC模型模拟结果的精确度影响较大。     

黄淮海平原河北省范围内农田土壤二氧化碳和氧化亚氮排放量的估算

以黄淮海平原河北省范围内的农田土壤为研究对象,通过与田间实际观测数据进行比较发现,DNDC模型能够较好地反映农田土壤温室气体CO2和N2O的排放通量,可以用来模拟估算农田土壤CO2和N2O的排放通量.根据模型估算,2003年河北省111个县市农业土壤CO2排放量约3.758×106tC,各县市总的N2O排放量40.345×106kgN.全省释放的CO2和N2O中有40%左右来自冬小麦/夏玉米地.因此,减少该地区农业土壤CO2和N2O排放量的措施,应集中用于排放量高的县市和这些地区的冬小麦/夏玉米地,进行大范围的普遍减排可能收效甚微,并且没有必要.     

黄土地区冬小麦田土壤理化性状、磷酸酶活性与氧化亚氮的排放

通过大田试验研究了黄土地区种植作物对旱作农田土壤理化性状、磷酸酶活性以及土壤N2O排放的影响。结果表明:无论是否施氮肥,是否覆膜,种植冬小麦对黄土地区土壤N2O的排放均具有促进作用;管理措施不同,作物对土壤N2O排放通量的影响效应亦不同,麦田小区土壤N2O排放通量高于休耕小区N2O,且覆膜处理>常规处理>单施磷肥处理;在常规施氮和覆膜施氮条件下,小麦田的水分含量均低于休耕地的含水量,但其NH4 -N含量却高于休耕地。多重回归分析表明:麦田小区与休耕小区土壤N2O排放通量差值仅与土壤有机质增量呈显著负相关,能量物质的丰缺是决定土壤N2O变化的主要因素;磷酸酶活性与N2O排放通量之间呈极显著负线性相关,即在磷素相对缺乏的黄土地区,如何提高磷酸酶活性对于土壤N2O的减排有重要意义。     

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。     

全球森林土壤N2O排放通量的影响因子

森林生态系统在全球变暖格局下的地位和作用,尤其是土壤氮库对大气氮沉降增加的响应逐渐成为全球变化研究的热点。本文通过对已有文献资料的调研和整理,分析了1984—2009年间全球38个森林土壤N2O排放通量的野外原位观测结果的分布特征,评估了森林土壤N2O年排放累积通量对大气氮素沉降量和水热条件等因子变化的响应。结果表明,全球森林土壤N2O排放通量的平均值为0.47kgN·hm-2·a-1,而且土壤N2O释放通量随着纬度增加逐渐降低。作为一个复杂的生态过程,土壤N2O累积释放量同样受到年均温、年降水量以及土壤属性的显著影响。其中全球森林土壤N2O释放温度敏感性系数(Q10值)约为1.5。另外,森林土壤N2O排放通量也随着氮沉降量的增加而显著增大,大气氮沉降量可解释土壤N2O排放通量在不同区域之间53%的差异;土壤pH、年均温和大气氮沉降量可以解释区域森林土壤N2O排放通量变化的55%。     

三江平原春小麦农田生态系统氧化亚氮通量特征

利用静态暗箱-气相色谱法对三江平原春小麦农田生态系统N2O排放通量进行连续2.5年的田间原位观测.结果表明:三江平原春小麦农田生态系统N2O排放通量具有较明显的季节变化和年际变化,并主要与年际间降水及田间水分管理差异有关;春小麦农田生态系统N2O排放日变化与气温及地下5 cm温度变化有关.生长期N2O的排放较强,休耕期N2O排放量显著下降,冰冻期N2O的排放较微弱,融冻时N2O排放缓慢增强.生长期N2O平均排放通量为0.190 mg.m-2.h-1,收割后到冰冻期间为0.077 mg.m-2.h-1,冻融期间为0.017 mg.m-2.h-1.     

施加秸秆和蚯蚓活动对麦田N2O排放的影响

蚯蚓是农田生态系统的重要组成部分,对土壤的碳氮循环和N2O排放起着重要作用。为了研究接种蚯蚓（威廉腔环蚓,Metaphire guillelmi）对农田土壤特性及N2O排放通量的影响,分析蚯蚓在土壤N2O排放中的作用,于2007-2008年冬小麦生长季采用静态箱-气相色谱法,对施用秸秆（表施和混施）并接种蚯蚓后土壤N2O排放通量的变化进行了监测,结果显示接种蚯蚓增加了土壤N2O的排放量。在秸秆表施的情况下,接种蚯蚓处理N2O的排放量最大,全生育期达14.26 kg?hm-2,显著高于未接种蚯蚓处理11.59 kg?hm-2（p<0.05）。在秸秆混施时,接种蚯蚓与未接种蚯蚓的两个处理间N2O排放量在栽培后期差异不显著。接种蚯蚓处理土壤N的矿化作用加强,矿质N含量提高,铵态氮含量比较稳定,硝态氮含量显著提高,表施秸秆接种蚯蚓处理硝态氮含量比未接种处理提高了20.1% （p<0.05）,达到21.13 mg?kg-1,而混施秸秆后接种蚯蚓的硝态氮含量为21.21 mg?kg-1,较未接种处理提高了11.7%。分析表明,硝态氮含量与N2O排放密切相关,接种蚯蚓后N2O排放潜力的提高与蚯蚓活动促进土壤氮素矿化特别是硝态氮含量的增加有关,农田生态系统中蚯蚓对N2O排放的贡献主要体现在促进秸秆混入土壤,从而改变秸秆分解的微域环境,促进反硝化作用并增加N2O的排放。     

长白山阔叶红松林土壤N2O排放通量的变化特征

采用静态密闭箱 /气相色谱分析方法对长白山阔叶红松林两个样地的N2 O排放通量进行了测定。结果表明 ,凋落物对林地土壤N2 O排放的影响是显著的 ,其对全年N2 O排放的平均贡献率是 36 89%。长白山阔叶红松林土壤是大气N2 O一个重要的源 ,但在极少的天气状况下也能吸收大气中的N2 O ,而起着汇的作用。其排放通量的变化范围是 - 4 1 4 8～ 2 91 84μgN2 O·m-2 ·h-1,平均通量是 6 8 7μgN2 O·m-2 ·h-1,高于其他类型林地的排放通量 ,且变动范围也较其他森林类型大。无凋落物林地土壤N2 O排放通量变化范围是 - 2 3 2 4～ 93 75 μgN2 O·m-2 ·h-1,平均通量为 33 79μgN2 O·m-2 ·h-1。两个样地N2 O排放通量的季节变化特征相似 :夏季N2 O的排放通量最高 ,春季次之 ,秋冬两季较低且趋于平稳。昼夜变化趋势也相似 :N2 O排放通量的最大值都出现在 18∶0 0 ,最小值都出现在 12∶0 0和 14∶0 0。研究还表明 ,林地土壤N2 O的排放通量与地表温度和地下 5cm温度的相关性较好 ,无凋落物的样地N2 O的排放通量仅与地下 5cm温度的相关性较好。     

稻麦轮作系统冬小麦农田耕作措施对氧化亚氮排放的影响

2008—2011年,采用静态箱-气相色谱法对长江下游稻麦轮作系统冬小麦农田N2O排放进行了为期3a的田间原位观测,研究不同耕作措施(免耕、旋耕和翻耕)对冬小麦生长季N2O排放的影响。结果表明:不同耕作措施下冬小麦农田N2O排放高峰出现在施用基肥后的1个月内以及施用孕穗肥后的4月中旬至小麦成熟期,其余时间N2O排放通量均较小。年度和耕作措施对冬小麦农田N2O季节排放总量均有极显著影响(P<0.01),不同处理N2O季节排放总量表现为免耕>翻耕>旋耕,2008—2011年3年平均分别为2.50 kg/hm2、2.05 kg/hm2和1.66 kg/hm2,免耕比翻耕增加N2O排放22.0%(P<0.05),旋耕比翻耕减排19.0%(P<0.05)。冬小麦生长期内施用孕穗肥后1个月内N2O排放通量与农田土壤充水孔隙率(WFPS)及10 cm地温呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关,2009—2010年施用基肥后1个月内N2O排放通量与WFPS呈显著负相关(P<0.05)。结果说明旋耕是减少长江下游稻麦轮作系统冬小麦农田N2O排放的最佳耕作措施。     

Soil pH as the chief modifier for regional nitrous oxide emissions: New evidence and implications for global estimates and mitigation

Nitrous oxide (N₂O) is a greenhouse gas that also plays the primary role in stratospheric ozone depletion. The use of nitrogen fertilizers is known as the major reason for atmospheric N₂O increase. Empirical bottom‐up models therefore estimate agricultural N₂O inventories using N loading as the sole predictor, disregarding the regional heterogeneities in soil inherent response to external N loading. Several environmental factors have been found to influence the response in soil N₂O emission to N fertilization, but their interdependence and relative importance have not been addressed properly. Here, we show that soil pH is the chief factor explaining regional disparities in N₂O emission, using a global meta‐analysis of 1,104 field measurements. The emission factor (EF) of N₂O increases significantly (p < .001) with soil pH decrease. The default EF value of 1.0%, according to IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) for agricultural soils, occurs at soil pH 6.76. Moreover, changes in EF with N fertilization (i.e. ΔEF) is also negatively correlated (p < .001) with soil pH. This indicates that N₂O emission in acidic soils is more sensitive to changing N fertilization than that in alkaline soils. Incorporating our findings into bottom‐up models has significant consequences for regional and global N₂O emission inventories and reconciling them with those from top‐down models. Moreover, our results allow region‐specific development of tailor‐made N₂O mitigation measures in agriculture.     

Nitrous oxide emissions from a cropped soil in a semi-arid climate

Understanding nitrous oxide (N₂O) emissions from agricultural soils in semi‐arid regions is required to better understand global terrestrial N₂O losses. Nitrous oxide emissions were measured from a rain‐fed, cropped soil in a semi‐arid region of south‐western Australia for one year on a sub‐daily basis. The site included N‐fertilized (100 kg N ha^?1 yr^?1) and nonfertilized plots. Emissions were measured using soil chambers connected to a fully automated system that measured N₂O using gas chromatography. Daily N₂O emissions were low (?1.8 to 7.3 g N₂O‐N ha^?1 day^?1) and culminated in an annual loss of 0.11 kg N₂O‐N ha^?1 from N‐fertilized soil and 0.09 kg N₂O‐N ha^?1 from nonfertilized soil. Over half (55%) the annual N₂O emission occurred from both N treatments when the soil was fallow, following a series of summer rainfall events. At this time of the year, conditions were conducive for soil microbial N₂O production: elevated soil water content, available N, soil temperatures generally >25 °C and no active plant growth. The proportion of N fertilizer emitted as N₂O in 1 year, after correction for the ‘background’ emission (no N fertilizer applied), was 0.02%. The emission factor reported in this study was 60 times lower than the IPCC default value for the application of synthetic fertilizers to land (1.25%), suggesting that the default may not be suitable for cropped soils in semi‐arid regions. Applying N fertilizer did not significantly increase the annual N₂O emission, demonstrating that a proportion of N₂O emitted from agricultural soils may not be directly derived from the application of N fertilizer. ‘Background’ emissions, resulting from other agricultural practices, need to be accounted for if we are to fully assess the impact of agriculture in semi‐arid regions on global terrestrial N₂O emissions.     

施氮和玉米生长对土壤氧化亚氮排放的影响

运用土壤盆栽试验、静态箱法采样和气相色谱分析技术研究了种植玉米土壤和裸土在两种土壤施氮水平 (低氮:150 mg·kg^-1土,和高氮:300 mg·kg^-1土) 下对土壤排放N₂O的影响.结果表明,在种植玉米的土壤中,N2O排放率的峰值出现在苗期,且氮肥施用量的影响显著,土壤N₂O排放率与温度没有显著的相关性.在裸土中,土壤N₂O排放率的峰值出现在试验后期,土壤N₂O排放率与温度呈极显著指数相关.土壤施氮量增加,土壤N₂O排放总量增加,裸土N₂O增加尤其显著,种植玉米比裸土减少87%～92%的N₂O排放量.这一结果表明种植作物与否,不仅改变了土壤N₂O排放的季节变化和排放量,而且改变了温度与土壤N₂O排放之间的关系.     

The role of N2O derived from crop-based biofuels, and from agriculture in general, in Earth's climate

In earlier work, we compared the amount of newly fixed nitrogen (N, as synthetic fertilizer and biologically fixed N) entering agricultural systems globally to the total emission of nitrous oxide (N(2)O). We obtained an N(2)O emission factor (EF) of 3-5%, and applied it to biofuel production. For 'first-generation' biofuels, e.g. biodiesel from rapeseed and bioethanol from corn (maize), that require N fertilizer, N(2)O from biofuel production could cause (depending on N uptake efficiency) as much or more global warming as that avoided by replacement of fossil fuel by the biofuel. Our subsequent calculations in a follow-up paper, using published life cycle analysis (LCA) models, led to broadly similar conclusions. The N(2)O EF applies to agricultural crops in general, not just to biofuel crops, and has made possible a top-down estimate of global emissions from agriculture. Independent modelling by another group using bottom-up IPCC inventory methodology has shown good agreement at the global scale with our top-down estimate. Work by Davidson showed that the rate of accumulation of N(2)O in the atmosphere in the late nineteenth and twentieth centuries was greater than that predicted from agricultural inputs limited to fertilizer N and biologically fixed N (Davidson, E. A. 2009 Nat. Geosci. 2, 659-662.). However, by also including soil organic N mineralized following land-use change and NO(x) deposited from the atmosphere in our estimates of the reactive N entering the agricultural cycle, we have now obtained a good fit between the observed atmospheric N(2)O concentrations from 1860 to 2000 and those calculated on the basis of a 4 per cent EF for the reactive N.     

紫色土菜地生态系统土壤N2O排放及其主要影响因素

应用静态箱/气相色谱法对种菜历史超过20a的紫色土菜地进行了一年N2O排放的定位观测, 分析了菜地N2O排放特征及施氮、土壤温度、土壤湿度和蔬菜参与对N2O排放的影响. 结果表明, 紫色土菜地生态系统在不施氮和施氮（N150kg?hm-2）情况下N2O平均排放通量为50.713.3和168.437.3g?m-2?h-1, N2O排放系数为1.86%. 菜地生态系统N2O排放强度高于当地粮食作物农田,其主要原因在于菜地较高的养分水平和频繁的施肥、浇水等田间管理措施. 从菜地N2O排放总量的季节分配来看, 有64%的N2O排放量来自于土壤水热条件较好的夏秋季蔬菜生长期, 冬春季蔬菜生长期N2O排放量较少, 仅占34%. 因此, 土壤水热条件不同是造成菜地N2O排放量季节分配差异的重要原因. 氮肥对增加N2O排放的效应因蔬菜生育期内单位时间施肥强度不同而异, 蔬菜生育期越短, 施氮对增加N2O排放的效应越明显.不施氮和常规施氮菜地N2O排放通量与地下5cm处土壤温度呈显著的正相关, 但不种蔬菜的空地两者之间的关系不显著, 并且常规施氮菜地土壤温度（T）对N2O排放通量（F）的影响可用指数方程F＝11.465e0.032T（R＝0.26, p<0.01）表示. 土壤湿度对菜地N2O排放的影响存在阈值效应, 当土壤含水空隙率（WFPS）介于60%-75％时更易引发N2O高排放. 因此, 依据蔬菜生育期特点, 结合土壤水分状况调节施肥量与施肥时间可能会减少菜地N2O排放.     

南京市郊区集约化大棚蔬菜地N2O的排放

采用静态暗箱-气相色谱法,研究了南京市郊区集约化生产管理下,芹菜-空心菜-小白菜-苋菜轮作菜地与休闲裸地的N2O排放通量的动态变化,及其与土壤温度、湿度以及NO3--N和NH4+-N含量的关系.结果表明:轮作菜地的N2O累积排放量达137.2kg N·hm-2,显著大于休闲裸地(29.2 kgN-hm-2);轮作菜地生态系统N2O-N的排放系数高达4.6％.4种蔬菜地中,空心菜地对轮作菜地的周年累积排放量贡献最大,为53.5％,小白菜地次之,为31.9％,芹菜地和苋菜地最小,分别为4.5％和4.8％.轮作菜地的N2O排放通量与土壤温度呈显著正相关,Q10为2.80;土壤湿度以及NO3--N和NH4+-N含量与轮作菜地的N2O排放通量之间的相关性不显著.     

京郊典型设施蔬菜地土壤N_2O排放特征

利用静态暗箱-气相色谱法对北京郊区设施蔬菜地典型种植模式(番茄-白菜-生菜)下土壤N2O排放特征进行了周年(2012年2月22日—2013年2月23日)观测,探讨了不同处理下(即不施氮肥处理(CK)、农民习惯施肥处理(FP)、减氮优化施肥处理(OPT)和减氮优化施肥+硝化抑制剂处理(OPT+DCD))N2O排放特征及土壤温度、土壤湿度、土壤无机氮含量对土壤N2O排放的影响。结果表明:每次施肥+灌溉之后设施蔬菜地会出现明显的N2O排放高峰,持续时间一般为3—5 d。不同处理N2O排放通量变化范围在-0.21—14.26 mg N2O m-2h-1,平均排放通量0.03—0.36 mg N2O m-2h-1。整个蔬菜生长季各处理N2O排放与土壤孔隙含水率(WFPS)均表现出极显著的正相关关系(P0.01);不施氮处理5 cm深度土壤温度与N2O排放通量呈现显著的正相关关系(P0.05);各处理N2O排放与土壤表层硝态氮含量具有较一致变化趋势。不同处理下N2O年度排放总量差异显著,依次顺序为FP((20.66±0.91)kg N/hm2)OPT((12.79±1.33)kg N/hm2)OPT+DCD((8.03±0.37)kg N/hm2)。与FP处理相比,OPT处理和OPT+DCD处理N2O年排放总量分别减少了38.09%和61.13%。各处理N2O排放系数介于0.36%—0.77%,低于IPCC 1.0%的推荐值。在目前的管理措施下,合理减少施氮量和添加硝化抑制剂是减少设施蔬菜地N2O排放量的有效途径。     

干旱胁迫对小麦幼苗根系生长和叶片光合作用的影响

采用水培试验方法,以2个耐旱性不同的小麦品种(敏感型望水白和耐旱型洛旱7号)为材料,研究了干旱胁迫对小麦幼苗根系形态、生理特性以及叶片光合作用的影响,以期揭示小麦幼苗对干旱胁迫的适应机制.结果表明： 干旱胁迫下,2个小麦品种幼苗的根系活力显著增大,而根数和根系表面积受到抑制;干旱胁迫降低了望水白的叶片相对含水量,提高了束缚水/自由水,而对洛旱7号无显著影响;干旱胁迫降低了2个小麦品种叶片的叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度,但随胁迫时间的延长,洛旱7号的叶绿素含量和净光合速率与对照差异不显著;干旱胁迫降低了2个小麦品种幼苗的单株叶面积,以及望水白的根系、地上部和植株生物量,而对洛旱7号无显著影响.水分胁迫下,耐旱型品种可以通过提高根系活力、保持较高的根系生长量来补偿根系吸收面积的下降,保持较高的根系吸水能力,进而维持较高的光合面积和光合速率,缓解干旱对生长的抑制.     

基于GIS技术的1991-2000年中国农田化肥氮源一氧化二氮直接排放量估计

依据政府间气候变化专门委员会(IPCC)对农田N₂O排放因子的定义,将气候和种植制度等N₂O排放的主控因素引入到估算方法中,结合GIS技术估计了中国农田化肥氮导致的N₂O直接排放量的空间分布和年际变异.结果表明,在1991—2000年间由于化肥投入量的增加,中国农田化学氮源N₂O排放呈上升趋势.20世纪90年代的平均年排放量为204 Gg N₂O-N,变幅为159～269 Gg N₂O-N,排放量最高的年份出现在1998年,而1992年排放量为最低.估算结果的不确定性约为23％.受施氮量和降水的影响,N₂O排放通量表现出明显的地区差异,东部较高,西北偏低.     

三江平原典型小叶章湿地土壤硝化反硝化作用与氧化亚氮排放

应用C₂H₂抑制原状土柱培育法研究了三江平原典型小叶章湿地土壤N₂O排放速率及反硝化速率的变化,分析了它们与环境因子的关系,并估算了N₂O排放量及反硝化损失量.结果表明：草甸沼泽土和腐殖质沼泽土N₂O排放速率的变化基本一致,其范围分别为0.020～0.089 kg N·hm^-2·d^-1和0.012～0.033 kg N·hm^-2·d^-1,前者的N₂O排放速率均明显高于后者(平均为1.79±1.07倍),且其差异达到显著水平(P＜0.05);二者反硝化速率的变化并不一致,其范围分别为0.024～0.127 kg N·hm^-2·d^-1和0.021～0.043 kg N·hm^-2·d^-1,前者的反硝化速率一般也要高于后者(平均为1.67±1.56倍),但其差异并未达到显著水平(P＞0.05);硝化作用在前者N₂O排放和氮素损失过程中发挥了重要作用,而反硝化作用则是导致后者N₂O排放和氮素损失的重要过程;氮素物质基础不是影响二者硝化-反硝化作用的重要因素;温度对前者硝化 反硝化作用的影响比后者更为明显,其反硝化速率与5、10和15 cm地温均呈显著正相关(P＜0.05);二者所处湿地水分条件的差异是导致其N₂O排放速率及反硝化速率差异的重要原因.生长季内,前者的N₂O排放量和反硝化损失量分别为5.216 kg N·hm^-2和6.166 kg N·hm^-2,而后者分别为3.196 kg N·hm^-2和4.407 kg N·hm^-2;在二者的反硝化产物中,N₂O/N₂的比率最高,分别为5.49和3.76,表明N₂在后者反硝化产物中所占的比例明显高于前者,说明季节积水条件会导致N₂O/N₂比例降低.