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。     

城市小型景观水体CO2与CH4排放特征及影响因素

淡水生态系统被认为是大气温室气体排放的重要来源,尤其在人类活动影响下,其排放强度可能进一步增强。城市小型景观水体是城市生态系统的重要组成,具有面积小、数量大以及人类干扰强的特征,其温室气体排放特征及影响因素尚不清楚。选择重庆市大学城8个景观水体和周边2个自然水体为对象,于2019年1、4、7、10月,利用漂浮箱和顶空法分析了水体CO₂与CH₄的溶存浓度及排放通量,旨在揭示城市小型景观水体CO₂与CH₄排放强度、时空变异特征以及影响因素。结果表明,10个小型水体CO₂、CH₄的溶存浓度范围分别为10.75-116.25 μmol/L和0.09-3.61 μmol/L（均值分别为（47.6±29.3）μmol/L、（1.13±0.56）μmol/L）,均为过饱和状态;漂浮箱法实测的8个景观水体CO₂和CH₄排放通量均值分别为（72.7±65.9）mmol m^-2 d^-1和（2.31±3.48）mmol m^-2 d^-1（顶空法估算值为（69.7±82.0）mmol m^-2 d^-1和（3.69±2.92）mmol m^-2 d^-1）,是2个自然水体的3.5-6.1和2.0-4.5倍,呈较强的CO₂、CH₄排放源;居民区景观水体CO₂和CH₄排放略高于校园区,均显著高于对照的自然水体;CO₂排放夏季最高,秋季次之,冬、春季最低,CH₄呈夏季>秋季≈春季>冬季的季节模式,温度和水体初级生产共同影响CO₂和CH₄排放的季节模式;水生植物分布对景观水体CO₂、CH₄排放有显著影响,有植物分布的水域比无植物水域平均高1.97和2.94倍;漂浮箱法和顶空法测得气体通量线性关系较好,但顶空法测得CO₂通量在春季明显偏低,而CH₄则普遍偏高。相关分析表明,景观水体碳、氮浓度、pH值以及DO等对CO₂排放具有较好的指示性,CH₄排放通量主要与水体中碳、磷浓度有关。城市小型景观水体CO₂、CH₄排放通量远高于大部分已有自然水体的研究结果,呈一种较强的大气温室气体排放源,在区域淡水系统温室气体排放清单中具有重要贡献,未来研究中应给以更多关注。     

我国养殖水体N2O排放特征及其影响因素研究进展

养殖水体作为不可忽视的温室气体排放源,已引起社会广泛关注。本文通过文献综述分析了国内养殖水体N₂O溶存浓度、饱和度及排放通量的时空分布特征,并结合N₂O产生机制探讨了养殖水体N2O排放的影响因素。我国养殖水体N₂O介于饱和与过饱和状态,水-气界面排放通量范围为-9.82×10^-3~143.25×10^-3mg·m^-2·h^-1,养殖水体成为N₂O的重要排放源;空间变异特征表现为南方地区的排放通量显著高于北方地区,北方地区养殖水体N2O排放通量整体高于本区自然水体,而南方地区相反;从时间变化特征看,各养殖塘排放通量变化规律较为相似,大致表现为养殖中期排放量最高,养殖末期和养殖初期较低;季节变化上,夏季最高、冬春季较低。养殖水体N₂O的产生机制与其他水生生态系统相似,主要为硝化和反硝化作用,影响养殖水体N₂O在排放的因素除温度、pH、营养盐、盐度、叶绿素a等环境因素外,还与曝气活动、饵料投放、排水活动和养殖种类等人为因素有关。     

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。     

水肥一体化条件下设施菜地的N2O排放

在保证作物产量的前提下,研究减少农田土壤N_2O排放的水肥统筹管理措施对全球温室气体减排具有重要意义。以京郊典型设施菜地为例,设置了农民习惯(FP)、水肥一体化(FPD)、优化水肥一体化(OPTD)和对照(CK)4个处理,采用静态箱-气相色谱法,对果菜-叶菜(黄瓜-芹菜)轮作周期内土壤N_2O排放进行了观测,并分析了氮肥施用量、灌溉方式、土壤温度和湿度等因素对土壤N_2O排放的影响。结果表明:在黄瓜-芹菜种植模式中,各施氮处理除基肥施用后N_2O排放峰持续10—15d外,一般施肥、施肥+灌溉事件后土壤N_2O排放峰均呈现3—5d短而急促的情形。黄瓜生长季N_2O排放通量与土壤湿度(WFPS)之间呈现显著相关的关系;芹菜生长季N_2O排放通量与土壤温度之间呈现显著相关的关系。观测期内FP处理N_2O排放量为(31.00±2.15)kg N/hm~2,FPD处理与之相比N_2O排放量减少了4.2%,而OPTD处理在减少40%化肥氮量的情况下,N_2O累积排放量比FP处理减少了42.7%,且达到显著水平。说明在水肥一体化条件下,合理改变施肥体系是减少N_2O排放的前提,在此基础上进行水肥优化是设施菜地保持产量、减少N_2O排放的重要技术措施。     

氮素类型和剂量对寒温带针叶林土壤N2O排放的影响

大气氮沉降输入会增加森林生态系统氮素有效性,进而改变土壤N_2O产生与排放,然而有关不同氮素离子(氧化态NO_3~--N与还原态NH_4~+-N)沉降对土壤N_2O排放的影响知之甚少。以大兴安岭寒温带针叶林为研究对象,构建了3种类型(NH_4Cl、KNO_3、NH_4NO_3)和4个施氮水平(0、10、20、40 kg N hm~(-2)a~(-1))的增氮控制试验,利用流动化学分析仪和静态箱-气相色谱法4次/月测定凋落物层和矿质层土壤无机氮含量、土壤-大气界面N_2O净交换通量以及相关环境因子,分析施氮类型和剂量对土壤氮素有效性、土壤N_2O通量的影响探讨氮素富集条件下土壤N_2O通量的环境驱动机制。结果表明:施氮类型和剂量均显著影响土壤无机氮含量,土壤NH_4~+-N的积累效应显著高于NO_3~--N。施氮一致增加寒温带针叶林土壤N_2O排放,NH_4NO_3促进效应最为明显,增幅为442%-677%,高于全球平均水平(134%)。土壤N_2O通量与土壤温度、凋落物层NH_4~+-N含量正相关,且随着施氮水平增加而增加。结果表明大气氮沉降短期内不会导致寒温带针叶林土壤NO_3~--N大量流失,但会显著促进土壤N_2O的排放。此外,外源性NH_4~+和NO_3~-输入对土壤N_2O排放的促进作用具有协同效应,在未来森林生态系统氮循环和氮平衡研究中应该区分对待。     

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%。     

不同水生植物对景观水体CO2与CH4排放通量的影响

城市景观水体是大气CO₂与CH₄的排放热源,而水生植物作为景观水体的重要组成要素,对水体温室气体排放动态的影响并不清楚。选择重庆市观音塘国家湿地公园为研究区,利用漂浮箱法与顶空平衡法对观音塘水域7种不同水生植物分布区进行水-气界面CO₂与CH₄排放通量及CO₂、CH₄溶存浓度进行季节性监测,估算了植物传输对气体通量的贡献。结果表明：1)观音塘水体CO₂与CH₄浓度范围分别为8.0—341.8μmol/L和0.23—5.26μmol/L,排放通量分别为26.5—869.1 mmol m^-2 d^-1和0.40—11.15 mmol m^-2 d^-1,是大气净CO₂与CH₄排放源;2)观音塘开敞水区CO₂与CH₄排放通量低于大部分城市湖泊或景观水体...     

丛枝菌根真菌对褐土玉米氮素吸收和土壤N2O排放的影响

探究不同氮肥水平下丛枝菌根(AM)真菌对褐土玉米土壤N₂O排放和氮转化功能基因的影响,为阐明AM真菌在褐土N₂O排放中的作用和效应提供理论依据。设置氮肥用量(NⅠ:105 mg/kg;NⅡ:210 mg/kg)、AM真菌(M0:不接种AM真菌;M1:接种根内根孢囊霉(Rhizophagus intraradices);M2:接种摩西斗管囊霉(Funneliformis mosseae);M3:接种Rhizophagus intraradices + Funneliformis mosseae等比例混合)双因素盆栽试验。测定植株地上部全氮含量、土壤铵态氮、硝态氮含量和N₂O排放量,采用实时荧光定量聚合酶链式反应(PCR)法分析土壤硝化功能基因(amoA-AOA和amoA-AOB)和反硝化功能基因(nirS、nirK和nosZ)的丰度。结果表明,两种施氮水平下,接种AM真菌均可显著降低土壤N₂O排放通量和累积排放量,不同AM真菌处理下N₂O累积排放量表现为:M0>M2>M1>M3。相同AM真菌处理的土壤N₂O排放通量和累积排放量在NⅡ施氮水平高于NⅠ施氮水平;相同AM真菌处理的玉米菌根侵染率在NⅡ施氮水平低于NⅠ施氮水平。与M0相比,NⅠ条件下M1、M2和M3处理土壤铵态氮含量分别降低24.5%、20.8%和45.3%,硝态氮含量分别降低19.7%、14.9%和30.2%,植株地上部全氮含量分别增加16.3%、35.2%和59.6%;与M0相比,NⅡ条件下M1、M2和M3处理土壤铵态氮含量分别降低20.9%、24.8%和40.0%,硝态氮含量分别降低36.3%、25.6%和45.2%,植株地上部全氮含量分别增加33.2%、43.9%和95.4%。两种施氮水平下,AM真菌可显著降低土壤硝化功能基因(amoA-AOA和amoA-AOB)丰度,增加反硝化功能基因(nirS、nirK和nosZ)丰度。AM真菌与N₂O排放通量呈极显著负相关。本盆栽试验条件下,接种AM真菌均可增强两种氮肥用量玉米植株氮素吸收能力,调节硝化、反硝化相关功能基因的丰度,减少土壤N₂O气体的排放,且两种AM真菌混合处理的N₂O减排效应强于单一AM真菌接种。     

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。     

川西平原小流域不同水体N2O排放特征及驱动因素

氧化亚氮（N₂O）是一种潜在的、强大的温室气体,应该根据京都议定书规定开展监测和削减。河流、水库、鱼塘和沟渠等受人类影响的小流域水生生态系统是氮素生物地球化学循环的活跃区域,更是N₂O重要的源和汇。然而,同一流域不同水体N₂O的排放特征差异及其驱动因素尚不清楚。因此,选择川西平原西河流域作为研究区,于2016年6月到2017年5月连续监测不同水体水气界面的N₂O排放强度,并结合聚类分析解析N₂O排放特征的驱动因素。结果显示,不同水体的N₂O年排放通量差异显著,沟渠的N₂O年排放通量最高（（52.68±36.09）μg m^-2 h^-1）,城市段河流和鱼塘次之（（34.16±23.97）μg m^-2 h^-1和（29.03±31.41）μg m^-2 h^-1）,乡镇段和农区段河流再次（（8.32±28.60）μg m^-2 h^-1和（8.52±9.43）μg m^-2 h^-1）,水库最低（（-16.45±29.76）μg m^-2 h^-1）。除水库表现为N₂O的汇,其他水体均表现为N₂O的排放源。另外,不同水体N₂O排放的季节特征差异显著,农区段河流和农业沟渠表现为夏天最高,冬春最低（P<0.05）,而其他水体均表现为冬春显著高于夏秋（P<0.05）。根据N₂O排放季节特征及其驱动因素可将西河流域水体分为四类：第一类农业类水体的N₂O排放季节特征受气象因素和农业活动的联合驱动;第二类城乡类河流和第三类鱼塘分别受控于人类活动和养殖活动,与降雨温度等气象指标关系较弱;第四类水库主要受控于气象因素。并且,第一类农业类水体已成为大气N₂O排放的重要源,农业氮素管控是区域控制N₂O排放的重点。     

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。     

一株兼性氧化亚氮还原菌的还原N2O能力

【目的】从水稻土中分离筛选出一株兼性氧化亚氮还原菌,并探索其在不同条件下还原N_2O的能力,为减少温室气体N_2O的排放提供重要依据。【方法】通过微生物富集培养分离技术从水稻土中分离得到纯菌;利用nosZ基因和16S rRNA的测序分析鉴定菌株;通过测定菌株在不同条件下N_2O的还原量,分析该菌株还原N_2O的能力及调控因子。【结果】经鉴定,该菌株含有nos Z基因,属于假单胞菌属,在温度30°C、厌氧条件下还原N_2O速率高达0.0219μmol/min以上,改变不同温度和氧气浓度后其能力相对减弱,但仍具备较强的还原N_2O作用。【结论】从水稻土中分离筛选得到的兼性氧化亚氮还原菌为假单胞菌,它在不同环境条件下都具备较强的还原N_2O能力,该菌株可能为减少土壤N_2O排放提供新途径,对保障生态环境安全具有重要的应用价值。     

干湿交替频率对不同土壤CO2和N2O释放的影响

干旱、半干旱和地中海气候区,乃至一些湿润地区,由干湿交替引起的土壤碳、氮的短暂脉冲式释放很大程度上决定着长时间尺度温室气体释放的总量,是土壤碳、氮温室气体释放的关键过程.选择我国降雨梯度下的森林、农田、草地和荒漠生态系统,采集土样进行实验室统一控制条件下的多重干湿交替循环,对比探讨不同生态系统土壤干湿交替频率对CO2和N2O释放的影响模式.结果表明:(1)干湿交替能够显著的激发土壤中CO2和N2O的释放,森林、农田、草地和荒漠土壤CO2和N2O释放速率对干湿交替的响应模式基本一致,其响应强度与土壤本底中碳和氮的含量有关;(2)在一定培养时间内,随着干湿交替频率的增加,土壤再湿润阶段CO2释放速率降低,但是,气体释放的总量较之于恒湿对照组有所增加.(3)不同土壤N2O的释放总量对于湿交替频率的响应模式表现出很大的差异,其中农田和荒漠土壤响应模式类似.     

浅表层水稻土N2O消耗能力及其与N2O还原微生物的耦合关系

土壤不仅能够产生、排放温室气体N_2O,还具有截留、吸收、转化N_2O的能力。土壤消耗N_2O已经成为很重要的一种降低大气N_2O浓度的途径,但目前关于土壤N_2O消耗过程及其微生物调控机制的系统研究较为缺乏。试验以浅表层水稻土柱(0—5 cm)为研究对象,通过外源添加N_2O气体研究N_2O迁移通过淹水土柱的动态过程,以及N_2O消耗能力与氧化亚氮还原酶基因丰度变化和其他土壤养分含量变化的联系,揭示浅表层水稻土N_2O消纳量与N_2O还原微生物之间的耦合关系。结果显示,淹水厌氧条件下5 cm土壤深度外源添加的N_2O迁移通过浅表层土柱后,仅有7.17—9.80%部分逸散出土表,表明0—5 cm淹水水稻土层具有极强的N_2O截留能力(90%以上)而减少N_2O净排放量。排放出土表的N_2O也可被淹水土柱继续吸收消耗,且吸收转化速率随N_2O浓度增加而大幅提高,最高可达到3896.75μg N m~(-2) h~(-1)。与此同时,土壤DOC含量大量消耗,含nosZⅠ基因的反硝化微生物数量显著增长(P0.01),而nosZⅡ基因丰度的无显著变化。说明高浓度N_2O添加能够促进淹水土壤N_2O吸收消耗能力,此刺激作用可能主要由含nosZⅠ基因的N_2O还原微生物进行调控。浅表层土壤强大的N_2O吸收消耗功能可进一步深入系统研究,为实践温室气体减排提供理论基础。