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%。     

施肥对板栗林地土壤N2O通量动态变化的影响

2011年6月—2012年6月期间,在浙江省临安市典型板栗林地进行施肥对土壤N2O通量变化影响的试验研究。目的在于探明不同施肥处理下板栗林地土壤N2O通量的动态变化规律,并探讨土壤N2O通量和土壤环境因子之间的关系。试验设置4个处理:对照(不施肥)、无机肥、有机肥、有机无机混合肥。采用静态箱-气相色谱法测定了板栗林地土壤N2O通量,并测定了土壤温度、水分、水溶性有机碳(WSOC)和微生物量碳(MBC)含量。结果表明:板栗林土壤N2O通量呈显著季节性变化,最大值出现在夏季,最小值出现在冬季;而且,施肥处理显著提高土壤N2O年均通量和年累积量;在整个试验期间,无机肥、有机肥和有机无机混合肥处理下土壤N2O的排放系数分别达到0.96%、1.45%和1.29%。此外,施肥也显著增加了土壤WSOC和MBC的含量(P<0.05)。不同施肥处理条件下,土壤N2O通量与土壤5 cm处温度、WSOC含量间均呈极显著正相关(P<0.01),但与MBC含量之间的相关性不显著。土壤N2O排放与土壤含水量间除对照处理外均没有显著相关性。综上所述,施肥引起土壤WSOC含量的增加可能是施肥增加板栗林地土壤N2O排放速率的主要原因之一。     

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.     

田间大豆植株N2O通量的测定及光照的影响

采用封闭式箱法,在田间自然状况下对大豆植株N₂O通量进行了测定.结果表明,在主要生育期内,大豆植株N₂O通量有2个释放高峰,分别位于苗期和开花结荚期.大豆植株N₂O通量的昼间变化模式基本上为上午有1个释放高峰,而下午有一个释放低谷.施肥和对照小区N₂O平均通量分别为2.27和1.28μgN₂Om^-2·h^-1.在较强的光照条件下(10⁴lx数量级),大豆植株N₂O通量较低,甚至可吸收大气中的N₂O,而在较弱光照条件下(10³～10²lx数量级),大豆植株N₂O通量较高.     

加气灌溉对不同施氮水平的设施甜瓜土壤CO2和N2O排放的影响

为探讨不同加气灌溉施氮模式下设施甜瓜土壤CO₂和N₂O排放的动态变化规律及其与土壤温度、湿度的关系,本研究采用密闭静态箱-气相色谱法对加气灌溉不同施氮水平下土壤CO₂和N₂O排放进行监测,并分析了加气灌溉对不同施氮量下土壤CO₂和N₂O排放的影响.试验采用加气灌溉(AI)和不加气灌溉(CK)两种灌溉方式,施氮量设不施氮(N₁)、传统施氮量的2/3(150 kg·hm^-2,N₂)和传统施氮量(225 kg·hm^-2,N₃)3个施氮水平.结果表明:加气灌溉土壤CO₂和N₂O排放量高于不加气灌溉处理,但是差异不显著;相同灌溉模式下,CO₂和N₂O排放量随施氮量的增加而显著增加,施氮量是土壤CO₂和N₂O排放的主要影响因素.加气灌溉条件下,不同施氮处理N₂O排放通量与土壤温度和湿度呈显著正相关,CO₂排放通量与土壤温度呈显著正相关.加气减氮处理在氮肥减少1/3的情况下,甜瓜产量提高了6.9%,温室气体排放引起的增温潜势值从9544.82 kg·hm^-2下降到9340.72 kg·hm^-2.综上,通过加气灌溉减少氮肥施用量来抑制农业生产系统中温室气体排放是可行的.     

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。     

真菌对土壤N2O释放的贡献及其研究方法

N₂O是一种重要的温室气体,而土壤作为N₂O的重要来源之一,其N₂O主要产生于硝化和反硝化作用的生物过程.研究表明细菌和古菌是这些生物过程的主要参与者,然而在特定土壤生态系统中,真菌在N循环过程中起主要作用.但真菌对土壤N₂O释放贡献的研究报道甚少.本文阐述了土壤真菌N₂O产生机制的研究进展,介绍了自养硝化、异养硝化和反硝化过程的发生机理、关键微生物和功能基因.详细介绍了与真菌有关的N₂O产生过程,真菌的异养硝化作用和反硝化作用,并且比较了真菌和细菌反硝化系统的差异.此外,本文重点总结了研究土壤真菌N₂O产生的主要方法,包括选择抑制剂法、^15N标记、分离和纯培养以及免培养的分子生态学方法,对各种方法的优势和弊端进行了探讨,并对今后的研究工作提出了展望.     

大气CO2浓度和气温升高下硝化抑制剂后效对大豆土壤无机氮和N2O排放的影响

为探究气候变化背景下,小麦-大豆轮作体系中小麦季施用硝化抑制剂对大豆土壤无机氮、N₂O排放及相关酶活性的后效作用,在控制气室内设置了不同的大气CO₂浓度(400和600μmol/mol)和气温(环境温度T和T+2℃),在此基础上测定了小麦季添加硝化抑制剂时大豆土壤的硝态氮和铵态氮的含量、土壤硝化-反硝化相关酶活性以及N₂O排放量。结果表明,小麦季添加硝化抑制剂配合麦秸还田,使大豆土壤的硝态氮和铵态氮均有所增加,但是对土壤硝化-反硝化酶的活性影响较小。升温(ET)使大豆土壤硝态氮含量显著增加,而铵态氮含量显著降低;大气CO₂浓度增加(EC)或同时升高气温和CO₂浓度(ECT),土壤硝态氮和铵态氮的含量均有所增加,但与环境高温和CO₂浓度(CK)下的无机氮含量差异不显著。不同环境条件下的土壤硝化-反硝化酶的活性没有明显规律。在ET和ECT条件下,大豆生长季N₂O排放总量均显著高于CK处理,且添加硝化抑制剂使N₂O排放...     

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.     

增温和隔离降雨对亚热带森林土壤N2O通量的影响

设置对照(CT)、增温5 ℃(W)、隔离50%降雨(P)和增温5 ℃+隔离50%降雨(WP)4种处理,以相关功能基因作为标志物,研究增温和隔离降雨影响亚热带森林生态系统土壤N₂O通量变化的途径.结果表明: 隔离降雨显著降低了土壤铵态氮浓度;增温显著降低了土壤N₂O通量和土壤反硝化势.增温处理(W)和降雨处理(P)的土壤微生物生物量氮(MBN)均显著低于对照(CT),AOA amoA基因丰度与MBN和铵态氮含量之间呈显著负相关,但与土壤硝化势和土壤N₂O通量没有显著相关性.路径分析显示,反硝化势直接显著影响土壤N₂O通量,而微生物生物量磷(MBP)和增温则通过直接影响反硝化势来间接影响土壤N₂O通量.温度可能是影响亚热带森林土壤N₂O通量的主要驱动因素,全球变暖可能会减少亚热带森林土壤的N₂O排放.     

玉米植株对大田温室气体N2O 排放的影响

利用封闭式箱法对玉米田N₂O 排放通量的观测表明,大田种植玉米后,对N₂O 排放产生了很大影响,玉米-土壤系统的N₂O 排放通量大于不种玉米的土壤。此外,植物根系能明显促进土壤中N₂O 的排放,特别是在玉米生长后期尤为明显。从播种开始到年底,施尿素导致N₂O 排放为3.3kg·hm^-2, 玉米植株为0.69kg·hm^-2, 占总排放量的17.3%.     

广东省入库河口N2O分布和通量的时空变化

本研究于2011年7月(丰水期)和12月(枯水期)分别对广东省13个水库的入库河口进行调查,使用吹扫捕集-气相色谱法测定了水中N2O的浓度并用Liss&Merlivat公式估算出入库河口向大气释放N2O的水-气交换通量。结果表明,河口丰水期N2O溶存浓度范围为15.37～175.22 nmol/L,平均值为(73.77±43.58)nmol/L;N2O水-气交换通量范围为0.26～5.40μmol/(m2.d),平均值是(2.53±1.94)μmol/(m2.d)。河口枯水期N2O溶存浓度范围为44.26～366.11 nmol/L,平均值是(126.61±102.74)nmol/L;N2O水-气交换通量范围是0.86～21.88μmol/(m2.d),平均值是(7.50±6.65)μmol/(m2.d)。河口丰水期N2O溶存浓度和水-气交换通量明显低于枯水期。与其他研究相比,本研究区N2O溶存浓度和水-气交换通量偏低。     

土壤含水量与N2O产生途径研究

土壤含水量变化对N₂O产生和排放影响的研究表明,不同含水量情况下,N₂O排放也不相同。特别是用乙炔抑制技术证明了在播种前后,气候干燥而土壤含水量较低的情况下,N₂O产生主要来自于硝化过程;降雨后,土壤含水量较高时,N₂O主要是通过反硝化过程产生;而在农田中等含水量情况下,土壤微生物的硝化和反硝化作用产生的N₂O大约各占一半。指出旱作农田N₂O产生途径主要取决于土壤水分的控制和调节。     

稻麦轮作生态系统中土壤湿度对N2O产生与排放的影响

通过对太湖地区稻麦轮作生态系统的N₂O排放及土壤湿度进行系统观测和开展一系列模拟实验,研究了降雨和土壤湿度对N₂O排放和产生过程的影响.结果表明,春季和秋季麦田N₂O排放与降雨量呈明显正相关,但水稻田和冬季麦田的N₂O排放不受降雨影响.稻麦轮作周期内的N₂O排放较强烈地受土壤湿度制约,土壤湿度为田间持水量的97～100%或84～86%WFPS(土壤体积含水量与总孔隙度的百分比)时,N₂O排放最强,低于此湿度范围时,N₂O排放通量与土壤湿度呈正相关,反之,则呈负相关.田间N₂O排放随土壤湿度的变化形式与模拟条件下培养土壤样品的N₂O产生率变化非常相似,但前者的最佳湿度范围比后者窄,而且偏小.     

不同种类氮肥对土壤释放N2O的影响

用培养试验模拟研究了在正常水分(22%)、干旱(12%)和高含水量(32%)条件下,普通碳酸氢铵(普碳)、尿素及新型肥料长效碳酸氢铵(长碳)对土壤释放N₂O的影响;同时考察了土壤NO₃^-的形成时间和形成量.结果表明,农田中施加的无机氮肥是大气中N₂O的重要来源,而长碳与普碳和尿素相比,不但可以明显延后N₂O释放高峰期出现时间,而且大多数情况下可以显著减少其释放量(P<0.01).在5个月的监测期内,与普碳和尿素相比其减少N₂O释放的比例分别为80.23和88.41%(12%含水量),40.00和27.59%(22%含水量),无减少作用和45.88%(32%含水量).本研究结果提示长碳具有作为农田生态系统N₂O减排措施的巨大潜力,同时暗示在农业中用长碳代替目前普遍应用的普碳,可以减少地下水中NO₃^-引起的污染.     

模拟氮沉降增加对寒温带针叶林土壤 CO2排放的初期影响

研究大气氮沉降增加情景下北方森林土壤CO2排放通量及其相关控制因子至关重要。在大兴安岭寒温带针叶林区建立了大气氮沉降模拟控制试验,利用静态箱-气相色谱法测定土壤CO2排放通量,同时测定土壤温度、水分、无机氮和可溶性碳含量等相关变量,分析寒温带针叶林土壤CO2排放特征及其主要驱动因子。结果表明:氮素输入没有显著改变森林土壤含水量,但降低了有机层土壤溶解性无机碳(DIC)含量,并增加有机层和矿质层土壤溶解性有机碳(DOC)含量。增氮短期内不影响土壤NH+4-N含量,但促进了土壤NO-3-N的累积。增氮倾向于增加北方森林土壤CO2排放。土壤CO2通量主要受土壤温度驱动,其次为土壤水分和DIC含量。虽然土壤温度整体上控制着土壤CO2通量的季节变化格局,但在生长旺季土壤含水量对其影响更为明显。在分析增氮对土壤CO2通量的净效应时,除了土壤温度和水分外,还要考虑土壤有效碳、氮动态的影响。     

牲畜排泄物返还对草地土壤氮转化和氧化亚氮(N2O)排放的影响研究进展

牲畜排泄物返还被认为是对草地的一种天然的施肥措施,也是草地养分归还的一种重要途径,对于维持土壤肥力和植被生产力具有十分重要的生态学意义。论述了放牧牲畜粪便和尿液自身降解及其氮素变化、粪尿返还对草地土壤氮转化和氧化亚氮(N₂O)排放的作用机制及影响效应,指出排泄物氮输入使粪尿斑块成为草地土壤氮转化和N₂O排放的活跃点,且不同排泄物类型、土壤理化特性和气候条件等使土壤氮素矿化、固持、硝化及反硝化等关键过程具有复杂性和差异性,进而导致不同类型草地生态系统N₂O排放对牲畜排泄物返还的响应不尽相同。建议未来在全球气候变化背景下,应加强草地牲畜排泄物-植被-土壤体系氮素生物地球化学循环过程的系统研究,进一步加深天然草地关键氮素转化过程和N₂O排放的微生物作用机制方面的认识,从而有助于为优化放牧牲畜排泄物的管理模式、制定科学合理的草地土壤养分调控策略和维持草地生态系统可持续发展提供科学有效的理论指导。     

黄河口不同恢复阶段湿地土壤N2O产生过程对氮输入的响应

以黄河口生态恢复前后未恢复区(R₀)、2007年恢复区(R₂₀₀₇)和2002年恢复区(R₂₀₀₂)的芦苇湿地为研究对象,研究了不同形态氮输入对湿地土壤N₂O产生过程的影响与贡献.结果表明: 硝态氮(NO₃^--N)输入对恢复区湿地土壤N₂O总产生量的影响远远大于铵态氮(NH₄⁺-N),但两者均抑制了R₀土壤的N₂O总产生量.尽管NO₃^--N输入对R₂₀₀₂表层土壤N₂O总产生量的影响明显大于R₂₀₀₇,但二者的N₂O产生量均随氮输入量的增加而增加.恢复区湿地土壤的反硝化作用和硝化细菌反硝化作用受NO₃^--N输入的影响明显,而R₀土壤产生N₂O的生物过程受其影响并不显著.尽管NH₄⁺-N输入对湿地土壤N₂O的总产生量影响不大,但其输入整体促进了R₀ 土壤的硝化细菌反硝化作用、R₂₀₀₇土壤的硝化作用和R₂₀₀₂土壤的非生物作用.比较而言,NO₃^--N输入对R₀、R₂₀₀₇和R₂₀₀₂湿地土壤N₂O产生的非生物作用主要表现为抑制,NH₄⁺-N输入则整体提高了R₀和R₂₀₀₂湿地土壤非生物作用的N₂O产生量,这与不同形态氮输入对土壤pH的调节作用密切相关.研究发现,NO₃^--N输入大大增加了湿地土壤的N₂O总产生量,改变了原有湿地土壤生物作用和非生物作用的贡献模式,故生态恢复工程导致的营养盐输入(NO₃^--N)应受到特别关注.     

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。     

塿土土壤剖面中N2O浓度的时间和空间变异

用土壤探头法对塿土玉米—小麦轮作体系下不同剖面层次N2O浓度变化进行了2a的田间原位监测。结果表明：塿土土壤剖面中N2O浓度具有较大的时间变异,表现为土壤N2O浓度在一年的不同时期变化较大,以温度高、水分充足的7—8月份为最高,温度较低的冬季最低;全年中土壤剖面中各层N2O浓度在降水或者灌溉后均有一个峰值。从空间上来看,土壤不同剖面层次的N2O浓度的变化以60cm土层最高,表层10cm最低,浓度在剖面中的变化顺序为10cm＜30cm＜150cm＜90cm＜60cm。2a的研究结果相比,降水量较高的1999年土壤剖面各层的N2O浓度较高。2a试验期间对照和施肥处理各土壤层次的变异系数分别为7．1％-29．4％和10．8％-50．9％,其中1999年变异系数分别为20．2％-29．4％和32．11％-50．9％,2000年分别为7．14％-18．4％和10．8％-25．9％。从变异系数上来看,1999年高于2000年;施肥处理高于对照;N2O浓度较高的下层土壤高于10cm表层土壤。两个处理N2O出现的时间和剖面变化趋势相同,但施肥处理各时期、各土层的浓度均高于对照。这些结果充分说明塿土土壤存在明显的反硝化N2O气态损失,施肥显著地增加了其产生量,深层土壤N2O的产生是塿土N2O的一个不容忽视的来源;N2O的产生和排放具有极大的时间和空间变异。