温带草甸草原土壤N2O产生过程研究

以大量的室内模拟培养实验,以内蒙古温带草甸草原土壤为研究对象,利用AIM乙炔抑制法,模拟野外条件对原样土壤样品进行N₂O产生过程进行研究。实验结果表明:内蒙古温带草甸草原土壤N₂O产生过程以硝化作用为主。其中异养硝化作用起主导作用,自养硝化潜势和反硝化潜势在草原植物不同生长季节变化不同,总体上异养硝化潜势>自养硝化潜势>反硝化潜势。由于自养硝化作用在不同季节的发生,使得草甸草原土壤N₂O的产生潜势也高、低起伏变化。从而揭示了内蒙古温带草原土壤以异养硝化作用过程为主产生N₂O和N₂O排放通量较低的微生物学机理。     

基于BP神经网络模型的全球森林土壤异养硝化过程N2O排放通量估算

N₂O作为重要的温室气体之一,对地球和人类都有很大的影响。为了深入探究对有机氮异养硝化作用及其产生N₂O过程的影响机制,完善全球N₂O通量估算模型,本研究采用Pearson相关性分析与广义可加模型(GAM)对全球135个样点有机氮异养硝化速率及其产生N₂O速率的影响因子进行分析,然后将主要影响因子作为BP神经网络的输入层来模拟全球森林土壤有机氮异养硝化速率及其产生N₂O速率的空间分布。结果显示,土壤pH和土壤C/N是影响有机氮异养硝化速率的主要因素,土壤C/N、土壤孔隙含水量(WFPS)以及土壤温度是影响有机氮异养硝化产生N₂O速率的主要因素。全球森林土壤异养硝化速率平均为0.4241(0.0014～0.689)μg N·g^-1·d^-1,异养硝化产生N₂O速率平均为0.2936(0.21～1.103)μg N₂O·kg^-1·d^-1     

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。     

土壤水分对土壤产生气态氮的厌氧微生物过程的影响

气态氮[一氧化氮(NO)、氧化亚氮(N₂O)和氮气(N₂)]的释放是土壤氮损失的一种重要途径。硝化和反硝化作用是土壤气态氮损失的主要微生物过程,但是异养硝化作用、共反硝化作用和厌氧氨氧化过程对土壤气态氮损失的贡献尚不清楚。本研究利用¹⁵N标记和配对法,结合硝化抑制剂双氰胺(DCD),通过土壤培养试验来量化厌氧条件下各种微生物过程对NO、N₂O和N₂产生的贡献。结果表明: 在厌氧条件下培养24 h后,土壤孔隙含水率为65%时,3种气体总的¹⁵N回收率最高,占加入¹⁵N总量的20.0%。反硝化过程对NO、N₂O和N₂产生的贡献率分别为49.9%～94.1%、29.0%～84.7%和58.2%～85.8%,是产生3种气体的主要过程。异养硝化过程也是产生NO和N₂O的重要过程,特别是在土壤孔隙含水率很低时(10%)对两种气体产生的贡献率分别为50.1%和42.8%。,共反硝化过程对N₂O产生的贡献率为10.6%～30.7%,共反硝化和厌氧氨氧化过程对N₂产生的总贡献率为14.2%～41.8%,表明共反硝化过程在N₂O和N₂产生中的作用不可忽视。¹⁵N标记和配对法是区分气态氮损失的各种微生物过程的有效手段。     

不同灌溉量对华北平原菜地N2O排放及其来源的影响

以华北平原菜地为研究对象,通过控制灌溉量设置不同的土壤水分对照,利用稳定同位素¹⁵N自然丰度法,结合传统的乙炔抑制试验,对不同土壤水分条件下的N₂O排放、N₂O同位素特征值以及同位素异位体位嗜值(SP值)变化规律进行分析,以阐明不同水分条件下N₂O的排放规律及其来源.结果表明:水分条件显著影响N₂O排放,相比于50%土壤孔隙含水率(WFPS),70%WFPS的水分条件下N₂O的排放较高.N₂O的排放集中在施肥前期,在施肥中后期迅速减弱.50%WFPS条件下,N₂O的排放最初以硝化作用为主,占比约为90%,随后硝化作用迅速下降,反硝化变成主导作用,施肥7 d后即达到80%以上;而70%WFPS条件下初期则以反硝化为主,占比约为70%,随后下降至40%左右,施肥10 d后逐渐升高至80%.整体上,N₂O的排放主要以反硝化作用为主,不同水分处理对土壤硝化、反硝化作用的影响主要体现在施肥前期,后期均以反硝化为主.综上,建议华北地区的菜地生产应适当降低灌溉量,以减少N₂O排放.     

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.     

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.     

土壤中反硝化酶活性变化与N2O排放的关系

研究施肥条件下,土壤反硝化酶活性硝酸还原酶(NR)活性、亚硝酸还原酶(NiR)活性及羟胺还原酶(HyR)活性在玉米生长季节中的变化及其与土壤含水量、硝态氮含量、N₂O排放之间的关系。结果表明,3种还原酶都有明显的季节变化规律并受土壤水分含量及施肥的影响。通过研究3种反硝化酶活性与土壤含水量及N₂O排放量之间的关系后指出,反硝化酶活性变化可作为一个区分旱田N₂O产生途径的指标.     

土壤中反硝化酶活性变化与N2O排放的关系

研究施肥条件下,土壤反硝化酶活性硝酸还原酶(NR)活性、亚硝酸还原酶(NiR)活性及羟胺还原酶(HyR)活性在玉米生长季节中的变化及其与土壤含水量、硝态氮含量、N₂O排放之间的关系。结果表明,3种还原酶都有明显的季节变化规律并受土壤水分含量及施肥的影响。通过研究3种反硝化酶活性与土壤含水量及N₂O排放量之间的关系后指出,反硝化酶活性变化可作为一个区分旱田N₂O产生途径的指标.     

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.     

Moso bamboo and Japanese cedar seedlings differently affected soil N2O emissions

毛竹和日本柳杉幼苗对土壤氧化亚氮排放的影响及微生物机制 毛竹(Phyllostachys edulis)向日本柳杉(Cryptomeria japonica)林的扩张现象越发普遍,其扩张对大 气重要温室气体氧化亚氮(N₂O)排放的影响也引起了更多的关注,而其微生物机制尚不明确。本研究通过添加微生物抑制剂链霉素和扑海因分别抑制细菌和真菌活性,连续观测土壤N₂O排放速率以及相关土壤养分和植物生物量。研究结果表明：(i)毛竹土壤N₂O的排放速率显著高于日本柳杉;与对照相比,细菌抑制剂、真菌抑制剂及其交互作用均对N₂O排放速率具有显著抑制效应,但三者之间无显著差异;(ii)毛竹生物量显著高于日本柳杉;(iii)日本柳杉土壤有机质、全氮和铵态氮显著高于毛竹土壤,日本柳杉土壤pH和全磷显著低于毛竹土壤。真菌抑制剂降低了土壤有机质含量,细菌抑制剂降低了土壤硝态氮含量。真菌抑制剂与物种在影响土壤pH、全磷和铵态氮方面具有显著交互作用。细菌抑制剂与物种在影响土壤全氮方面有显著交互作用。综上所述,毛竹和日本柳杉在生长过程中土壤N₂O排放速率不同,毛竹幼苗土壤N₂O排放及生物量均高于日本柳杉。细菌抑制剂和真菌抑制剂对N₂O的排放速率均具有一定抑制作用。因而,在全球气候变化背景下,应进一步深入了解森林生态系统物种组成和变化对N₂O排放的影响,以有效评估毛竹扩张等导致的生物多样性变化对全球N₂O排放的贡献。     

不同灌溉量对华北平原菜地N2O排放及其来源的影响

以华北平原菜地为研究对象,通过控制灌溉量设置不同的土壤水分对照,利用稳定同位素¹⁵N自然丰度法,结合传统的乙炔抑制试验,对不同土壤水分条件下的N₂O排放、N₂O同位素特征值以及同位素异位体位嗜值(SP值)变化规律进行分析,以阐明不同水分条件下N₂O的排放规律及其来源.结果表明:水分条件显著影响N₂O排放,相比于50%土壤孔隙含水率(WFPS),70%WFPS的水分条件下N₂O的排放较高.N₂O的排放集中在施肥前期,在施肥中后期迅速减弱.50%WFPS条件下,N₂O的排放最初以硝化作用为主,占比约为90%,随后硝化作用迅速下降,反硝化变成主导作用,施肥7 d后即达到80%以上;而70%WFPS条件下初期则以反硝化为主,占比约为70%,随后下降至40%左右,施肥10 d后逐渐升高至80%.整体上,N₂O的排放主要以反硝化作用为主,不同水分处理对土壤硝化、反硝化作用的影响主要体现在施肥前期,后期均以反硝化为主.综上,建议华北地区的菜地生产应适当降低灌溉量,以减少N₂O排放.     

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。     

青藏高原高寒草原近地表圈层N2O梯度及交换特征

深入了解N2O在不同生态系统土壤及大气中产生和交换特征对于全球气候变化研究具有重要意义.本研究重点探讨N2O在高寒草原近地表圈层中的产生及迁移过程机制.于2000年7月至2001年7月在青藏高原高寒草原地区从土壤1.5 m深到大气中32 m高度10个层次梯度进行N2O浓度变化的观测.结果显示,土壤和大气中N2O浓度均有明显的变化特征.大气中各个层次N2O的浓度都低于土壤中N2O浓度,此浓度差异直接导致了该地区高寒草原土壤向大气中排放N2O气体,其平均排放通量为0.05×10-4μmo1.m-2.s-1,但是在实验点上全年的观测中,N2O气体排放并没有表现出明显的季节性变化特征.土壤中N2O浓度随深度增加而不断升高,浓度最高值出现在1.5 m深处.进一步的分析表明,N2O浓度随深度递增主要是由环境因子中同样递增的土壤湿度所引起的.大气中不同梯度上N2O气体没有明显的浓度差异.近地表各个圈层中N2O浓度在季节上有非常相似的变化特征,即N2O高浓度均出现在入秋和深冬时节.除了N2O浓度变化在各个圈层之间显著相关以外,表层土壤中N2O浓度也与N2O排放变化有明显的相关关系,这表明浓度的差异是导致N2O气体排放变化的最直接因素.近地表土壤中N2O气体是土壤表层N2O气体排放的直接源泉,并且深层土壤中的N2O气体浓度高于浅层土壤,由此我们可以认定土壤中N2O气体通过微生物作用产生以后,由于浓度差异导致从深层土壤到浅层土壤的逐步扩散,最后经地表排放到大气当中去.     

长效碳酸氢铵对土壤硝化-反硝化过程和NO与N2O排放的影响

室内实验(25℃和50%WFPS)比较研究了碳酸氢铵(普碳)和长效碳酸氢铵(长碳)对粘质土壤(粘土)和壤质土壤(壤土)硝化反硝化过程和NO与N₂O排放的影响.长碳中的DCD在粘土中的硝化抑制作用很弱,在壤土中显著,与普碳处理相比,NH₄⁺持续时间分别延长7d和33d.15d内,施普碳(100μgN·g^-1)情况下,粘土和壤土NO排放量分别占施N量的0.60%和1.06%,分别是相应土壤N₂O排放量的30和12倍.施长碳后,粘土和壤土NO排放量分别减少67%和95%,N₂O排放量分别减少64%和55%.有氧培养39d后,外加硝酸盐(200μgKNO₃-N·g^-1),接着淹水厌氧培养7d,壤土长碳处理较普碳处理反硝化总损失减少50%,但N₂O排放量增加113%.