农田生态系统N2O排放的数值模拟研究

综合大气化学等多学科最新研究进展,建立了农田N2O排放数值模式,模式较好地模拟了农田生态系统中N2O排放过程.利用模式分析了气象因子对N2O排放影响.结果表明:苏州稻田N2O排放量与生长期平均气温存在显著正相关,与总辐射和降水量相关不明显;功率谱分析表明N2O排放量存在7～9年的变化周期,与平均温度变化周期比较接近.模拟气候变化对N2O排放的可能影响表明:气温比目前升高1℃,苏州稻田N2O排放量将平均增加4.5%.     

地膜覆盖对菜地生态系统N2O排放的影响

为了探讨地膜覆盖对菜地N_2O的排放通量、土壤剖面N_2O浓度以及土壤温度和湿度的影响,选取西南地区常见菜地(辣椒-萝卜轮作)为研究对象,采用静态暗箱/气相色谱法,进行了为期1 a的野外观测实验.结果表明,在辣椒季,常规处理(不覆膜)N_2O的平均排放通量为1000.0μg·(m~2·h)~(-1),覆膜处理为400.6μg·(m~2·h)~(-1),覆膜显著低于常规处理(P0.05);而在萝卜季,N_2O的平均排放通量则表现为覆膜处理[128.1μg·(m~2·h)~(-1)]高于常规处理[107.8μg·(m~2·h)~(-1)],但两者差异未达到显著水平(P0.05).覆膜和常规菜地土壤中N_2O含量均基本随土层深度的增加而增加,表现为:30 cm20cm10 cm,相同处理各层次土壤N_2O含量间均呈显著相关,不同处理相同深度处的土壤N_2O含量间也存在显著的正相关关系.对不同土层中的N_2O含量与地表N_2O排放通量的相关性分析可得出,常规处理各土层处的N_2O含量与地表N_2O排放通量呈显著正相关关系.覆膜处理的N_2O排放通量仅与30 cm深土壤中的N_2O含量存在显著正相关关系.通过对土壤湿度和温度的观测可以得出,地膜覆盖对土壤的增温效应在夏季更加明显,对土壤的保水作用在秋冬季更加突出.相关性分析和主成分分析结果表明,土壤中氮素形态是决定农田N_2O排放最重要的因素,其中常规菜地N_2O排放主要受土壤中总氮含量的影响,而覆膜菜地N_2O的排放对土壤中无机态氮含量的变化更加敏感.     

太湖地区湖水与河水中溶解N2O及其排放

水体是N₂O排放的重要来源.2000-09～2001-09,每月2次采样(重复3次)连续监测太湖地区太湖和大运河水体N₂O排放通量和水中溶解的N₂O浓度,还同时监测不同深度水样中的N₂O浓度.结果表明,太湖N₂O-N的年均排放通量为3.53 μg/(m²·h),而大运河已高达122.5,μg/(m²·h).太湖湖水中溶解N₂O-N浓度为0.36μg/L,大运河河水中浓度高达11.31μg/L,浅水型水体是N2O排放的源.结果还表明,不同深度水中N2O浓度差异不明显,而时间差异显著.水面N2O的排放通量和水中溶解的N2O浓度呈显著正相关关系,二者又都与水温呈显著正相关. .     

氮肥水平对不同土壤N2O排放的影响

鉴于N₂O排放量占施用氮肥量的比例即N₂O排放系数还有很大不确定性,室外盆栽试验于2002～2003年选取3个供试土壤,各土壤设置对照和低、中、高氮肥水平,全年施尿素量 (以N计) 分别为334、 670和1 004 kg/hm².结果表明,水稻生长季,各个土壤的N₂O累积排放量与其对照相比的增加量在低、中、高氮肥水平间无明显差异;而小麦生长季,随氮肥施用量增加,各个土壤的N₂O累积排放量与其对照相比的增加量在3种氮肥水平之间的差异显著.整个稻麦轮作系统,随氮肥用量的增加明显促进麦田N₂O的排放.无论水稻或小麦生长季,对照3个土壤的N₂O累积排放量并无显著差异,F土壤（江苏溧水）、G土壤（江苏涟水）和H土壤（江苏农科院）的N₂O累积排放量,在水稻生长季分别为168、 127和146 mg/m²;小麦生长季,分别为134、 124和168 mg/m².在施氮肥后,3个土壤的N₂O排放量出现差异,如在中氮水平下,小麦生长季,F土壤、G土壤和H土壤N₂O累积排放量分别为976、 744和626 mg/m².稻麦轮作生长季内,在低氮与中氮2个水平下,不同土壤间N₂O排放系数存在显著差异.以1个稻麦轮作周期为时间尺度,F土壤、G土壤和H土壤总的N₂O排放系数分别为1.1%±0.23%、 0.75%±0.17%和1.01%±0.11%,表明不同土壤对N₂O排放系数的影响不同.     

长江上游农业源溪流雨季中N2O间接排放特征

农业源溪流与农田生态系统有着紧密的水文连接,其会随着农业非点源氮(N)污染的加剧而成为重要的N汇和氧化亚氮(N_2O)间接排放源.本研究采用静态暗箱-气相色谱法于2015年6~9月(所研究区域的雨季)原位测定了长江上游紫色土丘陵区农业源溪流的N_2O间接排放通量.结果表明,农业源溪流雨季中N_2O平均排放通量为12. 8μg·(m~2·h)~(-1),接近其所在区域内同季节农田的N_2O直接排放水平,是重要的农业N_2O间接排放源.该农业源溪流中N_2O间接排放系数值(EF5r=0. 01%)远低于IPCC的建议值(0. 25%)和重新计算的全球平均值(0. 20%),然而,全球EF5r的现有数据量仍十分有限、且有较大的空间差异,应加强对此类N_2O间接排放的研究,从而进一步修正EF5r的精度、减少N_2O间接排放估算的误差.本研究的N_2O间接排放通量与水中NO-3-N浓度正相关,反硝化是N_2O的主要产生过程.雨季中较强的降雨(如连续降雨日内降雨 9 mm)可促进溪流中NO-3-N浓度在雨后短期内急剧升高,进而激发水中N_2O间接排放通量的明显增加.     

设施菜田土壤N2O产生对O2的响应

以添加(DIS)/不添加(DI)玉米秸秆的常规设施菜田土壤为研究对象,通过室内培养试验,利用在线自动监测培养系统,在不同初始氧气体积分数下(0%、1%、3%、5%和10%)监测土壤N_2O、NO、N_2和CO_2产生量的动态变化,并同步分析了土壤无机氮(NO-2、NO-3、NH+4)含量,同时设置添加Na Cl O3的处理抑制土壤NO-2的氧化,以期对比研究不同碳投入菜田土壤N_2O产生量对O_2的响应.结果表明,厌氧条件下土壤N_2O产生量显著高于有氧条件下土壤N_2O产生量(P0.01).当氧气体积分数≤1%时,添加秸秆的(DIS)土壤N_2O产生量显著高于未添加秸秆的(DI)土壤(P0.01).土壤中氧耗竭时会观察到明显的N_2O产生速率峰值,但N_2产生速率峰值随着初始氧气体积分数的升高极显著降低(P0.01),反之,土壤中如果没有出现氧耗竭的现象,则N_2O和N_2产生量随着初始氧气体积分数的升高显著降低(P0.01).初始氧气体积分数介于1%~5%时,培养过程中会观察到持续的NO-2累积,且在该氧梯度内N_2O/(NO+N_2O+N_2)指数显著高于0%以及10%初始氧气体积分数的处理,此外,添加Na Cl O3后,当初始氧气体积分数为5%和10%时,持续增加的NO-2与N_2O产生量两者之间线性相关(R2≥0.85).本研究结果表明,低氧条件下不完全的反硝化和NO-2诱导的硝化细菌反硝化共同作用,显著增加了土壤N_2O的产生量和N_2O/(N_2O+NO+N_2)指数;但是,有氧条件下土壤N_2O的产生量显著低于厌氧条件(P0.01).     

南极菲尔德斯半岛植被土壤N2O排放特征

应用密闭箱法首次测定了南极菲尔德斯半岛苔藓、地衣植被土壤N2O的排放通量,并估算了该半岛植被区土壤在夏季2个月内N₂O的排放总量.结果表明:在晴天和雨天,苔藓土壤N₂O的排放通量与温度有较好的响应关系,呈现单峰型变化趋势;但在雪天,与温度的变化不一致;苔藓、地衣这2种不同的植被土壤N2O排放通量日变化基本一致;温度是影响苔藓土壤N2O的排放通量季节变化的主要因子,同时还受降水的影响,干湿交替有利于N2O的排放;苔藓土壤N₂O的排放总量为3.7152kg;地衣土壤N₂O的排放总量为2.5344kg.由此可见,南极菲尔德斯半岛苔藓、地衣植被土壤N₂O排放量虽然很小,但仍起着大气N₂O源的作用.     

三峡库区消落带N2O排放及其影响因素

为了探讨亚热带水库消落带N_2O的排放规律,选取三峡库区王家沟一典型消落带内3个高程(180、175和155 m)作为研究对象,采用静态暗箱和浮箱法进行了为期2 a的连续观测.175 m和155 m高程位于三峡库区消落带上,而180 m高程作为对照,为永不淹水的陆地.结果表明,各高程处的N_2O排放通量都表现出明显的季节变化,180 m高程处的春季N_2O排放最低;175 m高程在实验观测的第一年表现为单峰型的夏季N_2O排放高峰,次年在三峡水库实现最高蓄水位175 m后,表现为干湿交替和夏季N_2O高排放的双峰型;155 m高程处只呈现为夏季高N_2O排放的单峰态.另外,位于消落带上的175 m和155 m高程均表现为落干期N_2O排放大于淹水期.各高程处N_2O的年累积排放量为175 m(853.92 mg·m-2)180 m(336.69mg·m~(-2))155 m(324.69 mg·m~(-2)),与180 m高程对照相比,表明短期淹水会促进N_2O排放,而长期淹水则会抑制N_2O排放.相关性分析显示,陆地与消落带落干期的N_2O排放与各环境因子间无显著相关性,消落带淹水期排放与水温和风速呈极显著负相关.对影响陆地、消落带淹水期和落干期N_2O排放的因素进行主成分分析可知,消落带淹水期水体中可溶性氮素的分布是影响水面N_2O排放的最主要因素,而消落带落干期及陆地则是受土壤碳氮含量、土壤温度、湿度及pH等因素的共同影响和制约.     

DNDC模型在长江三角洲农田生态系统的CH4和N2O排放量估算中的应用

长江三角洲是我国农业发达地区之一,其农业生产所排放的CH₄和N₂O,早已引起了研究者的重视.本研究在分析总结现有的野外观测结果的基础上,验证了估算区域痕量气体排放量的生物地球化学模型DNDC,估算出长江三角洲地区的CH₄和N₂O排放量分别为1.69(1.29～2.09)Tg·a^-1和0.019(0.014～0.024)Tg·a^-1,分别占全国农田CH₄和N₂O排放量的16.7%和6.1%.     

三江平原沼泽湿地N2O浓度与排放特征初步研究

2001年8月到9月在三江平原沼泽湿地进行N₂O的原位静态箱观测.结果发现近地气层N₂O平均浓度为281.7×10^-9m³/m³,低于大气背景浓度,说明沼泽湿地可能是人类目前了解较少但很重要的N₂O汇.选取积水状况和地表植被不同的毛果苔草沼泽、小叶章湿草甸(Ⅰ,Ⅱ)以及作为对照的小麦休耕地进行观测,发现4个地点的N₂O排放日变化形式不完全相同,除小麦田全天持续排放N₂O外,其余各点一天当中均出现排放与吸收交替出现的情况.温度是影响排放模式的主要因素.观测期内毛果苔草沼泽、小叶章湿草甸(Ⅰ,Ⅱ)和小麦休耕地N₂O的平均排放强度分别为0.22μg/(m²·h),1.75μg/(m²·h),1.31μg/(m²·h)和4.86μg/(m²·h).氧化还原电位是决定沼泽湿地N₂O排放特征的关键因子,地表积水情况和土壤水分状况则是影响N₂O排放的另一重要因素.     

渗滤液灌溉土壤N2O释放及氨挥发的研究

选用2种供试土壤（S1和S2）,通过培养试验研究了渗滤液投加土壤后N₂O释放、氨挥发及矿物氮的转化,并讨论了土壤理化性质对上述过程的影响.土壤pH值较大程度地决定了氨的挥发,仅投加渗滤液的碱性土S1在培养期的前5 d内测到氨挥发,通过氨挥发共损失了约3.0‰的渗滤液氮.投加同等含量的渗滤液后,不同土壤可导致N₂O释放量近20倍的差异(p<0.01).土壤含水率（WFPS）影响了土壤中硝酸盐氮的生成速率,从而制约了N₂O释放通量的高低.与WFPS为46%时相比,投加蒸馏水的土壤S1、投加渗滤液的土壤S1和土壤S2在WFPS为70%的条件下N₂O的释放通量均值分别提高了6.5 (p>0.05)、 1.8(p>0.05)和2.2倍(p<0.05).渗滤液投加土壤在10 d培养期内,土壤S1和S2因N₂O释放分别损失了41.1‰和2.3‰的渗滤液氮.为此,控制灌溉土壤的含水率(<70% WFPS),并选用酸性土壤可有效地控制渗滤液灌溉下N₂O的释放和氨挥发.     

基于区域氮循环模型IAP-N的安徽省农用地N2O排放量估算

本研究采用区域氮循环模型IAP-N估算了2011年安徽省县级共计7种农用地类型的N2O排放,估算所需的统计数据来源于安徽省各市统计年鉴,排放因子来源于已发表文献中的观测数据.结果表明,2011年安徽省农用地N2O总排放量(以N2O-N计)为3.51万t.其中,直接排放2.76万t,间接排放0.66万t,田间秸秆燃烧排放0.08万t.淮北平原(Ⅰ区)和沿江圩丘(Ⅱ区)是安徽农用地N2O主要排放区,对农用地N2O总排放的贡献分别为41%和35%.单纯旱作农田是各区最主要的直接排放源,约占直接排放的74%.Ⅱ区和Ⅲ区水旱轮作中的旱作地N2O排放居第二位(分别占Ⅱ区和Ⅲ区直接排放的19%和14%),Ⅳ区的果园茶园N2O直接排放居第二位(占Ⅳ区直接排放的22%).间接排放源中由大气氮沉降引起的N2O排放占三分之二.该研究结果可为决策者合理利用肥料,制定安徽省农业土壤温室气体减排措施提供科学依据.     

氮肥和秸秆还田方式对麦玉轮作土壤N2O排放的影响

为探究氮肥和秸秆还田方式对N₂O排放的影响,本研究在关中地区冬小麦-夏玉米轮作模式下,采用双因素裂区设计,主区为常规施氮(G)和减量施氮(70%G);副区为秸秆不还田(N)、秸秆还田(S)和秸秆还田+生物炭(SB),分析对N₂O排放和产量的影响及与相关影响因子间的关系.结果表明,小麦季和玉米季各处理在施肥后第5～16d内相继出现N₂O排放高峰,在降雨后也出现N₂O排放峰值.N₂O通量和土壤温度、NH₄⁺-N含量呈显著正相关.在同等施氮水平下,S处理增加了N₂O排放量,SB处理可降低N₂O排放量,S和SB处理均能显著增加作物产量,且SB增产幅度更大; 70%G水平的N₂O年排放量较G水平减少了40%～48%,而产量并没有明显减少.综合考虑,在常规施氮基础上减氮30%配合秸秆+生物炭,在保证作物高产的同时,N₂O减排效果最好.     

大气CO2摩尔分数升高对高、低应答水稻稻田N2O排放的影响

依托稻田大气CO₂摩尔分数（x［CO₂］）升高平台FACE （free-air CO₂ enrichment）,采用静态透明箱-气相色谱法研究x［CO₂］升高（正常x［CO₂］+200 μmol·mol^-1）对高、低应答水稻（产量对x［CO₂］升高的响应分别为>30%和10%~15%）稻田N₂O排放的影响.本试验设置4个处理：A-W （正常x［CO₂］+低应答水稻）、F-W （x［CO₂］升高+低应答水稻）、A-S （正常x［CO₂］+高应答水稻）和F-S （x［CO₂］升高+高应答水稻）.结果表明,对比正常x［CO₂］处理（A-S和A-W）,x［CO₂］升高条件下高、低应答水稻（F-S和F-W）稻田N₂O排放分别降低52.54%（P<0.05）和38.40%（P<0.05）,水稻产量分别增加22.96%（P<0.05）和12.11%（P>0.05）,稻田N₂O排放强度分别降低61.68%（P<0.05）和45.13%（P<0.05）.另外,高、低应答水稻稻田N₂O排放与稻田土壤NH₄⁺-N含量呈显著相关关系,而与NO₂^--N含量无显著相关.x［CO₂］升高条件下,土壤温度是影响高应答水稻稻田N₂O排放的重要因素.综合考虑,未来x［CO₂］升高条件下,高应答水稻品种的"增产减排"效果最佳.     

地膜覆盖和施氮对菜地N2O排放的影响

为了探讨地膜覆盖和不同施氮处理对菜地N_2O排放的影响,以位于西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站内辣椒-萝卜轮作菜地为研究对象,采用静态暗箱/气相色谱法,进行为期2 a的田间原位观测.试验设置8个处理,分别为对照常规(NN0)、对照覆膜(FN0),低N常规(NN1)、低N覆膜(FN1),中N常规(NN2)、中N覆膜(FN2),高N常规(NN3)、高N覆膜(FN3),研究地膜覆盖和施氮对菜地N_2O的排放特征和影响因素.结果表明,覆膜与常规两种种植方式对于菜地N_2O的排放体现出明显差异,表现为辣椒季常规显著大于覆膜(P 0. 05),萝卜季为覆膜显著大于常规(P 0. 05). 2014年5月至2016年4月观测期间,覆膜种植下无氮、低氮、中氮和高氮菜地N_2O年均累积排放量分别为244. 91、730. 49、903. 32和1 867. 45 mg·m-2,常规种植下N_2O年均累积排放量为221. 48、840. 33、1 256. 50和1 469. 67 mg·m-2.不同施氮梯度对于菜地N_2O的排放呈现为随施氮量增加N_2O的排放随之增加.通过计算N_2O排放系数可知,覆膜可以一定程度上降低辣椒季N_2O的排放系数,而萝卜季则没有明显规律. 2014年5月至2015年4月,辣椒季常规和覆膜种植下均为低氮菜地的N_2O排放系数最高,在萝卜季则显示为高氮排放系数最高; 2015年5月至2016年4月,则显示辣椒季为高氮菜地N_2O排放系数最高,而萝卜季低氮菜地最高. N_2O的排放通量和土壤氮素含量以及土壤温度呈显著相关关系,而地膜覆盖可一定程度地增加土壤中氮素的含量,进而影响菜地N_2O的排放通量.     

碳底物含量对厌氧条件下水稻土N2、N2O、NO、CO2和CH4排放的影响

理解底物碳氮对厌氧条件下水稻土排放氮素气体——氮气(N2)、氧化亚氮(N2O)和一氧化氮(NO)以及二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的影响,有助于制定合理的温室气体减排措施,定量了解反硝化产物组成对碳底物水平的依赖性,也有助于氮转化过程模型研发中制定正确的关键过程参数选取方法或参数化方案.本研究采用粉砂壤质水稻土为研究对象,设置对照(CK)和加碳(C+)两个处理,前者的初始硝态氮和可溶性有机碳(DOC)含量分别为~50 mg·kg-1和~28 mg·kg-1,后者的分别为~50 mg·kg-1和~300 mg·kg-1.采用氦环境培养-气体及碳氮底物直接同步测定系统,研究了完全厌氧条件下碳底物水平对上述气体排放的影响.结果表明,CK处理无CH4排放,而C+处理可观测到CH4排放;C+处理的综合增温潜势显著高于CK处理(P<0.01);NO、N2O和N2排放量占这3种氮素气体排放总量的比重,在CK处理分别约为9%、35%和56%,在C+处理分别约为31%、50%和19%,处理间差异显著(P<0.01).由此表明,碳底物水平可显著改变所排放氮素气体的组成;对于旱地阶段硝态氮比较丰富的水稻土,避免在淹水前或淹水期间施用有机肥,有利于削减温室气体排放.     

植被收割对滨海湿地沉积物中CO_2和N_2O释放的影响

为了揭示冬季滨海湿地植被收割对其沉积物中温室气体释放的影响,以长江入海口典型滨海湿地——崇明东滩为研究对象,观测季节性(冬季)植被收割(分别于收割后第0天、第10天、第30天、第60天采样)与不收割条件下芦苇(Phragmites australis)、米草(Spartina alterniflora)、芦苇-米草交互带和光滩沉积物中CO2与N2O的释放特征.结果表明:1米草和芦苇-米草交互带植被收割并未增加沉积物中CO2的释放(P0.05),但芦苇收割可能会增加N2O的释放(P0.05),说明植被收割对湿地沉积物中CO2和N2O释放的影响与植被类型密切相关.2与芦苇带相比,米草和芦苇-米草交互带沉积物中CO2累积释放量分别高出12%~57%和17%~43%,但芦苇植被覆盖下沉积物中N2O累积释放量分别比二者高出11%~81%和8%~95%.可见,米草和芦苇-米草交互带沉积物碳的呼吸损失明显高于芦苇带,但芦苇植被覆盖下沉积物中N2O逸失量相对较高.34种植被类型下,沉积物中N2O累积释放量为0.1~0.4 mg/kg,CO2累积释放量则高达1 024~2 645 mg/kg.因此,冬季滨海湿地植被收割不会显著增加N2O的温室效应,但选择性收割米草有望减少沉积物碳的呼吸损失.     

不同种类有机肥施用对稻田CH4和N2O排放的综合影响

以麦茬稻田为对象,研究基肥施用不同有机肥对稻田CH₄和N₂O排放的综合影响.结果表明:有机肥施用对稻田CH₄和N₂O排放的季节变化模式无明显影响,但影响其排放量.与施用化肥(化肥处理)相比,施用菜饼+化肥(菜饼处理)促进CH₄和N₂O的排放,其季节排放总量分别增加了252%和22%;施用小麦秸秆+化肥(秸秆处理)和牛厩肥+化肥(牛厩肥处理)明显增加CH₄排放,增加量分别为250%和45%,同时却减少N₂O排放,分别减少18%和21%;施用猪厩肥+化肥(猪厩肥处理)降低CH₄和N₂O的排放,分别降低4%和18%.对CH4和N₂O排放的综合温室效应分析表明,菜饼和秸秆处理的全球增温潜势(GWP)约为化肥处理的2.5倍,牛厩肥和化肥处理基本持平,但施用猪厩肥可减少10%～15%.各处理的GWP从高到低依次为菜饼、秸秆、牛厩肥、化肥和猪厩肥.单位产量的GWP以秸秆处理最高,菜饼次之,牛厩肥比化肥处理略高,猪厩肥处理最低.从本生长季来看,猪厩肥的施用对于实现环境效益与生产效益的协调发展具有一定作用.