机器学习在氮循环领域的应用研究进展

氮循环是地球圈层中水-土-气-生多介质、多界面的复杂过程，与土壤健康、粮食安全、全球变暖、空气污染、水体质量等环境问题密切相关。近年来，得益于计算机技术的快速发展和海量、多源数据的产生，机器学习迅速成为研究氮素循环强有力的工具。本文系统梳理了机器学习的功能性概念，包括典型开发流程和学习应用场景等；总结了机器学习的典型应用算法，包括经典机器学习（如随机森林、支持向量机等）和深度学习（如卷积神经网络、长短期记忆网络等）；并综述了机器学习在氮循环研究领域的应用研究进展，包括大气、水体、土壤和植物/作物等介质的氮素代谢机制、模拟氮素循环过程及管理氮素流动等。未来基于大数据和机器学习技术的特征工程和模型融合的研究，将会给氮循环领域的数据分析与建模带来巨大变革。同时，将机器学习与基于物理过程的模型相结合解决氮循环过程中的复杂问题，可为服务国家“双碳”战略以及控制全球变暖、空气污染等环境问题提供重要支撑。     

九龙江河口养虾塘氧化亚氮排放通量及影响因素

水产养殖生态系统由于其高氮负荷而成为氧化亚氮(N_2O)的潜在释放源,为探究其排放特征,选择福建省九龙江河口养虾塘为研究对象,采用悬浮箱-气相色谱仪法测定其水-气界面N_2O排放通量变化,并结合气象要素和水环境因子分析其主要影响因素。结果表明:九龙江河口养殖塘水-气界面N_2O排放通量的变化范围和均值分别为0.10～0.64μmol·m~(-2)·h~(-1)和(0.26±0.07)μmol·m~(-2)·h~(-1),均表现为向大气释放N_2O的源。N_2O排放通量随养殖期推迟呈现持续增加,且在白天不同时刻存在显著变化。相关分析表明,N_2O排放通量与养殖水体的温度、溶解性有机碳、NO_2~--N和NO_3~--N浓度呈显著正相关,与盐度呈显著负相关。多元回归分析表明,水体盐度和NO_2~--N浓度是影响养虾塘N_2O排放的主要因素。     

不同硝化抑制剂对黑土N2O的减排效果

【目的】施用硝化抑制剂是削减农田N₂O排放的有效措施，本文研究不同种类硝化抑制剂对土壤N₂O排放的影响，为选择高效硝化抑制剂以实现黑土N₂O减排提供科学依据。【方法】在黑龙江省东部典型旱作黑土区进行田间试验。设置6个处理：不施氮肥(N0)，常规施氮(N200)，减氮20%(N160)，减氮20%分别配施硝化抑制剂双氰胺(N160+DCD)、3,4-二甲基吡唑磷酸盐(N160+DMPP)和2-氯-6 (三氯甲基)-吡啶(N160+CP)。测定全年土壤N₂O排放通量，同步测定土壤温度和含水量以及玉米生长季土壤铵态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)和可溶性有机碳(DOC)含量。【结果】施氮显著提高了土壤NH₄⁺-N含量，且各施氮处理间差异不显著。施用硝化抑制剂处理降低了土壤NO₃^--N含量，DCD和DMPP处理的NO3--N...     

长江中下游地区排水对稻麦轮作系统N2O排放以及产量的影响

为探究适用于中国东部低地圩区的稻麦两熟制农田温室气体减排增效技术，以巢湖圩区稻麦轮作农田为研究对象，设置浅沟（CQ）、深沟（CS）两种麦季开沟排水处理，并以常规耕作为对照（CG），采用“密闭箱-气相色谱法”，对整个稻麦轮作周期的氧化亚氮（N₂O）排放进行持续监测，并测定产量以及分析相关土壤理化性质。结果表明：（1）与CG相比，CQ、CS处理在水稻季分别减少了32.4%1和42.40%的N₂O累积排放量，小麦季分别减少8.10%与9.67%的排放量。（2）开沟排水处理实现了稻麦的稳产以及增产，与CG相比，CQ和CS处理的水稻产量分别提高了1.67%和2.31%，小麦产量分别提高了5.17%和1.02%；水稻季GHGI分别显著下降了33.52%和43.70%，小麦季分别显著下降了12.62%和10.59%（P < 0.05）。（3）开沟排水明显降低水稻生育中后期5 cm地温，提高麦田土壤pH值，降低土壤含水量和有机质。（4）排水处理降低了小麦季土壤硝态氮、铵态氮以及全氮含量，并且土壤氮素水平变化更为稳定。综合来看，各处理均确保了作物产量且实现了温室气体的减排，其中以CS效果更佳，研究结果对于指导稻麦低碳种植提供一定的参考意义。     

长期施肥下红壤玉米关键生育期氧化亚氮排放差异及其影响因素

【目的】探究红壤区玉米关键生育期氧化亚氮(N₂O)的排放量及影响因素，为红壤区玉米季温室气体减排提供理论支撑。【方法】典型红壤长期施肥定位试验始于1990年，选取不施肥(CK)、氮钾化肥配施(NK)、氮磷钾化肥配施(NPK) 3个处理，监测玉米苗期、喇叭口期、灌浆期和成熟期N₂O排放、温度和降雨量，测定了表层土壤理化性状和硝酸还原相关酶的活性。【结果】与CK相比，NK和NPK处理均显著提高了N₂O累积排放量，NPK处理显著增加苗期N₂O累积排放量，而NK处理显著提高了喇叭口期和灌浆期N₂O累积排放量，但两个处理的玉米生育期N₂O累积排放总量没有显著差异。从玉米苗期到成熟期，NK处理土壤pH整体呈下降趋势，降低了17.8%，而CK和NPK处理无显著变化；CK、NK和NPK处理土壤有机碳(SOC)整体呈上升趋势，分别较灌浆期升高了15.2%、16.4%和16.2%,NH₄⁺-N含量呈逐渐降低趋势，而NO_3<...     

土壤反硝化产物N2O/N2化学计量比例研究进展

反硝化作用是土壤氮循环中最重要的活性氮移除途径之一。在这一过程中，硝态氮被还原为气态氮素氧化亚氮（N₂O）或氮气（N₂）等离开土壤进入大气，而其气态产物N₂O/N₂化学计量比是土壤反硝化研究的热点和难点，合理调控N₂O/N₂是减少农业源温室气体排放的重要途径。在土壤环境中，反硝化产物比受多种因素的影响，硝态氮、O₂含量和Cu离子有效性是介导产物比变化的关键影响因子，而电子供体量、pH、水分为一般影响因子。这些因素既可以通过影响反硝化酶活、反硝化微生物丰度和群落结构等直接作用于反硝化过程，也可以通过改变反硝化发生的土壤微环境间接影响反硝化产物比。本文综述了近年来土壤反硝化气态产物N₂O/N₂控制因素的相关进展，并讨论了其对不同影响因素变化的响应机理，以期为后续相关研究提供思路和背景。     

农田管理对夜间增温稻-麦农田CH4和N2O排放强度的影响

为研究夜间增温下农田管理（节水灌溉/晚播）对稻-麦轮作农田作物产量及CH₄和N₂O排放的影响，采用2因素2水平试验设计进行田间模拟试验。夜间温度设2水平，即常温对照（CK）和夜间增温（NW），用铝箔膜夜间（19：00—次日6：00）覆盖植株冠层模拟夜间增温。水稻季水分管理设2水平，即常规灌溉（F，间歇淹水，5 cm水层）和节水灌溉（M，湿润，无水层）；冬小麦季播期设2水平，即正常播期（NS）和晚播（LS）。结果表明：与对照相比，夜间增温或湿润灌溉均降低水稻生物量和产量，降幅分别为14.69%~18.16%和7.27%~9.14%；而增温下适度晚播则使冬小麦产量增加0.71%。与常温淹水灌溉相比，夜间增温或湿润灌溉均显著降低稻田CH₄排放通量，但湿润灌溉下夜间增温则显著提高稻田CH₄排放通量。常温对照下，与淹水灌溉相比，湿润灌溉使稻田CH₄累积排放量降低79.46%，而使N₂O累积排放量增加97.21%。夜间增温下，与淹水灌溉相比，湿润灌溉使稻田CH₄和N₂O的累积排放量分别增加39.98%和45.62%。晚播使麦田N₂O累积排放量降低21.46%~53.77%。用持续变化全球增温/冷却潜势（SGWP/SGCP）评估稻田和麦田温室气体排放对稻麦系统增温潜势的贡献，各处理稻田CH₄排放的贡献均为主导作用。夜间增温显著降低淹水/正常播期稻麦轮作系统温室气体排放强度（GHGI），显著增加湿润/晚播稻麦轮作系统的GHGI。研究认为，综合考虑产量和环境效益，水稻季采用常规灌溉和冬小麦季正常播种是长江下游稻麦轮作农田应对气候变暖的有效技术措施。     

长期禁牧对内蒙古典型草原冻融期N2O排放的影响

草地不同利用方式和土壤水热条件对温室气体排放具有重要影响。冻融期是草地N₂O排放的关键期。本研究以内蒙古温带典型草原为研究对象，设置1979年以来禁牧(1979禁牧)和1999年以来禁牧(1999禁牧)两个处理组，以持续放牧样地为对照，分别于2019-2021年的两个冻融期(11月-次年4月)，利用传感器和气体原位采集装置对不同深度土壤剖面的水分、温度和N₂O浓度进行监测，并用静态箱法测定N₂O通量。结果显示，冻融期土壤剖面N₂O浓度随着水热增加而急剧增加，不同深度土壤剖面N₂O浓度差异不显著(P> 0.05)，放牧草原土壤剖面的N₂O浓度(0.76 cm3·m-3)均显著高于禁牧草原(1979禁牧：0.51 cm3·m-3,1999禁牧：0.58 cm3·m-3)(P <0.05)。放牧样地N₂O通量[8.30μg·(m²·h)^-1]显著高于1979禁牧处理[–0.72μg·(...     

模拟氮沉降显著提高青藏高原高寒草地氧化亚氮排放速率

为揭示不同类型和剂量氮沉降下青藏高原高寒草地N₂O排放速率的响应规律，本研究对83组N₂O排放速率研究数据开展整合分析，结果表明：模拟氮沉降实验极显著增加高寒草地N₂O排放速率，增加幅度和平均效应值分别为148.43%和0.91。高寒草甸和高原草原N₂O排放速率增加幅度依次为115.98%和190.96%(P<0.05)。就不同类型氮素添加的平均效应值而言，硝酸钾>家畜粪便>硫酸铵>尿素>硝酸铵>家畜尿液>氯化铵>硝酸钠，其中后两者对青藏高原高寒草地N₂O排放速率影响最低，增加幅度依次为43.33%和34.99%。低剂量、中剂量和高剂量氮素的平均增加幅度分别为40.49%,197.13%和339.29%。氮沉降平均效应值受氮素剂量、土壤硝态氮含量、全氮含量、年均气温和地上生物量的显著性影响，前三者分别可以解释28.32%,12.94%和11.17%的效应值变异。未来氮沉降增加情景可能显著增加青藏高原高寒草地N₂     

秸秆还田对关中地区麦玉轮作田N2O排放的短期效应

【目的】分析环境因子和土壤N₂O排放对短期秸秆还田的响应，以更准确地评价化肥施用下短期秸秆还田的增减排效益。【方法】于2020—2021年在关中地区开展了小麦–玉米轮作田间试验。采取双因素裂区设计，主处理为秸秆还田(W1)与不还田(W0)，副处理为不施肥(W1、W0)、施氮肥(W1N、W0N)和施氮磷肥(W1NP、W0NP)。测定了土壤含水量、温度、NO3--N、NH4+-N、速效磷含量及N₂O排放通量，调查了作物产量，并探讨了土壤N₂O排放与环境因子之间的关系。【结果】相比W0,W1处理土壤含水量提高了1.1%～16.2%;W1N处理的土壤NO3--N含量峰值较W0N高17.6%～30.5%。4个施肥处理的土壤NO3--N和NH4+-N含量随生育时期推进先迅速上升，然后缓慢下降，施氮肥处理的土壤NO3--N峰值比施氮磷肥处理高17.0%～20.8%。W1NP与W0NP处理土壤的速效磷含量随生育期推进先上升后缓慢下降，平均速效磷含量显著高于处理W0、W1、W0N和W1N (P<0.05)。冬小麦季和夏玉米季分别在施...