田间老化生物质炭减缓稻麦轮作系统土壤N2O排放能力降低的机理

作为一种重要的土壤调节剂,生物质炭在固碳减排,尤其在氧化亚氮(N₂O)减排方面的作用日益突出。本研究通过田间定位试验,分析稻麦轮作体系新鲜和田间不同时间老化生物质炭对N₂O排放的影响,旨在明确生物质炭对田间N₂O排放的持续效应及其作用机理。试验共设置5个处理,分别为CK（不施氮肥和生物质炭）、N（施氮肥）、NB_0y（氮肥+新鲜生物质炭）、NB_2y（氮肥+2年老化生物质炭）和NB_5y （氮肥+5年老化生物质炭）,动态监测稻麦轮作周期N₂O排放,测定水稻和小麦收获后土壤理化性质和氮循环功能基因丰度。结果表明,生物质炭显著降低土壤N2O累积排放量32.4% ~ 54.0%,且表现为NB_0y> NB_2y> NB_5y。与N处理相比,NB_0y, NB_2y 和NB_5y处理显著提高土壤pH值0.6 ~ 1.2个单位、土壤有机碳（SOC）含量21.4 % ~ 58.6%、硝态氮（NO_3^--N）含量1.7% ~ 31.3%,对土壤pH改善能力随着生物质炭老化而下降。生物质炭处理显著提高nosZ基因丰度54.9% ~ 249.4%,土壤 (nirS+nirK)/nosZ比值随着生物质炭老化而增加。相关性分析表明,土壤N₂O累积排放量与pH值呈显著负相关,与NO_3^--N含量和amoA-AOB（氨氧化细菌）丰度呈显著正相关。因此,新鲜和田间不同时间老化生物质炭均能显著改善土壤理化特性,降低土壤 N₂O排放且新鲜生物质炭的作用效果优于老化生物质炭。土壤NO_3^--N 含量及(nirS+nirK)/nosZ比值的增加,是导致老化生物质炭减排N₂O能力降低的主要原因。     

生物质炭对土壤N2O消耗的影响及其微生物影响机理

生物质炭在温室气体减排方面具有很大的发展前景,它不仅能实现固碳,对于在大气中停留时间长且增温潜势大的N₂O也能发挥积极作用。本研究采用室内厌氧培养试验,按照生物质炭与土壤质量比（0、1%和5%）加入一定量生物质炭,土壤重量含水率控制在20%。利用Robotized Incubation平台实时检测N₂O和N₂浓度变化,通过测定土壤中反硝化功能基因丰度（nirK、nirS、nosZ）分析生物质炭对N₂O消耗的影响及其微生物方面的影响机理。结果表明：经过20 h厌氧培养后,0生物质炭处理的反硝化功能基因丰度（基因拷贝数·g^-1）分别为6.80×10⁷（nirK）、5.59×10⁸（nirS）和1.22×10⁸（nosZ）。与0生物质炭处理相比,1%生物质炭处理的nirS基因丰度由最初的2.65×10⁸基因拷贝数·g^-1升至7.43×10⁸基因拷贝数·g^-1,nosZ基因丰度则提高了一个数量级,由4.82×10⁷基因拷贝数·g^-1升至1.50×10⁸基因拷贝数·g^-1,然而nirK基因丰度并无明显变化;5%生物质炭处理的反硝化功能基因丰度并未发生显著变化。试验结束时,添加生物质炭处理的N₂/（N₂O+N₂）比值也明显高于0生物质炭处理。相关性分析结果表明,nirS基因丰度和nosZ基因丰度均与N₂O浓度在0.01水平上显著相关。试验末期nirS基因丰度和nosZ基因丰度均随着N₂O浓度的降低而升高。因此在本试验中,添加1%生物质炭可显著提高nirS和nosZ基因型反硝化细菌的丰度,增大N₂/（N₂O+N₂）比值,促进N₂O彻底还原成N₂。生物质炭对于N₂O主要影响机理是增大了可以还原氧化亚氮的细菌活性,促进完全反硝化。     

不同耕作措施下土壤N2O排放及其农学效率

为评价不同耕作措施下华北平原农田土壤N2O排放及其农学效率,通过设置常规耕作秸秆还田(CT+)、常规耕作无秸秆还田(CT?)、免耕秸秆还田(NT+)、免耕无秸秆还田(NT?)4个处理田间定位试验,采用静态箱?气相色谱法测定分析了连续3个小麦生长期的表层土壤N2O排放及其主要相关因子,同时测定了小麦产量与氮吸收量等相关指标。结果表明:在4个处理下,小麦生长期内表层土壤N2O排放动态基本一致,而土壤N2O累积排放量却存在显著差异,而且耕作方式与秸秆还田存在显著的互作效应。在常规耕作和免耕措施下,单位面积土壤N2O累积排放量均表现为秸秆还田土壤显著高于无秸秆还田土壤,CT+和NT+分别比CT?和NT?高26.2%和74.6%;在无秸秆还田条件下,土壤N2O排放量表现为常规耕作比免耕高42.4%。相关分析表明,土壤N2O排放通量与地下5 cm土壤温度、土壤孔隙充水率(WFPS)之间呈显著正相关关系,与土壤溶解性有机氮(DON)含量之间呈显著负相关关系。利用农学效率指标度量N2O排放量时可知,虽然小麦籽粒产量和氮肥偏生产力在各处理间没有达到显著性差异,但每生产1 kg小麦籽粒表层土壤N2O排放量为0.18~0.73 g N2O-N,每投入1 kg氮素表层土壤N2O排放量为5.1~18.0 g N2O-N,处理间存在显著差异;与单位面积土壤N2O排放量表现一致,单位籽粒产量N2O排放量和单位氮素投入N2O排放量均表现为无论是常规耕作还是免耕措施,秸秆还田土壤均显著高于秸秆不还田土壤,在秸秆不还田条件下,常规耕作土壤均显著高于免耕土壤。总之,免耕是有效减少土壤N2O排放的一种耕作措施。     

生物质炭添加对不同pH紫色土硝化作用及N2O排放的影响

生物质炭施用可能对土壤中氮素硝化过程和N₂O排放产生影响。本研究通过室内培养试验,研究铵态氮肥与玉米秸秆生物质炭施用量(0、1%、2%、5%、10%,m/m)对酸性(pH 5.10)和石灰性(pH 8.15)紫色土氮素硝化率、净硝化速率及N₂O排放特征的影响。结果表明:①酸性和石灰性紫色土生物质炭处理平均净硝化速率相比对照分别降低了33.7%～93.7%和7.5%～40.9%,生物质炭添加抑制了酸性和石灰性紫色土硝化作用,在酸性紫色土中生物质炭对硝化作用的抑制作用随施用量的增加而增强,在石灰性紫色土中无明显规律。②与对照相比,酸性紫色土N₂O累计排放量在1%生物质炭和2%生物质炭处理下降幅分别为15.9%和27.7%,在5%和10%生物质炭处理下增幅分别为60.1%和93.2%;石灰性紫色土生物质炭各处理N₂O累积排放量均显著高于对照。③综合考虑,在酸性紫色土中1%、2%生物质炭施用对硝化作用抑制和N₂O减排综合效果最好,但在石灰性紫色土中无明显抑制和减排效果。     

等氮量下不同分施次数对燥红壤N2O排放的影响

通过室内培养试验研究等氮量下不同施肥次数对N_2O排放的影响。试验设一次性施氮(S1,将200 mg/kg氮肥一次性施入土壤),二次分施(S2,将200 mg/kg氮肥分两次平均施入土壤),三次分施(S3,将200 mg/kg氮肥分80、60、60 mg/kg 3次施入土壤)和空白(CK,不施肥)4个处理。培养在65%田间持水量,30℃恒温箱中进行。结果表明,氮肥施入显著促进土壤N_2O排放;等施氮量下,不同分施次数使土壤pH呈显著性差异,而土壤pH的差异又影响了土壤N_2O累积排放量;分施次数越多,土壤酸化程度越强,N_2O累积排放量越少。因此,在等施氮量下,要充分考虑土壤酸化、N_2O排放、NO–3-N积累以及施肥成本等,确定合理分施次数。     

氧气浓度对水稻土N2O排放的影响

通过室内模拟试验,在25℃,60%田间持水量条件下,研究了氧气浓度(200、100和20 ml/L)和铵态氮浓度(10、30和50 mg/kg)对6个水稻土(p H 5.23~7.83,黏粒含量71.0~522 g/kg)N_2O排放的影响。结果表明:供试水稻土N_2O排放通量随铵态氮浓度的增加、氧气浓度的下降而增加。逐步回归分析表明,N_2O累积排放量与铵态氮含量、土壤有机碳含量、黏粒含量呈正相关关系,与氧气浓度呈负相关关系(R2=0.845,P0.01)。氧气浓度下降增加N_2O排放可能与硝化产物中N_2O比例增加和反硝化作用加强有关,但不同氧气浓度条件下各N_2O产生过程的贡献还需进一步研究。     

添加秸秆及其生物质炭对淹水条件下砖红壤N2O和CH4排放的影响

为探讨添加秸秆及其生物质炭对淹水条件下砖红壤N₂O和CH₄排放的影响,以海南砖红壤为供试土壤,设置了玉米秸秆（Straw）、生物质炭（Biochar）、秸秆 + 生物质炭（Mix）和对照（CK）4个处理,探讨了等秸秆用量条件下添加不同秸秆形态对土壤氧化亚氮（N₂O）和甲烷（CH₄）排放的影响及形成强还原环境的可行性。结果表明:与CK处理相比,三个处理均可显著降低土壤N₂O累计排放量,但仅Straw处理可显著促进土壤CH₄排放、其它两个处理对土壤CH₄排放影响不显著,致使straw处理综合温室效应增加明显。与CK处理相比,与Mix处理5天内土壤氧化还原电位（Eh）显著下降,而Biochar处理土壤Eh变化不显著;三个处理均使土壤pH上升、但Straw与Biochar处理之间差异不显著,Mix处理土壤有机碳、全氮及速效钾含量显著增加。因此,玉米秸秆及其生物质炭的配合施用,既可有效降低淹水条件下海南砖红壤排放CH₄和N₂O的综合温室效应,还能改善土壤养分状况但易于形成强还原条件。     

施氮及添加硝化抑制剂对苜蓿草地N2O排放的影响

为探究旱作紫花苜蓿(MedicagosativaL.)栽培草地氧化亚氮(N_2O)排放对施氮水平及添加硝化抑制剂的响应特征,采用传统静态箱法研究了不同施氮水平[0kg(N)·hm~(-2)(N0)、 50kg(N)·hm~(-2)(N50)、 100kg(N)·hm~(-2)(N100)和150kg(N)·hm~(-2)(N150)]以及添加硝化抑制剂双氰胺(DCD)150kg(N)·hm~(-2)(N150+DCD)对陇东苜蓿草地N_2O排放特征的影响。结果显示,监测期内N0、N50、N100和N150处理N_2O平均排放速率分别为3.5μg·m~(-2)·h~(-1)、4.1μg·m~(-2)·h~(-1)、5.0μg·m~(-2)·h~(-1)和6.1μg·m~(-2)·h~(-1),随着施氮梯度的增加, N_2O排放速率呈增加趋势。添加硝化抑制剂DCD对N_2O排放产生明显的抑制作用。与N150处理相比, N150+DCD处理下苜蓿草地N_2O平均排放速率下降50.7%, N_2O累计排放量显著降低61.6%(P0.05)。施氮对苜蓿产量没有显著影响,而N0、N50、N100和N150处理下单位苜蓿产量N_2O排放量随氮肥梯度的增加而增加,各处理分别为6.5 mg·kg~(-1)、7.8 mg·kg~(-1)、11.3 mg·kg~(-1)和12.5 mg·kg~(-1)。N_2O排放受土壤含水量影响深刻,生长季N_2O排放通量与土壤水分呈显著正相关关系(P0.05),而与土壤温度无显著相关性(P0.05)。综上,旱作紫花苜蓿栽培草地N_2O排放通量随施氮水平的增加明显增加,在相同施氮水平下添加硝化抑制剂DCD能显著抑制N_2O排放。相关研究结果对于该区域苜蓿草地合理施肥以及N_2O减排具有一定的实践指导意义。     

土壤温度、水分和NH4+-N浓度对土壤硝化反应速度及N2O排放的影响

硝化反应是土壤、特别是干旱半干旱地区农业土壤N2O产生的重要途径之一。但是,目前环境条件对硝化反应中N2O排放的影响研究较少,而在国内外通用的几个模型中均用固定比例估算硝化反应过程中N2O的排放。本文通过砂壤土培养试验,研究了土壤温度、水分和NH4+-N浓度对硝化反应速度及硝化反应中N2O排放的影响,并用数学模型定量表示了各因素对硝化反应的作用,用最小二乘法最优拟合求得该土壤的最大硝化反应速度及N2O最大排放比例。结果表明,随着温度升高,硝化反应速度呈指数增长;水分含量由20%充水孔隙度(WFPS)增加到40%WFPS时,反应速度增加,水分含量增加到60%WFPS时反应速度略有降低;NH4+-N浓度增加对硝化反应速度起抑制作用。用米氏方程描述该土壤的硝化反应过程,其最大硝化反应速度为6.67mg·kg?1·d?1。硝化反应中N2O排放比例随温度升高而降低;随NH4+-N浓度增加而略有增加;20%和40%WFPS水分含量时,硝化反应中N2O排放比例为0.43%～1.50%,最小二乘法求得的最大比例为3.03%,60%WFPS时可能由于反硝化作用,N2O排放比例急剧增加,还需进一步研究水分对硝化反应中N2O排放的影响。     

林地转变为耕地对紫色土N2O排放的影响

土地利用方式变化是造成大气中温室气体浓度变化的主要原因之一,但土地利用方式转变,如林地转变为耕地过程对土壤氧化亚氮(N_2O)排放的影响还缺乏系统研究。本研究于2016年7月中旬在四川盆地丘陵区将林地转变为耕地,并按照耕地冬小麦-夏玉米轮作方式,采用静态暗箱-气相色谱法,对比分析了耕地翻耕不施肥(CL-T)、翻耕施肥(CL-TF)和邻近林地(CK)的土壤N_2O排放过程特征。结果表明,试验期间CL-T、CL-TF土壤N_2O排放通量较CK均显著增加(P0.01),且二者的N_2O排放通量在林地转变为耕地初期均有明显的排放峰。小麦季和玉米季土壤N_2O排放通量[μg(N)·m-2·h-1]均值CK分别为2.52和4.60,CL-T分别为3.55和11.63,CL-TF分别为6.26和22.16,N_2O排放通量玉米季显著高于小麦季。CK、CL-T和CL-TF的土壤N_2O全年累积排放量[mg(N)·hm-2]分别为0.271、0.515和0.957,CL-T、CL-TF较CK分别显著增长89.8%、253.0%,说明林地转变为耕地,紫色土N_2O排放迅速增加。首先翻耕改变土壤结构并显著增加土壤无机氮含量(P0.05),其次施肥大幅增加土壤无机氮含量导致土壤N_2O的激发排放。而土壤温度和水分未发生显著改变(P0.05),种植作物短时间内也未显著改变土壤的N_2O排放。结果表明,林地转变为耕地激发土壤N_2O排放的根本机制可能是提高了土壤有机氮矿化速率。但土地利用转变对土壤氮转化过程的影响以及进而改变土壤N_2O的排放特征的机理有待进一步研究。     

温度对旱田土壤N2O排放的影响研究

以南方亚热带代表性旱田土壤－贵州玉米－油菜轮作田、大豆－冬小麦轮作田和休耕地为研究对象，同步观测了整轮作期土壤N2O排放通量和温度的季节变化。同时，采用DNDC模型定量探讨了未来气温变化对土壤N2O排放的潜在影响。结果表明，温度是土壤N2O排放通量规律性日变化的最主要控制因素；除大豆地外，其他作物生长季节和休耕地的N2O排放通量季节变化与温度之间均存在一定程度的正相关性，其中冬季休耕地的N2O排放通量与温度间存在弱指数函数关系。模型检验结果表明，除大豆地外，其余试验地的N2O排放通量均随年均气温升高而升高，在冬春季，土壤N2O排放通量对气温变化的敏感性强于夏秋季，尤其以冬春季休耕地受体气温变化的影响最为显著。     

稻鸭共作对不同栽培环境稻季CH4和N2O排放的影响

稻田是大气温室气体甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)的重要排放源, 稻田温室气体减排一直是生态农业研究的热点。目前, 采用水稻品种选择利用、水分控制管理、肥料运筹管理、耕作制度调整以及种养结合模式等方法来减少稻田温室气体排放有较好实践效应, 但不同稻田栽培环境(露地、网室)基础上的稻鸭共作对麦秸全量还田的稻田温室气体排放特征及相关土壤理化特性关联性的影响尚为少见。本研究采用裂区设计, 在两种栽培环境条件下, 以无鸭子放养的常规稻作和麦秸不还田为对照, 在等养分条件下分析麦秸全量还田与稻鸭共作模式对稻田土壤氧化还原电位、CH₄排放量、产CH₄潜力及CH₄氧化能力、N₂O排放量及N₂O排放高峰期土壤反硝化酶活性、全球增温潜势、水稻产量的影响, 为稻田可持续生产和温室气体减排提供参考。结果表明, 麦秆还田增加了稻田产CH₄潜力、提高了CH₄排放量, 降低了稻田土壤反硝化酶活性、土壤氧化还原电位和N₂O排放量, 整体上导致全球增温潜势上升96.89%~123.02%; 稻鸭共作模式, 由于鸭子的不间断活动提高了稻田土壤氧化还原电位, 降低了稻田产CH₄潜力, 增强了稻田CH₄氧化能力, 从而降低稻田CH₄排放量, N₂O排放量虽有提高, 整体上稻鸭共作模式的全球增温潜势较无鸭常规稻田下降8.72%~14.18%; 网室栽培模式显著提高了稻田土壤氧化还原电位, 降低稻田产CH₄潜力、CH₄氧化能力和土壤反硝化酶活性, 减少了稻田CH₄和N₂O排放量, 全球增温潜势降低6.35%~13.14%。本试验条件下, 稻田土壤的CH₄氧化能力是产CH₄潜力的2.21~3.81倍; 相同环境条件下, 稻鸭共作和麦秸还田均能增加水稻实际产量, 网室栽培的所有处理较相应的露地栽培减少了水稻实际产量1.19%~5.48%。本试验表明, 稻鸭共作和网室栽培可减缓全球增温潜势, 稻鸭共作和麦秸还田能够增加水稻实际产量。     

不同水分条件下土壤N2O排放的动力学方程模拟

[目的]水分对土壤N₂O排放有重要影响。运用混合动力学方程模拟不同水分条件下土壤N₂O累积排放的过程,分析土壤水分对N₂O产生途径的影响及其变化规律,为通过改善土壤管理降低N₂O气体排放提供理论和实践指导。[方法]通过室内培养试验,研究了不同水分条件[40%WHC,60%WHC,80%WHC,100%WHC和淹水处理,WHC(田间持水量)]下土壤N₂O排放特征、硝铵态氮含量和氧气消耗动态变化。[结果](1)N₂O排放速率24 h时达到最大,淹水处理[3.46μg/(kg·h)]是其他处理的54.5～178.9倍。(2)土壤N₂O累积排放量均随着培养时间的延长而增加,淹水处理的快速上升阶段为前48 h,而其他处理为前96 h。培养结束时的土壤N₂O累积排放量,淹水处理(44.6μg/kg)分别是40%WHC,60%WHC,80%WHC和100%WHC的67.1,29.2,20.8,10.4倍。(3)除淹水条件下,伪...     

氮肥品种对亚热带土壤N2O排放的影响

以亚热带湿热地区红壤性旱地(SU),灌丛(GB),林地(QF)为研究对象,通过在30℃和60%WHC水分条件下,35 d的培养试验,研究了外源铵态氮输入对土壤N2O排放的影响。结果表明,对于pH较高的土壤SU(pH=6.27),施用硫铵、尿素和碳酸氢铵后,硝态氮累积量和N2O排放量均高于未施氮的处理,且随施N量增加而增加。对于酸性土壤GB(pH=4.82)和QF(pH=4.46),施用硫铵明显地抑制硝化作用,但却极大地促进N2O排放;施用尿素和碳酸氢铵对硝化作用有微弱的促进作用或无明显的影响,N2O的排放则略低于对照或无明显差异。酸性土壤中,加入不同类型的氮肥后,N2O排放量与硝态氮含量的比例与加入氮肥后测定的土壤pH具有显著的负相关关系。氮肥品种影响N2O排放量与硝态氮产生量比例的机理值得进一步研究。     

东鱼河春季沉积物反硝化脱氮作用与N2O排放研究

为研究东鱼河春季沉积物的反硝化脱氮作用以及N_2O产生速率,于2017年5月沿东鱼河采集沉积物和表层水样,分别采用乙炔抑制法和培养法分析测定了反硝化作用和N_2O产生速率,利用顶空法提取水样中N_2O结合双层扩散模型法估算水体N_2O的排放通量,并结合水体理化性质探讨了主要影响因素。结果表明:东鱼河春季沉积物反硝化潜势为7 305.8～26 947.7μmol/(m~2·h),但从上游到下游沿程均呈先增高后波动降低的趋势;沉积物反硝化速率为86.6～694.2μmol/(m~2·h),显著低于对应点位的反硝化潜势(P0.01),且二者的沿程变化规律不一致;反硝化速率仅与沉积物中NH_4~+含量呈显著正相关关系(P0.05),表明其受沉积物和上覆水理化性质的综合影响,且可能存在硝化—反硝化的耦合作用。沉积物N_2O产生速率在19.8～144.3μmol/(m~2·h);水体表现为大气N_2O的排放源,排放通量为170.9～667.8mol/(m~2·h),显著高于对应点位沉积物N_2O的产生速率(P0.01),且与上覆水的DO和NO_2~-含量具有显著正相关关系(P0.05),表明东鱼河在春季除沉积物产生N_2O外,其上覆水中氮转化过程亦是向大气排放N_2O的重要途径之一。     

林地改为茶园对土壤净硝化速率及N2O排放的影响

以我国江南茶区(安徽、浙江)和华南茶区(福建)典型茶园土壤及各自相邻的林地土壤为研究对象,在25oC和60%田间持水量条件下,通过28 d的室内培养试验,研究了林地改为茶园后对土壤净硝化速率及N_2O排放规律的影响。结果表明:安徽地区林地改种茶园显著抑制了净硝化速率;与安徽地区的林地和茶园土壤相比,浙江和福建地区林地和茶园土壤净硝化速率很低(N,0.2 mg/(kg·d)),且林地改为茶园后对土壤净硝化速率没有显著影响。安徽地区植茶年限超过10 a的茶园土壤N_2O累积排放量均显著低于邻近的林地土壤,而植茶年限为10 a的茶园土壤与邻近的林地土壤差异不显著。浙江和福建茶园土壤N_2O累积排放量均高于各自对照的林地土壤。安徽地区土壤的N_2O累积排放量与p H呈显著的正相关关系,这表明林地改为茶园后,随着植茶年限的增加和氮肥的施用,p H降低抑制了净硝化速率,进而降低N_2O排放。     

Modelling variability in N2O emissions from fertilized agricultural fields

Estimates of long-term landscape-scale N₂O emissions for greenhouse gas inventories are complicated by large temporal and spatial variability. Much of this variability is likely caused by topographic effects on surface and subsurface water flows. We hypothesized that this variability could be explained as degassing events during anaerobic soil conditions and during transitions from anaerobic to aerobic soil conditions as controlled by precipitation and subsequent water redistribution in complex landscapes. We simulated degassing events in the ecosystem model ecosys run in three-dimensional mode to simulate a fertilized agricultural field with topographic variation derived from a digital terrain map. N₂O emissions modelled from two areas within the field that had received 15.5 and 9.9 g N m⁻² as urea in May 1998 were compared with those measured by micrometeorological flux towers during June and July 1998. Modelled N₂O emissions during 1998 accounted for 2.3 and 2.0% of urea N applied at 15.5 and 9.9 g N m⁻², respectively. Degassing events in the model coincided with a key N₂O emission event measured in the field during several days after a rainfall in mid-June. During this event, modelled and measured surface fluxes rose rapidly to exceed 1 mg N m⁻² h⁻¹ for 2-3 d before declining. Emissions modelled concurrently at different topographic positions within the landscape during the emission event had coefficients of variation that varied over time between 30 and 180%. Much of the spatial variability in modelled emissions was attributed to temporal differences in the progression of emission events at different landscape positions caused by lateral water movement. The magnitude of temporal and spatial variability in N₂O emissions suggests that aggregation of flux measurements to regional scales should be based upon sub-daily measurements at representative landscape positions, rather than upon less frequent measurements at individual sites as currently done. The use of three-dimensional ecosystem models with input from digital terrain maps may provide a means for such aggregation to be conducted.     

Dinitrogen emissions and the N2:N2O emission ratio of a Rendzic Leptosol as influenced by pH and forest thinning

Reduction of nitrous oxide (N₂O) to dinitrogen (N₂) by denitrification in soils is of outstanding ecological significance since it is the prevailing natural process converting reactive nitrogen back into inert molecular dinitrogen. Furthermore, the extent to which N₂O is reduced to N₂ via denitrification is a major regulating factor affecting the magnitude of N₂O emission from soils. However, due to methodological problems in the past, extremely little information is available on N₂ emission and the N₂:N₂O emission ratio for soils of terrestrial ecosystems. In this study, we simultaneously determined N₂ and N₂O emissions from intact soil cores taken from a mountainous beech forest ecosystem. The soil cores were taken from plots with distinct differences in microclimate (warm-dry versus cool-moist) and silvicultural treatment (untreated control versus heavy thinning). Due to different microclimates, the plots showed pronounced differences in pH values (range: 6.3–7.3). N₂O emission from the soil cores was generally very low (2.0 ± 0.5–6.3 ± 3.8 μg N m⁻² h⁻¹ at the warm-dry site and 7.1 ± 3.1–57.4 ± 28.5 μg N m⁻² h⁻¹ at the cool-moist site), thus confirming results from field measurements. However, N₂ emission exceeded N₂O emission by a factor of 21 ± 6–220 ± 122 at the investigated plots. This illustrates that the dominant end product of denitrification at our plots and under the given environmental conditions is N₂ rather than N₂O. N₂ emission showed a huge variability (range: 161 ± 64–1070 ± 499 μg N m⁻² h⁻¹), so that potential effects of microclimate or silvicultural treatment on N₂ emission could not be identified with certainty. However, there was a significant effect of microclimate on the magnitude of N₂O emission as well as on the mean N₂:N₂O emission ratio. N₂:N₂O emission ratios were higher and N₂O emissions were lower for soil cores taken from the plots with warm-dry microclimate as compared to soil cores taken from the cool-moist microclimate plots. We hypothesize that the increase in the N₂:N₂O emission ratio at the warm-dry site was due to higher N₂O reductase activity provoked by the higher soil pH value of this site. Overall, the results of this study show that the N₂:N₂O emission ratio is crucial for understanding the regulation of N₂O fluxes of the investigated soil and that reliable estimates of N₂ emissions are an indispensable prerequisite for accurately calculating total N gas budgets for the investigated ecosystem and very likely for many other terrestrial upland ecosystems as well.