农田土壤N2O排放和减排措施的研究进展

氧化亚氮(N2O)是一种受人类活动影响的重要温室气体。农业土壤是其主要的排放源之一,土壤中硝化和反硝化作用是N2O产生的主要过程。N2O的排放受多种因素的影响,农业活动尤其是施用化学氮肥是农田N2O排放量增加的主要因素。提高氮肥利用率,使用硝化抑制剂等措施将有助于减少N2O的排放量,更有效的减排措施还有待进一步的研究与应用。     

农业土壤N2O排放的研究进展

根据近几年国内外文献资料，综合分析介绍了农业土壤N2O排放的进展情况，提出农业土壤中N2O的产生是在微生物的参与下，通过硝化和反硝化作用完成。影响N2O产生与排放的主要因素包括土壤特性（理化性质和水热条件）、气候条件（温度、降水、光照）和农业技术措施（肥水管理、作物类型）。深入研究农业土壤N2O排放与这些因素间的数量关系，客观估计区域或全球农业土壤N2O的排放总量并提出切实可行的减排措施乃是未来的研究方向。     

中国稻田水稻生长季N_2O排放估算

由于土壤水分状况的不同,水稻生长季土壤N2O排放量明显不同于旱地作物。基于多元统计模型,通过多点代面的方法进行尺度扩展,并应用蒙特卡洛方法模拟影响因素的变异程度,模拟了中国稻田水稻生长季的N2O排放情况。所模拟的378个点的水稻生长季N2O排放通量为6.0～74.3μgN.m-2.h-1,其均值接近于原始观测结果;378个点位的N2O排放通量空间分布不均,排放量较高的点位于北纬20°到30°之间;378个点中单季稻、稻-旱轮作中的水稻和双季稻的生长季N2O平均排放量分别占年总排放量的53%、34%和59%。多点代面的尺度扩展结果显示2008年中国稻田水稻生长季N2O排放量均值为22.48Gg,其95%的概率区间为20.5～24.8Gg;化肥氮的N2O排放系数为0.27%,与IPCC缺省值0.3%接近。用秩相关关系表征影响因子对中国稻田水稻生长季N2O排放量的不确定性的贡献,结果表明水分管理类型、有机肥类型、土壤属性、氮用量等对结果均有显著影响。     

农田土壤N_2O排放研究进展

农田土壤的N2O排放主要是在微生物的作用下通过硝化和反硝化作用产生的。土壤中多变的理化性质影响各种微生物的生长,因而硝化和反硝化过程中产生N2O的途径也不同,尤其以硝化过程的研究进展最快。影响N2O的生成和排放有:土壤含水量、温度、O2以及土壤结构和质地等物理因素,pH和氮肥等其它因素。本文详细地阐述旱地和水田土壤中这些影响因子与N2O的作用机理的差异,及农田土壤中的N2O排放估计的方法。区分硝化和反硝化作用中生成N2O的贡献可用15N标记法和不同浓度的乙炔抑制法。     

施肥对夏玉米季紫色土N2O排放及反硝化作用的影响

采用原状土柱-乙炔抑制培养法研究了施肥对紫色土玉米生长季土壤N2O排放通量和反硝化作用的影响.结果表明:玉米季施肥显著增加土壤N2O排放和反硝化损失,同时,各施肥处理间N2O排放与反硝化损失量差异显著.猪厩肥、猪厩肥配施氮磷钾肥、氮肥、氮磷钾肥和秸秆配施氮磷钾肥等处理的土壤N,O排放量分别为3.01、2.86、2.51、2.19和1.88 kg hm-2,分别占当季氮肥施用量的1.63％、1.53％、1.30％、1.09％和0.88％,反硝化损失量分别为6.74、6.11、5.23、4.69和4.12 kg hm-2,分别占当季氮肥施用量的3.97％、3.55％、2.97％、2.61％和2.23％,不施肥土壤的N2O排放量和反硝化损失量仅为0.56和0.78 kg hm-2.施肥是紫色土玉米生长前期(2周内)土壤N2O排放和反硝化速率出现高峰的主要驱动因子,土壤铵态氮和硝态氮含量是影响土壤N2O排放、土壤硝化和反硝化作用的限制因子,土壤含水量是重要影响因子,降雨是主要促发因素.土壤N2O排放量与反硝化损失量的比值介于0.45 ～0.72之间,土壤反硝化损失量极显著高于土壤N2O排放量,说明土壤反硝化作用是紫色土玉米生长季氮肥损失的重要途径.     

农田土壤硝化反硝化作用及其对生物炭添加响应的研究进展

氧化亚氮（N2O）是重要的温室气体之一,还会破坏大气臭氧层,影响全球气候变化。农田土壤是N2O最主要的排放源,由微生物主导的硝化和反硝化作用是其最主要的排放途径,因此,土壤的硝化和反硝化作用备受关注。在综合国内外相关研究的基础上,就区分硝化和反硝化作用对N2O排放贡献的研究方法、土壤N2O产生途径及其影响因素以及施用生物炭对N2O排放的影响机理进行归纳总结。结果表明：硝化和反硝化作用对生物炭的响应不同,在N2O减排效应上也存在很大的不确定性,其内在机理尚不明确。在此基础上,提出区分硝化和反硝化作用对N2O排放贡献的最佳研究方法,并就农田土壤硝化反硝化作用的影响因素以及对生物炭的响应机制进行研究展望。     

农田土壤N2O生成与排放影响因素及N2O总量估算的研究

综述了国内外农田土壤N2 O生成与排放及其影响因素、N2 O排放测定技术及总量估算等方面的研究进展 ,指出硝化与反硝化过程均可产生N2 O ,而影响硝化、反硝化过程的土壤水分含量、温度、pH、有机碳含量和土壤质地等是影响农田土壤N2 O生成与排放的重要因素。根据我国各地农田土壤N2 O排放通量测定结果及相应模型分析 ,初步估算全国农田土壤N2 O年排放总量为N 398Gg ,约占全球农田土壤排放总量的 1 0 % ,其中旱田N2 O年排放总量为N 31 0Gg ,水田为N 88Gg。     

硝化抑制剂和通气调节对土壤N2O排放的影响

采用室内培养方法,研究了土壤水分含量和温度对硝化反应速度、N2O排放及施用硝化抑制剂(N-Serve)和土壤掺砂对N2O排放的影响。结果表明,硝化反应速度随温度升高而加快,30℃时反应进行最快;水分对硝化反应速度的影响不显著。N2O排放通量随温度和水分含量升高而加大,最高排放通量出现在水分含量28.5%,20℃或30℃时。30℃、低水分(14.2%)时,N2O排放量较低,15d累积排放量为126.4.mg/kg,且主要来自硝化反应,施用N-Serve可使总排放量减少65.0%;水分含量增加到28.5%,反硝化反应发生,N2O排放量急剧增加,15d累积排放量达764.4.mg/kg;施用砂子或N-Serve,总排放量分别减少82.9%、62.1%。因此,低水分时,施用N-Serve可抑制硝化反应;高水分时,施用砂子或砂子与N-Serve配合,可有效抑制N2O排放。     

典型潮土N2O排放的DNDC模型田间验证研究

利用典型潮土N2O排放的田间试验数据对脱氮-分解模型（DNDC）及其参数进行验证。结果表明,DNDC模型能较好地模拟田间实测到的冬小麦、夏玉米季土壤湿度和土壤日平均地表温度的动态变化。小麦和玉米季土壤N2O排放通量与土壤水分（WFPS）呈显著正相关,与土壤温度相关性不大。田间实测到的N2O排放高峰主要受降水和施肥的影响,在N2O排放峰的峰值和出现时间上模拟值与实测值较接近,但准确地捕捉N2O季节性的排放通量仍需对模型进行修正。通过比较施肥、土壤和田间管理等输入参数的改变对DNDC模型进行灵敏性分析,氮肥用量、施肥次数、土壤初始无机氮含量和土壤质地的改变对土壤N2O排放量均很敏感,其中氮肥用量和施肥次数的改变最为敏感。基于当地土壤特性和田间管理的校正,DNDC模型为评价农田生态系统N2O的排放提供了强有力的工具。     

皖中沿江平原水稻田CH_4和N_2O排放估算及其影响因素分析

利用DNDC9.3模型对研究区域水稻田排放的CH4和N2O通量进行模拟和定量估算,并对其影响因素进行分析。研究选取皖中沿江平原内具有典型代表性的长丰县水稻田为实验地区,利用DNDC9.3模型对该县内12个试验样点2008年的CH4和N2O排放量进行估算分析,并对其做敏感性实验分析。结果表明:1)长丰县水稻田2008年CH4和N2O年排放量分别为C 1.82×10-2 Tg和N 3.03×10-4 Tg;2)由敏感性分析实验得:CH4排放水平和气温、土壤pH和SOC呈正相关关系;N2O排放水平和气温、雨水中氮含量呈正相关关系,对SOC、土壤pH变化也较为敏感。     

旱地农田氧化亚氮排放研究进展

针对北方旱地农田N2O的产生机理、排放规律及影响因素进行综述,指出影响旱地土壤N2O排放的主要因素是施肥、灌水和农田耕作等人为因素,合理施氮和增加土壤碳贮存是缓解温室气体排放的重要途径,并提出今后应进一步加强不同立地条件下的长期高频农田生态系统N2O排放观测、N2O产生的关键微生物过程与机理与相关观测及通量相结合和农田温室气体排放模型的应用等方面的研究。     

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。     

农田土壤硝化—反硝化作用与N2O的排放

在北京潮土上研究了冬小麦夏玉米轮作体系下土壤硝化反硝化作用以及N2O排放情况。结果表明，小麦生育期土壤温度及含水量降低，无论是反硝化损失氮量还是土壤的N2O生成排放量均不高。土壤的N2O生成排放量与反硝化氮量相当或低于反硝化氮量。玉米生育期土壤温度升高以及孔隙含水量的较大的改善，反硝化损失氮量、N2O生成排放量有明显上升。通常情况下土壤反硝损失氮量与N2O排放氮量基本处于同一水平。在玉米十叶期追肥后的较短时间内，N2O总排放量明显高于反硝化损失氮量，说明至少在这一阶段中，硝化作用在北方旱地土壤N2O的排放中发挥了主要作用。在评价北方旱地农田土壤氮素硝化反硝化损失中，硝化作用的氮素损失是不可忽视的重要方面。     

菜地氮肥用量与N2O排放的关系及硝化抑制剂效果

通过连续种植四季蔬菜近一年的大田试验,探究高施氮水平和低氮肥利用率的蔬菜生产系统中,N2O排放量与氮肥施用量之间的定量关系及其机理,并研究硝化抑制剂减少菜地N2O排放的效果.结果表明,在氮肥施用水平为N 0～1 733 kg hm-2a-1间,无论氮肥中是否添加硝化抑制剂,N2O总排放量与氮肥施用量均呈指数函数关系,即氮肥施用量高时,N2O排放率也高.在各氮肥水平处理下,硝化抑制剂均能降低N2O排放,抑制率为8.75％ ～ 25.28％,且这种减排效果随着施氮量增加而增加.在氮肥施用量为N 300或400 kg hm-2季-1时,施用硝化抑制剂减少N2O排放所带来的效益略高于其成本,因此,即使不考虑氮肥利用率的提高等因素,施用硝化抑制剂仍是一种有利的选择.     

农业土壤NO排放研究进展

本文综述了近年来有关农业土壤NO排放研究的进展,包括NO的形成机制、采集与测定方法、排放量、影响NO排放的主要因素以及减少NO排放的有关措施等;在此基础上,提出了今后一段时期,我国农业土壤NO排放研究的重点仍然要更深入探讨农业土壤NO的产生和排放机制、主要影响因素与NO排放的定量关系、通过模型的建立估算不同区域农业土壤NO的排放量以及提出合理的减排措施。     

优化施肥下华北冬小麦/夏玉米轮作体系农田反硝化损失与N2O排放特征

在田间条件下,应用乙炔抑制-原状土柱培养法测定优化施肥下华北冬小麦/夏玉米轮作体系土壤反硝化和N2O的排放特征。研究表明:冬小麦和夏玉米整个生育期反硝化速率和N2O排放通量均表现出明显的季节性变化,且均与土壤水分和无机氮浓度呈显著正相关。小麦季和玉米季的反硝化损失量及N2O排放量均表现出随施肥量的降低而降低,夏玉米季的反硝化损失量和N2O排放量均高于小麦季。小麦季的反硝化损失量和N2O排放量习惯施肥处理是氮肥减量后移处理的1.62和1.67倍,玉米季分别为2.01和2.00倍。氮肥减量后移可能是通过改变土壤无机氮浓度而降低反硝化损失量和N2O排放量。     

基于DNDC模型模拟江汉平原稻田不同种植模式条件下温室气体排放

稻田被认为是温室气体CH_4和N_2O的主要排放源之一。湖北省江汉平原地区水稻常年种植面积约8×105 hm2,占湖北省水稻种植面积的40%左右。研究江汉平原地区稻田温室气体排放特征,对于评估区域稻田温室气体排放以及稻田温室气体减排具有重要意义。目前,DNDC模型已被广泛应用于模拟和估算田间尺度的温室气体排放,DNDC模型与地理信息系统(Arc GIS)结合,可进行区域尺度的温室气体排放模拟与估算。本研究以湖北省典型稻作区江汉平原为研究区域,运用DNDC模型模拟和估算江汉平原稻田区域尺度的温室气体排放。设置大田定点观测试验,监测中稻-小麦(RW)、中稻-油菜(RR)、中稻-冬闲(RF)3种种植模式下稻田温室气体CH_4和N_2O的周年排放特征。通过田间观测值与DNDC模拟值的比较进行模型验证,并利用获取DNDC模型所需的气象、土壤、作物及田间管理等区域数据,模拟江汉平原稻田不同种植模式下温室气体CH_4和N_2O的排放量。田间试验表明,江汉平原稻田RW、RR和RF模型的CH_4排放通量为-2.80~39.78 mg·m-2·h-1、-1.74~42.51 mg·m-2·h-1和-1.57~55.64 mg·m-2·h-1,N_2O周年排放通量范围分别为0~1.90 mg·m-2·h-1、0~1.76mg·m-2·h-1和0~1.49 mg·m-2·h-1;CH_4排放量RW和RR模式显著高于RF模式,N_2O排放量为RF显著低于RW和RR模式。模型验证结果表明,不同种植模式温室气体排放实测值与模拟值比较的决定系数(R2)为0.85~0.98,相对误差绝对值(RAE)为8.29%~16.42%。根据DNDC模型模拟和估算的结果,江汉平原区域稻田CH_4周年的排放量为0.292 9 Tg C,N_2O周年的排放量为0.009 2 Tg N,不同种植模式稻田CH_4排放量表现为RWRRRF,N_2O排放量表现为RWRFRR,增温潜势(GWP)表现为RWRRRF。不同地区稻田CH_4排放量表现为监利县荆门市公安县天门市仙桃市洪湖市松滋市汉川市潜江市石首市荆州市江陵县赤壁市嘉鱼县,N_2O排放量表现为监利县荆门市公安县洪湖市仙桃市天门市汉川市潜江市松滋市荆州市江陵县赤壁市石首市嘉鱼县。本研究结果表明DNDC模型能较好地应用于模拟江汉平原稻田温室气体排放,RR和RF模式相比RW模式可有效减少温室气体CH_4和N_2O的排放。     

氢醌、双氰胺组合影响稻田甲烷和氧化亚氮排放研究进展

稻田是大气中CH4和N2O的重要来源。大量氮肥的施入不仅影响稻田CH4和N2O排放,且易造成NH3挥发、NO2-和NO3-淋溶及N2O、N2等形式的氮损失。脲酶抑制剂和硝化抑制剂通过缓解尿素水解及抑制硝化反硝化反应减少稻田N2O排放量,但对稻田CH4产生排放的影响报道不一。脲酶抑制剂氢醌(HQ)和硝化抑制剂双氰胺(DCD)是近年来研究较多的组合。本文试图在前人研究的基础上,综述HQ和DCD的基本性质及作用机理,总结HQ/DCD组合在稻田生态系统的应用状况、使用效果及存在问题,并特别讨论了HQ/DCD施用对稻田CH4排放的影响机理,旨在为合理使用脲酶/硝化抑制剂、有效减缓稻田温室气体排放和提高氮肥利用率等方面提供理论依据。     

表面风速和模拟降水对奶牛粪便堆放过程中N2O排放的影响

奶牛场粪便的自然堆放过程中会造成大量的温室气体排放,排放过程和排放量受表面风速和自然降水等环境因素的影响显著。该文针对中国常用的奶牛粪便管理方式,采用动态箱法研究了不同表面风速(0.5、0.8、1.2、1.6 m/s)和模拟降水(降水量9.9 mm)对奶牛粪便自然堆放过程中典型的温室气体氧化亚氮(N2O)排放的影响。结果表明,在0.5~1.2 m/s风速范围内,奶牛粪便自然堆放过程中的N2O排放量随风速升高逐渐增加,1.2 m/s达到最大值,且不同风速下N2O的排放量存在显著差异。模拟降水后N2O排放量在短时间内急剧升高,之后迅速下降至降水前的排放水平,整个过程持续约10 h。由于降低了二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的排放,与降水前一天相比2次降水分别降低了12.9%和10.9%的温室气体排放量。     

南京郊区番茄地中氮肥的气态氮损失

采用田间试验研究了番茄地施用化学氮肥后的氨挥发、反硝化损失和N2O排放及其影响因素。氨挥发采用通气密闭室法测定，反硝化损失（N2＋N2O）采用乙炔抑制-土柱培养法测定，不加乙炔测定N2O排放。结果表明，番茄生长期间全部处理均未检测到氨挥发，其原因是土表氨分压低于检测灵敏度，较低的氨分压是由于表层土壤的铵态氮浓度和pH都不高所致。在番茄生长期间，对照区即来自有机肥和土壤本身的反硝化损失和N2O℃排放量相当高，反硝化损失总量高达N29．6kghm^-2，N2O排放量为N7．76kghm^-2。施用化学氮肥显著增加了反硝化损失和N2O排放，3个施用化学氮肥处理的反硝化损失变化在N40．8～46．1kghm^-2之间，占施入化肥氮量的5．50％～6．01％；N2O排放量为N13．6～17．6kghm^-2，占施入化肥氮量的2．62％～4．92％；与尿素相比，包衣尿素未能显著减低反硝化损失和N2O排放。施用尿素的处理在每次追肥后，耕层土壤均会出现NO3^--N高峰，继之的反硝化和N2O排放高峰。反硝化速率与土壤含水量呈极显著正相关。总的看来，番茄生长期间没有氨挥发，而硝化反硝化是氮素损失的重要途径之一。