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。     

不同温度下海南禾本科类植物材料制备的生物质炭对 砖红壤性质及N2O排放影响

制备温度及原料影响生物质炭性质,相应影响土壤N₂O的排放,为筛选适宜于海南砖红壤的生物质炭类型,利用室内培养试验,研究海南4种禾本科植物材料在300℃、500℃、700℃ 三种热解温度下制备的12种生物质炭对砖红壤性质及N₂O排放的影响。结果表明：所有生物质炭都能显著增加土壤有机碳、有效磷和速效钾含量,提高土壤pH,加速土壤硝化作用进行;300℃下制备的生物质炭能促进土壤N₂O排放,500℃和700℃下制备的生物质炭则对土壤N₂O排放有明显抑制作用;所有材料中,高温热解温度下由甘蔗渣制备的生物质炭处理土壤的N₂O排放量最低,可能由于甘蔗在榨糖后剩下的甘蔗渣以较稳定的碳水化合物为主。综合分析,推荐500℃热解温度下生成的甘蔗渣生物质炭实施土壤改良,更有利于N₂O减排。     

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。     

华北平原农田N2O排放通量的高频动态观测

N_2O是主要源自农田的重要温室气体之一,可破坏臭氧层而导致全球增温。目前对N_2O的原位高频观测尚不多。为完善N_2O的观测方法,为华北地区N_2O变化研究提供参考,本研究以华北平原典型农田为研究对象,利用新型的N_2O测定仪器TGA200A,进行实时、自动、昼夜连续地观测中国科学院禹城综合试验站农田大气N_2O的日动态变化。本次观测自2017年6月中旬玉米播种后开始,持续至2017年9月(8月份仪器调试)。结果显示:1)晴朗天气下,农田大气N_2O呈现出夜晚(0:00—6:00、18:00—24:00)高(0.618~1.171 mg·m-3)、白天(6:00—18:00)低(0.526~1.145 mg·m-3)的趋势,而白天高温又促进农田N_2O排放,在午后15:00—17:00大多出现1次峰值,表明温度的促进作用存在滞后性。2)降雨天气下,农田N_2O在适当的雨量下逐渐增加(3 h内增加0.033 mg·m-3),且存在累积效应,但过度淹水后N_2O表现出逐渐降低的趋势。3)大风天气下,N_2O的浓度产生变化,但规律并不明显。研究结果表明,利用TGA200A可以实现对温室气体N_2O的实时、连续、动态的自动观测,观测结果具有较高可信度,可以反映出当前华北地区农田N_2O在不同环境要素(温度、降水及大风)下的动态变化趋势。     

猪粪沼液施用对稻麦轮作系统土壤氧化亚氮排放的影响

以典型的猪粪尿发酵沼液为对象,探讨了沼液施入量和管理方式对以中国东部稻麦轮作农田系统土壤N2O排放规律和排放量的影响。研究结果表明,与化学氮肥相比,沼液施用未影响稻麦轮作系统土壤N2O排放的季节变化规律,但影响其排放量的大小。稻季100%施用沼液的处理（N100%DPS）其累积排放量为0.71kg·hm-（22008年）和1.38kg·hm-（22009年）,显著高于100%施用化肥的处理（N100%Ure）a,即0.68kg·hm-2和1.06kg·hm-2。麦季N100%DPS处理N2O的累积排放量分别为6.56kg·hm-（22008年）和5.05kg·hm-2（2009年）,与N100%Urea处理（2008年：5.89kg·hm-2;2009年：3.93kg·hm-2）无显著差异,但均显著高于稻季各处理。随着沼液替代化学肥料用量的降低,稻田N2O排放量呈降低趋势,而沼液一次性施入和分次施入对稻田N2O排放的季节动态和累积排放量均无显著影响;但沼液不同的管理方式对麦季累积N2O排放量更为复杂。稻、麦两季N100%DPS处理中N2O排放系数（f）均最大,分别达到0.3%和1.6%,但沼液分次施入和一次性施入的处理间f值均无显著差异。     

区分土壤中硝化与反硝化对N2O产生贡献的方法

土壤是产生N₂O的最主要来源之一。硝化和反硝化反应是产生N₂O的主要机理，由于硝化和反硝化微生物同时存在于土壤中，因而硝化和反硝化作用能同时产生N₂O。N₂O的来源可通过使用选择性抑制剂，杀菌剂以及加入的标记底物确定。通过对生成N₂O反应的每一步分析，主要从抑制反应发生的催化酶和细菌着手，总结了测量区分硝化、反硝化和DNRA反应对N₂O产生的贡献方法。并对¹⁵N标记底物法，乙炔抑制法和环境因子抑制法作了详细介绍。     

典型菜地土壤剖面N2O、CH4与CO2分布特征研究

为探究菜地土壤剖面N2O、CH4与CO2时空分布特征,利用地下气体原位采集系统与气相色谱法,周年动态监测3种典型菜地,即休闲裸地、轮作地Ⅰ(芹菜?空心菜?小白菜?苋菜)以及轮作地Ⅱ(菜心?芹菜?空心菜?大青菜)7 cm、15 cm、30 cm与50 cm土层N2O、CH4与CO2浓度变化。结果表明,0~50 cm土层范围内,N2O、CH4与CO2 3种气体浓度周年变异性较大,变幅分别为0.63~1 657.0μL(N2O)?L?1、0.8~72.5μL(CH4)?L?1和0.41~36.6 m L(CO2)?L?1。轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ的N2O平均浓度随土壤深度增加而增加,休闲裸地则呈现先增加(0~30 cm)后降低(30~50 cm)的变化趋势。两种轮作菜地4个土层N2O平均浓度均显著高于休闲裸地,二者氮肥施用量不同并未造成相同土层间N2O平均浓度的显著差异。3种菜地CH4与CO2平均浓度均呈现50 cm30 cm15 cm7 cm的梯度特征。轮作地Ⅰ与轮作地Ⅱ0~15 cm土层CH4平均浓度均大于休闲裸地,而在15~50 cm土层则分别大于和小于休闲裸地。CO2浓度呈现明显的季节性变化,除轮作地Ⅰ50 cm土层外,两种轮作菜地其他土层CO2平均浓度均小于休闲裸地对应土层。可见,蔬菜地高氮肥施用、多频次耕作等复杂管理使得N2O、CH4与CO2表现出较大的时空变异特征,其中氮肥施用对N2O的影响大于CH4与CO2,CH4受施肥与耕作的影响均较小,CO2显著受土壤温度与耕作措施的影响,在此基础上需进一步探究N2O、CH4与CO2的其他影响因素。     

氮肥和秸秆施用对稻麦轮作体系下土壤剖面N_2O时空分布的影响

通过气体原位采集系统对稻麦轮作体系下土壤剖面不同层次N2O浓度动态变化进行了两年田间原位监测。共设4个处理:对照(N0S0)、施氮无秸秆(N1S0)、配施低量秸秆(N1S1)以及配施高量秸秆(N1S2)。结果表明,土壤剖面N2O浓度具有明显的时空分布特征:各处理在小麦和水稻生长前期均出现明显的浓度峰值,施加氮肥加大峰值,添加高量秸秆降低峰值。水稻生长季N2O主要产生在近表层土壤(7 cm和15 cm),N2O浓度两年均为15 cm≥7 cm≥30 cm≥50 cm;小麦生长季N2O主要产生在下层土壤(30 cm和50 cm)。与N0S0相比,施加氮肥3个处理均显著增加土壤剖面各层次的N2O浓度(p0.05),其中N1S0处理各土层N2O浓度是N0S0处理对应土层的2倍~3倍。配施高量秸秆(N1S2)能显著减少近表层土壤N2O浓度。     

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...     

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。     

丛枝菌根真菌调控土壤氧化亚氮排放的机制

氮素是陆地生态系统初级生产力的主要限制因子,自Haber-Bosch反应以来,氮肥的生产和施用极大地提高了粮食产量.然而过量施用氮肥导致氮肥利用率低,并造成了严重的环境污染,包括氮沉降、硝态氮淋洗以及N2O排放等.微生物直接参与土壤氮素循环,固氮微生物、氨氧化和反硝化微生物分别在土壤固氮、铵态氮转化和硝态氮转化过程中起...     

微生物介导的农业土壤氧化亚氮减排研究进展

氧化亚氮(N₂O)是一种在大气存留时间长且破坏臭氧层的重要温室气体。农业土壤源N₂O是其重要来源,具有产生路径广、影响因素多、调控复杂等特点。减少农业土壤N₂O排放一直是研究的热点。含有N₂O还原酶的N₂O还原细菌能将N₂O还原为氮气(N2),这是目前已知的微生物还原N₂O唯一的汇。直接应用微生物减少农业土壤N₂O排放是一种新兴的减排技术。本文详细阐述了农业土壤N₂O的生物源与汇,重点论述了N₂O减排微生物的筛选及应用策略。综述了微生物介导的农业土壤N₂O减排的两种微生物生态学机制：一种是利用含有nos Z基因的N₂O还原细菌直接减少N₂O排放,另一种是利用能改变N₂O还原细菌群落组成和丰度及其活性的植物根际促生菌间接减少N₂O排放。最后,讨论了影响微生物介导的...     

林分类型和氮添加对亚热带森林土壤氧化亚氮排放的影响

为揭示亚热带森林土壤N₂O排放对林分类型和氮添加的响应特征,选取位于福建省三明市的中亚热带米槠次生林、杉木人工林和马尾松人工林土壤为研究对象,分别设置无氮添加(N0 mg/kg)、低氮添加(N10 mg/kg)、中氮添加(N25 mg/kg)和高氮添加(N50 mg/kg)4个氮添加水平,进行微宇宙培养试验,测定土壤N₂O排放。结果表明：与无氮添加处理相比,氮添加整体上降低3种林分土壤pH,增加土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量。无氮添加处理中杉木人工林和马尾松人工林土壤N₂O累积排放量分别为9.67和9.62 mg/kg,显著高于米槠次生林土壤N₂O累积排放量6.81 mg/kg。低氮添加处理中杉木人工林和马尾松人工林土壤N₂O累积排放量显著高于米槠次生林。但在中氮和高氮添加处理中,3种林分土壤N₂O累积排放量均无显著性差异。不同氮添加处理均促进3种林分土壤N     

Water Management Influencing Methane and Nitrous Oxide Emissions from Rice Field in Relation to Soil Redox and Microbial Community

Abstract

Methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O) emissions from an irrigated rice field under continuous flooding and intermittent irrigation water management practices in northern China were measured in situ by the static chamber technique during May to October in 2000. The intermittent irrigation reduced total growing‐season CH₄ emission by 24.22% but increased N₂O emission by 23.72%, when compared with the continuous flooding. Soil Eh and four related bacterial groups were also measured to clarify their effects on gaseous emissions. Three ranges of soil redox potential were related to gas emissions: below ?100 mV with vigorous CH₄ emission, above +100 mV with significant N₂O emission, and +100 to ?100 mV with little CH₄ and N₂O emissions. Intermittently draining the field increased soil oxidation, with a decrease in CH₄ emission and an increase in N₂O emission. In general the mid‐season drainage slightly increased the populations of methanotrophs, nitrifiers, and denitrifiers but decreased that of methanogens.     

改善农学管理措施减少太湖稻麦轮作NH3和NO排放

以稻麦轮作为对象,采用密闭室-通气法和静态箱-化学发光法对太湖地区空白（不施氮肥）、当地常规（农民习惯管理方式）和保产增效（与当地常规相比,改善作物种植、水分和养分管理方式）3个处理下的氨（NH3）挥发和一氧化氮（NO）排放进行田间原位观测,研究保产增效措施对稻麦轮作NH3 挥发和NO排放的综合影响。结果表明,与当地常规相比,保产增效在施氮量减少25%的情况下,总作物产量没有降低,且农学利用率提高了39%;保产增效NH3挥发量在稻季和麦季分别减少了26%和44%;保产增效在稻季NO排放量较低（0.75±0.03 kg N/hm2）,与空白和当地常规均没有显著差异（p<0.05）,在麦季NO排放量则显著降低了49%。因此,保产增效措施不仅能保障高产和提高氮利用率,还能减少NH3和NO排放,值得在太湖地区推广。     

盐碱土壤N2O排放与amoA和narG功能基因丰度的响应规律

为揭示盐碱土壤中参与氨氧化过程和硝酸盐还原过程的amoA和narG基因丰度与N_2O排放的响应规律,本研究选取内蒙古河套灌区3种不同盐碱程度土壤(轻度盐土SA、强度盐土SB和盐土SC),通过控制室内温度和土壤质量含水量进行室内培养试验,并运用荧光定量PCR(real-time PCR)技术研究了盐碱土壤中N_2O排放速率、氨氧化细菌和narG(膜结合型硝酸还原酶)型反硝化细菌丰度与土壤环境因子之间的偶联关系。结果表明:SA、SB和SC3种盐碱土壤中,N_2O平均排放速率随着土壤盐碱程度的升高而升高,值分别为16.9、30.8、69.6μg/(kg·d);氨氧化细菌和narG型反硝化细菌丰度分别为0.415×10~4、6.91×10~4、9.44×10~4 copies和2.61×10~4、5.36×10~4、13.5×10~4 copies,表明在一定盐分条件下,土壤中的盐分能够促进氨氧化细菌和narG型反硝化细菌丰度。RDA分析结果显示,N2O平均排放速率与氨氧化细菌和narG型反硝化细菌丰度具有显著的正相关(r=0.863、0.975,P0.01);土壤pH、EC、速效钾和有机碳是盐碱土壤中影响N2O排放速率的主要环境因子,其中,土壤pH、EC、速效钾和N_2O排放速率存在显著正相关(r=0.968、0.983、0.987,P0.01),土壤有机碳和N_2O排放速率存在负相关(r=–0.800,P0.05),土壤有效磷和总氮与N_2O排放速率的相关性未达到显著水平(P0.05)。     

Effect of Alternating Furrow Irrigation and Nitrogen Fertilizer on Nitrous Oxide Emission in Corn Field

The objectives of this 2-year field study were to assess the effects of irrigation and nitrogen (N) application on nitrous oxide (N₂O). Soil N₂O flux was determined using open-bottomed chambers. Nitrous oxide concentrations were determined with gas chromatography. The results showed that in 2008, N₂O emission rates ranged from 2.0 to 50.0 g N ha^?1 d^?1 in the alternating furrow irrigation and N application treatments (AFINA) and from 2.4 to 68.4 g N ha^?1 d^?1 in the conventional every-furrow irrigation and fertilization treatment (CIF). In 2009, cumulative N₂O-N loss in the optimal combination with greater yields and lower N₂O emission in AFINA was 1277 g N ha^?1 compared to 1695 g N ha^?1 with CIF. The study indicated that AFINA practices combined with optimum N fertilizer and irrigation rates could reduce soil N₂O emission and water input compared to CIF practices without causing a decline in corn yield.     

Influence of Watering Methods on the Short-Term Pulse Emissions of Nitrous Oxide from Disturbed Horticultural Soil

To reveal the impact of soil disturbance and surface watering (SW) following soil disturbance on the pulse nitrous oxide (N₂O) emissions, incubated experiments were conducted on disturbed soil with two watering regimes [surface watering only (SWO) and subsurface watering followed by surface watering (SUW+SW)]. Intensive soil disturbance led to pulses N₂O emissions from SUW + SW soil (>8,693 μg N₂O m^?2 h^?1 with a peak of 30,938 μg N₂O m^?2 h^?1), although the water-filled pore space (WFPS) was substantially lower than the previously reported optimal soil moisture range (45–75% WFPS) for peak N₂O emissions. N₂O emissions from the disturbed soil after SW were much lower than those from SUW + SW soil, increased as the soil dried, and peaked when the WFPS fell within the optimal soil moisture range. These peaks were considerably less than those resulting from the intensive disturbance in SUW + SW soil. Thus, SW after intensive soil disturbance may be effective for mitigating of pulse N₂O emissions caused by soil disturbance.     

Nitrous oxide production and consumption in serially diluted soil suspensions as related to in situ N2O emission in submerged soils

A simple method for characterizing soil microbial community composition relevant to N₂O production and consumption was proposed. Ten-fold series soil dilution was prepared. Nitrate or N₂O was provided as the sole electron acceptor. Nitrous oxide concentration in the headspace gas across the serially diluted soil suspensions was measured against controls. Results showed that the patterns of N₂O production and consumption across the soil suspensions provided useful information on the microbial community composition relevant to N₂O production and consumption in these soils. An independent method, to that proposed here, was also employed to characterize denitrifier community compositions of the same soils. Data indicated that information on the soil microbial community composition characterized by both methods were compatible or mutually supporting and apparently related to in situ N₂O emissions. Soil samples from manure (applied with animal manure plus chemical fertilizer) plots had higher denitrification rates than the samples from normal fertilizer (applied with chemical fertilizer only) plots. It was concluded that functional characteristics of soil microbial communities relevant to N₂O production and consumption could be characterized at ecological levels and may potentially affect N₂O emissions.