Nitrous oxide emission from rain-fed wheat (Triticum aestivum L) and irrigated maize (Zea mays L.) soil

Abstract

氧化亚氮(N2O)是大气中的重要温室气体，农业土壤排放是N2O的主要来源，其排放量占人为源的52%。土壤N2O排放不仅浪费肥料资源，降低肥料利用率，更主要的是与全球变暖和臭氧层破坏相关联。本研究以澳大利亚维多利亚州Rutherglen旱作小麦田和新维尔士州Griffith灌溉玉米地为研究对象，通过室内培养、田间试验和模型预测相结合的方法，研究了土壤水分、温度、有效C浓度、有效N浓度等主要因素对土壤硝化、反硝化反应中N2O排放的影响,田间土壤N2O排放时空变异及其机理，在此基础上对减缓土壤N2O排放的措施进行了有效探索，提出了减少土壤N2O排放的技术措施及适用条件，为预测及减缓土壤N2O排放、合理N素管理提供了理论依据。取得的主要结论如下：1.土壤硝化反应速度及反应中N2O排放主要受土壤温度、水分、NH4+浓度的影响。Rutherglen旱地小麦田土壤潜在的硝化反应最大速度为6.67mg/kg&middot;d,硝化反应中N2O最大排放比例为3.03%；随温度由10 oC升高30 oC，硝化反应速度指数升高,N2O排放总量增加，但N2O排放比例明显降低；NH4+浓度升高可抑制硝化反应的进行，提高硝化反应中N2O排放比例。随水分含量由20%WFPS升高到40%WFPS时硝化反应速度增加到最大，60%WFPS时略有降低。Griffith灌溉玉米地土壤硝化反应发生的适宜温度为10oC-20oC，适宜水分为40%WFPS-60%WFPS，30oC、20%WFPS时硝化反应速度明显受到抑制。适宜条件下，灌溉玉米地土壤硝化反应速度高于旱地小麦田，反应中N2O排放比例低于旱地小麦田。2.土壤反硝化反应对N2O排放的贡献受土壤水分含量、有效N浓度、有效C浓度及其交互作用的影响。水分含量由65%WFPS升高到80%WFPS时N2O排放急剧增加。50%WFPS－95%WFPS范围内，反硝化均是N2O产生的主要过程，且随水分含量的增加，反硝化对N2O排放的贡献率增加。有效N浓度增加可显著增加N2O总排放量,反硝化对N2O排放的贡献率及反硝化反应中N2O排放量。有效C对N2O排放的影响与水分含量和有效N浓度有关,加入外源N的基础上,外源C的加入可提高反硝化对N2O排放的贡献率及反硝化中N2O排放量。3.土壤水分变化和施肥、土壤N转化引起的NH4+/NO3-含量变异是田间土壤N2O排放时空变异的主要原因。Rutherglen旱地小麦田肥料N总损失为2.7%－12.7%，N2O气态损失为0.085%-0.097%，远低于IPCC使用的N2O排放系数（1.25%）；水分含量和NO3-含量都较适宜的6月和次年2月是N2O排放的二个高峰期。Griffith灌溉玉米地高温高湿的土壤环境促进了土壤反硝化损失和N2O排放, 肥料N总损失为31.5%－36.5%，其中反硝化损失11.7%-11.9%；N2O气态损失0.47%－1.90%, N肥用量增加使N2O排放量及N2O排放系数增加，土壤N2O主要从垄坡中部的施肥点附近排出。4.WNMM可较好地模拟旱地小麦田土壤水分、NH4+、NO3-的动态，亦可较好地模拟N2O的排放动态，但在土壤水分、温度变化幅度较大的9月10日－10月10日模拟的N2O排放显著大于测定值，还需要对WNMM模型中土壤N2O排放的模拟过程进行修正，提高N2O排放预测的可靠性。5.提出了运用硝化抑制剂（N-Serve）、通气调节和秸秆还田减缓土壤N2O排放的技术措施及适用条件。硝化抑制剂主要是抑制硝化反应及硝化反应中N2O排放,应优先用于低水分含量土壤；土壤掺砂、通气调节可有效地抑制反硝化及反硝化中N2O排放，主要适用于质地粘重，高水分含量土壤；秸秆直接还田的主要作用在于影响了土壤的C、N循环，从而影响了土壤反硝化及N2O排放,其对N2O排放的影响作用与N肥用量有关，建议在高施肥量或低水分含量条件下运用。</span