温度和降水变化对大豆田土壤N2O排放的影响

论文总字数：15704字

目 录

摘要 ………………………………………………………………………3

Abstract …………………………………………………………………4

1 材料与方法 5

1．1 田间试验 5

1．2 试验方法 6

1．2．1 温度与降水处理 6

1．2．2 N₂O的采集与分析 7

1．2．3 土壤温度和土壤湿度的测定 7

1．3 统计分析 7

2 结果与分析 7

2．1 土壤温湿度的变化 7

2．2 增温和降水减少对大豆田土壤N₂O通量的影响 8

2．2．1 土壤N₂O通量的生长季变化规律 8

2．2．2 增温和降水减少对土壤N₂O通量的影响 9

2．2．3 增温和降水减少对土壤N₂O累积排放量的影响 10

2．3 增温和降水变化对大豆田土壤N₂O排放与土壤温湿度关系的影响 11

3 讨论 12

3．1 增温和降水变化对大豆田土壤N2O排放的影响 12

3．2 增温和降水减少对大豆田土壤N₂O排放与土壤温湿度关系的影响 13

4 结论 13

参考文献 14

致谢 16

温度和降水变化对大豆田土壤N₂O排放的影响

范佩佩

，China

Abstract：To investigate the effects of diurnal warming and declining rainfall on N₂O emission from soil of soybean farmland，field experiments were conducted in soybean-growing season．The experimental treatments included the control(CK)，diurnal warming(T，enhanced 2℃ compared to CK)， reduced water(P，reduced 30% water compared to CK)，and the combined treatment(TP，diurnal warming 2℃ plus 30% reduced water)． N₂O emission fluxes was measured by static dark chamber-gas chromatograph method． Results indicated that the diurnal warming and declining rainfall did not change the seasonal pattern of N₂O emission from soil． During the whole growing season，compared to CK， T and TP treatments increased the N₂O flux by 69．10% and 13．38%，respectively． T and TP treatments also enhanced the cumulative amount of N₂O by62．52% and 9．25%， respectively． On the other hand， compared to CK， P treatment decreased the N₂O flux by 30．01%， and also decreased the cumulative amount of N₂O by 29．68%． The results of our study indicated that compared to the single treatment(diurnal warming or declining rainfall)， the combined treatment (diurnal warming plus declining rainfall) may have different effects on agroecosystem．

Key words： diurnal warming；declining rainfall；soil；N₂O emission；soybean

随着时代的进步，工农业的不断发展，人类活动对自然界的影响逐渐加剧，大气中的化学成分如二氧化碳（CO₂），甲烷（CH₄），氧化亚氮（N₂O）和臭氧(O₃)等的浓度不断增加，这些气体因为吸收地球表面红外辐射的能力比较强，所以可以改变地球的辐射平衡，从而导致地面增温，对地球有增温的作用从而形成温室效应，而这些气体也被称为温室气体。温室气体的大量排放将会导致全球气候变暖，这是一个十分重要的全球环境问题，同时也备受全世界的广泛关注，也具有重要的研究意义。而N₂O作为主要的温室气体之一，其浓度虽然不高，但在大气中的生命周期为121年，有明显的增温趋势，它的100年内全球温度变化潜能(Global Temperature Potential，GTP₁₀₀)为CO₂的297倍^[1]。并且大气中N₂O的浓度呈逐年上升的趋势，其浓度由工业革命前的2．7×10^-4ml/L 增加到 2005 年的3．19×10^-4ml/L，上升了20%^[1]，并以每年约0．2-0．3%的速率增长(IPCC，2001)，预计到 2050 年其浓度将增加到 3．5×10^-4~4×10^-4 ml/L ^[2]。由此可见，对N₂O排放的研究对人类生活有着至关重要的作用。

在全球温室气体排放中，农田生态系统占有重要的地位。农田生态系统中产生和排放的N₂O是大气中 N₂O 的重要来源，土壤中所产生的N₂O 是通过土壤微生物作用下的硝化作用和反硝化作用来完成的，除此之外，作物本身也会产生并排放少量的N₂O，农田土壤中的 N₂O排放量占生物圈N₂O 排放总量的70%。很久以前，人类活动较少时，生物固氮是大气中N₂O排放的重要来源之一，当人类活动较为显著时，农田氮肥的大量施用导致大气中N₂O排放量急剧增加，对人们所带来的影响如全球气候变暖和臭氧层破坏也越来越明显，N₂O所带来的影响越来越显著，人们也越来越关注N₂O浓度升高对全球变暖的影响，研究N₂O的主要来源、排放过程、排放规律、影响N₂O排放的因素及其对N₂O排放的影响等工作也变得越来越重要。

N₂O的产生和排放是一个复杂的物理学、生物学和化学过程，土壤有机物质含量、土壤底物与产物的浓度、土壤pH值、土壤温度、土壤含水量、降水、土壤的理化性质以及不同种类化肥的施用等因素都可以通过影响硝化作用和反硝化作用来影响农田土壤N₂O的排放过程。而土壤水分和土壤温度则是影响土壤N₂O的两个主导因子^[3]。当土壤水分和底物充足时，增温能很大程度的增加N₂O的排放，研究表明，增温对作物生长和土壤微生物群落均有影响，增温能降低植物光合作用速率^[4]、抑制作物生长^[5，6]、加速土壤有机质分解^[7]、增加土壤氮素^[8]，并且影响土壤微生物的活性^[9-10]。然而，当温度过高时，将会导致土壤水分含量降低，还会降低土壤微生物的活性，因此，温度对硝化作用和反硝化作用的影响是比较复杂的，所以，我们在研究过程中也需要考虑温度和其他控制因子的复合作用。

降水变化对农作物生长的影响也同样重要，降水可以对土壤湿度的变化起到非常明显的作用，降水变化可以改善土壤的水温状况，增强土壤微生物的活性，提高土壤氮的矿化速率，导致土壤硝化作用和反硝化作用增强，N₂O排放量大量增加^[11-13]。土壤含水量较低的条件下，土壤N₂O的产生主要来源于硝化作用，而当土壤含水量较高时，土壤N₂O的产生则主要来源于反硝化作用，土壤含水量适中的情况下，硝化作用和反硝化作用产生的N₂O的量大致相同（黄国宏等，1999）。一般情况下，土壤N₂O排放量随着土壤湿度的增加而增加^[14]，当土壤湿度为田间持水量的97%-100%或84%-86%时，N₂O的排放最强，而超过此值，N₂O排放量又会随着土壤湿度的增加而降低^[15]。因此，增温和降水变化通过影响作物的生长状态、土壤微生物活性和土壤温湿度进而影响土壤N₂O的产生和排放。到目前为止，在研究不同因子对土壤N₂O排放量的影响时，学者们大部分都是对温度和降水变化这两个因子进行单因子研究，然而对它们两者的复合效应研究的相对来说较少一些，然而这两个因子对N₂O排放的影响具有协同作用，既二者之间也相互影响。因此，本研究以大豆田为例，通过田间试验，测定大豆田土壤N₂O的排放量，初步分析在增温和降水减少的影响下大豆田土壤N₂O排放的规律，简要阐明全球变暖情境下大豆田N₂O的排放规律，为客观评价大豆田N₂O排放量及变化趋势提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 田间试验

田间试验于2015年大豆生长季在生态与农业气象试验站(32．16゜N，118．86゜E) 进行。大豆田土壤的pH(H₂O) 值为6．78，有机碳含量为37．38 g·kg^-1，全氮含量为0．59 g·kg^-1。土壤类型为潴育型水稻土，灰马干土属，耕层的土壤质地为壤质黏土^[16]。大豆的品种为八月白，按照当地作物常见的种植方法进行播种，施肥时间及种类也与当地作物保持一致。大豆的主要生育期以及期间的肥料管理见表1。表1 大豆主要生育期和肥料管理Table 1 Growing period of soybean and fertilization management

1．2 试验方法

1．2．1 温度与降水处理

根据丁一汇^[17]和Wan^[18]等的研究，田间控制实验中的温度处理设置为相对于对照组温度增加2℃；根据程冰等^[19]的研究，降水变化处理设置为相对于对照组降水减少30%。本研究田间控制实验共设置对照组（CK）、增温（T，与CK组相比温度增加2℃）、降水减少30%(P，与CK组相比降水减少30%)、增温加降水减少（TP，与CK组相比温度增加2℃并且降水减少30%）这四种处理。每种处理设置3个试验小区，各小区面积为2m×2m，相邻小区之间间隔为0．5m，而且为防止小区间的物质交换，我们挖了一个40cm深的排水沟。四组处理一共有12个小区，各个小区采用随机方式进行排列。从出苗到收获这段时间内进行增温和降水减少处理。

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