东北农田土壤和植物N2O排放过程初探

论文摘要

N2O作为一种重要的温室气体,它对大气臭氧层有破坏作用,使地表的紫外辐射增加。但是,目前对大气N2O源汇的估算仍有很大的不确定性,可能是对已知源的强度估算不足或某些重要的源尚未被发现。土壤是最主要的氧化亚氮（N2O）排放源。硝化和反硝化作用是土壤中生成N2O的两个最主要微生物过程,硝化作用与反硝化作用对N2O产生量的贡献有极大的差别;影响农田土壤N2O排放的因素主要有土壤水分状况、土壤温度、NH4+-N和NO3--N含量、土壤有机质、土壤pH等,区分N2O的硝化和反硝化作用来源,和理解环境因子改变如何影响N2O排放,对准确估算和预测土壤N2O排放通量非常重要。陈冠雄等首次报道了植物在正常的生理状态下,本身也能释放N2O,这一重要发现为生物源N2O的估算提供了新的研究方向,为提高N2O源汇估算的精确度提供了可能。本文主要以旱田土壤为研究对象,采用乙炔和氧气抑制技术（低浓度乙炔抑制自养硝化作用,纯氧抑制反硝化作用）,研究了旱田土壤中的硝化和反硝化作用N2O产生过程,以及各种不同环境因素对N2O产生过程的影响。对田间栽培大豆、土壤N2O排放通量进行了研究,还应用气相色谱法、稳定性同位素比率质谱法,对植物排放的N2O在土壤—植物系统中的贡献进行了初步研究。本试验主要由两部分组成:第一部分主要是将采自沈阳站点的土壤样品进行室内不同因素条件下（包括温度、含水量、速效氮、外源磷氮比和外源有机质）的土壤培养实验,得出各种因素条件下的硝化和反硝化N2O排放速率、硝化和反硝化贡献率、N2O转化率以及各种影响因子对硝化作用和反硝化作用N2O转化率的影响函数。第二部分主要是对田间栽培大豆、土壤N2O排放通量进行了研究,应用气相色谱法、稳定性同位素比率质谱法,对植物排放的N2O在土壤—植物系统中的贡献进行了初步研究。试验所得结果和结论如下:温度显著影响硝化和反硝化微生物的活性,在4-33℃范围内,随着温度上升,硝化N2O排放速率和硝化N2O转化率一直在增加。而反硝化N2O转化率和反硝化N2O排放速率在4-33℃范围内也一直增加。统计显示,反硝化N2O转化率与温度T（℃）之间呈极显著的正相关关系;在4-33℃范围内,硝化N2O转化率与温度T（℃）之间呈不显著的相关关系。在10%-140%土壤充水空隙度（WFPS）的含水量范围内,反硝化N2O转化率与土壤含水量呈极显著的复合函数型正相关关系。当含水量超过80%WFPS时,反硝化N2O排放的贡献要大于硝化N2O排放的贡献。在100%-140%WFPS含水量条件下,土壤空隙完全充水,土壤处于完全厌氧环境下,硝化作用可以忽略。添加铵态氮能促进硝化和反硝化作用的N2O排放。当添加量为25mg/kg时,硝化N2O转化速率和排放速率都达到最大;在添加量为0-25mg/kg时,添加铵态氮能提高硝化、反硝化作用N2O转化率,统计显示,铵态氮添加量与硝化N2O转化率之间不呈显著相关关系,与反硝化N2O转化率之间呈极显著相关关系。土壤硝化N2O转化率与硝态氮添加量呈极显著正相关,反硝化N2O转化率与硝态氮添加量不呈显著相关。增加磷素可以促进硝化类微生物的活性,统计显示,土壤硝化N2O转化率与土壤外源磷氮比呈显著正相关,反硝化N2O转化率与土壤外源磷氮比不相关,硝化N2O转化率在添加磷素时比不添加要高。提高外源磷氮比,能促进农田土壤N2O的排放。统计显示,硝化N2O转化率与外加秸秆的添加量不相关,而反硝化N2O转化率与外加秸秆的添加量呈极显著相关。总的排放速率随外加秸秆的添加量增大,说明提高外加秸秆的添加量能促进农田土壤N2O的排放。对大豆、土壤排放N2O的变化规律进行了研究。实验结果表明,在大豆的开花结荚期和成熟期,大豆N2O排放通量呈现两个排放高峰,而后大豆、土壤N2O的排放通量开始下降。应用气相色谱、气相色谱—同位素比率质谱联用仪测定了在生长期间,大豆在土壤植物系统N2O排放中的贡献率。结果表明,GC法测定的大豆在土壤—植物系统N2O排放中的贡献为20-49%,而用IRMS法测定的贡献率为3-70%。两种方法的计算结果虽然有差异,但大豆在土壤-植物系统中的贡献率基本趋势一致,进一步证明植物在土壤-植物系统N2O排放中不可忽视的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 全球环境变化
• 2O'>1.2 温室效应气体N₂O
• 2O的源与汇'>1.3 N₂O的源与汇
• 1.3.1 土壤
• 1.3.2 海洋和淡水系统
• 1.3.3 生物质燃烧和化石燃料燃烧
• 1.3.4 工业源
• 1.3.5 植物
• 2O排放的影响因素'>1.4 农田土壤N₂O排放的影响因素
• 1.4.1 土壤含水量
• 1.4.2 土壤温度
• 1.4.3 土壤质地类型
• 1.4.4 土壤氮素供应
• 1.4.5 土壤有机质及其C/N比
• 1.4.6 土壤pH
• 1.4.7 其他因素
• 2O排放的微生物学机理'>1.5 农阳土壤N₂O排放的微生物学机理
• 1.5.1 硝化作用
• 1.5.2 反硝化作用
• 2O研究进展'>1.6 植物释放N₂O研究进展
• 2O的释放'>1.6.1 植物与土壤的互作调控土壤N₂O的释放
• 2O有传输作用'>1.6.2 植物体对N₂O有传输作用
• 2O'>1.6.3 植物本身释放N₂O
• 2O释放的影响因素'>1.6.4 植物N₂O释放的影响因素
• 2O的机理'>1.6.5 植物释放N₂O的机理
• 2O排放中的贡献'>1.6.6 植物在土壤植物系统N₂O排放中的贡献
• 2O研究展望'>1.6.7 植物排放N₂O研究展望
• 2O的排放过程及测定方法'>1.7 硝化和反硝化作用N₂O的排放过程及测定方法
• 2O排放的过程'>1.7.1 区分硝化和反硝化作用N₂O排放的过程
• 2O的测定方法'>1.7.2 N₂O的测定方法
• 1.8 论文的工作意义及技术路线
• 1.8.1 研究意义及内容
• 1.8.2 技术路线
• 2O产生过程的因子控制试验'>第二章 硝化和反硝化作用N₂O产生过程的因子控制试验
• 2.1 研究区域概况
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 供试土样
• 2.2.2 乙炔和纯氧
• 2.2.3 器材与设备
• 2.3 试验设计与方法
• 2O排放的测定与计算'>2.3.1 硝化作用和反硝化作用N₂O排放的测定与计算
• 2.3.2 培养实验基本操作步骤
• 2O排放速率和转化率的测定'>2.3.3 N₂O排放速率和转化率的测定
• 2.3.4 气体样品采集和浓度测定
• 2.3.5 土壤中速效氮含量的测定
• 2.3.6 数据处理方法
• 2.4 因子控制试验步骤
• 2O排放的影响'>2.4.1 温度对土壤硝化和反硝化作用N₂O排放的影响
• 2O排放的影响'>2.4.2 含水量对土壤硝化和反硝化作用N₂O排放的影响
• 2O排放的影响'>2.4.3 速效氮对土壤硝化和反硝化作用N₂O排放的影响
• 2O排放的影响'>2.4.4 外源磷氮比对土壤硝化和反硝化作用N₂O排放的影响
• 2O排放的影响'>2.4.5 外源有机质对土壤硝化和反硝化作用N₂O排放的影响
• 2.5 结果与讨论
• 2O排放的影响'>2.5.1 温度对土壤硝化和反硝化作用N₂O排放的影响
• 2O排放的影响'>2.5.2 含水量对土壤硝化和反硝化作用N₂O排放的影响
• 2O排放的影响'>2.5.3 速效氮对土壤硝化和反硝化作用N₂O排放的影响
• 2O排放的影响'>2.5.4 外源磷氮比对土壤硝化和反硝化N₂O排放的影响
• 2O排放的影响'>2.5.5 外源有机质秸杆对土壤硝化和反硝化N₂O排放的影响
• 2.6 小结
• 2O排放中的贡献'>第三章 植物在土壤—植物系统N₂O排放中的贡献
• 3.1 试验材料
• 3.2 试验地点
• 3.3 气相色谱试验方法
• 2O的采集'>3.3.1 N₂O的采集
• 2O通量的测定'>3.3.2 N₂O通量的测定
• 3.4 同位素比率测定试验方法
• 2O标准曲线的配制'>3.4.1 N₂O标准曲线的配制
• 3.4.2 置换气体的配制
• 3.4.3 土壤、植物样品的采集
• 3.4.4 气体置换
• 3.4.5 气体样品的采集
• 3.4.6 同位素比率质谱测定
• 3.4.7 同位素标准品的配制
• 3.5 结果与讨论
• 2O排放通量的季节变化'>3.5.1 田间栽培大豆植株N₂O排放通量的季节变化
• 2O排放在土壤—植物系统N₂O排放中的贡献率（GC法）'>3.5.2 大豆N₂O排放在土壤—植物系统N₂O排放中的贡献率（GC法）
• 2O排放在土壤—植物系统N₂O排放中的贡献率（IRMS法）'>3.5.3 大豆N₂O排放在土壤—植物系统N₂O排放中的贡献率（IRMS法）
• 3.5.4 大豆排放在土壤—植物系统排放中的贡献率的比较（GC和IRMS法）
• 3.2 小结
• 第四章 结论与展望
• 4.1 主要结论
• 4.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者介绍