摘要


农业土壤是大气中温室气体一氧化二氮(N2O)的主要来源。对大面积集约化种植区所预测的洪水频率和严重程度不断增加可能会促进临时反硝化作用和N2O生产，但对农业系统而言，洪水事件对N2O排放的影响研究甚少。在结合使用微传感器、稳定同位素技术、KCl提取和建模的基础上，研究了农业土壤洪水期间的整体N2O动态以及pH值和NO3浓度的影响。这项研究表明，洪水期间的非稳态峰值N2O排放事件可能至少与报告的年平均N2O排放量的数量级相同，其中通常不包括洪水引起的N2O排放量，并且超过三分之一的N2O排放量土壤中的物质不排放，而是在土壤中消耗。毫不奇怪，排放量与土壤NO3浓度呈正相关，但与石灰（中性pH值）呈负相关。发现土壤的氧化还原电位会影响N2O的积累，因为N2O的生产和消耗发生在狭窄的氧化还原窗口中，其中氧化还原范围水平与pH值呈负相关。本研究强调了与洪水相关的N2O爆发的潜在重要性，并推断出暂时被洪水淹没的耕作农业土壤的年度N2O排放估计值将被低估。此外，这项研究表明，地下N2O的减少是限制N2O排放的关键过程，如果对高度施肥的富氮土壤进行石灰处理，则可以实现N2O排放的减少。


一、简介


未来的气候变化将导致全球降水量的变化。预计新西兰和北欧等温带地区会出现更高频率的极端降雨事件（IPCC，2007年；Min等，2011年）。这增加了低洼地区或排水不良地区发生洪水的风险，这些地区与接收径流和地下水具有潜在高硝酸盐(NO3)浓度的地区相同。因此，可以预期这些地区的一氧化二氮(N2O)产量和排放量将增加，特别是施肥和富含氮的农田（Knowles，1982年）。


一氧化二氮是一种温室气体，假设在大气中的寿命为114年，则在100年的时间范围内，相对于二氧化碳的全球变暖潜势为298（IPCC，2007年）。此外，N2O对平流层臭氧有负面影响，因为N2O和其他自由基物质(NOx)会耗尽臭氧层（Badr和Probert，1993年）。N2O的大气浓度自工业化前时代以来增加了16%，从270 ppb增加到2005年的319 ppb（IPCC，2007），目前被认为是主要的人为消耗臭氧层排放物质（Ravishankara等，2009）。土壤是人为和自然产生的N2O的主要来源，土地利用的变化是观测到的对流层N2O浓度增加的主要驱动因素（IPCC，2007年）。今天，农田占N2O对大气的人为贡献总量的42%，而N2O是农业土壤中最重要的温室气体（IPCC，2007年）。


在氧气(O2)有限的环境中，土壤中会产生N2O，因为微生物过程利用含氮化合物作为电子受体（Knowles，1982年）。在反硝化过程中，N2O是将NO3还原为N2的必然中间产物，该过程由异养微生物进行。它也是NO3异化还原(DNRA)为铵(NH4+)过程中的副产品，因为发酵微生物通过亚硝酸盐(NO2)将NO3还原为NH4+（Tiedje等，1982）。反硝化率随有机碳和NO3的可用性、土壤含水量、pH值和温度而增加（Knowles，1982年；Simek和Cooper，2002年）。N2O:N2比率，描述反硝化的最终产物，随着土壤NO3浓度和酸度的增加而倾向于N2O（Knowles，1982年；Weier等人，1993年）。并非所有在土壤中产生的N2O都会排放，因为它可以在反硝化过程中被消耗为N2，该过程受N2O还原酶(NOS)的存在控制（Knowles，1982年）。由高土壤含水量和易降解有机物质的高可用性引起的高度缺氧条件有利于N2O的消耗（Wrage等人，2001年），因为NOS受到O2的强烈抑制（Knowles，1982年）。因此，N2O消耗量和生产率之间的平衡控制着N2O排放以及N2O在土壤中的传输特性（Clough等人，2005年）。土壤中N2O的主要运输方式是扩散，根据菲克扩散定律由浓度梯度控制。


当施肥田被淹没时，产生N2O的环境因素是最佳的。非稳态排水实验已经确定了充满水的孔隙空间与N2O排放之间的关系（Castellano等人，2010年），但是，据作者所知，没有对农业土壤的研究，只有少数对天然土壤的研究进行了检查土壤洪水对N2O动态的影响：地下N2O浓度和净地表排放的时空趋势。Jørgensen和Elberling（2012年）发现，当淹没未管理的湿地泥炭土时，N2O浓度和排放量具有明显的脉冲模式。在前24小时内观察到N2O浓度增加，然后浓度迅速下降，直到40小时后N2O浓度低于检测值。得出的结论是，对于这些湿地泥炭土，N2O产量的增加不会影响年度N2O排放预算，即使未来洪水事件频率增加（Jørgensen和Elberling，2012年）。对于农田而言，情况可能并非如此，在农田中，耕作可以增加NO3eN的可用性（Eriksen和Jensen，2001年；Silgram和Shepherd，1999年），从而通过反硝化产生N2O的潜力。


本研究的目的是调查受土壤pH值和NO3浓度影响的新西兰农业土壤洪水事件期间的整体N2O动态。该研究的具体目标是确定从土壤中产生、消耗和排放的N2O之间的平衡，并确定特定深度和时间的N2O生产和消耗。结合使用两种方法来实现目标：使用微传感器对土壤N2O浓度和氧化还原电位进行深度特定分析，以及在添加15N标记的NO3后，每个土壤核心3个土壤层的2 M KCl提取。该研究的设计基于以下假设：通过改变农业实践（重点关注土壤pH值和氮输入的变化）可以减少N2O排放，并且迄今为止的年度N2O清单可能被低估，因为影响洪水没有被列入年度预算。

淹没所导致的一氧化二氮排放的爆发是受农业土壤的pH和硝酸盐的控制——摘要、简介

淹没所导致的一氧化二氮排放的爆发是受农业土壤的pH和硝酸盐的控制——材料和方法

淹没所导致的一氧化二氮排放的爆发是受农业土壤的pH和硝酸盐的控制——结果

淹没所导致的一氧化二氮排放的爆发是受农业土壤的pH和硝酸盐的控制——讨论、致谢！