摘要

農(nóng)業(yè)土壤是大氣中溫室氣體一氧化二氮(N2O)的主要來源。對大面積集約化種植區(qū)所預(yù)測的洪水頻率和嚴(yán)重程度不斷增加可能會(huì)促進(jìn)臨時(shí)反硝化作用和N2O生產(chǎn)，但對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)而言，洪水事件對N2O排放的影響研究甚少。在結(jié)合使用微傳感器、穩(wěn)定同位素技術(shù)、KCl提取和建模的基礎(chǔ)上，研究了農(nóng)業(yè)土壤洪水期間的整體N2O動(dòng)態(tài)以及pH值和NO3濃度的影響。這項(xiàng)研究表明，洪水期間的非穩(wěn)態(tài)峰值N2O排放事件可能至少與報(bào)告的年平均N2O排放量的數(shù)量級(jí)相同，其中通常不包括洪水引起的N2O排放量，并且超過三分之一的N2O排放量土壤中的物質(zhì)不排放，而是在土壤中消耗。毫不奇怪，排放量與土壤NO3濃度呈正相關(guān)，但與石灰（中性pH值）呈負(fù)相關(guān)。發(fā)現(xiàn)土壤的氧化還原電位會(huì)影響N2O的積累，因?yàn)镹2O的生產(chǎn)和消耗發(fā)生在狹窄的氧化還原窗口中，其中氧化還原范圍水平與pH值呈負(fù)相關(guān)。本研究強(qiáng)調(diào)了與洪水相關(guān)的N2O爆發(fā)的潛在重要性，并推斷出暫時(shí)被洪水淹沒的耕作農(nóng)業(yè)土壤的年度N2O排放估計(jì)值將被低估。此外，這項(xiàng)研究表明，地下N2O的減少是限制N2O排放的關(guān)鍵過程，如果對高度施肥的富氮土壤進(jìn)行石灰處理，則可以實(shí)現(xiàn)N2O排放的減少。

一、簡介

未來的氣候變化將導(dǎo)致全球降水量的變化。預(yù)計(jì)新西蘭和北歐等溫帶地區(qū)會(huì)出現(xiàn)更高頻率的極端降雨事件（IPCC，2007年；Min等，2011年）。這增加了低洼地區(qū)或排水不良地區(qū)發(fā)生洪水的風(fēng)險(xiǎn)，這些地區(qū)與接收徑流和地下水具有潛在高硝酸鹽(NO3)濃度的地區(qū)相同。因此，可以預(yù)期這些地區(qū)的一氧化二氮(N2O)產(chǎn)量和排放量將增加，特別是施肥和富含氮的農(nóng)田（Knowles，1982年）。

一氧化二氮是一種溫室氣體，假設(shè)在大氣中的壽命為114年，則在100年的時(shí)間范圍內(nèi)，相對于二氧化碳的全球變暖潛勢為298（IPCC，2007年）。此外，N2O對平流層臭氧有負(fù)面影響，因?yàn)镹2O和其他自由基物質(zhì)(NOx)會(huì)耗盡臭氧層（Badr和Probert，1993年）。N2O的大氣濃度自工業(yè)化前時(shí)代以來增加了16%，從270 ppb增加到2005年的319 ppb（IPCC，2007），目前被認(rèn)為是主要的人為消耗臭氧層排放物質(zhì)（Ravishankara等，2009）。土壤是人為和自然產(chǎn)生的N2O的主要來源，土地利用的變化是觀測到的對流層N2O濃度增加的主要驅(qū)動(dòng)因素（IPCC，2007年）。今天，農(nóng)田占N2O對大氣的人為貢獻(xiàn)總量的42%，而N2O是農(nóng)業(yè)土壤中最重要的溫室氣體（IPCC，2007年）。

在氧氣(O2)有限的環(huán)境中，土壤中會(huì)產(chǎn)生N2O，因?yàn)槲⑸镞^程利用含氮化合物作為電子受體（Knowles，1982年）。在反硝化過程中，N2O是將NO3還原為N2的必然中間產(chǎn)物，該過程由異養(yǎng)微生物進(jìn)行。它也是NO3異化還原(DNRA)為銨(NH4+)過程中的副產(chǎn)品，因?yàn)榘l(fā)酵微生物通過亞硝酸鹽(NO2)將NO3還原為NH4+（Tiedje等，1982）。反硝化率隨有機(jī)碳和NO3的可用性、土壤含水量、pH值和溫度而增加（Knowles，1982年；Simek和Cooper，2002年）。N2O:N2比率，描述反硝化的最終產(chǎn)物，隨著土壤NO3濃度和酸度的增加而傾向于N2O（Knowles，1982年；Weier等人，1993年）。并非所有在土壤中產(chǎn)生的N2O都會(huì)排放，因?yàn)樗梢栽诜聪趸^程中被消耗為N2，該過程受N2O還原酶(NOS)的存在控制（Knowles，1982年）。由高土壤含水量和易降解有機(jī)物質(zhì)的高可用性引起的高度缺氧條件有利于N2O的消耗（Wrage等人，2001年），因?yàn)镹OS受到O2的強(qiáng)烈抑制（Knowles，1982年）。因此，N2O消耗量和生產(chǎn)率之間的平衡控制著N2O排放以及N2O在土壤中的傳輸特性（Clough等人，2005年）。土壤中N2O的主要運(yùn)輸方式是擴(kuò)散，根據(jù)菲克擴(kuò)散定律由濃度梯度控制。

當(dāng)施肥田被淹沒時(shí)，產(chǎn)生N2O的環(huán)境因素是最佳的。非穩(wěn)態(tài)排水實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確定了充滿水的孔隙空間與N2O排放之間的關(guān)系（Castellano等人，2010年），但是，據(jù)作者所知，沒有對農(nóng)業(yè)土壤的研究，只有少數(shù)對天然土壤的研究進(jìn)行了檢查土壤洪水對N2O動(dòng)態(tài)的影響：地下N2O濃度和凈地表排放的時(shí)空趨勢。J?rgensen和Elberling（2012年）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)淹沒未管理的濕地泥炭土?xí)r，N2O濃度和排放量具有明顯的脈沖模式。在前24小時(shí)內(nèi)觀察到N2O濃度增加，然后濃度迅速下降，直到40小時(shí)后N2O濃度低于檢測值。得出的結(jié)論是，對于這些濕地泥炭土，N2O產(chǎn)量的增加不會(huì)影響年度N2O排放預(yù)算，即使未來洪水事件頻率增加（J?rgensen和Elberling，2012年）。對于農(nóng)田而言，情況可能并非如此，在農(nóng)田中，耕作可以增加NO3eN的可用性（Eriksen和Jensen，2001年；Silgram和Shepherd，1999年），從而通過反硝化產(chǎn)生N2O的潛力。

本研究的目的是調(diào)查受土壤pH值和NO3濃度影響的新西蘭農(nóng)業(yè)土壤洪水事件期間的整體N2O動(dòng)態(tài)。該研究的具體目標(biāo)是確定從土壤中產(chǎn)生、消耗和排放的N2O之間的平衡，并確定特定深度和時(shí)間的N2O生產(chǎn)和消耗。結(jié)合使用兩種方法來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：使用微傳感器對土壤N2O濃度和氧化還原電位進(jìn)行深度特定分析，以及在添加15N標(biāo)記的NO3后，每個(gè)土壤核心3個(gè)土壤層的2 M KCl提取。該研究的設(shè)計(jì)基于以下假設(shè)：通過改變農(nóng)業(yè)實(shí)踐（重點(diǎn)關(guān)注土壤pH值和氮輸入的變化）可以減少N2O排放，并且迄今為止的年度N2O清單可能被低估，因?yàn)橛绊懞樗疀]有被列入年度預(yù)算。

淹沒所導(dǎo)致的一氧化二氮排放的爆發(fā)是受農(nóng)業(yè)土壤的pH和硝酸鹽的控制——摘要、簡介

淹沒所導(dǎo)致的一氧化二氮排放的爆發(fā)是受農(nóng)業(yè)土壤的pH和硝酸鹽的控制——材料和方法

淹沒所導(dǎo)致的一氧化二氮排放的爆發(fā)是受農(nóng)業(yè)土壤的pH和硝酸鹽的控制——結(jié)果

淹沒所導(dǎo)致的一氧化二氮排放的爆發(fā)是受農(nóng)業(yè)土壤的pH和硝酸鹽的控制——討論、致謝！