ES&T：新研究揭示土壤氧气浓度直接调控N2O产生机制

ES&T：新研究揭示土壤氧气浓度直接调控N2O产生机制

中国农业大学资源与环境学院巨晓棠教授课题组在Environmental Science & Technology期刊发表最新研究，揭示了土壤氧气浓度对N2O产生的直接影响机制，为农业土壤N2O减排提供了新的理论依据。

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  近日，中国农业大学资源与环境学院巨晓棠教授课题组在Environmental Science & Technology （5年IF=7.25） 在线发表题为“Oxygen regulates nitrous oxide production directly in agricultural soils”的研究论文。该研究为理解农田土壤氧化亚氮 （N2O） 产生机制，发展更加敏感的N2O模型及更加合理的农田管理措施以实现N2O减排提供了新的理论依据。
  N2O是单分子增温潜势较二氧化碳（CO2）高265倍（100年时间尺度）的强效温室气体。其在大气中寿命可达120年之久，是平流层臭氧的最主要破坏者。农业排放占全部人为排放的2/3，是目前最大的N2O人为排放源。土壤氧气 （O2） 是N2O产生的直接影响因子，同时控制着细胞水平硝化过程及反硝化过程的发生，进而决定着最终气体产物中N2O和氮气 （N2） 的比例。对于某一给定地点而言，土壤O2变化主要由周年内气候（气温、降雨）及农艺管理（作物体系、施肥、灌水等）因素的变化而决定。
  
  旱作农田土壤通常处于空间和时间上波动的氧气浓度，在施肥、降雨或灌溉后伴随着间歇性较低氧气浓度的出现。目前关于O2调控N2O产生的理解大多来自于纯培养及土壤微宇宙培养模拟试验，在田间原位有结构土壤，且处于频繁干湿交替、气候和农田管理因素时空变异条件下，理解旱作农田土壤O2对N2O产生的直接影响是一直以来的挑战性科学问题。
  该研究在始于2006年的长期定位试验基础上，对三种施氮水平结合不同秸秆（还田、不还田）和有机肥管理措施下的土壤O2和N2O浓度进行周年原位观测，同时观测了土壤温度、湿度、碳氮底物和pH等其它环境影响因素的动态变化，定量了典型集约管理作物体系在一系列变化的环境条件下土壤O2对N2O产生的直接影响，并建立了土壤O2预测N2O产生的经验模型。
  结果表明，气候和管理因素（施肥、灌溉、降雨、温度），以及它们的交互作用显著影响土壤中O2和N2O浓度 （P < 0.05）。与土壤温度，充水孔隙度和铵浓度相比 （r= 0.30, 0.25, 0.26），土壤O2浓度 （r= -0.71） 是与土壤N2O浓度最相关影响因素。随土壤O2浓度降低，土壤N2O浓度呈现指数增长。在施氮处理中，该指数增长模型可预测74-90% 的土壤N2O浓度变化；在施肥灌溉/降雨结合事件中，该指数模型可预测58% 的土壤N2O浓度变化。以上研究结果强调了土壤O2条件是影响N2O产生的近端，直接，且最具决定性的环境因子，超过其它环境因子对N2O产生的影响，同时能够作为一个关键变量反映田间一系列复杂交互变量对N2O产生的综合效应。
  
  国农业大学资源与环境学院2017级博士生宋晓桐为该论文第一作者，巨晓棠教授为通讯作者。论文合作单位还包括英国苏格兰农学院（SRUC）。该研究受到国家自然科学基金重点项目（41830751）、英国牛顿基金N-Circle项目（BB/N013484/1）、国家留学基金委中英联合研究创新基金博士生交流项目（201603780112）的资助。这是他们继去年在环境领域顶级期刊Environmental Science & Technology发表“Nitrous oxide emissions increase exponentially when optimum nitrogen fertilizer rates are exceeded in the North China plain”后，又一项重要进展。
  论文链接：http://dx.doi.org/10.1021/acs.est.9b03089
  文章来源： 农环视界
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