为研究不同灌溉施氮模式对冬小麦农田氮素气态损失的影响,以冬小麦为研究对象,在山东省长清灌溉试验站开展田间试验.试验设置了 2种测墒补灌水平:80％～90％田间持水量(θf)(I1)、70％～80％θf(12);3个施氮量:常规施氮240 kg·hm-2(N1)、减氮12.5％(N2)和减氮25％(N3),共6个处理.结果表明:施肥或灌溉后2～4d内均会出现氨挥发速率和氧化亚氮排放峰,追肥期的氨挥发速率明显高于基肥期.12N2处理在追肥期的氨挥发平均速率较其他处理降低10.1％～51.6％,在全生育期内氧化亚氮平均排放速率较其他处理降低了 15.4％～52.2％.氨挥发速率与表层土壤pH值、铵态氮含量呈显著正相关,氧化亚氮排放速率与表层土壤硝态氮含量呈显著正相关.土壤氨挥发累积量为0.83～1.42 kg·hm-2,氧化亚氮排放累积量为0.11～0.33 kg·hm-2,适量减少灌水量和施氮量可以有效减少氨挥发和氧化亚氮累积排放量,其中,I1N3、I2N2处理氨挥发和氧化亚氮累积排放量显著低于其他处理.I2N2处理冬小麦产量最高,为5615.6 kg·hm-2.I2处理灌溉水利用效率均显著高于I,处理,最大增幅达到45.2％,与N1、N3处理相比,N2处理的氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率最大增幅分别达到15.2％、31.8％.综上,以70％～80％θf测墒补灌且施氮量为210 kg·hm-2可以有效提高冬小麦水氮利用效率并降低农田氮素气态损失.

气候暖干化导致高寒地区泥炭地土壤氮排放急剧增加,但是潜在的微生物调节机制尚不清楚.本文综述了高寒泥炭地土壤氮转化与排放过程对温度升高、水位变化的响应,土壤厌氧氨氧化(Anammox)与NO3-异化还原过程的相互作用,土壤N2O产生路径及其贡献.当前研究的不足体现在:1)只关注土壤N2O排放,忽视了 N2的释放,导致高寒地区泥炭地氮的损失量被严重低估;2)Anammox过程对泥炭地N2排放的贡献未被量化;3)Anammox、细菌反硝化和真菌协同反硝化过程对N2损失的相对贡献缺乏定量评估;4)气候暖干化情景下Anammox和NO3-还原过程的解耦机制尚不清楚.未来研究重点应着力于:构建野外增温、水位控制暖干化模拟试验平台,结合稳定性同位素、分子生物学和宏基因组学技术,围绕格局-过程-机理这条主线,系统评估高寒地区泥炭湿地氮排放(N2O、NO、N2)的量级、组成比例与主控因素,探讨土壤主要脱氮过程的相互作用规律,量化硝化、厌氧氨氧化和反硝化对N2O、N2产生的相对贡献,甄别对暖干化响应敏感的微生物类群,明晰土壤脱氮转变与微生物群落演替之间的耦联关系,揭示土壤脱氮过程对气候暖干化响应的微生物学机理.

目的 探讨不同供氧浓度对生物质固废好氧堆肥化处理过程的影响机制,以掌握适用于未来地外星球基地受控生态生保系统(CELSS)固废资源化处理的供氧参数,提高氧气利用率.方法 利用自研的固废生物反应器试验系统,以小麦秸秆和模拟粪便为处理对象,开展10%、15%和21%三种供氧浓度的好氧堆肥化处理实验,定期采样并分析处理过程中的气体组分(O2、NH3、CH4和N2O)及物料腐熟度(含水率、溶解性有机碳、NH4+-N和种子发芽指数).结果 15%O2处理组耗氧量最大,NH3和N2O排放量最小,溶解性有机碳含量降解效果最好,NH4+-N含量较高;3个处理组中CH4排放均处于较低水平.堆肥结束时,10%O2和15%O2处理组的产品含水率均大于74%,保水性最好,各处理组的种子发芽指数分别达到86.64%、123.81%和97.98%.结论 与10%和21%供氧浓度相比,15%供氧浓度有效减少了NH3和N2O的排放,且拥有良好的保氮、保水和溶解有机碳降解效果,腐熟度更高.

为了研究氮沉降对内蒙古额尔古纳草甸草原主要温室气体(CO2、CH4和N2O)排放通量的影响,该研究通过添加NH4NO3模拟氮沉降,并设置6个氮添加水平(0、2、5、10、20、50 g·m-2·a-1),同时考虑到草地利用方式的影响,设置刈割和不刈割2个处理水平.分别于2020年和2021年的生长季(5-9月),采用静态箱-气相色谱法测定了3种温室气体的排放通量.主要结果有:1)生长季内3种温室气体的排放通量对氮添加的响应呈明显的非线性,但响应格局在3种温室气体之间存在明显的差异.2)当氮添加量达到5-10g·m-2·a-1时,CO2的通量达到峰值,表现出显著的饱和性特征;CH4的吸收在低氮添加(0-5 g·m-2·a-1)时受到促进,且这种促进作用随着氮添加量的增加而增强,但氮添加量达到5-10 g·m-2·a-1时,对CH4吸收的促进作用逐渐减弱,且高氮添加(50 g m-2·a-1)显著抑制CH4的吸收;N2O的排放通量对氮添加的响应总体也随氮添加量的增加而显著增加,但响应模式与幅度存在年际差异.3)刈割仅在2021年对CH4的吸收具有显著的促进作用.4)综合两年的结果,CO2排放通量与降水量和硝态氮含量显著正相关,与pH显著负相关.CH4吸收通量与降水量和铵态氮含量显著正相关,与pH显著负相关.N2O排放通量与土壤温度和铵态氮含量显著正相关,与硝态氮含量显著负相关.上述研究结果表明,大气氮沉降增加对温室气体排放的影响具有普遍的非线性特征,但不同温室气体的通量格局存在一定的差异.该研究结果对控制氮肥用量、选择合适的草地利用方式、评估草地生态系统变暖潜势具有重要意义.

生物炭在土壤培肥改良中的应用有助于农业可持续发展和碳中和目标的实现.为更好地了解生物炭对滨海盐碱土氮素转化和N2O排放的影响及其潜在机制,本研究按等氮原则,以仅添加硫酸铵(N 150 mg·kg-1,下同)为对照,设置5个处理,即硫酸铵+0.4％生物炭处理(W/W,下同)、硫酸铵+0.6％生物炭处理、硫酸铵+0.8％生物炭处理、硫酸铵+1.6％生物炭处理、硫酸铵+0.2％生物炭+0.2％有机肥处理,进行室内培养试验(60d).结果表明:生物炭对土壤氮素转化的影响主要在培养前期,与对照相比,添加生物炭显著增加了滨海盐碱土的硝态氮和铵态氮含量;生物炭显著提高了土壤净硝化速率,且净硝化速率随生物炭添加量的增加而减小;各处理土壤N2O排放的动态变化趋势基本一致,且主要集中在培养前30 d;与对照相比,生物炭添加显著降低了 N2O累积排放量,且降幅随添加量的增加而增大.可见,不同添加量生物炭与氮肥配施对土壤氮转化速率和N2O排放的影响不同,其中,0.8％生物炭处理不仅能显著提高土壤无机氮含量,而且能有效降低土壤N2O排放,可作为生物炭改良与培肥滨海盐碱土的最佳剂量.

茶园土壤是温室气体氧化亚氮(N2O)排放的重要来源,且茶园土壤中施肥诱导的N2O排放系数远大于旱地农田.针对全球茶园的特点和N2O排放研究现状,本文综合分析了茶园N2O排放特征、产生过程、影响因素及减排措施.全球茶园土壤N2O背景排放量平均为(2.68±2.92)kg N·hm-2,氮肥施用后N2O平均排放量为(11.29±9.45)kg N·hm-2.化肥诱导的N2O排放系数为2.2％±2.1％,远高于IPCC估算的农田N2O排放系数(1％).茶园土壤是典型的酸性土壤,N2O产生主要包括硝化和反硝化过程,其中反硝化作用占主导.茶园土壤N2O排放主要与施肥量有关,此外,施肥种类也影响茶园土壤N2O排放.茶园土壤N2O减排途径主要包括优化施肥量和施肥种类、添加生物炭以及合理利用硝化抑制剂等.今后应加强时间和空间尺度上茶园土壤N2O排放的原位观测,结合实验室培养和野外试验阐明茶园土壤N2O产生和排放机制,利用数据-模型融合方式减少全球茶园N2O排放估算的不确定性,为合理的茶园N2O减排措施提供理论支撑和实践指导.

我国每年产生大量的园林废弃物,外加尿素和菌剂的堆肥方式使其可以被大量处置和循环利用,但该方法存在严重的氮素损失和环境问题.沼液含有一定的氮源和微生物,理论上可以作为尿素和菌剂的替代物从而减少氮素损失.本研究设置了沼液+园林废弃物(GB)、沼液+园林废弃物+尿素(GBU)和沼液+园林废弃物+尿素+菌剂(GBUM)处理,研究堆肥过程的腐熟、氮素转化及损失情况.结果表明:与GBU和GBUM处理相比,GB处理的高温期更长且更稳定,同时具有更适合堆肥的pH和电导率(EC)以及最高的发芽指数(221.8％).GB处理NH3和N2O的排放速率分别为2.59 mg·kg-1·d-1和3.65 μg·kg-1·d-1,比GBU处理分别降低99.0％和50.0％,比GBUM处理分别降低99.4％和40.7％.818O和δ15NsP双同位素图谱技术分析显示,GB和GBU处理以反硝化作用为主,且GB处理反硝化作用贡献高于GBU处理,而GBUM处理以硝化作用为主;GB处理的N2O还原程度(83.7％)大于GBU和GBUM处理.可见,与GBU和GBUM处理相比,GB处理的腐熟度更好、氮素损失更低,并通过增强反硝化作用的N2O还原过程减少了N2O排放.综上,沼液与园林废弃物可以在不受C/N与微生物的限制下直接共堆肥,这种方式既保护了环境,又节约了资源,在实际生产中可以实现废弃物的循环再利用.

人类生活消费是陆地生态系统氮素流动的主要驱动力.定量核算和评估农村居民生活消费氮产生(NRUR)及其活性氮(Nr)排放特征,对农村氮的可持续管理和生态环境改善具有重要的指导意义.以中国为例(2000-2020年),建立了NRUR的产生及其活性氮排放核算框架.结果表明:20年来NRUR上升了 36.7％,年均5.62 Tg/a,食物消费氮是最大的贡献源(43.2％),工业日用品和家庭生活燃料消费氮分别占31.5％和25.3％;Nr排放量占NRUR的25.4％(年均1.43 Tg/a),其以年均1.3％速率下降;NH3挥发是最大的Nr排放源(50.1％),其次为排入地表水的Nr(31.0％)、NOx(15.8％)和N2O(2.0％),排入地下水的Nr仅占1.1％.加大人类粪尿排泄物的处置能力,减少秸秆燃料的使用比例、优化农村居民生活能源消费结构对农村居民生活消费Nr减排至关重要.

控释肥作为一种能够提高肥料利用率、保障作物产量和节约劳动力的新型肥料已经在作物生产中得到广泛应用,而控释肥对土壤N2O排放影响结果的差异使其成为当前科学评估控释肥施用环境效应的焦点问题之一.因此,旨在探讨不同种类控释肥及氮素水平施用对华北平原冬小麦/夏玉米轮作系统土壤N2O排放的影响,为科学评价控释肥施用的环境效应及其推广应用提供科学依据.本研究监测采用静态暗箱-气相色谱法对不同控释肥施用下土壤N2O排放、环境因素以及产量进行了周年监测,探讨了不同处理(对照处理(CK)、控释肥处理1(CRF1)、优化控释肥处理1(80％ CRF1)、优化控释肥处理2(80％ CRF2)和控释肥处理3(CRF3+尿素))下土壤N2O排放特征及土壤温湿度对其的影响.结果表明:控释肥施用下冬小麦/夏玉米轮作系统中土壤N2O排放峰高值主要出现在基肥施用并伴随灌溉(或降雨)后,一般持续时间约为7-10 d,小麦返青期灌溉以及玉米后期降雨会引起微弱的N2O排放峰.不同处理土壤N2O排放通量变化范围为-235.61-2625.01 μg N2O m-2h-1,平均排放通量为23.88-51.39 μg N2Om-2 h-1,与CRFI相比,80％ CRF1和80％CRF2处理能够减小施肥期的N2O排放峰值,但不改变轮作周期土壤N2O排放季节变化规律.CK处理和CRF3+尿素处理土壤N2O排放通量与5 cm深度土壤温度之间表现出显著的正相关性(r2=0.38,P＜0.01;r2 =0.30,P＜0.05);CRF1处理和80％CRF1处理在冬小麦生长季及整个轮作周期内与土壤孔隙含水率(WFPS)表现为显著的正相关关系(冬小麦生长季分别为r2=0.50,P＜0.01;r2=0.39,P＜0.05;整个轮作周期分别为r2=0.39,P＜0.05;r2=0.43,P＜0.05).80％CRF2处理N2O年排放总量最高,为(2.89±0.24) kg N/hm2.相同控释肥种类条件下,80％CRF1处理比CRF1处理减少了14.23％,但并未达到显著水平;相同施氮量水平下,CRF1处理与(CRF3+尿素)处理之间N2O年排放总量差异不显著,而80％CRF1处理比80％CRF2处理N2O年排放总量减少16.16％,并达到显著水平(P＜0.05).本研究不同处理之间N2O直接排放系数在0.29％-0.42％之间,均明显低于IPCC 1.0％的默认值.各控释肥处理产量与当地农民常规施肥量条件下产量没有显著性差异.因此在华北地区冬小麦/夏玉米轮作系统中应用控释肥技术可以在保证产量的前提下有效减少土壤N2O排放,并且仍存在一定的减排空间.

本试验对比观测研究了在稻田土壤中经3年陈化后的生物炭(B3)和新施入生物炭(B0)对稻麦轮作系统CH4和N2O综合温室效应和温室气体强度的影响,旨在明确生物炭对土壤温室气体排放的长期效应.田间试验设置4个处理,分别为对照(CK)、施用氮肥不施用生物炭(N)、施用氮肥和新生物炭(NB0)以及施用氮肥和陈化生物炭(NB3)处理.结果表明:NB0和NB3处理均显著提高了稻田土壤pH值、有机碳和全氮含量,并且显著影响与温室气体排放相关的微生物潜在活性.与N处理相比,NB3处理显著增加了作物产量,增幅14.1％,并且显著降低了CH4和N2O排放,降幅分别为9.0％和34.0％;而NBo处理显著增加作物产量,增幅9.3％,显著降低N2O排放,降幅38.6％,但增加了CH4排放,增幅4.7％;同时NB0和NB3处理均能降低稻麦轮作系统的综合温室效应和温室气体强度,且NB3处理能更有效地减少温室气体的排放并提高作物产量.在土壤中经3年陈化后的生物炭仍然具有固碳减排能力,因此,施用生物炭对稻麦轮作系统固碳减排和改善作物生产具有长期效应.