华北高产粮田温室气体排放与氨氧化菌响应机理研究

针对农田生态系统在缓解气候变化的重要性，以及发展碳增汇和温室气体减排措施的迫切性，本项目基于华北高产粮田系统中氮素和秸秆管理定位试验，以集约农田温室气体减排调控为目标，通过研究不同管理措施下（氮肥水平、控释肥、秸秆及有机肥管理）温室气体（CO2、CH4和N2O）排放机理，并结合生命周期评价法和增温潜势，即用净增温潜势（Net-GWP）法综合评价不同管理措施对环境效益的影响；利用分子生物学技术（实时荧光PCR，DGGE等）研究团聚体尺度下氨氧化细菌群落结构及其与N2O排放的互作机理，明确土壤碳增汇、温室气体减排与土壤氨氧化菌的响应关系，揭示华北集约粮区农田生态系统温室气体排放及其调控机制，对理解华北集约农业生态系统中碳增汇和温室气体减排具有重要科学和现实意义。

鉴于农田生态系统在缓解气候变化的重要性，以及发展碳增汇和温室气体减排措施的迫切性，本研究基于华北高产粮田长期定位实验和内蒙古农牧科学研究院长期定位实验，研究不同管理措施下（氮肥水平、控释肥、秸秆、有机肥、耕作措施和水分管理）温室气体排放的机理；研究综合农业管理措施条件（常规、有机、无氮和自然恢复地）对土壤有机碳累积的影响以及土壤生物在该过程中的作用；研究土壤肥力对细菌和氨氧化微生物群落数量和结构的影响。主要研究结果如下：..1）肥水管理能够显著影响农田N2O的排放脉冲和累积排放量；华北平原农田土壤是大气CH4的弱汇；采用优化氮肥措施处理的CO2排放强度都显著降低，利用综合农业管理措施可实现温室气体减排及维持粮食稳产双重目标。..2）尿素中的添加硝化抑制剂能显著降低农田N2O排放脉冲值和累积排放量，但添加脲酶抑制剂和同时添加两种抑制剂后的减排效果并不明显。..3）综合农业管理措施条件，大团聚体土壤有机碳浓度最高。微团聚体对整土有机碳含量的贡献最大。植食性线虫相对丰度最高。土壤动物种群变化主要为食细菌线虫，捕食性线虫和杂食性线虫。土壤物理结构对土壤碳的贡献依次为微团聚体、粉粘粒和粉粘粒。..4）聚类和排序分析都表明土壤是否施用有机肥是介导壤细菌群落结构变化的主要因素。在施用有机肥的土壤中，富营养的种群如 Proteobacteria、Bacteroidetes 和 Firmicutes 更占优势。施肥方式会影响各功能微生物的相对丰度，并进一步影响土壤碳氮循环。.5）通过对施氮、灌溉、秸秆管理和耕作制度的优化形成了管理方式，每个作物生长季均表现出较低的碳排放当量。研究期间夏玉米−冬小麦−夏玉米3季的累积碳排放当量分别较常规处理降低37.2%至74.6%。