亚热带丘陵园艺土壤氧化亚氮排放的时空变异特征研究

氧化亚氮(N2O)是一种重要的温室气体。农业土壤 N2O 的排放由于受到气候、地形、土壤性质、农业生产措施等因素的影响，表现出剧烈的时空变异特征。本研究将以亚.热带地区一个典型低丘茶园为研究对象，采用150个小型气体采样箱，进行综合考虑地形、茶树和施肥位置等因素和以茶树垄断面为单元的半规则网格采样，观测不同时间和空间尺度的茶园土壤N2O 排放和土壤物理化学性质的空间差异，应用2维、3维地统计学和小波分析等技术剖析茶园土壤 N2O 排放的时空异质性及其主要控制因子，并研究主要控制因子随时间的演替和N2O 排放空间分布随时间的演变。探索应用数据融合技术综合不同时空尺度的土壤N2O排放空间变异，精确估算区域茶园土壤 N2O的排放总量。该研究不仅使我们明确茶园土壤 N2O排放的时空变异特征，而且其成果有助于茶园合理施肥、减排增汇和减少环境污染。本项目的方法论可应用到对其它园艺土壤的研究。

本研究以亚热带丘陵区典型经营性茶园为研究对象，对不同生长季节茶园土壤N2O排放空间、时间以及时-空变异性特征进行研究，同时对茶树垄微区域氮循环微生物三维空间结构进行分析。旱季N2O排放适用于球状半方差模型，有效空间距为28.5 m。仅高程与N2O排放呈现极显著的相关关系（r=−0.42, P<0.001）。以高程为预测变量的回归克里格和以高程的倒数以及土壤有机碳为辅助变量的协同克里格插值效果较优。在4.8 ha研究区域内，N2O排放总量为25.6-26.8 g N d−1。雨季N2O排放适用于指数半方差模型，空间有效距为25.2 m。土壤N2O排放与土壤铵态氮，硝态氮、全氮和有机碳均呈现极显著的相关关系（r=0.57-0.71，p<0.001）。在4.0 ha研究区域内N2O排放总量为148.2-208.1 g N d-1，其中，以铵态氮和硝态氮为协助变量的协同克里格插值方法效果最优（r =0.74，RMSE=1.18）。N2O排放时-空变异性研究结果表明，茶园土壤N2O排放呈现强烈的空间、时间和时-空自相关关系，分别适用于Ste、指数方程和Ste方程。四种时-空半方差模型（separable,、product-sum、metric和sum-metric）中，metric模型对于峰值的敏感性较低，sum-metric模型效果最好。不同时空插值方法预测效果相当(r = 0.817-0.824, rmse = 0.456-0.486, p < 0.001)，均优于多元线性回归预测模型(r = 0.735, rmse = 0.560, p < 0.001)。在40 m2的茶园研究区域内，30d内N2O排放总量为18.3 to 18.5 g N d-1，比田间原位观测结果高25%。此外，时-空变异性研究结果显示田间原位监测的静态箱底座尺寸不应小于0.4 m，采样频率应在5d一次。茶树垄微区域土壤氮循环微生物呈现中等的空间自相关性，主要分布在表层0-20 cm土壤。对数转化的AOA和AOB呈现单峰正态分布，narG和nosZ呈现双峰正态分布。茶树根影响AOA、narG和nosZ的空间分布，施肥改变AOB的空间分布。AOA和AOB分别在施肥沟和茶树位置的表层有很高的分布，narG主要分布在在茶树位置的次表层。nosZ基因呈现块状分布，在根际周围次表层出现三个很明显的分布热区。