硝化抑制剂对华北农田N2O排放的影响及作用机制

The strategy of using nitrification inhibitors to reduce N2O emissions from agricultural soils is one of the hot topics in the global warming mitigation research. However, since the nitrification inhibitors can only inhibit nitrifying microorganisms, most of studies focused on the effect of nitrification inhibitor on nitrification derived N2O, while the mitigation effect of nitrification inhibitors on N2O emission under low nitrification/ high denitrification potential is still controversial. This proposal aims to target on the high nitrogen input area of the North China Plain. By using the soil nitrification/denitrification automated incubation system together with the 15N site preference (SP) approach, we aim to investigate the biological mechanism of nitrification inhibitors on mitigating N2O emissions under different soil nitrification/denitrification potential. The result of this research will help evaluating the environmental benefits of using nitrification inhibitor and thus proving technical and theoretical basis for mitigating greenhouse gas emissions in North China Plain.

利用硝化抑制剂降低农田土壤N2O排放是减缓全球变暖研究的热点之一。然而，由于硝化抑制剂只抑制硝化微生物活性，以往研究多关注于其对硝化作用产生的N2O的影响，对硝化抑制剂在低硝化势/高反硝化势土壤条件下减排N2O的效果尚存在争议。本项目以华北平原代表性氮肥高投入农田土壤为研究对象，采用土壤硝化/反硝化自动培养系统与氮稳定同位素异位体位嗜值（Site preference，SP）相结合，分析不同硝化/反硝化势条件下施用硝化抑制剂对土壤N2O排放的影响，探讨硝化抑制剂的生物作用机制，明确硝化抑制剂在不同土壤条件下对N2O排放特征的影响。研究结果可有助于评价华北平原农田使用硝化抑制剂的环境效益，为减缓农业源N2O 排放提供理论依据与技术途径。

施用硝化抑制剂是有效降低农田土壤N2O的重要手段，然而目前对硝化抑制剂在低硝化势/高反硝化势土壤中的N2O减排效果及机理尚存在争议。因此，明确硝化抑制剂对农田土壤N2O的减排作用机理，探讨硝化抑制剂在不同硝化/反硝化势条件下对土壤N2O排放的影响，理清其作用机制并制定出合理的施用策略具有重要理论和现实意义。本项目以华北代表性氮肥高投入农田土壤为研究对象，利用硝化/反硝化自动培养系统，系统研究了不同硝化/反硝化势下硝化抑制剂对N2O排放的影响，探究了农田尺度下不同肥料添加剂对土壤N2O排放特征的影响，并结合Meta分析揭示了氨挥发在评估硝化抑制剂减少N2O排放效果中的重要性及反硝化活性对长期施氮的响应。研究发现：1）施用硝化抑制剂（DMPP）在冬小麦季节显著减少了47%的N2O排放，在夏玉米季节显著减少了55%；2）在土壤含水量高和添加秸秆等反硝化潜势较高的条件下，硝化抑制剂（DMPP）对N2O排放的抑制效果更好；3）添加不同种类的硫肥显著增加了N2O排放，综合整个轮作周期来看，硫磺对N2O排放的促进作用最大（98.8%-377.2%）；4）硝化抑制剂N2O的减排作用被增加的NH3通量所抵消，而在低pH、高土壤有机碳土壤中施用硝化抑制剂会增加较少的NH3通量，可通过较低的施氮量实现硝化抑制剂较高的总体土壤N2O减排量；5）长期施氮增加了土壤潜在的反硝化活性，长期的N负荷增加了N2O/(N2O+N2)比率和nir(K+S)/nosZ比率。目前已在Soil Biology and Biochemistry等生态环境类期刊上发表论文7篇，其中第一作者/通讯作者SCI收录6篇。本项目研究成果加深了对硝化抑制剂减排农田土壤N2O机制的理解，为后续制定合理有效的减排措施、降低土壤N2O排放提供科学依据与技术途径。