原位氧气浓度对石灰性农田土壤氧化亚氮排放事件的驱动机制

A large number of researches have proved that different amounts of N2O peaks occurred after fertilization, fertilization together with irrigation, irrigation and strong rainfall from calcareous cropland soil of North China Plain. However, how does in-situ O2 concentration change during these N2O emission events? How does the in-situ O2 concentration affect the activities of soil microorganisms and then drive N2O emission? The contribution of different processes to N2O emission is still unclear during these N2O emission evens. To solve the above questions, we plan to combine closed static chamber-gas chromatographic method, gas equalizer-gas chromatographic method, molecular biological technique and spatial distribution information of 15N (SP value) in N2O molecule techniques to measure N2O and CO2 concentration, O2 concentration in-situ and soil moisture and temperature, the abundance and expression of related functional genes during the N2O emission, distinguish the contribution of different processes to N2O emission. The aim of this study is to verify the dynamic change of O2 concentration in-situ, its effect on microorganism activity during the N2O emission events, establish quantitative relations between the O2 concentration, N2O concentration, soil moisture, soil substrate concentration and functional microorganisms, and clear different processes contribution to N2O emission during high and low N2O emission events, then finally provide scientific basis for proposing mitigation measures.

华北石灰性农田土壤在施肥、施肥+灌溉、灌溉、强降雨后会有不同强度的N2O排放。然而，这些排放事件中原位土壤O2浓度如何变化，如何影响土壤微生物活性从而驱动N2O排放研究不深入，对N2O高/低排放过程的区分也不清晰。本研究拟联合静态箱-气相色谱法、气体平衡管-气相色谱法、分子生物学技术和15N在N2O分子内的空间分布信息（SP值），测定5-20cm深土壤N2O和CO2浓度、O2浓度、水分含量和温度，定量相关功能基因的丰度和表达、区分高/低N2O排放事件中的过程。旨在探明该类型土壤高/低N2O排放事件中原位O2浓度在N2O排放过程中的驱动作用，建立原位O2浓度变化与N2O浓度、顶空N2O通量排放、土壤水分含量、土壤基质浓度之间的数量关系，明确原位O2浓度变化对功能基因丰度和表达的影响，区分N2O排放过程，为提出N2O减排措施提供科学依据。

华北石灰性农田土壤在施肥、灌溉、强降雨等农作事件后会有不同强度的N2O排放，这些排放事件背后的机制，原位O2浓度如何变化，如何影响N2O排放、微生物活性，以及这些N2O的产生途径是什么尚不清晰。本研究利用静态箱和气体平衡管-气相色谱法、分子生物学技术以及15N在N2O分子内的空间分布信息(SP值)，测定以上典型事件后土壤O2、N2O浓度、土壤温度、湿度(WFPS)等，旨在探明该类型土壤N2O排放事件中O2浓度的作用，建立O2浓度和N2O浓度之间的关系，明确O2浓度对硝化-反硝化功能基因丰度的影响，区分N2O产生过程。.主要结果有：(1)典型气候和农田管理事件后，土壤O2浓度和N2O浓度之间呈现此消彼长、对称分布的关系，其数量大小取决于当时土壤背景的水热情况;灌水(Irr.)和施肥+灌水(Fer.+Irr.)事件中，灌水是驱动土壤O2消耗的主要因素；在施肥+降水(Fer.+Pre.)事件中，土壤温度是影响O2浓度的主要因素，该事件能够造成大量的土壤厌氧微域，造成极高的N2O排放。秸秆和有机肥的添加对土壤O2和N2O浓度的变化的影响次于施氮量的影响。(2)长期施用尿素和/或有机肥显著增加了土壤中氨氧化细菌(AOB)的数目，造成施肥后强N2O排放峰，极大地贡献了年N2O排放量；年N2O排放量与反硝化基因丰度(narG、nirS、nirK)显著正相关，说明当土壤中存在反硝化作用发生条件时（强降雨或灌溉造成土壤厌氧），反硝化作用发生，从而为年N2O排放做出了小部分贡献。(3)原位O2浓度和N2O浓度之间呈负相关，N2O的SP值说明施肥事件后的N2O排放主要来自于硝化作用和细菌的反硝化作用以及硝化-反硝化作用混合过程；灌溉事件后的N2O排放主要来自于硝化作用和真菌的反硝化作用以及两个混合过程；而在无典型事件时，N2O的排放主要来源于硝化作用和反硝化作用。整体来说，该类型土壤的N2O排放硝化作用贡献大于反硝化作用。本项目的研究意义在于发现并强调了原位O2浓度在农田N2O排放过程中起到的驱动作用；除了硝化作用贡献N2O之外，细菌和真菌的反硝化作用贡献的N2O也应该引起重视。