農(nóng)作物秸稈還田是一種常見(jiàn)的農(nóng)田管理措施,在維持和增加土壤有機(jī)碳含量、提高農(nóng)田土壤肥力和功能方面具有重要意義。同時(shí),秸稈還田通過(guò)為微生物活動(dòng)提供易于獲得的碳、氮來(lái)源,以及改變土壤結(jié)構(gòu)、氣體擴(kuò)散、土壤濕度等方式顯著影響土壤氧化亞氮(N2O)排放。因此,闡明秸稈還田對(duì)原位土壤中N2O排放的不同影響機(jī)制對(duì)于農(nóng)田土壤N2O減排至關(guān)重要。然而,目前關(guān)于秸稈還田對(duì)N2O排放的影響仍存在爭(zhēng)議,尤其是田間原位條件下,其潛在作用機(jī)制尚不明晰。
基于此,中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所穩(wěn)定同位素組依托北京上莊實(shí)驗(yàn)站不同碳氮投入長(zhǎng)期定位試驗(yàn),系統(tǒng)監(jiān)測(cè)了不同施氮量(不施氮N0、傳統(tǒng)施氮量Ncon、優(yōu)化施氮量Nopt)和秸稈管理措施(還田、不還田)下的土壤基質(zhì)氧氣(O2)和N2O濃度動(dòng)態(tài)變化,并對(duì)施肥和降雨事件引發(fā)大量N2O排放的“熱點(diǎn)時(shí)刻”進(jìn)行了高頻的N2O通量測(cè)定。此外,結(jié)合可視化平面光極室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),揭示了秸稈還田在不同尺度下對(duì)土壤O2動(dòng)態(tài)與N2O排放的差異性影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在高氮投入條件下(Ncon),秸稈還田可以增加32.7%的N2O累積排放量,但在優(yōu)化施氮條件下(Nopt),秸稈還田對(duì)N2O排放量并無(wú)顯著影響(圖1)?!盁狳c(diǎn)時(shí)刻”期間的N2O排放量高達(dá)總排放量的80%,是農(nóng)田N2O排放的關(guān)鍵階段。針對(duì)“熱點(diǎn)時(shí)刻”的田間原位O2含量監(jiān)測(cè)與平面光極實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,長(zhǎng)期秸稈還田通過(guò)增加土壤孔隙度,提高了土壤O2含量,改善了通氣條件,從而在優(yōu)化施氮的條件下顯著減少了N2O排放(圖2)。然而,在氮底物充足的情況下,秸稈還田可通過(guò)促進(jìn)瞬時(shí)厭氧微域的形成,刺激反硝化作用,進(jìn)而增加N2O排放(圖3)。
研究揭示了秸稈還田對(duì)土壤O2動(dòng)態(tài)的“雙重作用”:在瞬時(shí)微尺度上,秸稈還田加速了土壤O2的消耗;而在長(zhǎng)期宏觀尺度上,秸稈還田通過(guò)增加土壤孔隙度,改善土壤的通氣狀態(tài)。這一雙重作用機(jī)制有效解釋了秸稈還田對(duì)N2O排放的差異性影響,進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了優(yōu)化氮肥施用量對(duì)于減少農(nóng)田土壤N2O排放的重要性。
研究結(jié)果以“The divergent role of straw return in soil O2 dynamics elucidates its confounding effect on soil N2O emission”為題于2024年10月發(fā)表在Soil Biology and Biochemistry期刊。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所助理研究員魏歡歡,特別研究助理李玥為共同第一作者,吳迪研究員、巨曉棠教授(海南大學(xué))為共同通訊作者,朱堃副教授(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué))為本研究的共同合作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(基金號(hào):42377291、41830751)、國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃(2023YFD1500301)等資助。
論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2024.109620

圖1 秸稈還田對(duì)不同施氮量條件下N2O排放影響存在差異

圖2 “熱點(diǎn)時(shí)刻”田間原位土壤O2含量和N2O濃度分布

圖3 添加銨態(tài)氮(a)、銨態(tài)氮和秸稈(b)和秸稈(c)的土壤微域O2動(dòng)態(tài)




