土壤温度对北京旱地农田N_2O排放的影响

1、中国农业气象(ChineseJournalofAgrometeorology)2005,26(1):7-10土壤温度对北京旱地农田N2O排放的影响谢军飞,李玉娥(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京100081)摘要:在作物生长期内,通过田间自动采样系统的测定和室内温湿模拟实验,对北京地区麦豆轮作生态系统的N2O排放进行了初步研究。结果表明:在1030范围内,随着土壤表层温度的升高,麦豆轮作生态系统的N2O排放通量在不同程度上有一定的增加,但不呈明显的线性相关关系。关键词:N2O排放;土壤温度;麦豆轮作;旱地大气中氧化亚氮(N2O)作为主要的大气微量化学成分,1998年为314ppb

2、v(ppbv表示十亿分之一体积混合比)左右1,是重要的温室气对球贡献6%12O,研究其N2,有助于了解全N2O浓度的变化趋势,为采取相应对策提供依据。为了完善旱地农田生态系统的N2O排放研究,以北京地区的麦豆轮作生态系统为研究对象,在获得田间N2O排放通量原位观测与温度数据的基础上,进行了相应的模拟培养实验和重点分析,有助于加深了解土壤温度与北京旱地农田N2O排放之间的定量关系。图1N2O排放通量自动观测系统示意图1材料与方法111田间N2O排放通量原位观测田间N2O排放通量原位观测设在中国农业科学院作物所昌平实验站(40°13N,116°14E),该站属季风型大陆性气候,

3、土壤为褐潮土,其中020cm土层为轻壤土,主要性质为:有机质含量1163%,全氮(N)为01354%,全磷(P)为01012%,全钾(K)为01025%,土壤pH值为6188(土壤pH计测定),土壤容重为1154(g/cm3)。图2静态气体采样箱示意图采样箱(图2)中自动抽取空气样品,传输到气相色谱仪中分析N2O浓度,然后根据下式计算排放通量:F=tA×tA×C2×V×Mo-C1×V×Mo=×1000-3A×(t2-t1)×2214×10从2002年4月到10月,N2O排放通量的原位观测实验在9

4、个小区(10m×4m)进行,采用如图1所示的自动观测系统对每个小区的N2O排放通量进行自动连续采样,每个小区一天内可进行6次采样。与此相类似的自动观测系统已得到很好的应用2-3,其运行的基本原理是:从置于田间的密闭静态气体式中:F为气体排放通量(mgm-2h-1),正值为排放,负值为吸收;A为取样箱的底面积(m2);V为取样箱体积(m3);m1,m2分别为测定箱关闭前和测定箱收稿日期:2003-10-20(2002CB412508)基金项目:国家“973计划”项目“气候公约谈判和履约对策的综合基础研究”作者简介:谢军飞(1976-),湖南娄底人,硕士,Email:xiejunfei。

5、8中国农业气象第26卷开启前箱内某温室气体的质量(g);t1,t2分别为测定箱关闭前和测定箱开启前的时间(h);C1,C2分别为测定箱关闭前和测定箱开启前箱内温室气体的体积百分比浓度;T1,T2分别为测定箱关闭前和测定箱开);Mo表示气体的摩尔质量(g)。启前箱内温度(排放的最大值通常出现在午后温度较高时段,而最小值出现在午前温度较低时段4。从日变化趋势来说,冬小麦N2O排放通量随着土层温度的升高在不同程度上都有一定的增加。冬小麦地N2O排放通量随着地温的升高而升高5,从本试验中土壤温度对冬小麦成熟期的N2O排放通量日变化的影响来看,至下午14时同步达到最大值(图4)。但是在降温过程中,并不呈

6、现明显的相关性。N2O产生的微生物活性,但N2O田间土壤温度数据是在每个采样箱附近5cm和10cm土层深度分别安装热敏电阻温度探头、定时通过数字万用表手工获得。112实验室模拟培养供试土壤采自昌平实验站的田间N2O排放通量原位观测小区内,通过土钻,随机在静态气体采样箱附近采取020cm的土层样品,混合均匀后过2mm土筛,温处。,分别称量300mL的细口径培养瓶内,行了4个处理:不加水(土壤重量含水量为16%)、加蒸馏水2g(土壤重量含水量达到19%)、加蒸馏水5g(土壤重量含水量达到25%)、加蒸馏水6g(土壤重量,含水量达到26%),每种处理3次重复。加水完毕后,敞口置于温度和相对湿度分别为

7、10与70%的生物多样培养箱内,24h后取出,通气、盖塞,盖塞的同时抽取培养瓶附近气体,开始密闭培养,又24h后再取出,抽取瓶内气体,补充丢失的水分,并打开瓶口放回温度为15、相对湿度保持不变的生物培养箱内,敞口培养24h后,再密闭培养24h。准备实验完成后,按照10-15-20-25-30-25-20-15-10的顺序如此图3土壤温度对冬小麦灌浆期N2O通量日变化的影响反复依次循环培养,每次所采集的气体立即用GC-5890气相色谱仪进行气体样品中N2O含量的测图4土壤温度对冬小麦成熟期N2O通量日变化的影响另外,从图3和图4中还可以看出N2O排放表现出多峰的日变化特征,具有一定的随机性,这可

8、能与其它影响因子有关:当水分、养分等因子对N2O排放的作用大于温度的影响时,N2O排放的日变化将会表现出一定的随机性。相反,当土壤湿度适宜、养分供应充足、气温较高且日较差比较大时,N2O排放日变化特征显著6。212土壤温度对大豆旱地农田N2O排放通量的影响定,然后根据下式计算气体产生速率(F):=ttM×M×m和c分别为t时间内式中:为气体密度,F=培养瓶内气体质量和混合比浓度变化,v为培养瓶内有效空间体积,M为土壤干重,气体产生速率(F)若为负值则表现为氧化特征,在本文中表述为气体氧化速率。2结果与讨论211土壤温度对冬小麦旱地农田N2O排放通量的图5和图6分别为大豆两个

9、不同生育期的土壤温度变化与N2O通量日变化之间的关系图。在图5中,大豆苗期的N2O通量日变化与10cm地温、地表温度的变化趋势不呈现明显的相关,N2O的排放通量达到最大值的时间要比土壤温度明显延迟2h。影响图3和图4分别是冬小麦不同时期的N2O排放通量与不同层次土壤温度日变化图。可以看出:N2O第1期谢军飞等:土壤温度对北京旱地农田N2O排放的影响9B1ackmer也观测到N2O的排放时间变化相对于土壤生速率对温度的响应曲线变化趋势基本一致;在1030的范围内,可以发现土壤N2O气体产生速率随着温度的上升而增加,在土壤湿度为2616%(w/w)的条件下,通过曲线回归分析可以得出:土壤N2O气体

10、产生速率与土壤温度之间呈指数关系:Y=e010968xR2=01931(P<0105)温度的时间变化滞后,大约为212h7。式中,y代表土壤N2O气体产生速率,x代表土壤温度。图5土壤温度对大豆苗期N2O通量日变化的影响图7土壤温度对土壤N2O气体产生速率的影响图6土壤温度对大豆生长后期N2O通量日变化的影响在其它土壤湿度条件下,也有相类似的结果,这一结果还与郑循华等的观点“在华东地区稻麦轮作农田中,在适宜的土壤湿度条件下,N2O排放通量对温度的依赖性可用指数函数来描述”相类似8。Kamp等通过人为提高休闲地与小麦地的地温也发现:在夏季,增温处理的N2O排放速率是非增温处理的3倍9。将冬

11、小麦与大豆的不同生长期中N2O排放通量原位测定结果与同步观测的10cm地温进行回归分析(表1),结果表明,土壤温度对N2O排放通量的作用关系是一种较复杂的多项式关系,与模拟实验得出的指数函数关系不同,这主要是由于温度是通过影响微生物的生理活性而调节N2O的产生过程,而产生N2O的微生物过程又是复杂多变的,同时还受野外条件下其他环境因子的影响,从而导致野外田间观测数据的分析结果与室内模拟实验结果两者间的非一致性。产生这种现象可能与以下原因有关:土壤温度过高抑制了微生物的活性。从图5的温度曲线可知,中午14时,地表温度最大值超过45,土壤中微生物产生N2O的过程受到抑制,排放明显降低,随后在下午1

12、6时,土壤温度下降,此时的温度在2530之间,有利于土壤N2O的产生;另外,还可能与土壤向大气传输N2O的过程对土壤温度变化的响应存在滞后效应有关。)变化从图6可以看出,在适宜的温度(2030范围内,随着土壤温度的上升,大豆生长后期的N2O排放有增加的趋势,虽然土壤微生物的活性对土壤温度变化的响应存在滞后效应,但土壤温度对大豆旱地农田N2O排放的影响非常明显。213模拟实验中温度对N2O气体产生速率的影响从图7可以看出:不同处理的土壤N2O气体产不同生长期冬小麦灌浆期冬小麦成熟期大豆生长后期3表示在=0101的显著水平下表1土壤温度对于N2O排放通量的作用关系分析N2O通量(y)与10cm地温

13、(x)的关系y=0.012x2-0.498x+5.2R2=0.107(n=12)(无统计意义)y=0.0097x2-0.395x+4.242R2=0.585(n=15)(有统计意义)y=-0.107x2+5.34x-65.86R2=01425(n=8)(无统计意义)33结论通过田间观测和模拟实验可以得出:在没有其它因子扰动的情况下,在1030的温度范围内,随着土壤表层温度的升高,麦豆轮作生态系统的N2O排放通量在不同程度上有一定的增加,但是不呈明显的线性相关关系;从日变化的趋势来说,N2O排放10中国农业气象第26卷最大值通常出现在午后温度较高时段,而最小值出现在午前温度较低时段。本文的温度控

14、制主要在常温范围,还有待进行低温处理以全面了解温度影响机制。参考文献:1IPCC.ClimateChange2001:TheScientificBasis.ContributionofWorkGrouptotheThirdAssessmentReportoftheIntergovern2mentalPanelonClimateChange.CambridgeUniversityPress.2001:40-45.2郑循华,王明星,王跃思,等.华东稻麦轮作生态系统的N2O排放研究J.应用生态学报,1997,8(5):495-499.3郑循华,王明星,王跃思,等.华东稻麦轮作生态系统中4Conrad

15、R,etal.Factorsinfluencingthelossoffertilizernitro2genintotheatmosphereasN2OJ.J.Geophys.Res.,1983,88:670-678.5王少彬,宋文质,苏维瀚,等.温室气体浓度和排放监测及相关过程:冬小麦田氧化亚氮的排放M.北京:中国环境科学出版社,1996.6李晶,王明星,王跃思,等.农田生态系统温室气体排放研究进展J.大气科学,2003,27(4):740-749.7BlackmerAM,etal.Diurnalvariabilityinrateofemissionofni2trousoxidefromsoi

16、lsJ.SoilSci.,Soc.Am.J.,1982,46:937-942.8郑循华,王明星,等.温度对农田2.:1-Kpoxidewheats.Biol.Fertil.Soils.-314.土壤湿度对N2O产生与排放的影响J.,1996,7(3):273-279.ofSoilTemperatureonN2OEmissioninUplandFarmofBeijingXIEJun2fei,LIYu2e(InstituteofAgro2EnvironmentandSustainableDevelopment,ChineseAcademyofAgriculturalScience,Beijing1

17、00081,China)Abstract:InordertounderstandtheeffectofsoiltemperatureonN2Oemissioninuplandfarmsoil,theN2Oemissionfromwheat2soybeanrotationecosystemweremeasuredusingautomaticsamplingsysteminBeijingregion.TheN2Oemissionunderdifferentsoilmoistureandtemperaturewerealsomeasuredinthelaboratory.Theresultshowe

18、dthatN2Oemissionwasrela2tivelyincreasedwiththetemperatureincreasewhenthesoiltemperaturerangesfrom10to30.ButtherewasnoobviouslinearrelationshipbetweenthesurfacelayersoiltemperatureandN2Oemission.Keywords:N2Oemission;Soiltemperature;Wheat2soybeanrotation;Uplandfarm书讯书名旱地农业节水技术旱地作物氮素营养生理生态农田蒸发与作物耗水量研究退耕还林技术模式作物根系与土壤水利用现代实用气相色谱法新编仪器分析(第二版)农业气象学气象学(南方本)价目45.040.010.030.012.065.026.016.034.6书名英语科技论文撰写与投稿世界气象组织常用缩略语词典农业气象指标大全