人才强校 | 巨晓棠教授课题组基于田间原位研究首次定量土壤氧气对氧化亚氮产生的直接影响
本网讯 10月9日，我校资源与环境学院巨晓棠教授课题组在 《Environmental Science & Technology》 (5年IF=7.25) 在线发表题为“Oxygen regulates nitrous oxide production directly in agricultural soils”的研究论文。该研究为理解农田土壤氧化亚氮 (N2O) 产生机制，发展更加敏感的N2O模型及更加合理的农田管理措施以实现N2O减排提供了新的理论依据。
N2O是单分子增温潜势较二氧化碳（CO2）高265倍（100年时间尺度）的强效温室气体。其在大气中寿命可达120年之久，是平流层臭氧的最主要破坏者。农业排放占全部人为排放的2/3，是目前最大的N2O人为排放源。土壤氧气 (O2) 是N2O产生的直接影响因子，同时控制着细胞水平硝化过程及反硝化过程的发生，进而决定着最终气体产物中N2O和氮气 (N2) 的比例。对于某一给定地点而言，土壤O2变化主要由周年内气候（气温、降雨）及农艺管理（作物体系、施肥、灌水等）因素的变化而决定。旱作农田土壤通常处于空间和时间上波动的氧气浓度，在施肥、降雨或灌溉后伴随着间歇性较低氧气浓度的出现。目前关于O2调控N2O产生的理解大多来自于纯培养及土壤微宇宙培养模拟试验，在田间原位有结构土壤，且处于频繁干湿交替、气候和农田管理因素时空变异条件下，理解旱作农田土壤O2对N2O产生的直接影响是一直以来的挑战性科学问题。
该研究在始于2006年的长期定位试验基础上，对三种施氮水平结合不同秸秆（还田、不还田）和有机肥管理措施下的土壤O2和N2O浓度进行周年原位观测，同时观测了土壤温度、湿度、碳氮底物和pH等其它环境影响因素的动态变化，定量了典型集约管理作物体系在一系列变化的环境条件下土壤O2对N2O产生的直接影响，并建立了土壤O2预测N2O产生的经验模型。结果表明，气候和管理因素（施肥、灌溉、降雨、温度），以及它们的交互作用显著影响土壤中O2和N2O浓度 (P < 0.05)。与土壤温度，充水孔隙度和铵浓度相比 (r= 0.30, 0.25, 0.26)，土壤O2浓度 (r= -0.71) 是与土壤N2O浓度最相关影响因素。随土壤O2浓度降低，土壤N2O浓度呈现指数增长。在施氮处理中，该指数增长模型可预测74-90% 的土壤N2O浓度变化；在施肥灌溉/降雨结合事件中，该指数模型可预测58% 的土壤N2O浓度变化。以上研究结果强调了土壤O2条件是影响N2O产生的近端，直接，且最具决定性的环境因子，超过其它环境因子对N2O产生的影响，同时能够作为一个关键变量反映田间一系列复杂交互变量对N2O产生的综合效应。
资源与环境学院2017级博士生宋晓桐为该论文第一作者，巨晓棠教授为通讯作者。论文合作单位还包括英国苏格兰农学院（SRUC）。该研究受到国家自然科学基金重点项目(41830751)、英国牛顿基金N-Circle项目(BB/N013484/1)、国家留学基金委中英联合研究创新基金博士生交流项目(201603780112)的资助。论文链接： http://dx.doi.org/10.1021/acs.est.9b03089 。 这是他们继去年在环境领域顶级期刊《Environmental Science & Technology》 发表“Nitrous oxide emissions increase exponentially when optimum nitrogen fertilizer rates are exceeded in the North China plain”（论文链接： http://dx.doi.org/10.1021/acs.est.8b03931 ）后，又一项重要进展。