华北菜地沟灌和滴灌条件下N2O排放并利用稳定同位素标记技术进行溯源分析

在过去的几十年中，N2O排放量显著增加，这主要归因于农业用地的扩张。农业水分管理对N2O排放有重要影响，因此，研究不同灌溉管理方式下N2O排放及其潜在产生机制，以期为N2O减排和合理用水提供依据。在这里，我们利用稳定同位素标记技术评估N2O同位素特征和位嗜，以阐明不同灌溉管理下的N2O排放及来源分配。

试验方法

本研究在中国农业科学院环境研究站(40°15′N, 116°55′E)进行，位于北京市顺义区。气候属温带半湿润季风气候，年平均气温12.5 °C，年平均降水量623.5 mm。土壤为砂壤土，pH为8.38,SOM为15.48 g/kg, SOC为8.98 g/kg，全氮为0.37 g/kg，全钾为20.42 g/kg，全磷为0.61 g/kg。

试验在0.5英亩左右的莴苣田进行，设置沟灌(Fi)和滴灌(Di) 2个灌溉处理，分别为4个重复。每个地块5 m × 25 m, 4条垄，每垄2行生菜(图S1)。在所有治疗,尿素(46% N)的总剂量应用两次300 公斤 N 公顷−1 (N: P: K = 300:150:300),200 公斤 的基础肥料N ha−1和100年的根外追肥 公斤 N 公顷−1。尿素的15N组成为−4.32‰。灌溉季节从2013年4月中旬延长到6月，所有地块获得的水量相同。沟灌每隔2周或2周以上，滴灌每周1次。每天灌洗1次，持续2 h。各处理灌溉水总量相似。试验田在6月结束时收获，以测量产量。管理日期列于表S1。

主要内容

图形概要

图1. 采样期间沟灌(Fi)和滴灌(Di)处理下的空气温度和土壤温度、灌溉量、降水量(a)和WFPS(b)。条形图代表平均值的标准偏差(n = 4)。



图2. 采样期间两个处理(每个处理有四个重复)的NO3-N(a)、NH4+-N(b)、N2O通量(c)和累积N2O通量(d)的变化。Fi和Di分别表示沟灌和滴灌。条形图表示平均值的标准差(n = 4)，箭头表示施肥日期，基肥为200 kg N ha-1，面肥为100 kg N ha-1。

表1. 使用重复测量方差分析对各处理之间的检测变量进行比较。

表2. 沟灌和滴灌处理中NH4+-N、NO3-N、WFPS、空气温度、土壤温度对N2O通量的主要驱动因素的配对关系。

图3. 使用二阶多项式拟合，N2O排放与充水孔隙(WFPS)之间的关系。灰色区域表示95%的置信区间。

图4. SP vs δ15Nbulk of N2O. 不同颜色的方框表示根据公布的数据，不同微生物过程的预期范围(表S2)。灰色框中的NN(硝化作用)、紫色框中的BD(细菌反硝化作用)、阴影框中的ND(硝化剂反硝化作用)和阴影框中的FD(真菌反硝化作用)代表每个过程的SP和δ15Nbulk的范围。不同颜色的点表示不同的采样阶段，实心点和空心点分别表示沟灌(Fi)和滴灌(Di)处理。

图5. 沟灌(a)和滴灌(b)处理的两个终端成员模型(公式(5))中，不同途径对N2O产量的贡献。

主要结果

研究发现，与沟灌相比，滴灌下的N2O排放量显著降低，二者累计N2O通量分别为526.3 mgm-2和571.0 mgm-2。总的来说，沟灌及其干湿交替促进了N2O排放，而滴灌则创造了一个相对稳定的环境，减少了N2O排放。利用N2O分子内15N同位素组成来区分反硝化和硝化作用的相对贡献。在两种处理中，硝化作用主导了N2O产生过程，在N2O初始峰值期间硝化作用几乎占到了76%到100%。将传统的沟灌改为滴灌，可以有效减少菜地N2O排放。