摘要
自工业革命以来，人类活动使大量的活性氮(Nr)进入了生态系统。目前，在很多自然和农田生态系统中，人造Nr的输入量已远超输出量，打破了自然界原有的固氮和脱氮平衡，造成越来越严重的环境Nr富集与氮污染问题。为研究和解决环境Nr富集与氮污染问题，需要解决氮气(N2)释放（即脱氮）的准确量化问题。但目前对于基于原位测量的N2排放研究还非常不足。例如，到目前为止，在全球温带半湿润地带广泛分布的石灰性农田土壤上，还没有基于15N气体通量法直接观测田间原位N2排放研究的报道，致使对这类农田土壤N2排放的量化评估存在很大不确定性。氧化亚氮(N2O)是当前破坏平流层臭氧的首要人为源大气成分，同时也是《联合国气候变化框架公约》重点管控的主要温室气体。农业源贡献了超过70％的全球人为源N2O排放，其中最主要的人为排放源自农田施用的氮肥。引起农田土壤N2O产生和排放的主要过程有硝化作用和反硝化作用等，但究竟这些过程对N2O排放的贡献存在怎样的变化规律，目前还没有形成明确的认识，致使N2O减排措施的制定科学依据不足。农田土壤的N2和N2O高排放通常是由施肥、灌水、降雨等管理措施或自然过程等引起的短期“热点事件”激发，这些“热点事件”引起的排放往往会贡献季节或年排放的绝大部分。因而研究农田“热点事件”引起的N2和N2O排放，对于准确量化这两种气体的土壤排放至关重要。 本论文以位于北京的典型暖温带石灰性土壤夏玉米-冬小麦轮作农田为研究对象，了解15N气体通量法采用不同采样箱密闭时间测定土壤N2通量的检测限，明确不同灌溉时间对土壤N2通量和N2O与N2O+N2通量比率（RN2O）的影响，从而评估该测量方法对于定量石灰性农田土壤N2排放的适用性。在此基础之上，运用15N气体通量法研究该夏玉米-冬小麦轮作农田施肥后十天内（下简称施肥事件期间）的石灰性土壤N2O和N2通量及RN2O的季节分布特征和影响因素。同时，运用15N示踪法，观测研究该夏玉米-冬小麦轮作农田施肥事件期间的N2O和一氧化氮(NO)排放特征，定量主要产生途径对N2O通量的贡献。主要研究结果如下: 在气体采样箱密闭时间试验中，供试农田土壤在玉米季和小麦季试验期间测定的全部N2通量介于159-2943（平均为811）μg N m-2 h-1之间，采样箱密闭时间为2h、4h和6h的N2通量检测限（95％置信区间）分别为163-1565、81-485和54-281 μg N m-2 h-1。采用2小时采样时间的15N气体通量法都足够灵敏，表现在几乎所有N2通量测定值都高于通量检测线（总共120个通量测量数据中，仅有2个低于检测限）。在玉米季试验中，施肥后第三天灌水处理的N2通量比施肥后第1天和第5天灌水的处理高将近80％ (P＜0.01)，而在小麦季试验中，不同灌溉时间之间没有显著差异。玉米季施用尿素后的N2通量和RN2O分别比小麦季高大约65％和11倍（P＜0.01）。这样的差异主要归因于玉米季试验期的土壤含水量、温度和土壤硝态氮(NO3--N)浓度都比小麦季试验期的高。 常规管理农田玉米季和小麦季施肥事件期间原位测定的N2通量均值分别为689和207 μg N m-2 h-1。玉米季和小麦季各两次施肥后十天内的N2累积排放量之和分别为3.6±2.0和1.0±0.4 kg N ha-1（误差为3个空间重复的标准偏差），显著高于同步测定的N2O累积排放量（平均值分别为1.7和0.16 kg N ha-1）。四次施肥“热点事件”的N2峰值均由施肥后发生的降雨或灌溉事件引起。玉米季十叶肥事件期间的强降雨使得N2和N2O通量均达到整个观测期内的最大值。玉米季由于具有更适宜的水热条件，其N2和N2O排放明显高于小麦季(P＜0.05)。玉米季十叶期施肥事件期间的N2排放明显低于玉米季四叶期施肥事件期间（P＜0.05），前者偏高的NO3--N浓度说明其反硝化作用相对较弱。两次玉米季施肥事件期间的RN2O分别为0.05-0.45（平均0.24）和0.37-0.49（平均0.43）。两次小麦季施肥事件期间的RN2O分别为0.01-0.06（平均0.03）和0.04-0.41(平均0.26)，相互之间差异显著（P＜0.05），同时前者显著低于玉米季的值（P＜0.05）。施肥后10天内的RN2O值在玉米季与土壤湿度呈指数正相关(P＜0.01)，在小麦季则主要与土壤NO3--N浓度呈现指数负相关（P＜0.01）。 施肥事件期间的0-10 cm土层N2O排放与土壤温度(5-32℃)呈指数正相关（P＜0.05），且玉米季试验期的排放明显高于小麦季试验期（P＜0.05）。同步测定的0-10 cm土层NO排放与土壤湿度呈对数负相关(P＜0.01)，且强排放（平均8243 μg N kg-1 h-1）发生在土壤相对比较干燥的小麦基肥事件期间。自养硝化作用对0-10 cm土层N2O排放的贡献在土壤温度(26-32℃)较高的玉米季施肥事件前期相对较大，且来源于自养硝化作用的N2O通量与土壤温度呈指数正相关（P＜0.01）。异养硝化对0-10cm土层N2O排放的贡献在土壤温度(11-20℃)和湿度（14-60％WFPS，即充水孔隙度）较低的201 8年小麦追肥事件后期和整个基肥事件期间相对较大，且来源于异养硝化作用的N2O通量与NO3--N浓度呈幂函数正关系(P＜0.01)。反硝化作用对0-10 cm土层N2O排放的贡献在湿度(51-68％ WFPS)较为适宜的201 8年小麦追肥事件前期、玉米季两次追肥事件后期和201 9年小麦整个追肥事件期间相对较大，且来源于反硝化作用的N2O通量与土壤温度呈线性正相关(P＜0.05)，同时与土壤湿度和铵态氮浓度均呈指数关系（P＜0.05）。在五次施肥事件期间，除了两次小麦追肥外，硝化过程对N2O排放的贡献要大于反硝化过程，这是因为水肥一体化更有利于反硝化作用的发生。 本论文的研究结果表明:15N气体通量法足够灵敏，可以用于原位测量石灰性土壤集约化施肥农田的N2通量;常规管理夏玉米-冬小麦轮作农田施肥事件期间的田间土壤N2通量呈现为玉米季高于小麦季，前者主要与土壤温度和氮底物浓度相关，后者主要与土壤湿度相关;施肥后十天内的RN2O显著差异只发生在部分施肥事件之间，RN2O变化的主控因素在玉米季和小麦季分别为土壤湿度和NO3--N浓度;和自养硝化作用和反硝化作用一样，异养硝化作用也对施肥事件期间0-10 cm土层的N2O排放有重要贡献，但各个过程的贡献率大小既存在显著日间差异，也因不同施肥事件而异。本论文为深入了解石灰性土壤集约化农田的肥料氮损失机制提供了宝贵的N2排放原位实测数据，也为制定科学合理的N2O减排技术措施提供了理论基础。
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