摘要
氧化亚氮（N2O）作为三大主要温室气体之一，其排放量持续上升，成为加剧全球气候变化的关键因素。农业活动是N2O排放的主要来源之一。本研究聚焦于农田管理中外源有机物料的添加，这些物料在土壤中形成的热点微域显著影响土壤空间的异质性，进而改变氮素转化机制并调控N2O排放。为深入理解这一过程，本研究通过室内条件控制试验，从有机物料在土壤中的异质分布角度，综合分析了干湿交替条件下，有机物料（玉米秸秆和生物炭）对土壤有效态碳、氮含量及N2O排放的影响;在此基础上，通过15N同位素标记有机物料，进一步探究了不同C/N比的有机物料对土壤N2O排放的激发效应及其氮库来源的影响;此外，本研究结合有机物料颗粒-微生物连续体的形成及其氮转化酶活性质，探讨了有机物料颗粒对有机质的吸附特性及其吸附后的遗留效应对N2O产生过程的作用机制，以期为有机物料还田在农业生产、温室气体减排等方面的应用提供理论依据。主要研究结果如下: （1）玉米秸秆在土壤中的异质分布促进了微生物对氮的固持作用，其形成的好氧-厌氧微环境显著提升了N2O的排放通量。在秸秆均匀分布的处理中，相对频繁的干湿交替可能产生了水分胁迫，降低了CO2的产生速率以及土壤微生物的活性，并加速了硝态氮的微生物固持，最终导致了土壤N2O累计排放量的减少。然而，在秸秆异质分布的处理中，干湿交替促进了秸秆降解产物的运移，从而增强了土壤微生物的活性，这导致CO2和N2O的排放速率显著增加，并显著提高了土壤N2O的累计排放量。相比之下，尽管玉米秸秆生物炭在培养初期能够促进硝化速率，但由于其较高的pH值，反硝化微生物的活性受到抑制。同时，生物炭的吸附特性限制了硝化和反硝化作用的底物供应，从而进一步降低了N2O的排放。此外，由于生物炭的碳源惰性，干湿交替对生物炭处理的N2O排放没有显著的影响。 （2）在干湿交替条件下，高C/N比的玉米根茬为微生物提供了过量的碳源，促进了微生物对土壤有效氮的固持，导致土壤-有机物料界面（凋落物际）的有效氮含量显著降低，进而减少了硝化、反硝化底物，使得N2O排放通量降低。同时，有效氮的减少限制了微生物的活性，从而减少了土壤有机质的分解和矿化，减弱了其对土壤的激发效应。相反，低C/N比的豌豆根茬更容易被微生物分解，提高了微生物活性，并促进了土壤原有有机质的降解，提高了来自土壤氮库的N2O排放，增强了土壤的正激发效应强度。此外，干湿交替周期主要影响首次干湿交替周期内的激发效应，随着干湿交替周期的增加和底物有效性的降低，激发效应逐渐减弱。 （3）生物炭通过其表面的官能团（如-OH、C-H等）对土壤溶解性有机质（DOM）表现出显著的选择性吸附能力，其中对分子量为6000Da的葡聚糖的吸附量最高，Freundlich等温吸附模型可以较好地解析该吸附过程。在土壤溶液中，生物炭（BC）颗粒的引入降低了硝酸盐还原酶（NAR）和亚硝酸盐还原酶（NIR）的活性，可能是因为电子传递效率在土壤-生物炭体系中得到了提高，进而促进了N2O的还原，并抑制了N2O的排放，导致较低的N2O/（N2O+N2）比值。此外，生物炭颗粒吸附有机质后的遗留效应可能减弱其对N2O排放的抑制效应，这可能是由于吸附的有机质被重新释放到土壤溶液中，为微生物提供了更多的可利用碳源。这在一定程度上刺激了微生物活性，促进了反硝化过程，从而增加了硝态氮的消耗以及相关的N2O的产生。相比之下，稻壳（HK）颗粒对于DOM的弱吸附作用使得土壤微生物能够更轻易地利用这部分有机质，从而在培养初期促进了微生物的好氧活动，加剧了氧气消耗导致后期好氧微生物的活性下降，进而减缓了稻壳的好氧降解，同时这种厌氧环境的形成，有利于完全反硝化过程，进而显著降低了N2O/（N2O+N2）的产物比。
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