黄土高原不同覆盖农田N2O排放机制及其模拟研究

Direct emissions from agricultural production accounted for about 60% of N2O emissions. Understanding the cause and emission mechanisms of farmland N2O is extremely crucial in emission reduction of agricultural production. Mulching practices like straw and plastic film mulching, as drought-relief and temperature increasing technologies, have been widely used in arid areas. However, these practices might increase farmland N2O emissions, and lack of mechanism studies on relevant functional microorganism might be the reason for not being able to scientifically explain this phenomenon. Hereby, via field experiment observation, molecular biological techniques and DNDC model simulation, this project aims to investigate effects of different mulching practices on farmland N2O emissions and community abundance and structure of relevant microorganism in soil, utilize DNDC model to accurately simulate crop growth, soil N2O emission, nitrification and denitrification, evaluate the adaptabilities of each mulching practice in the Loess Plateau, and finally propose some mulching control practices to ensure crop production and reduce N2O emissions in the area. The expected achievements of this project will not only be theoretical value to the understanding of farmland N2O cause and emission mechanisms, but also provide scientific basis for application and development of farmland mulching practices in the arid areas.

农业生产直接排放的N2O量占全球人为排放总量的60%，认识农田N2O成因和排放机制对于农业生产减排意义重大。秸秆和地膜覆盖措施是旱区农业应用广泛的抗旱和保墒增温技术。但这些措施可能加剧农田N2O的排放，相应土壤功能微生物机理研究的缺乏可能是目前无法科学解释这一现象的原因。据此，申请项目以保证作物高产、实现N2O减排为研究目标，拟通过田间试验观测、分子生物学技术和DNDC模型模拟相结合的研究方法，探明不同覆盖对农田N2O排放及相关微生物群落丰度、结构的影响，明确不同覆盖农田N2O成因和排放机制；利用DNDC模型准确模拟不同覆盖农田作物生长、土壤N2O排放和硝化、反硝化作用等，并初步评价各覆盖措施在黄土高原适应性，提出该地区既能保证作物产量、又能满足减排N2O要求的覆盖调控措施。预期研究成果不仅对认识农田N2O成因和排放机制具有重要的理论价值，而且可为旱区农田覆盖措施的应用与推广提供科学依据。

农业生态系统是N2O释放的主要来源，约占全球总N2O释放的60%。地表覆盖能够蓄水保墒，提高水分利用效率，保障作物高产稳产，从而被广泛应用于干旱半干旱地区。但是目前对于不同覆盖措施对土壤N2O排放的影响尚无一致结论，并且缺乏微生物机理方面的研究。本研究依托田间试验，研究了不同覆盖措施对土壤N2O排放、土壤细菌、硝化和反硝化微生物等的影响，并借助DNDC模型模拟了气候变化背景下不同覆盖措施对作物产量及土壤N2O排放的影响。田间试验研究结果表明，秸秆覆盖和垄膜沟秸秆处理显著增加了土壤N2O排放，而地膜覆盖能够显著降低土壤N2O排放。尽管秸秆覆盖能够大幅增加了土壤N2O排放，但是突出的增产作用使得单位产量N2O排放并没有增加。秸秆覆盖可以提高细菌群落的多样性，地膜覆盖在玉米生育前期可以增加菌群的丰富度，而在后期会降低细菌群落的丰富度和多样性。亚硝化球菌属（Nitrososphaera）和亚硝化螺菌属（Nitrosospira）分别是参与氨氧化过程的主要AOA和AOB类群。秸秆覆盖显著增加了Nitrosospira的相对丰度，并在玉米生育中后期一定程度上增加了nirK和nirS型反硝化微生物群落多样性，且显著增加了nirS型反硝化微生物的优势菌群。地膜覆盖显著显著增加了Nitrososphaera的相对丰度，但能显著降低Nitrosospira的相对丰度。对反硝化微生物，地膜覆盖显著降低了nirK和nirS型反硝化微生物丰富度和群落多样性，在一定程度上增加了nosZ型反硝化微生物的OTU数目。DNDC模型研究结果表明，未来气候的变化将增加不同覆盖措施的土壤N2O排放通量，且地膜覆盖措施有最高农田N2O排放通量。结合单位产量农田N2O排放量来看，对未来不同气候变化情景下的陕西杨凌地区而言，秸秆覆盖措施是既保证冬小麦-夏玉米种植系统作物产量又能实现固碳减排的最优地表覆盖措施。