西北干旱区膜下滴灌棉田土壤的N2O产生、排放特征及其关键调控因子

Reduction of agricultural N2O emissions through establishment of best management practices, especially N fertilizer management, is one of the research focuses in recent years. As an effective measure of saving water and fertilizers, plastic film mulching with drip irrigation (PFMDI) system is widely used in cotton production in arid northwestern China. Few studies, however, have examined production and emission of N2O, as well as their driving factors, under such system. In this project, under both field and laboratory conditions, the modified silicon diffusive equilibrium samplers and static-vented chamber technique will be used to determine N2O concentrations at different depths of soil profile and surface, respectively. The studies will focus on 1) temporal and spatial variation, as well as the driving factors, of N2O production and emission from cotton field under PFMDI system; 2) impact of fertilizer management, especially use of enhanced efficiency fertilizers, on soil N2O production and emissions, N fertilizer use efficiency, yield and quality of cotton under PFMDI system. This project will thus identify the key soil processes controlling N2O production and emissions and help to establish the synthesized water and fertilizer saving PFMDI system to reduce N2O emissions while sustaining high yield and high quality of cotton.

如何通过适当的氮肥管理措施减少温室气体氧化亚氮（N2O）的排放是目前的研究热点。膜下滴灌作为有效的节水节肥措施，广泛应用于我国西北干旱区的棉花生产中。然而关于膜下滴灌棉田土壤N2O产生、排放特征及其关键调控因子，尤其是不同氮肥管理对于N2O的影响还缺乏研究。因此，本研究拟以干旱区膜下滴灌棉田为研究对象，结合多年田间试验与实验室分析，通过利用改进的原位硅胶管和静态箱对土壤剖面不同深度和地表温室气体排放进行连续监测，主要研究：1）膜下滴灌棉田土壤N2O产生和排放季节及空间变化规律，及其与土壤温度、水分和有效氮动态变化的关系；2）不同氮肥管理，尤其是新型高效缓/控释氮肥对膜下滴灌棉田N2O产生、排放、氮肥利用率及棉花产量和品质的影响。本项目实施有利于阐明膜下滴灌条件下土壤N2O产生、排放的时空性规律以及土壤关键过程；并建立基于膜下滴灌体系的保障棉花高产高质和实现N2O减排的综合水肥管理措施。

农业生态系统是人为温室气体排放的主要来源，其中氧化亚氮（N2O）的排放更是与农业生产中的水肥管理紧密相关。膜下滴灌作为有效的节水节肥措施，广泛应用于我国西北干旱区棉花生产中，然而关于不同氮肥管理尤其是高效氮肥对膜下滴灌棉田土壤N2O排放的影响及其作用机制还缺乏研究。本项目围绕干旱区膜下滴灌棉田的水肥管理的农学和环境效应，在大田和室内土柱模拟实验条件下，利用原位硅胶管和静态箱对土壤剖面不同深度和地表温室气体排放进行连续监测，对土壤N2O产排过程进行了系统研究。研究结果表明1）干旱区膜下滴灌棉田生长季N2O排放量为259-473 g N ha-1，基于施氮量的N2O排放因子为0.01-0.09%，整体低于相同气候带的其它农田生态系统；2）相比于常规尿素处理， 包膜尿素ESN显著增加了43%的N2O排放，而尿素+NBPT+DCD抑制剂处理则有效降低了N2O排放约20%；3）施用有机肥增加了土壤N2O 排放，主要是通过增加土壤有机碳，进一步增加了土壤反硝化相关功能基因的丰度，从而反硝化活性增强；4）土壤水分状况决定了土壤剖面N2O的产生和扩散，不同肥料处理下地表N2O累积排放量在44%WFPS下随剖面N2O累积量增加而增加，而77%WFPS下二者没有相关关系；5）土壤初春融雪过程的N2O排放占全年排放的近40%，主要以反硝化作用下的新产生机制为主。本项目揭示了不同水肥处理下的干旱区典型农田在生育期和非生育期的温室气体产排的时空性规律，并进一步阐明了其与土壤、气候等环境因子以及硝化、反硝化功能基因等微生物因子的关系；并初步建立了基于4R养分管理原则的保障棉花高产高质和实现N2O减排的综合水肥管理措施。