干湿交替稻田土壤剖面N2O累积热点及其排放驱动机制研究

《Frontiers in Plant Science》：Hotspots of N2O accumulation in the soil profile of alternate wetting and drying paddy fields

本综述通过整合渗漏计研究数据，系统揭示了交替干湿灌溉（IAWD）稻田中N2O在土壤剖面（0-50 cm）的累积规律，首次明确10-20 cm土层为关键排放热点。研究运用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）量化了不同土层N2O浓度对地表通量的直接控制作用，为制定针对性减排策略（如深施肥料）提供了理论依据，对协调水稻节水灌溉与气候变化 mitigation 具有重要意义。

　　

1 Introduction

水稻生产面临水资源短缺与温室气体排放的双重压力，交替干湿灌溉（I_AWD）作为节水技术虽能减少甲烷排放，却显著加剧了氧化亚氮（N₂O）的释放。现有研究多聚焦地表通量，对土壤剖面N₂O累积与排放的关联机制认知不足。本研究基于长期定位试验，通过同步监测土壤剖面N₂O浓度（0-50 cm分层）与地表通量，旨在揭示I_AWD稻田N₂O的垂直分布特征及关键驱动层位。

2 Materials and methods

试验在沈阳辽宁灌溉试验中心站进行，设置连续淹灌（I_CF）与I_AWD处理，采用混凝土渗漏计控制水分。通过原位气体多通道井分层采集土壤气体，结合静态箱法监测地表N₂O通量。利用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）解析不同土层N₂O浓度对排放的直接与间接效应。

3 Results

3.1 Vertical and temporal dynamics of soil profile N₂O concentrations

N₂O浓度在分蘖肥（TF）和穗肥（PF）期后5-7天出现峰值，且I_AWD处理在0-30 cm土层的N₂O浓度显著高于I_CF（TF期增加19.6-49.3%，PF期增加60.0-79.0%）。垂直分布上，0-20 cm土层为N₂O主要累积区，浓度达0.71-7.90 ppm。

3.2 Dynamics of N₂O flux and cumulative emissions

I_AWD处理的地表N₂O通量峰值（142.60-283.83 μg m^?2h^?1）显著高于I_CF，累计排放量在TF和PF期分别增加23.02-40.13%和21.17-24.72%。

3.3 The relationship between N₂O concentrations in soil profiles and N₂O emissions

PLS-PM分析表明，10-20 cm土层N₂O浓度对地表排放的直接控制作用最强（路径系数0.942），解释了I_AWD条件下45.56%的排放变异。

4 Discussions

4.1 Soil profile N₂O concentration

0-20 cm土层因根系分泌物富集、微生物活性高及气体扩散受限成为N₂O累积热点。I_AWD通过干湿交替创造氧化-还原交替环境，进一步强化了该层位的硝化-反硝化过程。

4.2 The relationship between soil profile N₂O concentration and emission

10-20 cm层作为“黄金区带”，既具备充足的氮碳底物，又具备适宜的气体扩散条件，成为连接剖面累积与地表排放的关键枢纽。该发现为深施缓控释肥料等精准减排技术提供了靶点。

5 Conclusions

研究明确了I_AWD稻田中0-20 cm土层为N₂O主要累积区，其中10-20 cm层是调控排放的核心热点。通过定位关键作用层位，为发展基于土壤剖面管理的N₂O减排策略奠定了科学基础。