《Environmental Research》：Spatial and temporal distribution of subsurface nitrous oxide concentrations and surface fluxes in a clay soil under field-scale management
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冷气候农业中春季解冻期土壤一氧化二氮（N?O）排放机制及管理影响研究。通过硅胶扩散平衡采样和微气象学通量梯度系统，发现深层（30cm）N?O浓度在解冻期达30-71μL/L，较越冬期提升5倍，而地表通量与深层浓度无显著关联。黑麦覆盖作物使浅层（0-15cm）N?O浓度降低，SuperU高效氮肥使生长期总排放减少77%，且抑制了表层土壤N?O浓度。研究表明冷区N?O排放受土壤剖面动态调控，需结合剖面监测与地表通量评估，提出管理措施需针对深度特异性机制设计。
Faezeh Parastesh|高晓鹏|Mario Tenuta|吴玉峰|Afua Mante|Marcos Cordeiro
加拿大曼尼托巴大学土壤科学系，温尼伯，曼尼托巴省
摘要
在寒冷气候下的农业中，春季解冻期是年度一氧化二氮（N2O）排放的主要时期，然而控制这些通量的地下过程仍然知之甚少。关键在于，目前尚不清楚管理措施如何影响土壤中N2O的深度分布及其与地表排放之间的关系。2021年至2023年，我们在加拿大曼尼托巴省南部进行了一项田间研究，以确定秋季黑麦覆盖作物和高效氮肥（EENFs）对土壤剖面中N2O的空间和时间动态的影响。使用硅扩散平衡采样器测量了四个深度（5、15、30和60厘米）的土壤N2O浓度，并将其与通过通量梯度微气象系统测量的田间N2O通量进行了比较。在春季解冻期间，30厘米深度的土壤N2O浓度达到峰值，为30.0-71.0 μL N2O L-1，而前一年的收获后期间这一浓度通常低于10.0 μL N2O L-1。这些结果表明，春季解冻期间N2O产量的增加是由于土壤湿度和温度的升高促进了微生物反硝化作用。与非覆盖作物处理区相比，覆盖作物处理区在收获后的浅层土壤中保持了较低的N2O浓度。2023年使用SuperU作为高效氮肥，使生长季节内的累积排放量减少了77%，并且0-15厘米深度层的土壤N2O浓度降低了25%。值得注意的是，在任何深度上，地表通量与地下浓度之间均未发现显著相关性。这些发现表明，土壤N2O的动态受特定深度过程的控制，并受到管理措施的影响。我们的研究表明，土壤剖面不仅是一个N2O的来源，还是一个空间上复杂的反应器。因此，将土壤剖面测量与地表通量监测相结合对于准确核算排放量和有效缓解N2O排放至关重要。
引言
一氧化二氮（N2O）是一种重要的温室气体，既会导致全球变暖，也会破坏平流层臭氧（Ravishankara等人，2009年）。由于人类活动，大气中的N2O浓度从工业化前的270 ppbv增加到2023年的337 ppbv（世界气象组织，2024年）。众所周知，农业土壤直接和间接地对N2O排放做出了重大贡献。大约10-12%的人为温室气体排放和84%的总N2O排放归因于农田（IPCC，2007年；Smith等人，2018年；Tian等人，2020年；Wagner-Riddle等人，2008年）。在寒冷气候下，农业N2O排放主要与两个关键时期相关：春季解冻和施肥后（Tenuta等人，2019年）。仅春季解冻期就占农田年N2O排放量的30%至50%，是全球N2O预算中的一个关键热点（Wagner-Riddle等人，2017年；Abalos等人，2016年）。
先前的研究提出了两种主要的N2O排放机制。第一种机制是在冬季产生的N2O被冻结在土壤层下。当土壤在早春开始解冻时，这个冻结层迅速消失，导致积累的N2O气体突然释放（Burton和Beauchamp，1994年；Van Bochove等人，2001年）。这一过程与冬季形成的压力梯度驱动的对流传输以及渗透的融水将气体向上推有关。这种现象通常被称为“春季解冻爆发”，最初用于解释加拿大安大略省和魁北克省农田中大量的N2O排放（Burton和Beauchamp，1994年；Van Bochove等人，2001年），后来也被证明在日本温带地区同样存在（Katayanagi和Hatano，2012年）。
相比之下，第二种机制认为春季解冻期间N2O排放的增加是由生物过程而非物理气体释放引起的。具体来说，它认为排放是由于土壤解冻开始时微生物反硝化作用新生成的N2O。随着冻结土壤开始解冻，由于气体交换不良和高土壤湿度，形成了厌氧微环境，为反硝化细菌将硝酸盐（NO3-）转化为N2O创造了有利条件（Qu等人，2016年）。这一过程独立于任何先前积累的气体，因此与第一种机制描述的对流释放不同。有研究表明，在解冻事件发生后，微生物活性、底物可用性和土壤呼吸作用都会增强。例如，Wagner-Riddle等人（2008年）使用原位15N实验发现，在土壤解冻期间N2O通量突然增加，表明排放主要来自新生成的N2O。在加拿大曼尼托巴省的红河谷进行的先前研究也报告称，当空气温度高于0°C时，会出现新生成的N2O通量，表明春季解冻期间的N2O产生是由微生物反硝化作用引起的（Glenn等人，2012年）。实际上，这两种机制并非互斥，因为春季解冻期间的N2O通量脉冲可能是物理气体释放和新生成生物过程共同作用的结果。
选择有效的缓解措施取决于哪种产生和释放途径占主导地位。因此，了解在特定田间条件下，尤其是在寒冷地区，哪种机制占主导地位，对于制定有效的农业系统减排策略至关重要。广泛推广的管理措施包括冬季覆盖作物和使用高效氮肥（EENFs）。秋季黑麦（Secale cereale L.）是一种非豆科覆盖作物，可以吸收土壤中的残留硝酸盐，从而可能限制反硝化的底物（Basche等人，2014年）。然而，元分析显示，覆盖作物对N2O的影响具有高度变异性，可能取决于物种、气候和终止时间，有些研究甚至报告了排放量增加（Abdalla等人，2019年）。高效氮肥含有硝化作用和/或脲酶抑制剂，旨在减缓氮的转化，更好地同步氮的可用性与作物吸收，并减少通过反硝化作用造成的氮损失（Graham等人，2018年）。SuperU是一种双抑制剂产品，其配方中含有脲酶抑制剂N-(n-丁基)硫磷酰胺和硝化抑制剂二氰二胺。然而，其效果也取决于具体环境，如土壤类型、气候和管理措施。评估这些措施的一个根本限制是：评估几乎完全依赖于地表通量测量。因此，关于覆盖作物和高效氮肥如何影响土壤剖面内N2O的时空分布，仍存在很大的知识空白。特别是，目前尚不清楚这些措施如何影响实际农业生产条件下春季解冻等动态时期N2O的积累深度和时机。了解这些地下动态对于准确量化排放量、评估缓解效果和制定针对性策略至关重要。
在这项研究中，我们进行了为期两年的全面田间试验，以验证秋季黑麦覆盖作物和高效氮肥是否改变了春季解冻和生长季节期间粘土土壤剖面中N2O的垂直分布和浓度。我们之前的研究表明，N2O的产生可以发生在深层，并受到土壤湿度、通气性和管理措施的强烈影响，而地表排放也受到土壤剖面内气体传输和消耗过程的影响（Gao等人，2014年）。因此，地下N2O浓度并不总是直接反映在地表通量测量中，这可能导致产生区和观测到的排放量之间存在脱钩。基于这一背景，我们进一步假设管理措施引起的地下N2O动态变化将与地表排放通量部分脱钩。我们使用了一种结合深度明确的土壤气体采样和微气象通量测量的新方法，在加拿大曼尼托巴省的一个农田进行了为期两年的研究，以探讨地下N2O产生是否与地表排放相关或分离。这种方法提供了从土壤剖面到大气的评估，以了解管理措施如何影响N2O的动态。
研究地点描述
本研究于2021年10月至2023年9月在Trace Gas Manitoba研究站（TGAS-MAN）（49.64°N，97.16°W，海拔235米）进行，该站点位于加拿大曼尼托巴省温尼伯以南16公里处。该地点地形平坦，坡度在0到2度之间。地势较低的区域，尤其是在站点的北部，容易积水。土壤被归类为排水不良的灰化腐殖质土壤。
2021-2022年作物生长季（2021年10月至2022年9月）
这一时期的平均气温为2.1°C，2月份最低气温为-20°C，7月份最高气温约为30°C。2022年的春季解冻始于3月20日，标志是气温上升至0°C以上，并在4月15日结束，此时5厘米深度的土壤温度超过5°C。总降水量为699毫米，比30年平均值（543毫米）高出29%，其中6月（83毫米）和7月（112毫米）的降雨量特别高。5厘米深度的土壤平均温度为5.9°C，范围从2月份的-6.3°C到19.8°C。
土壤剖面中N2O浓度的时间和空间变化与地表通量的关系
我们的研究表明，土壤剖面中的N2O浓度存在时间和空间变异性，反映了农业实践、环境条件和微生物过程之间的复杂相互作用。在2021年10月至2021年12月中旬的秋季和冬季，所有深度和田块的N2O浓度都较低。这表明在寒冷和冻结期间，N2O的产生量很少，因为低温抑制了微生物活动，降低了硝化作用。
结论
本研究提供了关于草原农业条件下土壤N2O浓度的时空动态及其与地表排放关系的新见解。土壤剖面中的N2O浓度在0.5到42.0 μL N2O L-1之间波动，浅层浓度较低，而在较深层达到峰值。结果表明，春季解冻期间新生成的N2O产生是由于土壤湿度增加和微生物活性增强所致。
作者贡献声明
Marcos Cordeiro：撰写 – 审稿与编辑。Afua Mante：撰写 – 审稿与编辑。Yufeng Wu：数据管理。Mario Tenuta：撰写 – 审稿与编辑，监督。Xiaopeng Gao：撰写 – 审稿与编辑，监督。Faezeh Parastesh：撰写 – 初稿
未引用的参考文献
Bressler和Blesh，2023年；Dietzel等人，2011年；Gao等人，2023年；Glenn等人，2010年；Rabot等人，2018年；Ravishankara等人，2009年；Regina等人，2004年；Reicks等人，2021年；Risk等人，2014年；Schlüter等人，2025年；Tariq等人，2024年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢Research Manitoba提供的新研究员运营资助（ID4874）。我们还要感谢Roman Song在土壤气体采样器和田间采样方面提供的宝贵技术帮助。
