《Agronomy》：Elevated O3 Reduces Nitrogen Oxide Emissions from Rice Paddy Fields Under Warming
Xin Zhong,
Bo Shang,
Evgenios Agathokleous,
Yujie Zhang and
Zhaozhong Feng
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本研究发现，在暖化背景下，高浓度臭氧可显著抑制稻田土壤氧化亚氮和氧化氮的排放。臭氧浓度升高通过减少土壤可溶性有机碳和铵态氮等关键底物，从而削弱了氮氧化物生成过程；而增温则通过增加这些底物含量促进了排放。二者交互作用表现为显著的拮抗效应。研究强调了在未来气候预测模型中，必须明确考虑臭氧对稻田生态系统温室气体排放的抑制作用，这对于准确评估农业温室气体清单和制定减排策略具有重要意义。
引言
氮氧化物，特别是氧化亚氮和一氧化氮，是重要的温室气体和空气污染物。氧化亚氮的全球增温潜势是二氧化碳的273倍，并且能破坏平流层臭氧。一氧化氮则是近地面臭氧形成的关键前体物。水稻作为全球主要粮食作物，其种植过程因大量施用氮肥，成为氮氧化物的重要排放源。气候变化的两个关键组分——近地面臭氧浓度升高和全球变暖——常同时发生，它们如何单独及交互影响稻田氮氧化物排放，其内在机制尚不明确。本研究旨在通过野外原位试验，量化高浓度臭氧和增温对稻田氮氧化物通量的影响，并揭示其主要调控因素。
材料与方法
研究在中国江苏省扬州市的一个亚热带稻田进行。试验采用臭氧-温度开放式气室增温系统，设置了四个处理：对照、高臭氧、增温、以及臭氧与增温联合处理。臭氧浓度在白天提高50%，增温处理使冠层温度平均升高约1.1-1.5°C。试验连续进行了两年。定期采集气体样品，通过气相色谱仪和化学发光分析仪分别测定氧化亚氮和一氧化氮浓度，并计算其排放通量。同时，采集土壤样品，测定包括土壤可溶性有机碳、铵态氮、硝态氮、微生物生物量碳、微生物生物量氮和pH在内的多种理化及生物学性质。数据分析采用线性混合效应模型、随机森林模型和结构方程模型，以评估各处理的影响并解析关键驱动因子。
结果
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季节性氮氧化物通量：氧化亚氮和一氧化氮的排放通量在水稻不同生育期波动很大，在分蘖期淹水阶段排放较低，而在晒田复水、穗肥期及灌浆期出现排放高峰。与对照相比，高臭氧处理使氧化亚氮和一氧化氮的季节平均通量分别显著降低18.3%和17.9%；而增温处理则使二者分别显著增加16.3%和15.6%。在增温背景下，高臭氧处理显著抑制了氧化亚氮和一氧化氮的排放通量，抑制率分别达到17.5%和11.0%。2O fluxes during the 2022–2023 rice season.">
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土壤性质对排放的影响机制：随机森林模型表明，相同的土壤性质调控着两种氮氧化物的排放。结构方程模型进一步揭示，高臭氧主要通过降低土壤可溶性有机碳和铵态氮含量，从而直接和间接地抑制了氮氧化物通量。增温则通过提高冠层温度和土壤可溶性有机碳，增加了铵态氮和硝态氮的可用性，进而促进了排放。土壤可溶性有机碳、铵态氮和硝态氮对氮氧化物排放具有正向总效应，而pH和微生物生物量氮则具有负向效应。2O (a) and NO (b) fluxes."> 3 and warming on N2O and NO fluxes.">
- 3.
对中国稻田氮氧化物减排潜力的评估：基于中国各省水稻种植面积，本研究估算了在臭氧与增温联合作用下，中国稻田氮氧化物的年减排潜力。结果显示，2022年和2023年，与单独增温相比，联合处理可分别减少约8.31和13.24 Gg N的氮氧化物排放，表明高臭氧污染在暖化背景下对农业温室气体排放具有不可忽视的抑制效应。3-induced reduction in nitrogen oxide emissions from Chinese paddy fields under warming.">
讨论
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臭氧的抑制效应：高浓度臭氧通过损害水稻光合作用，减少光合产物向地下的分配，从而降低了土壤活性碳和氮的输入。这导致硝化过程所需底物减少，进而抑制了以硝化作用为主的氮氧化物排放。臭氧引起的土壤pH值升高也可能促进了氮以氨的形式挥发，进一步减少了氮氧化物生成。
- 2.
增温的促进效应：适度增温可促进水稻生长，增加植物残体和根系分泌物输入。同时，增温改变了微生物代谢，使其从合成代谢转向分解代谢，增强了矿化能力，导致土壤可溶性有机碳、铵态氮和硝态氮含量增加，为硝化和反硝化过程提供了更丰富的底物，从而刺激了氮氧化物的产生。
- 3.
臭氧与增温的交互拮抗效应：本研究发现，臭氧升高显著抑制了增温对氮氧化物排放的刺激作用，表现出明显的拮抗效应。在联合处理下，臭氧削弱了增温引起的土壤可溶性有机碳和铵态氮的增加，这是抵消增温促进效应的主要原因。这一发现与在麦田系统中的观察结果一致，表明这种拮抗效应可能在不同农业生态系统中具有普遍性。
结论
本研究明确了高浓度臭氧和增温对稻田氮氧化物排放具有相反的作用。臭氧通过减少土壤可溶性有机碳和铵态氮来抑制排放，而增温则通过增加这些底物来促进排放。两者共存时，臭氧能显著抑制增温引起的排放增加。这一拮抗效应意味着，在臭氧污染严重的地区，暖化导致的稻田温室气体净增加可能会被部分抵消。因此，在预测未来稻田氮氧化物排放、评估农业温室气体清单及制定相关减排政策时，必须将臭氧的抑制作用明确纳入考虑。本研究为相关生物地球化学模型的参数化提供了关键数据，有助于降低排放预测的不确定性。
