東北地理所在鹽堿稻田碳氮氣體排放機制研究方面取得進展
全球鹽堿地面積已達到約9.54億公頃，嚴重制約了農業可持續發展。種植水稻是改善和利用鹽堿地、提高邊際土地利用率的有效措施之一。但隨著大面積鹽堿稻田開發，土壤養分失衡、地表和地下水污染、大氣污染等環境問題也日益突出，特別是氨氣（NH3）、氮氧化物（NOx）等氣體排放到大氣中，會造成嚴重的氮損失。目前關于鹽堿地區稻田NH3揮發和溫室氣體（GHG）排放的定量研究相對較少，鹽堿稻田碳氮氣體排放的微生物驅動機制尚不清楚。
東北地理所水環境污染與防治團隊以吉林西部鹽堿稻田土壤作為研究對象，通過中宇宙試驗，評估了不同鹽堿水平與不同氮肥施用條件下稻田NH3揮發和GHG排放特征，并闡明了驅動碳氮氣體排放的微生物學機制。
研究結果表明，稻田NH3揮發量和甲烷（CH4）排放量隨著鹽堿水平的升高而增加，說明新開墾為稻田的重度鹽堿地可能是農田CH4和NH3排放的熱點區域；二氧化碳（CO2）和氧化亞氮（N2O）排放量隨著鹽堿水平的升高而降低，高鹽堿抑制了氨氧化古菌的活性，導致硝化作用產生的N2O減少，從而降低了N2O的排放。整體而言，高鹽堿水平稻田的全球增溫潛勢（GWP）值最高。
結構方程模型分析結果表明，施用不同種類氮肥導致田面水和/或稻田土壤中EC、pH、氨氮含量發生直接變化，進而對鹽堿稻田NH3揮發和N2O排放產生間接影響。在水稻生長周期內，尿素配施脲酶硝化抑制劑、有機無機混施肥、炭基緩釋肥處理組的NH3累積揮發量均顯著（p < 0.05）高于尿素處理組的22.60 ~ 25.55 %。與尿素處理組相比，有機無機混施肥施用后，增加了鞘氨單胞菌（Sphingomonas）和α變形菌（Alphaproteobacteria）等氮循環相關功能菌的相對豐度，降低了(nirS+nirK)/nosZ的比值，從而導致整個水稻生長季N2O累積排放量大幅降低，且GWP值也降低5.25%。綜上所述，施用尿素可以控制鹽堿稻田NH3揮發，而有機無機混施肥則有利于GHG減排。本研究為優化鹽堿稻田氮肥管理、控制NH3揮發和GHG排放提供了理論依據，對保障鹽堿稻田糧食增產、肥料高效利用、減少環境污染具有重要的科學意義。
相關成果發表在國際期刊《Geoderma》、《Land Degradation & Development》和《Environmental Science and Pollution Research》上，由博士研究生王鑫壹（第一作者）、祝惠研究員（通訊作者）等共同完成。研究工作得到國家自然科學基金委區域聯合基金、吉林省優秀青年基金、中科院先導專項子課題、中科院創新交叉團隊、中國科學院青年創新促進會等項目資助。
論文信息及鏈接如下：
Wang X.Y., Zhu H, Yan B.X., Chen L., Shutes B., Wang M.M., Lyu J., Zhang F.M. (2023) Ammonia volatilization, greenhouse gas emissions and microbiological mechanisms following the application of nitrogen fertilizers in a saline-alkali paddy ecosystem. Geoderma 433, 116460. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116460
Wang X.Y., Lyu J., Zhu H., Shutes B., Xu Y.Y., Zhang F.M. (2023) Reclaimed saline-alkali paddy field may be a hotspot of methane and ammonia emissions. Land Degradation & Development 2023, 1-13. https://doi.org/10.1002/ldr.4815
Wang X.Y., Wang M.M., Chen L., Shutes B., Yan B.X., Zhang F.M., Lyu J. (2023) Nitrogen migration and transformation in a saline-alkali paddy ecosystem with application of different nitrogen fertilizers. Environmental Science and Pollution Research 30, 51665-51678. https://doi.org/10.1007/s11356-023-25984-9
圖1 不同鹽堿水平下稻田GHG排放特征
圖2 氮肥種類對鹽堿稻田碳氮氣體排放的影響
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