摘要

農業土壤是大氣中溫室氣體一氧化二氮(N2O)的主要來源。對大面積集約化種植區所預測的洪水頻率和嚴重程度不斷增加可能會促進臨時反硝化作用和N2O生產，但對農業系統而言，洪水事件對N2O排放的影響研究甚少。在結合使用微傳感器、穩定同位素技術、KCl提取和建模的基礎上，研究了農業土壤洪水期間的整體N2O動態以及pH值和NO3濃度的影響。這項研究表明，洪水期間的非穩態峰值N2O排放事件可能至少與報告的年平均N2O排放量的數量級相同，其中通常不包括洪水引起的N2O排放量，并且超過三分之一的N2O排放量土壤中的物質不排放，而是在土壤中消耗。毫不奇怪，排放量與土壤NO3濃度呈正相關，但與石灰（中性pH值）呈負相關。發現土壤的氧化還原電位會影響N2O的積累，因為N2O的生產和消耗發生在狹窄的氧化還原窗口中，其中氧化還原范圍水平與pH值呈負相關。本研究強調了與洪水相關的N2O爆發的潛在重要性，并推斷出暫時被洪水淹沒的耕作農業土壤的年度N2O排放估計值將被低估。此外，這項研究表明，地下N2O的減少是限制N2O排放的關鍵過程，如果對高度施肥的富氮土壤進行石灰處理，則可以實現N2O排放的減少。

一、簡介

未來的氣候變化將導致全球降水量的變化。預計新西蘭和北歐等溫帶地區會出現更高頻率的極端降雨事件（IPCC，2007年；Min等，2011年）。這增加了低洼地區或排水不良地區發生洪水的風險，這些地區與接收徑流和地下水具有潛在高硝酸鹽(NO3)濃度的地區相同。因此，可以預期這些地區的一氧化二氮(N2O)產量和排放量將增加，特別是施肥和富含氮的農田（Knowles，1982年）。

一氧化二氮是一種溫室氣體，假設在大氣中的壽命為114年，則在100年的時間范圍內，相對于二氧化碳的全球變暖潛勢為298（IPCC，2007年）。此外，N2O對平流層臭氧有負面影響，因為N2O和其他自由基物質(NOx)會耗盡臭氧層（Badr和Probert，1993年）。N2O的大氣濃度自工業化前時代以來增加了16%，從270 ppb增加到2005年的319 ppb（IPCC，2007），目前被認為是主要的人為消耗臭氧層排放物質（Ravishankara等，2009）。土壤是人為和自然產生的N2O的主要來源，土地利用的變化是觀測到的對流層N2O濃度增加的主要驅動因素（IPCC，2007年）。今天，農田占N2O對大氣的人為貢獻總量的42%，而N2O是農業土壤中最重要的溫室氣體（IPCC，2007年）。

在氧氣(O2)有限的環境中，土壤中會產生N2O，因為微生物過程利用含氮化合物作為電子受體（Knowles，1982年）。在反硝化過程中，N2O是將NO3還原為N2的必然中間產物，該過程由異養微生物進行。它也是NO3異化還原(DNRA)為銨(NH4+)過程中的副產品，因為發酵微生物通過亞硝酸鹽(NO2)將NO3還原為NH4+（Tiedje等，1982）。反硝化率隨有機碳和NO3的可用性、土壤含水量、pH值和溫度而增加（Knowles，1982年；Simek和Cooper，2002年）。N2O:N2比率，描述反硝化的最終產物，隨著土壤NO3濃度和酸度的增加而傾向于N2O（Knowles，1982年；Weier等人，1993年）。并非所有在土壤中產生的N2O都會排放，因為它可以在反硝化過程中被消耗為N2，該過程受N2O還原酶(NOS)的存在控制（Knowles，1982年）。由高土壤含水量和易降解有機物質的高可用性引起的高度缺氧條件有利于N2O的消耗（Wrage等人，2001年），因為NOS受到O2的強烈抑制（Knowles，1982年）。因此，N2O消耗量和生產率之間的平衡控制著N2O排放以及N2O在土壤中的傳輸特性（Clough等人，2005年）。土壤中N2O的主要運輸方式是擴散，根據菲克擴散定律由濃度梯度控制。

當施肥田被淹沒時，產生N2O的環境因素是最佳的。非穩態排水實驗已經確定了充滿水的孔隙空間與N2O排放之間的關系（Castellano等人，2010年），但是，據作者所知，沒有對農業土壤的研究，只有少數對天然土壤的研究進行了檢查土壤洪水對N2O動態的影響：地下N2O濃度和凈地表排放的時空趨勢。J?rgensen和Elberling（2012年）發現，當淹沒未管理的濕地泥炭土時，N2O濃度和排放量具有明顯的脈沖模式。在前24小時內觀察到N2O濃度增加，然后濃度迅速下降，直到40小時后N2O濃度低于檢測值。得出的結論是，對于這些濕地泥炭土，N2O產量的增加不會影響年度N2O排放預算，即使未來洪水事件頻率增加（J?rgensen和Elberling，2012年）。對于農田而言，情況可能并非如此，在農田中，耕作可以增加NO3eN的可用性（Eriksen和Jensen，2001年；Silgram和Shepherd，1999年），從而通過反硝化產生N2O的潛力。

本研究的目的是調查受土壤pH值和NO3濃度影響的新西蘭農業土壤洪水事件期間的整體N2O動態。該研究的具體目標是確定從土壤中產生、消耗和排放的N2O之間的平衡，并確定特定深度和時間的N2O生產和消耗。結合使用兩種方法來實現目標：使用微傳感器對土壤N2O濃度和氧化還原電位進行深度特定分析，以及在添加15N標記的NO3后，每個土壤核心3個土壤層的2 M KCl提取。該研究的設計基于以下假設：通過改變農業實踐（重點關注土壤pH值和氮輸入的變化）可以減少N2O排放，并且迄今為止的年度N2O清單可能被低估，因為影響洪水沒有被列入年度預算。

淹沒所導致的一氧化二氮排放的爆發是受農業土壤的pH和硝酸鹽的控制——摘要、簡介

淹沒所導致的一氧化二氮排放的爆發是受農業土壤的pH和硝酸鹽的控制——材料和方法

淹沒所導致的一氧化二氮排放的爆發是受農業土壤的pH和硝酸鹽的控制——結果

淹沒所導致的一氧化二氮排放的爆發是受農業土壤的pH和硝酸鹽的控制——討論、致謝！