華北平原農(nóng)田N2O排放通量的高頻動(dòng)態(tài)觀測(cè)*

李發(fā)東, 杜 錕, 張秋英, 古叢珂, 冷佩芳, 喬云峰, 朱 農(nóng), 郝 帥, 黃勇彬, 施生錦

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華北平原農(nóng)田N2O排放通量的高頻動(dòng)態(tài)觀測(cè)*

李發(fā)東1,2,3, 杜 錕1,2,3, 張秋英4, 古叢珂1,2,3, 冷佩芳1,2,3, 喬云峰1,2,3, 朱 農(nóng)1,2,3, 郝 帥1,2,3, 黃勇彬4, 施生錦4

(1. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101; 2. 中國(guó)科學(xué)院禹城綜合試驗(yàn)站 禹城 251200; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100190; 4. 北京雨根科技有限公司 北京 100094)

N2O是主要源自農(nóng)田的重要溫室氣體之一, 可破壞臭氧層而導(dǎo)致全球增溫。目前對(duì)N2O的原位高頻觀測(cè)尚不多。為完善N2O的觀測(cè)方法, 為華北地區(qū)N2O變化研究提供參考, 本研究以華北平原典型農(nóng)田為研究對(duì)象, 利用新型的N2O測(cè)定儀器TGA200A, 進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)、晝夜連續(xù)地觀測(cè)中國(guó)科學(xué)院禹城綜合試驗(yàn)站農(nóng)田大氣N2O的日動(dòng)態(tài)變化。本次觀測(cè)自2017年6月中旬玉米播種后開(kāi)始, 持續(xù)至2017年9月(8月份儀器調(diào)試)。結(jié)果顯示: 1)晴朗天氣下, 農(nóng)田大氣N2O呈現(xiàn)出夜晚(0:00—6:00、18:00—24:00)高(0.618~1.171 mg·m-3)、白天(6:00—18:00)低(0.526~1.145 mg·m-3)的趨勢(shì), 而白天高溫又促進(jìn)農(nóng)田N2O排放, 在午后15:00—17:00大多出現(xiàn)1次峰值, 表明溫度的促進(jìn)作用存在滯后性。2)降雨天氣下, 農(nóng)田N2O在適當(dāng)?shù)挠炅肯轮饾u增加(3 h內(nèi)增加0.033 mg·m-3), 且存在累積效應(yīng), 但過(guò)度淹水后N2O表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。3)大風(fēng)天氣下, N2O的濃度產(chǎn)生變化, 但規(guī)律并不明顯。研究結(jié)果表明, 利用TGA200A可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室氣體N2O的實(shí)時(shí)、連續(xù)、動(dòng)態(tài)的自動(dòng)觀測(cè), 觀測(cè)結(jié)果具有較高可信度, 可以反映出當(dāng)前華北地區(qū)農(nóng)田N2O在不同環(huán)境要素(溫度、降水及大風(fēng))下的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。

華北平原; 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng); N2O排放; 通量監(jiān)測(cè); 高頻監(jiān)測(cè)

現(xiàn)今全球氣候變暖已成為主要的氣候變化趨勢(shì), 由此引發(fā)的溫室效應(yīng)等問(wèn)題已日益成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。公認(rèn)的產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體主要包括CO2、CH4、N2O, 其對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率分別為60%、15%、5%, 綜合貢獻(xiàn)率高達(dá)80%[1], 又以N2O的溫室效應(yīng)最大, 其增溫效應(yīng)最高可達(dá)CO2的270倍[2]?？諝庵械腘2O與其他物質(zhì)反應(yīng), 對(duì)臭氧層產(chǎn)生危害, 可增強(qiáng)地球表面的紫外線輻射, 進(jìn)一步對(duì)地球表面增溫產(chǎn)生影響。因此, 對(duì)于N2O的觀測(cè)和研究對(duì)于摸清當(dāng)前植被-土壤-大氣系統(tǒng)中的N2O濃度, 解釋當(dāng)前大氣中N2O的變化機(jī)制并以此促進(jìn)N2O的減排具有重要意義。目前, 前人關(guān)于N2O排放研究表明, 土壤對(duì)大氣N2O的貢獻(xiàn)為80%~90%, 是重要的N2O排放源[3]。對(duì)于不同生態(tài)系統(tǒng)的研究表明, 植被究竟是源還是匯與植被類(lèi)型和地區(qū)有關(guān)[4], 且不同生態(tài)系統(tǒng)排放的N2O量存在差異[5-7]。目前, 生態(tài)系統(tǒng)中N2O的觀測(cè)主要以靜態(tài)箱-氣相色譜法較為常見(jiàn)[5,8-9], 但該方法的測(cè)定時(shí)間間隔相對(duì)較長(zhǎng), 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)定的難度較大, 且難以捕捉到降雨、風(fēng)等異常天氣下的排放情況。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受人類(lèi)影響, 土壤中氮元素循環(huán)較快, N2O排放較大, 是公認(rèn)的重要的N2O排放源[10]。華北平原地區(qū)是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)地, 耕地面積廣, 耕作強(qiáng)度大, 屬于典型的具有代表性的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。閆翠萍等[11]研究表明, 華北平原小麥玉米輪作農(nóng)田是N2O的排放源, 小麥季土壤排放N2O總量為0.83~1.80 kg(N2O-N)·hm-2, 玉米季土壤排放N2O總量1.21~2.07 kg(N2O-N)·hm-2, 土壤溫度升高和降水量增加以及干濕交替加劇均會(huì)造成N2O排放速率增加。同時(shí)在持續(xù)干燥和低溫的冬季不施氮處理觀測(cè)到土壤對(duì)N2O 的吸收現(xiàn)象[12]。然而, 這些研究多是利用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定, 測(cè)定頻度多為每周1次, 每次測(cè)定2~3 h, 總排放量通常采用插值法計(jì)算。這可能導(dǎo)致總排放量的計(jì)算誤差, 且由于需人工測(cè)定, 異常天氣下測(cè)定難度較大, 進(jìn)一步影響了測(cè)定精度。

TGA200A(Trace Gas Analyzer, Campbell Scientific Ltd., USA)儀器是一種新型的TGA系列的溫室氣體觀測(cè)儀器, 具有響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)定迅速的特點(diǎn), 可以每秒10 Hz的速度對(duì)大氣中的N2O進(jìn)行實(shí)時(shí)分析測(cè)定, 該類(lèi)儀器目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用尚未見(jiàn)報(bào)道。因此, 本研究采用TGA200A儀器, 配以渦度相關(guān)儀器和技術(shù), 以位于華北平原的中國(guó)科學(xué)院禹城綜合試驗(yàn)站農(nóng)田為研究對(duì)象, 觀測(cè)農(nóng)田N2O排放的日變化特征, 并利用相關(guān)環(huán)境要素如溫度、風(fēng)速、濕度等, 對(duì)華北農(nóng)田玉米季N2O變化及其影響要素進(jìn)行研究, 以期完善N2O的觀測(cè)方法, 并為華北地區(qū)N2O變化研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于中國(guó)科學(xué)院禹城綜合試驗(yàn)站(36°40′~37°12′N(xiāo), 116°22′~116°45′E), 地處山東省西北部、黃河下游。該地土壤為黃河沖積物母質(zhì)發(fā)育, 土壤類(lèi)型主要為潮土和鹽化潮土, 是華北平原地區(qū)的典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。試驗(yàn)地屬溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū), 年均氣溫13.4 ℃, 年均降水量567 mm, 夏季為主要降雨期; 多年無(wú)霜期220 d, 大于0 ℃積溫為4 951 ℃, 日照時(shí)間超過(guò)2 600 h[13], 水熱條件優(yōu)良, 利于作物種植和生長(zhǎng)。

該地農(nóng)田采用冬小麥-夏玉米輪作的種植方式, 小麥?zhǔn)斋@后于6月10—15日使用機(jī)器播種玉米, 不作翻耕處理, 生長(zhǎng)期使用地下水適度灌溉1~2次, 僅7月底施肥1次。

1.2 TGA200A測(cè)定系統(tǒng)

于2016年5月初安裝TGA200A系統(tǒng), 主要組成部分包括支架、TGA分析測(cè)定主機(jī)箱(Campbell Scientific Ltd., USA, 體積約0.5 m3)、CR6 datalogger數(shù)采器(Campbell Scientific Ltd., USA)、抽真空高壓泵、電腦、N2O標(biāo)氣瓶。此外, 配以渦度相關(guān)技術(shù)(eddy covariance technique)的CAST-3(Campbell Scientific Ltd., USA)、Li-7500(Li-COR Ltd., USA), 為防止相互干擾, 兩者中軸線不在同一水平面上, 存在一定夾角。在CAST-3超聲裝置外側(cè)架設(shè)N2O的進(jìn)樣口, 高2.5 m(圖1)。

TGA主機(jī)箱內(nèi)配置以電流和溫度控制的激光發(fā)射管及其相關(guān)測(cè)定裝置, 通過(guò)掃描和分析痕量氣體(trace gas)對(duì)激光能量的線性吸收波長(zhǎng), 實(shí)現(xiàn)對(duì)痕量氣體的監(jiān)測(cè)[14]。當(dāng)真空泵抽低壓后, 待測(cè)氣體從進(jìn)樣口進(jìn)入管道, 經(jīng)過(guò)過(guò)濾和干燥后, 進(jìn)入主機(jī)箱待測(cè)。與此同時(shí), 標(biāo)氣瓶的N2O標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)入主機(jī)箱(濃度已知), 利用激光技術(shù)同時(shí)測(cè)定樣品和標(biāo)準(zhǔn)氣體的N2O的吸光值, 以此測(cè)定樣品的N2O濃度值。設(shè)定測(cè)定頻次為10 Hz, 每秒內(nèi)各次N2O均值即為大氣實(shí)時(shí)N2O濃度。

渦度相關(guān)技術(shù)通過(guò)測(cè)定和分析溫度、H2O、CO2等的脈動(dòng)與垂直風(fēng)速脈動(dòng)協(xié)方差, 對(duì)生物圈(森林、農(nóng)田等)與大氣間湍流通量進(jìn)行非破壞性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法, 具有適用范圍廣、可信度高等特點(diǎn)[15-16]。利用渦度相關(guān)技術(shù)中的CAST-3、Li-7500設(shè)備測(cè)定大氣風(fēng)速、溫度、濕度, 相關(guān)測(cè)定和分析方法見(jiàn)文獻(xiàn)[17-18]。

圖1 測(cè)定農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O濃度的TGA200A測(cè)定系統(tǒng)示意圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)半小時(shí)內(nèi)N2O濃度取算術(shù)平均值, 得每半小時(shí)的大氣N2O濃度, 利用Microsoft Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 晴朗天氣下農(nóng)田N2O日動(dòng)態(tài)變化

2.1.1 玉米出苗期N2O日動(dòng)態(tài)變化

6月10—15日玉米播種后1周內(nèi)屬于出苗期, 選擇6月18日(晴朗天氣)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖2)發(fā)現(xiàn), N2O濃度在0.611~0.669 mg·m-3范圍內(nèi), 整體上呈現(xiàn)出白天(6:00—18:00, 下同)低(多數(shù)低于0.630 mg·m-3), 夜晚(0:00—6:00、18:00—24:00, 下同)高(多數(shù)高于0.630 mg·m-3)的特征。自凌晨開(kāi)始至日出階段, 農(nóng)田N2O隨大氣溫度降低而逐漸降低, 僅在日出前后短暫升高。N2O在8:30—18:00整體上表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì), 即高溫時(shí)段15:30出現(xiàn)一次峰值0.627 mg·m-3; 在18:00前后逐漸升高, 至23:00保持平穩(wěn)。結(jié)果表明, 溫度對(duì)農(nóng)田N2O排放產(chǎn)生重要影響, 白天高溫可提高N2O濃度, 但這種作用存在一定的滯后性。大氣濕度和風(fēng)速對(duì)大氣溫度的變化表現(xiàn)出相應(yīng)的變化, 即溫度逐漸升高, 濕度隨后逐漸降低, 風(fēng)速在白天表現(xiàn)出升高的趨勢(shì), 進(jìn)一步佐證了環(huán)境要素對(duì)N2O排放的協(xié)同作用及其相互影響。

圖2 玉米出苗期農(nóng)田N2O濃度及環(huán)境要素的日動(dòng)態(tài)變化

NC: N2O濃度; AMC: 大氣含水量; T: 溫度; WS: 風(fēng)速。NC: nitrous oxide concentration; AMC:atmospheric water content; T: temperature; WS: wind speed.

2.1.2 玉米三葉期N2O日動(dòng)態(tài)變化

選擇玉米三葉期晴朗天氣的7月8日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖3可知, 氣溫在日出前后最低, 下午14:00—15:00高溫, 甚至在17:00之前大氣溫度仍高于36 ℃; 濕度則隨溫度變化表現(xiàn)出相反的變化, 風(fēng)速在白天溫度較高時(shí)段達(dá)到較大水平。在該種溫度主導(dǎo)的環(huán)境要素下, N2O濃度呈現(xiàn)出夜晚高白天低的特征, 即在凌晨至8:00表現(xiàn)出降低趨勢(shì), 之后隨溫度升高N2O濃度逐漸升高, 但其降低的時(shí)間晚于苗期的6月18日, 這是因?yàn)樵?月份白天積溫較高, 相對(duì)高溫時(shí)段較長(zhǎng), 延遲了N2O降低的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

東半壁店小流域內(nèi)垃圾主要為村莊、設(shè)施大棚區(qū)及工業(yè)企業(yè)區(qū)的生活、生產(chǎn)垃圾。隨著近年新農(nóng)村建設(shè)的大力投入，流域內(nèi)實(shí)施垃圾密閉化、無(wú)害化管理，對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)處理，生產(chǎn)垃圾統(tǒng)一運(yùn)到鎮(zhèn)垃圾填埋場(chǎng)回填；生活垃圾統(tǒng)一運(yùn)到鎮(zhèn)垃圾壓縮轉(zhuǎn)運(yùn)站進(jìn)行壓縮后運(yùn)往安定垃圾消納場(chǎng)消納。

綜合分析以上6月18日和7月8日的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn), 兩個(gè)時(shí)間的N2O濃度變化特點(diǎn)進(jìn)一步驗(yàn)證了溫度對(duì)植被-土壤系統(tǒng)N2O濃度存在重要影響, 且N2O濃度和溫度變化的節(jié)點(diǎn)不同, 溫度對(duì)N2O的作用存在滯后作用, 該種作用隨季節(jié)(高溫時(shí)長(zhǎng))而存在差異。

圖3 玉米三葉期農(nóng)田N2O濃度及環(huán)境要素日動(dòng)態(tài)變化

NC: N2O濃度; AMC: 大氣含水量; T: 溫度; WS: 風(fēng)速。NC: nitrous oxide concentration; AMC:atmospheric water content; T: temperature“WS: wind speed”.

2.1.3 玉米花粒期N2O日動(dòng)態(tài)變化

選擇玉米花粒期9月9日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(圖4), 溫度、濕度、風(fēng)速均表現(xiàn)出白天高、夜晚低的特征。濕度在溫度最高的階段呈降低的趨勢(shì), 而風(fēng)速與溫度的變化存在相似趨勢(shì)。N2O在日出前后達(dá)到1.171 mg·m-3, 遠(yuǎn)高于玉米生長(zhǎng)前期平均水平, 而白天的N2O濃度較低, 其均值低于0.600 mg·m-3, 遠(yuǎn)低于相對(duì)應(yīng)的其他月份的濃度。

圖4 玉米花粒期農(nóng)田N2O濃度及環(huán)境要素日動(dòng)態(tài)變化

NC: N2O濃度; AMC: 大氣含水量; T: 溫度; WS: 風(fēng)速。NC: nitrous oxide concentration; AMC:atmospheric water content; T: temperature; WS: wind speed.

2.2 降雨天氣下農(nóng)田N2O日動(dòng)態(tài)變化

選擇降雨天氣(6月22日)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(圖5), 降雨天氣下, 大氣溫度的全天變化較小, 為20~25 ℃, 顯著低于晴天(6月18日)的溫度(圖2); 濕度隨降雨時(shí)長(zhǎng)累積逐漸增大, 風(fēng)速在白天時(shí)段基本保持平穩(wěn), 夜間風(fēng)速逐漸降低。該種環(huán)境下, 農(nóng)田N2O表現(xiàn)出隨降雨累積逐漸增大的趨勢(shì)(9:00—12:30), 但在12:30過(guò)后表現(xiàn)出短時(shí)間降低的趨勢(shì), 之后急劇上升至夜間最高值0.762 mg·m-3。降雨(6月22日)與晴天(6月18日)的N2O濃度比較, 凌晨至日出階段以晴天較高, 而白天至深夜均以降雨天氣較高, 且受降雨影響, 夜晚階段的最高值遠(yuǎn)高于晴朗天氣, 表明降雨可促進(jìn)植被-土壤系統(tǒng)釋放N2O, 增加大氣N2O濃度, 但過(guò)度降雨抑制N2O排放。

圖5 雨天玉米農(nóng)田N2O濃度及環(huán)境要素日動(dòng)態(tài)變化

NC: N2O濃度; AMC: 大氣含水量; T: 溫度; WS: 風(fēng)速。NC: nitrous oxide concentration; AMC:atmospheric water content; T: temperature; WS: wind speed.

2.3 大風(fēng)天氣下農(nóng)田N2O日動(dòng)態(tài)變化

晴朗強(qiáng)風(fēng)天氣7月8日(圖3)和晴朗弱風(fēng)7月3日(圖6)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn), 兩者的溫度范圍較為相近, 濕度差距較小, 但風(fēng)速前者是后者3~20倍。對(duì)比N2O數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 風(fēng)速較低的7月3日的N2O濃度顯著高于風(fēng)速較高的7月8日。7月3日的N2O濃度隨時(shí)間呈先升后降趨勢(shì), 最高點(diǎn)出現(xiàn)在6:00前后; 而7月8日則表現(xiàn)出隨時(shí)間逐漸降低趨勢(shì)。凌晨至日出前后的溫度和風(fēng)速均以7月3日較低, 但其N(xiāo)2O濃度反而相對(duì)較高。8:00—12:00, 兩者溫度極度相近, 但濕度以7月3日相對(duì)較低, N2O反而較為相近。推測(cè)風(fēng)速對(duì)N2O的影響可能不是主導(dǎo)因素, 是否有其他因素的交互作用影響, 還需要進(jìn)一步研究。

圖6 晴朗弱風(fēng)天氣玉米農(nóng)田N2O濃度及其環(huán)境要素日動(dòng)態(tài)變化

NC: N2O濃度; AMC: 大氣含水量; T: 溫度; WS: 風(fēng)速。NC: nitrous oxide concentration; AMC:atmospheric water content; T: temperature; WS: wind speed.

3 討論

3.1 溫度對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響

6月中旬玉米播種后, TGA對(duì)農(nóng)田大氣6—9月份(8月中下旬進(jìn)行了相關(guān)調(diào)試)N2O濃度進(jìn)行了實(shí)時(shí)連續(xù)的觀測(cè), TGA監(jiān)測(cè)功能基本保持穩(wěn)定。分析晴朗天氣下玉米生長(zhǎng)期的N2O濃度及其環(huán)境要素發(fā)現(xiàn), 白天農(nóng)田N2O變化具有一定的規(guī)律性, 與葉欣等[19]和鄭循華等[20]研究結(jié)論相近。日出之后, 日照增強(qiáng)導(dǎo)致大氣溫度和植被-土壤系統(tǒng)溫度升高, 植物產(chǎn)生更多O2進(jìn)入到土壤中, 土壤參與N循環(huán)的相關(guān)微生物活性提高, 氮元素有機(jī)物的礦化作用增強(qiáng), 土壤排放到大氣中的N2O增多。中午過(guò)后, 溫度到達(dá)峰值后逐漸下降, 植物產(chǎn)生O2降低, 土壤含氧量減少, 土壤氮循環(huán)相關(guān)微生物活性降低, 土壤向大氣中排放N2O也隨之降低[20]。杜睿等[21]利用原狀土開(kāi)展相關(guān)增溫試驗(yàn), 得出了溫度顯著影響土壤N2O釋放的結(jié)論; 自然環(huán)境下進(jìn)行的農(nóng)田增溫試驗(yàn)同樣得出溫度升高可促進(jìn)土壤N2O的結(jié)論[13,22]。同時(shí), 對(duì)比不同月份發(fā)現(xiàn), 下午高溫時(shí)長(zhǎng)增加(高于30 ℃)進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)田N2O的釋放, 這有可能是高溫累積效應(yīng)導(dǎo)致的。

3.2 降雨天氣對(duì)農(nóng)田大氣N2O排放的影響

降雨引起農(nóng)田土壤含水量加大, 提高了土壤氮循環(huán)相關(guān)微生物活性, 同時(shí)土壤濕度的增大導(dǎo)致進(jìn)入土壤中的O2降低, 氮循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生的N2O作為替代O2進(jìn)行還原作用, 因此硝化過(guò)程產(chǎn)N2O增多, 排放到大氣的N2O進(jìn)而增大[24]。隨著降雨的進(jìn)行, 土壤含水量逐漸增大, 形成一定的厭氧環(huán)境, 促進(jìn)反硝化作用[25], 表現(xiàn)出N2O在降雨發(fā)生后一定時(shí)間持續(xù)增長(zhǎng), 因此適當(dāng)?shù)慕涤昕纱龠M(jìn)土壤N2O排放[26], 這也與灌溉促進(jìn)N2O釋放具有相似的機(jī)制[27-28]。但白天過(guò)量的降水和灌溉導(dǎo)致土壤過(guò)度淹水, 影響土壤O2進(jìn)入和N2O排放, 導(dǎo)致N2O隨降水的過(guò)量累積表現(xiàn)出降低趨勢(shì)[5]。因此, 在降水和灌溉影響下土壤含水量增大的快慢和變化梯度對(duì)土壤N2O排放存在影響。

3.3 大風(fēng)天氣對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響

大氣的水熱條件與農(nóng)田風(fēng)力存在較為密切的相互影響, 難以在野外單獨(dú)控制溫度和含水量(降水)條件以此研究風(fēng)力對(duì)農(nóng)田產(chǎn)生N2O的影響。本文僅選擇不同風(fēng)力下一定時(shí)段的N2O進(jìn)行對(duì)比分析, 發(fā)現(xiàn)大風(fēng)天氣可能降低N2O排放。相同溫度下, 一方面, 農(nóng)田風(fēng)速較大可促進(jìn)地表水分蒸發(fā), 降低表土含水量, 改變土壤與大氣的氣體(如O2、N2O)交換速率; 另一方面, 強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致植株葉片翻動(dòng), 葉片正面接受光照面積降低, 降低光合作用[29], 對(duì)溫室氣體產(chǎn)量造成影響, 而強(qiáng)風(fēng)甚至可引起植株受損, 導(dǎo)致農(nóng)田排放的溫室氣體產(chǎn)生變化。

3.4 TGA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可利用性

目前, 國(guó)外少數(shù)學(xué)者利用TGA對(duì)生物圈與大氣間溫室氣體的CO2中13C同位素[30]、CH4[31]、NO2[32]進(jìn)行了一定的研究, 得出了TGA的應(yīng)用具有可行性的結(jié)論。本研究所采用的TGA為最新一代的系列產(chǎn)品, 不再使用液氮進(jìn)行主機(jī)箱降溫, 操作更加方便簡(jiǎn)單。本研究中晴朗天氣下, 白天時(shí)間TGA測(cè)定的晴朗天氣下農(nóng)田N2O排放量多數(shù)在0.60mg·m-3左右, 與相關(guān)研究結(jié)果相近[1-2]; 且本研究中晴朗天氣下, 大氣N2O變化趨勢(shì)與溫度變化趨勢(shì)相似, 在一定程度上可以相互印證, 表明應(yīng)用TGA系統(tǒng)監(jiān)測(cè)華北地區(qū)N2O濃度變化具有可行性。當(dāng)前, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放監(jiān)測(cè)多是單一土壤或植被系統(tǒng)的研究, 直接在植被-土壤系統(tǒng)冠層高度觀測(cè)大氣N2O的研究極少, 本研究提供了一種在華北農(nóng)田觀測(cè)溫室氣體的新方法。由于人類(lèi)活動(dòng)影響, 農(nóng)田的下墊面相對(duì)單一, TGA系統(tǒng)可以和渦度相關(guān)技術(shù)集合利用, 但TGA系統(tǒng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)森林、草原和山地等復(fù)雜狀況下的研究是否可行, 目前尚不明了。

TGA系統(tǒng)主機(jī)箱內(nèi)部更換相關(guān)配件后, 可用于測(cè)定農(nóng)田CO2、CH4。同時(shí), 對(duì)于進(jìn)樣口的改造, 可以對(duì)土壤或植被釋放的溫室氣體進(jìn)行自動(dòng)采集和測(cè)定, 具有較高的科研利用價(jià)值。但TGA造價(jià)高昂, 在全國(guó)乃至全世界的推廣具有一定難度。本文利用TGA觀測(cè)農(nóng)田大氣N2O僅僅是初步研究, 測(cè)定周期較短, 對(duì)于農(nóng)田N2O在長(zhǎng)期氣候變化下的響應(yīng)還不明了, 尚需開(kāi)展長(zhǎng)期觀測(cè)。

4 結(jié)論

1)晴朗天氣下, 溫度是影響玉米農(nóng)田N2O排放的主要環(huán)境因素, N2O排放呈現(xiàn)出夜晚高、白天低的特征, 溫度對(duì)N2O的影響存在滯后性。

2)適量的降雨可促進(jìn)農(nóng)田N2O排放, 但過(guò)度降水抑制農(nóng)田N2O排放。

3)大風(fēng)天氣影響下, 農(nóng)田N2O排放發(fā)生變化, 但該種變化不具有明顯規(guī)律性, 大風(fēng)天氣的作用機(jī)制尚需進(jìn)一步探究。

4)本研究為國(guó)內(nèi)首次利用TGA系統(tǒng)對(duì)溫室氣體通量進(jìn)行原位高頻監(jiān)測(cè), 證實(shí)TGA系統(tǒng)測(cè)定華北農(nóng)田的N2O具有可行性, 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、晝夜連續(xù)監(jiān)測(cè)。

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High-frequency dynamic observation of N2O emission flux from cropland in the North China Plain*

LI Fadong1,2,3, DU Kun1,2,3, ZHANG Qiuying4, GU Congke1,2,3, LENG Peifang1,2,3, QIAO Yunfeng1,2,3, ZHU Nong1,2,3, HAO Shuai1,2,3, HUANG Yongbin4, SHI Shengjin4

(1. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2. Yucheng Comprehensive Experiment Station, Chinese Academy of Sciences, Yucheng 251200, China; 3. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 4. Rainroot Scientific Limited, Beijing 100094, China)

Nitrous oxide (N2O) is one of the primary greenhouse gases, which depletes ozone sphere and results in strong greenhouse effects. Nowadays, a series of studies on greenhouse gases emissions of vegetation-soil-atmosphere system has been carried out domestic and overseas with the measurement method of static chamber/gas chromatograph, in which gas sampling time is concentrated in a fixed period during daytime rather than around the clock. Moreover, its’ sampling frequency is usually longer than one minute inducing difficulty to implement a real-time, high-frequency and continuous determination of greenhouse gas emissionsfor a long time. As an important source of N2O emission, farmland ecosystem is a human-disturbed system with fast N recycle and large N2O emission. To improve N2O emission observation methods and provide a reference for N2O change study in the North China Plain, we chose a typical farmland ecosystem, a maize field at the Yucheng Comprehensive Experiment Station, Chinese Academy of Sciences, and monitored N2O concentration change with a new monitor instrument TGA200A (Trace Gas Analyzer 200A) to achieve a automatically real-time monitoring of N2O emission for day and night. The TGA200A was equipped with a laser launch tube simultaneously controlled by current and temperature and some related measuring devices. When sample and reference gases (with a known concentration) entered the analyzer synchronously, the target gas concentration was determined by through scanning and comparing the linear absorption wavelengths of laser energy between sample and reference gases. The monitoring was from the middle of June 2017 to September 2017. The results showed, firstly, the N2O emission was higher in night from 0:00 to 6:00 and 18:00 to 24:00 (0.618-1.171 mg·m-3) than in daytime from 6:00 to 18:00 (0.526-1.145 mg·m-3) in fine weather. N2O emission was facilitated under higher atmospheric temperature in daytime, but the emission peak appeared in 15:00 to 17:00 indicating a significant hysteresis of temperature effect. Secondly, in rainy day, maize field N2O emissions were increased by 0.033 mg·m-3in 3 hours with a proper rainfall and presented an accumulative effect. But if the rain was too heavy for a long time, the N2O emission would be reduced. Thirdly, N2O emission was affected by strong wind, but this conclusion needed more verification because such result was not regular. This study demonstrated the data determined by the TGA200A was useful and reliable for study on dynamic change of N2O emission in different weathers. TGA200A was available in an automatically and real-time monitor of N2O emission for day and night with different environment elements (temperature, rain, wind) and made it possible to reduce human costs and errors in greenhouse gas flux observation.

North China Plain; Farmland ecosystem; Nitrous oxide emission; Flux observation; High-frequency observation

, LI Fadong, E-mail: lifadong@igsnrr.ac.cn

Dec. 19, 2017;

Dec. 25, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.171209

X51; S-3

A

1671-3990(2018)02-0195-08

2017-12-19

2017-12-25

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41771292, 31170414), and the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0800301).

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41771292, 31170414)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0800301)資助

李發(fā)東, 主要從事生態(tài)水文與水環(huán)境研究。E-mail: lifadong@igsnrr.ac.cn