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华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应研究 被引量:48
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作者 胡春胜 张玉铭 +3 位作者 秦树平 王玉英 李晓欣 董文旭 《中国生态农业学报》 CSCD 北大核心 2018年第10期1501-1514,共14页
华北平原是我国重要粮食生产基地,农业生产中,片面追求高产,过量施肥现象普遍存在,由此造成了肥料利用率低下,氮素损失严重,对环境造成了巨大压力,影响到本区域农业经济和生态环境的可持续发展。本文对中国科学院栾城农业生态系统试验... 华北平原是我国重要粮食生产基地,农业生产中,片面追求高产,过量施肥现象普遍存在,由此造成了肥料利用率低下,氮素损失严重,对环境造成了巨大压力,影响到本区域农业经济和生态环境的可持续发展。本文对中国科学院栾城农业生态系统试验站建站以来有关农田氮素过程方面的研究成果进行了梳理,从相关长期定位试验介绍、氮素转化研究方法的创新集成、氮素过程通量与转化机制研究、氮素综合管理与调控等方面入手,全面汇总了有关华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应的研究进展。自建站以来先后建立了8组与氮素有关的长期定位试验,基于此开展了土壤培肥与高产高效、养分循环再利用、农田生态过程及其对人为干扰和环境变化响应和反馈效应等方面的试验研究。研究过程中不断对研究方法进行完善与创新,建立了N_2高背景浓度下原位土壤反硝化研究的方法体系,为土壤反硝化室内机理与原位无扰动反硝化脱氮总量及产物构成规律研究提供了新的方法;量化了乙炔抑制法测定反硝化的系统误差,为克服乙炔抑制法的误差提供了新的技术途径;建立了深层土壤剖面气体监测的技术体系,使N_2O的研究由单纯的农田排放通量测定扩展到深层土体N_2O的产生机制、扩散与还原过程研究,为定量深层土壤产生的N_2O对表层排放的贡献提供了技术支撑。通过对农田氮素转化机制、过程通量及其环境效应的综合研究,分析了该区域农田生态系统氮素平衡状况,定量评价了农田氮素不同损失途径的相对重要性,提出了阻控氮损失、提高肥料利用率的合理调控途径。 展开更多
关键词 氮素过程 反硝化 氨挥发 硝态氮淋失 环境效应 农田生态系统 华北平原
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华北平原农田温室气体排放与减排综述 被引量:39
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作者 王玉英 李晓欣 +3 位作者 董文旭 张玉铭 秦树平 胡春胜 《中国生态农业学报》 CSCD 北大核心 2018年第2期167-174,共8页
华北平原作为典型的冬小麦-夏玉米轮作高水肥精细管理农田,高水高肥管理下其碳排放量高于秸秆还田的固碳量,其生态系统正在以每年77 g(C)×m^(-2)·a^(-1)的速度损失碳。华北平原农田>400 kg(N)×hm^(-2)·a^(-1)的... 华北平原作为典型的冬小麦-夏玉米轮作高水肥精细管理农田,高水高肥管理下其碳排放量高于秸秆还田的固碳量,其生态系统正在以每年77 g(C)×m^(-2)·a^(-1)的速度损失碳。华北平原农田>400 kg(N)×hm^(-2)·a^(-1)的过高氮素投入是造成其碳排放增加的主要原因,其土壤N2O排放强度在氮肥施入量为136 kg(N)×hm^(-2)·a^(-1)时最低,且在施氮量为317 kg(N)×hm^(-2)·a^(-1)时可获得最高作物产量。华北平原土壤中温室气体的产生和消耗主要发生在0~90 cm土壤剖面内,>90 cm土层主要作为土壤包气带中的缓冲层而存在。当前降低华北平原农田温室气体排放除了合理施肥和灌溉,还需要改变固有的农作制度,实行减免耕等保护性措施,并将减排和固碳同步进行。对华北平原温室气体净排放研究,今后需在以下几个方面加强:1)在地-气之间加强冠层尺度温室气体的原位连续在线监测研究,并将稳定性同位素技术应用到此研究中以达到追踪其来源和比例构成的目的。2)在土壤包气带中,利用稳定性同位素技术探索土壤空气中温室气体的来源比例,探索剖面土壤温室气体产生和消耗对土壤-大气界面温室气体排放的响应机制。3)将模型研究应用于土壤-大气连续体温室气体排放研究。 展开更多
关键词 华北平原 农田生态系统 小麦-玉米轮作体系 温室气体 排放与减排 调控措施
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作物根系对根际土壤N_(2)O产生与排放的调控机制研究进展 被引量:1
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作者 张玉铭 邢力 +4 位作者 李晓欣 秦树平 李燕楠 韩建 胡春胜 《中国生态农业学报(中英文)》 CAS CSCD 北大核心 2023年第8期1322-1329,共8页
农田土壤是大气N_(2)O的重要排放源。农田土壤N_(2)O排放不仅受农业管理措施影响,还与作物根系生长密切相关,根系自身代谢对农田土壤N_(2)O生成与还原产生影响,进而影响农田N_(2)O排放。根际是根系-土壤-微生物相互作用的重要界面,是根... 农田土壤是大气N_(2)O的重要排放源。农田土壤N_(2)O排放不仅受农业管理措施影响,还与作物根系生长密切相关,根系自身代谢对农田土壤N_(2)O生成与还原产生影响,进而影响农田N_(2)O排放。根际是根系-土壤-微生物相互作用的重要界面,是根系影响土壤N_(2)O排放最直接、最强烈的关键场所,也是农田土壤N_(2)O产生的热点区域,在农田N_(2)O排放中所占份额不容忽视。因而根系对根际N_(2)O排放的影响机制研究普遍受到重视。本文以国内外相关研究为基础,综合梳理了有关作物根系生长对农田土壤N_(2)O排放的影响强度以及对根际微域N_(2)O产生与排放的调控机制方面的研究进展,剖析了作物根系影响根际微域土壤N_(2)O产生与排放研究中存在的难点,并对未来相关研究工作进行了展望。根系对农田N_(2)O排放的影响过程复杂,涉及因子颇多。大量研究表明,施肥量及肥料种类,土壤氮素含量与形态、温湿度、光强等因素可通过调控根系生长来影响作物从土壤中汲取水分和营养以及光合产物向根系的传导与分泌,改变根际微域通气状况以及微生物赖以生存的碳氮源等营养成分,进而影响根际微生物的群落结构、数量和活性以及在土壤中的分布,由此介导根际微生物的硝化、反硝化过程,影响根际土壤N_(2)O生成、还原与排放。鉴于众多因素的影响,作物根系生长对土壤N_(2)O的生成与排放的影响具有促进或抑制双重作用,其作用方向与强弱将影响农田生态系统中N_(2)O的总体排放预算。因此,研究作物根系对土壤N_(2)O排放的调控作用及其对全球变暖的反馈机制势在必行,对减少全球N_(2)O排放预测的不确定性、减缓人类活动对全球变化的影响意义重大。 展开更多
关键词 作物根系 根际土壤 N_(2)O排放 硝化-反硝化过程 根系分泌物
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植物排放N2O研究进展 被引量:7
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作者 胡慧娴 袁丹 +5 位作者 曾佳瑞 姚金志 何小冬 秦树平 胡春胜 周顺桂 《中国生态农业学报(中英文)》 CAS CSCD 北大核心 2021年第2期345-354,共10页
氧化亚氮(N2O)是主要的温室气体之一,对大气环境质量与全球气候变化具有重要的影响。N2O排放不仅增加温室效应,同时也会导致陆地生态系统氮损失与平流层臭氧消耗。长期以来土壤被认为是陆地生态系统N2O的主要排放源,但近年来越来越多的... 氧化亚氮(N2O)是主要的温室气体之一,对大气环境质量与全球气候变化具有重要的影响。N2O排放不仅增加温室效应,同时也会导致陆地生态系统氮损失与平流层臭氧消耗。长期以来土壤被认为是陆地生态系统N2O的主要排放源,但近年来越来越多的证据表明,植物可能是陆地生态系统N2O排放的另一重要来源。近年来有关植物排放N2O的报道逐年增多,但对植物排放N2O的途径及其调控机制方面还缺乏文献综述。本文首先在总结长期以来人们普遍认为的N2O源与汇的基础上,提出陆地植物可能是另一个尚未被广泛认可的重要的N2O的排放源。植物排放N2O可能有两种潜在途径:1)植物作为土壤中通过微生物产生的N2O的运输通道,2)植物通过自身代谢或内生菌的作用产生N2O并排放到大气中。然后分析了关键因素(养分、光照、温度和植物器官及生长阶段)对植物排放N2O的影响机制。最后指出未来需进一步探明植物体内产生N2O的具体途径及其对全球N2O排放的贡献,重点是探明植物自身的生理生化过程以及与其伴生、共生的微生物在N2O产生中的作用。 展开更多
关键词 植物 氧化亚氮 陆地生态系统 反硝化 氮循环
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土壤氮气排放研究进展 被引量:8
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作者 张志君 秦树平 +2 位作者 袁海静 张玉铭 胡春胜 《中国生态农业学报》 CSCD 北大核心 2018年第2期182-189,共8页
自20世纪初人类发明并掌握工业合成氨的技术以来,氮肥施用量迅速增长。在一部分国家或地区,氮肥的施入量已经超过作物对氮素的需求,导致大量氮素损失到环境中,造成氨挥发、氧化亚氮排放、地下水硝酸盐污染等环境问题。土壤在微生物的作... 自20世纪初人类发明并掌握工业合成氨的技术以来,氮肥施用量迅速增长。在一部分国家或地区,氮肥的施入量已经超过作物对氮素的需求,导致大量氮素损失到环境中,造成氨挥发、氧化亚氮排放、地下水硝酸盐污染等环境问题。土壤在微生物的作用下可以通过反硝化、厌氧氨氧化等过程将活性氮素转化为惰性氮气,达到清除过多活性氮的目的。由于大气中氮气背景浓度太高,因此很难直接准确测定土壤的氮气排放速率,导致土壤氮气排放通量、过程与调控机制研究远远落后于土壤氮循环的其他方面。本文综述了土壤氮气排放主要途径(反硝化、厌氧氨氧化与共反硝化)及其对土壤氮气排放的贡献;测定土壤氮气排放速率的方法(乙炔抑制法、氮同位素示踪法、N2/Ar比率-膜进样质谱法、氦环境法与N2O同位素自然丰度法)及其优缺点;调控土壤氮气排放通量的主要因素(氧气、可溶性有机碳、硝酸盐、微生物群落结构与功能基因表达等)及其相关作用机制。最后指出研发新的测定原位无扰动土壤氮气通量的方法是推进本领域相关研究的关键;定量典型生态系统(如旱地农田、稻田、森林、草地与湿地)土壤氮气排放通量,阐明其中的微生物学机制,模拟并预测土壤氮气排放对全球变化的响应规律是本领域的研究热点与发展方向。 展开更多
关键词 土壤 氮气排放 反硝化 厌氧氨氧化 氧化亚氮排放 氮损失
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碳氮磷化学计量比对土壤有机碳矿化激发效应的影响 被引量:4
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作者 张睿媛 袁丹 +1 位作者 秦树平 胡春胜 《中国生态农业学报(中英文)》 CAS CSCD 北大核心 2023年第8期1311-1321,共11页
土壤有机碳矿化激发效应(priming effects)是指由外源有机物料添加所引起的短期内土壤有机质周转剧烈改变的现象,是影响土壤生态系统碳动态的关键过程之一。尽管激发效应的诱发机制已广为人知,但目前的大多数研究仅考虑了外源有机碳输... 土壤有机碳矿化激发效应(priming effects)是指由外源有机物料添加所引起的短期内土壤有机质周转剧烈改变的现象,是影响土壤生态系统碳动态的关键过程之一。尽管激发效应的诱发机制已广为人知,但目前的大多数研究仅考虑了外源有机碳输入的影响。碳氮磷是土壤生态系统中的基本营养元素,碳氮磷化学计量比通过影响微生物可获得的营养元素的均衡进而调控激发效应的方向与强度。本文总结了碳氮磷化学计量比调控土壤激发效应的相关研究进展,分析了土壤碳周转相关微生物群落结构及活性对不同碳氮磷输入配比的响应机制,总结出“共代谢”“微生物营养挖掘”和“化学计量分解”3种有关碳氮磷化学计量比调控激发效应的机制。未来急需将碳氮磷化学计量比调控土壤激发效应的理论运用于农田固碳减排的生产实践,服务于我国“碳达峰碳中和”“双碳”战略的实施。 展开更多
关键词 激发效应 生态化学计量 土壤有机碳矿化
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畜禽粪便超高温好氧堆肥工程案例 被引量:12
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作者 邢睿智 艾超凡 +5 位作者 王梦怡 唐荣 杨祖沐 秦树平 陈志 周顺桂 《农业环境科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第11期2405-2411,共7页
超高温好氧堆肥是高效、绿色的有机固体废弃物资源化技术,为了弥补超高温好氧堆肥在大规模工程性处理研究中的不足,通过对规模化畜禽粪便超高温好氧堆肥工程案例(处理量300 t·d^(-1))的分析,阐述了超高温好氧堆肥在工程应用中的原... 超高温好氧堆肥是高效、绿色的有机固体废弃物资源化技术,为了弥补超高温好氧堆肥在大规模工程性处理研究中的不足,通过对规模化畜禽粪便超高温好氧堆肥工程案例(处理量300 t·d^(-1))的分析,阐述了超高温好氧堆肥在工程应用中的原理、工艺选择、运行参数以及经济效益。槽式及条垛式规模化畜禽粪便超高温好氧堆肥的最高温度可超过80℃,20~30 d完成堆肥。堆肥结束后,含水率和有机质分别保持在44%和35%左右,EC值为2.9 mS·cm^(-1),水溶性有机碳和水溶性总氮的含量分别保持在3.0 mg·kg^(-1)和0.9 mg·kg^(-1)。此外,腐熟料经过二次加工,可制备为功能性有机肥料。超高温好氧堆肥投资成本小、产品价值高,具有更高的经济效益。目前,已形成的可复制的畜禽粪便循环利用新模式,可为农林残余、生活垃圾、厨房残余等其他有机固废的规模化超高温好氧堆肥处置提供参考。 展开更多
关键词 畜禽粪便 超高温好氧堆肥 超嗜热微生物
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铁膜促进水稻土N_(2)O排放的根际微域反硝化微生物机制解析 被引量:2
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作者 张子娴 刘婷 +1 位作者 秦树平 周顺桂 《环境科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第6期437-447,共11页
稻田是温室气体氧化亚氮(N_(2)O)的主要排放源之一,反硝化作用是引起N_(2)O释放的重要过程,主要由微生物驱动完成,nirK、nirS和nosZ功能基因是反硝化菌的重要生物标志.本研究通过诱导水稻根表形成铁膜,使用N_(2)O直接测定法和基于反硝... 稻田是温室气体氧化亚氮(N_(2)O)的主要排放源之一,反硝化作用是引起N_(2)O释放的重要过程,主要由微生物驱动完成,nirK、nirS和nosZ功能基因是反硝化菌的重要生物标志.本研究通过诱导水稻根表形成铁膜,使用N_(2)O直接测定法和基于反硝化功能基因引物的高通量测序,采用盆栽试验研究了水稻土N_(2)O累积排放浓度、根际土和根内反硝化微生物群落结构的分布变化.Pearson相关分析表明,N_(2)O累积排放浓度与铁膜含量呈正相关,铁膜促进N_(2)O排放.诱导根表形成铁膜后,反硝化微生物的多样性和丰富度提高,具体表现为nirK、nirS和nosZ型OTU增多,nirK型在根内明显增加,而nirS型在根际土中增加.此外,假单胞菌(Pseudomonas)是水稻根际土和根内优势菌属,铁膜提高其丰度,尤其是nirS、nosZ型假单胞菌丰度占比提升更显著.显然,铁膜的形成改变了水稻根际和根内nirK、nirS和nosZ型反硝化微生物的群落结构,进而可能促进水稻土N_(2)O排放. 展开更多
关键词 铁膜 氧化亚氮 水稻土 反硝化功能基因 微生物群落结构
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Denitrification Rate and Controlling Factors for Accumulated Nitrate in the Deep Subsoil of Intensive Farmlands: A Case Study in the North China Plain 被引量:5
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作者 YUAN Haijing qin shuping +3 位作者 DONG Wenxu HU Chunsheng Kiril MANEVSKI LI Xiaoxin 《Pedosphere》 SCIE CAS CSCD 2019年第4期516-526,共11页
Denitrification in subsoil(to a depth of 12 m) is an important mechanism to reduce nitrate(NO3^-) leaching into groundwater.However, regulating mechanisms of subsoil denitrification, especially those in the deep subso... Denitrification in subsoil(to a depth of 12 m) is an important mechanism to reduce nitrate(NO3^-) leaching into groundwater.However, regulating mechanisms of subsoil denitrification, especially those in the deep subsoil beneath the crop root zone, have not been well documented. In this study, soil columns of 0–12 m depth were collected from intensively farmed fields in the North China Plain. The fields had received long-term nitrogen(N) fertilizer inputs at 0(N0), 200(N200) and 600(N600) kg N ha^-1 year^-1. Main soil properties related to denitrification, i.e., soil water content, NO3^-, dissolved organic carbon(DOC), soil organic carbon(SOC),pH, denitrifying enzyme activity(DEA), and anaerobic denitrification rate(ADR), were determined. Statistical comparisons among the treatments were performed. The results showed that NO3^- was more heavily accumulated in the entire soil profile of the N600 treatment, compared to the N0 and N200 treatments. The SOC, DOC, and ADR decreased with increasing soil depth in all treatments,whereas considerable DEA was observed throughout the subsoil. The long-term fertilizer rates affected ADR only in the upper 4 m soil layers. The ADRs in the N200 and N600 treatments were significantly correlated with DOC. Multiple regression analysis indicated that DOC rather than DEA was the key factor regulating denitrification beneath the root zone. Additional research is required to determine if carbon addition into subsoil can be a promising approach to enhance NO3^- denitrification in the subsoil and consequently to mitigate groundwater NO3^- contamination in the intensive farmlands. 展开更多
关键词 denitrifying enzyme activity dissolved ORGANIC CARBON NITRATE leaching soil ORGANIC CARBON SUBSOIL DENITRIFICATION
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