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沈陽生態(tài)所在量化設施大棚生態(tài)系統(tǒng)呼吸和N?O排放方面取得進展
全球設施大棚面積近30年快速增長，2019年已達130萬公頃，中國占比超60%。然而，高強度施肥與頻繁灌溉導致大棚土壤氧化亞氮(N?O)和二氧化碳(CO?)排放量激增，傳統(tǒng)的小尺寸靜態(tài)箱法因空間代表性不足難以捕捉土壤異質性排放特征，而微氣象學方法則受限于大棚起伏的下墊面結構以及大棚通風排放的不連續(xù)性。如何精準量化設施大棚向外排放的溫室氣體(GHG)，成為評估其生態(tài)環(huán)境影響的關鍵難題。
中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所研究團隊突破傳統(tǒng)技術局限，創(chuàng)新性地提出“全棚靜態(tài)箱法”：即將大棚整體視為封閉靜態(tài)環(huán)境，通過監(jiān)測夜間密閉時段大棚內氣體濃度累積來間接推算排放速率。為了驗證該方法，本研究借助兩套自動觀測設備對山東濰坊某大棚進行連續(xù)70天的觀測，對比了棚內土壤GHG排放速率與棚內空氣GHG累積的動態(tài)，驗證了上述方法的可靠性。研究發(fā)現(xiàn)：1)土壤CH?通量很低，可以忽略;土壤CO?和N?O排放通量較大，但因地表的差異化管理而存在高的空間異質性;2)由于溫度的日變化影響，研究建議選擇大棚密閉后的18:00–24:00時間段作為觀測窗口，以精準測算大棚的生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re，即夜間棚內CO?累積速率)與N?O排放。3)對山東濰坊15個大棚的驗證顯示，夜間CO?與N?O線性累積規(guī)律顯著，年均Re和N?O排放分別為17.8±8.0 Mg C ha?1和21.3±19.7 kg N ha?1。由于植物光合作用可回收Re，N?O被確認為是設施大棚直接溫室效應的主要貢獻者。
該研究首次構建的“全棚靜態(tài)箱法”新框架，通過整合棚內GHG排放的空間異質性與晝夜動態(tài)，顯著提升了GHG的量化精度，且操作便捷、易于推廣(夜間通過時間梯度氣袋采樣即可)。初步估算，我國設施大棚N?O-N年排放量達1.68萬噸，占全國農田排放總量的8%，區(qū)域熱點效應突出。以濰坊為例，設施面積僅占耕地20%，卻貢獻59%的N?O排放。
相關成果以Quantifying ecosystem respiration and nitrous oxide emissions from greenhouse cultivation systems via a novel whole-greenhouse static chamber method為題，發(fā)表于環(huán)境領域TOP期刊《Science of the Total Environment》。中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)與穩(wěn)定性同位素技術應用創(chuàng)新組群全智副研究員與博士畢業(yè)生李雪為共同第一作者，全智副研究員與方運霆研究員為通訊作者。研究獲國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金及山東省自然科學基金等項目支持。
圖1我國北方典型設施大棚結構和氣體監(jiān)測裝置截面示意圖(a)，土壤排放自動監(jiān)測靜態(tài)箱擺放俯視圖(b)及觀測相關照片(c)
圖2設施大棚內溫度(a)、濕度(b)及溫室氣體CO?、CH?和N?O濃度動態(tài)變化規(guī)律(c-e)
圖3大棚夜晚CO?和N?O累積速率與土壤溫度的指數(shù)關系(a-b，d-e)以及日變化模擬(c，f)
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