【文献转载】土壤氧化还原电位对温室气体排放的影响

本研究的具体目标是：（i）通过蒸渗仪原位测量氧化还原电位，以确定不同土壤水分饱和状态下的土壤氧化还原电位特性；（ii）研究氧化还原电位变化与氧化亚氮和二氧化碳排放之间的关系，（iii）讨论原位氧化还原测量对研究温室气体排放控制过程的潜力。

图1

图1显示了温室气体排放，氮循环过程，饱和状态和氧化还原电位之间的相互关系。本研究旨在通过一组长期监测的实验室蒸渗仪实验，在水位可控的基础上，更好地了解土壤水分，土壤水势，氧化还原电位以及与温室气体排放相关过程之间的关系。

材料与方法

试验使用EcoTech实验室蒸渗仪（高50cm，直径为30cm），内部土柱的高度约为47cm，通过蒸渗仪与马氏瓶之间的透明管来调整和监控蒸渗仪内的水位。蒸渗仪顶部的气室用于温室气体的周期性测量，通过注射器进行气体采样。使用土壤氧化还原电位测量系统（EcoTech，测量电极为铂电极，参比电极为Ag/AgCl电极）测量氧化还原电位。在土壤表面以下3、11和19 cm处安装三个铂电极，并将带有盐桥的Ag/AgCl参比电极垂直插入蒸渗仪中心的15 cm深的钻孔中。用8个土壤湿度计在3、11、19和35 cm的深度处测量土壤水势（如图2所示）。

图2

共进行5次试验，每次试验耗时一个月，在此期间连续监测水位，土壤水势和氧化还原电位。每次实验开始时，通过将水位提升至土壤表面使得土壤充分饱和。第一次和第二次实验是在没有额外施肥的情况下对原始田间土壤进行的；第二次实验结束后则通过将氮肥溶解在马氏瓶中进行施肥。

在整个试验期间，每天都进行气体样本采集。使用气密注射器在40分钟内每10分钟采集一次气体样品。将每个样品转移到预先制备的玻璃小瓶中，然后分析温室气体浓度。

结果与讨论

图3

土壤氧化还原电位

在土壤饱和状态下，三个土壤深度（-3cm，-11cm，-19cm）的氧化还原电位开始减小，这表明土壤微生物的活动消耗了土壤中的氧气（如图3b所示），但是浅层土壤的氧化还原电位的衰减要比深层土壤的慢，这表明深层土壤中的氧气被消耗得更快，并且三个深度的氧化还原电位的变化范围差异较大，例如在-3cm处的氧化还原电位从450mV增至600mV，而-19cm处的氧化还原电位则从250增至600mV。对于施肥后的三个试验，土壤水势和氧化还原电位也表现出与前两个试验相同的响应（如图4a、b所示）。

图4

二氧化碳的排放

土壤水势的测量值与水位变化表现出密切的相关性，这表明排水过程并未受到阻碍（如图3a所示）。施肥前、后二氧化碳释放量都与土壤水势呈正相关（如图5和表1所示）。施肥前二氧化碳释放量对土壤水势变化的响应与施肥后的类似，因此二氧化碳的释放并未受到施肥的强烈影响（如图4c所示）。

土壤饱和状态下，二氧化碳释放量最低，随着水位的降低，二氧化碳的释放量逐步增加，水位降至-31cm时，二氧化碳释放量达到最大（如图3c所示）。地下水位和土壤水势通过改变土壤微生物土壤氧气利用率和呼吸作用来影响二氧化碳的释放。

图5

氧化亚氮的排放

对于试验1，土壤饱和后的几天内出现氧化亚氮释放量的峰值，然后出现快速的衰减（如图3c所示），这与硝酸根离子通过反硝化过程而被消耗相一致。在试验1中，-3cm处氧化亚氮释放量最高而氧化还原电位最低（如图3c所示），这可能是因为硝酸根离子的逐步消耗造成的。如图3c所示氧化亚氮释放量的峰值出现在氧化还原电位变化之后。氧化亚氮的释放受施肥处理的影响较大。对于试验3-5，当水位低于-19cm，氧化还原电位增加后，立即出现氧化亚氮的释放峰值（如图4a-4c所示）。

表1