农作物秸秆还田是一种常见的农田管理措施，在维持和增加土壤有机碳含量、提高农田土壤肥力和功能方面具有重要意义。同时，秸秆还田通过为微生物活动提供易于获得的碳、氮来源，以及改变土壤结构、气体扩散、土壤湿度等方式显著影响土壤氧化亚氮（N2O）排放。因此，阐明秸秆还田对原位土壤中N2O排放的不同影响机制对于农田土壤N2O减排至关重要。然而，目前关于秸秆还田对N2O排放的影响仍存在争议，尤其是田间原位条件下，其潜在作用机制尚不明晰。
基于此，中国科学院沈阳应用生态研究所稳定同位素组依托北京上庄实验站不同碳氮投入长期定位试验，系统监测了不同施氮量（不施氮N0、传统施氮量Ncon、优化施氮量Nopt）和秸秆管理措施（还田、不还田）下的土壤基质氧气（O2）和N2O浓度动态变化，并对施肥和降雨事件引发大量N2O排放的“热点时刻”进行了高频的N2O通量测定。此外，结合可视化平面光极室内培养实验，揭示了秸秆还田在不同尺度下对土壤O2动态与N2O排放的差异性影响。结果发现：在高氮投入条件下（Ncon），秸秆还田可以增加32.7%的N2O累积排放量，但在优化施氮条件下（Nopt），秸秆还田对N2O排放量并无显著影响（图1）。“热点时刻”期间的N2O排放量高达总排放量的80%，是农田N2O排放的关键阶段。针对“热点时刻”的田间原位O2含量监测与平面光极实验结果显示，长期秸秆还田通过增加土壤孔隙度，提高了土壤O2含量，改善了通气条件，从而在优化施氮的条件下显著减少了N2O排放（图2）。然而，在氮底物充足的情况下，秸秆还田可通过促进瞬时厌氧微域的形成，刺激反硝化作用，进而增加N2O排放（图3）。
研究揭示了秸秆还田对土壤O2动态的“双重作用”：在瞬时微尺度上，秸秆还田加速了土壤O2的消耗；而在长期宏观尺度上，秸秆还田通过增加土壤孔隙度，改善土壤的通气状态。这一双重作用机制有效解释了秸秆还田对N2O排放的差异性影响，进一步强调了优化氮肥施用量对于减少农田土壤N2O排放的重要性。
图1 秸秆还田对不同施氮量条件下N2O排放影响存在差异
图2 “热点时刻”田间原位土壤O2含量和N2O浓度分布
图3 添加铵态氮（a）、铵态氮和秸秆（b）和秸秆（c）的土壤微域O2动态
研究结果以“The divergent role of straw return in soil O2 dynamics elucidates its confounding effect on soil N₂O emission”为题于2024年10月发表在Soil Biology and Biochemistry 期刊。中国科学院沈阳应用生态研究所助理研究员魏欢欢，特别研究助理李玥为共同第一作者，吴迪研究员、巨晓棠教授（海南大学）为共同通讯作者，朱堃副教授（中国农业大学）为本研究的共同合作者。该研究得到了国家自然科学基金（基金号：42377291、41830751）、国家重点发展计划（2023YFD1500301）等资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2024.109620
