华益瑞助力科研进展 | 南宁师范大学李卓亭课题组在1区Top期刊发表新的相关研究成果

近日，南宁师范大学李卓亭课题组在国际农林科学领域中国科学院SCI一区Top期刊《Agriculture, Ecosystems and Environment》和《Field Crops Research》分别发表了题为“Reducing nitrogen fertilizer applications mitigates N₂O emissions and maintains sugarcane yields in South China（减量施氮可以减少中国南方甘蔗田土壤N₂O排放量并保持甘蔗产量）”和“Carbon dioxide fluxes and carbon budget of a sugarcane ecosystem with straw returning in South China（中国南方秸秆还田下甘蔗生态系统CO₂通量及碳源/汇特征）”的新研究论文。以上两篇论文，李卓亭副研究员均为首作者及通讯作者，南宁师范大学北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室为首完成单位。研究得到了国家自然科学基金项目（31860144）、广西高校引进海外高层次人才“百人计划”项目（6）和八桂学者团队建设经费的资助。

研究依托由南宁师范大学主建的广西金光农田生态系统野外科学观测研究站（生态环境部广西南宁农田站子站），于2019年初，在广西农垦金光农场建立了施氮肥梯度和蔗叶还田/离田大田控制试验（图1），连续观测了甘蔗生长季温室气体排放量（图2，3）、产量、氮素吸收量和含糖量观测研究数据，探明了通过优化氮肥施用量来减少N₂O排放的巨大潜力，核算了氮肥施用量，为广西甘蔗系统减少肥量增效、固碳减排等管理措施的制定提供科学参考。

文章摘要：氮肥施用加上作物秸秆还田和温暖潮湿的气候增加了甘蔗系统的氧化亚氮 (N₂O)排放量。然而，高施氮量对中国甘蔗田N₂O排放的影响及N₂O减排潜力尚不清楚。本研究在广西甘蔗主产区开展了连续3个生长季节的田间试验，处理包括四个施氮肥梯度，分别为常规施氮量500 kg N ha^–1(N500) 和减量施氮300 (N300) 和400 (N400)，以及不施氮 (N0)。测定了N₂O排放量、N₂O和土壤无机氮 (NH₄⁺和NO₃^–)的δ¹⁵N值变化以及产量。结果表明：氮肥施用后4周期间N₂O排放量达到峰值，且N500的峰值极大。土壤N₂O通量极大值发生在土壤 NH₄⁺和NO₃^–含量高、土壤孔隙含水量大 (约60%) 、土壤表面温度高 (约35℃) 时。整个生长季累积N₂O排放量 (1.3 ~ 64.8 kg N ha^–1)和排放系数 (2.6 ~ 11.1%) 均随施氮量的增加而显著增加。N₂O和土壤NH₄⁺和NO₃^–δ¹⁵N值表明，施氮后N₂O的生成以反硝化作用为主，而微生物类型随施氮后时间和施氮量的变化而变化。主成分分析结果表明，反硝化和硝化相关因子分别解释了N₂O通量变化的53.53%和30.53%。与N500相比， N400和N300对甘蔗产量、氮素吸收量和含糖量均没有显著影响。与常规氮肥用量相比，340 kg N ha^–1左右的合理氮肥用量可以在保持甘蔗产量的同时减少65 %以上的N₂O排放。本研究量化了不同施氮量对中国甘蔗系统N₂O排放的影响，强调了通过优化施氮量来减少N₂O排放的巨大潜力，估算了氮肥施用量。

图1 甘蔗氮肥处理田间试验小区布设

图2 不同氮肥施用处理下甘蔗田土壤-大气界面N₂O通量（a）和的累积N₂O排放量（b）在三个甘蔗生长季节（2019-2021年）的变化情况

图3 甘蔗田土壤年累积N₂O排放量和排放系数与施肥氮量之间的指数关系

于2021年，在广西农垦金光农场搭建了10米高的通量塔并安装了涡度相关系统，利用涡动相关和静态箱观测相结合的方法，首报道了我国甘蔗生态系统CO₂通量及其组分 (NEE、Reco和GPP) 的季节和年际变化特征（图4）；解析了其关键影响因子；量化分析了甘蔗生态系统碳收支平衡特征（图5），研究结果可为甘蔗生态系统绿色低碳发展提供科学支撑。

文章摘要：

研究背景：甘蔗（Saccharum officinarum L.）对食糖和生物燃料生产具有重要的生态经济意义，因此，研究甘蔗生态系统中的二氧化碳（CO₂）通量特征对于缓解全球气候变化具有重要意义。中国是世界主要的甘蔗生产国之一。然而，中国甘蔗生态系统的二氧化碳通量和碳收支平衡特征尚不清楚。

研究目的：(1) 观测不同时间尺度上甘蔗生态系统CO₂通量及其组分(NEE、Reco和GPP)的季节和年际变化特征；(2) 明确甘蔗生态系统CO₂通量对环境因子的响应特征，解析其关键影响因子；(3) 量化分析甘蔗生态系统碳收支平衡特征，评估甘蔗生态系统在去除收获蔗茎碳和N₂O排放后是否为净碳汇。

研究方法：采用涡动相关、静态箱原位观测土壤呼吸和N₂O排放相结合的方法，在广西甘蔗主产区的甘蔗田，2021-2023年进行了连续3个甘蔗生长季期间的CO₂通量和环境因子观测。

研究结果：甘蔗生态系统CO₂通量表现出明显的单峰日、季节和年际变化，与环境因子动态和甘蔗生长发育阶段密切相关。大气温度（Ta）和土壤温度（Ts）、净辐射（Rn）、光合光子通量密度（PPFD）和叶面积指数（LAI）是调控CO_2通量动态的重要因子，其次是水汽压饱和差（VPD）。主成分分析表明，能量和水相关因子对CO₂通量变化的贡献率分别为59.20 %和25.63 %。甘蔗生态系统光合参数随生长阶段的不同而变化，主要受生物因子（如LAI）的动态影响。甘蔗生长季总净生态系统CO₂交换（NEE）、生态系统呼吸（Reco）、总初级生产力（GPP）、土壤呼吸（Rs）和地上自养呼吸（Raa）分别为–991 ± 228 g C m^–2, 1,038 ± 69 g C m^–2, 2,027 ± 180 g C m^–2, 518 ± 51 g C m^–2,和519 ± 120 g C m^–2。考虑采收茎秆碳去除量（925 ± 235 g C m^–2）后，生态系统净碳平衡为–67 ± 11 g C m^–2。表层土壤（0–20 cm）有机碳含量在2019 - 2023年间呈增加趋势，这主要是由于每年叶片碳（300 g C m^–2）和根碳（100 g C m^–2）的还田。常规氮肥高投入量（500 kg N ha^–1）导致高N₂O排放量（3.38 ± 1.82 g N m^–2），而减少氮肥投入量（300 kg N ha^–1）大大降低N₂O排放量（0.97 ± 0.25 g N m^–2）。净全球变暖潜势N300（174 ± 141 g CO₂eq. m^–2）远低于N500（1208 ± 792 g CO₂ eq. m^–2）。

结论：能量相关因子（PPFD、Rn、Ta、Ts等）对甘蔗生长季CO₂通量的变化贡献极大。在常规氮肥投入下，中国甘蔗生态系统考虑到收获蔗茎碳去除和N₂O的高排放，总体上是一个净碳源。

启示：中国甘蔗生态系统具有通过优化氮肥配施高效氮肥（如缓释肥、硝化和脲酶抑制剂）和秸秆还田来固定CO₂的潜力。

图4 2021 - 2023年甘蔗生长季日净生态系统二氧化碳交换 (NEE)、生态系统呼吸 (Reco)、总初级生产力 (GPP)和土壤呼吸 (Rs)的动态特征

图5 甘蔗生态系统碳收支平衡特征

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.agee.2024.109250

https://doi.org/10.1016/j.fcr.2025.109744 

文章来源：全球变化与碳氨循环公众号

关于华益瑞：

华益瑞公司有幸为南宁师范大学北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室提供了涡动相关系统观测设备支持和安装调试技术服务。本研究依托南宁师范大学建设的广西金光农田生态系统野外科学观测研究站，拟用来观测农场甘蔗地近地层气象要素变化、地表辐射收支、能量收支和地气间物质通量和湍流通量。该系统具体观测要素包括：近地层空气温度、湿度、风向风速、大气压力、土壤温度、土壤湿度、土壤热通量、感热通量、潜热通量、动量通量、CO₂通量等要素。

华益瑞公司自成立以来，一直致力于为气象、气候、生态、环保等科研应用领域提供高质量的观测方案和技术支持。我们将继续秉承“做懂科研实验的服务者”的景愿，为更多科研单位提供可靠的观测设备和更高品质的技术服务，共同推动我国科研事业的发展！

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