极端降雨条件下表层土与深层土中N2 O、CO2 和CH4 的差异化响应机制及其对温室气体排放的启示

针对土壤不同层次温室气体（GHG）动态对地表排放的影响机制不明的问题，研究人员通过土壤柱实验，揭示了极端降雨下表层土与深层土中N2 O、CO2 和CH4 的浓度差异及扩散规律，发现深层土贡献了11.1–17.6%的CO2 累积排放量，为精准预测农业GHG排放提供了新依据。

　　

论文解读：

在全球气候变化背景下，农业活动贡献了约60%的人为N₂
O排放和23–30%的CO₂
排放，其中土壤层温室气体（GHG）动态是影响地表通量的关键。然而，传统研究多聚焦于表层土壤（0–20 cm），对深层土壤的贡献认知不足。近期证据表明，超过40%的GHG排放源自20 cm以下土层，但极端降雨事件如何通过改变水分和氧气（O₂
）分布来调控不同土层的N₂
O、CO₂
和CH₄
动态仍不明确。这一知识缺口限制了农业GHG排放模型的准确性。

为解决上述问题，中国国家农业生态实验站的研究团队在黄土高原典型旱作农业区开展了一项创新性土壤柱实验。研究通过模拟75 mm（极端）和10 mm（常规）降雨事件，结合高频监测土壤O₂
浓度、硝态氮（NO₃
^–
-N）和溶解性有机碳（DOC）等指标，首次系统量化了不同土层GHG的扩散通量及其驱动机制。

关键技术方法
研究采用分层土壤柱（0–20 cm为表层土，20–40 cm为深层土）模拟自然剖面，通过温湿度传感器实时监测环境参数，利用气相色谱分析N₂
O、CO₂
和CH₄
浓度，并基于气体扩散模型计算层间通量。实验设计包含两种降雨强度处理，每组重复3次。

研究结果

1. 土壤水分与O₂
浓度动态
极端降雨使表层土与深层土湿度同步波动，而常规降雨下二者呈分化趋势。深层土O₂
浓度（15.1–15.3%）显著低于表层土，形成短时缺氧微环境。

2. N₂
O的层间差异
表层土N₂
O峰值浓度较深层土高23.8%，主要归因于其更高的NO₃
^–
-N含量（53.6–57.8 vs. 31.2–42.2 mg kg^?1
）。氮肥施用导致N₂
O向深层扩散（0.0299–0.0581 kg ha^?1
）。

3. CO₂
排放特征
深层土CO₂
浓度比表层土高7.4–25.0%，极端降雨使差异扩大3.4倍。深层土贡献了11.1–17.6%的降雨期累积排放量。

4. CH₄
的均质化分布
CH₄
浓度在土层间无显著差异，表明其产生与消耗过程在剖面上达到平衡。

结论与意义
该研究揭示了土壤GHG排放的“立体驱动”机制：表层土N₂
O脉冲式排放受NO₃
^–
-N和O₂
共同调控，而深层土CO₂
的持续释放与水分渗透深度密切相关。极端降雨通过改变层间扩散路径，使深层土贡献率提升至常规条件的3倍以上。这些发现发表于《CATENA》，为构建多土层GHG模型提供了实证基础，对优化农业管理措施以应对气候变暖具有重要指导价值。