农田土壤是大气氧化亚氮（N₂O）和一氧化氮（NO）的重要排放源。其中N₂O是重要的温室气体，也是破坏平流层臭氧的重要底物；而NO化学活性强，极易被对流层臭氧和氢氧自由基氧化，是大气细颗粒物中硝酸盐形成的前体物质。农田大量氮肥的施用增加了土壤N₂O和NO的排放。东北地区是我国重要的粮食产区之一，该区域60%以上的农田为旱地。前期研究报道该区域农田氮肥利用率不足40%，约20%的氮肥可能通过气态氮的形式损失，但对各含氮气体的损失量、排放的时空动态规律和控制因子仍缺乏了解。此外，目前开展的土壤NO和N₂O排放速率原位观测的研究站点十分有限，且主要采用人工间歇式手动采样法，这种低频率采样不仅忽略了各气体排放的日变化规律，还会错过短时间内的脉冲排放事件（如降雨、灌溉和施肥等），导致气态氮损失的量化具有很大不确定性。
　　基于此，中科院沈阳应用生态研究所稳定同位素生态学团队在辽宁沈阳农田生态系统国家野外观测研究站建立了高频率连续同步测定土壤N₂O和NO排放速率的自动采样和测定系统（图1），对该站点玉米旱田土壤N₂O和NO的排放通量进行了连续两年的观测（2017 - 2019）。研究发现，在第一年，NO和N₂O的排放量分别为8.9和2.4 kg N ha^-1，分别占氮肥施用量的5.9%和1.5%；第二年为2.3 和1.8 kg N ha^-1，分别占氮肥施用量的1.9%和1.2%。排放的年际差别主要受施肥后降雨量和分配差异的影响，第一年排放较高与施肥后长时间干旱有关。生长季内，土壤NO和N₂O的排放呈现相同的季节动态（图2），主要受土壤温度和无机氮含量的控制。此外，该研究还发现春季冻融过程产生的NO和N₂O对全年NO和N₂O的贡献非常有限。该研究指出气候变化（比如干旱）可能增加该区域旱作农田土壤氮素的气态损失（尤其是NO）；长期和高分辨率的观测有助于更好地了解NO和N₂O排放速率的昼夜、季节和年际变化。研究结果有助于加深对农田土壤气态氮损失及其控制因素的理解。
相关研究成果以“Temporal patterns of N₂O fluxes from a rainfed maize field in Northeast China” 和“Interannual and seasonal variabilities in soil NO fluxes from a rainfed maize field in the Northeast China”为题分别于2021年4月22日发表于Frontiers in Environmental Science和2021年5月5日发表于Environmental Pollution。沈阳生态所特别研究助理宿晨霞为第一作者，方运霆研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院前沿重点研究项目、国家自然科学基金委员会和中科院卢嘉锡国际团队等项目的支持。
图1 土壤NO和N₂O排放速率自动采集和测定系统

图2 研究期间土壤温湿度、无机氮含量、NO和N₂O日排放速率的季节变化动态（黑色向下箭头表示施肥日期）