優(yōu)化施氮下稻-麥輪作體系土壤N2O排放研究

梁國(guó)慶,周衛(wèi)*,夏文建,王秀斌,孫靜文,李雙來(lái),胡誠(chéng),陳云峰

(1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與養(yǎng)分循環(huán)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,北京100081;2湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥所,武漢430064)

N2O是大氣中僅次于CO2和CH4的第三大溫室氣體,單位分子量N2O的全球增溫潛勢(shì)是CO2的296倍,是CH4的13倍[1],其在大氣中滯留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)120年左右,遠(yuǎn)高于CO2和CH4,且其還是臭氧層破壞的重要參與者。農(nóng)田土壤排放的N2O約占人類(lèi)活動(dòng)排放總量的52%[2]。影響N2O排放的主要因素有肥料的施用、氣候條件、種植制度、土壤理化性質(zhì)等[3-6],化肥投入的增加是農(nóng)田N2O排放增加的主要原因[7-10],Bouwman[11]基于此建立了N2O排放量與施氮量的回歸方程,認(rèn)為外源氮的N2O排放系數(shù)為1.25%,變異范圍為 0.25%～ 2.25%,由于N2O排放同時(shí)受耕作制度和農(nóng)田水熱狀況的影響,進(jìn)一步研究修正為旱地N2O排放系數(shù)1%,變異范圍0.3%～3%,水田N2O排放系數(shù)0.3%,變異范圍0～0.6%,此結(jié)果被聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)推薦用于區(qū)域和全球N2O排放的估算[12]。由于N2O排放受土壤水分、溫度、有機(jī)碳、氮含量、作物種類(lèi)、土壤類(lèi)型等諸多因素影響,導(dǎo)致N2O排放存在巨大的時(shí)空變異,因此IPCC[1]鼓勵(lì)不同國(guó)家采用該國(guó)特定的N2O排放系數(shù)值。

國(guó)內(nèi)已開(kāi)展不同耕作制度、種植體系、氣候及水分管理方式下N2O排放規(guī)律研究[13-16],稻-麥輪作體系由于頻繁的干濕交替被認(rèn)為會(huì)增強(qiáng)土壤N2O排放而受到研究者關(guān)注[17],在長(zhǎng)江三角洲地帶已進(jìn)行了關(guān)于耕作、秸稈殘留和水分管理對(duì)稻-麥輪作體系N2O排放規(guī)律影響的研究[17-19],然而關(guān)于該體系如何合理運(yùn)籌氮肥,提高氮肥利用率,降低N2O排放量的研究較少。為此,本文采用密閉箱法[20]研究N2O排放通量,采用基于作物階段氮素吸收量而增加追肥比例和施氮次數(shù)的氮肥優(yōu)化施用方法,研究湖北稻-麥輪作體系N2O排放特征,旨在為發(fā)展兼顧環(huán)境保護(hù)和農(nóng)田可持續(xù)利用的氮肥高效管理技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)置在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院南湖實(shí)驗(yàn)站,位于長(zhǎng)江中下游平原,屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。年平均日照時(shí)數(shù)為2079.5 h,日平均氣溫≥10℃的總積溫為5189.4℃,年降水量1300 mm,年蒸發(fā)量1500 mm,無(wú)霜期230～300 d。土壤類(lèi)型為黃棕壤發(fā)育的水稻土。主要種植方式為小麥-水稻輪作。播前0—20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量20.69 g/kg,全氮0.864 g/kg,硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別為5.94 mg/kg和13.83 mg/kg,有效 P 20.0 mg/kg,速效 K 158.47 mg/kg,pH 6.3,土壤容重 1.34 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 小麥田間試驗(yàn) 基于該區(qū)域小麥?zhǔn)┑獱顩r進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。按該地目標(biāo)產(chǎn)量4000 kg/hm2以及氮肥利用率 40%計(jì)算,推薦施氮量為N 157.5 kg/hm2[(目標(biāo)產(chǎn)量-無(wú)氮肥區(qū)產(chǎn)量)×形成100 kg子粒的吸氮量/0.4/100],無(wú)氮區(qū)產(chǎn)量1800 kg/hm2,100 kg子粒吸氮量(N)3.0 kg,而該地區(qū)農(nóng)民的習(xí)慣施氮量達(dá)N 225 kg/hm2;同時(shí)發(fā)現(xiàn)苗期～拔節(jié)期,拔節(jié)期～孕穗期,以及孕穗期～成熟期小麥吸氮量大約各占總吸氮量的1/3,而農(nóng)民習(xí)慣施氮處理則是底肥和拔節(jié)肥各半。基于此,試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理:(1)不施氮肥(N0,對(duì)照);(2)習(xí)慣施氮(N225/2,N 225 kg/hm2分兩次施用,基肥與拔節(jié)肥各半);(3)氮肥減量(N157.5/2,N 157.5 kg/hm2分兩次施用,基肥與拔節(jié)肥各半);(4)優(yōu)化施氮(N157.5/3,N 157.5 kg/hm2分三次施用,基肥、拔節(jié)肥和孕穗肥各占1/3)。氮肥為尿素(含N 46.4%),施用方式為基肥撒施后混入土壤,追肥為撒施。各小區(qū)磷、鉀肥用量相同,分別為 P2O5120 kg/hm2和 K2O 105 kg/hm2,品種分別為普通過(guò)磷酸鈣(含P2O517%),氯化鉀(含K2O 60%),小區(qū)面積 8m×7 m,隨機(jī)區(qū)組排列,三次重復(fù)。小麥品種為鄭麥9023,2007年11月5日施氮播種,基本苗210×104株/hm2,2008年3月27日施拔節(jié)肥,2008年4月22日施孕穗肥。田間管理同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田。2008年5月22日收獲。

1.2.2 水稻田間試驗(yàn) 在小麥試驗(yàn)各施肥處理對(duì)應(yīng)的同一小區(qū)上進(jìn)行?；谠搮^(qū)域水稻施氮狀況進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。該區(qū)按目標(biāo)產(chǎn)量6000 kg/hm2以及氮肥利用率40%計(jì)算,推薦施氮量為N 147 kg/hm2[(目標(biāo)產(chǎn)量-無(wú)氮肥區(qū)產(chǎn)量)×形成100 kg子粒的吸氮量/0.4/100],無(wú)氮區(qū)產(chǎn)量3000 kg/hm2,100 kg子粒吸氮量(N)2.1 kg,而該地區(qū)農(nóng)民的習(xí)慣施氮量達(dá)N 210 kg/hm2;同時(shí)發(fā)現(xiàn)苗期～分蘗期,分蘗期～孕穗期,以及孕穗期～成熟期水稻吸氮量大約各占總吸氮量的1/3,而農(nóng)民的習(xí)慣施氮處理則是底肥和分蘗肥各半?；诖?試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理:(1)不施氮肥(N0,對(duì)照);(2)習(xí)慣施氮(N210/2,N 210 kg/hm2分兩次施用,基肥與分蘗肥各半);(3)氮肥減量(N147/2,N 147 kg/hm2分兩次施用,基肥與分蘗肥各半);(4)優(yōu)化施氮(即氮肥減量后移,N147/3,N 147 kg/hm2分三次施用,基肥、分蘗肥和孕穗肥各占1/3)。氮肥為尿素(含N 46.4%),基肥為撒施后混入土壤,追肥為撒施后灌水。各小區(qū)磷、鉀肥用量相同,磷、鉀肥分別為普通過(guò)磷酸鈣(含P2O517%),氯化鉀(含K2O 60%),分別為P2O575kg/hm2和K2O 120 kg/hm2,全部做底肥一次施入。小區(qū)面積8 m×7 m,隨機(jī)區(qū)組排列,三次重復(fù)。水稻品種為II優(yōu)838。2008年6月11日施基肥,6月13日插秧,基本苗20×104株/hm2。氮肥追肥分別為2008年7月23日分蘗肥,2008年8月6日孕穗肥。水肥管理同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田,分蘗肥施用后烤田大約1周。2008年9月22日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

本研究采用密閉箱技術(shù)[20](圖1)。密閉箱由有機(jī)玻璃材料制成,呈長(zhǎng)方體形,分箱體和底座兩部分。箱體尺寸為40 cm×40 cm×100 cm,底座尺寸為45 cm×45 cm×13 cm。箱頂裝有小風(fēng)扇用于混勻密閉箱內(nèi)氣體,箱體底面開(kāi)口。測(cè)定時(shí)將底座封閉嵌入土中10 cm,每個(gè)試驗(yàn)處理小區(qū)內(nèi)分別固定一個(gè)底座,取樣時(shí)將箱體置于底座凹槽內(nèi),凹槽內(nèi)用土密封(水稻生育期有田間水密封),使箱內(nèi)空氣不與外界交換 。分別于 0、5、10、15、20 min 用50 mL注射器采集氣體于氣袋中(化工部大連光明化工研究所生產(chǎn)的鋁膜氣樣袋,100 mL)。采樣時(shí)間主要選擇在作物生長(zhǎng)的主要生育期,在降水或施氮時(shí)增加取氣頻率,每次氣體取樣均在8:00～11:00進(jìn)行,取樣后的3 d內(nèi)完成樣品測(cè)量。同步測(cè)量箱內(nèi)氣溫、土溫(水稻季測(cè)定水溫)。N2O排放通量計(jì)算公式如下:

式中:F 為N2O 的排放通量[N2O μ g/(m2·h)];T為采樣時(shí)箱內(nèi)平均氣溫(℃);P為采樣時(shí)大氣壓(mm Hg),取自試驗(yàn)地附近的自動(dòng)氣象站;P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;ρ為0℃和760 mmHg氣壓條件下的N2O密度(1.25 kg/m3);V為采樣有效空間體積(m3);A為采樣箱覆蓋土壤面積(m2);dc/dt為箱內(nèi)N2O氣體濃度的變化速率[10-9mol/(mol·min)]。

圖1 密閉箱裝置示意圖Fig.1 The sketch picture of closed chamber

采用5點(diǎn)回歸計(jì)算氣體濃度變化速率dc/dt[21]。氣樣N2O的分析采用HP6890型氣相色譜儀,色譜柱為內(nèi)填 80/100目 PorapakQ的不繡鋼柱,柱溫45℃,檢測(cè)器工作溫度380℃,ECD檢測(cè),定量六通閥進(jìn)樣,進(jìn)樣量 1mL,載氣為 5%Ar-CH4,流速 20 mL/min。用標(biāo)氣校正N2O濃度。

小麥季土壤樣品的采集:小麥主要生育期及施肥后第3、7、15 d取0—20 cm層土樣,-20℃冷凍保存,用于測(cè)定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

水稻季田間水樣的采集:水稻主要生育期及施肥后第3、5、7 d取田間水樣,-20℃冷凍保存,用于測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量采用2.00 mol/L KCl提取,流動(dòng)分析儀測(cè)定;土壤pH采用1∶1的土水比,電位計(jì)法測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀采用常規(guī)方法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

N2O排放通量用同一處理3個(gè)重復(fù)的平均值表示。小麥季和水稻季不同施氮處理間N2O排放總量分別做方差分析,最小顯著差異法(LSD)做多重比較;對(duì)作物主要生育期N2O排放通量與同時(shí)期無(wú)機(jī)氮含量進(jìn)行相關(guān)分析。采用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥季土壤N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化

小麥生育期土壤N2O排放受施氮影響,在施氮后3～7 d出現(xiàn)N2O排放峰,其后一段時(shí)間N2O排放通量明顯較不施氮處理高,N2O排放大致持續(xù)15 d,到25 d各處理接近不施氮處理(圖2)。不施氮肥、習(xí)慣施氮、氮肥減量和優(yōu)化施氮處理N2O排放通量范圍分別為N2O 14.2～ 159.2、33.8～ 471.8、29.0～ 425.6、27.3～ 382.5 μ g/(m2·h)。基施氮肥后,習(xí)慣施氮、氮肥減量和優(yōu)化施氮的峰值分別是N2O 468.3 、380.5 、382.5 μ g/(m2·h)。 拔節(jié)期追施氮肥出現(xiàn)的峰值在播種后 146 d,三個(gè)處理分別為N2O 471.8、425.6、380.0 μ g/(m2·h)。孕穗期只有優(yōu)化施氮處理追施尿素 ,其峰值為 N2O 362.4 μ g/(m2·h)。N2O排放通量峰值隨氮肥施用量減少而降低,基肥和拔節(jié)肥施用后15 d內(nèi)具有較高的排放通量,優(yōu)化施氮處理明顯降低了N2O排放峰值。

2.2 水稻季N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化

圖2 小麥季土壤N2O排放通量動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Temporal variation of N2O emission flux in winter wheat field

水稻季N2O排放通量在田間淹水時(shí)期基本測(cè)不出,僅在田間落干時(shí)期能檢測(cè)到較高的排放峰。不施氮肥、習(xí)慣施氮、氮肥減量和優(yōu)化施氮處理N2O排放通量范圍分別為N2O 15.4～ 154.6、36.5～759.4、22.6～ 543.1、14.6～ 467.2 μ g/(m2·h)(圖 3)。由于當(dāng)?shù)厮终舭l(fā)量較大,每次施氮后第3 d田間幾乎無(wú)水,均能檢測(cè)到N2O的一個(gè)較大排放值。基施氮肥后,習(xí)慣施氮、氮肥減量和優(yōu)化施氮處理的排放峰值分別是 N2O 628.3 、463.3、306.2 μ g/(m2·h),分蘗肥施用后的烤田期習(xí)慣施氮、氮肥減量和優(yōu)化施氮處理其峰值分別達(dá)到了 N2O 759.4、543.1、467.2 μ g/(m2·h),同時(shí)不施氮處理也出現(xiàn)排放峰 ,達(dá)到N2O 154.6 μ g/(m2·h)。孕穗期只有優(yōu)化施氮處理追施尿素,其排放通量峰值為N2O 387.9 μ g/(m2·h)?？梢?jiàn),水稻季N2O排放通量隨施氮量降低而降低,優(yōu)化施氮對(duì)該過(guò)程有顯著影響。

圖3 水稻季土壤N2O排放通量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Temporal variation of N2O emission flux in rice field

2.3 小麥季耕層土壤無(wú)機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)變化與N2O排放的關(guān)系

小麥季不同生育期表層土壤銨態(tài)氮隨施氮不同而變化。苗期和拔節(jié)期各處理銨態(tài)氮含量為習(xí)慣施氮＞氮肥減量＞優(yōu)化施氮,孕穗期優(yōu)化施氮處理銨態(tài)氮濃度最高,其次為習(xí)慣施氮,氮肥減量處理與對(duì)照差異不顯著。苗期～返青期的硝態(tài)氮變化規(guī)律與銨態(tài)氮一致(圖4)。

土壤N2O排放通量與土壤無(wú)機(jī)氮含量之間的相關(guān)分析(圖5)表明,土壤N2O排放通量與土壤銨態(tài)氮、土壤硝態(tài)氮或土壤無(wú)機(jī)氮總量之間均呈顯著正相關(guān)。表明土壤無(wú)機(jī)氮含量是影響小麥季土壤N2O排放通量的主要因素之一?？紤]到土壤無(wú)機(jī)氮含量的測(cè)定時(shí)期主要是在施氮后一周左右,土壤無(wú)機(jī)氮含量的變化顯然主要是因施氮不同引起的。

圖4 小麥不同生育期表層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamics of NH+4-N and NO-3-N contents in soil during wheat growing season

圖5 N2O排放通量與土壤無(wú)機(jī)氮之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between N2O flux and inorganic nitrogen content

2.4 水稻季田間水中無(wú)機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)變化與N2O排放的關(guān)系

整個(gè)水稻生育期田間水中銨態(tài)氮變化不大,變化范圍在3.26～5.12 mg/kg(圖6)。前期習(xí)慣施氮處理比其它處理略高,孕穗期僅優(yōu)化施氮處理施用了氮肥,銨態(tài)氮濃度為4.12 mg/kg,為各處理中最高。田間水中硝態(tài)氮含量較低,僅在施氮后0～15 d能檢測(cè)到,變化范圍為0～2.20 mg/kg。由于孕穗期僅優(yōu)化施氮處理施用了氮肥,硝態(tài)氮濃度為0.71 mg/kg,其余處理硝態(tài)氮含量均未測(cè)出。整個(gè)水稻生育期習(xí)慣施氮和減量施氮田間水無(wú)機(jī)氮含量表現(xiàn)出一直下降的趨勢(shì),而優(yōu)化施氮各個(gè)時(shí)期均較為穩(wěn)定。

水稻季N2O排放通量與田間水中無(wú)機(jī)氮含量之間的相關(guān)分析(圖7)表明,N2O排放通量與田間水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量或無(wú)機(jī)氮總量之間均呈顯著正相關(guān)。

圖6 水稻季不同生育期田間水樣銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamics of NH+4-N and NO-3-N contents in field water during rice growing season

圖7 N2O排放通量與田間水中無(wú)機(jī)氮含量間的關(guān)系Fig.7 Relationship between N2O flux and inorganic nitrogen contents in field water

2.5 水稻-小麥輪作制度下N2O排放量

長(zhǎng)江中下游小麥-水稻輪作體系中土壤N2O排放主要發(fā)生在小麥季。小麥季土壤N2O排放量隨氮肥施用量降低而降低,整個(gè)小麥生育期不同施氮處理土壤N2O排放量范圍為N2O 3.77～ 4.84 kg/hm2,不施氮對(duì)照達(dá)2.43 kg/hm2,可見(jiàn)土壤本身具有較高的排放背景值,肥料氮通過(guò)N2O排放的損失率為0.54%～0.74%。水稻季土壤N2O排放量為N2O 0.89～2.45 kg/hm2,肥料氮通過(guò)N2O排放的損失率為0.39%～0.47%(表1)。從N2O排放總量及肥料氮的損失率分析,盡管第2次追施氮肥可引起N2O排放峰,但總的看來(lái)優(yōu)化施氮能降低稻-麥輪作全生育期的土壤N2O排放量。

表1 小麥-水稻輪作體系N2O排放量Table 1 N2O emission in wheat-rice rotation system

3 討論與結(jié)論

N2O排放存在明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。周再興[22]研究了華東稻-麥輪作農(nóng)田認(rèn)為N2O排放具有“冬季無(wú),水田少,旱地多”的季節(jié)變化特點(diǎn),尤其以旱地階段排放為主,土壤水分狀況和溫度共同決定著N2O排放的季節(jié)變化形式。濕地中N2O排放受水溫、水位、TOC、植被等影響[23]。本文在長(zhǎng)江中下游地區(qū)的研究結(jié)果表明,不同氮肥用量呈現(xiàn)相似的季節(jié)性變化規(guī)律。小麥-水稻輪作體系中土壤N2O排放主要發(fā)生在小麥季(表1),且小麥基肥期(苗期)和拔節(jié)期具有較高的排放通量。基肥期小麥處于苗期其氮素需求弱,N2O排放通量較高,隨后越冬期間N2O排放通量較低,這與冬季溫度較低有關(guān)。水稻季N2O排放量主要發(fā)生在分蘗肥施用后的烤田時(shí)期,此結(jié)果與前人認(rèn)為稻-麥輪作體系以旱地階段排放為主的結(jié)論一致。

水分狀況是影響土壤N2O排放的重要因素。土壤中N2O的產(chǎn)生主要源于微生物參與下的硝化和反硝化過(guò)程,土壤含水量很低或長(zhǎng)期持續(xù)淹水等極端條件均不利于硝化和反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)[24-25]。稻-麥輪作農(nóng)田每個(gè)重要的N2O排放峰都發(fā)生在田間水分狀況發(fā)生劇烈變化的時(shí)候[22]。Lu[26]發(fā)現(xiàn)降水是估算N2O排放量的重要因子。水稻季N2O排放主要集中在非淹水階段,田間持續(xù)淹水期N2O排放很低,中期烤田時(shí)期是N2O排放的關(guān)鍵時(shí)期[15,27-28]。本文研究中,小麥基肥施用后15 d內(nèi)由于受播種前持續(xù)一周的降水影響有較高排放通量(圖2),水稻分蘗肥施用后的烤田期間各處理均出現(xiàn)N2O排放高峰(圖3),可見(jiàn)在田間水分發(fā)生急劇變化的時(shí)期容易引起N2O排放高峰,該階段即使是不施氮處理N2O排放通量也有所增加(圖2、圖3),研究結(jié)論與前人結(jié)果一致。

氮肥運(yùn)籌是影響土壤N2O排放的重要因素。氮肥的施用引起N2O季節(jié)性排放[29],項(xiàng)虹艷[30]在四川盆地紫色土玉米上的研究發(fā)現(xiàn),兩次施氮均引起較明顯的排放峰。馬靜[13]在江蘇麥季的研究發(fā)現(xiàn),N2O排放主要在播種～返青期,占麥季總排放量的75%,小麥季施氮也集中在該時(shí)期,N2O排放量與氮肥用量呈線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系[1-2]。Hellebrand[31]通過(guò)不同肥料水平上研究發(fā)現(xiàn)N2O排放通量與土壤硝態(tài)氮濃度相關(guān)。本文研究也發(fā)現(xiàn),小麥季和水稻季每次施氮后也均會(huì)產(chǎn)生N2O排放通量高峰。小麥季施氮后0～15 d N2O排放量占總排放量的62.79%～66.72%,水稻季施氮后0～15 d占總排放量的87.97%～93.14%。針對(duì)小麥基肥施用后的苗期階段和水稻分蘗肥后的烤田期N2O排放較高,通過(guò)分次施氮的優(yōu)化施氮處理降低了該時(shí)期的氮肥用量,從而降低了該時(shí)期N2O排放量?？梢?jiàn),基于作物階段氮素吸收增加追肥比例和施氮次數(shù)的優(yōu)化施氮能降低稻-麥輪作全生育期的土壤N2O排放量,是理想的氮肥施用方式。

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