施肥與不施肥措施下小麥田的CO2、CH4、N2O排放日變化特征

李曉密，倫小秀

北京林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，北京 100083

施肥與不施肥措施下小麥田的CO2、CH4、N2O排放日變化特征

李曉密，倫小秀*

北京林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，北京 100083

二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)是對全球氣候變化影響最大的溫室氣體。由于土壤與大氣之間的水熱交換需要一定的傳導平衡時間，因此土壤溫室氣體與溫濕度之間的關系存在不同的表現(xiàn)形式。目前，有關溫室氣體研究多集中于季節(jié)性排放特征，而關于CO2、CH4、N2O的日變化研究卻少見報道。以北京小麥(Triticum aestivuml)農田土壤為研究對象，對施肥和不施肥條件下CO2、CH4、N2O交換通量和氣溫、土壤溫度進行連續(xù)觀測，來探討3種溫室氣體的日變化特征。采用人工靜態(tài)暗箱法對小麥田土壤進行連續(xù)48 h原位觀測，每2 h測定1次，每次蓋箱時間為30 min。氣體樣品中的CO2、CH4、N2O用氣相色譜儀（Agilent 6890A，F(xiàn)ID/ECD）測定。結果表明：施肥與不施肥條件下小麥生育后期麥田土壤CO2、CH4、N2O交換通量具有明顯的日變化特征。土壤表現(xiàn)為CH4的吸收匯、CO2和N2O的排放源。CH4的吸收通量、CO2和N2O的排放通量均表現(xiàn)為施肥區(qū)＞對照區(qū)。CO2、CH4的交換通量的70%以上出現(xiàn)在白天，而施肥區(qū)和對照區(qū)的N2O白天排放通量分別達到全天的81.8%、91.1%。另外，相關性分析表明，CO2、N2O交換通量的日變化與氣溫和5 cm地溫呈極顯著(P＜0.01)或顯著(P＜0.05)的正相關關系，且N2O交換通量日變化與10 cm地溫呈現(xiàn)極顯著的正相關關系，說明溫度是影響CO2、N2O交換通量日變化的重要因素；而氣溫、5 cm地溫、10 cm地溫對CH4交換通量日變化不存在顯著性影響。

溫室氣體；日變化；麥田；施肥措施

由溫室氣體排放增加引起的全球變暖已是國際社會公認的全球性問題。二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)是對全球氣候變化影響最大的溫室氣體(水利部應對氣候變化研究中心, 2008; 李虎等, 2012)。近百年來，中國年平均氣溫上升了0.5～0.8 ℃；從地域分布看，西北、華北和東北地區(qū)氣候變暖現(xiàn)象更為明顯（中國國家發(fā)展和改革委員會, 2007）。華北平原是我國重要的糧食產區(qū)，其農田土壤溫室氣體的吸收與排放對我國估算農業(yè)溫室氣體的排放量、制定合理的農業(yè)減排措施具有重要意義(李迎春等, 2007)。施肥是農業(yè)生產的重要環(huán)節(jié)，關于施肥導致的溫室氣體排放研究，特別是季節(jié)性排放特征已有大量報道(劉運通, 2008; 王立剛等, 2008; 朱小紅等, 2011; 裴淑瑋等, 2012)，而有關CO2、CH4、N2O的日變化研究卻少見報道，由于土壤與大氣之間的水熱交換需要一定的傳導平衡時間(Hillel, 1998)，不同時間尺度(小時、晝夜、月和季節(jié))下溫濕度與土壤溫室氣體之間的關系可能會有不同的表現(xiàn)形式(裴淑瑋等, 2012)，因此，研究不同時間尺度上的溫室氣體排放與氣候環(huán)境因素之間的關系以及溫室氣體相互間關系對溫室氣體研究具有重要的理論意義。

本研究通過觀測施肥和不施肥條件下溫室氣體在小麥(Triticum aestivuml)生育后期的日變化規(guī)律及相關回歸分析，探究了溫室氣體日變化特點及溫室氣體交換通量間的相關關系，以期通過本文為該地區(qū)研究溫室氣體的季節(jié)排放規(guī)律和相關分析提供參考和技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本實驗于2012年在北京郊區(qū)(40°5′N, 116°17′E，海拔40 m)進行，屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，光照充足。平均氣溫14 ℃，年均日照時數(shù)2462.3 h，年均降雨量786.3 mm。試驗地采用冬小麥-夏玉米輪作制度，具有華北平原的典型特點。試驗地土壤為棕壤土，土層深厚，土壤有機碳質量分數(shù)為1.24%，全氮質量分數(shù)為0.13%。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計，分為施肥區(qū)、對照區(qū)2個處理，試驗設3次重復。

供試小麥品種為濟麥20號，基施折合純氮：150 kg·hm-2，P2O5：160 kg·hm-2；K2O：90 kg·hm-2，各處理統(tǒng)一澆拔節(jié)水150 mm，配合澆水施肥區(qū)追施純氮105 kg·hm-2，對照區(qū)不施肥。

1.3 研究指標與方法

根據(jù)小麥生長后期的溫度特點和研究區(qū)氣候特征，通過季節(jié)變化研究(裴淑瑋等, 2012)，采樣時間選取不受降水和施肥等外部因素影響，溫度、土壤含水量等影響因子相對穩(wěn)定的5月初進行連續(xù)48 h觀測，每隔2 h測定1次。氣體收集分析采用靜態(tài)箱-氣相色譜法。靜態(tài)箱由鋁塑板制成(0.5 m×0.5 m×0.6 m)，箱內頂部設置軸流風扇，箱體上方有采樣口?；貌讳P鋼制作，基座于小麥播種期埋入小區(qū)中，底部插入地下10 cm，基座上部設置水槽，用于采集氣體時澆水密封。采氣時通過微量氣體采樣泵(NMP830KNDC，德國)將箱內空氣收集到200 mL帶有聚乙烯涂層的鋁箔采樣袋（大連德霖）中，并密封保存。采樣過程中同時記錄土壤溫度、大氣溫度和大氣壓等參數(shù)。樣品中的CO2、N2O、CH4用氣相色譜儀（Agilent 6890A，F(xiàn)ID/ECD）測定。氣體通量計算是通過氣體濃度隨時間變化來計算單位面積的氣體排放通量。計算公式(方雙喜, 2007)：

1.4 試驗數(shù)據(jù)處理

試驗所得數(shù)據(jù)采用Excel處理、作圖；采用SPSS 18.0做回歸分析。

圖1 施肥與不施肥條件下CO2交換通量日變化Fig.1 Diurnal variation of CO2fluxes under conventional fertilization and no-fertilization treatments

2 結果與討論

2.1 施肥與不施肥措施下麥田CO2、CH4、N2O通量的日變化

施肥與不施肥條件下CO2通量呈現(xiàn)出類似的變化趨勢，具有明顯的日變化特征，晝高夜低(圖1)。大體表現(xiàn)為隨著溫度的升高而升高，但是在中午氣溫達到最高溫度時，通量稍稍下降，呈現(xiàn)不明顯的雙峰形狀，這和劉運通(2008)的研究結果相吻合；施肥區(qū)日排放高峰比氣溫最高值提前2 h出現(xiàn)，這與鄧愛娟等(2009)的研究結果類似，并且施肥區(qū)CO2通量全天中一直高于對照區(qū)。前人研究表明(張中杰等, 2005)：地表溫度影響土壤中微生物的活動，在低于34 ℃溫度范圍內溫度越高，土壤微生物活動越強烈，呼吸作用越強烈，從而影響土壤中CO2的產生。當溫度達到34 ℃，CO2通量略微降低，可能是高溫抑制了CO2產生過程中相關酶的活性。5：30之后，隨著氣溫升高，CO2通量迅速變大。CO2排放高峰主要集中在9：30—15：30，溫度在20～33 ℃，最大通量分別達到144.18、127.70 C μg·m-2·s-1。15：30過后，隨著溫度的降低，CO2通量逐漸降低。在次日5：30通量達到最低值，對照區(qū)和施肥區(qū)CO2排放通量分別是0.61、0.65 C μg·m-2·s-1，這與Shi等(2006)的研究結果相似。

由圖2可以看出，CH4吸收通量具有明顯的日變化軌跡，呈現(xiàn)升高-降低-升高-降低的趨勢，呈大小不同的雙峰形狀，波形與劉運通(2008)的研究結果相似。小麥全天吸收通量平均值表現(xiàn)為施肥區(qū)＞對照區(qū)，分別是-21.26、-17.31 Cμg·m-2·h-1。各處理在5：30之后，CH4吸收通量逐漸升高，在9：30達到第1個峰值；9：30之后，各處理呈現(xiàn)下降趨勢，施肥區(qū)在11：30時出現(xiàn)低谷，通量達到-9.33 C μg·m-2·h-1；11：30之后吸收通量迅速升高，在19：30達到1 d的峰值，-55.23 C μg·m-2·h-1；19：30之后，吸收通量迅速降低。對照區(qū)分別在15：30和17：30達到低谷和高峰，分別是-10.12、-33.50 C μg·m-2·h-1。不同施肥措施下土壤表現(xiàn)為CH4的凈吸收匯，原因是CH4的產生條件在旱地系統(tǒng)中受到了限制，CH4是在極端的還原條件下產CH4微生物活動的產物。旱地土壤具有良好的土壤通透性，土壤有機質分解快，不利于土壤有機碳的累積，不易產生厭氧環(huán)境，因而影響土壤氧化還原電位和產CH4微生物的產生。干燥的土壤中，從空氣中擴散到土壤的氧氣很可能氧化所有傳輸過程中的甲烷。

圖2 施肥與不施肥條件下CH4交換通量日變化Fig.2 Diurnal variation of CH4fluxes under conventional fertilization and no-fertilization treatments

圖3 施肥與不施肥條件下N2O交換通量日變化Fig.3 Diurnal variation of N2O fluxes under conventional fertilization and no-fertilization

圖4 CO2、N2O、CH4日交換通量的晝夜百分比分布Fig.4 The percents of CO2,N2O and CH4fluxes during daytime and night respectively

由圖3可知，5：30到11：30，隨著溫度的升高，兩區(qū)N2O通量迅速升高，這期間土壤溫度較適宜，加之夜間露水凝結使得土壤濕度變大，土壤濕度起決定性作用，此時的濕度有利于土壤微生物活性的提高，從而促進了N2O的產生。施肥區(qū)在11：30達到峰值，對照區(qū)直到15：30才達到最高峰，峰值分別是21.13、22.76 N ng·m-2·h-1。午后隨著氣溫的降低，N2O通量開始下降，施肥區(qū)下降緩慢，而對照區(qū)下降迅速，在第2天5：30時分別達到0.40、0.10 N ng·m-2·h-1的低值。N2O通量呈現(xiàn)出明顯的單峰形狀，這與劉運通(2008)、魏達等(2011)的研究結果相同。

由圖4可知，CO2、N2O、CH4日總通量中以白天所占比例最高，CO2、CH4白天交換通量均占到全天總量的70%以上，而對照區(qū)N2O的白天交換通量竟占到全天總量的91.1%。施肥區(qū)與對照區(qū)的CO2交換通量的日變化具有極顯著性差異，這主要是因為施肥區(qū)小麥生長旺盛，根系呼吸強，并且此時土壤溫度較高，也會促進土壤微生物的呼吸作用，裴淑瑋等(2012)指出，CO2排放通量與作物生長狀況密切相關；而施肥區(qū)和對照區(qū)的CH4和N2O的交換通量日變化不存在顯著性差異，原因可能是施肥后太久，土壤中氮素消耗殆盡，兩區(qū)土壤肥效沒有明顯差異。

2.2 施肥與不施肥措施下溫室氣體相互間的差異性分析

分別對施肥區(qū)和對照區(qū)CO2、CH4、N2O兩兩做相關性分析發(fā)現(xiàn)，兩個區(qū)域內CO2通量與N2O通量均呈顯著性正相關關系，這與Simek等(2004)、劉芳等(2010)的研究結果相同。Baggs等(2003)和Ineson等(1998)研究表明，土壤中高濃度的CO2能促進反硝化反應，而Azam等(2005)發(fā)現(xiàn)，土壤中硝化反應與CO2濃度有關，低濃度的CO2會抑制硝化反應。CO2的累積可以促進土壤中碳、氮循環(huán)(Zak等, 1993; Ross等, 2000)，從而為硝化細菌和反硝化細菌提供反應底物和能量，另外植物的呼吸作用所造成的氧脅迫可以調節(jié)土壤中N2O的生成和消耗，最終影響土壤中整個N素的轉化(Azam等, 2005)。其他研究表明，土壤反硝化過程中，土壤呼吸強度也會增加(Christensen等, 1990; Van等, 1993)。對施肥區(qū)和對照區(qū)的CO2與N2O作回歸模擬得知，CO2與N2O存在指數(shù)相關關系，如圖5所示，回歸方程分別是y=0.4379 e0.0295x，r2=0.6261；y=0.5625 e0.0238x，r2=0.5498。

2.3 施肥與不施肥措施下麥田CO2、CH4、N2O通量日變化與氣溫、地溫的關系

由表1可知，CO2排放通量日變化與氣溫和5 cm地溫呈顯著性正相關，并且施肥區(qū)CO2排放通量日變化與兩者呈現(xiàn)極顯著正相關。但是不管施肥區(qū)還是對照區(qū)的CO2排放通量日變化都與10 cm地溫不存在相關關系。CH4吸收通量日變化與氣溫、5 cm地溫、10 cm地溫均不存在相關關系，說明CH4吸收通量日變化可能受其他因素的影響，而氣溫或地溫對其沒有顯著性影響。N2O排放通量日變化與氣溫、5 cm地溫、10 cm地溫均呈現(xiàn)極顯著性正相關，說明溫度是影響N2O排放通量日變化的重要因素。

圖5 CO2日變化通量與N2O日變化通量關系圖Fig.5 Relationship of daily fluxes variations between CO2and N2O

3 結論

（1）小麥生長后期施肥區(qū)和對照區(qū)的CO2排放通量均具有明顯的日變化，呈現(xiàn)晝高夜低的趨勢；CH4吸收通量的日變化呈雙峰曲線，下午和午夜出現(xiàn)兩個吸收高峰；而N2O排放通量的日變化呈單峰曲線，下午出現(xiàn)排放高峰。

（2）由于觀測近期內沒有降水、施肥及其他外界因素的影響，溫度成為這一時期影響溫室氣體交換通量的決定性因素。本研究表明，日變化中氣溫和5 cm地溫顯著影響著CO2和N2O的釋放過程。但氣溫、地溫對CH4通量日變化不存在顯著性影響。

（3）在施肥區(qū)與對照區(qū)中，CO2通量與N2O通量均呈顯著性正相關關系；數(shù)據(jù)擬合分析知，一定范圍內，N2O通量隨著CO2通量增加呈指數(shù)關系增長。

表1 各處理溫室氣體交換通量日變化與氣溫、5 cm地溫、10 cm地溫的相關性分析Table1 Correlation analysis between greenhouse gas fluxes and atmospheric temperature, soil temperature of 5, 10 cm depth

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Diurnal variations of CO2, CH4and N2O fluxes from wheat land under the treatments of fertilization and no-fertilization

LI Xiaomi, LUN Xiaoxiu*
College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

CO2, CH4and N2O are the most important greenhouse gases on global climate change. Since water-heat exchange between the soil and the atmosphere requires a certain time, there are different relationships between greenhouse gases and soil parameters，such as the temperature and humidity. Currently, researchers have concentrated in the studies of seasonal variations of greenhouse gas emissions, while diurnal variations were rarely reported. This study was conducted to investigate diurnal variations of CO2, CH4and N2O fluxes in the late growth stage of wheat (Triticum aestivuml) under conventional fertilization and no-fertilization treatments from wheat land in Beijing. In this study, artificial static chamber method was used for investigating CO2, CH4and N2O fluxes in situ continuously for 48 hours. The samples were collected every two hours and each time lasted 30 minutes. CO2, CH4and N2O were determined by gas chromatography (Agilent 6890A, FID, ECD), atmospheric temperature and soil temperature were also measured. The results showed that CO2, CH4and N2O fluxes had obvious diurnal variation tracks. Wheat land soil might be a sink of CH4but a source of N2O and CO2. The daily mean fluxes of CO2, CH4and N2O after fertilization were higher than those without fertilization. More than seventy percents of the fluxes of CO2, CH4occurred in daytime. The N2O emission fluxes under both fertilization and no-fertilization treatments during the daytime reached 81.8% and 91.1% respectively．There were highly significant (P＜0.01) or significant (P＜0.05) positive correlations between CO2fluxes and atmospheric temperature, soil temperature of 5 cm depth. Also there were highly significant (P＜0.01 ) positive correlations between N2O fluxes and soil temperature of 10 cm depth, thus the temperature might be a crucial factor in diurnal variations of CO2and N2O fluxes．However, atmospheric temperature, soil temperature of 5 cm and 10 cm depth didn`t impact CH4fluxes significantly.

greenhouse gases; diurnal variation; wheat land; fertilization treatments

X144

A

1674-5906（2014）01-0178-05

李曉密，倫小秀. 施肥與不施肥措施下小麥田的CO2、CH4、N2O排放日變化特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2014, 23(1): 178-182.

LI Xiaomi, LUN Xiaoxiu. Diurnal variations of CO2, CH4and N2O fluxes from wheat land under the treatments of fertilization and no-fertilization [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(1): 178-182.

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（YX2011-14）；國家自然科學基金（51078034；51278051）

李曉密（1988年生），女，碩士研究生，主要從事農田溫室氣體研究。E-mail: lixiaomi0710@126.com；責任作者：倫小秀(1975年生)，女，副教授，主要從事大氣污染化學研究。E-mail:lunxiaoxiu@bjfu.edu.cn

2013-10-11