施肥管理改變對(duì)紅壤性水稻土氧化亞氮排放的影響

王澤浩，尹力初，付薇薇，張瀧丹

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128)

施肥管理改變對(duì)紅壤性水稻土氧化亞氮排放的影響

王澤浩，尹力初，付薇薇，張瀧丹

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128)

利用一個(gè)長達(dá)30年的水稻土長期定位試驗(yàn)，在保證原有定位試驗(yàn)繼續(xù)正常開展的前提下變更部分施肥處理，得到繼續(xù)施用高量有機(jī)肥(HOM)、施用常量有機(jī)肥30年后改施高量有機(jī)肥(N-H)、繼續(xù)施用常量有機(jī)肥(NOM)、施用化肥30年后改施常量有機(jī)肥(C-N)、施用高量有機(jī)肥30年后改施化肥(H-C)、施用常量有機(jī)肥30年后改施化肥(N-C)、繼續(xù)施用化肥(CF)等7種施肥處理，觀測2013～2014年雙季稻輪作周期內(nèi)原有施肥和變更施肥處理后對(duì)土體N2O排放的影響。結(jié)果表明：NOM改為N-C和HOM改為H-C處理，與變更前相比，周年N2O排放的全球增溫潛勢估算分別提高了7.9%和4.7%，而NOM改為N-H和CF改為C-N處理，周年N2O排放的全球增溫潛勢估算分別降低了8.2%和4.1%。

紅壤性水稻土；施肥；氧化亞氮；有機(jī)肥；化肥

氧化亞氮(N2O)是大氣中重要的痕量氣體，雖含量遠(yuǎn)不及二氧化碳，但其與全球變暖和對(duì)流層臭氧的損耗密切相關(guān)[1]，單位質(zhì)量N2O的GWPs(全球增溫潛勢)為CO2的298倍(100年尺度內(nèi))，對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)率達(dá)5%[2]。目前，全球氧化亞氮每年以(0.8±0.2)×10-3mg/kg速度增加[3，4]。通常認(rèn)為稻田是氧化亞氮的主要來源，占氧化亞氮總排放量的60%[5]。我國是水稻生產(chǎn)大國，種植面積及總產(chǎn)量均居世界第一[6]。雙季稻種植區(qū)是水稻生產(chǎn)的主體，種植面積占全國水稻種植面積的66%，產(chǎn)量為全國水稻產(chǎn)量的61.3%[7]。因此，通過評(píng)價(jià)施肥管理對(duì)稻田氧化亞氮釋放的影響，對(duì)進(jìn)一步評(píng)估全球氮循環(huán)和環(huán)境變化具有重大的意義。

氧化亞氮是土壤反硝化的中間產(chǎn)物。一般認(rèn)為，氮肥可以促進(jìn)氧化亞氮的形成與產(chǎn)生[8，9]，其主要原因是氮肥分解為硝化和反硝化過程提供了反應(yīng)底物；施用有機(jī)肥增加土壤有機(jī)碳含量，有機(jī)碳能夠固定土壤速效氮，并促進(jìn)N2O轉(zhuǎn)化為N2的反硝化過程，從而減少N2O的排放[10]。如過量施用氮肥會(huì)導(dǎo)致稻田土壤N2O排放速率增加，相對(duì)于氮素含量相當(dāng)?shù)挠袡C(jī)肥，化學(xué)肥料對(duì)稻田N2O的排放貢獻(xiàn)率更大[11，12]。而與單獨(dú)施用化肥相比，有機(jī)肥無機(jī)肥配施，例如菜餅+化肥、稻稈+化肥、牛糞+化肥、豬糞+化肥等組合都會(huì)降低稻田N2O排放，降低幅度為4%～21%[13，14]。因此，理論上當(dāng)施肥管理改變時(shí)(如單一化肥變更為有機(jī)肥化肥或有機(jī)肥化肥變更為單一化肥)必然會(huì)導(dǎo)致N2O排放速率的降低或增加，但目前對(duì)于變更施肥措施下N2O排放規(guī)律尚缺乏定量的描述。本研究在已有30年歷史的水稻土土壤肥力長期定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過變更施肥管理定量描述紅壤性水稻土氧化亞氮周年的排放規(guī)律，以為推廣和實(shí)行科學(xué)的施肥管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試定位試驗(yàn)

該定位試驗(yàn)位于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，四周及頂部圍有永久性不銹鋼圍網(wǎng)，占地面積128 m2，由3組雙排平行的水泥池組成，半地下式，每排設(shè)6個(gè)小區(qū)，共計(jì)36個(gè)小區(qū)。組內(nèi)中間設(shè)有水槽控制水位，組間及四周設(shè)有2 m深的排水溝。各小區(qū)供試面積1.44 m2，池深1.5 m，底層鋪15 cm厚的卵石與粗砂。供試土壤為第四紀(jì)紅色粘土發(fā)育的水稻土(定位試驗(yàn)開始前一年將耕性紅壤分層填入，然后淹水種稻)。試驗(yàn)從1982年春季開始淹水種稻連續(xù)至今。試驗(yàn)前10年曾設(shè)置了稻—稻—冬閑、稻—稻—綠肥、稻—稻—油菜等3種稻作制處理，但由于冬季不施肥，油菜很難生長，從1993年起統(tǒng)一變更為稻—稻—冬閑。本研究選擇2個(gè)地下水位深度(20與80 cm)以及3個(gè)不同有機(jī)肥施用水平(高量有機(jī)肥(HOM)、常量有機(jī)肥(NOM)、全施化肥(CF))作為試驗(yàn)處理，設(shè)立兩因素多水平的長期定位試驗(yàn)，共6個(gè)處理。各個(gè)處理的重復(fù)數(shù)并不一致，其中20 cm地下水位下的常量有機(jī)肥處理有12次重復(fù)，而80 cm地下水位下的化肥處理及高量有機(jī)肥處理只有3次重復(fù)，其余處理都有6次重復(fù)。定位試驗(yàn)的施肥水平以化肥處理為標(biāo)準(zhǔn)，其施肥量為：每季施N150 kg/hm2，N∶P∶K=1∶0.5∶0.67，N、P、K肥分別以尿素、氯化鉀、過磷酸鈣施入；其中，常量有機(jī)N為化肥N的1/3，高量有機(jī)N為化肥N的2/3。為保持各處理間施肥水平的基本一致，有機(jī)肥處理小區(qū)肥料不足部分用化肥補(bǔ)足。肥料每次均在水稻移栽前一次性施入土壤。

1.2 定位試驗(yàn)的變更

2012年3月，從“常量有機(jī)肥處理”(NOM)和“高量有機(jī)肥處理”(HOM)各隨機(jī)選取3個(gè)小區(qū)，然后統(tǒng)一變更為“化肥處理”(分別為N-C、H-C，其化肥施用量與原來的化肥處理一致)，同時(shí)從“常量有機(jī)肥處理”中隨機(jī)選取3個(gè)小區(qū)變更為“高量有機(jī)肥處理”(N-H)，從“化肥處理”(CF)中隨機(jī)選擇3個(gè)小區(qū)變更為“常量有機(jī)肥處理”(C-N)，其余維持不變，共7個(gè)處理，各3次重復(fù)。其中，各處理的N、P、K養(yǎng)分量與原有長期定位試驗(yàn)保持一致，但有機(jī)肥源統(tǒng)一變更為粉碎過后的玉米(C4作物)秸稈。肥料均在水稻移栽前一次性施入土壤。NOM、HOM、CF變更施肥前土壤有機(jī)碳含量分別為20.46、18.67、14.45 g/kg。在較高生產(chǎn)力水平下紅壤稻田有機(jī)碳平衡值為19.0±1.0 g/kg[15]，由此可判斷供試HOM、NOM水稻土基本培肥，有機(jī)碳達(dá)到平衡，而CF有機(jī)碳處于不飽和狀態(tài)。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 N2O氣體的收集和測定

2013年4月22日至2014年4月11日，采用靜態(tài)箱法進(jìn)行氧化亞氮的采集及測定。采樣箱中不種植水稻。頂箱大小為30 cm×30 cm×10 cm，外面覆有泡沫絕熱材料(用來防止箱內(nèi)溫度上升過快，造成與設(shè)施內(nèi)自然環(huán)境不符的小環(huán)境)；底座高20 cm，每季水稻翻耕施肥后插入犁底層以阻止水稻根系進(jìn)入采樣箱底座。田間移栽水稻后開始采樣，水稻生長期間每周采樣1次，冬季休閑期間每兩周采樣1次，每次采樣于9：00～10：00進(jìn)行。采樣時(shí)，首先將采樣箱置于采樣底座上，并用水密封，然后按0、10、20、30 min的時(shí)間間隔用50 mL注射器從采氣箱中部的采氣孔插入，來回抽動(dòng)5次以便完全混勻氣體。采樣按區(qū)組進(jìn)行，以減少土壤呼吸的日變化影響，同時(shí)測定采樣箱內(nèi)的氣溫和5 cm處土溫。氣體采集后立即帶回實(shí)驗(yàn)室，使用氣相色譜分析儀(GC580)測定樣品中N2O的濃度。檢測器為FID，柱溫150℃，檢測溫度375℃，以N2作為載氣，H2作為燃?xì)?，通過標(biāo)準(zhǔn)氣體和待測氣體的峰面積來計(jì)算待測氣體的濃度，然后計(jì)算N2O的排放通量：

F=ρ×V/A×△C/△t×273/(273+T)

式中：F為排放通量(μg/m2·h)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度，N2O-N的密度為1.977 kg/m3；V是采氣箱內(nèi)有效空間體積(m3)；A為采氣箱覆蓋的土壤面積(m2)；△C為氣體濃度差；△t為時(shí)間間隔(h)；T為采樣時(shí)箱內(nèi)溫度(℃)。

1.3.2 N2O累積排放量

M=∑(Fi+1+Fi)/2×(ti+1-ti) ×2.4

式中：M為土壤N2O累積排放量(g/hm2)；F為N2O排放通量(μg/m2·h)，i為采樣次數(shù)，t為采樣時(shí)間。

1.3.3 田間水面高度測定

于每次采集N2O氣體的同時(shí)，采用20 cm的直尺(最小刻度為1 mm)測定每個(gè)小區(qū)采氣底座區(qū)域的水層高度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

N2O排放通量、季節(jié)排放總量及其全球增溫潛勢估算采用Excel2007進(jìn)行，季節(jié)排放總量的顯著性差異統(tǒng)計(jì)采用DPS v7.5進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥管理改變后N2O排放通量的變化

土壤理化屬性是影響N2O產(chǎn)生與排放的重要因素，其變化相應(yīng)影響到N2O的產(chǎn)生與排放。長期施用有機(jī)肥后，土壤有機(jī)碳達(dá)到平衡，當(dāng)土壤增加或減少有機(jī)碳投入量，打破原有土壤的C/N比，將會(huì)促進(jìn)或抑制N2O的排放。從圖1可知，改長期施用常量有機(jī)肥(NOM)為高量有機(jī)肥(N-H)和化肥后(N-C)，N2O排放通量的峰值和出現(xiàn)時(shí)期均不一致，NOM、N-H、N-C的N2O排放通量峰值為6.51、4.10、7.07 μg/m2·h，分別出現(xiàn)在早稻移栽后56 d、休閑期310 d和早稻移栽后第1天；改長期施用高量有機(jī)肥(HOM)為化肥后(H-C)，HOM、H-C的N2O排放通量峰值為13.24、8.45 μg/m2·h，分別出現(xiàn)在晚稻季移栽后109、133 d；而改長期施用化肥(CF)為常量有機(jī)肥后(C-N)，N2O排放通量出現(xiàn)了3個(gè)排放高峰，且出現(xiàn)時(shí)期均一致，CF、C-N的N2O排放通量峰值出現(xiàn)在早稻季移栽后23 d、晚稻季移栽后144 d和休閑期262 d，3個(gè)排放高峰值分別為8.80和4.63、4.89和12.76、8.75和11.65 μg/m2·h。

田間水分狀況是最主要的一個(gè)影響N2O排放的因素。通過測定不同處理的水層高度動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)：NOM、N-H、N-C的水層平均高度分別為2.84、2.24、4.20 cm；HOM、H-C的水層平均高度分別為1.39、3.31 cm；而CF、C-N的水層平均高度分別為3.75、2.59 cm。相關(guān)分析表明，水層高度與不同處理的N2O排放通量和總排放量的相關(guān)性都不顯著。

圖1 不同施肥處理水稻土N2O排放通量季節(jié)變化Fig.1 The seasonal dynamics of N2O flux from paddy soils in different fertilization treatments注：NOM：常量有機(jī)肥處理；N-H：常量有機(jī)肥改施高量有機(jī)肥處理；N-C：常量有機(jī)肥改施化肥處理；HOM：高量有機(jī)肥處理；H-C：高量有機(jī)肥改施化肥處理；CF：化肥處理；C-N：化肥改施常量有機(jī)肥處理。

2.2 施肥管理變更后N2O季節(jié)排放量和周年排放量的變化

表1可知，長期施用常量有機(jī)肥(NOM)改為高量有機(jī)肥(N-H)和化肥(N-C)后，與NOM相比，早稻季N-H的N2O排放量顯著降低了28.5%、休閑期N-C的N2O排放量顯著增加了64.4%，但處理間周年排放總量差異不明顯。長期施用高量有機(jī)肥(HOM)改為化肥后(H-C)，長期施用化肥(CF)改為常量有機(jī)肥后(C-N)，處理間N2O的季節(jié)排放量和周年排放量均未達(dá)到5%的顯著水平。

通過100年N2O排放的全球增溫潛勢估算表明：長期施用常量有機(jī)肥(NOM)改為化肥后(N-C)和長期施用高量有機(jī)肥(HOM)改為化肥后(H-C)，與變更前相比，周年N2O排放的全球增溫潛勢估算分別提高了7.9%和4.7%，而長期施用常量有機(jī)肥(NOM)改為高量有機(jī)肥(N-H)和長期施用化肥(CF)改為常量有機(jī)肥后(C-N)，周年N2O排放的全球增溫潛勢估算分別降低了8.2%和4.1%，但差異均未達(dá)到5%的顯著水平(表2)。

表1 不同施肥處理稻田N2O季節(jié)排放量和年累積排放量(g/hm2)

注：同一列數(shù)據(jù)后標(biāo)識(shí)小寫字母不同表示差異達(dá)顯著水平(p<0.05)。

表2 施肥管理變更后N2O排放的全球增溫潛勢估算

3 結(jié)論與討論

氧化亞氮(N2O)是僅次于CO2和CH4的重要溫室氣體，其主要來源是土壤排放。N2O主要是由生物反硝化和硝化過程產(chǎn)生，還可能有其它過程參與[16]，形成一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程。氧化亞氮是土壤反硝化的中間產(chǎn)物，反硝化過程隨著水分的增加而加強(qiáng)，且產(chǎn)生的N2和N2O的相對(duì)量因水分狀況而異[17]。土壤肥力影響土壤通透性和水分含量，從而影響土壤中硝化和反硝化作用的相對(duì)強(qiáng)弱及N2O在土壤中的擴(kuò)散速率，也會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率，進(jìn)而影響產(chǎn)生N2O微生物的基質(zhì)供應(yīng)。本試驗(yàn)結(jié)果于變更施肥管理的第2個(gè)周年測定，即使變更施肥管理，原本長期施用常量或高量有機(jī)肥的紅壤性水稻土已經(jīng)培肥，土壤有機(jī)碳含量高，有機(jī)碳能夠固定土壤速效氮，并促進(jìn)N2O轉(zhuǎn)化為N2的反硝化過程，從而抑制甚至減少N2O的排放，同時(shí)來自秸稈腐解過程中產(chǎn)生的化感物質(zhì)(苯甲酸和對(duì)叔丁基苯甲酸)，對(duì)N2O釋放有明顯的抑制作用[18]。而原本長期施用化肥的水稻土，水稻土中總氮和速效氮的含量較高，且土壤有機(jī)碳含量較低，不利于硝化細(xì)菌的生長。因此，施肥管理變更后對(duì)N2O的排放影響較小，有機(jī)肥能降低N2O排放，化肥則能增加N2O排放，但差異均不顯著。

本研究結(jié)果表明，變更施肥管理2年后，對(duì)土壤的N2O年際排放規(guī)律影響較小，有機(jī)肥能降低N2O排放，化肥則能增加N2O排放，但差異均不顯著。水稻土土體N2O排放動(dòng)態(tài)受土壤肥力、土壤水分、溫度等因素的綜合影響。但從維持土壤肥力的角度來看，長期施用有機(jī)肥有利于水稻土有機(jī)碳的保持和提升，改善土壤肥力、土壤通氣性等與土壤質(zhì)地息息相關(guān)的指標(biāo)，而長期施用化肥則正好相反。從30～50年尺度來看，變更施肥管理后，長期施用有機(jī)肥或化肥導(dǎo)致N2O排放減少或增加的排放差值是巨大的。因此，短期內(nèi)(3～5年)，施肥管理的變更對(duì)紅壤性水稻土N2O的影響是細(xì)微的，但長期(30～50年)采用化肥單一施用與增施有機(jī)肥對(duì)水稻土N2O的影響則是顯著的。

[1] Rodhe H.A comparison of the contribution of various gases to the greenhouse effect[J]. Science，1990，248：1217-1219.

[2] International Panel on Climate Change (IPCC).Climate change 2007：Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing [R].2007-11-17.

[3] IPCC.The Scientific Basis：Chapter4，Atmospheric Chemistry and Greenhouse Gases，Third Assessment Report-Climate change 2001[R].Inter Governmental Panel on Climate Change，Cambridge，UK，2001.

[4] IPCC.The Scientific Basis：Technical Summary，Third Assessment Report-Climate change 2001[R].Inter Governmental Panel on Climate Change，Cambridge，UK，2001.

[5] OECD.Environmental indicators for agriculture methods and results[R].Executive Summary，2000.

[6] Cai ZC，Xing GX，Yan XY，et al.Methane and nitrous oxide emissions from rice paddy fields as affected by nitrogen fertilizers and water management[J]. Plant Soil，1997，196(1)：7-14.

[7] 辛良杰，李秀彬.近年來我國南方雙季稻區(qū)復(fù)種的變化及其政策啟示[J].自然資源學(xué)報(bào)，2009，24(1)：58-65.

[8] DeGroot CJ，Vermoesen A，Van Cleemput O.Laboratory study of the emission of N2O and CH4from a calcareous soil[J]. Soil Sci，1994，158：355-364.

[9] Vermoesen A，DeGroot CJ，Nollet L，et al.Effect of ammoniunand nitrate application on the NO and N2O emission out of different soils[J]. Plant and Soil，1996，181：153-162.

[10] 石生偉，李玉娥，李明德，等.不同施肥處理下雙季稻田CH4和N2O排放的全年觀測研究[J].大氣科學(xué)，2011，35(4)：707-727.

[11]鄭循華，王明星，王既巴，等.華東稻田CH4和N2O排放[J].大氣科學(xué)，1997，21(2)：231-237.

[12]Xing GX，Zhu ZL.Preliminary studies on N2O emissions fluxes from upland soils and paddy soils in Chana[J]. Nutrient Cycling in Agro-ecosystems，1997，49：2217-2221.

[13]鄒建文，黃 耀，宗良綱，等.稻田不同種類有機(jī)肥施用對(duì)后季麥田N2O排放的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2006，27(7)：1264-1268.

[14]邢光熹，顏曉元.中國農(nóng)田N2O排放的分析估算與減緩對(duì)策[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2000，16(4)：1-6.

[15]李忠佩，吳大付.紅壤水稻土有機(jī)碳庫的平衡值確定及固碳潛力分析[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2006，43(1)：46-52.

[16]Schuster M，Conrad R.Metabolism of nitricoxide and nitrous oxide during nitrification and denitrification in soil at different incubation conditions[J]. FEMS Microbial Ecol，1992，101：133-143.

[17]田光明，何云峰，李勇先.水肥管理對(duì)稻田土壤甲烷和氧化亞氮排放的影響[J].土壤與環(huán)境，2002，11(3)：294-298.

[18]黃益宗，張福珠.化感物質(zhì)對(duì)土壤N2O釋放影響的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19(5)：479-482.

Effect of Fertilization Changing on Nitrous Oxide Flux in Paddy Soil from Red Soi

WANG Ze-hao，YIN Li-chu，F(xiàn)U Wei-wei，ZHANG Long-dan

(College of Resource and Environment，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China)

Seven treatments were set based a 30-year fertilization experiment in paddy soil，the original high organic material treatment (HOM)，the high organic material treatment reformed from the original normal organic material treatment (N-H)，the original normal organic material treatment (NOM)，the normal organic material treatment reformed from the original chemical fertilizer treatment (C-N)，the chemical fertilizer treatment reformed from the original high organic material treatment (H-C) and the chemical fertilizer treatment reformed from the original normal organic material treatment(N-C)，the original chemical fertilizer treatment (CF)，and the N2O flux from the original and changed treatments during double rice cropping rotation cycle in 2013-2014 was measured.The results showed that：global warming potential estimates of annual N2O emissions in the N-C and H-C was increased by 7.9% and 4.7% compared with NOM and HOM，respectively，while that in the N-H and C-N was decreased by 8.2% and 4.1% compared with NOM and CF，respectively.

paddy soil from red soil；fertilization；N2O；organic fertilizer；chemical fertilizer

2015-03-16

王澤浩(1989-)，男，河南省新密人，碩士研究生，Email：303769555@qq.com。

國家自然科學(xué)基金(41371250)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2012B287)。

S511.06；X173

A

1001-5280(2015)03-0272-05

10.3969/j.issn.1001-5280.2015.03.13