耕作和覆蓋方式對紫色土坡耕地N2O排放的影響

劉海濤，林超文，朱 波，羅付香，朱永群，張建華

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

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耕作和覆蓋方式對紫色土坡耕地N2O排放的影響

劉海濤，林超文*，朱 波，羅付香，朱永群，張建華

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

為明確不同耕作和覆蓋方式兩個因素對紫色土坡耕地玉米農(nóng)田N2O排放的影響，分別對不同耕作方式和覆蓋方式下玉米產(chǎn)量、玉米生育期的徑流和氮素?fù)p失量和施肥后的N2O排放速率進(jìn)行了測定。結(jié)果表明，橫坡壟作并覆蓋秸稈的處理地表徑流為14.4 mm，在所有處理中最小。平作+覆蓋處理的壤中流損失氮量最低，僅為16.0 kg·hm-2，順坡+覆蓋處理的壤中流氮素流失最大，為33.1 kg·hm-2。順坡+覆蓋處理對應(yīng)的N2O排放量最高，為0.8 kg·hm-2，平作和平作+覆蓋處理對應(yīng)的N2O排放量相對較低，分別為0.53和0.56 kg·hm-2。耕作方式和覆蓋方式都對N2O的排放產(chǎn)生影響，其中耕作方式影響程度較低，接近顯著水平(P=0.132)，而覆蓋方式則達(dá)到了極顯著水平(P=0.004)。平作+秸稈覆蓋是最佳的降低N2O排放的耕作方式，橫坡壟作則是最佳的水土保持耕作方式，而順坡壟作則在N2O排放和水土保持方面的效果均不理想，是最不應(yīng)采用的耕作方式。

耕作方式；秸稈覆蓋；N2O；水土流失

N2O是僅次于CO2和CH4的重要溫室氣體，其增溫潛勢在100年尺度內(nèi)是CO2的296倍，CH4的 13倍[1]。N2O在大氣中存留時間長(平均壽命150年)，除產(chǎn)生溫室效應(yīng)外，還會破壞臭氧層，導(dǎo)致地球表面紫外線輻射增強(qiáng)，威脅人類健康[2]。大氣N2O濃度的增加主要來源于農(nóng)業(yè)[3]，其貢獻(xiàn)率占到人類活動產(chǎn)生的N2O總量的2/3以上[4]。據(jù)計算，從1980年到2007年中國農(nóng)田N2O 排放年均增長7.6 %，2007年N2O-N排放量達(dá)到288.4 Gg(1 Gg =1000 t)[5]。影響N2O排放的因素很多，不同氮磷肥種類[6]，氮肥用量[7]，有機(jī)無機(jī)配合施用[8]，各種消化抑制劑等添加劑[9]都會顯著影響土壤的N2O排放。

表1 土壤化學(xué)性質(zhì)

耕作方式和秸稈覆蓋是影響農(nóng)田N2O排放的重要原因。關(guān)于耕作方式對N2O排放的影響主要集中在保護(hù)性免耕和常規(guī)翻耕處理的差異[10-12]。秸稈還田處理研究一般包括地表覆蓋和秸稈與土壤混勻處理[13-16]。不同土壤性質(zhì)，土壤水分條件，溫度等性質(zhì)下，耕作方式和秸稈還田對N2O排放影響效果差異很大[12，17]。壟作和秸稈覆蓋是紫色土地區(qū)常見水土保持措施，其中橫坡壟作和秸稈覆蓋能顯著降低紫色土坡耕地的水土流失[18-19]。針對目前對于紫色土坡耕地不同壟作方式下的土壤N2O排放速率的研究很少，本文對不同壟作方式和秸稈還田方式下紫色土坡耕地N2O排放和水土流失量的進(jìn)行觀測評價，以得到最佳減少N2O溫室氣體排放和水土保持的耕作方式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)布設(shè)在長江上游沱江水系花椒溝小支流的響水灘上段。屬于四川省資陽市雁江區(qū)松濤鎮(zhèn)的響水村、花椒村。地處東經(jīng)104°34′12″～104°35′19″、北緯30°05′12″～30°06′44″，海拔395 m。多年(1957-1985年)年均降雨量為965.8 mm，主要(70 %)分布在6-9月間，最多年1290.7 mm，最少年725.2 mm，其中2014年玉米生育期內(nèi)日降雨分布如圖1所示，該年沒有特大雨強(qiáng)降雨出現(xiàn)，最大降雨出現(xiàn)在6月2日，日降雨量為56.8 mm，其余日降雨量均低于50 mm。生育后期7、8月的降雨量要高于生育早期4、5月。年均溫16.8 ℃，極端最低溫-3.6 ℃，極端最高溫36.5 ℃。供試土壤為遂寧組母質(zhì)發(fā)育的紫色土紅沙土，土壤質(zhì)地輕，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷含量偏低，土壤肥力不高。在試驗(yàn)實(shí)施時的土壤養(yǎng)分含量如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計和田間管理

采取雙因素(耕作方式，秸稈覆蓋方式)隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計，設(shè)置平作、順坡壟作、橫坡壟作、平作+覆蓋、順坡壟作+覆蓋、橫坡壟作+覆蓋共6個處理，各處理重復(fù)3次，共18個小區(qū)。2014年4月2日播種，8月6日收獲。徑流小區(qū)坡度為10°(四川大面積坡耕地坡度), 坡向東西, 小區(qū)面積8 m2(坡長4 m，寬2 m)。小區(qū)四周用磚砌成，下墊面用混泥土，土層厚度60 cm(紫色土大面積土層厚度)，土壤下墊一層10 cm厚的石英砂，保持與土面相同坡度收集地下徑流。小區(qū)坡面下部用集流裝置收集地表徑流。

圖1 2014年玉米生育期日降雨量分布Fig.1 Day precipitation distribution during maize growing season in 2014

順坡壟作：距小區(qū)兩邊0.65 m 處各種1行玉米，共2行，2行共起1 壟; 玉米株距0.25 m，每行16株，共32株。平作：與順坡壟作規(guī)格一致，但不起壟。橫坡種植：在距小區(qū)頂端0.65、1.35、2.65 和3.35 m處各橫坡種植1行玉米，共4行，每2行共起1壟，共起2壟，玉米株距0.25 m，每行8株，共32株。壟作處理順玉米行起10 cm高的壟后兌水施用攻苞肥，平作處理不起壟兌水施用攻苞肥。秸稈覆蓋：在5月15日按3750 kg·hm-2均勻覆蓋小麥秸稈。

試驗(yàn)玉米優(yōu)化施肥量分別是N：300 kg/hm2，P2O5：150 kg/hm2，K2O：75 kg/hm2，肥料選用尿素(N 46 %)、過磷酸鈣(P2O512 %)和氯化鉀(K2O 60 %)。磷肥和鉀肥采用基施的方式兌水窩施，氮肥采用苗肥∶攻苞肥=1∶1的比例兌水窩施。 苗肥施用時間為4月19日，攻苞肥施用時間為6月3日。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

地表徑流養(yǎng)分流失量：每次產(chǎn)流降雨后記錄各小區(qū)地表徑流量，取各小區(qū)徑流液樣品測定N含量。泥沙流失量：每次降雨取1個混合樣，采用過濾烘干法測定含沙量，并計算產(chǎn)沙量。由于泥沙養(yǎng)分含量比較穩(wěn)定，因此，全年每個小區(qū)只取一個混合樣測定泥沙養(yǎng)分含量。壤中流養(yǎng)分流失量：每次產(chǎn)流降雨后記錄各小區(qū)壤中流流量，取各小區(qū)壤中流樣品測定N、含量。

N2O排放通量：采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定土壤N2O排放通量[20-21]。將透明有機(jī)玻璃制成的氣體采樣箱(內(nèi)徑15 cm，高100 cm)罩在安放于田間的底座上，形成一個密閉的氣體空間。分別在罩箱瞬間、15和30 min用50 mL注射器從箱中采氣，通過三通閥轉(zhuǎn)移到氣體袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。每次采樣固定在上午的9:00-11:00，每隔3～4 d采1次樣。氣體樣中N2O濃度由氣象色譜Agilent 7890A分析測定。溫室氣體排放速率計算方程為：

F=dc/dt·h·ρ·273/(273+t)

式中:F為N2O排放速率,μg·m-2·h-1；dc/dt為采樣過程中箱內(nèi)氣體濃度隨時間的變化率，μl·m-3·h-1；h為箱體高度；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O的密度1.964 kg·m-3；t為采樣時箱內(nèi)溫度，℃。本次試驗(yàn)N2O測定在苗肥使用后進(jìn)行，測定周期從4月24日開始，5月10日結(jié)束，共15 d。

土壤溫度：每次取氣體樣時用TDR測定0～5 cm土壤溫度。

本研究采用雙因素方差分析進(jìn)行統(tǒng)計分析，用LSD法來進(jìn)行兩兩統(tǒng)計對比，具體采用SPSS軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量，徑流和氮素流失

如表 2所示，橫坡壟作處理對應(yīng)的產(chǎn)量要高于平作和順坡壟作處理，秸稈覆蓋則顯著降低了玉米的產(chǎn)量。橫坡壟作對應(yīng)的地表徑流量最小，而順坡壟作地表徑流量最大。秸稈覆蓋處理的地表徑流量也要顯著低于未覆蓋秸稈的處理，其中未覆蓋秸稈的順坡處理地表徑流量最大，僅為37.3 mm，橫坡壟作并覆蓋秸稈的處理地表徑流為14.4 mm，在所有處理中最小。各處理壤中流量介于137.5 和150.1 mm之間，不存在顯著性差異。隨地表徑流損失的總氮量很低，介于0.9～1.5 kg·hm-2。隨壤中流損失的總氮量要遠(yuǎn)大于隨地表徑流損失的氮量，其中平作+覆蓋處理的壤中流損失氮量最低，僅為16.0 kg·hm-2，順坡+覆蓋處理的壤中流氮素流失最大，為33.1 kg·hm-2。整體上看順坡處理的壤中流損失量較大，橫坡處理的壤中流損失氮量最低。

表2 不同耕作和覆蓋方式下農(nóng)田玉米產(chǎn)量，生育期徑流和氮素流失

注：不同字母表示農(nóng)田間存在顯著性差異，通過LSDP<0.05檢驗(yàn)，下同。

Note: Values with the same letter do not differ from one another according to the LSD test,P<0.05.The same as below.

圖2 不同耕作和覆蓋方式下施肥后N2O排放速率Fig.2 N2O emission rate under different cultivation and mulching methods treatments

2.2 N2O排放

不同耕作和覆蓋方式對于紫色土N2O排放速率的影響是顯著的，圖 2為施肥后的一段時間內(nèi)N2O排放速率變化。4月19日施肥后，N2O排放速率隨著時間的推移逐漸升高，5月10日的排放量介于275.7～314.1 μg·m-2·h-1。在施肥后的4月25日，各處理之間的N2O排放速率差異并不顯著。隨著時間推移各處理之間的排放速率差異趨于顯著。4月27日，橫坡+覆蓋處理的N2O排放速率最高，達(dá)到102.9 μg·m-2·h-1，平作+覆蓋處理的N2O排放速率最低，僅為26.0 μg·m-2·h-1；4月30的測量結(jié)果，橫坡壟作處理的N2O排放速率最高，為226.7 μg·m-2·h-1，平作處理和平作+覆蓋處理的N2O排放速率最低，分別為120，115.7 μg·m-2·h-1；5月10日，順坡+覆蓋處理的N2O排放速率最高，為373.4 N2O排放速率最高，最低的則為平作處理，僅為247.7 μg·m-2·h-1。將施肥后這一時間段的排放量綜合起來，各處理的N2O總排放量如圖 3所示，順坡+覆蓋處理對應(yīng)的N2O排放量最高，為0.8 kg·hm-2，平作和平作+覆蓋處理對應(yīng)的N2O排放量相對較低，分別為0.53和0.56 kg·hm-2。以耕作和覆蓋方式作為兩個影響N2O排放的因素進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果如表 3所示，耕作方式和覆蓋方式都對N2O的排放產(chǎn)生影響，其中耕作方式影響程度較低，接近顯著水平(P=0.132)，而覆蓋方式則達(dá)到了極顯著水平(P=0.004)。其中耕作方式以平作方式N2O排放量最小，順坡壟作方式N2O排放量最大，覆蓋秸稈處理的N2O排放量要高于未覆蓋處理。

圖3 不同耕作和覆蓋方式下施肥后N2O排放總量Fig.3 Total N2O emission in 15 days after fertilizer application under different cultivation and mulching methods treatments

3 討論與結(jié)論

反硝化作用N2O排放是一個極其復(fù)雜過程，土壤溫度，土壤氮素含量，微生物量，土壤氧化還原電位等均會直接影響N2O的排放量[22-24]。大量研究結(jié)果表明，耕作對N2O的排放既有促進(jìn)也有降低，其中翻耕增加土壤N2O排放的原因是翻耕能改善土壤的透氣透水性，并可能使土壤從厭氧狀態(tài)轉(zhuǎn)向好氧狀態(tài)，加強(qiáng)了氣體在土壤中的遷移擴(kuò)散。免耕增加N2O排放是因?yàn)樵黾油寥罎穸?，增?qiáng)土壤的厭氧環(huán)境，從而促進(jìn)了反硝化作用的進(jìn)行[17]。本研究中平作的N2O排放量相比壟作要低，這可能與土壤的透氣性有關(guān)。壟作由于地表的起伏使得有更多的地表土壤面積去排放N2O。橫坡壟作的N2O排放量要高于順坡壟作處理，可能是因?yàn)轫樒聣抛鞯碾S地表和壤中徑流的氮素?fù)p失量要遠(yuǎn)大于橫坡壟作處理，從而使順坡壟作土壤中的無機(jī)氮數(shù)量要低于橫坡壟作，最終造成橫坡壟作N2O排放量較低。

表3 不同耕作和覆蓋方式對N2O排放總量影響的雙因素方差分析結(jié)果

大量的秸稈還田試驗(yàn)結(jié)果都認(rèn)為秸稈還田能夠增加N2O的排放[13，15]，這與本文的結(jié)果恰好相反。增加N2O排放可能與秸稈的分解量有關(guān)，秸稈分解會增加土壤中微生物的數(shù)量，同時分解出大量的氮素，在這些研究中也觀測到了土壤的硝態(tài)氮含量顯祖提升。而本研究中，秸稈僅僅是覆蓋在地表，生育期內(nèi)腐爛的程度很低，對土壤的礦質(zhì)氮環(huán)境沒有顯著影響，同時秸稈覆蓋阻礙了土壤與大氣的氣體對流，因此在一定程度上降低了N2O的排放。

在本研究中，從降低N2O排放量角度出發(fā)，平作和秸稈覆蓋是最佳的耕作方式，橫坡壟作則是最佳的水土保持耕作方式，而順坡壟作則在N2O排放和水土保持方面的效果均不理想，是最不應(yīng)采用的耕作方式。

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(責(zé)任編輯 李 潔)

Effects of Different Cultivation and Mulching Methods on Nitrous oxide Emission in Slope Purple Soil

LIU Hai-tao, LIN Chao-wen*, ZHU Bo, LUO Fu-xiang, ZHU Yong-qun, ZHANG Jian-hua

(Soil and Fertilizer Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Sichuan Chengdu 610066, China)

The research aims to investigate the effect of different cultivation and mulching methods on Nitrous oxide (N2O)emissions in the purple soil farmland with maize planted. Three cultivation methods included flat cultivation, down slope ridge cultivation and contour ridge cultivation. Two mulching methods included no straw mulching and wheat straw mulching. There were six treatments totally in this trial. The maize yield, runoff, nitrogen loss through the runoff and N2O emission rate was measured. The results were as follows: the runoff in treatment with contour ridge cultivation and straw mulching was the lowest in all of the treatments with the values of 14.4 mm. The treatment with flat cultivation and straw mulching had the lowest subsurface flow nitrogen loss in in all of treatments with the values of 16.0 kg·hm-2, and the treatment with down slope ridge and straw mulching had the highest loss with the values of 33.1 kg·hm-2. The treatment with down slope ridge and straw mulching had the highest N2O emission with the values of 0.8 kg·hm-2. The treatment with flat cultivation and without straw mulching, and the treatment with flat cultivation and straw mulching had less N2O emission than other treatment, with the values of 0.53 and 0.56 kg·hm-2respectively. Both cultivation methods (P=0.132) and mulching methods (P=0.004) had effect on N2O emission. The flat cultivation and straw mulching were the best methods to decrease the N2O emission. Contour ridge cultivation was the best method that had the best soil and water conservation efficiency. Down slope ridge cultivation should not be recommended for high N2O emission and no benefit for soil and water conservation.

Cultivation methods; Straw mulching; N2O; Water and soil loss

1001-4829(2016)07-1579-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.07.014

2015-06-23

四川省財政創(chuàng)新能力提升工程(2013XXXK-013，2015JSCX-029);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503119-03-01)

劉海濤(1986-)，浙江麗水人，農(nóng)學(xué)博士，主要從事土壤水分養(yǎng)分高效利用研究，Tel：86-28-84796435，F(xiàn)ax：86-28-84796435，E-mail：liuht1986@163.com，*為通訊作者。

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