不同施氮水平下乙草胺對(duì)土壤溫室氣體排放的影響

陳靜蕊

摘 要：在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下，研究土壤中不同尿素氮肥用量添加乙草胺對(duì)土壤溫室氣體CO2、N2O和CH4排放過程的影響。試驗(yàn)設(shè)7個(gè)處理，分別為氮用量0、75、150和300mgN·kg-1以及氮用量75、150、300mgN·kg-1+乙草胺（10mg有效成分）處理。結(jié)果表明，氮肥用量為0、75和150mgN·kg-1時(shí)，培養(yǎng)期間其N2O的排放總量無差異；用量為300mgN·kg-1時(shí)，顯著增加土壤中N2O的排放量（p<0.05）。與不施氮處理相比，氮用量為75mgN·kg-1時(shí)，顯著降低了土壤CO2的排放量；用量為150mgN·kg-1時(shí)，影響不顯著；用量為300mgN·kg-1時(shí)，顯著增加了CO2的排放量（p<0.05）。氮肥用量為75和150mgN·kg-1時(shí)，乙草胺對(duì)土壤N2O和CO2排放總量的影響不顯著；氮肥用量為300mgN·kg-1時(shí)，乙草胺顯著降低了土壤N2O和CO2排放總量（P<0.05），分別比不施乙草胺處理降低33.9%和11.6%。不同氮肥和乙草胺用量對(duì)CH4排放量均沒有明顯影響?？梢?，除草劑施用對(duì)高氮肥用量條件下土壤溫室氣體具有顯著的減排效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：乙草胺；氮肥用量；土壤；溫室氣體

中圖分類號(hào) S154.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）01-0010-04

Abstract：In order to assess the effects of acetochlor on greenhouse gas emission in soil with different urea nitrogen application rates，an incubation experiment was conducted under laboratory condition with 7 treatments including nitrogen （0，75，150 and 300 mgN·kg-1），nitrogen （75，150 and 300 mgN·kg-1） + acetochlor （10 mg·kg-1，active ingredient）.The results showed that nitrogen was no significant effect on N2O emission at 75 and 150 mgN·kg-1 nitrogen concentration treatments.When the nitrogen concentrate increased to 300 mgN·kg-1，the total amount of N2O emission increased significantly.Compared with the 0 mgN·kg-1 nitrogen concentrate treatment，the CO2 emission was significant negative effect when the nitrogen concentrate was 75 mgN·kg-1；no significant effect at 150 mgN·kg-1 and significantly increased at 300 mgN·kg-1 concentration treatments.The acetochlor had no effect on soil CO2 and N2O emission under 75 and 150 mgN·kg-1 nitrogen concentration treatments，but showed significant negative effect at 300 mgN·kg-1 nitrogen concentration treatments，compared with urea treatment it reduced the N2O and CO2 emission 33.9% and 11.6% respectively （P<0.05）.Both the nitrogen concentration and acetochlor showed no significant differences on CH4 emission.

Key words：Acetochlor；Nitrogen fertilizer rates；Soil；Greenhouse emission

除草劑作為世界上用量最大的農(nóng)藥品種，2008年其在我國的施用面積已高達(dá)7×107hm2，并以每年200萬hm2的速度不斷擴(kuò)大[1]。除草劑的大量施用使其直接或間接地進(jìn)入到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，對(duì)現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境造成了很大的影響。就目前的研究而言，絕大多數(shù)的除草劑施用后都對(duì)土壤微生物的種群數(shù)量和活性產(chǎn)生較大影響[2-3]。土壤中的溫室氣體的產(chǎn)生和排放主要是由微生物參與的碳氮轉(zhuǎn)化過程，除草劑的長期施用勢(shì)必會(huì)通過影響土壤微生物的活性與多樣性進(jìn)而影響CO2、N2O和CH4的產(chǎn)生及排放[4-5]，且不同的除草劑品種對(duì)溫室氣體排放的影響不同[6]。

近些年來隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，我國化肥使用量持續(xù)迅速增加[7]。不少研究表明，在不同的施氮水平下，土壤的酶活性、碳氮轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物的活性和種群數(shù)量[8-9]等均存在較大差異，這有可能會(huì)導(dǎo)致這些相關(guān)微生物對(duì)除草劑施用的響應(yīng)也產(chǎn)生一定差異。然而，針對(duì)不同施氮量條件下，除草劑施用對(duì)土壤溫室氣體排放的影響情況還幾乎未見相關(guān)的研究報(bào)道。因此針對(duì)不同的氮肥施用濃度下開展除草劑對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響的相關(guān)研究十分必要，可以為除草劑和氮肥的施用效應(yīng)和安全施用評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。因此，本研究選擇了我國最廣泛使用的除草劑品種乙草胺開展這方面研究，可為土壤溫室氣體排放的估算和農(nóng)藥的安全使用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 選用當(dāng)前農(nóng)業(yè)上常用的除草劑乙草胺（杭州慶豐農(nóng)化有限公司50%乙草胺乳油）為研究對(duì)象，氮肥為普通尿素（N46%）。供試土壤取自福州市郊菜田土，土壤類型為灰泥土，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.30g·kg-1、全氮質(zhì)量為1.65g·kg-1、堿解氮質(zhì)量為123.70mg·kg-1、土壤容重為1.22g·cm-3、pH5.6。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)7個(gè)處理，0、75、150和300 mgN·kg-1四個(gè)氮水平（尿素態(tài)氮）處理，分別用N0、N1、N2和N3表示；以及75、150和300mgN·kg-1+乙草胺處理，分別用HN1、HN2和HN3來表示。乙草胺的用量為10 mg·kg-1（折純）。

野外采回的新鮮土壤微風(fēng)干，過2mm篩，稱取折合150g烘干土的微風(fēng)干土，裝入體積300mL的廣口瓶中。肥料和除草劑均先按比例混合溶于水后定量加入，使土壤水分含量達(dá)到體積含水量的60%。然后用封口膜封口，保持瓶內(nèi)外自由通氣，在28℃下恒溫好氣培養(yǎng)。

在取樣前1d，揭開封口膜，用帶有2根玻璃管的軟木塞塞住瓶口，密封，2 根玻璃管分別接1段硅膠管，其中1根接上三通閥，然后密封2根通氣管。檢查密封情況，如有漏氣及時(shí)密封。培養(yǎng)24h后抽取氣樣，取樣時(shí)將20mL塑料針筒接上三通閥瓶，打開閥門，來回推拉混勻幾次，抽取瓶中20mL氣體注入18mL的真空玻璃瓶中供分析用。分別在培養(yǎng)的第1、2、4、8、12、16、20、26、32、38、44d取樣。

1.3 實(shí)驗(yàn)測定方法 氣體樣品分析應(yīng)用經(jīng)中國科學(xué)院大氣物理所改裝過的美國Agilent公司生產(chǎn)的GC7890A測定，N2O氣體樣品分析色譜柱為填充80/100目porapak Q的填充柱，柱溫55℃，檢測器溫度330℃，ECD檢測，定量六通閥進(jìn)樣，進(jìn)樣量1mL，載氣為N2，流速30mL·min-1。

CO2和CH4氣體樣品分析為色譜柱為填充80/100目porapak Q的填充柱，柱溫55℃，檢測器溫度200℃，F(xiàn)ID檢測，定量六通閥進(jìn)樣，進(jìn)樣量1mL，載氣為N2，流速30mL·min-1。

單位時(shí)間氣體排放通量的計(jì)算方法：

F（μg·kg-1土·h-1）=C×M/22.4×V/1000×1000/W/T。

式中，F(xiàn)為溫室氣體N2O、CO2和CH4的排放量，C為氣體濃度測定值（μg·ml-1），M為1mol的氣體質(zhì)量，22.4為大氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下阿伏伽德羅常數(shù)，V為培養(yǎng)瓶內(nèi)總的自由體積（mL），1 000為mL換算成L，W為培養(yǎng)土壤重量（kg），1 000為土重g化成kg，T為密閉培養(yǎng)的時(shí)間（h）。

排放總量的計(jì)算方法：

F（μg·kg-1土）=∑（F1+F2）/2×t×24。

式中，F(xiàn)1為前一次測定值，F(xiàn)2為后一次測定值，t為相隔天數(shù)，24為每天小時(shí)數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和圖表制作采用SPSS 13.0和Excel 2003。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙草胺對(duì)土壤N2O排放的影響 土壤中的硝化和反硝化過程都是溫室氣體N2O的重要產(chǎn)生途徑，當(dāng)土壤中的生態(tài)環(huán)境因子發(fā)生改變時(shí)，會(huì)影響到硝化反硝化過程，從而對(duì)土壤N2O的排放產(chǎn)生影響。從圖1可以看出，當(dāng)?shù)视昧繛?、75和150mgN·kg-1時(shí)，土壤中的N2O排放量一直處于很低的水平。此時(shí)，施用乙草胺對(duì)其N2O排放的影響不明顯。當(dāng)?shù)视昧可仙?00mgN·kg-1時(shí)，土壤中N2O的排放速率急劇增加。整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，N3處理分別在第16d和26d出現(xiàn)了兩個(gè)N2O的排放高峰，分別為2.10和54.15μgN·kg-1土·h-1。施用乙草胺的HN3處理在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)同樣出現(xiàn)了兩個(gè)N2O的排放高峰，但和N3處理不同，施用乙草胺顯著增加了16d時(shí)的N2O排放速率，高達(dá)24.92μgN·kg-1土·h-1。然而NH3處理的第二個(gè)N2O排放高峰則出現(xiàn)在32d，比N3處理推遲了6d，且排放速率也降低為20.15μgN·kg-1土·h-1。到了培養(yǎng)第38d，各個(gè)處理的N2O排放速率均迅速降低，和空白處理無差異。

2.2 乙草胺對(duì)土壤CO2排放的影響 從圖2可以看出，在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，不施氮肥的N0處理，其CO2的排放一直處在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平。而在培養(yǎng)的第1d和第2d，施肥處理的CO2排放速率一直高于空白對(duì)照，說明往土壤中施用尿素氮肥在施肥的前期一定程度上增加了土壤溫室氣體CO2的排放量。在培養(yǎng)的第1d，氮肥用量為75和150mgN·kg-1的處理，其CO2排放速率出現(xiàn)了排放的最高峰值，且表現(xiàn)出氮肥施用量越高，CO2排放速率越大的規(guī)律（P<0.05）。當(dāng)?shù)视昧可仙?00mgN·kg-1時(shí)，其CO2排放的高峰期則出現(xiàn)在培養(yǎng)的第2d。N1處理的CO2排放量在培養(yǎng)的第2d起迅速降低，和空白處理無差異；而N2和N3處理的CO2排放高峰期則持續(xù)到了培養(yǎng)的第4d。施用乙草胺在培養(yǎng)的第1d明顯降低了土壤CO2的排放速率（P<0.05），而到了第2d時(shí)，施用和不施用乙草胺的處理其CO2排放速率無明顯差異。

2.3 乙草胺對(duì)土壤CH4排放的影響 本試驗(yàn)中培養(yǎng)的土壤一直處于在60%的土壤體積含水量的好氧條件下，缺乏CH4大量產(chǎn)生的嫌氣條件。因此，在整個(gè)培養(yǎng)過程中7個(gè)處理間的CH4排放通量均無差異（見圖3），而且乙草胺對(duì)不同施氮條件下的土壤CH4排放量也沒有明顯影響。

2.4 乙草胺對(duì)土壤溫室氣體排放總量的影響 從表1中可以看出，氮肥用量為75和150mgN·kg-1時(shí)，培養(yǎng)期間其N2O的排放總量與空白處理無差異；氮肥用量上升到300mgN·kg-1時(shí)，土壤中N2O的排放量急劇增加，高達(dá)8 640.24μg·kg-1。除草劑乙草胺在氮肥用量為75和150mgN·kg-1時(shí)，對(duì)土壤中N2O的排放量無明顯影響；當(dāng)?shù)视昧可仙?00mgN·kg-1時(shí)，乙草胺的施用則顯著降低了土壤N2O的排放量，和N3處理相比HN3處理的N2O降幅達(dá)33.94%。從表1還可以看出，當(dāng)?shù)视昧繛?5 mgN·kg-1時(shí)，整個(gè)培養(yǎng)期間的CO2排放量為顯著低于空白處理（P<0.05），當(dāng)?shù)视昧繛?50mgN·kg-1時(shí)，施肥處理的CO2排放量和空白處理無差異；當(dāng)?shù)视昧可仙?00mgN·kg-1時(shí)，則顯著增加了土壤CO2的排放量。和N2O排放相似，乙草胺在氮肥用量為75和150mgN·kg-1時(shí)，對(duì)土壤中CO2的排放量無明顯影響；當(dāng)?shù)视昧可仙?00mgN·kg-1時(shí)，乙草胺的施用明顯抑制土壤CO2的排放（P<0.05），降幅達(dá)11.60%。在本實(shí)驗(yàn)條件下，各個(gè)處理間的CH4排放總量均無差異。

3 討論

國內(nèi)外關(guān)于除草劑對(duì)土壤碳氮循環(huán)過程的影響主要集中在土壤微生物群落和酶活性等方面[10-11]，關(guān)于除草劑施用對(duì)土壤溫室排放的影響研究還比較少。Kinney等[12]的室內(nèi)模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明除草劑氟磺隆明顯抑制了N2O的產(chǎn)生，且高劑量時(shí)抑制效果更加明顯。Das等[13]的研究發(fā)現(xiàn)噴施芐嘧磺隆和丙草胺都減少了稻田N2O的排放。陳林梅等[14]人的研究發(fā)現(xiàn)噴施乙草胺和混劑苯磺隆+精噁唑禾草靈后10d內(nèi)能顯著減少麥田N2O的排放，而單施苯磺隆和精噁唑禾草靈對(duì)麥田N2O的排放沒有顯著性影響。我們先前研究也表明除草劑不論在田間試驗(yàn)條件還是在室內(nèi)培養(yǎng)條件下都能夠顯著減少土壤N2O的排放但除草劑品種間存在明顯差異[4-6]?？梢?，從大多數(shù)的研究結(jié)果看，除草劑的施用都會(huì)對(duì)土壤N2O的排放產(chǎn)生一定的抑制效果。然而本試驗(yàn)的結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，在不同的氮肥用量下，除草劑對(duì)N2O排放的影響卻不相同，低氮肥用量時(shí)抑制效果不明顯；高氮肥用量時(shí)則顯著降低了土壤N2O的排放。

前人關(guān)于除草劑對(duì)土壤CO2排放影響的結(jié)果不盡相同，這其中既有除草劑本身效應(yīng)的差異，也有環(huán)境條件不同（如土壤特性）引起的差異。有研究表明除草劑施用對(duì)土壤呼吸具有一定促進(jìn)作用[15-16]，這可能是由于土壤中存在許多能分解這些除草劑的微生物類群，除草劑為土壤微生物提供了碳源，進(jìn)而使微生物數(shù)量增加；但也有研究表明除草劑施用對(duì)CO2排放量沒有明顯影響[17-18]。而本研究卻發(fā)現(xiàn)，在中低濃度的氮肥用量條件下，乙草胺對(duì)CO2的排放沒有明顯影響，然而在較高的氮肥投入下，乙草胺卻能顯著降低土壤的CO2排放量。

綜合CO2和N2O的排放結(jié)果看，在不同的施氮條件下，乙草胺對(duì)土壤溫室氣體排放的影響會(huì)有所差異，高氮用量條件下影響效果更明顯。因此在探討除草劑施用對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響時(shí)，不僅要考慮到除草劑種類、用量以及土壤類型的不同，還應(yīng)當(dāng)考慮到肥料施用量的不同所造成的差異。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)?shù)昧繛?5和150mgN·kg-1時(shí)，在培養(yǎng)期間其N2O的排放總量與空白處理無差異；當(dāng)用量上升到300mgN·kg-1時(shí)，土壤中N2O的排放量顯著增加至8640.24μg·kg-1（P<0.05）。

（2）和不施氮相比，施氮75mgN·kg-1時(shí)，顯著降低了土壤CO2的排放量；當(dāng)?shù)昧繛?50mgN·kg-1時(shí)，CO2排放量和空白處理無差異；施氮300mgN·kg-1時(shí)，則顯著增加了土壤CO2的排放量（P<0.05）。

（3）施氮75和150mgN·kg-1時(shí)，乙草胺對(duì)土壤N2O和CO2排放總量的影響不顯著。施氮300mgN·kg-1時(shí)，乙草胺顯著降低了土壤N2O和CO2排放總量（P<0.05），分別比單施尿素處理降低了33.94%和11.60%。

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（責(zé)編：張長青）