施肥方式對紫色土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO排放的影響*

肖乾穎, 黃有勝, 胡廷旭, 朱 波

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施肥方式對紫色土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO排放的影響*

肖乾穎1,2, 黃有勝3, 胡廷旭1,2, 朱 波1**

(1. 中國科學院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室/中國科學院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 成都 610041; 2. 中國科學院大學 北京 100049; 3. 四川省農(nóng)業(yè)機械化干部學校 成都 610017)

依托紫色土施肥方式與養(yǎng)分循環(huán)長期試驗平臺(2002年—), 采用靜態(tài)箱-氣相色譜法開展紫色土冬小麥-夏玉米輪作周期(2013年10月至2014年10月)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO排放的野外原位觀測試驗。長期施肥方式包括單施氮肥(N)、傳統(tǒng)豬廄肥(OM)、常規(guī)氮磷鉀肥(NPK)、豬廄肥配施氮磷鉀肥(OMNPK)和秸稈還田配施氮磷鉀肥(RSDNPK)等5種, 氮肥用量相同[小麥季130 kg(N)×hm-2,玉米季150 kg(N)×hm-2], 不施肥對照(CK)用于計算排放系數(shù), 對比不同施肥方式對紫色土典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O和NO排放的影響, 以期探尋紫色土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO協(xié)同減排的施肥方式。結(jié)果表明, 所有施肥方式下紫色土N2O和NO排放速率波動幅度大, 且均在施肥初期出現(xiàn)峰值; 強降雨激發(fā)N2O排放, 但對NO排放無明顯影響。在整個小麥-玉米輪作周期, N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理的N2O年累積排放量分別為1.40 kg(N)×hm-2、4.60 kg(N)×hm-2、0.95 kg(N)×hm-2、2.16 kg(N)×hm-2和1.41 kg(N)×hm-2, 排放系數(shù)分別為0.41%、1.56%、0.25%、0.69%、0.42%; NO累積排放量分別為0.57 kg(N)×hm-2、0.40 kg(N)×hm-2、0.39 kg(N)×hm-2、0.46 kg(N)×hm-2和0.17 kg(N)×hm-2, 排放系數(shù)分別為0.21%、0.15%、0.15%、0.17%、0.07%。施肥方式對紫色土N2O和NO累積排放量具有顯著影響(<0.05), 與NPK處理比較, OM和OMNPK處理的N2O排放分別增加384%和127%, 同時NO排放分別增加3%和18%; RSDNPK處理的NO排放減少56%。表明長期施用豬廄肥顯著增加N2O和NO排放, 而秸稈還田有效減少NO排放。研究表明, 土壤溫度和水分條件均顯著影響小麥季N2O和NO排放(<0.01), 對玉米季N2O和NO排放沒有顯著影響(>0.05), 土壤無機氮含量則是在小麥-玉米輪作期N2O和NO排放的主要限制因子(<0.01)。全量秸稈還田與化肥配合施用是紫色土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO協(xié)同減排的優(yōu)化施肥方式。

施肥方式; 紫色土; N2O; NO; 排放量; 排放系數(shù)

N2O和NO是大氣中的重要痕量氣體, 對大氣環(huán)境有重要影響[1]。N2O是主要溫室氣體之一, 影響著地球氣候的輻射強迫[2]; 且作為大氣平流層中最重要的含氮化合物, N2O會催化分解平流層臭氧[3], 破壞臭氧層; N2O還能直接產(chǎn)生溫室效應(yīng), 其百年尺度上的增溫潛勢能達CO2的298倍和CH4的12倍[4]。NO在大氣中發(fā)生光化學反應(yīng)導致臭氧的形成[5], 從而影響人類健康與植被生長[6]。NO在對流層發(fā)生光化學反應(yīng)影響O3的產(chǎn)生, 從而間接產(chǎn)生溫室效應(yīng)[7]。農(nóng)田N2O的排放主要受土壤氮素水平的驅(qū)使[8]。研究指出[9], 由于農(nóng)田施肥量逐漸增加, 到2030年全球土壤N2O的排放量將增加35%~60%。與N2O的研究類似, NO的排放量也隨氮肥施用量增加而增多[10]。我國氮肥用量大約占全球用量的30%以上[6], 合理施肥可有效減少因氮肥施用所致的土壤N2O的排放[11]。

農(nóng)田土壤是N2O和NO排放的主要源[4,12], 中國農(nóng)田土壤每年向大氣排放的N2O和NO的排放量分別達3.3 Tg和1.4 Tg[10]。N2O和NO由土壤中的硝化和反硝化過程產(chǎn)生[13], 其中N2O主要來源于銨態(tài)氮促使發(fā)生的反硝化過程[14], NO主要來源于自養(yǎng)和異養(yǎng)硝化細菌參與的硝化過程[15]。農(nóng)田管理措施能夠影響土壤硝化與反硝化過程, 從而調(diào)控土壤N2O和NO排放[16]。氮肥施用是導致農(nóng)田土壤N2O和NO排放的主要原因[17]?？梢? 減少或控制N2O和NO排放及緩解全球變暖, 需查明氮肥施用方式和施用量等對土壤N2O和NO排放的影響。氮肥用量對N2O的影響已有大量的研究報道, 而施肥方式的影響頗有爭議, 施用有機肥和秸稈還田的影響是當前研究熱點。在紅壤地區(qū), 施用有機肥雖然能增加作物產(chǎn)量, 但會顯著增加農(nóng)田土壤N2O的排放[18], 化肥配合有機肥施用, N2O的排放通量大于常規(guī)化肥處理[19-20]。另有研究[21-23]表明, 等氮量施肥下, 化肥處理的N2O排放通量顯著高于有機肥處理。Das等[24]發(fā)現(xiàn)在熱帶水稻田中, 家禽糞肥配施無機氮肥處理會增大N2O排放通量。而等氮量施肥條件下, 施用未經(jīng)處理的豬糞能夠減緩N2O和NO的排放[25]。此外, 還有研究[26]表明, 在華中北部小麥季玉米稈還田對農(nóng)田N2O和NO的排放沒有顯著影響, 玉米季小麥秸稈還田卻會明顯增加農(nóng)田N2O和NO的排放。但在長三角非水稻期, 秸稈還田顯著減少N2O的累積排放的同時對NO排放沒有顯著影響[27]。而且由于地區(qū)差異, 氣候條件、種植體系、土壤類型、土地利用方式等不同, N2O和NO排放量在不同地區(qū)存在明顯差別?？梢? 施用有機肥和秸稈還田等方式對農(nóng)田N2O和NO排放的影響暫無定論, 而多種施肥方式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO排放的對比研究報道還不多見, 尚有待進一步探尋既可保證產(chǎn)量又能減少N2O和NO排放的施肥方式。

總體而言, 目前國內(nèi)關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO排放的研究報道主要集中在華北和華東地區(qū), 而在西南紫色土地區(qū)的工作較少。本研究針對以上不足, 以四川盆地典型紫色土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為對象, 依托紫色土施肥方式與養(yǎng)分循環(huán)長期試驗平臺, 對比不同施肥方式下冬小麥-夏玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的N2O和NO排放動態(tài), 并分析N2O和NO排放規(guī)律及其影響因素, 有助于篩選合理的減排施肥模式并探尋紫色土農(nóng)田養(yǎng)分資源管理優(yōu)化措施。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究點位于中國科學院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站的施肥方式與養(yǎng)分循環(huán)長期試驗平臺(105°27′E, 31°16′N)。該研究點地處四川盆地中部丘陵區(qū), 具有典型的亞熱帶濕潤季風氣候特征, 年平均溫度為17.3 ℃, 多年平均降雨量836 mm, 無霜期294 d。試驗土壤類型為發(fā)育于侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組紫色頁巖的石灰性紫色土, 表土(0~20 cm)土壤理化性質(zhì)為: pH 8.2, 有機質(zhì)8.75 g×kg-1, 土壤容重1.34 g×cm-3, 黏粒含量22.3%, 粉粒含量34.6%, 砂粒含量43.1%, 全氮0.81 g×kg-1, 全磷0.84 g×kg-1, 全鉀18.01 g×kg-1, 堿解氮42.29 mg×kg-1, 速效磷9.02 mg×kg-1, 速效鉀86.35 mg×kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗地為紫色土施肥方式與養(yǎng)分循環(huán)長期試驗場(2002年—), 輪作作物為川中丘陵區(qū)具代表性的冬小麥()和夏玉米(), 試驗共選取6種施肥處理: 單施氮肥(N)、豬廄肥(OM)、常規(guī)氮磷鉀肥(NPK)、豬廄肥配施氮磷鉀肥(OMNPK)、秸稈還田配施氮磷鉀肥(RSDNPK)及對照不施肥(CK)。試驗為完全隨機區(qū)組設(shè)計, 每個處理設(shè)置3個重復(fù)。除CK處理外, 其余處理氮素施用總量保持一致以明確養(yǎng)分綜合管理目標, NPK、OMNPK和RSDNPK處理磷鉀化肥施用量保持相同, 小麥季和玉米季施用氮素總量分別為130 kg(N)×hm-2和150 kg(N)×hm-2, 磷肥和鉀肥施用量分別為90 kg(N)×hm-2和36 kg(N)×hm-2。有機-無機配施處理中, 無機化肥的供氮量為總施氮量的60%, 豬廄肥和秸稈占40%。試驗中所使用化學氮肥為碳酸氫銨(純N17%), 磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%), 鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%), 小麥季和玉米季新鮮豬糞全氮含量分別為2 g(N)×kg-1(鮮重)和3 g(N)×kg-1(鮮重), 還田施用的玉米秸稈(冬小麥季)和小麥秸稈(夏玉米季)含氮量分別為8 g(N)×kg-1(干重)和5 g(N)×kg-1(干重)。作物種植前人工耕作, 深度為20 cm。施肥以底肥一次性施入, 冬小麥肥料采取撒施, 夏玉米采取穴施, 后期不再追肥。

1.3 氣體采集與分析方法

N2O和NO氣體樣品采集包含1個完整的冬小麥-夏玉米輪作期, 小麥季觀測期為2013年10月28日至2014年5月15日, 玉米季觀測期為2014年6月4日至2014年10月4日。采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對試驗地進行N2O排放采樣, 采樣從施肥后第1天開始, 第1周的采樣頻率為一天1次, 第2周的采樣頻率為隔一天采1次, 兩周之后采樣頻率為每周兩次, 降雨后連續(xù)加密采樣3 d。采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法觀測N2O和NO的排放通量。小麥季使用箱體尺寸為500 mm×500 mm×200 mm×2.5 mm的采樣箱; 玉米季使用底座由外框(500 mm×400 mm×130 mm×2.5 mm)和內(nèi)框(80 mm×80 mm×50 mm×2.5 mm)組成, 頂箱由兩個400 mm×250 mm×200 mm×2.5 mm的箱體組成的采樣箱, 底座埋深均為20 cm。每個采樣點于9:00—11:00采集氣體, 共采集5個樣品, 每個樣品采集時間間隔為7 min。采集的氣樣避光保存在60 mL醫(yī)用注射器內(nèi), 24 h內(nèi)完成分析。每次采集氣體的同時, 同步進行相關(guān)環(huán)境因子觀測。測定土壤體積含水率、采樣箱內(nèi)氣體溫度和土壤溫度(5 cm), 采集0~10 cm土壤樣品分析土壤含水率、無機氮(NH4+-N、NO3--N)含量。使用氣袋分別在N2O采集前、后采集氮氧化物(NO)。

氣體N2O濃度分析使用Agilent7890A氣相色譜儀(GC, 美國安捷倫公司), 氣體NO用氮氧化物分析儀(Thermo-Model 42i)進行測定; 土壤含水率采用重量法測定, 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量采用0.5 mol×L-1K2SO4浸提后, 利用AA3流動分析儀(德國SEAL公司)進行測定(水土比為5︰1)。

1.4 數(shù)據(jù)計算與處理

根據(jù)標準氣體和待測氣體的峰面積計算待測氣體中N2O(或NO)的濃度, 通過氣體N2O(或NO)濃度隨時間的變化計算單位面積的氣體排放通量,計算公式為[28]:

式中:為氣體排放通量(μg×m-2×h-1),為氣體的摩爾質(zhì)量(g×mol-1),0為標準狀態(tài)下(溫度273 K, 氣壓1 013 hPa)氣體的摩爾體積(22.41×10-3m3),0和0分別為標準狀態(tài)下的氣溫(237 K)和氣壓(1 031 hPa),為采樣點的氣壓(hPa),為采樣時箱內(nèi)的平均氣溫(K), dd為采樣箱內(nèi)N2O(或NO)濃度變化速率,為采樣箱的高度(cm),為量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)。

N2O(或NO)的累積排放量是根據(jù)作物生長期內(nèi)N2O(或NO)的排放速率, 將觀測值和未觀測日內(nèi)插法計算值逐日累加后得到N2O(或NO)的累積排放量。計算公式為[28]:

式中:為N2O(或NO)排放量[kg(N)×hm-2],為量綱換算系數(shù),X為第天N2O(或NO)的日排放通量值[mg(N)×m-2×d-1], 將小時排放通量(μg×m-2×h-1)乘以24 h轉(zhuǎn)換成日排放通量,為相近兩次日排放通量值之間間隔的天數(shù)(d),為輪作期內(nèi)有效日排放通量觀測值的天數(shù)。

N2O(或NO)排放系數(shù)利用公式(3)計算得到[28]:

式中:為N2O或NO的排放系數(shù)(%),N為施肥后N2O(或NO)排放量[kg(N)×hm-2],CK為對照不施氮肥的N2O(或NO)排放量[kg(N)×hm-2],為氮肥施用量[kg(N)×hm-2]。

利用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)匯總與計算, SPSS 22.0進行相關(guān)性分析, Origin 9.0進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗期間降水量、土壤溫度和土壤孔隙充水率變化

2013—2014年小麥-玉米輪作周期降雨量為798.4 mm, 其中小麥季總降雨量為163.1 mm, 玉米季總降雨量為595.5 mm, 降雨主要集中在8—10月。在整個小麥-玉米生長期內(nèi), 土壤(5 cm)平均溫度為11.4 ℃, 變化范圍為2~32 ℃, 總體表現(xiàn)為先下降后上升, 冬季溫度下降至最低, 春季溫度開始回升直至夏季達到最高。土壤孔隙充水率主要受降雨的影響, 呈現(xiàn)不規(guī)則變化, 波動范圍大, 在6.1%~36.2%間變化。各施肥處理間的土壤溫度及土壤孔隙充水率均無顯著差異(>0.05)(圖1)。

圖1 2013—2014年冬小麥-夏玉米輪作周期內(nèi)降雨量和不同施肥方式下土壤孔隙充水率及土壤5 cm溫度

OM: 豬廄肥處理; NPK: 氮磷鉀肥處理; OMNPK: 豬廄肥配施氮磷鉀肥處理; RSDNPK: 秸稈還田配施氮磷鉀肥處理; N: 氮肥處理; CK: 不施肥處理。OM: pig manure treatment; NPK: regular synthetic nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer treatment; OMNPK: pig manure combined with synthetic NPK fertilizer treatment; RSDNPK: returned crop residues combined with synthetic NPK fertilizer treatment; N: synthetic N fertilizer treatment; CK: no fertilization treatment.

2.2 不同施肥方式下紫色土土壤可溶性有機碳(DOC)和無機氮的變化

整個輪作周期內(nèi)各處理的土壤DOC和無機氮(NH4+-N、NO3--N)含量動態(tài)變化如圖2所示。除CK處理外, 其余5種施肥處理的土壤無機氮含量在施肥初期均迅速增加。無論在小麥季還是玉米季, 土壤DOC的含量均呈現(xiàn)先降低再增高的趨勢, 最低值出現(xiàn)在施肥后1周左右。玉米季土壤DOC含量呈現(xiàn)多峰變化, 在8月底急劇上升, 這可能是受根系分泌物和土壤水分影響所致。與NPK處理相比, OM、OMNPK、RSDNPK處理有較高的土壤DOC含量, N處理的土壤DOC含量最低。各處理的土壤DOC年際變化趨勢相同, 小麥季的DOC含量低于玉米季。

在小麥季和玉米季, 土壤NH4+-N含量均在施肥后短時間內(nèi)出現(xiàn)峰值, 之后很快下降。OM、OMNPK、RSDNPK處理在小麥-玉米輪作周期內(nèi)呈多峰現(xiàn)象, 說明有機肥處理及秸稈還田處理在一定程度上延緩NH4+-N的釋放。無論在小麥季還是玉米季, 各施肥處理之間土壤NH4+-N含量無顯著差異。各施肥處理土壤NO3--N含量均出現(xiàn)動態(tài)波動, 達到峰值并持續(xù)一段時間后, 因植物吸收、微生物作用和氮素淋失等原因, 總體呈下降趨勢, 至收獲期其含量達最小值。與NPK處理相比, N、OM、OMNPK處理有較高的土壤NO3--N含量, RSDNPK處理的土壤NO3--N含量最低。相較于小麥季, 玉米季期間各處理的土壤NO3--N含量較低。

圖2 2013—2014年冬小麥-夏玉米輪作周期內(nèi)不同施肥方式下土壤可溶性有機碳(DOC)和無機氮(NH4+-N、NO3--N)含量變化

OM: 豬廄肥處理; NPK: 氮磷鉀肥處理; OMNPK: 豬廄肥配施氮磷鉀肥處理; RSDNPK: 秸稈還田配施氮磷鉀肥處理; N: 氮肥處理; CK: 不施肥處理。OM: pig manure treatment; NPK: regular synthetic nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer treatment; OMNPK: pig manure combined with synthetic NPK fertilizer treatment; RSDNPK: returned crop residues combined with synthetic NPK fertilizer treatment; N: synthetic N fertilizer treatment; CK: no fertilization treatment.

2.3 不同施肥方式下紫色土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO排放動態(tài)

2.3.1 紫色土農(nóng)田N2O排放動態(tài)

2013—2014年冬小麥-夏玉米輪作周期內(nèi)各施肥處理的N2O排放動態(tài)見圖3。結(jié)果表明, 在小麥季和玉米季, CK處理的N2O排放的季節(jié)變化不明顯; 而各施肥處理的N2O排放變化趨勢基本一致, 施肥后N2O排放通量均迅速增加并出現(xiàn)N2O排放峰, 峰值持續(xù)約兩周后, N2O排放速率迅速下降, 可見施肥是N2O排放峰出現(xiàn)的主要原因。N處理在小麥季的排放峰出現(xiàn)在施肥后第13天, 峰值為154 μg(N)×m-2×h-1; 在玉米季的排放峰出現(xiàn)在施肥后第11天, 峰值為145 μg(N)×m-2×h-1。NPK處理在小麥季和玉米季N2O排放峰均出現(xiàn)在施肥后第11天, 峰值分別為94 μg(N)×m-2×h-1、211 μg(N)×m-2×h-1。相較于NPK處理, 有機肥(OM、OMNPK)處理排放峰更高且出現(xiàn)得更早。在小麥季, OM、OMNPK處理排放峰出現(xiàn)在施肥后第6天和第8天, 峰值分別為470 μg(N)×m-2×h-1、312 μg(N)×m-2×h-1; 在玉米季, OM、OMNPK處理排放峰均出現(xiàn)在施肥后第2天, 峰值分別為700 μg(N)×m-2×h-1、335 μg(N)×m-2×h-1。RSDNPK處理相比于NPK處理的N2O排放峰值略高, 小麥季峰值出現(xiàn)在施肥后第5天, 峰值為183 μg(N)×m-2×h-1; 玉米季峰值出現(xiàn)在施肥后第8天, 峰值為246 μg(N)×m-2×h-1。玉米季與小麥季的N2O排放特征存在差異, 玉米季較小麥季各施肥處理具有較高的排放峰值, 但排放峰值的維持時間較短, 這可能是由于土壤溫度和土壤硝化-反硝化反應(yīng)底物含量綜合影響的結(jié)果。在整個小麥-玉米輪作期間, 降雨對N2O排放也有明顯的激發(fā)作用, 圖3中共標注了3次重要降雨事件, 分別是4月18日大雨(28.4 mm)、6月13日中雨(21.9 mm)、9月11日暴雨(96.7 mm), 各處理的N2O排放均有增加, 這可能是因為降雨事件導致土壤厭氧環(huán)境的形成, 促進土壤中微生物反硝化反應(yīng)的進行, 從而增強N2O的排放。

圖3 2013—2014年冬小麥-夏玉米輪作周期內(nèi)不同施肥方式下土壤N2O排放通量變化

OM: 豬廄肥處理; NPK: 氮磷鉀肥處理; OMNPK: 豬廄肥配施氮磷鉀肥處理; RSDNPK: 秸稈還田配施氮磷鉀肥處理; N: 氮肥處理; CK: 不施肥處理。OM: pig manure treatment; NPK: regular synthetic nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer treatment; OMNPK: pig manure combined with synthetic NPK fertilizer treatment; RSDNPK: returned crop residues combined with synthetic NPK fertilizer treatment; N: synthetic N fertilizer treatment; CK: no fertilization treatment.

2.3.2 紫色土農(nóng)田NO排放動態(tài)

不同施肥處理的NO排放動態(tài)見圖4。CK處理未出現(xiàn)明顯的排放高峰, 除CK處理外, 各施肥處理NO排放峰值均出現(xiàn)在施肥的初期。相較于小麥季, 玉米季NO排放峰值的維持時間更短。N處理在小麥季的排放峰出現(xiàn)在施肥后第8天, 峰值為152 μg(N)×m-2×h-1; 在玉米季的排放峰出現(xiàn)在施肥后第11天, 峰值為54 μg(N)×m-2×h-1。NPK處理在小麥季和玉米季NO排放峰分別出現(xiàn)在第6天和第7天, 峰值分別為83 μg(N)·m-2·h-1、33 μg(N)×m-2×h-1。OM、OMNPK處理的NO排放峰初期明顯高于其他處理, 且在玉米季的排放峰值大于小麥季, 而其他施肥處理在小麥季具有較高的NO排放峰值。OM處理在小麥季NO排放峰值較低, 排放峰出現(xiàn)在施肥后第2天, 峰值為37 μg(N)×m-2×h-1; 在玉米季NO排放峰較高, 排放峰出現(xiàn)在施肥后第4天, 峰值為208 μg(N)×m-2×h-1。OMNPK處理小麥季排放峰出現(xiàn)在施肥后第5天, 峰值為87 μg(N)×m-2×h-1; 玉米季排放峰出現(xiàn)在施肥后第4天, 峰值為142 μg(N)×m-2×h-1。RSDNPK處理小麥季排放峰出現(xiàn)在施肥后第5天, 峰值為99 μg(N)×m-2×h-1; 玉米季排放峰出現(xiàn)在施肥后第11天, 峰值為25 μg(N)×m-2×h-1。各施肥方式下NO的排放高峰持續(xù)時間約兩周, 隨后排放量迅速降低, 并在作物生長中后期保持較低排放量至作物收獲期, 可見施肥對NO排放有明顯的促進作用。圖4中標注的降雨事件同圖3, 結(jié)果表明, 除玉米季施肥初期的降雨增加了少量NO排放外, 降雨對NO沒有明顯的激發(fā)作用。

2.4 紫色土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO的累積排放

2013—2014年冬小麥-夏玉米輪作周期農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的N2O和NO的累積排放量列于表1。在冬小麥-夏玉米整個輪作周期, 對照(CK)的N2O年累積排放量為0.24 kg(N)×hm-2, 其他施肥處理的土壤N2O累積排放量范圍為0.95~4.60 kg(N)×hm-2, 其大小順序為OM>OMNPK>RSDNPK>N>NPK。其中, 小麥季施肥處理N2O累積排放量范圍為0.42~1.41 kg(N)×hm-2, CK的N2O累積排放量為0.13 kg(N)×hm-2; 玉米季施肥處理N2O累積排放量范圍為0.53~3.19 kg(N)×hm-2, CK的N2O累積排放量為0.11 kg(N)×hm-2。與NPK處理相比, OM、OMNPK、RSDNPK及N處理下土壤N2O的累積排放量分別增加384%、127%、48%、47%。

圖4 2013—2014年冬小麥-夏玉米輪作周期內(nèi)不同施肥方式下土壤NO排放通量變化

OM: 豬廄肥處理; NPK: 氮磷鉀肥處理; OMNPK: 豬廄肥配施氮磷鉀肥處理; RSDNPK: 秸稈還田配施氮磷鉀肥處理; N: 氮肥處理; CK: 不施肥處理。OM: pig manure treatment; NPK: regular synthetic nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer treatment; OMNPK: pig manure combined with synthetic NPK fertilizer treatment; RSDNPK: returned crop residues combined with synthetic NPK fertilizer treatment; N: synthetic N fertilizer treatment; CK: no fertilization treatment.

表1 冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)不同施肥方式下N2O和NO的累積排放量和排放系數(shù)

CK: 不施肥處理; N: 氮肥處理; OM: 豬廄肥處理; NPK: 氮磷鉀肥處理; OMNPK: 豬廄肥配施氮磷鉀肥處理; RSDNPK: 秸稈還田配施氮磷鉀肥處理?！啊北硎静皇┓首鳛閷φ沼嬎闩欧畔禂?shù), 同列不同字母表示處理間在0.05水平差異顯著(Duncan多重比較)。表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差。CK: no fertilization treatment; N: synthetic N fertilizer treatment; OM: pig manure treatment; NPK: regular synthetic nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer treatment; OMNPK: pig manure combined with synthetic NPK fertilizer treatment; RSDNPK: returned crop residues combined with synthetic NPK fertilizer treatment. “—” represents no fertilizer(CK) as control for calculation of emission coefficient. Different small letters in the same column indicate significant differences (< 0.05, Duncan) among fertilization regimes. The values in the table are mean ± S.E.

施肥對于NO排放也有明顯促進作用。不施肥對照(CK)的NO年累積排放量為-0.02 kg(N)×hm-2,其他施肥處理下土壤NO累積排放量范圍為0.17~0.57 kg(N)×hm-2, 其大小順序為N>OMNPK> OM>NPK>RSDNPK。其中, 小麥季施肥處理NO累積排放量范圍為0.07~0.34 kg(N)×hm-2, CK的NO累積排放量為-0.01 kg(N)×hm-2; 玉米季施肥處理NO累積排放量范圍為0.06~0.33 kg(N)×hm-2, CK的NO累積排放量為-0.01 kg(N)×hm-2。與NPK處理相比, N、OMNPK及OM處理下土壤NO的累積排放量分別增加46%、18%、3%, 而RSDNPK處理減少56%。

3 討論

3.1 紫色土N2O和NO排放的環(huán)境驅(qū)動因子

整個冬小麥-夏玉米輪作期內(nèi)土壤N2O和NO排放通量與環(huán)境條件相關(guān)分析如表2所示。在堿性旱地土壤中, N2O和NO一般產(chǎn)生于硝化-反硝化反應(yīng)[23], 影響硝化-反硝化過程的主要因素有溫度、水分、無機氮化合物含量等[29]。除N和NPK處理外, 土壤溫度和土壤孔隙充水率與N2O和NO排放通量均在小麥季表現(xiàn)出顯著相關(guān)性(<0.05), 而在玉米季的相關(guān)關(guān)系并不顯著, 這與前人的研究結(jié)果基本相似[30]。這可能因玉米季溫度較高且波動較小, 而高溫會降低微生物的活性從而影響土壤硝化-反硝化過程[31], 導致N2O和NO排放受限。而在小麥季W(wǎng)FPS與各施肥處理的N2O和NO排放通量之間具有顯著相關(guān)性(<0.05), WFPS影響著土壤中空氣的流通, WFPS越大, 土壤易形成厭氧環(huán)境, 進而促進土壤中微生物的反硝化作用導致N2O排放的增加, 是土壤N2O排放的重要影響因子。土壤DOC含量與農(nóng)田N2O和NO排放通量無顯著相關(guān)關(guān)系, 而土壤無機氮(NH4+-N、NO3--N)含量與N2O和NO排放通量之間呈顯著正相關(guān)。土壤NH4+-N含量顯著影響小麥季OMNPK處理的N2O和NO排放通量和玉米季N處理的NO排放通量(<0.01)。除N處理外, 其余處理下土壤NO3--N含量顯著影響著N2O和NO的排放(<0.01)。說明無機氮含量控制著紫色土N2O和NO的排放, 因為無機氮是微生物硝化反應(yīng)的重要底物, 直接影響了N2O和NO的產(chǎn)生[7]。因此, 土壤溫度(5 cm)、WFPS和土壤無機氮含量均對N2O和NO排放有重要影響?？梢? 紫色土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的N2O和NO排放受多種因素的限制, 而土壤無機氮為土壤硝化-反硝化過程提供底物, 是紫色土N2O和NO排放的主控因子。各環(huán)境因子對N2O和NO排放的影響相互制約, 難以單獨體現(xiàn), 這也導致環(huán)境因子對N2O和NO排放的驅(qū)動機制較為復(fù)雜。

表2 冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)不同施肥方式下土壤N2O和NO排放通量與環(huán)境因子的相關(guān)分析

CK: 不施肥處理; N: 氮肥處理; OM: 豬廄肥處理; NPK: 氮磷鉀肥處理; OMNPK: 豬廄肥配施氮磷鉀肥處理; RSDNPK: 秸稈還田配施氮磷鉀肥處理。*和**分別代表在0.05和0.01水平極顯著相關(guān), 表中數(shù)值為皮爾森相關(guān)系數(shù)。CK: no fertilization treatment; N: synthetic N fertilizer treatment; OM: pig manure treatment; NPK: regular synthetic nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer treatment; OMNPK: pig manure combined with synthetic NPK fertilizer treatment; RSDNPK: returned crop residues combined with synthetic NPK fertilizer treatment. “*” and “**” indicate significant correlation at< 0.05 and< 0.01, respectively. The values in the table are Pearson correlation coefficients.

3.2 施肥方式對紫色土N2O和NO排放的影響

不同施肥方式下, 紫色土小麥-玉米輪作土壤N2O排放通量之間存在顯著差異(<0.05), 其大小順序為OM>OMNPK>RSDNPK>N>NPK>CK。等氮量施肥時, NPK處理的N2O排放通量較N處理更低, 因為磷肥和鉀肥的施入, 使得肥料間的協(xié)同作用增強, 從而提高作物對肥料的利用率。有學者認為是磷肥提升了土壤有效磷含量, 氮磷配施提高磷酸酶活性[32]促進作物利用肥料, 并且磷肥施用能固持肥料氮并增加微生物量氮的含量[33], 降低土壤硝化-反硝化的底物含量, 實現(xiàn)N2O減排。與NPK處理比較, 施用有機肥(OM、OMNPK)不僅提前了N2O的排放峰時間, 還增大了排放速率的峰值, 可見紫色土有機肥的施用較常規(guī)化肥更能激發(fā)土壤N2O排放, 導致N2O的累積排放通量更大, 這與土壤碳氮比(C/N)有關(guān)[34]。研究中所施用的有機肥的C/N較低(15∶1), 與其他施肥處理的C/N比有顯著差異。秸稈還田(RSDNPK)處理下, 土壤N2O排放通量略高于NPK處理, 冬小麥季和夏玉米季分別增加24%和68%, 這與胡磊等[35]的研究結(jié)果基本一致。這可能因RSDNPK處理的秸稈覆蓋保溫、保熵作用, 該處理的表層土壤有較高年均溫和土壤濕度(<0.05), 反硝化過程對N2O排放的貢獻量隨溫度的增加而增加, 并且土壤水分的增加會導致土壤通氣性變差, O2含量降低從而促進反硝化作用。有研究[30]表明施用秸稈能為微生物提供碳源, 增強微生物的呼吸作用, 加快氧氣的消耗, 土壤更易形成厭氧環(huán)境, 從而增加土壤中微生物的反硝化作用, 使N2O排放通量增加。而秸稈礦化需要消耗大量無機氮, 減少了土壤中無機氮的含量[22], 能夠在一定程度上抑制土壤的反硝化作用。導致研究結(jié)果不同可能是, 土壤環(huán)境條件有一定的差異, 或是秸稈用量、研究方法有所不同。

在小麥-玉米輪作周期內(nèi), 施肥方式也顯著影響NO排放通量(<0.05), 其大小順序為N>OMNPK> OM>NPK>RSDNPK>CK。除OM與NPK處理的NO排放通量無顯著差異, 其他各處理的NO排放通量表現(xiàn)出顯著差異(<0.05)。較常規(guī)NPK處理, OM和OMNPK處理NO排放分別增加3%和18%, 這可能與豬廄肥C/N比較低影響微生物活性相關(guān)。有機肥處理(OM、OMNPK)NO排放通量最小值出現(xiàn)在小麥季, 最大值出現(xiàn)在玉米季, 這可能與土壤水分條件有關(guān)。而單施氮肥的NO排放通量較施NPK肥增加46%, 這可能是由于N處理為土壤硝化-反硝化過程提供了足量氮源, 促進NO的排放。與常規(guī)NPK施肥處理相比, 秸稈還田(RSDNPK)處理下, 紫色土NO的排放量顯著減小, 冬小麥季和夏玉米季分別減少56%和57%。這可能因秸稈覆蓋保水條件下, 土壤通氣性較差, 并且秸稈的施入能夠增強土壤微生物的呼吸作用[30], 加速氧氣的消耗, 減弱硝化作用從而減少了NO的排放通量。

在整個輪作期內(nèi), 施肥后各處理的N2O/NO值均急劇下降, 這主要因大量銨態(tài)氮肥輸入到石灰性紫色土中, 促進了土壤硝化作用, 加速銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化。在施肥后兩周內(nèi), 各施肥處理均表現(xiàn)出較低N2O/NO值, 這可能是因在施肥初期硝化作用起主導作用。無論在小麥季還是玉米季, 不同施肥處理之間N2O/NO排放通量的比值特征不同, 如N和NPK處理在施肥后N2O/NO排放通量的比值較低, OM、OMNPK、RSDNPK等處理在施肥后N2O/NO排放通量的比值較高, 這可能受土壤無機氮底物及通氣環(huán)境的影響, 進而影響土壤硝化-反硝化作用的強度。可見, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO排放受多種因素的共同作用, 施肥對紫色土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的N2O與NO排放比例具有顯著影響, 但其影響機制有待深入研究。

4 結(jié)論

通過對比不同施肥方式下, 紫色土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO排放的動態(tài)變化, 分析施肥方式及其他土壤環(huán)境因素對紫色土N2O和NO排放的影響, 得出以下主要結(jié)論:

1)施肥對紫色土N2O和NO排放具有相似的影響。施肥顯著增加紫色土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO的排放通量, 但對N2O和NO的季節(jié)排放規(guī)律無顯著影響。

2)等氮量施肥時, 與常規(guī)氮磷鉀施肥處理相比, 長期有機肥施用造成土壤低C/N, 顯著增加N2O的排放量; 秸稈還田因形成一定的厭氧環(huán)境降低NO的排放量, 減少氮肥以NO形式的損失比例。施肥方式顯著影響農(nóng)田N2O與NO排放通量的比例, N和NPK處理的N2O/NO較低, OM、OMNPK、RSDNPK處理的N2O/NO較高, 表明土壤有機質(zhì)累積可能有利于N2O的排放。秸稈還田與NPK化肥配合施用可推薦為紫色土農(nóng)田N2O與NO協(xié)同減排的優(yōu)化施肥方式。

3)土壤溫度和WFPS影響N2O和NO排放的季節(jié)動態(tài)變化, 而土壤無機氮為土壤硝化-反硝化過程提供底物, 是驅(qū)動N2O和NO排放的主控因子。合理調(diào)控土壤無機氮水平, 可減少N2O和NO的排放。

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Effects of fertilization regimes on N2O and NO emissions from agro-ecosystem of purplish soil*

XIAO Qianying1,2, HUANG Yousheng3, HU Tingxu1,2, ZHU Bo1**

(1. Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Chinese Academy of Sciences / Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Sichuan Provincial College for Engineer of Agri-mechanization, Chengdu 610017, China)

Nitrous oxide (N2O) and nitric oxide (NO) emissions from agro-ecosystem of purplish soil were measured (starting from October 2003) in a long-term purplish soil fertilization platform (established in 2002) using closed static-chamber and gas chromatography systems. Single synthetic nitrogen fertilizer (N), pig manure (OM), regular synthetic nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer (NPK), pig manure combined with synthetic NPK fertilizer (OMNPK) and returned crop residues combined with synthetic NPK fertilizer (RSDNPK) under the same total nitrogen rate were set, and N2O and NO emissions from croplands of purplish soil were monitored under these fertilization regimes. No fertilizer treatment (CK) was used as control in the calculations of the emission coefficients. The results showed large fluctuations in emission rates of N2O and NO, with N2O and NO peak emissions at the early stage of fertilization. N2O emission was enhanced by heavy rainfall, but rainfall had no significant effect on NO emission. For the whole wheat-maize rotation period, cumulative annual emissions of N2O in N, OM, NPK, OMNPK and RSDNPK treatments were 1.40, 4.60, 0.95, 2.16 and 1.41 kg(N)×hm-2; and with emission coefficients of 0.41%, 1.56%, 0.25%, 0.69% and 0.42%, respectively. The cumulative emissions of NO in N, OM, NPK, OMNPK and RSDNPK treatments were 0.57, 0.40, 0.39, 0.46 and 0.17 kg(N)×hm-2; and with emission coefficients of 0.21%, 0.15%, 0.15%, 0.17% and 0.07%, respectively. Fertilizer application regimes significantly (< 0.05) influenced cumulative N2O and NO emissions. Compared with conventional NPK fertilizer, pig manure amendment stimulated N2O and NO emissions, with increases of 384% and 3% for OM and 127% and 18% for OMNPK, respectively. Returned crop residues combined with regular synthetic NPK fertilizer decreased NO emission by 56%. The application of pig manure (OM) increased N2O and NO emissions, whereas returned crop residues plus regular synthetic NPK fertilizer (RSDNPK) decreased NO emission. The research also showed that both soil temperature and moisture conditions significantly influenced N2O and NO emissions during wheat season (< 0.01), but not during maize season (> 0.05). However, soil inorganic nitrogen content was the main limiting factor for N2O and NO emissions during the whole wheat-maize rotation year (< 0.01). Returned crop residues plus regular NPK fertilizer was recommended as the optimal fertilization regime for simultaneous mitigation of N2O and NO emissions.

Fertilization regime; Purplish soil; N2O; NO; Emission flux; Emission coefficient

, E-mail: bzhu@imde.ac.cn

Dec. 12, 2017;

Dec. 18, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.171158

S145.6

A

1671-3990(2018)02-0203-11

朱波, 主要研究方向為土壤養(yǎng)分循環(huán)及面源污染控制。E-mail: bzhu@imde.ac.cn 肖乾穎, 主要研究方向為土壤氮素循環(huán)。E-mail: qianying_xiao@126.com

2017-12-12

2017-12-18

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41330744 and 41271321) and the National Basic Research Program of China (973 Program) (2012CB417101).

* 國家自然科學基金項目(41330744, 41271321)和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2012CB417101)資助