施肥處理對春季凍融期灰漠土農(nóng)田溫室氣體排放的影響*

呂金嶺 劉 驊 王西和 李太魁 寇長林 劉學(xué)軍

土壤凍融交替是由于季節(jié)或晝夜熱量變化在表土及以下一定深度形成的反復(fù)凍結(jié)-解凍的土壤過程，這種現(xiàn)象在高緯度或高海拔地帶低溫生態(tài)系統(tǒng)的土壤非常普遍［1-5］。土壤凍結(jié)和解凍過程會(huì)對土壤的物理性質(zhì)、微生物活性及微生物種群和組成產(chǎn)生強(qiáng)烈的作用。因此，土壤凍結(jié)會(huì)影響土壤中碳和氮?jiǎng)討B(tài)過程，顯著地影響土壤中N2O 和CO2的排放［6］。有資料顯示，凍融明顯的地區(qū)，凍融期有高量的溫室氣體排放，其排放量在全年總排放量中占有重要份額［7-8］。例如，Lü等［9］在新疆灰漠土農(nóng)田溫室氣體排放實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，凍融期間的有機(jī)肥處理的N2O氣體排放峰值甚至高于施肥期。陳哲等［7］在東北農(nóng)田發(fā)現(xiàn)凍融期N2O和CO2的排放量是凍融前期的40倍～99倍。

造成凍融期溫室氣體高量排放的原因很多，主要由于積雪融化后的激發(fā)效應(yīng)（春季凍融）和礦化作用［9］。例如，Burton和Beauchamp［10］對土壤凍融循環(huán)中N2O在冬季和早春時(shí)期的過度排放進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)N2O在未凍底土中產(chǎn)生但卻封存在冰凍表土下，從而造成N2O的累積，并在解凍時(shí)釋放出來。Elberling等［11］發(fā)現(xiàn)土壤凍結(jié)期間部分微生物還具有活性，產(chǎn)生的CO2也被封存在冰凍表土下。周旺明等［12］發(fā)現(xiàn)凍融溫度和凍融次數(shù)對土壤可溶性有機(jī)氮（DON）和可溶性有機(jī)碳（DOC）的礦化有影響，隨著凍融次數(shù)的增加，土壤DOC和DON含量呈先增加后降低趨勢，同時(shí)N2O和CO2排放量也呈先增加后降低的趨勢。因此，春季凍融具備溫室氣體高量排放的條件。此外，農(nóng)田凍融期間溫室氣體排放還和氣候條件、土壤類型和耕作方式等有關(guān)，例如，冬季降雪量的多少?zèng)Q定了土壤高含水量的持續(xù)時(shí)間，進(jìn)一步影響了農(nóng)田土壤溫室氣體排放通量和時(shí)間［12-15］。土壤類型也是影響凍融期溫室氣體排放的一個(gè)重要因素，相同溫濕度條件下，不同土壤顆粒組分對于土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率和土壤微生物群落構(gòu)成及豐度產(chǎn)生大的影響［16-18］。一年一季或者兩季的種植方式對于冬季土壤有機(jī)質(zhì)的積累與礦化也有較大的影響，也就影響著土壤的溫室氣體排放。因此，開展典型地區(qū)凍融期溫室氣體通量研究顯得尤為必要。

灰漠土是西北干旱地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)土壤和后備耕地資源，是綠洲農(nóng)田的典型土壤，在全球干旱地區(qū)均有分布［19-20］。中國的灰漠土面積為65 700 km2，新疆為16 500 km2，其中耕地面積5.73×105hm2，占全國灰漠土耕地面積的80%?；夷恋某赏聊纲|(zhì)為黃土狀洪積-沖積物，部分為風(fēng)積物和坡積物，是荒漠中含礫石少而含細(xì)粒多的一種土壤類型，也正應(yīng)為如此，灰漠土成為我國荒漠地區(qū)最重要的可供開發(fā)利用的土壤類型之一［21-22］。近年來，隨著新疆天山北坡的灰漠土農(nóng)田的不斷改良，以及國家投資力度的加大，灰漠土農(nóng)田已經(jīng)成新疆農(nóng)業(yè)最重要耕地資源之一，是天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的根基，是昌吉、石河子、塔城、博州、克拉瑪依、烏魯木齊等地區(qū)的主要農(nóng)業(yè)土壤［19，23］。綠洲灰漠土農(nóng)田冬季漫長，冬季一般從11月持續(xù)至第二年3—4月，冬季降雪量占全年降水量的40%，凍融交替現(xiàn)象十分明顯。

基于此，本研究在新疆灰漠土長期定位試驗(yàn)田開展兩年春季凍融溫室氣體排放試驗(yàn)，以了解綠洲灰漠土農(nóng)田區(qū)不同養(yǎng)分管理對春季凍融交替期的溫室氣體排放動(dòng)態(tài)和排放通量的影響，明確影響該區(qū)域春季凍融期溫室氣體排放的關(guān)鍵性因素，為干旱區(qū)農(nóng)田準(zhǔn)確評估溫室氣體排放提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

灰漠土肥力與肥效監(jiān)測站位于新疆烏魯木齊市以北25 km的新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院“國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)”內(nèi)（43°95′26″N，87°46′45″E），地形地勢東高西低，南高北低，坡度1/100～1/70，海拔高度600 m，地下水位30 m以下，來自天山北麓的雪水和地下水，年供水量在450萬 m3。常年降水量310 mm、蒸發(fā)量2 570 mm，年均氣溫7.7℃，年均日照時(shí)數(shù)2 594 h，無霜期156 d。土壤為灰漠土，主要發(fā)育在黃土狀母質(zhì)上。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長期定位試驗(yàn)開始于1990年，共設(shè)置化肥、有機(jī)肥和秸稈相互配施等12個(gè)處理。每個(gè)處理一個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積468 m2，不設(shè)重復(fù)，小區(qū)間隔采用預(yù)制鋼筋水泥板埋深70 cm，地表露出10 cm加筑土埂，避免了漏水滲肥現(xiàn)象。本試驗(yàn)選取其中5個(gè)處理：包括不施肥（CK）；氮磷鉀（NPK）；氮磷鉀（4/5）+秸稈還田（NPKS）；常量氮磷鉀+常量有機(jī)肥（NPKM）；增量氮磷鉀+增量有機(jī)肥（NPKM+）（表1）。冬小麥、棉花和玉米一年一季，三年一輪作。N、P、K化肥分別用尿素、磷酸二銨、三料磷和硫酸鉀；有機(jī)肥為羊糞，平均含N 8.0 g kg-1、P2O52.3 g kg-1、K2O 3.0 g kg-1，秸桿還田用的是當(dāng)年作物的秸桿。60%的氮肥及全部磷、鉀肥作基肥，在播種前將基肥均勻撒施地表，深翻后播種；40%的氮肥作追肥，冬小麥和玉米各追肥一次，冬小麥追肥在春季第一次灌水時(shí)完成，玉米在大喇叭口期一次溝施。棉花全部的磷、鉀肥和40%的氮肥基施，60%的氮肥在棉花主要生育期作追肥隨水滴施，追施氮肥分配比例為：苗期20%、蕾期20%、花期40%、鈴期20%。有機(jī)肥（羊糞）于每年作物收獲后一次性均勻撒施深耕，秸稈還田為當(dāng)季作物收獲后全部秸稈粉碎撒施后深耕，秸稈還田按氮肥施用量的10%計(jì)算，具體的施肥量詳見表1。本試驗(yàn)自2012至2014年分別種植棉花、玉米和冬小麥，棉花施肥期在2012年4月中下旬（基肥）和6—8月份（追肥3次）。玉米播種、覆膜和基肥時(shí)間均為2013年4月中下旬，基肥期為6月中下旬。小麥播種和基肥期在2013年10月初，追肥時(shí)間為2014年4月中下旬。

表1 灰漠土農(nóng)田不同施肥處理施肥量Table 1 Fertilization rate in farmland of grey desert soil relative to treatment（kg hm-2）

1.3 溫室氣體采集與分析

凍融期溫室氣體排放試驗(yàn)開始于2013年和2014年2月中旬至4月初。采用靜態(tài)暗箱采集氣體樣品，氣相色譜法進(jìn)行分析。每個(gè)試驗(yàn)處理設(shè)置四個(gè)氣體采樣箱，采樣箱由地上地下（箱體和底座）兩部分構(gòu)成，為不銹鋼裝置，箱體大小為50 cm×50 cm×50 cm，箱體四周用3 cm厚的塑料泡沫包裹，并在表層附錫箔紙，以防止太陽輻射造成的內(nèi)外過高的溫度差異（圖1）。箱體內(nèi)部有一個(gè)12 V的風(fēng)扇，由電瓶帶動(dòng)，使箱內(nèi)氣體均勻，保證采樣的準(zhǔn)確性。下部底座有3 cm高的洼槽，可以將箱體扣合。

圖1 氣體采樣箱示意圖Fig. 1 Sketch of the gas sampling box

2月份凍融前期半個(gè)月收集一次樣品，從3月份開始，尤其土壤和空氣溫度達(dá)到0℃時(shí)，每周3～5次采集頻率，采樣周期一直持續(xù)至4月10日左右。每天11：00—13：00 進(jìn)行采樣。采樣時(shí)，首先在地箱水槽中加入適量的水，將頂箱罩放置在已預(yù)先安好的地箱基座上。用注射器連接箱體一側(cè)的三通閥相聯(lián)，抽取100 ml氣體樣品，同時(shí)記錄采樣時(shí)間和箱內(nèi)溫度、空氣溫度、土壤表面溫度和土壤5 cm處溫度；在罩箱0、10、20、30 min時(shí)取氣體樣品，并注入鋁制密封袋中，低溫保存，以備分析待測氣體樣品的目標(biāo)濃度。在所有處理采樣完成后，利用安捷倫（Agilent）7890氣相色譜分析儀進(jìn)行氣體樣品分析。

1.4 關(guān)鍵環(huán)境因子監(jiān)測與土壤樣品分析

自動(dòng)氣象站安置于試驗(yàn)農(nóng)田中，主要用于監(jiān)測凍融交替期氣溫、降水和空氣相對濕度（Rh）的動(dòng)態(tài)變化。其中氣溫和Rh每0.5 h測定一次。此外，于2012年播種前期采集不同施肥處理土壤樣品（0～20 cm）測定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)，結(jié)果見表2。凍融交替期間，采用美國5TE溫度探頭對土壤5 cm、10 cm和20 cm土壤溫度進(jìn)行不間斷動(dòng)態(tài)監(jiān)測，半個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)采集一次。溫室氣體采樣時(shí)同步采集土壤樣品，去除雜物過篩后冷藏備用。土壤含水量測定采用烘干法、土壤NH4+-N和NO3-N含量測定采用0.01 mol L-1CaCl2浸提，流動(dòng)分析儀。

表2 2012年不同施肥處理土壤物理和化學(xué)特性Table 2 Physical and chemical properties of the soil in 2012 relative to treatment

1.5 數(shù)據(jù)處理

靜態(tài)箱法的溫室氣體通量測定與箱體的體積、箱內(nèi)氣體密度以及單位時(shí)間內(nèi)他氣體濃度變化有關(guān)。采集后的氣體通過氣相色譜法測定后，依據(jù)峰面積與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度數(shù)值對比，然后計(jì)算獲得，具體的計(jì)算公式如下：

箱體內(nèi)所測樣品的濃度采用以下公式計(jì)算：

式中，F(xiàn)為測定氣體的交換通量，ρ為箱內(nèi)氣體密度，Δm和Δc分別為Δt時(shí)間內(nèi)箱內(nèi)氣體質(zhì)量和混合比濃度的變化，A、V、H分別為采樣箱底面積、體積和氣室高度，Δc/Δt為箱內(nèi)氣體濃度變化。F為負(fù)值時(shí)表示吸收，為正值時(shí)表示排放。

式中，CS為所測樣品濃度；C0為標(biāo)氣濃度；AS為所測樣品峰面積；A0為標(biāo)氣峰面積。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel、SPSS進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，使用Origin 8 和Excel 2008作圖。

2 結(jié) 果

2.1 凍融期間土壤空氣溫度和相對濕度（Rh）

干旱區(qū)灰漠土農(nóng)田土壤溫度和空氣溫度如圖2所示。2013年土壤24 h平均溫度于3月9日達(dá)到0℃，此后空氣和土壤溫度直線上升，在4月初氣溫可以達(dá)到17℃。2014年3月15日土壤24 h平均溫度為0℃，空氣溫度起伏較大，氣溫3月20日溫度才有明顯上升趨勢。總體而言，2014年土壤和空氣溫度低于2013年。不同深度的土壤溫度變化趨勢相同，20 cm土壤溫度變幅相對較小。研究區(qū)Rh在實(shí)驗(yàn)初期（2月份至3月初）數(shù)值較大，Rh基本維持在75%以上，而從3月20日以后Rh直線下降，最低達(dá)到20%。2014年的Rh變幅相對較小，從4月份開始出現(xiàn)顯著下降趨勢，但幅度不如2013年。

2.2 CO2排放動(dòng)態(tài)及通量

不同施肥處理CO2排放差別顯著（p＜0.05）。3月5日之前所有處理土壤呼吸相對較低，3月5日之后，土壤CO2的排放量顯著增加。如圖3所示，2013年3月10日之后土壤呼吸開始增加，3月20日至3月25日所有處理土壤呼吸達(dá)到高峰，其中NPKM+處理土壤呼吸最高值出現(xiàn)在2013年3月25日（C 360 mg m-2h-1）；NPKM處理CO2排放最高值同樣在3月25日，最高可達(dá)C 220 mg m-2h-1；NPK和NPKS處理 CO2的排放峰值相對較低，高峰介于C 60～210 mg m-2h-1之間；CK處理的峰值最低，顯著低于其他處理（p＜0.05）。值得注意的是，2013年3月30日之后土壤呼吸顯著下降，這可能與土壤水含量迅速下降有關(guān)。2014各處理的CO2排放峰值低于2013年，NPKM+處理的排放最高峰為C 220 mg m-2h-1，其余處理排放峰值低于C 200 mg m-2h-1，這可能與2014年春寒有關(guān)。NPKM+處理在2013和2014年凍融期間CO2平均排放分別為C 131 mg m-2h-1和90 mg m-2h-1，顯著高于其他處理（p＜0.05）；其次為NPKM處理，其2013和2014年的排放平均值分別為C 98 mg m-2h-1和C 71 mg m-2h-1；NPK和NPKS處理的排放均值相對較低，分別為C 60～90 mg m-2h-1和C 70～75 mg m-2h-1之間，CK處理的排放峰值最低，僅在C 4～40 mg m-2h-1之間（表3）。

圖2 凍融交替期間的土壤和空氣溫度以及空氣相對濕度Fig. 2 Soil and air temperature and relative air humidity during the freezing and thawing alternation period

圖3 凍融交替期間不同施肥處理CO2的排放動(dòng)態(tài)Fig. 3 Dynamics of CO2 emission during the freezing and thawing alternation period relative to treatment

表3 凍融交替期間溫室氣體平均排放通量（3月10日至4月5日）Table 3 Mean emission fluxes of greenhouse gases during the freezing and thawing alternation period（10th March to 5th April）

2.3 CH4排放動(dòng)態(tài)及通量

不同處理CH4排放差別不大，各處理CH4排放呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)。如圖4所示，2013年NPK和NPKS處理CH4多呈現(xiàn)負(fù)排放，最高排放值分別為C 0.14和0.04 mg m-2h-1，最低排放值分別為 -0.42和-0.45 mg m-2h-1；NPKM和NPKM+ 處理多呈正排放，最高排放值分別為 0.82和 0.47 mg m-2h-1，最低排放值分別為 -0.12和 -0.40 mg m-2h-1。2014年NPK 和NPKS處理的CH4排放凍融前期呈現(xiàn)負(fù)排放狀態(tài)，而凍融后期呈現(xiàn)正排放狀態(tài)，排放幅度分別在 -0.15～0.38 mg m-2h-1和 -0.24～0.1 mg m-2h-1之間，NPKM和NPKM+也出現(xiàn)同樣的排放趨勢，排放幅度分別在-0.17～0.25 mg m-2h-1和-0.29～0.2 mg m-2h-1之間。所有處理中，NPKM+處理在2013和2014年凍融期間CH4平均排放分別為 0.03和0.04 mg m-2h-1，NPKM處理2013和2014年的排放平均值分別為 0.05和 0 mg m-2h-1，NPK和NPKS處理的排放均值相對較低，其中NPKS兩年平均排放值分別為 -0.09和-0.04 mg m-2h-1，NPK處理兩年平均排放值分別為 -0.06和 0.04 mg m-2h-1之間。各處理2013年和2014年春季凍融期（27 d）CH4的平均排放量介于 -0.1～0.3 kg hm-2a-1之間，占全年CH4排放量的6%～13.8%（表4）。

表4 2013和2014年CH4和N2O總的排放量Table 4 Total emissions of CH4 and N2O during the freezing and thawing alternation period in 2013 and 2014

2.4 N2O排放動(dòng)態(tài)及通量

圖4 凍融交替期間不同施肥處理CH4的排放動(dòng)態(tài)Fig. 4 Dynamics of CH4 emission during the freezing and thawing alternation period relative to treatment

春季凍融期不同施肥處理N2O排放差別顯著（p＜0.05）。如圖5所示，2013年NPK和NPKS處理N2O的排放峰值出現(xiàn)在3月15日左右，最大峰值為N 60 μg m-2h-1。而NPKM+和NPKM處理在3月15日的最大峰值為180 μg m-2h-1，高排放量持續(xù)至3月25日，隨后顯著下降。2014年凍融期各處理的N2O排放量于3月12日開始顯著增加，NPK和NPKS處理的排放峰值出現(xiàn)在3月12日至3月20日之間，最大峰值為分別為42和 55 μg m-2h-1，隨后出現(xiàn)顯著下降趨勢。NPKM+和NPKM處理在3月12日至3月15日之間出現(xiàn)最大峰值，最高值分別為195和 178 μg m-2h-1，隨后急劇降低。NPKM+處理在2013和2014年兩次凍融期N2O平均排放分別為 80和 65 μg m-2h-1，顯著高于其他處理（p＜0.05）。其次為NPKM處理，2013和2014年的排放平均值分別為 47和 39 μg m-2h-1，NPK和NPKS處理的排放峰值相對較低，分別介于 16.1～18.6 μg m-2h-1和20.4～22.7 μg m-2h-1之間，CK處理的排放峰值最低，排放平均值分別為9.5和 4.0 μg m-2h-1?？偠灾?，2013和2014年春季凍融期間，隨著溫度升高，N2O的排放都有激發(fā)性增長趨勢，在排放10 d后迅速減少并呈現(xiàn)低值穩(wěn)定排放狀態(tài)。各處理2013年和2014年春季凍融期（27 d）N2O的平均排放量介于N 0.1～0.5 kg hm-2a-1之間（表5），占全年N2O排放量的6%～13.8%，尤其NPKM+和NPKM處理4周的N2O排放量達(dá)到N 0.3～0.5 kg hm-2a-1，占到全年平均排放量的13%～18%（表5）。

2.5 SOC和環(huán)境因子對灰漠土溫室氣體排放的影響

長期定位條件下，灰漠土不同施肥處理的土壤SOC顯著不同，為了說明SOC與CO2和N2O的響應(yīng)關(guān)系，將不同施肥處理的SOC與CO2和N2O進(jìn)行配比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高SOC處理（NPKM+和NPKM）的CO2和N2O的平均排放通量顯著更高，而低SOC處理的CO2和N2O的平均排放通量相對較低。如圖6所示，不同處理SOC含量與CO2和N2O排放通量成顯著線性相關(guān)，2013年CO2和N2O排放通量的R2分別達(dá)到0.771和0.995，2014年CO2和N2O排放通量的R2分別達(dá)到0.732和0.976，說明灰漠土土壤SOC對兩種溫室氣體的影響顯著。其次，CO2與土壤溫度成顯著相關(guān)，各處理R2介于0.24～0.45之間（圖7），但CO2對氣溫的響應(yīng)不如土壤溫度明顯，R2介于0.015～0.048之間，相關(guān)性較差。N2O對氣溫和不同深度地溫均有不同程度的響應(yīng)，基本呈現(xiàn)線性相關(guān)或者弱二次相關(guān)（圖8），說明氣溫和地溫對于凍融時(shí)期N2O的排放有顯著的影響。

3 討 論

3.1 灰漠土凍融期特點(diǎn)及凍融期界定

圖5 凍融交替期間不同施肥處理N2O的排放動(dòng)態(tài)Fig. 5 Dynamics of N2O emission during the freezing and thawing alternation period relative to treatment

圖6 不同處理土壤有機(jī)碳含量與CO2和N2O的線性關(guān)系Fig. 6 Liner relationships of SOC with CO2 and N2O relative to treatment

圖7 不同施肥處理CO2排放通量與土壤溫度和空氣溫度的二項(xiàng)相關(guān)Fig. 7 Binomial correlations of CO2 with soil and air temperatures relative to treatment

圖8 不同施肥處理N2O排放通量與土壤溫度和空氣溫度的二項(xiàng)相關(guān)Fig. 8 Binomial correlations of N2O with soil and air temperatures relative to treatment

凍融交替是一種普遍的現(xiàn)象，尤其在溫帶、亞寒帶和寒帶地區(qū)［6］。對于我國而言，西北和東北是凍融交替最為明顯的地區(qū)。這主要由于冬季漫長，春秋季時(shí)間較短，晝夜溫差比較大，為凍融交替提供了條件［7］。然而，對于凍融期的界定一直存在爭議，因?yàn)閺亩鞠虼杭具^度階段，白天溫度較高，而夜間溫度急劇降低，尤其當(dāng)白天溫度超過0℃時(shí)，這個(gè)時(shí)候已經(jīng)存在凍融現(xiàn)象，而夜間溫度或者雪層以下仍在0℃左右徘徊，因此很難準(zhǔn)確估計(jì)凍融時(shí)間［28］。對于西北綠洲灰漠土農(nóng)田，冬季低溫導(dǎo)致土層凍融深度可以達(dá)到0.5 m，在向春季過度階段，地表和空氣溫度超過0℃，而深層土壤溫度仍可能停留在0℃以下，這就導(dǎo)致表層土壤開始凍融，而深層土壤仍處于冷凍狀態(tài)［6，8］。例如，我們在2013年的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，3月5日左右空氣溫度顯著上升，表層積雪迅速融化，此時(shí)5 cm表土溫度白天在0℃左右，表層凍融顯著開始，然而深層10～20 cm土層白天和夜晚溫度仍低于0℃，深層土壤凍融不明顯。在3月9日至3月15日這段時(shí)間，10 cm和20 cm的土壤溫度也開始由零下2℃到零下5℃逐漸上升到0℃左右，并開始凍融交替，積雪顯著消融；3月16日至3月25日表土積雪完全融化，土壤含水量急劇增加，此時(shí)白天空氣土壤溫度達(dá)到5～10℃，而晚間溫度仍然較低，存在劇烈的凍融交替現(xiàn)象，此時(shí)深層土壤也開始劇烈凍融交替，凍融達(dá)到高峰期；3月26日之后夜間凍融減少，表層土壤含水量開始降低，凍融交替顯著減弱。所以，從3月5日開始，灰漠土農(nóng)田土壤凍融開始，此后凍融現(xiàn)象加劇逐漸過渡到凍融高峰期，3月26日之后凍融消退。所以，灰漠土農(nóng)田凍融存在著一個(gè)由弱到強(qiáng)再弱的一個(gè)循環(huán)過程，這個(gè)過程持續(xù)時(shí)間近一個(gè)月。2014年也存在這樣的現(xiàn)象，只是凍融現(xiàn)象推遲5 d左右，持續(xù)時(shí)間也近一個(gè)月（圖1）。因此，本文依據(jù)兩年凍融試驗(yàn)，將3月10日至4月5日作為灰漠土農(nóng)田春季凍融的關(guān)鍵時(shí)期。

3.2 灰漠土三種溫室氣體凍融期排放特點(diǎn)

灰漠土土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，但經(jīng)過改良后，土壤有機(jī)質(zhì)含量會(huì)顯著提升。例如，徐明崗等［19］分析長期定位條件下灰漠土土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，灰漠土均衡施肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量可以從最初的15 g kg-1上升至16～27 g kg-1［19］。其次，灰漠土農(nóng)田大都一年一季的種植模式，這意味著除了作物生長季之外，非生長季的時(shí)間較長，一般從每年的10月持續(xù)至第二年的4月，加之灰漠土農(nóng)田冬季降水量相對較高［20］。所以，土壤有機(jī)質(zhì)、土壤氮素和土壤水分在春季凍融后均有了一個(gè)顯著的提升［24］，為灰漠土的農(nóng)田三種溫室氣體的提升提供了條件。此外，凍融期間，凍結(jié)的土壤顆粒表面覆蓋了一層薄冰膜，降低了土壤的通透性，不僅阻止了氧氣進(jìn)入土壤，使土壤處于厭氧環(huán)境促進(jìn)了反硝化作用，而且也阻礙了土壤中產(chǎn)生的氣體向外擴(kuò)散，從而聚積在土壤中并在土壤融解期時(shí)形成排放高峰［25-26］，這對于冬季漫長的灰漠土農(nóng)田而言，土壤底層長時(shí)間累積的氣體在解凍后產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)可能更強(qiáng)。我們在2013年和2014年春凍期間發(fā)現(xiàn)灰漠土農(nóng)田所有處理CO2和N2O均有明顯升高趨勢。只是不同施肥處理的排放強(qiáng)度和周期不同，例如，NPK和NPKS處理的排放峰值持續(xù)的時(shí)間較短，但排放峰值較高，而等氮量的NPKM處理排放持續(xù)時(shí)間長，但峰值相對較低。對于高量施肥處理的NPKM+，其排放的時(shí)間和峰值都較高，這與過量的有機(jī)肥投入和高量的土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。此外，我們還發(fā)現(xiàn)灰漠土農(nóng)田長期定位后導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量差別明顯，不同施肥處理CO2和N2O的排放與土壤有機(jī)質(zhì)的含量顯著正相關(guān)（圖6）。例如，NPKS處理凍融期間的CO2和N2O的平均排放量要高于NPK處理，但低于NPKM和NPKM+處理。大量的研究也證明了土壤有機(jī)質(zhì)含量與溫室氣體排放顯著相關(guān)［9，11，15］。這也說明凍融期間土壤有機(jī)質(zhì)含量是決定溫室氣體排放的關(guān)鍵因素之一。

3.3 凍融期不同環(huán)境因子與溫室氣體排放的關(guān)系

土壤溫度是影響凍融期間CO2和N2O排放關(guān)鍵因素之一，在同等土壤含水量條件下，土壤溫度與溫室氣體排放成正相關(guān)。當(dāng)土壤溫度超過0℃時(shí)候，土壤微生物活性加劇，土壤溫室氣體的排放有明顯增加趨勢。在2013和2014年的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，3月10日之后土壤溫度已經(jīng)超過0℃，各處理CO2和N2O均有急劇增加的現(xiàn)象，原因可能是由于溫度上升，土壤含水量升高，土壤礦化氮量增加，促進(jìn)了土壤微生物活性，也促進(jìn)了溫室氣體的排放。在2013年的試驗(yàn)中，當(dāng)土壤溫度上升至5～10℃時(shí)，各處理的CO2和N2O增加更為劇烈，可能與此時(shí)土壤溫濕度及微生物的活性顯著更高有關(guān)。2014年凍融期相對較晚，同樣在5～10℃時(shí)，溫室氣體排放出現(xiàn)激增現(xiàn)象。值得注意的是，2013年3月25日之后，各處理的CO2和N2O均有明顯下降趨勢，這主要與土壤含水量急劇下降有關(guān)。分析發(fā)現(xiàn)，CO2和土壤溫度以及空氣溫度呈現(xiàn)弱二項(xiàng)相關(guān)，而N2O與土壤溫度和空氣溫度有顯著的二項(xiàng)相關(guān)（p＜0.05）。此時(shí)的空氣相對濕度顯著降低，從側(cè)面說明了土壤含水量是影響土壤溫室氣體排放的另一個(gè)重要因素。然而，初期土壤溫度上升，某種程度上有助于土壤凍融，提升土壤的含水量，以及加劇有機(jī)質(zhì)礦化，這幾個(gè)因素的相互耦合共同促進(jìn)了土壤溫室氣體的排放，相似的結(jié)論出現(xiàn)在東北黑土區(qū)農(nóng)田［7］。干旱區(qū)凍融交替期間農(nóng)田的CH4排放沒有顯著的不同，排放量相對較低，這主要還是與甲烷細(xì)菌的活性較低有關(guān)［27，29］。此外，冬季降雪量的大小可能對春季凍融溫室氣體的排放產(chǎn)生一定的影響［30］，當(dāng)冬季凍融期間降雪量較大的時(shí)候，會(huì)對土壤水下滲深度以及土壤含水量持續(xù)的時(shí)間產(chǎn)生影響，某種程度上而言可能延長溫室氣體的排放。同樣，當(dāng)降雪量較少時(shí)，土壤相對濕度持續(xù)時(shí)間較短，縮短溫室氣體排放時(shí)間。

4 結(jié) 論

春季凍融期是綠洲灰漠土農(nóng)田溫室氣體排放的高發(fā)時(shí)期。尤其凍融交替初期到中期，CO2和N2O均有顯著上升的趨勢，后期隨著土壤含水量的下降，CO2和N2O的排放量顯著下降。所有處理中，有機(jī)肥添加處理的溫室氣體氣體排放周期相對更長，排放通量顯著更高，而單施化肥或秸稈還田處理的排放峰值較高，但持續(xù)時(shí)間相對較短。此外，冬季降雪量也是影響溫室氣體排放的一個(gè)關(guān)鍵因素，高量降雪導(dǎo)致土壤含水量的持續(xù)時(shí)間更長，溫室氣體的高排周期也相對更長，低量降雪導(dǎo)致土壤含水量持續(xù)時(shí)間相對較短，高排周期也相對變短?？偠灾?，灰漠土農(nóng)田凍融期間的溫室氣體排放量相對較高，估算溫室氣體排放或考慮增溫潛勢時(shí)應(yīng)充分考慮該時(shí)期。

致 謝 感謝國家灰漠土肥力與肥料效益重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站和河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室給予氣象數(shù)據(jù)、場地和樣品分析方面的支持。

［1］ 趙倩，劉文杰，陳生云，等. 祁連山疏勒河上游多年凍土區(qū)高寒草甸土壤CO2通量特征. 冰川凍土，2014，36（6）：1572—1581 Zhao Q，Liu W J，Chen S Y，et al. Soil CO2flux characteristics in alpine meadow of permafrost regions in the upper reaches of the Shule River，Qilianshan Mountains（In Chinese）. Journal of Glaciology and Geocryology，2014，36（6）：1572—1581

［2］ 王曉龍，張寒，姚志生，等. 季節(jié)性凍結(jié)高寒泥炭濕地非生長季甲烷排放特征初探. 氣候與環(huán)境研究，2016，21（3）：282—292 Wang X L，Zhang H，Yao Z S，et al. A preliminary study on methane emission from a seasonal-freezing alpine peat wetland during a non-growing period（In Chinese）. Climatic and Environmental Research，2016，21（3）：282—292

［3］ 蔡祖聰. 水分類型對土壤排放的溫室氣體組成和綜合溫室效應(yīng)的影響. 土壤學(xué)報(bào)，1999，36（4）：484—491 Cai Z C. Effects of water regime on CO2，CH4and N2O emissions and overall potential for greenhouse effect caused by emitted gases（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，1999，36（4）：484—491

［4］ 王恩姮，趙雨森，夏祥友，等. 凍融交替后不同尺度黑土結(jié)構(gòu)變化特征. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，34（21）：6287—6296 Wang E H，Zhao Y S，Xia X Y，et al. Effects of freeze-thaw cycles on black soil structure at different size scales（In Chinese）. Acta Ecologica Sinica，2014，34（21）：6287—6296

［5］ 王廣帥，楊曉霞，任飛，等. 青藏高原高寒草甸非生長季溫室氣體排放特征及其年度貢獻(xiàn). 生態(tài)學(xué)雜志，2013，32（8）：1994—2001 Wang G S，Yang X X，Ren F，et al. Non-growth season’s greenhouse gases emission and its yearly contribution from alpine meadow on Tibetan Plateau of China（In Chinese）. Chinese Journal of Ecology，2013，32（ 8）：1994—2001

［6］ 楊紅露，秦紀(jì)洪，孫輝. 凍融交替對土壤CO2及N2O釋放效應(yīng)的研究進(jìn)展. 土壤，2010，42（4）：519—525 Yang H L，Qin J H，Sun H. A review：Response of soil CO2and N2O emissions to freeze-thaw pattern change（In Chinese）. Soils，2010，42（4）：519—525

［7］ 陳哲，韓瑞蕓，楊世琦，等. 東北季節(jié)性凍融農(nóng)田土壤CO2、CH4、N2O通量特征研究. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（2）：387—395 Chen Z，Han R Y，Yang S Q，et al. Fluxes of CO2，CH4and N2O from seasonal freeze-thaw arable soils in Northeast China（In Chinese）. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（2）：387—395

［8］ 王海飛，賈興永，高兵，等. 不同土地利用方式土壤溫室氣體排放對碳氮添加的響應(yīng). 土壤學(xué)報(bào)，2013，50（6）：1170—1179 Wang H F，Jia X Y，Gao B，et al. Response of greenhouse gas emission to application of carbon and nitrogen in soils different in land use（In Chinese）.Acta Pedologica Sinica，2013，50（6）：1170—1179

［9］ Lü J L，Liu X，Liu H，et al. Greenhouse gas intensity and net annual global warming potential of cotton cropping systems in an extremely arid region. Nutrient Cycling in Agroecosystem，2014，98（1）：15—26

［10］ Burton D L，Beauchamp E G. Profile nitrous oxide and carbon dioxide concentrations in a soil subject to freezing. Soil Science Society of America Journal，1994，58：115—122

［11］ Elberling B O. Seasonal trends of soil CO2dynamics in a soil subject to freezing. Journal of Hydrology，2003，276：159—175

［12］ 周旺明，王金達(dá)，劉景雙，等. 凍融對濕地土壤可溶性碳、氮和氮礦化的影響. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，24（3）：1—6 Zhou W M，Wang J D，Liu J S，et al. Effects of freezing and thawing on dissolved organic carbon and nitrogen pool and nitrogen mineralization（In Chinese）. Jounal of Ecology and Rural Environment，2008，24（3）：1—6

［13］ Mastepanov M，Sigsgaard C，Dlugokencky E J，et al.Large tundra methane burst during onset of freezing.Nature，2008，456（7222）：628—630

［14］ 樸河春，劉廣深，洪業(yè)湯. 全球凍融地區(qū)土壤是重要的N2O 釋放源的綜合分析. 地球科學(xué)進(jìn)展，1995，10（3）：283—295 Piao H C，Liu G S，Hong Y T. Soils in global freezingthawing areas as the major N2O-releasing sourcea（In Chinese）. Advance in Earth Sciences，1995，10（3）：283—295

［15］ Song C，Wang Y，Wang Y，et al. Emission of CO2，CH4and N2O from freshwater marsh during freezethaw period in Northeast of China. Atmospheric Environment，2006，40（35）：6879—6885

［16］ Nielsen C B，Groffman P M，Hamburg S P，et al.Freezing effects on carbon and nitrogen cycling in northern hardwood forest soils. Soil Science Society of America Journal，2001，65（6）：1723—1730

［17］ Henry H A. Soil freeze-thaw cycle experiments：trends，methodological weaknesses and suggested improvements. Soil Biology & Biochemistry，2007，39（5）：977—986

［18］ Smith J，Wagner R C，Dunfield K. Season and management related changes in the diversity of nitrifying and denitrifying bacteria over winter and spring. Applied Soil Ecology，2010，44（2）：138—146

［19］ 徐明崗，梁國慶，張夫道. 中國土壤肥力演變. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2006：176—187 Xu M G，Liang G Q，Zhang F D. Evolution of soil fertility in China（In Chinese）. Beijing：China Agricultural Science and Technology Press，2006：176—187

［20］ 劉驊，王講利. 灰漠土長期定位施肥對耕層土壤碳氮平衡及 NO3-N在土壤剖面上積累的研究. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2002，8（增刊）：96—99 Liu H，Wang J L. Gray desert soil long-term fertilization on the top layer of soil carbon and nitrogen balance and NO3-N accumulation in soil profile （In Chinese）.Plant Nutrition and Fertilizer Science，2002，8（supplement）

［21］ 許詠梅，劉驊，王西和. 長期不同施肥下新疆灰漠土土壤呼吸特征研究. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，49（7）：1294—1300 Xu Y M，Liu H，Wang X H. The soil respiration characteristics of grey desert soil under different longterm fertilization（In Chinese）. Xinjiang Agricultural Sciences，2012，49（7）：1294—1300

［22］ 徐萬里，劉驊，張?jiān)剖?，? 新疆灰漠土區(qū)不同肥料配比土壤氨揮發(fā)原位監(jiān)測. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（8）：4565—4571 Xu W L，Liu H，Zhang Y S，et al.In Situmonitoring of ammonia volatilization from grey desert soil under different in Xinjiang（In Chinese）. Acta Ecologica Snica，2009，29（8）：4565—4571

［23］ 周斌，王周瓊. 新疆干旱區(qū)灰漠土農(nóng)田養(yǎng)分平衡與養(yǎng)分消長規(guī)律. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2004，18（5）：143—146 Zhou B，Wang Z Q. Law of nutrient equilibrium，gain and loss in grey desert soil oases（In Chinese）. Journal of Arid Land Resources and Environment，2004，18（5）：143—146

［24］ Kurganova I N，Teepe R，de Gerenyu V L. The dynamics of N2O emission from arable and forest soils under alternating freeze-thaw conditions. Eurasian Soil Science，2004，37（11）：1219—1228

［25］ Koponen H T，Martikainen P J. Soil water content and freezing temperature affect freeze-thaw related N2O production in organic soil. Nutrient Cycling in Agroecosystems，2004，69（3）：213—219

［26］ Shang Q Y，Yang X X，Gao C M，et al. Net annual global warming potential and greenhouse gas intensity in Chinese double rice-cropping systems：A 3-year field measurement in long-term fertilizer experiments. Global Change Biology，2011，17（6）：2196—2210

［27］ Li Z G，Wang X J，Zhang R H，et al. Contrasting diurnal variations in soil organic carbon decomposition and root respiration due to a hysteresis effect with soil temperature in aGossypiums. （cotton）plantation.Plant and Soil，2011，343（1/2）：347—355

［28］ 王連峰，蔡延江，解宏圖. 凍融作用下土壤物理和微生物性狀變化與氧化亞氮排放的關(guān)系. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18（10）：2361—2366 Wang L F，Cai Y J，Xie H T. Relationships of soil physical and microbial properties with nitrous oxide emission under effects of freezing-thawing cycles（In Chinese）. Chinese Journal of Applied Ecology，2007，18（10）：2361—2366

［29］ Herrmann A，Witter E. Sources of C and N contributing to the flush in mineralization upon freeze-thaw cycles insoils. Soil Biology & Biochemistry，2002，34：1495—1505

［30］ 田展，牛逸龍，孫來祥，等. 基于DNDC模型模擬氣候變化影響下的中國水稻田溫室氣體排放. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào) 2015，26（3）：793—799 Tian Z，Niu Y L，Sun L X，et al. China’s rice field greenhouse gas emission under climate change based on DNDC model simulation（In Chinese）. Chinese Journal of Applied Ecology，2015，26（3）：793—799