除草劑對不同種植年限柑橘園土壤氮轉(zhuǎn)化過程及溫室氣體排放的影響*

鄭祥洲, 王亞薩,2, 張玉樹, 張 晶, 丁 洪**

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除草劑對不同種植年限柑橘園土壤氮轉(zhuǎn)化過程及溫室氣體排放的影響*

鄭祥洲1, 王亞薩1,2, 張玉樹1, 張 晶1, 丁 洪1**

(1. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所 福州 350013; 2. 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 福州 350002)

為探討除草劑施用對柑橘園土壤氮轉(zhuǎn)化及溫室氣體排放的影響, 在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下, 研究了0年(林地)、種植10年和30年的柑橘園土壤中分別添加除草劑草甘膦和丁草胺后, 尿素態(tài)氮含量、硝化和反硝化作用以及溫室氣體排放的變化。研究結(jié)果表明, 橘園土壤中尿素第1 d的水解率、氮肥硝化率、反硝化作用損失總量以及N2O和CO2排放量顯著高于林地土壤(<0.05)。與10年橘園土壤相比, 30年橘園土壤顯著增加了尿素的水解速率、氮肥硝化率和CO2排放量(<0.05), 但二者的反硝化損失量沒有顯著差異。施用草甘膦和丁草胺都顯著促進(jìn)了林地土壤的尿素水解(<0.05), 第1 d尿素態(tài)氮含量分別降低11.20%和12.43%; 但對3種土壤氮肥的硝化率均沒有明顯影響。施用丁草胺顯著降低了林地土壤的CO2排放量(<0.05), 對兩種橘園土壤的CO2排放沒有明顯影響, 但明顯增加了兩種橘園土壤的N2O排放總量(<0.05), 分別比不施除草劑增加56.27%和85.41%; 施用草甘膦對3種土壤的N2O和CO2排放均沒有明顯影響?？梢? 草甘膦和丁草胺的施用不會(huì)對柑橘園土壤的氮轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生影響, 但丁草胺顯著增加了柑橘園土壤的N2O排放。

丁草胺; 草甘膦; 氮肥; 橘園土壤; 氮轉(zhuǎn)化; 溫室氣體

氮肥和除草劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的施用大大提高了作物產(chǎn)量, 保障了世界糧食的安全。特別是近些年來, 隨著農(nóng)村勞動(dòng)人口的轉(zhuǎn)移, 勞動(dòng)力成本不斷上升, 化學(xué)除草劑的施用量明顯增加。自1980年以來, 全國化學(xué)除草面積以年200萬hm2的速度擴(kuò)增[1]。施用除草劑在防除田間雜草的同時(shí), 也會(huì)對非目標(biāo)物如土壤微生物、土壤酶活等產(chǎn)生一定的影響[2-3]。氮肥的有效性與其在土壤中的轉(zhuǎn)化過程有關(guān), 而這些轉(zhuǎn)化過程又受土壤微生物和酶的影響和調(diào)節(jié)。已有研究表明, 除草劑的施用對農(nóng)田土壤氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物和土壤酶活性產(chǎn)生影響[4], 并影響到土壤中氮素的轉(zhuǎn)化過程[5-6], 進(jìn)而影響到氮肥的生物有效性和利用率。筆者前期的研究也表明, 除草劑對菜園土壤中尿素態(tài)氮的轉(zhuǎn)化和溫室氣體排放過程有一定影響, 且不同除草劑品種的效應(yīng)有明顯差異[7-8]。

然而, 目前國內(nèi)外關(guān)于除草劑對土壤氮轉(zhuǎn)化過程及溫室氣體排放的影響研究多集中在農(nóng)田土壤[9], 對果園土壤的影響則鮮見報(bào)道。果樹作為我國重要的經(jīng)濟(jì)作物, 2015年全國種植面積高達(dá)1 281.7萬hm2[10]。且由于耕作方式的不同, 和一般農(nóng)田土壤相比, 果園土壤的養(yǎng)分狀況、物理結(jié)構(gòu)[11]、有機(jī)碳氮組分以及微生物功能活性都存在較大差異[12], 對除草劑施用的響應(yīng)自然也不相同。明確除草劑和種植年限對果園土壤氮素轉(zhuǎn)化和溫室氣體排放的過程, 對于指導(dǎo)除草劑和氮素施用具有重要的參考意義。本文選擇亞熱帶地區(qū)不同種植年限柑橘園土壤作為研究對象,探討除草劑施用對土壤氮轉(zhuǎn)化及溫室氣體排放過程的影響, 為評(píng)價(jià)南方柑橘園除草劑的施用效應(yīng)和合理施肥施藥、減少環(huán)境污染提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤取自福建省泉州市永春縣桃城鎮(zhèn)柑橘園(25°22￠152~25°23￠202N, 118°19￠392~118°20￠362E)。為了避開施肥的影響, 土壤樣品于2015年5月采集(與施肥時(shí)間間隔2個(gè)月以上)。在同一區(qū)域內(nèi)選擇未種植柑橘的灌木林地土壤(以下簡稱林地)、種植10年和30年的橘園土壤。采樣點(diǎn)的坡向和坡度基本一致。每個(gè)橘園隨機(jī)選擇10棵樹為1個(gè)重復(fù), 在每棵樹樹冠下以樹干為圓心、不同半徑圓周上隨機(jī)采集6個(gè)子樣點(diǎn), 共60個(gè)子樣點(diǎn)混合成1個(gè)土樣。灌木林以200~300 m2范圍作為1個(gè)取樣點(diǎn), 每個(gè)取樣點(diǎn)隨機(jī)取60個(gè)子樣點(diǎn)混合成1個(gè)土樣。取樣深度為0~20 cm, 取樣前先去除表層枯枝落葉層。土壤樣品采集后分為2份, 1份風(fēng)干后用于基礎(chǔ)理化性質(zhì)測定, 另一份經(jīng)微風(fēng)干后過2 mm篩, 用于進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)。供試土壤的理化性質(zhì)見表1。

試驗(yàn)選用的除草劑為有效成分30%的草甘膦異丙胺鹽水劑(四會(huì)市潤土作物科學(xué)有限公司生產(chǎn))和有效成分60%的丁草胺乳液(山東僑昌化學(xué)有限公司生產(chǎn))。氮肥為含氮量46%的尿素(上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn))。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用2因素3水平完全試驗(yàn)設(shè)計(jì), 主因素為種植年限, 分別為林地、10年柑橘園和30年柑橘園; 副因素為除草劑品種, 分別為不施除草劑和施除草劑草甘膦和丁草胺。除草劑用量為10 mg(有效成分)?kg-1(土), 所有處理均施用尿素200 mg(N)?kg-1(土)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表1 供試不同年限橘園土壤的理化性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)步驟

稱取折合150 g干土的微風(fēng)干土, 裝入300 mL廣口瓶中。將氮肥和農(nóng)藥先按比例混合, 溶于水后再定量加入廣口瓶中, 使土壤含水量達(dá)到田間最大持水量的60%。用封口膜封口, 保持瓶內(nèi)外自由通氣, 于28 ℃下恒溫好氣培養(yǎng)。

氮素動(dòng)態(tài)變化及溫室氣體排放的測定: 取樣時(shí)間為培養(yǎng)的第1 d、3 d、5 d、8 d、12 d、18 d、24 d和33 d, 采用破壞性取樣, 每個(gè)處理每次取樣設(shè)3個(gè)重復(fù)(即每次9個(gè)處理各取3瓶, 取8次樣, 共216瓶)。在取樣前24 h, 用帶有2根玻璃管的軟木塞塞住瓶口, 每根玻璃管分別接1段硅膠管, 其中1根接上三通閥, 然后密封2根通氣管。24 h后, 用注射器通過培養(yǎng)瓶上的三通閥將瓶中氣體充分混勻, 抽取20 mL瓶中氣體用來測定溫室氣體CO2和N2O; 然后將培養(yǎng)瓶中的土壤整瓶取出, 充分混合均勻, 測定土壤中的尿素態(tài)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

反硝化作用測定采用乙炔抑制法[13]: 取樣時(shí)間為培養(yǎng)的第3 d、5 d、8 d、12 d、18 d、24 d和33 d, 采用破壞性取樣, 每個(gè)處理每次取樣設(shè)3個(gè)重復(fù)(即每次9個(gè)處理各取3瓶, 取7次樣, 共189瓶)。于取樣前24 h用帶有2根玻璃管的軟木塞塞住瓶口, 每根玻璃管分別接1段硅膠管, 其中1根連接三通閥, 密封2根通氣管。然后用注射器接上三通閥從培養(yǎng)瓶中抽出10%自由體積的空氣, 再回注等量純凈乙炔, 使瓶中乙炔氣體體積比達(dá)到10%, 并混合均勻, 以達(dá)到擴(kuò)散均勻、抑制硝化作用以及N2O還原酶活性的目的。24 h后, 用注射器通過培養(yǎng)瓶上的三通閥將瓶中氣體充分混勻, 抽取20 mL瓶中氣體測定反硝化作用產(chǎn)生的N2O氣體含量。

1.4 樣品測定方法

土壤尿素態(tài)氮采用二乙酰一肟-硫代氨基脲法[14]測定: 土壤銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測定, 土壤硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定[15]。N2O、CO2和反硝化產(chǎn)生的N2O(N2O+N2)氣體樣品分析采用經(jīng)中國科學(xué)院大氣物理所改裝、美國Agilent公司生產(chǎn)的氣相色譜儀GC7890A測定。

硝化率計(jì)算公式為:

Nr(%)=(C-0)/′100 (1)

式中,C為時(shí)土壤中硝態(tài)氮含量(mg·kg-1),0為培養(yǎng)前土壤中硝態(tài)氮含量(mg·kg-1),為試驗(yàn)開始總共投入的尿素氮肥的含量(mg·kg-1)。

單位時(shí)間氣體排放通量(反硝化速率、N2O排放速率、CO2排放速率)計(jì)算方法為:

=×/22.4×//(2)

式中:為反硝化產(chǎn)生的N2O(N2O+N2)氣體、溫室氣體N2O和CO2排放量(μg×kg-1×h-1),為氣體濃度測定值(μg·mL-1),為1 mol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),為培養(yǎng)瓶內(nèi)總的自由體積(mL),為培養(yǎng)土壤重量(kg),為密閉培養(yǎng)的時(shí)間(h)。

總排放量[, μg×kg-1(土)]計(jì)算方法為:

=∑(1+2)/2××24 (3)

式中:1為前一次測定值[μg×kg-1(土)],2為后一次測定值[μg×kg-1(土)],為相隔天數(shù), 24為每天小時(shí)數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及圖表制作采用SPSS 13.0和Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 除草劑對不同橘園土壤中尿素水解過程的影響

尿素施入土壤后可在脲酶的作用下迅速水解成銨態(tài)氮。從表2可知, 在不施用除草劑的情況下, 隨著種植年限的增加土壤中尿素態(tài)氮的水解速度顯著增快, 30年橘園土壤的尿素水解能力最強(qiáng), 10年橘園土壤次之, 林地土壤最弱。第1 d時(shí), 土壤中的尿素態(tài)氮含量以30年橘園最低, 僅為98.30 mg×kg-1, 林地最高, 為191.77 mg×kg-1。第8 d時(shí), 30年橘園土壤中的尿素已基本水解完畢; 林地和10年橘園土壤中的尿素直到培養(yǎng)第12 d才基本水解完全。

表2 除草劑對不同種植年限橘園土壤尿素態(tài)氮含量的影響

同列不同字母表示不同處理間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among different treatments (< 0.05).

除草劑的施用對尿素的水解速率有一定影響。林地施用草甘膦和丁草胺處理土壤尿素態(tài)氮在培養(yǎng)第1 d時(shí)分別比不施除草劑處理降低11.20%和12.43%, 表明草甘膦和丁草胺顯著促進(jìn)了林地土壤中尿素的水解過程(<0.05)。而在兩種橘園土壤中, 施用除草劑的處理在整個(gè)培養(yǎng)過程中其尿素態(tài)氮含量和不施用除草劑的處理基本上無差異, 表明草甘膦和丁草胺在10 mg×kg-1用量下對橘園土壤的尿素水解過程沒有明顯影響。

2.2 除草劑對不同橘園土壤銨態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)變化的影響

在培養(yǎng)前期, 由于尿素水解轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮, 土壤銨態(tài)氮含量隨培養(yǎng)時(shí)間增加不斷升高(表3)。其中30年橘園土壤的銨態(tài)氮含量在第5 d時(shí)達(dá)到最大值233.45 mg×kg-1(土), 而林地土壤和10年柑橘園土壤中的銨態(tài)氮?jiǎng)t在培養(yǎng)的第12 d時(shí)達(dá)到最大值262.29 mg×kg-1(土)和209.43 mg×kg-1(土), 和土壤中尿素態(tài)氮的水解過程相一致。此后隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長, 橘園土壤中的銨態(tài)氮逐漸經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮, 其中30年橘園土壤中銨態(tài)氮的減少速度明顯快于10年橘園土壤, 而林地土壤中的銨態(tài)氮含量則無顯著變化。

從表3可知, 林地土壤在培養(yǎng)第1 d時(shí), 草甘膦和丁草胺處理的土壤中銨態(tài)氮含量顯著高于不施用除草劑的處理(<0.05); 之后, 施用除草劑的處理其銨態(tài)氮含量和不施用除草劑的處理無差異。而對于10年和30年柑橘園土壤來說, 整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)施用除草劑的處理其銨態(tài)氮含量和不施用除草劑的處理基本無差異, 說明除草劑對橘園土壤的銨態(tài)氮含量沒有明顯影響。

表3 除草劑對不同種植年限橘園土壤銨態(tài)氮含量的影響

同列不同字母表示不同處理間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among different treatments (< 0.05).

2.3 除草劑對不同橘園土壤硝化作用的影響

在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi), 林地土壤中的硝化作用一直處在較低的水平(表4), 培養(yǎng)33 d時(shí)氮肥的硝化率僅為3.68%。而10年和30年橘園土壤中氮肥的硝化速率均隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長而升高。從培養(yǎng)的第12 d起, 30年橘園土壤中的氮肥硝化率一直顯著高于10年橘園土壤(<0.05), 培養(yǎng)結(jié)束時(shí), 10年和30年橘園土壤中氮肥的硝化率分別為92.33%和98.20%。

從除草劑對土壤硝化作用的影響來看, 整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi), 除了10年柑橘園土壤在培養(yǎng)第3 d時(shí), 施用除草劑處理的氮肥硝化率顯著低于不施用除草劑的處理外, 同一土壤中施用除草劑的處理其氮肥的硝化率和不施用除草劑的處理基本上無差異。因此, 草甘膦和丁草胺的施用對3種土壤氮肥的硝化過程沒有明顯的影響。

表4 除草劑對不同種植年限橘園土壤硝化率的影響

同列不同字母表示不同處理間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among different treatments (< 0.05).

2.4 乙草胺對土壤氮素反硝化損失的影響

從表5可知, 和硝化過程類似, 林地土壤的反硝化速率一直處在很低的水平。30年柑橘園土壤的反硝化損失速率則和土壤中肥料氮的硝化率相似, 隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長而逐漸升高。10年柑橘園土壤在培養(yǎng)的第3 d出現(xiàn)了1個(gè)反硝化損失的高峰期, 之后該土壤中的反硝化速率逐漸降低, 到第8 d降至最低, 之后又隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長而逐漸升高, 這可能是由10年柑橘園土壤中的初始硝態(tài)氮含量比較高導(dǎo)致。從土壤氮素反硝化損失總量(表6)來看, 耕種顯著提高了土壤氮素的反硝化損失量, 10年和30年柑橘園分別比林地土壤增加5.12倍和4.30倍, 但兩種柑橘園土壤的反硝化損失總量無顯著差異。

整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi), 同一種土壤施用丁草胺和草甘膦處理的反硝化損失總量(表6)和不施用除草劑的對照處理基本無差異。因此, 在本試驗(yàn)用量下, 除草劑丁草胺和草甘膦對不同種植年限柑橘園土壤的反硝化過程沒有明顯影響。

2.5 除草劑對不同種植年限土壤溫室氣體排放的影響

耕種顯著提高了土壤中N2O的排放量, 10年和30年橘園土壤分別比林地土壤提高7.80倍和2.74倍(表7)。究其原因在于土壤中的N2O排放主要是由硝化和反硝化過程產(chǎn)生的, 而本研究發(fā)現(xiàn)耕種明顯提高了土壤的硝化和反硝化活性。在本試驗(yàn)條件下, 10年柑橘園土壤的N2O排放量明顯高于30年柑橘園土壤, 這可能和該土壤中初始的硝態(tài)氮含量較高有關(guān)。3種土壤施用草甘膦后的N2O排放總量和未施用除草劑的處理無差異。施用丁草胺明顯增加了耕種柑橘園土壤的N2O排放總量, 10年橘園和30年橘園施用丁草胺處理的N2O排放總量分別為507.81 μg(N)×kg-1和255.77 μg(N)×kg-1, 分別比相應(yīng)的不施除草劑處理增加56.27%和85.41%, 但對林地土壤的N2O排放總量沒有明顯影響, 這可能和林地土壤的硝化和反硝化活性均較弱有關(guān)。

柑橘園土壤的CO2排放總量隨著種植年限的延長而顯著增加(<0.05)。對于林地土壤來說, 施用丁草胺顯著降低了CO2排放總量, 林地施用丁草胺處理CO2排放總量比不施除草劑處理減少19.73%。而對于10年和30年柑橘園土壤來說, 在整個(gè)培養(yǎng)過程中, 除草劑丁草胺和草甘膦處理的CO2排放速率基本與不施除草劑處理無差異(表7)。因此, 除草劑對柑橘園土壤CO2排放的影響不顯著。

表5 除草劑對不同種植年限橘園土壤反硝化損失的影響

同列不同字母表示不同處理間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among different treatments (< 0.05).

表6 不同種植年限不同除草劑處理橘園土壤尿素氮肥反硝化作用損失總量

括號(hào)內(nèi)同行不同字母表示施用不同除草劑后差異達(dá)顯著水平(<0.05), 括號(hào)外同列不同字母表示不同年限柑橘園土壤間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。Different lowercase letters in brackets in the same line indicate significant differences among different herbicide treatments (< 0.05). Different lowercase letters out of brackets indicate significant differences among different planting years (< 0.05).

表7 除草劑對不同種植年限柑橘園土壤中N2O和CO2排放總量的影響

括號(hào)內(nèi)同行不同字母表示施用不同除草劑后差異達(dá)顯著水平(<0.05); 括號(hào)外同列不同字母表示不同年限柑橘園土壤間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。Different lowercase letters in brackets in the same line indicate significant differences among different herbicide treatments (< 0.05). Different lowercase letters out of brackets in the same column indicate significant differences among different planting years (< 0.05).

3 討論

3.1 除草劑對不同種植年限柑橘園土壤氮轉(zhuǎn)化過程的影響

施用除草劑會(huì)影響土壤脲酶活性, 進(jìn)而對土壤中尿素水解過程產(chǎn)生影響。Sannino等[16]和呼蕾等[17]的試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)表明, 草甘膦在不同土壤中總體表現(xiàn)出激活土壤脲酶活性, 但增幅隨土樣有所差異。彭星等[18]的研究也發(fā)現(xiàn), 丁草胺在0~209 mg×kg-1的濃度范圍內(nèi), 對土壤脲酶均有不同程度的激活作用; 而徐蔣來等[19]在稻田中的研究發(fā)現(xiàn)低濃度丁草胺對脲酶活性影響不明顯。本研究表明, 草甘膦和丁草胺在培養(yǎng)的第1 d均顯著促進(jìn)了林地土壤中尿素的水解過程, 也證實(shí)了除草劑草甘膦和丁草胺在培養(yǎng)的前期對脲酶活性都有一定的激活作用。然而, 本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 在10年和30年柑橘園土壤中, 除草劑對尿素的水解過程沒有明顯影響。這可能與柑橘園種植過程中土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提高、pH顯著降低等因素有關(guān), 10年和30年柑橘園土壤的有機(jī)質(zhì)含量分別是林地土壤的3倍和6倍, pH分別比林地土壤降低1.3和1.2。有研究表明, 土壤有機(jī)質(zhì)含量與除草劑的活性呈明顯負(fù)相關(guān)趨勢[20]。同時(shí), 呼蕾等[17]和王玉軍等[21]的研究還發(fā)現(xiàn), 土壤pH越低, 草甘膦的吸附量越多, 游離草甘膦量越少, 對土壤酶的影響越小。

對于土壤氮素的硝化過程而言, Kara等[22]的研究結(jié)果表明, 施用除草劑特丁津能夠抑制酸性和中性土壤中硝化微生物的活性, 降低土壤中硝態(tài)氮的含量; 但在堿性土壤中卻表現(xiàn)出刺激硝化微生物活性的作用。Gigliotti等[23]發(fā)現(xiàn), 芐嘧磺隆和醚磺隆在田間用量和100倍用量時(shí)對土壤中的細(xì)菌、硝化細(xì)菌數(shù)及土壤呼吸作用均沒有影響, 但降低了土壤的硝化活性。丁洪等[7]在菜地土壤的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn), 草甘膦和丁草胺在培養(yǎng)的前2 d顯著降低了土壤中硝態(tài)氮含量, 在培養(yǎng)前期顯著抑制土壤的硝化活性。總之, 多數(shù)研究均表明, 除草劑對土壤氮素的硝化有一定的抑制作用[24-25]。但Martens等[26]研究18種除草劑對土壤中尿素態(tài)氮轉(zhuǎn)化過程的影響結(jié)果表明, 除草劑對土壤中尿素氮硝化作用的抑制作用隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的減少而增加。而在本試驗(yàn)條件下, 正常用量的草甘膦和丁草胺不會(huì)對柑橘園土壤的氮素轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生不利影響, 這可能與柑橘園種植過程中土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提高且該土壤的硝化過程較慢有關(guān), 但相關(guān)響應(yīng)機(jī)制還需要結(jié)合除草劑對氮轉(zhuǎn)化關(guān)鍵微生物的數(shù)量和活性的影響進(jìn)行深入研究。

3.2 除草劑對不同種植年限柑橘園土壤溫室氣體排放的影響

不少研究表明, 除草劑對土壤中微生物活性和碳氮形態(tài)變化的作用效果可能有別, 從而導(dǎo)致對土壤溫室氣體排放的作用效果也不盡相同, 這不僅與除草劑本身的類型和用量有關(guān), 也與土壤的性質(zhì)(pH、有機(jī)質(zhì)、容重、質(zhì)地和含水量等)有關(guān)。本試驗(yàn)結(jié)果中表現(xiàn)出2種除草劑效應(yīng)上存在一定差異, 且在不同耕種時(shí)間長短上的影響效應(yīng)也不一致。

土壤中的N2O排放主要來源于硝化和反硝化過程。Kinney等[27]和Das等[28]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)除草劑氟磺隆、芐嘧磺隆和丙草胺都抑制了土壤中N2O的產(chǎn)生。本研究中, 林地土壤的硝化和反硝化活性均很低, N2O的排放量也很低, 因此除草劑對之沒有明顯影響。Stratton等[29]研究草甘膦對新開墾酸性森林土壤N2O排放的影響也得到了相同結(jié)果。而柑橘園土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮和硝態(tài)氮含量大幅度提升, 為硝化和反硝化過程提供了充足的底物, N2O的排放量大幅度增加。本研究中草甘膦對開墾后柑橘園N2O的排放沒有明顯影響, 但丁草胺顯著增加了土壤中的N2O排放。這和丁洪等[8]在菜田土壤的研究結(jié)果不同。其原因可能與菜田土壤屬于中性土壤, 而柑橘園土壤為酸性土壤有關(guān)。有研究指出隨著土壤pH降低, 草甘膦的吸附量越多, 對土壤N2O排放過程的影響會(huì)較小[21]。

現(xiàn)有的研究結(jié)果表明, 除草劑對土壤呼吸的影響不盡相同。陶波等[30]發(fā)現(xiàn)隨著草甘膦濃度的加大, 對土壤呼吸的抑制作用增強(qiáng); 孫青等[31]通過室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)在添加尿素的條件下, 莠去津、百草枯和乙草胺對土壤呼吸無顯著影響, 草甘膦顯著抑制了土壤呼吸, 苯磺隆則顯著促進(jìn)了土壤呼吸。而本研究中草甘膦和丁草胺對柑橘園土壤CO2的排放均沒有明顯影響。這可能與供試土壤不同有關(guān)。呼蕾等[32]的研究發(fā)現(xiàn), 在不同pH的土壤中草甘膦對土壤微生物碳氮的影響效果不同, 在堿性土壤顯示出一定的抑制作用, 而在酸性土壤中則表現(xiàn)出刺激作用。因此即使是同一種除草劑, 在不同土壤中對溫室氣體排放的影響也不盡相同。不同農(nóng)作措施往往造成土壤理化性質(zhì)朝著不同的方向發(fā)生改變, 因此有必要進(jìn)一步以長期人為定向培育的土壤為研究對象, 探討不同農(nóng)藝措施下形成的土壤的氮素轉(zhuǎn)化過程對除草劑施用的響應(yīng)。

4 結(jié)論

隨著林地開墾成為柑橘園, 土壤中尿素的水解以及氮肥的硝化速率明顯加快。和林地土壤相比, 10年和30年柑橘園土壤的反硝化損失總量增加5.12倍和4.30倍(<0.05), N2O排放總量增加7.80倍和2.74倍(<0.05), CO2排放總量增加19.62%和39.64%(<0.05)。

隨著種植年限的增加, 土壤中尿素的水解以及氮肥的硝化速率加快。和10年橘園相比, 30年柑橘園CO2的排放總量增加16.74%(<0.05), 但兩種柑橘園土壤中的反硝化損失量無差異。

草甘膦和丁草胺顯著促進(jìn)了林地土壤中尿素的水解(<0.05), 第1 d時(shí)土壤中的尿素含量分別比不施用除草劑處理降低11.20%和12.43%; 而對柑橘園土壤的尿素水解過程和氮肥的硝化過程沒有明顯影響, 整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)與不施用除草劑的處理基本無差異。

草甘膦對3種土壤的反硝化損失、N2O和CO2排放均無影響; 丁草胺對3種土壤的反硝化損失以及林地土壤的N2O排放無影響, 但顯著降低了林地土壤中CO2的排放量(<0.05), 增加了柑橘園土壤中N2O的排放總量(<0.05)。

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Effects of herbicides on urea nitrogen transformation and greenhouse gas emission of soil in citrus orchards with different planting years*

ZHENG Xiangzhou1, WANG Yasa1,2, ZHANG Yushu1, ZHANG Jing1, DING Hong1**

(1. Institute of Soils and Fertilizers, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013, China; 2. College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Soil microbes significantly influence the transformation and fate of nitrogen in soils by participating in the biology and biochemistry processes of soil nitrogen cycle. Research has shown that herbicides inhibit non-target soil microbes and the related biochemical processes. Therefore, herbicides have significant effects on plant uptake and utilization of nitrogen and its release from soil into the environment. This experiment aimed to explore the effects of herbicides on the transformation of urea nitrogen and greenhouse gas emissions in soils planted with citrus orchards for different years. It was important to evaluate the environmental safety of herbicides and nitrogen application in orchard soils. Thus a 2-factor, 3-level complete block design experiment [with herbicide factors of no herbicide, glyphosate of 10 mg·kg-1a.i. and butachlor of 10 mg·kg-1a.i.; and planting year factors of 0-year (woodland), 10-year and 30-year citrus orchard] was conducted under laboratory conditions with 200 mg(N)·kg-1(dry soil) urea applied in each treatment. The results showed that urea hydrolysis rate, nitrification rate, denitrification loss and greenhouse gas emission of citrus orchard (10 and 30 years) were higher than those of the woodland (< 0.05). Compared with woodland, the 10-year and 30-year citrus orchards increased soil total denitrification loss by 5.12 and 4.30 times, total N2O emission by 7.80 and 2.74 times, and total CO2emission by 19.62% and 39.64%, respectively. Soil urea hydrolysis rate, nitrification rate and CO2emission in the 30-year citrus orchard were significantly greater than those in the 10-year citrus orchard. Compared with the 10-year citrus orchard soil, total CO2emission increased by 16.74%, but total denitrification loss was no significantly different in the 30-year citrus orchard soil. Glyphosateand butachlor significantly boosted urea hydrolysis in woodland soil, but had no effect on nitrification in the 30-year citrus orchard soil. Butachlor had significant negative effect on woodland CO2emission, but showed no effect on citrus orchard soil. Compared with the zero herbicide treatment, butachlor significantly (< 0.05) boosted N2O emission, respectively by 56.27% and 85.41% in the 10-year and 30-year citrus orchard soils. Glyphosate had no effect on soil total CO2and N2O emission in soils under the three treatments of citrus planting year. Herbicides glyphosate and butachlor had no significant effect on nitrogen transformation in citrus orchard soils, but butachlor significantly boosted N2O emission in citrus orchard soils.

Butachlor; Glyphosate; Nitrogen fertilizer; Citrus orchard soil; Nitrogen transformation; Greenhouse gas

, E-mail: hongding@China.com

10.13930/j.cnki.cjea.170662

S154.1

A

1671-3990(2018)03-0338-09

丁洪, 主要從事氮素生物地球化學(xué)循環(huán)研究。E-mail: hongding@China.com 鄭祥洲, 主要從事氮素生物地球化學(xué)循環(huán)研究。E-mail: z85103@163.com

2017-07-20

2017-10-07

* This study was supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province (2015J01111, 2015J01159), the National Natural Science Foundation of China (31270556), the Special Fund for Public Welfare Research Institute of Fujian Province (2016R1021-4) and the Innovation Team Project of Fujian Academy of Agriculture Sciences (STIT2017-1-9).

* 福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015J01111, 2015J01159)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31270556)、福建省公益類科研院所專項(xiàng)(2016R1021-4) 和福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(STIT2017-1-9)資助

Jul. 20, 2017; accepted Oct. 7, 2017

鄭祥洲, 王亞薩, 張玉樹, 張晶, 丁洪. 除草劑對不同種植年限柑橘園土壤氮轉(zhuǎn)化過程及溫室氣體排放的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(3): 338-346

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