等氮量下不同分施次數(shù)對燥紅壤N2O排放的影響①

方雅各，解 鈺，王麗華，楊 霖，趙伶茹，賴倩倩，田 偉，孟 磊*

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等氮量下不同分施次數(shù)對燥紅壤N2O排放的影響①

方雅各1，解 鈺2，王麗華3，楊 霖1，趙伶茹1，賴倩倩1，田 偉1，孟 磊1*

(1 海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院，?？?571100；2 海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與土壤研究所，?？?571100；3 瓊海市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，海南瓊海 571400)

通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗研究等氮量下不同施肥次數(shù)對N2O排放的影響。試驗設(shè)一次性施氮(S1，將200 mg/kg氮肥一次性施入土壤)，二次分施(S2，將200 mg/kg氮肥分兩次平均施入土壤)，三次分施(S3，將200 mg/kg氮肥分80、60、60 mg/kg 3次施入土壤)和空白(CK，不施肥)4個處理。培養(yǎng)在65% 田間持水量，30 ℃恒溫箱中進行。結(jié)果表明，氮肥施入顯著促進土壤N2O排放；等施氮量下，不同分施次數(shù)使土壤pH呈顯著性差異，而土壤pH的差異又影響了土壤N2O累積排放量；分施次數(shù)越多，土壤酸化程度越強，N2O累積排放量越少。因此，在等施氮量下，要充分考慮土壤酸化、N2O排放、NO– 3-N積累以及施肥成本等，確定合理分施次數(shù)。

燥紅壤；N2O排放；施肥次數(shù)；硝化作用

氧化亞氮(N2O)是一種重要的溫室氣體，不但能導(dǎo)致全球變暖，還能與臭氧層中的O3反應(yīng)而破壞臭氧層[1-2]。土壤是N2O排放的主要源，排放至大氣中的N2O最高有90% 來自土壤[3]。土壤N2O主要產(chǎn)生于微生物主導(dǎo)的硝化與反硝化過程[4]，影響土壤微生物活性的因素，如土壤溫度、水分、有機質(zhì)含量、pH、Eh及質(zhì)地等，相應(yīng)影響土壤N2O的產(chǎn)生與排放[5-7]。

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的措施，施肥能影響微生物活性[8]，改變土壤pH[9-12]和容重，施肥還能改變土壤的儲水能力[13]及有機質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量[14]。土壤性質(zhì)變化相應(yīng)影響到土壤氮的轉(zhuǎn)化和N2O產(chǎn)生。范曉暉和朱兆良[15]的研究表明，農(nóng)田土壤的硝化勢與土壤pH呈極顯著正相關(guān)。于克偉等[16]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH在3.4 ~ 6.8范圍內(nèi)，硝化作用與土壤pH正相關(guān)，而土壤硝化作用對N2O產(chǎn)生有著重要的作用[17]。因此，土壤pH變化相應(yīng)影響N2O產(chǎn)生，如黃耀等[18]發(fā)現(xiàn)N2O排放通量與pH呈正相關(guān)。

氮肥施用還直接增加了土壤N2O生成的反應(yīng)底物。化學(xué)氮肥施用對土壤N2O排放有明顯的促進作用[19]，是農(nóng)業(yè)土壤N2O產(chǎn)生的最大貢獻源[20]。王重陽等[21]的研究表明，施氮玉米田和春小麥田N2O排放量分別是不施氮處理的3.88倍和1.10倍。土壤氮含量及形態(tài)也影響氮轉(zhuǎn)化，土壤充足的氮促進土壤硝化作用[22]，而NO– 3-N則不但促進反硝化速率，還抑制或延遲N2O還原為N2[23]。研究表明，土壤N2O排放與NO– 3-N含量呈正相關(guān)關(guān)系[24-25]。

海南土壤保肥、供肥差，熱帶作物又經(jīng)年生長，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥頻繁、用肥總量大，尤其是氮肥。頻繁施肥增加了勞動力投入及相應(yīng)的生產(chǎn)成本。因此，施肥時加大投肥量以降低勞動力投入在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上時有出現(xiàn)。等量投肥下，分施次數(shù)的差異是否會導(dǎo)致土壤性質(zhì)的差異，從而影響N2O排放？為回答這個問題，本試驗運用室內(nèi)培養(yǎng)方法，研究等氮量下，分施次數(shù)對海南燥紅壤土壤性質(zhì)及N2O排放的影響，以期為熱帶地區(qū)土壤氮肥合理配施以及N2O減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自海南省樂東黎族自治縣尖峰鎮(zhèn)萬鐘實業(yè)有限公司種植園內(nèi)(18°39'N，108°47'E)，土壤為淺海沉積物發(fā)育的燥紅壤。取表層0 ~ 20 cm土壤，去除雜質(zhì)，經(jīng)自然風(fēng)干，研磨過2 mm孔徑篩，供培養(yǎng)用；另取部分土壤測定土壤基本性質(zhì)。土壤基本理化性質(zhì)如下：pH 7.17(水提)、有機質(zhì)6.84 g/kg、全氮0.41 g/kg、有效磷71.90 mg/kg、速效鉀98.06 mg/kg、容重1.59 g/cm3、田間持水量14.86%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)4個處理，分別為：①空白(CK，不添加氮肥)；②一次施入(S1，將200 mg/kg氮一次性施入)；③兩次施入(S2，將200 mg/kg氮分兩次施入，第一次施入100 mg/kg，第一次施肥后10 d時再施入100 mg/kg)；④三次施入(S3，將200 mg/kg氮分3次施入，第一次施入80 mg/kg，第一次施肥后10 d時再施入60 mg/kg，第二次施肥后10 d時再施入60 mg/kg)，每個處理重復(fù)3次。

1.3 培養(yǎng)試驗操作過程

稱取100.00 g(以烘干土計)土裝入250 ml錐形瓶中，用膠頭滴管向瓶內(nèi)均勻滴加相應(yīng)數(shù)量蒸餾水，使土壤含水量達到田間持水量的45%，預(yù)培養(yǎng)一周。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，向S1處理中加入含N量20 mg/ml的尿素(分析純)溶液1 ml，折合加入N 200 mg/kg土；向S2處理中加入含N量10 mg/ml尿素(分析純)溶液1 ml，培養(yǎng)到第10天時，再加入含N量10 mg/ml尿素(分析純)溶液1 ml，每次折合加入N 100 mg/kg土。向S3處理加入含N量8 mg/ml尿素(分析純)溶液1 ml，折合加入N 80 mg/kg土，培養(yǎng)到第10天時，再加入含N量6 mg/ml尿素(分析純)溶液1 ml，折合加入N 60 mg/kg土, 培養(yǎng)到第20天時再加入含N量6 mg/ml尿素(分析純)溶液1 ml，折合加入N 60 mg/kg土。然后調(diào)節(jié)土壤水分，使含水量達到65% 田間持水量。將錐形瓶口用保鮮膜覆蓋，膜上用針扎孔，然后將瓶子放在30 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)周期為30 d。每處理設(shè)6個重復(fù)，其中3個重復(fù)用于N2O排放通量測定，另3個重復(fù)用來測定礦質(zhì)氮含量。每隔一天通過稱重法補水，使土壤水分始終保持在65% 田間持水量。

1.4 氣體采樣及測定方法

第一次加入氮肥后的第1、2、4、6、8、10、11、13、15、17、19、20、21、23、25、27、30 天采集氣體。氣體采樣時，向瓶內(nèi)吹入數(shù)分鐘高純空氣以驅(qū)除瓶內(nèi)氣體，隨后迅速用硅膠塞塞住瓶口，并用704膠密封瓶口和塞子之間的空隙。在密封錐形瓶后0及40 min分別用25 ml注射器通過硅橡膠塞的中間取樣口采集瓶中氣體，直接注入氣相色譜儀(島津GC-2014)測定氣樣中的N2O濃度。

N2O排放通量的計算公式如下：

=×Δ/Δ× 273.15/(273.15 +) ×/(1)

式中：為N2O排放通量(N2O-N，μg/(kg·h))；是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O的密度(kg/m3)；Δ/Δ是錐形瓶內(nèi)N2O濃度變化率(N2O-N，10-9/h)；是錐形瓶頂部空間體積(m3)；為環(huán)境氣溫(℃)；是培養(yǎng)土烘干質(zhì)量(kg)。

土壤N2O累積排放量的計算公式如下：

式中：為N2O累積排放量(N2O-N，μg/kg)；為土壤N2O排放通量(N2O-N，μg/(kg·h))；為采樣時間(d)；為采樣次數(shù)；為總測定次數(shù)；t-t-1為兩次采樣的間隔天數(shù)。

1.5 土壤采樣及測定方法

土壤NH4+-N和NO– 3-N質(zhì)量分數(shù)分別于加入尿素后的第4、8、11、15、19、21、25、30天測定。測定方法為：用2 mol/L KCl浸提土壤(液土比5∶1)，濾液中的NH4+-N采用靛酚藍比色法(625 nm)進行測定，NO– 3-N采用紫外雙波長(220 nm和275 nm)分光光度法進行測定。

培養(yǎng)結(jié)束后，培養(yǎng)土基本理化性質(zhì)的分析參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[26]進行，其中：土壤pH采用電位法(水土比2.5∶1)測定；有機碳采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定；總氮采用半微量凱氏定氮法測定；有效磷采用鉬藍比色法測定；速效鉀采用1 mol/L NH4OAc溶液(pH = 7)浸提，火焰光度計測定。

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2007進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理，方差分析利用SPSS19.0軟件完成，處理間差異采用Duncan 多重比較法，差異性水平為0.05。

2 結(jié)果

2.1 分施次數(shù)對土壤理化性質(zhì)的影響

等氮量下，分施次數(shù)造成土壤pH、全氮含量、速效鉀含量和NO– 3-N含量存在顯著性差異(表1)。相較于空白，施氮顯著降低了土壤pH，且不同分施氮次數(shù)的土壤pH之間存在顯著差異，分施次數(shù)越多，土壤pH越低。全氮、速效鉀和NO– 3-N含量變化與pH相反，分施次數(shù)越多，土壤全氮、速效鉀和NO– 3-N含量越高。分施次數(shù)對土壤有機質(zhì)、有效磷和NH4+-N沒有顯著影響。

2.2 分施次數(shù)對土壤礦質(zhì)氮質(zhì)量分數(shù)的影響

氮施入后，各處理土壤NH4+-N含量變化趨勢大體一致，隨培養(yǎng)時間延長整體呈下降趨勢，但因施肥影響，每次施肥后NH4+-N含量有一定程度提高，施肥量越大，增加幅度越大(圖1A)。施肥處理的土壤NO– 3-N在培養(yǎng)的前段時間內(nèi)是逐漸升高的，后期逐步穩(wěn)定。施肥次數(shù)增加土壤NO– 3-N含量(圖1B)，如二次和三次分施的土壤NO– 3-N顯著高于一次性施入的。

表1 培養(yǎng)結(jié)束后的土壤性質(zhì)

注：表中同一列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示差異顯著(< 0.05)。

圖1 添加尿素后不同處理土壤NH4+-N和NO– 3-N含量的動態(tài)變化

2.3 分施次數(shù)對土壤N2O排放影響

施肥后，各處理土壤N2O排放通量短期內(nèi)升高。施肥量越多，N2O排放通量峰值越高，N2O排放持續(xù)時間越長(圖2A)。施肥顯著增加土壤N2O累積排放量，等氮量下，分施次數(shù)越多，土壤N2O累積排放量越小(圖2B)。一次性投入、兩次投入和三次投入的土壤，N2O累積排放量分別為1 019.24、787.84和547.62 μg /kg。二次投肥和三次投肥的土壤N2O累積排放量比一次性投肥的土壤分別減少了22.70%和46.27%。

3 討論

等氮量下，分施次數(shù)對土壤pH、土壤全氮及NO– 3-N 有顯著影響(表1)。施入到土壤中的尿素通過水解可以轉(zhuǎn)為微生物硝化作用所需要的底物NH4+-N，硝化作用的產(chǎn)物NO– 3-N 又成為微生物反硝化作用的底物，硝化和反硝化作用相互促進，增加N2O 排放[27]。本研究中，培養(yǎng)開始時土壤N2O 排放量快速出現(xiàn)峰值，主要是氮肥施入土壤后為硝化過程提供反應(yīng)底物礦質(zhì)氮。施肥量越多，礦質(zhì)氮含量越高，硝化的底物越多，土壤N2O 峰值越高(圖2A)。

尿素氮施入土壤，其引起土壤酸化的機制是NH4+-N的硝化作用[28-31]。等氮量而不同分施次數(shù)造成土壤pH的顯著差異，可能源于參與硝化作用的NH4+-N的差異。施入的尿素水解成NH3，而NH3質(zhì)子化過程中釋放出OH–提高土壤pH。尿素投入越多，釋放的OH–越多，燥紅土本身pH相對較高，由此可能加劇NH3揮發(fā)損失。投肥次數(shù)越少，揮發(fā)損失越多，剩余參與硝化的NH4+-N量相對越少，則硝化對土壤酸化貢獻越少，土壤NO– 3-N量也就可能越少(表1)。

土壤pH是影響硝化作用的重要因素。Sahrawat[32]研究表明，硝化作用在pH為3.14 ~ 8.16范圍內(nèi)與pH存在顯著正相關(guān)；陳文新[33]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH從3.4增加到8.6，土壤N2O累積排放量會隨土壤pH增加而增加。燥紅壤土質(zhì)較輕，通氣性好，反硝化作用弱，硝化作用是土壤中N2O 排放的主要途徑[34]。等氮量下，不同施肥次數(shù)導(dǎo)致土壤酸化程度存在顯著性差異(表1)，一次性投入的土壤酸化程度弱于二次投入的，二次投入的又弱于三次投入，因此出現(xiàn)了隨著土壤pH的下降，N2O的累積排放量越小，即土壤N2O排放總量為一次性投肥>二次投肥>三次投肥這樣的結(jié)果。分施次數(shù)越多，土壤NO– 3-N含量積累量越大(表1)。對于燥紅壤等保肥能力較弱的熱帶土壤而言，增大了NO– 3-N淋出土壤的風(fēng)險。熱帶地區(qū)土壤多為酸性，保肥性能差，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上多采用少量多次的施肥方式。結(jié)合本文結(jié)果分析，該方式可加劇土壤酸化。反之，集中施肥能適當(dāng)減緩?fù)寥浪峄?，但加劇了N2O的排放。因此，要確定合理的分施次數(shù)，需綜合考慮土壤酸化、N2O排放、NO– 3-N累積以及施肥的人力成本等因素。

(圖中小寫字母不同表示處理間差異達到P<0.05顯著水平)

4 結(jié)論

氮肥施入顯著促進土壤N2O排放。等施氮量下，不同分施次數(shù)使土壤pH呈顯著性差異，而土壤pH差異又影響了土壤N2O累積排放量。分施次數(shù)越多，土壤酸化程度越強，N2O累積排放量越少。因此，在等施氮量下，要充分考慮土壤酸化、N2O排放、NO– 3-N積累以及施肥成本等，確定合理分施次數(shù)。

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Effects of Different Nitrogen Application Times on N2O Emission in Dry Red Soil

FANG Yage1, XIE Yu2, WANG Lihua3, YANG Lin1, ZHAO Lingru1, LAI Qianqian1, TIAN Wei1, MENG Lei1*

(1 Institute of Tropical Agriculture and Forestry, Hainan University, Haikou 571100,China; 2 Institute of Agro-Environment and Soil, Hainan Academy of Agricultural Sciences, Haikou 571100,China; 3 Qionghai Agro-technical Extension Center, Qionghai, Hainan 571400,China)

An indoor incubation under 30 ℃ and 65% water holding capacity was conducted to study how different split applications, in the circumstances of equal nitrogen amount, respectively affected N2O emission. Four treatments were designed, including one-time application (S1, 200 mg/kg nitrogen fertilizer was applied to the soil at one time), two separate applications (S2, 200 mg/kg nitrogen fertilizer equally distributed into the soil), three separate applications (S3, 200 mg/kg nitrogen fertilizer was divided into three different times: 80, 60 and 60 mg/kg), and control (CK, no fertilization). The results showed that the application of nitrogen fertilizer significantly promoted N2O emission in soil. Under the same nitrogen application rate, different application times significantly resulted in differences of soil pH, which would further affect the N2O accumulation emission. The more times of applications, the greater the degree of soil acidification, so the less cumulated amount of N2O emissions. Therefore, under the condition of the same amount of nitrogen, soil acidification, N2O emissions, nitrate nitrogen accumulation and fertilizer costs should be comprehensively considered in determining the reasonable split applications.

Dry red soil; N2O emission; Fertilization times; Nitrification

10.13758/j.cnki.tr.2018.02.018

國家自然科學(xué)基金項目(41661051、41261063)，2017年海南省重大科技專項(ZDKJ2017002)，海南省自然科學(xué)基金項目(317070)和海南省研究生創(chuàng)新科研課題項目(Hys2017-95)資助。

(menglei94@sohu.com)

方雅各(1992—)，男，安徽桐城人，碩士研究生，主要從事碳氮循環(huán)研究。E-mail: yagefangjacob@163.com

S131；X511

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