有機無機肥配施對玉米-豇豆種植系統(tǒng)土壤N2O排放的影響*

帥艷菊, 劉天奇, 曹湊貴,2, 李成芳,2**

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有機無機肥配施對玉米-豇豆種植系統(tǒng)土壤N2O排放的影響*

帥艷菊1, 劉天奇1, 曹湊貴1,2, 李成芳1,2**

(1. 農(nóng)業(yè)部長江中游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 武漢 430070; 2. 長江大學(xué)/長江大學(xué)主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 荊州 434023)

在等施氮量條件下, 比較有機肥與無機肥施用后旱地玉米-豇豆復(fù)種系統(tǒng)土壤硝化與反硝化作用、N2O排放與作物產(chǎn)量的變化, 有助于正確認識肥料施用對N2O排放的影響, 為制定大田合理的豐產(chǎn)減排措施提供理論依據(jù)。本研究通過田間試驗, 利用靜態(tài)箱技術(shù)和BaPS氣壓過程分離技術(shù)研究了不同肥料類型處理(無機肥、有機肥、有機無機肥配施)下玉米-豇豆種植系統(tǒng)土壤N2O排放、硝化與反硝化作用的變化特征。結(jié)果表明: 1)相對于單施無機肥或有機肥, 有機無機肥配施可顯著降低土壤硝化作用速率; 在玉米生長季, 有機無機肥配施處理平均土壤硝化作用速率分別比化肥和有機肥處理顯著降低了28.74%和13.96%, 豇豆生長季顯著降低了24.66%和13.28%。土壤反硝化作用速率在各施肥處理間差異不顯著。2)有機無機肥配施顯著降低土壤N2O排放; 在玉米生長季, 有機無機肥配施處理分別比無機肥處理和有機肥處理顯著降低33.44%和32.29%, 在豇豆生長季分別顯著降低27.00%和15.14%。3)相關(guān)分析表明, 土壤N2O排放與硝化作用速率呈極顯著相關(guān), 而與反硝化作用速率呈不顯著相關(guān)。4)有機無機配施處理玉米和豇豆產(chǎn)量最高。因此, 有機無機肥配施能有效降低玉米-豇豆系統(tǒng)土壤N2O排放和提高作物產(chǎn)量, 是一項豐產(chǎn)低N2O排放的施肥技術(shù), 但長期有機無機肥配施對土壤N2O排放和作物產(chǎn)量的影響還需要進一步研究。

玉米-豇豆復(fù)種系統(tǒng);有機無機肥配施; 硝化作用; 反硝化作用; N2O排放; 產(chǎn)量

隨著全球氣候的不斷變化, 溫室效應(yīng)備受關(guān)注。N2O是最重要的溫室氣體之一, 在大氣中的含量雖然遠低于CO2, 但在100年的時間尺度上, 其增溫潛勢是CO2的268倍[1]。農(nóng)業(yè)對N2O排放有重要影響, 其中旱地農(nóng)田是大氣N2O的重要排放源[1-2]。因此, 研究旱地農(nóng)田N2O排放對于應(yīng)對全球氣候變化和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤硝化作用與反硝化作用在土壤氮循環(huán)中占據(jù)重要地位, 被認為是農(nóng)田N2O排放的主要途徑[3]。有研究指出土壤硝化與反硝化過程中產(chǎn)生的N2O約占生物圈釋放到大氣中N2O總量的70%~90%[4]。研究表明, 影響農(nóng)田土壤硝化與反硝化過程的環(huán)境因子、土壤條件及農(nóng)田管理措施等會對N2O排放產(chǎn)生重要的影響[3,5-6]。施肥作為影響農(nóng)田生產(chǎn)的最重要措施, 是影響N2O排放的主要因素。研究發(fā)現(xiàn), 由于化學(xué)氮肥施用引起的農(nóng)田土壤N2O排放占全世界農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量的14%[7]。因此, 明確不同施肥措施下農(nóng)田土壤N2O排放規(guī)律及提出相應(yīng)的N2O減排措施是亟需研究的問題。當前, 有機無機氮肥配合施用是農(nóng)田常見的施肥方式, 其依據(jù)作物不同生育期對養(yǎng)分的需要特點, 達到協(xié)調(diào)作物養(yǎng)分的平衡供應(yīng), 實現(xiàn)作物減肥增產(chǎn)[8]。對于有機無機氮肥配施對旱地農(nóng)田土壤N2O排放的影響存在爭議。例如, 董玉紅等[9]對魯西北黃河沖積平原的小麥()-玉米()復(fù)種模式的研究表明, 在等氮條件下, 與單施化學(xué)氮肥相比, 有機無機氮肥配施降低了土壤N2O排放。孟磊等[10]在河南封丘的長期(1989—2002年)定位試驗研究發(fā)現(xiàn), 等氮條件下單施無機氮肥、單施有機氮肥、有機無機氮肥配施3個處理的夏玉米-冬小麥復(fù)種模式土壤N2O排放量差異不顯著。而在紫色土冬小麥-夏玉米復(fù)種系統(tǒng)N2O排放的研究指出, 有機無機氮肥配施和單施有機氮肥均較單施無機氮肥顯著提高了N2O排放[11]。陳晨等[12]在寧夏油葵()田的研究也發(fā)現(xiàn), 在不同的氮肥施用方式下, 有機無機氮肥配施處理土壤N2O排放量顯著高于單施無機氮肥處理。綜上, 由于試驗地區(qū)的差異, 氣候條件、土壤類型、耕作制度、有機肥類型等因素的不同, 有機無機肥配施對旱地土壤N2O排放的影響也存在明顯差別。因此, 深入研究有機氮肥施用對旱地土壤N2O排放的影響對于進一步探尋既可保證作物產(chǎn)量又可有效降低N2O排放的施肥方式具有重要的意義。目前, 國內(nèi)有關(guān)有機無機氮肥施用對旱地農(nóng)田土壤N2O排放的研究多集中在華北、西南等地區(qū), 而對華中地區(qū)的研究尚少[13]。為此, 本研究從合理施用有機肥的目的出發(fā), 在等氮投入條件下, 以春玉米-夏豇豆()這一武漢地區(qū)常見的旱地復(fù)種模式為研究對象, 分析不同施肥模式下土壤N2O排放、硝化與反硝化速率的變化特征, 探索不同肥料類型對土壤N2O排放的影響, 以期為減少溫室氣體N2O排放和提高旱地玉米-豇豆種植產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年3—9月在湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)長期定位試驗小區(qū)進行。試驗開始前耕作層土壤基本性質(zhì)為: 全氮1.15 g·kg-1、銨態(tài)氮6.63 mg·kg-1、硝態(tài)氮3.68 mg·kg-1、全磷0.39 g·kg-1、速效磷8.83 mg·kg-1、全鉀8.67 g·kg-1、速效鉀80.28 mg·kg-1、有機質(zhì)10.56 g·kg-1。供試土壤為黏壤土, pH為7.03, 土壤容重為1.13 g·cm-3。玉米和豇豆種植方式均采用直播方式。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)3個處理: 1)無機肥處理(I); 2)有機無機肥料配施處理(I+O); 3)有機肥處理(O)。隨機區(qū)組設(shè)計, 4次重復(fù), 小區(qū)面積為6 m2(2 m×3 m)。

玉米和豇豆供試品種分別為‘南粵868’彩甜糯玉米和‘裕豐海寶王’(長條型)。玉米于3月1日播種, 播種密度為60 000株?hm-2, 播種深度3~5 cm, 底肥在播種前翻整地混施入土壤耕層, 分別于4月23日和5月28日追施拔節(jié)肥和穗肥; 豇豆于7月8日播種, 行株距為75 000株?hm-2, 底肥在播種前混施入耕層, 8月12日追施一次花肥。玉米全生育期各處理的氮、磷、鉀施用標準均為: 240 kg(N)?hm-2、150 kg(P2O5)?hm-2、210 kg(K2O)?hm-2; 豇豆全生育期氮、磷、鉀施用標準為: 180 kg(N)?hm-2、90 kg(P2O5)?hm-2、90 kg(K2O)?hm-2。對于無機肥處理, 玉米季氮肥按底肥∶拔節(jié)肥∶穗肥為4∶3∶3(以純氮計)施用, 豇豆季底肥、花肥中氮肥施用比例為1∶1(以純氮計), 底肥與追肥均采用尿素(46%); 對于有機肥(復(fù)合微生物有機肥, 武漢合緣綠色生物股份有限公司生產(chǎn), 其中N∶P2O5∶K2O=10%∶3%∶2%, 有效活菌數(shù)≥2 000萬?g-1)處理, 有機肥作為底肥一次性施用; 對于有機肥無機肥配施處理, 有機肥無機肥各自的供氮量占總施氮量的50%, 且作為底肥一次性施用。試驗中, 根據(jù)肥料等量施用原則, 不足磷、鉀肥以磷酸二銨(57% P2O5、15% N)和氯化鉀(60% K2O)按施用標準補齊, 磷、鉀肥均作為底肥一次性施用。具體施肥見表1。對于玉米與豇豆, 除了在播種后進行灌溉外, 其他時期均不澆水灌溉。

表1 不同處理肥料施用情況

I: 無機肥處理; O: 有機肥處理; I+O: 有機無機肥料配施處理。I: inorganic fertilizer; O: organic fertilizer; I+O: inorganic plus organic fertilizers.

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 N2O采集及測定

玉米-豇豆系統(tǒng)N2O通量采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法測定[14]。采樣箱規(guī)格為直徑0.38 m, 高0.5 m, 箱頂連接采氣三通閥, 并設(shè)有小風扇和溫度計, 用于充分混合箱內(nèi)氣體和測定箱內(nèi)溫度。玉米和豇豆生長季, 從播種到作物收獲, 每隔7~10 d采樣一次。采樣在8:30—11:00進行, 在關(guān)箱后0 min、10 min、20 min和30 min, 用25 mL注射器抽取箱內(nèi)混合均勻氣體于真空玻璃瓶中。用改裝后的Shimadzu GC-14B氣相色譜分析氣樣中的N2O濃度, 檢測器為ECD(電子捕獲檢測器)。檢測器溫度為330 ℃; 色譜柱溫度為50 ℃; 通過對4個氣樣濃度進行線性回歸, 得出氣體排放速率, 并依據(jù)下面方程計算N2O通量[14]:

=××/×273/(273+) (1)

式中:為N2O通量(μg·m-2·h-1),為標準狀態(tài)下氣體密度(kg·m-3),為箱高(m),/為采氣箱內(nèi)氣體濃度變化率,為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度(℃)。

在玉米和豇豆的生育期內(nèi), N2O排放總量為每相鄰兩采樣時期的氣體排放量之和, 而每相鄰的兩采樣時期的氣體排放量為兩相鄰排放通量平均值與采樣間隔時間的乘積[14]。

1.3.2 硝化作用與反硝化作用速率測定

采用氣壓過程分離法(BaPS)測定土壤硝化作用和反硝化作用速率[15]。BaPS是一種研究旱地土壤碳氮轉(zhuǎn)化的方法, 其土壤氮循環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)主要由控溫設(shè)備、培養(yǎng)室和傳感器界面單元3部分組成。

在每次氣樣采集后進行土壤樣品采集, 用環(huán)刀隨機采集5點(0~5 cm)土樣。將同一小區(qū)的5個重復(fù)樣放入密封培養(yǎng)室中, 蓋上置有傳感器的蓋子, 將控溫設(shè)備溫度設(shè)定為田間取樣時的土壤溫度。待系統(tǒng)平衡30 min后, 抽氣檢測培養(yǎng)室密封性。確定密封良好后輸入樣品總濕重、pH、含水量等必要的土壤參數(shù), 便可進行培養(yǎng)測定, 時間為24 h。測定過程BaPS系統(tǒng)軟件自動收集數(shù)據(jù), 由線性回歸分析可得到土壤總硝化速率和反硝化速率。

1.3.3 產(chǎn)量測定

在玉米成熟時將整個小區(qū)進行測產(chǎn), 按照籽粒含水率的14%折算產(chǎn)量。當豇豆夾莢條粗細均勻、莢面豆粒不鼓起達到商業(yè)菜標準時開始采收[16], 直至收獲結(jié)束。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗結(jié)果均以4次重復(fù)的平均值和標準差來表示。試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Office進行整理分析和作圖, 用Statistix 8.0軟件進行方差分析, 采用LSD法進行顯著性水平檢驗(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤硝化作用速率動態(tài)變化

在玉米生長季, 土壤硝化作用速率總體呈下降趨勢, 變化范圍為130.90~340.37 μg·kg-1·h-1(圖1a)。對于處理I和I+O, 在每次氮肥施用后, 土壤硝化作用速率均迅速增加, 分別于3~4 d達到峰值, 隨后逐漸降低。處理I+O平均土壤硝化作用速率為201.07 μg·kg-1·h-1, 分別比處理I(282.15 μg·kg-1·h-1)和O(233.69 μg·kg-1·h-1)顯著降低28.74%(<0.01)和13.96%(<0.01)。

圖1 玉米季(a)和豇豆季(b)不同施肥處理土壤硝化作用速率變化

在豇豆生長季, 各施肥處理土壤硝化作用速率總體呈明顯下降趨勢, 在145.11~348.75 μg·kg-1·h-1波動; 處理I和I+O在施肥后第3 d(8月15日)達到峰值(圖1b)。處理I+O平均土壤硝化作用速率為211.66 μg·kg-1·h-1, 分別比處理I和O顯著降低24.66%和13.28%。

2.2 土壤反硝化作用速率動態(tài)變化

各施肥處理土壤反硝化作用速率均隨著玉米生長而逐漸降低(圖2a)。施肥處理I、O和I+O平均土壤反硝化作用速率分別為160.28 μg·kg-1·h-1、163.99 μg·kg-1·h-1和160.13 μg·kg-1·h-1。土壤反硝化作用速率在各施肥處理間差異不顯著。

在豇豆生長季，各施肥處理土壤反硝化作用速率也呈明顯下降趨勢(圖2b)。施肥處理I、O和I+O平均土壤反硝化作用速率分別為162.83 μg·kg-1·h-1、170.39 μg·kg-1·h-1和172.01 μg·kg-1·h-1。土壤反硝化作用速率在各施肥處理間差異不顯著。

圖2 玉米季(a)和豇豆季(b)不同處理土壤反硝化作用速率變化

2.3 土壤N2O通量動態(tài)變化

由圖3可以看出, 在玉米和豇豆生長季, 土壤N2O通量均隨作物生長而呈現(xiàn)明顯的下降趨勢, 且玉米生長前期土壤N2O通量顯著高于豇豆生長前期。對于無機氮肥處理(I和I+O), 在每次氮肥施用后, 土壤N2O通量迅速達到峰值, 之后逐漸下降。在玉米生長季, 施肥處理I+O平均土壤N2O通量為279.54 μg·m-2·h-1, 比處理I和O分別顯著降低33.44%(<0.01)和32.29%(<0.01)(圖3a)。在豇豆生長季, 施肥處理I+O平均土壤N2O通量為188.07 μg·m-2·h-1, 比處理I和處理O分別顯著降低27.00%和15.14%(圖3b)。

2.4 土壤N2O排放與硝化、反硝化作用的相關(guān)性

各處理土壤N2O排放通量均與硝化作用速率呈極顯著相關(guān), 而與反硝化作用速率不顯著(表2)。

2.5 作物產(chǎn)量與土壤N2O累積排放量

各施肥處理玉米和豇豆產(chǎn)量存在顯著差異(表3)。處理I+O的玉米產(chǎn)量最高, 分別為處理I和O的1.71倍(<0.01)和1.23倍(<0.01); 處理I+O的豇豆產(chǎn)量為處理I的1.25倍(<0.05); 處理I+O周年總的產(chǎn)量最大, 為處理I和O的1.34倍(<0.01)和1.17倍(<0.01), 處理I和O間總的產(chǎn)量差異不顯著。

圖3 玉米季(a)和豇豆季(b)不同處理土壤N2O排放通量變化

表2 N2O排放通量與硝化作用和反硝化作用的相關(guān)性

**: 0.01水平顯著相關(guān)。**: significant correlation at 0.01 level (=64).

在玉米全生育期, 處理I+O的N2O累積排放量最小, 為7.70 kg·hm-2, 分別比處理I和O顯著降低33.51%(<0.01)和32.51%(<0.01), 而處理I和O間N2O累積排放量差異不顯著; 在豇豆全生育期, 處理I+O的N2O累積排放量最小, 比處理I顯著降低25.77%(<0.05), 而處理I和O間N2O累積排放量差異不顯著。

表3 不同施肥處理下玉米-豇豆系統(tǒng)產(chǎn)量與N2O累計排放量

同列不同字母表示5%水平差異顯著。Different letters in the same column mean significant differences at 0.05 level.

3 討論

3.1 土壤硝化與反硝化作用對N2O排放的影響

本研究N2O通量與硝化作用速率呈極顯著正相關(guān)(表2), 表明硝化作用對N2O排放起主導(dǎo)作用, 這與朱永官等[3]的研究結(jié)果一致。本研究除了在播種時進行了一次灌溉, 在作物生長期間未進行人工灌溉, 利用自然降雨灌溉; 且期間人工中耕除草, 進一步改善了土體通氣狀況, 促進了硝化過程, 更有利于土壤N2O的排放。研究已指出, 好氣條件下硝化作用是土壤N2O的主要排放途徑[17]。林存剛[18]研究也指出, 旱田土壤中硝化N2O貢獻率大于反硝化N2O貢獻率, 硝化作用是N2O主要排放源。本研究還發(fā)現(xiàn), 與單施無機肥處理相比, 有機肥處理(O和I+O)硝化作用顯著降低。這可能是無機肥的施用促進了脲酶活性, 提高了硝化作用的底物濃度, 促進了硝化作用; 而有機肥施用雖然提高了土壤氮的礦化作用, 但伴隨氧氣的消耗, 硝化作用受到一定程度的抑制[19]。何飛飛等[13]的研究也指出, 在等氮投入下, 與單施無機肥處理相比, 有機肥或有機無機配施處理的土壤硝化作用降低。本研究玉米季和豇豆季N2O累計排放量分別為7.70~11.58 kg·hm-2和2.88~3.88 kg·hm-2, 明顯高于翟振等[20](0.61~1.49 kg·hm-2)、王秀斌等[21](0.67~3.16 kg·hm-2)、黃晶等[22](0.15~1.43 kg·hm-2)與李燕青等[5](0.31~3.04 kg·hm-2)在華北平原的研究結(jié)果。這可能與不同試驗點的溫度差異有關(guān)。溫度是影響硝化作用的重要因素, 溫度增加有利硝化細菌的活性增強[23-24]。本研究地處華中地區(qū), 試驗期間(3月到9月)溫度明顯高于華北平原, 因此高溫有利于提高硝化微生物的活性, 促進硝化作用, 進而提高N2O的排放。

3.2 不同肥料類型對玉米-豇豆系統(tǒng)土壤N2O排放的影響

本研究中玉米-豇豆系統(tǒng)土壤硝化作用率、反硝化作用速率和N2O通量均在作物生長初期呈現(xiàn)較高水平, 這與底肥施用量較大有關(guān)。大量的氮肥為土壤硝化與反硝化微生物提供充足的氮源[25], 提高了微生物活性, 促進了N2O的排放。追肥后3~4 d有機肥處理和有機無機肥配施處理N2O通量迅速上升達到峰值, 這與前人的研究結(jié)果一致[26]。

研究結(jié)果表明, 有機無機肥配施處理土壤N2O排放量最小。究其原因, 可能是有機無機肥配施可改善土壤理化性質(zhì), 調(diào)節(jié)相關(guān)微生物活性, 在作物生長前期增強土壤對氮素的生物固持, 而在作物生長中、后期促進土壤氮素釋放, 提高土壤對氮素的緩沖能力, 協(xié)調(diào)土壤供氮和作物需氮的關(guān)系, 從而在相同施氮量的情況下能有效減少氮素向N2O的轉(zhuǎn)化[27-29]。梁斌[29]對不同施肥處理下氮肥在小麥-玉米復(fù)種系統(tǒng)的運移特性進行了研究, 發(fā)現(xiàn)在小麥拔節(jié)期單施化肥處理和尿素與秸稈1∶1配施處理分別有10%和14%的氮肥被微生物固持于土壤中, 隨后被固持的氮素又分別有71%和84%釋放供小麥利用, 復(fù)種結(jié)束時配施處理的土壤氮肥總回收率達85%。同時, 本研究也表明, 無機肥與有機肥處理N2O排放量沒有顯著差異。首先, 有機肥氮素形態(tài)主要以有機態(tài)為主, 其供氮能力緩慢的特點導(dǎo)致前期氮素供應(yīng)能力不及單施無機肥, 因此N2O排放低于單施無機肥; 而后期有機肥的不斷礦化能減緩?fù)寥浪傩У氐南? 為微生物硝化與反硝化作用提供了充足氮素, 促進了N2O產(chǎn)生[12]。其次, 有研究指出, 在等氮條件下, 單施有機肥和無機肥處理間N2O排放差異不顯著, 主要受外源碳供應(yīng)水平的制約[30]。雖然本試驗開始于2013年, 但4年試驗沒有導(dǎo)致各處理間有機碳有顯著差異(數(shù)據(jù)未提供)。本試驗結(jié)果與李燕青等[5]的研究結(jié)果不同。李燕青等[5]報道, 在等量氮條件下, 玉米生長季無機肥處理產(chǎn)生的N2O總量是有機肥處理的2.01~2.81倍。分析其原因可能與土壤pH有關(guān)。李燕青等[5]試驗土壤pH為8.0~8.5, 而本試驗土壤pH為7.03。已有研究表明[31], pH 7~10范圍內(nèi), N2O排放隨pH上升而呈下降趨勢。因此, 本研究較高的N2O排放緩解了處理的影響。事實上, 有機肥中有效氮的緩慢釋放特性決定了土壤N2O的排放是一個緩慢的過程, 本研究只對作物季進行了測定, 因此可能降低了對有機肥處理N2O排放量的估算[32-33]。

3.3 不同肥料類型對玉米-豇豆種植系統(tǒng)產(chǎn)量的影響

許多研究指出有機無機肥配施可以顯著提高作物的產(chǎn)量[34-35]。本研究結(jié)果亦表明與單施有機肥或無機肥相比, 有機無機肥配施可以顯著提高作物產(chǎn)量。主要是有機無機肥配施能改善土壤供氮和作物需氮的關(guān)系, 提高氮素利用率[34]。也有研究表明配施有機肥可增加土壤中大團聚體數(shù)量, 改善土壤結(jié)構(gòu)[36], 促進作物根系生長, 提高水肥利用效率[37]。本研究表明, 單施無機肥與有機肥處理作物產(chǎn)量沒有顯著差異(表3)。其原因可能是單施無機肥土壤礦質(zhì)氮釋放較快, 含量迅速下降, 導(dǎo)致作物生長后期氮素供應(yīng)不足; 而對于單施有機肥處理, 雖然有機肥中速效氮含量很低, 且其釋放過程較為緩慢[35], 但2013年開始連續(xù)4年的施用有機肥, 其后效一定程度上彌補了上述的不足。然而, 張欣等[38]研究發(fā)現(xiàn), 在等氮條件下, 單施有機肥處理稻米產(chǎn)量略低于常規(guī)施肥處理單施有機肥, 其原因可能是有機肥中速效氮含量很低, 且其釋放過程緩慢, 無法及時滿足作物生長發(fā)育的需要。不同的研究結(jié)果可能與試驗所使用的有機肥類型不同有關(guān)。不同形態(tài)的有機肥由于其氮形態(tài)以及速效態(tài)氮的含量不同[39], 因此對產(chǎn)量的影響有所不同。

春玉米-夏豇豆是華中地區(qū)常見的復(fù)種模式, 該模式春玉米收獲后保留玉米秸稈作為夏播豇豆的支架, 這樣既節(jié)省了豇豆支架的搭建用工和材料費用, 同時在炎熱的夏季也能為豇豆苗期生長遮陰[40]。然而, 為了追求高產(chǎn), 過量的化學(xué)氮肥被施用, 由此引發(fā)的環(huán)境負效應(yīng)越來越受到人們的關(guān)注。因此, 加強該復(fù)種模式下氮肥的合理使用, 特別是有機無機肥的合理搭配的研究, 對于發(fā)展豐產(chǎn)與低N2O排放的環(huán)境友好型種植模式具有重要意義。

4 結(jié)論

施肥顯著影響玉米和豇豆復(fù)種系統(tǒng)土壤硝化作用速率、N2O排放和作物產(chǎn)量。有機無機肥配施可顯著降低土壤硝化速率和N2O的排放, 提高玉米和豇豆產(chǎn)量。因此, 我們的研究結(jié)果表明, 有機無機肥配施可以實現(xiàn)玉米-豇豆生產(chǎn)系統(tǒng)的高產(chǎn)與N2O減排的協(xié)同, 可作為華中地區(qū)玉米-豇豆可持續(xù)生產(chǎn)的優(yōu)化施肥模式。

[1] IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group Ⅰ to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[R]. Cambridge: Cambridge University Press, 2013

[2] BURNEY J A, DAVIS S J, LOBELL D B. Greenhouse gas mitigation by agricultural intensification[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107(26): 12052–12057

[3] 朱永官, 王曉輝, 楊小茹, 等. 農(nóng)田土壤N2O產(chǎn)生的關(guān)鍵微生物過程及減排措施[J]. 環(huán)境科學(xué), 2014, 35(2): 792–800 ZHU Y G, WANG X H, YANG X L, et al. Key microbial processes in nitrous oxide emissions of agricultural soil and mitigation strategies[J]. Environmental Science, 2014, 35(2): 792–800

[4] 孫志強, 郝慶菊, 江長勝, 等. 農(nóng)田土壤N2O的產(chǎn)生機制及其影響因素研究進展[J]. 土壤通報, 2010, 41(6): 1524–1530 SUN Z Q, HAO Q J, JIANG C S, et al. Advances in the study of nitrous oxide production mechanism and its influencing factors in agricultural soils[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2010, 41(6): 1524–1530

[5] 李燕青, 唐繼偉, 車升國, 等. 長期施用有機肥與化肥氮對華北夏玉米N2O和CO2排放的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(21): 4381–4389 LI Y Q, TANG J W, CHE S G, et al. Effect of organic and inorganic fertilizer on the emission of CO2and N2O from the summer maize field in the North China Plain[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(21): 4381–4389

[6] KRAUSS M, KRAUSS H M, SPANGLER S, et al. Tillage system affects fertilizer-induced nitrous oxide emissions[J]. Biology and Fertility of Soils, 2017, 53(1): 49–59

[7] TIERLING J, KUHLMANN H. Emissions of nitrous oxide (N2O) affected by pH-related nitrite accumulation during nitrification of N fertilizers[J]. Geoderma, 2018, 310: 12–21

[8] 郝小雨, 高偉, 王玉軍, 等. 有機無機肥料配合施用對設(shè)施菜田土壤N2O排放的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2012, 18(5): 1073–1085HAO X Y, GAO W, WANG Y J, et al. Effects of combined application of organic manure and chemical fertilizers on N2O emission from greenhouse vegetable soil[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(5): 1073–1085

[9] 董玉紅, 歐陽竹, 李運生, 等. 不同施肥方式對農(nóng)田土壤CO2和N2O排放的影響[J]. 中國土壤與肥料, 2007, (4): 34–39 DONG Y H, OUYANG Z, LI Y S, et al. Influence of different fertilization on CO2and N2O fluxes from agricultural soil[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2007, (4): 34–39

[10] 孟磊, 蔡祖聰, 丁維新. 長期施肥對華北典型潮土N分配和N2O排放的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2008, 28(12): 6197–6203 MENG L, CAI Z C, DING W X. Effects of long-term fertilization on N distribution and N2O emission in fluvo-aquci soil in North China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(12): 6197–6203

[11] 肖乾穎, 黃有勝, 胡廷旭, 等. 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[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(2): 203–213 XIAO Q Y, HUANG Y S, HU T X, et al. Effects of fertilization regimes on N2O and NO emissions from agro-ecosystems of purplish soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(2): 203–213

[12] 陳晨, 許欣, 畢智超, 等. 生物炭和有機肥對菜地土壤N2O排放及硝化、反硝化微生物功能基因豐度的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2017, 37(5): 1912–1920 CHEN C, XU X, BI Z C, et al. Effects of biochar and organic manure on N2O emissions and the functional gene abundance of nitrification and denitrification microbes under intensive vegetable production[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2017, 37(5): 1912–1920

[13] 何飛飛, 梁運姍, 易珍玉, 等. 有機無機肥配施對酸性菜地土壤硝化作用的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2014, 20(3): 534–540 HE F F, LIANG Y S, YI Z Y, et al. Effects of combined application of manure and chemical fertilizer on the nitrification in acid vegetable soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(3): 534–540

[14] ZHENG X H, WANG M X, WANG Y S, et al. Comparison of manual and automatic methods for measurement of methane emission from rice paddy fields[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 1998, 15(4): 569–579

[15] INGWERSEN J, BUTTERBACH-BAHL K, GASCHE R, et al. Barometric process separation: New method for quantifying nitrification, denitrification, and nitrous oxide sources in soil[J]. Soil Science Society of America Journal, 1999, 63(1): 117–128

[16] 梁銀麗, 熊亞梅, 吳燕, 等. 日光溫室豇豆產(chǎn)量和品質(zhì)對水分和氮素水平的響應(yīng)[J]. 水土保持學(xué)報, 2008, 22(5): 142–145 LIANG Y L, XIONG Y M, WU Y, et al. The response of cowpea yield and quality to soil moisture and nitrogen in solar greenhouse[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2008, 22(5): 142–145

[17] MATHIEU O, HéNAULT C, LéVêQUE J, et al. Quantifying the contribution of nitrification and denitrification to the nitrous oxide flux using15N tracers[J]. Environmental Pollution, 2006, 144(3): 933–940

[18] 林存剛. 硝化與反硝化作用對農(nóng)田土壤N2O排放的貢獻[D]. 重慶: 西南大學(xué), 2006 LIN C G. Contributions of nitrification & denitrification to emission of nitrous oxide in farmland soil[D]. Chongqing: Southwest University, 2006

[19] 王軍, 申田田, 車釗, 等. 有機和無機肥配比對黃褐土硝化和反硝化微生物豐度及功能的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2018, 24(3): 641–650 WANG J, SHEN T T, CHE Z, et al. Effects of combination of organic and inorganic fertilizers on abundances of nitrifiers and denitrifiers and their function in yellow-cinnamon soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(3): 641–650

[20] 翟振, 王立剛, 李虎, 等. 有機無機肥料配施對春玉米農(nóng)田N2O排放及凈溫室效應(yīng)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2013, 32(12): 2502–2510 ZHAI Z, WANG L G, LI H, et al. Nitrous oxide emissions and net greenhouse effect from spring-maize field as influenced by combined application of manure and inorganic fertilizer[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2013, 32(12): 2502–2510

[21] 王秀斌, 梁國慶, 周衛(wèi), 等. 優(yōu)化施肥下華北冬小麥/夏玉米輪作體系農(nóng)田反硝化損失與N2O排放特征[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2009, 15(1): 48–54 WANG X B, LIANG G Q, ZHOU W, et al. Effect of optimized nitrogen application on denitrification losses and N2O emissions from soil in winter wheat/summer corn rotation system in North China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(1): 48–54

[22] 黃晶, 張楊珠, 劉宏斌, 等. 長期不同施肥條件下紅壤小麥和玉米季CO2、N2O排放特征[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報, 2011, 27(4): 7–13 HUANG J, ZHANG Y Z, LIU H B, et al. CO2and N2O emissions from red soil during wheat and corn growing seasons under different patterns of long-term fertilization[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2011, 27(4): 7–13

[23] GUNTI?AS M E, LEIRóS M C, TRASAR-CEPEDA C, et al. Effects of moisture and temperature on net soil nitrogen mineralization: A laboratory study[J]. European Journal of Soil Biology, 2012, 48: 73–80

[24] 郎漫, 李平, 張小川. 土地利用方式和培養(yǎng)溫度對土壤氮轉(zhuǎn)化及溫室氣體排放的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2012, 23(10): 2670–2676 LANG M, LI P, ZHANG X C. Effects of land use type and incubation temperature on soil nitrogen transformation and greenhouse gas emission[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(10): 2670–2676

[25] 范曉暉, 朱兆良. 旱地土壤中的硝化-反硝化作用[J]. 土壤通報, 2002, 33(5): 385–391 FAN X H, ZHU Z L. Nitrification and denitrification in upland soils[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2002, 33(5): 385–391

[26] 萬偉帆, 美麗, 紅梅, 等. 內(nèi)蒙古陰山北麓滴灌馬鈴薯田氨揮發(fā)和氧化亞氮排放特征[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2016, 35(8): 36–41 WAN W F, MEI L, HONG M, et al. Characteristics of ammonia volatilization and nitrous oxide emission under drip irrigated potato in North of Yinshan of Inner Mongolia[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2016, 35(8): 36–41

[27] LIANG B, ZHAO W, YANG X Y, et al. Fate of nitrogen-15 as influenced by soil and nutrient management history in a 19-year wheat-maize experiment[J]. Field Crops Research, 2013, 144: 126–134

[28] 邢素麗, 韓寶文, 劉孟朝, 等. 有機無機配施對土壤養(yǎng)分環(huán)境及小麥增產(chǎn)穩(wěn)定性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2010, 29(S1): 135–140 XING S L, HAN B W, LIU M C, et al. The effect of NPK fertilizer combined with soil organic manure on soil nutrition and wheat yield increasing[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2010, 29(S1): 135–140

[29] 梁斌. 有機肥與化肥長期配施協(xié)調(diào)土壤供氮的效應(yīng)及機理[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2012 LIANG B. Effect of long-term combined application of manure and inorganic fertilizers on soil nitrogen availability and its mechanism[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2012

[30] CHADWICK D R, PAIN B F, BROOKMAN S K E. Nitrous oxide and methane emissions following application of animal manures to grassland[J]. Journal of Environmental Quality, 2000, 29(1): 277–287

[31] 黃國宏, 陳冠雄, 韓冰. 土壤含水量與N2O產(chǎn)生途徑研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 1999, 10(1): 53–56 HUANG G H, CHEN G X, HAN B. Relationships between soil water content and N2O production[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 1999, 10(1): 53–56

[32] GREGORICH E G, ROCHETTE P, VANDENBYGAART A J, et al. Greenhouse gas contributions of agricultural soils and potential mitigation practices in Eastern Canada[J]. Soil and Tillage Research, 2005, 83(1): 53–72

[33] ZHANG J, WANG M Y, CAO Y C, et al. Replacement of mineral fertilizers with anaerobically digested pig slurry in paddy fields: Assessment of plant growth and grain quality[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2017, 24(10): 8916–8923

[34] 孟琳, 張小莉, 蔣小芳, 等. 有機肥料氮替代部分化肥氮對稻谷產(chǎn)量的影響及替代率[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(2): 532–542 MENG L, ZHANG X L, JIANG X F, et al. Effects of partial mineral nitrogen substitution by organic fertilizer nitrogen on the yields of rice grains and their proper substitution rate[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(2): 532–542

[35] 鄭鳳霞, 董樹亭, 劉鵬, 等. 長期有機無機肥配施對冬小麥籽粒產(chǎn)量及氨揮發(fā)損失的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2017, 23(3): 567–577 ZHENG F X, DONG S T, LIU P, et al. Effects of combined application of manure and chemical fertilizers on ammonia volatilization loss and yield of winter wheat[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(3): 567–577

[36] LIU C A, LI F R, ZHOU L M, et al. Effect of organic manure and fertilizer on soil water and crop yields in newly-built terraces with loess soils in a semi-arid environment[J]. Agricultural Water Management, 2013, 117: 123–132

[37] 李絮花, 楊守祥, 于振文, 等. 有機肥對小麥根系生長及根系衰老進程的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2005, 11(4): 467–472 LI X H, YANG S X, YU Z W, et al. Effects of organic manure application on growth and senescence of root in winter wheat[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2005, 11(4): 467–472

[38] 張欣, 施利利, 劉曉宇, 等. 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量、食味品質(zhì)及蛋白質(zhì)組分的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2010, 26(4): 104–108 ZHANG X, SHI L L, LIU X Y, et al. Effect of different fertilizer treatments on rice yield, grain quality and protein fraction content[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(4): 104–108

[39] WEI W L, YAN Y, CAO J, et al. Effects of combined application of organic amendments and fertilizers on crop yield and soil organic matter: An integrated analysis of long-term experiments[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2016, 225: 86–92

[40] 趙丹, 戴維, 羅德木, 等. 麥冬—玉米—豇豆高效立體套作栽培技術(shù)[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2017, (24): 80–81 ZHAO D, DAI W, LUO D M, et al. Cultural technology of high yield dwarf lilyturf tuber-maize- cowpea cropping system[J]. Modern and Agricultural Science and Technology, 2017, (24): 80–81

Effect of combined application of organic and inorganic fertilizers on soil nitrous oxide emission in maize-cowpea systems in central China*

SHUAI Yanju1, LIU Tianqi1, CAO Cougui1,2, LI Chengfang1,2**

(1. Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming Systems in the Middle Reaches of Yangtze River of Ministry of Education / College of Plant Science & Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. Yangtze University / Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industry, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

Nitrous oxide (N2O) is an important greenhouse gas that causes stratospheric ozone destruction. Application of chemical nitrogen fertilizers in upland cultivation systems is an important source of atmospheric N2O. It is important to determine the effects of nitrogen fertilization on N2O emissions in upland field in Central China where the relative researches is less conducted. In this study, soil nitrification and denitrification rates, N2O emissions and crop yields were investigated under application of organic and inorganic fertilizers with the same amounts of N in the field. Therefore in 2017, a field experiment was conducted to investigate the effects of different nitrogen fertilizer sources [inorganic nitrogen fertilizer (I), organic nitrogen fertilizer (O) and inorganic plus organic nitrogen fertilizers (I+O)] on nitrification rate, denitrification rate, N2O emission and crop yield under a maize-cowpea cropping system in Central China. Emission of N2O was measured by the static chamber approach and the rates of nitrification and denitrification measured by Barometric Process Separation (BaPS). The results showed that the rate of nitrification ranged from 130.90 μg·kg-1·h-1to 340.37 μg·kg-1·h-1in maize season, and from 145.11 μg·kg-1·h-1to 348.75 μg·kg-1·h-1in cowpea season. Application of organic nitrogen significantly affected soil nitrification rate. Compared with I and O treatments, I+O treatment significantly reduced soil nitrification rate respectively by 28.74% and 13.96% in maize season, and by 24.66% and 13.28% in cowpea season. However, no significant differences were observed in the rate of denitrification among three treatments. Nitrogen fertilization significantly enhanced N2O flux, with N2O flux peak observed immediately after nitrogen fertilizer application. The combined application of inorganic and organic nitrogen fertilizers markedly influenced N2O emission. The mean N2O flux in maize season under I+O treatment was (279.54±116.58) μg·m-2·h-1, which was 33.44% (< 0.01) and 32.29% (< 0.01) lower than that under I and O treatments. In cowpea season, mean flux under I+O treatment [(188.07±57.63) μg·m-2·h-1] decreased significantly by 27.00% and 15.14%, compared with that under I and O treatments. Moreover, compared with I and O treatments, I+O treatment significantly reduced cumulative N2O emission respectively by 33.51% and 32.51% in maize season, and by 25.77% and 15.04% in cowpea season. However, there were no significant differences in N2O flux and cumulative N2O emission between I and O treatments. Linear correlation analysis showed that N2O emission was closely related with nitrification rate. Yields of maize and cowpea varied among different treatments and I+O treatment had the highest yields of maize and cowpea. Yield of maize under I+O treatment was 1.71 and 1.23 times that under I and O treatments, and yield of cowpea under I+O treatment was 13.4 and 1.17 times that under I and O treatments, respectively. No significant difference was found in cowpea yield between I and O treatments. Our results suggested that combined application of organic and inorganic nitrogen fertilizers effectively reduced soil N2O emissions and increased crop yield in maize-cowpea cropping systems in Central China. The study had important implications for high-yield, low-carbon crop cultivation in China.

Maize-cowpea cropping system; Combined application of organic and inorganic fertilizers; Nitrification; Denitrification; N2O emission; Yield

, E-mail: lichengfang@126.com

Feb. 28, 2018;

Jun. 28, 2018

S145.6

A

1671-3990(2018)12-1763-10

10.13930/j.cnki.cjea.180191

* 國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0301403)、國家自然科學(xué)基金項目(31671637)和湖北省自然科學(xué)基金項目(2018CFB608)資助

李成芳, 主要研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)與耕作制度。E-mail: lichengfang@126.com

帥艷菊, 主要研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail: 2396567435@qq.com

2018-02-28

2018-06-28

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2017YFD0301403), the National Natural Science Foundation of China (31671637) and the Natural Science Foundation of Hubei Province (2018CFB608).

帥艷菊, 劉天奇, 曹湊貴, 李成芳. 有機無機肥配施對玉米-豇豆種植系統(tǒng)土壤N2O排放的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(12): 1763-1772

SHUAI Y J, LIU T Q, CAO C G, LI C F. Effect of combined application of organic and inorganic fertilizers on soil nitrous oxide emission in maize-cowpea systems in central China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1763-1772