不同氮素水平下有機物料添加對隴中黃土高原旱作農(nóng)田N2O排放特征的影響

王泳斌，武 均，呂錦慧，蔡立群,3，張 軍,3，張仁陟,3

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室,甘肅 蘭州 730070;3.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,甘肅 蘭州 730070)

目前，全球氣候變暖問題備受關(guān)注，而溫室氣體濃度的大量增加是氣候變暖的主要原因。N2O是三大溫室氣體之一，是僅次于CO2、CH4的又一溫室氣體，與其他溫室氣體相比，N2O增溫潛勢大，滯留大氣時間長[1]。據(jù)估計，大氣中每年有80%～90%的N2O來源于土壤農(nóng)田，土壤是溫室氣體的重要排放源[2]。而旱作農(nóng)田在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，土地資源豐富，是大氣中N2O的重要來源，而且土壤干濕交替能激發(fā)N2O形成與排放[3]。因此，研究旱作農(nóng)田土壤N2O的排放特征及如何降低溫室氣體的排放量顯得尤為重要。

目前，對于生物質(zhì)炭與秸稈還田對N2O排放影響的研究結(jié)果尚存在爭議[9,11,14-15]，還有待進一步驗證，而且關(guān)于不同氮水平分別配施生物質(zhì)炭與秸稈還田對溫室氣體N2O通量變化的綜合影響研究甚少。本文在隴中黃土高原半干旱地區(qū)，以連續(xù)進行4年不同氮素水平配施不同有機物料的田間定位試驗為基礎(chǔ)，探究不同量氮肥配施生物質(zhì)炭及秸稈對旱作農(nóng)田N2O排放的影響，旨在為該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和篩選環(huán)境友好型種植模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的甘肅省定西市李家堡鎮(zhèn)麻子川村(35°28′N，104°44′E)。該區(qū)海拔2 000 m 左右，年均太陽輻射594.7 kJ·cm-2，日照時數(shù)2 476.6 h，年均氣溫6.4℃，≥0℃積溫2 933.5℃，≥10℃積溫2 239.1℃，無霜期140 d，多年平均降水390.9 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，干燥度2.53 g·m-3，80%保證率的降水量為365 mm，變異系數(shù)為24.3%，是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)綿軟，土層深厚, 質(zhì)地均勻，儲水性能良好。0～200 cm土壤容重平均為1.17 g·cm-3，凋萎含水率7.3%，飽和含水率21.9%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗以春小麥田為研究對象，設(shè)3個氮水平(不施氮肥、50 kg(N)·hm-2、100 kg(N)·hm-2)和3個有機物料水平(無有機物料、小麥秸稈、生物質(zhì)炭)共組成9個處理(詳見表1)，3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積3 m×6 m=18 m2，共計27個小區(qū)。

所有處理均采用當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的三耕兩耱耕作方式，8月份收獲后進行第1次耕作，8月底和9月份分別進行第2、3次耕作, 耕深依次為20、10 cm和5 cm。9月份第3次耕后耱1次, 10月份凍結(jié)前再耱1次。試驗采用春小麥連作，供試品種為‘定西40號’春小麥(TriticumturgidumL.)，自2014年開始，于每年3月下旬進行播種，播量為187.5 kg·hm-2，行距20 cm，播深7 cm，7月下旬收獲。小麥秸稈打碾切碎(2～3 cm)均勻撒布于秸稈還田處理小區(qū)內(nèi)(詳見表2)。供試生物質(zhì)炭為金和福農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的玉米秸稈生物質(zhì)炭，生物質(zhì)炭基本性質(zhì)為C含量53.28%，N含量1.04%，P含量0.26%，灰分含量35.64%；小麥秸稈平均含碳量38%，氮素含量為0.55%。各處理于每年播種前均施入P2O5105 kg·hm-2(過磷酸鈣，P2O5含量為14%)；試驗中所添加氮素為尿素(含N 46%)，于每年播種前根據(jù)各處理所需用量施入小區(qū)。

1.3 氣體樣本的采集和測定

氣體采樣期為2016年11月11日至2017年10月7日。2016年11月11日—2017年3月26日為每30 d進行1次采樣，之后每隔15 d進行1次采樣。采樣時間為早晨8∶30—11∶30時段。采樣箱高35 cm，直徑為38 cm，箱體頂部有1個小孔，用于插入溫度計來讀取箱內(nèi)溫度。箱內(nèi)設(shè)有小風(fēng)扇1個用于攪勻氣體，箱外包有保溫膜，防止太陽輻射使箱內(nèi)溫度改變[16]。底座深16 cm，底座上端有密封水槽。每個處理中分別栽入1個底座。采樣前，將箱體嵌入底座中，將溫度計插入箱體頂部，水槽中加水密封，使箱內(nèi)空氣與外部徹底隔絕后立即用注射器分別采集0，10，20 min的氣體樣品，分別注入150 ml密閉氣袋中備用。

N2O氣體濃度分析采用安捷倫7890A型氣相色譜儀后檢測器(u)ECD(檢測溫度300℃，柱溫45℃)進行分析。色譜柱：Park Q15 m×0.53 mm×25 μm，載氣為高純N2。

表1 試驗處理描述

表2 秸稈還田量/(t·hm-2)

1.4 土壤含水量與土壤溫度測定

每次采集氣體時觀測1次各層次土壤溫度及土壤含水量。采用地溫計，同步觀測記錄0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm 5個層次地溫；在采集氣體時，隨機選取靠近底座一點，分別取0～5，5～10 cm和10～30 cm土層的土壤，用烘干法(105±2℃)測定土壤含水量。

1.5 指標(biāo)計算

N2O通量計算公式[17]：

(1)

式中,F為氣體排放通量(mg·m-2·h-1)，A為取樣箱底面積(m2)，V為體積(m3)，M0為氣體分子量，C1、C2分別為測定箱關(guān)閉時和測定箱開啟前箱內(nèi)溫室氣體的體積濃度(mol·mol-1)；T1、T2分別為測定箱關(guān)閉時和測定箱開啟前箱內(nèi)溫度(℃)，t1、t2為測定開始和結(jié)束的時間(h)。

溫室氣體累積排放量計算公式：

(2)

式中,M為氣體累積排放量(kg·hm-2)，F(xiàn)為溫室氣體排放通量(mg·m-2·h-1)，i為第i次采樣，(di+1-di)為相鄰兩次采樣間隔天數(shù)，n為采樣次數(shù)(n=19)。24×0.01為將單位mg·m-2·h-1轉(zhuǎn)換為kg·hm-2。

N2O增溫潛勢的計算公式[18]：

GWP= 265M(N2O)

(3)

式中,GWP為農(nóng)田排放的溫室氣體增溫潛勢(kg·hm-2)，M(N2O)為全年N2O氣體累積排放量(kg·hm-2)。

1.6 數(shù)據(jù)整理與分析

文中數(shù)據(jù)、圖表采用Excel 2013處理，利用SPSS 19.0軟件進行相關(guān)性分析、通徑分析和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮素水平下有機物料添加對旱作農(nóng)田N2O通量排放特征的影響

2.1.1 N2O通量排放動態(tài)特征 如圖1所示，全年內(nèi)各處理間土壤N2O排放通量變化趨勢基本一致，整體隨季節(jié)的變化表現(xiàn)為降低→升高→降低的變化曲線，各處理N2O排放通量均呈現(xiàn)較為明顯的“雙峰型”。施肥前(3月26日前)N2O排放通量變化趨勢平緩，整體隨溫度先降低后升高，從播種(3月26日后)至分蘗期(5月10日前后)通量呈較快上升的態(tài)勢，在5月10日形成高峰，之后有所下降，但從拔節(jié)期(5月25日前后)到抽穗期(6月9日前后)出現(xiàn)急劇增加現(xiàn)象，此時期各處理N2O通量在整個觀測期內(nèi)達(dá)到第1個排放高峰，緊接著灌漿期至成熟期(6月24日前后至7月24日前后)進入新一輪的增長階段，達(dá)到第2個排放高峰，收獲后通量再一次回落。在觀測期內(nèi)各處理間N2O排放通量的波動范圍如圖1所示，CN100波動范圍最大，為13.76～65.01 μg·m-2·h-1，BN0最小，為15.05～53.75 μg·m-2·h-1。

圖1 不同處理旱作農(nóng)田全年N2O通量動態(tài)特征Fig.1 The dynamic characteristics of N2O flux under different treatments

2.1.2 N2O季節(jié)平均通量排放特征 由表3可知，各處理N2O冬季平均排放通量為19.54 μg·m-2·h-1，春季為31.68 μg·m-2·h-1，夏季為53.24 μg·m-2·h-1，秋季為38.25 μg·m-2·h-1。在冬季，秸稈還田下N2O排放通量SN0、SN50和SN100較CN0分別增加了11.05%、13.98%和17.77%；春季，CN100排放通量最大，BN0排放通量最小，除CN100和BN0外，各處理之間差異不顯著(P>5%)；夏季，SN100、CN100較CN0處理N2O通量分別增加了15.11%和13.17% ；秋季，SN100處理N2O排放通量最高，BN0處理最低。

2.1.3 N2O年平均通量排放特征 如圖2所示，不同處理間N2O年平均通量差異達(dá)到顯著水平，各處理N2O年平均通量大小為SN100>CN100>SN50>CN50>BN100>SNO>BN50>CN0> BN0，其中，處理SN100、CN100和SN50的N2O通量顯著高于其他處理，SN100處理N最高為40.57 μg·m-2·h-1，BN0處理最低為34.81 μg·m-2·h-1。單施氮肥處理(CN100、CN50、CN0)N2O年平均通量大小為CN100>CN50>CN0，CN100、CN50處理較CN0處理N2O氣體通量分別增加了12.92%和8.91%；氮肥配施生物質(zhì)炭的處理下N2O通量大小為BN100> BN50> BN0，BN100和BN50處理較BN0處理氣體通量分別增加了8.17%和5.99%；氮肥配施秸稈N2O通量大小為SN100> SN50> SN0，SN100和SN50處理較SN0處理氣體通量分別增加了9.06%和5.91%。N0水平下，N2O平均排放通量大小為BN0

表3 旱作農(nóng)田N2O季節(jié)平均通量/(μg·m-2·h-1)

注：不同小寫字母表示處理之間的差異性顯著，不同大寫字母表示季節(jié)之間的差異性顯著(P<5%)。

Note: the different lowercase letters indicate the significent difference of the processing, and the different capital letters indicate the significent difference of quarter(P<5%).

2.2 不同處理對N2O增溫潛勢的影響

圖3表明，不同處理間N2O增溫潛勢差異達(dá)到顯著水平，其中，SN100處理N2O增溫潛勢最高,為847.18 kg·hm-2，BN0處理最低,為727.45 kg·hm-2。單施氮肥處理(CN100、CN50、CN0)N2O增溫潛勢大小為CN100>CN50>CN0，處理CN50、CN100較CN0處理GWP分別增加7.93%和11.05%；氮肥配施生物質(zhì)炭處理(BN100、BN50、BN0)N2O增溫潛勢大小為BN100> BN50>BN0，BN100和BN50處理較BN0處理GWP分別增加了7.98%和6.36%；氮肥配施秸稈處理(SN100、SN50、SN0)N2O增溫潛勢大小為SN100> SN50>SN0，SN100和SN50處理較SN0處理GWP分別增加了8.56%和5.65%。N0水平下，N2O增溫潛勢大小為BN0

注: 不同小寫字母表示處理之間的差異性顯著(P<5%)，下同。Note: The different lowercase letters indicate the significant difference(P<5%), the same below.圖2 不同處理旱作農(nóng)田全年N2O平均通量Fig.2 The annual average N2O flux under different treatments

圖3 不同處理N2O的增溫潛勢Fig.3 GWP of N2O under different treatments

2.3 不同處理土壤平均含水量、土壤平均溫度動態(tài)特征

由圖4所示，觀測期內(nèi)，冬、春季節(jié)(2016-11-11—2017-04-25)，土壤平均含水量較高，整體變化趨勢比較平緩(10.22%～11.89%)。夏、秋兩季(2017-05-10—2017-10-07)，土壤含水量變化劇烈(5.71%～13.92%)。

觀測期內(nèi)，土壤平均溫度呈現(xiàn)降低→升高→降低的趨勢。進入11月，地溫開始迅速下降，直到1月10日達(dá)到最低點，隨后開始緩慢上升，到7月24日地溫達(dá)到最高點，10月7日，地溫變化出現(xiàn)反常，可能是冷空氣來襲，造成10月6日溫度迅速降低。

2.4 旱作農(nóng)田N2O排放通量與土壤水分、土壤溫度的關(guān)系

如表4所示，觀測期內(nèi)旱作農(nóng)田N2O排放通量與各土層土壤含水量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與各土層土壤溫度呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)關(guān)系。

土壤平均含水量主要通過土壤平均溫度對N2O通量進行間接影響(-0.347)，而直接影響較小(-0.163)；土壤平均溫度對N2O通量的影響主要是直接影響(0.792)，而間接影響較小(0.071)。

3 討 論

圖4 土壤平均溫度與土壤平均含水量的動態(tài)特征Fig.4 Dynamic characteristics of average soil temperature and soil water content

自變量 Argument土層/cmSoil layer相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient直接通徑系數(shù)Direct path coefficient間接通徑系數(shù) Indirect path coefficient土壤含水量Soil water content土壤溫度Soil temperature土壤含水量Soil water content0～5-0.242**-0.095**-0.1475～10-0.545**-0.154**-0.39110～30-0.498**-0.143**-0.355平均 Average-0.510**-0.163**-0.347土壤溫度Soil temperature0～50.886**0.868**0.0185～100.867**0.792**0.07510～250.860**0.796**0.064平均 Average0.863**0.792**0.071

注：**代表該因子在P<1%下達(dá)到顯著水平。 Note:** significant level atP<1%.

秸稈還田對N2O排放通量影響的觀點不一致，鄒建文等[14]通過施用不同有機物料對稻田溫室氣體排放的研究表明小麥秸稈還田減少了N2O排放。一般認(rèn)為，旱地秸稈還田通常會對土壤微環(huán)境的溫度和水分都有一定的保持效果，使缺氧的微小區(qū)域增多，加強了反硝化作用使旱地N2O排放增加[13]。本研究結(jié)果表明：在不施氮肥或施減量氮肥水平下配施秸稈還田增加了N2O排放；高量氮肥配施秸稈還田對N2O排放通量影響不明顯。這可能是氮肥施用使土壤C∶N降低，而秸稈還田提高了土壤C∶N水平并增加了土壤硝化、反硝化所需的能量使N2O排放增加[22]。張冉等[23]試驗結(jié)果表明隨著施氮量的增加，秸稈還田對土壤N2O排放的影響逐漸由負(fù)效應(yīng)變?yōu)檎?yīng)，當(dāng)施氮量超過一定范圍后，秸稈還田對土壤N2O排放再次表現(xiàn)為降低效應(yīng)。也有研究表明單施氮肥或者只有秸稈還田時其N2O排放均小于氮肥與秸稈同時施用的情況[24]。

本研究結(jié)果表明氮肥的施用顯著增加了N2O排放的增溫潛勢；施氮肥情況下，添加生物質(zhì)炭顯著減小了N2O排放的增溫潛勢；無氮肥和少量氮肥施用情況下，添加秸稈還田顯著增加了N2O排放的增溫潛勢。這與劉杏認(rèn)等[25]研究結(jié)果有差異，可能是2個試驗區(qū)管理措施和氣候條件有所差異造成的。

觀測期內(nèi)，N2O排放通量與土壤含水量顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤溫度顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤溫度對N2O排放通量的直接影響占主要作用。可能由于N2O的產(chǎn)生與排放對溫度的變化非常敏感，當(dāng)土壤溫度分別在15℃～35℃和5℃～75℃范圍時，硝化作用和反硝化作用的微生物活性均會隨著土壤溫度的升高而增強，N2O的排放量也隨之增加[26]。土壤水分可以改變土壤的透氣性、微生物的活性等來影響N2O的產(chǎn)生和排放[3]，隨著土壤水分含量的增加，硝化過程受到抑制，反硝化過程以生成N2為主，N2O在土壤中的擴散也受到嚴(yán)重阻礙，排放量減少[9]。

4 結(jié) 論

1)秸稈或生物質(zhì)炭與氮肥配施對N2O排放通量的影響無交互效應(yīng)。

2)全年內(nèi)，各處理N2O排放通量隨時間的變化趨勢一致。施用氮肥顯著增加了N2O排放通量，且隨施氮量的增加，N2O通量顯著增大；氮肥配施生物質(zhì)炭顯著降低了N2O排放通量，單施生物質(zhì)炭對N2O排放通量減小不顯著；無氮肥或施用少量氮肥配施小麥秸稈，顯著增加了N2O排放通量，而高量氮肥配施秸稈還田對N2O排放通量增大不顯著。

3)氮肥的施用顯著增加了N2O排放的增溫潛勢；氮肥施用情況下，添加生物質(zhì)炭顯著減小了N2O排放的增溫潛勢；無氮肥和少量氮肥配施小麥秸稈顯著增加了N2O排放的增溫潛勢。

4)N2O排放通量與土壤溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤溫度對N2O排放通量的直接影響占主要作用。