降雨和施肥對(duì)上海崇明島小麥田N2O排放的影響①——基于渦度協(xié)方差法的研究

張夢(mèng)珊，郭海強(qiáng)，馬 俊，李 紅，戴圣騏，顧凱華，高 偉，趙 斌

降雨和施肥對(duì)上海崇明島小麥田N2O排放的影響①——基于渦度協(xié)方差法的研究

張夢(mèng)珊1，郭海強(qiáng)1，馬 俊1，李 紅1，戴圣騏1，顧凱華2*，高 偉3，趙 斌1

(1 復(fù)旦大學(xué)生物多樣性與生態(tài)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海崇明東灘濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，崇明生態(tài)研究院，復(fù)旦大學(xué)，上海 200438；2 上海市崇明區(qū)氣象局，上海 202150；3 長(zhǎng)三角環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心，上海 200030)

在基于渦度協(xié)方差技術(shù)的小麥田N2O通量觀測(cè)基礎(chǔ)上，分析了小麥田N2O的排放動(dòng)態(tài)以及不同時(shí)間尺度上降雨和施肥對(duì)小麥田N2O排放的影響，同時(shí)以增強(qiáng)回歸樹(shù)的方法定量分析了降雨和施肥相關(guān)因子對(duì)小麥田N2O通量的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明：小麥田N2O通量沒(méi)有明顯的晝夜和季節(jié)變化模式，研究期內(nèi)N2O平均日排放量為666.5 μg/(m2·d)± 669.4 μg/(m2·d)(以N2O-N量計(jì))；N2O主要以脈沖的形式釋放，其中降雨和施肥引發(fā)的脈沖占小麥田N2O總排放量的比例分別為29.4%、19.2%；降雨促進(jìn)小麥田N2O排放，且N2O通量對(duì)降雨事件的響應(yīng)比較迅速(主要集中在雨后的幾小時(shí)內(nèi))，同時(shí)降雨的影響能持續(xù)1 ~ 2 d；相比降雨，施肥對(duì)小麥田N2O排放的促進(jìn)作用存在一周左右的時(shí)滯；綜合考慮施肥和降雨的交互影響，在施肥后1 ~ 8 d內(nèi)發(fā)生的降水事件對(duì)N2O的排放有明顯的促進(jìn)作用。因此，二者的交互影響不容忽視。

N2O通量；降雨；施肥；渦度協(xié)方差

氧化亞氮(N2O)是重要的溫室氣體之一，也是破壞臭氧層的主要物質(zhì)之一。據(jù)估計(jì)，自工業(yè)化以來(lái)，人為活動(dòng)已經(jīng)導(dǎo)致大氣N2O濃度增加了20%[1]。從全球來(lái)看，土壤是N2O排放的最大來(lái)源(估計(jì)為6.8 Tg/a，以N2O-N量計(jì)，下同)，占排放到大氣中的N2O總量的65% 左右，其中4.2 Tg/a直接或間接來(lái)自于氮肥，2.1 Tg/a來(lái)自于糞肥以及0.5 Tg/a來(lái)自于生物質(zhì)的燃燒。因此，農(nóng)田土壤被認(rèn)為是大氣N2O的最大人為排放源[2]。針對(duì)農(nóng)田N2O排放量，已有研究顯示出巨大的差異，從0.7 mg/(m2·d)到51.8 mg/(m2·d)[3-6]；并且，不同農(nóng)田類(lèi)型之間也存在較大差異，其中菜田N2O排放量遠(yuǎn)高于鄰近的水稻、小麥、玉米等大田作物[7-10]。同時(shí)，較多研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田N2O排放不存在明顯的季節(jié)變化模式，多以脈沖的形式釋放[10-12]。Parkin和Kaspar[13]在兩年玉米田N2O排放的研究中發(fā)現(xiàn)，脈沖事件占累計(jì)年排放量的比例高達(dá)49%。

微生物的硝化和反硝化作用是調(diào)節(jié)和控制土壤N2O排放的關(guān)鍵過(guò)程，而這一過(guò)程會(huì)受到自然環(huán)境條件和農(nóng)業(yè)管理措施直接或間接的影響。許多文獻(xiàn)[14-16]綜述了影響N2O排放的因素，普遍認(rèn)為農(nóng)田N2O排放主要與農(nóng)業(yè)管理措施(氮肥施用量、水分管理、作物種類(lèi)、肥料種類(lèi))和土壤條件(有機(jī)碳含量、pH、質(zhì)地)等有關(guān)，其中氮肥施用是導(dǎo)致N2O排放差異的主要因素。Hoben等[17]發(fā)現(xiàn)，玉米-大豆輪作系統(tǒng)施氮量的N2O響應(yīng)呈非線(xiàn)性指數(shù)增長(zhǎng)。而在全球范圍內(nèi)，Stehfest和Bouwman[16]發(fā)現(xiàn)N2O排放量和氮肥施用量之間存在線(xiàn)性關(guān)系。研究表明，氮素的轉(zhuǎn)化率直接影響硝化反硝化作用或兩個(gè)過(guò)程的耦合[18]，從而影響N2O的排放。除了肥料施用，灌溉或降雨對(duì)農(nóng)田N2O排放也會(huì)產(chǎn)生重要影響[12, 19]。這可能是由于水分增加后，氮肥的水解速率以及硝化速率較快，同時(shí)高土壤孔隙水(WFPS)加速了反硝化過(guò)程[20]。許多研究都觀測(cè)到，干旱土壤潤(rùn)濕后產(chǎn)生的代謝活動(dòng)會(huì)刺激N2O排放，降雨會(huì)導(dǎo)致N2O脈沖峰出現(xiàn)[21-23]。因此降雨對(duì)農(nóng)田(尤其對(duì)于降水為主要水分輸入來(lái)源的農(nóng)田系統(tǒng))N2O排放的影響不容忽視。

由于農(nóng)田N2O排放多以脈沖形式釋放，因此需要使用連續(xù)的、長(zhǎng)期的、高頻率和高精度的通量監(jiān)測(cè)方法來(lái)捕捉短時(shí)間的偶發(fā)N2O脈沖峰[24]。然而目前許多研究基于靜態(tài)箱-氣相色譜法(簡(jiǎn)稱(chēng)“箱式法”)開(kāi)展，這種方法需要較高的人工投入，并且觀測(cè)頻率較低可能導(dǎo)致季節(jié)或年總排放量估算存在偏差[25]；同時(shí)由于農(nóng)業(yè)土壤的空間變異性大，使用箱式法觀測(cè)可能造成通量的低估或高估，例如有研究發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)山西棉花田，箱式法比渦度法低估了17% ~ 20% 的N2O排放[25]。渦度協(xié)方差技術(shù)是基于微氣象學(xué)的測(cè)量溫室氣體通量的技術(shù)，可以在不干擾環(huán)境條件的情況下觀測(cè)生態(tài)系統(tǒng)尺度上的平均通量[26-28]。近年來(lái)隨著快速響應(yīng)探測(cè)器如可調(diào)諧二極管激光器(TDL)和量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)等的發(fā)展，基于渦度協(xié)方差法的N2O通量觀測(cè)逐漸得到開(kāi)展[15]，相關(guān)研究在國(guó)際上日益增加，但目前還未見(jiàn)國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道。

到目前為止，大多數(shù)關(guān)于N2O排放的研究主要關(guān)注單一因素的影響，特別是施肥的影響[29-33]，在很大程度上忽視了其他農(nóng)業(yè)措施包括水分管理等的綜合效應(yīng)。然而，在實(shí)踐中農(nóng)民更傾向于采取綜合管理的措施來(lái)提高生產(chǎn)力，因此更詳細(xì)的綜合研究是十分必要的。小麥?zhǔn)鞘澜缰饕Z食作物之一，在我國(guó)的種植面積和產(chǎn)量?jī)H次于水稻。雖然目前有研究報(bào)道了施肥和降雨(或灌溉)配合發(fā)生會(huì)強(qiáng)烈促進(jìn)N2O排放[28, 34]，但對(duì)于降雨和施肥事件的發(fā)生順序可能帶來(lái)的不同交互影響以及如何量化“水肥”組合對(duì)小麥田N2O排放的貢獻(xiàn)卻未見(jiàn)文獻(xiàn)探討。在基于渦度協(xié)方差技術(shù)的小麥田N2O通量觀測(cè)基礎(chǔ)上，本文探討了小麥田生長(zhǎng)季內(nèi)N2O的排放動(dòng)態(tài)，研究了不同時(shí)間尺度上小麥田N2O排放對(duì)降雨和施肥的響應(yīng)，同時(shí)定量分析了降雨和施肥相關(guān)因子對(duì)小麥田N2O排放的貢獻(xiàn)率，探討了N2O通量對(duì)于降雨和施肥事件發(fā)生的先后順序(“水肥”組合)是否有不同的響應(yīng)，從而為實(shí)施低碳農(nóng)業(yè)提供一些科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于上海崇明島，崇明島地處長(zhǎng)江口，屬于典型的北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。降雨充沛，四季分明，年平均氣溫15.8℃，年日照時(shí)數(shù)1 973.9 h，年平均降雨量1 128.9 mm，主要集中在4—9月。原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站位于崇明島中部(121°29′38″ E，31°39′59″ N)，耕層土壤為粉壤土，偏堿性。研究區(qū)多年稻麥兩熟輪作，每年5—10月種植水稻，而從每年10月至次年5月種植小麥。

在崇明島，小麥主要采用撒播方式種植。本研究供試小麥為揚(yáng)麥11號(hào)，于2014年10月22日播種，次年5月20日收獲，成熟小麥平均株高約1 m。由于崇明島雨水充足，因此小麥生長(zhǎng)季內(nèi)無(wú)灌溉管理。該觀測(cè)塔周邊農(nóng)田由當(dāng)?shù)剞r(nóng)場(chǎng)實(shí)行統(tǒng)一管理，其中，在2014年10月20日施加復(fù)合肥(N，27 kg/hm2)做基肥。不同生長(zhǎng)階段肥料施加信息見(jiàn)表1。

表1 肥料施加信息表

1.2 N2O通量數(shù)據(jù)的獲取和處理

本研究采用渦度協(xié)方差方法(eddy covariance method)進(jìn)行觀測(cè)。該通量塔位于崇明島中部，考慮到周邊農(nóng)田較為均一，且存在防護(hù)林(防護(hù)林高度在12 m左右)，將通量觀測(cè)高度設(shè)置在20 m。該通量觀測(cè)點(diǎn)配置了CR3000數(shù)據(jù)采集器(美國(guó)Campbell公司)，以三維超聲風(fēng)速儀(CSAT3，美國(guó)Campbell公司)觀測(cè)三維風(fēng)速，以快速響應(yīng)N2O氣體分析儀(913-0014，美國(guó)Los Gatos Research公司)觀測(cè)N2O濃度。N2O氣體分析儀被安置在一個(gè)環(huán)境穩(wěn)定的工作室，距離三維超聲風(fēng)速儀大約20 m。參考Eugster等[35]的實(shí)驗(yàn)，該觀測(cè)系統(tǒng)使用長(zhǎng)21.6 m，內(nèi)徑為10 mm的聚四氟乙烯管，連接氣體分析儀和位于試驗(yàn)地中央的三維風(fēng)速儀?？諝馔ㄟ^(guò)真空泵進(jìn)入氣體分析儀，首先經(jīng)過(guò)干燥劑過(guò)濾多余的水蒸氣。樣氣的管道流速為21 L/min。該分析儀可以提供N2O氣體含量的10 Hz連續(xù)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行水汽校正[36]。Campbell公司的CR3000數(shù)據(jù)采集器用于記錄所有10 Hz數(shù)據(jù)。觀測(cè)階段為2014年10月至2015年5月，包含整個(gè)小麥生長(zhǎng)季。環(huán)境因子觀測(cè)包括降雨、空氣溫度、土壤溫度等。

本研究采用Eddy Pro軟件(version 6.1.0)進(jìn)行通量計(jì)算和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。主要過(guò)程包括：去除了超出儀器測(cè)量范圍和超過(guò)4倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常值[37]；運(yùn)用坐標(biāo)軸二次旋轉(zhuǎn)法使垂直風(fēng)速均值為零[38]；超聲虛溫校準(zhǔn)(SND correction)[39]；頻率損失校準(zhǔn)；WPL校準(zhǔn)[40]等。本研究所使用的閉路渦度協(xié)方差系統(tǒng)，抽氣系統(tǒng)中安裝質(zhì)量流量控制器，延遲時(shí)間由N2O濃度和垂直風(fēng)速的最大協(xié)方差出現(xiàn)的時(shí)間來(lái)決定[28]。參考Foken等[41]的方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測(cè)試(stationarity test)，采用“0-1-2”系統(tǒng)對(duì)通量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量標(biāo)簽，其中“2”表示由于質(zhì)量差而應(yīng)從所得數(shù)據(jù)集中丟棄的通量。主要通過(guò)以下方式對(duì)N2O通量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：①異常數(shù)據(jù)的剔除。刪除儀器處于非正常工作狀態(tài)的瞬時(shí)值，如氣壓不穩(wěn)定、以及根據(jù)診斷文件剔除閉路系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)等；②刪除穩(wěn)態(tài)測(cè)試質(zhì)量標(biāo)簽為2的數(shù)據(jù)[41]；③去除夜間摩擦風(fēng)速<0.2 m/s時(shí)的數(shù)據(jù)[28]。最終2014年10月21日至2015年5月20日的數(shù)據(jù)保存率為51.2%。參考Molodovskaya等[24]的方法，本研究將質(zhì)量控制后日保存率≥25%(≥12個(gè)半小時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn))的半小時(shí)數(shù)據(jù)的平均值作為N2O日平均通量(μg/(m2·h))，而N2O日排放量(μg/(m2·d))為日平均通量乘以24。月尺度的N2O通量通過(guò)積分計(jì)算，其中2014年10月因?yàn)楸O(jiān)測(cè)日期較少，因此未列入月尺度的分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

本文采用SPSS 22.0和R軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。為探究降雨對(duì)N2O通量的影響，采用線(xiàn)性回歸方法分析月尺度以及小時(shí)尺度上土壤N2O通量與降雨量的相關(guān)性；以單因素方差分析檢驗(yàn)施肥前后日平均通量的差異以及降雨前、雨中、雨后日通量變化的差異；以增強(qiáng)回歸樹(shù)模型(boosted regression trees，BRT)分析施肥和降雨的交互影響。

增強(qiáng)回歸樹(shù)(BRT)是一種用于非線(xiàn)性關(guān)系分析的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，它結(jié)合了Regression trees和Boosting兩種算法的優(yōu)勢(shì)。在該回歸模型中，響應(yīng)變量為土壤N2O排放量，解釋變量包括降雨量、距上次降雨日差、施肥量、距上次施肥日差以及降雨施肥的日差。BRT可以計(jì)算在其他自變量取均值或不變的情況下，某一自變量與因變量的相互關(guān)系，從而得出自變量對(duì)因變量的影響大小以及各個(gè)解釋因子的相對(duì)重要性排序。BRT提高了計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和精度，同時(shí)可以適用于不同的數(shù)據(jù)格式。本研究使用R軟件來(lái)運(yùn)行BRT(“gbm”軟件包)，模型的參數(shù)設(shè)置參考Ma等[42]。

為判斷土壤N2O的脈沖峰并計(jì)算其對(duì)日排放的貢獻(xiàn)，本文采用箱線(xiàn)圖分析小時(shí)通量并設(shè)置脈沖峰的閾值。箱線(xiàn)圖的優(yōu)點(diǎn)在于它將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的大小與中值而不是平均值相聯(lián)系。因此即使當(dāng)通量數(shù)據(jù)不呈正態(tài)分布時(shí)也可以使用[43]。箱線(xiàn)圖最重要的是對(duì)相關(guān)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)的計(jì)算，例如下四分位數(shù)Q1、上四分位數(shù)Q3以及中位數(shù)Q2。上邊緣(UF，upper fence)和下邊緣(LF，lower fence)通常設(shè)置在四分位距(IQR，IQR= Q3–Q1)的固定距離處(倍)，計(jì)算公式為：

UF=Q3+(Q3–Q1) (1)

LF= Q1–(Q3–Q1) (2)

參照Molodovskaya等[24]，本研究對(duì)脈沖峰的定義：(=0.5)UF作為小麥田N2O脈沖檢測(cè)的最低邊界，閾值以上的所有N2O通量定義為脈沖峰。本文對(duì)降雨前、降雨中及降雨后的日平均通量的定義為：在日尺度上，若某一日發(fā)生降雨，且前后兩天無(wú)降雨，則這3 d的通量分別代表降雨前、降雨中、降雨后的通量；若連續(xù)數(shù)日發(fā)生降雨，取平均值代表降雨中的日平均通量，則降雨前后取相同天數(shù)日通量的平均值分別為降雨前及降雨后的平均日通量，最后計(jì)算所有降雨前、雨中以及雨后的日通量的平均值，即分別為相應(yīng)的N2O平均日排放量。根據(jù)小時(shí)降雨數(shù)據(jù)，本文對(duì)“降雨中24 h”通量的定義：與降雨前、降雨中及降雨后的定義相對(duì)應(yīng)，若降雨集中在一天，則當(dāng)日的N2O通量即為降雨中24 h的排放量；若連續(xù)若干天都有降雨，則將其對(duì)應(yīng)時(shí)刻的通量取平均值即為降雨中的24 h的通量變化情況，同時(shí)相應(yīng)的以相同天數(shù)求得降雨前和降雨后的24 h通量。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥田N2O排放動(dòng)態(tài)及環(huán)境因子變化

本研究的觀測(cè)期為2014年10月至2015年5月，包含了完整的小麥生長(zhǎng)季。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，觀測(cè)階段總共收集5 208個(gè)半小時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保存率為51.2%。觀測(cè)階段共212 d，其中數(shù)據(jù)保存率≥25% 的天數(shù)為203 d，占全部觀測(cè)時(shí)間的95.8%。

在研究階段內(nèi)，土壤和空氣溫度都呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì)，在12月份土壤和空氣平均溫度均達(dá)到最低，分別為4.8℃和4.2℃，在5月14日空氣和土壤溫度達(dá)到最高，均為23.6℃，而1月初最低溫度分別為-0.1℃和1.6℃；同時(shí)12月份的降雨量最少，為7.5 mm；降雨在3、4月份較為集中，分別達(dá)到103.5 mm和98 mm(圖1)。整個(gè)研究階段內(nèi)累計(jì)降雨475.2 mm。根據(jù)小麥生育期特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合不同時(shí)期溫度和降雨的分布情況，將本研究劃分為4個(gè)階段(圖1、表2)。第1階段主要對(duì)應(yīng)小麥的出苗期，主要特點(diǎn)是降雨量較少，但平均溫度較高；第2階段主要對(duì)應(yīng)小麥的幼苗、越冬期，該階段溫度低且降雨最少；第3階段包括小麥的返青、拔節(jié)期，這個(gè)階段有最大的施氮量和降雨量；第4階段從2015年4月5日至5月20日小麥?zhǔn)斋@，該階段降雨量為146.9 mm，但沒(méi)有進(jìn)行施肥。

(綠色箭頭表示施氮，其長(zhǎng)度代表施氮量；灰色線(xiàn)表示誤差線(xiàn)，即每天收集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差(≥12個(gè)半小時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn))；灰色虛線(xiàn)表示將研究期劃分為4個(gè)階段)

表2 4個(gè)觀測(cè)階段對(duì)應(yīng)的小麥生育期及降雨量、施氮量和N2O通量

具有不同降雨和施肥組合情況的4個(gè)階段對(duì)應(yīng)的N2O平均日排放量如表2所示。其中研究階段內(nèi)N2O平均日排放量為666.5 μg/(m2·d) ± 669.4 μg/(m2·d)。降雨量、施氮量最高的第3階段，N2O平均日排放量最高。第2階段與第1階段施氮量相當(dāng)，平均日排放量比第1階段少48.5%，這可能是由于基肥和不同降雨量引起。第4階段雖然沒(méi)有施氮，N2O平均日排放量比第2階段高89.0%，可能是受到降雨的刺激。整個(gè)小麥生長(zhǎng)季內(nèi)，小麥田生態(tài)系統(tǒng)以N2O形式的氮損失量約為1 355.8 g/hm2，其中脈沖占總排放量的比例高達(dá)38.5%。在觀測(cè)階段共記錄了26次脈沖事件(表3)，其中由“水肥”組合引發(fā)的脈沖次數(shù)占42.3%，而由單獨(dú)的降雨或施肥事件引發(fā)的脈沖分別為9次和3次，排放量共占小麥田N2O總排放量的18.2%，與“水肥”組合觸發(fā)的脈沖占比相當(dāng)。因此，降雨事件造成的脈沖對(duì)總排放量的貢獻(xiàn)高達(dá)29.4%，而施肥帶來(lái)的貢獻(xiàn)達(dá)19.2%。

從4個(gè)階段N2O的日變化來(lái)看(圖2)，小麥田N2O排放沒(méi)有明顯的晝夜變化模式。通常排放峰出現(xiàn)在白天，除了圖2中的第3階段可能因?yàn)轭l繁降雨的影響，其他3個(gè)階段中均表現(xiàn)為白天的排放量高于夜間。盡管季節(jié)尺度上，土壤溫度與小麥田N2O通量的季節(jié)動(dòng)態(tài)相關(guān)性不顯著，但在圖2第1階段中土壤溫度與N2O排放量的日變化(小時(shí)尺度)呈線(xiàn)性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)(2= 0.76，<0.05)。然而其他3個(gè)階段中并未觀測(cè)到溫度與N2O通量的明顯相關(guān)性，在降雨量最多的第3階段，夜間通量出現(xiàn)排放峰可能是受到夜間降水的影響。

表3 生長(zhǎng)季內(nèi)降雨、施肥、“水肥”組合等引發(fā)的脈沖及其對(duì)N2O總排放量的貢獻(xiàn)

(A、B、C、D分別代表研究的第1 ~ 4階段)

總的來(lái)說(shuō)，N2O排放沒(méi)有明顯的晝夜和季節(jié)變化，主要以脈沖的形式釋放。相比于溫度，降雨和施肥是引發(fā)通量脈沖的主要因子。通常，在施肥后N2O排放呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢(shì)，當(dāng)施肥后發(fā)生降雨事件，可能激發(fā)N2O的脈沖峰。單獨(dú)的降雨事件也會(huì)引發(fā)脈沖。

2.2 降雨對(duì)N2O通量的影響

由于在小麥生長(zhǎng)季內(nèi)無(wú)人工灌溉，降雨是小麥田最主要的水分來(lái)源，其能改變土壤含水量和通氣狀況，從而直接影響微生物生命活動(dòng)的微環(huán)境。小麥田N2O月通量與月降雨量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(2=0.56,<0.05)(圖3)。這可能是由于降雨量高導(dǎo)致土壤含水量高，土壤內(nèi)部通氣性差，從而提供了N2O產(chǎn)生所需的厭氧條件。

圖3 小麥田N2O月通量與降雨量的關(guān)系

圖4顯示了降雨前、降雨中及降雨后的N2O日平均通量的變化。顯然，土壤N2O在降雨事件發(fā)生的當(dāng)天相比前一天排放量顯著增加，降雨中的平均日排放量為1 049.3 μg/(m2·d)，比降雨前增加了65.6%。而降雨后一天的平均日通量為860.9 μg/(m2·d)，相比降雨前增加35.9%，相比降雨中日平均排放量減少18.0%，但差異均不顯著。

(圖中不同小寫(xiě)字母表示各時(shí)期差異在P<0.05水平顯著)

為了更好地探討降雨量對(duì)小麥田N2O通量的影響，本文按照前文所分的4個(gè)階段，分別將降雨前、降雨中、降雨后的24 h N2O通量變化顯示在圖5中?？梢?jiàn)，降雨前的小麥田N2O通量在4個(gè)階段中并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的晝夜變化模式；除了第2階段中降雨當(dāng)日通量沒(méi)有明顯的波動(dòng)，其他3個(gè)階段均有明顯的排放峰，其中第1、3、4階段的脈沖分別占一天釋放量的24.8%、28.9% 和54.1%；而受降雨的影響，4個(gè)階段中雨后一天的N2O排放相比降雨前一天顯著增加(<0.05)，然而雨后24 h中，僅在第1和第2階段時(shí)出現(xiàn)通量脈沖峰，分別占一天釋放量的30.5%和48.8%。這可能是由于第1和第2階段時(shí)降雨量較少，土壤相對(duì)干燥，當(dāng)發(fā)生降雨事件后極大提高了底物可利用性從而促進(jìn)微生物生命活動(dòng)產(chǎn)生代謝產(chǎn)物N2O。由此可見(jiàn)，降雨會(huì)促進(jìn)土壤N2O的脈沖峰，并且由于降雨對(duì)土壤濕度、通氣性等性質(zhì)的改變，在雨后24 h內(nèi)降雨對(duì)土壤N2O釋放仍有促進(jìn)作用。

(A、B、C、D分別代表研究的第1 ~ 4階段；P0表示降雨當(dāng)日N2O通量與降雨量的關(guān)系；P1表示降雨后一日N2O通量與降雨量的關(guān)系)

不同階段因?yàn)闇囟群徒涤炅坎煌寥繬2O通量對(duì)降雨量有不同的響應(yīng)。在第1和第2階段中(圖5A和圖5B)，隨著降雨量的增加降雨當(dāng)日的土壤N2O通量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，相關(guān)關(guān)系分別可以表示為：= –37.46+154.02(2=0.42,<0.001)、= –17.65+43.77 (2=0.37,<0.001)。而第3、4四階段(圖5C和圖5D)，土壤N2O的排放隨著降雨量的增加而增加，但趨勢(shì)并不顯著。對(duì)于雨后24 h內(nèi)的通量，4個(gè)階段均表現(xiàn)出隨降雨量的增加而增加的趨勢(shì)。在第1和第2階段中，當(dāng)降雨量<1.5 mm和降雨量<1 mm時(shí)，降雨量和N2O通量呈現(xiàn)線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)分別為0.40 (<0.05)和0.40(<0.05)。在第3個(gè)階段中，土壤N2O通量與降雨量呈現(xiàn)線(xiàn)性相關(guān)，決定系數(shù)為0.34 (<0.05)。而在第4個(gè)階段中，當(dāng)降雨量<4 mm時(shí)，土壤N2O通量與前一日降雨量呈現(xiàn)一定的線(xiàn)性相關(guān)性。

2.3 施肥對(duì)N2O通量的影響

由表4施肥前后日平均通量的對(duì)比可以看出，施肥后1 ~ 4 d中，小麥田N2O日平均通量相比施肥前均有增加但并不顯著(>0.05)；而施肥后5、6 d相比施肥前呈現(xiàn)顯著差異，日平均排放量分別為1 444.6 μg/(m2·d)±749.2 μg/(m2·d)、1 413.8 μg/(m2·d)±711.7 μg/(m2·d)，相應(yīng)地相比施肥前的日均排放量增加35.2%(<0.05)和41.3%(<0.05)。

表4 施肥前后N2O日平均通量(μg/(m2·d))

注：“時(shí)間”是指6次施肥事件取相應(yīng)天數(shù)計(jì)算N2O日平均通量；“施肥前/后”是指6次施肥事件相應(yīng)天數(shù)N2O日均通量的平均值；“值”是指單因素方差分析檢驗(yàn)6次施肥前后相應(yīng)N2O日平均通量的差異性。6次施肥事件指表1中除基肥和第8次施肥以外的其他施肥事件。由于基肥前小麥尚未種植而第8次施肥事件前后數(shù)據(jù)缺失量較大，因此這兩次施肥事件未列入分析。

2.4 “水肥”的不同組合對(duì)N2O通量的影響

本文采用了增強(qiáng)回歸樹(shù)(BRT)法分析施肥和降雨的交互影響，發(fā)現(xiàn)5個(gè)降雨和施肥相關(guān)因子與N2O通量的關(guān)系以及各個(gè)解釋變量的貢獻(xiàn)率排序?yàn)?圖6A)：距上次降雨日差>降雨施肥日差>距上次施氮日差>降雨量>施氮量。由此可見(jiàn)，降雨和施肥事件對(duì)土壤N2O排放有不同程度的影響，同時(shí)降雨和施肥的不同組合形式對(duì)小麥田N2O通量的影響不容忽視。

從小麥的整個(gè)生長(zhǎng)季來(lái)看，降雨和施肥事件對(duì)N2O排放的影響都呈現(xiàn)隨日差增大而減小直至平穩(wěn)的趨勢(shì)(圖6B和6D)，且這兩個(gè)解釋因子的貢獻(xiàn)率達(dá)51.2%。在降雨當(dāng)日以及降雨后3 d內(nèi)(圖6B)，小麥田N2O日排放量維持在較高的水平，而雨后第5天后釋放量明顯下降。相比降雨，在施肥后6 d時(shí)間內(nèi)，N2O排放通量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)(圖6D)，這與前文2.3的結(jié)論一致，之后施肥事件對(duì)N2O通量的影響隨著日差增大而減弱，N2O排放量降低趨于平穩(wěn)。

降雨量也是影響小麥田N2O排放的重要因子之一，對(duì)通量排放的貢獻(xiàn)率約為21%。隨著降雨量增加(圖6E)，N2O通量整體呈現(xiàn)波動(dòng)式的上升，少量降雨(<4 mm)就會(huì)刺激N2O日排放量，這種增加趨勢(shì)明顯高于日降雨量較高(>10 mm)的時(shí)期。而施氮量對(duì)N2O排放的貢獻(xiàn)率最小可能是由于本研究中僅有3個(gè)施氮量水平所造成的數(shù)據(jù)的限制(圖6F)。

圖6 不同的解釋因子(降雨量、距上次降雨日差、施肥量、距上次施肥日差、降雨施肥日差)與小麥田N2O排放的關(guān)系及其重要程度排序

綜合考慮降雨和施肥的交互影響，兩個(gè)事件發(fā)生的先后順序通過(guò)相差的天數(shù)來(lái)描述(圖6C)，橫坐標(biāo)為負(fù)值表示降雨在前施肥在后，可能是受到降雨的刺激，這種情況下通量的變化呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律波動(dòng)；而當(dāng)先施肥后降雨時(shí)(橫坐標(biāo)為正值)，隨著日差的增加，土壤N2O通量呈現(xiàn)先增加后降低直至趨于平穩(wěn)的波動(dòng)趨勢(shì)。即在日差8 d的階段內(nèi)，施肥以后降雨發(fā)生的越晚，小麥田N2O釋放量越大；在日差超過(guò)8 d后，隨著施肥和降雨相差的時(shí)間越長(zhǎng)，觀測(cè)到的N2O通量越低。降雨施肥日差這一因子的貢獻(xiàn)率僅次于距上一次降雨的日差。

3 討論

3.1 小麥田N2O排放特征

本文研究了2014—2015年上海市崇明島冬小麥完整生長(zhǎng)季N2O排放情況，研究期內(nèi)N2O日平均通量為27.6 μg/(m2·h) ± 28.2 μg/(m2·h)。這低于Cui等[12]報(bào)道的位于中國(guó)山東的冬小麥實(shí)驗(yàn)田平均通量(49 μg/(m2·h))，而高于Shi等[34]報(bào)道的小麥田的平均通量(7.5 μg/(m2·h))。這可能是受到施肥種類(lèi)以及施肥量的影響。本研究小麥田的N2O通量遠(yuǎn)低于鄰近地區(qū)的菜田[10]以及玉米田[28]。有研究顯示N2O的排放主要取決于以下因子：降雨、施肥、耕作、作物種類(lèi)以及土壤因子，同時(shí)不同觀測(cè)儀器也顯示出明顯差異[26,28]。大部分觀測(cè)發(fā)現(xiàn)農(nóng)田N2O的排放沒(méi)有明顯的季節(jié)變化[24, 28, 44]，主要以脈沖的形式釋放，這與本研究結(jié)果一致。本研究中降雨觸發(fā)的脈沖占N2O總排放量的比例高達(dá)29.4%，施肥的貢獻(xiàn)達(dá)19.2%，其中由“水肥”組合帶來(lái)的排放占比為15.2%，同時(shí)“水肥”組合引發(fā)的脈沖次數(shù)占所有脈沖事件的42.3%。有報(bào)道稱(chēng)在荷蘭泥炭地奶牛場(chǎng)連續(xù)3個(gè)月的測(cè)量中，降雨觸發(fā)的脈沖占總排放量的40%[45]。Scanlon和Kiely[46]在連續(xù)8個(gè)月的渦度協(xié)方差方法的通量監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中，記錄了3個(gè)主要的脈沖峰，這3個(gè)事件的發(fā)生時(shí)間總和共16 d(占總監(jiān)測(cè)時(shí)間的6.6%)，但是其對(duì)累計(jì)通量的貢獻(xiàn)高達(dá)51%，高于本研究脈沖的貢獻(xiàn)38.5%。一些研究報(bào)道N2O通量隨著溫度的升高而增加，通常遵循Arrhenius函數(shù)[47-48]。然而在本研究中溫度和N2O排放不存在非線(xiàn)性關(guān)系。

3.2 降雨與小麥田N2O排放

土壤水分是影響溫室氣體產(chǎn)生與排放的重要因素之一，它不僅是土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸載體，而且可以通過(guò)改變土壤通氣性等因素影響土壤生物地球化學(xué)過(guò)程[44]。本研究發(fā)現(xiàn)在月尺度上，降雨量與N2O通量通量呈線(xiàn)性相關(guān)；在日尺度上，降雨當(dāng)日小麥田N2O通量的增幅最大，而隨著時(shí)間增加，降雨的促進(jìn)作用快速減弱；小時(shí)尺度上的分析發(fā)現(xiàn)，降雨事件發(fā)生后(包括降雨當(dāng)日以及雨后1 d)，在4個(gè)階段都觀察到了N2O脈沖峰。由此可見(jiàn)，降雨對(duì)N2O排放有明顯的促進(jìn)作用，且土壤釋放的N2O對(duì)降雨事件的響應(yīng)比較迅速(主要集中在雨后的幾小時(shí)內(nèi))，同時(shí)降雨的影響能持續(xù)1 ~ 2 d。許多研究都發(fā)現(xiàn)，降雨后N2O排放量增加。徐文彬等[49]針對(duì)貴州省旱田的研究表明，降雨量>5 mm的降雨事件與土壤出現(xiàn)N2O脈沖峰間的耦合關(guān)系達(dá)100%，因此降雨事件與N2O排放峰間存在明顯的驅(qū)動(dòng)-響應(yīng)關(guān)系，這可以解釋本研究中距上次降雨日差這一解釋因子對(duì)小麥田N2O排放貢獻(xiàn)率最大的原因。Vidon等[50]用箱式法在模擬降雨的試驗(yàn)中觀測(cè)到，雨后5 ~ 24 h內(nèi)土壤N2O排放明顯增加，但隨著土壤濕度恢復(fù)到降雨前的水平，土壤N2O排放降低甚至變?yōu)樨?fù)值。由于小麥田生長(zhǎng)季中無(wú)灌溉，降雨直接改變小麥田土壤的水分狀況，從而直接或間接地影響微生物的硝化反硝化過(guò)程。

在小麥生長(zhǎng)季的不同階段，N2O脈沖峰對(duì)降雨有不同的響應(yīng)，同時(shí)脈沖峰的大小和持續(xù)的時(shí)間還受到溫度、土壤養(yǎng)分供應(yīng)等其他因子的交互影響。本研究在降雨當(dāng)日以及降雨后1 d都觀測(cè)到了脈沖峰。土壤的干濕交替為硝化反硝化作用的交替進(jìn)行創(chuàng)造了環(huán)境，許多文獻(xiàn)也報(bào)道了干旱土壤潤(rùn)濕后觸發(fā)N2O脈沖的現(xiàn)象[51-53]。而本研究在第3、第4階段降雨后1 d N2O通量變化中沒(méi)有觀測(cè)到脈沖峰，這可能和底物的消耗有關(guān)。類(lèi)似的現(xiàn)象在土壤CO2通量觀測(cè)中被報(bào)道，連續(xù)的干濕交替常常表現(xiàn)出減少CO2排放的脈沖幅度[54]。歐陽(yáng)揚(yáng)和李敘勇[55]等也報(bào)道，隨著干濕交替頻率降低，再濕潤(rùn)階段的通量釋放速率增大，多次的干濕交替后，最后一次再潤(rùn)濕階段N2O通量的激發(fā)強(qiáng)度明顯減弱。降雨量大、頻率高有利于土壤嚴(yán)格厭氧條件的迅速形成，這可能是第3、4階段未觀測(cè)到明顯脈沖的原因。降雨當(dāng)日的N2O排放(圖4)在第1、3、4階段均出現(xiàn)明顯的脈沖峰，峰值占一天釋放量的比例高達(dá)54.1%(第4階段)。Wu等[44]的研究發(fā)現(xiàn)，凍融事件帶來(lái)的脈沖甚至占據(jù)全年排放量的73.3%。Molodovskaya等[24]觀測(cè)了2006—2009年的苜蓿-玉米輪作田N2O排放，發(fā)現(xiàn)N2O背景通量普遍低于6.5 mg/(m2·h)，但降雨、凍融等觸發(fā)的脈沖達(dá)39.7 mg/(m2·h)，對(duì)N2O總凈排放量貢獻(xiàn)了71% ~ 102%。由此可見(jiàn)，脈沖是N2O主要的排放形式，對(duì)通量日排放甚至年總排放量的貢獻(xiàn)不容忽視。雖然本研究第3階段時(shí)降雨量和施肥量最大，但最高的脈沖峰出現(xiàn)在第4階段，達(dá)553.49 kg/(m2·h)，這可能與溫度有關(guān)。

3.3 施肥與小麥田N2O排放

大量研究表明，施用氮肥增加土壤氮素含量，為微生物的硝化、反硝化過(guò)程提供豐富的NO– 3、NH4+，從而明顯促進(jìn)土壤N2O排放[29,56]。Zhang等[31]在對(duì)菜地基肥或追肥后一周內(nèi)觀察到強(qiáng)烈的N2O排放峰，而在本研究中施肥的影響也存在時(shí)滯，氮肥的添加對(duì)小麥田N2O排放的促進(jìn)作用在施肥后一周左右表現(xiàn)出來(lái)，且距上次施肥日差是影響小麥田N2O排放的重要因子之一。許多研究者在農(nóng)田中的研究發(fā)現(xiàn)，施肥會(huì)增加硝化和反硝化作用速率，從而促進(jìn)土壤N2O排放；施氮的影響可以持續(xù)幾天至幾周不等，當(dāng)反應(yīng)底物逐漸消耗，N2O排放恢復(fù)[28, 57]。關(guān)于施肥量與N2O排放的關(guān)系，一些文獻(xiàn)綜述了近年來(lái)在不同地區(qū)的野外研究，得出較為一致的結(jié)論[15, 58]，即隨著施氮量的增加，土壤N2O排放呈線(xiàn)性增加的趨勢(shì)。本研究中，由于施肥次數(shù)有限且連續(xù)兩次施肥活動(dòng)間隔短，為避免多次施肥的疊加影響，本文未能對(duì)施肥的持續(xù)影響時(shí)間做進(jìn)一步分析。同時(shí)可能由于數(shù)據(jù)量的限制，本研究中施氮量這一N2O通量變化的解釋因子的貢獻(xiàn)率最低(圖6F)。

本研究在小麥的不同生長(zhǎng)階段施用尿素或者復(fù)混肥。作為硝化和反硝化作用的底物，可利用性無(wú)機(jī)氮素是刺激土壤N2O排放的關(guān)鍵因素。無(wú)機(jī)氮的添加對(duì)N2O通量的影響已經(jīng)被廣泛的研究和綜述[2, 29, 59]。尿素為硝化作用提供底物，并且硝化產(chǎn)物NO– 3又可以作為反硝化作用的底物。因此，小麥田N2O可以通過(guò)硝化過(guò)程或隨后的反硝化過(guò)程從尿素中產(chǎn)生。本研究施用的復(fù)混肥中含有一定量的有機(jī)肥?？紤]到有機(jī)氮肥的成分組成，向土壤中添加有機(jī)氮肥可以通過(guò)提供必要的碳底物來(lái)驅(qū)動(dòng)微生物硝化和反硝化過(guò)程，從而增加N2O的排放[60]。事實(shí)上，關(guān)于施用無(wú)機(jī)氮肥或有機(jī)氮肥對(duì)N2O排放的影響目前還沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。目前一篇綜述分析發(fā)現(xiàn)兩種土壤管理方法下的N2O排放沒(méi)有顯著的差異[57]。但針對(duì)美國(guó)中西部玉米田的分析發(fā)現(xiàn)，施用糞肥比施用有機(jī)氮肥的土壤釋放出更多的N2O[61]。然而，這些作者也指出，一些研究中有機(jī)氮肥的施用速率比無(wú)機(jī)氮肥高，可能因此導(dǎo)致施用有機(jī)肥的土壤中N2O釋放量更大。

3.4 降雨和施肥的交互影響

施用有機(jī)和無(wú)機(jī)氮肥主要影響如下因素：土壤有機(jī)碳、結(jié)構(gòu)、水分、pH、氮素水平，而降雨會(huì)在短期內(nèi)顯著改變土壤孔隙水、pH、無(wú)機(jī)氮濃度等。N2O排放的微生物過(guò)程會(huì)受到多個(gè)因子的交互作用影響[62]，對(duì)于旱作農(nóng)田，降雨和施肥活動(dòng)是影響N2O排放的兩個(gè)關(guān)鍵因素。氮素添加為土壤提供豐富的硝化反硝化作用底物，施肥后降雨事件的發(fā)生很有可能觸發(fā)小麥田N2O排放的脈沖，并且二者的疊加影響激發(fā)更大的排放。類(lèi)似的現(xiàn)象在玉米田的研究中被報(bào)道：該研究中，第1次施肥后沒(méi)有降雨，土壤N2O通量未檢測(cè)到明顯變化，而第2次施肥后立刻發(fā)生3.02 mm的降水事件，明顯的通量脈沖被觀測(cè)到，且這種較高的排放在降雨后持續(xù)了3 ~ 4 d[28]。這與本研究的結(jié)論一致。氮素添加通過(guò)刺激微生物的硝化和反硝化過(guò)程，增加土壤中的無(wú)機(jī)氮含量，可能導(dǎo)致大量的NO– 3積累在土壤中。通過(guò)反硝化產(chǎn)生的N2O/N2比例隨土壤NO– 3含量的增加而增加[63]，從而促進(jìn)N2O排放。因此前期的施肥為微生物提供了豐富的底物，隨后降水事件引發(fā)的水分條件的瞬時(shí)改變可能會(huì)持續(xù)短期(或幾天)，在這個(gè)階段中土壤厭氧條件占主導(dǎo)地位，反硝化速率顯著增加從而促進(jìn)N2O排放[64]。其他研究指出，也可能是降雨后土壤孔隙中充滿(mǎn)水而排出高濃度氣體，N2O排放量增大[65]，本研究可能發(fā)生了相同的機(jī)制。在本研究中，施肥事件對(duì)小麥田N2O釋放的促進(jìn)作用在施肥后第5天表現(xiàn)出來(lái)，而降雨事件對(duì)通量排放的影響通常是短時(shí)的(1 ~ 2 d)，但綜合考慮施肥和降雨的組合，在施肥后1 ~ 8 d內(nèi)降雨，對(duì)通量排放均有明顯的促進(jìn)作用，可見(jiàn)這兩個(gè)因素對(duì)土壤N2O排放的疊加影響會(huì)增強(qiáng)降雨和施肥事件對(duì)農(nóng)田N2O排放的貢獻(xiàn)。這可能是降雨施肥日差這一解釋因子的重要性?xún)H次于距上次降雨日差的原因。而隨著施肥和降雨事件的間隔越久，超過(guò)8 d后施肥和降雨的疊加影響減弱，這可能是由于底物的消耗。因此，施肥和降雨事件的日差作為一個(gè)影響農(nóng)田N2O排放的因子不應(yīng)該被忽視。

土壤系統(tǒng)中各個(gè)因子交互作用，控制著氮循環(huán)過(guò)程。土壤質(zhì)地、凍融、降水事件和溫度均顯著影響N2O的排放，但這些因素很難輕易地通過(guò)人工管理來(lái)控制[30]。其他影響N2O排放并且可以通過(guò)田間管理控制的因子包括：土壤有機(jī)碳含量、硝酸鹽及銨鹽的含量、氮肥施用量及種類(lèi)和施用方式、土壤氧氣含量、微生物豐度和活性、土壤pH、土壤水分以及作物種類(lèi)。氮肥的應(yīng)用以及降雨事件會(huì)影響到上述許多因素[60]，各因子的交互作用影響N2O排放的相對(duì)變化(例如，土壤水分的變化會(huì)影響微生物活性，同時(shí)無(wú)機(jī)氮含量也會(huì)受到影響)[66-67]。土壤水分能夠直接調(diào)節(jié)土壤微生物的氧氣可利用性，是N2O排放的主要驅(qū)動(dòng)力[15]。排水受限的土壤，即使土壤水分不完全飽和，也更容易排放較多N2O。例如，細(xì)紋理土壤通常含水量較大同時(shí)排放較多的N2O[57]，因此可以通過(guò)修復(fù)或改變土壤的結(jié)構(gòu)，增加土壤通氣性從而降低N2O排放。已有研究證明增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性可以在細(xì)紋理土壤團(tuán)聚體之間產(chǎn)生較大的土壤孔隙，從而增加土壤的氧氣含量減少N2O排放[68-69]。相比施用無(wú)機(jī)肥，施用有機(jī)肥的土壤傾向于具有更大的團(tuán)聚體穩(wěn)定性[70]，因此有機(jī)肥一定程度上可以減少N2O排放，尤其對(duì)于細(xì)紋理土壤。但同時(shí)土壤孔隙中的氧氣含量是由土壤水分以及微生物活性決定的，所以施加微生物呼吸較高的有機(jī)氮肥可能會(huì)降低土壤氧氣含量并增加N2O排放量。這些物理和生物過(guò)程相互作用影響土壤水分和氮素含量?？紤]到施肥和降雨對(duì)N2O排放的綜合影響較為復(fù)雜且往往觸發(fā)的脈沖較大，在許多野外研究中可能會(huì)被錯(cuò)失[28]，因此針對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)還需要進(jìn)一步探索。

4 結(jié)論

本研究使用渦度協(xié)方差方法觀測(cè)了2014—2015年冬小麥N2O通量，發(fā)現(xiàn)小麥田N2O排放沒(méi)有明顯的季節(jié)變化模式，主要以脈沖的形式釋放。相比于溫度，降雨和施肥是引發(fā)小麥田N2O脈沖的主要因子。降雨觸發(fā)的脈沖占N2O總排放量的比例高達(dá)29.4%，施肥的貢獻(xiàn)比例達(dá)19.2%，其中由“水肥”組合帶來(lái)的排放占比為15.2%，同時(shí)“水肥”組合引發(fā)的脈沖次數(shù)占所有脈沖事件的42.3%。施肥對(duì)小麥田N2O排放的促進(jìn)作用在施肥后一周左右表現(xiàn)出來(lái)，雖然通量對(duì)施肥活動(dòng)的響應(yīng)存在時(shí)滯，但是距離上次施肥日差這一解釋因子的貢獻(xiàn)率為24.8%，是影響小麥田N2O排放的重要因子。降雨對(duì)小麥田N2O排放有明顯的促進(jìn)作用，且N2O排放對(duì)降雨事件的響應(yīng)比較迅速(主要集中在雨后的幾小時(shí)內(nèi))，同時(shí)降雨的影響能持續(xù)1 ~ 2 d。對(duì)于小麥田來(lái)說(shuō)，降雨觸發(fā)的N2O脈沖對(duì)日通量排放的貢獻(xiàn)高達(dá)54.1%。因此，距離上一次降雨日差這一因子的貢獻(xiàn)率最大。綜合考慮施肥和降雨的交互影響，在施肥后1 ~ 8 d內(nèi)發(fā)生的降水事件，對(duì)于小麥田N2O的釋放都有明顯的促進(jìn)作用，因此施肥降雨日差這一解釋因子的重要程度不容忽視。對(duì)于小麥田等旱田來(lái)說(shuō)，降雨是影響大而又無(wú)法人為控制的因素。因此為減少N2O排放同時(shí)保證肥料施用的效果，更重要的途徑在于控制施肥的時(shí)機(jī)和種類(lèi)等。雨后施用尿素更容易促進(jìn)水解，從而促進(jìn)N2O產(chǎn)生，因此可以考慮降雨前有機(jī)和無(wú)機(jī)肥的綜合施用，保障農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)降低農(nóng)田N2O的排放。

致謝：感謝復(fù)旦大學(xué)肖向明教授、李香萍老師等的指導(dǎo)，感謝復(fù)旦大學(xué)王瑩冰、辛鳳飛的幫助。

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Effects of Precipitation and Fertilization on N2O Discharge from Wheat Field in Chongming Island, Shanghai Estimated by Eddy Covariance Technology

ZHANG Mengshan1, GUO Haiqiang1, MA Jun1, LI Hong1, DAI Shengqi1, GU Kaihua2*, GAO Wei3, ZHAO Bin1

(1 Ministry of Education Key Laboratory for Biodiversity Science and Ecological Engineering, Institute of Biodiversity Science, Fudan University, Shanghai Chongming Dongtan Wetland Ecosystem Research Station, Shanghai 200438, China; 2 Shanghai Meteorological Service, Shanghai 202150, China; 3 Yangtze River Delta Center for Environmental Meteorology Prediction and Warning, Shanghai 200030, China)

As a major source of N2O emissions, cropland has been researched more, with precipitation and fertilization being considered as the natural and anthropogenic key factors that affecting N2O emissions in wheat fields, respectively. Given the low sampling frequency, most previous studies using the static chamber method may underestimate N2O emissions. Meanwhile, the potential interaction effect of precipitation and fertilization on cropland N2O emissions have been neglected. In this study, we reported the dynamics of N2O emissions and investigated the effects of precipitation and fertilization on N2O emission from wheat fields at different time scales based on the eddy covariance observation. Meanwhile, the Boosted Regression Trees method was adopted to quantify the precipitation and fertilization-related factors. The results showed that there were no obvious seasonal and diurnal variation patterns of N2O flux in wheat fields. The average daily N2O emission was N2O-N 666.5±669.4 μg/(m2·d) in this study, which was mainly released as a pulse. The ratios of precipitation and fertilization-induced pulses to total N2O emissions in wheat fields were 29.4% and 19.2%, respectively. Precipitation increased N2O emissions, and which responded rapidly to the precipitation events (mainly within a few hours after the precipitation). Meanwhile, the precipitation promotion could last 1–2 days. Fertilization also increased N2O emissions, but existed a one-week lag. Considering the interactive effects of precipitation and fertilization, precipitation events occurring within 1–8 days after fertilization significantly promoted the emission of N2O. Therefore, the interaction of precipitation and fertilization should not be neglected.

N2O emission; Precipitation; Fertilization; Eddy covariance

上海市科委科研項(xiàng)目(16ZR1431700)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91637101)、中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(KLAS201406)和上海市科委崇明專(zhuān)項(xiàng)(15dz1208105)資助。

309177874@qq.com)

張夢(mèng)珊(1993—)，女，江蘇徐州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿蜃兓鷳B(tài)學(xué)。E-mail：mszhang0120@163.com

Q14

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.05.013