施氮量對砂姜黑土小麥?玉米輪作體系N2O排放的影響*

呂金嶺,高燕哺,李太魁,孔海江,張金平,寇長林**

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所/河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室 鄭州 450002;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部原陽農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實驗站 新鄉(xiāng) 453500;3.河南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 鄭州 450046;4.中國氣象局-河南省農(nóng)業(yè)氣象保障重點實驗室 鄭州 450003;5.新鄉(xiāng)市氣象局 新鄉(xiāng) 453003)

IPCC 指出N2O 氣體是全球增溫的三大溫室氣體之一[1]。而大量的研究證明,農(nóng)田是N2O 氣體的主要排放源,其排放量已經(jīng)占到世界N2O 總排放的60%[2]。中國農(nóng)田N2O排放量已經(jīng)占到中國N2O排放總量的79.8%,顯著高于世界平均水平[3-4]。所以,如何降低農(nóng)田土壤N2O排放是當(dāng)前中國農(nóng)業(yè)應(yīng)對全球氣候變化亟待解決的問題之一[5]。然而導(dǎo)致農(nóng)田土壤N2O排放的因素很多[6-7],除了一些關(guān)鍵的環(huán)境因子和施肥方式之外,土壤質(zhì)地、剖面結(jié)構(gòu)和理化性狀對N2O 的排放也產(chǎn)生重要的影響[8-9]。所以,針對一些具有典型地域特征土壤N2O 氣體的定量測定,對于未來農(nóng)田溫室氣體的精確評估有著積極的作用[10]。

砂姜黑土廣泛分布在我國黃淮海平原、長江中下游等地,總面積約371 萬hm2,是我國最主要的中低產(chǎn)土壤之一[11]。以往的研究發(fā)現(xiàn),多發(fā)性障礙因子的存在導(dǎo)致砂姜黑土肥料氮去向不明[12]。例如,相關(guān)研究顯示砂姜黑土的氨揮發(fā)量較低[13],銨態(tài)氮與硝態(tài)氮(Nmin)淋溶損失及土壤剖面積累不高[14],小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)帶走的氮素量并不顯著高于其他土壤[15],所以砂姜黑土極可能存在其他顯著的氮素?fù)p失過程。同時,由于砂姜黑土耕層以下存在水氮難以逾越的障礙層,導(dǎo)致氮素易在表層累積,而黏土含量高易產(chǎn)生多發(fā)性裂隙[16],這些特點是否導(dǎo)致砂姜黑土有高的N2O排放還并不清楚。以往關(guān)于砂姜黑土農(nóng)田N2O排放的研究主要集中在砂姜黑土硝化與反硝化反應(yīng)的培養(yǎng)試驗,而其結(jié)果顯示砂姜黑土的N2O排放量并不顯著高于其他土壤類型[16-17]。但這個結(jié)果不能代表砂姜黑土農(nóng)田N2O真實排放值,因為培養(yǎng)條件下忽略了砂姜黑土農(nóng)田所處的環(huán)境條件,改變了阻隔水氮下移的砂姜層,同時人為培養(yǎng)試驗難以準(zhǔn)確模擬砂姜黑土田間條件下易產(chǎn)生多發(fā)性裂隙這一特點。所以,砂姜黑土小麥玉米輪作季N2O排放量如何,存在哪些獨特的排放特征需要深入研究。

基于此,本研究以豫南典型砂姜黑土小麥-玉米輪作為研究對象,設(shè)置不同施氮量,利用靜態(tài)箱/氣相色譜法探究砂姜黑土N2O排放通量及季節(jié)性變化特征及關(guān)鍵影響因子,為未來砂姜黑土氮素的高效利用以及N2O 的合理減排提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于河南省原陽縣祝樓鄉(xiāng)的農(nóng)業(yè)部原陽農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實驗站(113°42'57"N,35°5'56"E),該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫為14.4 ℃,多年平均降水量為549.9 mm,降雨主要集中在6、7、8月份,約占全年降雨的60%,無霜期210～220 d,全年日照時數(shù)2300～2600 h。小麥-玉米輪作為該地區(qū)的主要種植模式。供試土壤為典型脫潛育化砂姜黑土(耕層已經(jīng)熟化)。其耕層20 cm土壤主要理化性質(zhì)如下:土壤pH 為6.8,呈弱酸偏中性,土壤含全氮0.87 g·kg?1、全磷0.45 g·kg?1、有機質(zhì)15.98 g·kg?1、銨態(tài)氮0.17 mg·kg?1、硝態(tài)氮7.15 mg·kg?1、交換性鈣4.02 g·kg?1、交換性鉀136.90 mg·kg?1、交換性鎂406.45 mg·kg?1、速效磷22.80 mg·kg?1、可溶性碳0.13 g·kg?1和微生物碳99.0 mg·kg?1。N2O 氣體采集期間平均溫度及降雨量如圖1所示。

1.2 試驗設(shè)置

試驗開始于2019年10月初,劃分小區(qū)并設(shè)置4個施氮量處理,分別為不施肥(CK)、傳統(tǒng)施肥(TR)、優(yōu)化施肥(OPT)和再優(yōu)化施肥(ZOPT)。小區(qū)面積為9 m2,每個處理3 個重復(fù),小區(qū)隨機區(qū)組排列;試驗各小區(qū)均間隔1 m,并用高10 cm 的土埂圍起,防止降雨或者灌溉過程中的水氮交互污染。試驗處理中所用肥料為尿素(含氮46.7%)、過磷酸鈣(12%P2O5)和氯化鉀(60% K2O)。氮按照傳統(tǒng)施用量250 kg·hm?2進行施用,磷和鉀都按照90 kg·hm?2進行施用,OPT 和ZOPT 分別在傳統(tǒng)施氮的基礎(chǔ)上減少30 kg(N)·hm?2和60 kg(N)·hm?2,磷、鉀肥施用量各處理相同(CK 除外)?；势诘厥┯昧空伎偭康?0%,追肥期氮素施用量占總量40%,磷鉀肥均一次性底施,小麥季和玉米季的施用量相同(表1)。為了與大田施肥方式一致,玉米基肥期采取模擬麥茬間種肥同播(不同行)的方式,播種深度為5 cm,施肥深度大致為10 cm,追肥期為撒施后灌溉;小麥基肥期采取撒施后人工翻耕的方式,追肥期同樣采取撒施灌溉方式。玉米季選用‘德單40’作為試驗品種,播種施肥日期為6月25日,按照行距60 cm、密度67 500株·hm?2播種,追肥期在8月2日(大喇叭口期),收獲期為9月30日。小麥季選用‘周麥32’為試驗對象,播種前將前茬玉米收獲后粉碎平鋪于地表,并進行人工翻耕和耙地,保持地面平整,于10月22日播種施肥,播種量為每公頃187.5 kg;追肥期在2021年2月26日,小麥于6月1日收獲。試驗開展期間,根據(jù)病蟲草害發(fā)生情況做好除草及病蟲草害的防治工作。

表1 砂姜黑土小麥-玉米輪作農(nóng)田不同施肥處理的施肥量Table 1 Fertilization rates of different fertilization treatments of wheat and corn rotation cropland in lime concretion black soil kg·hm?2

1.3 N2O 氣體排放試驗

小麥基肥(2019年10月)開展N2O排放預(yù)試驗,并調(diào)整試驗裝置和采集方法,于2020年2月中下旬(小麥追肥期)正式開始N2O 氣體排放試驗,試驗截至2021年5月,共1年半時間。N2O 氣體采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法采集并分析。每個處理設(shè)置3 個氣體采樣箱,長寬依據(jù)小麥、玉米行間距設(shè)置,以確保代表整個田塊。采樣箱由地上和地下(箱體和底座)兩部分構(gòu)成,為不銹鋼裝置,箱體大小為30 cm×40 cm×50 cm,箱體四周用3 cm 厚的塑料泡沫包裹,并在表層附錫箔紙,以防止太陽輻射造成的內(nèi)外過高的溫度差異(圖2)。為了保障收集氣體的均勻性,試驗箱內(nèi)抽氣管采取螺旋式結(jié)構(gòu),螺旋至箱體中間,并將中間位置的銅管挖5 個均勻采氣小孔,以均勻獲取箱內(nèi)氣體。下部底座設(shè)置5 cm 高洼槽,添水后用于密封采樣箱。氣體采集頻率不等,對于施肥、灌溉期,采取每周3～5 次采集頻率,對于其他時期,采取每周1～2 次的采集頻度,冬季采取2～3 周采集一次氣體。氣體采集時間為每天9:00?11:00。采樣前,貯備好一次性注射器、采氣袋,并預(yù)先將底座水槽注入適量的水;試驗開始后,將頂箱罩放置在已預(yù)先安好的地箱基座上,利用注射器采集箱內(nèi)氣體,在0 min、15 min、30 min、45 min 時間內(nèi)取氣體樣品,每次抽取氣體量為50～60 mL,并注入鋁制密封袋中,低溫保存,2～3 d 內(nèi)測試完畢。同時記錄采樣時間和箱內(nèi)溫度,5 cm、10 cm 和20 cm 土壤溫度。N2O 濃度由安捷倫(Agilent)7890 氣相色譜分析儀進行分析。

1.4 樣品采集與測定

土壤樣品采集:分別于小麥和玉米播種前采集耕層(0～20 cm)土樣,風(fēng)干過篩后,分析測定pH、有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量。其中pH 采用1∶2.5 的土水比制備土壤懸液,電位計法測定;土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用2.0 mol·L?1的氯化鉀溶液浸提,振蕩過濾后用流動注射分析儀(Seal AA3)分析測定;土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷、交換性鉀及其他指標(biāo)均采用傳統(tǒng)農(nóng)化分析方法測定,具體方法見鮑士旦的《土壤農(nóng)化分析法》[18]。除此之外,N2O 氣體收集時,同時采集0～20 cm 的土樣,測定含水率、銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量,用于后期相關(guān)性的建立。

植株樣品采集:小麥和玉米收獲后,按照常規(guī)測產(chǎn)方法測定作物產(chǎn)量和地上部生物量,同時烘干部分秸稈和籽粒,粉碎后用于分析小麥和玉米籽粒與秸稈重的全氮含量;小麥采集1 樣行,玉米采集10 株,進行常規(guī)烤種處理。田間安裝自動土壤監(jiān)測站(SP 000 數(shù)據(jù)采集器和5TE 三參數(shù)探頭),實時監(jiān)測土壤體積含水率、電導(dǎo)率和溫度動態(tài)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

靜態(tài)箱-氣相色譜法主要涉及氣體交換通量估算和累積排放量估算。

氣體交換通量(F):采集后的氣體通過氣相色譜法測定后,依據(jù)峰面積與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度數(shù)值對比,然后計算獲得。

箱體內(nèi)所測樣品的N2O 濃度采用以下公式計算:

式中:F為測定氣體的交換通量(μg·m?2·h?1),ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O 氣體密度(1.977 g·L?1),H為氣室高度(m),Δc為Δt時間內(nèi)箱內(nèi)氣體質(zhì)量和混合比濃度的變化,Δc/Δt為箱內(nèi)氣體濃度變化(μg·h?1),T為采樣箱內(nèi)平均溫度(℃)。F為負(fù)值時表示吸收,為正值時表示排放。

生育期累積排放量(C):

式中:C為氣體累積排放量(kg·hm?2),F為N2O 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)。0.01 為轉(zhuǎn)換系數(shù),可以將單位mg·m?2·h?1轉(zhuǎn)換為kg·hm?2。

所有圖片繪制采用Origin 2018 軟件,數(shù)據(jù)計算和統(tǒng)計分析采用SPSS 19 和Microsoft excel 2017。

2 結(jié)果與分析

2.1 砂姜黑土農(nóng)田耕層土壤含水量、電導(dǎo)率及地表溫度動態(tài)變化特征

砂姜黑土耕層(0～20 cm)土壤容積含水量為0.24～0.34 m3·m?3,其中20 cm 處的含水量整體高于5 cm 和10 cm 處,且變化幅度更小,說明砂姜黑土地下層土壤可能有較好的保水性能。自2020年1月到7月底,不同深度土壤的溫度變化呈明顯上升趨勢,之后開始下降,到1月初溫度達最低值,之后溫度開始緩慢回升。值得注意的是,不同深度的土壤電導(dǎo)率差別明顯,尤其5 cm 和10 cm 處的電導(dǎo)率自2020年1月份開始明顯下降,后期逐漸呈現(xiàn)較低值,并處于穩(wěn)定狀態(tài);而20 cm 處在8月之后的電導(dǎo)率基本呈上升趨勢,10月份達最高值,之后緩慢下降。6月之前20 cm 土壤的電導(dǎo)率小于5 cm 和10 cm,而6月份之后20 cm 電導(dǎo)率為0.1～0.4 dS·m?1(圖3),明顯高于其他兩層,這可能與硝酸鹽在20 cm 深度土壤積累有關(guān)。

2.2 砂姜黑土小麥玉米輪作體系N2O排放損失動態(tài)特征

砂姜黑土N2O排放試驗開始于2020年2月中旬,恰好為小麥追肥期,此時N2O排放呈明顯增加趨勢,后迅速下降;6月份玉米季兩次施肥期的N2O排放出現(xiàn)兩個峰值,并在施肥后持續(xù)10 d 左右,后迅速降低;小麥季同樣出現(xiàn)兩次明顯峰值,同樣在施肥一周后顯著降低,這與施肥后銨態(tài)氮或者硝酸鹽的急劇升高有密切關(guān)系。對比兩季作物兩次施肥期的排放峰值,發(fā)現(xiàn)無論小麥季還是玉米季追肥期的N2O排放量均顯著高于基肥期,尤其小麥追肥期的N2O排放峰值為142～193 μg(N)·hm?2,高于小麥基肥期的55～94 μg(N)·hm?2,說明當(dāng)前施肥方式下追肥期是砂姜黑土N2O 的高排時期;對比小麥玉米兩季N2O排放峰值,結(jié)果發(fā)現(xiàn)小麥季的N2O排放峰值高于玉米季(圖4),說明小麥季是砂姜黑土小麥玉米輪作體系的高排期;對比不同施肥處理的排放峰值,發(fā)現(xiàn)TR處理5 次施肥的峰值均高于其他處理,其最高峰值達193 μg(N)·hm?2,顯著高于其他處理,其次為OPT處理,ZOPT 處理的峰值相對降低。

2.3 砂姜黑土小麥-玉米輪作體系N2O 累積排放量

通過對小麥季和玉米季N2O 平均排放通量和累積排放量的估算(表2),發(fā)現(xiàn)施氮處理玉米季的N2O平均排放通量為14.42～24.45 μg(N)·m?2·h?1,而小麥季N2O 平均排放通量為14.17～21.55 μg(N)·m?2·h?1,玉米季略高于小麥季。與N2O 平均排放通量不同,小麥季N2O 的累積量為0.82～1.24 kg(N)·hm?2,而玉米季N2O 的累積量為0.42～0.71 kg(N)·hm?2,小麥季顯著高于玉米季(P<0.05),進一步說明小麥季是砂姜黑土小麥-玉米輪作體系的主要排放期。綜合小麥-玉米輪作體系N2O排放通量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同施氮處理的N2O 平均排放通量為14.30～19.56 μg(N)·m?2·h?1,累積排放量為1.23～1.96 kg(N)·hm?2·a?1。對比不同施氮處理的N2O 平均排放通量和累積排放量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同處理差異顯著(P<0.05),無論小麥季還是玉米季,TR 處理的N2O 平均排放均顯著高于其他處理(P<0.05),而ZOPT 處理的數(shù)值最低(除CK 外)。

表2 砂姜黑土小麥-玉米輪作的N2O 平均排放通量及累積排放量Table 2 Average fluxes and cumulative emissions of N2O in wheat and corn rotation system under different fertilization treatments

2.4 土壤礦質(zhì)氮動態(tài)變化特征以及關(guān)鍵因素與N2O排放的響應(yīng)關(guān)系

土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮(Nmin)是決定農(nóng)田土壤N2O排放的最關(guān)鍵因素,采集氣體同時采集土壤樣品,并分析Nmin。結(jié)果發(fā)現(xiàn),Nmin 峰值均出現(xiàn)在施肥后的3 周內(nèi),與不同時期的N2O 峰值相吻合(圖5);建立Nmin、不同層土壤溫度、土壤含水量與N2O排放的多元線性相關(guān)關(guān)系(表3),結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有處理土壤銨態(tài)氮含量與N2O排放無明顯的相關(guān)關(guān)系,其R2為0.033～0.278;而硝態(tài)氮含量與N2O排放均呈顯著或極顯著相關(guān)性,其中CK 處理顯示顯著相關(guān)性(P<0.05),玉米季和小麥季R2分別為0.421 和0.373;其余處理兩季均表現(xiàn)極顯著相關(guān)(P<0.01),R2為0.652～0.903。對比不同土層溫度與N2O 的相關(guān)性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)CK 處理N2O排放與玉米季的5 cm 和10 cm土壤溫度(T5cm和T10cm)和小麥季的20 cm 土壤溫度(T20cm)均表現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05),而與其他處理未表現(xiàn)出明顯的多元線性相關(guān)。與土壤溫度結(jié)果類似,CK 處理N2O排放與玉米季的5～10 cm 土壤體積含水量(V10cm)、小麥季的0～5 cm 和5～10 cm 土壤體積含水量(V5cm和V10cm)均表現(xiàn)顯著的相關(guān)性(P<0.05)(表3),由此說明不施肥條件下土壤溫度、土壤含水量和土壤硝酸鹽含量均是影響N2O排放的重要因素;而施肥條件下,土壤硝酸鹽是影響砂姜黑土N2O排放的關(guān)鍵影響因素。

表3 砂姜黑土小麥季和玉米季不同施肥處理N2O排放與土壤環(huán)境因子相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of N2O flux from different treatments and soil environmental factors under different fertilization treatments in wheat and maize seasons of lime concretion black soil

2.5 小麥玉米輪作體系作物產(chǎn)量、氮肥利用率及N2O排放系數(shù)

不同施肥處理作物產(chǎn)量和氮肥利用率如表4所示。除CK 處理外,TR、OPT 和ZOPT 處理玉米季產(chǎn)量無明顯差異。與玉米季不同,小麥季ZOPT 處理的產(chǎn)量顯著低于OPT 處理,而TR 和OPT 處理的產(chǎn)量無明顯差異,說明傳統(tǒng)施氮量可能存在過量問題。對比不同處理的地上吸氮量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)玉米季TR、OPT 和ZOPT 處理無明顯差異,而小麥季OPT 處理的吸氮量甚至高于TR 處理,TR 和ZOPT 處理無明顯差異,說明合適的施氮量才能更有效地促進砂姜黑土作物氮素的有效積累,過高或者過低施氮反而降低作物的氮素利用。優(yōu)化施氮可以顯著提高作物氮肥利用率,尤其ZOPT 處理玉米和小麥季的氮肥利用率分別達47.8%和51.0%,其次為OPT 處理,TR處理兩季氮肥利用率最低。除此之外,不同施肥處理的N2O排放量顯著不同(P<0.05),導(dǎo)致不同施肥處理的排放系數(shù)也存在明顯差異(P<0.05)。TR 處理玉米和小麥兩季的N2O排放系數(shù)分別為0.28%和0.50%,顯著高于OPT 和ZOPT 處理(P<0.05),而OPT 和ZOPT處理無明顯差異。

表4 砂姜黑土小麥和玉米不同施肥處理的產(chǎn)量、氮肥利用率及N2O排放系數(shù)Table 4 Crop yields,nitrogen fertilizer utilization rates and N2O emission factors of different fertilization treatments in wheat and corn seasons of lime concretion black soil

3 討論

3.1 影響砂姜黑土區(qū)小麥玉米輪作體系N2O排放的關(guān)鍵因素

小麥-玉米輪作體系的N2O排放已有大量研究工作,但由于施肥方式、施肥量、氣候條件、土壤條件等因素的影響,不同區(qū)域小麥-玉米輪作體系的N2O排放量存在較大差異。例如肖乾穎等[19]研究發(fā)現(xiàn),紫色土傳統(tǒng)施肥方式下小麥-玉米輪作體系的N2O 的排放分別為0.42 kg(N)·hm?2和0.53 kg(N)·hm?2,排放系數(shù)分別為0.22%和0.28%;高建民[20]研究發(fā)現(xiàn),黃土高原麥田施氮量240 kg·hm?2條件下N2O 的排放量為1.41～1.67 kg(N)·hm?2,排放系數(shù)為0.47%～0.56%;而張秀玲等[21]對潮土農(nóng)田N2O 監(jiān)測發(fā)現(xiàn),玉米季在施氮量240 kg·hm?2條件下N2O排放量達2.28 kg(N)·hm?2,排放系數(shù)達0.89%;Lü等[10,22]研究發(fā)現(xiàn),灰漠土小麥季和玉米季的N2O排放量分別為1.3 kg(N)·hm?2和1.3 kg(N)·hm?2,排放系數(shù)為0.5%和0.5%。由此可見,不同土壤類型條件下,受制于多種因素影響,小麥-玉米輪作體系的N2O排放量存在較大差異[20,23-25]。砂姜黑土農(nóng)田N2O排放前期研究工作較少,鮮見N2O排放特征及排放系數(shù)相關(guān)報道,而我們的研究顯示砂姜黑土小麥季不同施氮量條件下N2O排放量為0.82～1.24 kg(N)·hm?2,排放系數(shù)為0.43%～0.50%;而玉米季N2O排放量為0.42～0.71 kg(N)·hm?2,排放系數(shù)為0.22%～0.28%,小麥季N2O排放量顯著高于玉米季,小麥季是砂姜黑土N2O 的高排期,究其原因可能與小麥季生長周期長和氮素的其他損失途徑低有關(guān)[26]。除此之外,與其他土壤類型相比,砂姜黑土N2O排放量高于紫色土,與黃土(土墊旱耕人為土)的排放量差異不大,但顯著低于潮土的排放量[21]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),質(zhì)地黏重土壤的陽離子交換量大,NH4+-N 易被吸附固定而不易進行硝化作用[27-28],楊云等[29]也證實N2O 的季節(jié)性排放總量與土壤黏粒含量呈明顯負(fù)相關(guān),與土壤沙粒含量呈明顯正相關(guān)。而砂姜黑土由河湖沉積物以及近代河流沉積物等母質(zhì)發(fā)育而來,黏粒含量較高,一般可達30%以上,屬于典型的高黏性土壤[15,30],從土壤質(zhì)地來看砂姜黑土農(nóng)田土壤并非N2O 高排土壤。除此之外,砂姜黑土濕黏閉,導(dǎo)致灌溉后土壤通透性差,土壤氧氣含量較低,這有可能利于反硝化反應(yīng)的發(fā)生。由于未開展NO 和N2兩種氣體排放試驗,同時對于小麥玉米季的土壤硝化與反硝化微生物活性方面尚處于初步研究階段,本文未闡述N2O 的排放與硝化與反硝化微生物的相關(guān)性問題。未來將進一步聚焦砂姜黑土NOy 的產(chǎn)生途徑及微生物學(xué)機制。

3.2 砂姜黑土N2O排放量測定數(shù)據(jù)的不確定性分析

本研究采用靜態(tài)箱-氣相色譜法開展N2O 氣體排放的監(jiān)測。為了獲取高濃度N2O 氣體,試驗采用高度為30 cm 靜態(tài)箱進行氣體采集。由于高度的限制,箱體只能覆蓋小麥和玉米苗期,后期采取移除植株確保連續(xù)采樣,是否這會對土壤N2O排放產(chǎn)生影響,目前還缺乏相關(guān)研究。本研究在幼苗移除后,發(fā)現(xiàn)不同處理N2O排放都有不同程度的升高,但周期很短,這可能與植株的移除,采樣區(qū)土壤松動利于氣體流通和土壤中的氮素不能被植物吸收,更多的氮素?zé)o法參與到植物循環(huán)中去,被土壤固定或被硝化與反硝化微生物利用有關(guān)。盡管短期有上升,但是否對整個生長季N2O排放產(chǎn)生影響還不得而知,未來仍需進一步研究。砂姜黑土盡管有砂姜層存在,但砂姜層分布的深淺差異很大,例如河南南陽等地的砂姜黑土砂姜層在耕層以下10～20 cm,而駐馬店等地的砂姜層可能在80 cm 以下[30],本研究的砂姜黑土砂姜層較深,氮素在下移過程中受砂姜層的影響較小,利于氮素向深層遷移(尤其長期施肥條件下),可能會影響不同土層N2O 的積累與排放。小麥玉米季N2O排放的差異性也存在一定的不確定性,例如唐占明等[31]發(fā)現(xiàn)華北平原小麥-玉米輪作體系玉米季N2O排放量高于小麥季,許宏偉等[32]在西北土小麥-玉米輪作體系上發(fā)現(xiàn)類似問題,而肖乾穎等[19]發(fā)現(xiàn)紫色土單施化肥條件下小麥季與玉米季N2O排放量相仿。本研究結(jié)果顯示,小麥季的N2O排放量顯著高于玉米季,小麥季排放量占小麥-玉米輪作體系總排放量的64%～66%,成為砂姜黑土小麥-玉米輪作體系的高排放季。小麥季排放量高的原因可能歸結(jié)于3 方面:1)玉米季的生長周期較短,而小麥季的生長周期較長,周期的長短可能影響N2O 的累積排放量;2)兩季施肥方式不同,玉米季為種肥同播,而小麥季為撒施后旋耕,從某種程度上來說,旋耕條件下土壤擾動更明顯,通透性較好,更有利于氮素的硝化反應(yīng)[33];3)小麥追肥期在2月底到3月初,此時溫度為10～20 ℃,而玉米季追肥在7月中,此時溫度多為30～40 ℃,相關(guān)研究顯示,硝化與反硝化微生物的最佳活性為10～30 ℃,而高于30 ℃反而導(dǎo)致硝化與反硝化微生物活性的降低,進一步影響N2O 的排放[27-28]。除此之外,呂金嶺等[12]發(fā)現(xiàn)砂姜黑土玉米季的氨揮發(fā)量顯著高于小麥季,間接導(dǎo)致轉(zhuǎn)化為N2O 的氮素量減少。同時,本研究還發(fā)現(xiàn)不同施氮量與N2O排放呈顯著的指數(shù)增長關(guān)系,這可能由于作物無法吸收過多的氮素,從而為硝化與反硝化微生物生長提供充足的養(yǎng)分和反應(yīng)底物,導(dǎo)致N2O 釋放量的增加,進一步說明傳統(tǒng)施肥方式導(dǎo)致N2O 激發(fā)性排放不可忽視(圖6)?？偠灾?施肥方式和施肥量是影響砂姜黑土農(nóng)田土壤N2O排放的關(guān)鍵因素,但溫度、降雨和風(fēng)速等從某種程度上也可促進或者降低N2O 的排放量及速率[34],導(dǎo)致N2O 累積排放量存在一定的不確定性。因此,未來應(yīng)聚焦不同影響因素相互耦合的氣體排放模型模擬研究。

4 結(jié)論

砂姜黑土玉米-小麥輪作農(nóng)田小麥季N2O排放量為0.82～1.24 kg(N)·hm?2,玉米季N2O排放量為0.42～0.71 kg(N)·hm?2,小麥季的N2O 累積排放量顯著高于玉米季,說明小麥季是砂姜黑土小麥-玉米輪作體系N2O 的高排放時期。小麥和玉米季不同施氮時期N2O 的排放量差異較大,小麥季追肥期N2O排放量顯著高于基肥期,而玉米季追肥期的N2O排放量略高于基肥期。與其他土壤類型研究結(jié)果類似,砂姜黑土不同施氮處理的N2O排放量存在較大差別,TR處理N2O排放量均顯著高于其他處理,其次為OPT處理,再次為ZOPT 和CK 處理。對比兩季作物產(chǎn)量,結(jié)果發(fā)現(xiàn),TR、OPT 和ZOPT 處理玉米季的產(chǎn)量整體差異不大,而小麥季TR 和OPT 產(chǎn)量高于ZOPT 處理,由此說明砂姜黑土小麥玉米合適的施氮量為220 kg·hm?2。整體而言,砂姜黑土小麥季N2O 的排放系數(shù)為0.43%～0.50%,玉米季的排放系數(shù)為0.22%～0.28%。與其他土壤類型相比,砂姜黑土不屬于N2O 高排放土壤,但傳統(tǒng)的施氮量導(dǎo)致的N2O排放量仍不可忽視,因此合理施肥和新型肥料推廣使用仍需要被重視。