2. 陕西省土肥站, 西安 710003
2. Shaanxi Station of Soil and Fertilizer, Xi'an 710003, China
全球变暖和臭氧层的破坏使温室气体减排成为研究和关注的热点[1]. IPCC第四次评估报告表明:农业源是温室气体重要排放源, 其中N2O是旱地农田温室气体的重要组成部分, 其贡献率占人类活动产生的N2O总量的58%以上[2].在我国因过量施氮造成的N2O排放量为63万t, 农业生产过程中排放的N2O占全国N2O排放总量的92%[3].小麦/玉米轮作, 一年两熟制, 是中国北方重要的农作物种植体系之一, 在保证国家粮食安全方面具有重要的地位.调查显示小麦/玉米轮作体系大部分地区农民的施氮量普遍超过500 kg·hm-2 [4], 如山东省小麦/玉米轮作区平均施氮量为553 kg·hm-2 [5], 陕西关中灌区, 小麦/玉米轮作施氮量过高的农户分别占38.5%和64.7%[6].过量施氮不仅导致大量氮素在土壤中残留[7]以及淋失[8, 9], 同时也显著增加N2O排放和其它气态氮损失[10].因此, 十分有必要寻求合理的养分管理措施在保证作物产量的情况下减少N2O排放.
有机肥是保持土壤生产力和减少化肥施用的一种传统而有效的方法, 可以达到节约成本和增加养分有效性的双重作用[11~14].由于来自不同动植物的有机肥料成分不同, 其施用到农田后对温室气体排放的影响也存在着较大差异.例如, 有研究结果表明施用有机肥能够增加甲烷的释放量, 而化肥增加N2O释放量[15].在等氮量情况下化肥配合有机肥施用土壤N2O排放量大于单施化肥[16], 但也有研究表明两者相比N2O排放通量差异不显著[17].还有研究指出, 等氮施肥条件下施用猪粪相比施用化肥能减少农田N2O的排放[18].而另有研究报道施用有机肥较化肥增加土壤N2O累积的排放量[15].因此, 在特定气候以及土壤条件下, 有机肥特别是有机氮替代比例如何影响N2O排放需要进一步研究, 这对建立区域合理的养分管理措施, 减少化肥投入量, 维持作物产量、同时减少温室气体排放有重要意义.
塿土是陕西关中灌区主要的土壤类型, 主要的作物体系为小麦/玉米轮作, 在20世纪90年代初建立了长期施肥定位试验, 对土壤肥力演变、作物产量以及温室气体排放进行了研究[19~23].但是上述长期定位试验中有机氮替代比例是固定的(70%), 那么在塿土小麦/玉米轮作体系, 合理的有机氮替代比例是多少, 可以维持作物高产并减少N2O排放, 过去并没有研究报道.因此, 结合国家减肥减排的号召以及保护环境, 本研究探讨不同比例有机氮替代情况下小麦/玉米轮作作物产量以及N2O排放量的响应, 以期为建立土区小麦/玉米轮作体系合理的养分管理措施提供理论支撑.
1 材料与方法 1.1 试验地点本试验在“国家黄土肥力和肥料效益监测基地”进行, 该基地位于陕西省杨凌区五泉镇孟家寨村(34.17′51″N, 108.00′48″E), 其海拔534 m、年平均气温12.9℃, 年降水量为550~600 mm, 降雨量主要集中在6~9月, 小麦季降雨明显少于夏玉米季(图 1).年均蒸发量993 mm, 无霜期184~216 d.属于暖温带大陆性季风气候.土壤属土垫旱耕人为土, 黄土母质.试验开始时0~20 cm土壤有机质含量是15.1g·kg-1、速效磷为10.1 mg·kg-1、速效钾为165.6 mg·kg-1.
试验共6个处理, 分别为:①不施任何肥料, 对照(CK); ②单施氮磷钾化肥(NPK); ③75%NPK+25%M有机氮(25%M); ④50%NPK+50%M(50%M); ⑤25%NPK+75%M(75%M)以及⑥100%M(100%M).各处理具体施肥量见表 1, 各施肥处理轮作年施氮量相同, 均为345kg·hm-2, 有机肥的氮量分别为总施氮量的25%、50%、75%、100%.每个处理3次重复, 试验采用随机区组设计, 共计18个小区, 试验小区面积为30 m2(7.5 m×4 m).试验所用化肥氮为尿素, 磷肥为过磷酸钙(含P2O5 12%), 钾肥为硫酸钾(含K2O 60%), 有机肥为牛粪, 所有处理有机肥及磷钾肥均于冬小麦播种前一次性基施, 化肥于夏玉米拔节期前条施.
供试小麦和玉米品种分别是小偃22和郑丹958, 小麦在2015年10月10日播种, 播种量为135 kg·hm-2, 2016年6月6日收获; 玉米在2016年6月9日播种, 9月29日收获每小区种植8行, 行距为55 cm.另外, 冬小麦于2016年2月27日灌水66.7 mm, 玉米季于7月5日施肥, 7月7日, 8月12日以及8月24日灌水, 灌水量分别为66.7 mm, 83.3 mm以及66.7 mm.作物生长期内施用除草剂和杀虫剂控制杂草和害虫.收获期进行产量测定.
1.3 气体采集与分析N2O排放通量测定采用静态箱-气相色谱法, 采样箱使用不锈钢制作(50 cm×50 cm×50 cm), 侧面有采气孔, 外覆绝热材料, 保证观测过程中箱内温度变化小于2℃.每个重复安装50 cm×50 cm×10 cm的底座, 底座顶端为水槽.作物播种后底座埋入作物行间, 仅在作物收获时移开.为了减少采样时对土壤和作物的扰动, 在采样点附近架设栈桥, 当作物高度超过50 cm时, 增加中段箱提高箱体高度.每个采样点于上午09:00~11:00采集气体, 采样时, 将采样箱罩在不锈钢底座上并用水密封, 此时记为0时刻, 用注射器连续收集0、15、30、45 min这4个时刻的气体.为了更准确地估算N2O的排放总量, 平时采气频率为一周一次, 冬季为两周一次, 施肥、灌溉、降雨后加大采样密度, 每2日1次, 直至排放速率趋于稳定.样品采集完毕后带回, 使用气相色谱仪(7890B, 美国Agilent公司)测N2O浓度.气相色谱采用氮气作载气, 尾吹气为氩甲烷.
1.4 土壤样品采集与分析收集气体样品的同时, 使用数字温度计(JM22L, 天津今明仪器有限公司)测定土壤温度, 土壤水分测定仪(ML3, 英国Delta-T公司)测定体积含水量(0~5 cm), 并利用土壤容重将其转换为土壤孔隙充水率[WFPS(%)], 每个处理随机重复9次.作物生育期降水量、气温等资料采用国家杨凌气象站数据, 气象站离试验点约3公里, 海拔相同.
另外, 每2周各小区采集1次土壤样品(0~20 cm)用于土壤水分、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)的测定.土壤水分采用烘干法测定, NH4+-N和NO3--N采用鲜土样品, 用1 mol·L-1KCl溶液(国药优级纯)浸提(液土比4:1), 并用连续流动分析仪(AA3, 德国SEAL公司)测定.
1.5 数据处理与分析N2O排放通量(F)的计算公式为:
(1) |
式中, F为气体通量[μg·(m2·h)-1]; k为单位换算系数; P为采样点气压(kPa); T为采样时空气的绝对温度(K); H为采样箱高度(m); ρ为标准状态下(T0=273 K, P0=101.3 kPa)N2O气体的密度(g·L-1); dc/dt为采样时气体浓度随时间的变化率.
采用公式(2)计算土壤充水孔隙度(WFPS).
(2) |
式中, VSWC为土壤体积含水量(cm3·cm-3), BD为土壤容重(g·cm-3), 并假定土壤密度为2.65(g·cm-3).
假定观测所得N2O排放速率为日排放速率的平均值, 利用线性内插法估算未观测日的排放速率, 逐日累加, 估算N2O年排放量.
采用公式(3)计算N2O排放系数(EFd)
(3) |
式中, FN和FCK分别为施肥和不施肥处理N2O年排放总量(kg·hm-2), N为氮肥施用量[kg·(hm2·a)-1], 包括尿素和牛粪.另外, N2O排放总量除以作物产量计算出N2O排放强度.
所有数据计算了平均值, 并进行单因素方差分析, 当方差分析显著时, 进行了LSD多重比较.另外, N2O排放与土壤环境因素进行了线性相关分析.所有统计分析采用SAS 16.0软件进行.
2 结果与分析 2.1 土壤NH4+-N、NO3--N含量的季节变化图 2为冬小麦/夏玉米轮作期土壤NH+-N和NO3--N的动态变化情况.在小麦和玉米季, 不施肥处理(CK)土壤中NH4+-N和NO3--N含量最低、变化幅度最小(0.15~4.03 mg·kg-1和2.24~31.45 mg·kg-1).施肥处理土壤NH4+-N和NO3--N含量均有较大的季节变化, 分别在0.03~6.9 mg·kg-1和3.06~76.56 mg·kg-1之间.同CK相比, 施肥后土壤NO3--N的含量均显著增加.其中75%M处理NH4+-N含量最高, NPK处理NO3--N的含量最高.
小麦、玉米轮作期间, 各处理土壤温度和土壤孔隙充水率(WFPS)的变化如图 3所示.土壤5 cm温度变化范围为-0.075~27.55℃.冬季温度最低, 春季温度回升, 夏季温度达到最高.小麦和玉米季的平均温度分别为10.7℃和25.5℃.土壤WFPS受降雨与灌溉的影响, 小麦季和玉米季平均土壤孔隙充水率(WFPS)分别为43.76%和50.08%, 在2015年的10月25日、2016年的2月28日、7月8日、8月13日、8月25日出现峰值.
图 4为2015年10月至2016年9月不同处理N2O排放通量的动态变化.结果显示各处理N2O排放通量有明显的季节变化, 且变化规律基本一致, 呈双峰型变化, 即施肥后N2O排放出现峰值.另外, 除了施肥, 降雨和灌水后也出现N2O排放峰值.
小麦季N2O排放通量在其生长季内呈明显下降趋势, 各施肥处理变化幅度为-1.33~144.2 μg·(m2·h)-1, CK处理N2O排放通量较其他施肥处理变化幅度较小为-1.33~23.6 μg·(m2·h)-1.除CK和100%M处理外, 其它施肥处理N2O排放在播种后均出现了排放高峰, 其中NPK、25%M、50% M、75%M处理峰值分别为141.8、144.2、121.0、44.4 μg·(m2·h)-1; CK和100%M的排放高峰出现在灌水后.
在玉米生长前期, 各处理均有极少的N2O排放.在6月23~6月29日持续降雨后出现了一个小的排放峰, 而在施肥(7月5日)及灌水(7月7日)后出现了N2O排放高峰, 这时施肥处理N2O排放通量较CK高5~20倍. CK、NPK、25%M、50%M、75%M和100%M处理峰值分别为88.2、1433.1、1680.4、1800.1、686.5和430.1 μg·(m2·h)-1.随后一段时间N2O排放通量逐步降低, 在施肥后25 d施肥处理N2O排放通量接近CK处理.在所有施肥处理中, 玉米季N2O排放通量均高于小麦季.
各施肥处理小麦季、玉米季以及年N2O排放总量如图 5所示.小麦季不同处理N2O排放量为187.4~709.3 g·hm-2, 其中CK最低, NPK最高. NPK、25%M及50%M处理N2O排放量显著高于CK处理, 较CK分别提高了278.5%、242.6%和181.8%; 75%M和100%M处理N2O排放量显著低于NPK和25%M处理, 而与CK处理无显著差异.玉米季不同施肥处理N2O排放量在242.4~2 104.1 g·hm-2之间, 其中50%M最高, CK最低. NPK、25%M和50%M处理的N2O排放量显著高于CK处理, 分别较CK处理提高了437.2%、484.6%、768.1%.而75%M和100%M处理N2O排放量显著低于50%M处理, 而与CK、NPK和25%M处理无显著性差异.总体来讲, 小麦/玉米一个轮作年不同处理N2O排放量为429.8~2 632.1 g·hm-2, 有机替代处理与单施化肥N2O排放量相似, 不过单施化肥显著高于对照, 而75%M和100%M处理与对照相似.
无论小麦、玉米以及一个轮作年总产量, 施肥处理均显著高于对照(图 6).小麦季产量变幅为3 431~8 438 kg·hm-2, 其中CK处理最低, 50%M处理小麦产量最高, 其次是75%M处理(7 965 kg·hm-2), 且两者之间差异不显著(图 6).另外, 随着有机氮替代比例的增加, 冬小麦产量呈现先增加后降低的趋势, 并且施用有机肥的处理小麦产量均显著高于单施化肥处理, 增幅达26.1%~50.0%.夏玉米产量变幅为5 735~9 885 kg·hm-2, 其中CK处理最低, NPK处理最高.有机氮替代处理50%M和75%M, 其产量与NPK相似, 而25%M和100%M处理玉米产量显著低于NPK处理.小麦/玉米轮作总产量变幅9 166~17 496 kg·hm-2.其中CK处理最低, 50%M处理最高, 25%M及75%M处理总产量与50%M处理差异不显著. 50%M和75%M处理显著高于NPK处理, 增幅分别为12.8%和10.5%, 而25%M和100%M处理与NPK处理无显著差异.
本试验各处理冬小麦季N2O直接排放系数介于0.05%~0.32%之间(表 2). NPK处理N2O的排放系数最高, 显著高于50%M、75%M和100%M处理; 25%M处理N2O的排放系数与NPK处理相似, 并显著高于100%M处理.玉米季N2O直接排放系数介于0.59%~2.07%之间, 50%M处理N2O的排放系数最高, 显著高于其它处理; 75%M处理N2O的排放系数与25%M处理相似, 并显著高于NPK处理.小麦/玉米一个轮作年N2O直接排放系数介于0.16%~0.64%之间, NPK处理N2O的排放系数与有机肥各处理间无明显差异. 50%M处理N2O的排放系数最高, 显著高于75%M和100%M处理.
试验各处理冬小麦季N2O排放强度介于50.5~139.6 mg·kg-1之间, NPK处理最高, 且显著高于CK、50% M、75% M及100%M处理, 而与25%M处理无明显差异.玉米季N2O排放强度介于42.3~232.2 mg·kg-1之间, 50%M处理N2O的排放强度显著高于CK、75%M和100%M处理, 与NPK和25%M处理相近.小麦/玉米轮作年N2O排放强度介于46.9~155.6 mg·kg-1之间, 各施肥处理N2O排放强度均显著高于CK处理, 其中50%M处理显著高于75%M和100%M处理, 与NPK和25%M处理无显著差异.
2.6 N2O排放与土壤环境因素的关系从表 3看出, CK处理小麦季N2O排放通量与土壤湿度呈显著正相关(P < 0.01), 与土壤NH4+-N的浓度呈显著负相关(P < 0.05);而玉米季与土壤因素都没有相关性; 小麦/玉米轮作年CK处理N2O排放通量与土壤湿度和土壤温度均呈显著正相关(P < 0.05). NPK处理小麦季N2O排放通量与土壤因素无显著相关性; 玉米季N2O排放通量与土壤湿度和土壤NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.01);与其他土壤因素无相关性; 小麦/玉米轮作年与玉米季相似. 25%M处理小麦季N2O排放通量与土壤各因素无相关性; 玉米季与土壤NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.01), 与其他土壤因素没有相关性; 小麦/玉米轮作年N2O排放通量与土壤湿度和NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.05). 50%M处理小麦季N2O排放通量与土壤NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.01);而玉米季N2O排放通量与土壤因素无相关性; 小麦/玉米轮作年50%M处理N2O排放通量与土壤湿度和土壤NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.01). 75% M处理小麦季N2O排放通量与土壤湿度呈显著正相关(P < 0.05);玉米季N2O排放通量与土壤NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.01);小麦/玉米轮作年N2O排放通量与土壤湿度和土壤NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.05). 100%M处理小麦季N2O排放通量与土壤湿度和土壤NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.05);玉米季N2O排放通量与土壤NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.01);小麦/玉米轮作年N2O排放通量与土壤湿度和NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.01).所有处理小麦季N2O排放通量与土壤NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.01);玉米季N2O排放通量与土壤湿度和土壤NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.01);小麦/玉米轮作年N2O排放通量与土壤湿度和NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.01).
3 讨论
农田生态系统N2O排放主要源于土壤氮素的硝化和反硝化作用, 施肥、灌溉、耕作、土壤理化特性以及气候的季节性变化等直接影响土壤的硝化、反硝化过程, 是引起农田土壤N2O排放季节变化的重要因子[24, 25].本试验也显示N2O排放与土壤含水量以及硝态氮含量呈显著正相关, 充分显示降雨、灌溉以及施肥对N2O排放的影响. Wang等[26]在华北平原河北栾城的研究也表明, 夏玉米生长季的N2O排放高峰主要是发生在施肥、灌水或者降雨之后.土壤水分通过影响硝化与反硝化过程而影响农田N2O的生成速率, 并通过影响N2O在土壤中的扩散与还原速率而影响农田N2O的排放[27].通常, 土壤含水量较低的情况下N2O的产生主要来自于硝化过程, 土壤含水量较高时N2O主要通过反硝化过程产生, 但当土壤含水量既能促进硝化又能促进反硝化过程时, N2O生成与排放量会达到最大值[28, 29].另外, 有研究指出N2O排放通量与土壤温度呈显著正相关或指数相关[30, 31].但是本试验发现土壤温度与N2O排放无显著相关性(除CK处理轮作年之外), 这可能与当地气候, 施肥、灌溉与降雨等因素的综合作用掩盖了温度的效应有关.
总体而言, 本试验小麦/玉米轮作一年, 结果表明N2O排放呈现为化肥高于有机肥.目前, 对于施用有机肥影响土壤N2O排放的报道较多, 但结论不一.董玉红等[32]的研究表明, 在等氮量的情况下, 化肥配合有机肥施用的土壤N2O排放通量大于单施化肥处理; 另有研究表明, 等氮条件下施用化肥、有机肥(秸秆和饼肥进行堆肥)和1/2化肥+1/2有机肥, 处理间N2O排放通量的差异不显著[17].还有研究指出, 等氮量施肥条件下, 施用猪粪相比于施用化肥能减少农田N2O的排放[18].有机肥施用增加N2O排放可能与有机肥增加土壤有机质含量, 促进微生物活动有关[33].当等碳量施用时, N2O的排放主要受外源氮供应水平的制约; 而当有机肥料等氮量施用时, N2O排放主要受外源碳供应水平的制约[34].可见, 有机肥替代化肥不仅提供了微生物活动所需能量, 而且改变了氮素输入形态.不同研究报道结果的差异性可能与土壤C/N比不同有关, 从而影响微生物活动, 影响硝化、反硝化过程, 最终影响N2O的生成与排放.有机肥施用无疑可以增加土壤有机碳的含量, 较单施化肥处理增加了土壤C/N比, 在一定程度上抑制了硝化作用, 这也反映在本文有机肥处理土壤硝态氮含量低于化肥处理, 由此可能减少了硝化作用过程N2O的排放量[35]; 同时由于土壤硝态氮含量总体低于化肥处理(图 2), 因而也减少硝态氮反硝化的底物浓度, 进一步限制了N2O生成与排放.另外, 有机肥还为反硝化细菌提供能量, 促使N2O进一步还原为N2, 进而也减少了N2O排放[36].不过本试验各处理施磷量随着有机替代比例增加而增加, 钾素投入差异较小(表 1), 据报道随施磷量增加N2O排放量也增加[37~39], 这意味着本文有机替代处理N2O排放量仍然有进一步降低的空间.因此, 有机替代应该同时考虑氮、磷替代, 这样不仅可以显著减少N2O排放量, 而且能够高效合理利用磷资源.
本研究结果显示小麦/玉米轮作体系N2O排放系数为0.16%~0.64%, 与刘韵等[16]在紫色土壤上冬小麦/夏玉米轮作N2O排放系数的研究结果相似(0.21%~0.63%), 也与郝耀旭[23]在关中土上冬小麦/夏玉米轮作N2O排放系数的结果(0.72%~0.83%)相近.本文夏玉米季N2O排放系数高于刘运通等[40]在春玉米试验的结果(0.27%~0.55%), 也高于翟振等[41]报道有机无机肥料配施春玉米农田N2O的排放系数(0.12%~0.49%).这主要与本研究有机肥均在小麦季施用有关.上述中国作物体系N2O排放系数均低于IPCC推荐值1%[42], 如果按照IPCC推荐排放系数计算, 将明显高估我国农田的N2O排放量.另外, 本文结果也表明有机氮替代比例大于50%可以显著降低N2O的排放强度.这与有机氮替代比例在50%~75%时, 作物产量显著高于化肥处理, 而N2O排放量低于化肥处理有关.郝耀旭等[23]在陕西关中土冬小麦/夏玉米轮作体系也报道了有机无机配施较NPK处理降低了N2O的排放强度.李燕青等[43]的研究表明施氮量为120kg·hm-2时, 有机肥氮处理的N2O排放强度高于化肥氮处理, 而在高于120 kg·hm-2氮水平下, 有机氮处理的N2O排放强度均低于化肥氮处理, 作者认为这种结果的主要原因是施氮量为120 kg·hm-2的有机肥处理, 其有机碳投入较低有关.因此, 适量有机肥替代是保证作物产量、实现N2O减排、解决有机肥环境污染问题的重要途径.
4 结论本研究通过土小麦/玉米一个轮作年不同有机氮替代比例下作物产量以及N2O排放的响应, 发现无论有机肥还是化肥均会增加N2O的排放量, 但是随有机氮替代比例的增加, N2O的排放量呈逐渐减少趋势, 特别是有机氮替代75%和100%较单施化肥降低N2O排放量及排放系数.不过小麦/玉米一个轮作年总产量为有机氮替代50%和75%显著高于单施化肥.综合考虑, 土小麦/玉米轮作体系有机氮替代75%最好, 可以保证作物产量、实现N2O减排.但是由于试验只进行了一年, 在长期有机替代过程中, 作物产量以及N2O减排的效应如何, 还需进一步研究.
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