环境科学  2018, Vol. 39 Issue (1): 321-330   PDF    
有机氮替代比例对冬小麦/夏玉米轮作体系作物产量及N2O排放的影响
侯苗苗1, 吕凤莲1, 张弘弢1, 周应田1, 路国艳1, Ayaz Muhammad1, 黎青慧2, 杨学云1, 张树兰1     
1. 西北农林科技大学资源环境学院, 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 杨凌 712100;
2. 陕西省土肥站, 西安 710003
摘要: 控制农业温室气体排放(如N2O)是减缓全球气候变暖的一个重要措施.本研究通过动态监测小麦-玉米轮作体系N2O排放通量,探究不施任何肥料(对照,CK)、单施氮磷钾化肥(NPK)、75% NPK+25%(有机氮M)(25% M)、50% NPK+50% M(50% M)、25% NPK+75% M(75% M)以及100% M,即不同有机氮替代比例对陕西关中塿土冬小麦/夏玉米轮作体系N2O排放及作物产量的影响.结果表明,各处理N2O排放通量在施肥、降雨或灌水后出现排放峰值.在小麦季各处理变化幅度为-1.33~144.2 μg·(m2·h)-1,其中NPK处理峰值最高.玉米季各处理变化幅度为88.2~1800.1 μg·(m2·h)-1,50% M处理峰值最高.小麦/玉米一个轮作年不同处理N2O排放总量为429.8~2632.1 g·hm-2,且50% M > 25% M > NPK > 75% M > 100% M > CK.无论小麦、玉米还是一个轮作年总产量,施肥处理产量均显著高于对照.小麦季,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%.玉米季,50% M和75% M处理产量与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为9166~17496 kg·hm-2,其中50% M和75% M处理显著高于NPK处理,25% M和100% M处理与NPK处理无显著差异.综合考虑塿土小麦/玉米轮作体系有机氮替代化肥氮75%最好,可以保证作物产量、实现N2O减排.
关键词: 有机氮替代比例      冬小麦/夏玉米轮作体系      产量      N2O排放通量      N2O排放系数     
Effect of Organic Manure Substitution of Synthetic Nitrogen on Crop Yield and N2O Emission in the Winter Wheat-Summer Maize Rotation System
HOU Miao-miao1 , LÜ Feng-lian1 , ZHANG Hong-tao1 , ZHOU Ying-tian1 , LU Guo-yan1 , Ayaz Muhammad1 , LI Qing-hui2 , YANG Xue-yun1 , ZHANG Shu-lan1     
1. Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agro-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
2. Shaanxi Station of Soil and Fertilizer, Xi'an 710003, China
Abstract: Controlling agricultural greenhouse gas emissions, such as N2O, is important in mitigating global climate warming. Through monitoring the dynamics of N2O emission fluxes, we investigated the effect of organic nitrogen (N) substitution of synthetic N on N2O emissions and the yield of winter wheat and summer maize in the Guanzhong Plain of Shaanxi Province, China. The study involved six treatments, consisting of no fertilizer (CK), synthetic N, phosphorus (P), and potassium (K) fertilizers alone (NPK), 75% NPK+25% organic N through manure (25%M), 50% NPK+50% organic N (50%M), 25% NPK+75% organic N (75%M), 100% organic N (100%M). The results showed that the peak value of the N2O emission flux appeared after fertilization, rainfall, and irrigation. In the wheat season, the emission flux of N2O varied from -1.33 to 144.2 μg·(m2·h)-1, with the highest peak value in the NPK treatment. In the maize season, the emission flux of N2O varied from 88.2 to 1800.1 μg·(m2·h)-1, and the 50%M treatment showed the highest peak value. The range in the total amount of N2O emissions from the different treatments in the wheat-maize rotation system was 429.8-2632.1 g·hm-2, and the amount for the treatments decreased in order as follows:50%M > 25%M > NPK > 75%M > 100%M > CK. The yields of wheat, maize, or wheat plus maize were significantly higher in the fertilized treatments compared to the CK. Organic substitution treatments significantly increased wheat yield by 26.1% to 50.0% relative to the NPK treatment. While the maize yield in 50%M and 75%M treatments was similar to that in the NPK treatment, the 25%M and 100%M treatments showed significantly lower yields than with the NPK treatment. The total yield of wheat plus maize varied from 9166 to 17496 kg·hm-2, of which total yield was significantly higher with 50%M and 75%M compared to NPK. Overall, the 75%M treatment is the best measure to guarantee crop yield and to reduce N2O emissions in the wheat-maize rotation system based on a one year study in the Guanzhong plain of Shaanxi Province.
Key words: organic nitrogen substitution      winter wheat-summer maize cropping system      yield      N2O emission flux      N2O emission coefficient     

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.

图 1 2015~2016年小麦、玉米季气温与降雨的季节变化 Fig. 1 Seasonal variations in temperature and precipitation in the wheat and maize growing seasons from Oct. 2015 to Sep. 2016

1.2 试验设计

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.

表 1 不同处理氮磷钾养分施肥量1)/kg·hm-2 Table 1 Application rates of nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) with the different fertilization treatments/kg·hm-2

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, FNFCK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.

误差线代表标准差,下箭头表示施肥时间,上箭头表示灌溉,下同 图 2 不同施肥处理0~20 cm土层NH4+-N、NO3--N的动态变化 Fig. 2 Seasonal variations in ammonium and nitrate nitrogen content in the 0-20 cm soil layer with different fertilization treatments

2.2 土壤充水孔隙度与土壤温度的季节变化

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 3 不同施肥处理5 cm土壤温度与0~20 cm土层土壤充水孔隙度 Fig. 3 Seasonal variations in soil temperature at 5 cm in water-filled pore spaces (WFPS) in the 0-20 cm soil layer with different fertilization treatments

2.3 小麦/玉米轮作体系N2O的排放量

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.

图 4 不同施肥处理小麦、玉米季N2O排放通量动态变化 Fig. 4 Dynamics of soil N2O emission flux with different fertilization treatments

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.

图 5 不同施肥处理小麦和玉米季N2O排放总量 Fig. 5 Total amount of N2O emissions in wheat and maize growing season with different treatments

2.4 作物产量

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.

图 6 不同施肥处理小麦、玉米及总产量 Fig. 6 Wheat and maize yield with different fertilization treatments

2.5 N2O排放系数和排放强度

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.

表 2 不同施肥处理N2O的直接排放系数和排放强度1) Table 2 Direct emission factor and yield-scaled N2O emission with different fertilization treatments

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

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).

表 3 N2O通量与土壤环境因子的相关性1) Table 3 Pearson correlation coefficients between N2O flux and the related environmental factors

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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