2019, Vol. 40
2. 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 杨凌 712100;
3. 西北农林科技大学水土保持研究所, 杨凌 712100
2. Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agro-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China;
3. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F University, Yangling 712100, China
大气中温室气体浓度的升高是全球气候变化的主要原因, 人类活动是导致温室气体浓度增加的主要因素[1].农业生产在全球是一种主要的、规模庞大的人类活动, 农田土壤也是重要的温室气体源汇[2], 占据全球人为活动产生温室气体的50%[3]. Schaufler等[4]在欧洲对不同土地利用类型的研究表明, 土地利用方式是土壤温室气体排放通量的一大影响因素, Snyder等[5]的研究也表明, 土地利用方式变化是温室气体浓度增加的重要原因之一, 仅次于化石能源燃烧所造成的温室效应.农田不同土地利用方式的作物类型[6], 根系密度, 养分输入[7]以及管理方式[8]均有很大不同, 环境因素和生物因素也将随着土地利用方式的变化而改变[9], 导致土壤中碳氮循环过程发生变化, 从而影响了土壤温室气体的排放.
黄土高原位于中国西北部, 是我国典型的干旱半干旱地区, 主要农地利用方式为草地、林地、耕地和园地. 20世纪70年代起黄土高原地区土地利用方式发生了很大变化, 到2015年黄土高原地区已成为中国苹果主产区之一, 栽培面积达到130万hm2, 占全国苹果栽培总面积的60%[10].陕西省长武县王东沟是典型的耕地向果园流转的地区[11, 12], 1986~2006年20年间, 黄土高原王东沟流域耕地减少175.17 hm2, 占总面积的比例由32.85%下降到11.75%;果园面积由27.4 hm2增加到225.3 hm2, 占总面积的比例由3.30%增长到27.14%[12], 果园已成为该地区的主要土地利用类型.有研究表明, 王东沟的果园全氮、土壤水分、土壤微生物量碳和土壤酶活性大于农田, 但有机碳含量略小于农田[13], 果园和农田土壤性质的差异可能会引起该地区两种土地利用方式下温室气体排放的差异.在黄土高原地区展开不同土地利用方式下温室气体排放的特征的研究, 是评估该地区农用地流转对气候变化影响的重要基础.
针对黄土高原地区土地利用方式变化的特点, 本文以长武县王东沟流域麦田和果园为研究对象, 探究麦田向果园流转后温室气体的排放特征变化以及综合温室效应变化, 以期为评估麦田转向果园种植后的温室效应提供数据支持, 也为减少温室气体排放方案提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验区位于中国科学院水利部水土保持研究所长武黄土高原农业生态试验站, 东经107°41′, 北纬35°14′.该地区属暖温带半湿润大陆性季风气候, 年均降雨量582 mm, 集中在7~9月, 年均气温9.1℃, 地下水位50~80 m, 年蒸发量高达1 565 mm, 属于典型的旱作农业区.该区域地带性土壤为黑垆土, 土质均匀疏松, 表层土壤(0~10 cm)基本理化性质如表 1.试验地气象资料获取自陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站, 试验期间降雨和气温情况如图 1.
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表 1 试验地表层土壤(0~10 cm)基础理化性质 Table 1 Basic physicochemical properties of topsoil (0-10 cm) |
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图 1 试验区降雨量和气温动态变化 Fig. 1 Rainfall and temperature in the experimental area |
本试验于2017年7月~2018年7月进行, 选取具有代表性的传统麦田和种植密度一致的10~15 a树龄的果园, 全年均无灌溉.所选传统麦田为长武试验站长期定位试验田, 种植作物为冬小麦, 品种为长旱58;果园种植苹果前种植作物为小麦和玉米, 苹果品种为红富士(Malus pumila Mill).试验共设置果园施肥(AF)、果园对照(ACK)、小麦施肥(WF)和小麦对照(WCK)这4个处理, 每个处理设置3次重复.试验期间果园共施肥3次, 采用条沟施肥方式, 在距果树一侧1 m的位置开沟(沟宽约30 cm, 沟深约20 cm)撒入肥料后与土壤混匀填埋, 麦田施肥采用撒施, 具体施肥情况如表 2.
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表 2 不同日期试验区施肥情况 Table 2 Fertilization in the experimental area on different dates |
1.3 样品采集与测定
采用静态暗箱-气相色谱法定期监测果园和麦田CO2和N2O排放, 采样箱体由PVC材料制成, 分顶箱和底座两部分.顶箱规格为50 cm×50 cm×50 cm, 箱内安装风扇以混匀气体.底座有高3 cm的水槽用于注水, 密封箱体.底座安置于各试验小区, 果园内采样箱布置于施肥条沟(距果树1 m)和果树间无肥区域(如图 2), 麦田采样箱布置于施肥小区和无肥小区(如图 3).每7 d采集一次样品, 采样时间为上午08:00~11:00, 箱体密封后在0、10、20和30 min分别用注射器采集4个连续样品, 密封保存在玻璃瓶中带回实验室测定.采集气体样品的过程中同步测定采样箱内的温度、气温、0~10 cm的地温.如遇施肥则需加密采样, 施肥后的第1 d开始连续隔天采样, 持续7~10 d.采集的样品应在24 h内用气相色谱仪(安捷伦7890A)测定CO2和N2O气体浓度, CO2使用FID检测器, 温度为200℃, N2O使用ECD检测器, 温度为300℃, 色谱柱为80/100目的SS-2 m×2 mm Porapak Q, 用体积分数为5%的氩甲烷作为载气, 流速为40 cm3·min-1.气体排放通量由4个气体样品的浓度值和采样时间经过线性回归方程的斜率得出, CO2和N2O的排放通量根据3个重复平均所得.由于果园采用条沟施肥, AF的CO2和N2O的累积排放量通过加权平均求得, ACK、WF和WCK的CO2和N2O的累积排放量仅由3个重复平均求得.
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图 2 果园静态暗箱装置布置示意 Fig. 2 Schematic diagram of static chamber device arrangement in orchard |
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图 3 麦田静态暗箱装置布置示意 Fig. 3 Schematic diagram of the static chamber device arrangement in the wheat field |
本试验期间土壤采集与气体采集同步进行, 每次收集气体后, 用直径5 cm的土钻多点采样, 烘干法测定土壤含水量.布置试验前和试验结束后在试验区内多点采集0~10 cm土层土样, 形成混合土样带回实验室分析硝、铵态氮(1 mol·L-1的KCl溶液作为浸提液, 土水比1:10, AA3连续流动分析仪测定); 全氮(半微量开氏法, 开氏定氮仪测定); 有机质(重铬酸钾容量法); 土壤pH值(土:去离子水=1:5).
1.4 气体指标计算 1.4.1 CO2和N2O浓度和排放通量的计算使用气相色谱仪测得样品的气体峰面积As后, 采用以下公式计算出样品的气体含量cs(CO2: mL·m-3; N2O: μL·m-3)：
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式中, co为标准气样含量(CO2: 499.5 mL·m-3; N2O: 365 μL·m-3); Ao为标准气样所测峰面积.
气体排放通量由4个连续样品浓度的斜率线性回归分析得出.排放通量计算公式为：
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式中, F表示CO2排放通量[以C计, mg·(m2·h)-1]或N2O排放通量[以N计, μg·(m2·h)-1]; M表示CO2-C和N2O-N中含C或N的摩尔质量, 分别为12 g·mol-1和28 g·mol-1; H为采样箱的有效高度(m); dc/dt为气体排放速率, 即每次4个时间(0、10、20和30 min)采集的4个样品的气体含量与时间进行一次线性回归所得的回归方程系数; T为采样时箱内的平均气温(℃).
1.4.2 CO2和N2O累积排放量的计算气体累积排放量的计算公式如下：
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式中, GCO2为CO2排放总量(以C计, kg·hm-2), GN2O为N2O排放总量(以N计, kg·hm-2); Fi为第i次采样时气体排放通量[CO2以C计, mg·(m2·h)-1, N2O以N计, μg·(m2·h)-1]; di为第i次采样至下一次采样的间隔天数; d为总天数, 100和100 000分别为CO2和N2O的单位转换系数.
施肥果园(AF)的CO2和N2O的累积排放量由AF和ACK的累积排放量分别乘施肥和无肥面积的权重加和得到, ACK的累积排放量不使用面积权重.
1.4.3 N2O排放系数计算
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式中, EFd为N2O的排放系数(%), FN和FCK分别为施肥和不施肥处理N2O排放总量(kg·hm-2), N为氮肥施用量(kg·hm-2).
1.4.4 CO2和N2O增温潜势(GWP)计算增温潜势(GWP)的计算公式如下：
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式中, RN2O为N2O的累积排放量(以N计kg·hm-2); RCO2为CO2累积排放量(以C计, kg·hm-2); GWPN2O为N2O增温潜势; GWPCO2为CO2增温潜势, 在100 a的时间尺度下, N2O的增温潜势是CO2的298倍.
1.5 数据处理采用Microsoft excel 2016进行数据处理, 使用SPSS 22.0对CO2和N2O排放通量与表层土壤温度、含水量和硝态氮含量分析, 比较不同处理CO2和N2O累积排放量的差异显著性(LSD法).使用Origin 2018进行作图.
2 结果与分析 2.1 果园和麦田的土壤理化性质本试验期间, 该地最高气温、最低气温和平均气温分别为：34.3、-21.4和10.4℃, 总降水量为685.6 mm(图 1).表层(0~10 cm)土壤温度的总体变化趋势一致, 受气温和降水影响, 季节性变化明显, 变化幅度均为26.1℃(图 4), 果园和麦田土壤平均温度分别为13.5℃和14.5℃, 麦田略高于果园.果园和麦田土壤水分变化趋势大致相同, 受降雨影响而产生明显波动, 变化范围分别为11.7%~26.0%和7.7%~24.7%(图 5).
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图 4 果园和麦田土壤表层(0~10 cm)温度动态变化 Fig. 4 amic change of soil surface(0-10 cm)temperature in the apple orchard and wheat field |
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图 5 果园和麦田土壤表层(0~10 cm)含水量 Fig. 5 Soil surface layer (0-10 cm) water content in the apple orchard and wheat field |
如图 6, 各处理表层土壤全氮和有机质含量试验前后有动态变化, 本试验初期果园土壤全氮和有机质含量均高于麦田.试验进行1 a后, AF和WF土壤全氮和有机质含量均升高, ACK和WCK土壤全氮和有机质含量均降低.并且, 果园施肥处理(AF)的土壤全氮和有机质含量高于麦田(WF), 果园无肥处理(ACK)的土壤全氮和有机质含量则与麦田相近(WCK).
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柱上不同字母表示处理间差异显著(P < 0.05) 图 6 试验前后各处理表层土壤有机质和全氮含量 Fig. 6 Content of organic matter and total nitrogen in topsoil before and after the experiment |
由图 7可知, 无论果园和麦田, 各处理CO2排放通量变化趋势总体一致, 施肥处理高于无肥处理, 且春夏季排放旺盛, 11月土壤冻结后排放减弱. AF、ACK、WF和WCK的CO2排放通量变化范围分别为：6.29~192.37、3.76~157.19、2.30~102.57和7.37~105.15 mg·(m2·h)-1.平均排放通量AF>WF>WCK>ACK. 2017年11月4日施肥后, 第2 d AF处理CO2排放通量达到峰值[48.83 mg·(m2·h)-1]后迅速回落; WF处理的CO2排放变化较小, 于施肥后第5 d达到排放峰[34.73 mg·(m2·h)-1]后降低. 2018年4月5日施肥后3~5 d内AF和WF的CO2排放逐渐增加, AF的CO2在施肥后第5 d达到排放峰值[30.18 mg·(m2·h)-1]后下降, WF处理的CO2在施肥后第5~7 d保持在40 mg·(m2·h)-1左右. 2018年7月14日施肥后果园的CO2排放通量均持续升高, 于第7 d达到排放峰值[192.37 mg·(m2·h)-1], 一周后回落到较低水平, 而此时麦田无作物, WF和WCK处理CO2排放较低.每次施肥后AF和WF的CO2排放峰值分别占各自年累积排放量的1.93%和1.13%.
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图 7 苹果园和麦田中土壤CO2和N2O排放通量 Fig. 7 Soil CO2 and N2O emission fluxes from the apple orchards and wheat fields |
由图 7可看出, 果园和麦田N2O排放通常比较稳定, 仅在施肥和降雨后出现脉冲式上升, 果园最为明显.本研究期内, 各处理N2O排放通量变化范围分别为：AF处理-6.58~677.49 μg·(m2·h)-1, ACK处理-30.89~125.59 μg·(m2·h)-1, WF处理-13.99~80.08 μg·(m2·h)-1, WCK处理-11.32~56.02 μg·(m2·h)-1.各处理的平均排放通量大小顺序为AF>ACK>WF>WCK. 2017年11月4日施肥后果园的N2O排放先升高后降低, 第3 d达到排放高峰[17.11 μg·(m2·h)-1], WF处理施肥后N2O排放一直缓慢升高, 第7 d达到最高[16.24 μg·(m2·h)-1]. WCK的N2O排放未出现明显变化. 2018年4月5日施肥后AF的N2O排放显著高于其他处理, 第5 d达到排放峰值[51.97 μg·(m2·h)-1], WF处理施肥后N2O排放一直缓慢升高, 第7 d达到最高[29.8 μg·(m2·h)-1]后开始下降, WF处理N2O排放在施肥后7 d内持续升高但排放量比AF小, 第7 d升高至29.80 μg·(m2·h)-1. WCK处理N2O排放平稳, 无明显变化. 2018年7月14日施肥后第2 d AF处理N2O通量出现极高的排放峰[677.49 μg·(m2·h)-1], 随后1 d有所下降, 第3~7 d继续缓慢上升. WF和WCK两个麦田处理的N2O排放通量均显著低于AF处理, WF处理在施肥后第1~3 d N2O排放升高, 达到39.49 μg·(m2·h)-1.施肥后土壤N2O排放对年累积排放的贡献较大, AF和WF在3次施肥后N2O的排放峰值分别占全年累积排放的2.85%和1.83%.
2.4 土壤理化性质对CO2和N2O排放的影响通过分析土壤含水量、温度与CO2和N2O排放的相关性得知(表 3)：各处理CO2和N2O的排放通量与表层地温和土壤含水量均呈正相关关系.麦田中WF和WCK的CO2通量与气温、地温分别呈显著(P < 0.05)和极显著正相关(P < 0.01), 但与土壤含水量均无显著相关性.果园中AF和ACK的CO2排放通量仅与表层地温显著相关(P < 0.05).果园N2O排放通量与气温、地温和含水量均呈显著相关性, 其中AF的N2O排放通量与气温、表层地温和含水量均极显著正相关(P < 0.01); ACK的N2O排放通量与气温、表层地温显著相关(P < 0.05), 与土壤含水量极显著相关(P < 0.01). WF和WCK的N2O排放通量与气温、表层地温和含水量在0.01和0.05水平下均未体现出显著相关性.为进一步说明各土壤理化性质对CO2和N2O排放的相对贡献, 对CO2和N2O的排放通量分别与气温、土壤含水量和土壤温度进行逐步回归分析, 除WF外各处理N2O的排放均得出相应的逐步回归方程(表 4). AF、ACK和WCK的CO2排放通量的回归方程中只含表层土壤温度, R2分别为0.155、0.153和0.412, 标准系数分别为0.394、0.391和0.642; WF的CO2排放通量的回归方程中只含气温, R2为0.229, 标准系数为0.479. AF和ACK的N2O排放通量主要受土壤温度和土壤含水量影响, AF处理中土壤温度和土壤含水量的标准化系数分别为0.483和0.460, 土壤温度对N2O排放影响更大; ACK处理土壤温度和土壤水分的标准化系数分别为0.352和0.486, 土壤水分对N2O排放的影响更大. WCK的回归方程P＞0.05, 气温对其N2O排放的影响未达到显著水平.
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表 3 表层土壤理化性质与CO2和N2O排放相关分析(n=30)1) Table 3 Correlation analysis between physical and chemical properties of topsoil and CO2 and N2O emissions (n=30) |
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表 4 表层土壤理化性质与CO2和N2O排放的逐步回归分析1) Table 4 Stepwise regression analysis of physical and chemical properties of surface soil and CO2 and N2O emissions |
2.5 果园和麦田中CO2和N2O的综合温室效应
为评估该地区果园代替麦田后, 温室气体排放对气候变化的效应, 分别计算各处理CO2和N2O的累积排放量和综合温室效应(GWP)以及N2O的排放系数(表 5).在果园和麦田中CO2和N2O为主要的温室气体, 通过差异显著性分析表明果园(AF)的CO2和N2O累积排放量均高于麦田处理, 而果园对照(ACK)的CO2低于麦田, N2O高于麦田.各处理CO2累积排放量的大小关系为AF>WF>WCK>ACK; 各处理N2O气体累积排放量的大小关系为AF>ACK>WF>WCK.通过计算果园和麦田CO2和N2O的增温潜势, 发现果园总体增温潜势显著高于麦田, 各处理增温潜势大小关系为：AF>WF>WCK>ACK, 麦田改种苹果后大幅增加了农田温室效应. AF的N2O排放系数高于WF, 分别为0.40%和0.27%.
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表 5 果园和麦田CO2和N2O年累积排放量、排放系数及增温潜势1) Table 5 Annual cumulative emissions, emission factors and warming potential of CO2 and N2O in the apple orchards and wheat fields |
3 讨论 3.1 不同土地利用方式对CO2排放的影响
两种土地利用方式下的土壤CO2排放具有不同的特征, 排放量差异显著.果园CO2排放量高且波动较大, 麦田排放量低且相对稳定, 这与Wang等[13]的研究结果一致.其中AF的CO2排放显著高于WF, 但ACK的CO2排放低于WCK. AF排放高于麦田与其高施肥量有关, 如图 8所示, CO2的累积年排放与年施氮量存在一定的正相关关系, 与前人研究结果一致[14].这一方面是因为土壤呼吸排放的CO2中有30%~50%来自于作物根系活动或自养呼吸作用, 肥料的施用增加了土壤矿质氮等养分的含量, 促进了作物根系呼吸[15]; 另一方面, 土壤微生物异养呼吸作用也是土壤CO2主要来源[16], 长期施用化肥保证了土壤有机质含量, 充足的有机质可为微生物活动提供底物, 进而促进了土壤微生物活性, 增加土壤CO2排放, 所以土壤氮素可能是造成不同土地利用方式CO2排放差异的主导因素.随有机质含量升高各处理CO2累积排放量也升高, 土壤有机质含量的变化是影响土壤CO2排放的因素之一[17, 18].造成两种土地利用方式有机质含量差异的原因一方面是果园表层土壤的枯枝落叶丰富, 且果树根系生长发达, 根系分泌物也较多, 使有机质得到累积; 另一方面, 麦田翻耕可使土壤有机质的分解速率加快, 促进了碳的分解[19].但本研究中, 除AF和WCK外, 各处理的有机质含量差异不显著, 所以单以有机质含量并不能完全解释两种土地利用方式下土壤CO2排放的差异.
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图 8 CO2和N2O累积年排放与年施氮量的线性相关 Fig. 8 Linear correlation between cumulative annual emissions of CO2 and N2O and annual nitrogen application rate |
两种土地利用方式表层土壤平均温度麦田高于果园1℃, 平均土壤充水孔隙度果园(48.84%)高于麦田(36.57%), 果园和麦田的CO2通量与水分无显著相关性(表 3和表 4), 而与地温相关性显著(P <0.05).说明土壤水分在各因素综合影响土壤CO2排放的过程中并未起到主导作用, 而且土壤水分变化未超出极端范围则难以观测水分对土壤呼吸的影响[20].程建中等[21]也认为, 土壤湿度和CO2排放通量之间无显著相关性.有研究发现旱地对温度的敏感性高于果园[13, 22], 这可能是WF和WCK的CO2通量与气温显著相关的原因.由相关性分析(表 3)和逐步回归分析(表 4)可知, 麦田改果园后土壤CO2排放受温度的影响有所减弱.
3.2 不同土地利用方式对N2O排放的影响不同土地利用方式的植被和管理措施不同, 通过影响土壤水分, 理化性质, 硝化和反硝化过程来改变土壤N2O排放特征, 该研究果园的表层土壤有机质、全氮、含水量和矿质氮含量都高于麦田, 各处理的N2O累积年排放量均存在显著差异(P < 0.05, 表 4), 其中果园排放高于麦田. Pang等[23]在黄土高原果园的研究结果表明, 夏季施用氮肥和降雨后发生N2O脉冲式排放, 果园土壤N2O排放显著高于麦田, 林杉等[24]的研究结果也表明果园的N2O排放高于旱地, 这与本研究得到的结果一致.土壤释放的N2O主要是氮素在微生物作用下的硝化和反硝化过程产生[25], 土壤中氮的富集与人为活动密切相关, 施氮肥是补充土壤氮的主要途径[5], 果园年施氮量(1 172.95 kg·hm-2)远高于麦田(140.0 kg·hm-2), 因而AF处理全氮和矿质氮含量比麦田高.土壤氮素除依靠施肥补充外还与动植物残体的分解有关, 果园土壤表层的枯枝落叶是土壤氮素的来源之一, 因而也是造成果园和麦田氮素累积量差异的关键因素之一.此外, 由于果园高施氮量使可供给微生物利用的底物充足, 使得微生物活性增强, 促使N2O的排放大幅升高[26], 使AF处理的N2O排放显著高于其他3个处理. Shi等[15]的研究表明, N2O的排放随有机质和全氮含量的增加而增加.本研究中各处理土壤有机质含量差异较小, 但果园土壤的矿质氮含量明显高于麦田, 故认为导致果园与麦田N2O排放差异的关键因素是土壤氮素含量.
果园N2O的排放系数为0.40%, 麦田N2O的排放系数为0.27%, 均低于全球平均水平1.16%[27]. Lin等[28]的研究表明随施氮量的增加N2O的排放也会增加, 本研究中果园氮肥施用量大, 导致硝化和反硝化反应加速而使得更多的氮素以气体形式损失, 所以果园N2O的排放系数高于麦田.
不同土地利用方式下土壤水分和温度也有一定的差异, 目前对于温度和水分限制温室气体排放的研究结果不尽相同, 尤其是在干旱和半干旱地区[29, 30], 有人发现将土壤温度和水分结合能更好地解释温室气体通量变化[15].黄土高原地区农业类型主要为雨养农业, 果园和麦田的表层土壤水分受降雨影响较大, 两种土地利用方式的年降雨量一致, 但果园表层土壤水分高于麦田.这可能是与麦田的翻耕使土壤结构发生变化, 导致表层土壤水蒸发速率加快有关.也可能是麦田夏季休闲期无植被覆盖, 土壤水分蒸发比果园强, 且易形成地表径流.本研究果园的N2O通量与地温、水分均表现出显著相关性, 而麦田N2O通量与土壤温度和水分均未表现出显著相关性(表 3和表 4).果园(13.5℃)和麦田(14.5℃)年平均地温差异不显著, 而平均土壤孔隙含水率果园(48.84%)比麦田(36.57%)高33.55%, 因此认为该研究中土壤水分也是造成两种土地利用方式N2O排放差异的关键因素.
4 结论黄土高原地区果园和麦田的CO2和N2O的排放通量随季节变化明显, 春夏季排放旺盛, 秋冬季排放较弱.果园的N2O排放比麦田更易受气温、地温和土壤含水量的影响; 麦田CO2的排放受气温和地温影响明显, 但与土壤水分相关性不显著, 而果园CO2排放只与地温相关性较强.一定范围内有机质含量、氮素含量和施氮量与CO2和N2O的排放具有正相关关系.两种土地利用方式下的植被和田间管理措施不同, 造成果园和麦田表层土壤水分、温度、有机质和氮素含量不同, 导致了果园和麦田土壤CO2和N2O的排放差异.综合来看施肥果园的温室气体排放通量、累积排放量和增温潜势显著高于麦田, 会引起更强的温室效应.
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