环境科学  2020, Vol. 41 Issue (8): 3811-3821   PDF    
引用本文
周慧, 史海滨, 郭珈玮, 张文聪, 王维刚. 有机无机肥配施对不同程度盐渍土N2O排放的影响[J]. 环境科学, 2020, 41(8): 3811-3821.
ZHOU Hui, SHI Hai-bin, GUO Jia-wei, ZHANG Wen-cong, WANG Wei-gang. Effects of the Combined Application of Organic and Inorganic fertilizers on N2O Emissions from Saline Soil[J]. Environmental Science, 2020, 41(8): 3811-3821.
有机无机肥配施对不同程度盐渍土N2O排放的影响
周慧1,2, 史海滨1,2, 郭珈玮1,2, 张文聪1,2, 王维刚1,2     
1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018;
2. 内蒙古农业大学旱区农业节水与水土环境研究所, 呼和浩特 010018
收稿日期: 2020-02-08; 修订日期: 2020-03-06
基金项目: 国家自然科学基金重点项目（51539005）；国家自然科学基金项目（51769024）；内蒙古自治区科技重大专项（zdzx2018059）
作者简介: 周慧(1994~), 男, 博士生, 主要研究方向为土壤氮素循环及环境效应, E-mail:792606382@qq.com
通信作者: 史海滨, E-mail:shb@imau.edu.cn
摘要: 选取内蒙古河套灌区轻度盐渍土S1（EC为0.46 dS·m-1）及中度盐渍土S2（EC为1.07 dS·m-1）为研究对象，在等施氮量条件下，采用静态箱-气相色谱法研究了不同有机无机肥配施比例：CK（不施肥）、U1（240 kg·hm-2化肥）、U3O1（180 kg·hm-2化肥+60 kg·hm-2有机肥）、U1O1（120 kg·hm-2化肥+120 kg·hm-2有机肥）、U1O3（60 kg·hm-2化肥+180 kg·hm-2有机肥）和O1（240 kg·hm-2有机肥）对春玉米农田土壤N2O排放的影响，旨在明确不同施肥策略下土壤N2O排放特征，为制定盐渍化农田合理的减排措施提供理论依据.结果表明，2种不同程度盐渍化土壤N2O排放存在显著差异，同一处理S2土壤N2O排放总量较S1土壤高出11.86%~47.23%（P < 0.05）.各施肥处理对土壤N2O排放通量影响趋势基本一致，即施肥后出现排放高峰，基肥和追肥后累积排放量占整个生育期排放量60%左右.适当施入有机肥可以显著降低土壤N2O排放，S1和S2盐渍土分别以U1O1及O1处理N2O排放量最小，较U1处理显著降低33.62%和28.51%（P < 0.05），同时可以获得较高的玉米产量.各施肥处理N2O排放通量与土壤NH4+-N呈极显著正相关关系（P < 0.01），而与土壤NO3--N含量呈负相关关系，表明硝化作用是盐渍化玉米农田N2O产生的主要途径，配施有机肥可以持续减少土壤NH4+-N供给而减少N2O的排放.从玉米产量及减少温室效应的角度，得到本地区适宜的施肥管理模式：轻度盐渍土为120 kg·hm-2有机肥+120 kg·hm-2化肥，中度盐渍土为240 kg·hm-2有机肥.
关键词: 氧化亚氮(N2O)      盐渍化土壤      有机无机肥配施      铵态氮(NH4+-N)      硝态氮(NO3--N)      土壤孔隙充水率(WFPS)     
Effects of the Combined Application of Organic and Inorganic fertilizers on N2O Emissions from Saline Soil
ZHOU Hui1,2 , SHI Hai-bin1,2 , GUO Jia-wei1,2 , ZHANG Wen-cong1,2 , WANG Wei-gang1,2     
1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China;
2. Institute of Water-saving Agricultural and Soil-water Environment in Arid area, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China
Abstract: Combining organic fertilizer with chemical fertilizer may affect the microbial processes related to nitrous oxide (N2O) emissions under different degrees of soil salinization. A mild saline soil (S1; electrical conductivity (EC) 0.46 dS·m-1) and moderate saline soil (S2; EC 1.07 dS·m-1) in the Hetao irrigation district of Inner Mongolia were selected. Under equal N rates, the study involved five treatments:U1 (240 kg·hm-2 of chemical fertilizer), U3O1 (180 kg·hm-2 of chemical fertilizer+60 kg·hm-2 of organic fertilizer), U1O1 (120 kg·hm-2 of chemical fertilizer+120 kg·hm-2 of organic fertilizer), U1O3 (60 kg·hm-2 of chemical fertilizer+180 kg·hm-2 of organic fertilizer), and O1 (240 kg·hm-2 of organic fertilizer). In addition, a blank control treatment (CK) was employed to investigate the effects of different fertilization treatments on the N2O emissions from the two saline soils. The results showed that the total N2O emissions from the S2 soil in the same treatment were between 11.86% and 47.23% higher than those from the S1 soil (P < 0.05). the dynamic trend of the soil N2O fluxes among the different treatments were similar. The peak N2O emissions occurred after fertilization, and the N2O cumulative emission fluxes accounted for nearly 60% of the emissions during the entire growth period. The proper application of organic fertilizer could significantly reduce the soil N2O emission; the S1 and S2 saline soils treated with U1O1 and O1, respectively, had the lowest N2O emissions, whereby there were significant reductions of 33.62% and 28.51% in comparison to the U1 treatment (P < 0.05). Moreover, higher maize yields could be obtained and the N2O flux was significantly positively correlated with the NH4+-N content (P < 0.01) but negatively correlated with the NO3--N content. The results demonstrated that nitrification was the main way to produce N2O in the studied salinized maize farmland, and that the addition of organic fertilizer could reduce the N2O production by decreasing the soil NH4+-N content. Based on the changes in the corn yield and a reduction in the greenhouse effect, suitable organic and inorganic fertilizer management models for the Hetao irrigation area were the mild saline soil:120 kg·hm-2 of urea +120 kg·hm-2 of organic fertilizer), and the moderate saline soil:240 kg·hm-2 of organic fertilizer.
Key words: N2O      salinization soil      combined application of organic and inorganic fertilizers      NH4+-N      NO3--N      water-filled pore spaces(WFPS)     

全球变暖和土壤盐渍化是国际上存在的主要问题.N2O通过微生物介导的硝化和反硝化过程在土壤中自然产生, 是导致全球变暖的主要温室气体之一[1].有研究表明, 全球温室效应有6%的比例是由于N2O形成[2], 目前, 大气中N2O浓度仍以每年0.2%~0.3%的速度递增[3].据报道, 全球农业土壤每年N2O-N排放量估计可达到3.8~6.8 Tg[4], 是最主要的N2O释放源[5], 其中每年因施用氮肥(含有机氮)所造成直接或间接N2O-N排放约为4 Tg[6].因此, 合理利用氮肥资源方式, 以减少N2O排放及提高粮食生产效率是当前亟待解决的科学问题.

盐渍化土壤是地球上广泛存在的一种土壤类型, 全球约有3.97×108 hm2土地受盐分影响[7].过量盐分不仅会降低作物产量, 而且还会干扰土壤微生物活性, 导致由微生物介导的土壤过程也会受到影响[8, 9].因此, 盐浓度可能对N2O的排放产生显著影响[10].尚会来等[11]的研究表明, 随着盐度升高, 硝化过程中N2O产量和转化率均有大幅度上升. Oren[12]的研究表明, 在嗜盐微生物存在的情况下, 反硝化过程在盐接近饱和时普遍存在, 这可能导致大量N2O排放.代伟等[13]的研究发现, 高盐碱环境会抑制N2O还原酶的活性, 从而使异养反硝化过程产生大量N2O.可见, 对于限制盐渍化土壤中N2O的排放极为重要.

由于盐渍化土壤生产力较差, 农民通常大量施用氮肥以提高产量, 但施用氮肥的同时也会造成可溶性盐的累积[14], 从而对作物生长会产生抑制作用[15].有机肥是中国最为传统的农业肥料[16], 其作为改良土壤的一种有效方法在世界范围内被广泛采用.盐渍化农田中施加有机肥能降低土壤容重、电导率及交换性钠离子[17], 还可以为微生物提供能量[18], 提高微生物活性及微生物量[19].有机物质的输入通过影响微生物的活动, 进而可能影响N2O的排放[20, 21].Reddy等[22]的研究表明, 施用有机肥有利于减少受盐影响土壤的N2O排放.也有学者研究发现施入有机肥会促进N2O排放[23].有机肥对盐渍化土壤N2O排放的影响尚未有一致结论.

我国盐渍化土壤覆盖面积约为3 670万hm2[24].内蒙古河套灌区是我国重要粮食产区, 盐渍化面积已达到灌溉总面积的50%以上[25], 盐渍化程度较高且差异较大.当地过分依赖化肥大量投入造成生态环境恶化日益严重.因此, 针对灌区不同程度盐渍化土壤制定合理的施肥模式对氮素养分高效利用及降低氮素面源污染具有重要意义.基于以上背景, 本文针对不同程度盐渍化玉米农田为研究对象, 探讨不同有机无机氮肥配施比例对春玉米农田土壤N2O排放特征的影响, 以期为不同程度盐渍化土壤氮循环、农田增汇减排及减小环境污染提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 试验区概况

本试验于内蒙古河套灌区解放闸灌域沙壕渠试验站(40°54′40″N, 107°9′57″E, 海拔1 034 m)进行, 试验区属于典型的干旱地区, 多年平均降雨量143 mm, 蒸发量2 100 mm, 多年平均气温达到7.7℃, 无霜期为135~150 d.大于10℃的年积温为3 551℃, 年平均日照时数3 200 h, 年冻融期大约在180 d左右.全年太阳总辐射约为6 000 MJ·m-2, 热量充足.土壤为典型的硫酸盐-氯化物型盐土, 0~20 cm土层为粉壤土, 20~40 cm土层为粉质黏壤土, 40~60 cm土层为粉壤土, 60~100 cm为砂壤土.施肥处理前耕层初始土壤性质详见表 1.

表 1 试验区土壤基本性状1) Table 1 Basic properties of the tested soils

1.2 试验设计

本试验开展于2019年, 为连续定位试验的第2 a, 种植作物为玉米(内单314), 播种日期为4月25日, 收获日期为9月13日.参考当地优化畦灌灌水定额750 m3·hm-2作为灌水量[26], 优化施氮量240 kg·hm-2为施氮总量, 在S1(轻度盐渍土, EC:0.46 dS·m-1)、S2(中度盐渍土, EC: 1.07 dS·m-1)盐渍化农田上设置6个处理, 重复3次, 分别为：CK(不施肥)、U1(240 kg·hm-2化肥)、U3O1(180 kg·hm-2化肥+60 kg·hm-2有机肥)、U1O1(120 kg·hm-2化肥+120 kg·hm-2有机肥)、U1O3(60 kg·hm-2化肥+180 kg·hm-2有机肥)、O1(240 kg·hm-2有机肥), 具体施肥设计见表 2.共计36个小区, 小区面积为30 m2(6 m×5 m).各小区间设有1 m宽的隔离带并打起15 cm高田埂.供试肥料种类：无机肥料为尿素(含氮46%), 有机肥为商品有机肥(由玉米秸秆腐熟后喷浆造粒而成, 含N10%, P2O5 1%, K2O 1%, 有机质≥45%, 腐殖酸≥17%, S≥8%).有机肥和磷肥(过磷酸钙50 kg·hm-2)于耕作前作为基肥一次性施用(均匀撒施, 并旋耕20 cm), 化肥按1:1比例分别于玉米播种期和拔节期灌水时施入.

表 2 试验处理设计 Table 2 Design of the experimental treatments

1.3 测定项目及方法

利用静态暗箱法进行气体采集, 其尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m, 采样点定于玉米垄间, 于播种后随机确定, 将箱子的底座密封槽埋在土壤中, 在密封槽中加入水, 防止箱内气体外溢, 箱内放置一温度计, 用于测定箱内温度水平.取样时用3通阀进气, 每次取样用100 mL注射器从采样箱采样口抽气约100 mL, 气体采集时间间隔10 min, 每次采样4个.采集的气体在实验室用Agilent 6820气相色谱仪(Agilent 6820D, Agilent corporation)进行测定分析.气体采集时间于2019年4~9月, 在灌溉(6月16日、7月12日和7月27日)、施肥(4月25日和6月16日)和降雨(6月21日)后连续取样, 其他时间取样频率约1周1次, 并根据作物生长及季节变化适当调整.

每次采集完气体的同时, 采用5点法取0~20 cm土层, 过2 mm筛, 一部分用于测定土壤含水率, 一部分用氯化钙浸提法对土壤矿质氮含量进行提取[27].

由以下方法计算N2O气体排放通量[28]：

(1)

式中, K为N2O排放通量[μg·(m2·h)-1], ρ为标准状态下N2O气体密度, 其值为1.977 g·L-1; H为静态暗箱高度(cm), dc/dt为采样时N2O浓度随时间变化的斜率, T为采样箱内平均温度(℃), 273为气体方程常数.

N2O气体排放总量计算公式为[28]：

(2)

式中, Kt为N2O排放总量(mg·m-2), Ki和Ki+1为第i次和第i+1次采样时N2O排放通量[μg·(m2·h)-1], Di和Di+1为第i和i+1次采样时间(d).

N2O排放系数计算公式[28]：

(3)

式中, f为N2O排放系数, FN为施氮处理N2O排放量, FCK为对照处理N2O排放量, CN为氮肥施用量(kg·hm-2).

土壤孔隙充水率(water-filled pore spaces, WFPS)计算公式为：

(4)

式中, VWC为土壤重量含水量, BD为土壤容重(g·cm-3), 并假定土壤密度为2.65 g·cm-3.

1.4 数据分析

用SPSS 22.0与Excel 2016进行分析及图表的绘制, 采用单因素方差分析和LSD法比较不同处理N2O气体排放通量和排放总量的差异.利用Pearson相关系数检验判断N2O排放量与影响因子之间的相关性及显著性水平.

2 结果与分析 2.1 不同程度盐渍土各处理土壤N2O通量变化

CK处理在S1、S2土壤N2O排放通量季节性变化不明显(图 1), 变化范围分别在4.93~61.55 μg·(m2·h)-1和13.22~75.12 μg·(m2·h)-1之间.在整个玉米生长季内, 各施肥处理N2O共出现2次较大的排放峰, 分别出现在基肥(4月25日)、追肥(6月15日)后, 排放通量变化趋势基本一致, 即在施肥后1~2 d迅速达到排放峰, 随后开始逐渐下降, 在作物其余生长阶段, 各处理N2O排放通量均维持在较低水平.在整个观测期内, 各处理土壤孔隙充水率受灌水及降雨影响出现4次峰值, 其最大值为79.76%, 最小值为36.78%.土壤孔隙充水率和N2O变化趋势较为一致, 二者之间呈极显著正相关关系(P＜0.01), 可见, 土壤孔隙充水率是春玉米土壤N2O排放的主要控制因子之一.

图 1 不同处理土壤N2O排放变化 Fig. 1 N2O cumulative emission flux for different treatments

同一处理S2土壤N2O排放通量明显高于S1土壤, 但随着有机肥施入比例增加呈减缓态势.在S1土壤, 各处理在玉米生长前中期表现出随有机肥施入比例增大N2O排放通量先降后升的趋势, 其大小顺序基本表现为U1＞U3O1＞O1＞U1O3＞U1O1, 而在生育后期施入有机肥比例较大的处理N2O排放通量要高于施入化肥较多的处理.在整个玉米生长季内, U1、U3O1、U1O1、U1O3及O1处理平均排放通量分别为297.82、266.90、211.51、247.41和251.10 μg·(m2·h)-1, U1O1处理显著低于其余处理(P＜0.05).

在S2土壤, 各施肥处理在作物生育前中期表现出有机肥施入比例越大N2O排放通量越小的趋势, 而在作物生长后期则呈现出相反态势.在春玉米生长季内U1、U3O1、U1O1、U1O3及O1处理平均排放通量分别达到364.39、336.06、310.55、278.15和271.01 μg·(m2·h)-1, 以O1处理最低, 与U1O3处理之间无显著性差异, 但显著低于其余处理(P＜0.05).

2.2 不同程度盐渍土各处理土壤N2O排放总量、排放系数及作物产量

由表 3可知, 同一处理S2土壤N2O累积排放量均显著高于S1土壤, S2土壤CK、U1、U3O1、U1O1、U1O3和O1处理N2O排放总量较S1土壤分别高出47.23%、23.97%、26.63%、43.26%、14.78%和11.86%, 可见随着土壤盐度的增加N2O排放累积量也随之增加.有机无机配施比例对不同土壤盐分条件N2O排放累积量影响各异, 在S1土壤盐分条件下, N2O累积量随有机肥施入比例呈先降后升的趋势, 以U1处理最大, 为4.97 kg·hm-2, 较其余施肥处理显著高出10.16%~33.50%(P＜0.05), U3O1、U1O3和O1处理之间N2O排放总量无显著性差异, 较U1O1处理显著高出14.64%~21.28%(P＜0.05).在S2土壤盐分条件下, U1处理N2O排放总量为6.17 kg·hm-2, 随着有机肥施入比例增大N2O排放总量逐渐减少, O1处理N2O排放量较其余处理显著降低(除与U1O3处理不显著外)1.98%~28.47%(P＜0.05).

表 3 不同施肥处理下土壤N2O累积排放量、直接排放系数和作物产量1) Table 3 Cumulative soil N2O emissions, direct emissions factor, and grain yield relative to the fertilization treatments

本试验S1土壤各处理N2O直接排放系数介于1.23%~1.76%之间(表 3), U1处理N2O的排放系数最高, 显著高于其它处理(P＜0.05); U3O1处理N2O的排放系数与U1O3及O1处理相似, 并显著高于U1O1处理(P＜0.05).S2土壤各处理N2O直接排放系数介于1.53~2.10之间, U1处理N2O的排放系数显著高于其余处理(P＜0.05); U3O1的排放系数与U1O1处理相似, 显著高于U1O3和O1处理(P＜0.05).

随着土壤盐分增加玉米产量显著降低(表 3), 相同处理下S1土壤玉米产量较S2土壤显著提高41.81%~67.03%(P＜0.05);不同有机无机肥配施比例对于作物产量同样具有显著影响, 在S1盐渍土, U1O1处理玉米产量最高, 为11 902.91 kg·hm-2, 此外, U1O3处理也具有较高产量, 二者之间无显著性差异(P＞0.05), 但分别较单施化肥显著高出19.78%和11.58%(P＜0.05).在S2盐渍土, 表现出随着有机肥施入比例越大产量越大的趋势, O1处理玉米产量最大, 为7 609.67 kg·hm-2, 与U1O1及U1O3处理之间差异不显著(P＜0.05), 较单施化肥显著高出17.57%(P＜0.05).

2.3 降水量及土壤温度变化

春玉米生长季内, 降水量及土壤温度及动态变化见图 2.试验期内降水量较少, 总量为52.2 mm, 且主要集中在6月下旬, 6月21~26日降雨量达36.86 mm.分析试验期内土壤地温变化得到, 5 cm处土壤温度要高于10 cm处土壤温度, 变化范围分别为10.5~36.9℃和9.2~34.0℃, 春秋季温度较低, 夏季最高.

图 2 降水量及土壤5 cm和10 cm温度变化 Fig. 2 Changes in precipitation and soil temperature at 5 cm and 10 cm

2.4 不同程度盐渍土各处理土壤NH4+-N及NO3--N含量变化

图 3为玉米生长季内土壤NH4+-N的动态变化情况.可以看出, CK处理在整个生育期内土壤NH4+-N含量均处于较低水平, S1和S2土壤NH4+-N变化幅度分别在1.03~10.98 mg·kg-1和0.76~7.32 mg·kg-1之间.各施肥处理土壤NH4+-N在玉米季变化趋势基本一致, 即施肥后1~4 d内, 土壤NH4+-N含量迅速达到峰值, 随后逐渐降至较低水平, 整个高峰期约持续2周左右.

图 3 不同处理土壤铵态氮含量变化 Fig. 3 Variation in the soil NH4+-N content with different treatments

不同土壤盐分条件下, 有机无机肥配施比例所产生的土壤NH4+-N动态过程表现不一.S1土壤, U1及U3O1处理在施基肥后第2 d达到峰值, 分别为77.93 mg·kg-1和63.97 mg·kg-1; U1O1和U1O3处理呈双峰变化, 分别在第2 d和第4 d达到峰值, 最大值分别为53.61 mg·kg-1和59.58 mg·kg-1, O1处理在施肥后第1 d即出现最大值, 为62.17 mg·kg-1.追肥后各处理土壤NH4+-N均在第2 d出现最大值, 但较施入基肥后均明显降低, U1处理较其余施肥处理高出10.63%~43.89%, 在整个高峰期内NH4+-N呈现出U1＞U3O1＞O1＞U1O3＞U1O1的趋势, 而在后期则呈现出相反态势.

S2土壤, 各处理NH4+-N峰值出现时间均较S1土壤有所延迟, 但最大值却有所提高(除O1处理外).基肥后, U1及U3O1处理NH4+-N含量在第3 d达到峰值, 为81.98 mg·kg-1和71.76 mg·kg-1, 分别较S1土壤高出5.19%和13.24%; U1O1和U1O3处理在第4 d出现最大值, 分别为67.29 mg·kg-1和60.48 mg·kg-1, 较S1土壤高出25.52%和1.51%; O1处理在第2 d出现峰值为52.38 mg·kg-1, 较S1土壤降低18.69%.追肥后, 各处理NH4+-N峰值出现时间均在第2 d.在整个高峰期内, 峰值出现前不同处理NH4+-N含量呈现出与S1土壤一致规律, 而最大值较S1土壤有所降低, U1、U3O1、U1O1、U1O3及O1处理较S1土壤分别降低14.98%、16.72%、36.36%、22.71%和14.11%, 而在峰值出现后则表现出有机肥施入比例越大NH4+-N含量越小的趋势.

图 4为玉米生长季内不同程度盐渍化土壤各有机无机配施处理NO3--N含量变化规律.可以看出, CK处理NO3--N含量在整个生育期内波动较小, S1、S2土壤NO3--N变化幅度分别在9.36~20.23 mg·kg-1和5.17~16.45 mg·kg-1之间.而各施肥处理NO3--N含量在生育期内波动较为剧烈, 施肥后土壤NO3--N含量迅速增大, 且峰值出现时间基本一致, 持续一段时间后开始下降, 至作物收获时含量达到最小值.

图 4 不同处理土壤硝态氮含量变化 Fig. 4 Variation in the soil NO3--N content with different treatments

在S1土壤盐分条件下, 基肥后各施肥处理呈现出随着有机肥施入比例增大NO3--N含量先降后升的趋势, U1处理NO3--N峰值为96.73 mg·kg-1, 较其余处理显著高出(除与U3O1处理不显著外)7.63%~37.88%(P＜0.05);追肥后一段时间内呈现出随着有机肥施入比例越大土壤NO3--N含量越小的趋势, 在7月8日之后NO3--N含量基本表现出U1O1＞U1O3＞O1＞U3O1＞U1的规律.

在S2土壤盐分条件下, 基肥后各处理NO3--N峰值出现时间与S1土壤盐分条件下基本一致, 但最大值有所降低, U1、U3O1、U1O1、U1O3及O1处理分别较S1土壤降低55.24%、49.66%、10.96%、12.98%和20.47%, 且以O1处理最大, 为70.23 mg·kg-1, 与U1O3处理差异不显著, 但均显著高于其余处理(P＜0.05);而在追肥后基本呈现出有机肥施入比例越大NO3--N含量越大的态势.

2.5 N2O排放通量与各土壤因子的相关性分析

N2O排放通量与土壤各环境因子相关性分析见表 4, 可以看出, 各处理土壤N2O排放通量与5 cm、10 cm土层土壤温度呈显著负相关关系(P＜0.05), 而与土壤孔隙充水率呈极显著正相关关系(P＜0.01).N2O排放通量与土壤无机氮含量的相关分析表明, 不同有机无机肥配施比例下, N2O排放通量与土壤NH4+-N含量之间均存在极显著正相关关系(P＜0.01).S1土壤, 除U1O1处理N2O排放通量与土壤NO3--N含量呈显著负相关外, 其余处理均无显著相关性; S2土壤, U1O3与O1处理N2O排放通量与土壤NO3--N含量呈显著负相关关系, 其余处理之间相关关系并不显著.

表 4 N2O排放通量与土壤环境的相关性1) Table 4 Correlation between the N2O flux and soil conditions

3 讨论

有研究表明, 氮肥施用是促进土壤N2O排放的主要因素[29, 30], 这与本研究结果一致, 2种不同程度盐渍化土壤各施肥处理在基肥和追肥后均导致N2O大量排放, 这是因为施肥向土壤提供了大量氮素, 为土壤硝化和反硝化作用提供充足底物, 从而利于N2O排放[31, 32].在本研究中, 各有机无机配施处理在施肥初期均出现明显的N2O排放高峰, S1土壤各施肥处理在基肥(施肥后12 d)和追肥(施肥后17 d)初期N2O累积排放量占玉米生长季累积排放的比值分别为23.48%~29.46%和32.94%~38.43%, S2土壤分别为27.01%~30.07%和33.45%~39.00%, 表明土壤N2O排放发生在施肥后较短时间内.这主要是因为基肥施入后, 植株萌发期对氮素利用较少, 土壤中大量无机氮累积导致N2O大量排放; 而在追肥的同时进行灌溉, 且在此期间发生大量降雨, 加速了肥料水解, 导致追肥后N2O排放峰较基肥后更为强烈.

盐渍化土壤中氮素有效性随着盐渍化程度的不同而不同[33], 有研究已指出, 土壤无机氮含量随着盐渍化程度增大而减少[34].本试验研究结果表明, 同一处理中度盐渍土N2O累积排放量显著高于轻度盐渍土, 这可能也是导致高盐度土壤氮素更为匮乏的原因之一.本研究发现, 有机无机配施比例对不同程度盐渍化土壤N2O排放影响不一.S1土壤表现出随着有机肥施入比例增大N2O排放量先降后升的趋势, 其中以有机无机各半配施处理排放量最小.究其原因, 可能是因为在盐分较小时, 施入适当的有机肥可以改善土壤理化性质, 促进土壤微生物对氮素的固持, 而在作物生长中后期, 微生物的死亡伴随着体内氮素的释放, 可以在玉米生长季内更好地满足作物对氮素需求, 从而在相同氮素施用量条件下能有效减少氮素向N2O转化[35, 36].同时, 本研究也表明, 单施有机肥也可以较单施化肥显著降低N2O排放量, 一方面是由于有机肥施入提高了异养硝化的无机过程[37]; 另一方面, 有机肥的施入为反硝化细菌提供能量, 促使N2O向N2还原, 从而减少N2O排放[38].在S2盐分条件下, 表现出随着有机肥施入比例增大N2O排放量逐渐减少的趋势.这是因为在高盐环境下, 亚硝酸盐氧化菌活性受到抑制, 使土壤硝化过程基本停留在亚硝酸盐阶段[39], 延缓了硝化进程, 这可能也是高盐土壤环境产生更多N2O的原因, 因此, 在高盐条件下需要施入大量有机肥提高土壤微生物活性[40], 从而促进土壤亚硝态氮向硝态氮的转化速率, 减少硝化过程中N2O的排放.此外, 在高盐条件下N2O还原酶活性会受到抑制[13], 增大有机肥施入比例可能会改善这一情况, 利于减少异养反硝化过程N2O排放量.本研究春玉米N2O排放系数为1.23%~2.10%, 较其它非盐渍化地区要明显提高[41~43], 这可能是因为土壤中盐分的存在会促进土壤N2O的排放, 同时, 河套灌区地下水埋深较浅, 且生育期内连续的灌溉致使土壤湿度适宜, 利于土壤N2O排放.此外, 本试验CK处理已连续2 a未进行施肥, 使得产生N2O的底物显著减少, 导致计算N2O排放系数的本底值较小.

土壤温度通过影响微生物代谢强度进而改变硝化反硝化过程, 有研究表明, 通常N2O产生随着土壤温度升高而增加[44].但在本研究条件下, 各施肥处理N2O通量与5 cm及10 cm土壤温度呈显著负相关关系(P＜0.05).究其原因, 这主要与研究区气候及种植制度有关, 本试验区属于干旱地区, 春玉米生长季内仅降雨67.5 mm, 加之该地区盐渍化程度较为严重, 土壤氮素相对匮乏, 水氮状况强烈限制土壤N2O排放状况, 故土壤温度对N2O排放影响有限.同时, 在玉米基肥期及追肥期气温较低, 施肥期间的肥料效应对于N2O排放影响要明显大于土壤温度效应[45], 而进入7、8月气温高峰期时却不再施肥, N2O排放量也相应减少, 导致土壤温度出现负效应.有研究表明, 土壤水分及温度通过影响微生物活性、通气状况, 进而影响土壤N2O产生过程[46].一般来说, 15~35℃是硝化作用微生物活动的适宜温度范围[47], 本研究生育期大多时间土壤温度处于这一区间, 利于土壤硝化作用的进行.姚志生等[48]的研究表明, 当土壤孔隙充水率在75%之下时, N2O排放通量与土壤湿度呈正相关, 反之则呈负相关, 这与本研究结果基本一致, 即当土壤孔隙充水率介于36.78%~79.76%之间时, 春玉米农田土壤N2O排放与土壤孔隙充水率呈极显著正相关关系(P＜0.01).

大量试验证明, 无论是硝化还是反硝化作用, 土壤中NH4+-N和NO3--N含量是限制N2O产生的根本因素[46, 49].前人研究表明, 土壤中无机氮含量越多, 氮素被转化为N2O的几率越大[50].本研究发现, 土壤N2O排放通量与NH4+-N含量呈极显著正相关关系(P＜0.01), 而与NO3--N含量呈负相关关系.可见, 灌区盐渍化玉米农田土壤NH4+-N对N2O贡献占主要地位, 即硝化作用是产生N2O的主要过程, 这与陈哲等[51]的研究结果基本一致.He等[52]的研究表明, 施入有机肥可以为氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)提供基质、养分及适宜的环境, 从而利于土壤硝化作用的进行.此外, 有学者发现有机肥处理的土壤AOB硝化潜势及AOB数量明显高于化学氮肥[53].因此, 不同程度盐渍化土壤施入适宜有机肥均利于土壤氨氧化微生物的生存, 从而加快土壤NH4+-N向NO3--N的转化速率, 缩短土壤硝化过程, 可以有效减少硝化过程中N2O排放量.

本研究发现, 随着土壤盐分的升高, 作物产量也显著降低(P＜0.05), 这与N2O排放的结果一致, 这可能是因为土壤盐度升高会抑制作物对氮素的有效吸收利用[54], 从而为土壤N2O排放提供充足底物, 利于N2O的排放.在不同盐渍化土壤, 合理的施肥方式应该在保证作物产量的同时减少N2O排放.整体来看, 相较于单施化肥, 本研究配施有机肥可以减少N2O排放量, 同时也可以显著提高作物产量(P＜0.05), 轻、中度盐渍土分别以有机无机各半配施及单施有机肥产量最大, 这也从侧面反映出单施化肥并不能满足作物对养分的需求, 反而会激发N2O排放, 不利于农业生产的可持续发展.可见, 不同程度盐渍化土壤适当的有机肥配施比例不仅能减少环境污染, 同时也利于作物获得高产.

有研究指出, 土壤盐分通过调控土壤硝化反硝化作用, 显著影响不同盐渍化程度土壤N2O排放[55].本研究表明, 当盐分水平低于1.07 dS·m-1时, 土壤N2O排放主要以硝化过程为主, 通过合理调配有机无机配施比例来改变土壤硝化过程可以有效降低N2O排放量, 而随着盐分继续增大, 土壤通透性进一步下降, 土壤可能逐渐由好氧环境向厌氧环境转变, 反硝化作用将成为N2O产生的重要来源, 因此, 针对灌区盐渍化程度更为严重的土壤该如何合理施肥还有待进一步深入研究.

4 结论

本研究通过连续2 a有机无机肥配施对不同程度盐渍土N2O排放的响应, 发现随着土壤盐度升高, N2O累积排放量增加; 配施有机肥可以显著减少盐渍土N2O累积排放量, 轻、中度盐渍土分别以有机无机各半配施及单施有机肥N2O排放量及排放系数最低, 同时可以获得最高产量; 施肥方式调控着土壤NH4+-N和NO3--N水平, 是土壤N2O排放的主要调控因子, 同时, 土壤孔隙充水率也是影响N2O排放的重要环境因子.

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