环境科学  2022, Vol. 43 Issue (3): 1668-1677   PDF    
引用本文
彭毅, 李惠通, 张少维, 阳婷, 王筱斐, 周春菊, 王林权. 秸秆还田、地膜覆盖及施氮对冬小麦田N2O和N2排放的影响[J]. 环境科学, 2022, 43(3): 1668-1677.
PENG Yi, LI Hui-tong, ZHANG Shao-wei, YANG Ting, WANG Xiao-fei, ZHOU Chun-ju, WANG Lin-quan. Effect of Film Mulching, Straw Retention, and Nitrogen Fertilization on the N2O and N2 Emission in a Winter Wheat Field[J]. Environmental Science, 2022, 43(3): 1668-1677.
秸秆还田、地膜覆盖及施氮对冬小麦田N2O和N2排放的影响
彭毅1, 李惠通1, 张少维1, 阳婷1, 王筱斐1, 周春菊2, 王林权1     
1. 西北农林科技大学资源环境学院, 杨凌 712100;
2. 西北农林科技大学生命科学学院, 杨凌 712100
收稿日期: 2021-05-11; 修订日期: 2021-08-07
基金项目: 国家自然科学基金项目(32072682); 国家重点研发计划项目(2017YFD0200100)
作者简介: 彭毅(1995~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为温室气体排放与植物营养, E-mail: pengyi805@163.com
通信作者: 周春菊, E-mail: zhchju@nwsuaf.edu.cn; 王林权, E-mail: linquanw@nwsuaf.edu.cn
摘要: 为探究不同耕作方式及施氮水平下黄土高原地区旱地冬小麦田N2O排放规律, 运用静态箱-气相色谱法研究了冬小麦田N2O排放动态.以冬小麦'小偃22'为材料, 采取双因素裂区试验设计, 主区为3种耕作模式: 常规耕作(CT)、秸秆还田(SM)和平膜覆盖(FM); 副区为3种氮水平处理: 不施氮、减氮20%(144 kg·hm-2)和常规施氮(180 kg·hm-2).以常规耕作(CT)为对照, 探讨不同施氮水平下FM和SM对土壤N2O排放产生的影响, 同时分析环境因子与N2O排放通量的相关性, 并根据经验公式估算N2排放量. 结果表明, 各施氮处理的土壤N2O的排放主要集中在施肥后20 d内, 且N2O排放通量峰值出现在施肥后两周之内. 冬小麦田的平均N2O通量为1.92~22.75 μg·(m2 h)-1, 累积排放量为0.10~0.46 kg·hm-2; 肥料氮的N2O排放系数为0.05% ~ 0.28%, N2O全球增温潜势为26.72~122.15 kg·hm-2, N2年排放总量为0.70~1.82 kg·hm-2.施肥和覆膜可以显著提高土壤N2O排放通量(P < 0.05); SM有降低N2O排放总量的趋势. FM下的肥料氮的N2O排放系数和全球增温潜势均显著高于CT和SM(P < 0.05). 不施氮处理的N2O排放只与土壤充水孔隙度(WFPS)显著正相关(P < 0.05); 施氮处理的N2O排放与WFPS、ω(NO3--N)、ω(NH4+-N)和5 cm地温均呈显著正相关(P < 0.05). 因此, 不施肥条件下水分是控制旱地冬小麦田土壤氮素转化和N2O排放的主要因素; 施肥条件下硝化作用和反硝化作用均对N2O排放有贡献. 地膜覆盖和施氮显著增加了旱地N2O排放、肥料氮排放系数和全球增温潜势, 秸秆还田有降低N2O排放的趋势.
关键词: 冬小麦田      秸秆还田      覆膜栽培      氮肥      土壤N2O和N2排放     
Effect of Film Mulching, Straw Retention, and Nitrogen Fertilization on the N2O and N2 Emission in a Winter Wheat Field
PENG Yi1 , LI Hui-tong1 , ZHANG Shao-wei1 , YANG Ting1 , WANG Xiao-fei1 , ZHOU Chun-ju2 , WANG Lin-quan1     
1. College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
2. College of Life Sciences, Northwest A & F University, Yangling 712100, China
Abstract: In order to explore the characteristics of N2O emissions from winter wheat fields in the Loess Plateau under different farming methods and nitrogen levels, the dynamic changes in N2O emissions from rain-fed winter wheat fields were quantified using static box-gas chromatography. Winter wheat 'Xiaoyan22' was used as the material, and a two-factor split area design was adopted. The conventional tillage (CT), straw incorporated into soil (SM), and flat film mulching (FM) were assigned as the main plot, and three nitrogen fertilizer rates (no nitrogen fertilization, 20% nitrogen reduction (144 kg·hm-2), and conventional nitrogen application (180 kg·hm-2)) were assigned as a split plot. Taking CT as a control, the effects of FM and SM on soil N2O emissions under different nitrogen rates were assessed. Furthermore, the correlation between relevant environmental factors and N2O emission flux were analyzed, and N2 emissions were estimated using empirical formulas. The results showed the following: the N2O emissions from the soil of each nitrogen treatment occurred within 20 days, and N2O emission flux peaked within two weeks post-fertilization. The average N2O flux, the total N2O emissions, and the global warming potential of N2O were 1.92-22.75 μg ·(m2 ·h)-1, 0.10-0.46 kg·hm-2, and 26.72-122.15 kg·hm-2, respectively. The N2O emission coefficient of fertilizer nitrogen was 0.05%-0.28%. The total N2 emissions ranged from 0.70-1.82 kg·hm-2. The N fertilization and film mulching significantly increased the N2O emission flux (P < 0.05) and the cumulative N2O emissions (P < 0.05); however, SM marginally reduced the total N2O emissions. The N2O emission coefficient and global warming potential of fertilizer nitrogen under FM were significantly higher than those under CT and SM (P < 0.05). The N2O emissions without nitrogen treatment were only significantly positively correlated with soil water-filled pore spaces (WFPS) (P < 0.05); the N2O emissions in the N fertilization condition were significantly positively correlated with WFPS, ω(NO3--N), ω(NH4+-N), and 0-5 cm soil layer temperature (P < 0.05). Overall, under the condition of no fertilization, water was the main factor to control the nitrogen transformation and soil N2O emission; nevertheless, under the N fertilization condition, both nitrification and denitrification contributed to the N2O emissions in the rain-fed winter wheat fields. Film mulching practice and nitrogen application markedly increased the N2O emissions, fertilizer nitrogen emission coefficient, and global warming potential in the rain-fed winter wheat fields. Nonetheless, straw incorporated into the soil resulted in a marginal reduction in N2O emissions.
Key words: winter wheat      straw retention      film mulching      nitrogen fertilizer      soil N2O and N2 emissions     

N2O作为三大温室气体之一, 被认为是臭氧层破坏的最主要因子[1].N2O对全球变暖的贡献约为6.2%, 据政府间气候变化专门委员会(IPCC)第5次报告显示, 大气中的N2O浓度比工业化前高出20%[2].小麦是我国主要粮食作物之一, 也是黄土高原旱地的主要粮食作物.为了高产稳产, 小麦生产中经常施用大量化学氮肥, 因此带来了一系列环境问题[3, 4].

土壤N2O的主要途径是硝化过程和反硝化过程.施氮对土壤N2O排放有重要影响[5, 6]. 研究表明黄土高原的渭北旱塬小麦生长期内N2O总排放量高达3.0 kg·hm-2[7].秸秆还田作为一种培肥土壤和减少雾、霾的措施近年来受到各方关注, 得到了大力提倡[8].秸秆还田增加了微生物反应底物, 因而促进了土壤N2O的排放[9]; 但秸秆中较高的碳氮比也可能促进土壤氮素固定, 抑制微生物的硝化反硝化作用, 因而减少土壤N2O排放[10]. 地膜覆盖作为一种保墒增温的栽培措施, 在干旱寒冷地区具有显著的增产效应, 得到了大面积推广[11]. 地膜覆盖也间接影响农田氮素转化和N2O的排放.N2是反硝化过程的产物, 也是厌氧氨氧化的产物[12], 在水田或厌氧环境中产生[13], 近年来越来越受到人们的关注, 但在旱地土壤中的研究较少.

冬小麦田生育期N2O排放的研究大多是在灌溉及单一耕作条件下进行的, 而关于常规栽培、秸秆还田和地膜覆盖这3种耕作模式下黄土高原旱地冬小麦田N2O排放特征的报道较少.本试验选取黄土高原地区旱地冬小麦为研究对象, 采用静态箱法-气相色谱法进行了为期两年的原位测定, 探索不同耕作方式及施氮水平下的旱地冬小麦田N2O季节排放特征及影响因子, 以期为全面准确评估秸秆还田和地膜覆盖的生态环境效应, 及温室气体减排提供依据.

1 材料与方法 1.1 试验地概况

本试验于陕西省杨凌区西北农林科技大学曹新庄试验农场(E108°06', N34°18')进行.试验地海拔513 m, 年平均降水量为563 mm, 主要集中在7~9月, 小麦生育期内降雨量约占年降雨量的40%, 年平均气温12.9℃.试验地土壤为旱耕土垫人为土, 基本理化性质为: pH 8.03, ω(有机质)13.28 g·kg-1, ω(全氮)0.91 g·kg-1, ω(无机氮)14.14 mg·kg-1, ω(速效磷)6.21 mg·kg-1, ω(速效钾)124.55 mg·kg-1.

降水量和气温如图 1所示, 2018~2019年和2019~2020年小麦生长季内平均气温分别为8.69℃和9.49℃.生育季内降水量分别为187.2 mm和155.3 mm.

图 1 2018~2020年小麦生育期内日平均气温和降水量 Fig. 1 Daily average air temperature and precipitation in wheat growth periods during 2018-2020

1.2 供试材料与试验设计

供试作物品种为‘小偃22’, 供试肥料为尿素(含氮量46%)和过磷酸钙(含磷量16%).

本试验采取双因素裂区设计, 主区为3种耕作模式: 常规耕作(CT)、平膜覆盖(FM)和秸秆还田(SM); 副区为3种氮素处理: 不施氮、减氮20%(144 kg·hm-2)和常规施氮(180 kg·hm-2).共计9个处理(CT-N0、CT-N144、CT-N180、FM-N0、FM-N144、FM-N180、SM-N0、SM-N144和SM-N180), 每个处理3次重复, 共计27个小区, 各小区面积为5 m×8 m.

小麦播种量为120 kg·hm-2, 小麦行间距为30 cm, 播种深度5 cm.在CT中, 氮、磷肥均匀翻耕到0~15 cm土层; 在SM中, 每年8月中旬用旋耕机将7 000 kg·hm-2小麦秸秆翻耕到0~15 cm土层, 施肥和种植与CT相同; 在FM中, 地膜为半膜覆盖, 即地面一半覆膜、一半裸露(种植带), 地膜覆盖宽度为30 cm, 与种植行交替.在地膜覆盖处理中将肥料集中施于15 cm沟中, 然后覆土覆膜, 小麦播种在地膜覆盖线两侧.所有处理均施用P2O5 120 kg·hm-2做底肥.

冬小麦分别于2018-10-05和2019-10-11施肥播种, 2019-06-01和2020-06-01收获.N2O排放通量及各相关环境因子的观测周期分别为2018-10-06~2019-06-01和2019-10-12~2020-06-01(受疫情影响, 2020-01-12~2020-05-09未测).试验田人工除草, 农场统一防治病虫害.

1.3 测定项目与方法 1.3.1 N2O气体样品采集与测定

N2O气体采集与测定使用密闭式静态暗箱-气相色谱法进行.密闭箱(规格为20 cm×20 cm×20 cm)箱体材料为PVC材质, 由上下两部分组成, 形成一个密闭环境.箱体侧面中部设有取样口, 由三通阀连接控制开关, 箱体顶部插入温度计, 便于采样时记录温度.播种施肥后将下部底座插入所测区域, 测样时将箱体罩于底座, 并用水密封, 结束后取下.采集气体时间固定于08:00~11:00, 分别在密封后0、15和30 min时用注射器抽取箱内气体20 mL.监测频率为播种后两周内每2~3 d采集1次, 之后每7~10 d采一次, 降雨后2 d之内加测一次.采样箱放置于行间, 箱内无作物, 所测得的N2O为土壤中的N2O排放量.气体样品于采样2 d内用气相色谱仪(Agilnet Technologies 7890B)分析气体样品中的N2O含量, 载气为高纯氮(99.999%), 流速为21 mL·min-1, 检测器与柱箱温度分别为300℃和60℃.

1.3.2 土壤环境因子的采集与测定

本试验期间土壤相关环境因子的测定与气体采集同步进行.在小区内固定位置埋置5 cm直角地温计.每次收集气体后, 在各处理多点采集耕层(0~10 cm)土样后混匀.

土壤含水量: 烘干法测定.

土壤充水孔隙度(water-filled pore space, WFPS)计算公式:

(1)

式中, VSWC为土壤体积含水率(VSWC=土壤质量含水量×BD); BD为土壤体积质量取平均值1.51 g·cm-3; PD为土壤密度, 取值2.65 g·cm-3.

土壤NO3--N和NH4+-N含量: 1 mol·L-1的KCl溶液作为浸提液, 土∶浸提液=1∶10, AA3连续流动分析仪测定.

土壤pH值: 酸度计测定, 土∶水为1∶2.5.

1.4 数据处理与分析

N2O排放通量计算公式[14]:

(2)

式中, F为N2O排放通量[μg·(m2·h)-1], P为采气时大气压力(hPa), T为采气时箱内平均温度(℃), H为采样箱高度(m), dc/dt为N2O浓度变化速率[μL·(L·min)-1], 即0、15和30 min测得气体含量与对应时间的斜率.

N2O季节排放总量计算公式[15]:

(3)

式中, T为N2O季节排放总量(kg·hm-2); Fi和Fi+1分别为第i和i+1次采样时N2O平均排放通量[μg·(m2·h)-1]; Di和Di+1分别为第i和i+1次采样时间(d).

N2O排放系数(EF)指单位面积施用氮肥引起的N2O排放量, 计算公式[5]:

(4)

式中, N2ONT为小麦生长季施肥处理N2O排放总量, kg·hm-2; N2ON0为小麦生长季对照处理(N0)N2O排放总量, kg·hm-2; N为小麦生长季氮肥施用量, kg·hm-2.

N2排放总量(kg·hm-2)计算公式为(适合西北地区)[16]:

(5)

式中, A、k1、k2、B和C为常数项, A=0.030 4±0.41; k1=3.109±1.139; k2=2.485±1.601; B=0.48±0.009; C=0.002±0.039; [NH4+]和[NO3-]表示0~10 cm耕层土壤NH4+-N和NO3--N的含量(mg·kg-1); W为土壤充水孔隙度(%); Tc为5 cm土壤温度(℃).

N2O全球增温潜势(GWP)计算公式[17]:

(6)

式中, N2ONT为N2O累计排放总量(kg·hm-2); 265为N2O全球增温潜势系数.

利用Microsoft Excel 2016进行相关数据计算, Origin 2018制图, 对土壤N2O排放通量与土壤环境因素采用皮尔森相关分析, 并用IBM SPSS Statistics 19进行ANOVA方差分析及LSD多重比较(各指标中, 相同耕作不同施氮和不同耕作相同施氮使用单因素方差分析, LSD多重比较检验差异是否显著).

2 结果与分析 2.1 土壤N2O排放通量动态变化

小麦生长季的土壤N2O排放通量动态变化见图 2.两年土壤N2O排放通量变化趋势大致相同, 均为先升高后降低, 然后趋于平稳.土壤N2O的排放主要发生在施肥后的20 d以内. 2019~2020年的生育前期N2O排放通量明显高于2018~2019年.

图 2 冬小麦生长季不同耕作方式及施氮量下土壤N2O排放通量周年动态变化 Fig. 2 Annual dynamic changes in soil N2O emission flux under different tillage and N rates during the winter wheat growing season

2018~2019年小麦生长季, 各施氮处理的平均N2O排放通量在3.78~5.94 μg·(m2·h)-1范围内, 变幅较大; 不施氮处理平均N2O排放通量在1.95~2.18 μg·(m2·h)-1范围内, 全年都处于较低水平, 变幅小.氮肥施用明显增加了N2O的排放.相同耕作下, 土壤N2O排放通量均表现为: N180＞N144＞N0; 相同施氮量下, 各耕作平均排放通量为: FM＞CT＞SM.CT和SM处理均于施肥后第5 d出现N2O排放通量峰值[12.70 μg·(m2·h)-1和11.38 μg·(m2·h)-1], CT-N144和CT-N180处理峰值分别为对照(不施氮肥, 下同)的3.10倍和4.78倍, SM-N144和SM-N180处理峰值分别为对照的3.69倍和4.40倍; FM处理土壤N2O排放通量峰值[18.03 μg·(m2·h)-1]出现在施肥后第12 d, 其中FM-N144和FM-N180处理峰值分别为对照的7.07倍和11.30倍. 2019~2020年小麦生长季的平均N2O排放通量趋势与上一季相同.在施肥后一周内, 出现了降雨, 土壤含水量高, 有利于土壤硝化作用和反硝化作用, 增加了N2O的排放.各施氮处理的平均N2O排放通量在10.67~22.75 μg·(m2·h)-1范围内, 不施氮处理平均N2O排放通量在1.92~2.50 μg·(m2·h)-1范围内.

2.2 土壤水热状况及pH和矿质氮的动态变化

图 3为两年小麦生长季的5 cm地温、土壤充水孔隙度(WFPS)和土壤pH值的年动态变化图.两年小麦生长季的WFPS变化呈现锯齿形波动, 变化幅度为19.34%~95.88%; 3种耕作下的WFPS平均值均为: SM≈FM>CT.各耕作下的5cm土壤温度变化趋势大致相同, 变化幅度为-3.1~25.7℃. 2018~2019年5 cm处CT、FM和SM处理间的平均地温分别为12.80、13.17和12.84℃(其中FM膜内和膜外的平均温度分别为13.59℃和13.03℃). 2019~2020年5 cm处CT、FM和SM处理间的平均地温分别为12.24、13.23和13.17℃(其中FM膜内和膜外的平均温度分别为14.30℃和12.88℃).随着施肥量的增加, 土壤pH呈现下降趋势, 小麦生育前期下降趋势明显.

土壤WFPS(n=9)和5 cm地温(n=3)是不同耕作模式下, 3个施氮水平的平均值; 土壤pH(n=9)是不同施氮水平下, 3种耕作模式的平均值 图 3 不同耕作模式下土壤水热状况及不同施氮水平下土壤pH动态变化 Fig. 3 Dynamic changes in soil water and heat conditions under different tillage modes and soil pH under different nitrogen levels

图 4为两年小麦生育期内0~10 cm土层NO3--N和NH4+-N含量的动态变化.两年小麦季, 各耕作下表层土壤ω(NO3--N)变化范围为: 2.24~377.45(CT)、2.77~517.92(FM)和2.80~372.40(SM)mg·kg-1.各施氮处理土壤ω(NO3--N)随季节变化幅度较大.

图 4 2018~2020年冬小麦生长季不同耕作及施氮量下土壤ω(NO3--N)和ω(NH4+-N)动态变化 Fig. 4 Dynamic changes in soil ω(NO3--N) and ω(NH4+-N) under different tillage methods and nitrogen application rates in the winter wheat growing season during 2018-2020

两年小麦季, 各耕作下表层土壤ω(NH4+-N)变化范围为: 0.29~181.25(CT)、0.20~212.94(FM)和0.32~146.62(SM)mg·kg-1.与对照(N0)相比, 施氮处理表层土壤ω(NH4+-N)随施氮量增加而增加, 呈现先升高后降低的趋势, 在施肥后10 d内出现峰值(图 4).

2.3 土壤N2O排放通量与土壤环境因素的相关分析

为探讨旱地冬小麦田N2O的主要来源与主控因素, 通过逐步回归方法研究了土壤N2O排放通量与土壤WFPS、ω(NO3--N)、ω(NH4+-N)、5 cm地温和土壤pH值的关系, 结果见表 1.不施氮条件下, 土壤N2O排放通量仅与土壤WFPS相关, 施氮条件下, N2O排放受土壤WFPS、5 cm地温及土壤ω(NO3--N) 和ω(NH4+-N)多种因素的综合影响.

表 1 耕层土壤理化性质与N2O排放的逐步回归分析1) Table 1 Stepwise regression analysis of the physical and chemical properties of tillage and N2O emission

2.4 土壤N2O和N2年排放总量

表 2为两年小麦生长季土壤N2O和N2年排放总量.两年N2O排放总量变化趋势一致, 均随施氮量的增加而增加; 相同施氮下, 各耕作均表现为: FM > SM > CT.两年小麦生长季的平均土壤N2O排放总量中, 各施氮处理范围为(0.20±0.02)~(0.46±0.16)kg·hm-2, 不施氮处理为(0.10±0.01)~(0.12±0.02)kg·hm-2.在相同施氮条件下, FM显著高于SM和CT(P < 0.05).同一耕作模式下, 施氮与不施氮的N2O排放总量差异显著(P < 0.05).

表 2 土壤N2O和N2排放总量1)/kg·hm-2 Table 2 Total amount of soil N2O and N2 emissions/kg·hm-2

土壤N2排放也是氮肥损失的重要形态, 与土壤N2O排放密切相关, 是环境中活性氮一个永久的汇[15].两年小麦生长季土壤N2排放总量总体趋势相同, 3种耕作方式均表现为: N180 > N144 > N0; 各施氮处理总体表现为: FM > CT > SM. 2019~2020年的N2总排放量显著高于2018~2019(P < 0.05).两年各施氮处理的平均土壤N2排放总量范围为(0.72±0.11)~(1.82±0.09)kg·hm-2, 不施氮处理为(0.70±0.08)~(0.99±0.07)kg·hm-2.相同施氮水平下, 各耕作表现为FM > CT > SM, 且差异显著(P < 0.05), 覆膜显著增加了土壤N2排放.CT和FM施氮处理的N2排放总量显著高于不施氮(P < 0.05), 但SM在3种施氮水平下的N2排放总量差异均不显著.

2.5 肥料氮的N2O排放系数及N2O全球增温潜势

表 3为肥料氮的N2O排放系数及N2O全球增温潜势. 2019~2020年小麦生长季的N2O排放系数和全球增温潜势高于2018~2019年.两年平均肥料氮N2O排放系数介于(0.09±0.01)%~(0.18±0.02)%之间.相同施氮水平下, FM显著高于CT和SM, 覆膜可以显著提高土壤N2O的排放(P < 0.05); 同一耕作下, N2O排放系数随施氮量增加而增大(P < 0.05).两年N2O产生的平均全球增温潜势范围为(26.72±3.87)~(122.15±43.46)kg·hm-2.全球增温潜势随施氮量的增加而显著增加(P < 0.05); 相同施氮水平下, FM处理的N2O全球增温潜势显著高于SM和CT(P < 0.05).

表 3 肥料氮N2O排放系数及N2O全球增温潜势1) Table 3 Fertilizer nitrogen N2O emission coefficients and N2O global warming potential

3 讨论 3.1 氮肥、秸秆还田及覆膜耕作对土壤N2O排放的影响

施氮量是影响土壤N2O排放最直接的因素[18, 19], 施氮量在0~180 kg·hm-2范围内时, 不同耕作下的N2O排放总量均随施氮量的增加而增加(表 2).

耕作方式通过改变土壤含水量、土壤温度和土壤通气状况等, 影响微生物的活性, 进而对土壤N2O排放影响有所差异.关于秸秆还田影响土壤N2O排放的研究结果因地区、秸秆种类及还田量不同而有所差异[20, 21].有研究表明秸秆还田引起土壤N2O的增排[22].也有报道, 当还田量大时秸秆降低了土壤N2O的排放[23].本研究结果表明秸秆还田条件下, 微生物硝化-反硝化底物减少, 因此减少了土壤N2O排放.

地膜覆盖可以增加农田N2O的排放, 一方面是由于地膜的覆盖明显提高了耕层土壤水分、温度以及硝态氮含量[24], 土壤微生物的活性和数量增加, 硝化作用-反硝化作用增强[25], 从而引起土壤N2O的增排; 另一方面, 地膜覆盖使得西北干旱半干旱地区土壤表层较为常见的干湿交替及冻融交替过程被有效地抑制, 膜下的氮素得到一定程度地累积, 在水热条件合适时, 土壤微生物过程加强, 该过程可能增加N2O的排放[26].本试验也得到类似结果, 覆膜处理的耕层土壤水分和温度均高于常规耕作(图 3), 土壤矿质氮含量也较高(图 4), 土壤N2O的排放也多(图 2和表 2).

3.2 氮肥、秸秆还田及覆膜耕作下土壤N2O及N2排放特征

在施氮量0~180 kg·hm-2时, 施用氮肥显著提高了土壤N2O排放通量峰值(图 2).秸秆还田与常规耕作的N2O排放峰值均出现在施肥后一周以内; 覆膜耕作的N2O排放峰值出现在施肥后第2周, 与前人的研究结果一致[26].肥料氮的N2O排放系数和N2O全球增温潜势也是衡量土壤N2O排放量的重要指标[27].在相同施氮处理下, 覆膜耕作显著增加了肥料氮的N2O排放系数(P < 0.05), 但均在0.07%~0.28%范围内, 与李保艳等[4]的研究结果一致, 远低于IPCC规定的1.00%水平[28].而秸秆还田的N2O排放系数及增温潜势均低于常规耕作, 与杭玉浩[30]等和Liu等[31]的研究结果一致. 2019~2020年施肥后出现短暂降雨, 土壤湿度增加(图 3), 尿素的水解、硝化作用和反硝化过程加快, 土壤N2O大量释放, 因此各施肥处理的土壤N2O排放总量, 肥料氮N2O排放系数和N2O全球增温潜势均显著高于2018~2019年.说明降雨显著刺激了旱地肥料氮素转化及N2O排放, 应该重视施肥前后降雨和温度等气候对农田N2O释放的影响.

土壤N2排放是反硝化气态氮损失的途径之一, 也是厌氧氨氧化的产物之一[12, 15, 31, 32].目前关于土壤N2排放研究较少, 本试验根据经验公式和N2O排放通量估算了不同耕作条件下的N2释放情况, 虽然不同耕作下的土壤N2排放总量随施氮量的增加而增加, 但是释放量较低, 说明N2排放不是当地土壤氮素损失的主要途径.主要原因是西北旱地土壤水分少, 缺乏产生N2的极端嫌气环境.

3.3 土壤环境因子对土壤N2O排放的影响

农田土壤N2O是在土壤微生物主导的硝化和反硝化过程中产生的[12, 33, 34], 凡是影响土壤充水孔隙度、温度和pH等环境条件和农业措施, 如耕作、施肥和灌溉等, 均会影响农田土壤N2O的产生和排放.

施肥条件下, N2O释放土壤充水孔隙度、温度、铵态氮和硝态氮具有显著的相关性(表 1), 说明旱地冬小麦生育期的N2O主要通过硝化作用-反硝化途径产生, 这与前人的研究结果一致[5, 35~37].氮肥可以增加土壤中矿质氮(NO3--N和NH4+-N)的含量, N2O排放随施氮量的增加而增加(图 2和表 2).不施肥条件下, N2O排放仅与土壤WFPS相关(表 1), 说明控制土壤N2O产生的主要过程不是硝化-反硝化过程本身, 而是该过程的底物(NH4+-N和NO3--N)产生过程.在不施肥的自然农田生态系统, 土壤中NH4+-N和NO3--N主要来源于有机氮的矿化作用, 底物匮乏(图 4)成为影响N2O产生的主要因素, 因此N2O的产生与排放仅受土壤水分及其控制的矿化作用影响.

4 结论

(1) N2O的排放主要集中在施肥后20 d内, 峰值出现在施肥后两周以内.施氮显著提高了N2O排放通量和排放总量(P < 0.05).覆膜耕作显著提高了土壤N2O排放总量(P < 0.05); 秸秆还田有降低N2O排放总量的趋势.

(2) 肥料氮的N2O排放系数和全球增温潜势均表现为覆膜栽培显著高于常规耕作和秸秆还田(P < 0.05).

(3) 覆膜栽培显著增加了N2排放量, 而秸秆还田显著降低了N2排放量(P < 0.05).

(4) 不施肥的自然农田生态系统, 土壤水分是控制旱地土壤氮素转化、矿质氮来源和土壤N2O排放的主要因素; 施肥条件下, 矿质氮的主要来源是肥料氮, 硝化作用和反硝化作用是N2O排放的主要来源.

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