2022, Vol. 43
2. 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400715
2. Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region's Eco-environments, Ministry of Education, Chongqing 400715, China
N2O是大气中重要的温室气体, 其全球变暖潜力在20 a和100 a时间尺度上分别是CO2的268倍和298倍[1].农业活动是N2O的重要来源, 大约60%的N2O排放来自耕地土壤[2].N2O产生途径的复杂性及其高度的空间和时间变异性, 使得减少土壤N2O排放特别具有挑战性[3].因此, 需要制定合理的管理和技术方法减少土壤N2O排放.
菜地是大气N2O的重要排放来源.中国蔬菜种植面积仅占全国总种植面积的11.4%, 但N2O排放量却达到84.7 Gg·a-1, 对全国农田N2O排放的贡献率为21% ~25%[4].地膜覆盖作为一种改善土壤水热条件、抑制杂草生长和提高作物产量的农业实践措施, 已在中国、美国和欧洲被广泛使用.有研究表明覆膜会增强[5]、降低[6]或无影响[7] N2O的排放, 倪雪等[8]的研究表明地膜覆盖在春夏季可显著减少N2O的排放量, 在秋冬季则显著增加.生物炭是一种稳定和多孔的固体碳质材料, 它是在氧气有限的条件下通过有机废物的热解产生[9].目前, 生物炭对N2O的影响主要为降低其排放量[10~12], 影响因素包括生物炭在土壤中的陈化, 通过氧化和含氧官能团的形成导致生物炭表面性质发生变化[13]、自然吸附有机物导致生物炭孔堵塞, 以及生物炭表面有机矿物复合物的形成[14]等.有研究表明, 覆膜能提高土壤温度和湿度[15, 16], 而温度和湿度的升高会促进生物炭表面氧化, 导致碳含量减少, 表面负电荷增多[17], 从而吸附土壤阳离子矿物质[13], 形成有机-矿物质复合体, 堵塞生物炭上的裂缝和通道, 导致N2O排放减少[18].然而, 迄今为止, 关于地膜覆盖和生物炭施加的共同作用对菜地N2O排放的研究还鲜见报道.因此, 本文以西南地区常见的辣椒-萝卜轮作系统为研究对象, 探讨地膜覆盖和生物炭施加共同作用下菜地N2O的排放规律及影响因素, 以期为菜地N2O减排提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验区概况本试验地点选在西南大学试验农场内, 坐标为东经106°26′, 北纬30°26′, 海拔高度为230 m.属于亚热带季风气候.年日照时数1 276.7 h, 无霜期年均约344 d.试验期间气温和降雨量如图 1所示, 2020年5~9月(辣椒季)平均气温为27.12℃, 总降水量为695.20 mm; 10~12月(萝卜季)平均气温为15.60℃, 总降水量为247.65 mm.本试验土壤为中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥岩母质上发育的中性紫色土, 土壤ω(有机碳)为25.29 g·kg-1、ω(全氮)为1.35 g·kg-1、ω(碱解氮)为56.62 mg·kg-1、ω(总磷)为646.00 mg·kg-1、ω(有效磷)为5.94 mg·kg-1、ω(总钾)为9.44 g·kg-1和ω(有效钾)为102.47 mg·kg-1.
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图 1 2020年试验期间气温和降雨量 Fig. 1 Air temperature and rainfall during the experimental period in 2020 |
本试验以西南地区典型菜地(辣椒-萝卜轮作)为研究对象, 设置了地膜覆盖(FM)和不覆膜(NM)两种方式, 每种方式各设置3种不同的生物炭添加水平, 试验施加的水稻秸秆生物炭购自南京三聚生物质新材料科技有限公司, 生物炭基础理化性质：ω(全氮)为0.61g·kg-1、ω(总磷)为2.0 g·kg-1、ω(总钾)为27.15 g·kg-1、ω(有机碳)为537.97 g·kg-1和比表面积为224.25 m2·g-1.本试验共设置6个处理, 分别是覆膜不添加生物炭(FMB0)、不覆膜不添加生物炭(NMB0)、覆膜添加生物炭20 t·hm-2(FMB20)、不覆膜添加生物炭20 t·hm-2 (NMB20)、覆膜添加生物炭40 t·hm-2 (FMB40)和不覆膜添加生物炭40 t·hm-2 (NMB40), 每种处理有3个重复, 共18个试验小区.每个试验小区有1条垄(长×宽×高：280 cm×80 cm×15 cm), 垄间距为40 cm.菜地田间管理与当地种植习惯保持一致, 所有试验小区化肥施加量相同, 辣椒季和萝卜季化肥施加量也相同.氮肥(尿素, 以N计)、钾肥(以K2O计)和磷肥(以P2O5计)施加量分别为300、100和150 kg·hm-2, 磷肥和钾肥作为基肥一次性施入, 氮肥在基肥和追肥时各施加一半.
由于疫情延迟开学, 2020年5月返校后已错过辣椒的播种时间, 因此于2020年5月27日移栽辣椒苗, 2020年6月21日进行追肥, 辣椒成熟后分批收获, 并于2020年9月2日完成最后一次收获.于2020年9月24日进行菜地翻耕、施肥、覆膜和萝卜籽的播种, 2020年10月23日追肥, 并在2020年12月24日一次性收获.
1.3 样品采集与分析 1.3.1 气体样品采集N2O采用静态暗箱法采集, 垄上采样箱由不锈钢材质制成, 设计为分节组合式标准箱, 由顶箱、延长箱和底座组成, 底座尺寸(长×宽×高：50 cm×50 cm×20 cm), 顶箱和延长箱尺寸(长×宽×高：50 cm×50 cm×50 cm), 箱体外覆隔热材料, 暗箱的内部设有两个轴流风扇, 以使箱内气流得到充分混合, 侧面安装电源插头和气体采集口.垄沟气体采集装置为不锈钢圆桶(直径20 cm、高25 cm), 其顶部装有采集气样的接口.底座在试验开展初期便固定于采样点, 上端有密封水槽(深3 cm、宽2 cm).采样时, 将顶箱与底座上沟槽对齐, 并用水密封, 每隔10 min采集一次样品, 在30 min的时间内共采集4个气体样品.采样频率为一周一次, 在每次施肥和追肥后进行连续3 d的气样采集.采样时间均为09:00~11:00, 在24 h内用Agilent7890A气相色谱仪测定气体样品中N2O含量, 具体工作条件见文献[19].
根据测定样品的N2O含量与气体样品采集时间之间的变化曲线关系, 计算各处理的N2O排放通量(F), 公式如下：
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(1) |
式中, F为排放通量[μg·(m2·h)-1]; H为箱内气室高度(cm); T为采样期间箱内平均温度(℃); p为采样时的大气压(Pa); p0为标准状况下的大气压(Pa); ρ为N2O的密度(g·cm-3); dc/dt为采样期间箱内N2O含量变化速率.
各处理的试验小区均由垄和垄沟组成, 在垄上测得的N2O排放通量为FS; 在垄沟测得的N2O排放通量为FG, 各处理的N2O排放通量(Fm)为垄和垄沟的N2O排放通量与之对应面积的加权平均, 即：
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(2) |
式中, SS为垄上的面积(m2), SG为垄沟的面积(m2), S为SS和SG的总和(m2).辣椒季和萝卜季N2O累积排放量根据公式(3)计算：
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(3) |
式中, A为N2O累积排放量(kg·hm-2), Fi和Fi+1为相邻两次观测所得排放通量, d为相邻两次观测值间隔天数, Fn为试验最后一次观测值.
单位产量的N2O排放强度根据公式(4)计算:
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(4) |
式中, Q为单位产量的N2O排放强度(g·t-1, 以N2O/产量计), A为某处理的N2O累积排放量(kg·hm-2), Y为该处理的作物产量(kg·m-2).
1.3.2 土壤指标测定方法垄上土样每两周采集一次, 采样深度为0~20 cm, 采集的土壤样品一部分风干处理, 一部分放于4℃冰箱保存.土壤各指标测定方法[20]：土壤水分测定采用烘干法; 铵态氮和硝态氮的测定采用流动注射仪; 全氮(TN)采用凯氏定氮法.
1.4 数据处理运用SPSS 19.0对数据进行统计性分析, 不同处理下N2O排放量、土壤重量含水率、地下5 cm温度、全氮、硝态氮和铵态氮的差异显著性采用双因素方差分析.
2 结果与分析 2.1 地膜覆盖和生物炭添加对土壤环境因子的影响 2.1.1 地膜覆盖和生物炭添加对土壤含水率及温度的影响不同处理下土壤含水率如图 2(a)和2(b)所示, 辣椒季土壤含水率先升高后降低, 而萝卜季则一直增高.辣椒季, FMB0、FMB20和FMB40处理下土壤平均含水率分别为(14.37±3.09)%、(16.20±1.65)%和(15.11±2.22)%, NMB0、NMB20和NMB40处理下各土壤平均含水率为(15.66±4.16)%、(15.67±4.17)%和(18.66±3.71)%.生物炭、覆膜及其交互作用对土壤含水率均无显著影响(P＞0.05).萝卜季, FMB0、FMB20和FMB40处理下各土壤平均含水率为(17.43±1.57)%、(13.83±3.69)%和(15.69±2.10)%, NMB0、NMB20和NMB40处理下各土壤平均含水率为(15.35±1.07)%、(13.63±2.61)%和(13.33±4.59)%.生物炭、覆膜及其交互作用对土壤含水率均无显著影响(P＞0.05).
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图 2 不同处理下土壤含水率及温度随时间的变化 Fig. 2 Temporal changes in soil moisture and temperature under the different treatments |
不同处理下土壤地下5 cm温度如图 2(c)和2(d)所示, 各处理地下5 cm温度差异不大且季节变化趋势相同.辣椒季, 地下5 cm平均温度FMB0、FMB20和FMB40处理分别为27.67、27.81和25.29℃, NMB0、NMB20和NMB40处理分别为26.26、26.22和25.35℃.生物炭、覆膜及其交互作用对土壤地下5 cm温度均无显著影响(P＞0.05).萝卜季, 地下5 cm平均温度FMB0、FMB20和FMB40处理分别为19.4、18.27和17.49℃, NMB0、NMB20和NMB40分别为17.81、17.49和16.78℃.生物炭、覆膜及其交互作用对土壤地下5 cm温度均无显著影响(P＞0.05).
2.1.2 地膜覆盖和生物炭添加对土壤氮素的影响土壤全氮含量如图 3(a)和3(b)所示, 辣椒季, FMB0、FMB20和FMB40处理ω(全氮)平均值分别为(0.55±0.06)、(0.74±0.03)和(0.84±0.18)g·kg-1, NMB0、NMB20和NMB40处理ω(全氮)平均值分别为(0.58±0.08)、(0.74±0.09)和(0.70±0.10)g·kg-1.生物炭、覆膜及其交互作用对土壤全氮均无显著影响(P＞0.05).萝卜季, FMB0、FMB20和FMB40处理ω(全氮)平均值分别为(0.66±0.19)、(0.79±0.19)和(0.86±0.19)g·kg-1, NMB0、NMB20和NMB40处理ω(全氮)平均值分别为(0.66±0.16)、(1.02±0.22)和(0.76±0.20)g·kg-1.生物炭、覆膜及其交互作用对土壤全氮均无显著影响(P＞0.05).
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图 3 不同处理下土壤氮素含量随时间的变化 Fig. 3 Temporal variations in soil nitrogen contents under the different treatments |
土壤硝态氮含量如图 3(c)和3(d)所示, 辣椒季, 在B0、B20和B40水平下ω(硝态氮)平均值(mg·kg-1)分别为42.41±12.09(FM)＞12.75±3.07(NM)、97.16±27.48(FM)＞15.74±5.11(NM)和55.56±11.07(FM)＞13.88±4.62(NM), 覆膜极显著提高了硝态氮含量(P＜0.001), 但生物炭及其交互作用对硝态氮无显著影响(P＞0.05).萝卜季, FMB0、FMB20和FMB40处理ω(硝态氮)平均值分别为(122.65±54.21)、(91.40±36.95)和(22.49±14.84)mg·kg-1, NMB0、NMB20和NMB40处理ω(硝态氮)平均值分别为(16.14±8.19)、(19.55±9.31)和(71.56±57.96)mg·kg-1, 生物炭、覆膜及其交互作用对硝态氮均无显著影响(P＞0.05).
不同处理下土壤铵态氮的季节变化趋势相同, 如图 3(e)和3(f)所示, 辣椒季, FMB0、FMB20和FMB40处理ω(铵态氮)平均值分别为(53.31±1.57)、(189.64±74.26)和(153.05±61.29)mg·kg-1, NMB0、NMB20和NMB40处理ω(铵态氮)平均值分别为(53.75±25.91)、(59.93±36.91)和(50.04±28.98)mg·kg-1, 覆膜能显著提高铵态氮含量(P＜0.05), 但生物炭及其交互作用对铵态氮无显著影响(P＞0.05).萝卜季, FMB0、FMB20和FMB40处理ω(铵态氮)平均值分别为(53.38±17.82)、(37.72±12.09)和(36.57±15.91)mg·kg-1, NMB0、NMB20和NMB40处理ω(铵态氮)平均值分别为(38.50±14.45)、(34.18±14.30)和(42.21±18.03)mg·kg-1.生物炭、覆膜及其交互作用对铵态氮均无显著影响(P＞0.05).
2.1.3 地膜覆盖和生物炭添加对产量的影响辣椒季, 不同处理下产量如表 1所示, 分析结果表明, 生物炭和覆膜对作物产量有极显著影响(P＜0.001), 其交互效应也有显著影响(P＜0.01).相对于NM, FM在B0、B20和B40水平分别提高了116.80%、15.85%和161.32%的辣椒产量.不论覆膜与否, 生物炭的添加均显著提高了辣椒产量(P＜0.001).FM处理下, FMB20和FMB40产量相似, 比FMB0提高了21.59%和22.09%.NM处理下, NMB20产量最高, 比NMB0增加了127.55%, 但NMB40却与NMB0产量相同, 未有大幅提升.萝卜季, 不同处理下作物产量如表 2所示.相对于NM, FM在B0、B20和B40水平下分别提高了71.73%、43.97%和75.80%的萝卜产量(P＜0.001), 但生物炭及其交互效应对萝卜产量均无显著影响(P＞0.05), 不论覆膜与否, B20水平下萝卜产量最高.
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表 1 辣椒季产量、N2O累积排放量和N2O排放强度 Table 1 Yield, cumulative N2O emission, and N2O emission intensity during hot pepper season |
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表 2 萝卜季产量、N2O累积排放量和N2O排放强度 Table 2 Yield, cumulative N2O emission, and N2O emission intensity during radish season |
2.2 地膜覆盖与生物炭添加对N2O排放的影响
图 4显示了不同处理下辣椒-萝卜轮作菜地N2O排放通量的季节变化.整个试验观测期内, 在所有处理下, 辣椒季追肥后出现N2O排放通量峰值, 萝卜季则在基肥和追肥时均出现排放通量峰值, 不同生物炭添加水平下, 菜地的N2O排放通量随季节变化趋势大致相同, 说明生物炭的添加没有改变菜地N2O排放的季节变化规律.覆膜能提高辣椒季N2O排放通量的峰值, 但对萝卜季无影响.辣椒季N2O排放通量[μg·(m2·h)-1]峰值分别为：FMB0(382.94±113.98)＞NMB0(287.98±91.75)、FMB20(361.13±119.35)＞NMB20(185.81±74.84)、FMB40(252.43±131.93)＞NMB40(236.93±83.21).生物炭能降低萝卜季N2O排放通量的峰值, 但对辣椒季无影响.萝卜季FM处理下不同生物炭添加水平下N2O排放通量[μg·(m2·h)-1]峰值为：B0(365.99±113.98)＞B40(360.52±134.22)＞B20(111.17±30.04), NM处理下不同生物炭添加水平下N2O排放通量[μg·(m2·h)-1]峰值为：B0 (338.11±117.08)＞B20 (204.60±3.99)＞B40 (181.24±43.61).
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图 4 N2O排放通量的季节变化趋势 Fig. 4 Seasonal variations in N2O fluxes |
辣椒季, 不同处理下的N2O累积排放量如表 1所示, FM显著增加了N2O累积排放量(P＜0.05), 而生物炭及其交互作用影响则不明显(P＞0.05).在B0、B20和B40水平下, 与NM相比, FM分别提高了52.87%、52.97%和52.49%的N2O累积排放量(P＜0.05).萝卜季, 不同处理下的N2O累积排放量如表 2所示, FM对N2O累积排放量无显著影响(P＞0.05), 生物炭极显著减少N2O累积排放量(P＜0.001), 交互效应对N2O累积排放量有显著影响(P＜0.05).与NMB0相比, NMB20和NMB40分别减少了28.76%和47.84%的N2O累积排放量(P＜0.01), 与FMB0相比, FMB20和FMB40分别减少了67.88%和48.26%的N2O累积排放量(P＜0.001).
由表 1可知, 辣椒季FM对产量和N2O累积排放量均有显著促进作用, 因而导致对N2O排放强度的影响并不显著.然而, 生物炭显著降低了N2O排放强度(P＜0.01), 与FMB0相比, FMB20和FMB40分别降低了50.57%和47.60%.与NMB0相比, NMB20和NMB40分别降低了71.06%和11.35%.不论覆膜与否, B20水平下N2O排放强度最低.鉴于覆膜能显著提高辣椒产量, 且B20水平下产量提升作用最明显.因此, 对辣椒季而言, FMB20是辣椒季最优的农田管理措施.
由表 2可以看出, 萝卜季生物炭和覆膜都显著降低了N2O排放强度(P＜0.01).在B0、B20和B40水平下, 与NM相比, FM分别降低了17.78%、55.74%和19.87%的N2O排放强度.与FMB0相比, FMB20和FMB40分别降低了97.03%和47.86%的N2O排放强度.因此, FMB20处理下萝卜产量最高而N2O排放最低, 是最优的农田管理措施.
3 讨论在本研究中FM对土壤温度无显著影响(P＞0.05, 图 2), 这可能是由于亚热带地区全年气温较高(年平均值为18.3℃)所致.Liang等[21]在与重庆同属亚热带季风气候的云南的研究表明, 覆膜并未显著改变土壤温度, 与本研究的结果一致.另外, 本研究还发现, 覆膜对土壤含水率无显著影响(P＞0.05).有研究认为FM会阻止降雨进入土壤[22], 但也有研究认为FM能够减少土壤中水分的蒸发[23], 可能正是由于FM对土壤水分的这种正负作用, 导致FM对土壤含水率无显著影响(P＞0.05, 图 2).
由图 1可以看出, 辣椒季降雨强度大, 降水丰富, 可称之为湿季.有研究表明, 在降雨充沛的季节, FM能够阻碍雨水进入土壤[24], 从而减少雨水对土壤中无机氮的冲刷和淋溶, 显著增加了土壤硝态氮和铵态氮含量(P＜0.05, 图 3), 而土壤中铵态氮和硝态氮作为土壤微生物硝化和反硝化反应的底物, 其含量的增加推进了硝化和反硝化过程[25], 从而显著提高了N2O排放(P＜0.05, 表 1).而萝卜季降雨强度小, 降水贫乏, 可称之为干季.在干季, 由于降水的冲刷作用大大减弱, 导致对土壤中铵态氮和硝态氮的淋溶作用也随之减弱, 从而使得FM对土壤铵态氮和硝态氮的影响不明显(P＞0.05, 图 3), 因而FM对萝卜季N2O的排放未能产生明显影响(P＞0.05, 表 2).
本研究最初于2019年10月12日在田间施加生物炭, 发现辣椒季生物炭对N2O排放无显著影响(P＞0.05, 表 1), 造成这种现象的原因, 可能是因为辣椒季生物炭施加时间较短, 生物炭会释放不稳定的碳并矿化, 有利于微生物生长, 从而提高N2O排放[26], 同时生物炭也会释放酚类化合物和多环芳烃等化合物毒害氨氧化细菌(AOB), 抑制了土壤中的硝化作用[27].最终正负效应相互抵消, 表现为无显著影响.然而, 萝卜季生物炭能极显著减少N2O排放(P＜0.001, 表 2).通过对土壤环境因子分析发现, 生物炭没有显著影响土壤地下5 cm温度、含水率和氮素.与有研究发现生物炭通过吸附土壤中无机氮[28]和保持水分[29]来影响N2O排放的结果不一致.造成这种现象的原因可能是由于生物炭陈化引起的：Wang等[18]的研究发现生物炭陈化会在其表面形成有机-矿物质复合体, 堵塞生物炭的裂缝和通道, 改善了生物炭的机械强度, 一方面通过抑制生物炭颗粒的碎裂, 降低N2O排放; 另一方面, 生物炭含有一定比例的脂肪族碳化合物[30], 这些物质很容易被各种微生物利用[31], 促进土壤中N2O排放, 但陈化生物炭机械强度的增加会减少生物炭中这些不稳定碳的进一步释放, 减少N2O排放.另外, 在萝卜季, 覆膜和生物炭添加的交互作用也显著减少了N2O排放(P＜0.05, 表 2).Nishimura等[32]的研究发现N2O能从覆膜的垄上向未覆膜的垄沟表面水平扩散, 但研究表明生物炭陈化能降低土壤渗透性[33], 可能会抑制覆膜下N2O从垄上向垄沟的水平扩散, 使N2O在垄上土壤中积累, 增加土壤中微生物与N2O的作用, 导致N2O消耗增加[6, 34].
本研究发现覆膜能显著提高辣椒和萝卜产量(P＜0.001, 表 1和表 2).Wang等[35]的研究也发现覆膜能提高马铃薯、玉米和小麦的产量.如上文所述, 一方面, FM减少了辣椒季土壤中无机氮的淋溶, 增加了其含量, 从而提高了耕地质量.另一方面, 在未覆膜菜地, 田间杂草生长茂盛, 容易与辣椒和萝卜争夺阳光以及土壤养分, 而覆膜抑制了杂草的生长, 减少了光照以及土壤养分资源的竞争和损失, 从而提高了辣椒和萝卜的产量.
生物炭显著提高了辣椒产量(P＜0.001, 表 1), 但对萝卜产量无显著影响(P＞0.05, 表 2).Li等[36]的研究发现生物炭显著增加了17% ~29%的蔬菜产量.本研究生物炭增加辣椒产量可能因为生物炭的多微孔结构, 为土壤中有益菌群提供生长栖息点[37], 增强土壤生态系统功能, 为根系生长提供良好的生长环境[38].但随着生物炭施加时间的增加, 生物炭不断陈化, 其表面机械强度增加, 减少生物炭中不稳定炭组分的进一步释放, 陈化也减少了其表面积, 可能会降低土壤的渗透性[18], 并且减少了土壤中有益菌群提供生长栖息点, 生物炭对作物生长的正面作用减弱, 最终表现为生物炭对萝卜产量无显著影响.另外, 本研究还发现, 辣椒产量并不是随着生物炭的添加量而不断升高, 而是在B20水平下辣椒产量最高.董成等[29]的研究发现玉米产量并不随生物炭的添加量而不断增加, 而是在中等添加量下增产效果最好, 与本研究结果一致, 表明作物产量与生物炭添加量并不呈线性关系, 过高的生物炭可能导致挥发物和有毒有害物质的含量过高, 降低土壤微生物的活性[39]; 而且过量的生物炭添加会阻碍土壤的重新聚集, 使土壤大团聚体数量减少, 氮素有效性降低, 从而加剧土壤微生物之间的竞争, 导致微生物总体活性下降[40].因此过高的生物碳添加对作物增产的效果表现不佳.
4 结论(1) 与不覆膜相比, 覆膜显著增加了辣椒季土壤中硝态氮和铵态氮含量, 而对萝卜季土壤环境因子无显著影响; 生物炭添加对辣椒和萝卜季土壤环境因子均无显著影响.
(2) 覆膜显著提高了辣椒季N2O排放, 但对萝卜季N2O排放无显著影响; 生物炭添加对辣椒季N2O排放无显著影响, 但显著抑制了萝卜季N2O排放.
(3) 覆膜及生物炭添加均显著提高了辣椒产量, 覆膜显著提高了萝卜产量, 而生物炭添加对萝卜产量无显著影响.
(4) 不管辣椒季还是萝卜季, FMB20处理下N2O排放强度最小, 即产量最高, N2O排放量最低, 表明覆膜和20 t·hm-2的生物炭添加是辣椒季和萝卜季最优的农田管理措施.
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