2018, Vol. 39
温室气体作为全球气候变化的主要驱动因子, 因其浓度的增加而引起的全球气候变暖是当今世界所面临的重要挑战[1].农田生态系统是全球温室气体排放的重要排放源, IPCC报告指出, 2005年全球温室气体总排放的12%来自于农业生产活动所引起的温室气体的排放[2].目前, 蔬菜消费量日益增加, 促使人们长期大量施用化肥, 导致菜园土壤质量下降, 极高的水肥的投入, 会促进CO2、CH4、N2O的排放, 加剧全球气候变暖[3]. Wang等[4]的研究表明, 蔬菜土壤因施肥产生的N2O直接排放量高达6.7万t.据国家统计局2014年的调查我国氮肥施用量高达3.2×107 t, 但氮肥利用率只有30%.有研究表明, 在施用大量氮肥的情况下, 仅5%~15%的氮肥会作用于作物产量, 其余的氮肥或转化为温室气体, 或转为污染源[5].因此, 在蔬菜土壤开展有机肥料替代部分化肥的研究, 对改善因施用化肥(尤其是氮肥)多带来的生态环境问题, 控制化肥投入以减少农田土壤温室气体具有重要的意义.
秸秆是重要的农业资源, 其直接还田是目前秸秆利用的重要渠道, 实现秸秆还田不仅可以减轻因焚烧而产生的大气污染, 同时也是提高土壤肥力的重要措施[6], 但也会影响温室气体排放等问题.有学者认为秸秆还田虽然会增加农田固碳, 但也会促进温室气体的排放[7]. Zhu等[8]的研究表明, 秸秆还田促进了菜地土壤的N2O排放, 但张翰林等[9]通过研究秸秆还田年限对稻麦轮作系统温室气体排放的影响表明, 秸秆还田1 a和5 a均降低了N2O排放, 分别降低了30%和43%;而Shan等[10]利用Meta分析认为, 秸秆还田不会显著影响N2O排放.秸秆直接还田可以显著提高土壤CO2排放量, 刘四义等[11]的研究表明, 玉米秸秆对土壤CO2排放的激发效应值为216.53~335.17 μmol·g-1, 而Naser等[12]得到了相反结论, 表明秸秆还田对CO2排放具有减排效果.秸秆还田会增加土壤有机质含量, 而有机质是产生CH4的重要底物, 因此大多数学者认为秸秆还田为产甲烷菌提供了有效碳基质, 从而增加了CH4排放[13, 14], 但也有研究认为秸秆还田会在表层土壤中进行有氧降解, 其降解产物在土壤氧化层中还原产生CH4的可能性较小, 主要以CO2的形式排放, 从而减低CH4排放量[15].目前国内外关于秸秆还田对温室气体(CO2、CH4、N2O)排放的影响仍存在争议, 因此, 开展秸秆还田对菜地土壤温室气体排放特征影响, 有助于揭示秸秆还田的温室效应.本研究采用静态箱/气相色谱法, 原位对莴笋-卷心菜-辣椒轮作菜地进行了秸秆与减量化肥配施处理下的土壤温室气体排放观测分析, 以期为通过控制化肥投入以减少农田温室气体排放提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究概况及试验材料试验地点位于重庆市北碚区“国家紫色土土壤肥力与肥料效益长期监测基地”, 海拔266.3 m, 年平均气温18.3℃.最高和最低气温平均为28. 7℃和7.7℃, ≥10℃积温6 006℃, 年降雨量1 086.6 mm, 年日照时数1 276.7 h, 属于亚热带季风气候.试验土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的紫色土, 中性紫色土亚类, 灰棕紫泥土属, 是重庆四川紫色土区分布最广的一种土壤.其基本理化性质为:有机碳含量11.12 g·kg-1, 碱解氮83.02 mg·kg-1, 速效磷44.10 mg·kg-1, 速效钾208.75 mg·kg-1, pH为5.8.试验中所用秸秆为玉米秸秆, 取自试验基地农田, 其有机碳含量为338.8 g·kg-1, C/N为33.9, 经晒干后粉碎机粉碎成5~10 cm左右, 备用.
1.2 试验设计试验共设置6个处理:无物料还田(CK)、常规化肥(F)、秸秆还田配施100%化肥(100FS)、秸秆还田配施70%化肥(70FS)、秸秆还田配施60%化肥(60FS)、秸秆还田配施50%化肥(50FS).每个处理3个重复, 采用随机区组排列在18个2 m×1 m能独立排灌的微区内, 各个微区的水肥管理均相同.在种植蔬菜前将秸秆均匀撒覆在土壤表面进行翻耕, 深度为30~40 cm.
本试验于2016年11月开始, 共种植3季蔬菜(2016年10月27日移栽莴笋苗, 2017年1月10日收获莴笋; 2017年1月11日移栽卷心菜苗, 2017年5月4日收获卷心菜; 2017年5月11日移栽辣椒苗, 2017年9月14日移除辣椒树, 期间收获3次辣椒), 施用两次秸秆, 分别在种植蔬菜(莴笋, 辣椒)前将秸秆均匀撒覆在土壤表面进行翻耕(每次施用量为12 000 kg·hm-2), 翻耕深度为30~40 cm, 为保持相对一致性, 对照CK和F处理也进行同样翻耕.各作物的氮、磷、钾肥的常规施用量按文献[16]的化肥施用量, 化肥减量处理在常规使用量的基础上减少相应的百分比, 各季作物栽培方式和灌溉、除草等田间管理按照当地习惯进行, 灌溉时间通常在施肥和追肥后, 以及土壤含水量较低的时候, 每个处理均进行灌溉.磷、钾作基肥一次施用; 氮肥基肥占60%, 追肥占40%;氮、磷、钾肥品种分别为尿素(N46%)、过磷酸钙(P2O512%)、氯化钾(K2O 60%).
1.3 试验方法采用静态箱/气相色谱法测定菜地土壤温室气体排放通量, 采样箱材质为不锈钢材料, 由底座和顶箱这2部分组成, 底座(横截面为50 cm×50 cm)长期固定于田间, 底壁插入土中约10 cm, 底座顶端有深、宽均为3 cm的密封水槽, 采样前往槽内注水以防底座和顶箱结合处漏气.顶箱(50 cm×50 cm×50 cm)外覆绝热材料以减少采样箱内温度随外界气温升高对试验结果的影响, 同时, 顶箱内部安装2个小风扇, 用于混合箱内气体.顶箱侧面安装电源插头、温度探头(JM624型便携式测温计)和采样管.试验期间, 采样频率为每周1次, 每次控制在当天09:00~11:00间进行, 采样时用60 mL注射器采集第1次样品, 之后每间隔10 min采样1次, 罩箱时间为30 min, 共采集4个气体样品.在气体样品采集的同时, 记下开始和结束时的气温和5 cm深土壤温度(如图 1), 并采集表层土样, 测定含水量.遇到下雨及施肥情况, 采样频率增加, 为每2 d一次, 持续一周.
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图 1 各处理5cm土壤温度、气温及含水量变化 Fig. 1 Variation characteristics of 5 cm soil temperature, air temperature and soil moisture content under different treatments |
采用气相色谱(Agilent 7890A气相色谱仪)测定温室气体CH4、CO2、N2O浓度.高纯氮气(N2)与氩甲烷(ArCH4)分别作为CH4和N2O的载气. N2O检测器为ECD(电子俘获检测器), 检测温度300℃; CO2和CH4检测器为FID(火焰离子化检测器), 检测温度为300℃, 柱温50℃, 气体排放速率由4个气样浓度值经线性回归分析得出具体工作条件详见文献[17].
温室气体排放通量(F)的计算公式[18]为:
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(1) |
式中, F表示CO2排放通量[mg·(m2·h)-1]及N2O和CH4排放通量[μg·(m2·h)-1]; ρ表示标准状态下CO2-C、CH4-C和N2O-N的密度; V为采样箱体积(m3); A为采样底座内土壤表面积(m2); Δc/Δt表示气体的排放速率, 即通过每个小区每次采集的4个样品的气体浓度与时间进行一次线性回归, 回归方程的系数就是Δc/Δt; T为采样箱内温度(℃).
各处理每次排放通量用各重复平均值表示; 作物季节平均排放通量则以每次采样时间间隔为权重进行加权平均求得; 生长季累积排放量以每次排放通量的加权和表示.
增温潜势(global warming potential, GWP):表示不同温室气体排放的综合指标, 一般以CO2为标准, 用CO2当量表示.计算公式为[19]:
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(2) |
式中, GWP为作物生长季温室气体排放的综合温室效应(以CO2-e计, kg·hm-2), R(CH4)和R(N2O)分别为作物生长季CH4和N2O的排放总量(kg·hm-2).
化肥N的N2O排放系数(EF, emission factor)计算公式为[20]:
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(3) |
式中, EF为化肥氮的N2O排放系数(以N2O-N/N计)kg·kg-1, EN和EN0分别为试验中氮肥处理和不施氮肥处理的N2O排放量(kg·hm-2), [N]为当季作物氮肥施用量(kg·hm-2).
土壤基本理化性质测定:土壤碱解氮采用碱解扩散法测定; 土壤速效钾采用pH 7, 1 mol·L-1醋酸铵浸提-火焰光度计法; 土壤速效磷采用pH 8.5, 0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提-钼蓝比色法测定; 土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定; 土样具体测定详细步骤参见文献[21].
采用SPSS20.0、Origin 8.5和Excel 2010软件进行数据处理、绘图制表.所有的结果均用3次测定结果的平均值表示.不同处理之间的多重比较采用LSD最小显著差数法(P < 0.05; P < 0.01).
2 结果与分析 2.1 秸秆与化肥施用对土壤N2O排放的影响如图 2所示, 在整个监测期, 各处理的土壤N2O排放量存在明显的季节变化规律, 表现为冬季较低, 夏季较高.与CK相比, 秸秆与化肥配施均提高了土壤N2O排放量, 且随着时间的增加, 各处理的土壤N2O排放量分别在2017年5月12日和2017年6月23日出现了峰值.其中100FS处理的N2O排放量最高, 为57.59~6 238.02 μg·(m2·h)-1, 其次为70FS处理, 而F处理的N2O排放量较低, 可见秸秆与化肥配施处理较常规施肥处理提高了土壤N2O排放量.
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图中箭头表示施肥和追肥的时间 图 2 秸秆与化肥配施下的N2O排放量变化 Fig. 2 Emission fluxes for N2O under different treatments |
如图 3所示, 辣椒种植季的N2O累积排放通量明显高于莴笋和卷心菜(P < 0.01), 其中秸秆配施全量化肥(100FS)处理的辣椒季N2O累积排放通量最高, 为44.38 kg·hm-2.莴笋季, 100FS处理的N2O排放通量最高, 分别较对照CK和常规施肥(F)处理明显提高了5.05 kg·hm-2和6.66 kg·hm-2(P < 0.05), 50FS处理较F处理明显降低了0.36 kg·hm-2.卷心菜季, 秸秆与化肥配施处理较F处理均显著提高了N2O累积排放通量.总体上, 2016年11月至2017年9月, 与CK和F处理相比, 秸秆与化肥配施处理增加了N2O累积排放通量, 其中100FS处理的最大, 为60.76 kg·hm-2, 而60FS处理较低, 为22.85 kg·hm-2.
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不同小写字母表示同一种植季下不同处理间的差异显著(P < 0.05);不同大写字母表示同一处理在不同种植季间的差异显著(P < 0.01) 图 3 秸秆与化肥配施下的N2O累积排放通量的变化 Fig. 3 Cumulative emission for N2O under different treatments |
如图 4所示, 与CK相比, 莴笋季和卷心菜季, 秸秆与化肥配施均提高了土壤CO2排放量, 且在2017年4月出现了CO2排放高峰, 其中100FS处理的排放量最大, 最高可达3 315.88 mg·(m2·h)-1.在辣椒季(除两次追肥外), 70FS处理的CO2排放量低于CK和F处理, 但60FS和50FS处理较CK和F处理提高了土壤CO2排放量, 其中60FS处理最高可达2 254.29 mg·(m2·h)-1.
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图中箭头表示施肥和追肥的时间 图 4 秸秆与化肥配施下的CO2排放量变化 Fig. 4 Emission fluxes for CO2 under different treatments |
通过计算作物季节土壤CO2累积排放通量发现(图 5), 辣椒季(25 988.55~46 803.47 kg·hm-2)>卷心菜季(16 001.10~25 149.16 kg·hm-2)>莴笋季(3 300.90~11 054.71 kg·hm-2)(P < 0.01).与常规施肥F处理相比, 秸秆与化肥配施处理均明显增加了莴笋季CO2累积排放通量(P < 0.05);除100FS处理较F处理明显增加12.8%外, 秸秆与化肥减量配施处理均降低了卷心菜季CO2累积排放通量; 辣椒季, 仅70FS处理明显降低CO2累积排放通量, 而其他处理均显著增加了32.3%~49.6%, 其中60FS处理的最高.总体上, 仅70FS处理较CK和F处理降低了CO2累积排放通量(2016年11月至2017年9月), 而其他秸秆与化肥配施处理均增加了CO2累积排放通量.
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不同小写字母表示同一种植季下不同处理间的差异显著(P < 0.05);不同大写字母表示同一处理在不同种植季间的差异显著(P < 0.01) 图 5 秸秆与化肥配施下的CO2累积排放通量的变化 Fig. 5 Cumulative emission for CO2 under different treatments |
各处理的CH4排放量具有一定的季节变化规律, 在莴笋季和卷心菜季波动不明显, 而在辣椒季波动较大, 且出现了排放峰值, 但在各季作物施肥后, 均出现了CH4排放小峰值.如图 6所示, 最大排放峰值出现在F处理[549.13μg·(m2·h)-1], 其次为100FS处理[529.42 μg·(m2·h)-1], 而70FS和50FS处理出现了CH4排放量的最低值, 分别为-230.77 μg·(m2·h)-1和-196.82 μg·(m2·h)-1.
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图中箭头表示施肥和追肥的时间 图 6 秸秆与化肥配施下的CH4排放量变化 Fig. 6 Emission fluxes for CH4 under different treatments |
如图 7所示, 莴笋季与CK相比, 70FS处理的CH4累积排放通量最低(-0.32 kg·hm-2), 而100FS处理的CH4累积排放通量最高(0.09 kg·hm-2).卷心菜季, 除CK外, 各处理的CH4累积排放通量为负值, 表现为F>100FS>60FS>50FS>70FS.辣椒季, 各处理较CK均降低了CH4累积排放通量, 其中50FS处理的CH4累积排放通量最低(-0.36 kg·hm-2), 其次为60FS处理.总体上, 2016年11月至2017年9月, 与CK和F处理相比, 100FS处理提高了CH4排放通量, 秸秆与化肥减量配施处理则降低了CH4排放通量.
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不同小写字母表示同一种植季下不同处理间的差异显著(P < 0.05);不同大写字母表示同一处理在不同种植季间的差异显著(P < 0.01) 图 7 秸秆与化肥配施下的CH4累积排放通量的变化 Fig. 7 Cumulative emission for CH4 under different treatments |
通过计算氮肥的N2O排放系数(EF)发现(表 1):各处理的EF表现为辣椒季>卷心菜>莴笋.与F处理相比, 秸秆与化肥配施处理均显著增加了莴笋和辣椒季的EF值, 其中秸秆与全量化肥配施(100FS)处理的EF最高, 较常规施肥(F)处理显著增加了0.015~0.119 kg·kg-1; 秸秆与化肥减量配施处理较100FS处理可以降低氮肥的N2O排放系数, 其中60FS处理的效果较佳.
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表 1 秸秆与化肥配施下的N2O排放系数及温室气体增温潜势的变化1) Table 1 N2O emission factors, accumulative emissions, and GWP of the greenhouse gas under different treatments |
从表 1可以看出, 在整个试验过程中, 秸秆与化肥配施明显增加了N2O的平均排放通量, 其中100FS处理的排放量最大, 分别较CK和F处理显著增加了57.04 kg·hm-2和45.99 kg·hm-2; 对CO2的平均排放通量而言, 仅70FS处理降低了排放量, 而其他秸秆与化肥配施均增加了CO2的平均排放通量, 其中60FS分别较CK和F处理显著提高了28.2%和30.6%;除100FS较F处理增加了CH4的平均排放通量外, 秸秆与化肥减量配施处理均降低了整个试验季的CH4的平均排放通量.进一步计算温室气体的增温潜势(GWP):与CK和F处理相比, 除70FS外, 100FS、60FS和50FS均显著提高了GWP, 其中100FS的GWP最高, 分别显著提高了55.4%和44.0%, 可见70FS处理较其他处理能降低温室气体的增温潜势.
3 讨论 3.1 土壤N2O排放土壤N2O是硝化和反硝化的产物, 土壤通气状况和反应底物浓度是影响农田N2O排放的主要因素[22].秸秆作为有机物料, 它的施用可以向土壤提供外源碳、氮和改变土壤温度、水分等, 从而影响土壤微生物的活性, 进而影响硝化和反硝化作用.但是, 关于秸秆还田对土壤N2O排放的研究结果仍存在争议.有研究表明, 秸秆的施用提高了土壤C/N, 促使微生物争夺利用土壤中的无机氮, 从而减少了硝化和反硝化的底物, 最终降低了土壤N2O排放[23]; 而叶桂香等[18]的研究表明, 秸秆还田能显著增加N2O排放, 且周年内N2O排放总量随着秸秆还田量的增加呈增加趋势.本研究中, 与对照(CK)和常规施肥(F)相比, 秸秆与化肥配施均不同程度地增加了土壤N2O排放量, 其中秸秆与全量化肥配施(100FS)处理的土壤N2O排放量, 随着化肥施用量的减少, 土壤N2O排放量呈递减趋势.这是因为秸秆施入土壤后, 一方面可以为微生物提供硝化和反硝化作用的底物参与N2O产生; 另一方面秸秆还田后, 会增加土壤碳素含量, 为微生物参与下的N2O排放的硝化和反硝化过程提供充足的营养元素[8, 24], 因此秸秆与化肥配施处理相较于常规施肥处理提高了土壤N2O排放量.土壤的水分和温度是影响硝化和反硝化作用的重要环境因子, 有研究表明, 硝化作用的最适土壤温度为15~35℃, 反硝化作用的最适土壤温度为5~75℃, 土壤表层温度与土壤N2O排放速率存在显著的相关关系[25, 26].在本试验条件下, 各处理的土壤N2O排放高峰主要集中在夏季, 且辣椒季(2107年5~9月)的土壤N2O排放通量明显高于莴笋季和卷心菜季; 通过相关性分析(表 2), 土壤N2O排放量与气温、5 cm土温均存在显著的相关关系; 可能是夏季高温多雨, 土壤中水分含量较高, 土壤通气性变差, 促使反硝化作用增强, 从而减少了土壤微生物的活性、氮素不可移动性, 最终促进了N2O的产生和排放[27].另外, 秸秆施入土壤后具有一定的保墒作用, 一方面阻断了表层热量向下层土壤扩散, 另一方面也降低了向空气中的扩散, 使土壤和空气间形成保护层, 提高土壤表层温度[28], 因此秸秆与化肥配施处理的每季土壤N2O排放量均高于常规施肥和对照, 但由于秸秆还田提高了土壤C/N, 从而促进微生物对氮素的固持作用, 减少了N2O产生所需要的氮基质, 最终抑制土壤N2O排放[29], 所以相对于秸秆与全量化肥配施(100FS)处理而言, 秸秆与化肥减量配施处理的供氮水平低, 在不影响作物生长的情况下, 秸秆与化肥减量配施处理在一定程度上可以降低土壤N2O排放.
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表 2 温室气体排放与温度、含水量相关分析1) Table 2 Correlation analysis of greenhouse gas emission and temperature, moisture content |
3.2 土壤CO2排放
秸秆与化肥配施处理均提高了莴笋季和卷心菜季的土壤CO2排放量, 且在施肥灌水后均出现了排放峰, 这与刘杏认等[27]的研究结果相一致, 其原因是施肥灌水后, 为微生物提供了所需的营养物质, 从而加速了土壤微生物呼吸释放CO2[30]; 同时秸秆作为一种碳源丰富的物料, 还田后通过腐解作用释放了大量营养, 改变了土壤C/N比值, 增强了土壤孔隙度, 提高了微生物数量和活性, 进而促进了作物生长和产生大量根系分泌物, 最终在微生物和作物的双生物因素的影响下增加了土壤呼吸释放CO2[31].在辣椒季, 在常规施肥的基础上减施30%(70FS)可以显著降低土壤CO2排放量, 而化肥减量40%~50%相对于常规施肥增加了土壤CO2排放量.这是因为在相同秸秆还田量的情况下, 化肥减量40%~50%处理的供氮水平较低, 从而提高了土壤C/N比值, 促使作物和微生物相互竞争氮源, 最终刺激了微生物利用活性有机碳, 增加微生物呼吸作用, 提高土壤CO2排放量[32].另外, 该时期的水热条件比较适宜, 相比其他秸秆与化肥配施处理, 60FS和50FS处理的秸秆通过腐解产生的CO2较高.因此, 仅70FS处理较CK和F处理降低了CO2累积排放通量(2016年11月至2017年9月), 而其他秸秆与化肥配施处理均增加了CO2累积排放通量.温度和土壤水分共同决定了土壤CO2排放的季节特征, 尤其是5cm土壤温度能够解释土壤呼吸变化82%~94%, 但水分对土壤CO2排放的影响具有复杂性与不确定性[31~33].在整个试验期, 辣椒季的土壤CO2累积排放通量明显高于卷心菜季和莴笋季(P < 0.01), 这与Zhang等[34]的研究结果类似.这是由于辣椒整个生育期表层土温普遍较高, 且高温多雨的环境适宜秸秆腐解产生CO2, 另外辣椒季的生育期明显高于莴笋季和卷心菜季, 从而导致辣椒季的CO2累积排放通量明显高于其他两季作物.
3.3 土壤CH4排放CH4产生于严格的厌氧环境[35], 旱地土壤中, 好氧的农田土壤环境有利于甲烷氧化菌生长, 因此旱地土壤会氧化吸收地面大气的CH4, 表现为大气CH4的汇[36].本研究中, 莴笋季和卷心菜季的土壤CH4排放量波动不明显, 同时除CK外, 各处理的土壤CH4累积排放量多为负值, 表现为大气中CH4汇, 与田慎重等[37]的研究结果一致, 这是因为产甲烷菌的最适温度在30~40℃, 甲烷氧化菌的最佳温度为20~30℃, 温度过低时, 产甲烷菌和甲烷氧化菌的活动会受到抑制[36], 由于莴笋季和卷心菜季的温度较低, 与CH4有关的微生物活性不高, 使得该种植时期的土壤CH4排放量波动不明显, 另外秸秆还田后会降低土壤氧化还原电位, 提高了CH4氧化潜势, 从而秸秆与化肥配施处理的土壤CH4累积排放量多为负值[38].辣椒季土壤CH4排放量波动大, 并出现了排放峰值, 且与对照CK和常规施肥(F)处理相比, 秸秆与化肥减量30%~50%配施处理均降低了辣椒季的土壤CH4排放量和累积排放通量, 而100FS处理提高了CH4排放量和累积排放通量.一方面是因为辣椒季高温多雨使得土壤干湿频繁交替, 土壤的厌氧和氧化环境也频繁交替, 从而导致甲烷氧化菌和产甲烷菌活性变化, 最终使得辣椒季的土壤CH4排放量波动大; 另一方面, 施肥(尤其是氮肥)会增加土壤中硝态氮和铵态氮含量, 由于铵态氮和甲烷的分子结构类似, 均可以被甲烷单氧化酶所氧化, 从而铵态氮的存在会抑制土壤对CH4的吸收[39, 40], 因此在本研究中, 在常规化肥减量30%~50%基础上, 与秸秆还田配施可以降低土壤CH4排放量和累积排放通量.
3.4 秸秆与化肥施用对化肥N2O排放系数及温室气体增温潜势的影响蔬菜生产中化学氮肥的投入量大, 氮素循环强度高, 损失途径多, 损失量大, 菜地通常被认为是N2O的主要排放源[41].利用不施肥对照处理的N2O累积排放量作为N2O背景排放, 在三季作物种植过程中, 秸秆与化肥配施处理的N2O排放系数(EF, 以N2O-N/N计)比常规施肥处理增加了0.003~0.119 kg·kg-1, 这是由于与F处理相比, 秸秆与化肥配施处理为微生物提供了丰富的营养物质, 促进了土壤N2O的排放, 但在常规化肥减量30%~40%基础上, 可以缓解N2O排放系数.在整个观测期内, 秸秆与化肥配施提高了N2O和CO2的平均排放通量, 尤其是秸秆与全量化肥配施(100FS)处理的效果最为显著; 而秸秆与化肥减量配施可以明显减少CH4的平均排放通量.由于不同温室气体(N2O、CO2、CH4)的增温潜势不同, 为定量衡量不同温室气体对全球变暖的相对影响, 本研究采用IPCC确定的因素来评价100a尺度上秸秆与化肥配施处理的整个观测期内的温室气体的综合增温效应(GWP)[42].本研究中, 对照CK的GWP低于其他处理, 这与李路等[43]的研究结果类似, 这可能是因为本研究中的N2O对GWP的贡献率高于CH4对GWP的贡献率, 同时各处理(除70FS外)的CO2平均排放通量高于CK, 所以各试验处理较CK均提高了综合增温效应.但与常规施肥(F)处理相比而言, 仅70FS处理降低了GWP, 100FS、60FS和50FS均显著提高了GWP, 特别是100FS处理明显提高了GWP(P < 0.05).这是由于秸秆与化肥全量配施处理的N2O、CO2、CH4的平均排放通量均高于其他处理, 虽然70FS处理的N2O平均排放通量较高, 但CO2和CH4的平均排放通量明显低于其他处理.因此, 化肥减量30%的基础上配施秸秆可以缓解温室气体的增温潜势.
4 结论在整个试验观测期内, 温室气体(N2O、CO2、CH4)的排放具有一定的季节变化规律, 3种气体的排放高峰主要集中在4~8月, 且在施肥灌水后均会出现气体的排放峰.秸秆与化肥配施较常规处理提高了土壤N2O排放量, 累积排放量以及N2O排放系数, 其中100FS处理的效果最为明显. 70FS处理较CK和F处理降低了土壤CO2排放量和累积排放量, 分别为55.28~1 831.62 mg·(m2·h)-1和7 502.13~25 988.55 kg·hm-2, 而其他秸秆与化肥配施处理均增加了CO2累积排放通量.对土壤CH4排放而言, 除CK外, 各处理的土壤CH4累积排放量多为负值, 表现为大气中CH4汇; 秸秆与化肥减量30%~50%配施处理均降低了辣椒季的土壤CH4排放量和累积排放通量, 而100FS处理提高了CH4排放量和累积排放通量.与CK和F处理相比, 除70FS降低了GWP外, 其他处理均显著提高了GWP, 其中100FS的GWP最高.总体上, 从温室气体排放角度, 在常规化肥施用的基础上减量30%再与秸秆配施可以减低土壤CO2和CH4排放, 缓解温室气体的增温潜势, 而对土壤N2O减排效果不显著.
| [1] |
祁乐, 高明, 郭晓敏, 等. 生物炭施用量对紫色水稻土温室气体排放的影响[J]. 环境科学, 2018, 39(5): 2351-2359. Qi L, Gao M, Guo X M, et al. Effects of biochar application rates on greenhouse gas emission in the purple paddy soil[J]. Environmental Science, 2018, 39(5): 2351-2359. |
| [2] | Metz B, Davidson O R, Bosch P R, et al. Climate change 2007:mitigation. contribution of working group Ⅲ to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2007. |
| [3] | Ti C P, Luo Y X, Yan X Y. Characteristics of nitrogen balance in open-air and greenhouse vegetable cropping systems of China[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22(23): 18508-18518. DOI:10.1007/s11356-015-5277-x |
| [4] | Wang J Y, Xiong Z Q, Yan X Y. Fertilizer-induced emission factors and background emissions of N2O from vegetable fields in China[J]. Atmospheric Environment, 2011, 45(38): 6923-6929. DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.09.045 |
| [5] | Huang Y, Tang Y H. An estimate of greenhouse gas (N2O and CO2) mitigation potential under various scenarios of nitrogen use efficiency in Chinese croplands[J]. Global Change Biology, 2010, 16(11): 2958-2970. |
| [6] | Huang R, Lan M L, Liu J, et al. Soil aggregate and organic carbon distribution at dry land soil and paddy soil:the role of different straws returning[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2017, 24(36): 27942-27952. DOI:10.1007/s11356-017-0372-9 |
| [7] |
逯非, 王效科, 韩冰, 等. 稻田秸秆还田:土壤固碳与甲烷增排[J]. 应用生态学报, 2010, 21(1): 99-108. Lu F, Wang X K, Han B, et al. Straw return to rice paddy:Soil carbon sequestration and increased methane emission[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(1): 99-108. |
| [8] | Zhu T B, Zhang J B, Yang W Y, et al. Effects of organic material amendment and water content on NO, N2O, and N2 emissions in a nitrate-rich vegetable soil[J]. Biology and Fertility of Soils, 2013, 49(2): 153-163. DOI:10.1007/s00374-012-0711-4 |
| [9] |
张翰林, 吕卫光, 郑宪清, 等. 不同秸秆还田年限对稻麦轮作系统温室气体排放的影响[J]. 中国生态农业学报, 2015, 23(3): 302-308. Zhang H L, Lyu W G, Zheng X Q, et al. Effects of years of straw return to soil on greenhouse gas emission in rice/wheat rotation systems[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2015, 23(3): 302-308. |
| [10] | Shan J, Yan X Y. Effects of crop residue returning on nitrous oxide emissions in agricultural soils[J]. Atmospheric Environment, 2013, 71: 170-175. DOI:10.1016/j.atmosenv.2013.02.009 |
| [11] |
刘四义, 梁爱珍, 杨学明, 等. 不同部位玉米秸秆对两种质地黑土CO2排放和微生物量的影响[J]. 环境科学, 2015, 36(7): 2686-2694. Liu S Y, Liang A Z, Yang X M, et al. Effects of different residue part inputs of corn straws on CO2 efflux and microbial biomass in clay loam and sandy loam black soils[J]. Environmental Science, 2015, 36(7): 2686-2694. |
| [12] | Naser H M, Nagata O, Tamura S, et al. Methane emissions from five paddy fields with different amounts of rice straw application in central Hokkaido, Japan[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2007, 53(1): 95-101. DOI:10.1111/j.1747-0765.2007.00105.x |
| [13] | Liu C, Lu M, Cui J, et al. Effects of straw carbon input on carbon dynamics in agricultural soils:a meta-analysis[J]. Global Change Biology, 2014, 20(5): 1366-1381. DOI:10.1111/gcb.2014.20.issue-5 |
| [14] | Khosa M K, Sidhu B S, Benbi D K. Effect of organic materials and rice cultivars on methane emission from rice field[J]. Journal of Environmental Biology, 2010, 31(3): 281-285. |
| [15] |
陈苇, 卢婉芳, 段彬伍, 等. 稻草还田对晚稻稻田甲烷排放的影响[J]. 土壤学报, 2002, 39(2): 170-176. Chen W, Lu W F, Duan B W, et al. Effect of rice straw manure on methane emission in late-rice paddy fields[J]. Acta Pedologica Sinica, 2002, 39(2): 170-176. DOI:10.3321/j.issn:0564-3929.2002.02.004 |
| [16] |
张福锁, 陈新平, 陈青, 等. 中国主要作物施肥指南[M]. 北京: 中国农业大学出版社, 2009. Zhang F S, Chen X P, Chen Q, et al. The guidelines of fertilization in China's major crops[M]. Beijing: China Agricultural University Press, 2009. |
| [17] |
郭艳亮, 王丹丹, 郑纪勇, 等. 生物炭添加对半干旱地区土壤温室气体排放的影响[J]. 环境科学, 2015, 36(9): 3393-3400. Guo Y L, Wang D D, Zheng J Y, et al. Effect of biochar on soil greenhouse gas emissions in Semi-arid region[J]. Environmental Science, 2015, 36(9): 3393-3400. |
| [18] |
叶桂香, 史永晖, 王良, 等. 秸秆还田的小麦-玉米农田N2O周年排放的量化分析[J]. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(3): 589-596. Ye G X, Shi Y H, Wang L, et al. Quantitative analysis of straw returning on annual soil N2O emission in the wheat-maize rotation system[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(3): 589-596. |
| [19] | IPCC. Climate change 2007: The physical science basis. Contribution of Working Group Ⅰ to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[C]. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2007. |
| [20] |
林峰. 有机肥和化肥施用对大棚菜地N2O和NO排放影响的观测研究[D]. 南京: 南京农业大学, 2016. Lin F. Effect of chemical and organic fertilizer on N2O and NO emissions from greenhouse vegetable fields[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2016. |
| [21] |
杨剑虹, 王成林, 代哼林. 土壤农化分析与环境监测[M]. 北京: 中国大地出版社, 2008. Yang J H, Wang C L, Dai H L. Agrochemical soil analysis and environmental monitoring[M]. Beijing: China Land Press, 2008. |
| [22] |
朱永官, 王晓辉, 杨小茹, 等. 农田土壤N2O产生的关键微生物过程及减排措施[J]. 环境科学, 2014, 35(2): 792-800. Zhu Y G, Wang X H, Yang X R, et al. Key microbial processes in nitrous oxide emissions of agricultural soil and mitigation strategies[J]. Environmental Science, 2014, 35(2): 792-800. |
| [23] | Li P, Lang M, Li C L, et al. Nitrous oxide and carbon dioxide emissions from soils amended with compost and manure from cattle fed diets containing wheat dried distillers' grains with solubles[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2017, 97(3): 522-531. |
| [24] | Yang H S, Xu M M, Koide R T, et al. Effects of ditch-buried straw return on water percolation, nitrogen leaching and crop yields in a rice-wheat rotation system[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2016, 96(4): 1141-1149. DOI:10.1002/jsfa.2016.96.issue-4 |
| [25] | Laville P, Lehuger S, Loubet B, et al. Effect of management, climate and soil conditions on N2O and NO emissions from an arable crop rotation using high temporal resolution measurements[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2011, 151(2): 228-240. DOI:10.1016/j.agrformet.2010.10.008 |
| [26] | Kurganova I N, de Gerenyu V O L. Effect of the temperature and moisture on the N2O emission from some arable soils[J]. Eurasian Soil Science, 2010, 43(8): 919-928. DOI:10.1134/S1064229310080090 |
| [27] |
刘杏认, 张星, 张晴雯, 等. 施用生物炭和秸秆还田对华北农田CO2、N2O排放的影响[J]. 生态学报, 2017, 37(20): 6700-6711. Liu X R, Zhang X, Zhang Q W, et al. Effects of biochar and straw return on CO2 and N2O emissions from farmland in the North China Plain[J]. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(20): 6700-6711. |
| [28] |
蒋向, 任洪志, 贺德先. 玉米秸秆还田对土壤理化性状与小麦生长发育和产量的影响研究进展[J]. 麦类作物学报, 2011, 31(3): 569-574. Jiang X, Ren H Z, He D X. Research progress on effects of returning maize straws into soil on soil physical & chemical characters and on development and yield of wheat as succeeding crop[J]. Journal of Triticeae Crops, 2011, 31(3): 569-574. |
| [29] |
宋贺, 王成雨, 陈清, 等. 长期秸秆还田对设施菜田土壤反硝化特征和N2O排放的影响[J]. 中国农业气象, 2014, 35(6): 628-634. Song H, Wang C Y, Chen Q, et al. Effects of long-term amendment of residue on denitrification characteristics and N2O emissions in greenhouse soil[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2014, 35(6): 628-634. DOI:10.3969/j.issn.1000-6362.2014.06.004 |
| [30] |
贺美, 王立刚, 王迎春, 等. 长期定位施肥下黑土呼吸的变化特征及其影响因素[J]. 农业工程学报, 2018, 34(4): 151-161. He M, Wang L G, Wang Y C, et al. Characteristic of black soil respiration and its influencing factors under long-term fertilization regimes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(4): 151-161. |
| [31] |
田冬, 高明, 黄容, 等. 油菜/玉米轮作农田土壤呼吸和异养呼吸对秸秆与生物炭还田的响应[J]. 环境科学, 2017, 38(7): 2988-2999. Tian D, Gao M, Huang R, et al. Response of soil respiration and heterotrophic respiration to returning of straw and biochar in rape-maize rotation systems[J]. Environmental Science, 2017, 38(7): 2988-2999. |
| [32] | Schulze E D, Luyssaert S, Ciais P, et al. Importance of methane and nitrous oxide for Europe's terrestrial greenhouse-gas balance[J]. Nature Geoscience, 2009, 2: 842-850. DOI:10.1038/ngeo686 |
| [33] | Knorr W, Prentice I C, House J I, et al. Long-term sensitivity of soil carbon turnover to warming[J]. Nature, 2005, 433(7023): 298-301. DOI:10.1038/nature03226 |
| [34] | Zhang Y J, Lin F, Jin Y G, et al. Response of nitric and nitrous oxide fluxes to N fertilizer application in greenhouse vegetable cropping systems in southeast China[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 20700. DOI:10.1038/srep20700 |
| [35] |
石将来, 郝庆菊, 冯迪, 等. 地膜覆盖对稻-油轮作农田CH4和N2O排放的影响[J]. 环境科学, 2017, 38(11): 4790-4799. Shi J L, Hao Q J, Feng D, et al. Effects of plastic film mulching on methane and nitrous oxide emissions from a rice-rapeseed crop rotation[J]. Environmental Science, 2017, 38(11): 4790-4799. |
| [36] |
张凯莉, 郝庆菊, 冯迪, 等. 地膜覆盖对蔬菜地甲烷排放的影响[J]. 环境科学, 2017, 38(8): 3451-3462. Zhang K L, Hao Q J, Feng D, et al. Effect of plastic film mulching on methane emission from a vegetable field[J]. Environmental Science, 2017, 38(8): 3451-3462. |
| [37] |
田慎重, 宁堂原, 李增嘉. 不同耕作措施对华北地区麦田CH4吸收通量的影响[J]. 生态学报, 2010, 30(2): 541-548. Tian S Z, Ning T Y, Li Z J. Effect of CH4 uptake flux under different tillage systems in wheat field in the North China Plain[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(2): 541-548. |
| [38] |
李新华, 朱振林, 董红云, 等. 秸秆不同还田模式对玉米田温室气体排放和碳固定的影响[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(11): 2228-2235. Li X H, Zhu Z L, Dong H Y., et al. Effects of different return modes of wheat straws on greenhouse gas emissions and carbon sequestration of maize fields[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(11): 2228-2235. DOI:10.11654/jaes.2015.11.027 |
| [39] |
宋利娜, 张玉铭, 胡春胜, 等. 华北平原高产农区冬小麦农田土壤温室气体排放及其综合温室效应[J]. 中国生态农业学报, 2013, 21(3): 297-307. Song L N, Zhang Y M, Hu C S, et al. Comprehensive analysis of emissions and global warming effects of greenhouse gases in winter-wheat fields in the high-yield agro-region of North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(3): 297-307. |
| [40] | Chan A S K, Steudler P A. Carbon monoxide uptake kinetics in unamended and long-term nitrogen-amended temperate forest soils[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2006, 57(3): 343-354. DOI:10.1111/fem.2006.57.issue-3 |
| [41] | Zhu T B, Zhang J B, Cai Z C. The contribution of nitrogen transformation processes to total N2O emissions from soils used for intensive vegetable cultivation[J]. Plant and Soil, 2011, 343(1-2): 313-327. DOI:10.1007/s11104-011-0720-3 |
| [42] | IPCC. Climate change 2007:the physical science basis:working group Ⅰ contribution to the fourth assessment report of the IPCC[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2007. |
| [43] |
李露, 周自强, 潘晓健, 等. 不同时期施用生物炭对稻田N2O和CH4排放的影响[J]. 土壤学报, 2015, 52(4): 839-848. Li L, Zhou Z Q, Pan X J, et al. Effects of biochar on N2O and CH4 emissions from paddy field under rice-wheat rotation during rice and wheat growing seasons relative to timing of amendment[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(4): 839-848. |