气候变暖作为全球性的环境问题之一, 已经对人类的生产生活和经济发展产生了巨大的影响, 而温室效应是其产生的主要原因. N₂O是一种长期有效的温室气体, 在100a的时间跨度中, N₂O在对流层的增温效应比CO₂强300倍^[1]. N₂O含量占温室气体总量的比例相对较小, 只有7.1%, 但其全球增温潜力相对较大^[2].大气中的N₂O浓度每年以0.2%~0.3%的速度增加, 到2050年, 大气中N₂O浓度将达到3.5×10^-4~4.0×10^-4mL·L^-1[3].由此可见, 减少N₂O的排放, 有助于缓解气候变化.

农田生态系统目前被认为是N₂O的主要来源, 约有84%的N₂O来自于农业活动^[4].地膜覆盖与氮肥施用作为有效的作物增产措施, 被广泛运用于农业生产中.中国是世界上地膜生产和使用量最多的国家^[5], 同时氮肥的生产及消费量均居世界首位.地膜覆盖可以改善土壤的水热性质, 从而对土壤中养分的有效性和微生物的活性产生影响, 进而促进作物的生长和提高产量^[6].长期施用氮肥能提高作物产量, 但也会改变土壤中氮素含量及其生物性状^[7], 直接影响农田中N₂O的排放.目前, 国内外有不少关于地膜覆盖及施氮分别作用对旱地土壤温室气体排放的研究报道^[8~10].王乐^[11]的研究指出, 半干旱黄土高原旱作覆膜玉米农田中, 覆膜是土壤速效氮含量和N₂O浓度间关系中最为关键的因素.王旭燕等^[12]的研究表明, 旱作农田土壤N₂O累积排放通量随施氮量的增加而增大.然而, 地膜覆盖和不同施氮同时作用对菜地温室气体的排放有何综合影响？有关该方面的研究还未见报道.因此, 本文以西南地区常见的辣椒-萝卜菜地轮作系统为研究对象, 采用静态暗箱/气相色谱法进行了为期两年原位观测研究, 探讨地膜覆盖和不同施氮处理下农田土壤CH₄和N₂O的排放规律及影响因素.

本试验地点位于西南大学试验农场的农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测站(106°26'E, 30°26'N)内, 该站海拔230 m, 年均气温18.3℃, 为亚热带季风气候, 年均降水量为1 105 mm, 年均相对湿度多在70%~80%, 在全国属于高湿区.年日照时数1 276.7 h, 无霜期年均约334 d.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灰棕紫泥, 土壤pH在6.8左右, 其他主要理化性质有:有机质22.5 g·kg^-1, 速效磷0.78 g·kg^-1, 黏粒506.7 g·kg^-1, 全氮1.74 g·kg^-1、碱解氮120.1 mg·kg^-1、CEC 23.46 cmol·kg^-1.

田间试验于2014年5月至2016年3月进行, 以西南地区常见菜地(辣椒-萝卜轮作)为研究对象, 采用的地膜为0.005 mm聚乙烯透明薄膜, 在平地起垄, 单垄长280 cm、垄宽70 cm、高15 cm, 垄间距30 cm.设置地膜覆盖和不覆盖两种方式, 其中覆膜处理选用120 cm宽的地膜覆于垄上, 两边用细土压实, 作物生育期以及休闲期全程覆膜.覆膜和不覆膜方式下均设置4个施氮梯度(高、中、低以及不施氮对照), 共8个处理, 所有处理均设置3个重复.辣椒季高、中、低N菜地分别施氮450、300、150 kg·hm^-2, 萝卜季则分别为300、200、100 kg·hm^-2.作物栽培品种和农田管理等均按当地习惯进行, 所有试验小区施入相同的K肥(100 kg·hm^-2, 以K₂O计)和P肥(150 kg·hm^-2, 以P₂O₅计), 均在翻耕栽种(播种)前一次性施入耕作层中, 氮肥则按基肥追肥比为1: 1分别施入土中, 追肥时将尿素溶解于水中, 通过定量灌溉施入. N肥为尿素(“泸天化”牌, TN≥46.4%, 四川泸天化股份有限公司生产), P肥为过磷酸钙(“腾升”牌, 合格晶Ⅱ, 有效P₂O₅≥12%, 中华重庆涪陵化工有限公司生产), K肥为氯化钾(“中化”牌, K₂O≥60%, 中化化肥有限公司生产).

整个采样期间, 作物的田间管理时间如图 1所示.在第一年萝卜-辣椒轮作周期内, 于2014年5月18日移栽辣椒苗(龙椒一号, 重庆龙胜种子经营部), 2014年7月5日追施N肥, 辣椒分批收获, 2014年9月23日移除辣椒并翻耕, 农闲期间照常采样. 2014年10月1日进行翻耕、施肥、覆膜和点种萝卜籽(九斤王, 广西横县子龙种业有限公司), 2014年11月28日追肥, 于2015年3月16日一次性收获.第二年种植期间, 于2015年3月23日移栽辣椒苗(科润一号, 徐州市金种子有限公司), 5月27日追肥, 由于该年辣椒受到虫害入侵, 于6月初逐渐掉落死亡, 而采样照常进行. 2015年8月22日开始第二年萝卜(九斤王, 广西横县子龙种业有限公司)的种植, 并于2016年2月底一次收获.

图 1

Fig. 1

图 1 不同生长季作物生长期及农作处理时间序列 Fig. 1 Timeline of crop growth and the harvesting

土壤N₂O排放通量的测定采用静态暗箱法.箱体设计制作为分节组合式标准箱, 由底座、延长箱和顶箱组成, 具体材料及尺寸参见文献[13].底座(长50 cm、宽50 cm、高20 cm)架设在每个处理小区的中间, 对于地膜覆盖处理, 在埋设底座时, 先将地膜铺好, 在埋放底座的位置将地膜留好褶皱并在四周挖好约15 cm深的细沟, 将底座小心压放在地膜上并在底座外四周用细土压实, 同时底座中央在覆膜前也多堆放一定土, 待底座放入后, 隔着地膜将底座内土推平.在作物生长期间底座都固定在采样点上.每个底座内均有2窝辣椒(或萝卜), 每窝2株, 在辣椒(或萝卜)种植后, 于覆膜破口处用适量土封住.采样时将采样箱扣在底座上, 并且用水密封.为了减少采样时对箱内外植物的损坏, 在植物生长季内通过安置铁丝框把采样箱与植物隔离开.每周采集一次气体样品, 采样时间在上午09:00~11:00.从采样箱密封笼罩开始用60 mL注射器采集第1个气体样品, 之后每间隔10 min采样一次, 一共采集4个气样.

采集的气体样品立即送回实验室用Agilent 7890A气相色谱仪测定N₂O含量, 根据公式(1)计算各处理N₂O排放通量, 气体通量表示单位时间单位面积观测箱内该气体质量的变化, 公式如下:

(1)

式中, F为排放通量[mg·(m²·h)^-1]; H为箱内气室高度(cm); T为采样器期间箱内平均温度(℃); P为采样时的大气压(Pa); P₀为标准状况下的大气压(Pa); ρ为被测气体的密度(g·cm^-3); dc/dt为采样期间箱内N₂O含量变化速率. F为负值时表示吸收, 正值时为排放.

N₂O-N排放系数表示以N₂O-N形式排入大气的氮素所占施入农田的氮肥的质量分数, 公式如下:

(2)

式中, T_n为施氮处理N₂O-N排放总量; T₀为不施氮处理N₂O-N排放总量.

土壤温度:在气体样品采集的同时, 要观测箱内外气温、土壤温度, 温度由JM624型便携式测温计测定, 作物生长期间每天下午17:30左右记录覆膜和常规处理各小区10、20、30 cm深土壤温度和气温.分析温度与气体通量, 以及分析覆膜对地温影响时采用的是气体采集时同步测定的气温与地温.

土壤含水率:在每次采集气体之后, 多点采样法(5个点)分别采集覆膜和常规两个处理垄上0~20 cm深土样, 用烘干法(105℃±2℃)测定土壤含水率.每个样品做3个重复.

在覆膜和不覆膜小区, 在作物生长季, 每周采集一次土壤样品, 采样深度为0~20 cm, 样品带回实验室放入4℃冰箱保存.测定的指标有:土壤含水率、土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、铵态氮、硝态氮、碱解氮、易氧化有机碳(ROC)、微生物生物量碳(SMBC)、微生物生物量氮(SMBN)、可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)、可溶性全氮(DTN)、脲酶等, 测定的方法见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 土壤测定的指标及其方法[14] Table 1 Analytical methods of various soil indicators 测定指标 方法 全氮 凯氏定氮法 铵态氮、硝态氮 流动注射分析法 碱解氮 碱解扩散法 易氧化有机碳 KMnO4氧化法测定 微生物生物量碳、氮 用氯仿熏蒸提取, Multi N/C 2100分析仪测定滤液中的有机碳和全氮 可溶性有机碳、氮 用去离子水提取, 用Multi N/C 2100分析仪测定滤液中碳、氮浓度 脲酶 苯酚钠-次氯酸钠比色法

表 1 土壤测定的指标及其方法[14] Table 1 Analytical methods of various soil indicators

采用Microsoft Excel 2007将原始试验数据汇总整理后, 用Origin 9.0进行作图, 再利用SPSS 20.0软件进行显著性和相关性分析.

图 2展示了不同施氮处理下覆膜与常规菜地N₂O通量的季节变化.可以看出, 高、中、低施氮处理下, 覆膜与常规菜地N₂O通量均在观测初期出现一个大的峰值, 随着时间推移, N₂O通量趋于平缓, 无氮处理下的覆膜与常规菜地不仅在观测初期出现了一次峰值, 还在第二年的萝卜季初期出现了一次明显的峰值.高、中、低、无氮菜地覆膜种植下N₂O的最大排放通量分别为1 433.53、1 444.18、1 036.58和274.45 μg·(m²·h)^-1, 常规种植下分别为1 477.63、1 707.60、1 348.54和191.45 μg·(m²·h)^-1.

图 2

Fig. 2

图 2 不同种植季N2O排放通量的季节变化 Fig. 2 Seasonal changes in N2O flux during the during the growing seasons of crops

从图 2的表观上来看, 不同施氮处理下覆膜与常规的N₂O通量没有很大差异, 进一步进行配对t检验, 结果表明, 2014年5月至2016年4月辣椒季, 低、中、无氮组的N₂O排放通量常规种植均显著高于覆膜种植(P＜0.05), 高氮组覆膜和常规种植间则无显著差异(P＞0.05); 2014~2016年萝卜季, 中、高氮组N₂O排放通量覆膜均显著大于常规(P＜0.05), 无、低氮组覆膜和常规间则无显著差异(P＞0.05).整个观测期间, 不同施氮处理下覆膜与常规菜地在各生长季的N₂O平均排放通量见表 2.

表 2 (Table 2)

表 2 不同施氮下覆膜和常规种植菜地N2O排放通量/μg·(m2·h)-1 Table 2 N2O fluxes of different N application levels and mulching treatments from May 2014 to April 2016/μg·(m2·h)-1 时间(年-月) 生长季 无氮 低氮 中氮 高氮 常规 覆膜 常规 覆膜 常规 覆膜 常规 覆膜 2014-05~2016-04 辣椒季 32.01 26.84 182.59 143.38 298.16 161.27 336.27 313.88 萝卜季 30.25 38.68 55.38 59.35 64.44 85.10 84.48 190.19

表 2 不同施氮下覆膜和常规种植菜地N2O排放通量/μg·(m2·h)-1 Table 2 N2O fluxes of different N application levels and mulching treatments from May 2014 to April 2016/μg·(m2·h)-1

从表 3来看, 各处理菜地N₂O的累积排放量都呈现为正值, 表现为N₂O的排放. 2014年5月至2015年4月的辣椒季, 各施氮处理菜地N₂O累积排放量均表现为常规大于覆膜, 萝卜季各施氮组菜地N₂O累积排放量则与辣椒季相反, 表现为覆膜大于常规, 其中高氮组菜地覆膜处理的N₂O累积排放量高出常规处理4倍之多. 2015年5月至2016年4月, 辣椒季和萝卜季各处理N₂O累积排放量趋势与第一年度相同, 各施氮组常规与覆膜处理N₂O累积排放量相差不大.配对t检验结果显示, 第一年度, N₂O累积排放量辣椒季显著大于萝卜季(P＜0.05), 辣椒季、萝卜季以及全年的N₂O累积排放量常规和覆膜无显著差异; 第二年度则与前一年结果不同, N₂O累积排放量表现为辣椒季显著小于萝卜季(P＜0.05), 常规与覆膜种植下的辣椒季N₂O累积排放量表现为常规显著大于覆膜(P＜0.05), 而萝卜季以及全年的N₂O累积排放量常规和覆膜则表现为无显著差异.从整个观测期各处理菜地的累积排放量来看, 无氮和高氮菜地表现为覆膜大于常规, 低氮和中氮菜地则为常规大于覆膜.配对t检验显示, 全观测期N₂O累积排放量常规和覆膜无显著差异.

表 3 (Table 3)

表 3 各施氮处理覆膜和常规种植下N2O的累积排放量/mg·m-2 Table 3 Cumulative N2O emissions in different N application levels under mulching and no mulching treatments/mg·m-2 时间(年-月) 生长季 无氮 低氮 中氮 高氮 常规 覆膜 常规 覆膜 常规 覆膜 常规 覆膜 辣椒季 93.21 89.70 1 036.22 826.51 1 724.95 869.69 1 740.04 1 685.75 2014-05~2015-04 萝卜季 75.26 135.44 136.97 158.18 282.52 303.96 270.97 1 038.34 总计 168.47 225.14 1 173.19 984.69 2 007.47 1 173.65 2 011.01 2 724.09 辣椒季 80.51 55.71 151.35 106.02 214.31 179.19 447.06 355.72 2015-05~2016-04 萝卜季 193.98 208.97 356.11 370.27 291.21 453.80 481.26 655.08 总计 274.49 264.68 507.46 476.29 505.52 632.99 928.32 1 010.80 全观测期总计 442.96 489.82 1 680.65 1 460.98 2 512.99 1 806.64 2 939.33 3 734.89

表 3 各施氮处理覆膜和常规种植下N2O的累积排放量/mg·m-2 Table 3 Cumulative N2O emissions in different N application levels under mulching and no mulching treatments/mg·m-2

施氮对于N₂O的排放影响较大.从图 3可以看出, 整个观测期间, 覆膜组和常规组在辣椒季和萝卜季的N₂O排放量均呈现为高氮＞中氮＞低氮＞无氮, 且辣椒季常规组的N₂O排放量大于覆膜组, 而萝卜季覆膜组的N₂O排放量大于常规组.单因素方差分析结果表明, 在辣椒季和萝卜季, 覆膜和常规种植下高氮菜地的N₂O排放量均显著高于无氮、低氮、中氮菜地(P＜0.05).在辣椒季, 常规种植下的中氮菜地N₂O排放量还显著高于无氮和低氮菜地(P＜0.05);在萝卜季, 覆膜种植下中氮菜地N₂O排放量显著高于无氮菜地(P＜0.05), 常规种植下低氮、中氮菜地N₂O排放量均显著高于无氮菜地(P＜0.05).

图 3

Fig. 3

图 3 各种植季覆膜和常规种植下不同施氮菜地的N2O排放通量 Fig. 3 Average N2O flux in different N application levels under mulching and no mulching treatments

表 4为各处理菜地的N₂O排放系数, 配对t检验结果表明, 在两个观察年度的辣椒季和萝卜季, 常规与覆膜处理N₂O排放系数均无显著相关关系, 但两个年度的辣椒季N₂O排放系数都显示为常规略大于覆膜, 而萝卜季则没有明显的规律, 说明辣椒季覆膜能一定程度上降低N₂O的排放系数. 2014-05~2015-04的辣椒季, 常规和覆膜种植下均为低氮菜地的N₂O排放系数最高, 在萝卜季则显示为高氮排放系数最高; 2015-05~2016-04的辣椒季则显示为高氮菜地N₂O排放系数最高, 萝卜季显示为低氮菜地最高.这可能与降水情况和种植季时间跨度长短有关, 具体原因则需要进一步进行研究.

表 4 (Table 4)

表 4 常规和覆膜种植下各施氮处理的N2O排放系数/% Table 4 N2O emission factors of different N application levels under mulching and no mulching treatments/% 时间(年-月) 生长季 低氮 中氮 高氮 常规 覆膜 常规 覆膜 常规 覆膜 2014-05~2015-04 辣椒季 6.29 4.91 5.44 2.60 3.66 3.55 萝卜季 0.62 0.23 1.04 0.84 0.65 3.01 2015-05~2016-04 辣椒季 0.47 0.34 0.45 0.41 0.81 0.67 萝卜季 1.62 1.61 0.49 1.22 0.96 1.49

表 4 常规和覆膜种植下各施氮处理的N2O排放系数/% Table 4 N2O emission factors of different N application levels under mulching and no mulching treatments/%

从图 4可以看出, 覆膜和常规菜地的地下5 cm温度在整个观测期间具有相同的变化趋势, 两年辣椒季的温度均高于萝卜季.配对t检验结果表明, 常规和覆膜菜地地下5 cm温度并没有显著差异.对各种植季进行分析, 发现只有第一年的辣椒季常规和覆膜菜地呈现出显著差异, 表现为覆膜显著大于常规(P＜0.05), 其他种植季均无显著差异.这表明覆膜在辣椒季可以一定程度使地下5 cm温度升高.

图 4

Fig. 4

图 4 各种植季覆膜和常规菜地的地下5 cm温度 Fig. 4 Underground 5cm temperature of film and conventional vegetable fields in each growing season

土壤N₂O的排放量与土壤理化性质息息相关, 表 5将众多土壤因子与N₂O排放量进行Pearson相关性分析.结果表明, 整个观测期间, 常规菜地的N₂O排放量与温度、碱解氮和铵态氮呈极显著正相关(P＜0.01), 覆膜菜地的N₂O排放量与温度呈显著正相关关系(P＜0.05), 与铵态氮呈极显著正相关关系(P＜0.01), 与TN呈极显著负相关关系(P＜0.01).

表 5 (Table 5)

表 5 2014~2016年土壤环境因子与N2O排放通量相关关系1) Table 5 Relationship between soil environmental factors and N2O flux from 2014 to 2016 含水率 地下温度 有机质 碱解氮 硝氮 铵态氮 脲酶活性 ROC TN DOC 常规菜地 0.039 0.296** 0.100 0.507** 0.172 0.685** 0.058 0.179 -0.253 0.270 覆膜菜地 0.119 0.227* -0.032 0.261 -0.020 0.441** -0.250 -0.060 -0.391** 0.073 1)*表示在P＜0.05水平(双侧)显著相关, **表示在P＜0.01(双侧)显著相关

表 5 2014~2016年土壤环境因子与N2O排放通量相关关系1) Table 5 Relationship between soil environmental factors and N2O flux from 2014 to 2016

进一步对土壤环境因子进行主成分分析, 结果如表 6所示, 常规菜地N₂O排放量的影响因素由4个主因子构成, 累积贡献率达到79.27%, 主因子1包括温度、有机质、碱解氮、脲酶活性、TN、DOC、MBN组成, 贡献率达到32.89%, 一定程度上代表了土壤的营养状况和土壤微生物活性; 主因子2由含水率、有机质、MBC组成, 贡献率达到18.18%, 主要代表了土壤微生物活性状况; 主因子3由硝氮、铵态氮、DON组成, 贡献率达16.02%, 代表土壤氮素的分布情况; 主因子4由碱解氮、ROC组成, 代表了土壤氮素和碳素的分布.覆膜处理菜地N₂O排放通量的影响因素也由4个主因子构成, 累积贡献率达到72.74%, 其中主因子1由温度、有机质、硝氮、TN和DOC组成, 贡献率达到25.37%, 一定程度上代表了土壤的营养状况和氮素的分布; 主因子2由碱解氮、铵态氮、DON组成, 贡献率达到16.21%, 基本都是典型的土壤氮素的指标; 主因子3由ROC、DOC、MBN组成, 贡献率达到16.01%, 一定程度上代表了土壤微生物的活性和土壤碳素的分布; 主因子4由含水率、脲酶活性、MBC组成, 贡献率达到15.14%, 主要反映了土壤微生物活性.

表 6 (Table 6)

表 6 两种处理下菜地N2O排放通量影响因素的主成分分析 Table 6 Principal component analysis of the influencing factors of N2O flux under two treatments 影响因素 常规处理 覆膜处理 主因子1 主因子2 主因子3 主因子4 主因子1 主因子2 主因子3 主因子4 含水率 -0.185 -0.796 -0.041 0.188 -0.151 0.078 0.137 0.826 温度 0.902 0.164 -0.028 0.056 0.938 -0.045 -0.113 0.042 有机质 0.627 0.561 0.344 -0.102 0.747 -0.307 0.344 -0.35 碱解氮 -0.566 -0.134 0.201 0.681 -0.042 0.906 -0.272 0.145 硝氮 0.256 0.11 0.885 -0.214 0.733 0.094 0.332 -0.294 铵态氮 0.394 0.273 0.54 0.474 0.476 0.78 -0.167 0.107 脲酶活性 0.905 0.232 0.031 -0.178 -0.164 0.024 0.4 -0.637 ROC 0.033 -0.061 -0.137 0.733 0.218 -0.066 0.646 -0.21 TN 0.752 0.382 0.319 -0.049 0.807 0.238 0.045 -0.139 DOC 0.712 0.417 -0.114 -0.264 -0.529 0.117 -0.576 -0.208 DON 0.223 0.272 -0.822 -0.096 0.113 -0.694 -0.174 0.246 MBC -0.138 -0.892 0.145 -0.089 -0.228 -0.079 0.092 0.659 MBN -0.73 0.193 -0.122 -0.377 -0.055 -0.062 0.877 0.191 贡献率/% 32.89 18.18 16.02 12.19 25.37 16.21 16.01 15.14

表 6 两种处理下菜地N2O排放通量影响因素的主成分分析 Table 6 Principal component analysis of the influencing factors of N2O flux under two treatments

从图 5可以看出, 除DON(可溶解性氮)和MBN(微生物生物量氮)之外, 其它氮指标, 包括土壤硝态氮、铵态氮、碱解氮和TN(总氮)在整个观测期间的覆膜和常规种植方式下具有基本一致的变化趋势. TN、碱解氮、铵态氮和硝态氮在第一年辣椒季初期都出现了较高的峰值, 且都表现为覆膜大于常规(TN: 186.5 mg·L^-1＞149.69 mg·L^-1, 碱解氮: 212.31 mg·kg^-1＞127.32 mg·kg^-1, 铵态氮: 312.32 mg·kg^-1＞237.58 mg·kg^-1, 硝态氮: 172.17 mg·kg^-1＞139.51 mg·kg^-1).配对t检验显示, 此种植季, TN和铵态氮含量呈现为覆膜显著大于常规(P＜0.05), 硝态氮和碱解氮含量覆膜和常规则无显著差异.在第二年辣椒季, 只有硝态氮和TN两个氮素指标在种植季初期出现了明显的峰, 同样也表现为覆膜大于常规(硝态氮: 416.04 mg·kg^-1＞128.31 mg·kg^-1, TN: 192.14 mg·kg^-1＞69.79 mg·kg^-1), 配对t检验显示, 硝态氮和TN两个指标的含量呈现为覆膜显著大于常规(P＜0.05), 碱解氮和铵态氮则无明显差异.结合两年辣椒季情况来看, 覆膜能显著提高土壤TN的含量, 对碱解氮含量则无显著影响; 硝态氮和铵态氮含量只在其中一年的辣椒季呈现出显著影响, 并表现为覆膜大于常规, 但是其平均值在两年的辣椒季均表现为覆膜大于常规(第一年辣椒季:硝态氮82.36 mg·kg^-1＞53.09 mg·kg^-1, 铵态氮119.45 mg·kg^-1＞55.38 mg·kg^-1; 第二年辣椒季:硝态氮251.17 mg·kg^-1＞120.95 mg·kg^-1, 铵态氮27.54 mg·kg^-1＞25.83 mg·kg^-1), 说明覆膜在辣椒季可以一定程度提高土壤中铵态氮和硝态氮的含量.在一年的萝卜季, 覆膜和常规两种种植方式下硝态氮、TN、铵态氮和碱解氮含量均没有明显差异, 而在第二年的萝卜季均呈现显著差异并表现为覆膜大于常规(P＜0.05).从两年萝卜季各指标的平均值来看, 除第一年萝卜季碱解氮含量表现为覆膜略小于常规(碱解氮: 67.74 mg·kg^-1＜69.59 mg·kg^-1), 其余均表现为覆膜大于常规, 证明覆膜在萝卜季可以一定程度提高土壤中硝态氮, TN, 碱解氮和铵态氮的含量.

图 5

Fig. 5

图 5 覆膜和常规菜地土壤氮素在各种植季的变化 Fig. 5 Changes in soil N under mulching and no mulching treatments during the growing seasons of chili and radish

土壤中DON和MBN的含量变化并没有明显的规律, 从图 5可以看出, DON和MBN的变化趋势呈锯齿形, 且覆膜和常规两种种植方式也没有呈现较为一致的趋势.配对t检验表明, 土壤中DON的含量只在第一年辣椒季呈现为覆膜显著小于常规(P＜0.05), 其余种植季覆膜和常规并没有显著差异, 但是各种植季土壤中DON的平均含量均表现为常规大于覆膜(第一年辣椒季: 15.64 mg·kg^-1＞9.62 mg·kg^-1, 第一年萝卜季: 10.58 mg·kg^-1＞10.37 mg·kg^-1, 第二年辣椒季: 13.16 mg·kg^-1＞12.91 mg·kg^-1, 第二年萝卜季: 11.85 mg·kg^-1＞10.45 mg·kg^-1); 土壤中MBN含量则只在第一年萝卜季呈现出覆膜显著大于常规(P＜0.05), 其余种植季覆膜和常规也没有明显差异, 各种植季土壤MBN平均含量在覆膜和常规种植两种方式下也没有明显规律, 在第一年的辣椒季和第二年的萝卜季呈现为常规大于覆膜(第一年辣椒季: 20.59 mg·kg^-1＞15.64 mg·kg^-1, 第二年萝卜季: 18.47 mg·kg^-1＞17.28 mg·kg^-1), 在第一年的萝卜季和第二年的辣椒季呈现为覆膜大于常规(第一年萝卜季: 22.48 mg·kg^-1＞14.89 mg·kg^-1, 第二年辣椒季: 19.66 mg·kg^-1＞15.40 mg·kg^-1).

本试验研究结果表明, 在辣椒季, 无氮、低氮、中氮组常规处理菜地的N₂O排放量显著高于覆膜处理菜地(P＜0.05);在萝卜季, 中氮、高氮组覆膜处理菜地的N₂O排放量显著高于常规处理菜地(P＜0.05).由此可以看出, 覆膜对于N₂O的排放是有明显影响的, 这与众多学者的研究结果一致^{[5, 6]}.土壤中N₂O的产生主要是通过硝化和反硝化作用进行.硝化过程是在通气条件下, 亚硝化和硝化微生物将铵盐转化为硝酸盐的过程; 反硝化过程则是在缺氧条件下, 由反硝化细菌将土壤中的硝酸盐或硝态氮还原成氮气或氧化氮的过程^[15].在辣椒季, 常规种植的N₂O排放量普遍高于覆膜种植, 主要是因为覆膜进一步推进了反硝化的进程.有研究发现, 地膜覆盖可以使作物生育期提前, 并增加作物的产量^[16], 而作物的生育期可以对土壤的反硝化产生影响, 作物生长旺盛将增加土壤的反硝化能力.作物生长旺盛时根部呼吸加快, 大量消耗土壤中O₂, 有利于反硝化, 根系周围存在大量的有机物质, 也利于土壤反硝化微生物活性增强.土壤被地膜覆盖后, 在一定程度上可以阻隔或减缓土壤气体N₂O向大气的扩散和释放, 加之地膜覆盖可以使膜下土壤局部产生厌氧状态, 更加剧了土壤的反硝化作用, 使滞留在土壤中的N₂O在厌氧微生物的作用下更有机会进一步转化为N₂.辣椒季高氮组常规和覆膜处理N₂O排放量无显著差异, 可能是因为高氮菜地中, NH₄⁺的含量过高, 致使氨化细菌活跃并积累大量的NO₂^-, 导致缺氧环境的产生, 引诱异养反硝化菌的反硝化作用并产生N₂O^[17], 此时地膜覆盖产生的减缓N₂O排放的效应远不及氮肥施入导致的排放效应, 从而使得高氮菜地覆膜与常规处理N₂O排放量无显著差异.萝卜季, 中氮、高氮组覆膜处理菜地的N₂O排放量显著高于常规菜地, 可能是因为萝卜季温度较低, 硝化与反硝化细菌受低温影响导致活跃度降低, 此时覆膜导致的作物生长旺盛和其所产生的厌氧环境虽促进了反硝化进程, 却又因温度等因素限制无法进一步反硝化为N₂.另外, 在冬季, 覆膜的保温作用会使覆膜菜地的微生物活动较常规菜地活跃, 有利于反硝化细菌产生N₂O, 加之覆膜使菜地含水率增高, 高水分会刺激反硝化进程^[18], 从而导致覆膜的N₂O排放量显著高于常规; 无氮、低氮菜地的覆膜和常规处理N₂O排放量无显著差别, 可能是因为本身土壤中的NH₄⁺底物不足, 地膜覆盖营造的反硝化环境影响不大, 故而无显著差别.

从表 2可以看出, 各处理下辣椒季的N₂O排放量普遍要大于萝卜季.主要原因有以下3点:第一, 辣椒季土壤温度要高于萝卜季, 硝化和反硝化细菌比较活跃, 促进硝化和反硝化进程, 而两种进程都会产生N₂O; 第二, 辣椒季温度较高会促进土壤呼吸, 降低土壤O₂含量, 并促进厌氧区域的形成, 有利于反硝化反应进行; 第三, 作物类型对农田N₂O排放具有显著影响, 冯迪等^[6]的研究发现, 萝卜在生长过程中会消耗土壤中大量的氮素, 使微生物活动缺乏基质, 会使N₂O的生成受阻.

本试验研究结果表明, 辣椒季和萝卜季, 覆膜和常规种植下均表现出了高氮菜地N₂O排放量显著高于其他菜地(P＜0.05), 这与众多学者的研究一致^{[12, 19]}.辣椒季常规种植中氮菜地N₂O排放量显著高于低氮、无氮菜地(P＜0.05);萝卜季覆膜种植方式下中氮菜地N₂O排放量显著高于无氮菜地(P＜0.05), 常规种植下低氮、中氮菜地N₂O排放量显著高于无氮菜地(P＜0.05).由此可以看出, 施氮与不施氮相比, N₂O还是有显著变化的, 在低施氮量时对N₂O的排放影响较小.农田施氮是非常重要的一种农作方式, 施用氮肥可以提高作物的产量, 同时也为土壤硝化反硝化提供了氮源.有研究发现^[20], 土壤随着氮肥施用量的增加, N₂O排放量与氮肥施用量会呈现非线性的关系, N₂O排放量会随氮肥施用量增加而呈现指数形式增长, 特别是当施氮量超过作物产量最大需氮量时.

通过对图 3的观察可以发现, 各处理菜地均在整个观测初期出现了一个峰值, 往后便趋于平缓.观测初期正是在施肥之后, 可以说明施肥会导致N₂O出现一个大的排放. Ju等^[21]在密集管理的低碳钙质土壤进行的田间试验中也证实, N₂O排放的高峰总是由在土壤中施用大量的NH₄⁺或尿素肥料后的第一周, 在其他时期没有强烈的排放, 即使土壤中硝酸盐的浓度很高, 也仅占全年N₂O排放量的一小部分.

相关分析结果表明, 常规处理菜地的N₂O排放通量与温度、碱解氮、铵态氮均呈极显著正相关(P＜0.01), 覆膜处理菜地N₂O排放量与温度呈显著正相关(P＜0.05), 与铵态氮呈极显著正相关(P＜0.01), 与TN呈极显著负相关(P＜0.01).进一步进行主成分分析后发现, 土壤N₂O排放通量主要与土壤营养状况和土壤氮素有关.土壤温度方面, 有大量研究认为农田N₂O的产生随温度升高而增加^{[22, 23]}.然而温度升高并不会对田间土壤N₂O排放产生大的影响, 但在水分和底物不是限制因子时, 温度则能极大促进N₂O的排放.土壤营养状况和氮素分布对于N₂O排放的主要影响在于能够为土壤中的微生物提供能量, 而且为反硝化过程提供了反应底物.相关性分析可以看出, 无机氮素形态对N₂O的排放影响较大.土壤微生物将NH₄⁺氧化为NO₃^-的硝化过程中、将NO₃^-、NO₂^-转化成低价氮的氧化物的反硝化过程中, 都会有N₂O的产生^[6].另外土壤中的碳素对于N₂O排放的影响也不可忽视.王丽媛等^[24]的研究认为, 一般土壤微生物适宜的有机质C/N比值为(25~30)/1.如果C/N大于这个值, 则有机质分解缓慢, 微生物活性弱, N₂O排放受到抑制, 反之, 则会促进N₂O的排放. C/N低的有机物分解时所排放的N超过分解有机质微生物的需要, 从而有利于N₂O的生成.

氮素是植物生长和发育所必须的元素, 维持土壤中氮素的高水平可以保证作物产量.本试验研究结果表明, 地膜覆盖可以一定程度上增加土壤中硝态氮、铵态氮和TN的含量, 对于碱解氮的增加则不太明显, 并且在施肥后一段时间, 覆膜和常规两种种植方式下土壤硝态氮、铵态氮和TN的含量都出现了明显的高峰.这说明氮肥能够很好地补充土壤中的氮素, 而地膜覆盖可以减少土壤中的氮素流失.这是因为地膜覆盖使土壤微生物增加, 增强了微生物的活性, 可以加速土壤有机质的分解和转化.除此之外, 地膜覆盖还有阻隔作用, 可以减少土壤中氮素的挥发, 同时还可以防止雨水冲刷导致的土壤氮素的淋溶损失.李桢等^[25]对西南地区辣椒地氮素分布的研究发现, 地膜覆盖可以增加土壤中TN, 硝态氮, 铵态氮和碱解氮的含量; 宋文元^[26]对玉米地氮素分布的研究发现, 覆膜处理的氮素含量远远高于不覆膜的氮素含量, 然而氮素变化并不呈现一定的规律; 汪景宽等^[27]的研究发现, 长期地膜覆盖对棕壤全氮影响较小, 碱解氮的含量有所下降, 土壤上层的硝态氮含量明显增加.由此可见, 地膜覆盖对于土壤氮素的增加并没有普遍的规律.土壤氮素的投入主要依赖于施肥补给, 包括氮素化肥和有机肥^[28].土壤氮素的循环还要受到固氮、氨化、硝化和反硝化作用的影响.因此, 地膜覆盖对于土壤氮素含量变化的影响机制还需要从施肥种类、蔬菜种类以及土壤类型等方面进行进一步的研究.

在本试验中, 土壤中DON和MBN的含量变化并没有明显的规律, 且覆膜和常规两种种植方式也没有呈现较为一致的趋势.覆膜在一定程度上减少了土壤中DON的含量, 对于土壤中MBN的含量则没有产生明显的影响.土壤氮素可以很好地反映土壤的营养状况, 而土壤微生物量能够预示土壤有机质等土壤理化性质的变化趋势^[29].土壤微生物态氮是土壤潜在氮库中最重要的氮源^[30].付鑫等^[31]在玉米田进行的研究发现, 覆膜可以增加土壤中微生物氮的含量; 张帆等^[32]的研究发现长期地膜覆盖能够显著提高0~30 cm土层的土壤养分、微生物量碳、氮含量和物质间的转化速度.结合本研究结果来看, 地膜覆盖对于土壤微生物量氮的影响可能跟覆膜时间长短, 作物种类等因素有关, 故而本试验并没有取得与其他学者一致的结果.

(1) 地膜覆盖对N₂O排放通量有显著影响.春夏季覆膜可显著减少N₂O的排放量, 秋冬季则相反.覆膜和常规种植下, N₂O的排放呈现一定的季节规律, 菜地生态系统为N₂O的源, 辣椒季N₂O的平均排放通量高于萝卜季.

(2) 不同施氮量对N₂O排放的影响呈现为随施氮量增加, N₂O排放量随之增加.因此施氮时应避免氮的过度施入.

(3) N₂O的排放通量和土壤氮素含量以及土壤温度呈显著相关关系, 而地膜覆盖可以一定程度上增加土壤中氮素的含量, 进而影响菜地N₂O的排放通量.