2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室, 北京 100081
2. State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Arable Land in Northern China, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
全球气候变暖已成为人类生存发展亟需解决的重大环境问题. 自第一次工业革命以来, 大气中氧化亚氮(N2O)和二氧化碳(CO2)等温室气体(greenhouse gas, GHG)浓度不断增加, 全球平均温度已经上升约1℃[1]. N2O作为重要的温室气体, 其全球增温潜势(global warming potential, GWP)在100 a尺度下是CO2的273倍. 农业生产是温室气体排放的主要途径之一, 其中农田土壤产生的N2O排放占人类活动总排放量的60%[2]. 减少农业N2O和CO2排放对缓解气候变暖具有重要意义.
长期施肥会改变土壤化学性质, 从而影响N2O和CO2排放. Huang等[3]研究表明, 不同施肥土壤铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量变化均会影响N2O排放. 也有研究基于有机物料还田长期定位试验土壤N2O排放的观测数据, 认为N2O排放与NO3--N含量无关[4]. 任立军等[5]研究表明, 在不同施肥模式下, 土壤CO2排放与土壤pH值、微生物量碳(MBC)显著相关. 徐学池等[6]研究表明, 不同长期施肥土壤CO2排放与土壤中可溶性有机碳(DOC)的变化有关. 对于长期施肥土壤, 其化学性质改变导致的N2O和CO2排放差异原因并无一致结论.
秸秆还田通常认为是一种有利于农田土壤碳积累的农艺措施, 且能实现农业废弃物资源的循环利用, 提升土壤肥力[7]. 近年来, 已有众多研究者对秸秆还田与农田土壤温室气体排放之间的关系进行研究, 以期探寻秸秆还田减缓土壤温室气体排放的路径. Xu等[8]研究表明, 秸秆还田增加了氮素供应, 但没有增加土壤N2O排放. 万小楠等[9]研究表明, 秸秆还田可降低N2O排放并降低全球增温潜势. Liu等[10]通过Meta分析得出, 秸秆还田后旱地土壤N2O排放增加, 水稻田N2O排放减少. 白金泽等[11]通过田间试验表明, 秸秆还田提升土壤肥力的同时也增加了关中平原地区旱地土壤N2O排放, 土壤N2O排放通量与NH4+-N、微生物量氮(MBN)和可溶性有机氮(DON)含量显著相关. 高焕平等[12]研究表明, 秸秆施入土壤中对C/N值的影响造成了土壤N2O和CO2排放差异. 秸秆还田在提高土壤肥力的同时, 增加了土壤DOC含量, 促进土壤CO2排放[13].
秸秆还田对土壤N2O和CO2排放的影响现阶段研究多集中于土壤不同水分条件下[14]、与秸秆混施的不同物质上[15], 而长期不同施肥处理旱地红壤N2O和CO2排放对秸秆添加的响应规律及其关键控制因素仍然不清楚. 为明确长期不同施肥处理旱地土壤N2O和CO2排放特征及其对秸秆添加的响应, 本研究采集30 a长期旱作红壤定位试验的土壤样品, 通过室内培养试验, 研究秸秆添加对长期不同施肥土壤化学性质、N2O和CO2排放的影响, 以期为南方旱作红壤区温室气体减排措施的制定提供数据支撑.
1 材料与方法 1.1 试验地描述与样品采集本研究所用的土壤样品取自江西省进贤县红壤研究所的旱作红壤长期定位试验点(28°35′N, 116°17′E). 江西进贤属典型的亚热带季风气候, 年平均气温18.1℃, 降水量1 537 mm. 土壤类型为第四纪红色黏土母质的红壤, 据国际制分类, 土壤质地为壤质黏土(黏粒含量36%, 粉粒40%, 砂粒24%). 长期定位试验始于1986年, 该试验区种植方式为:早熟玉米(4月中旬至7月下旬)和晚熟玉米(8月初至11月初), 随后冬闲(11月初至次年4月中旬).
本研究共采集了5个长期施肥处理的土壤样品:①对照(CK, 不施肥), ②当地化肥推荐施用量(F), ③当地化肥推荐施用量的200%(2F), ④猪粪(M)和⑤化肥配施猪粪(FM). 化肥由尿素(180 kg·hm-2, 以N计)、磷酸钙镁(39 kg·hm-2, 以P计)和氯化钾(150 kg·hm-2, 以K计)组成, 各处理年均施氮量(以N计)分别为0、180、360、80和260 kg·hm-2. 对于2F处理, 则是在每年的玉米生长季以双倍化肥处理施用氮磷钾肥. 对于M和FM处理, 猪粪施用量为每年15 t·hm-2(鲜重). 鲜猪粪的含水量85.5%, 烘干后干猪粪的基本性质为:ω[有机碳(SOC)]340 g·kg-1, ω[全氮(TN)]6.0 g·kg-1, ω[全磷(TP)]4.5 g·kg-1, ω[全钾(TK)]5.0 g·kg-1. 在玉米播种前, 所有的磷钾肥和猪粪都作为基肥施用. 每个玉米生长季氮肥总量的2/3用作基肥, 1/3作追肥. 在2017年4月种植早熟玉米之前, 从上述5种长期施肥处理的玉米种植区采集耕层(0 ~ 20 cm)土壤样品, 置于含有冰袋的采样箱中转运到实验室. 用镊子去除植物根系和凋落物等残体后, 过2 mm筛后混匀, 置于4℃冰箱, 存放不超过两周, 用于培养试验. 取部分土壤样品风干后, 进行理化性质分析. 土样中不含碳酸盐. 土壤化学性质如表 1所示. 本研究使用的水稻秸秆采自长期施肥试验区附近的稻田, 于2016年11月水稻收获时采集. 采集的水稻秸秆在60℃干燥至恒重, 切成小块(2 ~ 5 mm), 然后储存于密封罐中备用. 秸秆基本化学性质为ω[全碳(TC)]374 g·kg-1, ω(TN)8.21 g·kg-1.
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表 1 不同施肥处理土壤基础化学性质1) Table 1 Basic chemical properties of soil subjected to different fertilization regimes |
1.2 实验设计与气体采集测定
取上述5种不同施肥处理的土壤样品进行培养, 首先在土壤水分为45%田间持水量、25℃条件下预培养一周, 恢复土壤微生物活性. 预培养结束后, 每个施肥处理的土壤样品分为两份, 一份与秸秆混合(S), 秸秆添加量为5 g·kg-1, 相当于秸秆田间施用量18 t·hm-2[16], 另一份不加秸秆. 使用去离子水将每个处理水分含量调整至60%田间持水量, 称入相当于40 g干土的样品于100 mL聚丙烯管中, 置于密封的500 mL培养瓶中, 该瓶配有用于气体取样的橡胶塞, 并在25℃下于黑暗中培养20 d. 每个处理设3个重复, 在整个培养期内, 通过称重加去离子水保持土壤含水量为60%田间持水量. 使用注射器在瓶顶部采气, 在第一次采气间隔60 min后进行第二次采气, 每次采气都反复推拉注射器活塞使瓶内气体混匀. 用注射器采集20 mL气体后转入预先抽真空的12 mL顶空瓶内. 气体采集后使用气相色谱仪(Agilent 7890A, Agilent Ltd., USA)分析气体样品, 通过气体的浓度随密闭时间变化计算N2O和CO2排放通量. 在培养的前10 d, 每天测量N2O和CO2排放通量, 后10 d每隔1 d测量N2O和CO2排放量.
1.3 土壤化学性质测定在正式培养开始时和培养结束后采集土壤样品, 分析土壤化学性质, 各项指标测定方法如下. pH值:用pH计进行测定(水土比5∶1)(Radiometer, Denmark);NH4+-N和NO3--N:用1 mol·L-1 KCl(水土比4∶1)浸提, 过滤后用流动注射自动分析仪(Tecator FIA Star 5000 Analyzer, Foss Tecator, Sweden)测定;MBC:用0.05 mol·L-1的K2SO4溶液浸提氯仿熏蒸24 h后的新鲜土样和未熏蒸的新鲜土样, 过滤后使用TOC分析仪(Vario-Max, Germany)测定可溶性有机碳, 计算熏蒸和未熏蒸样品之间含碳量差异, 除以提取效率系数0.45即得MBC含量[17];DOC:用0.05 mol·L-1的K2SO4溶液浸提, 经0.45 μm滤膜过滤后用TOC仪(Vario-Max, Germany)测定;DTN:用1 mol·L-1 KCl(水土比4∶1)浸提, 经0.45 μm滤膜过滤后用TOC仪(Vario-Max, Germany)测定.
1.4 数据处理N2O和CO2排放速率和累计排放量的计算公式如下:
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式中, F为N2O(CO2)排放通量[mg·(kg·d)-1];ρ为标准状态下N2O-N(CO2-C)的密度;V为培养瓶中气体的有效空间体积(m3);W为培养瓶内的烘干土重(kg);T为培养温度(℃);Δc/Δt为在特定时间内气体浓度变化的速率;T为采样时的绝对温度(K);α为N2O(CO2)换算到N(C)的转化因子;E为N2O(μg·kg-1)或CO2(mg·kg-1)累计排放量;ti +1-ti 为第i和i+1次采样的时间间隔(d);n为观测期间总测定次数.
本文所用数据使用Excel 2018进行整理, 使用Origin Pro 2021进行制图. 使用SPSS 22.0进行数据分析, 单因素方差分析(one-way ANOVA)基于LSD法检验不同处理之间差异性(LSD, α = 0.05), 通过Spearman相关性分析N2O和CO2排放与土壤性质相关性, 使用Smart PLS 3.0进行偏最小二乘法路径分析(PLS-PM). 图表中数据均为平均值±标准差.
评估秸秆添加、不同施肥处理与土壤化学性质之间的直接效应、间接效应和总效应. 模型中所有变量VIF指数均小于3, Cronbach's Alpha指数均大于0.7, AVE指数均大于0.5, 变量载荷均大于0.5, 模型拟合通过[18]. 通过拟合系数GoF值判断模型拟合程度, GoF值大于0.7, 说明模型拟合性较好[19].
2 结果与分析 2.1 施肥和秸秆添加对土壤N2O和CO2排放的影响在整个培养期间, 施肥处理和秸秆添加均对N2O和CO2排放通量及累计排放量产生了显著影响.
在不添加秸秆条件下, M处理N2O排放通量在培养前期(0 ~ 5 d)仅次于FM处理, 在培养中期(5 ~ 20 d)略低于2F处理[图 1(a)]. 在培养前期, 2F和M处理N2O排放通量高于F处理. CK处理N2O排放通量在整个培养期内都低于其他处理. 添加秸秆条件下, FM处理与M处理在培养前期均表现出高N2O排放. 施肥、秸秆添加及其交互作用均显著影响累积N2O排放量[图 1(b)]. 相较不施肥处理[(22.05 ± 2.09)μg·kg-1, 以N计, 下同], 施化肥处理N2O累计排放量显著增加了119% ~ 195%[F和2F处理分别为(48.38 ± 20.81)μg·kg-1和(65.13 ± 12.55)μg·kg-1], 施粪肥处理N2O累计排放量显著增加了275% ~ 399%[M和FM处理分别为(82.72 ± 12.73)μg·kg-1和(1 101.99 ± 425.71)μg·kg-1]. 在秸秆添加后, 不同施肥处理N2O累计排放量对秸秆添加的响应也不同[图 2(a)]. 相较未添加秸秆, 添加秸秆分别显著增加了2F和M处理345%和247%的N2O累计排放, 对CK、F和FM处理N2O排放无显著影响.
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(a)中带“S”后缀处理为添加秸秆处理, (b)和(d)中不同小写字母表示秸秆添加或不添加条件下不同施肥处理间的显著差异(P < 0.05), *表示同一施肥处理秸秆添加引起的显著差异(P < 0.05) 图 1 施肥和秸秆添加对N2O和CO2排放通量及累计排放量的影响 Fig. 1 Effects of fertilization and straw addition on the effluxes and cumulative emissions of N2O and CO2 |
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不同小写字母表示秸秆添加引起不同施肥处理N2O或CO2排放量变化幅度的显著差异(P < 0.05) 图 2 秸秆添加引起的不同施肥处理土壤N2O和CO2排放变化 Fig. 2 Changes in soil N2O and CO2 emissions due to straw addition across fertilization treatments |
在不添加秸秆条件下, CO2的排放通量在整个培养时期波动较小[图 1(c)]. M和FM处理CO2排放通量高于其他3种处理. 添加秸秆处理CO2的排放通量在排放培养初期(1 ~ 3 d)均表现出增加. 施肥、秸秆添加及其交互作用均显著影响CO2累计排放量[图 1(d)]. 相较CK处理[(52.93 ± 5.12)mg·kg-1, 以碳计, 下同], 粪肥处理CO2累计排放量显著增加了120% ~ 130%[M和FM处理累计排放量分别为(122.11 ± 4.3)mg·kg-1和(116.47 ± 4.55)mg·kg-1], 2F处理[(67.19 ± 6.94)mg·kg-1]CO2累计排放量显著增加了26%, F处理[(56.12 ± 5.26)mg·kg-1]无显著差异. 相较未添加秸秆, 添加秸秆显著增加了各处理CO2累计排放量. 施粪肥处理(M、FM处理)秸秆添加引起的CO2累计排放量增量比例显著小于施化肥处理(F、2F处理)和不施肥处理[图 2(b)].
2.2 施肥和秸秆添加对土壤化学性质的影响施肥、秸秆添加及两者的交互作用均显著影响了土壤pH、MBC、NO3--N、DOC和DTN等化学性质(图 3). 不添加秸秆条件下, 相较不施肥处理, 施用化肥处理(F和2F)和施用粪肥处理(M和FM)土壤pH、MBC、NO3--N和DTN含量均有显著差异. 施用化肥处理平均pH值为4.02, 显著低于不施肥(4.87)与施用粪肥处理(5.79). 秸秆添加较未添加处理pH值平均提高5%, 且各处理之间差异显著. 不添加秸秆条件下, 施用粪肥处理MBC含量较不施肥与施化肥处理低. 添加秸秆处理较未添加秸秆处理, 2F处理和M处理MBC含量显著增加, 其余处理无显著差异. 其中M处理添加秸秆后ω(MBC)为(198.1 ± 19.06)mg·kg-1, 较未添加秸秆处理提高了36%. F处理NH4+-N含量显著高于CK处理与施粪肥处理, 2F处理NH4+-N含量高于不施肥处理与施粪肥处理, 但差异不显著. 不添加秸秆条件下, 施用化肥与粪肥处理NO3--N含量显著高于不施肥处理. 添加秸秆显著降低了各处理NO3--N含量, 其中CK处理降低86.2%, 施化肥处理降低42.3% ~ 43.6%, 施粪肥处理降低52.8% ~ 59.7%. 不添加秸秆条件下, 施用粪肥处理和2F处理DOC含量显著高于F处理与CK处理. 添加秸秆后除M处理外, 土壤中DOC含量均显著提高, 其中FM处理ω(DOC)由(34.23 ± 1.68)mg·kg-1增加到(64.47 ± 15.95)mg·kg-1, 增加了88%. 未添加秸秆条件下, FM处理DTN含量最高且显著高于其他处理, CK处理DTN含量最低且显著低于其他处理, F、2F和M处理之间无显著差异. 添加秸秆显著降低了各处理DTN含量, 其中CK处理降低74.6%, 施化肥处理降低38.1% ~ 40.8%, 施粪肥处理降低48.8% ~ 54%.
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不同小写字母表示秸秆添加或不添加条件下不同施肥处理间差异显著(P < 0.05), *表示同一施肥处理秸秆添加引起的显著差异(P < 0.05) 图 3 施肥和秸秆添加对土壤化学性质的影响 Fig. 3 Effects of fertilization and straw addition on soil chemical properties |
相关性分析结果表明, N2O排放与pH、DOC和DTN等性质呈显著正相关, CO2排放与DOC和pH等性质呈显著正相关(图 4).
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*表示在P < 0.05显著相关;**表示在P < 0.01显著相关 图 4 N2O和CO2累计排放量与土壤化学性质的相关关系 Fig. 4 Relationship between cumulative N2O and CO2 emission and soil chemical properties |
路径分析模型解释了46.2%的N2O排放和72.7%的CO2排放变化[图 5(a)]. 土壤活性碳氮比、DTN和MBC含量增加会引起N2O和CO2排放显著增加(P < 0.05). 碳氮比和DTN含量是影响N2O排放的主要影响因素(路径系数分别为0.974和0.706), 碳氮比和MBC含量是影响CO2排放的主要影响因素(路径系数分别为0.589和0.277). 不同施肥处理通过引起DTN含量增加从而调控N2O排放, 秸秆添加增加碳氮比, 间接调控N2O排放增加. 施肥通过影响MBC含量从而调控CO2排放, 秸秆添加通过提高MBC含量促进CO2排放[图 5(b)和5(c)]. 综上, 长期施肥土壤N2O和CO2排放受碳氮比、DTN和MBC含量直接影响, 秸秆添加间接影响N2O和CO2排放.
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(a)中单个箭头表示一个变量被假定为原因, 对另一个变量的直接影响;DOC/Mineral N为DOC除以NH4+-N与NO3--N之和;箭头上的数字为标准化路径系数, 其中红色箭头为正影响, 蓝色箭头为负影响, 黑色虚线箭头表示不显著, 箭头粗细代表路径系数大小;GoF值为模型拟合度;R2为拟合系数;Q2为预测系数;***表示P < 0.001, *表示P < 0.05 图 5 基于路径分析模型分析N2O和CO2排放的影响因素 Fig. 5 Path modeling describing the factors regulating N2O and CO2 emissions |
长期施肥显著影响了N2O排放及其对秸秆添加的响应[图 1(b)和2(a)]. FM处理N2O累计排放量显著高于施化肥(F、2F)、M和CK处理. 在培养初期, FM处理N2O排放是M处理的6倍[图 1(a)]. 这是因为相较单施粪肥, 化肥配施粪肥处理中由于化肥的施入使得微生物可直接利用化肥提供的矿质氮, 所以在培养前期即表现出高通量排放. 在培养后期, 不论秸秆添加与否, 易分解有机质消耗殆尽后使得施粪肥处理与其他处理N2O排放通量趋于接近. 本研究中M与FM处理N2O累积排量放高于其他处理, M和FM处理MBC含量与DOC含量高于其余处理. 这主要因为长期有机肥施用提高了活性有机碳, 促进了微生物活性, 增强了土壤呼吸并形成了厌氧微域, 为反硝化微生物提供了环境, 促进了土壤中的反硝化过程, 从而使得N2O排放增加[20, 21].
添加秸秆显著提高了土壤N2O的累计排放量. 本研究中, 添加秸秆显著降低了各处理的NO3--N和DTN含量[图 3(d)和3(f)]. 路径分析模型结果表明秸秆添加显著降低了土壤DTN, 促进了N2O排放. 高碳氮比秸秆的添加为土壤带来了丰富碳源, 促进了微生物反硝化过程, 使得NO3--N降低, 土壤N2O排放增加[22]. 路径分析模型结果表明, N2O排放随碳氮比增加显著上升, 进一步证实秸秆添加使得土壤中活性碳库增加, 为微生物提供了充足的能源物质. 此外, 唐占明等[23]基于田间试验认为NO3--N和NH4+-N含量与N2O排放有关, 这与本研究发现的N2O排放只与NO3--N含量有关, 与NH4+-N含量的变化无关有所差异. 这是因为试验环境复杂程度不同导致, 在田间条件下, 秸秆还田会影响还田层土壤的水热条件, 使得环境因子变化从而导致结果产生差异. 也有室内培养试验表明, 秸秆添加后NO3--N含量是影响N2O排放的主要因素, 这与本研究的结果相同[24].
秸秆添加降低了CK和F处理的N2O排放, 增加了2F、M和FM处理N2O排放[图 2(a)]. 秸秆添加对2F处理N2O排放增加的比例显著高于其他施肥处理, 这可能是由于2F处理初始DOC含量较低, 但可利用氮含量较高, 秸秆添加后提供了充足碳源, 使其碳氮比提高, 促进微生物活动引起了高N2O排放. 秸秆添加显著促进了2F处理MBC含量的结果也证实了这一点[图 3(b)], 这与黄容等[25]研究的结果相同.
3.2 施肥和秸秆添加对CO2排放的影响长期施肥显著影响了CO2排放及其对秸秆添加的响应[图 1(d)和2(b)]. 施粪肥处理(M和FM)CO2累计排放量显著高于施用化肥处理(F和2F)和不施肥处理. 这是因为有机肥施入提供了大量的有机物质, 促进微生物生长, 从而促进了微生物对土壤有机质的矿化[26]. 这解释了本研究中M与FM处理土壤CO2排放显著高于其他处理.
添加秸秆培养初期, CO2排放通量逐渐升高[图 1(c)], 这是由于秸秆中可溶性有机化合物快速分解, 提高了土壤DOC含量引起的. 在培养末期, 秸秆中易分解物质消耗殆尽, 秸秆降解速度放缓[27]. 尽管培养后添加秸秆处理土壤中DOC含量仍较不添加秸秆处理高, 但DTN消耗后没有充足氮源, 分解难降解物质时微生物呼吸作用减弱, 在CO2排放上表现为在培养末期各处理排放通量变化趋势趋于接近. 本研究中添加秸秆显著增加了不同施肥土壤的MBC含量, 这与前人研究的结果相同[28, 29]. 相较未添加秸秆处理, 添加秸秆显著增加各施肥处理CO2排放, 土壤MBC和DOC含量变化在不同施肥处理之间产生了显著差异[图 3(b)和3(e)]. 路径分析模型分析表明较高的MBC和碳氮比显著促进CO2排放, 这与李欢等[30]研究的结果一致.
本研究结果表明, 秸秆添加降低了常规施用化肥处理N2O排放, 但提高了CO2排放. 秸秆添加促进高量化肥及粪肥施用处理的N2O和CO2排放. 本研究是基于室内培养实验进行, 仍须基于田间定位试验进一步研究长期不同施肥措施与秸秆还田的相互作用如何影响温室气体排放. 今后研究应拓展不同秸秆种类与秸秆还田模式结合不同环境因子(如水分、温度和光照), 进行田间试验, 以明确在长期施肥条件下秸秆还田对土壤养分及温室气体排放的长期影响.
4 结论(1)化肥配施粪肥处理N2O累计排放量显著高于施用化肥处理(F、2F)、单施粪肥处理及不施肥处理. 施粪肥处理(M、FM)CO2累计排放量显著高于两倍化肥施用(2F). 在长期施肥土壤中NO3--N、DOC和DTN含量变化是影响N2O排放的主要因素, DOC和MBC含量变化是影响CO2排放的主要因素.
(2)秸秆添加显著影响不同施肥处理N2O和CO2排放. 与不添加秸秆相比, 秸秆添加后单施化肥和不施肥处理N2O排放降低, 两倍化肥施用和粪肥处理(M、FM)N2O排放升高. 秸秆添加后CO2排放均显著增加, 施用化肥处理(F、2F)与不施肥处理CO2排放增加比例显著高于施用粪肥处理(M、FM). 秸秆添加通过影响NO3--N、DOC和DTN含量调控N2O和CO2排放.
(3)秸秆添加显著促进了施用粪肥处理N2O和CO2排放. 在施用粪肥的旱地红壤中应合理考虑秸秆还田, 以平衡肥力提升与温室气体排放的综合效益.
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