追氮方式对夏玉米土壤N2O和NH3排放的影响

2016-08-24何彦芳江荣风巨晓棠

植物营养与肥料学报 2016年1期

关键词：硝态覆土夏玉米

刘敏, 张翀, 何彦芳, 高兵, 苏芳, 江荣风, 巨晓棠*

(1中国农业大学资源与环境学院，北京 100193; 2环境保护部环境工程保护中心，北京 100012)

追氮方式对夏玉米土壤N2O和NH3排放的影响

刘敏1, 张翀1, 何彦芳2, 高兵1, 苏芳1, 江荣风1, 巨晓棠1*

(1中国农业大学资源与环境学院，北京 100193; 2环境保护部环境工程保护中心，北京 100012)

有研究结果表明，硝化抑制剂通过减缓铵的转化速率，能够显著降低铵态氮肥施用后土壤N2O排放[8]。也有研究报道，硝化抑制剂在减少N2O排放的同时会促进土壤NH3挥发[9]。条施覆土被看作是减少土壤NH3挥发的有效措施[10]。已有研究表明，条施会造成大量无机氮的聚集，进而累积亚硝态氮[11]。已往有关华北平原农田土壤N2O排放及影响因素的研究，报道了土壤N2O排放与土壤铵态氮、硝态氮之间的关系[12-14]，但对亚硝态氮较少关注。有研究指出，土壤亚硝态氮累积与N2O排放有明显相关性[11， 15]。也有研究表明，华北平原潮土施用铵态氮肥后易于累积亚硝态氮[11,16-17]，但此类研究集中于室内培养，田间试验少见报道。目前在华北平原田间原位条件下，同时研究不同追施氮肥方式下，N2O排放、 NH3挥发及土壤亚硝态氮累积的报道还较缺乏。

本研究拟通过华北平原夏玉米季田间试验，研究不同追氮方式(均匀撒施、均匀撒施+硝化抑制剂和条施覆土)对N2O排放、 NH3挥发及农田土壤亚硝态氮累积的影响，为降低土壤N2O排放和NH3挥发对环境的影响提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验点概况

1.2试验设计与田间管理

试验于2014年夏玉米季十叶期追肥前1天(7月23日)至追肥后第15天(8月8日)进行。试验设3个处理，3次重复，小区面积12 m2(3 m×4 m)。3个处理为: 1) 对照，农民习惯追施氮肥方式—撒施(BC); 2) 撒施添加10%的硝化抑制剂DCD(BC+DCD); 3) 条施覆土(Band)。条施带位于两行玉米中央，开沟宽度为5 cm，深度为10 cm。前茬小麦收获后秸秆还田，直接播种夏玉米，品种为郑单958。行距60 cm，株距22 cm。夏玉米底肥施N 100 kg/hm2，肥料类型为N-P2O5-K2O含量为16-16-16的复合肥，肥料品牌为撒可富。底肥施用方式为均匀撒施，施肥后灌水60 mm。7月24日以尿素形式(含N 46%)追N 150 kg/hm2，各处理追肥方式如前所述。为模拟降雨前撒施氮肥的农民习惯追肥方式，所有处理施肥后均匀灌水20 mm。其它田间管理按当地农民习惯进行。玉米成熟期采集植株样品测定产量及吸氮量。

1.3测试项目与方法

1.3.1 气体样品采集与测定 1)0—20 cm土壤N2O及O2浓度测定采用土壤气体平衡管，于追肥前1天和追肥后第1、 3、 5、 7、 9、 11、 13、 15天，9次采集0—20 cm土层气体测定土壤N2O及O2浓度。土壤气体平衡管管壁布满小孔，内部气体与土体气体可达到平衡，内径2.5 cm，高20 cm，管内气体体积约98.1 mL。土壤气体平衡管的具体设计以及原理参见文献[18]。处理BC、 BC+DCD追肥方式为均匀撒施，故每个小区1个土壤气体平衡管垂直埋于0—20 cm深土层，测定土壤N2O及O2浓度。处理Band追肥方式为条施覆土，为反映条施覆土对N2O及O2浓度造成的空间变异，将土壤气体平衡管垂直埋于距施肥带0 cm(Band 0)、 10 cm(Band 10)、 20 cm(Band 20)、 30 cm(Band 30)处0—20 cm土层。土壤气体平衡管于7月22日采用土钻打孔的方式埋入土壤，7月23日进行了追肥前第1次采气，7月24日追肥，自7月25日每隔1天采一次气，直至第15天试验结束。在采气时，先用50 mL注射器抽取平衡管中部分气体，并将抽取的气体缓慢推回平衡管，往复3次，使管内气体混合均匀。随后采集平衡管中气体10 mL。气体采集完毕立即关闭平衡管，使其处于密闭状态。采用气相色谱(SHIMADZU GC-14B, Kyoto, Japan)测定N2O浓度。气相色谱采用99.999%的高纯氮气作载气，并以10%的CO2混合气作为补偿气[19]。N2O气体采集后，采用泵吸式O2浓度测定仪(HCX-O2)直接连接平衡管测定O2浓度。

2) 土壤N2O排放通量测定采用静态暗箱法-气相色谱法[19]测定土壤N2O排放通量。采样箱采用不锈钢材料制成，分为顶箱和地箱。顶箱规格为50 cm×50cm×30 cm(长×宽×高)，箱外加包5 cm厚泡沫以保证盖箱期间箱内温度变化小于3℃。地箱为50 cm×50 cm×15 cm，地箱顶部有密封水槽，四周均匀打孔，以保证水肥畅通。地箱于实验开始前一周打入玉米行间土壤。追肥时按照前述处理追肥方式进行地箱内单独施肥。其中处理Band根据施氮量换算为小区施氮量后，除以施肥条带条数后即为每条施肥带施氮量，每条施肥条带均匀施肥。N2O排放测定与0—20 cm土壤N2O及O2浓度测定同步。采气时，在地箱水槽中加水扣箱密封，密封开始为“0”时刻采气，而后在第10、 20和30 min分别采用50 mL注射器采气20 mL气体，每个箱子采集4针气体。气体采集后N2O测定同0—20 cm土壤N2O浓度测定。最后，采用线性插值法计算实验期间的N2O累计排放量[14]。

N2O排放通量计算公式:

F=k1×P0/P×273/(273+T)×M/V×H×dc/dt其中，F代表气体排放通量，单位为N2O-N μg/(m2·h); k1是单位量纲之间的转换系数(0.001); P0是箱内大气压力(hPa); P是试验地点的标准大气压力(1013 hPa)，因试验点海拔高度仅有37 m; P0/P≈1，T(℃)是盖箱时间内的平均大气温度; M(28)代表每摩尔N2O中N2的分子量; V表示273 K和1013 hPa条件下气体的摩尔体积(22.4 L/mol); H(m)是采样箱高度; c(ppm)是指箱内N2O的浓度; t(h)为盖箱时间; dc/dt[μL/(L·h)]表示盖箱时间内N2O浓度的变化速率; P0/P×273/(273+T)是通过温度和压力校正气体的摩尔体积。

氨挥发计算公式:

NH3-N[kg/(hm2·d)]=[M/(A·D)]×10-2其中，M为通气法单个装置平均每次测的氨量(NH3-N，mg); A为捕获装置的截面积(m2); D为1次连续捕获的时间(d)。

1.3.3 产量与吸氮量的测定在玉米成熟期，每小区取6株玉米，按秸秆和穗分别称取鲜重。随后烘干并称重，粉碎过筛后用凯氏定氮法[21]测定全氮含量。采样的同时在对应小区划样方测产。

1.3.4 数据统计与分析试验数据采用Microsoft Excel 2007处理，SPSS17.0软件进行P< 0. 05和P< 0.01水平下的显著性检验，采用Sigmaplot12.0绘图。

2　结果与分析

2.1土壤孔隙含水量(WFPS)时空变化

从图1a可以看出，对于0—20 cm土壤，施肥前WFPS仅为20%左右。施肥后灌水使WFPS呈先升高后下降的趋势，而8月4日降雨24.2 mm使其再次上升至60%以上。对于20—40 cm、 40—60 cm的深层土壤，灌溉和降雨对其WFPS无显著影响(图1b、 1c)。图1d可看出，处理Band不同测定位置0—20 cm土层WFPS与处理BC、 BC+DCD 0—20 cm土层WFPS变化趋势相同。

图1　不同处理不同土层土壤孔隙含水量(WFPS)变化Fig.1　water-filled porespaco in different soil layer of different treatments

[注(Note): 箭头代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

2.2土壤无机氮时空变化

图2　不同处理土壤-N含量动态变化Fig.2　Dynamics of soil -N content in different treatments[注(Note): 箭头代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

图3　不同处理土壤NO-2-N含量的动态变化Fig.3　Dynamics of soil NO-2-N content in different treatments[注(Note): 箭头代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

图4　不同处理土壤NO-3-N含量的动态变化Fig.4　Dynamics of soil NO-3-N content in different treatments[注(Note): 箭头代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

2.30—20 cm土层N2O和O2浓度时空变化

图5a显示，处理BC土壤N2O浓度升高后立即降低到试验前水平。追肥后灌水明显降低了土壤O2浓度(图5c)，同时处理BC较强的硝化作用消耗了一部分土壤中的O2，导致土壤O2浓度下降明显大于其他处理。处理BC+DCD由于DCD减缓了土壤的硝化速率，从而抑制了N2O的产生。硝化速率缓慢对O2的消耗较小，追肥后第3至11天处理BC+DCD土壤O2浓度高于其他处理，随着其他处理硝化作用的减弱，处理间土壤O2浓度差异逐渐消失(图5c)。处理Band施肥条带上(Band 0)土壤N2O浓度有升高的趋势，且持续时间远长于处理BC。Band 10、 Band 20、 Band 30处土壤N2O浓度相比施肥前变化不大(图5b)。试验第11天后，24.2 mm的降雨使土壤中O2浓度迅速下降(图5c)，显著促进了土壤N2O浓度的升高，表现为处理Band 0 > Band 10 > Band 20 > Band 30 > BC。

图5　不同处理土壤N2O及O2浓度动态变化Fig.5　Dynamics of soil N2O and O2concentrationin different treatments[注(Note): 箭头代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

2.4土壤N2O排放和NH3挥发时空变化

从图6和图7可以看出, 不同追氮方式显著影响土壤NH3挥发和N2O排放。处理BC出现了较大的土壤N2O排放，最大排放峰出现在施肥后第3天，约N 65 g/(hm2·d)。试验期间，处理BC N2O累积排放量为N2O-N 395 g/hm2(表1)。相比处理BC,处理BC+DCD N2O排放速率在整个试验期间都较小，其累积排放量降低了约89.4%。处理Band最大排放峰出现在施肥后第13天，约N 80 g/(hm2·d)，其排放峰值和持续时间均大于处理BC。试验期间，处理Band累积N2O排放量相比处理BC增加了约1倍，且在试验结束时N2O排放仍有约N 50 g/(hm2·d)。由于施肥后两周的监测并未将完整的N2O出峰周期捕捉完全，因此本研究很可能低估了条施覆土对N2O排放的促进作用。

图6　不同处理N2O排放速率动态变化Fig.6　Dynamics of N2O emission rates in different treatments

从图7a看出，处理BC NH3挥发峰值出现在施肥后第1天，约N 5 kg/(hm2·d); 试验期间，氨挥发累积排放量为N 22.9 kg/hm2(表1)，氨挥发损失率为15.3%。处理BC+DCD氨挥发速率变化趋势与处理BC一致，氨挥发损失率为19.4%。处理Band推迟了氨挥发峰值出现时间并显著降低了氨挥发量，最高峰约N 1.4 kg/(hm2·d)。相比处理BC，处理Band氨挥发累积量减少69.4%，氨挥发损失率降低到4.7%。Band 10由于距施肥条带较远，与Band 0排放比较相对较少。而Band 20、 Band 30在整个测定期间氨挥发速率在相对较小的水平，相当于土壤背景排放。

图7　不同处理NH3挥发排放速率动态变化Fig.7　Dynamics of NH3 volatilization emission rates in different treatments[注(Note): 箭头代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

处理TreatmentN2O(Ng/hm2)NH3(Nkg/hm2)BC395±82a22.9±2.3aBC+DCD42±9b29.1±3.9aBand789±173c7.0±1.6b

注(Note) : 数据为平均值±标准差Data are mean±SD(n=3); 同列数值后不同字母表示处理间差异显著Values followed by different letters are significantly different among treatments (P<0.05).

2.5不同监测指标之间的相关性分析

表2　不同处理各监测指标间的相关性分析Table 2　Correlation between different indices in different treatments

注(Note): *和**表示P< 0.05和P< 0.01水平下差异显著 Represents significant difference at the level ofP< 0.05 andP< 0.01; BC、 BC+DCD为0—20 cm土壤，Band为施肥条带0—20 cm土壤，BC, BC+DCD is 0-20 cm soil, Band is 0-20 cm soil on the band of fertilizer; S-N2O 和S-O2分别表示土壤中N2O和O2浓度S-N2O and S-O2are represent soil N2O and O2concentrations, respectively.

表3　不同处理产量及地上部吸氮量Table 3　Crop yield and nitrogen uptake in above ground part of different treatments

注(Note) : 数据用平均值±标准差Data are mean±SD，n=3; 同列数值后不同字母表示处理间差异显著(P< 0.05) Values followed by different letters in the same column are significantly among different among treatments (P< 0.05).

2.6不同处理产量及吸氮量

从表3可以看出，尽管处理BC+DCD和Band处理有增加产量的趋势，但与处理BC的差异不显著。主要原因是各处理有足够的供氮，降低的氨挥发损失对供氮无足轻重。如果在供氮不足或合理供氮的情况下，降低氨挥发损失可能会增加产量和相应的吸氮量。

3　讨论

添加DCD是减少农田N2O排放的有效措施[9，25]。本研究表明，DCD虽能减少了土壤N2O排放，但对土壤NH3挥发略有促进作用，即硝化抑制剂对土壤N2O排放和NH3挥发的影响存在一定程度的“此消彼长”[27]，但增加的氨挥发损失与撒施相比统计不显著。条施覆土能够有效地降低氨挥发，但条施覆土显著增加了N2O排放。这一结果对以后的研究有所的启示，即在条施覆土措施基础上，添加硝化抑制剂，有可能同时降低N2O排放和NH3挥发，这值得进一步探讨。

4　结论

1)夏玉米农田土壤氮肥撒施后，产生大量的N2O排放，同时伴有一定量的亚硝态氮累积。

2)硝化抑制剂(DCD)减少了土壤N2O排放，略促进土壤NH3的挥发。

3)条施覆土能够显著降低土壤NH3挥发，但施肥条带上亚硝态氮的累积，促进了N2O产生及土壤N2O排放。

4)土壤含水量控制着土壤O2含量，当土壤WFPS大于60%时，土壤O2含量迅速下降，导致大量土壤N2O产生。

[1]Forster P, Ramaswamy V, Artaxo P,etal. Changes inatmospheric constituents and in radiative forcing[A]. Solomon S, Qin D, Manning M. 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]. New York, USA: Cambridge University Press, 2007.

[2]Erisman J W, Schaap M. The need for ammonia abatement with respect tosecondary PM reductions in Europe[J]. Environmental Pollution, 2004, 129: 159-163.

[3]Gu B J, Sutton M A, Chang S X,etal. Agricultural ammonia emission contribute to China; s urban air pollution[J]. Frontiers in Ecology and the Environment, 2014, 12(5): 265-266.

[4]Robertson G P, Paul E A, Harwood R R. Greenhouse gases inintensive agriculture: contributions of individual gases to the radiative forcing of the atmosphere[J]. Science, 2000, 289(5486): 1922-1925.

[5]Oenema O, Ju X T, Klein C,etal. Reducing nitrous oxideemissions from the global food system[J]. Current Opinion in Environmental Sustainability, 2014, 9-10: 55-64.

[6]国家发展和改革委员会应对气候变化司. 2005中国温室气体清单研究[M]. 北京: 中国环境出版社, 2014.

Departmen of Climate Change, National Development and Reform Commission of China. 2005 The People,s Republic of China national greenhouse gas inventory[M]. Beijing: China Environmental Press, 2014.

[7]Huang X, Song Y, Li M M,etal. A high-resolution ammonia emission inventory in China[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2012, 26(1): GB1030.

[8]Ding W X, Yu H Y, Cai Z C. Impact of urease and nitrification inhibitors on nitrous oxide emissions from fluvo-aquic soil in the North China Plain[J]. Biology and Fertility of Soils, 2010, 47: 91-99.

[9]Soares J R, Cantarella H, Menegale M L. Ammonia volatilization losses from surface-applied urea with urease and nitrification inhibitors[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2012, 52: 82-89.

[10]Sommer S G, Schjoerring K, Denmead O T. Ammonia emission from mineral fertilizers and fertilized crops[J]. Advances in Agronomy, 2004, 82: 557-622.

[11]徐侠影. 几种典型土壤氧化亚氮产生过程与氮素转化的关系[D]. 北京: 中国农业大学硕士学位论文, 2014.

Xu X Y. The relationship between N2O production and nitrogen transformation in several typical soils [D]. Beijing: MS Thesis of China Agricultural University, 2014.

[12]Bao Q L, Ju X T, Gao B,etal. Response of nitrous oxide and corresponding bacteria to managements in an agricultural soil [J]. Soil Biology and Biochemistry, 2012, 76: 130-141.

[13]Hu X K, Su F, Ju X T,etal. Greenhouse gas emissions from a wheat-maize double cropping system with different nitrogen fertilization regimes[J]. Environmental Pollution, 2013, 176: 198-207.

[14]Gao B, Ju X T,Su F,etal. Nitrous oxide and methane emissions from optimized and alternative cereal cropping systems on the North China Plain: A two-year field study [J].Science of the Total Environment, 2014, 472: 112-124.

[15]Maharjan B, Venterea R T. Nitrite intensity explains N manage-

ment effects on N2O emissions in maize[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 66: 229-238.

[16]Shen Q R, Ran W, Cao Z H. Mechanisns of nitrite accumulation occurring in soil nitrification[J]. Chemosphere, 2003, 50: 747-753.

[17]季加敏, 喻瑶, 陆星, 巨晓棠. 肥料添加剂降低N2O排放的效果与机理[J]. 植物营养与肥料学报, 2012,18(6): 1434-1440.

Ji J M, Yu Y, Lu X, Ju X T. The effects and mechanism of fertilizer additives on reduction of N2O emission[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2012,18(6): 1434-1440.

[18]Wang Y Y, Hu C S, Ming H,etal. Concentration profiles of CH4, CO2and N2O in soils of a wheat-maize rotation ecosystem in North China Plain, measured weekly over a whole year [J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2013, 164: 260-272.[19]Zheng X H, Mei B L, Wang Y H,etal. Quantification of N2O fluxes from soil-plant systems may be biased by the applied gas chromatograph methodology[J]. Plant and Soil, 2008, 311(1-2): 211-234.

[20]王朝辉, 刘学军, 巨晓棠, 张福锁. 田间土壤氨挥发的原位测定—通气法[J]. 植物营养与肥料学报, 2002, 8(2): 205-209.

Wang Z H, Liu X J, Ju X T, Zhang F S. Field in situ determination of ammonia volatilization from soil: Venting method [J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2002,8(2): 205-209.

[21]鲍士旦. 土壤农化分析(第三版)[M]. 北京: 中国农业出版社, 2000.

Bao S D. Soil and agro-chemistry analysis (3rd Ed.) [M]. Beijing: China Agricultural Press, 2000.

[22]HJ634-2012. 土壤氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的测定氯化钾溶液提取-分光光度法[S].

HJ634-2012. Soil-Determination of ammonium, nitrire and nitrate by extraction with potassium chloride solution-spectrophotometric methods [S].

[23]Ju X T, Lu X, Gao Z L,etal.Processes and factors controlling N2O production in an intensively managed low carbon calcareous soil under sub-humid monsoon conditions [J]. Environmental Pollution, 2011, 159: 1007-1016.

[24]Crawford R. Oxygen availability as an ecological limit to plant distribution [J]. Advances in Ecological Research, 1992, 23: 93-185.

[25]秦晓波, 李玉娥, 万运帆, 等. 土壤氧气可获得性对双季稻田温室气体排放通量的影响[J]. 生态学报, 2013, 33(18): 5546-5555.

Qin X B, Li Y E, Wan Y F,etal.The effect of soil oxygen availability on greenhouse gases emission in a double rice field [J].Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(18): 5546-5555.

[26]Huang T, Gao B, Hu X K,etal. Ammonia-oxidation as anengine to generate nitrous oxide in an intensively managed calcareous Fluvo-aquic soil [J]. Science Report, 2014, 4: 3950.

[27]Zhang Y M, Chen D L, Zhang J B,etal. Ammonia volatilization and denitrification losses from an irrigated maize-wheat rotation field in the North China Plain [J]. Pedosphere, 2004, 14(4): 533-540.

Impact of fertilization method on soil nitrous oxide emissions and ammonia volatilization during summer maize growth period

LIU Min1, ZHANG Chong1, HE Yan-fang2, GAO Bing1, SU Fang1, JIANG Rong-feng1, JU Xiao-tang1*

(1CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China;2AppraisalCenterforEnvironment&Engineering,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100012,China)