不同土地利用方式及增温对农业土壤N2O排放的非加和效应

陶宝先，张保华

(1.聊城大学环境与规划学院，山东 聊城 252059；2.聊城大学科学技术处，山东 聊城 252059)

不同土地利用方式及增温对农业土壤N2O排放的非加和效应

陶宝先1①，张保华2

(1.聊城大学环境与规划学院，山东 聊城 252059；2.聊城大学科学技术处，山东 聊城 252059)

土地利用方式和温度是影响土壤N2O排放的重要因素，有必要深入研究土地利用方式变化及增温对农业土壤N2O排放的交互作用。以山东省寿光市为例，利用长期(400 d)培养实验，研究土地利用方式变化(农田、种植6及12 a设施菜地、荒废12 a设施菜地)及温度对土壤N2O排放的交互作用。结果表明，升温及农田变为设施菜地显著促进土壤N2O排放(Plt;0.05)，且种植6 a设施菜地土壤N2O排放水平显著高于种植12 a设施菜地(Plt;0.05)，荒废设施菜地N2O排放水平较农田显著降低(Plt;0.05)。相对于农田，种植6 a设施菜地土壤N2O排放温度敏感性系数(Q10)显著增加，但荒废设施菜地Q10显著降低(Plt;0.05)，种植12 a设施菜地Q10值与农田相比无显著差异。此外，农田变为种植6 a设施菜地与增温对土壤N2O排放产生正效应(synergistic effect)，种植年限延长至12 a时交互作用变为加和效应(additive effect)，设施菜地荒废后交互作用变为负效应(antagonistic effect)。这是因为农田变为设施菜地及设施菜地荒废后土壤N2O排放Q10值改变所致。这表明当研究单因素对土壤N2O排放的影响和评估多因素的综合影响时，可能会低估或高估其排放水平。

土地利用方式；增温；土壤N2O排放；非加和效应；寿光市

N2O是仅次于CO2和CH4的一种重要温室气体,大气中N2O浓度以每年0.25%的速率递增,其温室效应是CO2的 298倍[1]。因此,N2O排放将对全球气候变化产生重要影响。农业土壤是N2O排放的主要贡献者[1-2],尤其是施肥过程将对农业土壤N2O排放产生较大的促进作用[3]。影响N2O在土壤与大气间转化的因素较多,其中土壤温度是影响N2O排放的主要因素之一[4]。通常,土壤温度与土壤N2O排放呈显著正相关关系[5]。温度升高能促进土壤氮素周转,加速土壤N2O排放[4-6]。

不同土地利用方式将改变农业土壤耕作过程中的施肥、灌溉等措施,并对土壤属性(如土壤温度、水分等)产生不同的影响[7-8],这可能影响土壤氮素的周转速率,进而改变土壤N2O排放过程。然而,我国农业土壤N2O排放研究一般以大田作物为主,对设施菜地土壤N2O排放规律的研究仍不充分[9]。而且,土壤N2O排放是多因素综合作用的结果,目前研究大多侧重单因素(如耕作方式、温度)的影响,鲜有研究报道不同土地利用方式及温度对农业土壤N2O排放的交互作用。

2014年我国设施蔬菜种植面积达3.87×106hm2,设施蔬菜产量达2.60×108t[10]。随着设施蔬菜栽培面积的扩大和栽培年限的延长,其土壤环境出现高温、高湿、持续且大量施肥、复种指数高、封闭且无雨水淋溶等特点[7],造成设施菜地土壤养分迅速增加[11],并产生土壤酸化、盐渍化[12]等生态环境问题。与传统农田相比,设施菜地独特的土壤环境特点极有可能改变土壤氮素的累积及周转过程,对土壤N2O排放产生较大影响。

设施菜地高强度的土地利用方式、较高的土壤温度及“大水大肥”的耕作模式[7],使其土壤养分快速累积,并随种植年限发生变化[11]。然而,关于增温及土地利用方式变化(农田变为设施菜地)对寿光市农业土壤N2O排放的交互作用研究仍鲜见报道。以寿光农田(对照),种植6、12 a设施菜地及荒废12 a设施菜地为例,利用长期(400 d)室内培养实验,研究不同种植年限设施菜地土壤N2O排放及温度敏感性特征,并确定不用土地利用方式与温度对土壤N2O排放的交互作用,以期为设施菜地N2O减排技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

寿光市位于山东半岛,属暖温带季风性大陆气候区,年均降水量为594 mm,年均气温为12.7 ℃。设施菜地以黄瓜、番茄、辣椒等轮作为主,种植方式与管理具有较大的相似性,有机肥(以鸡粪为主)年均施用量(以鲜重计)为207.2 t·hm-2,化肥〔m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15〕年均施用量为10.6 t·hm-2[12]。种植10 a以上设施菜地施肥量比种植10 a以下的明显减少[7]。农田为玉米-冬小麦轮作,年均施肥量〔m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15〕为1.125 t·hm-2[10]。第2次全国土壤普查资料表明,转变为设施菜地前农田的基本理化性质具有相似性[13]。

1.2 样品采集与测定

1.2.1样品采集与测定方法

选取农田(对照),种植6、12 a设施菜地及荒废12 a设施菜地为研究对象。2015年9月,在上述每种样地内按“S”形布点,采集多个表层(0～10 cm)土壤并混匀。在实验室内去除混合土壤中根系、石块及土壤动物等,过2 mm孔径筛,并将其分成2个部分。一部分新鲜土样风干、研磨、过2 mm孔径筛,测试土壤pH值、机械组成、含水率及最大持水量,并取部分过2 mm孔径筛的土样再断续研磨过0.15 mm孔径筛,测定土壤有机碳及全氮含量。土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾容量法,全氮含量测定采用开氏法,土壤pH值测定采用电位法,土壤机械组成测定采用比重计法,土壤含水率测定采用烘干法[14]。土壤最大持水量测定采用REY等[15]的方法。另一部分新鲜土样用于培养实验。土壤基本理化性质见表1。

表1研究区域土壤理化性质
Table1Basicphysic-chemicalpropertiesofthesoilintheresearchsites

样地w(有机碳)/(g·kg-1)w(全氮)/(g·kg-1)pH值最大持水量/%机械组成/%砂粒(0 05～2mm)粉粒(0 002～lt;0 05mm)黏粒(lt;0 002mm)FL13 41±0 77c1 01±0 07c6 48±0 13b39 84±0 16c21 26±0 62b57 92±0 08a20 93±0 55b6GH26 28±0 25a3 51±0 21a6 88±0 15a59 26±0 41a23 79±1 17ab53 71±1 13b22 51±0 04b12GH18 58±0 47b1 85±0 05b6 82±0 08a44 10±3 08b21 00±2 76b53 91±1 61b25 10±1 61aAG13 39±0 92c1 32±0 05c6 95±0 17a45 65±1 27b26 21±1 08a52 48±1 06b21 32±0 01b

数据为平均值±标准差。FL为农田,6GH、12GH分别为种植6、12 a的设施菜地,AG为荒废12 a设施菜地。同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(Plt;0.05)。

1.2.2室内培养实验

将50 g新鲜土样置于500 mL广口瓶内,用去离子水调节土壤含水率至60%最大持水量,随即称量广口瓶质量。将广口瓶置于25、35 ℃生化培养箱内恒温培养400 d。在同一温度条件下每种土地利用方式设置3个重复。取样前,用带三通的胶塞将广口瓶密封,密封0、24 h时用带三通的注射器分别抽取20 mL瓶内气体,用气相色谱(Aglient 7890A,美国)测定样品N2O浓度,并根据前、后2次样品N2O浓度差,计算土壤N2O排放速率。取样后去掉胶塞,用多层纱布将瓶口罩住,既保持瓶内外气体流通,又减缓瓶内水分损耗。每隔3 d称量广口瓶质量,根据与实验初始时的质量差,用去离子水补充水分,使土样保持相对恒定的土壤含水率。

土壤N2O排放敏感性系数(Q10)的确定参照土壤CO2排放温度敏感性系数的计算方法[16],Q10的计算公式为

Q10=(K2/K1)10/(T2-T1)。

(1)

式(1)中,Q10为土壤N2O排放敏感性系数;K1、K2分别为25、35 ℃下土壤N2O排放速率,mg·kg-1·h-1;T1、T2为培养温度,此处分别为25、35 ℃。

1.2.3交互作用类型的确定

土地利用方式及温度对土壤N2O排放的交互作用参照如下方法[17]确定并作适当修改:以25 ℃条件下实测的农田土壤N2O累积排放量为参照(A0),以35和25 ℃条件下实测的农田土壤N2O累积排放量的差值作为增温对土壤N2O排放的影响(T0),以其他耕作方式25 ℃条件下实测的土壤N2O累积排放量与A0的差值作为耕作方式变化对土壤N2O累积排放量的影响(A1),则在耕作方式变化与增温综合作用条件下土壤N2O累积排放量的理论值(B0)为B0=A0+T0+A1。35 ℃条件下实测的不同种植年限设施菜地及荒废设施菜地土壤N2O累积排放量为耕作方式变化及增温对土壤N2O排放交互作用的实测值(B1)。

利用单因素方差分析统计B0与B1的差异,统计显著水平α=0.05,并按如下方式判定交互作用类型:(1)当B0与B1有显著差异且B0gt;B1时,交互作用类型为负效应(antagonistic effect),即单因素影响的加和大于2个因素的实际综合作用;(2)当B0与B1有显著差异且B0lt;B1时,交互作用类型为正效应(synergistic effect),即单因素影响的加和小于2个因素的实际综合作用;(3)当B0与B1无显著差异时,交互作用类型为加和效应(additive effect),即单因素影响的加和等于2个因素的实际综合作用。

1.3 数据分析

土壤理化性质、N2O累积排放量及温度敏感性系数在不同样地类型间的差异采用配对t检验。采用双因素方差分析研究样地类型及培养温度对土壤N2O累积排放量的交互作用。统计显著水平α=0.05。采用Excel 2007和SPSS 13.0软件对相关数据进行统计分析。采用Origin 9.0软件作图,图中误差棒为标准差(n=3)。

2 结果与分析

由图1可知,增温显著促进农田及种植6、12 a设施菜地土壤N2O排放(Plt;0.05),但荒废12 a设施菜地土壤N2O排放对温度变化不敏感。种植6、12 a设施菜地土壤N2O累积排放量显著大于农田,且种植6 a设施菜地土壤N2O累积排放量显著大于种植12 a设施菜地(Plt;0.05)。在4类样地中荒废设施菜地土壤N2O累积排放量最低。

直方柱上方英文大写字母不同表示相同温度条件下不同处理间N2O累积排放量差异显著(Plt;0.05),英文小写字母不同表示同一样地不同温度条件下N2O累积排放量差异显著(Plt;0.05)。

由图2可知,种植6 a设施菜地土壤N2O排放的Q10值显著大于农田(Plt;0.05)。设施菜地种植年限达12 a时,土壤N2O排放的Q10值又降至农田水平。设施菜地荒废12 a后,土壤N2O排放的Q10值较农田显著下降(Plt;0.05)。

由表2可知,土地利用方式与温度对土壤N2O排放有显著交互作用(Plt;0.05)。图3显示,农田变为种植6 a设施菜地与温度对土壤N2O排放的交互作用类型为正效应(P=0.001),农田变为种植12 a设施菜地与温度对土壤N2O排放的交互作用类型为加和效应(P=0.311),设施菜地荒废与温度对土壤N2O排放的交互作用类型为负效应(P=0.003)。

3 讨论

笔者研究发现,农田转变为设施菜地后土壤N2O排放显著增加(Plt;0.05)。这与ZHU等[18]在江苏的研究结果相似。随着设施菜地种植年限延长至12 a,土壤N2O排放明显降低,但仍高于农田(Plt;0.05);设施菜地荒废12 a后,土壤N2O排放较农田显著下降(Plt;0.05,图1)。研究表明,施肥显著促进农业土壤N2O排放[3],且土壤有机质及无机氮含量影响土壤中与氮素转化相关的微生物种群结构[19]。近期研究发现,施加有机肥及化肥显著增加与氮素转化相关的酶基因丰度[20],并促进土壤N2O排放[21]。施肥增加了土壤中无机氮含量,促进土壤氮素的转化(如硝化过程)[8],进而加速N2O排放。随着施肥量的增加,土壤N2O排放量也显著增加[22]。此外,我国南方有关设施菜地的研究表明,土壤pH值gt;5.66、农田转变为设施菜地后,增加的土壤N2O排放主要来自于硝化过程[18]。笔者研究中设施菜地有机肥(多为禽畜粪便)及化肥施用量明显高于农田[11-12]。有机肥中的易分解组分能为土壤微生物提供能量,提高土壤微生物活性。施用化肥也能增加土壤中无机氮累积。同时,研究区设施菜地土壤pH值gt;5.66。由此推测,研究区设施菜地持续且大量施肥促进土壤氮素累积,可能加速土壤氮素的硝化过程及N2O排放。

直方柱上方英文小写字母不同表示不同样地间Q10差异显著(Plt;0.05)。

表2农业土壤N2O排放的双因素方差分析结果
Table2Two-wayANOVAanalysisofN2Oemissionsintheagriculturalsoils

项目F值P值培养温度113 80lt;0 001土地利用方式313 78lt;0 001培养温度×土地利用方式23 78lt;0 001

就同一样地类型而言,直方柱上方英文小写字母不同表示理论值与实测值间差异显著(Plt;0.05)。

笔者调查发现,设施菜地种植超过10 a后,施肥量比种植年限lt;10 a的设施菜地约减少30%[7]。一方面,这会减少土壤微生物的能量来源,降低与氮素转化相关的微生物活性;另一方面,也会降低土壤中无机氮累积,可能减缓土壤硝化过程,降低土壤N2O排放。虽然种植年限超过10 a 设施菜地的施肥量有所下降,但其数量仍明显高于农田,这可能是种植12 a设施菜地土壤N2O排放水平明显降低但仍高于农田的原因。设施菜地荒废后无任何施肥措施,土壤氮素补充主要来自荒草凋落物及大气氮沉降,氮素补充量较农田大幅降低。因此,设施菜地荒废12 a后土壤N2O排放较农田显著降低。

研究表明,土壤温度与N2O排放呈显著正相关关系[6],土壤温度升高显著促进N2O排放[4]。早期研究发现,15～35 ℃是与土壤硝化过程相关的微生物活动的适宜温度范围[23],升温能增加土壤微生物活性[24],促进土壤硝化过程[4],加速土壤N2O排放。笔者研究中培养温度均处于土壤硝化过程相关微生物活动的适宜温度范围,故升温明显促进农田及设施菜地土壤N2O排放(Plt;0.05,图1)。由于设施菜地具有保温措施,土壤温度高于农田[7]。农田转变为设施菜地后,较高的土壤温度可能提高土壤微生物活性,且设施菜地持续、大量施加化肥及有机肥[7],为土壤提供了大量的氮素来源,这些过程均可能促进土壤硝化过程及N2O排放。

Q10能够反映土壤N2O排放对温度的响应。笔者研究发现,农田转变为设施菜地后,土壤N2O排放对温度的积极响应呈先明显升高后逐渐下降(图2)。这表明6 a的设施菜地种植能显著增强土壤N2O排放对温度的积极响应,这也进一步解释了种植6 a设施菜地土壤N2O高排放的原因。田间实验发现,增温处理下土壤N2O排放的Q10值大于对照[25]。设施菜地的保温措施使其土壤温度高于农田[7],这可能是导致种植6 a设施菜地土壤N2O排放Q10大于农田的原因。但当种植年限延长至12 a时,土壤N2O排放对温度的积极响应又恢复至农田水平,甚至在设施菜地荒废后,土壤N2O排放对温度的积极响应明显低于农田。早期研究发现,土壤呼吸的Q10值随温度升高而下降,其原因可能是高温加快有机底物的分解,使土壤呼吸的Q10值受到有机底物的限制而下降[26]。研究区设施菜地种植年限超过10 a时有机肥施加量明显下降[7],设施菜地荒废后有机肥的施加也随即停止。据此推测,有机肥施加减少及停止所造成的有机底物限制,可能是导致种植12 a设施菜地土壤N2O排放Q10值与农田无差异甚至低于农田的主要原因。此外,研究区设施菜地土壤N2O排放的Q10值低于我国南方同类研究的平均水平(Q10为2.80)[12],这可能与耕作方式(如灌溉、施肥方式)、蔬菜种类有关。因此,后续研究应当侧重调查不同耕作方式及不同蔬菜类型设施菜地土壤N2O排放的温度敏感性特征。

双因素方差分析结果表明,不同土地利用方式及温度对土壤N2O累积排放量有显著交互作用(Plt;0.05,表2)。进一步分析发现,农田变为设施菜地导致的耕作方式变化与温度对土壤N2O累积排放量的交互作用类型,随种植年限的延长而变化。转变为设施菜地初期(种植6 a),交互作用类型为正效应。这意味着在相同增温条件下设施菜地土壤N2O排放的增加量要明显大于农田,这可能对土壤N2O排放产生进一步的促进作用。但该促进作用仅为短期现象,设施菜地种植年限延长至12 a时,交互作用类型变为加和效应。设施菜地荒废12 a后,交互作用则明显小于单因素影响的加和,这有助于减缓土壤N2O排放(图3)。

前期研究发现,温度与氮输入对湿地土壤有机碳矿化的交互作用类型为负效应,其原因是氮输入抑制了土壤有机碳矿化的Q10值,致使氮输入条件下温度对土壤有机碳矿化的促进作用明显小于对照(无氮输入)[17]。笔者研究发现,农田转变为设施菜地及设施菜地荒废后土壤N2O排放Q10值发生明显变化(图2),这可能是产生上述正、负效应的主要原因。农田变为种植6 a设施菜地后土壤N2O排放Q10值显著增加(Plt;0.05,图2),即相同升温条件对种植6 a设施菜地土壤N2O排放的促进作用大于农田(图1),因此,其交互作用类型为正效应。然而,设施菜地种植12 a及荒废12 a后,土壤N2O排放Q10值较农田无显著变化或显著降低,故交互作用类型也随之变为加和效应及负效应。综上所述,在气候变暖背景下,农田转变为设施菜地及设施菜地荒废将分别对土壤N2O排放产生正、负效应。仅利用单因素(如升温及土地利用变化)对土壤N2O排放影响的加和来预测多因素的综合作用,可能会低估或高估土壤N2O排放。而且,土壤N2O排放是各种因素综合作用的结果,今后应当加强多因素对土壤N2O排放的交互作用研究,以期深入认识各因素对土壤N2O排放的综合影响。

4 结论

(1)增温明显促进农田及设施菜地土壤N2O排放。设施菜地土壤N2O累积排放量显著高于农田,且种植6 a设施菜地土壤N2O排放量显著高于种植12 a设施菜地。设施菜地荒废后土壤N2O累积排放量较农田显著下降。

(2)农田转变为设施菜地6 a后,土壤N2O排放的Q10值显著增加。但随着设施菜地种植年限延长至12 a,Q10值又下降至农田水平。设施菜地荒废12 a后,其Q10值较农田进一步下降。

(3)土地利用方式变化与温度对土壤N2O排放可能产生正、负及加和效应,这取决于土地利用方式的变化及同一利用方式下种植年限的长短,其原因可以归结为农田转变为设施菜地及设施菜地荒废后土壤N2O排放Q10值的变化。建议今后应加强多因素对土壤N2O排放的交互作用研究,以深入理解多因素对土壤N2O排放的综合作用。

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陶宝先(1981—),男,山东淄博人,讲师,博士,主要从事土壤碳氮循环研究。E-mail：taobaoxian@sina.com

(责任编辑：李祥敏)

Non-AdditiveEffectsofLandUseandTemperatureonN2OEmissionsintheAgriculturalSoils.

TAO Bao-xian1，ZHANG Bao-hua2

(1.College of Environment and Planning,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China; 2.Department of Science and Technology,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China)

Land use and temperature are two main factors affecting soil N2O emission. However,so far little information is available in the literature about interactive effects of land use and temperature on soil N2O emission. A long-term (400 days) incubation experiment was conducted to determine interactive effect of land use and temperature on soil N2O emission relative to type of land use. Soil samples were collected in Shouguang of Shandong,one of the largest vegetable production regions of China,from lands under different types of land use including farmland (FL),6 year-old greenhouse cultivation (6GH) and 12 year-old greenhouse cultivation (12GH) and abandoned 12 year-old greenhouse cultivation (AG). Results of the incubation experiment show that both elevated temperature and change of land use in type from FL to 6GH and 12GH significantly promoted soil N2O emission (Plt;0.05). 6GH was significantly higher than 12GH (Plt;0.05) in N2O emission,and AG was significantly lower than FL (Plt;0.05).Q10of N2O emission was higher in 6GH than in FL,but lower in AG than in FL (Plt;0.05). Moreover,Q10in 12GH was similar to that in FL. Furthermore,the interactive effect of elevated temperature and change of land use from FL to 6GH on N2O emission was synergistic effect on N2O emission,which turned into an additive one when 6GH became 12GH and into antagonistic one when 12GH was turned into AG,which was attributed to the variation ofQ10with the alteration of land use from FL to 6GH,12GH and AG. All the findings in this study demonstrate that the study on effect of a single factor on N2O emission may underestimate soil N2O emissions,while the study on comprehensive effect of multifactors on N2O emission may over the emission.

land use type; elevated temperature; soil N2O emission; non-additive effect; Shouguang City

2017-04-14

国家自然科学基金(41501099); 山东省自然科学基金(ZR2014DQ015,ZR2016DM14); 聊城大学基金(318051430)

① 通信作者E-mail：taobaoxian@sina.com

X144

A

1673-4831(2017)11-1001-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.11.006