不同氮素水平下有机物料添加对陇中黄土高原旱作农田N2O排放特征的影响

王泳斌，武 均，吕锦慧，蔡立群,3，张 军,3，张仁陟,3

(1.甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃 兰州 730070;2.甘肃农业大学 甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃 兰州 730070;3.甘肃省节水农业工程技术研究中心,甘肃 兰州 730070)

目前，全球气候变暖问题备受关注，而温室气体浓度的大量增加是气候变暖的主要原因。N2O是三大温室气体之一，是仅次于CO2、CH4的又一温室气体，与其他温室气体相比，N2O增温潜势大，滞留大气时间长[1]。据估计，大气中每年有80%～90%的N2O来源于土壤农田，土壤是温室气体的重要排放源[2]。而旱作农田在我国农业生产中占据重要地位，土地资源丰富，是大气中N2O的重要来源，而且土壤干湿交替能激发N2O形成与排放[3]。因此，研究旱作农田土壤N2O的排放特征及如何降低温室气体的排放量显得尤为重要。

目前，对于生物质炭与秸秆还田对N2O排放影响的研究结果尚存在争议[9,11,14-15]，还有待进一步验证，而且关于不同氮水平分别配施生物质炭与秸秆还田对温室气体N2O通量变化的综合影响研究甚少。本文在陇中黄土高原半干旱地区，以连续进行4年不同氮素水平配施不同有机物料的田间定位试验为基础，探究不同量氮肥配施生物质炭及秸秆对旱作农田N2O排放的影响，旨在为该区农业可持续发展和筛选环境友好型种植模式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区的甘肃省定西市李家堡镇麻子川村(35°28′N，104°44′E)。该区海拔2 000 m 左右，年均太阳辐射594.7 kJ·cm-2，日照时数2 476.6 h，年均气温6.4℃，≥0℃积温2 933.5℃，≥10℃积温2 239.1℃，无霜期140 d，多年平均降水390.9 mm，年蒸发量1 531 mm，干燥度2.53 g·m-3，80%保证率的降水量为365 mm，变异系数为24.3%，是典型的旱作农业区。土壤为典型的黄绵土，土质绵软，土层深厚, 质地均匀，储水性能良好。0～200 cm土壤容重平均为1.17 g·cm-3，凋萎含水率7.3%，饱和含水率21.9%。

1.2 试验设计

试验以春小麦田为研究对象，设3个氮水平(不施氮肥、50 kg(N)·hm-2、100 kg(N)·hm-2)和3个有机物料水平(无有机物料、小麦秸秆、生物质炭)共组成9个处理(详见表1)，3次重复，随机区组排列，小区面积3 m×6 m=18 m2，共计27个小区。

所有处理均采用当地传统的三耕两耱耕作方式，8月份收获后进行第1次耕作，8月底和9月份分别进行第2、3次耕作, 耕深依次为20、10 cm和5 cm。9月份第3次耕后耱1次, 10月份冻结前再耱1次。试验采用春小麦连作，供试品种为‘定西40号’春小麦(TriticumturgidumL.)，自2014年开始，于每年3月下旬进行播种，播量为187.5 kg·hm-2，行距20 cm，播深7 cm，7月下旬收获。小麦秸秆打碾切碎(2～3 cm)均匀撒布于秸秆还田处理小区内(详见表2)。供试生物质炭为金和福农业科技有限公司生产的玉米秸秆生物质炭，生物质炭基本性质为C含量53.28%，N含量1.04%，P含量0.26%，灰分含量35.64%；小麦秸秆平均含碳量38%，氮素含量为0.55%。各处理于每年播种前均施入P2O5105 kg·hm-2(过磷酸钙，P2O5含量为14%)；试验中所添加氮素为尿素(含N 46%)，于每年播种前根据各处理所需用量施入小区。

1.3 气体样本的采集和测定

气体采样期为2016年11月11日至2017年10月7日。2016年11月11日—2017年3月26日为每30 d进行1次采样，之后每隔15 d进行1次采样。采样时间为早晨8∶30—11∶30时段。采样箱高35 cm，直径为38 cm，箱体顶部有1个小孔，用于插入温度计来读取箱内温度。箱内设有小风扇1个用于搅匀气体，箱外包有保温膜，防止太阳辐射使箱内温度改变[16]。底座深16 cm，底座上端有密封水槽。每个处理中分别栽入1个底座。采样前，将箱体嵌入底座中，将温度计插入箱体顶部，水槽中加水密封，使箱内空气与外部彻底隔绝后立即用注射器分别采集0，10，20 min的气体样品，分别注入150 ml密闭气袋中备用。

N2O气体浓度分析采用安捷伦7890A型气相色谱仪后检测器(u)ECD(检测温度300℃，柱温45℃)进行分析。色谱柱：Park Q15 m×0.53 mm×25 μm，载气为高纯N2。

表1 试验处理描述

表2 秸秆还田量/(t·hm-2)

1.4 土壤含水量与土壤温度测定

每次采集气体时观测1次各层次土壤温度及土壤含水量。采用地温计，同步观测记录0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm 5个层次地温；在采集气体时，随机选取靠近底座一点，分别取0～5，5～10 cm和10～30 cm土层的土壤，用烘干法(105±2℃)测定土壤含水量。

1.5 指标计算

N2O通量计算公式[17]：

(1)

式中,F为气体排放通量(mg·m-2·h-1)，A为取样箱底面积(m2)，V为体积(m3)，M0为气体分子量，C1、C2分别为测定箱关闭时和测定箱开启前箱内温室气体的体积浓度(mol·mol-1)；T1、T2分别为测定箱关闭时和测定箱开启前箱内温度(℃)，t1、t2为测定开始和结束的时间(h)。

温室气体累积排放量计算公式：

(2)

式中,M为气体累积排放量(kg·hm-2)，F为温室气体排放通量(mg·m-2·h-1)，i为第i次采样，(di+1-di)为相邻两次采样间隔天数，n为采样次数(n=19)。24×0.01为将单位mg·m-2·h-1转换为kg·hm-2。

N2O增温潜势的计算公式[18]：

GWP= 265M(N2O)

(3)

式中,GWP为农田排放的温室气体增温潜势(kg·hm-2)，M(N2O)为全年N2O气体累积排放量(kg·hm-2)。

1.6 数据整理与分析

文中数据、图表采用Excel 2013处理，利用SPSS 19.0软件进行相关性分析、通径分析和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮素水平下有机物料添加对旱作农田N2O通量排放特征的影响

2.1.1 N2O通量排放动态特征 如图1所示，全年内各处理间土壤N2O排放通量变化趋势基本一致，整体随季节的变化表现为降低→升高→降低的变化曲线，各处理N2O排放通量均呈现较为明显的“双峰型”。施肥前(3月26日前)N2O排放通量变化趋势平缓，整体随温度先降低后升高，从播种(3月26日后)至分蘖期(5月10日前后)通量呈较快上升的态势，在5月10日形成高峰，之后有所下降，但从拔节期(5月25日前后)到抽穗期(6月9日前后)出现急剧增加现象，此时期各处理N2O通量在整个观测期内达到第1个排放高峰，紧接着灌浆期至成熟期(6月24日前后至7月24日前后)进入新一轮的增长阶段，达到第2个排放高峰，收获后通量再一次回落。在观测期内各处理间N2O排放通量的波动范围如图1所示，CN100波动范围最大，为13.76～65.01 μg·m-2·h-1，BN0最小，为15.05～53.75 μg·m-2·h-1。

图1 不同处理旱作农田全年N2O通量动态特征Fig.1 The dynamic characteristics of N2O flux under different treatments

2.1.2 N2O季节平均通量排放特征 由表3可知，各处理N2O冬季平均排放通量为19.54 μg·m-2·h-1，春季为31.68 μg·m-2·h-1，夏季为53.24 μg·m-2·h-1，秋季为38.25 μg·m-2·h-1。在冬季，秸秆还田下N2O排放通量SN0、SN50和SN100较CN0分别增加了11.05%、13.98%和17.77%；春季，CN100排放通量最大，BN0排放通量最小，除CN100和BN0外，各处理之间差异不显著(P>5%)；夏季，SN100、CN100较CN0处理N2O通量分别增加了15.11%和13.17% ；秋季，SN100处理N2O排放通量最高，BN0处理最低。

2.1.3 N2O年平均通量排放特征 如图2所示，不同处理间N2O年平均通量差异达到显著水平，各处理N2O年平均通量大小为SN100>CN100>SN50>CN50>BN100>SNO>BN50>CN0> BN0，其中，处理SN100、CN100和SN50的N2O通量显著高于其他处理，SN100处理N最高为40.57 μg·m-2·h-1，BN0处理最低为34.81 μg·m-2·h-1。单施氮肥处理(CN100、CN50、CN0)N2O年平均通量大小为CN100>CN50>CN0，CN100、CN50处理较CN0处理N2O气体通量分别增加了12.92%和8.91%；氮肥配施生物质炭的处理下N2O通量大小为BN100> BN50> BN0，BN100和BN50处理较BN0处理气体通量分别增加了8.17%和5.99%；氮肥配施秸秆N2O通量大小为SN100> SN50> SN0，SN100和SN50处理较SN0处理气体通量分别增加了9.06%和5.91%。N0水平下，N2O平均排放通量大小为BN0

表3 旱作农田N2O季节平均通量/(μg·m-2·h-1)

注：不同小写字母表示处理之间的差异性显著，不同大写字母表示季节之间的差异性显著(P<5%)。

Note: the different lowercase letters indicate the significent difference of the processing, and the different capital letters indicate the significent difference of quarter(P<5%).

2.2 不同处理对N2O增温潜势的影响

图3表明，不同处理间N2O增温潜势差异达到显著水平，其中，SN100处理N2O增温潜势最高,为847.18 kg·hm-2，BN0处理最低,为727.45 kg·hm-2。单施氮肥处理(CN100、CN50、CN0)N2O增温潜势大小为CN100>CN50>CN0，处理CN50、CN100较CN0处理GWP分别增加7.93%和11.05%；氮肥配施生物质炭处理(BN100、BN50、BN0)N2O增温潜势大小为BN100> BN50>BN0，BN100和BN50处理较BN0处理GWP分别增加了7.98%和6.36%；氮肥配施秸秆处理(SN100、SN50、SN0)N2O增温潜势大小为SN100> SN50>SN0，SN100和SN50处理较SN0处理GWP分别增加了8.56%和5.65%。N0水平下，N2O增温潜势大小为BN0

注: 不同小写字母表示处理之间的差异性显著(P<5%)，下同。Note: The different lowercase letters indicate the significant difference(P<5%), the same below.图2 不同处理旱作农田全年N2O平均通量Fig.2 The annual average N2O flux under different treatments

图3 不同处理N2O的增温潜势Fig.3 GWP of N2O under different treatments

2.3 不同处理土壤平均含水量、土壤平均温度动态特征

由图4所示，观测期内，冬、春季节(2016-11-11—2017-04-25)，土壤平均含水量较高，整体变化趋势比较平缓(10.22%～11.89%)。夏、秋两季(2017-05-10—2017-10-07)，土壤含水量变化剧烈(5.71%～13.92%)。

观测期内，土壤平均温度呈现降低→升高→降低的趋势。进入11月，地温开始迅速下降，直到1月10日达到最低点，随后开始缓慢上升，到7月24日地温达到最高点，10月7日，地温变化出现反常，可能是冷空气来袭，造成10月6日温度迅速降低。

2.4 旱作农田N2O排放通量与土壤水分、土壤温度的关系

如表4所示，观测期内旱作农田N2O排放通量与各土层土壤含水量呈现显著的负相关关系(P<0.01)，与各土层土壤温度呈现显著性正相关关系。

土壤平均含水量主要通过土壤平均温度对N2O通量进行间接影响(-0.347)，而直接影响较小(-0.163)；土壤平均温度对N2O通量的影响主要是直接影响(0.792)，而间接影响较小(0.071)。

3 讨 论

图4 土壤平均温度与土壤平均含水量的动态特征Fig.4 Dynamic characteristics of average soil temperature and soil water content

自变量 Argument土层/cmSoil layer相关系数Correlation coefficient直接通径系数Direct path coefficient间接通径系数 Indirect path coefficient土壤含水量Soil water content土壤温度Soil temperature土壤含水量Soil water content0～5-0.242**-0.095**-0.1475～10-0.545**-0.154**-0.39110～30-0.498**-0.143**-0.355平均 Average-0.510**-0.163**-0.347土壤温度Soil temperature0～50.886**0.868**0.0185～100.867**0.792**0.07510～250.860**0.796**0.064平均 Average0.863**0.792**0.071

注：**代表该因子在P<1%下达到显著水平。 Note:** significant level atP<1%.

秸秆还田对N2O排放通量影响的观点不一致，邹建文等[14]通过施用不同有机物料对稻田温室气体排放的研究表明小麦秸秆还田减少了N2O排放。一般认为，旱地秸秆还田通常会对土壤微环境的温度和水分都有一定的保持效果，使缺氧的微小区域增多，加强了反硝化作用使旱地N2O排放增加[13]。本研究结果表明：在不施氮肥或施减量氮肥水平下配施秸秆还田增加了N2O排放；高量氮肥配施秸秆还田对N2O排放通量影响不明显。这可能是氮肥施用使土壤C∶N降低，而秸秆还田提高了土壤C∶N水平并增加了土壤硝化、反硝化所需的能量使N2O排放增加[22]。张冉等[23]试验结果表明随着施氮量的增加，秸秆还田对土壤N2O排放的影响逐渐由负效应变为正效应，当施氮量超过一定范围后，秸秆还田对土壤N2O排放再次表现为降低效应。也有研究表明单施氮肥或者只有秸秆还田时其N2O排放均小于氮肥与秸秆同时施用的情况[24]。

本研究结果表明氮肥的施用显著增加了N2O排放的增温潜势；施氮肥情况下，添加生物质炭显著减小了N2O排放的增温潜势；无氮肥和少量氮肥施用情况下，添加秸秆还田显著增加了N2O排放的增温潜势。这与刘杏认等[25]研究结果有差异，可能是2个试验区管理措施和气候条件有所差异造成的。

观测期内，N2O排放通量与土壤含水量显著负相关关系，与土壤温度显著正相关关系，土壤温度对N2O排放通量的直接影响占主要作用。可能由于N2O的产生与排放对温度的变化非常敏感，当土壤温度分别在15℃～35℃和5℃～75℃范围时，硝化作用和反硝化作用的微生物活性均会随着土壤温度的升高而增强，N2O的排放量也随之增加[26]。土壤水分可以改变土壤的透气性、微生物的活性等来影响N2O的产生和排放[3]，随着土壤水分含量的增加，硝化过程受到抑制，反硝化过程以生成N2为主，N2O在土壤中的扩散也受到严重阻碍，排放量减少[9]。

4 结 论

1)秸秆或生物质炭与氮肥配施对N2O排放通量的影响无交互效应。

2)全年内，各处理N2O排放通量随时间的变化趋势一致。施用氮肥显著增加了N2O排放通量，且随施氮量的增加，N2O通量显著增大；氮肥配施生物质炭显著降低了N2O排放通量，单施生物质炭对N2O排放通量减小不显著；无氮肥或施用少量氮肥配施小麦秸秆，显著增加了N2O排放通量，而高量氮肥配施秸秆还田对N2O排放通量增大不显著。

3)氮肥的施用显著增加了N2O排放的增温潜势；氮肥施用情况下，添加生物质炭显著减小了N2O排放的增温潜势；无氮肥和少量氮肥配施小麦秸秆显著增加了N2O排放的增温潜势。

4)N2O排放通量与土壤温度呈显著正相关关系，与土壤含水量呈显著负相关关系。土壤温度对N2O排放通量的直接影响占主要作用。