内蒙古河套灌区盐碱土壤N2O排放特征

杨文柱,焦 燕,杨铭德,温慧洋



内蒙古河套灌区盐碱土壤N2O排放特征

杨文柱1,2,焦 燕1,3*,杨铭德1,温慧洋1

(1.内蒙古自治区环境化学重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010022；2.内蒙古师范大学节水农业工程研究中心,内蒙古 呼和浩特 010022；3.内蒙古师范大学化学与环境科学学院,内蒙古 呼和浩特 010022)

选择内蒙古河套灌区强度盐碱土壤S1[电导率(EC)2.60dS/m]和轻度盐碱土壤S2[电导率(EC) 0.74dS/m]为研究对象,2014~2016年,利用静态箱法3年野外原位观测试验,研究盐碱土壤氧化亚氮(N2O)排放通量.结果表明:2种不同盐碱程度土壤N2O排放每年均存在显著差异,轻度盐碱土壤N2O累积排放量低;随EC升高,土壤盐碱程度加重,土壤N2O累积排放量升高.2014~2016年作物生长季(4~11月)轻度盐碱土壤N2O累积排放量分别为180.6,167.6, 118.2mg/m2;强度盐碱土壤N2O累积排放量比轻度盐碱土壤分别增加19%、26%和45%,修复盐碱土壤成为减缓盐碱土壤N2O累积排放的重要农艺措施.

盐碱土壤；不同盐碱程度；N2O排放

N2O是重要的温室气体,100年时间尺度辐射强迫的全球变暖可能性是CO2的298倍[1].土壤能够产生和消耗温室气体,对陆地生态系统温室气体调控起主导作用.土壤和大气界面的温室气体交换受诸多环境因子影响,如土壤温度、土壤含水量和pH值等[2-4].

盐碱土壤是地球上广泛分布的一种土壤类型,约占陆地总面积的25%,我国约有盐碱土壤0.99亿hm2,在世界盐碱土壤面积排名第三,主要分布在东北、华北、西北内陆地区以及长江以北沿海地带[5].内蒙古河套灌区盐渍化面积约4.3×105hm2[6].内蒙古河套灌区作为中国三大灌区之一,粮食生产以高外源投入和高度集约化为特征,在提供大量商品粮油的同时,由于过分依赖化肥过量施用和大水漫灌洗盐、排盐而造成生态环境恶化也日益严重.

土壤中过量盐含量会影响土壤物理化学特性,微生物酶活性及其和土壤碳氮过程相关微生物活动.高浓度盐造成渗透胁迫和特定离子毒性(营养失衡)影响微生物细胞活动[7].盐碱化也会影响土壤N2O排放.国外对盐碱土壤影响N2O排放研究发现,N2O是土壤硝化过程和反硝化过程的中间产物,土壤盐含量影响硝化和反硝化过程.土壤氨化过程在低盐含量下被刺激,高盐含量下被抑制[8].高盐度土壤抑制硝化和反硝化作用,N2O还原酶受土壤盐度影响,含盐土壤中N2O易累积,盐含量高的土壤, N2O排放量大.随着土壤盐度的增加,硝化反应产生的N2O将增加[9].然而,目前国内外研究盐含量对土壤微生物活动、土壤N2O温室气体的影响,多集中于外源盐加入等室内培养试验[8-12].外源盐加入的室内培养土壤微生物没有充足的时间适应高盐环境,可能区别于野外天然高盐土壤[13].而野外原位观测盐碱土壤N2O排放过程和通量的研究还较少,限制了盐碱土壤农田N2O排放总量的科学估算,阻碍了建立盐碱土壤温室气体减排的技术途径.

本研究针对内蒙古河套灌区农业耕作区盐碱土壤,通过野外原位观测,研究N2O排放过程、特征和强度,为降低我国农田温室气体排放总量估算的不确定性提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

研究区乌拉特前旗灌域位于内蒙古河套灌区最具代表性的盐碱土壤耕作区,该地处于我国西北黄河上中游干旱、半干旱地区,属于中温带大陆性季风气候.历年平均日照时数为3202h,年平均气温3.6~7.3℃,最高和最低极端温度分别38.9和-36.5℃,无霜期每年120d左右,年平均降水量200~260mm,年平均蒸发量1900~2300mm[14].

表1 不同盐碱程度土壤理化特性Table 1 Physical and chemical properties of different saline-alkaline soil

注:S1强度盐碱土壤,S2轻度盐碱土壤.同列不同小写字母表示研究地间差异显著(<0.05).

选择2种盐碱程度土壤的农田作为研究对象,S1为强度盐碱土壤,电导率(EC) 2.60dS/m;S2为轻度盐碱土壤,EC 0.74dS/m,S1,S2研究地之间距离大约500m,土壤类型和坡度相同,总占地面积约5hm2,每个小区占地面积100m×100m,每个小区设置3个重复.农田每年6月耕种,10月收割,每年种植作物前采用机械犁地,土壤特性见表1.施肥种类:基肥施入磷酸二铵,追肥施入尿素.肥料施用量,向日葵种植前基肥施入总氮量100kg/hm2,追肥施入总氮量200kg/hm2.

1.2 气样采集与测定

2014年4月~2016年11月,利用静态暗箱法,进行野外农田原位采集气体.箱子长宽高0.5m×0.5m× 0.5m.每次采集时间为07:00~10:00,用连接三通的100mL注射器从采样箱采样口抽气约100ml,每个气体采集时间间隔5min (0,5,10,15,20min),每个小区采集时间20min.7~9月每10d采集1次气体,4月,5月,6月,10月和11月每月采集2次,每个重复设置3个固定采集样品点.气体应用Agilent 6820气相色谱仪(Agilent 6820D,Agilent corporation)进行测定分析.通过对每个采集箱的5个气体N2O混合比和相对应的采集间隔时间(0,5,10,15,20min)进行直线回归,可得到土壤N2O排放速率.根据大气压力、气温、普适气体常数、采样箱的有效高度和N2O分子量,得到单位面积N2O排放通量[15].

1.3 土壤采集和测定

采集气体同时利用内径5cm、高100cm土钻采集土壤.每个研究小区每个重复应用 “S”形取样法,选择10个取土点,采集的土壤均匀混合,装入密封袋.放入4℃冰箱,供土壤有机碳、全氮、NH4+-N、NO3--N等指标测定.土壤温度:温度测定仪(T-350,德国STEPS);水分:TDR水分测定仪(TDR100,美国SPectrum);土壤有机碳(SOC):重铬酸钾容量法测定;土壤全氮(TN):浓硫酸消煮-半微量开氏法;土壤pH值:电位计法;EC:复合电极法;土壤密度(b):环刀法;土壤质地:比重计速测法.

1.4 气体排放通量计算方法

=× (0)/(00) × (d/d) × 1000 (1)

式中:为N2O排放通量,µg/(m2×h);为静态暗箱高度,cm;为温室气体的摩尔质量,g/mol;0为标准状态下CH4的摩尔体积,L;0和0分别为标准状态下的大气压强和温度,单位分别为Pa和℃;和分别为采样点的实际大气压强和温度,单位分别为Pa和℃;d/d为采样时N2O气体浓度随时间变化的斜率,其中的单位为mg/L;的单位为 h.

1.5 数据处理和制图

采用sigmaplot 13,OriginPro 8和excel 2010软件,单因素方差分析(AVNOA)利用SPSS 22.0 (SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)分析N2O排放差异显著性.

2 结果分析

2.1 不同盐碱程度土壤N2O排放季节性变化

2014~2016年3个作物生长季,2种盐碱程度土壤N2O排放通量季节变化趋势基本一致,整个生长季7和8月有明显的N2O排放峰.N2O排放通量最大值196.5μg/(m2×h)出现在2014年7月(图1).3个生长季S1强度盐碱土壤N2O排放通量高于S2轻度盐碱土壤N2O排放通量.

图1 2014~2016年2种盐碱程度土壤N2O排放通量Fig.1 Flux of N2O emissions of two saline-alkaline soils in 2014, 2015, and 2016S1:强度盐碱土壤;S2:轻度盐碱土壤

2.2 2种盐碱程度土壤N2O排放通量和土壤水分、土壤温度变化关系

2014~2016年,2种盐渍化程度土壤N2O排放通量季节变化规律为7~8月出现排放高峰(图2).2种盐碱程度土壤(S1、S2)水分、温度季节性变化趋势与N2O排放季节性变化规律一致.2014~2016年7~8月,S1、S22种盐碱土壤温度高和水分含量多,N2O排放通量大,而在4~6月以及8~11月N2O排放通量均较小.

2.3 2种盐碱程度土壤N2O累积排放量

图3 2014~2016年作物生长季S1和S2 2种盐碱程度土壤N2O累积排放量Fig.3 Cumulative N2O emissions from two saline-alkaline soils during the growing seasons in 2014, 2015, and 2016S1:强度盐碱土壤;S2:轻度盐碱土壤

S1和S22种盐碱土壤N2O累积排放量在3个作物生长季均呈现显著差异,2014年(=23.4,<0.01),2015年(=71.6,<0.01),2016年(=83.4,<0.01).年际间S1和S2土壤N2O累积排放量差异均显著(S1,=46.3,<0.01)和(S2,=45.6,<0.01).强度盐碱土壤S1的N2O累积排放量高于轻度盐碱土壤S2的N2O累积排放量.2014~2016年,EC低的轻度盐碱土壤S2的N2O累积排放量分别为180.6,167.6, 118.2mg/m2;EC高的强度盐碱土壤N2O累积排放量与轻度盐碱土壤相比分别增加19%,26%和45%.随着盐碱程度加重,N2O排放量显著升高.2种不同盐碱程度土壤年际N2O累积排放量表现为2014年最高,2016年最低(图3).

3 讨论

3.1 不同盐碱程度对盐碱土壤N2O排放的影响

2种不同盐碱程度土壤N2O排放具有明显季节特征.7~8月作物生长旺盛季存在N2O排放峰值(图1).7~8月,降水量和降水频率相对较高,土壤水分、温度季节性变化特征表现为高峰.土壤水分含量变化趋势与N2O排放季节性变化规律一致,土壤水分含量出现峰值时,N2O也伴随出现峰值.N2O排放通常受微生物参与硝化和反硝化作用影响,这些过程都与温度和水分相关[16-17].土壤含水量高不仅能够刺激土壤微生物活性,而且能够降低土壤中O2的流动,导致反硝化作用产生[8,12].气候和土壤非生物因子:土壤温度和水分可以影响N2O动态变化,具有明显季节特征[10].因此,年际间,2种不同盐碱程度土壤温室气体排放存在差异性,2014年降水次数和频率高于2015和2016年,2014年N2O排放量均高于2015和2016年.

3.2 N2O累积排放量及其综合温室效应

河套灌区盐碱土壤N2O排放通量均值36.59μg/(m2×h).内蒙古荒漠草原N2O排放季节(春夏秋)平均值6.3μg/(m2×h)[18].在青藏高原高山荒漠区, N2O排放春季为0.7~1.1μg/(m2×h),夏季在1.2~1.9μg/ (m2×h)之间[19].河套灌区盐碱土壤夏季N2O排放较高,土壤盐碱程度(EC)高的S1土壤比S2土壤N2O排放量高(图3).本课题组盐碱土壤培养试验亦证明盐分含量显著影响不同盐碱程度土壤N2O排放[20].盐含量高的土壤,N2O排放量大.盐碱程度调控土壤硝化和反硝化作用,N2O还原酶受土壤盐度影响,在含盐土壤N2O易累积[9].随着土壤盐度增加,硝化反应产生N2O将增加.

土壤盐渍化影响盐碱土壤N2O源排放.根据整个生长季(4月末~10月末)通量估算,内蒙古河套灌区盐碱土壤面积4.3×105hm2[6],S1土壤N2O温室气体交换估算值(3年均值)约为1.58×103t, S2土壤N2O排放约为1.24×103t.其中该农业盐碱土壤S1生长季N2O排放量约占全国年排放量(2.15×106t)[21]的0.73%,S2占0.57%.3年平均整个生长季EC高的S1土壤N2O排放量比S2高24%.这些比值与周晓兵等[22]2017年新疆古尔班通古特沙漠土壤生长季N2O排放占全国年排放量的0.52%接近.

N2O气体排放对全球变暖起到重要作用.以100 年为时间尺度,单位质量的N2O气体的增温潜势(GWP)为CO2的298倍.2014~2016年,EC高的S1盐碱土壤N2O排放高于EC较低的S2土壤,且存在显著差异(图3).可见,土壤盐碱化程度加重将促进N2O排放,N2O排放源温室效应加剧.从综合效应来看,合理控盐是减少农业盐碱土壤温室效应的有效措施.加强河套灌区盐碱土壤温室气体占比数据精确估算还需要盐碱土壤更多点位数据加以验证.

4 结论

4.1 内蒙古河套灌区盐碱土壤盐渍化程度影响土壤N2O源排放.2种不同盐碱程度土壤N2O排放通量表现为:S2轻度盐碱土壤(EC 0.74dS/m)

4.2 盐碱土壤随电导率EC增加,盐碱程度加重, N2O排放升高.S2土壤N2O累积排放量均值为155.5mg/m2,S1土壤N2O累积排放量均值比S2土壤增加28.0%.

4.3 从N2O排放源的温室效应来看,电导率低的盐碱土壤能有效的抑制温室气体N2O的排放,显著地降低N2O引起的综合温室效应.

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N2O emissions from saline-alkaline soil with different saline-alkaline levels in the Hetao Irrigation District of Inner Mongolia, China.

YANG Wen-zhu1,2, JIAO Yan1,3*, YANG Ming-de1, WEN Hui-yang1

(1.Water-saving Agricultural Engineering Research Center, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China；2.Inner Mongolia Key Laboratory of Environmental Chemistry, Hohhot 010022, China；3.College of Chemistry and Environmental Sciences, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China)., 2019,39(3)：948~953

It were chosen for high saline-alkaline soil, S1[electrical conductivity (EC) 2.60dS/m] and low saline-alkaline soil, S2[electrical conductivity (EC) 0.74dS/m] in Hetao Irrigation District of Inner Mongolia. The static box method was used in field in-situ observation test for 3year. A 3-yr study was conducted with sunflower crops in intensively managed saline-alkaline soils cropping systems in northeastern China to examine the effects of salt and alkali on N2O emissions. Results indicated that high saline-alkaline soil significantly increased N2O emissions with obvious differences as compared with low saline-alkaline soil. The accumulative emissions of N2O during the 3-year observation period were estimated at 180.6mg/m2, 167.6mg/m2and 118.2mg/m2for the low saline-alkaline soil. Compared with low saline-alkaline soil, the high saline-alkaline soil significantly increased the accumulative emissions of N2O by 19%, 26% and 45% from 2014 to 2016, respectively. Our findings suggest that mitigating N2O emissions on saline-alkaline soil can be achieved by remediating saline-alkaline soil.

saline-alkaline soils；different saline-alkaline levels；N2O emissions

X511,S151.9,S182

A

1000-6923(2019)03-0948-06

杨文柱(1977-),男,内蒙古赤峰人,助理研究员,博士,主要从事农田面源污染和土壤碳氮循环研究.发表论文20余篇.

2018-08-22

国家自然科学基金资助项目(41565009);2016内蒙古青年创新人才计划

*责任作者, 教授, jiaoyan@imnu.edu.cn