有机-无机肥配施对黄土高原半干旱区农田土壤N2O排放的影响

杜梦寅,袁建钰,李 广,闫丽娟,郭 疆,姚武扬眉

(1.甘肃农业大学林学院,甘肃 兰州 730070;2.甘肃农业大学农学院,甘肃 兰州 730070)

氧化亚氮(N2O)是大气中重要的温室气体之一,百年尺度下单位质量其增温潜势是CO2的296倍,能长期滞留在大气中并参与多种光化学反应,对臭氧层进行破坏[1]。研究表明,农田土壤是N2O的重要排放源,其年均排放量已达到全球排放总量的38%以上[2]。在影响农田N2O排放的诸多因子中,化学氮肥的施用是最为重要的一项技术措施[3]。增施氮肥可以迅速提高土壤所需养分浓度,满足作物生长的需要,从而显著提高作物产量,但随着氮肥用量的快速增加,也造成了严重的环境问题[4]。因此,选择合理的施肥方式是提高作物产量、保持土壤肥力和减少因施氮肥所造成的环境污染的关键,对于减少农田土壤N2O排放和缓解温室效应显得尤为重要。

陇中黄土高原位于我国中部偏北部,干旱、水土流失严重已成为该地区主要生态环境问题。春小麦因其抗旱性强、生育期短、产量可观等优点,已成为黄土高原半干旱区种植的首选作物[5]。有机/无机肥料联合施用技术是农业可持续发展的首选,对改善土壤结构、形成土壤团聚体,提高氮素利用效率以及产量等都有显著作用,但其引发的环境效益仍尚存分歧[6]。Ding等[7]研究发现,有机/无机肥配施能够有效降低农田土壤N2O的排放,董玉红等[8]研究证实,在等氮条件下,与单施化学氮肥相比,有机肥代替部分无机氮肥会降低土壤N2O的排放。相反,陈晨等[9]在宁夏油葵田的研究结果表明,在不同的氮肥施用方式下,有机无机肥配施处理土壤N2O排放量显著高于单施无机氮肥处理。也有研究报道[10],与单施氮肥相比,有机肥配合无机肥施用对土壤N2O排放并无显著差异。综上所述,不同施肥方式对土壤N2O排放特征在不同温度、水分、作物类型的差异下均有不同的结果。当前,大多数研究已经证实有机/无机肥配施在协调作物养分平衡、减肥增产的方面具有重大作用,但对影响旱地农田土壤N2O排放的关键因素及其响应机制尚不清楚,需进一步研究。

为了更好揭示有机/无机肥配施下土壤理化性质及环境因子对土壤N2O排放的影响,本试验以黄土高原4种施肥方式下的春小麦地为研究对象,综合分析了有机/无机肥配施下土壤N2O的排放特征及其环境影响,探究二者之间的相关关系,揭示土壤N2O排放对不同施肥方式的响应机制,从而提出增产减排的最优施肥方式,为寻求区域合理的土壤培肥方式及优良生态环境建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于甘肃省定西市安定区安家坡村甘肃农业大学旱农综合试验站(35°64′N,104°64′E),该地区平均海拔2 000 m,属温带半干旱气候,年均气温6.4℃,年均≥0℃年积温2 933.5℃·d-1,年均≥10℃年积温2 239.1℃·d-1,年均降水量394.1 mm,主要集中在7—9月份(图1),年潜在蒸发量约为降水量的4倍,气候干燥,无霜期平均140 d,属于典型的半干旱雨养农业区。试验地平坦无起伏,土壤类型为黄绵土,土层深厚,土质绵软且质地均匀,蓄水性能良好。土壤容重1.17 g·cm-3,土壤有机质6.30 g·kg-1,全氮0.76 g·kg-1,全磷0.32 g·kg-1。

图1 2020年试验区月均降雨和气温变化图Fig.1 Map of average monthly rainfall and temperature changes in 2020

1.2 试验设计

试验以不施肥(CK)为对照,布设单施有机肥(M)、单施无机肥(N)、有机肥与无机肥配施(MN：50%M+50%N)3种施肥处理。选用当地春小麦‘甘春27号’为供试品种,于2020年3月25日播种,8月5日收获。供试无机肥为尿素(含N 46.2%),有机肥为农家肥(主要为猪粪,养分含量为N 0.56%、P2O50.40%、K2O 0.46%),施肥量以当地常规施用氮肥(施尿素折合年施氮含量105 kg·hm-2)用量为基准,根据含氮量计算尿素和有机肥的施用量,各施肥处理间遵循等氮量原则(表1)。施肥分两次施入,第一次于播种前(3月31日)随基肥混合施入,第二次在分蘖期(4月25日)进行追施,施肥深度为7～10 cm。每个处理设置3个重复,总计12块样地,样地面积统一为24 m2,每块样地播种量为187.5 kg·hm-2,行距25 cm。配施150 kg·hm-2过磷酸钙(含16% P2O5)作为基肥,于播种时一次性施入,并采用随机区组排列。

表1 试验处理春小麦地有机氮肥和无机氮肥施用量/(kg·hm-2)Table 1 The application amount of organic fertilizer nitrogen and inorganic fertilizer nitrogen in spring wheat field was tested

1.3 土壤气体的采集与分析

采用静态箱-气相色谱法测定土壤N2O通量。在春小麦生长季,从播种到收获按照其主要生育期的时间界定,平均每隔20 d测定1次,并综合种子萌发时间与肥料肥效对土壤N2O排放的影响,在基肥施入与追肥后第5天进行加测。采样时间为9∶00—11∶00。静态箱为50 cm×50 cm×50 cm无底正方体暗箱,箱壁用1 mm厚304K薄不锈钢板制成,箱外用隔温材料包裹以确保箱内热量不散发,顶箱上端装有两个空气风扇搅拌,箱侧装有风扇电源插头、采气管接口和测温接口,底座尺寸为50 cm×50 cm×20 cm,上部有密封水槽。当测定时,将不锈钢底座固定于土壤中。采样时底座水槽内加水密封,进行气体样品采集。扣箱后立即用100 ml注射器采集第一次样品,每隔8 min取100 ml气体保存,罩箱40 min,共取样5次。采样后立即将样品带回实验室并于一周内对土壤N2O完成分析,确定不同处理下N2O排放特征。

测定期内N2O排放通量可通过式(1)进行计算：

(1)

式中,F为土壤N2O排放通量(mg·m-2·h-1);A为采样箱底面积(m2);V为采样箱体积(m3);M0为气体分子量;C1、C2分别为采样箱关闭时和开启前箱内气体的体积浓度单位;T1、T2分别为采样箱关闭和开启前箱内温度(K),t1、t2为测定开始和结束的时间。

农田土壤N2O累积排放量可通过式(2)进行计算：

M=∑(FN+1+FN)×0.5×(tN+1+tN)×24×10-2

(2)

式中,M为整个生育期内土壤N2O排放量(kg·hm-2);F为土壤N2O排放通量(mg·m-2·h-1);N为采样次数;t为距离初次采样的时间。

1.4 土壤样品的采集与处理

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下春小麦地土壤N2O排放通量的动态变化

不同施肥处理下春小麦地土壤N2O排放通量的动态变化如图2所示。播种后各处理排放通量均处于较低水平,待基肥施入后,N2O排放通量迅速上升并于4月5日左右出现第1次排放峰,其中排放量最高的处理为N,排放通量达到0.1146 mg·m-2·h-1。进入分蘖期,伴随一定量的追肥,M、N、MN处理在4月30日左右再一次出现N2O排放峰,其中N处理最大(0.1545 mg·m-2·h-1),其次是MN、M、CK。说明施肥促进土壤N2O排放,以单施无机肥处理尤为明显。此后至成熟期,各处理间差异缩小,随温度水分的升高和土壤微生物活性的增强,N2O排放通量于7月15日左右再次出现小型排放峰,其中以M处理最大(0.0642 mg·m-2·h-1)。

图2 不同施肥处理下春小麦地土壤N2O排放通量的动态变化Fig.2 Dynamic changes in soil N2O emission fluxes from spring wheat fields under different fertilization treatments

2.2 不同施肥处理下土壤N2O累积排放量及其产量的变化规律

整个春小麦生育期中,不同施肥处理下土壤N2O累积排放量大小顺序为N>MN>M>CK(图3)。N、M、MN处理较CK处理N2O累积排放量分别增加了144.0%、101.3%、105.7%,各处理与CK处理均达到显著水平(P<0.05)。N2O净损失量(以氮计算)为1.175 8～1.428 kg·hm-2,占当季施氮量的1.12%～1.36%。说明施氮肥是刺激旱地农田土壤N2O排放的关键因素之一。施肥对提高春小麦产量具有重要的作用。由表2可知,各处理间产量关系为MN>N>M>CK,与CK相比,MN、N、M处理产量分别增加了45.1%、31.0%、18.8%,其中,MN处理下的春小麦产量、株高、穗粒数以及千粒重均达到最大值。由此可见,结合春小麦产量及N2O排放量,同一施氮水平下,MN处理可作为黄土高原半干旱区最适宜的施肥方式。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同。Note：Different lowercase letters indicate significant difference between treatments (P<0.05).The same below.图3 不同施肥处理下春小麦地土壤N2O累积排放量Fig.3 Cumulative soil N2O emissions from spring wheat fields under different fertilization treatments

表2 不同施肥处理下春小麦产量及其构成要素Table 2 Spring wheat yield and its constituent factors under different fertilization treatments

2.3 不同施肥处理下土壤的动态变化

图4 不同施肥处理下春小麦全生育期0～10 cm土壤含量变化特征Fig.4 Characteristics of and content in 0～10 cm soil at the full growth stage of spring wheat under different fertilization treatments

表3 春小麦地土壤N2O排放通量与其影响因子间的相关关系Table 3 Correlation between soil N2O emission fluxes and their impact factors in spring wheat fields

2.4 环境因子对不同施肥处理下土壤N2O排放的影响

试验期间,春小麦地土壤含水量因降雨等原因在8.51%～12.88%范围内波动(图5),5 cm耕层下土壤温度波动范围为5.9～23.8℃。整个生育期内土壤温度变化相对稳定,各处理间差异不大,具体变化特征如图6所示。相关分析显示(表3),CK处理下,土壤温度、含水量与排放通量分别表现为极显著和显著正相关,M处理与土壤温度达到显著正相关,其余处理则均未达到显著水平,说明不施肥条件下土壤温度及水分是影响春小麦地土壤N2O排放的主导因子。

图5 不同施肥处理下0～10 cm土层土壤含水量变化情况Fig.5 Changes in soil moisture content in 0～10 cm soillayer under different fertilization treatments

图6 不同施肥处理下5 cm土层土壤温度变化情况Fig.6 Changes in soil temperature in 5 cm soil layer under different fertilization treatments

3 讨 论

3.1 施肥方式对土壤N2O排放通量及春小麦产量的影响

农田土壤是N2O排放的重要来源,其产生与排放主要受耕作、施肥、降雨等多方面因素影响。前人研究发现[12],农田土壤N2O排放高峰集中在施肥或追肥后2～7 d,随后开始下降并逐渐趋于稳定。本研究中土壤N2O排放通量在4月5日左右首次出现排放峰,这是因为播种时随基肥施入有机和无机肥,肥料发挥肥效为硝化和反硝化反应提供充足的氮源,进而促进N2O排放。待春小麦进入分蘖期后进行追肥,5 d后采集气体发现,除CK外,其余处理再次达到排放高峰,各施肥处理间尤其N处理,能够短时间内迅速提高土壤中无机氮含量,从而刺激N2O大量排放。随春小麦生长至7月15日左右,此阶段由于良好的水热条件,土壤微生物活性增强,硝化和反硝化反应也随之增强,但因土壤肥力大幅度下降,N2O排放量相对较少,因此只出现小型排放峰。从整个生育期来看,施肥处理显著增加了土壤N2O排放量,其中N处理排放最高。孙赫阳等[13]在华北平原沙壤土地的试验中证实,在等施氮量情况下有机肥配施无机肥可有效降低土壤N2O排放量。奚雅静等[14]通过研究发现,有机肥部分代替化肥的施肥模式能极大减少石灰性壤质潮土N2O的排放强度、系数以及总量。姜姗姗等[15]研究了氮减排和不同肥料的联合施用对稻田土壤N2O排放的影响,并得出有机/无机肥以一定比例配施对减排效果最好的结论。上述结论均与本研究结果一致,这是因为有机肥料的矿化速率较慢,土壤微生物在养分积累的过程中会固定土壤中的氮素,从而减少土壤微生物可直接利用的无机氮含量[16];另一方面,施用有机肥会增加土壤中有机质含量,有机质的分解会消耗土壤中的氧气,进而通过抑制硝化作用来降低土壤N2O排放量。也有研究认为,由于有机肥含有大量的可溶性有机碳,施入土壤后微生物活性比单施化肥处理强,硝化和反硝化过程共同产生的N2O增高,从而排放通量较高[17]。与本研究结果不一致的原因可能与有机肥的肥效有关,本试验的监测时间仅在春小麦生长季,且有机肥的肥效缓慢,持续时间较长,导致对施用有机肥后春小麦土壤N2O排放水平的降低。

本研究结果表明,与CK、N、M三种处理相比,MN处理可以显著提升春小麦产量。孟琳等[18]认为有机/无机肥配施可通过协调相关微生物活性来平衡土壤供氮与作物需氮的关系,充分提升了氮素利用效率。也有研究表明[19],配施有机肥可改善土壤理化性质,增加土壤中团聚体的数量,优化土壤结构,并为作物额外带入所需微量元素,促进其根系生长。周江明[20]通过研究发现有机无机肥配施条件下可以显著增加作物单位面积的穗数与穗粒数,从而达到高产的目的。上述结论均与本研究结果一致,由此可见,有机无机肥配施在春小麦生育期能有效保证氮素的持续输入,充分起到增产、稳产、提升地力的作用,适合黄土高原半干旱区长期推广使用。

3.2 土壤环境因子及对N2O排放通量的影响

土壤水热情况是影响农田N2O排放的主要环境因子,有研究表明[27],N2O排放通量与土壤温度呈现正相关,而本试验结果表明,只有未施肥及单施有机肥处理下土壤温度与N2O排放通量达到极显著或显著正相关,其余处理均未达到显著水平。这是因为硝化和反硝化反应在5～35℃的范围内都可以进行,且温度每升高10℃,反硝化细菌的活性则会提高1.5～3.0倍;另一方面,土壤温度升高促进土壤中微生物的呼吸作用,导致土壤微域氧气缺失,为反硝化生物创造了厌氧条件,反硝化作用产生的 N2O随之增加[27]。春小麦由于生育期较短,温度变化幅度小,监测期间施肥弱化了土壤温度对N2O排放所造成的影响,因此导致以上结果。徐文彬等[28]研究发现N2O排放通量与气温或土温的相关性微弱甚至不相关,温度对 N2O 释放的刺激作用仅是短期效应,在较短的时间尺度内,当影响土壤 N2O 释放的其它因子维持相对恒定时,温度变化被认为是影响 N2O 释放的唯一重要因子,但随着肥料施用以及时间的延长,土壤中氮素的过渡性积累为硝化和反硝化反应提供充足底物,进而掩盖了微生物对温度变化的响应。周鹏等[29]在华北平原玉米田中的研究也得出,施肥和降水等因素的综合作用会掩盖温度对土壤N2O排放的影响。土壤含水量主要通过改变土壤透气性、土壤氧化还原状况和微生物活性进而影响N2O的排放[30],本研究表明,不施肥处理下春小麦地土壤N2O排放通量与土壤含水量呈显著正相关,而各施肥处理则均未达到显著相关水平,这是因为不施肥处理下水分含量的提高会增加土壤有效性碳氧的富集,进而影响氧气浓度在土壤中的分布以及硝化和反硝化微生物的活性,从而引起N2O排放[19]。而旱地麦田含水情况较差,土壤水分大部分被小麦根系吸收利用,参与硝化反硝化过程的水分较少,因此各施肥处理所提供的大量硝化反硝化反应底物对N2O排放产生的影响掩盖了水分对N2O产生过程中的作用。可见,旱作春小麦地土壤N2O排放规律在施肥条件下受土壤温度水分影响较小。

4 结 论

1)旱作春小麦地土壤N2O排放通量与施肥密切相关,N2O净损失量(以氮计算)为1.1758～1.428 kg·hm-2,占当季施氮量的1.12%～1.36%。不同施肥处理下N2O累积排放量大小顺序为N>MN>M>CK,产量关系为MN>N>M>CK。以经济效益和环境效益为基础,黄土高原半干旱区应以 MN(有机/无机肥配施)处理为最优施肥措施。