不同施氮量对旱作春小麦农田土壤温室气体排放的影响

2024-03-02郭高文王晓娇蔡立群张仁陟

国土与自然资源研究 2024年2期

郭高文，齐鹏，2，3*，王晓娇，甘润，蔡立群，2，3，张仁陟，2，3

（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；4. 甘肃农业大学管理学院，甘肃兰州 730070）

0 引言

气候变暖引发的环境问题受到全球的密切关注[1]。温室气体是全球气候变化的一个重要驱动因素[2-3]，农田作为陆地生态系统重要组成部分之一，研究其CH4、CO2和N2O 等温室气体排放对减缓气候变暖有重要意义。

氮肥是影响作物产量的主要因素，为了满足日益增长的粮食需求，我国每年氮肥使用量高达3 000 万吨，约占全球的1/3[4]。无机氮肥提供作物生长所需氮素的同时也为N2O 的产生提供了充足的氮源。研究发现，随施氮量增加，土壤N2O 排放有不同程度的增加[5-7]。另外，氮肥的施用对土壤微生物的异养呼吸和植物根系的自养呼吸有不同程度的影响[8-10]，进而影响土壤CO2排放。CH4也是主要的温室气体之一，有研究表明，施氮会增加[11-12]或者减少[13]土壤CH4排放，但是也有人认为，施氮对土壤CH4排放无显著影响[14-15]。可能是因为研究区域不同所致，施氮对土壤温室气体排放的影响尚无定论。施氮对土壤温室气体排放的影响已有大量的研究，但相关研究大多集中于种植作物土壤，而对于种植作物与未种植作物土壤温室气体排放的综合研究却鲜有报道。

陇中黄土高原是典型的旱作农业区，探究农田氮肥管理可以促进农田可持续发展和减缓温室气体减排。因此，依托于设置在陇中黄土高原定西市李家堡镇麻子川村的定位施氮量试验, 测定不同施氮量下春小麦农田种植小麦与未种植小麦土壤温室气体排放特征，并分析影响其排放的环境因素，探讨施氮量对小麦农田土壤温室气体排放的差异，为陇中黄土高原旱作农业区农田温室气体减排和碳中和提供理论依据。

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农业大学旱作农业综合试验站（甘肃省定西市李家堡镇麻子川村）。试区农田土壤为典型的黄绵土，质地均匀、土质绵软。平均海拔2 000 m，无霜期140 d，年均日照时数2 476.6 h，年均太阳辐射594.7 kJ·cm-2，年均气温6.4℃，≥0℃积温2 933.5℃，≥10℃积温2 239.1℃，属中温带半干旱区；多年平均降水390.9 mm（图1），年蒸发量1 531 mm，80%保证率的降水量为365 mm，变异系数为24.3%，为典型的雨养农业区。

图1 2021 年研究区春小麦生长期月降水量分布

1.2 试验设计

本试验采用两因素裂区试验设计，主因素为氮肥（N），包括N0、N1、N2、N3，施氮量依次为0、75、115、190 kg·hm-24 个水平；副因素为耕地利用方式（C），包括种植小麦（W），未种植小麦（NW)2 个水平，共8 个处理，3 次重复，各处理小区面积为27 m2（4.5 m×6 m）。2021 年3 月下旬播种，7 月下旬收获，行距20 cm，播深7 cm，播种量187.5 kg·hm-2；氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（P2O512%），各小区均施磷肥（P2O5）115 kg·hm-2，于播种前作基肥一次性施入，不追肥。前茬作物收获后三耕两耱，供试作物为春小麦（品种为“定西40 号”）。其他管理同大田。

1.3 温室气体采集与分析

1.3.1 温室气体采集

温室气体采用静态暗箱法采集。静态暗箱由直径39 cm、高35 cm 的圆形不锈钢箱体和内径35.3 cm、高17 cm 带有密封凹槽的不锈钢底座2 部分组成。采集时间从2021 年3 月24 日至2021 年8 月2 日，每次采样间隔为15 d，若出现雨雪天气，可适当调整采集时间。气体采集时间均为上午9：00～11：00，静态箱封闭时立刻开始记时，分别在0 min、10 min、20 min 用100 mL 注射器采集温室气体，分别注入0.2 L 铝塑复合气袋中，并同步记录暗箱内温度，将采集气体样品于当日带回实验室测定分析。用105±2℃烘干法测定土壤质量含水量，记录土壤温度（直角地温计）。

1.3.2 温室气体分析方法

温室气体分析采用安捷伦（7890B）气相色谱仪。CO2和CH4采用FID 检测器，N2O 采用ECD 检测器，载气为高纯N2。温室气体排放通量计算公式为[16]：

在上式中，F为温室气体排放通量，CO2单位为：（mg·m-2·h-1），N2O 单位为：（mg·m-2·h-1），CH4单位为：（mg·m-2·h-1）；H为采样暗箱高度（m）；M0为气体相对分子质量；C1、C2分别为静态箱关闭时（0 min）和测定结束时（20 min）箱内温室气体的体积浓度（μmol·mol-1）；T1、T2分别为静态暗箱关闭和开启时暗箱内温度（K）；△t 为第20 min 和第0 min 时间之差（h）。温室气体累积排放量计算公式为[16]：

式中，M为测定时期内温室气体累积排放量（kg·hm-2）；F为温室气体排放通量（mg·m-2·h-1）；N为采样次数；tN+1-tN为两次采样之间的间隔天数。CO2、N2O 和CH4的全球增温潜势效应（GWP）计算公式为[17]：

式中：GWP为全球增温潜势效应；MCO2、MN2O和MCH4分别为测定时期内CO2、N2O 和CH4的累积排放量（kg·hm-2）。

1.4 数据分析

数据经过Excel 2010 整理后，用SPSS 21.0 软件进行单因素方差分析和线性及指数回归分析，数据图表使用Office 2010 和SigmaPlot 14.0 完成。

2 结果

2.1 土壤CO2 排放特征

不同处理土壤总呼吸CO2排放动态变化如图2a所示，在小麦生长期间，土壤CO2为排放源，变化范围为63.50～555.29 mg·m-2·h-1，排放规律为先升高再降低，由于雨雪天气和降温原因，4 月12 日土壤CO2排放通量降低，拔节期（5 月27 日）出现第一次排放峰，且处理之间差异较大，大小表现为N0＜N1＜N2＜N3，N0、N1、N2 和N3 分别为236.94、242.49、282.99 和395.55 mg·m-2·h-1；开花期（6 月28 日）土壤CO2排放通量达到最大，大小表现为N0＜N2＜N1＜N3，N0、N1、N2和N3 分别为360.00、417.45、403.40 和555.29 mg·m-2·h-1，两次排放峰可以发现，土壤CO2排放通量最小值均为N0 处理。由图2b 可知，异养呼吸排放的CO2变化范围为28.61～252.26 mg·m-2·h-1，与总呼吸变化趋势一致，4 月12 日土壤CO2排放通量降低，6 月28日N1 处理CO2排放通量达到最高252.26 mg·m-2·h-1，不同处理土壤CO2排放动态变化规律不一致，且同时期不同处理间差异较大。由图2 可知，在生育期内，农田土壤为CO2排放源，不同处理土壤总呼吸CO2排放动态变化规律一致，同时期不同处理间差异较大，不同处理土壤异养呼吸CO2排放通量变化规律不一致。

图2 总呼吸（a）和异养呼吸（b）动态变化

2.2 土壤N2O 排放特征

种植小麦土壤N2O 排放通量如图3a 所示，在小麦生长期间，不同生育期土壤N2O 排放通量变化较大，变化范围为-0.02～0.12 mg·m-2·h-1，排放规律为先升高再降低，抽穗期（6 月13 日）出现排放最高值，大小表现为N1＜N0＜N2＜N3，N0、N1、N2 和N3 分别为0.07、0.05、0.09 和0.12 mg·m-2·h-1，土壤N2O 排放最大值出现在N3 处理下。未种植小麦土壤N2O 排放动态变化如图3b 所示，整体呈现先升高再降低的变化趋势，变化范围为-0.03～0.15 mg·m-2·h-1，6 月13 日N3 处理N2O 排放通量达到最高0.15 mg·m-2·h-1，不同处理土壤N2O 排放动态变化规律一致，同时期不同处理间差异较大，未种植小麦土壤N2O 排放主要受施肥量和微生物活动的影响。由图3 可知，在生育期内，农田土壤为N2O 排放源，施氮增加了种植小麦土壤和裸土N2O 排放通量，种植小麦显著降低了土壤N2O 排放变异范围，排放峰值受到作物的影响。

2.3 土壤CH4 排放特征

种植小麦土壤CH4排放通量如图4a 所示，在小麦生长期间，土壤CH4排放表现为CH4汇，不同生育期土壤CH4排放通量变化较大，具有明显的季节变化特征，变化范围为-0.25～-0.06 mg·m-2·h-1。从种植期（3 月22日）到分蘖期（5 月14 日）吸收通量呈上升趋势，分蘖期出现一次吸收峰，大小表现为N0＜N3＜N2＜N1，N0、N1、N2 和N3 分别为0.20、0.25、0.23 和0.21 mg·m-2·h-1，拔节期（5 月27 日）出现第一次吸收谷，N3 处理吸收通量最大，拔节期（5 月27 日）至成熟期（8 月2 日）吸收通量呈升高趋势，开花期（6 月28 日）出现第二次吸收谷，N0 处理吸收通量最大。不同时期各处理动态变化趋势基本一致。未种植小麦土壤CH4排放动态变化如图4b 所示，在整个生育期表现为CH4汇，具有明显的季节变化特征，变化范围为-0.34～-0.02 mg·m-2·h-1。在分蘖期（5 月14 日）出现一次吸收峰，从播种到分蘖期逐渐减小，吸收CH4能力增强，从拔节期（5 月27 日）到成熟期（8 月2 日）排放通量呈下降趋势，N0处理成熟期（8 月2 日）吸收通量达到最大值0.34 mg·m-2·h-1。除分蘖期（5 月14 日）和抽穗期（6 月13 日），N0 处理CH4吸收通量高于施氮各处理。不同处理土壤CH4排放动态变化规律一致，同时期不同处理间差异较大。由图4 可知，施氮降低了土壤CH4吸收通量，种植小麦显著降低了土壤CH4吸收变异范围，排放峰值受到作物的影响。

图4 土壤CH4 排放通量动态变化

2.4 不同施氮量对温室气体累积排放量及增温潜势的影响

由表1 可知，施肥量和呼吸组分及其交互效应均对土壤CO2累积排放量有显著影响。异养呼吸土壤CO2累积排放量N1、N2 和N3 均显著高于N0，分别增加23.23%、11.54%和10.61%，随施氮量增加，施氮处理土壤CO2累积排放量增幅逐渐减小，施氮显著增加了土壤CO2排放量，过量的氮肥减缓了土壤CO2排放的增加（P＜0.05）。施氮量对土壤总呼吸过程CO2排放量影响显著，与N0 相比，N1 处理土壤CO2累积排放量无显著差异，N2 和N3 显著增加了土壤CO2累积排放量（P＜0.05），分别增加了8.57%和19.34%，低氮处理对土壤CO2排放量影响不显著，中氮和高氮处理显著增加了CO2排放量。土壤总呼吸排放的CO2显著高于异养呼吸（P＜0.01），N0、N1、N2 和N3 处理分别增加了61.29%、24.94%、57.00%和74.03%。

表1 施肥量对土壤总呼吸和异养呼吸CO2 累积排放量的影响

由表2 可知，施肥量和种植小麦对土壤N2O 累积排放量影响显著。与CK 相比，施氮增加了土壤N2O 累积排放量，较N0，施氮N1、N2 和N3 处理土壤N2O 累积排放量分别增加5.91%、72.89%和86.78%；种植小麦对土壤N2O 累积排放量有影响，种植小麦（W）土壤N2O 累积排放量较未种植小麦土壤（NW）显著降低39.44%（P＜0.01）。不同施氮量和种植小麦的交互作用对土壤N2O 排放总量无显著影响（P＞0.05）。

表2 施肥量和种植小麦对土壤N2O 累积排放量的影响

土壤CH4累积排放量如表3 所示，施肥量和种植小麦对土壤CH4累积排放量无显著影响（P＞0.05）。在小麦生育期内，土壤CH4排放特征表现为CH4汇。施氮降低了土壤对CH4的吸收，N1、N2、N3 分别降低了34.48%、19.31%、23.45%。种植小麦对土壤CH4的吸收量无显著影响，不同施氮量和种植小麦的交互作用对土壤N2O 排放总量无显著影响（P＞0.05）。

表3 施肥量和种植小麦对土壤CH4 累积排放量的影响

如表4 所示，施氮量和种植小麦及其交互效应显著影响土壤GWP。未种植小麦土壤，不同处理增温潜势效应N1＞N3＞N2＞N0，施氮处理较N0，N1、N2、N3 处理综合增温潜势分别显著增加23.83%、17.19%、18.01%（P＜0.05）。种植小麦土壤，不同处理增温潜势效应N3＞N2＞N0＞N1，施氮处理较N0，N2、N3 处理GWP分别显著增加11.03%、21.81%（P＜0.05）。在小麦生育期内，较未种植小麦土壤，种植小麦显著增加了土壤CO2、N2O 和CH4综合增温潜势（P＜0.05），N0、N1、N2、N3 分别增加了53.24%、18.71%、45.20%、58.18%。

表4 施肥量和种植小麦对土壤温室气体全球增温潜势的影响

2.5 温室气体排放与水热条件的相关性

种植小麦土壤温室气体与水热条件的相关性如图5 所示，N1 和N3 处理土壤CO2排放通量与土壤含水量呈极显著负相关（P＜0.01），土壤CO2排放通量与土壤温度未表现出显著相关性（P＜0.05）。各处理土壤N2O 排放通量与土壤含水量和土壤温度均未表现出显著相关性（P＜0.05）。各处理土壤CH4排放通量与土壤含水量均未表现出显著相关性，N1 处理土壤CH4排放通量与土壤温度呈显著负相关，其他处理均未表现出显著相关性（P＜0.05）。由此可见，土壤水热因子是影响种植小麦土壤CO2和CH4排放的关键因素。

图5 种植小麦土壤水热条件与温室气体排放通量的关系

未种植小麦土壤温室气体与水热条件的相关性如图6 所示，土壤CO2和N2O 排放通量与土壤含水量和土壤温度均未表现出显著相关性（P＜0.05）。N1 和N2处理土壤CH4排放通量与土壤含水量呈显著正相关，N1 处理土壤CH4排放通量与土壤温度呈显著负相关（P＜0.05）。说明在未种植小麦体系中，土壤水热条件是影响土壤CH4排放的关键因素。

图6 未种植小麦土壤水热条件与温室气体排放通量的关系

3 讨论

3.1 施氮对土壤CO2 排放的影响

土壤CO2排放主要是土壤微生物和植物根系呼吸作用产生，受到土壤水分、温度、养分含量和气温等因素的影响[18]，主要来源于土壤微生物的异养呼吸[19]。本研究发现，该小麦农田土壤总呼吸CO2排放具有显著的变化特征，并与土壤含水量呈极显著负相关，这与其他学者研究结果一致[20-21]。在小麦生育期内，拔节期和开花期CO2排放通量出现排放峰，这两个时期为小麦营养生长和生殖生长旺盛期[22]，且降雨促进了土壤微生物和小麦根系呼吸，增加CO2排放[23]。抽穗期前小麦次生根数量达到最多[24]，抽穗期后小麦根系成熟或死亡，小麦根系呼吸减弱，因此，开花期至成熟期，土壤CO2排放逐渐降低。

土壤异养呼吸主要由微生物活动引起，土壤CO2排放先升高再降低。前期随温度升高，土壤微生物丰度及活性增加，增强土壤异养呼吸[25]，CO2排放增加。后期CO2排放降低可能是因为温度过高，表层土壤水分蒸发较快，减少了微生物活动所需的水分，抑制了微生物呼吸。土壤总呼吸CO2排放总量是异养呼吸的1.25～1.74 倍，说明异养呼吸是土壤CO2排放的主要方式，植物生长显著增加了土壤CO2排放（P＜0.05）。本研究得出，氮肥添加促进土壤呼吸，增加了土壤CO2排放。较N0 处理，N2 和N3 处理总呼吸CO2排放总量显著高8.57%和19.34%（P＜0.05），N1、N2 和N3 处理异养呼吸CO2排放总量显著高于N0（P＜0.05），说明氮肥添加促进土壤异养呼吸作用，这与Zengming Chen 等[26]研究结果相似。但是也有学者研究表明，随着施氮量增加土壤CO2排放降低，原因是长期施氮消耗土壤有机质，抑制土壤CO2排放[27]。

3.2 施氮对土壤N2O 排放的影响

土壤N2O 是在好氧和厌氧条件下的硝化和反硝化过程产生[28]，这个过程受很多因素调节，如土壤水分、温度、pH 和其他营养物质[29]，农田施用氮肥对N2O排放贡献率最大[30]。本研究发现，种植小麦土壤和未种植小麦土壤不同生育期N2O 排放通量变化特征相似，均在拔节期出现峰值，可能是因为黄土高原常年干旱少雨，降雨提供了土壤硝化和反硝化细菌活动所需的水分，且该时期N3 处理土壤N2O 排放通量显著高于其他处理，说明过量施氮显著增加土壤N2O 排放。小麦生长和土壤微生物活动会消耗大量的氮，减少硝化和反硝化过程需要的底物[31]，进而减少N2O 排放。本研究表明，种植小麦减少了土壤N2O 排放，未种植小麦土壤N2O 排放总量是生长小麦土壤的1.65 倍，未种植小麦土壤显著高于种植小麦土壤（P＜0.05），土壤N2O排放总量随施氮量增加而增加，说明施氮增加了土壤N2O 排放，这与其他学者研究结果相同[32-35]。

3.3 施氮对土壤CH4 排放的影响

甲烷是厌氧条件下CO2或有机碳生物还原的最终产物，主要在淹水条件下产生。农田土壤CH4的排放受多种因素共同制约，如土壤理化性质（土壤有机质、温度、含水量和pH）、土壤微生物、农业管理措施（施肥和土地利用方式）等[36]。本研究表明，在整个生育期种植小麦和未种植小麦土壤为CH4汇，且与土壤含水量呈显著正相关，与土壤温度呈显著负相关（P＜0.05）。种植小麦土壤，从种植到分蘖期（5 月14 日）吸收通量呈上升趋势，因为前期降雨量极少，且温度较低，抑制了产甲烷微生物活性，从而抑制了CH4的产生[37]；拔节期（5 月27 日）和开花期（6 月28 日）这两个月降雨增加了土壤水分含量，增加了土壤微生物分解有机碳的速率，从而促进了CH4的产生[38]，降低了CH4吸收。本试验表明，在生育期内，未种植小麦土壤施氮显著降低了土壤对CH4的吸收，原因可能是氮肥的施入降低了甲烷氧化菌的多样性和丰富度[39]，从而降低了土壤对甲烷的氧化能力。本研究表明，在整个生育期土壤CH4表现为汇，施氮抑制土壤对CH4的吸收，这与其他人研究结果一致[40-42]。

GWP是农田温室效应的基本指标，土壤理化性质、种植作物和施氮量对土壤的GWP有显著影响[43]。有研究表明，少耕和免耕可以增加土壤有机碳固存，进而减少温室气体排放[44]。本研究表明，施氮对CO2、N2O和CH4综合增温潜势影响显著，较N0 处理，种植小麦土壤N2、N3 处理综合增温潜势效应分别显著增加11.03%、21.81%，未种植小麦土壤N1、N2、N3 处理综合增温潜势分别显著增加23.83%、17.19%、18.01%（P＜0.05）。原因是CO2浓度远远高于N2O 和CH4，占温室气体的主要部分，施氮显著增加了土壤CO2排放。