追氮方式對夏玉米土壤N2O和NH3排放的影響

2016-08-24 09:05:21何彥芳江榮風(fēng)巨曉棠

植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào) 2016年1期

劉敏, 張翀, 何彥芳, 高兵, 蘇芳, 江榮風(fēng), 巨曉棠*

(1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193; 2環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程保護(hù)中心，北京 100012)

劉敏1, 張翀1, 何彥芳2, 高兵1, 蘇芳1, 江榮風(fēng)1, 巨曉棠1*

(1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193; 2環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程保護(hù)中心，北京 100012)

有研究結(jié)果表明，硝化抑制劑通過減緩銨的轉(zhuǎn)化速率，能夠顯著降低銨態(tài)氮肥施用后土壤N2O排放[8]。也有研究報(bào)道，硝化抑制劑在減少N2O排放的同時會促進(jìn)土壤NH3揮發(fā)[9]。條施覆土被看作是減少土壤NH3揮發(fā)的有效措施[10]。已有研究表明，條施會造成大量無機(jī)氮的聚集，進(jìn)而累積亞硝態(tài)氮[11]。已往有關(guān)華北平原農(nóng)田土壤N2O排放及影響因素的研究，報(bào)道了土壤N2O排放與土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮之間的關(guān)系[12-14]，但對亞硝態(tài)氮較少關(guān)注。有研究指出，土壤亞硝態(tài)氮累積與N2O排放有明顯相關(guān)性[11， 15]。也有研究表明，華北平原潮土施用銨態(tài)氮肥后易于累積亞硝態(tài)氮[11,16-17]，但此類研究集中于室內(nèi)培養(yǎng)，田間試驗(yàn)少見報(bào)道。目前在華北平原田間原位條件下，同時研究不同追施氮肥方式下，N2O排放、 NH3揮發(fā)及土壤亞硝態(tài)氮累積的報(bào)道還較缺乏。

本研究擬通過華北平原夏玉米季田間試驗(yàn)，研究不同追氮方式(均勻撒施、均勻撒施+硝化抑制劑和條施覆土)對N2O排放、 NH3揮發(fā)及農(nóng)田土壤亞硝態(tài)氮累積的影響，為降低土壤N2O排放和NH3揮發(fā)對環(huán)境的影響提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)點(diǎn)概況

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

試驗(yàn)于2014年夏玉米季十葉期追肥前1天(7月23日)至追肥后第15天(8月8日)進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)3個處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積12 m2(3 m×4 m)。3個處理為: 1) 對照，農(nóng)民習(xí)慣追施氮肥方式—撒施(BC); 2) 撒施添加10%的硝化抑制劑DCD(BC+DCD); 3) 條施覆土(Band)。條施帶位于兩行玉米中央，開溝寬度為5 cm，深度為10 cm。前茬小麥?zhǔn)斋@后秸稈還田，直接播種夏玉米，品種為鄭單958。行距60 cm，株距22 cm。夏玉米底肥施N 100 kg/hm2，肥料類型為N-P2O5-K2O含量為16-16-16的復(fù)合肥，肥料品牌為撒可富。底肥施用方式為均勻撒施，施肥后灌水60 mm。7月24日以尿素形式(含N 46%)追N 150 kg/hm2，各處理追肥方式如前所述。為模擬降雨前撒施氮肥的農(nóng)民習(xí)慣追肥方式，所有處理施肥后均勻灌水20 mm。其它田間管理按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行。玉米成熟期采集植株樣品測定產(chǎn)量及吸氮量。

1.3測試項(xiàng)目與方法

1.3.1 氣體樣品采集與測定 1)0—20 cm土壤N2O及O2濃度測定采用土壤氣體平衡管，于追肥前1天和追肥后第1、 3、 5、 7、 9、 11、 13、 15天，9次采集0—20 cm土層氣體測定土壤N2O及O2濃度。土壤氣體平衡管管壁布滿小孔，內(nèi)部氣體與土體氣體可達(dá)到平衡，內(nèi)徑2.5 cm，高20 cm，管內(nèi)氣體體積約98.1 mL。土壤氣體平衡管的具體設(shè)計(jì)以及原理參見文獻(xiàn)[18]。處理BC、 BC+DCD追肥方式為均勻撒施，故每個小區(qū)1個土壤氣體平衡管垂直埋于0—20 cm深土層，測定土壤N2O及O2濃度。處理Band追肥方式為條施覆土，為反映條施覆土對N2O及O2濃度造成的空間變異，將土壤氣體平衡管垂直埋于距施肥帶0 cm(Band 0)、 10 cm(Band 10)、 20 cm(Band 20)、 30 cm(Band 30)處0—20 cm土層。土壤氣體平衡管于7月22日采用土鉆打孔的方式埋入土壤，7月23日進(jìn)行了追肥前第1次采氣，7月24日追肥，自7月25日每隔1天采一次氣，直至第15天試驗(yàn)結(jié)束。在采氣時，先用50 mL注射器抽取平衡管中部分氣體，并將抽取的氣體緩慢推回平衡管，往復(fù)3次，使管內(nèi)氣體混合均勻。隨后采集平衡管中氣體10 mL。氣體采集完畢立即關(guān)閉平衡管，使其處于密閉狀態(tài)。采用氣相色譜(SHIMADZU GC-14B, Kyoto, Japan)測定N2O濃度。氣相色譜采用99.999%的高純氮?dú)庾鬏d氣，并以10%的CO2混合氣作為補(bǔ)償氣[19]。N2O氣體采集后，采用泵吸式O2濃度測定儀(HCX-O2)直接連接平衡管測定O2濃度。

2) 土壤N2O排放通量測定采用靜態(tài)暗箱法-氣相色譜法[19]測定土壤N2O排放通量。采樣箱采用不銹鋼材料制成，分為頂箱和地箱。頂箱規(guī)格為50 cm×50cm×30 cm(長×寬×高)，箱外加包5 cm厚泡沫以保證蓋箱期間箱內(nèi)溫度變化小于3℃。地箱為50 cm×50 cm×15 cm，地箱頂部有密封水槽，四周均勻打孔，以保證水肥暢通。地箱于實(shí)驗(yàn)開始前一周打入玉米行間土壤。追肥時按照前述處理追肥方式進(jìn)行地箱內(nèi)單獨(dú)施肥。其中處理Band根據(jù)施氮量換算為小區(qū)施氮量后，除以施肥條帶條數(shù)后即為每條施肥帶施氮量，每條施肥條帶均勻施肥。N2O排放測定與0—20 cm土壤N2O及O2濃度測定同步。采氣時，在地箱水槽中加水扣箱密封，密封開始為“0”時刻采氣，而后在第10、 20和30 min分別采用50 mL注射器采氣20 mL氣體，每個箱子采集4針氣體。氣體采集后N2O測定同0—20 cm土壤N2O濃度測定。最后，采用線性插值法計(jì)算實(shí)驗(yàn)期間的N2O累計(jì)排放量[14]。

N2O排放通量計(jì)算公式:

F=k1×P0/P×273/(273+T)×M/V×H×dc/dt其中，F(xiàn)代表氣體排放通量，單位為N2O-N μg/(m2·h); k1是單位量綱之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.001); P0是箱內(nèi)大氣壓力(hPa); P是試驗(yàn)地點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力(1013 hPa)，因試驗(yàn)點(diǎn)海拔高度僅有37 m; P0/P≈1，T(℃)是蓋箱時間內(nèi)的平均大氣溫度; M(28)代表每摩爾N2O中N2的分子量; V表示273 K和1013 hPa條件下氣體的摩爾體積(22.4 L/mol); H(m)是采樣箱高度; c(ppm)是指箱內(nèi)N2O的濃度; t(h)為蓋箱時間; dc/dt[μL/(L·h)]表示蓋箱時間內(nèi)N2O濃度的變化速率; P0/P×273/(273+T)是通過溫度和壓力校正氣體的摩爾體積。

氨揮發(fā)計(jì)算公式:

NH3-N[kg/(hm2·d)]=[M/(A·D)]×10-2其中，M為通氣法單個裝置平均每次測的氨量(NH3-N，mg); A為捕獲裝置的截面積(m2); D為1次連續(xù)捕獲的時間(d)。

1.3.3 產(chǎn)量與吸氮量的測定在玉米成熟期，每小區(qū)取6株玉米，按秸稈和穗分別稱取鮮重。隨后烘干并稱重，粉碎過篩后用凱氏定氮法[21]測定全氮含量。采樣的同時在對應(yīng)小區(qū)劃樣方測產(chǎn)。

1.3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007處理，SPSS17.0軟件進(jìn)行P< 0. 05和P< 0.01水平下的顯著性檢驗(yàn)，采用Sigmaplot12.0繪圖。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤孔隙含水量(WFPS)時空變化

從圖1a可以看出，對于0—20 cm土壤，施肥前WFPS僅為20%左右。施肥后灌水使WFPS呈先升高后下降的趨勢，而8月4日降雨24.2 mm使其再次上升至60%以上。對于20—40 cm、 40—60 cm的深層土壤，灌溉和降雨對其WFPS無顯著影響(圖1b、 1c)。圖1d可看出，處理Band不同測定位置0—20 cm土層WFPS與處理BC、 BC+DCD 0—20 cm土層WFPS變化趨勢相同。

圖1　不同處理不同土層土壤孔隙含水量(WFPS)變化Fig.1　water-filled porespaco in different soil layer of different treatments

[注(Note): 箭頭代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

2.2土壤無機(jī)氮時空變化

圖2　不同處理土壤-N含量動態(tài)變化Fig.2　Dynamics of soil -N content in different treatments[注(Note): 箭頭代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

圖3　不同處理土壤NO-2-N含量的動態(tài)變化Fig.3　Dynamics of soil NO-2-N content in different treatments[注(Note): 箭頭代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

圖4　不同處理土壤NO-3-N含量的動態(tài)變化Fig.4　Dynamics of soil NO-3-N content in different treatments[注(Note): 箭頭代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

2.30—20 cm土層N2O和O2濃度時空變化

圖5a顯示，處理BC土壤N2O濃度升高后立即降低到試驗(yàn)前水平。追肥后灌水明顯降低了土壤O2濃度(圖5c)，同時處理BC較強(qiáng)的硝化作用消耗了一部分土壤中的O2，導(dǎo)致土壤O2濃度下降明顯大于其他處理。處理BC+DCD由于DCD減緩了土壤的硝化速率，從而抑制了N2O的產(chǎn)生。硝化速率緩慢對O2的消耗較小，追肥后第3至11天處理BC+DCD土壤O2濃度高于其他處理，隨著其他處理硝化作用的減弱，處理間土壤O2濃度差異逐漸消失(圖5c)。處理Band施肥條帶上(Band 0)土壤N2O濃度有升高的趨勢，且持續(xù)時間遠(yuǎn)長于處理BC。Band 10、 Band 20、 Band 30處土壤N2O濃度相比施肥前變化不大(圖5b)。試驗(yàn)第11天后，24.2 mm的降雨使土壤中O2濃度迅速下降(圖5c)，顯著促進(jìn)了土壤N2O濃度的升高，表現(xiàn)為處理Band 0 > Band 10 > Band 20 > Band 30 > BC。

圖5　不同處理土壤N2O及O2濃度動態(tài)變化Fig.5　Dynamics of soil N2O and O2concentrationin different treatments[注(Note): 箭頭代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

2.4土壤N2O排放和NH3揮發(fā)時空變化

從圖6和圖7可以看出, 不同追氮方式顯著影響土壤NH3揮發(fā)和N2O排放。處理BC出現(xiàn)了較大的土壤N2O排放，最大排放峰出現(xiàn)在施肥后第3天，約N 65 g/(hm2·d)。試驗(yàn)期間，處理BC N2O累積排放量為N2O-N 395 g/hm2(表1)。相比處理BC,處理BC+DCD N2O排放速率在整個試驗(yàn)期間都較小，其累積排放量降低了約89.4%。處理Band最大排放峰出現(xiàn)在施肥后第13天，約N 80 g/(hm2·d)，其排放峰值和持續(xù)時間均大于處理BC。試驗(yàn)期間，處理Band累積N2O排放量相比處理BC增加了約1倍，且在試驗(yàn)結(jié)束時N2O排放仍有約N 50 g/(hm2·d)。由于施肥后兩周的監(jiān)測并未將完整的N2O出峰周期捕捉完全，因此本研究很可能低估了條施覆土對N2O排放的促進(jìn)作用。

圖6　不同處理N2O排放速率動態(tài)變化Fig.6　Dynamics of N2O emission rates in different treatments

從圖7a看出，處理BC NH3揮發(fā)峰值出現(xiàn)在施肥后第1天，約N 5 kg/(hm2·d); 試驗(yàn)期間，氨揮發(fā)累積排放量為N 22.9 kg/hm2(表1)，氨揮發(fā)損失率為15.3%。處理BC+DCD氨揮發(fā)速率變化趨勢與處理BC一致，氨揮發(fā)損失率為19.4%。處理Band推遲了氨揮發(fā)峰值出現(xiàn)時間并顯著降低了氨揮發(fā)量，最高峰約N 1.4 kg/(hm2·d)。相比處理BC，處理Band氨揮發(fā)累積量減少69.4%，氨揮發(fā)損失率降低到4.7%。Band 10由于距施肥條帶較遠(yuǎn)，與Band 0排放比較相對較少。而Band 20、 Band 30在整個測定期間氨揮發(fā)速率在相對較小的水平，相當(dāng)于土壤背景排放。

圖7　不同處理NH3揮發(fā)排放速率動態(tài)變化Fig.7　Dynamics of NH3 volatilization emission rates in different treatments[注(Note): 箭頭代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

處理TreatmentN2O(Ng/hm2)NH3(Nkg/hm2)BC395±82a22.9±2.3aBC+DCD42±9b29.1±3.9aBand789±173c7.0±1.6b

注(Note) : 數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差Data are mean±SD(n=3); 同列數(shù)值后不同字母表示處理間差異顯著Values followed by different letters are significantly different among treatments (P<0.05).

2.5不同監(jiān)測指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

表2　不同處理各監(jiān)測指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 2　Correlation between different indices in different treatments

注(Note): *和**表示P< 0.05和P< 0.01水平下差異顯著 Represents significant difference at the level ofP< 0.05 andP< 0.01; BC、 BC+DCD為0—20 cm土壤，Band為施肥條帶0—20 cm土壤，BC, BC+DCD is 0-20 cm soil, Band is 0-20 cm soil on the band of fertilizer; S-N2O 和S-O2分別表示土壤中N2O和O2濃度S-N2O and S-O2are represent soil N2O and O2concentrations, respectively.

表3　不同處理產(chǎn)量及地上部吸氮量Table 3　Crop yield and nitrogen uptake in above ground part of different treatments

注(Note) : 數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差Data are mean±SD，n=3; 同列數(shù)值后不同字母表示處理間差異顯著(P< 0.05) Values followed by different letters in the same column are significantly among different among treatments (P< 0.05).

2.6不同處理產(chǎn)量及吸氮量

從表3可以看出，盡管處理BC+DCD和Band處理有增加產(chǎn)量的趨勢，但與處理BC的差異不顯著。主要原因是各處理有足夠的供氮，降低的氨揮發(fā)損失對供氮無足輕重。如果在供氮不足或合理供氮的情況下，降低氨揮發(fā)損失可能會增加產(chǎn)量和相應(yīng)的吸氮量。

3　討論

添加DCD是減少農(nóng)田N2O排放的有效措施[9，25]。本研究表明，DCD雖能減少了土壤N2O排放，但對土壤NH3揮發(fā)略有促進(jìn)作用，即硝化抑制劑對土壤N2O排放和NH3揮發(fā)的影響存在一定程度的“此消彼長”[27]，但增加的氨揮發(fā)損失與撒施相比統(tǒng)計(jì)不顯著。條施覆土能夠有效地降低氨揮發(fā)，但條施覆土顯著增加了N2O排放。這一結(jié)果對以后的研究有所的啟示，即在條施覆土措施基礎(chǔ)上，添加硝化抑制劑，有可能同時降低N2O排放和NH3揮發(fā)，這值得進(jìn)一步探討。

4　結(jié)論

1)夏玉米農(nóng)田土壤氮肥撒施后，產(chǎn)生大量的N2O排放，同時伴有一定量的亞硝態(tài)氮累積。

2)硝化抑制劑(DCD)減少了土壤N2O排放，略促進(jìn)土壤NH3的揮發(fā)。

3)條施覆土能夠顯著降低土壤NH3揮發(fā)，但施肥條帶上亞硝態(tài)氮的累積，促進(jìn)了N2O產(chǎn)生及土壤N2O排放。

4)土壤含水量控制著土壤O2含量，當(dāng)土壤WFPS大于60%時，土壤O2含量迅速下降，導(dǎo)致大量土壤N2O產(chǎn)生。

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Impact of fertilization method on soil nitrous oxide emissions and ammonia volatilization during summer maize growth period

LIU Min1, ZHANG Chong1, HE Yan-fang2, GAO Bing1, SU Fang1, JIANG Rong-feng1, JU Xiao-tang1*

(1CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China;2AppraisalCenterforEnvironment&Engineering,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100012,China)