渭北旱塬蘋果園不同施肥處理N2O排放特征

朱志軍，楊莉莉，馮 濤，同延安

(西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100)

氧化亞氮( N2O) 因能夠吸收地球長波輻射而導致溫室效應。大氣層中N2O的增加量主要來自土壤的排放，而大量氮肥的施用是造成農田土壤N2O排放的主要原因[1-2]。農田土壤N2O排放受施肥、土壤水分、溫度、質地、pH值、無機氮含量和比例等因素影響[3]，IPCC報告指出：農業土壤N2O排放估算存在很大的不確定性[4]。同時中國幅員遼闊，各地區農田生態系統間的氣候、土壤、耕作制度等因素差異巨大，農田土壤N2O排放具有巨大的時空變異性[5]。為了減小這種估算上的不確定性，研究不同典型農田類型區域N2O排放十分有必要。渭北旱塬屬于干旱半干旱地區，是中國蘋果優勢主產區，30多個主產區縣蘋果園種植面積已占該區域總耕地面積的50%～70%，試驗地(洛川縣)蘋果種植面積占該縣總耕地面積的78%[6]，但目前該地區蘋果園整年的N2O排放研究少見報道。為了準確估算該地區農業土壤N2O排放量，開展整年或多年的研究是非常必要的[7]，研究渭北旱塬蘋果園不同施肥制度下N2O排放特征可以為該地區N2O排放區域估算提供數據支撐。

龐軍柱等[7]在黃土高原多年監測發現蘋果園N2O年際排放變化較大，排放系數在0.035%～0.082%之間。該研究施純氮量為311.5 kg·hm-2，但近年來農戶為增加蘋果產量盲目增施氮肥，至2015、2016年渭北旱塬蘋果主產區縣純氮投入量超過1 000 kg·hm-2[9-10]。蘋果樹體年需氮量在172.3 kg·hm-2左右[9-10]，剩余的氮素除了在土壤中遷移累積[12-13]，也會顯著增加N2O排放[1]。采用合理的施肥管理模式是減少N2O排放的重要措施。蘋果園推薦施肥模式為有機無機配施，在有機肥投入40～60 t·hm-2的基礎上，建議施用化肥純氮240～360 kg·hm-2[14]。研究表明，有機物在分解過程中會消耗土壤O2從而抑制硝化作用[15]，減少N2O排放。也有研究認為，有機物分解耗氧形成的局部厭氧環境有利于反硝化作用，從而促進N2O排放[16]。在渭北旱塬自然生態條件下，施用有機肥是否促進N2O排放需要進一步研究。2015年國家農業部要求大力推進化肥減量提效，到2020年主要農作物化肥使用量實現零增長[16]，這就要求蘋果園在施肥管理中優化施肥量與施肥模式。因此，通過設置不同施肥處理，探明渭北旱塬生態條件下N2O排放規律，以及減施化學氮肥與有機無機配施相對于農戶高化學氮肥投入下N2O的減排潛力，對準確估算渭北旱塬農田土壤N2O區域排放量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在延安市洛川縣西北農林科技大學蘋果試驗站進行。試驗站位于黃土高原地區，平均海拔1 072 m；年平均氣溫9.1℃，平均年降水量616 mm，雨熱同期，無霜期達到167 d。試驗前0～40 cm土層基礎養分為：有機質8.5 g·kg-1，硝態氮(NO3--N)16.4 mg·kg-1，銨態氮(NH4+-N)1.3 mg·kg-1，速效磷(P)16.7 mg·kg-1，速效鉀(K)136.3 mg·kg-1，pH值為8.1，耕層土壤(0～20 cm)容重為1.47 g·cm-3，田間持水量為27.2%(0～20 cm)。供試果樹栽于2012年，品種為晚熟矮化延長紅，正處于盛果期，植株密度為1 250棵·hm-2(株行距為2 m×4 m)。施肥方式為雙溝條施，即在距樹干約70 cm左右的兩側，分別開一條寬和深皆為20 cm左右的條狀溝，施肥后覆土。每年施兩次肥，在成熟期(10月份)施基肥和膨大期(第2年7月份)進行追肥。供試氮、磷、鉀分別為尿素(N 46%)、重過磷酸鈣(P2O544%)、硫酸鉀(K2O 51%)；生物有機肥(有機質≥46%，全N 6%)。

1.2 試驗設計

施肥處理設置不施氮肥(CK)、常規高氮(HF)、優化減氮(RF)、有機無機肥配施(OR)4個處理，每處理設3次重復，每個重復包含6棵果樹，隨機區組排列。常規高氮處理為蘋果優生區大部分農戶平均施肥量，設純N用量為800 kg·hm-2；優化減氮處理為專家推薦施肥量，設純N用量為400 kg·hm-2；有機無機肥配施處理為蘋果園推薦施肥模式，純N用量與優化減氮處理相同，但其中的氮來源于生物有機肥和尿素，生物有機肥供氮和尿素供氮各占50%。磷、鉀肥分別為300、400 kg·hm-2，生物有機肥和磷肥全部基施，氮肥基追比為6∶4，鉀肥基追比為3∶7。

1.3 氣體采集及測定方法

采用靜態箱-氣相色譜法監測蘋果園N2O排放通量。靜態箱由箱體和底座兩部分組成：箱體由5 mm厚鐵板制成，規格為50 cm×50 cm×50 cm，外部粘有隔熱層，內部裝有小風扇( 12 V，0.5 A) 、溫度傳感器和采樣管[8]。底座為50 cm×50 cm×20 cm且上部帶有方形凹槽的鐵質框架。靜態箱布置在施肥帶上，底座埋入土壤20 cm。采樣時，將凹槽內注滿水，將靜態箱罩上，形成一個密閉性氣體空間，取樣前啟動箱內風扇混樣20 s，然后從箱體側端的取樣口用注射器取樣置于200 ml鋁箔氣袋中，每次取樣60 ml。樣品采集時間為采樣當天上午9∶00—11∶00之間，以秒表計時且間隔15 min采集一次，在蓋箱后0、15、30、45 min時共采集4次氣體樣品[18-19]。同時采用今明公司生產的手持式JM624數字溫度計(溫度范圍-50℃～199℃，測量準確度為±0.2%，讀數分辨率為0.1℃)記錄箱內的初始溫度和終止溫度。氣體樣品帶回實驗室并在1周內完成測定。N2O 樣品采用美國Agilent7890A型氣相色譜儀分析，采用Porapak Q 填充柱，柱箱溫度為50℃，檢測器ECD工作溫度為350℃，高純度N2載氣；北京兆格氣體科技有限公司標準氣體。

2017年10月11日施基肥，蘋果成熟期土壤溫度較低(圖1)，氣體連續采集10 d。2018年1月24日之后，出現降雪，箱內氣溫降至0℃以下，停止采樣，直到2018年3月5日恢復正常。2018年4月12日降雨量為32.8 mm、5月21日降雨量為20.8 mm、6月8日降雨量為26.3 mm、6月25日降雨量為32.5 mm。2018年7月3日進行追肥，由于蘋果膨大期土壤溫度較高，樣品連續采集20 d，2018年7月4日降雨量為25.4 mm、7月9日降雨量為24.6 mm、7月16日降雨量為25.6 mm、8月14日降雨量為35.6 mm(圖2)。樣品采集遇降雨量≥15 mm時，連續采集3 d或5 d，其余時間約每2周采集一次。

N2O排放通量計算公式[20]:

式中，F為氧化亞氮排放通量(mg·m-2·h-1)；ρ為箱內氣體密度(g·cm-3)；V為靜態箱實際體積(cm3)；A為靜態箱底面積(m2)；ΔC/ΔT為單位時間靜態箱內的氧化亞氮氣體濃度變化率(μL·μL-1·h-1)，θ為測定時箱體內平均溫度(℃)。

N2O 的年排放量將不同時段的N2O排放量(將可決系數R2<0.85的數據舍棄)加起來，每兩個相鄰采樣日期之間的N2O排放量Xn用以下公式計算[8]：

式中，fn表示特定時間段的最后一天的 N2O 排放量( μg·m-2·d-1) ，fn+1表示特定時間段的初始一天的N2O 排放量( μg·m-2·d-1) ，Dn是特定時間段的最后一天，Dn-1是特定時間段的初始一天。整個蘋果園土壤N2O年排放量通過對施肥區與不施肥區年排放量進行面積加權獲得，用靜態箱覆蓋的區域代表施肥帶N2O排放[8]，占比為1/4，另外3/4用CK處理代替估算N2O排放通量。

N2O排放系數=(施氮處理N2O累積量-不施氮處理N2O累積量)×0.636/施氮量×100

其中，不施氮處理N2O累積量為CK的N2O累積量，0.636為N2O中N元素所占比重。

1.4 土壤水分、溫度和氣象數據

氣體樣品采集的同時，測定表層土壤水分和5、10 cm土層地溫(圖1)。其中表層(0～20 cm)土壤體積含水量采用EM50數據采集器(北京力高泰科技有限公司，每1 h讀數1次)監測，配置北京時陽電子科技有限公司數據采集探頭(0～50%VWC，±1～2%VWC)，使用樣品采集時間段(9∶00—11∶00)數據；土壤容重采用環刀法，每3個月測定一次。地溫采用曲管地溫計(溫度范圍-20℃～50℃)測定，氣體第一次采集時，記錄初始地溫，氣體采集結束后，記錄終止地溫，二者平均值代表氣體采集期間土壤地溫；氣象數據(降雨、氣溫)從距離試驗地約300 m的氣象站獲得。

圖1 土壤溫度(5、10 cm平均溫度)和土壤孔隙充水率(0～20 cm)的變化Fig.1 Variations of soil temperature (5， 10 cm soil average temperature) and water-filled pore space (0～20 cm)

1.5 數據處理

所有數據采用SPSS 17.0 軟件進行顯著性分析，采用Excel 2016軟件對數據進行處理并制圖。

2 結果與分析

2.1 蘋果園不同施肥處理N2O日排放速率季節變化

圖3表明，蘋果生育期N2O日排放通量主要發生在膨大期。2017年10月蘋果成熟期施基肥后第9天達到排放峰值，CK、常規高氮、優化減氮和有機無機配施處理N2O排放峰值分別為12.24、30.91、25.75、50.26 μg·m-2·h-1，各施肥處理N2O排放差異不明顯。在休眠期、萌芽期、花期和幼果期各處理N2O日排放速率在1.17～50 μg·m-2·h-1之間。2018年7月3日進行膨大期追肥，在施肥后第10、12天達到N2O排放峰值，CK、常規高氮、優化減氮和有機無機配施處理N2O排放峰值分別為54.13、444.34、289.21、222.28 μg·m-2·h-1。其中，常規高氮N2O排放峰值分別是CK、優化減氮、有機無機配施N2O排放峰值的8.21倍、1.54倍和2倍。優化減氮和有機無機配施處理N2O排放速率在8月初與CK之間差異較小，常規高氮處理到9月初與其他處理之間差異較小。各處理在花期、幼果期和膨大期前期對降雨的響應較弱，而在膨大期追肥時比較明顯，可能與花期、幼果期和膨大期前期土壤表層(0～20 cm)硝化和反硝化底物濃度不足有關。

圖2 洛川蘋果試驗站降雨量和日平均氣溫Fig.2 Average daily air temperature and precipitation in Luochuan Agri-ecological Station

圖3 不同施肥處理N2O排放通量年動態變化Fig.3 Annual dynamic changes of N2O emission flux under different fertilization treatments

2.2 蘋果園不同施肥處理N2O排放通量與排放系數

從2017年10月12日—2018年10月11日各處理N2O累積排放總量在1.14～4.46 kg·hm-2之間(表1)，常規高氮與優化減氮、有機無機配施處理之間N2O累積排放總量差異極顯著。優化減氮和有機無機配施處理與常規高氮處理相比，累積排放總量分別降低了43.3%和42.6%，但優化減氮和有機無機配施處理之間N2O累積排放總量差異不顯著。常規高氮、優化減氮和有機無機配施N2O年排放系數分別為0.27%、0.22%和0.22%，各處理間差異不顯著。CK、常規高氮、優化減氮和有機無機配施處理N2O年均排放速率分別為20.44、103.60、61.11 μg·m-2·h-1和57.01 μg·m-2·h-1(表2)。CK與常規高氮、優化減氮和有機無機配施處理N2O年均排放速率差異都極顯著，常規高氮與優化減氮、有機無機配施處理差異極顯著，而優化減氮和有機無機配施之間差異不顯著(表2)。

表1 蘋果園不同施肥處理N2O排放總量與排放系數

注：不同小寫字母表示處理間在P<0.05水平上差異顯著，不同大寫字母表示處理間在P<0.01水平上差異顯著，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments atP<0.05 level. Different capital letters indicate significant difference among treatments at the level ofP<0.01, the same below.

表2 蘋果園不同施肥處理N2O年平均排放速率

2.3 蘋果園不同施肥處理N2O排放通量與環境因子間相關性分析

土壤溫度和濕度能夠影響硝化微生物的活動，是N2O生成的基礎[21]。將不同施肥處理N2O季節排放通量作為一個整體，采用典型相關分析探討果園N2O排放通量與環境因子之間的相關性，其特征值和典型相關系數結果見表3。結果表明，第一對典型變量V1和W1之間存在顯著相關性(P<0.001)，貢獻率為44.6%；其他3對典型變量之間相關性不顯著，貢獻率不足2%。第1對標準化典型變量表示如下：

V1=0.161x1-0.045x2-0.974x3-0.159x4

W1=-0.944y1-2.509y2+0.525y3+2.044y4

其中，x1為5 cm土壤溫度，x2為土壤孔隙充水率(WFPS)，x3為10 cm土壤溫度，x4為氣溫，y1為CK，y2為常規高氮，y3為優化減氮，y4為有機無機配施?？梢?，典型變量V1(環境因子)主要取決于10 cm土壤溫度，其系數絕對值最大。典型變量W1(N2O排放通量)中常規高氮和有機無機配施處理N2O排放通量占了較大比重，說明不同施肥處理會影響N2O排放通量對溫度的響應。從蘋果整個生育期N2O排放通量看，N2O累積排放量的57.7%～79.2%發生在土壤表層(0～10 cm)溫度為15℃～25℃時。

表3 蘋果園不同施肥處理整體N2O排放通量與環境因子間的典型相關分析

3 討 論

3.1 土壤含水量和溫度對蘋果園不同施肥處理N2O排放的影響

O2濃度可以控制土壤N2O產生量與產生途徑，但研究中很少直接測量O2濃度，而土壤含水量通常被認為是O2有效性的可觀測替代指標[22]。研究表明反硝化作用最佳土壤孔隙充水率在70%～90%之間，而認為在土壤孔隙充水率較低時，N2O的產生主要來源于硝化作用中氨氧化和硝化細菌反硝化過程[23]。土壤微生物硝化作用適宜溫度為15℃～35℃，其中最適溫度為25℃～35℃，土壤表層(0～10 cm)溫度與N2O日排放速率之間極顯著正相關[24]。氨氧化形成的中間產物(NH2OH)能在生物和非生物條件下產生N2O。馬蘭等[25]研究表明，在偏堿性的果園中NH2OH產生N2O的主要途徑為非生物過程，NO2--N產生N2O的主要途徑為生物過程。2017年蘋果成熟期土壤溫度(0～10 cm)在6.5℃～10℃之間，施用氮肥為硝化微生物提供了大量氮源。但土壤(0～10 cm)低溫抑制了硝化微生物將氨氮氧化成NH2OH以及硝化細菌反硝化過程，從而抑制了硝化過程中N2O的產生。蘋果樹(3～10 a)徑向1 m主要根群集中在20～60 cm深的土層中[26]，根系耗氧形成的局部厭氧多存在于土壤下層，并且產生的N2O不易擴散。同時土壤表層(0～20 cm)較好的通氣性會抑制土壤反硝化作用的進行。所以蘋果成熟期不同施肥處理沒有明顯促進N2O排放。2018年膨大期土壤溫度(0～10 cm)在19℃～25℃之間，有利于氨氧化和硝化細菌反硝化過程，在適宜的溫度條件下提供充足的氮源是導致膨大期N2O大量排放的主要原因，而在本研究的試驗條件下，反硝化作用產生的N2O對土壤N2O排放的貢獻量無法確定。

蘋果整個生育期間土壤孔隙充水率(0～20 cm)都<50%(圖1)，并且成熟期基肥量高于膨大期追肥量。典型相關分析表明，第一對典型變量中環境因素主要由土壤溫度(0～10 cm)決定。因此，土壤溫度(0～10 cm)是導致2017年成熟期和2018年膨大期施肥后N2O排放差異的主要原因。氨氧化作用是硝化過程的限速步驟[27]，休眠期、萌芽期、花期和幼果期由于沒有外源氮肥投入，所以底物濃度不足也是限制硝化細菌反硝化和微生物反硝化作用的重要因素。

3.2 降雨對蘋果園不同施肥處理N2O排放的影響

研究表明，降雨和灌溉能夠促進N2O排放，土壤由干變濕的過程產生的N2O隨土壤含水量的增大而增大，而土壤孔隙充水率為70%時土壤由濕變干的過程產生的N2O量最高[28]。膨大期(6—8月)N2O排放總量占全年N2O排放總量的46.8%～69.1%，同期降雨量占全年降雨量的45.3%。龐軍柱等[8]在研究黃土高原蘋果園土壤N2O排放時，也有類似結論：整個夏季N2O的排放量占到了全年總排放量的47.9%，并且N2O排放因降雨量差異年際排放變化較大。土壤水分狀況不僅影響N2O產生途徑和產生量，也影響N2O從土壤孔隙向大氣的擴散[29]，所以膨大期降雨(≥20 mm)后(7月9日和16日、8月14日)的第二天都出現N2O排放低谷，并且降雨能夠提高由溫度條件決定的N2O排放強度[30]。在花期(4月12日)、幼果期(5月21日)和膨大期前期(6月8日、6月25日)出現不同強度降雨(≥15 mm)，但降雨并沒有明顯促進N2O排放，主要原因可能是受土壤溫度(0～10 cm)和底物濃度共同限制硝化細菌反硝化和反硝化過程。研究表明，當土壤中存在限制N2O產生和排放的因子時，土壤含水量對N2O排放的影響則不會明顯表現出來[31-32]。

3.3 有機肥對蘋果園N2O排放的影響

土壤有機質通過改變土壤有機碳的有效性，影響硝化和反硝化作用的底物濃度，而影響土壤N2O的排放，2017年蘋果成熟期，生物有機肥的施入為土壤帶入了大量易分解有效性碳，同時也帶入了大量的微生物。有機無機配施可以降低土壤 C/N，而土壤低 C/N會增加氨氧化細菌(AOB)的代謝活性[34]，從而促進硝化作用的發生[35]，所以有機無機配施處理N2O日排放速率在成熟期比其他處理高。與優化減氮處理相比，有機無機配施處理沒有明顯促進成熟期N2O的排放，可能主要原因是土壤(0～10 cm土層)溫度低抑制了硝化微生物活性，限制了有機物對N2O排放的促進效果。但也有研究認為有機物分解消耗土壤O2能夠抑制硝化作用，同時有利于反硝化的發生[35]，而反硝化微生物適宜的溫度為5℃～75℃[36]。從成熟期土壤表層(0～20 cm)土壤孔隙充水率來看(圖1)，土壤表層有利的通氣條件并沒有達到微生物反硝化所需的厭氧環境，所以有機物分解耗氧對反硝化作用的促進效果十分有限。

4 結 論

1)蘋果膨大期是渭北旱塬蘋果園N2O排放的主要時期。各施肥處理N2O年累積排放總量在1.14～4.46 kg·hm-2之間，與常規施肥處理相比，優化減氮和有機無機配施處理N2O排放總量分別降低了43.3%、42.6%。常規高氮、優化減氮與有機無機配施處理年排放系數分別為0.27%、0.22%、0.22%。

2)溫度是限制蘋果成熟期和膨大期土壤N2O排放的決定因子；施肥后，隨著時間的推移，底物濃度不足將逐漸成為限制N2O排放的重要因子。