施肥對黃土高原紫花苜蓿草地N2O通量及生產性能的影響

李 淵， 張清平， 王 濤， 沈禹穎

(蘭州大學草地農業科技學院 草地農業生態系統國家重點實驗室甘肅慶陽草地農業生態系統國家野外科學觀測研究站，甘肅 蘭州 730020)

氣候變化是當今世界各國共同面臨的嚴峻挑戰，全球氣候變化對農業生產影響巨大，而農業也是氣候變化的重要參與者[1-2]。隨著全球變暖問題的日益嚴重[2]，氧化亞氮(N2O)作為一種強效溫室氣體而備受關注[3]。農業生產活動產生的N2O占其全球排放總量的比例高達50%[1]。農業系統減排政策的制定需要準確評估該系統中的N2O排放量。

黃土高原地區土壤貧瘠，水土流失嚴重，農業資源利用效率低[4-5]。作為重要的多年生栽培牧草，紫花苜蓿(Medicagosativa)在該地區草田輪作、農牧耦合和保護生態安全等方面發揮著重要作用[6-7]。苜蓿的刈割會帶走土壤中的營養元素，造成土壤養分的不斷流失和匱乏[6]，施肥是保證苜蓿草地持續利用和高產的有效手段[6,8-9]。然而在苜蓿生產中是否施用氮(N)肥存在爭議[5-6,8-9]。有研究認為苜蓿草地增施N肥可提高干物質產量[10]和粗蛋白質含量[11]。也有研究認為施N肥不會顯著影響苜蓿干物質產量[8]，反而會降低根瘤菌活性，縮短利用年限[9]。此外，政府間氣候變化專門委員會將豆科作物生物固氮的N2O排放因子定為1.25%，與工業N肥的排放因子相當[1]。苜蓿草地增施N肥勢必會增加N2O排放量[1,12-14]。因此，在研究N添加對苜蓿草地生產性能的影響時有必要考慮其對N2O排放的影響。

施N量對苜蓿草地N2O排放與生產性能的影響存在異質性，僅根據N2O排放量或單一的苜蓿生產指標不能科學準確地獲得最佳的施N量。鄧聚龍創立的灰色系統理論(Grey System)的基本思路是無論客觀的系統如何復雜，但終究相互關聯、有序[15]。目前該理論已被成功應用于包括農業系統在內的多個領域[16-18]。因此，本研究以黃土高原旱作紫花苜蓿為研究對象，通過添加外源N肥，觀測不同施N量對苜蓿草地N2O通量及生產性能的影響，并通過灰色系統理論進行評價，統籌N2O排放與生產性能以獲得最佳的施N量，以期為該地區苜蓿草地生產與生態環境的協調提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在蘭州大學甘肅慶陽草地農業生態系統國家野外科學觀測研究站(35°39′N，107°51′E)，海拔1 297 m，屬典型的大陸性季風氣候，多年平均年降水量564 mm，多集中于7—9月份，年均蒸發量1 504 mm，年均氣溫8～10℃，無霜期150～190天。土壤為黑壚土，有機質含量約1%，全氮含量低于0.1%，pH值為8～8.5。

1.2 試驗設計

供試樣地為2009建植的紫花苜蓿(Medicagosativa)草地，條播，播量25 kg·hm-2，行間距15 cm。苜蓿草地旱作管理，每年6月初和7月中旬刈割2次(建植年刈割1次)。N肥類型為尿素(CH4N2O)，施N量為0，50，100和150 kg N·hm-2，分別記為N0，N50，N100和N150。小區采取完全隨機區組排列，設4個重復，小區面積20 m2(4 m×5 m)。試驗于2014年進行，N肥于4月5日(返青期)和6月15日(第一茬再生期)分兩次撒施，其中返青期施入總施N量的80%。N2O氣體采樣時間以紫花苜蓿物候期為基準，分別在返青期、第一茬花期(6月1日)、第一茬再生期、第二茬花期(7月17日)和第二茬再生期(7月24日)進行5次采樣，N2O通量值為5次采樣均值；其余指標采樣時間在第一茬花期和第二茬花期。

1.3 觀測指標

1.3.1N2O通量的測定 通過LGR N2O/CO氣體分析儀(DLT-100,Los Gatos Research,Inc. NE,USA)和土壤通量主機(MCC-1-8,LI-CA,CHN)測定N2O通量。測定前一周，將半徑和高均為20 cm的圓形金屬底座安置在土壤中，露出地面10 cm。測定時將PVC氣室(半徑20 cm，高120 cm)扣入底座，用水密封。氣室頂部安裝密封蓋，其上連接氣路管和供電線路，由主機控制閉合。土壤中產生的N2O氣體進入氣體分析儀內，再由紅外光譜傳感器測量N2O的通量值。每小區放置1個氣室，設4個重復。通量為每個小區24小時內N2O通量均值。

1.3.2葉面積指數測定 葉面積指數(LAI)采用AccuPAR/LAI(LP-80,Decagon Devices,Inc. WA,USA)冠層分析儀于采樣當日11—13時測定截光率獲得，每個處理設4個重復。

1.3.3植物樣測定與分析 取2行0.5 m長的樣條，置于65℃烘箱內烘48 h后稱干重，重復4次以計算干物質(DM)產量。室內采用Van Soest洗滌纖維分析法測定植物樣中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)，植物粗蛋白(CP)采用凱氏定氮法測定[19]。

1.4 數據處理

1.4.1直接排放系數(Emission factors，EFs)

EFs是指施肥誘導產生的N2O-N占所施N的百分比，其它條件下指處理和未處理的土壤排放差異的百分比[20]。其中，Et為施氮肥處理N2O-N排放量，E0為不施氮肥處理N2O-N排放量，NF為施N總量(單位：kg N·hm-2)。

1.4.2氮肥利用率(Nitrogen use efficiency，NUE)

NUE是指單位施N量所增加的作物產量[21]。其中，Nt為施氮區收獲物中總氮量，N0為不施氮區收獲物中總氮量，NF為施氮總量(單位：kg N·hm-2)。

1.4.3相對飼用價值(Relative feed value，RFV) RFV是指相對某種特定標準粗飼料(盛花期苜蓿為100%)，根據牧草的可消化干物質(DDM)和潛在的干物質采食量(DMI)來進行牧草品質的比較和評級。采用Horrocks和Vallentine的方法計算RFV[19]。

DDM=88.9-(0.779×ADF)

DMI=120/NDF

RFV=DDM×DMI×0.775

1.4.4灰色系統及數據分析 本研究的目的是統籌苜蓿草地N2O排放與生產性能以獲得最佳的施N量，所以選擇EFs和NUE兩次取樣和N2O通量五次取樣的均值作為N利用效率及N2O通量的評價指標，選擇LAI，DM，CP，ADF，NDF和RFV兩次取樣的均值作為生產性能的評價指標。依據鄧聚龍等[15-18]的方法對數據進行關聯度分析和灰色聚類分析。同時，采用SPSS 18.0進行單因素方差(One-way ANOVA)分析(P=0.05)，比較施N量對苜蓿草地N2O通量、產量、品質的影響；采用Pearson相關分析量化N2O通量或EFs和施N量間的相關關系。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對苜蓿草地N2O通量的影響

根據各箱體分布區間可知N100和N150處理下N2O通量較大，但各處理間無顯著差異(圖1)。N0，N150的箱體較長，說明該處理下N2O通量變異性較大。而N50處理的N2O通量則較集中，從-0.0124至0.0172 mg·m-2·h-1。同時，N添加處理下N2O通量值的最小值均高于N0的最小值(P<0.05)；N100和N150處理下N2O通量分別為0.0221和0.0307 mg·m-2·h-1。N50，N100和N150處理下N2O通量均值比N0分別高32%，97%和158%。

圖1 不同施N量下的氧化亞氮通量Fig.1 Boxplot of N2O fluxes in response to N application注：圖中上下邊緣分別代表最大、小值，箱體的上下線分別代表上下四分位數，箱體中間線表示中位數。菱形點和線為均值和標準偏差Note:Boxplot representation N2O emission of different treatments. Lower and upper whiskers are 10th and 90th percentiles,lower and upper boundaries of the boxes are 25th and 75th percentiles and lines within a box are medians. Diamond dot and bar are mean value and SD

2.2 不同施氮量對苜蓿草地生產性能的影響

添加N肥增加苜蓿地上生物量，但對頭茬地上生物量和總地上生物量的效果不完全相同(圖2)。N150處理下頭茬地上生物量和總地上生物量都達到最高，分別為8 885和13 733 kg·hm-2，比N0高28.43%和18.86%，差異顯著(P<0.05)。但N50和N100處理的增產效果卻不顯著。N150處理下的頭茬地上生物量比N50高23.21% (P<0.05)，但總地上生物量與N50無顯著差異。

圖2 不同N添加處理下頭茬地上生物量與總地上生物量Fig.2 First stubble aboveground biomass and total aboveground biomass in response to N application注：不同大寫字母表示總地上生物量0.05水平顯著差異，不同小寫字母表示表示頭茬上生物量0.05水平顯著差異；圖中數字表示頭茬地上生物量占總地上生物量比例Note:Different Capital letters mean significant differences at 0.05 level of total aboveground biomass,different lowercase letters mean significant differences at 0.05 level of first stubble aboveground biomass;And numbers in figure represent first stubble aboveground biomass proportion of total aboveground biomass

施N增加EFs，增加NUE和LAI(表1)。N150處理下LAI顯著高于其它處理(P<0.05)，且N0處理下LAI顯著低于其它處理(P<0.05)。苜蓿生產品質隨施N量的增加而提高。隨施N量的增加，CP均有提高。施N降低ADF含量，N100處理下ADF含量顯著低于N0處理(P<0.05)。施N同時能增加NDF含量和RFV。

表1 不同施氮量對紫花苜蓿草地影響的評價指標Table 1 Evaluation indexes of effects of different levels nitrogen fertilizer on lucerne grassland

2.3 灰色關聯及聚類

選取N2O通量，EFs，NUE，LAI，DM，CP，ADF，NDF和RFV的均值作為評價數據列(表1)。參考數據列分別為：0.0039 mg·m-2·h-1，1.50%，48.58%，5.20，8 885 kg·hm-2，16.64%，31.82%，45.55%和130.19%。其中，N2O，EFs，ADF和NDF的參考值選取實測均值中的最小值，NUE，LAI，DM，CP和RFV的參考值選取實測均值中的最大值。

灰色關聯系數矩陣表明N50處理兼顧苜蓿草地的生產和生態效益(表2)。該處理既能提高苜蓿品質(NDF，RFV)，又能降低N2O排放(N2O，EFs)。其次是N150處理，這與其能夠提高苜蓿品質(DM，CP)和資源利用效率(NEU，LAI)有關。此外，N100處理下苜蓿的CP和ADF最優。

表2 評價指標的關聯系數、關聯度以及排序Table 2 Grey correlative coefficients,correlation degrees and order of evaluation indexes

灰色聚類根據“最大樹”，任取實數λ∈[0,1]，將4個處理分為3類(圖3)：N50和N150的關聯度高(表2)，歸為第1類；N0處理的關聯度次之，歸為第2類；N100為第3類。但根據關聯度分析結果(表2)，雖然N50和N150歸為一類，這兩種處理對苜蓿草地的影響不完全相同。

圖3 不同施氮量的灰色聚類圖Fig.3 Grey clustering of different levels of nitrogen fertilizer注：處理間連線的數字為權，權表示處理間的親疏關系，權大則親，權小則疏Note:Processing line number is weight,which means the degree of correlation between treatments

3 討論

3.1 苜蓿草地N2O通量對氮添加的響應

N2O釋放的時間、空間異質性特點造成N2O通量變異性較大[3]，因此各處理下N2O通量值波動較大。N是N2O產生的直接底物[13-14]，施用N肥的農學效應包括土壤肥力和作物生產力變化兩個方面，而這兩方面的變化會通過影響底物濃度和活性影響N2O排放[13-14,22-23]。在多個施N農業地區的研究表明N施入與N2O通量存在線性關系[12]。苜蓿等固氮作物的EFs高于其它作物(如旱生谷物)，可能是由于固氮作用導致其對N肥需求的減少，所以也有研究認為這二者沒有顯著的線性關系[13,24]。這說明N添加的N2O釋放因子(EFs)不是固定的，這與本研究結果一致(表1)。此外，雖然本研究中N2O通量結果是采樣當日24小時通量的均值，但采樣頻次少(5次)，這也是造成N2O通量差異較大的原因，后續研究需要增加觀測頻率。

3.2 苜蓿草地生產性能對氮添加的響應

Kathleen等研究認為增施N肥能提高苜蓿干物質產量[8]，當土壤含N量及有機質含量較低時，這種趨勢更加明顯[5]。盡管試驗地土壤含N量及有機質含量較低，但N50和N100的增產效果不顯著(圖2)。這是因為單施N肥會抑制固氮酶的活性[25]，影響根瘤菌侵染根毛，降低結瘤數量和活性[25]，從而抑制固氮效率。還有研究認為施N肥會減少苜蓿株數，刺激禾本科雜草入侵[8]，增強雜草與苜蓿的競爭。這些因素在一定程度上抵消了N肥施入對紫花苜蓿DM的促進作用。此外，Jenkins等在美國俄勒岡州的研究認為土壤中的有機N能在一定程度上滿足苜蓿生長[27]，所以低濃度N肥對苜蓿DM影響并不顯著(圖2)。DM的增加與N肥施入能促進葉片生長，增加LAI[6,28]；增施N肥能改善苜蓿營養品質，提高CP含量，降低洗滌纖維含量(ADF和NDF)[6,28]，這與本研究結果一致(表1)。

3.3 灰色關聯及聚類分析氮添加對苜蓿草地生產和N2O通量的影響

關聯度分析結果表明N50處理兼顧苜蓿草地的生產和生態效益(表3)。這是由于低濃度N添加能在一定程度上提升生產性能[10,28-30]，且低濃度N添加對促進N2O排放的貢獻小[13,20,23,31]。所以綜合考慮生產性能和N2O排放，低濃度N添加是該地區適宜的施肥量。灰色聚類將N50處理和N150處理歸為一類(圖3)，這與其他結果不同[6,9-10]。這是因為本研究的關聯分析中生產性能參數比重較大，且N150對生產性能提升較明顯(表1)。N100處理對生產性能提高不顯著，卻增加N2O釋放，所以將其分為一類。與N100相反，N0處理不提高生產性能，也不促進N2O釋放，考慮到肥料投入成本，其是優于N100處理的一種生產策略。

4 結論

本研究引入灰色分析統籌施N處理對苜蓿草地N2O通量與生產性能的綜合影響，結果表明黃土高原旱區紫花苜蓿草地最佳施N量為50 kg N·hm-2，該處理兼顧紫花苜蓿草地的生產和生態效益。本研究的結果為優化黃土高原旱區紫花苜蓿草地氮肥管理措施，為紫花苜蓿草地生產與生態環境的協調提供了理論依據。