有機-無機肥配施對黃土高原半干旱區農田土壤N2O排放的影響

杜夢寅,袁建鈺,李 廣,閆麗娟,郭 疆,姚武揚眉

(1.甘肅農業大學林學院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農業大學農學院,甘肅 蘭州 730070)

氧化亞氮(N2O)是大氣中重要的溫室氣體之一,百年尺度下單位質量其增溫潛勢是CO2的296倍,能長期滯留在大氣中并參與多種光化學反應,對臭氧層進行破壞[1]。研究表明,農田土壤是N2O的重要排放源,其年均排放量已達到全球排放總量的38%以上[2]。在影響農田N2O排放的諸多因子中,化學氮肥的施用是最為重要的一項技術措施[3]。增施氮肥可以迅速提高土壤所需養分濃度,滿足作物生長的需要,從而顯著提高作物產量,但隨著氮肥用量的快速增加,也造成了嚴重的環境問題[4]。因此,選擇合理的施肥方式是提高作物產量、保持土壤肥力和減少因施氮肥所造成的環境污染的關鍵,對于減少農田土壤N2O排放和緩解溫室效應顯得尤為重要。

隴中黃土高原位于我國中部偏北部,干旱、水土流失嚴重已成為該地區主要生態環境問題。春小麥因其抗旱性強、生育期短、產量可觀等優點,已成為黃土高原半干旱區種植的首選作物[5]。有機/無機肥料聯合施用技術是農業可持續發展的首選,對改善土壤結構、形成土壤團聚體,提高氮素利用效率以及產量等都有顯著作用,但其引發的環境效益仍尚存分歧[6]。Ding等[7]研究發現,有機/無機肥配施能夠有效降低農田土壤N2O的排放,董玉紅等[8]研究證實,在等氮條件下,與單施化學氮肥相比,有機肥代替部分無機氮肥會降低土壤N2O的排放。相反,陳晨等[9]在寧夏油葵田的研究結果表明,在不同的氮肥施用方式下,有機無機肥配施處理土壤N2O排放量顯著高于單施無機氮肥處理。也有研究報道[10],與單施氮肥相比,有機肥配合無機肥施用對土壤N2O排放并無顯著差異。綜上所述,不同施肥方式對土壤N2O排放特征在不同溫度、水分、作物類型的差異下均有不同的結果。當前,大多數研究已經證實有機/無機肥配施在協調作物養分平衡、減肥增產的方面具有重大作用,但對影響旱地農田土壤N2O排放的關鍵因素及其響應機制尚不清楚,需進一步研究。

為了更好揭示有機/無機肥配施下土壤理化性質及環境因子對土壤N2O排放的影響,本試驗以黃土高原4種施肥方式下的春小麥地為研究對象,綜合分析了有機/無機肥配施下土壤N2O的排放特征及其環境影響,探究二者之間的相關關系,揭示土壤N2O排放對不同施肥方式的響應機制,從而提出增產減排的最優施肥方式,為尋求區域合理的土壤培肥方式及優良生態環境建設提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于甘肅省定西市安定區安家坡村甘肅農業大學旱農綜合試驗站(35°64′N,104°64′E),該地區平均海拔2 000 m,屬溫帶半干旱氣候,年均氣溫6.4℃,年均≥0℃年積溫2 933.5℃·d-1,年均≥10℃年積溫2 239.1℃·d-1,年均降水量394.1 mm,主要集中在7—9月份(圖1),年潛在蒸發量約為降水量的4倍,氣候干燥,無霜期平均140 d,屬于典型的半干旱雨養農業區。試驗地平坦無起伏,土壤類型為黃綿土,土層深厚,土質綿軟且質地均勻,蓄水性能良好。土壤容重1.17 g·cm-3,土壤有機質6.30 g·kg-1,全氮0.76 g·kg-1,全磷0.32 g·kg-1。

圖1 2020年試驗區月均降雨和氣溫變化圖Fig.1 Map of average monthly rainfall and temperature changes in 2020

1.2 試驗設計

試驗以不施肥(CK)為對照,布設單施有機肥(M)、單施無機肥(N)、有機肥與無機肥配施(MN：50%M+50%N)3種施肥處理。選用當地春小麥‘甘春27號’為供試品種,于2020年3月25日播種,8月5日收獲。供試無機肥為尿素(含N 46.2%),有機肥為農家肥(主要為豬糞,養分含量為N 0.56%、P2O50.40%、K2O 0.46%),施肥量以當地常規施用氮肥(施尿素折合年施氮含量105 kg·hm-2)用量為基準,根據含氮量計算尿素和有機肥的施用量,各施肥處理間遵循等氮量原則(表1)。施肥分兩次施入,第一次于播種前(3月31日)隨基肥混合施入,第二次在分蘗期(4月25日)進行追施,施肥深度為7～10 cm。每個處理設置3個重復,總計12塊樣地,樣地面積統一為24 m2,每塊樣地播種量為187.5 kg·hm-2,行距25 cm。配施150 kg·hm-2過磷酸鈣(含16% P2O5)作為基肥,于播種時一次性施入,并采用隨機區組排列。

表1 試驗處理春小麥地有機氮肥和無機氮肥施用量/(kg·hm-2)Table 1 The application amount of organic fertilizer nitrogen and inorganic fertilizer nitrogen in spring wheat field was tested

1.3 土壤氣體的采集與分析

采用靜態箱-氣相色譜法測定土壤N2O通量。在春小麥生長季,從播種到收獲按照其主要生育期的時間界定,平均每隔20 d測定1次,并綜合種子萌發時間與肥料肥效對土壤N2O排放的影響,在基肥施入與追肥后第5天進行加測。采樣時間為9∶00—11∶00。靜態箱為50 cm×50 cm×50 cm無底正方體暗箱,箱壁用1 mm厚304K薄不銹鋼板制成,箱外用隔溫材料包裹以確保箱內熱量不散發,頂箱上端裝有兩個空氣風扇攪拌,箱側裝有風扇電源插頭、采氣管接口和測溫接口,底座尺寸為50 cm×50 cm×20 cm,上部有密封水槽。當測定時,將不銹鋼底座固定于土壤中。采樣時底座水槽內加水密封,進行氣體樣品采集。扣箱后立即用100 ml注射器采集第一次樣品,每隔8 min取100 ml氣體保存,罩箱40 min,共取樣5次。采樣后立即將樣品帶回實驗室并于一周內對土壤N2O完成分析,確定不同處理下N2O排放特征。

測定期內N2O排放通量可通過式(1)進行計算：

(1)

式中,F為土壤N2O排放通量(mg·m-2·h-1);A為采樣箱底面積(m2);V為采樣箱體積(m3);M0為氣體分子量;C1、C2分別為采樣箱關閉時和開啟前箱內氣體的體積濃度單位;T1、T2分別為采樣箱關閉和開啟前箱內溫度(K),t1、t2為測定開始和結束的時間。

農田土壤N2O累積排放量可通過式(2)進行計算：

M=∑(FN+1+FN)×0.5×(tN+1+tN)×24×10-2

(2)

式中,M為整個生育期內土壤N2O排放量(kg·hm-2);F為土壤N2O排放通量(mg·m-2·h-1);N為采樣次數;t為距離初次采樣的時間。

1.4 土壤樣品的采集與處理

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理下春小麥地土壤N2O排放通量的動態變化

不同施肥處理下春小麥地土壤N2O排放通量的動態變化如圖2所示。播種后各處理排放通量均處于較低水平,待基肥施入后,N2O排放通量迅速上升并于4月5日左右出現第1次排放峰,其中排放量最高的處理為N,排放通量達到0.1146 mg·m-2·h-1。進入分蘗期,伴隨一定量的追肥,M、N、MN處理在4月30日左右再一次出現N2O排放峰,其中N處理最大(0.1545 mg·m-2·h-1),其次是MN、M、CK。說明施肥促進土壤N2O排放,以單施無機肥處理尤為明顯。此后至成熟期,各處理間差異縮小,隨溫度水分的升高和土壤微生物活性的增強,N2O排放通量于7月15日左右再次出現小型排放峰,其中以M處理最大(0.0642 mg·m-2·h-1)。

圖2 不同施肥處理下春小麥地土壤N2O排放通量的動態變化Fig.2 Dynamic changes in soil N2O emission fluxes from spring wheat fields under different fertilization treatments

2.2 不同施肥處理下土壤N2O累積排放量及其產量的變化規律

整個春小麥生育期中,不同施肥處理下土壤N2O累積排放量大小順序為N>MN>M>CK(圖3)。N、M、MN處理較CK處理N2O累積排放量分別增加了144.0%、101.3%、105.7%,各處理與CK處理均達到顯著水平(P<0.05)。N2O凈損失量(以氮計算)為1.175 8～1.428 kg·hm-2,占當季施氮量的1.12%～1.36%。說明施氮肥是刺激旱地農田土壤N2O排放的關鍵因素之一。施肥對提高春小麥產量具有重要的作用。由表2可知,各處理間產量關系為MN>N>M>CK,與CK相比,MN、N、M處理產量分別增加了45.1%、31.0%、18.8%,其中,MN處理下的春小麥產量、株高、穗粒數以及千粒重均達到最大值。由此可見,結合春小麥產量及N2O排放量,同一施氮水平下,MN處理可作為黃土高原半干旱區最適宜的施肥方式。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。Note：Different lowercase letters indicate significant difference between treatments (P<0.05).The same below.圖3 不同施肥處理下春小麥地土壤N2O累積排放量Fig.3 Cumulative soil N2O emissions from spring wheat fields under different fertilization treatments

表2 不同施肥處理下春小麥產量及其構成要素Table 2 Spring wheat yield and its constituent factors under different fertilization treatments

2.3 不同施肥處理下土壤的動態變化

圖4 不同施肥處理下春小麥全生育期0～10 cm土壤含量變化特征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 春小麥地土壤N2O排放通量與其影響因子間的相關關系Table 3 Correlation between soil N2O emission fluxes and their impact factors in spring wheat fields

2.4 環境因子對不同施肥處理下土壤N2O排放的影響

試驗期間,春小麥地土壤含水量因降雨等原因在8.51%～12.88%范圍內波動(圖5),5 cm耕層下土壤溫度波動范圍為5.9～23.8℃。整個生育期內土壤溫度變化相對穩定,各處理間差異不大,具體變化特征如圖6所示。相關分析顯示(表3),CK處理下,土壤溫度、含水量與排放通量分別表現為極顯著和顯著正相關,M處理與土壤溫度達到顯著正相關,其余處理則均未達到顯著水平,說明不施肥條件下土壤溫度及水分是影響春小麥地土壤N2O排放的主導因子。

圖5 不同施肥處理下0～10 cm土層土壤含水量變化情況Fig.5 Changes in soil moisture content in 0～10 cm soillayer under different fertilization treatments

圖6 不同施肥處理下5 cm土層土壤溫度變化情況Fig.6 Changes in soil temperature in 5 cm soil layer under different fertilization treatments

3 討 論

3.1 施肥方式對土壤N2O排放通量及春小麥產量的影響

農田土壤是N2O排放的重要來源,其產生與排放主要受耕作、施肥、降雨等多方面因素影響。前人研究發現[12],農田土壤N2O排放高峰集中在施肥或追肥后2～7 d,隨后開始下降并逐漸趨于穩定。本研究中土壤N2O排放通量在4月5日左右首次出現排放峰,這是因為播種時隨基肥施入有機和無機肥,肥料發揮肥效為硝化和反硝化反應提供充足的氮源,進而促進N2O排放。待春小麥進入分蘗期后進行追肥,5 d后采集氣體發現,除CK外,其余處理再次達到排放高峰,各施肥處理間尤其N處理,能夠短時間內迅速提高土壤中無機氮含量,從而刺激N2O大量排放。隨春小麥生長至7月15日左右,此階段由于良好的水熱條件,土壤微生物活性增強,硝化和反硝化反應也隨之增強,但因土壤肥力大幅度下降,N2O排放量相對較少,因此只出現小型排放峰。從整個生育期來看,施肥處理顯著增加了土壤N2O排放量,其中N處理排放最高。孫赫陽等[13]在華北平原沙壤土地的試驗中證實,在等施氮量情況下有機肥配施無機肥可有效降低土壤N2O排放量。奚雅靜等[14]通過研究發現,有機肥部分代替化肥的施肥模式能極大減少石灰性壤質潮土N2O的排放強度、系數以及總量。姜姍姍等[15]研究了氮減排和不同肥料的聯合施用對稻田土壤N2O排放的影響,并得出有機/無機肥以一定比例配施對減排效果最好的結論。上述結論均與本研究結果一致,這是因為有機肥料的礦化速率較慢,土壤微生物在養分積累的過程中會固定土壤中的氮素,從而減少土壤微生物可直接利用的無機氮含量[16];另一方面,施用有機肥會增加土壤中有機質含量,有機質的分解會消耗土壤中的氧氣,進而通過抑制硝化作用來降低土壤N2O排放量。也有研究認為,由于有機肥含有大量的可溶性有機碳,施入土壤后微生物活性比單施化肥處理強,硝化和反硝化過程共同產生的N2O增高,從而排放通量較高[17]。與本研究結果不一致的原因可能與有機肥的肥效有關,本試驗的監測時間僅在春小麥生長季,且有機肥的肥效緩慢,持續時間較長,導致對施用有機肥后春小麥土壤N2O排放水平的降低。

本研究結果表明,與CK、N、M三種處理相比,MN處理可以顯著提升春小麥產量。孟琳等[18]認為有機/無機肥配施可通過協調相關微生物活性來平衡土壤供氮與作物需氮的關系,充分提升了氮素利用效率。也有研究表明[19],配施有機肥可改善土壤理化性質,增加土壤中團聚體的數量,優化土壤結構,并為作物額外帶入所需微量元素,促進其根系生長。周江明[20]通過研究發現有機無機肥配施條件下可以顯著增加作物單位面積的穗數與穗粒數,從而達到高產的目的。上述結論均與本研究結果一致,由此可見,有機無機肥配施在春小麥生育期能有效保證氮素的持續輸入,充分起到增產、穩產、提升地力的作用,適合黃土高原半干旱區長期推廣使用。

3.2 土壤環境因子及對N2O排放通量的影響

土壤水熱情況是影響農田N2O排放的主要環境因子,有研究表明[27],N2O排放通量與土壤溫度呈現正相關,而本試驗結果表明,只有未施肥及單施有機肥處理下土壤溫度與N2O排放通量達到極顯著或顯著正相關,其余處理均未達到顯著水平。這是因為硝化和反硝化反應在5～35℃的范圍內都可以進行,且溫度每升高10℃,反硝化細菌的活性則會提高1.5～3.0倍;另一方面,土壤溫度升高促進土壤中微生物的呼吸作用,導致土壤微域氧氣缺失,為反硝化生物創造了厭氧條件,反硝化作用產生的 N2O隨之增加[27]。春小麥由于生育期較短,溫度變化幅度小,監測期間施肥弱化了土壤溫度對N2O排放所造成的影響,因此導致以上結果。徐文彬等[28]研究發現N2O排放通量與氣溫或土溫的相關性微弱甚至不相關,溫度對 N2O 釋放的刺激作用僅是短期效應,在較短的時間尺度內,當影響土壤 N2O 釋放的其它因子維持相對恒定時,溫度變化被認為是影響 N2O 釋放的唯一重要因子,但隨著肥料施用以及時間的延長,土壤中氮素的過渡性積累為硝化和反硝化反應提供充足底物,進而掩蓋了微生物對溫度變化的響應。周鵬等[29]在華北平原玉米田中的研究也得出,施肥和降水等因素的綜合作用會掩蓋溫度對土壤N2O排放的影響。土壤含水量主要通過改變土壤透氣性、土壤氧化還原狀況和微生物活性進而影響N2O的排放[30],本研究表明,不施肥處理下春小麥地土壤N2O排放通量與土壤含水量呈顯著正相關,而各施肥處理則均未達到顯著相關水平,這是因為不施肥處理下水分含量的提高會增加土壤有效性碳氧的富集,進而影響氧氣濃度在土壤中的分布以及硝化和反硝化微生物的活性,從而引起N2O排放[19]。而旱地麥田含水情況較差,土壤水分大部分被小麥根系吸收利用,參與硝化反硝化過程的水分較少,因此各施肥處理所提供的大量硝化反硝化反應底物對N2O排放產生的影響掩蓋了水分對N2O產生過程中的作用?？梢?旱作春小麥地土壤N2O排放規律在施肥條件下受土壤溫度水分影響較小。

4 結 論

1)旱作春小麥地土壤N2O排放通量與施肥密切相關,N2O凈損失量(以氮計算)為1.1758～1.428 kg·hm-2,占當季施氮量的1.12%～1.36%。不同施肥處理下N2O累積排放量大小順序為N>MN>M>CK,產量關系為MN>N>M>CK。以經濟效益和環境效益為基礎,黃土高原半干旱區應以 MN(有機/無機肥配施)處理為最優施肥措施。