2. 贺兰县农牧局,宁夏贺兰 750200)
氧化亚氮(N2O)作为温室气体之一,其排放被认为是臭氧层破坏的最重要因子[1]。农田土壤对温室气体起着源和汇的作用[2],农业源N2O排放的贡献率占到人类活动产生的N2O总量的2/3以上[3]。张强等[4]研究发现,2007年我国农田化学氮肥投入、有机物质投入和作物秸秆投入对N2O直接排放的贡献率分别为77.64%、15.57%和6.46%。集约化菜田具有肥料投入大、复种指数高和农事操作频繁等特点,其施肥量通常是粮田等农田系统的3倍~ 4倍[5],而我国设施菜地占蔬菜种植面积的18%[6]。设施菜田N2O年排放量可达N 15.9 kg/hm2[7],是粮田的5倍[8],设施菜田也是农业生产系统中重要的N2O排放源。研究表明,设施菜田大量的氮肥投入造成土壤C/N比值快速下降[9],长期添加小麦秸秆并深施有利于降低N2O排放,同时通过秸秆反应堆可以提高设施菜田土壤C/N比[10]。减氮和添加秸秆管理能使设施菜田土壤形成自身的反硝化菌群结构,并降低NO和N2O排放风险[11]。但姜宁宁等[12]在饱和田间持水量75%、温度25℃的条件下,通过室内培养试验研究设施菜地土壤在不同氮肥供应和秸秆添加情况下N2O排放特征发现,添加秸秆后各处理N2O排放明显增加,比未施秸秆处理增加1倍多。秸秆添加对宁夏灌区设施菜田土壤N2O是否具有减排作用还未得到试验证实。
宁夏灌区(或称宁夏引黄灌区)的农业生产集约化程度高、化肥等农业要素投入大,设施蔬菜的氮肥年投入量高达N 1 600 kg/hm2以上[13],加之相对粗放的管理方式,由此带来的农业面源污染较为严重[14]。引黄淤灌是宁夏灌区农田典型的灌溉方式,由此产生了独特的土壤类型——灌淤土[15],其占该区域耕地面积的80%。宁夏灌区设施菜田的氮肥投入是粮田的2倍~ 3倍,0 ~ 150 cm土壤剖面NO3--N累积量为粮田的1.5倍~ 3.4倍,且主要累积在0 ~ 5 cm和5 ~ 20 cm土层[16],增加了土壤氮素气体损失的风险。宁夏灌区设施菜田在夏休闲期(6月中旬至7月中下旬),普遍存在引黄河水大水漫灌洗盐的管理方式,由此造成氮素淋失加剧,通过减量施氮和添加作物秸秆等方式调节土壤C/N比可有效地降低设施菜田土壤氮素淋失[17]。在宁夏灌区特有的土壤条件和水肥管理条件下,减量施氮和秸秆添加对设施菜田N2O排放特征的影响研究还比较缺乏,尤其是夏休闲期引黄漫灌条件下的N2O减排效应如何还不清楚。因此,笔者利用宁夏灌区设施菜田定位施肥试验基地(始于2007年全国种植业源污染监测宁夏重点监测点),采用静态箱-气相色谱方法,研究了春茬黄瓜和夏休闲期减量施氮与秸秆添加对土壤N2O排放通量、累积排放量和排放率的影响,分析了N2O排放的关键影响因子,以为宁夏灌区设施菜田N2O减排措施的制定提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验于2016年3—7月在宁夏银川掌政镇杨家寨五队设施菜田地下淋溶监测基地进行。该基地始于2007年12月,为全国种植业源污染物流失系数测算项目宁夏重点监测基地(106°21′27″ E,38°26′51″ N)。该地属于半干旱平原区,海拔1 069 m,主要气候特点是干旱少雨,年降雨量200 mm左右,年均蒸发量1 100 ~ 1 600 mm,年均气温8 ~ 9℃。试验地土壤类型为灌淤土,属于高肥力田块,0 ~ 20 cm土壤理化性质为:土壤容重1.37 g/cm3,pH 8.27,有机质30.1 g/kg,全氮1.96 g/kg,速效氮(硝态氮+铵态氮) 31.5 mg/kg,有效磷151.8 mg/kg,速效钾260.9 mg/kg。试验地为日光温室种植黄瓜。
1.2 试验设计试验设5个施肥处理为:①对照(CK),不施任何肥料肥;②单施有机肥(M),不施用化肥,施用有机肥用量为18 t/hm2;③常规施肥(CON),有机肥用量同M处理,化肥用量根据当地农户调查平均数据结果,春茬黄瓜氮、磷、钾化肥总用量分别为N 600 kg/hm2、P2O5 300 kg/hm2、K2O 450 kg/hm2;④优化化肥(OPT),有机肥用量同M处理,在CON处理基础上氮、磷、钾化肥分别减量50%、60%和20%,总用量分别为N 300 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2、K2O 360 kg/hm2;⑤优化化肥+调节土壤碳氮比(OPT + C/N),在OPT处理基础上,通过施用7.5 t/hm2秸秆调节土壤碳氮比。每个处理3次重复,各小区面积为23.4 m2 (6 m × 3.9 m),随机区组排列。有机肥为风干鸡粪(干基:N 18.6 g/kg),秸秆为小麦秆(有机碳和全氮含量分别为475.6 g/kg和17.6 g/kg,C/N>27);氮肥为含N质量分数46%的普通尿素,磷肥为含P2O5质量分数46%的重过磷酸钙,钾肥为含K2O质量分数50%的硫酸钾。全部磷肥、有机肥、秸秆用作基肥,氮、钾肥基追比为3:7,基肥方式为撒施,追肥采用膜下滴灌。CON和OPT处理基追肥运筹见表 1。
春茬黄瓜(品种为德尔99)种植前,2016年3月3日整地施肥,采用棚内机械翻耕20 ~ 30 cm。小区耕翻土壤之后起垄(垄宽130 cm,高30 cm,垄间距50 cm),垄上铺设滴灌设备(不同施肥处理设置专用滴灌施肥控制阀门),覆膜后移栽黄瓜。于3月4日移栽定植,定植密度为4.7万株/hm2,定植完全部滴灌清水一次,滴灌量20 mm。黄瓜生育期间膜下滴灌追肥3次(表 1)。6月11日黄瓜地上部全部收获。春茬黄瓜收获后,立刻机械翻耕,并平整土地,同时揭开棚膜,进入夏季裸地休闲至7月中旬。6月14日引黄河水进行大水漫灌洗盐一次,灌水量为132 mm。其他管理按当地习惯进行。
1.3 样品采集与测定利用静态箱-气相色谱法采集测定不同施肥处理下土壤N2O排放浓度。静态箱圆筒形尺寸为320 mm × 600 mm(图 1),静态密闭箱装置底座安装在畦上,嵌入土体5 cm左右。每个小区安装一个固定底座,不取气体样时,底座中间土壤覆上地膜。取样时,揭开地膜3 ~ 5 min后将箱体置于密封槽中,且槽中加入水密封隔绝。密闭箱顶部装一小风扇(电压12 V),用于搅拌混合均匀箱内气体。取样箱顶端有一直径10 mm小孔,用橡胶塞塞紧,保证密封不漏气。取样时用带有三通阀的针管注射器,将针头通过橡胶塞插到取样箱中,来回抽动3次以上,以保证取样气体均匀。取50 ml箱内气体,立刻注入气袋中,带回实验室用气象色谱法测定N2O浓度,测定方法参考文献[18]。
在春茬黄瓜生育期内基、追肥后,以及设施菜田夏休闲期间大水漫灌泡田后分别进行原位动态N2O排放监测,气体采集时间在上午9﹕00—11﹕00。春茬黄瓜生育期间,基追肥后第1、3、5、7、11天各监测1次(基肥后加测到第15天前后,直至各施肥处理N2O排放通量无差异时为止);夏休闲期大水漫灌后于第1、3、5、7、11天各采集1次气体。每次取样时,用50 ml注射器连续采集不同施肥处理0、10、20、30 min的4个样品。每次采气时记录采样箱内温度。每次采集气体样品前后,采用AR5气象要素自动观测系统(北京雨根科技有限公司)测定表层土壤温度(5 cm)、湿度和气温等,日均气温、温室气温和表层土壤温度变化动态如图 2所示。
N2O排放通量:
F = ρ × H × (Δc/Δt) × 273 / (273 + T )
式中:F为N2O排放通量(μg/(m2·h));ρ为N2O标准状态下的密度(1.964 kg/m3);H为取样箱高度(m);Δc/Δt为单位时间静态箱内的N2O气体浓度变化率(ml/(m3·h));T为测定时箱体内的平均温度(℃)。
排放系数(%) = (施氮处理N2O排放量–不施氮处理N2O排放量) /施氮量× 100
文中土壤N2O排放量为各监测阶段N2O排放量的累加,各监测阶段N2O排放量是在该时期测定的N2O排放通量的基础上,由相邻两个测定日期的N2O排放通量平均值与间隔天数的乘积来估算未测定日期的N2O排放量[18]。每个施肥处理的N2O排放通量为3个重复的平均值。
文中所有数据均采用Excel 2007和DPS7.05软件进行处理和统计分析。
2 结果与分析 2.1 春茬黄瓜-夏休闲期土壤N2O排放通量动态变化由图 3可看出,从春茬黄瓜季到夏休闲期,随着气温的不断升高(图 2),除CK处理外,不同施肥处理下土壤N2O排放通量呈增加的趋势,且排放高峰一般在施肥或灌水后第1天或第3天。春茬黄瓜的同一监测时期内,CON处理的土壤N2O排放通量都最高,基肥、追肥后排放通量峰值分别达936.8、1 162.4 ~ 1 763.0 μg/(m2·h)。OPT处理在基肥、追肥后排放通量峰值分别为837.4、866.8 ~ 1 102.0 μg/(m2·h),OPT + C/N处理峰值分别为765.2、863.1 ~ 986.1 μg/(m2·h)。在夏休闲期大水漫灌和裸地晒田条件下,尽管没有施入任何氮肥,但休闲期不同施肥处理下土壤N2O排放通量较春茬黄瓜季各时期明显提高,尤其是CON处理,休闲期土壤N2O排放通量高达857.9 ~ 2 947.5 μg/(m2·h),大水漫灌后第1天就达排放峰值;OPT和OPT + C/N处理的排放通量分别为716.3 ~ 1 573.1 μg/(m2·h)和680.2 ~ 1 635.2 μg/(m2·h);即使夏休闲期CK处理下,土壤N2O排放通量也达到680.7 ~ 1 135.4 μg/(m2·h)。各个时期,M处理下土壤N2O排放通量主要在第一次追肥和夏休闲期,其他时期通量差异不大。春茬黄瓜基肥、追肥和夏休闲期,OPT处理N2O排放通量较CON处理分别降低了3.6% ~ 33.1%、5.9% ~ 45.2%和14.7% ~ 46.6%;OPT + C/N处理分别降低了11.5% ~ 47.2%、15.1% ~ 49.9%、19.3% ~ 44.5%。由此可见,相对于CON处理,减量施氮和秸秆添加调节土壤碳氮比处理(OPT和OPT + C/N)都能降低不同时期土壤N2O排放通量,在夏休闲期和春茬黄瓜追肥时减排效果更明显。
表 2为春茬黄瓜基追肥后减量施氮和秸秆添加条件下土壤N2O排放量及生育期内排放系数。从表 2可以看出,黄瓜基肥后20 d,不同施肥处理下土壤N2O排放量为0.74 ~ 2.24 kg/hm2,占黄瓜季总排放量的22.5% ~ 36.3%。3次追肥后11 d不同施肥处理下N2O排放量分别为0.46 ~ 2.35、0.41 ~ 2.14、0.43 ~ 3.25 kg/hm2,分别占当季总排放量的22.5% ~ 33.4%、16.9% ~ 21.4%、21.1% ~ 32.6%。第二次追肥量是第一、第三次追肥的2倍,但由于黄瓜处于盛果期,对水分养分需求较高,该时期N2O排放量反而不高,而且OPT、OPT+C/N处理相对于CON处理,都能显著降低N2O的排放量,其他黄瓜生育时期也具有减排作用,但均未达显著水平。整个春茬黄瓜生育期内,不同施肥处理下土壤N2O排放量累积达2.05 ~ 9.98 kg/hm2,CON处理最高;与CON处理相比,OPT、OPT+C/N处理下N2O排放量分别降低了26.2%和34.3%,其中OPT+C/N处理降低显著。施肥处理N2O排放系数为0.43% ~ 0.71%,处理间差异不显著,但OPT、OPT+C/N处理较CON处理的排放系数可分别降低0.06和0.23个百分点。
由表 3数据可知,在设施菜田裸地夏休闲期,一次大水漫灌20 d后,不同施肥处理的土壤N2O排放量高达3.55 ~ 7.23 kg/hm2,OPT、OPT + C/N处理较CON处理分别显著地降低了29.6%和33.7%。春茬黄瓜和夏休闲期各施肥处理的N2O总排放量为5.61 ~ 17.21 kg/hm2,总排放系数为0.54% ~ 1.04%,均是CON处理最高,单施有机肥M处理的N2O排放也不容忽视;与CON处理相比,OPT、OPT + C/N处理N2O总排放量分别显著地降低了27.6%和34.1%,总排放系数减少了0.20和0.43个百分点。因此,减量施氮和秸秆添加调节土壤碳氮比都能达到设施菜田减排N2O的目的,二者的综合措施效果更佳。
图 4显示了春茬黄瓜季施氮量与春茬黄瓜-夏休闲期N2O总排放量的相互关系,可以看出,二者呈显著线形正相关(R2 = 0.778)。这表明,随着设施蔬菜施氮量的增加,土壤N2O排放的风险也显著提高,合理地减量施氮是实现N2O减排的直接手段,在减施氮肥的基础上再配合外源碳的添加(如秸秆添加等),以增加土壤残留氮素的生物固定,其减排效应更明显。
通过分别拟合春茬黄瓜-夏休闲期设施菜田表层地温(5 cm)、土壤水分(0 ~ 20 cm)与不同施肥处理下土壤N2O排放通量的关系(表 4),发现表层地温与各施肥处理下N2O排放通量呈显著或极显著相关,相关系数R2在0.47 ~ 0.68;土壤水分与N2O排放通量均呈极显著相关,相关系数R2在0.63 ~ 0.88。这说明,土壤水分和地温也是影响土壤N2O排放的关键因子,而灌溉和气温是影响土壤水分和地温的直接因素,这也进一步解释了夏季休闲期一次大水漫灌造成较高N2O排放的原因。因此,合理地控制灌溉量、灌溉频次和温室气温也能调控土壤N2O的排放。
氮肥用量、种类、施肥方式及施肥时间都会影响土壤N2O排放[19],肥料氮转化为N2O的平均排放系数为0.9%[20]。氮素在集约化菜田上的转化过程对土壤N2O排放总量的贡献大小不同,自养硝化作用、异养硝化作用和反硝化作用对N2O排放的贡献分别为0.3% ~ 31.4%、25.4% ~ 54.4%和22.5% ~ 57.7%[21]。氮素的施用显著影响N2O排放通量,土壤N2O排放量一般随着氮肥用量增加而增大,露地蔬菜施氮量0 ~ 1 640 kg/hm2范围,土壤N2O排放系数范围为0.33% ~ 1.13%,且施氮水平与土壤N2O排放总量呈显著的指数函数关系[22]。本研究通过减量施氮(OPT)能降低春茬黄瓜季和夏休闲期各个时期的土壤N2O排放通量,与CON处理相比,OPT处理下N2O排放量也分别降低了26.2%和29.6%;与邱炜红等[22]结果不同的是,本试验中施氮量与春茬黄瓜-夏休闲期N2O总排放量呈显著线性正相关(R2 = 0.778),而这与山东寿光设施菜田土壤N2O排放与氮肥施用量显著正相关的研究结果一致[23]。在山东寿光秋冬茬设施番茄上,减少近60%化肥氮的优化施氮处理相对于农民习惯施肥处理可降低34.1%的N2O排放总量,同时增产2.2%[24]。在南方设施菜田,相对于当地农民习惯施氮,减施40%的化肥氮,可降低33%的N2O累积排放量,而不会影响蔬菜产量[25]。本试验中OPT处理相对于CON处理减施50%的化肥氮,N2O排放总量降低了26.2% ~ 29.6%(表 2和表 3),设施蔬菜产量可提高1.5% ~ 7.2%[17]。也有研究表明,在京郊设施番茄种植体系,与习惯施肥处理相比,施用控释肥处理明显降低N2O的排放,平均减排38.1% ~ 47.0%[26];在集约化菜地,减氮或常规施氮的基础上添加硝化抑制剂也能降低菜地N2O排放总量和排放系数[27]。因此,合理减量优化氮肥是降低农田N2O排放的必要措施。
3.2 有机物料添加对N2O排放的影响有机肥等外源物料和氮肥对土壤N2O排放影响的差异主要归因于有机物料添加对土壤反硝化程度影响的不同[19]。设施菜田长期传统施肥措施改变了土壤反硝化菌的结构和功能,增加土壤自身的NO产生能力并减弱了N2O还原N2的能力,减氮和添加秸秆措施调节了土壤氮素转化过程,从而降低N2O排放量[11]。在温室菜田长期添加秸秆处理显著提高0 ~ 20 cm土层土壤反硝化量,显著降低追肥灌溉后表层土壤N2O的排放峰值和土壤底层50 cm处N2O浓度峰值[9];设施菜田中添加小麦秸秆并深施有利于降低N2O排放。添加外源有机碳的种类也对N2O排放影响不同,以玉米秸秆作为碳源时,水、碳、氮3因子对黄绵土N2O累积排放量的影响大小均表现为有机碳 > 水分 > 氮素;以黑炭作为碳源时,水、碳、氮3因子对黄绵土N2O累积排放量的影响为有机碳 > 氮素 > 水分[28]。罗天相等[29]通过田间试验研究了秸秆不同施用方式下接种蚯蚓对水稻旱作土壤N2O排放通量的影响,发现在秸秆表施的情况下,接种蚯蚓处理显著提高了N2O排放量,在秸秆混施的情况下,接种蚯蚓处理对N2O排放量影响不大,接种蚯蚓对N2O排放的贡献主要是促进秸秆混入土壤,从而加快了秸秆分解和N2O排放。研究表明[30-31],菜田种植中有机无机物料配合有利于降低土壤N2O排放和肥料损失,在等氮量投入时,施用秸秆较施用猪粪等有机肥可有效降低土壤N2O排放,且有机无机肥料以1﹕1配施是合适的稳产减排措施。在紫色土旱作农田冬小麦-夏玉米轮作系统,施用猪厩肥能显著增加N2O排放量,而秸秆还田在保证作物产量的同时显著地降低了N2O排放量(猪厩肥和秸秆占总施氮量的40%)[32]。在本试验条件下,春茬黄瓜季和夏休闲期,与CON处理相比,OPT + C/N处理N2O排放量分别显著降低了34.3%、33.7%,这也进一步证实了减量优化施氮基础上秸秆添加更有利于土壤N2O减排。
3.3 环境因子对N2O排放的影响除施肥外,土壤水热状况、土壤质地、pH等环境因子也强烈地影响着N2O排放[19]。土壤温度直接影响微生物代谢活动和N2O产生过程。一般认为,土壤反硝化作用的适宜温度范围为30 ~ 67℃[33],也有人认为设施菜地在20 ~ 30℃时最利于氮素气态损失,温度继续增加,N2O排放量有所下降[34]。因此,在一定温度范围内,土壤微生物的活性及N2O的排放速率通常随土壤温度升高而提高。土壤N2O排放通量的季节变化除受施氮水平影响外,还受土壤温度的影响,排放高峰多出现在高温的夏季[22],这也解释了本试验中夏休闲期各施肥处理N2O排放量高达3.55 ~ 7.23 kg/hm2的原因。土壤水分含量高低影响着土壤通气性、氧化还原电位、土壤有效氮分布及其对微生物的有效性等,从而影响土壤反硝化等微生物过程以及N2O排放。一般来说,灌溉或降水导致土壤水分的增加会造成土壤通气性变差,促进了土壤的反硝化作用并减弱硝化作用[35]。华北地区的菜地生产中,水分条件显著影响N2O排放,不同水分处理对土壤硝化、反硝化作用的影响主要体现在蔬菜的施肥前期,后期均以反硝化为主[36]。滴灌施肥等水肥一体化技术能有效地降低设施菜田土壤N2O排放峰值和持续时间[37],设施蔬菜合理改变施肥体系是减少N2O排放的前提,水肥优化是设施菜地减少N2O排放的重要技术措施。有研究认为[31],不同配比有机无机肥料处理下菜地N2O排放通量与10 cm土层土壤温度呈显著正相关,而土壤水分含量的变化对N2O排放通量无显著影响。在河套灌区盐化潮土玉米地上,土壤温度和空气温度与土壤N2O的排放呈显著正相关;但玉米生育期土壤含水率在15.1% ~ 20.3%范围内,与土壤N2O的排放呈正相关[38]。郝小雨等[30]在华北平原设施菜地上的研究认为各有机无机施肥处理土壤N2O排放通量与5 cm土层温度总体上呈显著相关(R2 = 0.40 ~ 0.58),与土壤含水量呈显著相关(R2 = 0.43 ~ 0.72),这与本研究各施肥处理下N2O排放通量与表层地温(0 ~ 5 cm)呈显著或极显著相关(R2 = 0.47 ~ 0.68),与土壤水分(0 ~ 20 cm)呈极显著相关(R2 = 0.63 ~ 0.88)的结果十分一致。
4 结论相对于农民常规施氮处理,减量施氮或减氮基础上添加秸秆能分别降低春茬黄瓜-夏休闲期设施菜田的N2O排放通量、累积排放量和排放系数,尤其是在夏休闲期大水漫灌时,其N2O减排量都达显著水平。施氮量、土壤水分和表层地温是影响土壤N2O排放的重要因子,分别与N2O总排放量、排放通量呈显著或极限著正相关。因此,在宁夏灌区设施菜田,相对于农民常规施氮,减施50%化肥氮量或在此基础上通过添加7.5 t/hm2的小麦秸秆来调节土壤碳氮比都能达到土壤N2O的减排效果,且二者的综合措施更佳。
致谢: 感谢黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所的郝小雨博士对本文气体取样方法和数据处理提供的帮助。
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2. Agriculture and Animal Husbandry Bureau of Helan County, Helan, Ningxia 750200, China