李保艷，邱煒紅，惠曉麗,曹寒冰，包 明，王朝輝，鄭險峰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

N2O是三大溫室氣體之一，其增溫潛勢分別是CH4和CO2的21倍和298倍，對溫室氣體引起的全球變暖的貢獻(xiàn)約為6.2%，據(jù)IPCC第5次報告顯示，大氣中的N2O濃度比工業(yè)化前高出20%[1]。大氣中N2O增加主要源于農(nóng)業(yè)土壤，約占人為排放N2O的50%[2]。在農(nóng)業(yè)土壤中，氮肥施用是產(chǎn)生N2O的重要驅(qū)動因素[3]，中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報(2013)顯示,我國因氮肥施用所排放的N2O占各排放源全年N2O總排放量的52.9%[4]。

小麥?zhǔn)俏覈饕募Z食作物之一，2015年全國小麥播種面積達(dá)2 414萬hm2，產(chǎn)量達(dá)1.3億t，對保障我國糧食安全具有重要意義。在生產(chǎn)中，為了獲得更高產(chǎn)量，農(nóng)民往往過度施用氮肥，特別是華北平原，氮肥用量平均為300 kg/hm2[5]，有的地區(qū)甚至高達(dá)360 kg/hm2[6]。過度施肥引起了諸多環(huán)境問題，如硝酸鹽殘留淋失導(dǎo)致地下水污染、土壤酸化和氣態(tài)氮(NH3和N2O)的排放損失等[5]。研究表明，華北平原小麥季N2O排放量為0.30～2.58 kg/hm2[7-10]，導(dǎo)致排放差異較大的原因主要是管理措施不同，如施用有機肥[9,11]、不同種類的化肥[5,12]、硝化抑制劑和緩釋肥[13-15]以及保護(hù)性耕作[16-17]等。

黃土高原旱地是我國西北重要的耕地資源，也是小麥種植面積較大的區(qū)域，但該區(qū)域超過60%的土壤氮素供應(yīng)能力差，與小麥實際需求形成了尖銳矛盾，因此小麥生產(chǎn)中需要施用大量化學(xué)氮肥。有調(diào)研結(jié)果顯示，陜西冬小麥的氮肥施用量平均為198 kg/hm2，大多數(shù)農(nóng)戶氮肥施用過量，比例高達(dá)60.7%[18]，較推薦值過量55 kg/hm2[19]。大量施用氮肥在提高作物產(chǎn)量的同時也導(dǎo)致溫室氣體N2O排放等環(huán)境問題，如Wei等[20]研究表明，黃土高原的渭北旱塬旱地小麥生長期內(nèi)N2O排放量高達(dá)3.0 kg/hm2。但是，有關(guān)麥田N2O排放的研究主要集中于華北、華東地區(qū)，多基于灌溉和追肥的輪作系統(tǒng)，其N2O排放規(guī)律及與環(huán)境因子關(guān)系研究相對比較清楚。而在黃土高原旱地小麥生產(chǎn)中，氮肥主要以基施為主且無灌溉，與其他區(qū)域有較大差異。目前關(guān)于該地區(qū)麥田N2O排放的研究主要以肥料種類[12-13]、地膜覆蓋[21-22]為主，有關(guān)長期不同氮肥用量下麥田N2O排放特征、施氮量與N2O總排放量的關(guān)系及麥田N2O排放潛勢尚鮮有報道。因此，本研究基于2004年開始的長期不同用量氮肥定位試驗，采用靜態(tài)箱法分析了不同施氮水平下麥田N2O排放量及其與環(huán)境因子的關(guān)系，旨在探明長期施用氮肥后麥田N2O的排放規(guī)律，以期為黃土高原南部地區(qū)農(nóng)田氮素管理和溫室氣體減排提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

1.2 試驗設(shè)計

在施磷(P2O5)100 kg/hm2基礎(chǔ)上，設(shè)置5個氮水平，氮肥(純N)用量分別為0，80，160，240和320 kg/hm2(分別表示為N0、N80、N160、N240和N320)，采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，重復(fù)4次，小區(qū)面積4 m×10 m =40 m2。種植冬小麥，所用氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為重過磷酸鈣(含P2O546%)，所有肥料均在冬小麥播種前撒施并與耕層土壤混勻。供試小麥品種為小偃22，播種量135 kg/hm2，行距15 cm，播種深度5 cm。小麥?zhǔn)斋@后夏休閑，全年無灌溉。本研究涉及2個冬小麥生長季，第1季小麥于2014-10-07施肥，2014-10-09播種，2015-06-07收獲；第2季小麥于2015-10-03施肥，2014-10-07播種，2016-06-07收獲。

1.3 樣品采集與處理

1.3.1 氣體樣品 N2O排放通量測定采用靜態(tài)箱/氣相色譜法，箱體尺寸為25 cm×20 cm×20 cm。小麥?zhǔn)┓屎?～30 d，每隔3 d采樣1次； 31～60 d，每隔7 d采樣1次；60 d以后，根據(jù)天氣情況，每隔10～20 d采集1次。采樣時間為08:00-11:00。采樣時，在靜態(tài)箱密閉0，15和30 min時采集氣體樣品，每次取樣30 mL。采集的氣體用氣相色譜(美國安捷倫Agilent/7890A)測定N2O含量。

N2O排放通量(以純N計)指單位時間內(nèi)單位面積上農(nóng)田土壤排放或吸收N2O的量。計算公式為：

F=ρ×h×(Δc/Δt)×(273/T)/1 000。

(1)

式中：F為N2O排放通量，μg/(m2·h)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下N2O的密度，取1.98 kg/m3；h為采樣箱高度，m；Δc/Δt為N2O濃度隨時間的變化率，h-1；T為絕對溫度，即采樣時箱內(nèi)氣體溫度。N2O總排放量(以純N計)是將觀測值和未觀測日內(nèi)插法計算值逐日累加得到。

N2O排放系數(shù)(EF)指單位面積施用氮肥引起的排放量。計算公式為：

EF=[(∑N2ONF-∑N2ONC)/NR]×100%。

(2)

式中：N2ONF為麥季施肥處理N2O總排放量，kg/hm2；N2ONC為麥季對照處理(N0)N2O總排放量，kg/hm2；NR為麥季氮肥施用量，kg/hm2。

1.3.3 溫度及降水量 在氣體采集的同時，使用溫度計記錄采樣前后地表溫度，以平均值為當(dāng)次采樣溫度，用于計算N2O排放通量。降水量及氣溫采用自動氣象站(楊凌區(qū)氣象局站點)測定數(shù)據(jù)。

1.3.4 土壤孔隙充水率(WFPS) 計算公式為：

WFPS=土壤含水率×體積質(zhì)量/(1-體積質(zhì)量/土壤密度)×100%。

(3)

式中：土壤含水率單位為%，體積質(zhì)量單位為g/cm3，土壤密度為2.65 g/cm3。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft excel 2010計算，DPS 7.05統(tǒng)計分析，多重比較采用LSD (Least significant difference)。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生長季氣溫、降水量和WFPS的變化

2014-2015，2015-2016年小麥生長季內(nèi)平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫分別為9.35，14.3，4.3和9.23，14.4，4.1 ℃(圖1-A、1-B)，2個生長季無顯著性差異。2個小麥生長季內(nèi)的降水量分別為233，194 mm(圖1-C、1-D)，差異較大，主要集中在施肥50 d內(nèi)和150～240 d。2個小麥生長季內(nèi)WFPS平均值分別是37%(23%～57%)和34%(16%～52%)，WFPS波動較大，在連續(xù)降雨之后分別高達(dá)57%和52%(圖1-C、1-D)。

2.2 冬小麥土壤N2O排放動態(tài)變化

圖2-A顯示，在2014-2015年小麥生長季，各處理N2O排放通量的變化趨勢基本一致。施氮肥后2 d均出現(xiàn)N2O排放通量最大值，N80、N160、N240和N320處理峰值分別是對照的2.4，3.2，4.9和6.2倍，且各處理間差異顯著；之后N2O排放通量隨施肥時間延長逐漸下降，施肥后50～90 d，各處理N2O排放通量較低，平均低于10 μg/(m2·h)；進(jìn)入小麥返青期后(施肥后120 d)，隨著溫度的升高和降雨量的增加，各處理土壤N2O排放通量增加；施肥后106和174 d因降水(雪、雨)較大分別出現(xiàn)N2O排放峰值；小麥進(jìn)入成熟期后(施肥后210 d)，各處理土壤N2O排放通量持續(xù)降低，平均低于3 μg/(m2·h)。

圖2-B顯示，在2015-2016年小麥生長季，各處理N2O排放通量的變化趨勢基本一致。施肥后4 d均出現(xiàn)N2O排放通量最大值，N80、N160、N240和N320處理峰值分別是對照的2.5，3.2，4.9和6.4倍，且各處理間差異顯著；之后隨著時間延長，N2O排放通量逐漸下降，到施肥后50 d左右，各處理間無顯著性差異且均低于10 μg/(m2·h)；在施肥后的103和184 d因降水(雪、雨)較大，各處理又各出現(xiàn)1次N2O排放峰值，其他時間N2O排放通量均較低。

此外，施肥后的100～200 d，因降水量(2014-2015年小麥季162 mm，2015-2016年小麥季26 mm)和日平均氣溫(2014-2015年小麥季7.63 ℃，2015-2016年小麥季6.72 ℃)差異較大，2個小麥季土壤N2O排放通量有顯著差異，2014-2015年小麥生長季(平均為48.9 μg/(m2·h))顯著高于2015-2016年(平均為14.4 μg/(m2·h))。

A、C.2014-2015;B、D.2015-2016圖1 2014-2016年冬小麥生育期氣溫、降水量和WFPS的變化Fig.1 Variation of temperature,rainfall and WFPS during winter wheat growing season from 2014 to 2016

2.3 土壤和含量的動態(tài)變化

2.4 N2O排放通量與及氣溫的關(guān)系

2.5 N2O總排放量及排放系數(shù)

表1顯示，在2014-2015年小麥生長季，N160、N240、N320處理的總排放量顯著高于對照(N0)，而N80與N0差異不顯著；2015-2016年小麥生長季，各處理間差異顯著。此外，2014-2015年小麥生長季N160、N240、N320處理的N2O總排放量高于2015-2016年小麥生長季，主要原因是2014-2015年小麥生長季降水量高，從而促進(jìn)了N2O的排放。2個小麥生長季N80、N160、N240、N320處理的平均N2O總排放量較對照(0.29 kg/hm2)分別增加1.6，2.8，4.3和6.1倍，排放系數(shù)為0.47%～0.59%，平均為0.55%。圖5表明，2個小麥生長季各處理的N2O總排放量平均值與施氮量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明增施氮肥能顯著提高土壤N2O總排放量。

圖3 2014-2015年小麥季不同施氮處理土壤和含量的變化Fig.3 Dynamic of and in different N fertilization treatments during 2014-2015 wheat growing season

圖4 N2O排放通量與土壤和氣溫的關(guān)系Fig.4 Relationship between N2O flux and

處理TreatmentN2O總排放量/(kg·hm-2)N2Ototalemissions2014-20152015-2016排放系數(shù)/%Emissionfactor2014-20152015-2016N00.31d0.27e--N800.78cd0.74d0.590.58N1601.15c1.06c0.530.49N2401.67b1.41b0.560.47N3202.19a1.90a0.590.51

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters indicate significantly difference in the same column atP<0.05 level.

圖5 N2O總排放量與氮肥用量的關(guān)系Fig.5 Correlation between N2O total emissions and nitrogen fertilizer application rates

3 討 論

3.1 黃土高原旱地麥田土壤N2O排放規(guī)律及排放潛勢

本研究結(jié)果表明，黃土高原旱地麥田N2O排放主要集中在施氮肥后的50 d內(nèi)，N2O排放高峰出現(xiàn)在施肥后7 d內(nèi)；50 d之后，N2O排放通量相對較低，但也會出現(xiàn)第2次或第3次N2O排放高峰(主要出現(xiàn)在降水后)，但峰值顯著低于第1次，排放規(guī)律與前人報道[13,20]基本一致。此外，2015-2016年N80、N160、N240和N320處理的N2O最大排放通量分別為92，117，176和230 μg/(m2·h)，其數(shù)值高于胡騰[13]在該區(qū)麥田測得的77.2 μg/(m2·h)(施N 220 kg/hm2)，但低于Wei等[20]報道的445 μg/(m2·h)(施N 120 kg/hm2)。造成不同麥田差異的主要原因可能有：一是小麥季降水量差異較大。本試驗中，小麥生育期最大降水量為233 mm，而胡騰[13]和Wei等[20]報道的降水量為160 mm和509 mm。二是秸稈管理方式不同。本試驗中，小麥秸稈全部還田，而在胡騰[13]研究中秸稈并未還田。前人研究表明，新加入的新鮮有機物質(zhì)會提高土壤微生物的活性并促進(jìn)土壤N2O的排放[23]。

本研究中，麥田N2O總排放量平均由對照處理的0.29 kg/hm2增加到N320處理的2.05 kg/hm2，其中對照處理的N2O總排放量低于胡騰[13]在同區(qū)域試驗得到的N2O總排放量(0.39 kg/hm2)，而施氮處理的N2O總排放量均高于胡騰[13]研究的最大N2O總排放量(0.67 kg/hm2)。但與黃土高原其他區(qū)域相比，本研究麥田N2O總排放量相對較低，如龐軍柱等[24]的研究表明，在施氮量為138 kg/hm2的條件下，麥田N2O總排放量高達(dá)1.45 kg/hm2。此外，本研究中各施肥處理旱地麥田N2O排放系數(shù)為0.47%～0.59%，平均為0.55%，低于龐軍柱等[24]研究的黃土高原旱地排放系數(shù)(0.93%～1.07%)，但高于胡騰[13]在同區(qū)域的研究結(jié)果(0.09%)。

3.2 旱地麥田N2O排放的主要驅(qū)動因子

降水是影響黃土高原旱地麥田N2O排放的重要環(huán)境因子之一。本研究中，在2014-2015年小麥生長季，施肥后164～199 d，降水較多，占整個生育期的63.6%；施肥后180～184 d，由于發(fā)生連續(xù)降水，導(dǎo)致小麥生長后期土壤水分含量較高并出現(xiàn)N2O排放峰值。停雨后N2O排放通量很快降至降水前水平，說明降水能顯著影響N2O排放，這與他人研究結(jié)果[8,13,29]一致。前人研究表明，當(dāng)WFPS為30%～70%時，N2O主要由硝化反應(yīng)產(chǎn)生[30-31]。本試驗觀測到的WFPS最大值為56%，由此進(jìn)一步推斷旱地冬小麥生育期N2O主要通過硝化作用途徑產(chǎn)生。本研究中，氣溫也在一定程度上影響N2O排放， N2O排放通量與氣溫顯著正相關(guān)，這與前人研究結(jié)果[24,31]一致。冬季低溫會導(dǎo)致土壤發(fā)生凍融現(xiàn)象，而凍融能夠刺激N2O排放[32-34]。本研究中，2014-2015年小麥生長季，由于施肥后99～101 d連續(xù)降雪，導(dǎo)致土壤凍融，因此施肥后103 d出現(xiàn)N2O排放通量峰值。

4 結(jié) 論

施用化學(xué)氮肥能顯著提高黃土高原旱地麥田N2O的排放通量，排放高峰期主要出現(xiàn)在施肥后50 d內(nèi)，之后處于排放低峰期。小麥進(jìn)入春季后，因溫度升高和降雨量增加會出現(xiàn)多次排放高峰，而在成熟期(施肥后210 d)N2O排放通量相對較低。2014-2016年小麥季N80、N160、N240和N320處理的平均N2O總排放量分別為0.76，1.10，1.54和2.10 kg/hm2，較對照處理(0.29 kg/hm2)分別增加1.6，2.8，4.3和6.1倍，排放系數(shù)為0.47%～0.59%，平均為0.55%。施用氮肥是該區(qū)域旱地麥田N2O排放的最主要驅(qū)動因子，降水和氣溫也在一定程度上影響N2O排放。因此，為減少黃土高原旱地麥田N2O排放，建議采用一些減排措施，如施肥時加入硝化抑制劑。

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