蔣雨洲，劉青麗*，李志宏，張?jiān)瀑F，鄒 焱，朱經(jīng)緯，石俊雄

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.煙草行業(yè)生態(tài)環(huán)境與煙葉質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.貴州省煙草科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550000）

N2O 是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的重要溫室氣體之一，隨著全球氣溫變暖，溫室氣體排放問題成為人們備受關(guān)注的焦點(diǎn)。在整個(gè)N2O 排放的來源途徑中，農(nóng)田土壤的N2O 排放總量約占70%［1-2］，其中以旱地農(nóng)田N2O 排放作為重要的排放源［3-4］。因此，關(guān)注旱地農(nóng)田溫室氣體減排對(duì)全球氣候變化及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展均有著深遠(yuǎn)意義。農(nóng)田N2O 排放是由土壤中的硝化與反硝化過程引起，而氮素用量及形態(tài)、環(huán)境因素（溫度、降雨等）、土壤條件（土壤水分含量等）及農(nóng)田耕作栽培管理措施等均會(huì)對(duì)N2O 排放產(chǎn)生一定的影響［5-8］。有相關(guān)研究表明，連作和輪作對(duì)煙田的土壤理化性質(zhì)影響不同，優(yōu)良的連作和輪作不僅可以改善煙田土壤通透性和含氧量，還能夠有利于烤煙根系的生長發(fā)育，促進(jìn)對(duì)土壤中氮素的吸收利用，從而降低煙田的N2O排放［9-11］。

黃壤是我國主要植煙土壤之一。近年為改善植煙土壤環(huán)境條件，采用一系列不同的耕作栽培制度。目前，關(guān)于連作和輪作栽培制度對(duì)玉米農(nóng)田N2O 排放的研究已有相關(guān)報(bào)道，盧維盛等［12］通過廣州地區(qū)輪作和連作對(duì)晚稻田N2O 排放的研究指出，與輪作相比，連作栽培制度能夠降低N2O 排放；高琳［13］通過輪作和連作對(duì)旱地農(nóng)田N2O 排放的研究表明，連作比輪作栽培制度能夠增加旱地農(nóng)田N2O 排放。還有相關(guān)研究指出旱地農(nóng)田N2O 排放與環(huán)境因素有關(guān)［13-14］。關(guān)于連作和輪作對(duì)烤煙土壤N2O 排放的影響尚少報(bào)道，而針對(duì)黃壤地區(qū)烤煙土壤N2O 排放的影響尚未見報(bào)道。因此，本文以西南黃壤地區(qū)烤煙農(nóng)田為研究對(duì)象，設(shè)置了連作和輪作種植模式，監(jiān)測煙田N2O排放特征以及環(huán)境因素對(duì)其影響，為了解西南黃壤地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O 釋放狀況提供數(shù)據(jù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

試驗(yàn)共設(shè)3 個(gè)處理，烤煙-玉米輪作不施任何肥料（CK）；烤煙-玉米輪作+常規(guī)化肥（CR）；烤煙連作+常規(guī)化肥（CC），具體施肥量見表1。試驗(yàn)基肥施用的化肥為復(fù)混肥（N 10%，P2O510%，K2O 25%）、過磷酸鈣（P2O514%）和硫酸鉀（K2O 51%），有機(jī)肥為腐熟牛糞7 500 kg·hm-2（N 1.4%，P2O50.4%，K2O 2.1%）。磷肥和有機(jī)肥作基肥一次性施入；追肥施用硝酸銨（N 35%）和硫酸鉀（K2O 51%）。

煙田起壟后，在壟上挖直徑為20 cm 穴，將基肥施入穴內(nèi)與土壤混勻，然后覆膜，覆膜后在壟上對(duì)應(yīng)施肥點(diǎn)打一直徑10 cm 穴，移栽煙苗；追肥將肥料穴施于距煙株5 cm 的位置后覆土。其它管理制度按照當(dāng)?shù)乜緹熖镩g管理制度進(jìn)行?？緹熡? 月27 日施基肥，4 月29 日移栽，烤煙株距60 cm，行距100 cm，栽培密度為16 667 株·hm-2，每個(gè)小區(qū)8 壟，每壟30 株，每個(gè)小區(qū)共計(jì)240 株。6 月1 日追肥，6 月14 日揭膜，7 月8 日烤煙第一次采收，9 月14 日烤煙采收結(jié)束，共計(jì)采收7 次。

表1 2016 年不同處理的施肥量 （kg·hm-2）

1.3 樣品采集

1.3.1 氣體樣品

田間氣體采集在2016 年4 ～8 月，每個(gè)小區(qū)設(shè)3 個(gè)固定氣體樣品采集點(diǎn)，放置溫室氣體人工采樣靜態(tài)箱，各處理擺放條件一致。靜態(tài)箱體積為60 cm×50 cm×30 cm=0.9 m3。箱內(nèi)頂部安裝微型電風(fēng)扇、溫度探頭和采氣管，靜態(tài)箱外側(cè)露出的采氣管末端與三通閥連接，三通閥分別連接氣體收集袋和注射器（50 mL）。每個(gè)小區(qū)內(nèi)分別固定3 個(gè)底座，底座插入土壤20 cm 深度，取樣時(shí)將箱體放置于底座上，并保證箱體內(nèi)外空氣不發(fā)生交換。在0 ～45 min 內(nèi)每間隔15 min 采集一次氣體。取樣一般在8:00 ～11:00 時(shí)間段進(jìn)行，移栽后每15 d 采集氣體樣品，施肥后加測，于施肥后1、2、3、5、7、11 d 進(jìn)行取樣，如遇到強(qiáng)降雨天氣則推遲取樣時(shí)間，每次采取3 個(gè)平行樣。每次采集氣體樣品時(shí)均記錄當(dāng)日的土壤表層溫度和氣溫，取樣后及時(shí)完成樣品測定。

1.3.2 土壤樣品

取2 棵植株中間的土壤（0 ～20 cm 土層）作混合樣，放置于冰盒中，然后于低溫保存，測定時(shí)土壤樣品過5 mm 篩網(wǎng)，用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提后，測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。

土壤氣象數(shù)據(jù)由OnsetHOBO 型溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀自動(dòng)記錄。

產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢必會(huì)帶來就業(yè)機(jī)會(huì)，也就會(huì)吸引更多的年輕人留在村落。創(chuàng)造就業(yè)崗位，創(chuàng)造為年輕一代新農(nóng)村人接納的就業(yè)崗位也是傳統(tǒng)村落活化更新關(guān)注的焦點(diǎn)。

1.4 樣品的測定

本研究采用靜態(tài)箱-氣象色譜法測定N2O，氣體濃度采用氣相色譜（HP 7890A）測定，色譜柱為Porpak Q 填充柱。

土壤NO3--N 含量采用連續(xù)流動(dòng)分析儀（Flastar 5 000 Analyzer）測定［15］。

烤煙植株在成熟期從底部葉片落黃時(shí)采收，采收的葉片清洗干凈后放入烘箱，先用105℃殺青30 min，再用75℃烘干。烘干后稱重。

1.5 計(jì)算方法和數(shù)據(jù)分析

N2O 排放通量的計(jì)算公式為［16］：

式 中F 為N2O 排 放 通 量（mg·m-2·h-1）；A為采樣土壤的面積（m2）；V 為密閉靜態(tài)箱的體積（m3）；m1、m2 分別為測定箱關(guān)閉的箱內(nèi)某溫室氣體起始和最后測定質(zhì)量（g）；t1、t2 分別為測定起始和測定結(jié)束的時(shí)間（h）；C1、C2 分別為測定箱關(guān)閉的箱內(nèi)某溫室氣體起始和最后測定的體積百分比濃度；T1、T2 分別為測定起始和測定結(jié)束的箱內(nèi)溫度（℃）；M0 表示氣體的摩爾質(zhì)量。根據(jù)氣體樣品濃度與時(shí)間的關(guān)系曲線計(jì)算氣體的排放通量，N2O 累積排放量是平均排放通量乘以相應(yīng)的觀測時(shí)間天數(shù)［17］。

N2O 排放系數(shù)=（施氮處理N2O 排放量-不施氮處理N2O 排放量）/施氮量×100

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010 整理后作圖，并用SPSS 11.5 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，顯著性檢驗(yàn)均采用Duncan 分析方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙田土壤N2O 排放通量動(dòng)態(tài)

在烤煙整個(gè)生育期，各處理煙田N2O 排放通量的變化趨勢較為相似（圖1）。在烤煙生長季，各處理出現(xiàn)2 次明顯的N2O 排放高峰：第1 次N2O排放高峰出現(xiàn)于煙田基肥后3 ～5 d（4 月29 日～5月2 日），CK、CR 和CC 處理的N2O 排放高峰分別 為0.036、0.073 和0.114 mg·m-2·h-1； 第2 次N2O 排放高峰出現(xiàn)于追肥后1 ～7 d（6 月2 日～6月8 日），CK、CR 和CC 處理的N2O 排放高峰分別為0.033、0.084 和0.059 mg·m-2·h-1。

烤煙整個(gè)生育期，輪作N2O 排放峰值較小，排放通量比較平穩(wěn)，與不施肥處理差異不顯著；連作煙田N2O 排放通量顯著高于輪作煙田。各處理N2O平均排放通量的順序是CC＞CR＞CK，其平均排放通量 分 別 為0.044、0.022 和0.013 mg·m-2·h-1。 從烤煙輪作和連作土壤N2O 排放總量看，連作顯著高于CK 和輪作，分別較CK 和輪作提高3 和2 倍。說明煙田輪作有利于降低N2O 排放。

烤煙整個(gè)生育期，煙田N2O 排放最高峰值出現(xiàn)于基肥期間，并且CK、CR 和CC 處理的基肥時(shí)期N2O 排放總量占烤煙生長季N2O 排放總量的比重較高，分別為16.78%、16.26%和18.30%。說明，煙田土壤N2O 排放主要在施基肥后時(shí)期，其中，烤煙輪作降低了N2O 排放。

圖1 烤煙生長季土壤N2O 排放通量

2.2 N2O 排放量與生物量的關(guān)系

如表2 所示，在煙田整個(gè)生長季CK 處理N2O排放總量較低；CR 處理N2O 排放總量與CK 差異不顯著（P＞0.05），但CC 處理N2O 排放總量明顯高于CR 和CK 處理，N2O 排放量排放系數(shù)為1.15，較CR 處理單位生物量N2O 排放總量提高2.5 倍，N2O 排放系數(shù)提高3.5 倍。連作煙田土壤N2O 排放系數(shù)明顯高于輪作，表明烤煙采用輪作栽培降低了土壤N2O 排放。

表2 各處理N2O 總排放量和生物量的關(guān)系

2.3 N2O 排放與環(huán)境因素的關(guān)系

如表3 所示，CK、CR 處理土壤硝態(tài)氮含量與煙田N2O 排放呈正相關(guān)關(guān)系，CC 處理與之呈負(fù)相關(guān)，其中，輪作煙田N2O 排放通量與土壤硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），其它處理N2O 排放通量與土壤硝態(tài)氮含量相關(guān)性未達(dá)到差異顯著水平，表明烤煙采用輪作栽培制度后，土壤N2O 排放與土壤硝態(tài)氮含量顯著相關(guān)。

空氣溫度和土壤溫度與煙田N2O 排放呈負(fù)相關(guān)（表3），均未達(dá)顯著性水平，表明烤煙于生長季節(jié)空氣溫度與土壤溫度雖然不是影響N2O 排放主要因素，但是，空氣和土壤溫度過高不利于煙田N2O 的排放。

土壤水分含量與煙田N2O 排放相關(guān)分析（表3）表明，各處理土壤含水量與煙田N2O 排放呈正相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平，表明烤煙生長季煙田土壤水分含量與N2O 排放關(guān)系不大。

表3 烤煙整個(gè)生長季土壤N2O 排放通量與環(huán)境因素的相關(guān)性

3 討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，連作與輪作對(duì)黃壤煙田N2O排放有較大的影響，連作種植制度顯著影響了煙田N2O 排放；施肥處理中，連作處理煙田土壤N2O 排放總量高于輪作處理，呈顯著差異（P＜0.05），相比不施肥+輪作處理，常規(guī)施肥+輪作處理和常規(guī)施肥+連作處理分別提高了N2O 排放總量3.6和2.1 倍。由于農(nóng)田施氮肥和連作與輪作都會(huì)影響農(nóng)田土壤N2O 排放，其中連作能夠?qū)е罗r(nóng)田連作障礙，降低了煙田土壤N2O 排放［18］，而氮肥的投入增加了農(nóng)田土壤中的氮源，增加了煙田土壤N2O 排放［19］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，各處理在基肥后3 ～5 d 出現(xiàn)N2O 排放通量高峰，追肥后1 ～7 d 出現(xiàn)N2O 排放通量高峰，N2O 排放通量最高峰于施肥后7 d 內(nèi)出現(xiàn)，這與前人的一些研究結(jié)果較為相似［20-21］?？緹熣麄€(gè)生長季N2O 排放累積量以烤煙施肥期間最高，是因?yàn)榈氐耐度朐黾恿宿r(nóng)田土壤的氮源，使施肥后提高了煙田N2O 排放，隨著氮源的消耗，N2O 排放通量也逐漸降低［22］。各處理從施肥后11 d 的N2O 排放累積量來看，基肥期間N2O 排放累積量高于追肥期間N2O 排放累積量；基肥期間的N2O 排放累積量所占比例最高，范圍為16.26%～18.30%，并且烤煙生長季的土壤N2O 排放通量最高峰出現(xiàn)于基肥11 d 內(nèi)，范圍為0.036 ～0.114 mg·m-2·h-1，由于作物在基肥期間處于苗期，屬于營養(yǎng)生長階段，作物對(duì)氮素吸收較弱，土壤中氮素主要以氣體形式釋放，少部分用于作物吸收，而作物在追肥期間處于生殖生長階段，作物對(duì)氮素吸收較強(qiáng)，土壤中氮素主要用于作物吸收，少部分以氣體形式釋放，使基肥期間煙田N2O 排放高于追肥期間［23］?？緹熗寥繬2O 排放高峰過后，甚至出現(xiàn)負(fù)值，這和前人研究結(jié)果較為一致［24］。

烤煙生長季煙田N2O 排放總量順序是CC＞CR＞CK，其中CC 處理的烤煙生長季N2O 排放總量是CR 處理的2.05 倍，進(jìn)一步表明農(nóng)田N2O 排放受到種植制度和施肥的影響［4-6，22］，由于農(nóng)田土壤N2O 排放是土壤中硝化和反硝化過程引起的［25］，連作與輪作對(duì)作物生長發(fā)育有著不同的影響，間接地對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的積累和分解以及肥料氮—土壤氮—作物吸氮之間的關(guān)系產(chǎn)生不同的影響，導(dǎo)致土壤中硝化和反硝化過程受到影響［26-27］。此外，各施肥處理中，輪作處理與連作處理相比明顯增加了烤煙生物量（P＜0.05），提高了42.88%，連作導(dǎo)致連作障礙，抑制了烤煙生長發(fā)育，降低了烤煙生物量累積［18］。有相關(guān)報(bào)道，中國旱田N2O 排放系數(shù)介于0.22%～1.53%［28］，本研究中，烤煙農(nóng)田土壤N2O 排放系數(shù)輪作種植制度為0.33%，連作種植制度為1.15%，均在中國旱田N2O 排放系數(shù)范圍內(nèi)，而且低于國際農(nóng)田推薦值1.25%［29］。說明連作種植制度能夠降低烤煙生物量累積，提高煙田土壤N2O 排放，但是從N2O 排放系數(shù)來看，烤煙作物農(nóng)田對(duì)溫室效應(yīng)氣體N2O 排放的影響是否小于其他作物農(nóng)田的影響，還需進(jìn)一步相關(guān)研究驗(yàn)證。

烤煙生長季煙田土壤N2O 排放通量與相應(yīng)的土壤硝態(tài)氮含量做相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，CK 和CR 處理土壤N2O 排放與土壤硝態(tài)氮含量呈正相關(guān)，與前人研究結(jié)果較為一致［30］，進(jìn)一步證明了農(nóng)田土壤N2O 排放受硝態(tài)氮含量的影響，硝態(tài)氮含量高，則N2O 排放通量高［30-31］，但是不同之處在于僅施肥輪作處理與硝態(tài)氮含量呈顯著關(guān)系（P＜0.05），其他處理均無顯著性相關(guān)，由于長期不同的種植制度雖然能夠改變土壤環(huán)境，使硝態(tài)氮的生成和供應(yīng)水平受到影響，導(dǎo)致農(nóng)田土壤N2O 排放受到影響［32-33］，同時(shí)還受環(huán)境因素的影響［34-36］。而本試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤N2O 排放與溫度（空氣溫度和土壤溫度）呈負(fù)相關(guān)，與土壤水分呈正相關(guān)，但是均無顯著性關(guān)系，與前人研究結(jié)果略有不同［37-38］。由于土壤硝化細(xì)菌能夠影響土壤N2O 排放，微生物的活性受到溫度、土壤水分的影響，溫度過高反而影響了微生物活性，在一定范圍內(nèi)隨著溫度降低，能夠使微生物活性增加，從而促進(jìn)農(nóng)田N2O 排放［37］；土壤含水量在一定范圍內(nèi)，使土壤造成干濕交替的環(huán)境，此時(shí)土壤含水量高，能夠給作物根系提供充足的氧，使土壤的硝化作用大于反硝化作用，有利于促進(jìn)農(nóng)田土壤N2O 排放［38］。說明，黃壤煙田在長期施肥及連作和輪作條件下，主要受土壤硝態(tài)氮含量影響，而溫度（空氣溫度和土壤溫度）和土壤水分對(duì)N2O 排放的影響不大，具體對(duì)黃壤煙田N2O 排放多大程度受環(huán)境因素的影響還需進(jìn)一步綜合探究。

4 結(jié)論

黃壤區(qū)烤煙采用烤煙-玉米輪作和烤煙連作栽培方式，其N2O 排放主要出現(xiàn)在施肥期（基肥后和追肥后時(shí)期），施肥的輪作煙田N2O 排放與不施肥的輪作煙田較為相近，而烤煙輪作能夠降低煙田N2O 排放通量。

黃壤區(qū)烤煙輪作有利于降低煙田N2O 排放總量和N2O 排放系數(shù)。

本試驗(yàn)條件下，煙田N2O 排放通量與土壤硝態(tài)氮含量有關(guān)。