2017, Vol. 34文章信息
- 高洪军, 张卫建, 彭畅, 张秀芝, 李强, 朱平
- GAO Hong-jun, ZHANG Wei-jian, PENG Chang, ZHANG Xiu-zhi, LI Qiang, ZHU Ping
- 长期施肥下黑土玉米田土壤温室气体的排放特征
- Emission Characteristics of Greenhouse Gas from Maize Field of Black Soil Region Under Long-term Fertilization
- 农业资源与环境学报, 2017, 34(5): 422-430
- Journal of Agricultural Resources and Environment, 2017, 34(5): 422-430
- http://dx.doi.org/10.13254/j.jare.2017.0103
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文章历史
- 收稿日期: 2017-04-20
2. 中国农业科学院作物科学研究所/农业部作物生理生态重点实验室, 北京 100081
2. Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China
随着国际社会对气候变化、温室气体减排和粮食安全的日趋重视，粮食增产和农田温室气体减排研究得到了科学界的空前关注[1]。大气中CO2、N2O和CH4是最重要的温室气体，对温室效应的贡献近80%[2]。农业生产是温室气体排放的重要来源，据估计，每年仅土壤就贡献了大气中5%~20%的CO2、15%~30%的CH4和80%~90%的N2O[3]，其中农业源温室气体排放约占人类活动温室气体总排放的14%，并呈逐年增加趋势[4]。因此，关注农田温室气体的排放对于全球气候变化和实现农业的可持续发展具有重要的意义。
不同种植模式、耕作、灌溉以及施肥等农业管理措施主要影响着温室气体的排放[5-6]。在农业管理措施中，施肥对温室气体排放的影响最大[7].长期不同施肥可导致土壤碳、氮和pH值等发生较大变异[8]，进而影响到碳的转化、以及氮的硝化和反硝化过程的微生物数量和活性。关于不同肥料种类、不同施肥量、不同施肥方式等对温室气体排放的影响研究已有很多[9-11]，尤其在南方地区稻田生态系统和红壤丘陵地区研究较多，而对于长期不同施肥措施对东北黑土区玉米农田温室气体排放的研究鲜有报道。目前，施用有机肥对土壤CH4和N2O的排放影响不尽相同[12]，并且等施氮量条件下有机无机肥配施对东北黑土农田温室气体的研究未见报道。因此，有必要借助国家黑土肥力与肥料效益长期定位试验基地，研究不同施肥措施下玉米农田土壤温室气体CO2和N2O的排放特征，阐明不同施肥措施的温室气体的排放强度和综合温室效应，以期为东北黑土区玉米农田生态系统温室气体减排，综合温室效应和气体排放强度准确评估提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况国家黑土肥力与肥料效益长期定位监测基地坐落于吉林省公主岭市吉林省农科院试验区内(东经124º48'33.9"，北纬43º30'23")。试验区地势平坦，海拔220 m，年平均气温4~5℃，年最高气温34℃，最低气温-35℃，无霜期110~140d，有效积温2 600~3 000益，年降水量450~650 mm，年蒸发量1 200~1600 mm，年日照时间2 500~2 700h。土壤为中层典型黑土，成土母质为第四纪黄土状沉积物，试验开始时耕层(0~20 cm)土壤化学性质:土壤有机质22.8 g·kg-1，土壤全氮1.40 g·kg-1，土壤全磷1.39 g·kg-1，土壤全钾22.1g·kg-1，土壤碱解氮114 mg·kg-1，土壤有效磷27.0 mg·kg-1, 土壤速效钾190 mg·kg-1, pH值为7.6。
1.2 试验设计和管理黑土长期定位试验始于1990年，于2012年选择其中5个处理进行气体取样和测定，即：(1) 撂荒区(Fallow, 不耕作，不种植)，(2) CK(不施肥)，(3) 氮肥(N)，(4) 氮磷钾化肥(NPK)，(5) 农家肥加化肥(M2NPK)，(6) 秸秆加化肥(SNPK)。各处理施肥情况见表 1。试验不设重复，小区面积400 m2，为了减少无重复的缺陷，在每个小区选取3个有代表性的点进行调查和采样，区间由2 m宽过道相连。玉米各生育期时间：出苗期为5月22日，拔节期6月19日，抽丝期为7月20日，乳熟期为8月19日，成熟期为9月22日。
有机肥作底肥，1/3氮肥和磷钾肥作口肥，其余2/3氮肥于拔节前追施表土下10 cm处，化肥种类:氮肥为尿素、磷肥为磷酸二铵、钾肥为氯化钾，拔节追肥后人工将7 500 kg·hm-2玉米秸秆撒施土壤表面。有机月巴(干基)养分含量:0.5% N，0.4% P2O5, 0.49% K2O。秸秆:0.7% N，0.16%P2O5, 0.75% K2O。
供试作物为玉米，种植玉米品种: 1990－1993年为丹育13，1994－1996年为吉单222, 1997－2005年为吉单209，2006－2012年为郑单958。于4月末播种，按常规进行统一田间管理，9月末收获，玉米收获面积为15 m2, 3次重复，玉米产量按14%水分计算，10月份对土壤进行取样分析测定。
1.3 取样及测定方法 1.3.1 田间气样采集2012年5月份播种后，采用静态箱-气相色谱法监测了田间各处理玉米行间土壤的N2O、CO2和CH4的排放。采样箱由箱体和箱盖组成，均为方形。采样箱由不镑钢材料制成，箱子周围及箱盖用白色泡沫板包裹以保持箱内温度相对恒定，箱体为60 cm×50 cm× 40 cm，采样箱一侧中间有温度计插孔。箱体上端有密封水槽。箱盖上端装有1个气体采集接口和1个风扇电线人口，并在箱盖里边安装1个12V小风扇，外接蓄电池供电，用以充分混勻箱内气体。箱体靠近下半部分开有2排圆孔，箱外植物的根系可以穿过。底座埋人作物行间，人土10 cm，整个生长季箱体不再移动。
玉米生育期每隔7 d采样1次，追肥15 d内每2 d测定1次。每次气样采集时间固定在上午9:00－11: 00，采样按区组进行，以减少土壤呼吸的日变化影响。采样时底座水槽中需注满水加以封闭，盖上箱盖，打开风扇电源，按0、10、20、30 min的时间间隔用50 mL注射器从气体采集接口插人，每次来回抽动2次以便箱内气体混和均勻，抽出40 mL气体注人到真空瓶保存。采样后立即将样品带回实验室分析。每次采集气体同时同步记录地表温度、5 cm处地温、10 cm处地温、箱内温度。
1.3.2 气体测定与通量计算气体样品分析采用HP7890A气相色谱仪，分析柱为Porpak.Q填充柱，柱箱温度为50℃，载气为高纯N2，N2O测定用电子捕获检测器(ECD)，工作温度300℃。CO2和CH4测定采用氢火焰(FID)检测器，工作温度300℃。气相色谱仪在每次测试时使用国家标准计量中心的标准气体进行标定，温室气体测定的相对误差在2%以内。
温室气体排放通量计算公式为：
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(1) |
式中[13]: F为温室气体排放通量，CO2排放通量单位为mg·(m2·h)-1，N2O和CH4排放通量单位为μg·(m2·h)-1; ρ为某温室气体标准状态下的密度，kg·m-3; H为采样箱的箱罩的净高度，m; △c/△t为采样箱内温室气体浓度的变化率μL·(L·h)-1; T为采样过程中采样箱内的平均温度，℃。
1.3.3 综合温室效应(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)的计算
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(2) |
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(3) |
式中：SOCSR(soil organic carbon sequestration rate):土壤有机碳固定速率，BD和H为土壤容重和土层深度，δSOC是土壤有机碳年增加率，用直线回归计算公主岭黑土长期试验25年有机碳数据的变化趋势所得[14-16]。
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(4) |
依据Timothy等[17]的研究，公式⑷中GHGI为温室气体排放强度，kg·t-1; Y为作物产量，t·hm-2。
1.4 数据处理与分析试验中所获得的数据采用Microsoft Excel 2007和SPSS 18.0等统计分析软件进行数据处理与统计分析，用LSD法进行差异显著性检验。
2 结果与分析 2.1 农田CO2排放通量特征由图 1可见，不同施肥处理农田土壤CO2排放通量均呈现明显的季节变化规律，总体变化趋势相似。各施肥处理土壤CO2排放在拔节期追肥后第7d (6月27日)出现第1次排放高峰，其中，有机无机肥配施M2NPK和SNPK处理土壤CO2排放通量分别达到549.2 mg·(m2·h)-1和492.3 mg·(m2·h)-1，而后土壤CO2排放逐渐降低，到玉米灌浆期(8月9日)出现第2次排放高峰，随后各处理又降低到同一水平。
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| 图 1 不同处理下CO2排放通量(Means ± SE，n=3) 的季节变化 Figure 1 CO2 fluxes(Means ± SE, n=3) in different treatments |
在拔节期追肥前，撂荒区(Fallow)土壤CO2排放通量显著高于其他处理(P < 0.05);从拔节期排放高峰后，Fallow处理土壤CO2排放通量低于秸秆还田(SNPK)处理，但与M2NPK处理土壤CO2排放通量类似，并显著高于NPK、N和CK处理(P < 0.05)。在玉米整个生育期，有机肥无机肥配施SNPK和M2NPK处理土壤CO2排放通量显著高于施化肥处理，不施肥(CK)处理土壤CO2排放通量最低。在玉米整个生育期，土壤CO2排放通量的大小顺序为:Fallow > SNPK，M2NPK > NPK > N > CK。
2.2 农田N2O排放通量特征土壤N2O的产生主要是在微生物的参与下，通过硝化和反硝化作用完成的。这些过程受土壤通气状况、土壤水分、温度和土壤氮含量等的影响。从图 2可以看出，不同处理土壤N2O排放通量有一定的差异；N2O排放通量随不同生长季节的变化而变化，播种后N2O的排放通量长时间处于较低的水平，但随着时间的增加，到拔节期追肥后7d(6月27日)时，达到最高峰值，最大为M2NPK处理，达到636.6 μg·(m2·h)-1，随后土壤N2O排放通量迅速下降，到成熟期，不同处理土壤N2O排放量均最低，各处理间无差异(P < 0.05)。总体上，土壤N2O排放量主要集中在玉米拔节期-抽丝期。
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| 图 2 不同处理下N2O排放通量（Means ± SE，n=3）的季节变化 Figure 2 N2Ofluxes（Means ± SE，n=3）in different treatments |
撂荒区(Fallow)和不施肥(CK)处理土壤N2O排放量一致处于较低的水平，两个处理土壤N2O排放量没有随生长季节的变化而变化；与施用化肥NPK处理比较，农家肥和化肥配施(M2NPK)显著增加了土壤N2O的排放(P < 0.05)，表明过量施氮会导致土壤N2O的大量排放，应适当调整有机肥和化肥的适宜比例。
2.3 农田CH4吸收/排放通量特征不同施肥模式CH4排放通量(图 3)均随时间表现出明显的变化，通量值有正有负，表明土壤既有CH4的排放，也有对CH4的吸收，但在玉米田以吸收为主。在苗期，CH4的净吸收量处于较低的水平，在拔节期，CH4的净吸收量达到最高峰值，其中秸秆还田(SNPK)处理达到-84.3 μg·m-2·h-1。拔节期后各施肥处理CH4排放通量基本稳定。不同施肥处理对CH4累积排放的影响有差异(P < 0.05)。有机无机肥配施(M2NPK和SNPK)处理的土壤CH4净吸收量较高，不施肥(CK)和Fallow处理土壤CH4净吸收量最低。表明黑土玉米田是大气中CH4的一个微弱汇。
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| 图 3 不同处理下CH4排放通量（Means ± SE，n=3）的季节变化 Figure 3 CH4 fluxes(Means ± SE, n=3) in different treatments |
由表 2可知，在玉米整个生育期，土壤CO2累积排放量以揭荒区(Fallow)最高，达到6 855 kg·hm-2; 以CK处理最低，仅为3 147 kg·hm-2。农家肥和无机肥配施(M2NPK)处理土壤CO2累积排放量与秸秆还田(SNPK)处理差异不显著，但显著高于施化肥处理(P < 0.05);化肥NPK处理土壤CO2累积排放量高于单施N处理，但差异不显著。
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与不施肥(CK)相比，N、NPK、SNPK和M2NPK处理整个生育期土壤N20累积排放量分别增加了213.3%、224.5%、195.6%和413.2%，以M2NPK处理最高，达到3.618 kg·hm-2, 氮肥的施用显著增加了N2O的排放量(P < 0.05)。撂荒区(Fallow)土壤N2O累积排放量仅为0.716 kg·hm-2，与CK处理差异不显著; 在等施氮量条件下，秸秆还田(SNPK)与NPK相比较，队O排放减少了14.2%，秸秆还田显著降低了土壤N2O的累计排放量。有机无机肥配施(M2NPK和SNPK)处理土壤CH4吸收量显著高于施化肥处理(P < 0.05)。
2.5 农田综合增温潜势玉米田GWP(Global Warming Potential)主要来源于N2O的排放，是全球增温潜势占主导地位的温室气体，而CH4对玉米田GWP的抵消仅占很小比例，此试验中土壤固定的碳对玉米田GWP的抵消占了较大的比例。比较不同施肥方式的综合温室效应(100年尺度上)发现(表 3)，在各处理中，单施氮肥(N)对农田综合温室效应贡献最大; 与不施肥(CK)比较，单施化肥N和NPK处理综合温室效应分别增加了142%和32%; SNPK综合温室效应降低了38%; M2NPK和撂荒区(Fallow)两个处理土壤固碳效率显著增加，综合温室效应均为负值，为净碳汇，其中，撂荒区生长着大量茂盛的杂草，促进了表层土壤有机碳显著增加。
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在产量差异明显的情况下，GHGI (Greenhouse Gas Intensity)呈现出和GWP不一样的变化趋势。比较不同施肥处理下温室气体排放强度(GHGI)可以发现，不同处理的排放强度为N > CK > NPK > SNPK > M2NPK，单施氮肥处理GHGI值最高，是NPK处理的3.22倍，而有机无机配施(M2NPK)处理的GHGI值最低，仅为-222 kg CO2-eq·t-1，显著低于其他处理(P < 0.05)，而且产量处于较高水平。
3 讨论本研究表明，各施肥处理农田土壤CO2排放最高峰出现在拔节期追肥后第7 d。主要是由于追施氮肥、追肥后降雨量较多和气温较高共同影响的结果。李晓密等[18]研究也发现，玉米季每次追肥后土壤CO2均出现排放峰，这是因为氮肥的施用为玉米及微生物提供了生长所需氮素，玉米根系呼吸增强，同时土壤温度升高，促进了土壤微生物的剧烈活动，导致了土壤CO2排放通量迅速升高[19-20]。本研究中，土壤CO2排放通量的大小顺序为：Fallow > SNPK，M2NPK > NPK > N > CK, 揭荒区(Fallow)CO2排放通量高，主要是缘于土壤表层覆盖着大量的枯草，同时生长着茂盛的杂草造成了较高的土壤CO2排放通量。有机肥无机肥配施SNPK和M2NPK处理土壤CO2排放通量显著高于施化肥处理，不施肥(CK)处理土壤CO2排放通量最低，这与前人的研究结果一致[21-23]。一方面原因，平衡施肥(NPK)较N和CK处理提高了玉米产量，增加了根茬还田量，增加了土壤微生物碳氮数量[24-25]; 另一方面，施用有机肥能显著增加土壤有机碳数量，增强土壤微生物的活性，提高土壤的呼吸强度，促进了土壤有机碳的矿化分解[26]。
本研究表明，各施肥处理农田土壤N2O排放最高峰出现时间与土壤CO2排放高峰一致，都出现在拔节期追肥后第7 d，这可能是由于刚追施氮肥造成土壤含氮量迅速升高，同时拔节期间降雨量较大和温度较高共同影响的结果。施用氮肥处理土壤N2O排放量明显高于CK和Fallow处理，平衡施肥NPK土壤NO排放量显著高于单施N处理，这与许多学者研究结果一致[22, 27]。一般而言，氮肥施用对农业土壤N2O排放具有显著的贡献[23, 28]，平衡施肥可以增加作物生物量，进而通过稻秆、根系残叶等生物量输人土壤中促进土壤微生物氮的活性，进而会增加N20的排放。在这个试验点，佟帆[29]通过室内培养试验分析黑土温室气体N2O的排放特征，施用化肥能显著提高黑土NO排放量，且NPIONP > N > CK，与本试验结果一致。等氮量条件下，秸秆还田(SNPK)处理土壤N2O排放量显著小于化肥NPK和N处理，一方面可能是秸秆的添加使土壤生态系统表现为碳源过剩而氮源不足，微生物为满足自身生物物质的合成而被迫利用土壤其他可利用氮源，减少了硝化与反硝化作用所需底物，从而对N2O形成具有抑制作用[30]，另一方面可能是有机物质在腐解过程中能产生化感物质，可明显抑制土壤N2O的释放[31]。李燕青等[32]研究也证明，等氮量条件下，化肥处理的N2O排放总量显著高于有机肥。
本研究中，不同施肥处理土壤中观察到的CH4排放通量既有正值也有负值，与来自耕地[33]或草地[34]土壤的其他一些研究结果一致。整个生育期的累积排放量为负值，表明黑土玉米田是大气中CH4的净吸收汇，这与其他旱地农田土壤CH4通量研究结果一致[10, 35-36]。究其原因，旱地农田土壤相对干燥，通气状况良好，氧气易于扩散到土壤中，促进土壤中介导甲烷氧化微生物(如甲烷氧化菌)和甲烷氧化酶(如甲烷单加养酶)的活性，增强了土壤吸收氧化CH4的能力[37]。
本研究也发现，有机无机肥配施处理土壤对CH4吸收量大于施化肥处理，而施肥处理土壤对CH4吸收量大于不施肥处理。这可能是由于施肥改善了土壤理化性质为甲烷氧化菌的生长提供了适宜环境条件，更有利于CH4的氧化。李晓密等[38]研究表明，小麦田施肥土壤对CH4吸收通量大于不施肥；Seghers等[39]研究发现施用堆肥使玉米田甲烷氧化菌群落丰度和氧化速率增加; 许多学者研究发现[40-42]，秸秆还田可增加旱地土壤对CH4的氧化吸收，提高土壤作为大气CH4吸收汇的特征。但有些研究者持相反结论，施用有机肥或有机无机肥配合施用抑制了旱田土壤对CH4的吸收[43-44]。在旱田上，有关施化肥和有机肥土壤对CH4吸收量影响结果不尽一致，还有待进一步研究。
综合温室效应(GWP)作为一种相对指标，常用来评估不同温室气体对气候系统的潜在效应[45]。本研究发现，不平衡施肥(N)对农田综合温室效应贡献最大; 撂荒区(Fallow)对农田的温室效应贡献较低，这是由于休闲区土壤固定了大量有机碳缘故。本研究中，与不施肥(CK)比较，单施化肥N和NPK处理综合温室效应(GWP)分别增加了142%和32%;SNPK综合温室效应降低了38%，但秸秆还田固碳效率较低，一方面可能是秸秆覆盖还田造成了有机碳的大量矿化，另一方面可能是施氮量不足使根系分泌物激发了土壤有机碳的矿化来汲取养分，但具体机理还值得进一步深人研究; 有机无机配施(M2NPK)处理综合温室效应为负值，为净碳汇，表明施用有机肥可降低全球增温潜势。温室气体排放强度(GHGI)是把全球增温潜势与作物产量相结合的综合温室效应评价指标。平衡施肥NPK和有机无机肥配施(SNPK和M2NPK)温室气体排放强度很弱，显著低于不施肥(CK)和偏施化肥(N)处理，这是由于玉米产量和累积排放量共同影响的结果，这与许多学者研究结果一致[46-47]。说明平衡施肥和有机无机肥配施不仅能降低温室气体排放强度，还能增加土壤有机碳，是较为理想的固碳减排培肥措施。因此，从农田温室气体减排角度出发，有机无机肥配施的施肥模式在东北黑土区的推广应用是可行的。
4 结论本试验研究表明，土壤温室气体CO2和N2O的排放高峰均出现在拔节期，其中撂荒区(Fallow)土壤CO2排放通量最高; 不施肥(CK)处理土壤CO2和N2O排放通量最低；有机无机肥配施(M2NPK)处理土壤CO2和N2O排放通量显著高于施化肥处理; 秸秆还田(SNPK)处理土壤CO2排放通量显著高于施化肥处理，而土壤N2O排放量明显低于化肥NPK处理。有机无机肥配施(M2NPK和SNPK)处理土壤CH4吸收量显著高于CK、Fallow和N处理(P < 0.05)。从土壤综合温室效应和总温室气体排放强度可分析出，与施化肥(N、NPK)处理比较，有机无机肥配施(M2NPK和SNPK)处理不但减少了土壤的综合温室效应(GWP)，而且也降低了土壤的温室气体排放强度(GHGI)。因此，为同步实现较高的玉米产量和较低的温室气体强度，有机无机肥配施是东北黑土区较为理想的土壤培肥方式。
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