环境科学学报  2018, Vol. 38 Issue (2): 798-804
引用本文
徐鹏, 蒋梦蝶, 邬磊, 等. 2018. 华中地区水旱轮作模式下水稻季施氮肥对油菜季施氮肥土壤N2O排放的影响[J]. 环境科学学报, 38(2): 798-804.
Xu P, Jiang M D, Wu L, et al. 2018. Effects of nitrogen fertilization during rice growing season on N2O emission from the subsequent rapeseed season in central China[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 38(2): 798-804.
华中地区水旱轮作模式下水稻季施氮肥对油菜季施氮肥土壤N2O排放的影响    [PDF全文]
徐鹏1 , 蒋梦蝶1 , 邬磊1 , 吴限1 , 赵劲松1 , 胡荣桂1,2     
1. 华中农业大学资源与环境学院, 武汉 430070;
2. 华中农业大学环境生态中心, 武汉 430070
收稿日期: 2017-07-03; 修回日期: 2017-07-28; 录用日期: 2017-08-03
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金（No.2662016PY098）
作者简介: 徐鹏(1991—), 男, E-mail: xupengstu192@163.com
通讯作者（责任作者）: 胡荣桂, E-mail: rghu@mail.hzau.edu.cn
摘要: 设置了水稻季与油菜季均不施用氮肥（N0-0）；水稻季施用氮肥150 kg·hm-2（以N计，下同），油菜季不施用氮肥（N150-0）；水稻季与油菜季均施用氮肥150 kg·hm-2（N150-150）；水稻季不施用氮肥，油菜季施用氮肥150 kg·hm-2（N0-150）4种施肥处理，采用静态箱/气相色谱法对旱作油菜季N2O的排放进行了原位观测（2016年9月-2017年4月），研究了华中地区水旱轮作模式下水稻季施肥对油菜季土壤N2O排放的影响.结果表明，油菜季N2O排放主要集中在施基肥后1周内.N0-0、N150-0、N150-150和N0-150处理N2O排放通量变化范围分别为-10.81~181.26、-20.48~95.61、-8.87~638.56和-21.76~827.86 μg·m-2·h-1，平均排放通量分别为4.58、3.89、21.06和27.24 μg·m-2·h-1，N2O累积排放量分别为0.20、0.17、0.92和1.19 kg·hm-2，施氮肥处理（N150-150和N0-150）N2O排放量显著高于不施氮肥处理（N0-0、N150-0）（p < 0.05）.N150-150和N0-150处理N2O排放通量与土壤孔隙充水率（WFPS）具有显著正相关关系（p < 0.05）；N150-150和N0-150处理N2O排放通量与土壤可溶性有机氮（DON）和无机氮（NO3--N和NH4+-N）具有显著正相关关系（p < 0.01）.以上结果表明，油菜季N2O排放与稻季施用氮肥无关，施氮肥对土壤活性氮含量的影响是导致N2O排放差异的主要原因，而土壤孔隙充水率也是影响油菜季N2O排放的重要环境因子.
关键词: 水旱轮作     N2O排放     油菜季     施肥     环境因子    
Effects of nitrogen fertilization during rice growing season on N2O emission from the subsequent rapeseed season in central China
XU Peng1, JIANG Mengdie1, WU Lei1, WU Xian1, ZHAO Jingsong1, HU Ronggui1,2    
1. College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070;
2. Ecological Environment Center, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070
Received 3 July 2017; received in revised from 28 July 2017; accepted 3 August 2017
Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No.2662016PY098)
Biography: XU Peng (1991—), male, E-mail: xupengstu192@163.com
*Corresponding author: HU Ronggui, E-mail: rghu@mail.hzau.edu.cn
Abstract: Farmland is a main source of nitrous oxide (N2O) which is an important greenhouse gas next to carbon dioxide (CO2) and methane (CH4), but the effects of agricultural measures on N2O emission are unclear. To study the effects of nitrogen fertilization during rice growing season on N2O emission from the subsequent rapeseed season in central China, a static/gas chromatography method was used by situ observation with no nitrogen fertilizer in two seasons (N0-0); nitrogen fertilizer of 150 kg·hm-2 in rice season and no nitrogen fertilizer in rapeseed season (N150-0); nitrogen fertilizer of 150 kg·hm-2 in each season (N150-150) and no nitrogen fertilizer in rice season and nitrogen fertilizer of 150 kg·hm-2 in rapeseed season (N0-150) four kinds of fertilization carried out in a long-term fertilization experiment platform (between September 2016 and April 2017). The results showed that N2O emissions mainly concentrated within 1 week after basal dressing. N2O fluxes from treatments of N0-0, N150-0, N150-150 and N0-150 varied from-10.81~181.26, -20.48~95.61, -8.87~638.56 and-21.76~827.86 μg·m-2·h-1, with average fluxes of 4.58, 3.89, 21.06 and 27.24 μg·m-2·h-1 and cumulative emissions were 0.20, 0.17, 0.92 and 1.19 kg·hm-2, respectively. Cumulative N2O emissions of nitrogen treatments were significantly higher than no nitrogen treatments (p < 0.05). N2O fluxes from N150-150 and N0-150 treatments both had a significant positive correlation (p < 0.05) with soil water filled pore space (WFPS) and a very significant positive correlation (p < 0.01) with soil dissolved organic nitrogen(DON) and inorganic nitrogen. The above results showed that the differences of reactive nitrogen content resulted from nitrogen fertilization in soil is the key to soil N2O emissions and the water filled pore space is also a important environmental factor affecting N2O emissions.
Key words: paddy rice-upland crop rotation     N2O emission     rapeseed season     fertilization     factors    
1 引言(Introduction)

N2O是仅次于CO2和CH4的第三大温室气体, 其增温潜势大, 增温效应是CO2的296~310倍(IPCC, 2013).大气N2O浓度升高的主要贡献者为农业生产, 其贡献率占人类活动产生的N2O总量的60%以上(张玉铭等, 2011).其中农田肥料氮的施入是大气中N2O浓度增长的最主要因素(赵维等, 2009).我国是农业大国, 拥有1.21×108 hm2的耕地, 其中稻田面积高达0.29×108 hm2.水旱轮作种植模式是一种重要的农田耕种模式, 主要存在双季稻-油菜轮作、单季稻-小麦轮作及双季稻-冬置闲田等轮作体系, 其中前两种轮作体系达中国稻田面积的80%以上(Xing et al., 2009), 因此, 水旱轮作种植模式对N2O的排放存在重要影响(邹建文等, 2002).研究发现, 在水旱轮作体系中氮肥施用是N2O出现排放高峰的主要驱动力(于亚军等, 2008), 且N2O排放主要集中在旱季(柳文丽等, 2014).但气候、土壤等自然因素及种植制度、水肥管理措施等的区域性差异也会影响水旱轮作体系N2O的排放(Venterea et al., 2012).张岳芳等(2012)研究发现水旱轮作稻田旱作季种植种不同作物时N2O排放量差异较大, 荆光军等(2007)研究发现水稻-油菜轮作体系N2O排放通量与土壤温度和土壤湿度有很好相关性, 也有研究报道轮作体系中不同施肥时间和方式对N2O排放也有重要影响(纪洋等, 2012；孟磊, 2008).

以上报道集中为研究当季施肥或环境条件对N2O排放的影响, 而到目前为止, 关于前期或前茬施肥结合环境因子对后茬或后期施肥N2O排放的影响未见报道.华中地区是我国重要的作物产区, 该地区主要实行夏水稻-冬油菜水旱轮作种植模式, 水稻季氮肥施用与否势必会影响油菜季N2O排放, 水稻季施用氮肥结合环境因子对油菜季施肥N2O排放是否有滞后或叠加效应？因此, 本研究利用长期田间施肥试验平台, 观测了华中地区典型水旱轮作模式下油菜季农田N2O排放特征, 研究了水稻季施氮肥及土壤温度、土壤水分等对水旱轮作模式下油菜季施氮土壤N2O排放的影响, 以确定华中地区水旱轮作油菜季N2O排放量及其主要影响因子, 为准确估算我国旱地生态系统N2O排放提供地区观测数据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验地概况

试验位于湖北省武汉市华中农业大学校内试验基地(30°28'10"N, 114°21'21"E).该地区属于北亚热带季风性气候区, 年均气温15.8~17.5 ℃, 年均降雨量1269 mm.试验田于2012年5月建成, 直接投入试验, 试验地采样点土壤系第四纪红色粘土发育而成.土壤基本理化性质见表 1.

表 1 试验土壤基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of the experimental soil
2.2 试验设计

试验时间为水稻-油菜轮作油菜季(2016年9月—2017年4月, 其中9月21—10月22日为翻耕闲置期), 田间管理见表 2.轮作体系包含4个氮肥处理(氮肥量为当地常规施肥量), 分别为: ①N0-0, 水稻季和油菜季均不施用氮肥, 作为对照处理(CK)；②N150-0, 水稻季施用氮肥150 kg·hm-2, 油菜季不施用氮肥；③N150-150, 水稻季、油菜季各施用氮肥150 kg·hm-2；④N0-150, 水稻季不施用氮肥, 油菜季施用氮肥150 kg·hm-2.采用完全随机区组试验, 每个处理3次重复, 共计12个小区, 每个小区面积为20 m2(4 m×5 m).

表 2 2016—2017年水旱轮作油菜季试验田间管理 Table 2 Field log during upland-growing season from paddy rice-upland crop rotation field

施肥方式:油菜季氮肥按基肥60%、越冬肥20%和薹肥20%的比例施用, 磷、钾肥用量分别为75 kg·hm-2 P2O5和120 kg·hm-2 K2O, 磷肥全部基施, 钾肥则按照70%基肥和30%的分蘖肥施用, 同时各小区增施15 kg·hm-2硼砂, 保证植株生长.油菜季在油菜移栽前1 d将肥料均匀的撒施到田间并与0~10 cm土壤混匀, 追肥结合松土施用, 下雨时或下雨后撒施.

2.3 气样采集与分析

N2O气体采用静态箱-气相色谱法测定, 采样箱由PVC材质制成.每小区固定采样底座1个, 底座上部有5 cm深的凹槽, 用于加水密封后采集气体, 箱体中部留有两孔(一孔用于插温度计, 观测箱内温度变化, 一孔用于采气).采样时间在上午9: 00—11:00, 45 min内连续采集5针, 用60 mL注射器抽取箱内气体, 抽气前来回抽动3次以完全混匀气体, 随后抽出50 mL气体迅速带回实验室分析.采样频率为每周2次(春节假日除外), 施肥后采样加密(连续5~7 d).每次采集气样时测定5 cm的土壤温度.N2O气体体积分数由经改装的气相色谱仪(Agilent 7890A, 美国)测定.N2O检测器为ECD, 检测温度330 ℃, 柱温55 ℃, 载气为φ=99.999%高纯氮气, 流速为25 mL·min-1.气体排放通量计算公式见式(1)(Zheng et al., 1998).

(1)

式中, F为气体排放通量(μg·m-2·h-1)；ρ为标准状态下气体的密度(kg·m-3)；h为采样箱净高度(m)；dc/dt为单位时间内采样箱内气体的体积分数变化率；273为气态方程常数；T为采样箱内温度(℃)；气体的累积排放量为通量和时间的乘积.在采集气体的同时, 同步观测相关环境因子.土壤温度(5 cm)使用JM624型便携式测温计(上海自动化仪表公司)测定.

2.4 土壤指标的测定

在施肥后一个星期内采集气体样的同时, 采集0~10 cm土壤样品用来分析土壤含水率、无机氮(NO3--N和NH4+-N)含量和可溶性有机氮(DON)含量(都以干土计).土壤含水率采用重量法测定, 并利用土壤容重将其转换为土壤孔隙充水率[WFPS(%)](Wu et al., 2017)；土壤无机氮(NO3--N和NH4+-N)含量采用1 mol·L-1 KCl浸提-AA3流动分析仪(德国SEAL公司)测定(液土比为5:1)；DTN含量采用1 mol·L-1 KCl浸提-VarioTOC总有机碳分析仪进行测定(Wu et al., 2017)；土壤可溶性有机氮(DON)含量为可溶性总氮(DTN)含量与无机氮(NO3--N和NH4+-N)含量的差值.

2.5 试验数据处理

采用Microsoft Excel 2007对数据进行处理, Origin 8.0进行绘图, 试验数据采用SPSS 19.0统计软件进行方差分析和相关性分析(Pearson法).

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 油菜季土壤温度、土壤水分变化

2016年9月—2017年4月田间试验地点气温和土温见图 1.气温和5 cm土温两者变化趋势基本相同, 气温的变化范围为4.08~34.14 ℃, 日平均值为18.09 ℃；土温变化范围为4.70~27.43 ℃, 日平均值为11.93 ℃.土壤孔隙充水率(WFPS)变化见图 2, WFPS最大值为78.71%, 最小值为36.48%, 可见, 土壤水分变化波动较大.

图 1 油菜季期间大气温度和土壤温度变化 Fig. 1 Seasonal patterns in mean air temperature and soil temperature during rapeseed season

图 2 土壤含水孔隙率变化(WFPS) Fig. 2 Seasonal patterns in water filled pore space of soil (WFPS) during rapeseed season
3.2 N2O排放动态和累积排放量

图 3为土壤N2O排放通量.N0-0、N150-0、N150-150、N0-150处理的土壤N2O油菜季排放通量分别为-10.81~181.26、-20.48~95.61、-8.87~638.56和-21.76~827.86 μg·m-2·h-1、平均排放通量分别为4.58、3.89、21.06和27.24 μg·m-2·h-1.虽然N150-150和N0-150处理排放峰值显著(p＜0.05)高于N0-0和N150-0处理, 但各处理的N2O排放通量变化趋势基本一致, 4种处理在施肥后第2~3 d出现N2O排放峰值, 整个排放峰持续约1周.

图 3 油菜季N2O排放通量动态图 Fig. 3 Seasonal patterns in N2O flux during rapeseed season under paddy rice-rapeseed crop rotation

对N2O排放做了分段累积计算(分别3次施氮肥后1周的累积量)和整个油菜季累积计算(表 3).可以看出, 在N150-150和N0-150处理中, 第一次施氮肥后一周内N2O累积排放量很大, 贡献超过整个油菜季的一半, 在N0-0和N150-0处理中, 第一次施氮肥后一周内N2O累积排放量贡献也较大.而在整个油菜季, N0-0、N150-0、N150-150和N0-150处理N2O累积排放量分别为0.20、0.17、0.92和1.19 kg· hm-2, N150-0、N150-150和N0-150处理N2O排放量分别是N0-0处理的0.85、4.60和5.95倍.另外, 从表 3可以看到, N0-0与N150-0处理之间、N0-150与N150-150处理之间排放结果都没有差异, 而N150-0与N150-150处理之间、N0-0与N0-150处理之间排放结果都差异显著, 而N0-150与N150-150处理之间, 表明N2O排放主要与当季施氮肥有关, 与前一季施氮肥多少无关.

表 3 油菜季N2O累积排放量 Table 3 N2O emission fluxes during rapeseed season from paddy rice-upland crop rotation field
3.3 油菜季土壤可溶性有机氮和无机氮含量的变化

图 4为试验期间油菜季土壤可溶性有机氮(DON)含量动态.由图可知, 不同施氮肥处理之间可溶性有机氮含量差异明显.对于N150-150和N0-150处理, 3次施肥后都出现了相应的土壤DON含量峰值, 分别为: 2016年10月24日, 施用基肥后第2 d, 土壤DON含量达到了44.93 mg·kg-1和44.25 mg·kg-1的峰值；2016年12月22日, 追肥后第3 d, 达到峰值17.56 mg·kg-1和17.00 mg·kg-1；2017年2月21日, 追肥后第5 d, 达到峰值15.15 mg·kg-1和25.55 mg·kg-1.3次峰值中以第一次最为明显, 每次峰值持续大约2~3周, 之后DON含量降低.而对于N0-0和N150-0处理, 在整个油菜季中土壤DON含量并无明显的峰值.

图 4 油菜季可溶性有机氮(DON)含量动态图 Fig. 4 Changes in soil DON content during rapeseed season

图 5为油菜季土壤中无机氮(NH4+-N和NO3--N)含量变化(以干土重计).在油菜生育期, 肥料施入土壤后, 土壤无机氮迅速增加.N150-150、N0-150处理的NH4+-N含量(图 5a)在施基肥当天(2016年10月23日)达到峰值为64.28 mg·kg-1和67.68 mg·kg-1；在第一次追肥后第3 d(2016年12月21日)达到峰值为39.71 mg·kg-1和43.90 mg·kg-1；在第二次追肥后第5 d(2017年2月21日)达到峰值分别为44.29 mg·kg-1和57.29 mg·kg-1.在N0-0、N150-0处理中, 土壤NH4+-N含量始终没有出现明显的峰值, 一直呈现平稳状态.

图 5 油菜季无机氮含量动态图 Fig. 5 Changes in NH4+-N content (a) and NO3--N content (b) in soil

与NH4+-N相似, 在N150-150和N0-150处理中也分别出现了硝态氮(NO3--N)含量峰值(图 5b), 第1次峰值分别为66.06 mg·kg-1和74.48 mg·kg-1；第2次峰值分别为62.55 mg·kg-1和46.33 mg·kg-1；第3次峰值分别为51.71 mg·kg-1和52.72 mg·kg-1.而与NH4+-N不同的是, N0-0和N150-0处理在施肥后出现了较小的NO3--N含量峰值, 可能是施P、K肥促进了微生物活动, 促进了一部分土壤有机氮矿化为NO3--N.所有处理中, 土壤无机氮含量每次高峰期持续约2周, 之后保持稳定趋势.

3.4 N2O排放通量与土壤指标的关系

表 4为N2O排放通量与土壤充水孔隙率、5 cm地温(T)、土壤无机氮和DON含量的相关系数.由表可知, 仅N150-150和N0-150处理中N2O排放通量与WFPS、DON含量和无机氮含量都具有显著相关关系.

表 4 N2O排放通量与土壤充水孔隙率、5 cm地温、土壤无机氮和DON含量的相关系数 Table 4 Correlation coefficients between N2O fluxes and WFPS and soil temperature of 5 cm depth and inorganic nitrogen or DON content
4 讨论(Discussion) 4.1 土壤WFPS和温度对N2O排放的影响

在本研究中油菜季N0-0和N150-0两处理的N2O排放通量与土壤孔隙充水率均无显著相关性(p＞0.05, 表 4), 而在N150-150和N0-150两处理中, N2O排放通量与土壤孔隙充水率均有显著相关性(p＜0.05, 表 4).这与其他研究结果一致(郑循华等, 1997；Mosier et al., 1986).本油菜季中, 70%~90%的N2O排放量观测值出现在WFPS介于55%~75%的条件下.因为WFPS介于40%~75%时, 硝化细菌和反硝化细菌活性最强(封克等, 1995), 相较于其他WFPS含量更有利于N2O的产生和排放.

土壤温度的高低直接影响着微生物的活性(蔡延江等, 2012).据研究, 15~35 ℃是硝化作用微生物活动的适宜温度范围, 在这范围内, 随着温度的升高, 土壤微生物的硝化和反硝化作用加强(焦燕等, 2003；徐惠等, 1996；Pilegaard, 2013).对N2O排放通量与地下5 cm处土壤温度之间相关分析表明, 4种处理中, N2O排放通量与土壤温度均无显著相关性(p＞0.05, 表 4).可能是因为在施肥后, 施氮肥造成的肥料效应部分掩盖了气温、土壤温度的效应(项虹艳等, 2007; Qu et al., 2014), 与部分研究结果一致(项虹艳等, 2007；董玉红等, 2007).另外, 本试验油菜季生长期的气温较低, 土壤温度变化小, 地下5 cm最高温度为19.4 ℃, 低于最适范围(25~35 ℃).而同时降水少, 湿度变化小.故土壤温度对N2O排放通量影响不大.

在本研究3月31日和4月16日的观测中, N150-150、N0-150中土壤N2O排放通量增加正是因为在观测前出现了2次大的降雨, 土壤湿度显著增加, WFPS达到60%~70%, 加之此时的气温(17.6~28.6 ℃)和土壤温度(14.4~19.4 ℃)相对较高, 微生物活性较强, 土壤硝化与反硝化作用共同促使土壤N2O的大量产生和排放.但在2016年12月—2017年2月期间, 虽然WFPS较大(36.5%~70.0%), 利于微生物活动, 但气温和土壤温度较低(4.1~25.9 ℃和4.7~13.7 ℃), 限制了硝化和反硝化作用, 所以N2O的产生和排放较少.

4.2 N2O排放与氮肥施用的关系

从本研究结果看, 水旱轮作体系水稻施氮肥与否(高低)对油菜季N2O排放没有显著影响.这是因为在水稻季生长周期内, 不管施氮肥与否(高低), 随着水稻生长吸收和氮的挥发, 土壤活性氮最终会保持一定含量持续到下一季, 但不足以促进下一季土壤N2O排放(郑循华等, 1997；蔡祖聪等, 2009).当季(油菜季)在施用基肥或追肥后产生N2O排放高峰, N2O排放量顺序呈N0-150＞N150-150>N0-0＞N150-0, 其中N150-150和N0-150处理的N2O排放量显著高于N150-0和N0-0处理(p＜0.05).N150-0、N150-150和N0-150的累积排放量分别是N0-0处理的0.85、4.60和5.95倍.这主要是因为施氮肥导致土壤DON含量和无机氮含量迅速增加, 从而为微生物硝化和反硝化作用提供充足的氮源, 促进土壤N2O的产生和排放, 本研究结果与前人研究结果一致(梁东丽等, 2007；曾泽彬等, 2013；王琳等, 2016).在整个油菜生长期间, 土壤DON含量和无机氮含量变化趋势与土壤N2O排放通量变化趋势较一致.Pearson相关性分析表明, 施氮肥处理中N2O排放通量与DON含量和土壤无机氮含量之间存在极显著正相关性(p＜0.01, 表 4).可见, 施氮肥显著促进了土壤N2O排放量.两次追肥后, 土壤无机氮含量也很高, 而N2O排放峰值明显小于第一个排放峰值, 这是因为追肥时气温和土壤温度较低, 微生物活性受到抑制(徐惠等, 1996；刘韵等, 2016), 产生的N2O量不多, 故N2O排放峰值不大.

然而, 有研究表明土壤N2O排放高峰的形成主要是施肥与降水、温度交互作用的结果(刘运通等, 2008；邹晓霞等, 2011).本研究中, 相比不施氮肥, 施氮肥后WFPS与N2O的排放存在显著正相关关系(表 4), 这说明氮肥与WFPS对影响N2O的排放存在明显交互作用.

5 结论(Conclusions)

1) 华中地区水旱轮作模式下油菜季土壤N2O排放主要与当季施氮肥有关, 与前一季施氮肥无关, 且N2O排放主要集中在施基肥后1周内, 油菜季施氮肥处理中, 1周内的N2O累积排放量贡献整个油菜季累积排放量一半以上.

2) 施氮肥造成土壤DON和无机氮(NO3--N和NH4+-N)含量的显著增加是油菜季土壤N2O出现排放高峰的主要驱动因子, N2O均在施肥后第2~5 d出现排放峰值.

3) 土壤WFPS的变化也是影响N2O排放的重要环境因子, 且氮肥与WFPS对影响N2O的排放存在明显交互作用.

参考文献
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