2018, Vol. 38
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2. 西北农林科技大学水土保持研究所, 杨凌 712100;
3. 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 杨凌 712100
2. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F University, Yangling 712100;
3. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Insitute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100
气候变暖已成为当今全球性的环境问题.据估计, 1880-2012年全球平均温度已上升0.85 ℃, 预计到2025年全球气温将比100年前上升2 ℃, 到2100年将上升4 ℃(曹志洪, 2003；沈永平等, 2013).气候变暖的主要原因被认为是由于人类活动导致大气中温室气体的不断增加(IPCC, 2014).二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)被认为是对全球气候变化影响最大的3种温室气体, 其对温室效应的贡献率分别为76.7%、14.3%、7.9%(Kuppusamy et al., 2016；Awasthi et al., 2016；Ameloot et al., 2016).农业活动是温室气体的主要来源之一, 占人类活动排放总量的10%~20%, 且在不断增加(Smith et al., 2007；李露等, 2015；谭月臣等, 2016).但现有研究也表明, 农田温室气体减排的潜力是巨大的(Li et al., 2006；Ussiri et al., 2017).
有机肥因能够改善土壤理化性质、保持土壤肥力和增加作物产量的双重效果而被广泛应用(王立刚等, 2004).而同时, 由于其带入土壤大量的碳和氮, 因而有机肥的施用可能会对农田温室气体排放产生较大的影响.关于有机肥施用对温室气体排放的研究有很多, 大多集中于南方水稻土、华北潮土、东北黑土等(Zhu et al., 2013；郭腾飞等, 2016；李燕青等, 2015；陈哲等, 2016), 而在黄土高原旱作农田, 对温室气体排放的研究相对较少, 且研究结果存在不一致性(阎佩云, 2013；翟洋洋等, 2015).中国旱地农业面积占耕地总面积的50%, 有机肥由于其在旱地农田中显著地增产作用而被广泛应用.作为旱地的主要胁迫因子, 水分供应不足是小麦产量的主要限制因子(王彩绒等, 2004).土壤含水量显著影响多种温室气体的排放, 而农田水分管理被认为是减缓农田N2O与CH4排放的重要措施(Minamikawa et al., 2005；Tyagi et al., 2010).补充灌溉可以协调土壤中的水肥关系, 是旱区一种有效增产的水分管理措施(程宪国等, 1996；高亚军等, 2008；刘文国等, 2006), 而拔节期是生物学产量的水分高效补偿期及经济产量的补充期(王俊儒等, 2000), 因此, 确保该时期的水肥供应对小麦高产具有重要意义.有机肥配合补充灌溉是已经获得证实的旱区高产模式(王明英等, 2013), 但是关于在半干旱半湿润区有机肥及补充灌溉在增产的同时对农田温室气体的影响还并不清楚.
本研究以冬小麦“长旱58”为研究对象, 研究在黄土高原旱作区施用有机肥及补充灌溉对农田CO2、CH4、N2O排放规律及综合增温潜势(Global warming potential, GWP)的影响, 并计算其温室气体排放强度(Greenhouse gas intensity, GHGI), 明确施用有机肥及补充灌溉对冬小麦的增产潜力及对温室气体排放的影响, 以期在高产稳产的基础上实现经济效益与环境效益协调发展.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验区概况田间试验于2016-09-2017-06在黄土高原中南部的陕西省中科院水利部水土保持研究所长武试验站(107°44.70′ E, 35°12.79′ N)进行, 该地海拔高1220 m.属暖温带大陆性季风气候, 年均降雨581 mm, 主要集中于夏季.年日照时长2226.5 h, 年均气温9.2 ℃, 无霜期171 d, 地下水埋深50~80 m, 属典型旱作雨养农业区.土壤类型为黄盖黏黑垆土, 质地中壤, 土层均匀疏松, 土壤肥力中等.供试土壤(0~20 cm)基本理化性质为：有机质(9.92±0.75) g · kg-1, 硝态氮(4.49±0.24) mg · kg-1, 铵态氮(1.22±0.16) mg · kg-1, 速效磷(9.54±1.06) mg · kg-1, 速效钾(127.02±8.42) mg · kg-1, 容重(1.30±0.11) g · cm-3, pH (8.4±0.06)(n=6).试验期间大气温度及降雨如图 1所示.
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| 图 1 冬小麦生育期大气温度及降雨 Fig. 1 Air temperature and precipitation during the growth period of winter wheat |
试验共设置3个处理, 分别为N：单施氮肥(对照)；NM：氮肥+有机肥(施用量为45×103 kg · hm-2)；NMW：氮肥+有机肥(施用量为45×103 kg · hm-2)+拔节期灌水30 m3.采用随机区组设计, 试验重复3次.小区面积4×10 m2, 冬小麦品种为“长旱58”, 播量为150 kg · hm-2.各处理在播前施N(尿素)量均为120 kg · hm-2, 施P(过磷酸钙)量90 kg · hm-2, 拔节期追施N(尿素)量60 kg · hm-2.所施用有机肥为农家羊粪(有机质含量为168.6 g · kg-1, 全氮含量为18.3 g · kg-1, C/N为15.9).于小麦成熟收获期, 各小区取5 m2地上植物样, 风干脱粒测定籽粒产量.
2.3 温室气体采集与监测采用静态箱-气相色谱法进行监测.静态箱由密闭顶箱(70 cm×50 cm×30 cm)和底座(50 cm×30 cm×15 cm)组成.顶箱与底座均用不锈钢材料制成, 顶箱内装小风扇以便混匀箱内气体, 外覆保温材料, 箱体有采样口和温度探头.小麦播种后根据小区规划, 安装采样箱底座, 整个生育期不再移动, 同时, 地表(0 cm)及地下(10 cm)埋上温度传感器, 用于测定地温.采样时, 将顶箱安装固定在底座上, 用50 mL注射器分别在0、10、20、30 min抽取箱内气体, 同时记录箱内温度、地表(0 cm)及地下(10 cm)温度；采样结束后, 带回实验室用气相色谱仪分析.施肥以后连续监测1周, 之后每周监测1次, 期间遇10 mm以上降雨, 再加测1次；拔节期追肥及灌水以后再连续监测1周, 直至小麦收获.采样时间固定在上午8：30-11：30之间.气体样品当天用气相色谱仪(Agilent 7890A)测定.仪器装有电子捕获检测器ECD和FID检测器, 高纯氮气(99.9999%)为载气, 气流量为21 mL · min-1.样品中的N2O在60 ℃的填充柱中分离进而在300 ℃条件下的ECD测定, 样品中CO2通入H2先经Ni催化转化为CH4后再进入FID检测器分析.检测器工作温度为200 ℃, 柱温为80 ℃, 燃气为高纯氢和空气(李晓莎, 2016).CO2、N2O、CH4气体排放速率计算公式为(蔡祖聪等, 2009)：
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式中：F为CO2、N2O、CH4的排放或吸收速率(N2O单位为μg · m-2 · h-1, CO2及CH4单位为mg · m-2 · h-1)；k1为单位量纲之间的转换系数；P0为箱内大气压(hPa)；P为试验地标准大气压(1013 hPa)；T为采样箱内平均温度(℃)；M为CO2、N2O、CH4的分子量(g · mol-1)；V为273 K和1013 hPa标准状态下气体的摩尔体积(22.4 L · mol-1)；H为采样箱高度(m)；dc/dt为单位时间内采样箱内气体浓度变化速率(μL · L-1 · h-1).
基础指标按照土壤农化分析中的方法测定(鲍士旦, 2000).土壤含水量采用烘干法测定；土壤硝、铵态氮采用1 mol · L-1 KCl浸提-AA3型连续流动分析仪测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量-外加热法；土壤速效磷采用0.5 mol · L-1 NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；土壤速效钾采用1 mol · L-1 NH4OAc浸提-火焰光度法.
2.4 数据处理季节累积排放总量计算公式(Mosier et al., 2006；肇思迪等, 2017)为：
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(1) |
式中：M为CO2、N2O、CH4排放或吸收总量(kg · hm-2)；F为CO2、N2O、CH4排放或吸收速率(mg · m-2 · h-1)；i代表采样次数；t为采样时间.
综合增温潜势(GWP)：100年时间尺度上CH4的GWP为CO2的28倍, N2O的GWP为CO2的265倍, 计算二氧化碳当量(IPCC, 2013；Hu et al., 2016).
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(2) |
式中：fN2O为N2O累积排放总量(kg · hm-2)；fCH4为CH4累积排放总量(kg · hm-2).
温室气体排放强度(GHGI)(g CO2-eq · kg-1)(Shang et al., 2011；Zhang et al., 2012)计算公式为：
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(3) |
式中：GWP为综合增温潜势(kg CO2-eq · hm-2)；Y为单位面积平均产量(kg · hm-2).
土壤空隙含水量(WFPS)计算公式为：
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(4) |
采用Microsoft Excel 2007进行数据整理和绘制图表, SPSS18.0统计软件进行方差分析及温室气体与各影响因素之间的相关性分析, 用最小显著差异法(LSD)进行差异显著比较.
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 有机肥及补充灌溉对土壤温度、水分及无机氮含量的影响由图 2可知, 整个生育期各处理的土壤温度变化趋势基本一致, 地表(0 cm)温度的范围是-2.1~30.4 ℃, 10 cm土壤温度范围是-1.9~25.3 ℃.N、NM、NMW处理的地表(0 cm)平均温度分别为11.5、12.0、13.0 ℃, 10 cm土壤温度分别为10.2、10.4、10.1 ℃.土壤充水孔隙度(WFPS)主要受降雨及灌水的影响, 生育期变化范围为25.0%~61.5%, 各处理平均WFPS分别为：44.7%、44.8%、47.7%.对各处理土壤温度及WFPS进行差异显著性分析, NM、NMW处理显著增加了地表土壤温度, 而对10 cm地温影响不显著, NMW处理显著增加了土壤含水量(p < 0.05).
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| 图 2 不同处理土壤温度及土壤充水孔隙度的变化规律 Fig. 2 Variation of soil temperature and water-filled pore space in different treatments |
图 3中N、NM、NMW处理的土壤NO3--N含量变化范围分别为4.4~50.6、2.3~45.8、2.6~45.5 mg · kg-1, 生育期平均NO3--N含量分别为21.9、18.2、18.8 mg · kg-1；NH4+-N含量在整个生育期变幅不大(除拔节期追肥以后显著增加), 各处理的变化范围分别为0.1~9.4、0.1~14.8、0.4~16.4 mg · kg-1, 生育期平均NH4+-N含量分别为2.4、3.7、3.2 mg · kg-1.增施有机肥以后土壤NO3--N含量显著降低, NH4+-N含量各处理之间差异不显著(p < 0.05).
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| 图 3 不同处理土壤硝态氮及铵态氮含量的变化规律 Fig. 3 Variation of soil NO3--N and NH4+-N contents in different treatments |
CO2排放速率随作物生长发育的加速而逐渐加快, 接近成熟期其排放速率降低(图 4a).小麦播种期到11月底, N、NM、NMW处理的CO2平均排放速率分别为64.1、72.3、59.4 mg · m-2 · h-1, 处理间差异不显著；进入越冬期(12月-2月底), 各处理的CO2平均排放速率维持在46.5~48.4 mg · m-2 · h-1之间；返青期-拔节期追肥之前(3月-4月中旬), 温度逐渐回升, CO2排放速率加快, N、NM、NMW处理的CO2平均排放速率分别为130.1、165.7、134.1 mg · m-2 · h-1；从拔节期追肥及灌水一直到6月初, CO2排放速率达到生育期最高峰, N、NM、NMW处理的CO2排放速率显著上升, 分别为494.9、595.2、718.6 mg · m-2 · h-1, 其中, NMW处理的CO2平均排放速率比N处理显著增加了45.2%.
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| 图 4 有机肥及补充灌溉对麦田CO2、N2O、CH4排放速率的影响 Fig. 4 Flux rules of CO2, N2O and CH4 on manure and supplementary irrigation |
N2O排放峰均出现在施肥、降雨或灌水后(图 4b).施肥播种以后, 出现了N2O第一个排放高峰, 其中, N、NM、NMW处理的N2O平均排放速率分别为17.4、13.3、11.3 μg · m-2 · h-1；进入越冬期(12月-2月底), N2O平均排放速率分别为1.4、0.3、-1.2 μg · m-2 · h-1, 各处理之间差异不显著；返青期到拔节期追肥及灌水之前(3月-4月中旬), 气温逐渐回升, N2O排放速率略有增加, 分别为3.7、1.4、0.5 μg · m-2 · h-1；拔节期追施氮肥以后, 出现了N2O的第2个排放峰, N、NM、NMW处理的N2O平均排放速率分别为8.0、8.1、11.2 μg · m-2 · h-1.之后由于降雨(5月2-3日(23.4 mm)、5月18-19日(10.6 mm)、6月4-10日(74.8 mm)、6月19日(14.8 mm)), 产生了N2O的4个排放峰.
整个生育期CH4排放量均为负值(图 4c).从播种期到12月份, CH4吸收速率出现波动, 各处理范围为0.02~0.06 mg · m-2 · h-1.进入越冬期(12月-2月初), 土壤温度显著降低, CH4吸收速率处在一个较低的范围(0.02~0.04 mg · m-2 · h-1), 各处理间差异不显著.拔节期灌水以后, NMW处理的CH4吸收量减少, 但与NM处理之间差异并不显著.
3.3 温室气体排放与各影响因子之间的相关性分析表 1 Pearson相关性分析结果表明, CO2排放量与土壤温度、含水量呈显著正相关(p < 0.01), 而与土壤NO3--N及NH4+-N含量之间无相关性；N2O排放量与土壤温度、含水量及土壤NO3--N含量之间呈显著正相关, 与土壤NH4+-N含量呈负相关；CH4吸收量与土壤温度呈显著性正相关, 与土壤含水量呈显著负相关, 而与NO3--N、NH4+-N含量之间无显著相关性.由此可见, 温度、水分及施肥是造成CO2、N2O、CH4排放量差异的主要原因.
| 表 1 温室气体排放与各影响因素的Pearson相关性分析 Table 1 Pearson correlation analysis of greenhouse gas emission and various influencing factors |
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整个生育期各处理CO2累积排放量变化范围为12160.20~15929.74 kg · hm-2, 大小顺序为：有机肥+灌溉(NMW)＞有机肥(NM)＞对照(N)(表 2).与对照相比, NM、NMW处理的CO2累积排放量分别增加了22.8%、31.0%, NM与NMW之间差异不显著.N2O累积排放量为0.48~0.63 kg · hm-2, 大小表现为：对照(N)＞有机肥+灌溉(NMW)＞有机肥(NM).与对照相比, NM、NMW处理的N2O累积排放量分别降低了23.8%、17.5%, NM与NMW之间差异不显著.CH4累积吸收量为1.73~2.12 kg · hm-2, 大小顺序为：对照(N)＞有机肥+灌溉(NMW)＞有机肥(NM).与对照相比, NM、NMW处理的CH4累积吸收量分别降低了18.4%、11.8%.
| 表 2 有机肥及补充灌溉对小麦生育期温室气体累积排放总量的影响 Table 2 Effects of different tillage measures on cumulative emission of greenhouse gases |
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由表 3可以看出, 在100 a尺度下N、NM、NMW处理的综合增温潜势分别为184.51 kg CO2-eq · hm-2、133.52 kg CO2-eq · hm-2、145.34 kg CO2-eq · hm-2.与对照相比, NM、NMW处理的GWP分别降低了27.8%、21.2%, NM与NMW之间差异不显著.对产量进行分析, 与对照相比, NM、NMW处理均显著增加了小麦产量, 增产率分别为24.6%、36.7%.温室气体排放强度大小为：N＞NM＞NMW, NM、NMW的GHGI比N处理分别显著降低了41.9%、42.4%.
| 表 3 有机肥及补充灌溉对综合增温潜势及温室气体排放强度的影响 Table 3 Effects of manure and supplementary irrigation on global warming potential and greenhouse gas intensity |
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农田生态系统中CO2的排放实际是土壤中生物代谢和生物化学过程等所有因素的综合产物(Singh et al., 1997).施肥、灌溉、耕作以及气候变化等共同影响农田土壤生物化学特性, 从而对土壤CO2排放量产生影响(宋利娜等, 2013).前人研究普遍表明有机肥会增加CO2排放(李燕青等, 2015；韩继明等, 2016).本研究结果表明, 有机肥及补充灌溉均可显著增加农田CO2排放量(图 4a, 表 2).表 1相关性分析表明, CO2的排放量与土壤温度及含水量均呈显著性正相关(p < 0.01), 说明土壤温度及含水量是影响CO2排放的主要因素.一方面有机肥颜色较深, 吸热能力强, 增加了地表土壤温度(图 2), 能够改善土壤理化性质, 直接或间接影响微生物活性, 土壤有机质分解加快, 从而增加了CO2排放速率(朱小红等, 2011；武玉等, 2014)；另一方面施用有机肥增加了作物地上部生物量, 植物地上部及根系呼吸作用加强.从拔节期追肥及灌水一直到6月初, 土壤温度升高, 此时小麦生长速度加快, 地上生物量增大, 同时, 有机肥+灌溉(NMW)处理的土壤含水量增加(图 2)促进了根系呼吸以及微生物群落的活性, 增加了土壤呼吸强度, 显著提高了CO2排放量(齐玉春等, 2014；闫翠萍等, 2016).6月下旬, 根系活动及植物呼吸作用减弱, CO2排放速率开始下降.
农田土壤N2O的产生是在微生物的参与下, 通过硝化和反硝化作用完成的(Meng et al., 2005).这些过程受施肥、灌溉、土壤理化性质及气候等的影响.有机肥能改变土壤的C/N比, 增加土壤孔隙度及导水率, 调节农田土壤生物及非生物学过程中N2O的产生与排放(Heil et al., 2016；Zhou et al., 2017).N2O排放峰均出现在施肥、降雨或灌水后, 这与宋利娜等(2013)的研究相吻合.其原因是灌水以后土壤由干变湿含水量增加, 土壤进行干湿交替, 促进硝化与反硝化作用释放更多的N2O.由于播前及拔节期施肥, 土壤无机氮含量增加, 因此产生了小麦生育期的两个排放峰值；越冬期(12月-2月底), N2O排放出现了负值(图 4b), 这可能是由于土壤温度过低(-2.1~6.8 ℃), 会引起铵氧化细菌活性减弱, 其硝化及反硝化作用产生的N2O不足以维持其生存, 其结果就表现为从环境中吸收N2O以供其生存(刘晔等, 1997).目前关于有机肥对旱地N2O排放影响的报道有很多, 但结论不一.张贺等(2013)表明, 增施有机肥显著降低了冬小麦生育期N2O排放量；刘韵等(2016)表明, 与单施氮肥相比, 有机肥与无机肥配施降低了小麦季及玉米季的N2O累积排放量；Yang等(2015)表明, 有机肥施用对麦田N2O排放量增加并不显著；王耀聪等(2016)表明, 增施有机肥显著增加了番茄地N2O排放.这些不可能与作物类型、有机肥类型及土壤C/N比不同有关, 从而影响微生物活动, 影响硝化及反硝化过程, 最终影响N2O的生成与排放.本研究发现, 施用有机肥处理的N2O累积排放量显著降低(表 2), 这一结果与张贺等(2013)的研究一致.其原因可能是有机肥施入土壤需要经过养分的矿质化过程, 在此过程中微生物对有机碳进行分解, 需要固定土壤中的氮素, 使得微生物可以直接利用的无机氮减少, 从而降低了N2O排放(毕智超等, 2017；沈仕洲等, 2015)；还可能是因为有机肥较单施化肥增加了土壤C/N比, 在一定程度上抑制了硝化作用, 降低了土壤中硝态氮含量(图 3), 由此可能减少了硝化作用产生的N2O(勾继等, 2000).另外, N2O排放量与土壤温度、含水量及NO3--N含量呈显著性正相关(表 1), 充分显示了降雨、灌溉以及施肥对N2O排放的影响.
旱地土壤为大气CH4的“汇”.本试验结果表明, 有机肥及补充灌溉均可降低土壤对CH4的吸收(表 2).这与谢立勇等(2011)得到的结果一致, 在维持土壤氮、磷、钾含量基本不变时, 旱地施有机肥会降低CH4吸收.这可能与有机肥增加了土壤中NH4+-N含量有关(图 3), 原因是NH4+-N与CH4的氧化相互排斥, NH4+-N能够抑制土壤对CH4的吸收；还可能是因为外加碳源改变了土壤微生物活性, 降低了CH4的氧化速率, 因此CH4吸收减少(胡荣桂等, 2004).另外, 表 1相关性分析表明, CH4吸收量与土壤温度呈正相关, 而与土壤含水量呈负相关, 这与阎佩云(2013)的研究结果一致.小麦越冬期(12月-2月初), 由于土壤温度显著降低, 微生物活性较低, CH4吸收速率处在一个较低的范围(0.02~0.04 mg · m-2 · h-1)；返青期开始以后温度逐渐回升, CH4吸收量逐渐增加(图 4c), 在一定范围(20~30 ℃)温度的升高能增加CH4的氧化率(周叶锋等, 2008), 因此CH4吸收量升高.拔节期灌水以后, 有机肥+灌水(NMW)处理的CH4吸收量减少, 相对于其他处理来说, 土壤含水量增加一方面降低了土壤的通气性, 另一方面还抑制了大气中CH4向土壤中扩散, 从而降低了土壤对CH4的吸收氧化速率(田慎重等, 2012；裴淑玮等, 2012).
农田水肥管理的目的是提高作物产量, 在分析温室气体减排的同时, 应将作物产量考虑在内(邬刚等, 2013).本研究结果表明, 施用有机肥及补充灌溉均显著增加了小麦产量, 这与已有研究结果一致(韩晓增等, 2010；刘韵等, 2016；翟丙年等, 2005；王明英等, 2013).养分及水分供应是作物生长的基础, 有机肥能增加土壤有机质和各种养分, 它不仅是作物养分的直接供给源, 又可活化土壤中潜在养分和增强生物学活性, 因而增加了作物产量(韩晓增等, 2010).充足的水分促进了作物对养分的吸收利用, 拔节期是生物学产量的水分高效补偿期及经济学产量的补偿有效期(王明英等, 2013), 因此, 在该时期进行补充灌溉可以协调土壤中的水肥关系, 达到增产的作用.全球增温潜势(GWP)主要由N2O贡献, 其在100年尺度上的值远远大于CH4(周凤等, 2017), 且CH4在旱地土壤中被吸收对环境是有利的, 而温室气体排放强度(GHGI)其优势在于将温室效应与作物经济产量相结合.本研究中, 与单施氮肥(N)相比, 有机肥处理显著增加了小麦产量, 而降低了GWP, 因而使得GHGI显著降低(表 3).与有机肥处理(NM)相比, 有机肥+灌溉处理(NMW)显著增加了小麦产量, 而对GWP影响并不显著.由此可见, 在施用有机肥的基础上配合灌溉能够实现作物高产与环境效益的统一, 可作为旱地农田推荐的一种管理措施.
5 结论(Conclusions)有机肥(NM)、有机肥+拔节期补充灌溉(NMW)均能在增加作物产量的同时, 降低综合增温潜势(GWP)及温室气体排放强度(GHGI).与单施氮肥(N)相比, NM及MMW处理产量分别增加了24.6%、36.7%, 而GHGI分别降低了41.9%、42.4%.说明在施用有机肥的同时进行补充灌溉, 能进一步提高作物增产潜力, 降低温室效应.
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