辣椒地土壤氮素反硝化损失与N2O排放研究

丁洪，张玉树，王跃思，颜明娟，秦胜金，胡晓霞

（1.福建省农业科学院土壤肥料研究所，福建福州，350013；2.中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室LAPC）

辣椒地土壤氮素反硝化损失与N2O排放研究

丁洪1，2，张玉树1，王跃思2，颜明娟1，秦胜金1，胡晓霞1

（1.福建省农业科学院土壤肥料研究所，福建福州，350013；2.中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室LAPC）

在种植辣椒的菜地土壤原位条件下，应用原状土柱培养-乙炔抑制法测定辣椒地土壤氮素反硝化损失与N2O排放量。试验结果表明，辣椒地土壤具有较高的硝化与反硝化活性，而且随着施氮量的增加，氮素反硝化损失量显著提高。辣椒生长季节不施肥、常规施氮和高氮施肥条件下辣椒地土壤反硝化损失和N2O排放量分别为3.62 kg/hm2、6.68 kg/hm2、16.13 kg/hm2和1.09 kg/hm2、7.06 kg/hm2、25.06 kg/hm2，其中常规施氮处理的土壤反硝化损失和N2O排放量分别占施肥量的1.36%和2.65%，高氮施肥处理分别占施氮量2.78%和5.33%。辣椒地土壤氮肥经反硝化途径损失的比例不高，但产生较高的N2O排放对大气环境造成较大影响。

辣椒地；氮肥；反硝化；氧化亚氮

硝化反硝化作用是土壤氮素循环的两个重要环节，在其生物化学过程中产生的N2O和N2，不但会引起氮素损失，降低氮肥利用率，还会增加大气中的温室气体浓度，给环境带来为害[1～2]。然而通过硝化反硝化作用损失的氮素和N2O排放量到底有多少,目前报道不一。有学者认为氮肥通过硝化反硝化损失率高达16%～41%[3]，有人认为氮肥损失中有30%缘于反硝化作用，在多种蔬菜上的测定结果表明，所施氮肥的14%～52%通过反硝化损失[4]。然而也有人认为，在温暖地区和大多数热带农业系统中，反硝化作用不可能是氮肥损失的重要途径[5～6]。有人在小麦和小麦—玉米轮作系统中的研究结果表明，氮肥反硝化损失率很低，也认为反硝化不是氮肥损失的主要机制[7]。

目前国内在蔬菜地原位条件下进行的土壤反硝化损失和N2O排放研究较少，已有的研究结果差异也比较大。梁东丽等人在陕西大白菜地上测定的N2O排放量为0.69～1.40 kg/hm2，占施氮量的0.14%～0.66%[8]，而曹兵等人在南京番茄地上测定的N2O排放量为21.36～25.36 kg/hm2，占施氮量的2.62%～4.72%[9]。丁洪等在茄子地（多年种植蔬菜）上测定的N2O排放量为33.8 kg/hm2，占施氮量的8.6%[10]。造成这些差异的原因可能与不同气候、土壤条件和不同作物系统等因子有关[11～12]。因此本试验开展了辣椒-土壤系统反硝化损失和N2O排放量研究，旨在为土壤氮素损失和N2O排放量估算提供参考。

1 材料与方法

1．1 试验材料

①试验土壤基本理化性状 试验于2007年在福建省农科院试验地进行，耕层土壤基本理化性质：全氮含量为1.75 g/kg，速效氮为158.422 mg/kg，速效磷为74.26 mg/kg，速效钾为93.28 mg/kg，容重为1.32 g/cm3，pH值为5.51。

②供试作物 辣椒品种为湘椒16号，于4月27日移栽，6月7日开始采摘，8月14日采摘完毕，总生育期109 d，种植密度为4.4万株/hm2。

1.2 试验处理

试验设3个处理，分别为CK（不施肥）、常规施氮和高氮施肥，氮肥施用量分别为0，225，450 kg/hm2（用N0、N225 N450表示），磷、钾施肥量均为P2O5120 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2。氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。磷肥全部作基肥于移栽前施入，氮肥和钾肥的50%作基肥于移栽前撒施后耙入土中，50%作为追肥分别于5月17日和6月21日施用（每次追肥各占追肥量的50%），撒施后松土并浇水。

1.3 田间N2O气体采集与分析测试方法

试验采用原状土柱培养-乙炔抑制法[13]，采用PVC材料制作成12.5 cm×15 cm的圆形培养桶，底部密封，桶侧面和桶盖各有一抽气或充气孔，用橡皮塞塞住，桶与盖之间垫上一密封圈，用螺丝固定使桶与盖密封。每个桶中放入8个用内径3.2 cm的不锈钢土钻取出15 cm长的原状土柱，每个小区取2桶土样，一桶不充乙炔气体用于测定N2O排放量，另一桶充乙炔气体用于测定反硝化损失量（乙炔浓度10%）。密封后埋在地里24 h，然后用注射器抽取20 mL气体注入18 mL的真空玻璃瓶中，带回室内进行分析。

土壤样品采用常规农化分析方法测定[14]，气体样品分析应用美国惠普公司产的HP6890气相色谱，色谱柱为填充80/100目porapak Q的填充柱，柱温45℃，检测器温度380℃，EC检测，定量六通阀进样，进样量1 mL，载气为5%Ar-CH4，流速20 mL/min。

N2O气体质量的计算方法如下：N2O（kg/hm2）=M×1.25×10-9×（V1-V2）/S×10 000/1 000，式中：M为N2O气体浓度 （g/mL），V1、V2分别为培养桶和土壤的有效体积（mL），S为土柱面积（m2）。

2 结果与分析

2.1 辣椒地土壤铵态氮与硝态氮含量随时间的变化

从图1、图2可以看出，在辣椒生长季中不施肥处理的土壤硝态氮和铵态含量均维持在较低水平，而施肥处理的土壤硝态氮和铵态氮含量有明显的变化幅度。基肥施用后，在土壤脲酶作用下尿素水解成铵态氮，使土壤中的铵态氮含量逐渐升高，然后降低；而这时期土壤中硝态氮的含量较低。追肥后土壤中铵态氮含量又有所升高，这个时期的硝态氮含量也开始升高，而且硝态氮含量高于铵态氮。这是由于土壤硝化作用逐渐使铵态氮转化成硝态氮。这一结果表明，辣椒地土壤具有较高的硝化活性。

图1 辣椒地土壤铵态氮含量随时间的变化趋势

图2 辣椒地土壤硝态氮含量随时间的变化趋势

图3 辣椒地土壤反硝化活性随时间的变化趋势

图4 辣椒地土壤N2O排放通量随时间的变化趋势

2.2 辣椒地土壤反硝化活性随时间的变化

由图3中可知，随着施肥量的提高，辣椒地土壤反硝化损失量显著增加。施基肥后反硝化活性出现一个峰值，而后逐渐降低；2次追肥后，又都出现峰值，而且随着施肥量的增加，反硝化损失量的变幅增大。其中N0变幅为0.002～0.156 kg·hm-2·d-1，N225和N450的变幅为0.005～0.213 kg·hm-2·d-1和0.013～0.289 kg·hm-2·d-1。这说明辣椒地土壤也有较高的反硝化活性。

2.3 辣椒地土壤N2O排放量随时间的变化

与反硝化活性变化规律一样，辣椒地土壤N2O排放通量随施肥量的增加而增大 （图4）。对照、常规施氮和高氮施肥处理的土壤N2O排放通量最高峰值分别为0.032，0.219和0.639 kg·hm-2·d-1，而且每次峰值的出现均在施肥、松土和浇水等耕作管理措施之后。这说明辣椒地土壤翻耕和干湿交替调节了土壤的通气性和水分条件从而增强了土壤的硝化反硝化活性，致使N2O排放量增加。这些因子都是调控土壤硝化反硝化活性与N2O排放量的主要因子，因此在耕作管理上应加强对这些因子的调控，达到降低氮素损失和减排的目的。

2.4 辣椒地土壤反硝化活性及N2O排放通量与土壤水分和含氮量的相关关系

土壤反硝化损失与N2O排放通量受诸多因子的影响，如土壤水分、质地、pH值、有机质含量、含氮量、温度和微生物群体量与活性等[15]。但是不同地区、不同季节、不同作物土壤系统中，土壤反硝化活性受各种因子的影响程度不一样。从表1的相关性分析结果来看，辣椒地土壤反硝化活性与土壤含水量极显著相关，与土壤铵态氮及硝态氮含量的相关性随施肥量的增加而增强；当施氮量达到450 kg/hm2时，反硝化活性与土壤铵态氮含量达到显著水平。N2O排放通量与土壤含水量也呈极显著相关。不施肥条件下N2O排放通量与土壤铵态氮含量呈显著负相关，施肥条件下与土壤铵态氮含量呈显著或极显著正相关；与土壤硝态氮含量的相关关系随施肥量的增加而增强，当施氮量达到450 kg/hm2时，N2O排放通量与土壤硝态氮含量达到显著水平，这表明N2O排放量随施氮量增加而显著提高。同时也可以看出，除减少氮肥施用量可以减少土壤反硝化损失和N2O排放量以外，调节土壤水分含量也是一项重要的调控措施。

2.5 辣椒地土壤氮素反硝化损失与N2O排放量

由表2可知，施肥显著增加辣椒地土壤氮素反硝化和N2O排放量，而且随施氮量的增加而增加。不施肥、常规施氮和高氮施肥条件下辣椒全生育期辣椒地土壤反硝化损失和 N2O排放量分别为3.62，6.68，16.13和1.09，7.06，25.06 kg/hm2；其中常规施氮处理的土壤反硝化损失和N2O排放量分别占施肥量的1.36%和2.65%，高氮施肥处理分别占施氮量2.78%和5.33%。

表1 土壤反硝化活性、N2O排放量与土壤水分和含氮量的相关性

表2 辣椒全生育期土壤反硝化损失及N2O排放量

3 结论

①辣椒地土壤有较强的硝化反硝化活性，辣椒全生育期不施肥、常规施氮和高氮施肥处理的反硝化损失量分别为1.09，6.68和16.13 kg/hm2。常规施氮和高氮施肥处理的反硝化损失量分别占施肥量的1.36%和2.78%。

②辣椒地精耕细作，人为干扰强烈，土壤疏松，通气性好，因此菜地土壤具有较高的硝化反硝化活性，因而产生较高的N2O排放量。辣椒全生育期不施肥、常规施氮和高氮施肥处理的N2O排放量分别为3.62，7.06和25.06 kg/hm2。氮肥产生的N2O排放量分别占施氮量的2.65%和5.33%，对大气环境可能产生较大影响。

③本研究结果表明，辣椒地土壤反硝化活性与N2O排放量受施氮量、土壤水分含量和翻耕、松土等耕作措施影响较大，与土壤水分含量成极显著正相关关系。因此，在耕作管理中应该加强施肥与水分管理，调节土壤反硝化活性与N2O排放量。

参考文献

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Denitrification Loss and N2O Emission from Nitrogen Fertilizer Applied to Capsicums Field

DING Hong1,2,ZHANG Yushu1,WANG Yuesi2,YAN Mingjuan1,QIN Shengjin1,HU Xiaoxia1
(1.Institute of Soil and Fertilizer,Fujian Academy of Agricultural Sciences,Fuzhou 350013; 2.LAPC,Institute of Atmospheric Physics,CAS)

The denitrification loss and N2O emission from a capsicums field which was applied with nitrogen fertilizer were investigated by soil core incubation-acetylene inhibition method.The results showed that,nitrification and denitrification activities in capsicums field was high and significantly increased with fertilizer amount.Denitrification loss and N2O emissions from capsicums field with no fertilizer,conventional N fertilizer amount and high N fertilizer amount were 3.62,6.68,16.13,1.09,7.06,25.06 kg/hm2,respectively,which accounted for 1.36%,2.65%and 2.78%,5.33%of applied nitrogen fertilizer.The proportion of fertilizer N loss from denntrification in capsicums field was not high,but the N2O emission amount from nitrification and denntrification was relative higher,which had significant impact on the atmosphere environment.

Capsicums field;Nitrogen fertilizer;Denitrification;Nitrous oxide

10.3865/j.issn.1001-3547.2010.08.029

福建省自然基金重点项目（2006J0009），福建省自然基金项目（2008J0120），福建省科技厅公益性项目（闽财指[2009]0584-4）和省财政专项-福建省农业科学院科技创新团队建设基金（编号：STIF-Y01）

丁洪（1965-），男，博士，研究员，主要从事植物营养与施肥研究，E-mail:hongding@China.com

2010-03-05