追氮方式对夏玉米土壤N2O和NH3排放的影响

刘 敏, 张 翀, 何彦芳, 高 兵, 苏 芳, 江荣风, 巨晓棠*

(1中国农业大学资源与环境学院，北京 100193; 2环境保护部环境工程保护中心，北京 100012)



追氮方式对夏玉米土壤N2O和NH3排放的影响

刘 敏1, 张 翀1, 何彦芳2, 高 兵1, 苏 芳1, 江荣风1, 巨晓棠1*

(1中国农业大学资源与环境学院，北京 100193; 2环境保护部环境工程保护中心，北京 100012)

有研究结果表明，硝化抑制剂通过减缓铵的转化速率，能够显著降低铵态氮肥施用后土壤N2O排放[8]。也有研究报道，硝化抑制剂在减少N2O排放的同时会促进土壤NH3挥发[9]。条施覆土被看作是减少土壤NH3挥发的有效措施[10]。已有研究表明，条施会造成大量无机氮的聚集，进而累积亚硝态氮[11]。已往有关华北平原农田土壤N2O排放及影响因素的研究，报道了土壤N2O排放与土壤铵态氮、 硝态氮之间的关系[12-14]，但对亚硝态氮较少关注。有研究指出，土壤亚硝态氮累积与N2O排放有明显相关性[11， 15]。也有研究表明，华北平原潮土施用铵态氮肥后易于累积亚硝态氮[11,16-17]，但此类研究集中于室内培养，田间试验少见报道。目前在华北平原田间原位条件下，同时研究不同追施氮肥方式下，N2O排放、 NH3挥发及土壤亚硝态氮累积的报道还较缺乏。

本研究拟通过华北平原夏玉米季田间试验，研究不同追氮方式(均匀撒施、 均匀撒施+硝化抑制剂和条施覆土)对N2O排放、 NH3挥发及农田土壤亚硝态氮累积的影响，为降低土壤N2O排放和NH3挥发对环境的影响提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验点概况

1.2试验设计与田间管理

试验于2014年夏玉米季十叶期追肥前1天(7月23日)至追肥后第15天(8月8日)进行。试验设3个处理，3次重复，小区面积12 m2(3 m×4 m)。3个处理为: 1) 对照，农民习惯追施氮肥方式—撒施(BC); 2) 撒施添加10%的硝化抑制剂DCD(BC+DCD); 3) 条施覆土(Band)。条施带位于两行玉米中央，开沟宽度为5 cm，深度为10 cm。前茬小麦收获后秸秆还田，直接播种夏玉米，品种为郑单958。行距60 cm，株距22 cm。夏玉米底肥施N 100 kg/hm2，肥料类型为N-P2O5-K2O含量为16-16-16的复合肥，肥料品牌为撒可富。底肥施用方式为均匀撒施，施肥后灌水60 mm。7月24日以尿素形式(含N 46%)追N 150 kg/hm2，各处理追肥方式如前所述。为模拟降雨前撒施氮肥的农民习惯追肥方式，所有处理施肥后均匀灌水20 mm。其它田间管理按当地农民习惯进行。玉米成熟期采集植株样品测定产量及吸氮量。

1.3测试项目与方法

1.3.1 气体样品采集与测定 1)0—20 cm土壤N2O及O2浓度测定采用土壤气体平衡管，于追肥前1天和追肥后第1、 3、 5、 7、 9、 11、 13、 15天，9次采集0—20 cm土层气体测定土壤N2O及O2浓度。土壤气体平衡管管壁布满小孔，内部气体与土体气体可达到平衡，内径2.5 cm，高20 cm，管内气体体积约98.1 mL。土壤气体平衡管的具体设计以及原理参见文献[18]。处理BC、 BC+DCD追肥方式为均匀撒施，故每个小区1个土壤气体平衡管垂直埋于0—20 cm深土层，测定土壤N2O及O2浓度。处理Band追肥方式为条施覆土，为反映条施覆土对N2O及O2浓度造成的空间变异，将土壤气体平衡管垂直埋于距施肥带0 cm(Band 0)、 10 cm(Band 10)、 20 cm(Band 20)、 30 cm(Band 30)处0—20 cm土层。土壤气体平衡管于7月22日采用土钻打孔的方式埋入土壤，7月23日进行了追肥前第1次采气，7月24日追肥，自7月25日每隔1天采一次气，直至第15天试验结束。在采气时，先用50 mL注射器抽取平衡管中部分气体，并将抽取的气体缓慢推回平衡管，往复3次，使管内气体混合均匀。随后采集平衡管中气体10 mL。气体采集完毕立即关闭平衡管，使其处于密闭状态。采用气相色谱(SHIMADZU GC-14B, Kyoto, Japan)测定N2O浓度。气相色谱采用99.999%的高纯氮气作载气，并以10%的CO2混合气作为补偿气[19]。N2O气体采集后，采用泵吸式O2浓度测定仪(HCX-O2)直接连接平衡管测定O2浓度。

2) 土壤N2O排放通量测定采用静态暗箱法-气相色谱法[19]测定土壤N2O排放通量。采样箱采用不锈钢材料制成，分为顶箱和地箱。顶箱规格为50 cm×50cm×30 cm(长×宽×高)，箱外加包5 cm厚泡沫以保证盖箱期间箱内温度变化小于3℃。地箱为50 cm×50 cm×15 cm，地箱顶部有密封水槽，四周均匀打孔，以保证水肥畅通。地箱于实验开始前一周打入玉米行间土壤。追肥时按照前述处理追肥方式进行地箱内单独施肥。其中处理Band根据施氮量换算为小区施氮量后，除以施肥条带条数后即为每条施肥带施氮量，每条施肥条带均匀施肥。N2O排放测定与0—20 cm土壤N2O及O2浓度测定同步。采气时，在地箱水槽中加水扣箱密封，密封开始为“0”时刻采气，而后在第10、 20和30 min分别采用50 mL注射器采气20 mL气体，每个箱子采集4针气体。气体采集后N2O测定同0—20 cm土壤N2O浓度测定。最后，采用线性插值法计算实验期间的N2O累计排放量[14]。

N2O排放通量计算公式:

F=k1×P0/P×273/(273+T)×M/V×H×dc/dt其中，F代表气体排放通量，单位为N2O-N μg/(m2·h); k1是单位量纲之间的转换系数(0.001); P0是箱内大气压力(hPa); P是试验地点的标准大气压力(1013 hPa)，因试验点海拔高度仅有37 m; P0/P≈1，T(℃)是盖箱时间内的平均大气温度; M(28)代表每摩尔N2O中N2的分子量; V表示273 K和1013 hPa条件下气体的摩尔体积(22.4 L/mol); H(m)是采样箱高度; c(ppm)是指箱内N2O的浓度; t(h)为盖箱时间; dc/dt[μL/(L·h)]表示盖箱时间内N2O浓度的变化速率; P0/P×273/(273+T)是通过温度和压力校正气体的摩尔体积。

氨挥发计算公式:

NH3-N[kg/(hm2·d)]=[M/(A·D)]×10-2其中，M为通气法单个装置平均每次测的氨量(NH3-N，mg); A为捕获装置的截面积(m2); D为1次连续捕获的时间(d)。

1.3.3 产量与吸氮量的测定在玉米成熟期，每小区取6株玉米，按秸秆和穗分别称取鲜重。随后烘干并称重，粉碎过筛后用凯氏定氮法[21]测定全氮含量。采样的同时在对应小区划样方测产。

1.3.4 数据统计与分析试验数据采用Microsoft Excel 2007处理，SPSS17.0软件进行P< 0. 05和P< 0.01水平下的显著性检验，采用Sigmaplot12.0绘图。

2　结果与分析

2.1土壤孔隙含水量(WFPS)时空变化

从图1a可以看出，对于0—20 cm土壤，施肥前WFPS仅为20%左右。施肥后灌水使WFPS呈先升高后下降的趋势，而8月4日降雨24.2 mm使其再次上升至60%以上。对于20—40 cm、 40—60 cm的深层土壤，灌溉和降雨对其WFPS无显著影响(图1b、 1c)。图1d可看出，处理Band不同测定位置0—20 cm土层WFPS与处理BC、 BC+DCD 0—20 cm土层WFPS变化趋势相同。

图1　不同处理不同土层土壤孔隙含水量(WFPS)变化Fig.1　water-filled porespaco in different soil layer of different treatments

[注(Note): 箭头代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

2.2土壤无机氮时空变化

图2　不同处理土壤-N含量动态变化Fig.2　Dynamics of soil -N content in different treatments[注(Note): 箭头代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

图3　不同处理土壤NO-2-N含量的动态变化Fig.3　Dynamics of soil NO-2-N content in different treatments[注(Note): 箭头代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

图4　不同处理土壤NO-3-N含量的动态变化Fig.4　Dynamics of soil NO-3-N content in different treatments[注(Note): 箭头代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

2.30—20 cm土层N2O和O2浓度时空变化

图5a显示，处理BC土壤N2O浓度升高后立即降低到试验前水平。追肥后灌水明显降低了土壤O2浓度(图5c)，同时处理BC较强的硝化作用消耗了一部分土壤中的O2，导致土壤O2浓度下降明显大于其他处理。处理BC+DCD由于DCD减缓了土壤的硝化速率，从而抑制了N2O的产生。硝化速率缓慢对O2的消耗较小，追肥后第3至11天处理BC+DCD土壤O2浓度高于其他处理，随着其他处理硝化作用的减弱，处理间土壤O2浓度差异逐渐消失(图5c)。处理Band施肥条带上(Band 0)土壤N2O浓度有升高的趋势，且持续时间远长于处理BC。Band 10、 Band 20、 Band 30处土壤N2O浓度相比施肥前变化不大(图5b)。试验第11天后，24.2 mm的降雨使土壤中O2浓度迅速下降(图5c)，显著促进了土壤N2O浓度的升高，表现为处理Band 0 > Band 10 > Band 20 > Band 30 > BC。

图5　不同处理土壤N2O及O2浓度动态变化Fig.5　Dynamics of soil N2O and O2concentrationin different treatments[注(Note): 箭头代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

2.4土壤N2O排放和NH3挥发时空变化

从图6和图7可以看出, 不同追氮方式显著影响土壤NH3挥发和N2O排放。处理BC出现了较大的土壤N2O排放，最大排放峰出现在施肥后第3天，约N 65 g/(hm2·d)。试验期间，处理BC N2O累积排放量为N2O-N 395 g/hm2(表1)。相比处理BC,处理BC+DCD N2O排放速率在整个试验期间都较小，其累积排放量降低了约89.4%。处理Band最大排放峰出现在施肥后第13天，约N 80 g/(hm2·d)，其排放峰值和持续时间均大于处理BC。试验期间，处理Band累积N2O排放量相比处理BC增加了约1倍，且在试验结束时N2O排放仍有约N 50 g/(hm2·d)。由于施肥后两周的监测并未将完整的N2O出峰周期捕捉完全，因此本研究很可能低估了条施覆土对N2O排放的促进作用。

图6　不同处理N2O排放速率动态变化Fig.6　Dynamics of N2O emission rates in different treatments

从图7a看出，处理BC NH3挥发峰值出现在施肥后第1天，约N 5 kg/(hm2·d); 试验期间，氨挥发累积排放量为N 22.9 kg/hm2(表1)，氨挥发损失率为15.3%。处理BC+DCD氨挥发速率变化趋势与处理BC一致，氨挥发损失率为19.4%。处理Band推迟了氨挥发峰值出现时间并显著降低了氨挥发量，最高峰约N 1.4 kg/(hm2·d)。相比处理BC，处理Band氨挥发累积量减少69.4%，氨挥发损失率降低到4.7%。Band 10由于距施肥条带较远，与Band 0排放比较相对较少。而Band 20、 Band 30在整个测定期间氨挥发速率在相对较小的水平，相当于土壤背景排放。

图7　不同处理NH3挥发排放速率动态变化Fig.7　Dynamics of NH3 volatilization emission rates in different treatments[注(Note): 箭头代表施肥日期 Arrows represent fertilization date.]

处理TreatmentN2O(Ng/hm2)NH3(Nkg/hm2)BC395±82a22.9±2.3aBC+DCD42±9b29.1±3.9aBand789±173c7.0±1.6b

注(Note) : 数据为平均值±标准差Data are mean±SD(n=3); 同列数值后不同字母表示处理间差异显著Values followed by different letters are significantly different among treatments (P<0.05).

2.5不同监测指标之间的相关性分析

表2　不同处理各监测指标间的相关性分析Table 2　Correlation between different indices in different treatments

注(Note): *和**表示P< 0.05和P< 0.01水平下差异显著 Represents significant difference at the level ofP< 0.05 andP< 0.01; BC、 BC+DCD为0—20 cm土壤，Band为施肥条带0—20 cm土壤，BC, BC+DCD is 0-20 cm soil, Band is 0-20 cm soil on the band of fertilizer; S-N2O 和S-O2分别表示土壤中N2O和O2浓度S-N2O and S-O2are represent soil N2O and O2concentrations, respectively.

表3　不同处理产量及地上部吸氮量Table 3　Crop yield and nitrogen uptake in above ground part of different treatments

注(Note) : 数据用平均值±标准差Data are mean±SD，n=3; 同列数值后不同字母表示处理间差异显著(P< 0.05) Values followed by different letters in the same column are significantly among different among treatments (P< 0.05).

2.6不同处理产量及吸氮量

从表3可以看出，尽管处理BC+DCD和Band处理有增加产量的趋势，但与处理BC的差异不显著。主要原因是各处理有足够的供氮，降低的氨挥发损失对供氮无足轻重。如果在供氮不足或合理供氮的情况下，降低氨挥发损失可能会增加产量和相应的吸氮量。

3　讨论

添加DCD是减少农田N2O排放的有效措施[9，25]。本研究表明，DCD虽能减少了土壤N2O排放，但对土壤NH3挥发略有促进作用，即硝化抑制剂对土壤N2O排放和NH3挥发的影响存在一定程度的“此消彼长”[27]，但增加的氨挥发损失与撒施相比统计不显著。条施覆土能够有效地降低氨挥发，但条施覆土显著增加了N2O排放。这一结果对以后的研究有所的启示，即在条施覆土措施基础上，添加硝化抑制剂，有可能同时降低N2O排放和NH3挥发，这值得进一步探讨。

4　结论

1)夏玉米农田土壤氮肥撒施后，产生大量的N2O排放，同时伴有一定量的亚硝态氮累积。

2)硝化抑制剂(DCD)减少了土壤N2O排放，略促进土壤NH3的挥发。

3)条施覆土能够显著降低土壤NH3挥发，但施肥条带上亚硝态氮的累积，促进了N2O产生及土壤N2O排放。

4)土壤含水量控制着土壤O2含量，当土壤WFPS大于60%时，土壤O2含量迅速下降，导致大量土壤N2O产生。

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Impact of fertilization method on soil nitrous oxide emissions and ammonia volatilization during summer maize growth period

LIU Min1, ZHANG Chong1, HE Yan-fang2, GAO Bing1, SU Fang1, JIANG Rong-feng1, JU Xiao-tang1*

(1CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China;2AppraisalCenterforEnvironment&Engineering,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100012,China)

2015-03-02接受日期: 2015-05-04

国家自然科学基金(41471190, 41301237); 中国博士后科学基金(2014T70144)资助。

刘敏(1982—)，女，河北保定人，博士研究生，主要从事农田氮循环及温室气体N2O减排方面的研究。

E-mail: minminliu1025@163. com。* 通信作者Tel: 010-62732006， E-mail: juxt@cau.edu.cn

S147.33; X592

A

1008-505X(2016)01-0019-11