耕作和覆盖方式对紫色土坡耕地N2O排放的影响

刘海涛，林超文，朱 波，罗付香，朱永群，张建华

(四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)



耕作和覆盖方式对紫色土坡耕地N2O排放的影响

刘海涛，林超文*，朱 波，罗付香，朱永群，张建华

(四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

为明确不同耕作和覆盖方式两个因素对紫色土坡耕地玉米农田N2O排放的影响，分别对不同耕作方式和覆盖方式下玉米产量、玉米生育期的径流和氮素损失量和施肥后的N2O排放速率进行了测定。结果表明，横坡垄作并覆盖秸秆的处理地表径流为14.4 mm，在所有处理中最小。平作+覆盖处理的壤中流损失氮量最低，仅为16.0 kg·hm-2，顺坡+覆盖处理的壤中流氮素流失最大，为33.1 kg·hm-2。顺坡+覆盖处理对应的N2O排放量最高，为0.8 kg·hm-2，平作和平作+覆盖处理对应的N2O排放量相对较低，分别为0.53和0.56 kg·hm-2。耕作方式和覆盖方式都对N2O的排放产生影响，其中耕作方式影响程度较低，接近显著水平(P=0.132)，而覆盖方式则达到了极显著水平(P=0.004)。平作+秸秆覆盖是最佳的降低N2O排放的耕作方式，横坡垄作则是最佳的水土保持耕作方式，而顺坡垄作则在N2O排放和水土保持方面的效果均不理想，是最不应采用的耕作方式。

耕作方式；秸秆覆盖；N2O；水土流失

N2O是仅次于CO2和CH4的重要温室气体，其增温潜势在100年尺度内是CO2的296倍，CH4的 13倍[1]。N2O在大气中存留时间长(平均寿命150年)，除产生温室效应外，还会破坏臭氧层，导致地球表面紫外线辐射增强，威胁人类健康[2]。大气N2O浓度的增加主要来源于农业[3]，其贡献率占到人类活动产生的N2O总量的2/3以上[4]。据计算，从1980年到2007年中国农田N2O 排放年均增长7.6 %，2007年N2O-N排放量达到288.4 Gg(1 Gg =1000 t)[5]。影响N2O排放的因素很多，不同氮磷肥种类[6]，氮肥用量[7]，有机无机配合施用[8]，各种消化抑制剂等添加剂[9]都会显著影响土壤的N2O排放。

表1 土壤化学性质

耕作方式和秸秆覆盖是影响农田N2O排放的重要原因。关于耕作方式对N2O排放的影响主要集中在保护性免耕和常规翻耕处理的差异[10-12]。秸秆还田处理研究一般包括地表覆盖和秸秆与土壤混匀处理[13-16]。不同土壤性质，土壤水分条件，温度等性质下，耕作方式和秸秆还田对N2O排放影响效果差异很大[12，17]。垄作和秸秆覆盖是紫色土地区常见水土保持措施，其中横坡垄作和秸秆覆盖能显著降低紫色土坡耕地的水土流失[18-19]。针对目前对于紫色土坡耕地不同垄作方式下的土壤N2O排放速率的研究很少，本文对不同垄作方式和秸秆还田方式下紫色土坡耕地N2O排放和水土流失量的进行观测评价，以得到最佳减少N2O温室气体排放和水土保持的耕作方式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验布设在长江上游沱江水系花椒沟小支流的响水滩上段。属于四川省资阳市雁江区松涛镇的响水村、花椒村。地处东经104°34′12″～104°35′19″、北纬30°05′12″～30°06′44″，海拔395 m。多年(1957-1985年)年均降雨量为965.8 mm，主要(70 %)分布在6-9月间，最多年1290.7 mm，最少年725.2 mm，其中2014年玉米生育期内日降雨分布如图1所示，该年没有特大雨强降雨出现，最大降雨出现在6月2日，日降雨量为56.8 mm，其余日降雨量均低于50 mm。生育后期7、8月的降雨量要高于生育早期4、5月。年均温16.8 ℃，极端最低温-3.6 ℃，极端最高温36.5 ℃。供试土壤为遂宁组母质发育的紫色土红沙土，土壤质地轻，土壤有机质、全氮、有效磷含量偏低，土壤肥力不高。在试验实施时的土壤养分含量如表1所示。

1.2 试验设计和田间管理

采取双因素(耕作方式，秸秆覆盖方式)随机区组试验设计，设置平作、顺坡垄作、横坡垄作、平作+覆盖、顺坡垄作+覆盖、横坡垄作+覆盖共6个处理，各处理重复3次，共18个小区。2014年4月2日播种，8月6日收获。径流小区坡度为10°(四川大面积坡耕地坡度), 坡向东西, 小区面积8 m2(坡长4 m，宽2 m)。小区四周用砖砌成，下垫面用混泥土，土层厚度60 cm(紫色土大面积土层厚度)，土壤下垫一层10 cm厚的石英砂，保持与土面相同坡度收集地下径流。小区坡面下部用集流装置收集地表径流。

图1 2014年玉米生育期日降雨量分布Fig.1 Day precipitation distribution during maize growing season in 2014

顺坡垄作：距小区两边0.65 m 处各种1行玉米，共2行，2行共起1 垄; 玉米株距0.25 m，每行16株，共32株。平作：与顺坡垄作规格一致，但不起垄。横坡种植：在距小区顶端0.65、1.35、2.65 和3.35 m处各横坡种植1行玉米，共4行，每2行共起1垄，共起2垄，玉米株距0.25 m，每行8株，共32株。垄作处理顺玉米行起10 cm高的垄后兑水施用攻苞肥，平作处理不起垄兑水施用攻苞肥。秸秆覆盖：在5月15日按3750 kg·hm-2均匀覆盖小麦秸秆。

试验玉米优化施肥量分别是N：300 kg/hm2，P2O5：150 kg/hm2，K2O：75 kg/hm2，肥料选用尿素(N 46 %)、过磷酸钙(P2O512 %)和氯化钾(K2O 60 %)。磷肥和钾肥采用基施的方式兑水窝施，氮肥采用苗肥∶攻苞肥=1∶1的比例兑水窝施。 苗肥施用时间为4月19日，攻苞肥施用时间为6月3日。

1.3 测定项目与方法

地表径流养分流失量：每次产流降雨后记录各小区地表径流量，取各小区径流液样品测定N含量。泥沙流失量：每次降雨取1个混合样，采用过滤烘干法测定含沙量，并计算产沙量。由于泥沙养分含量比较稳定，因此，全年每个小区只取一个混合样测定泥沙养分含量。壤中流养分流失量：每次产流降雨后记录各小区壤中流流量，取各小区壤中流样品测定N、含量。

N2O排放通量：采用静态箱-气相色谱法测定土壤N2O排放通量[20-21]。将透明有机玻璃制成的气体采样箱(内径15 cm，高100 cm)罩在安放于田间的底座上，形成一个密闭的气体空间。分别在罩箱瞬间、15和30 min用50 mL注射器从箱中采气，通过三通阀转移到气体袋中，带回实验室分析。每次采样固定在上午的9:00-11:00，每隔3～4 d采1次样。气体样中N2O浓度由气象色谱Agilent 7890A分析测定。温室气体排放速率计算方程为：

F=dc/dt·h·ρ·273/(273+t)

式中:F为N2O排放速率,μg·m-2·h-1；dc/dt为采样过程中箱内气体浓度随时间的变化率，μl·m-3·h-1；h为箱体高度；ρ为标准状态下N2O的密度1.964 kg·m-3；t为采样时箱内温度，℃。本次试验N2O测定在苗肥使用后进行，测定周期从4月24日开始，5月10日结束，共15 d。

土壤温度：每次取气体样时用TDR测定0～5 cm土壤温度。

本研究采用双因素方差分析进行统计分析，用LSD法来进行两两统计对比，具体采用SPSS软件完成。

2 结果与分析

2.1 产量，径流和氮素流失

如表 2所示，横坡垄作处理对应的产量要高于平作和顺坡垄作处理，秸秆覆盖则显著降低了玉米的产量。横坡垄作对应的地表径流量最小，而顺坡垄作地表径流量最大。秸秆覆盖处理的地表径流量也要显著低于未覆盖秸秆的处理，其中未覆盖秸秆的顺坡处理地表径流量最大，仅为37.3 mm，横坡垄作并覆盖秸秆的处理地表径流为14.4 mm，在所有处理中最小。各处理壤中流量介于137.5 和150.1 mm之间，不存在显著性差异。随地表径流损失的总氮量很低，介于0.9～1.5 kg·hm-2。随壤中流损失的总氮量要远大于随地表径流损失的氮量，其中平作+覆盖处理的壤中流损失氮量最低，仅为16.0 kg·hm-2，顺坡+覆盖处理的壤中流氮素流失最大，为33.1 kg·hm-2。整体上看顺坡处理的壤中流损失量较大，横坡处理的壤中流损失氮量最低。

表2 不同耕作和覆盖方式下农田玉米产量，生育期径流和氮素流失

注：不同字母表示农田间存在显著性差异，通过LSDP<0.05检验，下同。

Note: Values with the same letter do not differ from one another according to the LSD test,P<0.05.The same as below.

图2 不同耕作和覆盖方式下施肥后N2O排放速率Fig.2 N2O emission rate under different cultivation and mulching methods treatments

2.2 N2O排放

不同耕作和覆盖方式对于紫色土N2O排放速率的影响是显著的，图 2为施肥后的一段时间内N2O排放速率变化。4月19日施肥后，N2O排放速率随着时间的推移逐渐升高，5月10日的排放量介于275.7～314.1 μg·m-2·h-1。在施肥后的4月25日，各处理之间的N2O排放速率差异并不显著。随着时间推移各处理之间的排放速率差异趋于显著。4月27日，横坡+覆盖处理的N2O排放速率最高，达到102.9 μg·m-2·h-1，平作+覆盖处理的N2O排放速率最低，仅为26.0 μg·m-2·h-1；4月30的测量结果，横坡垄作处理的N2O排放速率最高，为226.7 μg·m-2·h-1，平作处理和平作+覆盖处理的N2O排放速率最低，分别为120，115.7 μg·m-2·h-1；5月10日，顺坡+覆盖处理的N2O排放速率最高，为373.4 N2O排放速率最高，最低的则为平作处理，仅为247.7 μg·m-2·h-1。将施肥后这一时间段的排放量综合起来，各处理的N2O总排放量如图 3所示，顺坡+覆盖处理对应的N2O排放量最高，为0.8 kg·hm-2，平作和平作+覆盖处理对应的N2O排放量相对较低，分别为0.53和0.56 kg·hm-2。以耕作和覆盖方式作为两个影响N2O排放的因素进行双因素方差分析，结果如表 3所示，耕作方式和覆盖方式都对N2O的排放产生影响，其中耕作方式影响程度较低，接近显著水平(P=0.132)，而覆盖方式则达到了极显著水平(P=0.004)。其中耕作方式以平作方式N2O排放量最小，顺坡垄作方式N2O排放量最大，覆盖秸秆处理的N2O排放量要高于未覆盖处理。

图3 不同耕作和覆盖方式下施肥后N2O排放总量Fig.3 Total N2O emission in 15 days after fertilizer application under different cultivation and mulching methods treatments

3 讨论与结论

反硝化作用N2O排放是一个极其复杂过程，土壤温度，土壤氮素含量，微生物量，土壤氧化还原电位等均会直接影响N2O的排放量[22-24]。大量研究结果表明，耕作对N2O的排放既有促进也有降低，其中翻耕增加土壤N2O排放的原因是翻耕能改善土壤的透气透水性，并可能使土壤从厌氧状态转向好氧状态，加强了气体在土壤中的迁移扩散。免耕增加N2O排放是因为增加土壤湿度，增强土壤的厌氧环境，从而促进了反硝化作用的进行[17]。本研究中平作的N2O排放量相比垄作要低，这可能与土壤的透气性有关。垄作由于地表的起伏使得有更多的地表土壤面积去排放N2O。横坡垄作的N2O排放量要高于顺坡垄作处理，可能是因为顺坡垄作的随地表和壤中径流的氮素损失量要远大于横坡垄作处理，从而使顺坡垄作土壤中的无机氮数量要低于横坡垄作，最终造成横坡垄作N2O排放量较低。

表3 不同耕作和覆盖方式对N2O排放总量影响的双因素方差分析结果

大量的秸秆还田试验结果都认为秸秆还田能够增加N2O的排放[13，15]，这与本文的结果恰好相反。增加N2O排放可能与秸秆的分解量有关，秸秆分解会增加土壤中微生物的数量，同时分解出大量的氮素，在这些研究中也观测到了土壤的硝态氮含量显祖提升。而本研究中，秸秆仅仅是覆盖在地表，生育期内腐烂的程度很低，对土壤的矿质氮环境没有显著影响，同时秸秆覆盖阻碍了土壤与大气的气体对流，因此在一定程度上降低了N2O的排放。

在本研究中，从降低N2O排放量角度出发，平作和秸秆覆盖是最佳的耕作方式，横坡垄作则是最佳的水土保持耕作方式，而顺坡垄作则在N2O排放和水土保持方面的效果均不理想，是最不应采用的耕作方式。

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(责任编辑 李 洁)

Effects of Different Cultivation and Mulching Methods on Nitrous oxide Emission in Slope Purple Soil

LIU Hai-tao, LIN Chao-wen*, ZHU Bo, LUO Fu-xiang, ZHU Yong-qun, ZHANG Jian-hua

(Soil and Fertilizer Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Sichuan Chengdu 610066, China)

The research aims to investigate the effect of different cultivation and mulching methods on Nitrous oxide (N2O)emissions in the purple soil farmland with maize planted. Three cultivation methods included flat cultivation, down slope ridge cultivation and contour ridge cultivation. Two mulching methods included no straw mulching and wheat straw mulching. There were six treatments totally in this trial. The maize yield, runoff, nitrogen loss through the runoff and N2O emission rate was measured. The results were as follows: the runoff in treatment with contour ridge cultivation and straw mulching was the lowest in all of the treatments with the values of 14.4 mm. The treatment with flat cultivation and straw mulching had the lowest subsurface flow nitrogen loss in in all of treatments with the values of 16.0 kg·hm-2, and the treatment with down slope ridge and straw mulching had the highest loss with the values of 33.1 kg·hm-2. The treatment with down slope ridge and straw mulching had the highest N2O emission with the values of 0.8 kg·hm-2. The treatment with flat cultivation and without straw mulching, and the treatment with flat cultivation and straw mulching had less N2O emission than other treatment, with the values of 0.53 and 0.56 kg·hm-2respectively. Both cultivation methods (P=0.132) and mulching methods (P=0.004) had effect on N2O emission. The flat cultivation and straw mulching were the best methods to decrease the N2O emission. Contour ridge cultivation was the best method that had the best soil and water conservation efficiency. Down slope ridge cultivation should not be recommended for high N2O emission and no benefit for soil and water conservation.

Cultivation methods; Straw mulching; N2O; Water and soil loss

1001-4829(2016)07-1579-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.07.014

2015-06-23

四川省财政创新能力提升工程(2013XXXK-013，2015JSCX-029);公益性行业(农业)科研专项(201503119-03-01)

刘海涛(1986-)，浙江丽水人，农学博士，主要从事土壤水分养分高效利用研究，Tel：86-28-84796435，Fax：86-28-84796435，E-mail：liuht1986@163.com，*为通讯作者。

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