有机物料等氮量施用对紫色土氮形态及温室气体排放的影响

黄容，高明，黎嘉成，徐国鑫，王富华，李娇，陈仕奇



有机物料等氮量施用对紫色土氮形态及温室气体排放的影响

黄容，高明，黎嘉成，徐国鑫，王富华，李娇，陈仕奇

（西南大学资源环境学院，重庆 400715）

【目的】在等氮施用的条件下，研究几种农业有机物料与化肥配合施用对蔬菜连作种植模式的菜地土壤氮形态及温室气体的动态变化的影响，为菜地化肥减量施用及绿色环保提供科学依据。并从温室气体减排角度，为旱地土壤的培肥提供理论参考。【方法】通过田间原位试验，设置了对照即不添加化肥和物料（CK）、常规化肥（F）、秸秆+化肥（SF）、菌渣+化肥（MF）、生物质炭+化肥（BF）、牛粪+化肥（CF）等处理，分析土壤铵态氮、硝态氮、碱解氮和全氮分布特征。同时采用静态箱-气相色谱法，对比分析在化肥减量的基础上，添加物料处理的紫色土（莴笋-卷心菜-辣椒轮作）CO2、CH4、N2O动态变化和温室效应。【结果】等养分投入的条件下，有机物料的添加改变土壤氮形态分布，SF和MF处理主要在料还田前期能增加土壤铵态氮含量，CF处理能提高莴笋和卷心菜季的土壤铵态氮含量，BF处理则提高了辣椒季硝态氮和碱解氮含量。在整个试验观测期内，N2O、CO2、CH43种气体的排放具有一定的季节变化规律，各气体均在夏季出现了排放高峰，且在施肥灌水后也会出现气体的排放峰。与F处理相比，试验期内BF处理的N2O平均排放量降低了7.5%，而CF处理则显著增加了233.5%。有机物料与化肥配施较CK和F处理增加了CO2排放，其中MF和CF处理最为明显，平均排放通量较F处理分别提高了35.6%和31.3%，BF处理则推迟CO2排放峰，且在高温多雨的夏季增加CO2排放量。各处理的CH4排放多为负值，表现为大气中CH4汇，且在辣椒季波动较为明显，其中BF处理在高温多水的短期内可达到CH4排放峰值（668.7 μg·m-2·h-1）；SF、MF和BF较F处理的CH4平均排放通量分别显著下降了104.85%、175.2%和77.5%，其中SF和MF处理分别为-0.1和-1.3 kg·hm-2，较其他处理能促进CH4吸收，减少CH4产生和排放。但有机物料与化肥配施处理的温室气体的增温潜势较CK和F处理分别增加了26.7%—52.4%和18.1%—42.0%，其中SF处理的增温潜势最低，其次为BF处理。【结论】不同的有机物料对土壤氮形态分布及N2O、CO2、CH4排放的影响各不相同。几种有机物料中，生物质炭、秸秆与化肥配施还田相较于其他处理能增加有效氮含量，减少温室气体的排放，而牛粪与化肥配施则会增加温室气体排放。

紫色土；有机物料；氮形态；温室气体；增温潜势

0 引言

【研究意义】全球气候变暖是当今世界面临的重要挑战，CO2、CH4和N2O等温室气体（GHG）浓度的变化是影响气候变暖的重要驱动因子[1]。农田生态系统是温室气体重要的排放源。我国土壤施肥（尤其是氮肥）量大，菜地土壤的氮肥施用量是其他农作物土壤的4倍多[2]，但氮肥利用率约30%，剩余的氮肥或转为温室气体，或转为硝态氮等进入水体成为污染源[3]；同时过多的氮投入会限制未来农田的碳封存[4]。据估算，菜地土壤因施肥产生的N2O直接排放量高达6.7万吨[5]。作物可以择优吸收土壤中不同的氮组分，其中矿质氮是作物吸收的最主要氮源，可以被作物直接吸收利用[6]。我国每年的农业废弃物产量大且品种多，包括秸秆、菇渣、牛粪等；但大部分以焚烧、直接丢弃或流入水体的形式流失，不仅污染环境而且也造成GHG排放[7]。农业废弃物富含氮、磷、钾等营养元素[8]，将其归还到田间，不仅可以替代部分化肥，减少化肥的施用，提高氮素利用率，而且对改善因施用化肥（尤其是氮肥）和农业废弃物处理所带来的生态环境问题，控制化肥投入以缓解农田土壤温室气体排放具有重要的意义。【前人研究进展】秸秆、菌渣、生物质炭、畜禽粪便是重要的农业资源，其还田虽能增加农田固碳，提高土壤质量，但有机物料成分不同会影响其施用到农田后的温室气体排放[9]。有研究表明，秸秆与化肥减量30%配施处理能降低土壤CO2和CH4排放，缓解温室气体的增温潜势，但对土壤N2O减排效果不显著[10]；秸秆配施70%—80%的化肥，可以有效提高土壤碱解氮含量[11]。段鹏鹏等[12]研究表明，氮肥与有机肥配合施用能显著提高矿质氮的含量。菌渣作为农业加工系统的产物，其富含营养物质，石生伟等[13]研究表明，腐熟的菌渣配施化肥后，不仅可以大幅度降低稻田的整体温室效应，而且能够替代部分化肥，保持高产。而李柘锦等[7]对比几种有机物料还田发现，菌渣+无机肥处理较无机肥处理增加了土壤温室气体排放，且全球增温潜势高于秸秆处理。张斌等[14]连续两年观测了生物质炭配施氮肥的管理对温室气体排放影响发现，高量施用生物质炭可以增加土壤氮素，显著降低稻田CH4和N2O痕量温室气体排放的综合温室效应；同时范靖尉等[15]研究表明在集约化农田减氮20%，不仅对作物的产量无显著影响，而且能降低农田土壤温室气体排放，但生物质炭对温室气体的排放与气候条件、土壤类型、生物质炭种类及其施用年限等因素密切相关[15-17]。张旭博等[18]研究表明，秸秆的可溶性碳含量高，能较快被微生物利用，增强土壤呼吸，因此动物类有机肥（猪粪、牛粪等）较秸秆类有机物料能较快提高土壤碳、氮源的有效性，增强微生物活性，促进养分转化和释放，显著降低了CO2释放量。【本研究切入点】尽管，有机物料还田可以替代部分化肥，减少化肥的施用量，但是有机物料还田对农田土壤温室气体排放的研究结果存在不完全一致性[19-22]，且研究对象主要集中在水田，对旱地土壤尤其是菜地土壤的研究较少。不同有机物料（如秸秆、动物有机肥等）还田后，对土壤氮形态的影响也不同；且施入不同有机物料后的温室气体排放量尚不明确[18]。【拟解决的关键问题】本文拟通过田间试验，对蔬菜连作种植模式的菜地进行了不同有机物料等氮量施用处理下的土壤氮形态分布及土壤温室气体排放观测研究，以期为合理利用农业资源，且通过控制化肥投入以减少旱地农田温室气体排放提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及试验材料

试验地点位于重庆市北碚区“国家紫色土土壤肥力与肥料效益长期监测基地”，海拔266.3 m，年平均气温18.3℃。最高和最低气温平均为28.7℃和7.7℃，≥10℃的积温6 006℃，年降雨量1 086.6 mm，年日照时数1 276.7 h，属于亚热带季风气候。试验土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的紫色土，中性紫色土亚类，灰棕紫泥土属，是重庆四川紫色土区分布最广的一种土壤。其基本理化性质为：有机碳含量11.12 g·kg-1，碱解氮83.02 mg·kg-1，速效磷44.10 mg·kg-1，速效钾208.75 mg·kg-1，pH 为5.8。试验用秸秆为玉米秸秆，取自试验基地农田，其有机碳含量338.8 g·kg-1，氮含量10.1 g·kg-1，C/N=33.9，磷含量2.2 g·kg-1，钾含量1.3 g·kg-1，经晒干后粉碎机粉碎成5—10 cm颗粒，备用。试验用菌渣取自重庆梨木食用菌专业合作社，为收获金针菇后的废弃菌棒，经晒干粉碎后还田，其有机碳含量391.2 g·kg-1，氮含量11.2 g·kg-1，C/N=34.9，磷含量1.9 g·kg-1，钾含量0.5 g·kg-1。试验用生物质炭以油菜秸秆为原料，500℃高温厌氧条件下热解2 h烧制，由四川省久晟农业有限农业公司提供，其有机碳含量625.8 g·kg-1，氮含量4.4 g·kg-1，C/N=142.2，磷含量1.0 g·kg-1，钾含量10.4 g·kg-1。试验用牛粪采自重庆北碚澄江上马台村天友乳业，经晒干粉碎后还田，其有机碳含量428.8 g·kg-1，氮含量为21.2 g·kg-1，C/N=20.2，磷含量5.9 g·kg-1，钾含量1.2 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验共设置6个处理：对照即不添加化肥和物料（CK）、常规化肥（F）、12 000 kg·hm-2秸秆配施化肥（SF）、9 000 kg·hm-2菌渣配施化肥（MF）、10 000 kg·hm-2生物质炭配施化肥（BF）、20 000 kg·hm-2牛粪配施化肥（CF）。每个处理3次重复，采用随机区组排列在18个2 m×1 m能独立排灌的微区内，各个微区的水肥管理均相同。

试验于2016年10月开始，共种植3季蔬菜（莴笋、卷心菜、辣椒），施用两次有机物料，分别在种植莴笋和辣椒前将秸秆、菌渣、生物质炭、牛粪均匀撒覆在土壤表面并进行翻耕，深度为30—40 cm，同时对照CK和常规处理F也进行同样的翻耕。各作物（莴笋、卷心菜、辣椒）的氮、磷、钾肥的常规施用量按《中国主要作物施肥指南》[23]化肥施用量，有机物料与化肥配施处理按照《中国主要作物施肥指南》的常规使用量的基础上减去有机物料中的含氮、磷，钾量，再补施一定量的化肥，各季作物栽培方式和灌溉、除草等田间管理按照当地习惯进行，灌溉时间通常在施肥和追肥后，以及土壤含水量较低的时候，每个处理均进行灌溉。氮、磷、钾化肥品种分别为尿素（N46%）、过磷酸钙（P2O512%）、氯化钾（K2O 60%）。具体种植及施肥方式见表1。

1.3 试验方法

采用静态箱-气相色谱法测定菜地土壤温室气体排放通量[24]。采样箱材质为不锈钢材料，由底座和顶箱两部分组成，底座（横截面为50 cm×50 cm）长期固定于田间，翻耕时将底座取出，翻耕结束后重新将底座安置回原处，底壁插入土中约10 cm，底座内种植作物。底座顶端有深、宽均为3 cm的密封水槽，采样前往槽内注水以防底座和顶箱结合处漏气。顶箱（50 cm×50 cm×50 cm）外覆绝热材料以减少采样箱内温度随外界气温升高对试验结果的影响，同时，顶箱内部安装2个小风扇，用于混合箱内气体。顶箱侧面安装电源插头、温度探头（JM624型便携式测温计）和采样管。试验期间，采样频率为每周1次，每次控制在当天9：00—11：00间进行，采样时用60 mL注射器采集第1次样品，之后每间隔10 min 采样1 次，罩箱时间为30 min，共采集4 个气体样品。在气体样品采集的同时，记下开始和结束时的气温和5 cm深土壤温度，并采集表层土样测定土壤含水量、铵态氮及硝态氮含量，于每个月采集土样测定土壤碱解氮含量，待作物收获后采集表层土壤测定土壤总氮含量。遇到下雨及施肥情况，采样频率增加，为每2 d一次，持续一周。

表1 种植及施肥情况

1.4 数据处理

采用气相色谱（Agilent 7890A气相色谱仪）测定温室气体CH4、CO2、N2O浓度。高纯氮气（N2）与氩甲烷（ArCH4）分别作为CH4和N2O的载气。N2O检测器为ECD（电子俘获检测器），检测温度300℃；CO2和CH4检测器为FID（火焰离子化检测器），检测温度为300℃，柱温50℃，气体排放速率由4个气样浓度值经线性回归分析得出具体工作条件详见文献[16]。

温室气体排放量（）的计算公式[10]为：

=×()×(Δ/Δ)×[273/(273+)] （1）

式中，表示CO2排放量（mg·m-2·h-1）、N2O和CH4排放量（μg·m-2·h-1）；表示标准状态下CO2-C、CH4-C和N2O-N的密度；为采样箱体积（m3）；为采样底座内土壤表面积（m2）；Δ/Δ表示气体的排放速率，即通过每个小区每次采集的4个样品的气体浓度与时间进行一次线性回归，回归方程的系数就是Δ/Δ；为采样箱内温度（℃）。

各处理每次排放量用各重复平均值表示；作物季节平均排放通量则以每次采样时间间隔为权重进行加权平均求得；生长季累积排放量以每次排放量的加权和表示。

全球增温潜势（Global Warming Potential，GWP）：表示不同温室气体排放的综合指标，一般以CO2为标准，用CO2当量表示。计算公式为[25]：

GWP= CO2+ 28×R(CH4)+265×R(N2O) （2）

式中，GWP为作物生长季温室气体排放的综合温室效应（kg CO2-e·hm-2），R(CH4)和R(N2O)分别为作物生长季CH4和N2O的排放总量（kg·hm-2）。

土壤基本理化性质测定：土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤速效钾采用pH 7，1 mol·L-1醋酸铵浸提-火焰光度计法；土壤速效磷采用pH 8.5，0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼蓝比色法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤总氮采用H2SO4-H2O2消煮，蒸馏滴定测定；土壤铵态氮和硝态氮采用2 mol·L-1KCl提取，取滤液分别用靛酚蓝比色法和紫外分光光度计法测定；土样具体测定详细步骤参见文献[26]。

采用SPSS20.0、Origin 8.5和Excel 2010软件进行数据处理、绘图制表。所有的结果均用3 次测定结果的平均值表示。不同处理之间的多重比较采用LSD 最小显著差数法（＜0.05），采用重复测定方差分析方法比较不同蔬菜季、试验处理及其交互作用对温室气体累积排放量的影响（＜0.05）。

2 结果

2.1 有机物料等氮量施用对土壤氮形态的影响

2.1.1 铵态氮 如图1-A所示，在每次施肥和追肥一周内，各处理（除CK外）的土壤铵态氮含量均出现峰值，随后呈下降趋势，可见施肥在短期内可以有效提高土壤铵态氮含量。莴笋季，施基肥一周内（2016年10月30），MF处理的铵态氮含量出现了最高值（96.20 mg·kg-1），相较于F处理的最高值增加了34.4%；在追肥后（2016年12月9日），BF处理的铵态氮含量达到最高值，为160.74 mg·kg-1。卷心菜季，第一追肥后（2017年2月21日），MF、BF和CF处理的铵态氮含量在一周内出现峰值后呈下降趋势，而F和SF处理的铵态氮含量均超过了95 mg·kg-1；在第二次追肥后（3月27日），F处理的铵态氮含量达到最高值（114.44 mg·kg-1），而各有机物料处理的铵态氮含量均低于78 mg·kg-1。辣椒季，CF处理的铵态氮含量低于其他处理（除CK外），而F处理的土壤铵态氮含量普遍较高（72.35—161.39 mg·kg-1）。

2.1.2 硝态氮 试验期内，土壤硝态氮含量的动态变化类似于铵态氮，主要表现为在施肥和追肥后，各处理（除CK外）的硝态氮含量出现了峰值。如图1-B所示，莴笋季，基肥施用后，各试验处理的硝态氮含量相比铵态氮而言峰值推迟，CF处理的硝态氮在基肥施用一周内的含量变化（8.91—28.85 mg·kg-1）高于其他处理。卷心菜季，各试验处理的硝态氮含量的峰值仍约处在基肥施用一个月后（2017年2月15日），其中CF处理土壤硝态氮含量最高，较F处理提高了41.9%。辣椒季，各试验处理的硝态氮含量出现了两次明显的峰值，第一次峰值为基肥施用一周后，其中BF处理在出现了辣椒生育期的硝态氮含量的最高值（147.92 mg·kg-1），比同期的F处理增加了30.0%；第二次峰值为追肥一个月后（2017年7月26日），其中MF处理的硝态氮含量最高（148.82 mg·kg-1），而CF处理最低（78.66 mg·kg-1）。

2.1.3 碱解氮 如图1-C所示，与CK相比，各试验处理的土壤碱解氮含量均增高，可见施肥可以增加土壤碱解氮的含量。莴笋季和辣椒季，F处理的土壤碱解氮含量普遍高于有机物料还田处理，最高可达152.31 mg·kg-1。卷心菜季，CF处理的碱解氮含量的最高值，较同期F处理增加了91.6%，其次为MF处理（增加56.5%）。总体上，试验期内，F处理的碱解氮含量的平均值最高（115.98 mg·kg-1），其次为CF处理，而BF处理的碱解氮含量的平均值较低（99.28 mg·kg-1）。

2.1.4 总氮 从图1-D可以看出，同一处理下，不同作物生育期内土壤总氮含量存在差异，其中对照CK、CF处理的三季作物间的土壤总氮含量差异不显著（＞0.05），而SF和MF处理的总氮含量随着试验时间的增加呈下降趋势，且辣椒季的土壤总氮明显低于前两季作物。在同一作物生物期内，除辣椒季的SF处理外，各有机物料处理的土壤总氮含量均高于对照CK和F处理；其中莴笋季的MF处理较F处理明显提高了14.0%，卷心菜季的有机物料处理的土壤总氮含量比F处理显著增加了0.15—0.40 g·kg-1，随着种植时间的增加，辣椒季，仅BF处理较F处理显著增加了0.17 g·kg-1（＜0.05）。

2.2 有机物料等氮量施用对N2O，CO2及CH4排放量的影响

2.2.1 N2O 排放量 如图2-A所示，各处理的N2O 排放高峰主要集中在4—7月，且每次化肥施用后均会提高N2O排放量。与对照CK相比，常规化肥施用和有机物配施化肥处理均提高了N2O排放量，其中CF处理的N2O排放量明显高于其他处理，其次为MF和SF处理，尤其是在牛粪刚施入的一周内（2016年11月3日和2017年5月15日）出现排放高峰，分别为1 239.8和3 933.6 μg·m-2·h-1。与F处理相比，SF、MF和CF均提高了N2O排放量，而BF处理能降低N2O排放量，试验期内平均降低了7.5%。

图中不同的小写字母表示处理间达到显著差异（P＜0.05），不同大写字母表示季节间达到显著差异（P＜0.01）

2.2.2 CO2排放量 如图2-B所示，卷心菜季（2017年1—5月）和辣椒季（2017年5—9月）的CO2排放量高于莴笋季（2016年10月—2017年1月），试验期内，CO2排放出现了两次峰值，分别出现在2017年3—4月和8月。莴笋季前期即第一次有机物料施用后，MF处理的CO2排放量明显高于其他处理，最高可达1 219.5 mg·m-2·h-1，其次为CF处理。F、SF、MF和CF处理在2017年3月28日前后出现了CO2第一次排放峰值，BF处理则推迟了CO2第一次排放峰值（2017年4月13日）。试验期内，MF处理的CO2平均排放量最大（962.9 mg·m-2·h-1），其次为CF，BF和SF，分别较F处理提高了39.3%、28.9%、25.3%和16.5%。

2.2.3 CH4排放量 与N2O和CO2排放量相比，各处理的CH4排放量波动并不明显。如图2-C所示，在有机物料第一还田后（2016年10月），CH4排放量呈增加趋势，其中BF和CF处理的CH4排放量较高。在第二次有机物料还田后（2017年5月），仅CF处理出现了CH4排放峰（146.7—186.7 μg·m-2·h-1），而BF则出现了CH4排放负值（-109.8—-19.4 μg·m-2·h-1）。随着种植时间的增加，辣椒季后期各处理的CH4排放量波动较大，其中BF处理于2017年8月30日均达到排放峰值（668.7 μg·m-2·h-1），而其他有机物料处理均为排放负值；SF和MF处理于同月9日出现CH4排放最低值，分别为-312.4和-455.5 μg·m-2·h-1。

图2 不同处理下的N2O，CO2及CH4排放量变化

Fig. 2 Emission fluxes of N2O, CO2and CH4under different treatments

2.3 有机物料等氮量施用对N2O，CO2，CH4累积排放量及增温潜势的影响

2.3.1 累积排放量 通过计算3种温室气体的累积排放量发现（图3），辣椒季温室气体累积排放量明显高于卷心菜和莴笋季（＜0.01）。试验期内（图3-A），各试验处理较对照CK均提高了N2O累积排放量，与F处理相比，CF、MF和SF处理的N2O累积排放量均显著提高了92.7%—202.8%，而BF明显降低了莴笋季的N2O累积排放量（＜0.05）。对CO2累积排放量而言（图3-B），有机物料的添加增加了其排放量，尤其是辣椒季的CO2累积排放量明显高于F处理；而SF和MF处理较F处理明显降低了卷心菜季的CO2累积排放量；除BF处理较F处理降低667.4 kg·hm-2外，其他3种有机物料处理均显著提高了莴笋季的CO2累积排放量（＜0.05）。如图3-C所示，CF处理的莴笋季和卷心菜季的CH4累积排放量最高，分别为0.2和0.9 kg·hm-2；各有机物料处理均降低了辣椒季CH4累积排放量，除SF和MF处理的CH4累积排放量为负值外，BF和CF处理较F处理显著降低了72.1%和44.9%（＜0.05）。通过重复测定方差分析发现，不同蔬菜季、试验处理对N2O（=152.088，=0.000＜0.05），CO2（=64.648，=0.000＜0.05），CH4（=151.072，=0.000＜0.05）累积排放量存在显著的交互效应。2.3.2 增温潜势 从表2可以看出，试验期内，各处理较CK均提高了N2O和CO2平均排放通量。CF处理较F处理显著增加了N2O平均排放通量，增量可达31.5 kg·hm-2，其次为MF和SF处理（＜0.05），而BF处理对N2O平均排放通量的影响相对于F处理而言并不显著。有机物料处理的CO2平均排放通量，表现为MF≈BF≈CF>SF，较F处理显著增加了12.8%—35.6%（＜0.05）。对CH4平均排放通量而言，除CF外，其他有机物料处理均显著降低了CH4平均排放通量，其中MF和SF处理均表现为负值。进一步计算增温潜势发现，各有机物料均提高了增温潜势，其中CF较F处理显著提高了42.0%，其次为MF处理。

图中不同的小写字母表示处理间达到显著差异（P＜0.05），不同大写字母表示季节间达到显著差异（P＜0.01）

表2 不同处理下的温室气体平均排放通量和增温潜势变化

同一列的数值后不同的小写字母表示处理间差异显著（＜0.05）

The values followed by different small letters in the same column indicate significant differences between treatments at＜0.05

2.4 环境因子与温室气体排放相关性分析

图4是试验期内，各处理的土温、气温以及土壤含水量变化。各处理的辣椒季温度（包括5 cm土温和气温）明显高于莴笋季和卷心菜季，且辣椒季的土壤含水量波动较大。通过相关性分析发现（表3）：N2O排放量与温度（包括5 cm土温和气温）存在显著的相关关系（＜0.05）；CO2排放量与与温度（包括5 cm土温和气温）存在极显著的正相关，而与土壤含水量呈极显著的负相关（＜0.01）；CH4排放量与土壤含水量呈显著正相关（＜0.05），而与温度的相关性不大。

图4 各处理5 cm土层温度、气温及含水量变化

表3 温室气体排放与温度、含水量相关分析

*表示在＜0.05 水平上显著相关; **表示在＜0.01 水平上显著相关

*showed significant relation at＜0.05; ** showed significant relation at＜0.01

3 讨论

3.1 施肥与土壤氮形态

本研究表明，施肥灌水后，各处理土壤铵态氮和硝态氮含量均出现峰值，随后呈下降趋势，这是由于氮肥的施用促进了作物通过根系归还土壤有机物数量，从而增加了微生物活性和根系分泌，促进了有机质的矿化，增加土壤矿质氮的含量[27]，因此施肥在短期内可以有效提高土壤铵态氮和硝态氮的含量，为硝化和反硝化作用提供了底物，促进N2O排放（图2-A）。同时土壤中的铵态氮和硝态氮存在“此消彼长”关系，一般温度较高，含水量较少的条件下，硝化作用比较强烈，铵态氮含量比较少，以硝态氮为主[28]，这与段鹏鹏等[12]研究结果一致。但是不同种植季度、不同处理对土壤氮形态含量的影响存在差异。这主要是因为不同种植季度的温度、水分含量存在差异，同时不同作物的生育期不同，最终导致土壤氮形态分布存在差异。Hopkins和Shiel[29]研究表明单施化肥对微生物有直接的毒害作用，从而减少了对土壤可溶性氮的吸收，因此本研究中F处理的土壤铵态氮、硝态氮及碱解氮含量并不低于甚至高于其他物料处理。相对于秸秆类有机物料，牛粪等有机肥还田后能较快地提高土壤微生物量和碳、氮的有效性，增强微生物活性，促进土壤养分的转化和释放[11]，故在温度低，含水量变化不大的莴笋季和卷心菜季下，因硝化和反硝化作用的强度不大，故因二者作用消耗的氮底物也较少，从而导致CF处理的硝态氮和碱解氮含量均都高于其他物料处理。辣椒季，于6月19日追肥后，常规施肥处理较有机物料处理的微生物活性低，故造成碱解氮盈余，同时高温多雨的环境，频繁的干湿交替使得土壤厌氧和氧化环境也频繁交替，但由于生物质炭能改善土壤的通气状况，增加阳离子交换量，同时较高C/N比促使土壤中氮的固定，减少氮素流失，提高氮素的供应能力[11,30]，因此BF处理的辣椒季的碱解氮含量高于其他物料处理。

3.2 施肥与N2O，CO2及CH4排放

农业对温室气体（N2O、CO2、CH4）的排放具有重要的作用，其中旱地农田是N2O和CO2的重要排放源[31]。施肥是影响N2O排放的主要因素，肥料的类型对农田N2O排放的影响仍存在争议[32-33]。本研究中，牛粪、菌渣、秸秆有机物料与化肥配施处理的农田N2O平均排放量为362.8—630.1 μg·m-2·h-1，超过对照CK（44.0 μg·m-2·h-1）和常规化肥施用处理（F，189.0 μg·m-2·h-1），尤其牛粪与化肥配施（CF，630.1 μg·m-2·h-1）处理，而生物质炭配施化肥（BF，174.8 μg·m-2·h-1）处理降低了N2O排放量。这是因为有机物料的施用提高了土壤碳素含量，为微生物参与下的N2O排放的硝化和反硝化过程提供充足的营养元素[21,34-35]，因此相较于对照CK和常规施肥处理而言，有机物料与化肥配施处理提高了N2O排放；与秸秆、菌渣有机物料相比，牛粪的C/N较低（C/N=20.2），还田后会刺激土壤中氮分解，增加N2O排放，因此牛粪与化肥配施处理的N2O排放量最大。但是由于生物质炭一方面具有吸附性，在土壤中添加生物质炭可以提高阳离子交换量，增加了土壤对NH4+的吸附，减少了参与硝化过程的NH4+浓度，从而减少了N2O的排放[30]；另一方面生物质炭C/N较高，加之生物质炭能改善土壤的通气性，进而限制硝化作用及不利于在厌氧条件下氮素微生物的反硝化作用，加速氮素固定，从而减少N2O排放[36]。此外本试验中生物质炭增加了土壤硝态氮含量而减少了N2O排放量，可能是因为生物质炭的类型、施用量、土壤均会影响生物质炭的效果，因此生物质炭还田后会改变土壤性质以及硝化微生物活性，有利于形成硝化作用的最终产物（硝态氮），不利于形成中间产物（N2O），从而降低了土壤硝化作用中N2O产生比例[16]。

在莴笋和卷心菜种植季，无论是常规化肥还是有机物料与化肥配施处理较对照CK均提高了CO2的排放；但是随着种植时间的进行，部分施用化肥处理的CO2排放量低于CK，早期研究认为长时间施用化肥（尤其氮肥）可以减弱土壤呼吸，从而促进了土壤中碳的贮存[37-38]，但目前具体机理有待进一步研究。试验期内，MF处理的CO2平均排放量最大（962.9 mg·m-2·h- 1），尤其是菌渣还田后的前期，与栗方亮等[39]研究结果类似。这是因为分解前期菌渣中可溶性有机物较多，同时菌渣中富含蛋白质，中微量元素以及灰分、粗脂肪、粗纤维等，其还田后为微生物提供了营养物质和能源物质，从而促进了土壤呼吸[39]，增加了CO2排放。因此本试验中，菌渣还田的前期CO2排放量较大。但随着种植时间的延长，易分解组分被微生物分解利用殆尽，开始转向利用较难分解组分，有机碳分解量下降，从而导致CO2排放量减少[38]。夏季（7—9月）高温多雨使得土壤环境变化频繁，而生物质炭由于自身疏松多孔特点和吸附性能，能改善土壤的通气性、提高土壤的保水性和保持土壤养分，因此在变化频繁的土壤环境下，生物质炭与化肥配施处理较其他处理为微生物提供了较好的土壤环境，提高了土壤微生物量和酶活性[40-41]，同时生物质炭的“正激发效应”即生物质炭中不稳定性碳组分的微生物的降解作用会促进土壤表观呼吸速率[42-43]，因此在整个试验的夏季（7—9月），BF处理的CO2排放量高于其他处理。此外，施肥灌水亦能增加各试验处理的CO2排放量，均出现了的CO2排放峰，这是因为施肥灌水一方面为土壤微生物提供营养物质，加速土壤微生物呼吸释放CO2；另一方面追施氮肥（尿素），通过改变C/N，加速土壤有机物矿化，从而增加CO2排放[39]。

旱地土壤通透性较好，不易产生厌氧环境，在旱地土壤中CH4排放量较低，因此认为旱地是大气中CH4重要的吸收汇[44]。本研究中，在等养分量条件下，各处理的CH4排放的特点多表现为大气中CH4汇，这与韩园园等[45]研究结果类似。其中在第一次物料还田后，外源有机物料的增加，较对照CK和F处理为微生物提供了营养物质和能源物质，因此各有机物料添加前期的CH4排放量均呈增加趋势。牛粪的C/N比较低，还田后可以促进氮素的矿化生成铵态氮和硝态氮，但是由于铵态氮的分子结构类似于甲烷，同样会被甲烷单氧化酶氧化，从而铵态氮的存在会抑制土壤对CH4的吸收[46-47]，因此试验期内，牛粪与化肥处理CH4平均排放量最大（39.1 μg·m-2·h-1）。张凯莉等[44]研究表明温度过低时，会抑制产甲烷菌和甲烷氧化菌的活动，因此本研究莴笋季和卷心菜季的温度较低，与CH4有关的微生物活性不高，使得该种植时期的土壤CH4排放量波动不明显；而辣椒季土壤CH4排放量波动大，并出现了排放峰值，且各处理的CH4排放量差别较大，尤其是8月BF处理达到排放峰，而其他有机物料处理多为排放负值，其中秸秆、菌渣与化肥配施处理的CH4排放量最低。这是因为8月高温多雨使得土壤干湿交替频繁，土壤的厌氧和氧化环境也交替频繁，从而导致甲烷氧化菌和产甲烷菌活性变化，最终使得辣椒季的土壤CH4排放量波动大。但是由于生物质炭的吸水性强，短期内较其他处理更能涵养水分，为产甲烷菌提供厌氧环境，促进了CH4排放，而且通过相关性分析（表3）：CH4排放量与土壤的含水量呈显著的相关关系，同时辣椒季的温度多为30℃以上，为产甲烷菌的适合温度（30—40℃）[44]，因此在高温多水的短期内，生物质炭与化肥配施会促进CH4排放。

3.3 施肥与N2O，CO2及CH4累积排放量和增温潜势

水热条件是影响温室气体排放重要环境因子，有研究表明硝化作用的最适土壤温度为15—35℃，反硝化作用的最适土壤温度为5—75℃，土壤表层温度与土壤N2O排放速率存在显著的相关关系[48-49]。在本研究中，辣椒季的N2O累积排放量明显高于莴笋季和卷心菜季，通过相关性分析发现（表3）：N2O排放量与温度（包括5 cm土温和气温）存在显著的相关关系；这可能是由于辣椒生育期集中在夏季，高温多雨的环境，土壤中含水量较高，土壤通气性变差，有利于反硝化过程的发生，最终促进了N2O排放[17]。肥料（尤其氮肥）的施用会增加硝化和反硝化作用的底物，提高N2O的产生和排放，故各试验处理的N2O平均排放通量均显著高于对照CK；此外有机物料的添加能提高土壤的碳素含量，为微生物提供营养物质，提高了微生物活性[21,34]，因此与F处理相比，其他物料处理的N2O平均排放通量均提高。而BF处理的N2O平均排放通量的增加量较少，这是由于生物质炭的自身特点会吸附NH4+，同时改善土壤的通气状况，最终减少了N2O的产生和排放。较低C/N的牛粪还田后，会刺激土壤中氮分解，增加N2O排放，因此CF处理的N2O平均排放通量最大。温度和土壤水分共同决定了土壤CO2排放的季节特征，尤其是5 cm土层温度能够解释土壤呼吸变化的82%—94%，但水分对土壤CO2排放的影响具有复杂性与不确定性[50-52]。通过相关分析发现，本试验中的CO2排放量与温度存在极显著的正相关关系，而与土壤含水量呈极显著的负相关关系。由于辣椒季生育期的表层土温较高，且生育期长于莴笋季和卷心菜季，从而导致辣椒季的CO2累积排放量明显高于其他两季作物。物料的添加，为土壤带入碳源，故有机物料的添加均显著增加了试验期内CO2平均排放通量；与其他物料相比，秸秆有机碳含量较低，还田后可供微生物利用的碳源较少，因此SF处理的CO2平均排放通量低于其他物料处理。旱地的含水量相较于水田少，在整个试验观测期内，CH4排放与土壤含水量存在显著的正相关关系（表3），因此含水量成为CH4排放的重要决定因素。辣椒季高温多雨导致了该种植季的土壤环境变化频繁，故辣椒季，各处理的CH4“源”或“汇”特征较含水量变化不大的莴笋和卷心菜季的明显。与对照CK和常规施肥处理相比，CF处理增加了CH4平均排放通量，而其他物料与化肥配施均显著降低CH4平均排放通量，促进了CH4累积吸收量。这可能是牛粪的C/N比较低，还田后可以促进有机氮矿化生成铵态氮和硝态氮，但是铵态氮的存在会抑制土壤对CH4的吸收[46-47]，因此牛粪与化肥处理增加了CH4平均排放通量。

由于N2O，CO2，CH4的增温潜势不同，为定量分析不同温室气体对全球变暖的相对影响，本研究采用IPCC确定的因素来评价100年尺度上不同处理的温室气体的综合增温效应（GWP）[53]。本研究中，物料处理的GWP均显著高于对照CK和常规化肥处理，这与李露等[54]研究结果类似，这可能是因为本试验条件下，N2O对GWP的贡献率高于CH4，同时物料处理的CO2平均排放通量高于CK和F处理，所以各物料处理均提高了综合增温效益。但是4种物料相比，SF和BF处理的GWP相对较低，这是因为虽然BF处理增加了CO2平均排放通量，但是明显降低了N2O和CH4平均排放通量，而SF处理主要表现在降低CO2和CH4平均排放通量，可见不同物料处理对3种温室气体的减排效果存在差异。

4 结论

牛粪配施化肥提高了莴笋和卷心菜季的铵态氮含量，生物质炭配施化肥则提高了辣椒季硝态氮和碱解氮含量。N2O、CO2、CH4排放高峰主要集中在夏季，且施肥灌水后会出现排放峰。与常规施肥相比，生物质炭配施化肥降低了N2O排放，牛粪配施化肥显著增加了N2O排放，但各处理均促进了CO2排放，生物质炭则推迟了CO2排放峰。秸秆、菌渣配施化肥减少了CH4排放，牛粪则显著增加了CH4平均排放通量。有机物料配施化肥提高了温室气体的综合增温效应，秸秆、生物质炭处理的增温潜势低于菌渣、牛粪处理。

总体上，等养分投入下，有机物料配施化肥对蔬菜连作模式下的紫色土氮形态分布和温室气体的影响各异，与水热条件密切相关；生物质炭、秸秆与化肥配施处理能增加有效氮含量，减少温室气体的排放，缓解温室效应；而牛粪与化肥配施会增加温室气体排放。

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Effects of Combined Application of Various Organic Materials and Chemical Fertilizer on Soil Nitrogen Formation and Greenhouse Gas Emission Under Equal Nitrogen Rates from Purple Soil

HUANG Rong, GAO Ming, LI JiaCheng, XU GuoXin, WANG FuHua, LI Jiao, CHEN ShiQi

(College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715)

【Objective】In this study, the effects of agricultural organic materials combined with chemical fertilizer on soil nitrogen species (ammonium nitrogen, nitrate nitrogen, available nitrogen and total nitrogen) and greenhouse gases (carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O)) emission were investigated to provide knowledge for chemical fertilizer reduction and friendly environment according to the same nitrogen rate addition. From the aspect of greenhouse gases mitigation, theoretical suggestions were also provided for dry land fertilization strategy. 【Method】A vegetable rotation cropping experiment (lettuce-cabbage-chili rotation) with six treatments was carried out on purple soil in the field, and the treatments were control without any chemical fertilizer and organic material (CK), conventional fertilizing (F), straw returning with chemical fertilizing (SF), mushroom dregs returning with chemical fertilizing (MF), biochar returning with chemical fertilizing (BF), and cow dung returning with chemical fertilizing (CF). The variations of mineral nitrogen, available nitrogen and total nitrogen contents and the emissions of CO2, CH4and N2O from soil were monitored from November 2016 to September 2017.【Result】In the condition of equal nitrogen rates, organic materials could change the formation of soil nitrogen. The contents of ammonium nitrogen increased after organic materials application in SF and MF treatments. CF treatment could increase the content of ammonium nitrogen during lettuce and cabbage growth seasons, and BF treatment increased the content of nitrate nitrogen and available nitrogen during chili growth season. Seasonal dependent CO2, CH4and N2O emission was found and high emission mainly occurred during summer. Fertilization and irrigation events also increased CO2, CH4and N2O emission. Compared with F treatment, N2O emission reduced by 7.5% under BF treatment, but significantly increased by 233.5% under CF treatment. Combined application of organic materials and chemical fertilizer could increase the CO2emission. Significant increases of CO2emission were found under MF and CF treatments, which increased the mean CO2emission flux of 35.6% and 31.3% compared with F treatment, respectively. However, biochar returning delayed the emission peak of CO2and increased the CO2emission during summer. Negative CH4emission was found in most treatments, indicating a CH4adsorption by soil itself. Moreover, the emission of CH4fluctuated during the chili growth season and the highest CH4emission (668.7 μg·m-2·h-1) appeared under BF treatment with the condition of high temperature and intensive precipitation. However, the mean CH4emission flux under SF, MF and BF increased significantly by 104.85%, 175.2% and 77.5%, respectively. Moreover, SF and MF treatment could promote CH4consumption and reduce mean CH4emission flux of -0.1 and -1.3 kg·hm-2, respectively. Compared with CK and F treatment, organic materials combined with chemical fertilizer application could increase the global warming potential (GWP) by 26.7%-52.4% and18.1%-42.0% respectively. The lowest GWP was found under SF treatment.【Conclusion】Combined application of organic materials and chemical fertilizer had different greenhouse gases emission characters and soil nitrogen speciation. Biochar and straw returning combined with chemical fertilizer could reduce the greenhouse gases emission and increase available nitrogen content. However, cow dung returning with chemical fertilizing increased greenhouse gases emission.

purple soil; organic materials; nitrogen speciation; greenhouse gases; global warming potential

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.21.008

2018-04-02；

2018-08-10

国家重点研发计划项目（2017YFD0800101）

黄容，E-mail：277840241@qq.com。通信作者高明，E-mail：gaoming@swu.edu.cn

（责任编辑 李云霞）