施氮及添加硝化抑制剂对苜蓿草地N2O排放的影响*

倪 红, 杨宪龙, 王 刚, 来兴发, 邓建强, 沈禹颖

(兰州大学草地农业科技学院/兰州大学草地农业系统国家重点实验室 兰州 730020)

大量研究显示, 施氮是提高作物产量的重要途径[1]。然而, 农民为了追求作物高产, 往往过量施肥, 使得农田生态系统氮素输入量大幅增加[2-3], 由此产生了潜在的环境污染风险。N2O 是主要的温室气体之一, 其排放量逐年增加, 导致大气臭氧层遭到破坏, 使得到达地面的紫外线辐射增加20%, 同时也加剧了全球气候变暖[4]。研究表明, 农业生产活动是全球N2O 增加的主要来源, 其中主要包括化肥施用、作物秸秆还田及生物固氮等方面[5]。因此, 研究农田N2O 排放特征及其影响对于控制和减缓环境污染具有重要意义。

N2O 排放主要受土壤硝化和反硝化作用控制[6], 而这两个过程受施氮水平[7]和土壤水分[8]、温度[9]、pH[10]等因素的综合影响。王勇等[11]研究发现, 施氮后土壤N2O 出现排放高峰, 即施氮显著促进农田土壤N2O 排放。Sehy 等[12]研究发现在玉米(Zea mays L.)田中, 施氮量从125 kg(N)·hm-2增加到150 kg(N)·hm-2, N2O 排放量升高 34%。另有研究表明, 苜蓿(Medicago sativa L.)季、水稻(Oryza sativa L.)季和小麦(Triticum aestivum L.)季土壤N2O 排放量均随施氮量的增加而增加[8,13]。此外, 硝化抑制剂双氰胺(DCD)的添加可以在一段时期内有效抑制土壤氨氧化微生物活性从而推迟氨的氧化[14], 通过调控氮素转化过程提高氮肥利用率、减少氮肥污染, 最终实现氮肥有效管理[15]。赵颖等[16]研究显示, 农田土壤施用硝化抑制剂后N2O 排放显著降低, 抑制程度可达60%。马智勇等[17]研究发现, 土壤添加双氰胺后N2O 累积排放量较施氮处理降低了91.6%。同时, 也有田间试验表明, 施氮后添加DCD 可使玉米田内N2O 排放量降低28.1%[18]。聂文静等[19]研究表明, 与传统水氮处理相比, 优化水氮管理同时配施DCD 可显著减少N2O 排放。除施氮和添加硝化抑制剂外, 土壤温湿度也是影响N2O 排放的重要因素。土壤水分主要通过影响土壤中O2等气体的有效性、扩散率以及微生物活动来控制硝化及反硝化速率[20]。王涛等[21]研究表明, 陇东苜蓿草地的N2O 释放通量随土壤水分含量升高而增加。路则栋等[22]研究发现, 草地和农田N2O 排放通量与土壤湿度呈线性相关。Bremner 等[23]研究表明, N2O 排放与-2～25 ℃范围的表层土壤温度密切相关。

紫花苜蓿是栽培历史悠久、种植面积大的多年生优质豆科牧草, 在我国黄土高原地区被作为维持畜牧业生产的重要饲草来源。虽然苜蓿根瘤具有很强的生物固氮能力, 但是苜蓿在幼苗阶段或者是刈割过后, 固氮能力较弱, 仍然需要从土壤中摄取氮素维持自身生长需求[24], 而且苜蓿连续多年种植会降低其固氮能力从而大量消耗土壤氮素, 影响苜蓿的进一步生长[25]。因此, 前人针对多年生苜蓿合理施氮方面开展了大量系统研究[7,20,26-28], 并取得了重要进展。然而, 有关苜蓿草地N2O 排放特征及其对不同施氮和添加硝化抑制剂的响应规律尚不清楚, 苜蓿草地N2O 减排机制及措施还有待研究。基于此, 本研究设置4 个施氮梯度[0 kg(N)·hm-2、50 kg(N)·hm-2、100 kg(N)·hm-2、150 kg(N)·hm-2], 并在150 kg(N)·hm-2施氮水平下配合硝化抑制剂DCD的施用, 通过静态箱法研究N2O 排放特征及其影响因素, 旨在为当地多年生苜蓿草地合理施氮量的确定以及N2O 减排措施提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究在兰州大学庆阳黄土高原试验站(35°39′N, 107°51′E)进行。该试验站位于甘肃省庆阳市西峰区什社乡境内。属典型大陆性季风气候。多年(1961—2017年)平均降水量550 mm, 且多集中于7—8月。年均土壤潜在蒸发量为1 504 mm。日照时数2 300～2 700 h, 无霜期161 d, 生长季255 d。试验土壤为黑垆土, pH 值8.0～8.5, 表层土壤有机质含量约10 g·kg-1, 全氮含量低于1 g·kg-1。2017年降水量为677.2 mm(图1)。

图1 试验地2017年气温、降雨量及多年逐月降雨量分布特征 Fig.1 Distribution of temperature, precipitation in 2017 and multi-year monthly precipitation in the experimental site

1.2 试验设计

紫花苜蓿草地于2009年人工建植, 品种为‘陇东苜蓿’, 条播, 播量为25 kg·hm-2, 行间距15 cm。2017年开始, 设置5 个试验处理, 分别为不施氮(N0)、50 kg(N)·hm-2(N50)、100 kg(N)·hm-2(N100)、150 kg(N)·hm-2(N150)和150 kg(N)·hm-2+硝化抑制剂DCD(N150+DCD), 每个处理重复3 次, 小区面积20 m2(4 m×5 m), 随机区组排列。氮肥采用尿素(含N量46%); 硝化抑制剂为DCD, 纯度≥99.5%, 添加量为纯氮的10%。尿素和DCD 施用方式为撒施, 基肥施用量占80%, 施氮日期为2017年5月4日, 剩余20%氮肥在第2 茬刈割后(2017年7月31日)施用。

1.3 指标测定与计算

1.3.1 N2O 采集、排放通量测定和计算

N2O气体采集采用传统静态箱法, 每个试验小区内安置1个静态箱, 每个处理共3个静态箱。静态箱规格为50 cm×50 cm×120 cm, 采用不锈钢制作, 底座大小为50 cm×50 cm×15 cm, 插入地下部分10 cm, 底座地上部分设置5 cm宽、5 cm深的水槽, 以便于静态箱的放置和密封。箱内配有循环风机, 以保证箱内气体完全混合。在气体取样过程中, 静态箱被暂时安装在框架上, 但在所有其他时间段都被移除, 以尽量保证气室内外辐射、气温以及土壤温、湿度的近似一致性。苜蓿生长季(返青期2017年4月—收获期2017年9月)每10 d左右采样1次, 共采集25次气体样品。为了增强测定结果的可比性, 采样时间与前人相关研究中的测定时间保持一致[29-31], 均为上午9: 00—11: 00, 每次采样500 mL, 使用装有三通旋塞的100 mL塑料注射器, 通过与腔室连接的特氟隆管采集气体, 分别在箱子密闭稳定后的0 min、15 min、30 min和45 min进行, 采集的气体常温储存于铝箔气体采样袋中, 在采集气体的同时, 用地温计测定土壤温度[32]。室内相关分析用LGR-N2O/CO气体分析仪(DLT-100, Los Gatos Research, Inc.NE, USA)测定, 将气体采样袋与LGR-N2O/CO气体分析仪连接, 由传感器测量N2O排放速率, 使用非线性拟合方法来确定N2O的初始浓度变化速率, 传感器每6 min测定1个采样袋, 进而计算出每个采样袋内N2O的通量值。仪器中设有自动标定系统, 定期对系统测量准度进行验证。仪器相关配置参数设置并保存于SD卡, SD卡插入在SF3000卡槽中。有关数值采用下列公式进行计算。

N2O排放通量[33]:

式中: F为N2O排放通量(mg·m-2·h-1), 正值为排放, 负值为吸收; ρ为标准大气压下N2O密度(g·L-1); V为采气箱内有效空间体积(cm3); A为采气箱覆盖的土壤面积(cm2); dc/dt为采样箱内N2O浓度的变化速率(μL·L-1·min-1); T为采样时采气箱内温度(℃); P为采样时气压(kPa); P0为标准大气压(kPa), P/P0≈1。

N2O排放总量:

式中: T为N2O排放总量(mg·m-2), Fi和 +1iF 分别为第i和i+1次采样时N2O排放通量(mg·m-2·h-1), Di和 +1iD分别为第i和i+1次采样时间(d), n为测定次数。

单位苜蓿产量N2O排放量(TY):

N2O排放系数 2N O( )E :

1.3.2 地上生物量测定

试验地苜蓿一年刈割两次, 分别于6月7日和7月16日进行。刈割时, 每个小区选择50 cm×50 cm的样方3个, 齐地面刈割。植物置于85 ℃烘箱内烘48 h, 称量干重并记录。

每次采集N2O气体的同时, 用直径40 mm土钻采集0～10 cm表层土壤, 置于105℃烘箱中烘干至恒重, 测定土壤含水量。此外, 分别取苜蓿草地0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm的土样, 过2 mm筛后取10 g土样, 加50 mL 2.0 mol·L-1KCl溶液提取新鲜土样, 并用流动注射分析仪(FIASTAR 5000, FOSS)测定土壤含量, 土样采集时每个小区重复3次。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2016和SigmaPlot 12.5进行数据整理和作图, 用GenStat 19.0软件进行单因素方差分析和相关性分析, 以检验处理间各指标的差异显著性和相关性。

2 结果与分析

2.1 试验期内降水、气温分布以及苜蓿草地N2O 排放动态

2017年试验期内降雨和气温分布如图2a 所示。由图可知, 试验期内共发生23 次降雨事件, 其中, 最大一次降雨事件发生在 6月 4日, 降雨量为61.2 mm, 最小一次降雨事件发生在6月26日, 降雨量为0.1 mm。试验期内气温的变幅为10.1～28.2 ℃, 平均为19.8 ℃, 气温随着时间的推进表现为先增加后降低的趋势。由图2b 可知, 不同处理N2O 排放通量在试验期内表现出较大的波动性, 在7月14日(第2 茬花期)N2O 排放通量达到最高, 与N0 相比, N50、N100、N150 和N150+DCD 分别高出4.44%、31.43%、 61.90%和-52.70%。表明N2O 排放通量均随氮肥梯度增加而增加, 而硝化抑制剂DCD 的添加对苜蓿草地N2O 排放有显著抑制作用(P＜0.05)。

图2 苜蓿草地生长季气温、降雨(a)和不同施氮和添加硝化抑制剂处理下N2O 排放通量(b)的动态 Fig.2 Dynamics of air temperature, precipitation (a)and N2O emission flux under different treatments of nitrogen application and nitrification inhibitor addition (b)of alfalfa grassland in growing season

2.2 施氮和添加硝化抑制剂对N2O 排放通量及平均排放通量的影响

2017年5月4日, 苜蓿第1 次施氮后连续7 d 平均N2O 排放通量如图3a 所示。由图可知, N0、N50、N100、N150 和N150+DCD 处理N2O 平均排放通量分别为1.6 μg·m-2·h-1、2.1 μg·m-2·h-1、3.2 μg·m-2·h-1、3.5 μg·m-2·h-1和1.1 μg·m-2·h-1, 随着施氮量升高呈增加趋势。其中, N150 处理的N2O 平均排放通量较N150+DCD、N0 和N50 处理分别增加218.2%、118.8%和66.7%(P＜0.05)。从整个试验期内N2O 平均排放通量可知(图3b), 苜蓿草地不同处理N2O 平均排放通量的大小顺序为 N150＞N100＞N50＞N0＞ N150+DCD, 随着施氮量的增加而增加, 且硝化抑制剂DCD 的添加可显著抑制N2O 排放(P＜0.05)。

2.3 施氮和添加硝化抑制剂对苜蓿产量、N2O 排放特征的影响

由表1 可知, 不同处理下第1 茬和第2 茬苜蓿产量 的 变 幅 分 别 为 4 282.1～6 841.5 kg·hm-2和2 930.8～3 774.6 kg·hm-2, 各处理之间无显著差异(除第1茬N50显著高于N150+DCD, P＜0.05), 施氮并不能引起苜蓿产量的显著增加。苜蓿N2O 累计排放量随施氮梯度的增加而呈现增加趋势, 占施氮总量比例(N2O 排放系数)的-0.015%～0.031%。与N150 处理相比, 添加硝化抑制剂DCD 后, N150+DCD 处理的N2O 累计排放量显著降低61.6%(P＜0.05), 可见添加硝化抑制剂能够明显抑制N2O 排放。不同施氮处理下, N2O 排放系数基本维持在0.03 左右。此外, N50、N100、N150 和N150+DCD 处理苜蓿单位产量N2O 排放量分别是N0处理的1.2 倍、1.7 倍、1.9 倍和0.9 倍, 随施氮量增加而增加, 且与N150 处理相比, 添加DCD 能够降低52%苜蓿单位产量N2O 排放量(P＜0.05)。

图3 不同施氮和添加硝化抑制剂处理下苜蓿草地第1 次施氮后7 d(a)及全监测期(b)N2O 平均排放通量 Fig.3 Average fluxes of N2O emission after 7 days of the first nitrogen application (a)and during the whole monitoring period (b)of alfalfa grassland under different treatments of nitrogen application and nitrification inhibitor addition

表1 不同施氮和添加硝化抑制剂处理下苜蓿草地N2O 累计排放量、排放系数和苜蓿产量 Table 1 Cumulative N2O emissions, N2O emission factors of alfalfa grassland and alfalfa yield under different treatments of nitrogen application and nitrification inhibitor addition

2.4 施氮和添加硝化抑制剂对土壤硝态氮含量的影响

如图4所示, 5月4日第1次施氮后, 5月11日测定的各施氮处理在不同土层土壤含量均维持在较高水平, 并且含量随着施氮量的增加表现为增加趋势。6月6日(初花期)不同处理含量变化趋势基本一致, 0～40 cm土层土壤内含量顺序为N150＞N150+DCD＞N100＞N50＞N0。6月28日(再生期)和7月14日(第2茬花期), 0～40 cm土层N150处理下土壤含量均显著高于N150+DCD; 各处理0～20 cm土层土壤含量表现为减少趋势, 20～40 cm土层土壤含量表现趋势相反, 表明表层土壤已向下淋溶; 而N150+DCD处理20～40 cm土层土壤含量基本保持稳定, 表明添加土壤硝化抑制剂能够降低0～40 cm土层的累积, 进而抑制土壤内硝化作用的进行, 减少N2O排放。随着苜蓿生长、吸氮量的增加以及8月底集中降雨的来临, 8月23日(第2茬再生期)和9月29日(休闲期)各处理土壤含量迅速达到稳定水平, 但N150 处理的含量仍高于其他处理。

图4 不同施氮和添加硝化抑制剂处理下苜蓿草地0～20 cm(a)、20～40 cm(b)和40～60 cm(c)土层土壤硝态氮含量动态变化 Fig.4 Dynamics of soilcontents in 0-20 cm (a), 20-40 cm (b)and 40-60 cm (c)layers of alfalfa grassland under different treatments of nitrogen application and nitrification inhibitor addition

2.5 施氮和添加硝化抑制剂处理下N2O 排放通量与土壤温湿度的关系

由表2 可知, 不同处理N2O 排放通量与表层0～10 cm 土壤温度无显著相关性(P＞0.05), 而与表层0～10 cm 土壤含水量显著正相关(P＜0.05), 表明N2O排放通量主要受土壤含水量的深刻影响, 随着土壤含水量的增加而增加, 而与土壤温度的关系不密切。添加DCD 条件下, 土壤含水量与N2O 排放通量极显著相关, 表明添加硝化抑制剂对苜蓿草地土壤的水分利用产生影响。

表2 不同施氮和添加硝化抑制剂处理下苜蓿草地0～10 cm 土壤温度和含水量与N2O 排放通量相关性 Table 2 Correlation of N2O emission fluxes with soil temperature and moisture of 0-10 cm layer of alfalfa grassland under different treatments of nitrogen application and nitrification inhibitor addition

回归分析结果显示(图5a), 监测期内, 施氮处理N2O 排放通量随土壤温度的增加而表现为增加的趋势, 但回归方程未达显著水平(P＞0.05)。在苜蓿季整个观测期土壤孔隙含水率在11.12%～64.99%内变化, 各处理N2O 排放通量与土壤孔隙含水率间存在显著线性回归关系(图5b)(P＜0.05), 关系式为y=0.166x-2.664 2 (R2=0.308 9, P＜0.001), 说明对苜蓿生长季0～10 cm 土壤水分含量可以解释施氮处理N2O 排放通量变化的31%左右, 土壤孔隙含水率每增加1%, 施氮处理N2O排放通量平均增加0.166 μg·m-2·h-1。

3 讨论

本研究表明, 施氮量为0～150 kg(N)·hm-2时, 监测期内苜蓿草地N2O 排放通量为4.1～7.5 μg·m-2·h-1。整个生长季内N2O 排放通量随施氮量的增加而增加, 这与目前水稻、玉米和紫花苜蓿上的研究结论一致。肖玉等[34]研究表明, 在稻田施氮375 kg(N)·hm-2和未施氮时, 土壤N2O 排放通量分别为8.6～56.6 μg·m-2·h-1和0.6～14.9 μg·m-2·h-1, 可见施氮能明显增强N2O 排放。孙丽英等[35]研究报道, 水稻生长期间施加300 kg(N)·hm-2时, N2O 排放通量为-1.6～4.2 μg·m-2·h-1, 累积排放通量 随氮肥的施入显著提高。胡小康等[36]在夏玉米上发现同样规律, 生长季施用300 kg(N)·hm-2时土壤N2O排放总量显著高于施氮量为250 kg(N)·hm-2的处理, 二者相应的N2O 排放系数分别为1.15%和0.94%。周莹[37]发现施氮能够刺激N2O 的排放, 旱作2年龄紫花苜蓿草地N2O 排放通量与施氮量呈正比例关系, 排放通量由小到大依次为未施氮处理＜施氮量50 kg(N)·hm-2处理＜施氮量100 kg(N)·hm-2处理。本研究中, 不同施氮水平下N2O 排放系数均在0.03%左右, 高于胡小康等[36]在夏玉米上的研究结果, 这可能是由于施氮量相对较低所致。此外, 本试验中苜蓿基肥氮肥施用量占生育期总施氮量80%, 为了探明施肥事件对苜蓿草地N2O 排放动态的影响, 从施肥后第2 d 开始连续1 周加密采样。通过平均施氮后7 d 内的N2O 排放通量发现, N2O 释放通量随施氮量增加而显著增加(图3a)。剩余20%氮肥追肥后采用正常测定频率, 考虑到追施氮肥的比例较小, 且总生育期的测定次数较多, 因此本次氮肥追施后采用正常的测定频率对于生育期累积N2O 排放通量估算的影响应该十分有限。已有部分研究表明, 硝 化抑制剂DCD 能够高效且专性抑制土壤硝化活性来显著减少土壤N2O 排放, 且土壤硝化作用抑制率均呈现先增强后减弱的变化趋势, 在施加后的7～14 d 抑制能力最强[38]。本研究结果表明, 与N150处理相比, N150+DCD 处理苜蓿草地N2O 平均排放速率下降50.7%, N2O 累计排放量显著降低61.6%, 硝化抑制剂DCD 在苜蓿草地N2O 减排方面具有良好效果。这与吴得峰等[39]研究发现2013年和2014年添加硝化抑制剂DCD 后N2O 排放量分别下降24.8%和33.0%的研究规律一致。

图5 苜蓿草地N2O 排放通量与0～10 cm 土壤温度(a)和土壤孔隙含水率(b)的关系 Fig.5 Relationship between N2O emission flux and soil temperature (a), water-filled pore spaces (WFPS, b)of 0-10 cm layer of alfalfa grassland

本研究条件下, 与不施氮处理相比, 施氮对苜蓿产量没有显著影响, 并且在施氮量高于100 kg(N)·hm-2时苜蓿产量降低。这与齐鹏等[40]发现植株干物质积累和氮积累随施氮量的增加而增加, 在施氮量超过103.5 kg(N)·hm-2时不利于紫花苜蓿对氮素完全利用的研究结果一致。与N0 处理相比, N150+DCD 处理和N150 处理的苜蓿第1 茬产量和第2 茬产量均降低, 可见对多年龄苜蓿施氮不能提高苜蓿产量。蔡国军等[41]发现施加氮肥对多年龄苜蓿生长和生物量提高没有明显效果。此外, Fishbeck 等[42]指出, 向已形成根瘤的多年龄苜蓿草地施加氮肥, 不仅会降低产量, 同时将减少苜蓿株数。王丹等[43]通过试验发现, 苜蓿单株生物量随施氮水平的提高而显著增加, 土壤硝态氮含量先降低后增加, 然后趋于平稳, 表明苜蓿施氮量过高时, 土壤中大部分硝态氮会进行累积。土壤中的含量高于15 mg·kg-1时, 施加氮肥无法增加产量[26]。Eardly 等[44]研究表明, 苜蓿植株内含量一般维持在20～50 mg·kg-1, 在高水平条件下, 植株不能同化吸收。这与本研究结果一致, 当苜蓿草地施氮量增加时, 0～40 cm 土层含量明显增加。这部分若不能及时被作物吸收利用, 便会在降雨驱动下被逐步淋洗至较深土层, 或以硝化反硝化气态损失, 导致N2O 排放增加。而苜蓿草地施氮肥后各种损失途径(氨挥发、硝化反硝化气体损失、氮素淋洗等)比例问题, 尚需进一步研究。

土壤含水量和土壤温度通过影响土壤通气性改变土壤氧化还原电位[45]和影响微生物活性保障微生物正常活动[46], 进而调节土壤硝化作用和反硝化作用。本研究表明N2O排放与土壤含水量显著正相关。本试验在7月14日(第2茬花期)N2O排放通量达到最高, 此时紫花苜蓿生物量达到刈割前最高, 促进土壤微生物活性增强, 并且有降雨发生, 这可能是由于水分含量高导致土壤中氧气含量少, 从而抑制氨氧化过程, 促进反硝化过程, 使氮素更多以N2O的形式损失, 促进土壤N2O排放通量升高, 从而出现峰值, 这与前人研究结论一致。有研究表明, 旱地土壤中降雨是N2O释放的主要驱动因子[47]。在黄土条件下, 土壤水分含量升高, 土壤反硝化作用增强, 促进了土壤N2O排放[48]。李渊等[49]采用静态箱法发现3年龄早熟禾(Poa annua L.)N2O栽培草地释放通量主要受土壤水分影响。梁东丽等[50]表明旱地玉米土壤N2O排放通量在降雨后呈上升趋势, 与同期降雨量的变化趋势相同。本研究发现生长季内土壤温度与N2O排放无显著相关性, 这与前人的研究结论不太一致。譬如, 张振贤等[51]研究表明N2O排放速率的变化与表层土壤温度几乎同步变化。又如, 郑循华等[52]在华东稻麦轮作系统发现N2O排放具有明显的周期性日变化, 几乎与气温变化完全同步。这可能是由于本研究对N2O的测定周期较长(10 d左右), 导致温度变化对N2O排放的影响被苜蓿生长、土壤水分以及土壤硝态氮含量等其他因子所掩盖, 但具体原因还需进一步研究。

4 结论

施氮是影响紫花苜蓿草地N2O 排放的重要因素。随着施氮水平的增加, 苜蓿草地N2O 排放通量以及单位产量N2O 排放量均表现为明显的增加趋势。在150 kg(N)·hm-2施氮水平下, 添加硝化抑制剂DCD 较未添加处理能够明显降低土壤累积量, 通过减少反硝化作用的底物抑制土壤反硝化作用, 最终减少N2O 排放。降雨后土壤通气状况变差, 对土壤N2O 排放具有明显的激发作用, 而温度在本研究中对N2O 排放没有显著影响。本研究结果对于指导该区域苜蓿草地合理施肥以及N2O 减排具有重要的实践意义。