秸秆还田方式对东北农田土壤NH3挥发和N2O排放的影响

马 玲,王丹蕾,韩昌东,范丽娟,金鑫鑫,叶旭红,邹洪涛*

1.沈阳农业大学土地与环境学院,辽宁 沈阳 110866 2.农业部东北耕地保育重点实验室,辽宁 沈阳 110866 3.土肥资源高效利用国家工程实验室,辽宁 沈阳 110866 4.盘山县高升街道农业服务站,辽宁 盘山 124123

我国是农业大国，作物秸秆总量居世界前列[1].秸秆还田因具有能够避免秸秆堆积或焚烧造成的资源浪费和环境污染[2]、培肥地力[3-4]、提高土壤生物活性和改良土壤理化性质[5]等优点，越来越受到人们的重视，但焚烧秸秆的现象仍普遍存在.从生态系统质量平衡的角度来看，秸秆的清除因带走了大量的养分资源而破坏了农业系统的养分循环，并且降低了土壤生产能力[6-7]，因此加强秸秆还田有利于农业的可持续发展[8].然而，秸秆还田后释放出的NH3、N2O等气体[9]，不仅造成了土壤中的氮素损失[10-11]，还会加剧温室效应[12]、破坏臭氧层、危害生态环境[13-14].

秸秆还田是农田土壤有机质含量提升的重要途径，而东北三省作为我国的粮食主产区，春玉米种植区的秸秆还田比例却仅有19.8%[15]，因此，加强其秸秆还田的应用具有重要意义.在东北地区秸秆还田方式有2种，即秸秆翻压和秸秆覆盖还田[16]，但对于还田方式的选择尚存在分歧.

目前，相关学者对于不同秸秆还田方式下旱田土壤NH3挥发的研究较少且具有不确定性.与单施化肥相比，小麦和玉米秸秆常规还田配施化肥均可显著减少旱田土壤的NH3挥发损失[17]；作物秸秆及残茬覆盖还田能够增加NH3挥发[18].由于秸秆还田的方式、秸秆种类、还田配套措施等的不同，相关学者在秸秆还田对N2O排放影响方面的研究结果也有所不同.MA等[19]研究发现，小麦秸秆均匀混施较沟内覆盖和条带覆盖更有利于减少N2O的排放；作物秸秆覆盖可显著增加N2O排放，而秸秆混施入土壤则显著降低了N2O排放[20]；常规还田和炭化还田均能显著降低土壤N2O排放通量和排放总量[21-22]；LIU等[23]基于大数据分析方法——Meta分析，发现秸秆添加可增加旱地土壤的N2O排放量.但目前相关研究还主要集中于表层还田和覆盖还田，尚缺乏对深还田条件下土壤NH3挥发和N2O排放的研究.

因此，该研究在田间试验条件下，探究不同秸秆还田方式对土壤NH3挥发和N2O排放特征的影响，以期为东北地区秸秆还田方式的选择提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

该试验在沈阳农业大学试验田(41.62°N、123.46°E，海拔43 m)进行，该地区种植模式为一年一熟，属于温带半湿润大陆性气候，年均气温7.7 ℃，年均降水量约718.9 mm.试验期间日最高、最低气温及降雨量见图1.供试土壤类型为棕壤，其基本理化性质：pH=6.63，有机质含量21.63 g/kg，碱解氮含量27.42 mg/kg，速效磷含量24.75 mg/kg，速效钾含量167.36 mg/kg;还田玉米秸秆的全氮含量7.42 g/kg，有机碳含量423.79 g/kg.

图1 研究区域玉米生长季气温与降雨量的变化情况Fig.1 Air temperature and rainfall of corn growing season in the field

1.2 试验设计

试验共设置4个处理：①覆盖还田，即表面覆盖玉米秸秆，0～20和20～40 cm土壤分层扰动后填回，记为JG0-0；②常规还田，即玉米秸秆与0～20 cm土壤混合，20～40 cm土壤扰动后填回，记为JG0-20；③深还田，即玉米秸秆与20～40 cm土壤混合，0～20 cm土壤挖出后填回，记为JG20-40；④对照处理，即无玉米秸秆还田，0～20 cm和20～40 cm土壤分层扰动后填回，记为CK.每个处理均设3次重复，小区面积为2.64 m2(2.2 m×1.2 m)，各小区随机排列.试验小区于2017年11月9日布置完成，各处理秸秆还田量均为10 500 kg/hm2，秸秆粉碎长度约为3 cm.

供试作物为玉米(京科968)，于2018年5月12日播种，9月22日收获.种植密度为 52 500 株/hm2，行距为60 cm，株距为31 cm.各处理施肥量相同：尿素(N含量为46.4%)240 kg/hm2(以N计)，过磷酸钙(P2O5含量为12%)75 kg/hm2，硫酸钾(K2O含量为50%)105 kg/hm2.其中，磷、钾肥作基肥一次性施入，氮肥分3次施入，5月12日施基肥30%，拔节期(7月4日)追肥40%，吐丝期(7月23日)追肥30%；3次施肥时均将尿素溶于500 mL水中，用喷壶均匀喷洒在距玉米根部7 cm、深度10 cm的环形沟中，随后覆土；其他田间管理同当地常规种植一致.

1.3 试验方法与数据处理

1.3.1样品的采集与测定

土壤NH3挥发通量采用美国Los Gatos Research (LGR)超便携NH3分析仪(915-0016)测定[24].土壤NH3挥发自施肥当天开始测定，第1周每天测定1次，第2～3周为每1～3 d测定1次，之后每隔7 d测定1次[25].通量计算采用式(1)：

(1)

NH3挥发累积量为相邻两次通量的平均值与两次采样间隔时间的乘积之和.

土壤N2O采用密闭式静态箱法采集.采样箱分为箱体和底座两部分.箱体为四面和顶部封闭的有机玻璃长方体(40 cm×40 cm×60 cm)，箱内设置有气密性气体采样口(采样口连接有三通阀以控制开关)、测温口和小风扇(以保证箱内气体分布均匀)；底座(40 cm×40 cm×25 cm)上部有凹槽，下部插入行间土壤中15 cm.采气时，用水注入凹槽以达到水封效果，然后罩上箱体，并使用60 mL注射器从采样口抽取样品注射入真空气袋中，采样同时测定箱内温度、10 cm土壤温度、土壤含水量和气温.N2O气体自施肥后第2天开始采集，之后每6 d采样1次，采样时间从08:00开始，每个点采集4次，每次间隔为10 min.气体样品使用Agilent 7890B气相色谱仪测定，根据气体浓度随时间的变化速率计算气体排放通量,计算公式[26]：

F=[273/(273+T)]×(28/22.4)×

(V1/S1)×60×(dc/dt)

(2)

式中：F为N2O排放通量，mg/(m2·h)(以N计)；T为采样箱内温度，℃；28为每摩尔N2O分子中N的质量数，g/mol；22.4为温度在273 K时的N2O摩尔体积，L/mol；V1为采样箱体积，m3；S1为底座面积，m2；c为N2O气体含量，μL/L；t为采样时间，min；dc/dt为采样箱内N2O气体含量的变化率，μL/(L·min).

N2O的累积排放量为相邻两次N2O排放通量的平均值与两次采样间隔时间的乘积之和.

气体(NH3、N2O)总累积排放量采用式(3)计算：

CN=C1+C2

(3)

式中：CN为气体(NH3、N2O)总累积排放量，kg/hm2；C1为NH3挥发累积量，kg/hm2；C2为N2O的累积排放量，kg/hm2.

气体(NH3、N2O)累积挥发(排放)率采用式(4)计算：

Wn=C/Nf×100%

(4)

式中：Wn为气体(NH3、N2O)累积挥发(排放)率，%；C为对应气体累积挥发(排放)量，kg/hm2；Nf为所施入的氮素总量，kg/hm2.

氮素气态损失率计算公式：

WN=CN/Nf×100%

(5)

式中，WN为氮素气态损失率，%.

采用湿度传感器(EC-5，METER,美国)测定10 cm土层体积含水量，采用地温计测定10 cm土层温度.土壤容重和孔隙度采用环刀法测定，土壤及还田秸秆的基本理化性质采用常规方法测定.土壤铵态氮和硝态氮含量采用自动流动注射系统(Seal AutoAnalyzer 3)测定，土壤pH采用pH计测定.玉米收获时测量其穗长、穗行数、行粒数、百粒重.

1.3.2数据处理

采用Microsoft Excel 2013、IBM SPSS Statistics 22.0软件进行数据的统计分析，采用Origin 8.5软件制作图表，利用LSD和Duncan法进行差异显著性检验.

2 结果与分析

2.1 秸秆还田方式对土壤NH3挥发的影响

由图2可知，不同秸秆还田方式下土壤NH3挥发通量在不同施肥时期具有不同特征.在播种期施肥后第2天，JG0-0、JG0-20、JG20-40、CK各处理下NH3挥发通量均达到峰值，分别为47.85、44.83、59.18、34.59 μg/(m2·h)，随后逐渐下降.5月16日和5月17日分别出现降雨后，气温回升，各处理下土壤NH3挥发通量亦呈现上升趋势，并在5月20日再次出现峰值，此时，JG0-20处理下NH3挥发通量最高，为56.19 μg/(m2·h)，JG0-0处理下为46.64 μg/(m2·h)，JG20-40处理下为55.38 μg/(m2·h)，CK处理下为52.66 μg/(m2·h).此后，各处理下NH3挥发通量降低并在较低范围内趋于稳定.拔节期追肥后第1天，各处理下土壤NH3挥发通量均达到峰值，此时CK处理下最高，为65.13 μg/(m2·h)，其次是JG20-40和JG0-20处理，分别为57.25和42.41 μg/(m2·h)，JG0-0处理最低，为38.66 μg/(m2·h).追肥后第7天，各处理下NH3挥发通量再次出现峰值，这可能与当日较高的气温有关.由于季节原因，气温逐渐升高，7月15日后，NH3挥发通量呈现缓慢增加趋势，且CK处理下的增加趋势与其他处理相比更为明显.吐丝期追肥后各处理下土壤NH3挥发受温度变化的影响更为明显，呈现较大波动，但总体趋势较为一致，从图2可以看出，施肥后第2天，土壤NH3挥发通量达到峰值，7月29日后CK处理下NH3挥发通量高于其他处理，有可能是因为秸秆还田减缓了气温对土温和土壤水分的影响，从而影响了NH3挥发通量.

图2 NH3挥发通量的动态变化Fig.2 Dynamics of ammonia volatilization fluxes

2.2 土壤NH3挥发通量与土壤含水量及气温的关系

通过对10 cm土壤含水量(W)和气温(T′)进行双因素回归方程拟合(FNH3=208.698-10.076T′+0.135T′2-8.495W+0.044W2+0.229T′W，R2=0.48，P<0.01)，可以更好地描述土壤含水量与气温对土壤NH3挥发通量变化的协同作用(见图3).如图3所示，当土壤含水量较低时，气温升高会在一定程度上抑制土壤NH3的挥发，而当土壤含水量较高时，气温升高则会在一定程度上促进土壤NH3的挥发.当气温较低时，随着土壤含水量的增加，土壤NH3挥发会在一定程度上受到抑制，而当气温较高时，土壤NH3的挥发则会在一定程度上随土壤含水量的增加而增加.

图3 NH3挥发通量与气温及10 cm土壤含水量的关系Fig.3 Relationship among NH3 volatilization flux and air temperature and soil water content of 10 cm

2.3 秸秆还田方式对土壤N2O排放的影响

不同秸秆还田方式下土壤N2O排放通量动态变化如图4所示.播种期施肥后，各处理下N2O排放通量逐渐增加，且变化趋势基本一致.至5月31日，JG0-0、JG0-20、JG20-40、CK这4个处理均出现排放高峰，N2O排放通量峰值分别为0.08、0.10、0.06、0.04 mg/(m2·h)，随后各处理下土壤N2O排放通量呈现下降趋势.6月12日后各处理下N2O排放通量出现较为明显的波动，可能是6月中旬出现多次降雨的原因.拔节期追肥后，各处理下土壤N2O排放通量的动态变化趋势基本一致，均表现为先升后降，并于7月13日达到排放峰值，其中JG0-20处理最高，为0.13 mg/(m2·h)，其次是JG20-40和JG0-0处理，均约为0.07 mg/(m2·h)，CK处理最低，为0.06 mg/(m2·h).吐丝期追肥后第2天，各处理下N2O排放通量出现峰值，此时JG0-20处理最高，JG20-40处理最低.8月11日N2O排放通量出现上升趋势，随后逐渐降低并稳定在较低水平.

图4 N2O排放通量的动态变化Fig.4 Dynamics of N2O emission fluxes

2.4 不同秸秆还田方式土壤N2O排放通量与土壤温度的关系

在玉米不同生长时期，气温变化范围较大(日均最低气温12.5 ℃，日均最高气温34 ℃)，且日均气温与10 cm土壤温度具有极显著相关关系(r=0.855，P<0.01).采用指数函数拟合的方法探究N2O排放通量与10 cm土壤温度的关系，拟合结果如图5所示.结果显示，各处理下N2O排放通量与10 cm土壤温度的拟合方程均达到显著水平，其中，JG20-40和CK处理均达到极显著水平，表明在一定条件下，不同处理间土壤N2O排放量受温度影响较大.

注：*和** 分别表示在0.05和0.01的水平上差异显著.图5 土壤N2O排放通量与10 cm土壤温度的关系Fig.5 Relationship between soil N2O emission flux and soil temperature at the depth of 10 cm

2.5 玉米生长季气体总累积排放量及氮素气态损失率

玉米生长季气体总累积排放量和氮素气态损失率结果如图6所示.由图6(A)可见，不同秸秆还田方式处理下的NH3累积排放量均显著低于CK处理，但N2O累积排放量显著高于CK处理.其中，JG0-0和JG0-20处理下NH3累积排放量均较低，且二者间差异不显著，但二者均显著低于JG20-40处理，JG0-0、JG0-20和JG20-40处理下土壤NH3累积排放量分别比CK减少了12.38%、9.87%和5.73%；不同秸秆还田方式处理下的N2O累积排放量表现为JG0-20>JG20-40>JG0-0，与CK相比，JG0-0、JG0-20和JG20-40处理下土壤N2O累积排放量分别增加了30.19%、82.82%和36.53%，其中JG0-0和JG20-40处理之间无显著性差异.从NH3和N2O这两种气体总累积排放量来看，所有处理间均具有显著性差异.JG0-0、JG0-20和JG20-40处理下两种气体总累积排放量分别为1.12、1.46和1.18 kg/hm2，与CK处理(0.96 kg/hm2)相比，分别增加了16.67%、52.08%和22.92%；同样，从图6(B)可知，JG0-0、JG0-20和JG20-40处理下氮素气态损失率分别为0.47%、0.61%和0.49%，比CK处理(0.40%)显著增加了17.50%、52.50%和22.50%.

2.6 土壤NH3和N2O的累积排放量与其影响因素的相关性

土壤NH3和N2O的累积排放总量与其影响因素的相关性分析结果如表1所示.由表1可见，在该试验条件下，土壤NH3累积排放量与N2O累积排放量间呈极显著相关(r=-0.859，P<0.01).两种气体的累积排放量与0～20 cm土层铵态氮含量、硝态氮含量、pH及土壤容重均呈极显著相关，与0～20 cm土层土壤孔隙度呈显著相关.

表1 土壤NH3、N2O的累积排放量与其影响因素的相关性分析Table 1 Correlation analysis among soil NH3 volatilization and N2O emission and its influence factors

2.7 不同还田方式对玉米产量及其构成因素的影响

各还田处理下的玉米产量均高于CK处理(见表2)，其中，JG20-40处理显著高于其他处理，且与CK处理相比显著增加了23.15%.JG0-0处理下玉米虽增产8.23%，但与CK和JG0-20处理的差异并未达到显著水平.各还田处理下玉米百粒重无显著差异.除此之外，JG20-40处理下玉米穗长、穗行数和行粒数也高于其他处理.

表2 不同处理方式对玉米产量及其构成因素的影响Table 2 Effects of different treatments on corn yield and its components

3 讨论

研究[27]表明，降雨和温度是影响土壤NH3挥发和N2O排放的主要气候因素，主要通过影响土壤通气性、微生物活性、气体运动等来影响土壤NH3挥发和N2O的产生及排放.该研究中，土壤NH3挥发通量自7月中下旬开始呈现出受温度变化影响较为明显的特点，且相比于其他处理，CK处理下土壤NH3挥发通量波动更为明显，这可能是由于秸秆还田处理相比于CK处理减缓了表层土壤温度的变化[28-29]，而土壤温度的升高会增强土壤中酶的活性[30]，并且减少土壤胶体对NH4+的吸附，加速NH4+转化为NH3，从而促进NH3的挥发[31].玉米生长季土壤N2O排放通量峰值的出现时间表现为吐丝期<拔节期<播种期，这可能是由于气温和降雨在一定程度上影响了土壤中氮转化微生物的活性和土壤氮源供应强度[32-33]，进而影响了N2O的排放.Scala等[34]研究发现，当土壤温度从0 ℃逐渐升至35 ℃时，土壤微生物活性和土壤N2O的排放量均显著升高；同时，土壤含水量也是影响农田土壤N2O排放的重要因素之一[35].土壤水热条件和土壤微生物活性的改变也将影响土壤有机氮的矿化，从而影响土壤的氮素供应能力[36-37].试验期间拔节期和吐丝期的气温和降雨量均高于播种期，因此排放峰值出现的时间可能也受此影响而较播种期提前.另外，试验中不同秸秆还田方式处理间不同施肥时期土壤N2O排放通量峰值的出现次序均不相同，可能是因为不同秸秆还田方式条件下土壤含水量和土壤温度的变化情况不同.有研究[38-39]表明，土壤N2O排放的短期变化与土壤湿度变化密切相关，过多的降雨导致土壤含水量增至较高水平后，虽然进一步增强了反硝化作用，提高了N2O的产生，但过高的含水量会使土壤通透性下降，严重阻碍N2O向大气的扩散，并使其有足够的时间被进一步还原成气态氮.同时，温度升高会导致土壤含水量降低，这也会抑制N2O的排放，除此之外，过高的土壤温度以及较低的土壤含水量都会降低土壤微生物的活性[40]，从而减少N2O的产生.秸秆还田可影响还田层土壤的水热条件，这些环境因素的复杂变化可能导致了在不同施肥时期各处理间表现出不同的结果.

秸秆还田处理下土壤NH3累积排放量小于CK处理，且JG0-0和JG0-20处理下的NH3累积排放量低于JG20-40处理，可能是因为秸秆还田降低了土壤容重，土壤总孔隙度增大，尿素更易随水淋溶到深层土壤，从而减少了表层土壤氮素含量；而且秸秆还田增加了土壤含水量，降低了土壤液相中NH4+-N的浓度[41]，从而降低了氨分压和NH3挥发速率；另外，秸秆还田配施尿素，向土壤供应了碳源和氮源，可能提高了土壤微生物的活性，微生物在分解有机质的过程中将无机氮转变为有机氮，减少了NH3挥发基质[42]，且JG0-0和JG0-20处理下的秸秆层更接近地表，因此微生物的活性可能比JG20-40处理下的秸秆层活性高，这可能是NH3挥发减少的另一原因.有学者认为，旱地秸秆还田通常会加强土壤反硝化作用，从而增加N2O的排放[43]，这与笔者研究结果一致.该试验中，玉米生长季JG0-20处理下的N2O累积排放量最高，可能是由于秸秆还田对还田层土壤微环境的温度和水分有一定的保持效果[44]，且秸秆的施入会打破原有的物质与能量平衡，由于土壤的不均质性，导致土壤中缺氧微域数量增加[45]，加强了土壤的硝化和反硝化作用，增加了土壤N2O的排放；而JG0-20 处理还田层与JG20-40处理相比更靠近地表，因此硝化和反硝化作用产生的N2O更易向大气扩散；其次，不同秸秆还田方式下秸秆的腐解程度差异也会间接影响土壤NH3挥发和N2O的排放.

JG0-0、JG0-20和JG20-40处理下土壤N2O累积排放量均高于CK处理，可能有以下原因：①秸秆还田增加了土壤硝态氮含量[46]，从而促进了N2O的排放.马永良等[47]认为，秸秆还田对硝态氮影响很大，虽然秸秆前期分解会消耗部分硝态氮，但后期分解所释放的氮素则会提高硝态氮含量.研究[48]表明，N2O的排放与土壤中硝态氮含量密切相关，因为其可以为N2O气体排放提供丰富的氮源.②秸秆还田降低了土壤容重，土壤孔隙度增大.有研究[49]表明，土壤孔隙度的变化会影响土壤通气性和水分含量，因而影响土壤硝化作用、反硝化作用和微生物的呼吸作用以及N2O在土壤中的扩散速率，而且土壤孔隙度还会影响有机质的分解速率，从而影响N2O的排放量.③秸秆还田可能增加了土壤微生物的数量[50]，微生物数量增加，分解有机物所消耗的O2也会增多，从而有利于反硝化作用的发生和N2O的产生[51].Ambus等[52]研究也表明，秸秆还田所引起的N2O排放通常高于对照土壤，这与笔者研究结果一致.

该研究结果表明，不同秸秆还田方式处理与CK处理相比均提高了玉米产量.这可能是因为，秸秆还田能够改善土壤的水、肥、气、热条件，而且秸秆还田配施适量氮肥可以避免土壤微生物与作物竞争土壤中的氮源，起到提高作物氮素吸收效率的作用[53].谭德水等[54]连续进行了13年的秸秆还田试验表明，与单施化肥的对照处理相比，秸秆还田与化肥配施能够増加小麦和玉米的产量.有研究[55]认为，秸秆深层还田因其对较深土壤层次具有疏松和培肥的作用，从而使该还田方式表现出持续增产的效应.在该试验中，JG20-40处理下的玉米产量高于其他处理，这与已有研究结果[56]相一致.

4 结论

a) JG0-0、JG0-20和JG20-40处理显著降低了土壤NH3挥发量，但也显著增高了土壤N2O的排放量.2种气体的总累积排放量和氮素气态损失率大小表现为CK

b) 对于NH3和N2O这两种气体的总累积排放量，与CK处理相比，JG0-0、JG0-20和JG20-40处理分别显著增加了16.67%、52.08%和22.92%.

c) 与CK处理相比，JG0-0和JG20-40处理下玉米分别增产8.23%和23.15%，且2个处理气态损失率显著低于JG0-20处理.因此，综合考虑土壤NH3挥发量、N2O排放量和玉米产量等因素，JG0-0处理优于JG20-40、JG0-20处理.