施肥对黄土高原紫花苜蓿草地N2O通量及生产性能的影响

李 渊， 张清平， 王 涛， 沈禹颖

(兰州大学草地农业科技学院 草地农业生态系统国家重点实验室甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站，甘肃 兰州 730020)

气候变化是当今世界各国共同面临的严峻挑战，全球气候变化对农业生产影响巨大，而农业也是气候变化的重要参与者[1-2]。随着全球变暖问题的日益严重[2]，氧化亚氮(N2O)作为一种强效温室气体而备受关注[3]。农业生产活动产生的N2O占其全球排放总量的比例高达50%[1]。农业系统减排政策的制定需要准确评估该系统中的N2O排放量。

黄土高原地区土壤贫瘠，水土流失严重，农业资源利用效率低[4-5]。作为重要的多年生栽培牧草，紫花苜蓿(Medicagosativa)在该地区草田轮作、农牧耦合和保护生态安全等方面发挥着重要作用[6-7]。苜蓿的刈割会带走土壤中的营养元素，造成土壤养分的不断流失和匮乏[6]，施肥是保证苜蓿草地持续利用和高产的有效手段[6,8-9]。然而在苜蓿生产中是否施用氮(N)肥存在争议[5-6,8-9]。有研究认为苜蓿草地增施N肥可提高干物质产量[10]和粗蛋白质含量[11]。也有研究认为施N肥不会显著影响苜蓿干物质产量[8]，反而会降低根瘤菌活性，缩短利用年限[9]。此外，政府间气候变化专门委员会将豆科作物生物固氮的N2O排放因子定为1.25%，与工业N肥的排放因子相当[1]。苜蓿草地增施N肥势必会增加N2O排放量[1,12-14]。因此，在研究N添加对苜蓿草地生产性能的影响时有必要考虑其对N2O排放的影响。

施N量对苜蓿草地N2O排放与生产性能的影响存在异质性，仅根据N2O排放量或单一的苜蓿生产指标不能科学准确地获得最佳的施N量。邓聚龙创立的灰色系统理论(Grey System)的基本思路是无论客观的系统如何复杂，但终究相互关联、有序[15]。目前该理论已被成功应用于包括农业系统在内的多个领域[16-18]。因此，本研究以黄土高原旱作紫花苜蓿为研究对象，通过添加外源N肥，观测不同施N量对苜蓿草地N2O通量及生产性能的影响，并通过灰色系统理论进行评价，统筹N2O排放与生产性能以获得最佳的施N量，以期为该地区苜蓿草地生产与生态环境的协调提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在兰州大学甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站(35°39′N，107°51′E)，海拔1 297 m，属典型的大陆性季风气候，多年平均年降水量564 mm，多集中于7—9月份，年均蒸发量1 504 mm，年均气温8～10℃，无霜期150～190天。土壤为黑垆土，有机质含量约1%，全氮含量低于0.1%，pH值为8～8.5。

1.2 试验设计

供试样地为2009建植的紫花苜蓿(Medicagosativa)草地，条播，播量25 kg·hm-2，行间距15 cm。苜蓿草地旱作管理，每年6月初和7月中旬刈割2次(建植年刈割1次)。N肥类型为尿素(CH4N2O)，施N量为0，50，100和150 kg N·hm-2，分别记为N0，N50，N100和N150。小区采取完全随机区组排列，设4个重复，小区面积20 m2(4 m×5 m)。试验于2014年进行，N肥于4月5日(返青期)和6月15日(第一茬再生期)分两次撒施，其中返青期施入总施N量的80%。N2O气体采样时间以紫花苜蓿物候期为基准，分别在返青期、第一茬花期(6月1日)、第一茬再生期、第二茬花期(7月17日)和第二茬再生期(7月24日)进行5次采样，N2O通量值为5次采样均值；其余指标采样时间在第一茬花期和第二茬花期。

1.3 观测指标

1.3.1N2O通量的测定 通过LGR N2O/CO气体分析仪(DLT-100,Los Gatos Research,Inc. NE,USA)和土壤通量主机(MCC-1-8,LI-CA,CHN)测定N2O通量。测定前一周，将半径和高均为20 cm的圆形金属底座安置在土壤中，露出地面10 cm。测定时将PVC气室(半径20 cm，高120 cm)扣入底座，用水密封。气室顶部安装密封盖，其上连接气路管和供电线路，由主机控制闭合。土壤中产生的N2O气体进入气体分析仪内，再由红外光谱传感器测量N2O的通量值。每小区放置1个气室，设4个重复。通量为每个小区24小时内N2O通量均值。

1.3.2叶面积指数测定 叶面积指数(LAI)采用AccuPAR/LAI(LP-80,Decagon Devices,Inc. WA,USA)冠层分析仪于采样当日11—13时测定截光率获得，每个处理设4个重复。

1.3.3植物样测定与分析 取2行0.5 m长的样条，置于65℃烘箱内烘48 h后称干重，重复4次以计算干物质(DM)产量。室内采用Van Soest洗涤纤维分析法测定植物样中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)，植物粗蛋白(CP)采用凯氏定氮法测定[19]。

1.4 数据处理

1.4.1直接排放系数(Emission factors，EFs)

EFs是指施肥诱导产生的N2O-N占所施N的百分比，其它条件下指处理和未处理的土壤排放差异的百分比[20]。其中，Et为施氮肥处理N2O-N排放量，E0为不施氮肥处理N2O-N排放量，NF为施N总量(单位：kg N·hm-2)。

1.4.2氮肥利用率(Nitrogen use efficiency，NUE)

NUE是指单位施N量所增加的作物产量[21]。其中，Nt为施氮区收获物中总氮量，N0为不施氮区收获物中总氮量，NF为施氮总量(单位：kg N·hm-2)。

1.4.3相对饲用价值(Relative feed value，RFV) RFV是指相对某种特定标准粗饲料(盛花期苜蓿为100%)，根据牧草的可消化干物质(DDM)和潜在的干物质采食量(DMI)来进行牧草品质的比较和评级。采用Horrocks和Vallentine的方法计算RFV[19]。

DDM=88.9-(0.779×ADF)

DMI=120/NDF

RFV=DDM×DMI×0.775

1.4.4灰色系统及数据分析 本研究的目的是统筹苜蓿草地N2O排放与生产性能以获得最佳的施N量，所以选择EFs和NUE两次取样和N2O通量五次取样的均值作为N利用效率及N2O通量的评价指标，选择LAI，DM，CP，ADF，NDF和RFV两次取样的均值作为生产性能的评价指标。依据邓聚龙等[15-18]的方法对数据进行关联度分析和灰色聚类分析。同时，采用SPSS 18.0进行单因素方差(One-way ANOVA)分析(P=0.05)，比较施N量对苜蓿草地N2O通量、产量、品质的影响；采用Pearson相关分析量化N2O通量或EFs和施N量间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对苜蓿草地N2O通量的影响

根据各箱体分布区间可知N100和N150处理下N2O通量较大，但各处理间无显著差异(图1)。N0，N150的箱体较长，说明该处理下N2O通量变异性较大。而N50处理的N2O通量则较集中，从-0.0124至0.0172 mg·m-2·h-1。同时，N添加处理下N2O通量值的最小值均高于N0的最小值(P<0.05)；N100和N150处理下N2O通量分别为0.0221和0.0307 mg·m-2·h-1。N50，N100和N150处理下N2O通量均值比N0分别高32%，97%和158%。

图1 不同施N量下的氧化亚氮通量Fig.1 Boxplot of N2O fluxes in response to N application注：图中上下边缘分别代表最大、小值，箱体的上下线分别代表上下四分位数，箱体中间线表示中位数。菱形点和线为均值和标准偏差Note:Boxplot representation N2O emission of different treatments. Lower and upper whiskers are 10th and 90th percentiles,lower and upper boundaries of the boxes are 25th and 75th percentiles and lines within a box are medians. Diamond dot and bar are mean value and SD

2.2 不同施氮量对苜蓿草地生产性能的影响

添加N肥增加苜蓿地上生物量，但对头茬地上生物量和总地上生物量的效果不完全相同(图2)。N150处理下头茬地上生物量和总地上生物量都达到最高，分别为8 885和13 733 kg·hm-2，比N0高28.43%和18.86%，差异显著(P<0.05)。但N50和N100处理的增产效果却不显著。N150处理下的头茬地上生物量比N50高23.21% (P<0.05)，但总地上生物量与N50无显著差异。

图2 不同N添加处理下头茬地上生物量与总地上生物量Fig.2 First stubble aboveground biomass and total aboveground biomass in response to N application注：不同大写字母表示总地上生物量0.05水平显著差异，不同小写字母表示表示头茬上生物量0.05水平显著差异；图中数字表示头茬地上生物量占总地上生物量比例Note:Different Capital letters mean significant differences at 0.05 level of total aboveground biomass,different lowercase letters mean significant differences at 0.05 level of first stubble aboveground biomass;And numbers in figure represent first stubble aboveground biomass proportion of total aboveground biomass

施N增加EFs，增加NUE和LAI(表1)。N150处理下LAI显著高于其它处理(P<0.05)，且N0处理下LAI显著低于其它处理(P<0.05)。苜蓿生产品质随施N量的增加而提高。随施N量的增加，CP均有提高。施N降低ADF含量，N100处理下ADF含量显著低于N0处理(P<0.05)。施N同时能增加NDF含量和RFV。

表1 不同施氮量对紫花苜蓿草地影响的评价指标Table 1 Evaluation indexes of effects of different levels nitrogen fertilizer on lucerne grassland

2.3 灰色关联及聚类

选取N2O通量，EFs，NUE，LAI，DM，CP，ADF，NDF和RFV的均值作为评价数据列(表1)。参考数据列分别为：0.0039 mg·m-2·h-1，1.50%，48.58%，5.20，8 885 kg·hm-2，16.64%，31.82%，45.55%和130.19%。其中，N2O，EFs，ADF和NDF的参考值选取实测均值中的最小值，NUE，LAI，DM，CP和RFV的参考值选取实测均值中的最大值。

灰色关联系数矩阵表明N50处理兼顾苜蓿草地的生产和生态效益(表2)。该处理既能提高苜蓿品质(NDF，RFV)，又能降低N2O排放(N2O，EFs)。其次是N150处理，这与其能够提高苜蓿品质(DM，CP)和资源利用效率(NEU，LAI)有关。此外，N100处理下苜蓿的CP和ADF最优。

表2 评价指标的关联系数、关联度以及排序Table 2 Grey correlative coefficients,correlation degrees and order of evaluation indexes

灰色聚类根据“最大树”，任取实数λ∈[0,1]，将4个处理分为3类(图3)：N50和N150的关联度高(表2)，归为第1类；N0处理的关联度次之，归为第2类；N100为第3类。但根据关联度分析结果(表2)，虽然N50和N150归为一类，这两种处理对苜蓿草地的影响不完全相同。

图3 不同施氮量的灰色聚类图Fig.3 Grey clustering of different levels of nitrogen fertilizer注：处理间连线的数字为权，权表示处理间的亲疏关系，权大则亲，权小则疏Note:Processing line number is weight,which means the degree of correlation between treatments

3 讨论

3.1 苜蓿草地N2O通量对氮添加的响应

N2O释放的时间、空间异质性特点造成N2O通量变异性较大[3]，因此各处理下N2O通量值波动较大。N是N2O产生的直接底物[13-14]，施用N肥的农学效应包括土壤肥力和作物生产力变化两个方面，而这两方面的变化会通过影响底物浓度和活性影响N2O排放[13-14,22-23]。在多个施N农业地区的研究表明N施入与N2O通量存在线性关系[12]。苜蓿等固氮作物的EFs高于其它作物(如旱生谷物)，可能是由于固氮作用导致其对N肥需求的减少，所以也有研究认为这二者没有显著的线性关系[13,24]。这说明N添加的N2O释放因子(EFs)不是固定的，这与本研究结果一致(表1)。此外，虽然本研究中N2O通量结果是采样当日24小时通量的均值，但采样频次少(5次)，这也是造成N2O通量差异较大的原因，后续研究需要增加观测频率。

3.2 苜蓿草地生产性能对氮添加的响应

Kathleen等研究认为增施N肥能提高苜蓿干物质产量[8]，当土壤含N量及有机质含量较低时，这种趋势更加明显[5]。尽管试验地土壤含N量及有机质含量较低，但N50和N100的增产效果不显著(图2)。这是因为单施N肥会抑制固氮酶的活性[25]，影响根瘤菌侵染根毛，降低结瘤数量和活性[25]，从而抑制固氮效率。还有研究认为施N肥会减少苜蓿株数，刺激禾本科杂草入侵[8]，增强杂草与苜蓿的竞争。这些因素在一定程度上抵消了N肥施入对紫花苜蓿DM的促进作用。此外，Jenkins等在美国俄勒冈州的研究认为土壤中的有机N能在一定程度上满足苜蓿生长[27]，所以低浓度N肥对苜蓿DM影响并不显著(图2)。DM的增加与N肥施入能促进叶片生长，增加LAI[6,28]；增施N肥能改善苜蓿营养品质，提高CP含量，降低洗涤纤维含量(ADF和NDF)[6,28]，这与本研究结果一致(表1)。

3.3 灰色关联及聚类分析氮添加对苜蓿草地生产和N2O通量的影响

关联度分析结果表明N50处理兼顾苜蓿草地的生产和生态效益(表3)。这是由于低浓度N添加能在一定程度上提升生产性能[10,28-30]，且低浓度N添加对促进N2O排放的贡献小[13,20,23,31]。所以综合考虑生产性能和N2O排放，低浓度N添加是该地区适宜的施肥量。灰色聚类将N50处理和N150处理归为一类(图3)，这与其他结果不同[6,9-10]。这是因为本研究的关联分析中生产性能参数比重较大，且N150对生产性能提升较明显(表1)。N100处理对生产性能提高不显著，却增加N2O释放，所以将其分为一类。与N100相反，N0处理不提高生产性能，也不促进N2O释放，考虑到肥料投入成本，其是优于N100处理的一种生产策略。

4 结论

本研究引入灰色分析统筹施N处理对苜蓿草地N2O通量与生产性能的综合影响，结果表明黄土高原旱区紫花苜蓿草地最佳施N量为50 kg N·hm-2，该处理兼顾紫花苜蓿草地的生产和生态效益。本研究的结果为优化黄土高原旱区紫花苜蓿草地氮肥管理措施，为紫花苜蓿草地生产与生态环境的协调提供了理论依据。