保护性耕作对黄土高原半干旱区农田土壤N2O排放的影响

2022-04-15 01:25杜梦寅袁建钰闫丽娟刘兴宇祁小平
干旱区研究 2022年2期
关键词:硝化土壤温度通量

杜梦寅, 袁建钰, 李 广, 闫丽娟, 刘兴宇, 祁小平, 庞 晔

(1.甘肃农业大学林学院,甘肃 兰州 730070;2.甘肃农业大学农学院,甘肃 兰州 730070)

目前,全球气候变暖等问题日趋严峻,主要原因是温室气体浓度的持续增加。而N2O 作为影响气候变暖的三大温室气体之一,其增温潜势大,且滞留在大气中的时间长,浓度以年均0.25%的速率持续上升,严重影响着全球气候变化[1]。农业活动是影响土壤N2O 排放的主要因素,农田作为其重要的排放源,每年所排放的N2O 达到全球总量的60%以上[2]。而旱作农田土地分布广泛,不仅在我国农业生产生活中占据极为重要的地位,更是大气中N2O 的主要来源[3]。因此,研究旱地农田土壤N2O的排放特征与如何减缓温室气体的排放显得极为重要。

黄土高原地处中国中部偏北部,干旱和水土流失是其独有的地域特征,春小麦作为黄土高原地区主要农作物之一,因其抗旱性强、生育期短、产量可观,已作为优良农作物成为黄土高原地区种植首选[3]。保护性耕作作为全球农业生产中的一项重要推荐措施,可显著减少黄土高原半干旱地区土壤水分蒸发,减缓地表径流量,涵养水土,改善土地质量,并对土壤温度、水分、结构及酶活性等理化性质造成影响,进而改变农田土壤N2O的排放[4-5]。因此研究不同耕作措施下春小麦地土壤N2O 排放量、产量及二者间的平衡关系,对于黄土高原农田增产减排具有重要意义。张玉铭等[6]研究指出,耕作措施是影响农田土壤N2O排放的重要因素,与免耕相比,传统耕作更有利于土壤N2O 的排放,这主要是因为土壤翻动促进了郁闭于土壤内的N2O向大气中的释放。胡春胜等[7]发现,秸秆还田可改善氮素的迁移过程与转化规律,有效降低氮素以气体形式的流失。Ball 等[8]则认为,免耕措施下的土壤密度和土壤含水量相对较高,土壤中气体的扩散能力受到阻碍,并增强了土壤中的厌氧环境,使表层土壤中生物的反硝化作用进一步提高,从而促进土壤中N2O的排放。综上所述,不同耕作措施对土壤N2O 排放的影响因素在不同温度、水分、以及土壤条件下均有不同结果,大多研究已经证明保护性耕作对土壤养分及农作物产量的提升具有重大作用,但对影响旱地农田土壤N2O排放的关键因素及其响应机制尚不清楚,需进一步研究。

为了更好揭示保护性耕作下土壤理化性质和环境因子对土壤N2O 排放的影响,本试验以黄土高原4 种耕作措施下的春小麦地为研究对象,分析不同耕作措施下土壤N2O排放特征和影响N2O排放的环境因子,探究二者之间的相关关系,揭示不同耕作措施下农田土壤N2O 排放的影响机制,从而提出增产减排的最优耕作方式,进而为区域粮食生产安全及生态环境建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省定西市安定区安家坡村甘肃农业大学旱农综合试验站(35°64′N,104°64′E),属温带半干旱气候,平均海拔2000 m,年均气温6.4 ℃,年均≥0 ℃年积温2933.5 ℃·d,年均≥10 ℃年积温2239.1 ℃·d,年平均降水量394.1 mm,主要集中在7—9 月,年潜在蒸发量约为降水量的4 倍,气候干燥,年平均气温6.4 ℃,无霜期平均140 d,属于典型的半干旱雨养农业区,试验地平坦无起伏,土壤多为当地典型的黄绵土,土层深厚,土质绵软且质地均匀,蓄水性能良好,土壤容重为1.19 g·cm-3,土壤有机质12.01 g·kg-1,全氮0.76 g·kg-1,全磷1.77 g·kg-1。

1.2 试验设计

大田试验开始于2016年,已持续定位5 a,本试验以2021 年数据为主。选用当地春小麦“甘春35号”作为供试品种,在2021 年3 月25 日播种,8 月5日收获。以传统耕作(T)为对照,布设3 种耕作措施:免耕(NT)、免耕+秸秆覆盖(NTS)、传统耕作+秸秆覆盖(TS)(表1)。各处理设置3次重复,共12块小区,小区面积统一为24 m2,播种量为187.5 kg·hm-2,行距25 cm。配施150 kg·hm-2过磷酸二铵和62.5 kg·hm-2尿素作为试验地基肥,于播种时一次性施入,并采用随机区组排列。

表1 春小麦地不同处理描述Tab.1 Description of different treatments of spring wheat

1.3 土壤气体的采集与分析

土壤N2O 通过静态箱-气相色谱法测定。采样时间固定在9:00—11:00(气温接近1 d 的均值),生育期每20 d 测定1 次。具体采用尺寸为50 cm×50 cm×50 cm无底正方体暗箱,箱壁用1 mm厚304K薄不锈钢板制成,箱外用泡沫包裹以确保箱内温度变化不大,顶箱上端装有2个空气搅拌风扇,箱侧面装有风扇的电源插头、取气样的接口和测温接口,底座尺寸为50 cm×50 cm×20 cm,上部有密封水槽。当测定时,将不锈钢底座固定于土壤中。采样时底座水槽内加水密封,进行气体样品采集。扣箱后立即用100 mL 注射器采集第1 次样品,每隔8 min 取100 mL气体保存,罩箱40 min,共取样5次。采样后立即将样品带回实验室采用气相色谱方法于一周内对土壤N2O 完成分析,确定不同处理下N2O 排放特征。

测定期内N2O 排放通量F可通过下式进行运算:

式中:F为土壤N2O排放通量(mg·m-2·h-1);A为采样箱底面积(m2);V为采样箱体积(m3);M0为气体分子量;C1、C2分别为采样箱关闭时和开启前箱内气体的体积浓度(mol·mol);T1、T2分别为采样箱关闭和开启前箱内温度(K);t1、t2为测定开始和结束的时间。

农田土壤N2O 累计排放量M可通过下式进行运算:

式中:M为整个生育期内土壤N2O排放量(kg·hm-2);F为土壤N2O排放通量(mg·m-2·h-1);N为采样次数;t为距离初次采样的时间。

1.4 土壤样品的采集与处理

2 结果与分析

2.1 不同耕作措施下春小麦地土壤N2O 排放通量的动态变化

春小麦整个生育期内各处理下土壤N2O排放通量的变化规律基本一致(图1),播种后排放量较低且平稳上升,在4 月5 日左右出现第1 个排放峰,这可能与施入基肥有关,而后平稳下降,第2 次出现N2O排放峰在5月15日左右,具体为0.1943 mg·m-2·h-1,其中T 处理最大,其次是NT、TS、NTS,这是因为此阶段水热条件适中,氮素含量相对较高,硝化反硝化反应底物充足。随后至拔节期,4 种耕作措施下N2O排放通量均呈下降趋势,并于6月5日达到最低值,为NTS 处理,具体为0.0160 mg·m-2·h-1,这可能与测定前的降雨有关。此后至成熟期,各处理间差异缩小,并趋于稳定,随温度的逐渐升高N2O排放通量呈缓慢上升趋势直至收获。

图1 不同耕作措施下春小麦地土壤N2O排放通量的动态变化Fig.1 Dynamic changes of soil N2O emission flux in spring wheat field under different tillage measures

2.2 不同耕作措施下土壤N2O 累计排放量及其产量

不同耕作措施下春小麦地土壤N2O累计排放量大小顺序为:T>NT>TS>NTS(图2),其中T 处理下N2O 累计排放量显著高于其他处理,分别较NT、TS、NTS 高出0.2876、0.4102、0.5955,且各处理间差异显著(P<0.05)。不同耕作措施下春小麦产量及其构成要素如表2 所示。其中,NTS 处理下的春小麦产量,株高以及千粒重均达到最大值,且产量及千粒重与T 处理差异显著,NTS 处理下的春小麦穗粒数与其他处理间差异不显著,而株高与T和TS处理间存在显著差异,但和NT 处理差异不显著(P<0.05)。由此可见,结合春小麦产量及N2O 排放量,NTS 处理可作为黄土高原半干旱区最适宜的耕作方式。

图2 不同耕作措施下春小麦地土壤N2O累计排放量Fig.2 Cumulative N2O emission from spring wheat soil under different tillage measures

表2 不同耕作措施下春小麦产量及其构成要素Tab.2 Yield and its components of spring wheat under different tillage measures

2.3 不同耕作措施下土壤NO-N、NH-N 的动态变化

图3 不同耕作措施下春小麦生育期0~10 cm土壤NO-N与NH -N含量变化特征Fig.3 Variation characteristics of NO-N and NH-N content in 0-10 cm soil during the whole growth period of spring wheat under different tillage measures

2.4 环境因子对不同耕作措施下土壤N2O 排放的影响

土壤温度对农田土壤N2O 排放具有一定影响,相关分析显示(表3),5 cm 耕层下土壤温度与N2O排放量相关关系最为显著,为极显著正相关关系(P<0.01)。具体变化特征如图4所示,各处理下土壤温度变化相对稳定,各处理间差异不大,整个生育期内温度波动范围为6.0~28.6 ℃。由于硝化反硝化反应在5~35 ℃的范围内都可以进行,因此土壤温度通过影响硝化反硝化细菌活性来影响硝化反硝化反应产生N2O,进而成为影响土壤N2O 排放的重要环境因子。土壤含水量与N2O排放量的相关性如表3 所示,结果表明:春小麦地N2O 排放量与0~10 cm层土壤含水量相关性较高,表现出极显著负相关关系(P<0.01)。不同耕作处理间土壤含水量变化差异不大,波动范围在7.26%~11.56%。具体变化特征如图5所示,其中NTS处理下0~10 cm土层土壤含水量在整个生育期均高于其他处理。

图4 不同耕作措施下5 cm土层土壤温度变化Fig.4 Changes of soil temperature in 5 cm soil layer under different tillage measures

图5 不同耕作措施下0~10 cm土层土壤含水量变化Fig.5 Changes of soil water content in 0-10 cm soil layer under different tillage measures

表3 春小麦地土壤N2O排放通量与其影响因子间的相关关系Tab.3 Correlation between soil N2O emission flux and its influencing factors in spring wheat field

3 讨论

3.1 不同耕作措施对土壤N2O 排放通量及春小麦产量的影响

本试验结果表明,与传统耕作相比,保护性耕作处理下的春小麦产量得到了显著提高,且NTS处理下产量达到最高,有学者认为是免耕提高了土壤有机质和养分含量,改善了土壤物理性状,提高了作物氮素吸收[18],秸秆覆盖可促进土壤腐殖质的形成,增加土壤团聚体,并且秸秆自身亦可释放营养物质供作物吸收以此来提高产量[19],Borghei等[20]认为,NTS处理可以显著减少播期地表水蒸发,增加土壤含水量,对干物质的持续积累具有重要影响。许菁等[21]研究发现,NT处理相较于T处理可以显著提高冬小麦花后干物质积累及其对籽粒产量的贡献,进而提高产量。上述结论均与本研究结果一致。由此可见,保护性耕作不仅对作物产量有提升作用,还可以有效减少N2O的排放,充分起到减少氮素流失,提高作物产量的作用。

3.2 土壤环境因子及NO-N、NH-N 对N2O排放通量的影响

旱地农田土壤N2O主要是土壤微生物参与硝化和反硝化作用产生的[22],同时土壤温湿度、土壤结构、土壤pH等环境因子对土壤N2O排放也具有一定影响,其中,土壤温度及含水量对旱作农田N2O排放的影响极为关键[23]。本研究发现,土壤温度与不同处理下全生育期春小麦地土壤N2O排放量均呈现极显著正相关关系(P<0.01),这是因为一方面温度对土壤微生物活性的影响极为明显,温度每升高10 ℃,反硝化细菌的活性则会提高1.5~3.0 倍[24];另一方面土壤温度升高,土壤中微生物的呼吸作用得到促进,导致土壤微域氧气缺失,为反硝化生物创造了厌氧条件,反硝化作用产生的N2O 随之增加。土壤水分含量主要通过改变土壤透气性、土壤氧化还原状况及微生物活性进而影响N2O 排放[25],土壤水分作为影响土壤微生物细胞代谢和养分运输的重要环境因子,对硝化和反硝化作用过程也起到了决定性影响[26-27]。本试验结果显示,土壤含水量与土壤N2O排放量呈极显著负相关关系(P<0.01),这可能是因为随着土壤水分含量的增加,硝化过程受到抑制,土壤处于厌氧和强还原状态,N2O还原酶可将反硝化作用产生的N2O 还原为N2,N2O 在土壤中的扩散也受到严重阻碍,因此排放量减少[28]。

4 结论

通过对黄土高原半干旱区不同耕作措施下农田土壤及影响N2O 排放的关键因素进行分析,得出以下结论:

(1)不同耕作措施下N2O排放通量随生育期的推进变化大概一致,均在分蘖期达到排放峰,各处理下N2O 累积排放量大小顺序为:T>NT>TS>NTS,以经济效益和环境效益为基础,黄土高原半干旱区应以NTS(免耕+秸秆覆盖)处理为最优耕作措施。

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