李英臣, 王奇博, 侯翠翠, 張 芳, 馬劍敏

(河南師范大學(xué), 河南 新鄉(xiāng) 453007)

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玉米秸稈不同構(gòu)件添加對(duì)土壤N2O排放的影響

李英臣, 王奇博, 侯翠翠, 張 芳, 馬劍敏

(河南師范大學(xué), 河南 新鄉(xiāng) 453007)

通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，研究玉米秸稈不同構(gòu)件及按比例混合添加對(duì)土壤N2O排放的影響。試驗(yàn)設(shè)置無(wú)枯落物土壤對(duì)照(CK)及四種枯落物添加處理：莖+土壤(CKS)、葉+土壤(CKL)、鞘+土壤(CKLS)、混合枯落物(莖∶葉∶鞘=5∶3∶2) +土壤(CKM)。結(jié)果表明：培養(yǎng)初期添加枯落物對(duì)土壤N2O產(chǎn)生激發(fā)作用，培養(yǎng)6 d之后趨于穩(wěn)定，但各添加枯落物處理高于對(duì)照；培養(yǎng)結(jié)束各添加不同構(gòu)件及混合枯落物土壤N2O累積排放量都顯著增加(p<0.05)，添加莖和混合枯落物土壤N2O排放量顯著高于添加葉和鞘枯落物(p<0.05)。枯落物混合對(duì)土壤N2O排放的影響在培養(yǎng)前期(10～28 d)有一定的促進(jìn)作用，培養(yǎng)后期不同枯落物之間無(wú)相互作用。培養(yǎng)結(jié)束后各枯落物全氮含量顯著高于初始值，C/N顯著低于初始值(p<0.05)?？萋湮锘旌吓囵B(yǎng)結(jié)束后剩余質(zhì)量實(shí)測(cè)值低于預(yù)測(cè)值，全氮含量實(shí)測(cè)值高于預(yù)測(cè)值，枯落物碳氮比實(shí)測(cè)值低于預(yù)測(cè)值，土壤N2O累積排放量差異不顯著，表明枯落物混合有利于枯落物分解和氮累積，但是對(duì)N2O累積排放影響不大。

枯落物添加; 混合; N2O排放; 枯落物分解; 全氮

N2O作為三種主要的溫室氣體之一而備受關(guān)注，其增溫效應(yīng)約為CO2的296倍[1]，而且N2O能與平流層的O3分子發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而使平流層的臭氧層收到破壞[2]。研究表明，大氣中N2O濃度一直保持增長(zhǎng)，到2011年達(dá)到324×10-9，比工業(yè)革命前增長(zhǎng)了20%[3]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是重要的溫室氣體排放源，農(nóng)業(yè)N2O排放量占每年N2O釋放進(jìn)入大氣總量的40%～60%[4]。作物枯落物作為一種良好的外源有機(jī)肥資源，對(duì)保持土壤肥力，增加土壤有機(jī)碳含量具有重要作用。同時(shí)，作物枯落物還田對(duì)土壤N2O排放具有重要影響。目前已經(jīng)開(kāi)展了大量的秸稈覆蓋和秸稈還田對(duì)N2O排放的研究工作，但是主要集中在不同的覆蓋和還田方式和還田量的研究[4-6]，而作物枯落物不同構(gòu)件還田對(duì)土壤N2O排放及不同構(gòu)件枯落物協(xié)同作用方面研究較為少見(jiàn)[7]?？萋湮锊煌瑯?gòu)件營(yíng)養(yǎng)含量存在較大差異，不同構(gòu)件及混合分解對(duì)土壤有機(jī)碳礦化和N2O排放存在一定的差異及交互作用，深入了解不同構(gòu)件對(duì)土壤N2O排放的影響及交互作用，對(duì)揭示枯落物還田對(duì)土壤N2O排放的綜合影響具有重要意義。

黃土高原地區(qū)是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)活動(dòng)歷史悠久。由于其獨(dú)特的地形條件和密集的農(nóng)事活動(dòng)，使其成為世界上土壤侵蝕和退化最為嚴(yán)重的地區(qū)[8]。鑒于作物還田在減少土壤侵蝕、增加土壤固碳能力、提高水分利用效率、改變土壤理化性質(zhì)等方面的作用，其在黃土高原地區(qū)有廣闊的應(yīng)用前景[9]。因此，本研究選取豫西黃土高原典型區(qū)域，研究該區(qū)域主要農(nóng)作物玉米的枯落物不同構(gòu)件(莖、葉、鞘)及不同構(gòu)件按比例混合對(duì)土壤N2O排放的影響，以期為揭示枯落物還田對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤溫室氣體排放的影響提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)采樣點(diǎn)位于河南省靈寶市陽(yáng)店鎮(zhèn)柿子灣村(34°31′N(xiāo),110°59′E)，該區(qū)屬典型豫西黃土高原區(qū)域，氣候?yàn)榕瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，平均氣溫約為14.4℃，無(wú)霜期每年約206 d，年降水量為400～900 mm，年際變化大，60%～70%降水集中于夏季，春季降水少，雨季多暴雨，雨強(qiáng)大。土壤為典型的黃綿土，具體土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。在該區(qū)域選取典型農(nóng)地，種植作物為玉米，種植模式為一年一熟，每年四月下旬耕種，十月中旬收獲，然后土地休閑至次年玉米耕種。

2014年10月玉米收獲后在樣地內(nèi)采用多點(diǎn)混合采樣法采集0—20 cm土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分自然風(fēng)干，過(guò)0.49 mm篩測(cè)定其理化指標(biāo)(表1)，另一部分過(guò)2 mm篩用于培養(yǎng)試驗(yàn)。在采集土壤樣品的同時(shí)，取新鮮的整株玉米枯落物，現(xiàn)場(chǎng)分出莖、葉、鞘各部分，分別裝入不同的自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，用去離子水沖洗干凈，然后65℃烘干，分別稱出各不同構(gòu)件的重量后，把莖、葉、鞘各構(gòu)件分別剪成1 cm左右的小段充分混合，取一小部分磨碎測(cè)定枯落物的基本理化指標(biāo)，具體指標(biāo)見(jiàn)表1，其余用于培養(yǎng)試驗(yàn)。

表1 供試土壤理化性質(zhì)和枯落物化學(xué)構(gòu)成

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用室內(nèi)培養(yǎng)，氣相色譜儀測(cè)定的方法測(cè)定土壤N2O排放，培養(yǎng)方法參考Zeng等[10]，N2O 氣體直接用氣相色譜儀(Agilent HP7 890 A，USA)測(cè)定。試驗(yàn)設(shè)置無(wú)枯落物土壤對(duì)照(CK)及四種枯落物添加處理：莖+土壤(CKS)、葉+土壤(CKL)、鞘+土壤(CKLS)、混合枯落物(莖∶葉∶鞘=5∶3∶2) +土壤(CKM)。每個(gè)處理設(shè)置五個(gè)重復(fù)，同時(shí)設(shè)3個(gè)沒(méi)有土壤樣品的培養(yǎng)瓶作為空白處理。CK處理稱取過(guò)2 mm篩的新鮮土壤樣品100 g(干土重)于500 ml廣口瓶中，調(diào)整土壤含水量至最大持水量的60%；土壤與枯落物混合培養(yǎng)處理首先稱取過(guò)2 mm篩的新鮮土壤樣品100 g(干土重)于500 ml廣口瓶中，同時(shí)分別稱取莖、葉、鞘和三種構(gòu)件混合(莖∶葉∶鞘為5∶3∶2) 的枯落物各1 g裝入枯落物袋后加入廣口瓶中，搖勻使枯落物埋入土樣中，然后調(diào)整土壤含水量至最大持水量的60%。整個(gè)培養(yǎng)試驗(yàn)在25℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行，培養(yǎng)期為78 d。培養(yǎng)開(kāi)始時(shí)用帶有三通閥的橡膠塞塞住瓶口，培養(yǎng)期間三通閥不關(guān)閉，保持培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)外空氣流通，分別在培養(yǎng)的第1，3，6，10，15，21，28，35，42，52，65，78 d測(cè)定其N(xiāo)2O釋放速率，測(cè)定時(shí)首先打開(kāi)橡膠塞通氣0.5 h，使培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)外濃度相當(dāng)，然后密閉培養(yǎng)瓶3 h，之后抽取20 ml氣體，用HP7 890 A氣相色譜儀在24 h內(nèi)完成測(cè)定，每次采集完氣體后打開(kāi)三通閥保持通氣狀態(tài)。定期補(bǔ)充水分，以保持培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)含水量恒定。培養(yǎng)結(jié)束后枯落物樣品取出，用去離子水沖洗干凈，在65℃條件下烘干稱重，然后磨碎測(cè)定有機(jī)碳和全氮含量。土壤和枯落物樣品碳氮含量用元素分析儀(Elementar vario PYRO cube,Germany)直接測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin 9進(jìn)行繪圖，采用Microsoft Excel，SPSS 16.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析?；旌峡萋湮锿寥繬2O排放速率預(yù)測(cè)值為同期各構(gòu)件單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)土壤N2O排放速率與其在混合枯落物中所占比例的乘積相加之后得到；混合枯落物土壤N2O累積量預(yù)測(cè)值為各構(gòu)件單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)土壤N2O累積排放量與其在混合枯落物中所占比例的乘積相加之后得到；采用單因素方差分析進(jìn)行實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的比較，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值若無(wú)明顯差異，表明各構(gòu)件之間無(wú)相互作用，若實(shí)測(cè)值顯著高于預(yù)測(cè)值，表明各構(gòu)件存在促進(jìn)作用，若實(shí)測(cè)值低于預(yù)測(cè)值，表明各構(gòu)件存在抑制作用，此計(jì)算方法參考土壤有機(jī)碳排放相關(guān)計(jì)算方法[10-11]。采用one-way ANOVA對(duì)幾種供試枯落物的初始化學(xué)性質(zhì)和枯落物之間分解差異顯著性進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同構(gòu)件及混合枯落物添加對(duì)N2O排放的影響

由圖1A所示，各添加枯落物處理土壤N2O排放速率在培養(yǎng)初期(1～6 d)整體較高，且都明顯高于CK處理，表明添加枯落物處理對(duì)N2O排放產(chǎn)生一定的激發(fā)效應(yīng)，激發(fā)效應(yīng)由強(qiáng)到弱依次為CKS>CKM>CKL>CKLS，培養(yǎng)初期的激發(fā)效應(yīng)過(guò)后，N2O排放速率迅速降低，各處理排放速率都低于1 μg N/(kg·h)，其中CKLS和CKS培養(yǎng)6 d之后呈逐漸降低趨勢(shì)，至培養(yǎng)結(jié)束達(dá)到最低值(0.04 μg N/(kg·h))；CKM處理在培養(yǎng)6～28 d呈逐漸降低趨勢(shì)，至28 d達(dá)到最低值0.04 μg N/(kg·h)，28～52 d N2O 排放速率逐漸升高，至52 d達(dá)到0.11 μg N/(kg·h)，然后至培養(yǎng)結(jié)束呈逐漸降低趨勢(shì)。CKL處理培養(yǎng)6～28 d排放速率略有之外整體變化不大，28 d之后排放速率趨于平穩(wěn)，在0.04～0.05 μg N/(kg·h)。添加枯落物各處理土壤N2O累積排放量顯著高于CK處理(p<0.05)，CKL和CKLS處理土壤N2O累積排放量顯著低于CKS和CKM處理(p<0.05)，CKL和CKLS以及CKS和CKM處理之間差異不顯著(圖1B)。

2.2 混合枯落物N2O排放、枯落物剩余質(zhì)量、氮含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較

由圖2看出，培養(yǎng)開(kāi)始土壤N2O排放速率實(shí)測(cè)值高于預(yù)測(cè)值，但是差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平，培養(yǎng)10～28 d預(yù)測(cè)值高于實(shí)測(cè)值，在培養(yǎng)的15，28 d差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)，之后土壤N2O排放預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間差異不顯著。培養(yǎng)結(jié)束后實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值土壤N2O累積排放量分別為1 649，1 589 μg N/kg，兩者的差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平(圖3)。培養(yǎng)結(jié)束后混合枯落物剩余質(zhì)量實(shí)測(cè)值小于預(yù)測(cè)值；全氮含量實(shí)測(cè)值高于預(yù)測(cè)值，C/N實(shí)測(cè)值低于預(yù)測(cè)值((p<0.05))(圖3)。

注： 圖1A中套圖代表15 d后重復(fù)；B中不同字母代表不同處理之間差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

圖1 不同枯落物添加處理對(duì)土壤N2O排放的影響

注： 圖中套圖代表15 d后重復(fù)。

圖2 混合枯落物土壤N2O排放速率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值比較

2.3 培養(yǎng)結(jié)束后枯落物氮含量及碳氮比變化

混合枯落物全氮含量顯著高于莖和鞘枯落物(p<0.05)，與葉枯落物差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平(p>0.05)；莖枯落物C/N顯著高于葉和混合枯落物處理，葉枯落物C/N顯著低于鞘枯落物(p<0.05)(圖4)。培養(yǎng)后莖葉和鞘枯落物氮含量與培養(yǎng)前相比都明顯升高，碳氮比明顯降低(p<0.05)(表1，圖4)。

3 討 論

土壤N2O排放是由土壤微生物的硝化—反硝化共同作用產(chǎn)生的[12]。影響N2O排放的主要環(huán)境因子為土壤溫度、土壤孔隙充水率、土壤礦質(zhì)氮含量以及可利用性營(yíng)養(yǎng)含量等[5,13]。大部分研究認(rèn)為，外源枯落物添加會(huì)增加N2O排放[7,14-15]，這與本研究結(jié)論一致，本研究發(fā)現(xiàn)，不同枯落物添加后都顯著增加土壤N2O累積排放量(圖1B)原因?yàn)榭萋湮锛尤霑?huì)增加土壤中可利用的碳源和氮源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，增加土壤微生物數(shù)量和活性，進(jìn)一步影響N2O排放[16]，另外，枯落物本身也會(huì)釋放一部分N2O[17]。培養(yǎng)初期(1～6 d)枯落物添加對(duì)土壤N2O產(chǎn)生明顯的激發(fā)效應(yīng)，激發(fā)效應(yīng)排放量占土壤N2O總排放量的49%～87%，Maljanen等和Hall and Matson研究也發(fā)現(xiàn)外源營(yíng)養(yǎng)輸入短期增加N2O排放[18-19]。原因可能為培養(yǎng)初期微生物數(shù)量和活性迅速增加，加之枯落物中可利用性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，使土壤硝化—反硝化作用強(qiáng)烈，土壤N2O出現(xiàn)高排放，枯落物添加初期的高排放應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注。

圖3 培養(yǎng)結(jié)束后枯落物剩余質(zhì)量，全氮含量碳氮比及N2O累積排放量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值比較

注：圖中不同小寫(xiě)字母和大寫(xiě)字母分別代表TN和C/N指標(biāo)不同處理之間差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

圖4 培養(yǎng)結(jié)束后不同處理枯落物全氮含量和C/N變化

外源枯落物輸入作為重要的營(yíng)養(yǎng)輸入源，對(duì)土壤N2O排放的影響與枯落物類(lèi)型和質(zhì)量有關(guān)[6,14]，本研究發(fā)現(xiàn)，除去最初的高排放速率時(shí)期(1～6 d)后，土壤N2O累積排放量與枯落物初始氮含量呈反比，原因可能為高的氮含量抑制土壤氮礦化，進(jìn)一步減少土壤硝化—反硝化微生物可利用性氮源，而枯落物氮被微生物利用產(chǎn)生N2O的比例較小[7]；土壤N2O累積排放量與枯落物C/N成正比，原因可能為高的枯落物C/N導(dǎo)致土壤氮固定，進(jìn)而使土壤中可利用性氮含量減少，減少N2O排放[6]，此結(jié)論與Frimpong等的結(jié)論相同[7]，培養(yǎng)結(jié)束后各枯落物氮含量與培養(yǎng)前相比都顯著增加也印證了這一點(diǎn)(表1，圖4)。但是Huang等[14]研究認(rèn)為添加枯落物N2O排放與枯落物碳氮比呈反比，原因可能為本研究中土壤氮含量(2.45 g/kg)與Huang等[14]研究選取土壤(1.6 g/kg)相比較高，使土壤中氮可利用性豐富，土壤相對(duì)碳缺乏，使土壤對(duì)低碳氮比的枯落物利用效率更高，所以枯落物C/N對(duì)土壤N2O排放的影響可能與土壤本身的營(yíng)養(yǎng)含量也存在一定的關(guān)系。本研究中培養(yǎng)結(jié)束后枯落物C/N都顯著降低，全氮含量都顯著升高(表1，圖4)，表明枯落物中發(fā)生累積氮，土壤中氮可利用性較高，土壤微生物相對(duì)碳基質(zhì)缺乏。

混合枯落物添加土壤N2O排放僅在培養(yǎng)初期(6～28 d)預(yù)測(cè)值高于實(shí)測(cè)值，且在培養(yǎng)的15，28 d差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)(圖2)，而在此時(shí)期土壤有機(jī)碳礦化速率預(yù)測(cè)值都顯著低于實(shí)測(cè)值(數(shù)據(jù)未給出)，表明枯落物混合促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化，而對(duì)土壤N2O排放存在一定的抑制作用，原因可能為枯落物混合促進(jìn)了土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分釋放，加速土壤有機(jī)碳礦化速率，但是過(guò)高的礦質(zhì)氮對(duì)產(chǎn)N2O的土壤硝化—反硝化微生物產(chǎn)生抑制作用[20]，之后隨著混合枯落物易分解構(gòu)件分解，枯落物不同構(gòu)件之間相互作用消失，混合枯落物對(duì)土壤N2O的抑制作用也消失。培養(yǎng)結(jié)束后混合枯落物實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值累積N2O 排放差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平(圖3)?？萋湮锘旌铣跗诓煌萋湮镏g會(huì)產(chǎn)生一定的交互作用影響N2O排放應(yīng)該引起關(guān)注，具體的影響機(jī)理及野外原位試驗(yàn)有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

添加不同構(gòu)件枯落物都顯著促進(jìn)土壤N2O排放，培養(yǎng)結(jié)束后N2O累積排放量CKS >CKM >CKL >CKLS。培養(yǎng)初期(1～6 d)枯落物添加對(duì)土壤N2O排放產(chǎn)生明顯的激發(fā)作用，對(duì)總的N2O累積排放量的貢獻(xiàn)在49%～87%。排除最初的激發(fā)效應(yīng)階段，土壤N2O排放與枯落物初始氮含量成正比，與枯落物初始C/N呈反比；枯落物混合在培養(yǎng)初期階段(6～28 d)抑制N2O，實(shí)測(cè)值低于預(yù)測(cè)值，但是培養(yǎng)結(jié)束后混合枯落物實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值累積N2O 排放差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平?？萋湮锘旌巷@著促進(jìn)枯落物分解，增加枯落物的氮累積量，降低C/N含量，但是對(duì)N2O排放影響不顯著，此研究結(jié)論僅代表室內(nèi)研究結(jié)論，以后應(yīng)加強(qiáng)野外枯落物添加N2O排放的研究，揭示枯落物及不同構(gòu)件混合對(duì)N2O排放量的影響以及影響機(jī)理。

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Effects of Different Corn Litter Components and Their Mixture Addition on Soil N2O Emission

LI Yingchen, WANG Qibo, HOU Cuicui, ZHANG Fang, MA Jianmin

(He′nanNormalUniversity,Xinxiang,He′nan453007,China)

The effects of different corn litter components and mixture addition on soil N2O emission were investigated via laboratory incubation. Five treatments were set in this experiment: soil with no litter addition (CK); soil with stalk litter addition (CKS); soil with leaf litter addition (CKL); soil with leaf sheath litter addition (CKLS); soil with mixed litter (stalk∶leaf∶leaf sheath = 5∶3∶2) addition (CKM). The results showed that litter addition had a priming effect on N2O emission at the beginning of the incubation. N2O emission from the samples with litter addition was stable since the sixth day of the incubation period and was greater than that from CK samples. The cumulative N2O emission from samples with litter addition was significantly higher than that from CK samples (p<0.05), further, cumulative N2O emissions of CKS and CKM were significantly greater than those of CKL and CKLS (p<0.05). Litter mixing accelerated soil N2O emission to a certain extent at the first stage of incubation (10～28 days), however, there was no interaction among different kinds of litter at the last stage of the incubation. The total N contents of all residues in the end of the incubation were significantly greater than the initial contents; on the contrast, the ratio of C/N of the incubated residues was significantly less than the initial ratios (p<0.05). For the incubated samples of CKM, the mass were smaller than that predicted value, the total N content was greater than that predicted value; while the C/N ratio was smaller than that predicted value. However, there was no significant difference between observed and predicted soil cumulative N2O emissions. These results indicated that litter mixing accelerated the processes of litter decomposition and N accumulation, but had no significant effect on N2O emission.

litter addition; mixture; N2O emission; litter decomposition; total N

2016-01-11

2016-01-25

河南師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)課題(qd12129,qd12126);國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)合作項(xiàng)目(17680);河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14B180008);河南師范大學(xué)青年基金(2013qk09,2013qk13)

李英臣(1982—),男,山東聊城人,博士,副教授.主要從事坡耕地溫室氣體排放研究。E-mail:xiayuchen211@163.com

S154.1;X511

A

1005-3409(2016)06-0260-05