李曉莎，岳善超，李世清，劉建粲

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100)

覆膜和氮肥用量對(duì)雨養(yǎng)春玉米農(nóng)田甲烷吸收的影響

李曉莎1,2，岳善超2，李世清1,2，劉建粲1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100)

為了研究覆膜與氮肥用量對(duì)雨養(yǎng)春玉米農(nóng)田CH4吸收的影響，在覆膜(FM)與不覆膜(BP)條件下分別設(shè)置了0、100、250、400 kg·hm-24個(gè)氮肥水平，共8個(gè)處理，采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對(duì)農(nóng)田CH4的吸收通量進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，同時(shí)觀測(cè)影響通量變化的溫度、水分以及硝銨態(tài)氮等環(huán)境因子。結(jié)果表明：旱作春玉米農(nóng)田是甲烷的匯，休閑期的累積吸收量占年總吸收量48%～60%，在年總吸收量中占了不可忽視的一部分； FM0、FM100、FM250、FM400和BP0、BP100、BP250、BP400在2014—2015年的年總吸收量分別為0.99、1.38、1.3、1.37 CH4-C kg·hm-2和1.43、1.77、1.68、1.56 CH4-C kg·hm-2，地膜覆蓋和施氮量的增加均未顯著改變雨養(yǎng)春玉米農(nóng)田對(duì)CH4的吸收量； 雨養(yǎng)春玉米農(nóng)田土壤CH4的吸收速率與0、10 cm土層土壤溫度呈極顯著正相關(guān)，與土壤孔隙含水量(WFPS)、NH4+-N之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，不覆膜條件下與NO3--N之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

覆膜；氮肥；CH4；雨養(yǎng)；春玉米農(nóng)田

氣候變暖對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、人類生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等各方面均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，是全球性的環(huán)境問(wèn)題，而造成氣候變暖的主要原因是由于大氣中溫室氣體濃度的不斷增加。甲烷(CH4)是大氣中含量?jī)H次于CO2和CFCs的溫室氣體，其輻射增溫效應(yīng)是CO2的25倍[1]，占溫室氣體對(duì)全球變暖貢獻(xiàn)總份額的20%[2]。在對(duì)流層中CH4被氧化生成其它溫室氣體，少量被送到平流層，對(duì)臭氧層起到了間接的破壞作用。受人類活動(dòng)影響，大氣中的CH4濃度在不斷升高，2014年全球范圍內(nèi)CH4的平均摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到了1.833×10-6，為工業(yè)化(1750年)前水平的254%[3]。

旱作土壤是大氣甲烷的重要匯，這也是已知的唯一的生物氧化甲烷的匯。在土壤中，甲烷被氧化成二氧化碳，而二氧化碳吸收輻射能的能力比甲烷低32倍，所以這個(gè)氧化過(guò)程是有利于環(huán)境的。每年大約有30 Tg的甲烷在土壤中氧化，占總甲烷氧化量的6%。盡管相對(duì)于對(duì)流層來(lái)說(shuō)土壤作為甲烷匯小到可以忽略不記，但是如果缺少土壤這個(gè)匯將會(huì)使大氣甲烷濃度以目前增長(zhǎng)速率的1.5倍的速度增加[4]。

地膜覆蓋由于具有保水保墑和調(diào)節(jié)土壤溫度的作用在我國(guó)半干旱區(qū)很早就有應(yīng)用，近十多年來(lái)更是在旱作糧食作物生產(chǎn)中大面積應(yīng)用[5]，且其應(yīng)用面積還在不斷增加。土壤理化性質(zhì)的改變將會(huì)影響農(nóng)田土壤溫室氣體的產(chǎn)生與排放，關(guān)于地膜覆蓋對(duì)農(nóng)田土壤CO2、N2O排放的影響已有一些報(bào)道，而地膜覆蓋對(duì)旱作農(nóng)田土壤對(duì)CH4吸收的影響還鮮有報(bào)道；氮肥的施用是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中增產(chǎn)的常用措施，研究認(rèn)為氮肥的施用會(huì)抑制土壤對(duì)大氣甲烷的氧化吸收[6-7]，那么隨著氮肥施用量的增加，土壤對(duì)大氣甲烷的吸收作用會(huì)怎樣變化呢？為了研究覆膜與氮肥用量的增加對(duì)雨養(yǎng)農(nóng)田土壤對(duì)CH4吸收的影響，我們進(jìn)行了本次試驗(yàn)，以期為評(píng)估旱作農(nóng)田的溫室效應(yīng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)布置在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站。該試驗(yàn)站位于黃土高原中南部陜甘交界處的陜西省長(zhǎng)武縣洪家鎮(zhèn)王東村(35°12′N，107°40′E)，海拔1 200 m。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性氣候，年均降水584 mm，年均氣溫9.1℃，無(wú)霜期171 d，地下水埋深50～80 m，無(wú)灌溉條件，屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)；母質(zhì)是深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土。試區(qū)為高原溝壑區(qū)的典型代表。試驗(yàn)開(kāi)始前土壤0～20 cm耕層土壤理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量14.1 g·kg-1，全氮含量0.9 g·kg-1，礦質(zhì)氮含量10.5 mg·kg-1，有效磷含量15.9 mg·kg-1，速效鉀含量136.7 mg·kg-1，pH值為8.4。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年4月—2015年9月進(jìn)行，經(jīng)過(guò)兩個(gè)玉米生長(zhǎng)季(maize growing season, MS)和一個(gè)休閑季(fallow season, FS)。試驗(yàn)在地膜覆蓋(plastic film mulching, FM)和不覆膜(bare plot without mulching, BP)條件下設(shè)置4個(gè)氮肥水平，共8個(gè)處理，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為4 m×7 m=28 m2。處理1(FM0)：地膜覆蓋+0 kg·hm-2；處理2(FM100)：地膜覆蓋+100 kg·hm-2；處理3(FM250)：地膜覆蓋+250 kg·hm-2；處理4(FM400)：地膜覆蓋+400 kg·hm-2；處理5(BP0)：不覆蓋+0 kg·hm-2；處理6(BP100)：不覆蓋+100 kg·hm-2；處理7(BP250)：不覆蓋+250 kg·hm-2；處理8(BP400)：不覆蓋+400 kg·hm-2。

試驗(yàn)使用含氮量為46%的尿素作為氮肥；分3次施用，基肥與種肥占40%，十葉期(V10)追肥占30%，吐絲期(R1)追肥占30%。各處理施用磷肥40 kg·hm-2，為含12% P2O5的過(guò)磷酸鈣，鉀肥80 kg·hm-2，為含45% K2O的硫酸鉀?；┑省⑷苛追屎外浄示诓デ熬鶆蛉鍪┯诘乇?，然后用旋耕機(jī)翻耕，使肥料充分混勻；追施氮肥使用點(diǎn)種器施入玉米植株之間。春玉米品種為先玉335，各處理均采用寬窄行、雙壟溝種植法：寬行60 cm、窄行40 cm，大壟高10 cm，小壟高15 cm (圖1)。覆蓋處理采用0.005 mm厚，1.2 m寬的白色透明聚乙烯薄膜周年全膜覆蓋，整個(gè)試驗(yàn)期間不進(jìn)行灌溉，采用雨養(yǎng)方式。試驗(yàn)分兩年進(jìn)行，2014年4月30日播種，9月20日收獲；2015年4月26日播種，9月14日收獲，兩個(gè)生育季內(nèi)總降雨量分別為375 mm和361 mm。

圖1 全膜雙壟溝種植示意圖

Fig.1 Schematic diagram illustrating the arrangement of plant on the ridges and furrow with plastic film mulching

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目與方法

氣體的采集采用密閉靜態(tài)箱法，箱體包括頂箱和底座兩部分，均由不銹鋼制成。頂箱長(zhǎng)、寬、高分別為50 cm、30 cm、30 cm，頂箱上部中央有10 cm×10 cm的植株生長(zhǎng)口，頂箱可拆分成兩部分，且兩部分之間縫隙及下部邊沿均有密封條，以確保頂箱及頂箱與底座之間的密閉性。箱內(nèi)安裝風(fēng)扇以將箱內(nèi)氣體混勻，箱外包裹泡沫層來(lái)保溫。底座長(zhǎng)、寬、高為50 cm×30 cm×15 cm，底座安置在小區(qū)中央，插入土層15 cm深處，整個(gè)生育季不再移動(dòng)，底座中央種植一株玉米。當(dāng)玉米株高小于30 cm時(shí)，頂箱是一個(gè)整體，生長(zhǎng)口處于密封狀態(tài)，整株玉米都在頂箱內(nèi)，當(dāng)株高高于頂箱高度時(shí)，頂箱從中間拆分為兩部分，每次采集氣體時(shí)將植株的下部分莖扣入到箱子中而其余部分從頂部的生長(zhǎng)口伸出，頂箱的兩部分之間用搭扣固定，植株與口壁之間用泡沫填充。氣體采集過(guò)后將頂箱移開(kāi)。氣體采集于每天8∶30—11∶30之間進(jìn)行，采集時(shí)將頂箱與底座之間用夾子固定，蓋頂箱后分別在0、10、20、30 min時(shí)用50 ml注射器抽取箱內(nèi)氣體50 ml。采氣頻率為平均每4天監(jiān)測(cè)一次，施用氮肥后從第2天開(kāi)始每?jī)商毂O(jiān)測(cè)一次，連續(xù)監(jiān)測(cè)10 d，降雨后從第2天開(kāi)始每天監(jiān)測(cè)一次，連續(xù)監(jiān)測(cè)7 d。玉米收獲后的休閑期，15 d監(jiān)測(cè)一次。

每次采集農(nóng)田氣體樣品時(shí)用數(shù)字溫度計(jì)(JM624)測(cè)定箱內(nèi)空氣溫度、地表溫度以及土壤10 cm土層溫度，測(cè)定時(shí)間為采集第一針和第四針樣品時(shí)，取兩次測(cè)定的平均值作為當(dāng)天的溫度。降雨量與氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站。

采集0～20 cm土層土壤樣品，測(cè)定土壤礦質(zhì)氮和水分含量。土壤樣品與氣體樣品采集同步進(jìn)行，玉米生長(zhǎng)季每8天采集1次，休閑期改為每15天采集1次。冬季土壤凍結(jié)后不采集樣品(12月至次年3月上中旬)。施用氮肥和降雨后加大采樣頻率，施肥后每隔一天采集一次，連續(xù)采集10 d，降雨后(>20 mm)每隔一天采集一次，連續(xù)采集兩次，而后恢復(fù)正常頻率。所采樣品當(dāng)天用烘干法測(cè)定土壤含水量；1 mol·L-1KCl溶液浸提-連續(xù)流動(dòng)分析儀法測(cè)定土壤NH4+-N和NO3--N的含量。

1.4 計(jì)算方法與統(tǒng)計(jì)分析

CH4排放通量采用直線回歸法進(jìn)行計(jì)算，春玉米生長(zhǎng)季的累積氣體排放量采用線性插值法，以觀測(cè)數(shù)值作為當(dāng)日平均交換通量，然后通過(guò)累加計(jì)算各季及全年的累積排放量。氣體排放通量的計(jì)算公式為[8]：

F=ρ×h×dc/dt×273/(273+T)

式中，F(xiàn)為氣體排放通量(mg·m-2·h-1或μg·m-2·h-1)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度(kg·m-3)；h是采樣箱的凈高度(m)；dc/dt為單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體的濃度變化率；T為采樣過(guò)程中采樣箱內(nèi)的平均溫度(℃)。

采用SPSS 19.0和Sigmaplot 12.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜與施氮對(duì)雨養(yǎng)玉米農(nóng)田CH4吸收特征的影響

由不同處理的CH4吸收動(dòng)態(tài)變化(圖2)可知，各處理的CH4吸收速率變化趨勢(shì)一致，生長(zhǎng)季甲烷吸收速率較高，且有小幅度變化波動(dòng)，休閑季較低。2014年和2015年春玉米生長(zhǎng)季FM0、FM100、FM250、FM400和BP0、BP100、BP250、BP400處理農(nóng)田CH4吸收速率分別在2.18～79.71、-4.37～40.3、6.1～43.33、4.47～52.65、2.17～40.17、-0.03～72.47、0～47.06、4.18～76.61 CH4-C μg·m-2·h-1和4.48～29.07、8.17～34.11、6.29～38.79、-0.05～29.79、7.47～51.14、6.3～46.56、6.3～40.09、4.76～45.49 CH4-C μg·m-2·h-1，可見(jiàn)黃土高原雨養(yǎng)春玉米試驗(yàn)田是弱的甲烷“匯”，其不同處理兩個(gè)玉米生長(zhǎng)季甲烷平均吸收速率分別為15.01、17.04、17.28、19.04、18.56、22.00、19.44、21.67 CH4-C μg·m-2·h-1和14.17、17.38、17.87、17.35、23.61、25.84、23.23、25.14 CH4-C μg·m-2·h-1(FM0、FM100、FM250、FM400、BP0、BP100、BP250、BP400)，地膜覆蓋處理減少了農(nóng)田土壤對(duì)CH4的吸收，這與其它一些旱作農(nóng)田的研究結(jié)果一致[9-10]。播種初期，由于播種前的旋耕，使得土壤疏松，孔隙度高，土壤內(nèi)氧氣較多，促進(jìn)了土壤對(duì)大氣甲烷的氧化吸收，進(jìn)而在初期出現(xiàn)了吸收峰。究其原因可能是，旱作農(nóng)田通氣性良好，氧氣易于擴(kuò)散到土壤中，促進(jìn)土壤中甲烷氧化微生物和甲烷氧化酶的活性，增強(qiáng)了土壤吸收氧化大氣中CH4的能力[11]。2015年各處理的CH4排放量的變化幅度較2014年變化幅度小，這可能和土壤水分含量的變化幅度有關(guān)。

2014年12月—2015年4月是土壤的凍融和融凍期，CH4的吸收量很少，N0處理在3月份甚至出現(xiàn)了排放的現(xiàn)象，這與宋長(zhǎng)春等發(fā)現(xiàn)的融凍期沼澤濕地CH4排放通量明顯增大[12]的結(jié)果是一樣的，這主要與土壤微生物活性和土壤溶液中的C、N含量增加有關(guān)，冬季死亡的微生物釋放的C、N可為融凍期存活的微生物提供重要的基質(zhì)且凍融作用能夠促進(jìn)有機(jī)碎屑物的分解和C、N的礦化[13-14]，融凍期溫度升高，0～10 cm土壤微生物的活性明顯增加，這些條件都有利于CH4的產(chǎn)生。

圖2 不同處理CH4吸收速率的動(dòng)態(tài)變化

Fig.2 Dynamic change of CH4uptake rate at different treatments

2.2 覆膜與施氮對(duì)雨養(yǎng)玉米農(nóng)田CH4累積吸收量的影響

2014年春玉米休閑期農(nóng)田土壤CH4的累積吸收量分別占總累積吸收量的47.6%、57.4%、53.9%、51.8%、54.6%、57%、60.2%、和51.7%(FM0、FM100、FM250、FM400、BP0、BP100、BP250和BP400)，除FM0處理外，休閑期的吸收量都超過(guò)了生育期，可見(jiàn)在旱作農(nóng)田土壤CH4吸收的測(cè)定估算中，休閑期的吸收是不可忽視的。2014年農(nóng)田CH4累積吸收量FM0和BP0處理差異顯著(P<0.05)，其余差異不顯著，且這種顯著的差異主要是由于休閑期吸收量的差異造成的(表1)。2014、2015年春玉米生長(zhǎng)季農(nóng)田CH4累積吸收量覆膜處理都低于不覆膜處理，但不同氮肥水平條件下，覆膜處理與不覆膜處理之間的差異不同，2014年，兩種覆蓋處理的4個(gè)氮肥水平之間的差異都不顯著；2015年，N0、N100和N400水平條件下覆膜與不覆膜處理差異顯著。2014年不同施氮量處理生長(zhǎng)季CH4累積吸收量的大小為：N100>N400>N250>N0；2015年覆膜條件下則是N250處理的生長(zhǎng)季累積吸收量最大，N0處理最?。徊桓材l件下N100吸收量最大，N250吸收量最少。這與一些研究的結(jié)果不一致。胡小康等研究認(rèn)為，華北平原夏玉米生長(zhǎng)季土壤是CH4的凈吸收庫(kù)，吸收總量從小到大依次為Optimized>N250>SRU>N300[15]。施肥對(duì)稻田甲烷排放影響研究得出，稻田CH4的排放量隨著氮肥用量的增加呈增加趨勢(shì)[16]。有研究表明，冬小麥-夏玉米輪作體系，N0、N200、N400和N600處理土壤CH4年排放總量分別為-1.42、-0.75、-0.82、-0.92 kg·hm-2·a-1(2008—2009年)和-2.6、-1.47、-1.35、-1.76 kg·hm-2·a-1(2009—2010年)[17]，這與本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果相反。

表1 不同處理春玉米農(nóng)田CH4累積吸收量/(kg·hm-2)

注：平均值±SD；同列不同字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

Note: average ± standard deviation； different letters in the same column indicate a significant difference(P<0.05).

2.3 雨養(yǎng)春玉米農(nóng)田CH4吸收的影響因素分析

2.3.1 土壤溫度對(duì)農(nóng)田CH4吸收的影響 由圖3、圖4可知，春玉米生育期地溫處于較高水平，休閑期地溫較低，生長(zhǎng)季前期，地膜覆蓋對(duì)0、10 cm土壤都具有增溫效果，生育期后期，覆膜與不覆膜處理之間的土壤溫度無(wú)差異，這可能是由于玉米冠層對(duì)太陽(yáng)照射的遮擋，使得地溫的增長(zhǎng)差異不大。分析農(nóng)田土壤CH4吸收速率與土壤溫度相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，土壤CH4吸收速率與土壤0、10 cm溫度呈極顯著正相關(guān)(表2)，覆膜、不覆膜處理與土壤0、10 cm溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.307、0.242和0.414、0.351，這與鄭智旗等[18]的冬小麥農(nóng)田CH4排放通量與土壤溫度呈正相關(guān)但不顯著的研究結(jié)果不一致，水旱輪作方式下稻田旱作季CH4排放通量與農(nóng)田10 cm地溫呈負(fù)相關(guān)[19]，與本研究的結(jié)果相似。

表2 CH4吸收速率與各因素的相關(guān)性

注：*表示在0.05水平下顯著相關(guān)，**表示在0.01水平下顯著相關(guān)；WFPS—土壤空隙含水量。

Note: the expression of * is significantly correlated at 0.05 level; the expression of ** is significantly correlated at 0.01 level. WFPS—water-filled pore space.

圖3 不同處理0 cm土層溫度的動(dòng)態(tài)變化

圖4 不同處理10 cm土層溫度的動(dòng)態(tài)變化

Fig.4 Dynamic change of 10 cm soil temperature at different treatments

2.3.2 土壤水分對(duì)農(nóng)田CH4吸收的影響 2014年土壤孔隙含水率的變化幅度比較大，分布在18.22%～77.3%之間，而2015年的水分變化小，主要分布在28.97%～61.17%之間(圖5)，結(jié)合圖2，發(fā)現(xiàn)甲烷吸收的變化幅度與土壤水分的變化幅度有一定的相關(guān)性，2014年5月中旬到7月中旬，農(nóng)田土壤甲烷的吸收速率逐漸上升，而土壤水分的含量逐漸降低，最低值達(dá)到了8%～36%，過(guò)后一場(chǎng)大的降雨使土壤水分得到了補(bǔ)給，WFPS高達(dá)62%～71%，而甲烷的吸收也隨之降低。分析相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤對(duì)CH4的吸收速率與土壤WFPS之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(表2)，這與一些研究的結(jié)果一致[20-21]。而兩個(gè)生長(zhǎng)季水分含量變化的不同也許是造成兩年試驗(yàn)結(jié)果不同的主要原因。

圖5 不同處理土壤孔隙含水量的變化趨勢(shì)

Fig.5 Trend of water-filled pore space at different treatments

2.3.3 氮肥對(duì)農(nóng)田CH4吸收的影響 由圖6和圖7可知，土壤硝銨態(tài)氮的含量隨著施氮量的增加而增加，氮肥的施入使得土壤中的硝銨態(tài)氮迅速增加，達(dá)到峰值后又降低，硝態(tài)氮含量變化過(guò)程緩慢，而銨態(tài)氮變化迅速，除了氮肥施入后幾天外其含量一直處于很低的狀態(tài)。2014年和2015年春玉米生長(zhǎng)季土壤硝態(tài)氮含量分別在2.05～111.31 mg·kg-1和1.52～130.89 mg·kg-1之間，銨態(tài)氮含量較低，分別在0.42～55.45 mg·kg-1和0.28～35.42 mg·kg-1之間。分析土壤硝銨態(tài)氮含量與農(nóng)田甲烷吸收的相關(guān)性(表2)顯示，CH4的吸收與土壤銨態(tài)氮呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；不覆膜處理與硝態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而覆膜處理未達(dá)顯著水平。 由此可知，土壤中硝銨態(tài)氮含量越高，甲烷的吸收速率越低，即氮肥的施入抑制了農(nóng)田土壤對(duì)甲烷的氧化吸收。

3 討論與結(jié)論

相關(guān)研究表明：土壤氧化CH4的最適合溫度在25℃～35℃，當(dāng)?shù)販馗哂诨虻陀谧罴褱囟葧r(shí)，CH4氧化菌都難以與硝化細(xì)菌和其它微生物競(jìng)爭(zhēng)利用土壤空氣中的O2，使得土壤中CH4氧化菌的繁殖和活性降低[22]，土壤氧化CH4的能力下降。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，地膜覆蓋增加了春玉米生長(zhǎng)前期的土壤溫度，但是卻減少了農(nóng)田土壤對(duì)甲烷的吸收。地膜覆蓋增加土壤溫度理論上促進(jìn)了甲烷的氧化吸收但同時(shí)阻礙了土壤水分的蒸發(fā)損失，增加了土壤含水量，研究表明土壤水分的增加不僅影響土壤微生物的活性，而且阻礙大氣CH4和O2向土壤中的傳輸，從而造成了土壤的厭氧環(huán)境，減少了土壤對(duì)CH4的氧化吸收[23]。由于干旱雨養(yǎng)農(nóng)作區(qū)土壤長(zhǎng)期處于干旱狀態(tài)，水分增加所造成的抑制作用大于提高溫度所產(chǎn)生的促進(jìn)作用也許是地膜覆蓋減弱土壤對(duì)CH4的氧化吸收的主要原因。除此之外，地膜覆蓋對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用[24]，增加了植物根系呼吸對(duì)土壤中氧氣的消耗，從而減弱甲烷氧化菌對(duì)甲烷的氧化作用。

目前，關(guān)于氮肥施用對(duì)農(nóng)田土壤甲烷的影響已多有研究，但對(duì)于不同農(nóng)田的研究結(jié)果不一致。對(duì)于水稻田的研究多數(shù)認(rèn)為，稻田是CH4的凈排放源，且隨著施氮量的增加而增加[25-27],但有研究認(rèn)為，水稻田CH4的排放與施氮量呈二次方程關(guān)系，在一定的施氮范圍內(nèi)隨著施氮量的增加而增加而后隨著施氮量的增加而降低[28]。大量研究表明旱作農(nóng)田是甲烷的“匯”[15,29-30]，這與本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果一致。本研究表明，氮肥的施入促進(jìn)了農(nóng)田土壤對(duì)甲烷的氧化吸收，且氮肥用量的增加未顯著改變甲烷的吸收，這與一些研究結(jié)果不一致。Sun等[31]研究表明，旱地農(nóng)田施用氮肥抑制了農(nóng)田土壤對(duì)CH4的吸收，當(dāng)每季施肥量在50～300 kg·hm-2時(shí)，CH4的吸收量減少了約15%，齊玉春等[29]的研究也得出了相似的結(jié)果。

有研究認(rèn)為，氮肥對(duì)土壤甲烷氧化能力的影響的關(guān)鍵因素是NH4+而不是NO3-，與NH4+相比，NO3-對(duì)土壤甲烷的氧化不僅沒(méi)有影響，可能還有一點(diǎn)刺激作用[32]。此外還有研究認(rèn)為，NH4+和NO3-對(duì)土壤氧化吸收CH4的抑制作用與土壤中這兩種離子的含量有關(guān)，如果NH4+或者NO3-的含量沒(méi)有達(dá)到一定的值，那么這兩種離子的抑制作用就不明顯[33-34]。而本實(shí)驗(yàn)期間，春玉米生長(zhǎng)季土壤中硝態(tài)氮的最大含量為130.89 mg·kg-1，銨態(tài)氮最大含量為55.45 mg·kg-1，并且，銨態(tài)氮含量只有氮肥施入后的幾天含量較高，其余時(shí)間都較低，而硝態(tài)氮含量則有較長(zhǎng)的時(shí)間維持在較高的水平，這可能就是造成氮肥施入促進(jìn)甲烷吸收的原因。此外，1979—2008年長(zhǎng)武縣月平均蒸發(fā)量112.57 mm[35]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該地區(qū)的月均降雨量，氮肥的施用，促進(jìn)了農(nóng)作物的生長(zhǎng)，從而增加了土壤水分的消耗，改善了農(nóng)田土壤的通氣環(huán)境，抑制甲烷產(chǎn)生菌的活性，進(jìn)而可能促進(jìn)甲烷的氧化吸收。農(nóng)田土壤對(duì)甲烷氧化吸收是一個(gè)多因素影響的過(guò)程，而耕作模式的不同、土壤質(zhì)地的不同、種植作物的不同以及氣候的變化都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，因此，具體的原因還需進(jìn)一步研究。

圖6 不同處理NO3--N含量的動(dòng)態(tài)變化

圖7 不同處理NH4+-N含量的動(dòng)態(tài)變化

Fig.7 Dynamic change of NH4+-N content at different treatments

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，旱作春玉米農(nóng)田是CH4的匯，玉米生育期平均累積吸收量為0.498～0.814 CH4-C kg·hm-2，休閑期的累積吸收量占年總吸收量48%～60%，是不可忽略的一部分；地膜覆蓋與氮肥用量的增加均未顯著改變旱作農(nóng)田對(duì)甲烷的吸收作用；雨養(yǎng)春玉米農(nóng)田土壤CH4的吸收速率與0、10 cm土壤溫度呈極顯著正相關(guān)，與土壤WFPS、NH4+-N呈極顯著負(fù)相關(guān)，不覆膜條件下與NO3--N之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且達(dá)到極顯著水(P<0.01)。

[1] IPCC. Climate Change 2007: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press, 2007:63-67.

[2] 章永松,柴如山,付麗麗,等.中國(guó)主要農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放及減排對(duì)策[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版),2012,38(1):97-107.

[3] 張 永.中國(guó)氣象局發(fā)布2014年中國(guó)溫室氣體公報(bào)[N].中國(guó)氣象報(bào)，2016-1-12(1).

[4] Duxbury J M. The significance of agricultural sources ofgreenhouse gases[J]. Fertil Res, 1994,38:151-163.

[5] 李小剛,李鳳民.旱作地膜覆蓋農(nóng)田土壤有機(jī)碳平衡及氮循環(huán)特征[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,48(23):4630-4638.

[6] 胡榮佳.施肥對(duì)旱地土壤甲烷氧化能力的影響[J].生態(tài)環(huán)境,2004,13(1):74-77.

[7] Liu L T, Hu C S,Yang P P, et al. Effects of experimental warming and nitrogen addition on soil respiration and CH4fluxes from crop rotations of winter wheat soybean/fallow[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2015,207(15):38-47.

[8] 蔡祖聰,徐 華,馬 靜.稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4和N2O排放[M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2008：106-142.

[9] 閻佩云.黃土旱塬旱作玉米農(nóng)田不同栽培模式溫室氣體排放特征及影響因素[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2013.

[10] 王立為.旱地馬鈴薯田溫室氣體減排與增產(chǎn)協(xié)同機(jī)制和模式研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2015.

[11] 郝小雨,周寶庫(kù),馬星竹,等.氮肥管理措施對(duì)黑土玉米田溫室氣體排放的影響[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2015,35(11):3227-3238.

[12] 宋長(zhǎng)春,王毅勇,王躍思,等.季節(jié)性凍融期沼澤濕地CO2、CH4和N2O排放動(dòng)態(tài)[J].環(huán)境科學(xué),2005,26(4):7-12.

[13] Groffman P M, Driscoll C T, Fahey T J, et al. Effects of mild winter freezing on soil nitrogen and dynamics in a northern hardwood forest[J]. Biogeochemistry, 2001,56:191-213.

[14] Prieme A, Christensen S. Natural perturbations, drying-wetting and freezing-thawing cycle, and the emission of nitrous oxide carbon dioxide and methane from farmed organic soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2001,33:2083-2091.

[15] 胡小康,黃彬香,蘇 芳,等.氮肥管理對(duì)夏玉米土壤CH4和N2O排放的影響[J].中國(guó)科學(xué)：化學(xué)，2011,41(1):117-128.

[16] 易 瓊,逄玉萬(wàn),楊少海,等.施肥對(duì)稻田甲烷與氧化亞氮排放的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2013,22(8):1432-1437.

[17] 王玉英,胡春勝.施氮水平對(duì)太行山前平原冬小麥-夏玉米輪作體系土壤溫室氣體通量的影響[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2011,19,(5):1122-1128.

[18] 鄭智旗,王樹(shù)東,何 進(jìn),等.耕作措施對(duì)京郊冬小麥農(nóng)田CO2、CH4排放通量的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45:189-195.

[19] 張?jiān)婪?鄭建初,陳留根,等.水旱輪作稻田旱作季種植不同作物對(duì)CH4和N2O排放的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2012,21(9):1521-1526.

[20] 梁 艷,干珠扎布,張偉娜,等.灌溉對(duì)藏北高寒草甸生物量和溫室氣體排放的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2015,34(4):801-808.

[21] Wei D, Xu R, Tenzin-Tarchen, et al. Considerable methane uptake by alpine grasslands despite the cold climate: In situ measurements on the central Tibetan Plateau, 2008—2013[J]. Global Change Biology, 2015,21(2):777-788.

[22] Ding W, Cai Z. Effect of temperature on atmospheric CH4oxidation in soils[J]. Chinese Journal of Ecology, 2003,22(3):54-58.

[23] 路則棟,杜 睿,杜鵬瑞,等.農(nóng)墾對(duì)草甸草原生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體(CH4和N2O)的影響[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2015,35(4):1047-1055.

[24] Berger S, Kim Y, Kettering J, et al. Plastic mulching in agriculture—Friend or foe of N2O emissions?[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment,2013,167:43-51.

[25] Gil W K, Hyo S G, Seung T J, et al. Different responses of nitrogen fertilization on methane emission in rice plant included and excluded soil during cropping season[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2016,230:162-168.

[26] 郭騰飛,梁國(guó)慶,周 衛(wèi),等.施肥對(duì)稻田溫室氣體排放及土壤養(yǎng)分的影響[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2016,22(2):337-345.

[27] 蘭雅萍,黃月清,李麗容.施氮量對(duì)稻田CH4排放的影響[J].福建熱作科學(xué),2014,39(1):8-12.

[28] 鄭土英,楊彩玲,徐世宏,等.耕作方式和氮肥對(duì)稻田CH4排放的影響及與還原物質(zhì)間的關(guān)系[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2014，(13):49-53.

[29] 齊玉春,董云社,章 申.華北平原典型農(nóng)業(yè)區(qū)土壤甲烷通量研究[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境,2002,18(3):56-58,60.

[30] 李秀云,張洪培,沈玉芳,等.生物炭與氮肥對(duì)旱作春玉米農(nóng)田CO2和CH4排放特征的影響[J].西北植物學(xué)報(bào),2016,36(6):1216-1224.

[31] Sun B F, Zhao H, Lv Y Z, et al. The effect of nitrogen fertilizer application on methane and nitrous oxide emission/uptake in Chinese croplands[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2016,15(2):440-450.

[32] Hutsch B W, Webster C P, Powlson D S. Methane oxidation as affected by land use, soil PH and nitrogen fertilization[J]. Soil Biology & Biochemistry, 1994,26:1613-1622.

[33] Adamsen A P S, King G M. Methane consumption in temperate and subarctic forest soils: rates, vertical zonation, and responses to water and nitrogen[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1993,59(2):485-490.

[34] Wang Z P, Ineson P. Methane oxidation in a temperate coniferous forest soil: effects of inorganic N[J]. Soil Biology Biochemistry, 2003,35(3):427-433.

[35] 張 輝，張蓓蓓.長(zhǎng)武縣1979—2008年水面蒸發(fā)量與溫度、降雨量關(guān)系通徑分析[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2017,33(9):89-93.

Effect of film mulching and nitrogen fertilizer on CH4absorption of rainfed spring maize farmland

LI Xiao-sha1,2, YUE Shan-chao2, LI Shi-qing1,2, LIU Jian-can1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,Shannxi;2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,Shannxi)

Understanding the response of CH4absorption to film mulching and nitrogen fertilizer is of value for improving management practices. We monitored the CH4absorption from plastic film-mulched and no-mulched maize fields that

different N application rates (0, 100, 250 kg·hm-2and 400 kg·hm-2) using the static chamber technique. In addition, the impact factors (soil inorganic nitrogen, soil temperature and moisture, etc.) were estimated. The results showed that the rain-fed maize fields acted as a sink for CH4, and 48%～60% of the annual uptake was during the fallow period. The annual CH4uptake rate was 0.99, 1.38, 1.3, 1.37, 1.43, 1.77, 1.68, 1.56 CH4-C kg·hm-2for FM0, FM100, FM250, FM400, BP0, BP100, BP250 and BP400 treatment in 2014—2015, respectively. Both film mulching and N fertilizer did not increase the CH4uptake. The soil CH4uptake was positively correlated with 0 cm and 10 cm soil temperature, but negatively correlated with soil WFPS and soil NH4+-N concentration. The CH4uptake was negatively correlated with soil NO3--N concentration under no-mulched treatments.

film mulching; nitrogen fertilizer; CH4; rained; spring maize farmland

1000-7601(2017)04-0001-09

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.01

2016-06-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(41401343)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2452015093，2452015473)

李曉莎(1990—)，女，河南人，碩士，主要從事農(nóng)田溫室氣體方面的研究。 E-mail:LXS0403229@163.com。

李世清(1963—)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤—植物氮素營(yíng)養(yǎng)方面的研究。 E-mail: sqli @ms.iswc.ac.cn。

S154.1；S181

A