陶寶先，張保華

(1.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059；2.聊城大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，山東 聊城 252059)

不同土地利用方式及增溫對(duì)農(nóng)業(yè)土壤N2O排放的非加和效應(yīng)

陶寶先1①，張保華2

(1.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059；2.聊城大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，山東 聊城 252059)

土地利用方式和溫度是影響土壤N2O排放的重要因素，有必要深入研究土地利用方式變化及增溫對(duì)農(nóng)業(yè)土壤N2O排放的交互作用。以山東省壽光市為例，利用長(zhǎng)期(400 d)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究土地利用方式變化(農(nóng)田、種植6及12 a設(shè)施菜地、荒廢12 a設(shè)施菜地)及溫度對(duì)土壤N2O排放的交互作用。結(jié)果表明，升溫及農(nóng)田變?yōu)樵O(shè)施菜地顯著促進(jìn)土壤N2O排放(Plt;0.05)，且種植6 a設(shè)施菜地土壤N2O排放水平顯著高于種植12 a設(shè)施菜地(Plt;0.05)，荒廢設(shè)施菜地N2O排放水平較農(nóng)田顯著降低(Plt;0.05)。相對(duì)于農(nóng)田，種植6 a設(shè)施菜地土壤N2O排放溫度敏感性系數(shù)(Q10)顯著增加，但荒廢設(shè)施菜地Q10顯著降低(Plt;0.05)，種植12 a設(shè)施菜地Q10值與農(nóng)田相比無(wú)顯著差異。此外，農(nóng)田變?yōu)榉N植6 a設(shè)施菜地與增溫對(duì)土壤N2O排放產(chǎn)生正效應(yīng)(synergistic effect)，種植年限延長(zhǎng)至12 a時(shí)交互作用變?yōu)榧雍托?yīng)(additive effect)，設(shè)施菜地荒廢后交互作用變?yōu)樨?fù)效應(yīng)(antagonistic effect)。這是因?yàn)檗r(nóng)田變?yōu)樵O(shè)施菜地及設(shè)施菜地荒廢后土壤N2O排放Q10值改變所致。這表明當(dāng)研究單因素對(duì)土壤N2O排放的影響和評(píng)估多因素的綜合影響時(shí)，可能會(huì)低估或高估其排放水平。

土地利用方式；增溫；土壤N2O排放；非加和效應(yīng)；壽光市

N2O是僅次于CO2和CH4的一種重要溫室氣體,大氣中N2O濃度以每年0.25%的速率遞增,其溫室效應(yīng)是CO2的 298倍[1]。因此,N2O排放將對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生重要影響。農(nóng)業(yè)土壤是N2O排放的主要貢獻(xiàn)者[1-2],尤其是施肥過(guò)程將對(duì)農(nóng)業(yè)土壤N2O排放產(chǎn)生較大的促進(jìn)作用[3]。影響N2O在土壤與大氣間轉(zhuǎn)化的因素較多,其中土壤溫度是影響N2O排放的主要因素之一[4]。通常,土壤溫度與土壤N2O排放呈顯著正相關(guān)關(guān)系[5]。溫度升高能促進(jìn)土壤氮素周轉(zhuǎn),加速土壤N2O排放[4-6]。

不同土地利用方式將改變農(nóng)業(yè)土壤耕作過(guò)程中的施肥、灌溉等措施,并對(duì)土壤屬性(如土壤溫度、水分等)產(chǎn)生不同的影響[7-8],這可能影響土壤氮素的周轉(zhuǎn)速率,進(jìn)而改變土壤N2O排放過(guò)程。然而,我國(guó)農(nóng)業(yè)土壤N2O排放研究一般以大田作物為主,對(duì)設(shè)施菜地土壤N2O排放規(guī)律的研究仍不充分[9]。而且,土壤N2O排放是多因素綜合作用的結(jié)果,目前研究大多側(cè)重單因素(如耕作方式、溫度)的影響,鮮有研究報(bào)道不同土地利用方式及溫度對(duì)農(nóng)業(yè)土壤N2O排放的交互作用。

2014年我國(guó)設(shè)施蔬菜種植面積達(dá)3.87×106hm2,設(shè)施蔬菜產(chǎn)量達(dá)2.60×108t[10]。隨著設(shè)施蔬菜栽培面積的擴(kuò)大和栽培年限的延長(zhǎng),其土壤環(huán)境出現(xiàn)高溫、高濕、持續(xù)且大量施肥、復(fù)種指數(shù)高、封閉且無(wú)雨水淋溶等特點(diǎn)[7],造成設(shè)施菜地土壤養(yǎng)分迅速增加[11],并產(chǎn)生土壤酸化、鹽漬化[12]等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。與傳統(tǒng)農(nóng)田相比,設(shè)施菜地獨(dú)特的土壤環(huán)境特點(diǎn)極有可能改變土壤氮素的累積及周轉(zhuǎn)過(guò)程,對(duì)土壤N2O排放產(chǎn)生較大影響。

設(shè)施菜地高強(qiáng)度的土地利用方式、較高的土壤溫度及“大水大肥”的耕作模式[7],使其土壤養(yǎng)分快速累積,并隨種植年限發(fā)生變化[11]。然而,關(guān)于增溫及土地利用方式變化(農(nóng)田變?yōu)樵O(shè)施菜地)對(duì)壽光市農(nóng)業(yè)土壤N2O排放的交互作用研究仍鮮見(jiàn)報(bào)道。以壽光農(nóng)田(對(duì)照),種植6、12 a設(shè)施菜地及荒廢12 a設(shè)施菜地為例,利用長(zhǎng)期(400 d)室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),研究不同種植年限設(shè)施菜地土壤N2O排放及溫度敏感性特征,并確定不用土地利用方式與溫度對(duì)土壤N2O排放的交互作用,以期為設(shè)施菜地N2O減排技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

壽光市位于山東半島,屬暖溫帶季風(fēng)性大陸氣候區(qū),年均降水量為594 mm,年均氣溫為12.7 ℃。設(shè)施菜地以黃瓜、番茄、辣椒等輪作為主,種植方式與管理具有較大的相似性,有機(jī)肥(以雞糞為主)年均施用量(以鮮重計(jì))為207.2 t·hm-2,化肥〔m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15〕年均施用量為10.6 t·hm-2[12]。種植10 a以上設(shè)施菜地施肥量比種植10 a以下的明顯減少[7]。農(nóng)田為玉米-冬小麥輪作,年均施肥量〔m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15〕為1.125 t·hm-2[10]。第2次全國(guó)土壤普查資料表明,轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地前農(nóng)田的基本理化性質(zhì)具有相似性[13]。

1.2 樣品采集與測(cè)定

1.2.1樣品采集與測(cè)定方法

選取農(nóng)田(對(duì)照),種植6、12 a設(shè)施菜地及荒廢12 a設(shè)施菜地為研究對(duì)象。2015年9月,在上述每種樣地內(nèi)按“S”形布點(diǎn),采集多個(gè)表層(0～10 cm)土壤并混勻。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)去除混合土壤中根系、石塊及土壤動(dòng)物等,過(guò)2 mm孔徑篩,并將其分成2個(gè)部分。一部分新鮮土樣風(fēng)干、研磨、過(guò)2 mm孔徑篩,測(cè)試土壤pH值、機(jī)械組成、含水率及最大持水量,并取部分過(guò)2 mm孔徑篩的土樣再斷續(xù)研磨過(guò)0.15 mm孔徑篩,測(cè)定土壤有機(jī)碳及全氮含量。土壤有機(jī)碳含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法,全氮含量測(cè)定采用開氏法,土壤pH值測(cè)定采用電位法,土壤機(jī)械組成測(cè)定采用比重計(jì)法,土壤含水率測(cè)定采用烘干法[14]。土壤最大持水量測(cè)定采用REY等[15]的方法。另一部分新鮮土樣用于培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1研究區(qū)域土壤理化性質(zhì)
Table1Basicphysic-chemicalpropertiesofthesoilintheresearchsites

樣地w(有機(jī)碳)/(g·kg-1)w(全氮)/(g·kg-1)pH值最大持水量/%機(jī)械組成/%砂粒(0 05～2mm)粉粒(0 002～lt;0 05mm)黏粒(lt;0 002mm)FL13 41±0 77c1 01±0 07c6 48±0 13b39 84±0 16c21 26±0 62b57 92±0 08a20 93±0 55b6GH26 28±0 25a3 51±0 21a6 88±0 15a59 26±0 41a23 79±1 17ab53 71±1 13b22 51±0 04b12GH18 58±0 47b1 85±0 05b6 82±0 08a44 10±3 08b21 00±2 76b53 91±1 61b25 10±1 61aAG13 39±0 92c1 32±0 05c6 95±0 17a45 65±1 27b26 21±1 08a52 48±1 06b21 32±0 01b

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。FL為農(nóng)田,6GH、12GH分別為種植6、12 a的設(shè)施菜地,AG為荒廢12 a設(shè)施菜地。同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(Plt;0.05)。

1.2.2室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

將50 g新鮮土樣置于500 mL廣口瓶?jī)?nèi),用去離子水調(diào)節(jié)土壤含水率至60%最大持水量,隨即稱量廣口瓶質(zhì)量。將廣口瓶置于25、35 ℃生化培養(yǎng)箱內(nèi)恒溫培養(yǎng)400 d。在同一溫度條件下每種土地利用方式設(shè)置3個(gè)重復(fù)。取樣前,用帶三通的膠塞將廣口瓶密封,密封0、24 h時(shí)用帶三通的注射器分別抽取20 mL瓶?jī)?nèi)氣體,用氣相色譜(Aglient 7890A,美國(guó))測(cè)定樣品N2O濃度,并根據(jù)前、后2次樣品N2O濃度差,計(jì)算土壤N2O排放速率。取樣后去掉膠塞,用多層紗布將瓶口罩住,既保持瓶?jī)?nèi)外氣體流通,又減緩瓶?jī)?nèi)水分損耗。每隔3 d稱量廣口瓶質(zhì)量,根據(jù)與實(shí)驗(yàn)初始時(shí)的質(zhì)量差,用去離子水補(bǔ)充水分,使土樣保持相對(duì)恒定的土壤含水率。

土壤N2O排放敏感性系數(shù)(Q10)的確定參照土壤CO2排放溫度敏感性系數(shù)的計(jì)算方法[16],Q10的計(jì)算公式為

Q10=(K2/K1)10/(T2-T1)。

(1)

式(1)中,Q10為土壤N2O排放敏感性系數(shù);K1、K2分別為25、35 ℃下土壤N2O排放速率,mg·kg-1·h-1;T1、T2為培養(yǎng)溫度,此處分別為25、35 ℃。

1.2.3交互作用類型的確定

土地利用方式及溫度對(duì)土壤N2O排放的交互作用參照如下方法[17]確定并作適當(dāng)修改:以25 ℃條件下實(shí)測(cè)的農(nóng)田土壤N2O累積排放量為參照(A0),以35和25 ℃條件下實(shí)測(cè)的農(nóng)田土壤N2O累積排放量的差值作為增溫對(duì)土壤N2O排放的影響(T0),以其他耕作方式25 ℃條件下實(shí)測(cè)的土壤N2O累積排放量與A0的差值作為耕作方式變化對(duì)土壤N2O累積排放量的影響(A1),則在耕作方式變化與增溫綜合作用條件下土壤N2O累積排放量的理論值(B0)為B0=A0+T0+A1。35 ℃條件下實(shí)測(cè)的不同種植年限設(shè)施菜地及荒廢設(shè)施菜地土壤N2O累積排放量為耕作方式變化及增溫對(duì)土壤N2O排放交互作用的實(shí)測(cè)值(B1)。

利用單因素方差分析統(tǒng)計(jì)B0與B1的差異,統(tǒng)計(jì)顯著水平α=0.05,并按如下方式判定交互作用類型:(1)當(dāng)B0與B1有顯著差異且B0gt;B1時(shí),交互作用類型為負(fù)效應(yīng)(antagonistic effect),即單因素影響的加和大于2個(gè)因素的實(shí)際綜合作用;(2)當(dāng)B0與B1有顯著差異且B0lt;B1時(shí),交互作用類型為正效應(yīng)(synergistic effect),即單因素影響的加和小于2個(gè)因素的實(shí)際綜合作用;(3)當(dāng)B0與B1無(wú)顯著差異時(shí),交互作用類型為加和效應(yīng)(additive effect),即單因素影響的加和等于2個(gè)因素的實(shí)際綜合作用。

1.3 數(shù)據(jù)分析

土壤理化性質(zhì)、N2O累積排放量及溫度敏感性系數(shù)在不同樣地類型間的差異采用配對(duì)t檢驗(yàn)。采用雙因素方差分析研究樣地類型及培養(yǎng)溫度對(duì)土壤N2O累積排放量的交互作用。統(tǒng)計(jì)顯著水平α=0.05。采用Excel 2007和SPSS 13.0軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Origin 9.0軟件作圖,圖中誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)。

2 結(jié)果與分析

由圖1可知,增溫顯著促進(jìn)農(nóng)田及種植6、12 a設(shè)施菜地土壤N2O排放(Plt;0.05),但荒廢12 a設(shè)施菜地土壤N2O排放對(duì)溫度變化不敏感。種植6、12 a設(shè)施菜地土壤N2O累積排放量顯著大于農(nóng)田,且種植6 a設(shè)施菜地土壤N2O累積排放量顯著大于種植12 a設(shè)施菜地(Plt;0.05)。在4類樣地中荒廢設(shè)施菜地土壤N2O累積排放量最低。

直方柱上方英文大寫字母不同表示相同溫度條件下不同處理間N2O累積排放量差異顯著(Plt;0.05),英文小寫字母不同表示同一樣地不同溫度條件下N2O累積排放量差異顯著(Plt;0.05)。

由圖2可知,種植6 a設(shè)施菜地土壤N2O排放的Q10值顯著大于農(nóng)田(Plt;0.05)。設(shè)施菜地種植年限達(dá)12 a時(shí),土壤N2O排放的Q10值又降至農(nóng)田水平。設(shè)施菜地荒廢12 a后,土壤N2O排放的Q10值較農(nóng)田顯著下降(Plt;0.05)。

由表2可知,土地利用方式與溫度對(duì)土壤N2O排放有顯著交互作用(Plt;0.05)。圖3顯示,農(nóng)田變?yōu)榉N植6 a設(shè)施菜地與溫度對(duì)土壤N2O排放的交互作用類型為正效應(yīng)(P=0.001),農(nóng)田變?yōu)榉N植12 a設(shè)施菜地與溫度對(duì)土壤N2O排放的交互作用類型為加和效應(yīng)(P=0.311),設(shè)施菜地荒廢與溫度對(duì)土壤N2O排放的交互作用類型為負(fù)效應(yīng)(P=0.003)。

3 討論

筆者研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后土壤N2O排放顯著增加(Plt;0.05)。這與ZHU等[18]在江蘇的研究結(jié)果相似。隨著設(shè)施菜地種植年限延長(zhǎng)至12 a,土壤N2O排放明顯降低,但仍高于農(nóng)田(Plt;0.05);設(shè)施菜地荒廢12 a后,土壤N2O排放較農(nóng)田顯著下降(Plt;0.05,圖1)。研究表明,施肥顯著促進(jìn)農(nóng)業(yè)土壤N2O排放[3],且土壤有機(jī)質(zhì)及無(wú)機(jī)氮含量影響土壤中與氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物種群結(jié)構(gòu)[19]。近期研究發(fā)現(xiàn),施加有機(jī)肥及化肥顯著增加與氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶基因豐度[20],并促進(jìn)土壤N2O排放[21]。施肥增加了土壤中無(wú)機(jī)氮含量,促進(jìn)土壤氮素的轉(zhuǎn)化(如硝化過(guò)程)[8],進(jìn)而加速N2O排放。隨著施肥量的增加,土壤N2O排放量也顯著增加[22]。此外,我國(guó)南方有關(guān)設(shè)施菜地的研究表明,土壤pH值gt;5.66、農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后,增加的土壤N2O排放主要來(lái)自于硝化過(guò)程[18]。筆者研究中設(shè)施菜地有機(jī)肥(多為禽畜糞便)及化肥施用量明顯高于農(nóng)田[11-12]。有機(jī)肥中的易分解組分能為土壤微生物提供能量,提高土壤微生物活性。施用化肥也能增加土壤中無(wú)機(jī)氮累積。同時(shí),研究區(qū)設(shè)施菜地土壤pH值gt;5.66。由此推測(cè),研究區(qū)設(shè)施菜地持續(xù)且大量施肥促進(jìn)土壤氮素累積,可能加速土壤氮素的硝化過(guò)程及N2O排放。

直方柱上方英文小寫字母不同表示不同樣地間Q10差異顯著(Plt;0.05)。

表2農(nóng)業(yè)土壤N2O排放的雙因素方差分析結(jié)果
Table2Two-wayANOVAanalysisofN2Oemissionsintheagriculturalsoils

項(xiàng)目F值P值培養(yǎng)溫度113 80lt;0 001土地利用方式313 78lt;0 001培養(yǎng)溫度×土地利用方式23 78lt;0 001

就同一樣地類型而言,直方柱上方英文小寫字母不同表示理論值與實(shí)測(cè)值間差異顯著(Plt;0.05)。

筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn),設(shè)施菜地種植超過(guò)10 a后,施肥量比種植年限lt;10 a的設(shè)施菜地約減少30%[7]。一方面,這會(huì)減少土壤微生物的能量來(lái)源,降低與氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物活性;另一方面,也會(huì)降低土壤中無(wú)機(jī)氮累積,可能減緩?fù)寥老趸^(guò)程,降低土壤N2O排放。雖然種植年限超過(guò)10 a 設(shè)施菜地的施肥量有所下降,但其數(shù)量仍明顯高于農(nóng)田,這可能是種植12 a設(shè)施菜地土壤N2O排放水平明顯降低但仍高于農(nóng)田的原因。設(shè)施菜地荒廢后無(wú)任何施肥措施,土壤氮素補(bǔ)充主要來(lái)自荒草凋落物及大氣氮沉降,氮素補(bǔ)充量較農(nóng)田大幅降低。因此,設(shè)施菜地荒廢12 a后土壤N2O排放較農(nóng)田顯著降低。

研究表明,土壤溫度與N2O排放呈顯著正相關(guān)關(guān)系[6],土壤溫度升高顯著促進(jìn)N2O排放[4]。早期研究發(fā)現(xiàn),15～35 ℃是與土壤硝化過(guò)程相關(guān)的微生物活動(dòng)的適宜溫度范圍[23],升溫能增加土壤微生物活性[24],促進(jìn)土壤硝化過(guò)程[4],加速土壤N2O排放。筆者研究中培養(yǎng)溫度均處于土壤硝化過(guò)程相關(guān)微生物活動(dòng)的適宜溫度范圍,故升溫明顯促進(jìn)農(nóng)田及設(shè)施菜地土壤N2O排放(Plt;0.05,圖1)。由于設(shè)施菜地具有保溫措施,土壤溫度高于農(nóng)田[7]。農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后,較高的土壤溫度可能提高土壤微生物活性,且設(shè)施菜地持續(xù)、大量施加化肥及有機(jī)肥[7],為土壤提供了大量的氮素來(lái)源,這些過(guò)程均可能促進(jìn)土壤硝化過(guò)程及N2O排放。

Q10能夠反映土壤N2O排放對(duì)溫度的響應(yīng)。筆者研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后,土壤N2O排放對(duì)溫度的積極響應(yīng)呈先明顯升高后逐漸下降(圖2)。這表明6 a的設(shè)施菜地種植能顯著增強(qiáng)土壤N2O排放對(duì)溫度的積極響應(yīng),這也進(jìn)一步解釋了種植6 a設(shè)施菜地土壤N2O高排放的原因。田間實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),增溫處理下土壤N2O排放的Q10值大于對(duì)照[25]。設(shè)施菜地的保溫措施使其土壤溫度高于農(nóng)田[7],這可能是導(dǎo)致種植6 a設(shè)施菜地土壤N2O排放Q10大于農(nóng)田的原因。但當(dāng)種植年限延長(zhǎng)至12 a時(shí),土壤N2O排放對(duì)溫度的積極響應(yīng)又恢復(fù)至農(nóng)田水平,甚至在設(shè)施菜地荒廢后,土壤N2O排放對(duì)溫度的積極響應(yīng)明顯低于農(nóng)田。早期研究發(fā)現(xiàn),土壤呼吸的Q10值隨溫度升高而下降,其原因可能是高溫加快有機(jī)底物的分解,使土壤呼吸的Q10值受到有機(jī)底物的限制而下降[26]。研究區(qū)設(shè)施菜地種植年限超過(guò)10 a時(shí)有機(jī)肥施加量明顯下降[7],設(shè)施菜地荒廢后有機(jī)肥的施加也隨即停止。據(jù)此推測(cè),有機(jī)肥施加減少及停止所造成的有機(jī)底物限制,可能是導(dǎo)致種植12 a設(shè)施菜地土壤N2O排放Q10值與農(nóng)田無(wú)差異甚至低于農(nóng)田的主要原因。此外,研究區(qū)設(shè)施菜地土壤N2O排放的Q10值低于我國(guó)南方同類研究的平均水平(Q10為2.80)[12],這可能與耕作方式(如灌溉、施肥方式)、蔬菜種類有關(guān)。因此,后續(xù)研究應(yīng)當(dāng)側(cè)重調(diào)查不同耕作方式及不同蔬菜類型設(shè)施菜地土壤N2O排放的溫度敏感性特征。

雙因素方差分析結(jié)果表明,不同土地利用方式及溫度對(duì)土壤N2O累積排放量有顯著交互作用(Plt;0.05,表2)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),農(nóng)田變?yōu)樵O(shè)施菜地導(dǎo)致的耕作方式變化與溫度對(duì)土壤N2O累積排放量的交互作用類型,隨種植年限的延長(zhǎng)而變化。轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地初期(種植6 a),交互作用類型為正效應(yīng)。這意味著在相同增溫條件下設(shè)施菜地土壤N2O排放的增加量要明顯大于農(nóng)田,這可能對(duì)土壤N2O排放產(chǎn)生進(jìn)一步的促進(jìn)作用。但該促進(jìn)作用僅為短期現(xiàn)象,設(shè)施菜地種植年限延長(zhǎng)至12 a時(shí),交互作用類型變?yōu)榧雍托?yīng)。設(shè)施菜地荒廢12 a后,交互作用則明顯小于單因素影響的加和,這有助于減緩?fù)寥繬2O排放(圖3)。

前期研究發(fā)現(xiàn),溫度與氮輸入對(duì)濕地土壤有機(jī)碳礦化的交互作用類型為負(fù)效應(yīng),其原因是氮輸入抑制了土壤有機(jī)碳礦化的Q10值,致使氮輸入條件下溫度對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的促進(jìn)作用明顯小于對(duì)照(無(wú)氮輸入)[17]。筆者研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地及設(shè)施菜地荒廢后土壤N2O排放Q10值發(fā)生明顯變化(圖2),這可能是產(chǎn)生上述正、負(fù)效應(yīng)的主要原因。農(nóng)田變?yōu)榉N植6 a設(shè)施菜地后土壤N2O排放Q10值顯著增加(Plt;0.05,圖2),即相同升溫條件對(duì)種植6 a設(shè)施菜地土壤N2O排放的促進(jìn)作用大于農(nóng)田(圖1),因此,其交互作用類型為正效應(yīng)。然而,設(shè)施菜地種植12 a及荒廢12 a后,土壤N2O排放Q10值較農(nóng)田無(wú)顯著變化或顯著降低,故交互作用類型也隨之變?yōu)榧雍托?yīng)及負(fù)效應(yīng)。綜上所述,在氣候變暖背景下,農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地及設(shè)施菜地荒廢將分別對(duì)土壤N2O排放產(chǎn)生正、負(fù)效應(yīng)。僅利用單因素(如升溫及土地利用變化)對(duì)土壤N2O排放影響的加和來(lái)預(yù)測(cè)多因素的綜合作用,可能會(huì)低估或高估土壤N2O排放。而且,土壤N2O排放是各種因素綜合作用的結(jié)果,今后應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)多因素對(duì)土壤N2O排放的交互作用研究,以期深入認(rèn)識(shí)各因素對(duì)土壤N2O排放的綜合影響。

4 結(jié)論

(1)增溫明顯促進(jìn)農(nóng)田及設(shè)施菜地土壤N2O排放。設(shè)施菜地土壤N2O累積排放量顯著高于農(nóng)田,且種植6 a設(shè)施菜地土壤N2O排放量顯著高于種植12 a設(shè)施菜地。設(shè)施菜地荒廢后土壤N2O累積排放量較農(nóng)田顯著下降。

(2)農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地6 a后,土壤N2O排放的Q10值顯著增加。但隨著設(shè)施菜地種植年限延長(zhǎng)至12 a,Q10值又下降至農(nóng)田水平。設(shè)施菜地荒廢12 a后,其Q10值較農(nóng)田進(jìn)一步下降。

(3)土地利用方式變化與溫度對(duì)土壤N2O排放可能產(chǎn)生正、負(fù)及加和效應(yīng),這取決于土地利用方式的變化及同一利用方式下種植年限的長(zhǎng)短,其原因可以歸結(jié)為農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地及設(shè)施菜地荒廢后土壤N2O排放Q10值的變化。建議今后應(yīng)加強(qiáng)多因素對(duì)土壤N2O排放的交互作用研究,以深入理解多因素對(duì)土壤N2O排放的綜合作用。

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陶寶先(1981—),男,山東淄博人,講師,博士,主要從事土壤碳氮循環(huán)研究。E-mail：taobaoxian@sina.com

(責(zé)任編輯：李祥敏)

Non-AdditiveEffectsofLandUseandTemperatureonN2OEmissionsintheAgriculturalSoils.

TAO Bao-xian1，ZHANG Bao-hua2

(1.College of Environment and Planning,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China; 2.Department of Science and Technology,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China)

Land use and temperature are two main factors affecting soil N2O emission. However,so far little information is available in the literature about interactive effects of land use and temperature on soil N2O emission. A long-term (400 days) incubation experiment was conducted to determine interactive effect of land use and temperature on soil N2O emission relative to type of land use. Soil samples were collected in Shouguang of Shandong,one of the largest vegetable production regions of China,from lands under different types of land use including farmland (FL),6 year-old greenhouse cultivation (6GH) and 12 year-old greenhouse cultivation (12GH) and abandoned 12 year-old greenhouse cultivation (AG). Results of the incubation experiment show that both elevated temperature and change of land use in type from FL to 6GH and 12GH significantly promoted soil N2O emission (Plt;0.05). 6GH was significantly higher than 12GH (Plt;0.05) in N2O emission,and AG was significantly lower than FL (Plt;0.05).Q10of N2O emission was higher in 6GH than in FL,but lower in AG than in FL (Plt;0.05). Moreover,Q10in 12GH was similar to that in FL. Furthermore,the interactive effect of elevated temperature and change of land use from FL to 6GH on N2O emission was synergistic effect on N2O emission,which turned into an additive one when 6GH became 12GH and into antagonistic one when 12GH was turned into AG,which was attributed to the variation ofQ10with the alteration of land use from FL to 6GH,12GH and AG. All the findings in this study demonstrate that the study on effect of a single factor on N2O emission may underestimate soil N2O emissions,while the study on comprehensive effect of multifactors on N2O emission may over the emission.

land use type; elevated temperature; soil N2O emission; non-additive effect; Shouguang City

2017-04-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(41501099); 山東省自然科學(xué)基金(ZR2014DQ015,ZR2016DM14); 聊城大學(xué)基金(318051430)

① 通信作者E-mail：taobaoxian@sina.com

X144

A

1673-4831(2017)11-1001-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.11.006