張 婧,李 虎,朱國梁, 夏光利,牟小翎,王立剛,*,黃誠誠,江雨倩

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院-美國新罕布什爾大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實驗室,北京 100081

2 泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,泰安 271000

控釋肥施用對土壤N2O排放的影響
——以華北平原冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)為例

張 婧1,李 虎1,朱國梁2, 夏光利2,牟小翎2,王立剛1,*,黃誠誠1,江雨倩1

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院-美國新罕布什爾大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實驗室,北京 100081

2 泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,泰安 271000

控釋肥作為一種能夠提高肥料利用率、保障作物產(chǎn)量和節(jié)約勞動力的新型肥料已經(jīng)在作物生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用,而控釋肥對土壤N2O排放影響結(jié)果的差異使其成為當(dāng)前科學(xué)評估控釋肥施用環(huán)境效應(yīng)的焦點問題之一。因此,旨在探討不同種類控釋肥及氮素水平施用對華北平原冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)土壤N2O排放的影響,為科學(xué)評價控釋肥施用的環(huán)境效應(yīng)及其推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。本研究監(jiān)測采用靜態(tài)暗箱—氣相色譜法對不同控釋肥施用下土壤N2O排放、環(huán)境因素以及產(chǎn)量進行了周年監(jiān)測,探討了不同處理(對照處理(CK)、控釋肥處理1(CRF1)、優(yōu)化控釋肥處理1(80%CRF1)、優(yōu)化控釋肥處理2(80%CRF2)和控釋肥處理3(CRF3+尿素))下土壤N2O排放特征及土壤溫濕度對其的影響。結(jié)果表明：控釋肥施用下冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)中土壤N2O排放峰高值主要出現(xiàn)在基肥施用并伴隨灌溉(或降雨)后,一般持續(xù)時間約為7—10 d,小麥返青期灌溉以及玉米后期降雨會引起微弱的N2O排放峰。不同處理土壤N2O排放通量變化范圍為-235.61—2625.01 μg N2O m-2h-1,平均排放通量為23.88—51.39 μg N2O m-2h-1,與CRFI相比，80%CRF1和80%CRF2處理能夠減小施肥期的N2O排放峰值,但不改變輪作周期土壤N2O排放季節(jié)變化規(guī)律。CK處理和CRF3+尿素處理土壤N2O排放通量與5 cm深度土壤溫度之間表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性(r2=0.38,P<0.01;r2=0.30,P<0.05)；CRF1處理和80%CRF1處理在冬小麥生長季及整個輪作周期內(nèi)與土壤孔隙含水率(WFPS)表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系(冬小麥生長季分別為r2=0.50,P<0.01;r2=0.39,P<0.05；整個輪作周期分別為r2=0.39,P<0.05;r2=0.43,P<0.05)。80%CRF2處理N2O年排放總量最高，為(2.89±0.24) kg N/hm2。相同控釋肥種類條件下,80%CRF1處理比CRF1處理減少了14.23%,但并未達(dá)到顯著水平；相同施氮量水平下,CRF1處理與(CRF3+尿素)處理之間N2O年排放總量差異不顯著,而80%CRF1處理比80%CRF2處理N2O年排放總量減少16.16%,并達(dá)到顯著水平(P<0.05)。本研究不同處理之間N2O直接排放系數(shù)在0.29%—0.42%之間,均明顯低于IPCC 1.0%的默認(rèn)值。各控釋肥處理產(chǎn)量與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施肥量條件下產(chǎn)量沒有顯著性差異。因此在華北地區(qū)冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)中應(yīng)用控釋肥技術(shù)可以在保證產(chǎn)量的前提下有效減少土壤N2O排放,并且仍存在一定的減排空間。

冬小麥/夏玉米輪作; 控釋肥; N2O排放

控釋肥施用可根據(jù)作物生長不同生育時期的需肥量來調(diào)節(jié)其養(yǎng)分釋放速率,具有養(yǎng)分損失少、可提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率等常規(guī)肥料施用不能比擬的優(yōu)勢[9-10],逐漸成為目前國內(nèi)外新型肥料領(lǐng)域的研究熱點和我國“2020年化肥零增長行動計劃”替代肥料的主體[11-13]。當(dāng)前,有關(guān)不同控釋肥施用對不同作物(小麥、玉米、水稻和番茄)生長與產(chǎn)量、硝態(tài)氮淋洗的影響已有大量的相關(guān)報道[9,11,14-15],然而對土壤N2O排放的影響尚缺乏系統(tǒng)的研究[11- 19],特別是不同控釋肥種類以及控釋肥施用量應(yīng)用在華北地區(qū)大田作物(尤其針對冬小麥/夏玉米輪作田)中N2O排放的研究缺少定量評價,因此,本文以華北平原典型種植模式冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)為研究對象,選擇三種控釋肥以及兩種施氮量水平對土壤N2O排放進行周年系統(tǒng)監(jiān)測,綜合分析控釋肥施用下冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)土壤N2O排放特征以及環(huán)境因子的影響,為科學(xué)評價控釋肥施用的環(huán)境效應(yīng)及其推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

田間試驗于2013年10月20日至2014年10月27日在山東省泰安市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科研基地—肥城市良種試驗場(117°08′E, 36°11′N,海拔107 m)進行。該地區(qū)屬溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候,年平均氣溫13.6℃,平均年降水量447.9 mm。試驗土壤為砂漿黑土,土壤質(zhì)地為粘壤土。0—30 cm土層硝態(tài)氮24.08 mg/kg、銨態(tài)氮4.76 mg/kg、全氮160.00 mg/kg、速效鉀174.67 mg/kg、有效磷47.54 mg/kg、pH為6.99、有機質(zhì)16.95 g/kg。觀測期內(nèi)降雨量、氣溫以及土壤溫濕度變化見圖1。

圖1 觀測期降雨量、氣溫以及土壤溫濕度的變化Fig.1 The precipitation, air temperature, soil temperature and WFPS during the whole observed period土壤溫度與WFPS (Water-Filled Pore Space, 土壤孔隙含水率)為觀測所有處理的均值

田間試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計,設(shè)置5個處理,分別為：對照處理(CK)、控釋肥處理1(CRF1)、優(yōu)化控釋肥處理1(80%CRF1)、優(yōu)化控釋肥處理2(80%CRF2)和控釋肥處理3(CRF3+尿素)。優(yōu)化施肥處理施肥量是根據(jù)當(dāng)?shù)販y土配方施肥結(jié)果確定的施氮量,控釋氮肥CRF1由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供,具體肥料包膜材料為熱固水性樹脂；控釋氮肥CRF2由美國嘉洋公司提供,具體肥料包膜材料為聚氨酯；控釋氮肥CRF3(L型和S型)由北京農(nóng)林科學(xué)院提供,具體肥料包膜材料為聚烯烴,肥料釋放曲線如圖2所示。每個處理重復(fù)3次,小區(qū)面積37.4 m2(長8.5 m,寬4.4 m),重復(fù)之間有1 m隔離區(qū),小區(qū)布局如圖3所示。

圖2 控釋肥大田條件下氮素溶出特征Fig.2 The nutrient release characteristics of controlled release fertilizersa小麥專用控釋肥CRF1大田條件下的養(yǎng)分累積釋放率；b玉米專用控釋肥CRF1大田條件下的養(yǎng)分累積釋放率；c小麥專用控釋肥CRF2大田條件下的養(yǎng)分累積釋放率(此數(shù)據(jù)缺失)；d玉米專用控釋肥CRF2大田條件下的養(yǎng)分累積釋放率；e小麥L型控釋肥大田條件下的養(yǎng)分累積釋放率；f玉米L型控釋肥大田條件下的養(yǎng)分累積釋放率；g小麥S型控釋肥大田條件下的養(yǎng)分累積釋放率；h玉米S型控釋肥大田條件下的養(yǎng)分累積釋放率

圖3 試驗小區(qū)布局Fig.3 The plots design of the experimentsCK:不施肥處理,Control treatment；CRF1：控釋肥處理1,Controlled release fertilization treatment；80%CRF1：代表優(yōu)化控釋肥處理1, Optimized controlled release fertilization treatment 1；80%CRF2：優(yōu)化控釋肥處理2,Optimized controlled release fertilization treatment 2；CRF3+尿素：控釋肥處理3,Controlled release fertilization treatment 3; 本研究只是選取整個試驗的5個處理進行分析,圖中空白是其他處理

供試小麥品種為濟麥22,玉米品種為鄭單958。施肥方式和施肥量見表1。磷肥為重過磷酸鈣 (P2O544%),鉀肥為(氯化鉀 K2O 60%),均與控釋肥摻混作基肥一次性施入。各控釋肥處理均開溝10 cm將肥料均勻施入覆土,耙平后機械播種。當(dāng)?shù)貎?yōu)化施肥方式(OPT)氮肥、磷肥和鉀肥施用量同CRF處理；氮肥溝施；小麥返青拔節(jié)期追肥,基追肥比為1∶1；玉米大喇叭口期追肥,基追肥比為3∶7[20]。本研究中其他管理措施與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培措施均一致?？蒯尫?CRF1、CRF2、L型和S型)的田間氮素溶出特征采用網(wǎng)袋法測定[20]。

表1 冬小麥/夏玉米輪作施肥種類和施肥量

“—”表示CK處理沒有氮肥投入。計算參數(shù)：尿素：純N 46.4%; CRF1: 純N 43.0%；CRF2：純N 44.0%；CRF3(L型純N 42.5%,S型純N 42.2%)

1.2 N2O通量的測定

土壤N2O排放通量的監(jiān)測采用靜態(tài)暗箱—氣相色譜法。采樣箱體與底座均由不銹鋼制成,改進后的箱體底部邊緣有密封條保證采樣時的密封性,箱體(規(guī)格為長50 cm,寬50 cm,高50 cm)為正方體,最大限度保證氣體取樣的代表性。每次采樣于上午8:00—10:00之間進行,采樣間隔6 min,取樣5次,同時記錄采樣時間和箱內(nèi)氣溫(JM624)。取樣頻率一般為每周一次,施肥和灌溉事件后逐日觀測一周,降雨事件后連續(xù)觀測3—5 d,施基肥后延長取樣時間,直至控釋肥處理與不施氮處理的N2O排放通量無差異時為止。氣體樣品存放于氣袋中用改進的氣相色譜儀(Agilent 7890A)分析N2O濃度。

氣體通量按下式計算：

式中,F為N2O的排放通量(mg N2O m-2h-1),正值為排放負(fù)值為吸收,ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下N2O的密度(g/L),H為采樣箱氣室高度(cm),T為采樣箱內(nèi)氣溫(℃),P為采樣時氣壓(kPa),P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(kPa),P/P0≈1,dc/dt為采樣箱內(nèi)N2O濃度的變化速率(μL L-1min-1)。

N2O排放強度(kg N t-1)是指形成單位經(jīng)濟產(chǎn)量N2O的排放量。

1.3 輔助數(shù)據(jù)的測定

觀測期記錄施肥日期(施肥量),灌溉和降雨時期(量)。每次取氣樣的同時,測定5 cm深度土壤溫度(JM624)及16 cm深度土壤體積含水量(TRIME-PICO 64)。

土壤樣品的采集與測定：試驗開始前和作物收獲后取0—90 cm土樣(每30 m為1個層次)測定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì),包括：全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效鉀、有效磷、pH和有機質(zhì)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理及作圖,SPSS 19.0進行不同處理間的差異顯著性檢驗(ANOVA程序單因素方差分析,5%顯著水平)及N2O排放通量和各影響因素間的偏相關(guān)關(guān)系分析,處理間采用LSD多重比較方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤N2O排放特征

冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)各控釋肥處理土壤N2O通量具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律(圖4)。各控釋肥處理氮肥分別在冬小麥和夏玉米生長季均作為底肥一次性施入,伴隨灌溉或者降雨事件同時發(fā)生后土壤N2O排放通量迅速上升,一般持續(xù)時間約為7—10 d左右(2013年10月19日為冬小麥?zhǔn)┓什シN,2014年6月25日為夏玉米施肥),并且在單獨的灌溉或者降雨之后會出現(xiàn)比較弱的排放峰(2014年4月25日為返青拔節(jié)灌溉,2014年9月19日前后玉米生長后期)。冬小麥播種施肥后的第1天出現(xiàn)整個觀測期內(nèi)的最強N2O排放高峰值(2013年10月20日),其中最高值達(dá)到2625.01 μg N2O m-2h-1；次年小麥返青后受肥料氮素釋放的影響(結(jié)合圖2約150 d時候氮肥釋放速率增加)出現(xiàn)第二次N2O排放高峰值(2014年3月28日),最高為737.67 μg N2O m-2h-1,玉米播種施肥后出現(xiàn)第三次N2O排放高峰值(2014年7月7日),最高為793.93 μg N2O m-2h-1,3次N2O排放高峰值均為控釋肥處理1(CRF1)。入冬后N2O排放通量隨著環(huán)境溫度的下降逐漸降低并處于較低水平,拔節(jié)期后N2O排放通量隨著環(huán)境溫度的上升而升高。不施氮肥CK處理N2O排放始終處于較低水平。

圖4 不同處理下冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)土壤N2O排放通量(箭頭代表施肥事件)Fig.4 The seasonal variation of N2O emissions in wheat and maize rotation system for different treatments(arrows represent the fertilization events)CK:不施肥處理,Control treatment；CRF1：控釋肥處理1,Controlled release fertilization treatment；80%CRF1：代表優(yōu)化控釋肥處理1, Optimized controlled release fertilization treatment 1；80%CRF2：優(yōu)化控釋肥處理2,Optimized controlled release fertilization treatment 2；CRF3+尿素：控釋肥處理3,Controlled release fertilization treatment 3

從圖4中可以明顯看出,與控釋肥處理1(CRF1)相比,在相同施肥種類下減少化肥氮投入的優(yōu)化控釋肥處理1(80%CRF1)N2O排放通量低于CRF1；在相同施氮量條件下,控釋肥處理1(CRF1)土壤N2O排放通量高于控釋肥處理3(CRF3+尿素),除小麥種植初期以外優(yōu)化控釋肥處理1(80%CRF1)N2O排放通量均高于優(yōu)化控釋肥處理2(80%CRF2)。

2.2 土壤N2O排放的影響因素

從圖4可以看出整個輪作系統(tǒng)中5 cm深度土壤溫度在-1.23—29.17℃之間變動(小麥生長季-1.23—25℃,玉米生長季16.72—29.17℃)。表2偏相關(guān)分析表明,對照處理(CK)土壤溫度和N2O排放通量呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01),控釋肥處理3(CRF3+尿素)顯著相關(guān)(P<0.05),而其他施肥處理各個生長季N2O排放通量與土壤溫度均無相關(guān)關(guān)系。

整個輪作系統(tǒng)中土壤孔隙含水率(WFPS)在23.69%—70.07%之間變動(小麥生長季23.69%—70.07%,玉米生長季43.02%—65.93%)。表2偏相關(guān)分析表明,在冬小麥生長季CRF1和80%CRF1處理N2O排放通量與WFPS呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.05),夏玉米生長季CRF1 N2O排放通量與WFPS呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.05),對于整個輪作周期CRF1的N2O排放通量與WFPS呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01),80%CRF1顯著相關(guān)(P<0.05)。CK處理各個生長季N2O排放通量與WFPS均無相關(guān)關(guān)系。

表2土壤溫度、土壤孔隙含水率與冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)內(nèi)土壤N2O排放通量的相關(guān)分析

Table2CorrelationcoefficientbetweenN2OfluxesandsoiltemperatureandWFPSindifferenttreatmentsforwheatandmaizerotationsystem

處理TreatmentN2O排放通量與土溫N2OfluxeswithsoiltemperatureN2O排放通量與土壤含水量N2Ofluxeswithsoilmoisture冬小麥Wheat夏玉米Maize輪作系統(tǒng)Wheat-Maize冬小麥Wheat夏玉米Maize輪作系統(tǒng)Wheat-Maize不施肥處理Controltreatment(CK)0.230.180.38**0.02-0.170.14控釋肥處理1Controlledreleasefertilizationtreatment1(CRF1)0.18-0.400.090.39*0.60*0.50**優(yōu)化控釋肥處理Optimizedcontrolledreleasefertilizationtreatment(80%CRF1)0.06-0.12-0.350.43*0.220.39*優(yōu)化控釋肥處理2Optimizedcontrolledreleasefertilizationtreatment2(80%CRF2)-0.060.06-0.100.280.340.27控釋肥處理3Controlledreleasefertilizationtreatment3(CRF3+尿素)0.010.310.30*0.23-0.600.12

*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平顯著,這里的溫度和土壤孔隙含水率是各處理的平均值

2.3 控釋肥施用對土壤N2O排放總量與排放系數(shù)的影響

研究結(jié)果表明各控釋肥處理土壤N2O年排放總量較當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施肥處理結(jié)果((3.64±0.40)kg N hm-2)[20]減排 20.60%—33.79%,說明控釋肥較分次施肥能夠減少N2O年排放總量?？蒯尫适┯迷斐傻腘2O排放損失為0.29%—0.42%。均低于IPCC推薦值1%(表3)。從整個輪作周期來看,各處理N2O年排放總量從高到低依次為80%CRF2,CRF3+尿素,CRF1,80%CRF1和CK。相同施肥種類條件下(CRF1),減少20%控釋肥投入,N2O年排放總量減少了14.23%,但并未達(dá)到顯著水平。相同施氮量條件下,CRF1處理與(CRF3+尿素)處理之間年排放總量差異不顯著,而80%CRF1比80%CRF2年排放總量減少16.16%,并達(dá)到顯著水平(P<0.05)(表3)。

表3 不同處理N2O平均排放通量以及周年排放總量

N2O排放系數(shù)：作物生長季內(nèi)N2O-N排放量占施肥投入土壤中氮素的百分比;不同字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)

從各個作物生長季來看,相同施肥種類下80%CRF1處理較CRF1處理在小麥季和玉米季N2O排放總量分別減少21.05%和5.47%,均未達(dá)到顯著水平；對于相同施氮量條件下,CRF1與(CRF3+尿素)、80%CRF1與80%CRF2之間 N2O排放總量差異也均未達(dá)到顯著水平(圖5)。

對于N2O排放總量的季節(jié)分配而言,以控釋氮肥處理1(CRF1)為例,冬小麥生長季和夏玉米生長季土壤N2O排放總量分別占整個輪作周期的54.45%和45.55%。總體上各控釋肥處理表現(xiàn)為小麥季N2O季節(jié)排放總量略高于玉米季(圖5)。

2.4 控釋肥施用對產(chǎn)量與N2O排放強度的影響

除了對照(處理CK)以外,各控釋肥肥處理之間冬小麥和夏玉米產(chǎn)量均在8.17 t/hm2和9.39 t /hm2以上,處理之間差異均未達(dá)到顯著水平(P<0.05)；農(nóng)民習(xí)慣施肥處理冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量分別為8.31 t/hm2和9.86 t/hm2[20],但與本研究各控釋肥處理產(chǎn)量間沒有統(tǒng)計學(xué)上顯著性差異,說明控釋肥施用能夠在保證產(chǎn)量的前提下能夠減少土壤N2O排放(圖6)。冬小麥生長季N2O排放強度均以(CRF3+尿素)處理最高,為0.19 kg N t-1,與80%CRF1和80%CRF2之間差異顯著(P<0.05)；夏玉米生長季各控釋肥處理N2O排放強度之間差異不顯著(圖7)。

圖5 不同施肥方式下冬小麥/夏玉米季節(jié)N2O季節(jié)排放總量 Fig.5 The seasonal cumulative N2O emissions in each treatmentCK:不施肥處理,Control treatment；CRF1：控釋肥處理1,Controlled release fertilization treatment；80%CRF1：代表優(yōu)化控釋肥處理1, Optimized controlled release fertilization treatment 1；80%CRF2：優(yōu)化控釋肥處理2,Optimized controlled release fertilization treatment 2；CRF3+尿素：控釋肥處理3,Controlled release fertilization treatment 3;不同字母表示同一作物生長季不同處理之間差異顯著(P<0.05)

圖6 不同施肥方式下冬小麥/夏玉米產(chǎn)量Fig.6 wheat and maize yield in different treatment CK:不施肥處理,Control treatment；CRF1：控釋肥處理1,Controlled release fertilization treatment；80%CRF1：代表優(yōu)化控釋肥處理1, Optimized controlled release fertilization treatment 1；80%CRF2：優(yōu)化控釋肥處理2,Optimized controlled release fertilization treatment 2；CRF3+尿素：控釋肥處理3,Controlled release fertilization treatment 3;不同字母表示同一作物生長季不同處理之間差異顯著(P<0.05)

圖7 不同施肥方式下冬小麥/夏玉米N2O排放強度Fig.7 N2O emission intensity in wheat and maize growing stage不同字母表示同一作物生長季不同處理之間差異顯著(P<0.05)

3 討論

3.1 施肥方式對土壤N2O排放的影響

氮肥的施用是影響N2O 排放的重要因素[21],不同類型肥料以及施肥方式對土壤N2O 排放各不相同。對于控釋肥施用是否能減少N2O排放峰值不同研究結(jié)果有不同的結(jié)論。本研究中,與張婧等[21]在該地對農(nóng)民常規(guī)處理(OPT)的觀測結(jié)果1.39 mg N2O m-2h-1相比,在冬小麥基肥后CRF1處理N2O 排放峰值較高,為2.62 mg N2O m-2h-1,而CRF3+尿素僅為0.18 mg N2O m-2h-1；減氮控釋肥處理80%CRF1和80%CRF2能夠明顯減少N2O 排放峰(分別為1.30 mg N2O m-2h-1和1.84 mg N2O m-2h-1)。紀(jì)洋等[22]在對江蘇省句容市小麥田觀測得出,與相同施氮量的尿素處理相比控釋肥處理N2O排放峰值減少49%—69%,其認(rèn)為可能是施肥降雨不同步且控釋肥緩慢釋放的原因；杜亞琴等[19]研究發(fā)現(xiàn),包膜控釋肥處理土壤N2O排放通量均隨氣溫的升高而增加,但包膜控釋可以明顯延后和削減土壤N2O日排放高峰。

與農(nóng)民習(xí)慣分次施肥(OPT)一樣,各控釋肥處理N2O排放高峰主要出現(xiàn)在小麥基肥后和返青期,以及玉米季三葉期和拔節(jié)期后,這主要與降雨(或灌溉)事件有關(guān),一般持續(xù)時間為7—10 d左右,但是,控釋肥處理只是在施肥時候N2O 排放峰值較高,其余時間排放峰值均相對較低,這與紀(jì)洋等[22]和張岳芳等[23]研究結(jié)論相一致。

種植模式不同以及不同控釋肥種類對N2O排放總量影響可能不同。本研究中各控釋肥處理冬小麥生長季N2O排放總量在1.20—1.62 kg N hm-2之間。張岳芳等[23]在免耕條件下稻麥輪作田麥季兩種控釋肥處理N2O排放總量為1.70 kg N hm-2和1.37 kg N hm-2,與本研究結(jié)果基本一致。本研究中各控釋肥處理夏玉米生長季N2O排放總量在1.21—1.64 kg N hm-2之間。劉慧穎等[24]在壤質(zhì)草甸土區(qū)玉米生長季連續(xù)3年控釋肥處理研究發(fā)現(xiàn)N2O排放總量為2.04,0.98,0.87 kg N hm-2,年際間差異較大,在施氮量為210 kg N hm-2控釋尿素情況下后兩年低于略低于本研究結(jié)果,可能是由于不同控釋肥的釋放速率不同,以及環(huán)境因子不同所致。郝小雨等[21]在黑土玉米生長季施氮量為148 kg N hm-2硫包膜尿素處理的N2O排放總量(0.51 kg N hm-2)也低于本研究結(jié)果,主要由施肥量遠(yuǎn)低于本研究所致。此外,已有控釋肥研究在水稻田N2O排放總量約為0.21 kg N hm-2[16],在設(shè)施番茄地中研究結(jié)果為3.30 kg N hm-2[18]。

對于控釋肥施用對土壤N2O排放的減排效果,本研究中各控釋肥處理較農(nóng)民習(xí)慣施肥處理土壤N2O年排放總量減少20.60%—33.79%。其他報道中與農(nóng)民習(xí)慣相比,小麥季控釋肥減排比例為 15.00%—56.00%[22-23],玉米季為 9.09%—55.12%[24- 26]。也有報道[27]包膜氮素能夠增加小麥季和玉米季的N2O排放,增長率分別達(dá)到28%—60%和61%—99%。

3.2 環(huán)境因素對土壤N2O排放的影響

降雨或者灌溉引起的干濕交替過程除了通過影響微生物的胞溶作用使C、N基質(zhì)被微生物礦化,另外使土壤有效碳含量的增加以及呼吸作用增強導(dǎo)致的厭氧環(huán)境促進了N2O的排放[30]。本研究結(jié)果中不施氮肥CK處理小麥返青時期4月25日的灌溉(由灌溉前的WFPS 34.49%增至56.78%)和玉米后期的頻繁降雨(由下雨前的WFPS 46.34%增至65.93%)導(dǎo)致的排放峰值,也說明干濕交替對土壤N2O排放有重要影響。另有研究發(fā)現(xiàn)凍融交替過程通過破壞土壤結(jié)構(gòu)使土壤中有效C基質(zhì)增加使微生物活動增強而促進N2O的排放[31]。凍融交替過程常常在冬末春初會出現(xiàn),但是由于本研究中此時期觀測頻率較低,沒有觀測到N2O排放峰,因此還需要加強此時期的觀測頻率來確定凍融交替對整個冬小麥/夏玉米輪作周期N2O排放總量的貢獻。

控釋肥釋放主要受溫度以及水分的影響,當(dāng)土壤含水量高于田間持水量的40%的時候,養(yǎng)分釋放僅受溫度的影響[9],并且當(dāng)控釋肥顆粒在表土10 cm以下時,養(yǎng)分溶出也不受土壤含水量的影響,且隨著溫度的升高養(yǎng)分肥料溶出越快[11]。本研究冬小麥生長季內(nèi),降雨總量為306.6 mm,越冬前和返青期漫灌澆水,所以本研究中土壤水分含量不會通過影響控釋肥釋放而間接影響N2O排放。

3.3 肥料種類對土壤N2O排放的影響

3.4 控釋肥施用對作物產(chǎn)量的影響

不同研究結(jié)果顯示控釋肥對作物產(chǎn)量的影響不同。本研究中各控釋肥處理冬小麥和夏玉米產(chǎn)量均未出現(xiàn)統(tǒng)計學(xué)上顯著差異,并且與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施肥處理冬小麥產(chǎn)量(8.31 t/hm2)和夏玉米(9.86 t/hm2)產(chǎn)量相差不大[20],但均未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)上的顯著差異,說明本研究中的控釋肥養(yǎng)分釋放速率與作物需求比較一致。郝小雨等[21]在其研究中發(fā)現(xiàn)施氮量相同情況下,控釋氮肥替代普通氮肥未能顯著增加玉米產(chǎn)量。盧艷麗等[32]研究表明冬小麥/夏玉米輪作田(控釋氮肥種類為樹脂包膜尿素,山東金正大集團生產(chǎn),每季用量為180 kg N km-2)中發(fā)現(xiàn)緩控釋肥在玉米生長季表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)優(yōu)勢(18.3%),而在小麥生長季雖然低于農(nóng)民習(xí)慣施肥,但是沒有顯著差異。張岳芳等[23]在免耕條件下施用控釋肥處理較普通含氮肥料處理小麥產(chǎn)量顯著減少。紀(jì)洋等[22]在其研究中發(fā)現(xiàn)小麥產(chǎn)量隨控釋肥用量的增加呈拋物線增加的規(guī)律。

從本研究結(jié)果看一次性控釋肥處理在相同施肥量時能夠保證作物產(chǎn)量,節(jié)約勞動力,減少土壤N2O排放，但其生產(chǎn)成本相對較高。目前控釋肥的生產(chǎn)成本高于普通肥料的1—4倍[33],在本研究中以小麥季農(nóng)民習(xí)慣施肥處理(OPT)和80%CRF1處理為例[20],農(nóng)民習(xí)慣施肥(施氮量225 kg N hm-2條件下,當(dāng)年磷鉀肥2900元/t, 尿素1800元/t)成本為2797.5元/hm2,追肥勞動力投入105.0元/hm2,小麥均價2.2元/kg,總收益18150.0元/hm2,凈收入15247.5元/hm2；而控釋肥施肥(施氮量180 kg N hm-2條件下,當(dāng)年控釋氮肥2600元/t)肥料成本為2980.7元/hm2,總收益19602.0元/hm2,凈收入16621.3元/hm2,較農(nóng)民習(xí)慣管理措施增收1373.8元/hm2。對于玉米生長季而言,農(nóng)民習(xí)慣施肥(施氮量240 kg N hm-2條件下,當(dāng)年磷鉀肥2800元/t,尿素1800元/噸)成本為3150元/hm2,追肥勞動力投入300元/hm2,玉米均價1.8元/kg,總收益16200.0元/hm2,凈收入12750.0元/hm2；而控釋肥施肥(施氮量192 kg N hm-2條件下,控釋氮肥2600元/噸)肥料成本為3388.1元/hm2,總收益17496.0元/hm2,凈收入14107.9元/hm2,較農(nóng)民習(xí)慣管理措施增收1357.9元/hm2。不同控釋肥施用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和實際應(yīng)用價值還需要在今后試驗的基礎(chǔ)上進行綜合評價。

4 結(jié)論

(1)控釋肥施用方式下冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)中土壤N2O排放主要具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律,N2O排放高峰出現(xiàn)在基肥施用并伴隨灌溉(或降雨)后,且冬小麥季最高排放峰值高于玉米季,排放高峰持續(xù)7—10d,小麥返青期灌溉以及玉米后期降雨會引起微弱的N2O排放峰。

(2)80%CRF2處理N2O年排放總量最高，為(2.89±0.24) kg N/hm2。相同控釋肥種類條件下,80%CRF1處理N2O年排放總量為(2.41±0.06)kg N/hm2,比CRF1處理減少了14.23%,但并未達(dá)到顯著水平；相同控釋肥施氮量條件下,CRF1處理與(CRF3+尿素)處理之間年排放總量差異不顯著,而80%CRF1比80%CRF3年排放總量減少16.16%,并達(dá)到顯著水平(P<0.05)。本研究不同處理之間排放系數(shù)介于0.29%—0.42%之間,低于IPCC默認(rèn)的1%。

(3)CK處理和CRF3+尿素處理土壤N2O排放通量與5 cm深度土壤溫度之間表現(xiàn)出統(tǒng)計學(xué)上的相關(guān)性；CRF1處理和80%CRF1處理在冬小麥和整個輪作周期與WFPS表現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系,其他均無相關(guān)性。

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Effectofcontrolled-releasefertilizationonnitrousoxideemission:acasestudyofawheat-maizerotationsystemintheNorthChinaPlain

ZHANG Jing1, LI Hu1, ZHU Guoliang2, XIA Guangli2, MU Xiaoling2, WANG Ligang1,*, HUANG Chengcheng1, JIANG Yuqian1

1InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofNon-pointSourcePollutionControl,MinistryofAgriculture/CAAS-UNHJointLaboratoryforSustainableAgro-ecosystemResearch,Beijing100081,China2TaianAcademyofAgriculturalSciences,Taian271000,China

controlled-release fertilizer; wheat-maize rotation system; N2O emission

由公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303103)；國家重點研發(fā)計劃(2016YFD0201204,2016YFE0101100)；中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程

2016- 09- 12; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 12

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangligang@caas.cn

10.5846/stxb201609121839

張婧,李虎,朱國梁, 夏光利,牟小翎,王立剛,黃誠誠,江雨倩.控釋肥施用對土壤N2O排放的影響——以華北平原冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)為例.生態(tài)學(xué)報,2017,37(22):7624- 7635.

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