楊文柱,焦 燕,楊銘德,溫慧洋
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內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿土壤N2O排放特征
楊文柱1,2,焦 燕1,3*,楊銘德1,溫慧洋1
(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境化學(xué)重點(diǎn)實驗室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022;2.內(nèi)蒙古師范大學(xué)節(jié)水農(nóng)業(yè)工程研究中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022;3.內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)
選擇內(nèi)蒙古河套灌區(qū)強(qiáng)度鹽堿土壤S1[電導(dǎo)率(EC)2.60dS/m]和輕度鹽堿土壤S2[電導(dǎo)率(EC) 0.74dS/m]為研究對象,2014~2016年,利用靜態(tài)箱法3年野外原位觀測試驗,研究鹽堿土壤氧化亞氮(N2O)排放通量.結(jié)果表明:2種不同鹽堿程度土壤N2O排放每年均存在顯著差異,輕度鹽堿土壤N2O累積排放量低;隨EC升高,土壤鹽堿程度加重,土壤N2O累積排放量升高.2014~2016年作物生長季(4~11月)輕度鹽堿土壤N2O累積排放量分別為180.6,167.6, 118.2mg/m2;強(qiáng)度鹽堿土壤N2O累積排放量比輕度鹽堿土壤分別增加19%、26%和45%,修復(fù)鹽堿土壤成為減緩鹽堿土壤N2O累積排放的重要農(nóng)藝措施.
鹽堿土壤;不同鹽堿程度;N2O排放
N2O是重要的溫室氣體,100年時間尺度輻射強(qiáng)迫的全球變暖可能性是CO2的298倍[1].土壤能夠產(chǎn)生和消耗溫室氣體,對陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體調(diào)控起主導(dǎo)作用.土壤和大氣界面的溫室氣體交換受諸多環(huán)境因子影響,如土壤溫度、土壤含水量和pH值等[2-4].
鹽堿土壤是地球上廣泛分布的一種土壤類型,約占陸地總面積的25%,我國約有鹽堿土壤0.99億hm2,在世界鹽堿土壤面積排名第三,主要分布在東北、華北、西北內(nèi)陸地區(qū)以及長江以北沿海地帶[5].內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽漬化面積約4.3×105hm2[6].內(nèi)蒙古河套灌區(qū)作為中國三大灌區(qū)之一,糧食生產(chǎn)以高外源投入和高度集約化為特征,在提供大量商品糧油的同時,由于過分依賴化肥過量施用和大水漫灌洗鹽、排鹽而造成生態(tài)環(huán)境惡化也日益嚴(yán)重.
土壤中過量鹽含量會影響土壤物理化學(xué)特性,微生物酶活性及其和土壤碳氮過程相關(guān)微生物活動.高濃度鹽造成滲透脅迫和特定離子毒性(營養(yǎng)失衡)影響微生物細(xì)胞活動[7].鹽堿化也會影響土壤N2O排放.國外對鹽堿土壤影響N2O排放研究發(fā)現(xiàn),N2O是土壤硝化過程和反硝化過程的中間產(chǎn)物,土壤鹽含量影響硝化和反硝化過程.土壤氨化過程在低鹽含量下被刺激,高鹽含量下被抑制[8].高鹽度土壤抑制硝化和反硝化作用,N2O還原酶受土壤鹽度影響,含鹽土壤中N2O易累積,鹽含量高的土壤, N2O排放量大.隨著土壤鹽度的增加,硝化反應(yīng)產(chǎn)生的N2O將增加[9].然而,目前國內(nèi)外研究鹽含量對土壤微生物活動、土壤N2O溫室氣體的影響,多集中于外源鹽加入等室內(nèi)培養(yǎng)試驗[8-12].外源鹽加入的室內(nèi)培養(yǎng)土壤微生物沒有充足的時間適應(yīng)高鹽環(huán)境,可能區(qū)別于野外天然高鹽土壤[13].而野外原位觀測鹽堿土壤N2O排放過程和通量的研究還較少,限制了鹽堿土壤農(nóng)田N2O排放總量的科學(xué)估算,阻礙了建立鹽堿土壤溫室氣體減排的技術(shù)途徑.
本研究針對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)耕作區(qū)鹽堿土壤,通過野外原位觀測,研究N2O排放過程、特征和強(qiáng)度,為降低我國農(nóng)田溫室氣體排放總量估算的不確定性提供參考.
研究區(qū)烏拉特前旗灌域位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)最具代表性的鹽堿土壤耕作區(qū),該地處于我國西北黃河上中游干旱、半干旱地區(qū),屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候.歷年平均日照時數(shù)為3202h,年平均氣溫3.6~7.3℃,最高和最低極端溫度分別38.9和-36.5℃,無霜期每年120d左右,年平均降水量200~260mm,年平均蒸發(fā)量1900~2300mm[14].
表1 不同鹽堿程度土壤理化特性Table 1 Physical and chemical properties of different saline-alkaline soil
注:S1強(qiáng)度鹽堿土壤,S2輕度鹽堿土壤.同列不同小寫字母表示研究地間差異顯著(<0.05).
選擇2種鹽堿程度土壤的農(nóng)田作為研究對象,S1為強(qiáng)度鹽堿土壤,電導(dǎo)率(EC) 2.60dS/m;S2為輕度鹽堿土壤,EC 0.74dS/m,S1,S2研究地之間距離大約500m,土壤類型和坡度相同,總占地面積約5hm2,每個小區(qū)占地面積100m×100m,每個小區(qū)設(shè)置3個重復(fù).農(nóng)田每年6月耕種,10月收割,每年種植作物前采用機(jī)械犁地,土壤特性見表1.施肥種類:基肥施入磷酸二銨,追肥施入尿素.肥料施用量,向日葵種植前基肥施入總氮量100kg/hm2,追肥施入總氮量200kg/hm2.
2014年4月~2016年11月,利用靜態(tài)暗箱法,進(jìn)行野外農(nóng)田原位采集氣體.箱子長寬高0.5m×0.5m× 0.5m.每次采集時間為07:00~10:00,用連接三通的100mL注射器從采樣箱采樣口抽氣約100ml,每個氣體采集時間間隔5min (0,5,10,15,20min),每個小區(qū)采集時間20min.7~9月每10d采集1次氣體,4月,5月,6月,10月和11月每月采集2次,每個重復(fù)設(shè)置3個固定采集樣品點(diǎn).氣體應(yīng)用Agilent 6820氣相色譜儀(Agilent 6820D,Agilent corporation)進(jìn)行測定分析.通過對每個采集箱的5個氣體N2O混合比和相對應(yīng)的采集間隔時間(0,5,10,15,20min)進(jìn)行直線回歸,可得到土壤N2O排放速率.根據(jù)大氣壓力、氣溫、普適氣體常數(shù)、采樣箱的有效高度和N2O分子量,得到單位面積N2O排放通量[15].
采集氣體同時利用內(nèi)徑5cm、高100cm土鉆采集土壤.每個研究小區(qū)每個重復(fù)應(yīng)用 “S”形取樣法,選擇10個取土點(diǎn),采集的土壤均勻混合,裝入密封袋.放入4℃冰箱,供土壤有機(jī)碳、全氮、NH4+-N、NO3--N等指標(biāo)測定.土壤溫度:溫度測定儀(T-350,德國STEPS);水分:TDR水分測定儀(TDR100,美國SPectrum);土壤有機(jī)碳(SOC):重鉻酸鉀容量法測定;土壤全氮(TN):濃硫酸消煮-半微量開氏法;土壤pH值:電位計法;EC:復(fù)合電極法;土壤密度(b):環(huán)刀法;土壤質(zhì)地:比重計速測法.
=× (0)/(00) × (d/d) × 1000 (1)
式中:為N2O排放通量,μg/(m2×h);為靜態(tài)暗箱高度,cm;為溫室氣體的摩爾質(zhì)量,g/mol;0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4的摩爾體積,L;0和0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓強(qiáng)和溫度,單位分別為Pa和℃;和分別為采樣點(diǎn)的實際大氣壓強(qiáng)和溫度,單位分別為Pa和℃;d/d為采樣時N2O氣體濃度隨時間變化的斜率,其中的單位為mg/L;的單位為 h.
采用sigmaplot 13,OriginPro 8和excel 2010軟件,單因素方差分析(AVNOA)利用SPSS 22.0 (SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)分析N2O排放差異顯著性.
2014~2016年3個作物生長季,2種鹽堿程度土壤N2O排放通量季節(jié)變化趨勢基本一致,整個生長季7和8月有明顯的N2O排放峰.N2O排放通量最大值196.5μg/(m2×h)出現(xiàn)在2014年7月(圖1).3個生長季S1強(qiáng)度鹽堿土壤N2O排放通量高于S2輕度鹽堿土壤N2O排放通量.
圖1 2014~2016年2種鹽堿程度土壤N2O排放通量Fig.1 Flux of N2O emissions of two saline-alkaline soils in 2014, 2015, and 2016S1:強(qiáng)度鹽堿土壤;S2:輕度鹽堿土壤
2014~2016年,2種鹽漬化程度土壤N2O排放通量季節(jié)變化規(guī)律為7~8月出現(xiàn)排放高峰(圖2).2種鹽堿程度土壤(S1、S2)水分、溫度季節(jié)性變化趨勢與N2O排放季節(jié)性變化規(guī)律一致.2014~2016年7~8月,S1、S22種鹽堿土壤溫度高和水分含量多,N2O排放通量大,而在4~6月以及8~11月N2O排放通量均較小.
圖3 2014~2016年作物生長季S1和S2 2種鹽堿程度土壤N2O累積排放量Fig.3 Cumulative N2O emissions from two saline-alkaline soils during the growing seasons in 2014, 2015, and 2016S1:強(qiáng)度鹽堿土壤;S2:輕度鹽堿土壤
S1和S22種鹽堿土壤N2O累積排放量在3個作物生長季均呈現(xiàn)顯著差異,2014年(=23.4,<0.01),2015年(=71.6,<0.01),2016年(=83.4,<0.01).年際間S1和S2土壤N2O累積排放量差異均顯著(S1,=46.3,<0.01)和(S2,=45.6,<0.01).強(qiáng)度鹽堿土壤S1的N2O累積排放量高于輕度鹽堿土壤S2的N2O累積排放量.2014~2016年,EC低的輕度鹽堿土壤S2的N2O累積排放量分別為180.6,167.6, 118.2mg/m2;EC高的強(qiáng)度鹽堿土壤N2O累積排放量與輕度鹽堿土壤相比分別增加19%,26%和45%.隨著鹽堿程度加重,N2O排放量顯著升高.2種不同鹽堿程度土壤年際N2O累積排放量表現(xiàn)為2014年最高,2016年最低(圖3).
2種不同鹽堿程度土壤N2O排放具有明顯季節(jié)特征.7~8月作物生長旺盛季存在N2O排放峰值(圖1).7~8月,降水量和降水頻率相對較高,土壤水分、溫度季節(jié)性變化特征表現(xiàn)為高峰.土壤水分含量變化趨勢與N2O排放季節(jié)性變化規(guī)律一致,土壤水分含量出現(xiàn)峰值時,N2O也伴隨出現(xiàn)峰值.N2O排放通常受微生物參與硝化和反硝化作用影響,這些過程都與溫度和水分相關(guān)[16-17].土壤含水量高不僅能夠刺激土壤微生物活性,而且能夠降低土壤中O2的流動,導(dǎo)致反硝化作用產(chǎn)生[8,12].氣候和土壤非生物因子:土壤溫度和水分可以影響N2O動態(tài)變化,具有明顯季節(jié)特征[10].因此,年際間,2種不同鹽堿程度土壤溫室氣體排放存在差異性,2014年降水次數(shù)和頻率高于2015和2016年,2014年N2O排放量均高于2015和2016年.
河套灌區(qū)鹽堿土壤N2O排放通量均值36.59μg/(m2×h).內(nèi)蒙古荒漠草原N2O排放季節(jié)(春夏秋)平均值6.3μg/(m2×h)[18].在青藏高原高山荒漠區(qū), N2O排放春季為0.7~1.1μg/(m2×h),夏季在1.2~1.9μg/ (m2×h)之間[19].河套灌區(qū)鹽堿土壤夏季N2O排放較高,土壤鹽堿程度(EC)高的S1土壤比S2土壤N2O排放量高(圖3).本課題組鹽堿土壤培養(yǎng)試驗亦證明鹽分含量顯著影響不同鹽堿程度土壤N2O排放[20].鹽含量高的土壤,N2O排放量大.鹽堿程度調(diào)控土壤硝化和反硝化作用,N2O還原酶受土壤鹽度影響,在含鹽土壤N2O易累積[9].隨著土壤鹽度增加,硝化反應(yīng)產(chǎn)生N2O將增加.
土壤鹽漬化影響鹽堿土壤N2O源排放.根據(jù)整個生長季(4月末~10月末)通量估算,內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿土壤面積4.3×105hm2[6],S1土壤N2O溫室氣體交換估算值(3年均值)約為1.58×103t, S2土壤N2O排放約為1.24×103t.其中該農(nóng)業(yè)鹽堿土壤S1生長季N2O排放量約占全國年排放量(2.15×106t)[21]的0.73%,S2占0.57%.3年平均整個生長季EC高的S1土壤N2O排放量比S2高24%.這些比值與周曉兵等[22]2017年新疆古爾班通古特沙漠土壤生長季N2O排放占全國年排放量的0.52%接近.
N2O氣體排放對全球變暖起到重要作用.以100 年為時間尺度,單位質(zhì)量的N2O氣體的增溫潛勢(GWP)為CO2的298倍.2014~2016年,EC高的S1鹽堿土壤N2O排放高于EC較低的S2土壤,且存在顯著差異(圖3).可見,土壤鹽堿化程度加重將促進(jìn)N2O排放,N2O排放源溫室效應(yīng)加劇.從綜合效應(yīng)來看,合理控鹽是減少農(nóng)業(yè)鹽堿土壤溫室效應(yīng)的有效措施.加強(qiáng)河套灌區(qū)鹽堿土壤溫室氣體占比數(shù)據(jù)精確估算還需要鹽堿土壤更多點(diǎn)位數(shù)據(jù)加以驗證.
4.1 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿土壤鹽漬化程度影響土壤N2O源排放.2種不同鹽堿程度土壤N2O排放通量表現(xiàn)為:S2輕度鹽堿土壤(EC 0.74dS/m) 4.2 鹽堿土壤隨電導(dǎo)率EC增加,鹽堿程度加重, N2O排放升高.S2土壤N2O累積排放量均值為155.5mg/m2,S1土壤N2O累積排放量均值比S2土壤增加28.0%. 4.3 從N2O排放源的溫室效應(yīng)來看,電導(dǎo)率低的鹽堿土壤能有效的抑制溫室氣體N2O的排放,顯著地降低N2O引起的綜合溫室效應(yīng). [1] IPCC.Climate Change 2013: The Physical Science Basis [M]. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2013. [2] 譚立山,楊 平,徐 康,等.閩江河口短葉茳芏濕地及圍墾后的養(yǎng)蝦塘N2O通量比較[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2017,37(10):3929-3939.Tan L S, Yang P, Xu K, et al. Comparison of N2O flux following brackishmarsh conversion to shrimp pond in the Min River estuary [J]. China Environmental Science, 2017,37(10): 3929-3939. [3] 孫會峰,周 勝,付子軾,等.高溫少雨對不同品種水稻CH4和N2O排放量及產(chǎn)量的影響[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2016,36(12):3540-3547.Sun H F, Zhou S, Fu Z S, et al. 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YANG Wen-zhu1,2, JIAO Yan1,3*, YANG Ming-de1, WEN Hui-yang1 (1.Water-saving Agricultural Engineering Research Center, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China;2.Inner Mongolia Key Laboratory of Environmental Chemistry, Hohhot 010022, China;3.College of Chemistry and Environmental Sciences, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China)., 2019,39(3):948~953 It were chosen for high saline-alkaline soil, S1[electrical conductivity (EC) 2.60dS/m] and low saline-alkaline soil, S2[electrical conductivity (EC) 0.74dS/m] in Hetao Irrigation District of Inner Mongolia. The static box method was used in field in-situ observation test for 3year. A 3-yr study was conducted with sunflower crops in intensively managed saline-alkaline soils cropping systems in northeastern China to examine the effects of salt and alkali on N2O emissions. Results indicated that high saline-alkaline soil significantly increased N2O emissions with obvious differences as compared with low saline-alkaline soil. The accumulative emissions of N2O during the 3-year observation period were estimated at 180.6mg/m2, 167.6mg/m2and 118.2mg/m2for the low saline-alkaline soil. Compared with low saline-alkaline soil, the high saline-alkaline soil significantly increased the accumulative emissions of N2O by 19%, 26% and 45% from 2014 to 2016, respectively. Our findings suggest that mitigating N2O emissions on saline-alkaline soil can be achieved by remediating saline-alkaline soil. saline-alkaline soils;different saline-alkaline levels;N2O emissions X511,S151.9,S182 A 1000-6923(2019)03-0948-06 楊文柱(1977-),男,內(nèi)蒙古赤峰人,助理研究員,博士,主要從事農(nóng)田面源污染和土壤碳氮循環(huán)研究.發(fā)表論文20余篇. 2018-08-22 國家自然科學(xué)基金資助項目(41565009);2016內(nèi)蒙古青年創(chuàng)新人才計劃 *責(zé)任作者, 教授, jiaoyan@imnu.edu.cn