李 淵， 張清平， 王 濤， 沈禹穎

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室甘肅慶陽草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅 蘭州 730020)

氣候變化是當(dāng)今世界各國共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，全球氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響巨大，而農(nóng)業(yè)也是氣候變化的重要參與者[1-2]。隨著全球變暖問題的日益嚴(yán)重[2]，氧化亞氮(N2O)作為一種強(qiáng)效溫室氣體而備受關(guān)注[3]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的N2O占其全球排放總量的比例高達(dá)50%[1]。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)減排政策的制定需要準(zhǔn)確評(píng)估該系統(tǒng)中的N2O排放量。

黃土高原地區(qū)土壤貧瘠，水土流失嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)資源利用效率低[4-5]。作為重要的多年生栽培牧草，紫花苜蓿(Medicagosativa)在該地區(qū)草田輪作、農(nóng)牧耦合和保護(hù)生態(tài)安全等方面發(fā)揮著重要作用[6-7]。苜蓿的刈割會(huì)帶走土壤中的營養(yǎng)元素，造成土壤養(yǎng)分的不斷流失和匱乏[6]，施肥是保證苜蓿草地持續(xù)利用和高產(chǎn)的有效手段[6,8-9]。然而在苜蓿生產(chǎn)中是否施用氮(N)肥存在爭議[5-6,8-9]。有研究認(rèn)為苜蓿草地增施N肥可提高干物質(zhì)產(chǎn)量[10]和粗蛋白質(zhì)含量[11]。也有研究認(rèn)為施N肥不會(huì)顯著影響苜蓿干物質(zhì)產(chǎn)量[8]，反而會(huì)降低根瘤菌活性，縮短利用年限[9]。此外，政府間氣候變化專門委員會(huì)將豆科作物生物固氮的N2O排放因子定為1.25%，與工業(yè)N肥的排放因子相當(dāng)[1]。苜蓿草地增施N肥勢(shì)必會(huì)增加N2O排放量[1,12-14]。因此，在研究N添加對(duì)苜蓿草地生產(chǎn)性能的影響時(shí)有必要考慮其對(duì)N2O排放的影響。

施N量對(duì)苜蓿草地N2O排放與生產(chǎn)性能的影響存在異質(zhì)性，僅根據(jù)N2O排放量或單一的苜蓿生產(chǎn)指標(biāo)不能科學(xué)準(zhǔn)確地獲得最佳的施N量。鄧聚龍創(chuàng)立的灰色系統(tǒng)理論(Grey System)的基本思路是無論客觀的系統(tǒng)如何復(fù)雜，但終究相互關(guān)聯(lián)、有序[15]。目前該理論已被成功應(yīng)用于包括農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域[16-18]。因此，本研究以黃土高原旱作紫花苜蓿為研究對(duì)象，通過添加外源N肥，觀測(cè)不同施N量對(duì)苜蓿草地N2O通量及生產(chǎn)性能的影響，并通過灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行評(píng)價(jià)，統(tǒng)籌N2O排放與生產(chǎn)性能以獲得最佳的施N量，以期為該地區(qū)苜蓿草地生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在蘭州大學(xué)甘肅慶陽草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(35°39′N，107°51′E)，海拔1 297 m，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，多年平均年降水量564 mm，多集中于7—9月份，年均蒸發(fā)量1 504 mm，年均氣溫8～10℃，無霜期150～190天。土壤為黑壚土，有機(jī)質(zhì)含量約1%，全氮含量低于0.1%，pH值為8～8.5。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試樣地為2009建植的紫花苜蓿(Medicagosativa)草地，條播，播量25 kg·hm-2，行間距15 cm。苜蓿草地旱作管理，每年6月初和7月中旬刈割2次(建植年刈割1次)。N肥類型為尿素(CH4N2O)，施N量為0，50，100和150 kg N·hm-2，分別記為N0，N50，N100和N150。小區(qū)采取完全隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)4個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積20 m2(4 m×5 m)。試驗(yàn)于2014年進(jìn)行，N肥于4月5日(返青期)和6月15日(第一茬再生期)分兩次撒施，其中返青期施入總施N量的80%。N2O氣體采樣時(shí)間以紫花苜蓿物候期為基準(zhǔn)，分別在返青期、第一茬花期(6月1日)、第一茬再生期、第二茬花期(7月17日)和第二茬再生期(7月24日)進(jìn)行5次采樣，N2O通量值為5次采樣均值；其余指標(biāo)采樣時(shí)間在第一茬花期和第二茬花期。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)

1.3.1N2O通量的測(cè)定 通過LGR N2O/CO氣體分析儀(DLT-100,Los Gatos Research,Inc. NE,USA)和土壤通量主機(jī)(MCC-1-8,LI-CA,CHN)測(cè)定N2O通量。測(cè)定前一周，將半徑和高均為20 cm的圓形金屬底座安置在土壤中，露出地面10 cm。測(cè)定時(shí)將PVC氣室(半徑20 cm，高120 cm)扣入底座，用水密封。氣室頂部安裝密封蓋，其上連接氣路管和供電線路，由主機(jī)控制閉合。土壤中產(chǎn)生的N2O氣體進(jìn)入氣體分析儀內(nèi)，再由紅外光譜傳感器測(cè)量N2O的通量值。每小區(qū)放置1個(gè)氣室，設(shè)4個(gè)重復(fù)。通量為每個(gè)小區(qū)24小時(shí)內(nèi)N2O通量均值。

1.3.2葉面積指數(shù)測(cè)定 葉面積指數(shù)(LAI)采用AccuPAR/LAI(LP-80,Decagon Devices,Inc. WA,USA)冠層分析儀于采樣當(dāng)日11—13時(shí)測(cè)定截光率獲得，每個(gè)處理設(shè)4個(gè)重復(fù)。

1.3.3植物樣測(cè)定與分析 取2行0.5 m長的樣條，置于65℃烘箱內(nèi)烘48 h后稱干重，重復(fù)4次以計(jì)算干物質(zhì)(DM)產(chǎn)量。室內(nèi)采用Van Soest洗滌纖維分析法測(cè)定植物樣中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)，植物粗蛋白(CP)采用凱氏定氮法測(cè)定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1直接排放系數(shù)(Emission factors，EFs)

EFs是指施肥誘導(dǎo)產(chǎn)生的N2O-N占所施N的百分比，其它條件下指處理和未處理的土壤排放差異的百分比[20]。其中，Et為施氮肥處理N2O-N排放量，E0為不施氮肥處理N2O-N排放量，NF為施N總量(單位：kg N·hm-2)。

1.4.2氮肥利用率(Nitrogen use efficiency，NUE)

NUE是指單位施N量所增加的作物產(chǎn)量[21]。其中，Nt為施氮區(qū)收獲物中總氮量，N0為不施氮區(qū)收獲物中總氮量，NF為施氮總量(單位：kg N·hm-2)。

1.4.3相對(duì)飼用價(jià)值(Relative feed value，RFV) RFV是指相對(duì)某種特定標(biāo)準(zhǔn)粗飼料(盛花期苜蓿為100%)，根據(jù)牧草的可消化干物質(zhì)(DDM)和潛在的干物質(zhì)采食量(DMI)來進(jìn)行牧草品質(zhì)的比較和評(píng)級(jí)。采用Horrocks和Vallentine的方法計(jì)算RFV[19]。

DDM=88.9-(0.779×ADF)

DMI=120/NDF

RFV=DDM×DMI×0.775

1.4.4灰色系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析 本研究的目的是統(tǒng)籌苜蓿草地N2O排放與生產(chǎn)性能以獲得最佳的施N量，所以選擇EFs和NUE兩次取樣和N2O通量五次取樣的均值作為N利用效率及N2O通量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇LAI，DM，CP，ADF，NDF和RFV兩次取樣的均值作為生產(chǎn)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。依據(jù)鄧聚龍等[15-18]的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析和灰色聚類分析。同時(shí)，采用SPSS 18.0進(jìn)行單因素方差(One-way ANOVA)分析(P=0.05)，比較施N量對(duì)苜蓿草地N2O通量、產(chǎn)量、品質(zhì)的影響；采用Pearson相關(guān)分析量化N2O通量或EFs和施N量間的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對(duì)苜蓿草地N2O通量的影響

根據(jù)各箱體分布區(qū)間可知N100和N150處理下N2O通量較大，但各處理間無顯著差異(圖1)。N0，N150的箱體較長，說明該處理下N2O通量變異性較大。而N50處理的N2O通量則較集中，從-0.0124至0.0172 mg·m-2·h-1。同時(shí)，N添加處理下N2O通量值的最小值均高于N0的最小值(P<0.05)；N100和N150處理下N2O通量分別為0.0221和0.0307 mg·m-2·h-1。N50，N100和N150處理下N2O通量均值比N0分別高32%，97%和158%。

圖1 不同施N量下的氧化亞氮通量Fig.1 Boxplot of N2O fluxes in response to N application注：圖中上下邊緣分別代表最大、小值，箱體的上下線分別代表上下四分位數(shù)，箱體中間線表示中位數(shù)。菱形點(diǎn)和線為均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差Note:Boxplot representation N2O emission of different treatments. Lower and upper whiskers are 10th and 90th percentiles,lower and upper boundaries of the boxes are 25th and 75th percentiles and lines within a box are medians. Diamond dot and bar are mean value and SD

2.2 不同施氮量對(duì)苜蓿草地生產(chǎn)性能的影響

添加N肥增加苜蓿地上生物量，但對(duì)頭茬地上生物量和總地上生物量的效果不完全相同(圖2)。N150處理下頭茬地上生物量和總地上生物量都達(dá)到最高，分別為8 885和13 733 kg·hm-2，比N0高28.43%和18.86%，差異顯著(P<0.05)。但N50和N100處理的增產(chǎn)效果卻不顯著。N150處理下的頭茬地上生物量比N50高23.21% (P<0.05)，但總地上生物量與N50無顯著差異。

圖2 不同N添加處理下頭茬地上生物量與總地上生物量Fig.2 First stubble aboveground biomass and total aboveground biomass in response to N application注：不同大寫字母表示總地上生物量0.05水平顯著差異，不同小寫字母表示表示頭茬上生物量0.05水平顯著差異；圖中數(shù)字表示頭茬地上生物量占總地上生物量比例Note:Different Capital letters mean significant differences at 0.05 level of total aboveground biomass,different lowercase letters mean significant differences at 0.05 level of first stubble aboveground biomass;And numbers in figure represent first stubble aboveground biomass proportion of total aboveground biomass

施N增加EFs，增加NUE和LAI(表1)。N150處理下LAI顯著高于其它處理(P<0.05)，且N0處理下LAI顯著低于其它處理(P<0.05)。苜蓿生產(chǎn)品質(zhì)隨施N量的增加而提高。隨施N量的增加，CP均有提高。施N降低ADF含量，N100處理下ADF含量顯著低于N0處理(P<0.05)。施N同時(shí)能增加NDF含量和RFV。

表1 不同施氮量對(duì)紫花苜蓿草地影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 1 Evaluation indexes of effects of different levels nitrogen fertilizer on lucerne grassland

2.3 灰色關(guān)聯(lián)及聚類

選取N2O通量，EFs，NUE，LAI，DM，CP，ADF，NDF和RFV的均值作為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)列(表1)。參考數(shù)據(jù)列分別為：0.0039 mg·m-2·h-1，1.50%，48.58%，5.20，8 885 kg·hm-2，16.64%，31.82%，45.55%和130.19%。其中，N2O，EFs，ADF和NDF的參考值選取實(shí)測(cè)均值中的最小值，NUE，LAI，DM，CP和RFV的參考值選取實(shí)測(cè)均值中的最大值。

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣表明N50處理兼顧苜蓿草地的生產(chǎn)和生態(tài)效益(表2)。該處理既能提高苜蓿品質(zhì)(NDF，RFV)，又能降低N2O排放(N2O，EFs)。其次是N150處理，這與其能夠提高苜蓿品質(zhì)(DM，CP)和資源利用效率(NEU，LAI)有關(guān)。此外，N100處理下苜蓿的CP和ADF最優(yōu)。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度以及排序Table 2 Grey correlative coefficients,correlation degrees and order of evaluation indexes

灰色聚類根據(jù)“最大樹”，任取實(shí)數(shù)λ∈[0,1]，將4個(gè)處理分為3類(圖3)：N50和N150的關(guān)聯(lián)度高(表2)，歸為第1類；N0處理的關(guān)聯(lián)度次之，歸為第2類；N100為第3類。但根據(jù)關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果(表2)，雖然N50和N150歸為一類，這兩種處理對(duì)苜蓿草地的影響不完全相同。

圖3 不同施氮量的灰色聚類圖Fig.3 Grey clustering of different levels of nitrogen fertilizer注：處理間連線的數(shù)字為權(quán)，權(quán)表示處理間的親疏關(guān)系，權(quán)大則親，權(quán)小則疏Note:Processing line number is weight,which means the degree of correlation between treatments

3 討論

3.1 苜蓿草地N2O通量對(duì)氮添加的響應(yīng)

N2O釋放的時(shí)間、空間異質(zhì)性特點(diǎn)造成N2O通量變異性較大[3]，因此各處理下N2O通量值波動(dòng)較大。N是N2O產(chǎn)生的直接底物[13-14]，施用N肥的農(nóng)學(xué)效應(yīng)包括土壤肥力和作物生產(chǎn)力變化兩個(gè)方面，而這兩方面的變化會(huì)通過影響底物濃度和活性影響N2O排放[13-14,22-23]。在多個(gè)施N農(nóng)業(yè)地區(qū)的研究表明N施入與N2O通量存在線性關(guān)系[12]。苜蓿等固氮作物的EFs高于其它作物(如旱生谷物)，可能是由于固氮作用導(dǎo)致其對(duì)N肥需求的減少，所以也有研究認(rèn)為這二者沒有顯著的線性關(guān)系[13,24]。這說明N添加的N2O釋放因子(EFs)不是固定的，這與本研究結(jié)果一致(表1)。此外，雖然本研究中N2O通量結(jié)果是采樣當(dāng)日24小時(shí)通量的均值，但采樣頻次少(5次)，這也是造成N2O通量差異較大的原因，后續(xù)研究需要增加觀測(cè)頻率。

3.2 苜蓿草地生產(chǎn)性能對(duì)氮添加的響應(yīng)

Kathleen等研究認(rèn)為增施N肥能提高苜蓿干物質(zhì)產(chǎn)量[8]，當(dāng)土壤含N量及有機(jī)質(zhì)含量較低時(shí)，這種趨勢(shì)更加明顯[5]。盡管試驗(yàn)地土壤含N量及有機(jī)質(zhì)含量較低，但N50和N100的增產(chǎn)效果不顯著(圖2)。這是因?yàn)閱问㎞肥會(huì)抑制固氮酶的活性[25]，影響根瘤菌侵染根毛，降低結(jié)瘤數(shù)量和活性[25]，從而抑制固氮效率。還有研究認(rèn)為施N肥會(huì)減少苜蓿株數(shù)，刺激禾本科雜草入侵[8]，增強(qiáng)雜草與苜蓿的競(jìng)爭。這些因素在一定程度上抵消了N肥施入對(duì)紫花苜蓿DM的促進(jìn)作用。此外，Jenkins等在美國俄勒岡州的研究認(rèn)為土壤中的有機(jī)N能在一定程度上滿足苜蓿生長[27]，所以低濃度N肥對(duì)苜蓿DM影響并不顯著(圖2)。DM的增加與N肥施入能促進(jìn)葉片生長，增加LAI[6,28]；增施N肥能改善苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)，提高CP含量，降低洗滌纖維含量(ADF和NDF)[6,28]，這與本研究結(jié)果一致(表1)。

3.3 灰色關(guān)聯(lián)及聚類分析氮添加對(duì)苜蓿草地生產(chǎn)和N2O通量的影響

關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果表明N50處理兼顧苜蓿草地的生產(chǎn)和生態(tài)效益(表3)。這是由于低濃度N添加能在一定程度上提升生產(chǎn)性能[10,28-30]，且低濃度N添加對(duì)促進(jìn)N2O排放的貢獻(xiàn)小[13,20,23,31]。所以綜合考慮生產(chǎn)性能和N2O排放，低濃度N添加是該地區(qū)適宜的施肥量。灰色聚類將N50處理和N150處理歸為一類(圖3)，這與其他結(jié)果不同[6,9-10]。這是因?yàn)楸狙芯康年P(guān)聯(lián)分析中生產(chǎn)性能參數(shù)比重較大，且N150對(duì)生產(chǎn)性能提升較明顯(表1)。N100處理對(duì)生產(chǎn)性能提高不顯著，卻增加N2O釋放，所以將其分為一類。與N100相反，N0處理不提高生產(chǎn)性能，也不促進(jìn)N2O釋放，考慮到肥料投入成本，其是優(yōu)于N100處理的一種生產(chǎn)策略。

4 結(jié)論

本研究引入灰色分析統(tǒng)籌施N處理對(duì)苜蓿草地N2O通量與生產(chǎn)性能的綜合影響，結(jié)果表明黃土高原旱區(qū)紫花苜蓿草地最佳施N量為50 kg N·hm-2，該處理兼顧紫花苜蓿草地的生產(chǎn)和生態(tài)效益。本研究的結(jié)果為優(yōu)化黃土高原旱區(qū)紫花苜蓿草地氮肥管理措施，為紫花苜蓿草地生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)提供了理論依據(jù)。