2016, Vol. 36
[PDF全文]
2. 山东农业大学资源与环境学院, 泰安 271018
2. College of Resources and Environmental Sciences, Shandong Agricultural University, Tai'an, 271018
农业是全世界非CO2类温室气体(N2O和CH4)最大的排放源(IPCC，2014).随着农田氮肥施用量增加，土壤N2O的排放呈现线性增加(Qin et al.， 2012) 或指数增加(Millar et al.， 2010) ，而旱地农田生态系统是大气CH4重要的汇之一(王丙文等，2013).
华北平原是中国的重要粮食产区，冬小麦和夏玉米是该地区的主要作物(Ding et al.， 2011) ，总产分别占全国产量的61%和33%(Cui et al.， 2008) .耕作(秦越等，2014)、秸秆还田(Edmeades，2003; 裴淑玮等，2012)和氮肥(Cui et al.， 2010) 作为该地区主要的农田管理措施，对农田温室气体的排放具有重要影响.Malhi(2006;2007) 认为免耕处理的N2O排放量低于翻耕，但是也有研究结果表明免耕处理的N2O排放量高于翻耕(Zhang et al.， 2011; Fu et al.， 2011) ，因为与耕作农田相比，免耕的土壤中含有较多的水分和较小的空隙度(Ball et al.， 1999) .有研究表明秸秆还田对N2O排放起促进作用，主要原因是秸秆还田可消耗土壤中氧气，导致土壤趋向厌氧环境，从而促进微生物反硝化作用，促进N2O的排放(王改玲等，2006)，但也有研究表明秸秆还田会降低N2O的排放，主要是由于秸秆会提高土壤的C/N比，而土壤C/N比与N2O排放呈显著负相关(Nishina et al.， 2009) .在华北地区，农民为提高作物产量，一般过量施用30%~60%氮肥(Huang et al.， 2013) ，土壤中长期残留的氮素会引起土壤环境和大气环境变化(朱小红等，2008)，其负面环境影响包括可能造成土壤中NO3-的累积(Zhao et al.， 2006) ，进而对地下水造成污染(Hu et al.， 2005) ，增加土壤N2O排放，在一定程度上降低土壤氧化吸收CH4的能力(Jassal et al.，2011; 王旭燕等，2015).目前对于N2O和CH4的排放研究主要集中在不同氮肥水平的影响(赵建波等，2008)，且大多数研究只关注单一影响因子，而研究多种因素对N2O和CH4排放的综合影响则鲜有报道.在农业生产实践中，在保证作物产量前提下，综合采取各类农田管理措施，包括耕作(田慎重等，2010)、秸秆还田(Ma et al.， 2009，Lu et al.， 2009) 、氮肥数量(曹健，2015)等对于作物产量和N2O和CH4的排放，更具有科学和实践价值.本研究以华北平原冬小麦-夏玉米生产系统为研究对象，分析主要农田管理措施配合条件下，N2O和CH4的排放规律和累积数量及其对作物产量的影响，以期为华北平原实现农业高产和减排提供科学依据和技术支持
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验地点本研究试验区位于山东省桓台县(36°57.75′N；117°59.21′E)新城镇逯家村华北集约农业生态系统实验站.桓台县位于鲁北平原南部，属于暖温带大陆性季风气候区，年平均日照时数2832.7 h，年平均气温12.5 ℃，无霜期平均198 d，降水量587 mm左右.本试验设置始于2008年，试验监测始于2013年6月.图 1是实验站2013年6月至2014年6月气温、10 cm地温及降水数据.年内平均气温为13.75 ℃；10 cm地温为15.13 ℃，略高于平均气温；降水为742 mm，主要集中在6至8月，7月为降雨高峰，降雨量达到了438.2 mm.试验土壤为潮褐土，具体土壤状况见表 1.
| 表 1 试验土壤基本性质 Table 1 Basic properties of experimental soil |
 |
试验采用三因素设计，因素一为耕作方式，分为主区免耕(No-tillage，N)和副区旋耕(Rotary，T)；因素二分为秸秆还田(Straw return，S1) 与清茬(Cleaning straw，S0) ；因素三为不同施氮量，分别为常规施氮肥(F2，345 kg·hm-2)、优化施氮肥(F1，225 kg·hm-2)和不施氮处理(F0，0 kg·hm-2)3个水平，共计12个处理、3个重复，各实验小区完全随机分布，免耕小区面积为66 m2，旋耕小区面积为42 m2.
所有处理均施用同一水平磷肥和钾肥，施用量为磷肥P2O5 70 kg·hm-2，钾肥K2O 100 kg·hm-2，小麦播种期和玉米播种期各施一次.氮素追肥时间为：小麦季，4月上旬；玉米季，7月下旬.小麦季灌溉4次，分别为底墒水、冻水、拔节水、开花灌浆水，每次灌溉量为75 mm；玉米季灌溉两次，即播种期、大喇叭口期，每次灌溉量为75 mm
2.3 N2O和CH4监测采用静态暗箱-气相色谱仪法对土壤N2O和CH4的排放进行田间原位监测.采样箱采用进口SUS 304薄不锈钢板，以防太阳照射升温过快，板厚1 mm，符合气体采样要求的化学性质稳定、表面吸附小的技术要求，同时不锈钢材料耐腐蚀性好，可长时间保持机械物理特性.采样箱设计为分节组合式标准箱，由基座、中段箱和顶箱组成.中段箱几何尺寸500(长)mm×500(宽)mm×500(高)mm，可以适应小麦生长的大部分时期及玉米生长前期的需要，当作物生长较高时适时增加中段箱.顶箱几何尺寸分500(长)mm×500(宽)mm×500(高)mm和500(长)mm×500(宽)mm×1000(高)mm两种.顶箱为正5面体，方桶形，在箱顶壁安装2个搅拌风扇，箱侧面安装有电源插头，取气体样品接口，配有F46采气管线7 m，采气管与箱体有过壁接头.中段箱正四面体，方管形，上端有密封水槽，在水槽边的对称端面安装有搬动耳环.基座为四面体，方管形500 mm×500 mm，深度150 mm，上端有深、宽均为30 mm的密封水槽，用于采样时与箱体密封.采样箱基座位于试验小区中间，基座边框距离小区边缘2 m以上.每季作物播种后安装基座的位置固定，采样箱内植株密度，按照当地常规种植密度确定.在基座四周侧板下四边制成刀口以便插入土壤，基座侧板靠近下半部分开有9个直径20 mm的圆孔，以利于水分、土壤动物、微生物、养分等侧向交流(Shi et al.，2013) .
野外试验时，小心罩上顶箱，并连接好所有管线，然后开始取样.气样采集使用60 mL医用注射器进行，注射器头部安有一个三路两通阀，应用三路两通阀完成采气密封和把气样注入分析仪进样器.采样时，罩箱时间为32 min，从采样箱罩箱开始采集第一个气体样品，以后每间隔8 min采样1次，共采集5个气体样品.气体排放通量的监测频率在作物生长季为每周2次观测，在作物非生长季降低监测频率.在遇施肥、灌溉、耕作后每天采样连续监测7~10 d，确保气体排放峰值降至背景值时结束(石岳峰，2013).取样监测时间维持在当地时间09:00—11:00进行(Jiang et al.， 2006) .
气体样品采集后，在24 h内用Agilent 7820气相色谱仪测定.标准气体由北京氦普北分气体工业有限公司提供(浓度分别为：CO2 395.3×10-6 mol·mol-1，CH4 1.98×10-6 mol·mol-1，N2O 323×10-9 mol·mol-1).气体排放计算公式为(石岳峰，2013)：
|
式中，F为CO2排放速率或CH4、N2O通量；为ρ各气体在0 ℃和760 mm Hg条件下的密度(kg·m-3)；V为箱体体积(m3)，A为箱体的底面积(m2)，ΔC/ΔT 为箱体内目标气体浓度随时间变化的回归曲线斜率，P为采样时大气压(mm Hg)，T为采样时箱体内气体温度(℃)
2.4 作物产量测定根据样点面积和样点的产量分别计算玉米、小麦的单位面积籽粒及秸秆产量.玉米每个小区取样面积为3 m×3 m.小麦取样面积免耕小区为2.5 m× 2 m；旋耕小区取样2 m× 3 m
2.5 土壤硝态氮和孔隙含水量(WFPS)测定每次采气后，采集表层0~10 cm土壤，每小区取3点充分混合，放入自封袋存贮，并尽快过2 mm筛用KCl完成浸提，并测定含水量.称取鲜土(24.00±0.005) g，装入500 mL白色振荡瓶中，加入1 mol·L-1的KCl溶液100 mL后在180°转速下振荡1 h，过滤，取出10 mL浸提液装入离心管并置于-20 ℃的冰箱中冷冻待测.土壤浸提液用自动流动分析仪(TRACCS 2000) 测定土壤硝态氮含量.土壤孔隙含水量用下式计算，土壤密度采用2.65 g·cm-3.
|
(1) |
式中，SC为土壤质量含水量(%)；BD为土壤容重(g·cm-3)；SP为土壤孔隙度(%)
2.6 土壤温室气体CO2排放当量(CO2-eq)和排放强度计算(GHGI)温室气体CO2排放当量是将温室气体CH4和N2O的温室效应换算为相同效应下CO2当量，CH4和N2O折算成当量CO2(基于100年的尺度下)的系数分别为25和298.各处理的CO2-eq值由下面公式计算求得(Li et al.， 2004; Nishimura et al.， 2011) ：
|
(2) |
各处理的CO2排放强度(CO2-eq intensity)是通过CO2-eq除以作物产量求得(Mosier et al.， 2006; Shang et al.，2011) ：
|
(3) |
式中，Y表示作物产量(Mg·hm-2)
2.7 数据处理数据处理采用SPSS 18.0 For Windows和SAS，图表采用Microsoft word 2007、OriginPro 8.6 for Windows等软件进行处理.统计上的显著性差异进行独立样本t检验和方差分析检验，多重比较法采用最小显著差异法(LSD)检验
3 结果(Results) 3.1 不同农田管理措施对土壤水分和硝态氮含量的影响土壤水分是影响土壤碳氮循环和转化的重要因素之一.研究期间各处理WFPS总体呈相似的变化趋势，冬季和春季缺乏降雨造成各处理WFPS值均较低，各处理土壤WFPS维持在30%~80%的范围内，但S1小区平均土壤含水量(56.2%)略高于S0小区(53.6%)，在降雨较少的冬春两季则土壤含水量之间的差异更明显(图 1)，说明S1可以在降水较少时期保持更高土壤水分.N处理小区平均含水量(55.8%)略高于T处理小区(54%)，但是在试验期间，即便在降雨较少的时期，两种耕作小区含水量也是交替增减，差异并不明显.
 |
| 图 1 2013—2014年冬小麦-夏玉米生长季气象与土壤含水量 Fig. 1 Meteorology and soil WFPS for winter wheat-summer maize season during 2013—2014 |
氮肥施用以后，各处理表层土壤硝态氮含量显著增加(峰值可达100 mg·kg-1以上)，但在施肥措施以外的其他监测阶段土壤硝态氮含量则一直维持在较低含量水平(1.3~36.5 mg·kg-1，图 2)，而在
 |
| 图 2 2013—2014年冬小麦-夏玉米生长季土壤硝态氮含量(实线箭头表示施肥，虚线箭头表示灌溉，小箭头表示超过50 mm降雨) Fig. 2 Soil NO3--N concentrations for winter wheat-summer maize season during 2013—2014(Solid line arrows indicate N fertilization application，dotted line arrows indicate irrigation events，and small arrows indicate rainfall over 50 mm.) |
降雨之后(50 mm以上)，土壤硝态氮含量降低.不施氮处理(F0) 中，硝态氮含量始终处于低水平.相比于S0小区(平均6.6 mg·kg-1)，S1处理小区的土壤硝态氮含量更低(平均4.8 mg·kg-1).虽然N处理与T处理的土壤硝态氮平均含量分别为23 mg·kg-1和20.3 mg·kg-1，但是经t检验后二者之间差异没有达到显著性水平(p>0.05) .施肥条件下，S0与S1之间，以及N和T之间土壤硝态氮含量差异均不显著(p>0.05) .F1和F2的土壤硝态氮含量平均值分别为21.6和37.8 mg·kg-1，t检验表明二者之间为极显著差异(p＜0.01) ，即与F2相比，F1可以有效降低土壤硝态氮含量
3.2 农田管理措施对作物产量的影响在F0条件下，T的夏玉米和冬小麦产量普遍高于N处理，而S1与否对于作物产量无差异(图 3).在施氮肥(F1和F2) 条件下，整体趋势为N的作物产量高于T措施，秸秆还田与否对作物产量影响不显著(F2冬小麦除外).F1和F2氮肥水平之间作物产量无显著差异，说明在F1水平能够维持相当于F2水平的较高作物产量
 |
| 图 3 2013—2014年冬小麦和夏玉米产量(注：不同小写字母表示同一施肥水平下各处理间差异显著(p＜0.05) ) Fig. 3 Yields of winter wheat-summer maize during 2013—2014(Note: different lowercases indicate there is significant difference between each treatments under the same fertilizer application(p＜0.05) ) |
N2O排放具有明显的季节性(图 4)，并且受农田管理措施的影响.对于F0水平，N2O排放变化幅度较小，夏秋季略高于冬季；灌溉后，有小幅排放高峰，但是整体上处于较低水平.施氮肥条件下，主要排放峰均出现在施肥或灌溉之后，夏秋季高于冬季，F1显著低于F2处理；与无降水时期相比，在大雨之后(50 mm以上)，会小幅度增加N2O排放(图 4).与S0相比.S1处理的N2O排放峰较低，在T条件和F2下尤其明显.N和T措施的排放峰整体相似，无显著差异.
 |
| 图 4 2013—2014年冬小麦-夏玉米生长季N2O排放通量(A为免耕，B为旋耕；实线箭头表示施肥，虚线箭头表示灌溉，小箭头表示超过50 mm降雨) Fig. 4 N2O fluxes during winter wheat-summer maize season in 2013—2014(A indicate No-tillage，B indicate Rotary; Solid line arrows indicate N fertilization application，dotted line arrows indicate irrigation events，and small arrows indicate rainfall over 50mm.) |
整个实验期间，土壤对CH4总体上呈现出吸收状态，灌溉和降水是引起CH4净排放的主要原因.免耕处理下，随氮肥数量增加CH4排放通量变化范围逐渐变小.不同耕作措施和秸秆管理下的CH4排放峰无明显规律.
 |
| 图 5 2013—2014年冬小麦-夏玉米生长季CH4排放通量(A为免耕，B为旋耕；实线箭头表示施肥，虚线箭头表示灌溉，小箭头表示超过50 mm降雨) Fig. 5 CH4 fluxes during winter wheat-summer maize season in 2013—2014(A indicate No-tillage，B indicate Rotary; Solid line arrows indicate N fertilization application，dotted line arrows indicate irrigation events，and small arrows indicate rainfall over 50mm.) |
在夏玉米季，F0条件下，N措施各处理N2O累积排放量显著低于T措施(表 2)；在施氮肥(F1、F2) 条件下N和T措施之间N2O累积排放量无显著差异.S1能够显著降低N2O的累积排放量，在F1水平下，NS1和TS1处理分别比S0降低N2O累积排放量38%和22.3%，在F2水平下，S1处理则可以减排N2O 7.3%和14.5%，说明在F1条件下，S1的N2O减排效果更好.在冬小麦季，不同耕作措施(免耕和旋耕)以及不同秸秆措施(还田和清茬)的各处理都有相同水平的N2O累积排放量.夏玉米季的N2O累积排放量占全年的累积排放量的59%~78%，说明玉
| 表 2 2013—2014年冬小麦季和夏玉米季CH4累积吸收量和N2O累积排放量 Table 2 Cumulative CH4 uptake and cumulative N2O emission in winter wheat-summer maize during 2013-2014 |
|
米季是N2O的主要排放时期.不论是夏玉米季还是冬小麦季，和F2相比较，F1都能过显著降低N2O累积排放量，且在夏玉米季尤其有效.和N2O不同，实验各处理CH4吸收量在0.2~0.8 kg·hm-2之间，且各实验因素不同水平之间无显著性差异，而CH4玉米季的累积吸收量(52.5%)略高于小麦季(47.5%)
3.4 农田管理措施对产量、N2O和CH4排放的影响与上文结果类似，施肥水平对N2O和CH4排放、作物产量影响都达到极显著水平(p＜0.01，表 3)，而秸秆处理和耕作方式的影响均未达到显著性水平.由于耕作方式或者秸秆处理方式的影响较小/甚至相反，耕作方式×氮肥水平和秸秆处理×氮肥水平的交互影响分别只体现在对作物产量以及CH4和冬小麦产量方面.同理，耕作方式、秸秆还田及施肥水平三因素的交互作用仅对冬小麦和全年产量有极显著影响.
| 表 3 不同农田管理措施的主效应及其交互作用对产量、N2O和CH4排放的影响 Table 3 Main effect and interaction effect of different farmland management on yield and GHG emission |
|
对夏玉米-冬小麦生产周年的综合N2O和CH4排放分析表明(表 4)，在夏玉米季，N比T更有可能降低CO2-eq(特别是F0和F1水平下)，而S1在施氮条件(F1和F2) 下能够有效降低CO2-eq，F1比F2的CO2-eq显著降低(50%~290%).对于冬小麦季，S1呈现出类似于夏玉米季的效果，可以有效降低CO2-eq，而N和T措施的CO2-eq在同一水平.对于夏玉米-冬小麦周年，由于重复间较大的变异，N和S1对于全年CO2-eq的降低分别在F0和施氮(F1、F2) 条件下发挥作用，F1可以有效降低CO2-eq(比F2降低50%~125%).NS1F1和TS1F1的CO2-eq分别比S0处理降低37.9%和22.9%，而在F2水平下，NS1和TS1处理的CO2-eq只比S0处理降低6.8%
| 表 4 不同农田管理措施对冬小麦季-夏玉米季生产周年CO2-eq的影响 Table 4 Effect of farmland management on CO2-eq intensity during winter wheat-summer maize rotation period |
|
和14.3%，所以在F1施肥水平下，S1处理会有更好的减排效果.夏玉米季的CO2-eq占全年的53%～78%，也说明夏玉米季是主要的N2O和CH4排放时期，减排措施应重点在玉米季进行.由于产量差异不同，耕作和秸秆还田对于GHGI无显著影响，而F1显现出最好的减排效果(F1 ＜F0＜F2)
3.6 N2O和CH4排放与土壤和气象因子的相关性分析研究期间(表 5)，WFPS、土壤温度与CH4排放通量均无相关关系.对于N2O，土壤NO3-含量、WFPS和土壤温度都显现出相关关系(p＜0.01) .
| 表 5 2013—2014年冬小麦-夏玉米周年N2O和CH4排放与土壤因子的相关性分析 Table 5 Correlation analysis of GHG emission and soil factors during winter wheat-summer maize in 2013—2014 |
|
本研究表明，农田管理措施对产量的影响在不同施氮肥条件下是不同的.F0条件下，T措施更有利于提高作物产量，这是由于耕作可以提高有机质的转化速率，促进养分的释放(李东升等，2009)，而免耕土壤的氮素由于不施肥氮，满足不了植物需求.在施氮肥条件下，N和T措施虽然一样氮素供应充足，但N措施更能防止土壤养分过快流失并能提高土壤的保水能力和水分利用效率，因而其产量更高(张科利，2011).整体上，S1虽然有利于提高土壤有机质、带入更多氮、磷、钾养分，提高作物产量(赵亚丽等，2014)，但实验土壤的养分含量不是作物生产的限制因子，因此对于作物产量的提高是有限的.与F1相比，F2并没有增加作物产量，且本实验从2008年开始，到2013年已经5年都维持这种趋势，说明F1完全可以实现作物高产、稳产，进一步说明在当前华北平原集约工作条件下，氮肥降低还有较大空间(Gao et al.， 2014) ，这对于到2020年我国全面实现化肥零增长具有重要意义
4.2 土壤性状和气象条件对N2O和CH4排放的影响土壤含水量是影响土壤吸收CH4的主要因素.在冬季和夏季少雨时期，随着土壤含水量下降土壤氧化吸收CH4的量呈现上升趋势，因为土壤对CH4的吸收是一个好氧过程(胡小康等，2011).WFPS增加会降低土壤的通气性，使得土壤有利于形成厌氧环境，也不利于大气中的CH4向土壤中扩散.有研究表明大气CH4向土壤的扩散速率是土壤氧化CH4的主要限制因素(Grant，1999).在整个监测期间，各处理农田土壤均为CH4汇，CH4释放多数发生在灌溉或大量降雨之后.但是在本研究中的相关性分析结果显示，CH4与WFPS和土壤温度相关性均不显著，因为旱地土壤CH4通量较低(数值较小，很多接近于0) ，土壤性状(含水量、温度、无机氮含量等)变化并不能够在CH4的吸收数值变化上相应得到体现，因此相关程度较低.再者，实验因素和土壤性状等因素对于CH4的排放/吸收是综合作用的结果，因此单一因素相关性较低.但综合作用的机理比较复杂，采用什么样的数学模型分析和预测，人们还在探讨中.
影响土壤N2O排放的关键因素为土壤NO3-含量、WFPS及土壤温度等(Davidson et al.， 2000; Ding et al.， 2011; Dobbie et al.， 1996) .有研究表明最大N2O排放发生在77%~86% WFPS之间(郑循华等，1997).在本实验中，在每次浇水或大雨之后也都会出现N2O的排放峰.在旱地土壤中，土壤温度是通过影响微生物的代谢活动及硝化和反硝化速率来影响N2O的排放(焦燕和黄耀，2003).Granli和BΦckman(1994) 研究表明，N2O排放的最适温度为25~40 ℃.过低的温度能够显著降低土壤中的硝化速率，但是却没有大幅降低反硝化速率(Meng et al.， 2005) .本研究中，大多数小区的土壤温度与N2O排放间为显著的相关关系，这表明在随着土壤温度的增加土壤中产N2O的土壤微生物活性随之增强(Okuda Hitoshi et al.， 2007) .施肥措施提供了大量的无机氮，为硝化和反硝化细菌提供了充足的底物，促进了N2O的排放(颜晓元和施书莲，2000).N2O的排放是所有环境因素综合作用的结果，而在农业生产过程中，也通常是施肥和灌溉同时进行.Liu等(2011) 的研究表明，灌溉或降雨能够显著影响N2O的排放，尤其是结合氮肥施用.本研究中，氮肥施用和灌溉措施后均出现了较为显著的N2O排放峰.因此，在农业生产过程要注重施肥与灌溉相结合的综合调控管理来降低N2O排放，即水氮联合措施应当成为华北平原温室气体减排的主要研究内容
4.3 农田管理措施对于N2O和CH4排放的影响近年来，人们对于保护性耕作技术和秸秆还田技术越来越重视.不同的耕作方式对土壤的理化性质产生不同的影响，从而直接或间接影响N2O的排放.通常来说，免耕由于对土壤翻动较少，土壤较常规耕作土壤具有更高的土壤水分含量和较小的总孔隙度，因而一般比常规耕作土壤能够排放更多的N2O(封克和殷士学，1995).在常规施肥水平条件下，免耕土壤N2O排放量接近或略高于正常翻耕土壤，而翻耕会引起土壤N2O短时期内的剧烈排放(Robertson，1999).也有研究指出与常规耕作相比，免耕降低了土壤中CO2和N2O排放，降幅分别为23%和52%(Chatskikh and Olesen，2007).本实验中，在F0条件下，由于耕作促进土壤硝化/反硝化过程的反应速率，因而N措施对于N2O的排放有降低作用.而在施氮肥条件下，由于产生N2O的底物供应充足，因而免耕和旋耕措施的N2O排放无显著差异(Grant et al.， 2006) .本研究表明，秸秆还田能够降低N2O的累积排放量，在F1施肥条件下这种效果尤为明显，主要因为秸秆高C/N比降低土壤反硝化速率，从而减少了反硝化过程中N2O的排放(潘志勇等，2004)，加上S1对于土壤有机质的显著提高(Liao et al.， 2015) ，这就为本地区秸秆还田的技术推广进一步提供了科学依据.本研究还发现，同维持作物高产稳产效益相并行的是F1对于N2O的显著降低，主要原因在于F1显著降低N2O产生的底物(NH4+或NO3-)供应(颜晓元和施书莲，2000).对于华北地区夏玉米-冬小麦周年生产来说，夏玉米季N2O累积排放量(59%~78%)占全年排放总量的较大比重，这是由于夏玉米季水、热、氮同期，创造了很好的N2O产生排放条件(Yan et al.， 2013) ，因此华北地区N2O的控制应主要从夏玉米入手.
施用氮肥、水分和温度会影响CH4排放.长期定位施肥试验的结果表明，氮肥对土壤CH4氧化的影响主要来源于铵态氮肥而不是硝态氮肥，原因在于NH4+能够抑制土壤对CH4的吸收，其可能的抑制机制为由于NH4+和CH4的氧化是相互排斥的，铵态氮肥的使用增加了土壤NH4+含量，而甲烷氧化细菌优先同化氨，从而抑制了土壤对CH4的吸收速率(Hütsch，1996).在本实验中，土壤对CH4吸收也呈现出随着施肥量增加而逐渐降低的趋势.通过对3种管理措施进行交互作用分析后发现，氮肥水平可以对CH4的排放产生极显著的影响，这与其他研究结果一致(Willison et al.， 1996; Xu，2004)
5 结论(Conclusions)华北平原集约粮食生产方式下，土壤NO3-含量、WFPS和土壤温度对N2O排放呈现出显著影响.施用氮肥能够抑制土壤对CH4的吸收，而优化氮肥使用可以有效降低N2O和CH4的排放.施氮肥条件下，免耕措施因其更有利于保存土壤养分和水分而使得作物产量更高.与常规施肥相比，优化施肥并没有降低作物产量，说明优化施肥可以实现作物高产，当地当前氮肥水平有继续降低施用量的可能.秸秆还田能够显著降低土壤N2O的排放，尤其是在施肥条件下这种效果更明显；对华北地区冬小麦-夏玉米周年生产来说，夏玉米季的N2O累积排放占全年的59%~78%，因此华北地区N2O的控制应主要从夏玉米入手，包括采用免耕措施、降低氮肥数量等.研究结果充分说明，在华北平原，秸秆还田配合优化施肥能体现出更好的减排和维持作物高产稳产的目的.
| [1] | Ball B C, Scott A, Parker J P. 1999.Field N2O, CO2 and CH4 fluxes in relation to tillage, compaction and soil quality in Scotland[J]. Soil Till Res, 53 : 29–39. |
| [2] | 曹健. 2015. 有机资源与化肥配施农业模式的农学和环境效应评价[D]. 北京:中国农业大学 |
| [3] | Cui Z L, Zhang F S, Chen X P, et al. 2008.On-farm estimation of indigenous nitrogen supply for site-specific nitrogen management in the North China plain[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 81 (1): 37–47. |
| [4] | Cui Z L, Chen X P, Zhang F S. 2010.Current Nitrogen management status and measures to improve the intensive wheat-maize system in China[J]. Ambio, 39 (6): 376–384. |
| [5] | Davidson E A, Verchot L V, Cattânio J H, et al. 2000.Effects of soil water content on soil respiration in forests and cattle pastures of eastern Amazonia[J]. Biogeochemistry, 48 (1): 53–69. |
| [6] | Ding W X, Yu H Y, Cai Z C. 2011.Impact of urease and nitrification inhibitors on nitrous oxide emissions from fluvo-aquic soil in the North China Plain[J]. Biology and Fertility of Soils, 47 (1): 91–99. |
| [7] | Dobbie K, Smith K, Prieme A, et al. 1996.Effect of land use on the rate of methane uptake by surface soils in northern Europe[J]. Atmospheric Environment, 30 (7): 1005–1011. |
| [8] | Edmeades D C. 2003.The long-term effects of manures and fertilizers on soil productivity and quality: a review[J]. Nutr Cycl Agroecosys, 66 (2): 165–180. |
| [9] | 封克, 殷士学.1995.影响氧化亚氮形成与排放的土壤因素[J].土壤学进展, 23 (6):35–42. |
| [10] | Fu R, Ruth B, Schilling R, et al. 2011.Pulse emissions of N2O and CO2 from an arable field depending on fertilization and tillage practice[J]. Agriculture Ecosystem and Environment, 144 : 61–68. |
| [11] | Gao B, Ju X T, Su F, et al. 2014.Nitrous oxide and methane emissions from optimized and alternative cereal cropping systems on the North China Plain: a two-year field study[J]. Sci Total Environ, 472 : 112–24. |
| [12] | Granli T, Boeckman O C. 1994.Nitrous oxide from agriculture[J]. Norwegian Journal of Agricultural Sciences, 12 (Suppl): 7–128. |
| [13] | Grant R. 1999.Simulation of methanotrophy in the mathematical model ecosys[J]. Soil Biology and Biochemistry, 31 (2): 287–297. |
| [14] | Grant R, Pattey E, Goddard T, et al. 2006.Modeling the effects of fertilizer application rate on nitrous oxide emissions[J]. Soil Science Society of America Journal, 70 (1): 235–248. |
| [15] | Hütsch B W. 1996.Methane oxidation in soils of two long-term fertilization experiments in Germany[J]. Soil Biology and Biochemistry, 28 (6): 773–782. |
| [16] | Hu K L, Huang Y F, Li H, et al. 2005.Spatial variability of shallow groundwater level, electrical conductivity and nitrate concentration, and risk assessment of nitrate contamination in North China Plain[J]. Environment International, 31 (6): 896–903. |
| [17] | 胡小康, 黄彬香, 苏芳, 等.2011.氮肥管理对夏玉米土壤 CH4 和N2O 排放的影响[J].中国科学 化学 (中文版), 41 (1):117–128. |
| [18] | Huang T, Gao B, Christie P, et al. 2013.Net global warming potential and greenhouse gas intensity in a double-cropping cereal rotation as affected by nitrogen and straw management[J]. Biogeosciences, 10 : 7897–7911. |
| [19] | IPCC. 2014: Summary for policymakers. In: Climate Change 2014: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Part A: Global and Sectoral Aspects. Contribution of Working Group Ⅲ to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Edenhofer, O., R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, E. Farahani, S. Kadner, K. Seyboth, A. Adler, I. Baum, S. Brunner, P. Eickemeier, B. Kriemann, J. Savolainen, S. Schlömer, C. von Stechow, T. Zwickel and J.C. Minx (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA |
| [20] | 焦燕, 黄耀.2003.影响农田氧化亚氮排放过程的土壤因素[J].气候与环境研究, 8 (4):457–466. |
| [21] | Jassal R S, Black T A, Roy R, et al. 2011.Effect of nitrogen fertilization on soil CH4 and N2O fluxes, and soil and bole respiration[J]. Geoderma, 162 (1/2): 182–186. |
| [22] | Jiang C S, Wang Y S, Zheng X H, et al. 2006.Effects of tillage-cropping systems on methane and nitrous oxide emissions from permanently flooded rice fields in a central Sichuan Hilly Area of southwest China[J]. Environmental Science, 27 : 207–213. |
| [23] | Li C, Mosier A, Wassmann R, et al. 2004.Modeling greenhouse gas emissions from rice-based production systems: Sensitivity and upscaling[J]. Global Biogeochemical Cycles, 18 (1): 523–538. |
| [24] | 李东升, 王法宏, 司纪升, 等.2009.耕作方式对土壤微生物和土壤肥力的影响[J].生态环境学报, 18 (5):8–11. |
| [25] | Liao Y, Wu W L, Meng F Q, et al. 2015.Increase in soil organic carbon by agricultural intensification in northern China[J]. Biogeosciences, 12 : 1403–1413. |
| [26] | Liu C Y, Wang K, Meng S X, et al. 2011.Effects of irrigation, fertilization and crop straw management on nitrous oxide and nitric oxide emissions from a wheat-maize rotation field in northern China[J]. Agriculture, ecosystems & environment, 140 (1/2): 226–233. |
| [27] | Lu F, Wang X K, Han B, et al. 2009.Soil carbon sequestrations by nitrogen fertilizer application, straw return and no-tillage in China's cropland[J]. Global Change Biology, 15 (2): 281–305. |
| [28] | Ma J, Ma E, Xu H, et al. 2009.Wheat straw management affects CH4 and N2O emissions from rice fields[J]. Soil Biology and Biochemistry, 41 (5): 1022–1028. |
| [29] | Malhi S S, Lemke R. 2007.Tillage, crop residue and N fertilizer effects on crop yield, nutrient uptake,soil quality and nitrous oxide gasemissions in a second 4-yr rotation cycle[J]. Soil and Tillage Research, 96 : 269–283. |
| [30] | Malhi S S, Lemke R, Wang Z, et al. 2006.Tillage, nitrogen and crop residue effects on crop yield, nutrient uptake, soil quality, and greenhouse gas emissions[J]. Soil and Tillage Research, 90 : 171–183. |
| [31] | Meng L, Ding W, Cai Z. 2005.Long-term application of organic manure and nitrogen fertilizer on N2O emissions, soil quality and crop production in a sandy loam soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 37 (11): 2037–2045. |
| [32] | Millar N, Robertson G P, Grace R R, et al. 2010.Nitrogen fertilizer management for nitrous oxide (N2O) mitigation in intensive corn (Maize) production: an emissions reduction protocol for US Midwest agriculture[J]. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 15 : 185–204. |
| [33] | Nishimura S, Akiyama H, Sudo S, et al. 2011.Combined emission of CH4 and N2O from a paddy field was reduced by preceding upland crop cultivation[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 57 (1): 167–178. |
| [34] | Nishina K, Takenaka C, Ishizuka S. 2009.Relationship between N2O and NO emission potentials and soil properties in Japanese forest soils[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 55 (1): 203–214. |
| [35] | Okuda H, Noda K, Sawamoto A, et al. 2007.Emission of N2O and CO2 and uptake of CH4 in soil from a Satsuma mandarin orchard under mulching cultivation in central Japan[J]. Journal of the Japanese Society for Horticultural Science, 76 (4): 279–287. |
| [36] | 潘志勇, 吴文良, 刘光栋, 等.2004.不同秸秆还田模式与氮肥施用量对土壤N2O排放的影响[J].土壤肥料, 5 :6–8. |
| [37] | Qin S P, Wang Y Y, Hu C S, et al. 2012.Yield-scaled N2O emissions in a winter wheat-summer corn double-cropping system[J]. Atmospheric Environment, 55 : 240–244. |
| [38] | |
| [39] | Robertson G P. 1999.Keeping track of carbon[J]. Science, 285 : 1849–1849. |
| [40] | Shang Q Y, Yang X X, Gao C M, et al. 2011.Net annual global warming potential and greenhouse gas intensity in Chinese double rice-cropping systems: a 3-year field measurement in long-term fertilizer experiments[J]. Global Change Biology, 17 (6): 2196–2210. |
| [41] | 石岳峰. 2013. 华北高产粮区作物生产系统温室气体排放规律研究[D].北京:中国农业大学 |
| [42] | Shi Y F, Wu W L, Meng F Q, et al. 2013.Integrated management practices significantly affect N2O emissions and wheat-maize production at field scale in the North China Plain[J]. Nutrient cycling in agroecosystems, 95 (2): 203–218. |
| [43] | 田慎重, 宁堂原, 王瑜, 等.2010.不同耕作方式和秸秆还田对麦田土壤有机碳含量的影响[J].应用生态学报, 21 (2):373–378. |
| [44] | 王丙文, 迟淑筠, 田慎重, 等.2013.不同留茬高度秸秆还田冬小麦田甲烷吸收及影响因素[J].农业工程学报, 29 (5):170–178. |
| [45] | 王改玲, 郝明德, 陈德立.2006.秸秆还田对灌溉玉米田土壤反硝化及N2O排放的影响[J].植物营养与肥料学报, 12 (6):840–844. |
| [46] | 王旭燕, 张仁陟, 蔡立群, 等.2015.不同施氮处理下旱作农田土壤CH4、N2O气体排放特征研究[J].环境科学学报, 35 (11):3655–3661. |
| [47] | Willison T W, Cook R, Müller A, et al. 1996.CH4 oxidation in soils fertilized with organic and inorganic-N; differential effects[J]. Soil Biology & Biochemistry, 28 (1): 135–136. |
| [48] | Xu X, Inubushi K. 2004.Effects of N sources and methane concentrations on methane uptake potential of a typical coniferous forest and its adjacent orchard soil[J]. Biol Fertil Soils, 40 (4): 215–221. |
| [49] | Yan G X, Zheng X H, Cui F, et al. 2013.Two-year simultaneous records of N2O and NO fluxes from a farmed cropland in the northern China plain with a reduced nitrogen addition rate by one-third[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 178 : 39–50. |
| [50] | 颜晓元, 施书莲.2000.水分状况对水田土壤 N2O 排放的影响[J].土壤学报, 37 (4):482–489. |
| [51] | Zhang J S, Zhang F P, Yang J H, et al. 2011.Emissions of N2O and NH3, and nitrogen leaching from direct seeded rice under different tillage practices in central China[J]. Agriculture Ecosystem Environment, 140 : 164–173. |
| [52] | 张科利, 余彭马.2011.免耕对北方旱作玉米土壤水分及物理性质的影响[J].应用生态学报, 22 (1):99–104. |
| [53] | 赵建波, 迟淑筠, 宁堂原, 等.2008.保护性耕作条件下小麦田 N2O 排放及影响因素研究[J].水土保持学报, 22 :196–200. |
| [54] | Zhao R F, Chen X P, Zhang F S, et al. 2006.Fertilization and nitrogen balance in a wheat-maize rotation system in North China[J]. Agronomy Journal, 98 (4): 938–945. |
| [55] | 赵亚丽, 薛志伟, 郭海斌, 等.2014.耕作方式与秸秆还田对冬小麦-夏玉米耗水特性和水分利用效率的影响[J].中国农业科学, (17):7–18. |
| [56] | 郑循华, 王明星, 王跃思, 等.1997.华东稻麦轮作生态系统的 N2O 排放研究[J].应用生态学报, 8 :495–499. |
| [57] | 朱小红, 马友华, 杨书运, 等.2008.施氮对农田温室气体排放的影响研究[J].可持续发展, (5):42–46. |