文章信息
- 陈晨, 王春隆, 周璐瑶, 吴玲玲, 张钰婷, 熊正琴
- CHEN Chen, WANG Chunlong, ZHOU Luyao, WU Lingling, ZHANG Yuting, XIONG Zhengqin
- 施用生物炭和硝化抑制剂对菜地N2O排放和蔬菜产量的影响
- Effects of biochar and nitrification inhibitor amendment on N2O emissions and vegetable yield under intensive vegetable production
- 南京农业大学学报, 2017, 40(2): 287-294
- Journal of Nanjing Agricultural University, 2017, 40(2): 287-294.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201605002
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文章历史
- 收稿日期: 2016-05-03
蔬菜种植面积在我国迅速扩大, 播种面积由1980年的316万hm2(占农作物总播种面积的2.2%) 发展到2014年的21 405万hm2(占农作物总播种面积的12.4%)[1]。菜地是一种具有施肥量大、复种指数高和灌溉频繁等特点的特殊旱地生态系统, 其种植方式易引起氮肥利用率下降[2]、氮素淋失[3]和土壤酸化[4]等一系列环境问题。氮肥的过量施用也会引起菜地生态系统N2O的大量排放[5]。因此, 寻找切实可行的减排措施, 缓解菜地生态系统农业活动排放温室气体带来的环境压力已成为当务之急。
田间施用生物炭 (biochar) 和硝化抑制剂双氰胺 (DCD) 是目前被广泛应用的增加作物产量、提高氮肥利用率、实现固碳减排的有效措施[6]。生物炭是生物残体在缺氧情况下, 经高温裂解 (350~600 ℃) 产生的固体产物, 近年来作为一种良好的N2O减排措施被广泛应用于各类试验中[7]。施用生物炭显著增加土壤碳固持[8]、提高氮肥利用率、提高作物产量[9], 还可以平均降低54%的农业生态系统N2O排放[10], 因此生物炭可以作为应对气候变化和增汇、增产的双赢途径应用于农业生态系统。DCD是目前研究施用最广泛的硝化抑制剂, 它可以通过抑制硝化过程中的氨氧化微生物或者相关酶的活性, 来有效延缓铵态氮 (NH4+-N) 转换成硝态氮 (NO3--N) 的氧化过程[11], 保持土壤长时间NH4+-N的高含量, 有效缓解NO3--N累积, 进而减少土壤中N2O的排放。目前有关硝化抑制剂的研究多侧重于DCD对农田土壤氮素转化的影响[12], 对菜地土壤N2O减排效果的研究较少[13], 鲜见生物炭和硝化抑制剂联合施用对菜地生态系统N2O排放影响的研究。因此, 本研究采用静态暗箱-气相色谱法, 对比研究在常规施肥的条件下联合施用与单独施用生物炭和DCD对集约化蔬菜地土壤N2O排放和蔬菜产量的影响, 以期为农业生态系统温室气体减排研究提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地点田间试验地点位于南京某集约化种植菜地 (32°01′N, 118°52′E), 属于典型的长江中下游亚热带季风气候, 年均气温15.4 ℃, 年均降水量1 107 mm。该地区是南方集约化蔬菜生产的典型代表, 有10多年的蔬菜种植历史, 每年种植3~5茬蔬菜, 每年氮肥施用量约为1 000 kg·hm-2。本试验是在当地农民连续种植蔬菜的基础上进行。试验地土壤属于灌淤人为土, 含黏粒30.1%、粉粒64.7%和砂粒5.2%, 质地为粉黏壤土。试验土壤表土 (0~15 cm) 容重1.0 g·cm-3。试验所用生物炭由中国科学院南京土壤研究所制备, 是玉米秸秆400 ℃热分解所得试验产物, 非商业化生产。试验所用土壤表土及生物炭性质见表 1。生物炭速效氮和速效磷含量分别为14.4和806.7 mg·kg-1。Ca、Mg和Fe的含量为5~8 g·kg-1。Mn、Cu和Zn等微量元素含量为200~300 mg·kg-1。
| 样品 Sample |
pH (H2O) | CEC/(cmol·kg-1) | OC/(g·kg-1) | 总氮/(g·kg-1) Total N content |
总磷/(g·kg-1) Total P content |
总钾/(g·kg-1) Total K content |
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| 土壤Soil | 4.2 | 31.2 | 15.9 | 2.1 | — | — | |
| 生物炭Biochar | 10.4 | 24.1 | 51.1 | 13.4 | 2.5 | 13.4 | |
| 注:CEC:阳离子交换量Cation exchange capacity; OC:有机碳Organic carbon | |||||||
试验蔬菜产地连续种植‘柳叶空心菜’‘上海青’‘青梗香菜’和‘卷心生菜’等四季蔬菜。施肥量参照当地农民常规, ‘柳叶空心菜’‘上海青’和‘青梗香菜’的每年总施氮量分别为418(基肥313, 追肥115)、313和313 kg·hm-2。‘青梗香菜’和‘卷心生菜’季生育期较短不施肥, 肥料在‘青梗香菜’季后的‘卷心生菜’季末施用。
试验共设置4个处理:U:单施尿素; UB:尿素与生物炭配施; UD:尿素和DCD配施; UBD:尿素、生物炭和DCD联合配施。DCD用量是氮肥施用量的5%[14]。生物炭施用量为30 t·hm-2, 在首季主材种植前人工施入表层土壤 (0~20 cm) 并混合均匀。施肥时与尿素混匀撒施, 磷肥 (钙镁磷肥, 含P2O5 14%) 和钾肥 (氯化钾, 含K2O 63.2%) 按m(N):m(P2O5):m(K2O)=1:1:1的比例施入。每个小区面积为6 m2(3 m×2 m), 每个处理设置3次重复。
蔬菜周年生产和观测期起自2012年7月, 终于2013年7月。2012年7月试验地安装塑料大棚以保持蔬菜生长所需温度。试验蔬菜生产按当地农民常规管理, 包括蔬菜品种、施肥量和施用方法、耕作、灌溉、除虫和杂草控制等田间管理与当地农民管理方式保持一致。每季蔬菜收割后进行翻耕操作以保持土壤通气性, 前两季蔬菜生长季后休耕约45 d, 以避免发生蔬菜连作障碍。
1.3 气体采集与分析采用静态暗箱-气相色谱法测定菜地N2O排放通量。采样时间为2012年7月11日至2013年7月10日, 通常气体每周观测1次, 施肥和灌溉后2~3 d采样1次, 持续7~10 d。采样时间为09:00—11:00, 在箱子封闭后的0、10、20和30 min, 分别用注射器抽取箱内气体25 mL。于采样后12 h内测定气体样品。每次观测同时测定采样箱内温度和大气温度。
采用气相色谱仪 (Agilent 7890A, USA) 测定样品中N2O浓度, 检测器为ECD。通过对每组4个样品目标气体的浓度和相应时间间隔进行线性拟合, 便可求得N2O排放通量。N2O排放通量计算公式:F=ρ×h×(dC/dt)×273/(273+T)。式中:F为气体通量 (mg·m-2·h-1); ρ为标准状态下气体流动时的密度 (mg·m-3·h-1); h为箱子高度 (m); dC/dt为采样箱内的气体浓度变化率; T为采样过程中采样箱内的平均温度 (℃)。
1.4 土壤理化性质、蔬菜生物量和单位产量N2O排放量测定在每个采气点采集0~10 cm的表层土, 采用烘干法测定土壤含水量。土壤充水孔隙度 (water filled pore space, WFPS) 根据每次测定的土壤含水量与试验地的土壤容重计算得到, 计算公式为:WFPS=(土壤含水量×土壤容重)/土壤总孔隙度; 土壤总孔隙度=(1-土壤容重/2.65)×100%。
分别于2012年10月16日、2013年2月16日和2013年7月10日 (分别为‘柳叶空心菜’‘上海青’和‘卷心生菜’收获季) 采集0~15 cm表层土壤用于室内分析。采用重铬酸钾容量法测定有机碳 (SOC) 含量; 采用开氏法[15]测定全氮 (TN) 含量; 采用精密pH计 (PHS-3C) 测定pH值。每季蔬菜收获后, 收取试验小区内所有植株, 称量鲜质量。
单位产量N2O排放量计算公式:单位产量N2O排放量 (kg·t-2)=N2O排放通量 (kg·hm-2)/蔬菜产量 (t·hm-2)。
1.5 数据分析采用Microsoft Excel 2007和SigmaPlot 12.5软件进行数据计算和图表制作, 采用JMP 9.0软件对不同蔬菜生长季WFPS、土壤温度进行方差分析, 采用Tukey法对不同处理土壤理化性质及各蔬菜生长季N2O排放量、蔬菜产量和单位产量N2O排放量进行多重比较 (α=0.05)。
2 结果与分析 2.1 土壤气候和理化性质变化在整个周年观测期内, 各处理的WFPS和土壤温度之间没有显著差异 (图 1)。观测期内第1周平均WFPS为89%, 显著高于随后1年观测期内WFPS (28%~75%)。虽然在2012年9月14日至2013年3月17日试验田进行覆膜操作, 但土壤温度的变化与大棚外气温的季节变化一致。不同蔬菜生长季的WFPS和土壤温度均存在显著差异 (P < 0.01), 表现为夏季高, 冬季较低。
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图 1 周年和不同蔬菜生长季菜地土壤充水孔隙度 (WFPS) 和土壤温度的变化 Figure 1 Dynamics of soil water filled pore space (WFPS) and soil temperature over 1-yr or different planting seasons 不同小写字母表示处理中位数之间存在显著差异 (P < 0.05), 箱中的线条表示所有数据的中位数。 Different lower case letters indicate significant differences between treatment medians (P < 0.05). The lines in the box represent the median of all data. |
由表 2可知, 与常规施肥 (U) 处理相比, 单独施用生物炭 (UB) 处理显著增加土壤总氮 (TN) 含量 (P < 0.05)。施用生物炭, UB处理的SOC含量显著增加28.3%, UBD处理的SOC含量显著增加23.1%(P < 0.05), 而对土壤pH值没有显著影响。与相应未施用DCD (U和UB) 的处理相比, 施用DCD的UD和UDB处理, 其TN和SOC含量没有显著差异 (P>0.05)。土壤pH值平均显著提高了18.1%, UD处理提高10.8%, UBD处理提高25.3%(P < 0.05)。
| 处理 Treatment |
全氮含量/(g·kg-1) TN content |
有机碳含量/(g·kg-1) SOC content |
pH值pH value | ||
| ‘柳叶空心菜’收获季 (98 d) ‘Swamp morning glory’ harvest saeson |
‘上海青’收获季 (221 d) ‘Shanghaiqing’harvest season |
‘卷心生菜’收获季 (364 d) ‘Iceberg lettuce’ harvest season |
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| U | 1.96±0.04b | 15.9±0.2b | 4.20±0.01b | 4.40±0.06b | 4.82±0.05b |
| UB | 2.14±0.03a | 20.4±0.5a | 4.30±0.01b | 4.40±0.07b | 4.47±0.03b |
| UD | 2.06±0.03ab | 15.6±0.6b | 4.85±0.03a | 5.29±0.20a | 5.34±0.07a |
| UBD | 2.08±0.02ab | 19.2±0.5a | 4.96±0.13a | 5.71±0.20a | 5.60±0.16a |
| 注:1) U:单施尿素; UB:尿素和生物炭配施; UD:尿素和DCD配施; UBD:尿素、生物炭和DCD联合配施; 2) 括号内数字表示试验开始后时间; 3) 同列不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05)。 Notes:1) U:Urea; UB:Urea+biochar; UD:Urea+DCD; UBD:Urea+biochar+DCD; 2) Figures in brackets denote the number of days after the start of the trail; 3) Different letters in the same column represented significant difference among treatments at 0.05 level.The same as follows. |
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如图 2所示, 各处理菜地N2O排放通量的季节性变化规律基本一致, 土壤N2O周年总排放量为24~28 kg·hm-2。‘柳叶空心菜’生长季 (2013年7月10日至10月21日) N2O排放通量为13.4~4 942.6 μg·m-2·h-1, 施肥和追肥之后呈增加趋势, 在7月初到8月初由于温度较高、降水频繁 (图 1), 出现N2O排放峰; ‘上海青’生长季 (2012年11月1日至2013年2月23日) 由于温度低 (平均10.5 ℃), 水分灌溉减少, 在施肥后没有出现N2O排放峰, 菜地N2O排放通量变化范围为2.9~297.8 μg·m-2·h-1; ‘青梗香菜’生长季 (2013年3月7日至5月20日) 由于温度较低 (平均15.9 ℃), 施肥后没有出现明显的N2O排放峰, 菜地N2O排放通量变化范围为2.9~344.2 μg·m-2·h-1; 随后的‘卷心生菜’生长季 (2013年5月23日至7月10日) N2O排放通量为31.4~1 363.1 μg·m-2·h-1, 初期因为施肥无N2O排放峰, 但随着温度的上升及WFPS增加, 土壤中较高含量的无机氮素加速转化, N2O排放量随之增加。
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图 2 菜地土壤N2O排放的季节动态变化 Figure 2 Seasonal dynamics of soil N2O fluxes under four treatments over each planting seasons 实线箭头表示基肥/追肥和播种期, 虚线箭头表示收获期, 数值为平均值±SE (n=3)。 The solid arrows indicate basal/topdressing fertilization and sowing periods and dashed arrows indicate harvesting periods. Values represent mean±SE(n=3). |
U、UB、UD和UBD处理的周年N2O累积排放量分别为27.28、25.58、24.51和25.75 kg·hm-2, 处理间均没有显著差异。与常规施肥 (U) 处理相比, UB、UD和UBD处理显著降低了‘上海青’和‘青梗香菜’季的土壤N2O排放, 对‘柳叶空心菜’‘卷心生菜’生长季和周年N2O累积排放量均没有显著影响 (P>0.05), 生物炭和DCD单独施用或联合施用的周年N2O累积排放量没有显著差异 (图 3-A)。与UB和UD处理相比, UBD处理 (低温阶段, 即在‘上海青’和‘青梗香菜’生长季的2012年11月至2013年5月), N2O排放量没有显著差异。
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图 3 不同处理各蔬菜生长季土壤N2O累积排放量 (A)、蔬菜产量 (B) 和单位产量N2O排放量 (C) Figure 3 Soil cumulative N2O emissions (A), vegetable yield (B) and yield-scaled N2O emissions (C) under four treatments in each planting season |
U、UB、UD和UBD处理的周年蔬菜产量分别为117.09、230.86、257.67和259.81 t·hm-2。与常规施肥 (U) 处理相比, UB、UD和UBD处理周年蔬菜产量显著增加 (图 3-B), 分别提高了103%、129%和134%, 其中‘柳叶空心菜’产量增幅显著, ‘上海青’‘青梗香菜’‘卷心生菜’生长季产量增幅不显著。
U、UB、UD和UBD处理的周年单位产量N2O排放量分别为0.23、0.11、0.11和0.10 kg·t-1。周年单位产量N2O排放量为0.10~0.23 kg·t-1。与常规施肥 (U) 处理相比, 除UD处理在‘上海青’生长季无显著差异外, UB、UD和UBD处理各蔬菜生长季单位产量N2O排放量均显著降低 (P < 0.05), 周年单位产量N2O排放量 (N2O排放强度) 分别降低了110%、130%和130%(图 3-C)。与UB和UD处理相比, UBD处理各蔬菜生长季和周年单位产量N2O排放量的降幅均不显著。
3 结论与讨论 3.1 种植菜地N2O排放的周年动态蔬菜种植地的N2O周年总排放量为24~28 kg·hm-2, 这与我国其他菜地N2O总排放量 (8.2~66.6 kg·hm-2) 观测结果量值相似[16]。菜地土壤氮肥施用量大, 氮素不能完全被作物吸收利用, 氮素利用率下降, 导致菜地生态系统中N2O大量排放。在本研究周年连续种植4季蔬菜下, ‘柳叶空心菜’和‘卷心生菜’生长季菜地N2O累积排放量大, 而‘上海青’和‘青梗香菜’生长季相对较小, 这主要与不同蔬菜生长季节温度和降水的分布变化规律有关[17]。高N2O排放通量主要集中在‘卷心生菜’‘柳叶空心菜’和‘上海青’季的5—10月, 而‘柳叶空心菜’季的6—8月是N2O累积高峰期。本研究中, 夏季土壤温度高, 降水量大, 水热条件有利于菜地土壤N2O的排放。而且, 夏季土壤较高的WFPS, 造成土壤水分的蒸发散失和干湿频繁交替的土壤环境, 促进土壤中氮素的转化过程, 这也会引起N2O排放量的增加。
‘柳叶空心菜’种植季的N2O累积排放量占周年总累积排放量的58.7%~70.4%, 主要原因可能是‘柳叶空心菜’为多茬叶菜类蔬菜且种植时间长 (103 d)。此外, ‘柳叶空心菜’种植期间土壤温度较高 (平均24.1 ℃) 和降雨频繁, 促进土壤中无机氮素的硝化和反硝化过程, 从而导致土壤N2O的大量排放。
3.2 生物炭或硝化抑制剂单独施用对N2O排放、蔬菜产量和N2O排放强度的影响本试验结果表明, 施用生物炭虽显著降低了低温阶段 (2012年11月至2013年5月) 土壤N2O排放, 但是对菜地N2O周年总排放量没有显著影响。van Zwieten等[18]室内培养试验研究表明, 施用生物炭显著降低酸性红壤N2O排放。生物炭降低生态系统N2O排放主要是通过提高土壤pH值、改善土壤通气性[10]和改变氮素转化途径[7]等方式来实现的。然而, 也有少数研究结果[19]与本研究结果一致, 比如, 施用生物炭对芒属生态系统[20]和葡萄园生态系统[21]N2O周年总排放均没有显著影响。本研究中, 施用生物炭对菜地生态系统N2O周年总排放量没有显著影响的原因可能是:1) 与施用生物炭相比, 氮素的生物有效性对土壤N2O排放的影响更为明显[16]。氮肥的过量施用可能会掩盖生物炭对土壤氮素周转影响的体现, 如生物炭对无机氮的吸附或硝化速率的减缓[7]等。土壤温度和湿度会影响氮肥的生物有效性, ‘上海青’和‘青梗香菜’生长季施用生物炭显著降低了土壤N2O排放, 这主要是由于较低的土壤温度和湿度抑制了氮素的有效性。2) 氮肥与生物炭施用比例也会影响菜地生态系统N2O排放。Zhou等[22]在稻田生态系统中, 发现250 kg·hm-2氮肥配施40 t·hm-2生物炭可以显著减少土壤N2O的排放量, 但配施20 t·hm-2生物炭则没有显著的减排效果。本研究中, 相比于氮肥施用量1 044 kg·hm-2, 配施30 t·hm-2生物炭没有达到显著减排效果。3) 生物炭可以显著降低中性和碱性土壤N2O排放, 但对pH值小于5的酸性土壤N2O排放没有显著影响[10]。本研究初始土壤pH为4.2, 施用生物炭1年后, 土壤pH为4.7, 仍然表现为土壤酸化。4) 生物炭热解温度对土壤N2O减排效果也会产生影响[23]。本研究中施用的生物炭是玉米秸秆在400 ℃条件下热分解所得产物, 热解温度偏低。
施用硝化抑制剂显著降低了低温阶段的N2O排放量, 但对N2O周年总排放并没有显著影响, 这与之前DCD减少N2O周年总排放量的研究结果[24]并不一致。Di等[24]对牧场草地研究发现, 施用DCD可以显著减少NO3--N淋失, 降低N2O排放。首先, 温度是影响硝化抑制剂在土壤中效果的重要因素。土壤温度高时, DCD挥发和降解速率加快, 半衰期缩短。DCD的效果随温度升高而降低[25], 在早春或晚秋时的使用效果明显优于气温较高的晚春和夏季[25]。本研究中, 低温阶段施用DCD显著降低了土壤N2O排放量, 而高温阶段 (2012年7至10月, 2013年6至7月) 则没有显著效果。其次, 土壤水分也会影响硝化抑制剂在土壤中的作用效果。夏季降水量大、灌溉频繁, 导致土壤条件比较湿润, 且DCD水溶性高、移动性强, 易发生与NH4+的分离现象, 逐渐向土壤下层移动, 甚至发生淋溶损失[26], 直接影响DCD在菜地土壤中的抑制效果。再次, 土壤性质也会影响硝化抑制剂的有效性。本研究试验地土壤为粉黏壤土, 菜地频繁灌溉导致土壤条件比较湿润。
单独施用生物炭或硝化抑制剂均显著提高周年蔬菜总产量, 该试验结果与已有研究结果基本一致, 余光辉等[27]研究表明硝化抑制剂可降低菜园土NO3--N含量并显著增加小白菜产量。生物炭增加蔬菜产量主要由于生物炭能够改良土壤的理化性质, 增加土壤有机碳含量, 为微生物提供足够碳源; 生物炭较大的内表面积可以吸附充足养分, 提高交换性K、Ca、Mg和Na含量, 为微生物群落的生存提供空间[27-28]; 另外, 生物炭还可以提高氮肥利用率[9], 提高土壤固持氮素的有效性, 促进植株对氮素的吸收利用, 进而提高蔬菜产量。硝化抑制剂增加蔬菜产量主要是有效缓解土壤酸化; 直接抑制土壤中氮素硝化作用, 保持较高的NH4+-N含量, 减少NO3--N损失, 增加氮素有效性, 提高蔬菜产量。
研究单位产量N2O排放量将N2O排放量与蔬菜产量相结合, 能够兼顾环境效益与粮食安全, 是可持续发展的重要评价指标。本研究中, 施用生物炭通过降低N2O排放 (低温阶段) 和提高蔬菜产量, 显著降低各蔬菜生长季单位产量N2O排放量。然而, Suddick等[29]的研究指出, 施用生物炭对蔬菜轮作系统单位产量N2O排放量没有显著影响。本试验结果显示, 施用DCD显著降低各蔬菜生长季单位产量N2O排放量, 与杨威等[30]的研究结果相一致, 施用DCD从降低N2O排放量 (低温阶段) 和增加蔬菜产量两方面降低单位产量N2O排放量。因此, 施用生物炭或DCD是可以将环境效益和粮食效益有效结合的施肥模式, 是菜地生态系统减排增产的有效措施之一。
3.3 联合施用生物炭和硝化抑制剂对N2O排放、蔬菜产量和单位产量N2O排放量的影响在本研究中, 生物炭和硝化抑制剂联合施用对菜地土壤N2O周年总排放没有显著影响。然而, Treweek等[31]短期田间试验表明, 单独施用DCD, 其N2O减排效果显著优于生物炭和DCD联合施用。本研究中, 与单独施用生物炭或硝化抑制剂相比, 二者联合施用对菜地生态系统低温阶段N2O排放没有显著影响, 表明生物炭和硝化抑制剂对低温阶段N2O排放没有明显的叠加作用。该结果与李博等[32]的周年菜地生态系统结果相一致, 二者联合施用对土壤N2O周年总排放没有明显的交互效应。
本试验中, 生物炭和硝化抑制剂联合施用对蔬菜产量的增产效果并不优于二者单独施用。该结果与陈少毅等[33]的研究结果并不一致。本试验中二者联合施用增产效果不优于单施, 可能是由于打破了蔬菜对氮、磷、钾等营养元素吸收的平衡。虽然联合施用促进了对氮钾元素的吸收, 但离子竞争抑制了磷、钙、镁等元素的吸收[34]; 也可能是由于生物炭和硝化抑制剂联合施用导致了土壤离子浓度的降低[35], 具体原因还有待研究。
本文结果显示, 生物炭和硝化抑制剂单独施用或联合施用均显著降低单位产量N2O排放量, 但与二者单施相比, 联合施用效果并不显著, 这主要是由于联合施用对N2O排放和蔬菜产量的影响均不显著。本研究中常规施肥条件下, 单独施用生物炭或硝化抑制剂均可以显著减少对环境的影响, 还可以增加蔬菜产量, 但二者联合施用的环境效益和蔬菜产量并不优于二者单施, 因此关于生物炭和硝化抑制剂联合施用对菜地N2O排放和蔬菜产量的综合影响还需要进一步研究。
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