發布時間：2021-06-28所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：有機無機配施在減少化學肥料的使用和增加土壤肥力方面起到了至關重要的作用，但針對目前的研究來看，有機肥代替化肥對蘋果園溫室氣體排放的影響尚不清楚�；� 12 年的長期定位試驗，采用靜態暗箱-氣象色譜法監測果園溫室氣體(CH4 和 N2O)排放的動態變
摘要：有機無機配施在減少化學肥料的使用和增加土壤肥力方面起到了至關重要的作用，但針對目前的研究來看，有機肥代替化肥對蘋果園溫室氣體排放的影響尚不清楚�；� 12 年的長期定位試驗，采用靜態暗箱-氣象色譜法監測果園溫室氣體(CH4 和 N2O)排放的動態變化，為準確計算蘋果園的溫室效應提供理論依據。試驗共設置 4 個處理：對照(CK)、有機肥(M)、化肥(NPK)、有機無機配施(MNPK)。結果表明，果園年生活周期內 CH4 的通量主要以吸收為主;N2O 排放的高峰均出現在施肥后。各處理溫室氣體累積排放量差異顯著(P < 0.05)，其中單施有機肥處理的 CH4累積吸收量最高，為 9.95 kg·hm-2;而對于 N2O 累積排放量來說，有機無機配施處理顯著高于單施化肥處理。相關性分析結果顯示，土壤含水量、氣溫及其硝銨態氮均為影響溫室氣體排放的因素。與單施化肥處理相比，有機無機配施可顯著增加蘋果產量，提高氮肥農學利用效率，增加 CH4 吸收量 、N2O 排放量和 N2O 排放系數，降低綜合溫室氣體排放強度。有機無機配施處理與單施化肥處理下單位產量 CH4 的累積吸收量分別為-0.04 和-0.06 kg·t -1，單位產量 N2O 累積排放通量為 0.05 和 0.07 kg·t -1，但處理間差異不顯著�？傮w來說，有機無機肥配施在保證產量的前提下更有利于蘋果園的可持續發展，是黃土高原蘋果園施肥管理的最佳選擇之一。
關鍵詞：有機肥;甲烷;氧化亞氮;溫室氣體排放強度;旱地
前言氣候變暖及其影響是國際社會共同關注和廣泛研究的焦點性問題。近年來，全球氣溫不斷上升，政府間氣候變化委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次評估報告[1]指出2011年全球大氣中二氧化碳當量濃度為430 μmol·mol-1，若不加大減排力度，未來人為溫室氣體濃度將會繼續升高，預計到2030年，二氧化碳當量濃度將超過450 μmol·mol-1，到本世紀末將超過750 μmol·mol-1，使全球地表平均溫度比工業化前(1750年)高3.7~4.8℃。甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是目前對全球氣候變化影響較大的氣體，其對溫室效應的貢獻率分別達到了14.3%和7.9%[2-3]。在100年尺度上CH4和N2O的增溫潛勢分別是CO2的25倍和298倍[4]。農業向大氣中排放的CH4和N2O是溫室氣體排放的主要來源之一，世界糧食與農業組織(FAO)權威的《2016 年糧食及農業狀況》報告指出，截止到2016年，世界上農業溫室氣體排放達到了全球排放總量的20%[5]。我國作為農業大國，農業活動產生的溫室氣體排放量在我國排放總量中所占比例為6.7%，其中N2O和CH4排放分別高達59.5% 和40.2%[6]，可以看出我國以農業為源頭排放的非CO2類溫室氣體排放量較高。因此，農用土壤中CH4 和N2O的減排對減緩氣候變暖具有重要意義。我國西北地區農業用地中旱地面積占比較大，是農業N2O排放的主要區域，其N2O排放特征及影響因素更不容忽視。
在我國西北旱地農業生產中，多數地區全年無灌溉條件，年內降雨不均;由于耕作、土地利用方式和施肥不當所引起的土壤有機質含量偏低[7]，使得土壤生產力嚴重下降，為了提高土壤肥力和日益增長的人口對食物的需求，以肥促產現象嚴重[8];隨著氮肥用量的增加氮氧化物的排放問題日益突出，此外，過量施氮會對旱地土壤氧化CH4 的能力產生負面影響，導致土壤對CH4的吸收量短暫降低[9]，這與可持續農業的發展理念背道而馳。有機肥因能夠提高土壤固碳能力，增加土壤有機碳含量[10]，同時改善土壤理化性質、并增加作物產量而被廣泛應用[11];但有研究指出，施用有機肥會增加土壤碳固的同時增加N2O的排放量[12]。 CH4排放的有關研究主要集中在稻田，在旱地中的相關研究還鮮見報道，這就表示研究旱地有機肥的施用對溫室氣體的減排顯得尤為重要。
渭北旱塬是西北地區乃至中國的蘋果主產區之一，蘋果園種植面積逐年擴增[13]，在種植生產的過程中引發了一系列環境問題，這與缺乏合理的施肥管理有直接的關系。由于不同年齡階段果樹的需肥規律和需肥量差異較大，并且成齡果樹施氮量高達1 100 kg·hm-2[14]，這無疑增加了氮肥的損失幾率;因此，與糧食作物相比，蘋果園土壤CH4和N2O的單位面積排放量較高，排放系數較大。有機無機肥配施技術作為農業可持續發展的首選，其產生的環境效益尚存分歧，有研究認為在施氮量相等的前提下，有機無機配施會顯著增加N2O的排放[15];而個別研究指出，有機無機肥配施和單施化肥處理的N2O排放沒有顯著差異[16]。此外，在等氮量施肥條件下，當有機肥代替化肥比例大于50%可以有效降低N2O的排放強度[17]，這說明有機肥代替化學肥料施用，既能對農業廢棄物進行綜合利用，減少化肥用量，還能讓有機廢棄物變“廢”為“寶”，最終全面推進農業綠色發展和可持續發展。同時，研究表明有機肥配施化肥會加速CH4的排放速率[18]，因此，有機無機肥配施對溫室氣體排放的影響還存在爭議。目前在西北地區大部分關于溫室效應的研究以旱地農田為主，國內外有關蘋果園土壤溫室氣體排放的研究鮮見報道，對蘋果園土壤CH4和N2O排放的原位觀測研究更少，這限制了我們對果園土壤CH4和N2O排放特征及其影響因子的認識。為了果園的可持續發展，維持果園生態系統的平衡，研究蘋果園溫室氣體的排放情況成為當前迫切的需要。
本研究以位于陜西省渭南市白水縣的西北農林科技大學蘋果試驗示范站的 12 年長期定位試驗果園土壤為研究對象，主要通過對渭北旱地蘋果園 4 種施肥處理下年生活周期內土壤溫室氣體的變化特征及其影響因子進行監測，以期更全面地說明單施有機肥、有機肥代替化肥及其單施化肥三種施肥模式下的溫室氣體排放規律，以便在旱地蘋果園合理施肥和有效減排方面有所突破，為旱地果園科學施肥提供理論依據，也將進一步為農業溫室氣體排放量的估算提供更充分的證據。
1 材料與方法
1.1 試驗地點概況
試驗地位于陜西省白水縣西北農林科技大學蘋果試驗站，該地區平均海拔為 850 m，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，夏季降雨較為集中，其他季節降雨量稀少，尤其在春季表現為干旱多風，年內降雨主要集中在 7、8、9 三個月，年均氣溫為 11.4 ℃，年均降水量 550 mm，無霜期為 207 d。供試品種名為“長富 2 號”，樹齡為 15 年，株高 3 m 左右，種植密度為 2 m × 4 m。試驗地土壤類型為黃墡土，土壤質地為中壤;基礎地力水平下有機質含量為 13.0 g·kg-1，全氮 1.0 g·kg-1 ,硝態氮 22.7 mg·kg-1，有效磷 15.9 mg·kg-1，速效鉀 151.3 mg·kg-1，pH 為 8.3，試驗期間大氣溫度和降雨量如圖 1 所示。
1.2 試驗設計
本試驗于 2008 年設立，共設置了四個處理：對照不施肥(CK)、單施有機肥(M)、單施化肥(NPK)、有機無機配施(MNPK)，每個處理設置 4 個重復，每個小區面積約為40 m2。有機肥秋季一次性施入，氮肥分 3 次施入(秋季 65%、坐果期 15%、膨果期 20%)，鉀肥分 3 次施入(秋季 40%、坐果期 20%、膨果期 40%)，磷肥分 3 次施入(秋季 70%、坐果期 20%、膨果期 10%)。施用肥料種類為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O5 16%)和硫酸鉀(K2O 50%)，有機肥為羊糞(有機碳 35.02 g·kg-1、全氮 6.01 g·kg-1、有效磷 P2O5 39 mg·kg-1、速效鉀 K2O 41 mg·kg-1)，施肥方式基肥為開溝施入，溝深為 40 cm;追肥為穴狀施肥，近 3 年施肥情況見表 1，其中單施化肥處理和有機無機配施處理為等氮量投入處理(有機肥中帶入的氮替代了部分化學氮肥)，單施有機肥(M)處理的氮投入量為 68 kg·hm-2，而有機無機配施(MNPK)處理中有機肥提供的氮含量為 34 kg·hm-2。
1.3 溫室氣體的采集與測定
采用靜態暗箱-氣象色譜法[11]對氣體進行監測，靜態暗箱由密閉頂箱(41.5 cm × 21.5 cm × 15 cm)和底座(40 cm × 20 cm × 20 cm)兩部分組成，材質為不銹鋼。氣體樣品的采集頻率為 2 周一次，采樣時間設定在上午 8:00—11:30，分別在扣好箱子 0、10、20、40 min 后用注射器抽取 60 mL 氣樣于真空氣袋中，并記錄箱子內的溫度(溫度計讀數)，帶回實驗室分析。
1.4 土壤樣品的采集與分析
采集氣體樣品的同時，采集底座周圍 0~20 cm 土層土壤，帶回實驗室測定基礎指標，基礎指標按照土壤農化分析中的方法測定[19]。土壤樣品的含水量利用烘干法測定;硝銨態氮采用 1 mol·L -1 的 KCl 溶液浸提，利用全自動流動分析儀(型號為 AA3)測定;土壤有機質采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定;土壤有效磷采用 0.5 mol·L -1 NaHCO3 浸提-鉬銻抗比色法;土壤速效鉀采用 1 mol·L -1NH4OAc 浸提-火焰光度法。
2 結果與分析
2.1 不同處理下 CH4 和 N2O 排放的動態變化
N2O 排放的高峰在施肥、降雨后出現(圖 2a)，各處理 N2O 排放通量在施肥后大幅提升，且不同處理間差異顯著。CK、M、NPK 和 MNPK 處理的 N2O 年均排放速率分別為：0.017、 0.022、0.048 mg·m-2 ·h-1 和 0.064 mg·m-2 ·h-1。由圖 2a 可知，基肥施入后，各處理 N2O 的排放通量出現峰值，其中排放量最高的處理為 NPK，與 MNPK 相比排放速率提高了 85.9%，且顯著高于 M 和 CK 處理。進入休眠期后各處理 N2O 排放速率基本一致并且保持在較低水平，隨著春季回暖并伴隨一定量的追肥，在 4 月 19 日出現第一次排放峰值，其中 MNPK 處理的排放量最高，值為 0.081 mg·m-2 ·h-1，顯著高于其他處理(P < 0.05);5 月 24 日 MNPK 處理的 N2O 排放通量出現全年排放的最高峰值，遠高于其他處理。9 月份各處理 N2O 排放速率處于較低水平，在第二年施入基肥后 MNPK 和 NPK 處理排放量迅速增加，排放量分別為 0.011、0.178 mg·m-2 ·h-1，與 CK 和 M 相比排放通量提升幅度較大。由此可以看出，施肥是 N2O 排放量的主要影響因素。
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在整個生育周期內 CH4的排放通量均為負值(圖 2b)，各處理排放通量變化范圍在 0.004 ~ 0.453 mg·m-2 ·h-1，這說明 CH4 在旱地以吸收為主。總體而言，各處理的 CH4 排放速率基本一致，春夏季吸收量較高，冬季吸收速率較低，其中 CK、 M 、NPK 和 MNPK 的平均吸收速率分別為 0.036、0.128、0. 045 mg·m-2 ·h-1 和 0.051 mg·m-2 ·h-1。5 月 10 號各處理達到最高排放的峰值，吸收速率最高的是 M 處理，最低的為 NPK 處理。從各處理的 CH4 吸收通量來看，甲烷在旱地蘋果園中是一個較弱的匯，因此研究渭北旱地果園溫室氣體排放時可以不考慮甲烷的源和匯。
2.2 不同處理下土壤硝態氮(NO3 - -N)和銨態氮(NH4 + -N)的變化
土壤 NH4 + -N 含量和 NO3 - -N 含量在年生活周期內變化幅度較大，尤其在施肥之后，NPK 和 MNPK 處理的土壤中 NH4 + -N 含量和 NO3 - -N 含量出現不同程度的峰值，而 CK 和 M 處理土壤中 NH4 + -N 含量和 NO3 - -N 含量基本保持不變。土壤 NH4 + -N 含量在第一次施入基肥和第一次追肥后有所升高，其中 NPK 處理的土壤 NH4 + -N 含量最高(圖 3a)，在 5 月 10 日出現最高的峰值，而在 5 月 24 日土壤 NH4 + -N 含量沒有出現峰值;從圖 3b 中可以看出，施肥以后，MNPK 處理與 NPK 處理下土壤 NO3 - -N 含量顯著增加，年生育周期內 MNPK 處理與 NPK 處理土壤 NO3 - -N 含量的變化范圍分別為：4.83 ~ 590.65 mg·kg-1 和 12.98 ~ 652.48 mg·kg-1，在 5 月 24 日土壤 NO3 - -N 含量出現峰值，并且第二次基肥施入以后，硝態氮的含量再一次出現峰值，其中 MNPK 和 NPK 處理土壤硝態氮含量顯著高于 CK 和 M 處理。說明施用化學氮肥對土壤 NH4 + -N 和 NO3 - -N 含量影響較大。
2.3 N2O 和 CH4 累積排放量、綜合溫室效應和溫室氣體排放強度
在一個年生活周期內 N2O 累積排放量的范圍在 1.58 ~ 4.78 kg·hm-2， MNPK、NPK 和 M 處理的 N2O 累積排放量與 CK 處理相比分別增加了 26.1%、137.8%和 202.5%，各處理之間均達到差異性顯著水平(P < 0.05)。CH4 累積吸收量最高的為 M 處理，并且 M 處理的 CH4 累積吸收量均顯著高于其他處理(P < 0.05)。CK、M、NPK 和 MNPK 處理的溫室氣體排放總 CO2 當量分別為 398.51、321.56、1 038.49 和 1 311.69 kg·hm-2，不同處理間呈顯著差異。MNPK 處理的溫室氣體排放強度相比 CK 和 NPK 處理分別降低了 20.5%和 22.8%，但 CK 和 NPK 處理之間差異性不顯著。
2.4 產量、氮素偏生產力、N2O 排放系數和單位產量溫室氣體的排放系數
年生活周期內蘋果園各處理的產量差異顯著(表 3)。其中 MNPK 處理的產量效益最高，與 NPK 處理和 M 處理相比產量分別提高了 63.5%、45.7%，而 NPK 處理與 M 處理之間差異不顯著，但產量減少了 10.9%。與單施化肥處理相比，MNPK 處理的氮肥農學效率較 NPK 處理增加了 114.3%，N2O 排放系數增加了 51.5%;MNPK 處理和 NPK 處理下單位產量 N2O累積排放量分別為0.05、0.07 kg·t −1，而單位產量CH4累積吸收量分別為：-0.04和-0.06 kg·t −1，但兩處理間差異不顯著。
2.5 溫室氣體排放與各影響因子之間的相關性分析
表 4 的相關性分析表明，CH4 排放量與土壤土壤含水量、NO3-N 和 NH4 + -N、氣溫均呈顯著負相關關系(P<0.05);N2O排放量與土壤NO3-N和溫度呈顯著正相關，而與土壤NH4 + -N 含量和含水量無相關性。由此可見，土壤水分、氣溫和土壤 NO3-N、土壤 NH4 + -N 是影響溫室氣體排放的主要因素。
3 討論
3.1 不同處理對 CH4 排放量的影響
土壤 CH4 的平衡受產甲烷菌的產生和甲烷氧化菌的消耗所控制，在旱地土壤中，甲烷氧化菌的活性較強，CH4 的排放量均為負值，這說明 CH4 主要以吸收為主[11]。本研究的結果表明，旱地果園施用有機肥增加了土壤 CH4的吸收量(圖 2b)，其中單施有機肥處理甲烷累積吸收量顯著高于其他處理，而 MNPK 處理相比 M 處理而言 CH4 累積吸收量減少一半。長期施用有機肥可以改善土壤結構，增加土壤孔隙度，提高土壤透氣性[24]，使土壤中的氧氣含量增加。而甲烷氧化菌是以甲烷作為唯一碳源和能源，將甲烷氧化為二氧化碳和水的好氧型細菌，有機肥的施用會提高甲烷氧化菌的數量[25]，在好氧條件下，CH4 容易被甲烷氧化菌氧化而減少土壤中 CH4 的排放量。這說明蘋果園年生育周期內施用有機肥一方面可以降低化學肥料的用量，同時有效減緩旱地果園 CH4 的排放量，另一方面可以解決有機廢棄物所產生的的環境污染，提高有機肥的資源利用率;并且施用糞肥類有機肥的生產成本低，與化肥相比可以減輕農民的經濟負擔。另外，CH4 吸收通量與土壤 NH4 + -N 的含量呈顯著負相關(表 4)。孫海妮等[11]的研究結果表明土壤銨態氮含量與 CH4 的氧化量相互排斥，當土壤 NH4 + -N 含量降低時，其 CH4 的吸收量反而增加了。這一方面是因為施肥以后土壤中高濃度的 NH4 + -N 與 CH4 氧化菌存在競爭關系，限制了 CH4 氧化菌的生長和活性，導致 CH4 氧化吸收量降低，從而增加了 CH4 的排放通量，降低其吸收量[26]，另一方面，有機肥作為外加碳源投入土壤中后，為土壤微生物的活動提供了碳源，進一步提高了土壤微生物的活性，促進了土壤中的氨氧化過程，降低了土壤銨態氮的含量，從而增加了 CH4 的吸收量[11]。土壤CH4 吸收量與土壤含水量呈線性負相關的關系(表 4)。含水量的增加使土壤空氣中的氧氣含量和氣體擴散系數隨著含水量的增多而降低，使土壤形成厭氧狀態，不利于土壤甲烷氧化菌的生長，從而使 CH4 吸收量降低[11]。這說明含水量和施用有機肥對土壤甲烷排放通量產生了一定的影響。本研究顯示施用有機肥會顯著降低 CH4 累積排放通量，其中單施有機肥處理的減排效果最好。但從研究結果來看，甲烷在旱地蘋果園中的排放量較低，基本可以忽略不計。
3.2 不同處理對 N2O 排放量的影響
農業土壤中N2O的產生主要是在一些微生物的參與下通過硝化和反硝化兩種途徑完成;土壤中氧化亞氮的產生主要受底物碳、氮含量的影響，底物碳充足時，氧化亞氮的排放主要受氮供應水平的制約;底物氮充足時，氧化亞氮的排放主要受碳供應水平的制約[27]。有機無機肥配施是目前比較理想的施肥制度，不但可以使化學肥料減施，還可以推動畜禽糞污、沼渣沼液和農作物秸稈等有機廢棄物綜合利用，從而讓農村生態環境得到有效治理。一般我們認為該施肥制度可以增產的同時減少環境的負面影響。而在本研究中，施肥可顯著增加年生育周期內N2O累積排放量(表2)，其中MNPK處理的N2O排放通量顯著高于NPK處理。董玉紅等[28]的研究表明，在等氮量的情況下，有機無機配施處理的N2O排放通量高于單施化肥處理，這與本研究的結果一致。這可能是因為單施化肥處理為土壤微生物提供了足夠多的底物氮，氧化亞氮的排放受碳供應水平的制約[29]，也可能是配施有機肥為參與氮循環的相關微生物提供了充足的碳源，增加了土壤微生物的活性，從而促進了土壤N2O的排放[30]。另有研究表明，化肥合理配施有機肥可以有效降低N2O排放量[31]。其主要原因是施入有機肥后，糞肥有機肥礦化速率較緩慢，而土壤微生物在參與養分礦質化的過程中需要固定土壤的氮素，從而降低了土壤微生物可直接利用的無機氮含量[30]。目前關于有機無機配施對土壤N2O的排放起促進作用還是抑制作用還尚無定論，有機無機配施對N2O排放的影響的研究還有待于進一步加強。此外，在本研究中N2O排放通量與硝態氮含量和溫度呈正相關，而與土壤含水量無顯著相關性。這可能是旱地果園降雨稀少，土壤水分大部分被果樹根系吸收利用，參與硝化和反硝化過程的水分較少，而施肥和氣溫對N2O的排放所產生的影響掩蓋了含水量在氧化亞氮產生過程中的作用。這說明除施肥以外，溫度也是影響N2O排放通量的因子之一。 ——論文作者：馬艷婷 1,2，趙志遠 1,2，馮天宇 1,2，Sompouviset Thongsouk 1,2，孔 旭 1,2，翟丙年1,2,3*，趙政陽 3
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