施氮和轮作对 黄土高原 旱 塬 区 土壤 温 室 气 体排放的影响

Abstract

农田生态系统是温室气体（N 2 O、CH 4 和 CO 2 ）重要的排放源，其排放量分 别占全球 N 2 O、CH 4 和 CO 2 总排放的 60%、50% 和 10%。全球干旱和半干旱地 区农田面积占全球农田总面积的 80%，贡献了全球粮食总产量的 60%。我国旱地 约占国土总面积的 70%，干旱半干旱耕地占总耕地面积的 43%，主要分布在西北 地区。我国西北黄土高原为典型的雨养农业区，面积 60 万 km 2 ，其中农田面积 14.58 万 km 2 ，70%属于雨养农业。施氮和轮作是本地区重要的农田管理措施。自 20 世纪 80 年代以来，化肥的投入成为本地区改善土壤肥力和作物产量的重要措 施。但是施氮和轮作对土壤温室气体排放的影响尚不完全清楚。 本研究共分为 2 个田间试验：春玉米连作试验和禾本科-豆科轮作试验。在 春玉米试验中共设置 5 个不同的氮肥处理：对照处理（不施用氮肥处理，N0）； 传统施氮处理（Con）；优化施氮处理（Opt）；优化施氮添加硝化抑制剂处理 （Opt+DCD）；优化施氮使用缓控肥处理（Opt+SR）。在轮作系统中，选取小麦- 小麦-糜子-豌豆轮作系统作为研究对象，研究不同作物轮作次序对土壤呼吸和温 度敏感性的影响。主要获得以下结论： （1）施氮显著提高了春玉米生长季土壤的累积呼吸量（P&lt;0.05），但是四个 施氮处理之间土壤呼吸无显著差异。与对照相比，施氮处理累积呼吸量 2013 年 提高了 35%，2014 年提高了 54%，但施氮显著降低了土壤呼吸温度敏感性（Q 10 ） （P&lt;0.05），施氮处理的 Q 10 较对照 2013 年降低了 27%，2014 年降低了 17%。施 氮显著提高了春玉米地上部生物量和根系生物量（P&lt;0.05）。施氮处理根系生物 量较对照处理 2013 年提高了 0.32 倍，2014 年提高了 1.23 倍。施氮对土壤温度 和水分无显著影响，根系生物量是施氮条件下导致土壤呼吸差异的重要生物因素。（2）三个优化施氮处理显著减少了 N 2 O 的年累积排放量，农田温室效应 （Global warming potential，GWP），以及总温室气体排放强度（Greenhouse gas intensity，GHGI）。与传统的 N 2 O 年累积排放量（1.9 kg N 2 O-N ha &ndash;1 ）相比，Opt+DCD 处理 N 2 O 累积排放量下降的最多（48%），其次为 Opt+SR 处理（38%），下降最 少的为 Opt 处理（28%）。施氮和大于 40 mm 降雨事件是 N 2 O 排放的主要控制因 素。其中施氮后 10 天内的排放量占全年排放量的 26%，并与施氮后 10 天内的硝 态氮平均含量呈显著的线性正相关关系。2013 年，由降雨诱导的 N 2 O 排放量占 全年的 6.4%，2014 年为 12.5%。N 2 O 排放因子变化范围为 0.12%0.55%。黄土 高原雨养区农田土壤是大气 CH 4 的弱吸收汇，不同施氮模式对大气 CH 4 的吸收 没有显著的影响。Con，Opt，Opt+DCD 和 Opt+SR 四个处理的 GWP 分别为 788， 536，344，441 kg CO 2 -eq ha &minus;1 。与传统施氮相比，Opt, Opt+DCD 和 Opt+SR 处理 的 GHGI 分别降低了 29%，54%和 42%。 （3）三种优化施氮模式虽然减少了 20%的施氮量，但并没有减少春玉米的 产量，各施氮处理的产量在 2013 年为 9.61&minus;10.46 Mg ha &minus;1 ，2014 年为 11.41-12.23 Mg ha &minus;1 。5 种施氮模式土壤剖面 0&minus;100 cm 和 100&minus;200 cm 的硝态氮残留量分别 介于：33.5&minus;148.9、24.8&minus;92.8 N kg ha &minus;1 之间。与 Con（225.9 N kg ha &minus;1 ）相比， Opt、Opt+DCD和Opt+SR土壤剖面0&minus;200 cm的硝态氮残留量降幅分别为47.2%、 48.5%和 45.5%。三种优化施氮处理之间硝态氮残留差异不显著（P&gt;0.05）。优化 施氮处理氮肥农学效率和氮肥偏生产力显著大于传统施氮处理。 （4）在小麦-小麦-糜子-豌豆轮作系统中，虽然冬小麦生长阶段土壤呼吸 （1.63 &mu;mol m &minus;2 s &minus;1 ）显著小于糜子（2.40 &mu;mol m &minus;2 s &minus;1 ）和豌豆阶段（2.21 &mu;mol m &minus;2 s &minus;1 ），但是冬小麦生长阶段的土壤呼吸温度敏感性（2.76）却显著高于糜子（1.85） 和豌豆阶段（1.47）。轮作系统中 Q 10 随着作物生长季的平均温度的升高呈现指数 下降的趋势，当温度超过 15 &deg;C 时，Q 10 趋于稳定（1.8）。此外 Q 10 随着作物生长 季的平均水分的增加而增加，但当土壤水分大于 14.7%时，Q 10 却出现下降的趋 势。在全球变暖的情况下，模拟农业生态系统土壤呼吸时（特别是耐寒作物）必 须考虑作物生长阶段的土壤温度和水分。 关键词：黄土高原；施氮；轮作；CO 2 ；N 2 O；土壤呼吸温度敏感性</p