不同覆蓋措施對(duì)黃土高原旱作農(nóng)田N2O通量的影響

劉全全，王　俊，付　鑫，劉文兆，Upendra M. Sainju

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710127; 2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100；3.USDA-ARS Northern Plains Agricultural Research Laboratory Sidney MT 59270 USA)

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不同覆蓋措施對(duì)黃土高原旱作農(nóng)田N2O通量的影響

劉全全1，王俊1，付鑫1，劉文兆2，Upendra M. Sainju3

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710127; 2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100；3.USDA-ARS Northern Plains Agricultural Research Laboratory Sidney MT 59270 USA)

摘要：為研究秸稈和地膜覆蓋條件下旱作冬小麥田N2O通量變化及水熱狀況，在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定了冬小麥種植期間無(wú)覆蓋處理(CK)、地膜覆蓋處理(PM)、全年覆蓋秸稈處理4 500 kg·hm-2(M4500)和全年覆蓋秸稈9 000 kg·hm-2處理(M9000)土壤N2O排放通量，并同步測(cè)定了土壤水分、土壤溫度和氣溫。研究表明：CK、PM、M4500和M9000處理生育期內(nèi)N2O通量范圍分別為17.24～321.86、19.03～388.00、21.57～344.53 μg·m-2·h-1和24.77～348.42 μg·m-2·h-1，生育期內(nèi)N2O平均排放通量分別為110.64、146.48、131.31 μg·m-2·h-1和142.26 μg·m-2·h-1，與CK相比，PM、M4500和M9000處理N2O平均排放通量分別提高了32.29%、18.68%和28.57%，其中，PM和M9000處理與CK之間差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。PM處理N2O累積排放量(7.25 kg·hm-2)較CK處理(5.18 kg·hm-2)提高了40%(P<0.05)，秸稈覆蓋處理M4500(6.30 kg·hm-2)和M9000(7.17 kg·hm-2)N2O累積排放量較CK處理分別提高23%和38%(P<0.05)，PM和M9000處理N2O累積排放量顯著高于M4500，PM和M9000處理之間無(wú)顯著差異。不同覆蓋條件下生育期N2O通量表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，小麥生長(zhǎng)季始末期較高中期較低，N2O排放受降水影響明顯。生育期N2O累積通量主要源于冬小麥拔節(jié)期至收獲期，PM、M4500和M9000處理拔節(jié)期至收獲期N2O排放量分別占整個(gè)生育期的41%、40%和43%，均高于CK(38%)處理。土壤溫度變化可以解釋69%～76%土壤N2O通量變化，土壤水分僅解釋了37%～51%的土壤N2O通量變化。回歸分析表明無(wú)覆蓋時(shí)，土壤水分是影響土壤N2O排放的關(guān)鍵因子，秸稈覆蓋和地膜覆蓋條件下土壤溫度是影響土壤N2O排放的關(guān)鍵因子。覆蓋秸稈4 500 kg·hm-2是黃土旱塬區(qū)較為適宜的冬小麥栽培模式。

關(guān)鍵詞：冬小麥；旱作農(nóng)田；覆蓋；N2O通量；土壤溫度；土壤水分

秸稈覆蓋和地膜覆蓋作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中常見(jiàn)的耕作方式，不僅具有蓄水穩(wěn)溫保墑的作用[1-2]，亦可提高土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可用性[3]，優(yōu)化生育條件，延長(zhǎng)生長(zhǎng)期進(jìn)而促進(jìn)作物生長(zhǎng)、提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量[4]，近年來(lái)應(yīng)用廣泛[4-6]。另外，秸稈覆蓋和地膜覆蓋還能改變土壤環(huán)境，影響土壤生態(tài)過(guò)程，在全球變化背景下，其對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體(CO2、CH4和N2O)排放的影響備受關(guān)注。

氧化亞氮(N2O)既是重要的溫室氣體，又是破壞平流層中臭氧的化學(xué)物質(zhì)之一，對(duì)N2O關(guān)注和研究正逐年增加[7-8]。大氣中N2O的80%與農(nóng)業(yè)相關(guān)[9]，65%來(lái)源于土壤微生物的硝化和反硝化作用[10]。土壤水分和溫度是影響N2O產(chǎn)生、傳輸、消耗和排放的主要因子[11，12]，而秸稈和地膜覆蓋對(duì)土壤水分和溫度的顯著影響必將對(duì)土壤N2O通量產(chǎn)生深刻的影響[13]。研究表明地表覆蓋后土壤N2O的釋放通量顯著增加[14-15]，但也有學(xué)者[4，16]發(fā)現(xiàn)塑料膜(聚乙烯)覆蓋和免耕結(jié)合秸稈覆蓋均顯著降低了土壤N2O通量。

黃土高原屬典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降水少，有限水分利用效率不高是該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要限制因素[17]，秸稈和地膜覆蓋技術(shù)因其良好的保水穩(wěn)溫增產(chǎn)效應(yīng)在該區(qū)應(yīng)用廣泛。為深入了解覆蓋措施對(duì)土壤N2O排放的影響和進(jìn)一步優(yōu)化田間管理，作者在黃土高原旱作冬小麥田進(jìn)行了長(zhǎng)期秸稈覆蓋和地膜覆蓋試驗(yàn)，并系統(tǒng)觀測(cè)了不同覆蓋條件下冬小麥地N2O通量特征，旨在明確黃土高原冬小麥田N2O通量季節(jié)變化規(guī)律，探討秸稈和地膜覆蓋對(duì)旱作農(nóng)田土壤N2O排放的調(diào)控機(jī)理。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(107°44.70′E，35°12.79′N(xiāo))進(jìn)行。試驗(yàn)站屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年平均氣溫9.2℃，年平均降水量581 mm，主要集中于夏季。該站海拔1 220 m，坡度0.07%，平均無(wú)霜期為194 d，開(kāi)放式蒸發(fā)皿蒸發(fā)量為1 440 mm。供試土壤類(lèi)型為黃蓋黏黑壚土，田間持水量為20.8%～22.4%[18-19]，土壤肥力中等。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

覆蓋種植試驗(yàn)開(kāi)始于2008年9月，試驗(yàn)共設(shè)置4種處理：冬小麥種植期間無(wú)覆蓋處理(CK)、全年覆蓋秸稈4 500 kg·hm-2處理(M4500)、全年覆蓋秸稈9 000 kg·hm-2處理(M9000)和地膜覆蓋處理(PM)，其中M4500和M9000處理在播種后將上年收獲秸稈剪切至5～10 cm進(jìn)行覆蓋，持續(xù)至次年翻耕前清除。各處理重復(fù)3次，共12組，隨機(jī)排列區(qū)組，小區(qū)面積66.7 m2，區(qū)/組間距分別為0.5 m/1 m。四周保護(hù)帶寬1 m。

供試冬小麥品種為‘長(zhǎng)武-134’，每年9月下旬播種，次年6月下旬收獲。播種之前用圓盤(pán)耙機(jī)松土蓄墑，并施基肥尿素(含氮量大于46.6%)135 kg·hm-2和過(guò)磷酸鈣(顆粒)(總磷(P2O5)≥46%，有效磷(P2O5)≥43%)90 kg·hm-2。試驗(yàn)在旱地進(jìn)行，作物生長(zhǎng)完全依靠自然降水，無(wú)灌溉，人工除草。在試驗(yàn)期間，土壤表面以下地下水埋深60 m，根區(qū)向上流動(dòng)的水和排水造成的水損失忽略不計(jì)，無(wú)地下水補(bǔ)給。

1.3氣體采集及測(cè)定方法

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法[20-21]監(jiān)測(cè)了2013年10月1日到2014年6月30日黃土高原冬小麥地N2O排放通量，采樣頻率為每月一次(15日)，在冬小麥返青后加大采樣頻率大約10天一次，采樣時(shí)間均在上午9∶00—11∶00[22-23]。靜態(tài)箱由兩部分組成：一個(gè)置于地下8 cm地上4 cm的固定基座和一個(gè)帶有通風(fēng)口和采樣口的氣室。靜態(tài)箱由聚乙烯化合物(PVC)制成(直徑25 cm、高12 cm)，外層用反光錫紙包裹作為隔熱層，底部設(shè)有一層軟橡膠在采樣時(shí)可以與基座密封。為避免測(cè)定土壤受到擾動(dòng)，每年播種后在各小區(qū)內(nèi)行間隨機(jī)放置測(cè)定基座后整個(gè)生育期內(nèi)不再移動(dòng)，并齊地去除基座內(nèi)動(dòng)植物活體，首次采樣在基座安裝后48 h，取樣時(shí)將箱體罩在事先安置的基座上分別在密閉0、20 min和40 min后用注射器(30 mL)收集氣體樣品。氣體樣品使用裝有ECD檢測(cè)器的安捷倫(7890A)氣相色譜儀分析，測(cè)定時(shí)N2O的濃度與時(shí)間呈線(xiàn)性相關(guān)(R2≥0.95)，色譜柱為ParkQ15 m×0.53 mm×25 μm，高純N2作載氣，檢測(cè)器溫度220℃，進(jìn)樣口溫度220℃，柱溫55℃，輔助氣流量(N2)20 ml·min-1。采用Hutchinson 和Mosier(1981)提出的HM模型[24]計(jì)算氣體通量。N2O的累積排放量將不同時(shí)段N2O排放量加起來(lái)，每?jī)蓚€(gè)相鄰采樣時(shí)間之間的N2O排放量Xn用公式(1)計(jì)算：

(1)

式中，tn表示第n次采樣時(shí)N2O排放量，tn+1表示第n+1次采樣時(shí)N2O排放量，dn為第n次采樣時(shí)間，dn+1為第n+1次采樣時(shí)間。

1.4土壤水分和溫度測(cè)定

氣樣采集同時(shí)分別用便攜式土壤水分速測(cè)儀(TDR100，美國(guó)Spectrum公司)測(cè)量基座邊緣0～10 cm土壤體積含水量(%，v/v)，用數(shù)字溫度傳感器(TP3001，中國(guó)北京溫嶺儀器有限公司)測(cè)量基座邊緣0～5 cm土壤溫度(℃)和氣溫(℃)。氣象數(shù)據(jù)來(lái)自于試驗(yàn)站自動(dòng)氣象站記錄數(shù)據(jù)。

1.5土壤理化性質(zhì)測(cè)定

采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。采用“S”形采樣方法分別采集0～10 cm和10～20 cm土層的土樣，每層取5鉆混勻，將風(fēng)干土樣分別過(guò)0.25 mm篩和2 mm篩后，采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳，凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮，碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定土壤速效磷[25]。

1.6數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并制圖。用SPSS 20.0(SPSS INc.，USA)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析、Pearson相關(guān)分析和方差分析，差異顯著性水平(P<0.05)通過(guò)最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行檢驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)區(qū)降水狀況和土壤基本性質(zhì)

2013年7月—2014年6月降水總量為645 mm，冬小麥生育期內(nèi)降水253 mm，與多年平均值相比生育期減少了7.3%，而降水量多集中于幾次強(qiáng)降水事件，如4月21—26日63.2 mm的連續(xù)降水和6月19日20 mm的降水。4月份降水量(83 mm)是同期多年平均降水量(40.8 mm)的2倍,而5月降水量(29 mm)僅有多年平均降水量的0.53%。

圖12013—2014年長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站降雨和日平均氣溫

Fig.1Daily mean air temperature and precipitation in Changwu Agri-ecological Station

連續(xù)5年的地膜和秸稈覆蓋對(duì)土壤性質(zhì)產(chǎn)生了顯著的影響(表1)，不同覆蓋條件下土壤有機(jī)碳、土壤全氮和容重差異顯著。CK處理0～10 cm和10～20 cm土層土壤有機(jī)碳含量顯著低于M4500和M9000處理，高于PM處理。PM、M4500和M9000表層土壤(0～10 cm)全氮顯著高于CK，10～20 cm土壤全氮無(wú)顯著差異。PM、M4500和M9000表層土壤(0～10 cm)容重顯著低于CK。不同處理同一土層的土壤速效磷和pH差異則不顯著。

2.2冬小麥生育期N2O排放通量變化

2013—2014年CK、PM、M4500和M9000處理生育期內(nèi)N2O通量范圍分別為17.24～321.86、19.03～388.00、21.57～344.53 μg·m-2·h-1和24.77～348.42 μg·m-2·h-1，冬小麥生育期N2O排放通量在時(shí)間上的變化受施肥、翻耕和降水的影響顯著，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征(圖2)。受施肥和翻耕的影響播種后出現(xiàn)了N2O排放高峰，PM處理的N2O峰值高于M4500、M9000和CK處理(P<0.05)。峰值后N2O排放通量逐步降低，CK處理的遞減幅度大于PM、M4500和M9000處理。越冬期后N2O的排放通量進(jìn)入低谷，且處理間差異逐步減小。次年氣溫回升，冬小麥進(jìn)入返青期，N2O的排放通量提高。受降水的影響，在4月21—26日的連續(xù)降雨和6月19—20日降雨后分別出現(xiàn)了N2O排放峰值。CK、PM、M4500和M9000生育期N2O平均排放通量分別為110.64、146.48、131.31 μg·m-2·h-1和142.26 μg·m-2·h-1，其中CK顯著低于PM、M9000和M4500處理，PM和M9000處理顯著高于M4500處理，PM和M9000處理之間無(wú)顯著差異。

注：CK：無(wú)覆蓋對(duì)照；M4500：全年覆蓋秸稈4 500 kg·hm-2；M9000：全年覆蓋秸稈9 000 kg·hm-2；PM：地膜覆蓋處理。不同小寫(xiě)字母表示處理間在0.05水平差異顯著，下同。

Note： CK: without mulching; M4500and M9000: two rates of 4 500 kg·hm-2and 9 000 kg·hm-2with straw mulching; PM: plastic film mulching. Different small letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level. The same as below.

圖22013年9月—2014年6月不同覆蓋處理麥田土壤N2O通量變化

Fig.2Dynamic of soil N2O flux under different mulching treatments from Sep. 2013 to Jun. 2014

生育期內(nèi)N2O累積排放量依次為PM(7.25 kg·hm-2)>M9000(7.17 kg·hm-2)>M4500(6.30 kg·hm-2)>CK(5.18 kg·hm-2)(圖3)，地表覆蓋均提高了作物生育期內(nèi)N2O累積排放量。與CK相比，PM、M4500和M9000提高了40%、23%和38%(P<0.05)的N2O排放量，PM和M9000處理顯著高于M4500，PM和M9000處理之間無(wú)顯著差異。受播種時(shí)翻耕、施肥和返青后氣溫回升和降水增多的影響，N2O排放量在播種后和小麥返青后出現(xiàn)了快速的釋放。N2O排放量主要集中于冬小麥生育后期，PM、M4500和M9000處理N2O生育后期排放量分別占整個(gè)生育期的41%、40%和43%，均高于CK(38%)處理。

2.3冬小麥生育期土壤溫度和水分變化

對(duì)照和覆蓋處理土壤溫度和土壤水分的季節(jié)變化規(guī)律明顯(圖4)。整個(gè)生育期內(nèi)，土壤溫度均值表現(xiàn)為CK(8.59℃)

圖4不同覆蓋處理土壤溫度(A)和土壤體積含水量(B)變化

Fig.4Dynamic of soil temperature (A) and soil volume water content (B) under different mulching treatments

相關(guān)性分析結(jié)果表明(表2)，土壤N2O通量與土壤溫度之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤溫度變化可以解釋69%～76%土壤N2O通量變化。土壤水分僅解釋了37%～51%的土壤N2O通量變化。除M9000處理土壤N2O通量和土壤水分之間沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系外，其余處理的土壤N2O通量與水分之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

注：ST：土壤溫度(℃)；SWC:土壤含水量(%, v/v)。P<0.05表示方程顯著；P<0.01表示方程極顯著，下同。

Note： ST: Soil temperature (℃); SWC: Soil water content (%, v/v).P<0.05 indicates that the equation is significan;P<0.01 indicates that the equation is very significant, and hereinafter.

3討論

3.1長(zhǎng)期地表覆蓋對(duì)土壤性質(zhì)的影響

秸稈和地膜覆蓋可以削弱土壤與大氣間的氣體交換，從而有效地抑制土壤水分蒸發(fā)，具有顯著的穩(wěn)溫保水效應(yīng)[1-2]，與秸稈覆蓋相比地膜覆蓋保水效應(yīng)更好。本試驗(yàn)表明秸稈覆蓋和地膜覆蓋在生育前期均表現(xiàn)出良好的增溫和保水作用。5年秸稈覆蓋不同程度地提高了0～20 cm土層土壤有機(jī)碳和0～10 cm土層全氮含量，降低了0～10 cm土層土壤容重，而地膜覆蓋降低了0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量和10～20 cm土層全氮含量，這和以往的研究結(jié)果一致[26-27]。與以往的研究結(jié)果不同的是，與對(duì)照相比地膜覆蓋處理增加了0～10 cm土層全氮含量。秸稈覆蓋對(duì)土壤的長(zhǎng)期影響源于秸稈腐解增加了土壤腐殖質(zhì)含量，利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，增強(qiáng)土壤氮的轉(zhuǎn)化能力，促進(jìn)土壤氮含量的增加[28]。此外，秸稈覆蓋對(duì)土壤溫度和水分的調(diào)節(jié)作用有利于形成土壤微生物和菌類(lèi)適宜的土壤環(huán)境，增強(qiáng)其活性。卜玉山等[29]研究發(fā)現(xiàn)秸稈和地膜覆蓋都不同程度地增加了土壤三大種群微生物數(shù)量，覆蓋對(duì)微生物的影響導(dǎo)致覆蓋對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的影響增大。地膜覆蓋對(duì)土壤水分和溫度的改善，促進(jìn)作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用，從而使覆膜處理土壤的有機(jī)碳含量低于無(wú)覆蓋處理[30]。宋秋華等[31]研究表明地膜覆蓋加速了土壤有機(jī)質(zhì)和氮的損耗。秸稈覆蓋降低了0～10 cm土層土壤容重，對(duì)土壤表層的物理性結(jié)構(gòu)改善有明顯作用，朱鐘麟等[32]研究也發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋可使土壤總孔隙度增加21.88%～51.76%，且對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成具有較大促進(jìn)作用。地表覆蓋改變了土壤理化性質(zhì)和水分溫度，而這些變化必然會(huì)影響土壤N2O排放。

與地膜覆蓋相比，長(zhǎng)期的秸稈覆蓋可以有效增加土壤有機(jī)碳和氮含量，改善土壤理化性質(zhì)，且M4500處理對(duì)有機(jī)碳和氮的提高要優(yōu)于M9000處理，因而從覆蓋對(duì)土壤性質(zhì)的影響角度來(lái)看適量的秸稈覆蓋是該區(qū)較為適宜的覆蓋管理措施。

3.2地表覆蓋對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響

本文研究表明，冬小麥田地膜覆蓋使土壤N2O排放增加了40%，這與Nishimura等[14]和白紅英等[33]的研究結(jié)果一致，Berger等[4]則認(rèn)為地膜覆蓋抑制了32%的N2O排放。關(guān)于地膜覆蓋對(duì)土壤N2O通量影響研究結(jié)果的差異源于土壤類(lèi)型、氣候條件和覆蓋方式等的差異，Berger的試驗(yàn)在沙土地進(jìn)行，地膜覆蓋的蓄水保墑作用在沙土地受限，且該試驗(yàn)?zāi)攴萁邓?、土壤干旱，而N2O主要是源于微生物在低氧的環(huán)境下的硝化作用和反硝化作用，土壤含水量小一定程度上抑制了消化和反硝化作用，減少了N2O排放。相反，本試驗(yàn)中地膜覆蓋顯著地提高了土壤水分和溫度(圖2)，且水分和溫度可以很好地解釋土壤N2O通量變化?？梢?jiàn)地膜覆蓋主要通過(guò)改變土壤溫度和水分狀況來(lái)影響N2O排放[34]。N2O在地膜下水平方向上的滲透可能是造成研究結(jié)果的差異[14]。

本試驗(yàn)中覆蓋4 500 kg·hm-2和9 000 kg·hm-2秸稈分別增加了15%和39%的N2O排放量，且秸稈覆蓋量越大增加的N2O排放量越多。土壤N2O的排放主要是源于土壤中硝化作用和反硝化作用，地表覆蓋秸稈一方面可以增加硝化作用和反硝化作用的底物供給，進(jìn)而提高土壤N2O的排放量；另一方面，秸稈覆蓋的保水蓄墑穩(wěn)溫作用，對(duì)旱作農(nóng)田微生物群落及其活性有著積極的影響。分析認(rèn)為秸稈覆蓋增加了N2O排放量是因?yàn)椋?1) 從2008年起地表覆蓋秸稈, 秸稈腐解后進(jìn)入土壤增加了土壤有機(jī)質(zhì)的輸入，使得有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入土壤并得以累積，增加土壤中碳源，提高土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的生物有效性改變了土壤性質(zhì)[35]，使本來(lái)受碳源限制的土壤硝化-反硝化細(xì)菌活性增強(qiáng)[36]。我們之前的研究也表明生育期秸稈覆蓋能夠提高表層土壤有機(jī)碳、潛在礦化碳、微生物量碳的含量[37]，增加土壤硝化-反硝化作用的底物。(2) 秸稈覆蓋的穩(wěn)溫保濕效應(yīng)可以提高硝化作用和反硝化作用中微生物的活性[38]，進(jìn)一步促進(jìn)土壤的硝化-反硝化作用。多數(shù)研究表明秸稈覆蓋通過(guò)影響土壤濕度和土壤養(yǎng)分狀況來(lái)改變土壤N2O排放速率[39-40]，相反，Liu等[13]和Setiyono等[41]認(rèn)為覆蓋的增產(chǎn)效應(yīng)會(huì)提高作物對(duì)N的吸收，減少土壤中礦質(zhì)氮的含量，很有可能會(huì)限制N2O排放。

秸稈和地膜覆蓋均提高了土壤N2O的排放量，然而與PM和M9000相比，M4500處理增加的N2O排放量最少，因而從農(nóng)田溫室氣體減排的角度來(lái)看M4500處理也是該區(qū)較為適宜的覆蓋管理措施。降水和施肥后均觀測(cè)到明顯的N2O排放，說(shuō)明N2O季節(jié)變化受到這些短期事件的顯著影響[42]。降水后土壤水分進(jìn)入土壤，溶解土壤中可溶性物質(zhì)，提高氮的礦化速率，進(jìn)而促進(jìn)土壤微生物活性并進(jìn)一步促進(jìn)氮的礦化速率[43-44]，增加土壤N2O排放。另一方面，連續(xù)降水和暴雨后水分下滲形成的局部厭氧環(huán)境有利于反硝化作用。梁東麗等[45]研究也表明降雨后土壤N2O通量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且這種變化趨勢(shì)與同時(shí)期降雨量的變化趨勢(shì)相同。

3.3冬小麥農(nóng)田土壤N2O排放的水熱控制作用

為闡明不同覆蓋條件下影響生育期土壤N2O排放的關(guān)鍵因子，從土壤體積含水量(SWC)、土壤溫度(ST)和氣溫(AT)等變量中挑選出和土壤N2O排放(Y)相關(guān)性最大的變量，對(duì)數(shù)據(jù)作了逐步回歸分析，結(jié)果如表3。

注：AT為氣溫(℃)，t為各回歸系數(shù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。

Note：AT: Air temoerature (℃).t: the test statistics of regression coefficient.

在CK模型中，SWC最先進(jìn)入方程，變量AT次之，且兩變量均和自變量顯著相關(guān)，這說(shuō)明土壤體積含水量和氣溫都與土壤N2O排放呈顯著正相關(guān)。土壤含水量先于氣溫進(jìn)入模型，所以，在無(wú)覆蓋處理的條件下，土壤水分的變化超過(guò)氣溫，土壤溫度是影響土壤N2O排放的首要因子。在PM、M4500和M9000模型中，ST和SWC依次進(jìn)入方程，表明土壤溫度和水分與土壤N2O排放顯著相關(guān)，與CK模型不同的是，秸稈覆蓋和地膜覆蓋處理方程土壤溫度先于土壤水分進(jìn)入方程，土壤溫度對(duì)N2O通量影響最大。

方程模擬結(jié)果表明土壤溫度和土壤水分相互交疊共同影響著土壤N2O排放。無(wú)覆蓋時(shí)，土壤水分改變是影響土壤N2O排放的關(guān)鍵因子，溫度的影響居于次要位置。秸稈覆蓋和地膜覆蓋的蓄水保墑作用可以提高土壤水分含量(圖4)，相對(duì)降低了土壤水分對(duì)土壤N2O排放限制。此時(shí)，覆蓋的保溫作用使得土壤溫度成為影響土壤N2O排放的關(guān)鍵因子。

4結(jié)論

地膜和秸稈覆蓋是黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)常用的保墑增產(chǎn)措施，不同地表覆蓋條件下N2O排放存在明顯的季節(jié)變化特征，小麥生長(zhǎng)季始末期較高中期較低，N2O排放主要源于冬小麥拔節(jié)期至收獲期，受降水影響明顯。地膜覆蓋對(duì)土壤溫度和水分的影響是其增加土壤中N2O排放通量的主要原因，長(zhǎng)期秸稈覆蓋主要是通過(guò)對(duì)土壤性質(zhì)的影響及其穩(wěn)溫保水作用顯著增加N2O排放。不同地表覆蓋條件下土壤溫度和水分共同影響著土壤N2O排放，當(dāng)無(wú)覆蓋時(shí)，土壤水分變化是影響土壤N2O排放的關(guān)鍵因子，當(dāng)秸稈覆蓋和地膜覆蓋時(shí)土壤溫度是影響土壤N2O排放的關(guān)鍵因子。綜合覆蓋對(duì)土壤性質(zhì)和N2O排放的影響來(lái)看，覆蓋秸稈4 500 kg·hm-2是黃土旱塬區(qū)較為適宜的冬小麥栽培模式。地膜和秸稈覆蓋對(duì)N2O排放機(jī)理復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究典型區(qū)域及不同耕作措施影響下農(nóng)田土壤N2O的排放。

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Effects of different mulching measures on soil N2O flux in rainfed winter wheat fields in the Loess Plateau of China

LIU Quan-quan1, WANG Jun1, FU Xin1, LIU Wen-zhao2, Upendra M. Sainju3

(1.CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,NorthwestUniversity,Xi'an,Shaanxi710127,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.USDA-ARSNorthernPlainsAgriculturalResearchLaboratory,Sidney,MT59270,USA)

Keywords:winter water; dryland farming; mulching; N2O flux; soil temperature; soil moisture

Abstract：Soil N2O flux and its responses to soil moisture and soil temperature under different mulching measures during the period of winter wheat growth were investigated at Changwu Agro-Ecological Research Station in the Loess Plateau of Changwu County, Shaanxi Province, China. The soil N2O flux rate, soil moisture and soil temperature were determined by the static chamber technique in the winter wheat field, with four mulching practices, including the control without mulching (CK), plastic film mulching (PM), two rates of 4 500 kg·hm-2and 9 000 kg·hm-2with straw mulching (M4500and M9000) year-round. The results showed that the range of N2O flux during growth period for CK, PM, M4500and M9000were 17.24～321.86, 19.03～388.00, 21.57～344.53 μg·m-2·h-1and 24.77～348.42 μg·m-2·h-1, respectively. The average N2O flux rates were 110.64, 146.48, 131.31 μg·m-2·h-1and 142.26 μg·m-2·h-1for the CK, PM, M4500and M9000treatments during the growth period, respectively. Compared to the CK treatment, the average N2O flux rates were increased by 32.39% for PM, 18.68% for M4500and 28.57% for M9000. The cumulative N2O emissions for PM (7.25 kg·hm-2), M4500(6.30 kg·hm-2) and M9000(7.17 kg·hm-2) treatments were increased by 40%, 23% and 38% compared to CK (5.18 kg·hm-2), respectively, and PM and M9000treatments significantly (P<0.05) increased the cumulative N2O emissions compared to M4500. No significant difference was found between PM and M9000. The obvious seasonal variation characteristics in the N2O flux were observed under all mulching measures, and the N2O flux was relative higher at the beginning and the end of the winter wheat growth peroid than that in the middle of the growth period. The cumulative N2O emission from jointing stage to harvest accounted for 41%, 40% and 43% of the total emission for PM, M4500and M9000treatments, which were higher than that in CK. Soil temperature itself could explain more than 69%～76% (R2>0.43) variations in soil N2O flux, and soil water content only explained 37%～51% variations in soil N2O flux. The regression models including both soil temperature and soil moisture demonstrate that soil moisture is the dominant factor affecting soil N2O flux under the control without mulching, and soil temperature was the dominant factor affecting soil N2O flux under plastic film mulching and straw mulching. Straw mulching at a rate of 4 500 kg·hm-2might be an appropriate way in the Loess Plateau.

文章編號(hào)：1000-7601(2016)03-0115-08

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.18

收稿日期：2015-07-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31270484，41171033)；西北大學(xué)研究生自主創(chuàng)新項(xiàng)目(YZZ13006)

作者簡(jiǎn)介：劉全全(1988—)，男，安徽六安人，碩士研究生，主要從事農(nóng)田溫室氣體排放研究。E-mail: lqqedu@163.com。 通信作者：王俊(1974—)，男，教授，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究。 E-mail: wangj@nwu.edu.cn。

中圖分類(lèi)號(hào)：S154.1; S512.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A