C2濃度升高與硝化抑制劑對冬小麥田間N2O排放量的影響

李豫婷，林樹基，韓　雪，馮永祥，林而達，李迎春，陳　曦

1 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室, 北京　100081 2 黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學院農(nóng)學院, 大慶　163000 3 Crop and Soil Science Section, Faculty of Veterinary and Agricultural Sciences, The University of Melbourne, Victoria 3010 Australia 4 北京市平谷區(qū)氣象局，北京　101200

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C2濃度升高與硝化抑制劑對冬小麥田間N2O排放量的影響

李豫婷1,2，林樹基3，韓雪1,*，馮永祥1,2，林而達1，李迎春1，陳曦4

1 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室, 北京100081 2 黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學院農(nóng)學院, 大慶163000 3 Crop and Soil Science Section, Faculty of Veterinary and Agricultural Sciences, The University of Melbourne, Victoria 3010 Australia 4 北京市平谷區(qū)氣象局，北京101200

以冬小麥中麥175為供試品種，利用農(nóng)田開放式CO2濃度增高(FACE)系統(tǒng)，研究未來大氣高CO2濃度對冬小麥田間N2O排放的影響，以及施用硝化抑制劑(2-氯-6-三氯甲基吡啶)是否可以起到抑制冬小麥田間N2O的排放量升高的潛能。試驗結果表明：CO2濃度升高顯著提高冬小麥田間N2O的排放增幅達到67.6%，追肥灌溉后小麥田N2O排放量較大，隨著冬小麥生育進程的推進N2O的排放量逐漸減少，硝化抑制劑對中麥175田間N2O排放量的影響并不明顯。因此，在未來高CO2濃度環(huán)境條件下，可以通過采取相應的耕作制度和栽培技術措施等來降低冬小麥田N2O的排放量。試驗結果對冬小麥田間是否選擇施用2-氯-6-三氯甲基吡啶來控制N2O的排放起到一定的參考作用。

FACE(開放式CO2濃度增高系統(tǒng)); 冬小麥; 硝化抑制劑; N2O排放量

溫室氣體排放量日益增加導致全球氣候變暖，這一世界性話題已經(jīng)成為當今學術界研究的熱點。CO2、N2O和CH4是三大主要溫室氣體，截止到2013年5月，地球大氣層中的CO2濃度已超過400μL/L，N2O的濃度已經(jīng)上升至323.2nL/L，較1750年水平增長20%[1]。與CO2相比，雖然N2O在大氣中的含量很低，但其單分子增溫潛勢卻是CO2的310倍，而且由于N2O在大氣中可輸送到平流層，對臭氧層造成破壞[2]，已經(jīng)成為人類排放的首要消耗臭氧層物質(zhì)，所以N2O濃度的增高已引起了廣泛的關注。人類活動是造成N2O排放量增高的主要原因，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的N2O占人類活動N2O排放總量的60%—75%[3]。小麥(TriticumaestivumL.)是我國重要糧食作物之一， 2013年小麥播種總面積為3.6億畝, 其中冬小麥播種面積約占小麥總面積的84%和90%[4]，所以冬小麥田的N2O排放量不容忽視。土壤中N2O主要是由硝化和反硝化作用產(chǎn)生的，反硝化細菌受到土壤中可用碳含量的影響很大，因為其以碳為能量源，所以大氣CO2濃度升高促進了土壤中反硝化細菌的活躍性，從而導致N2O的排放量升高[5,6]。第五次IPCC評估報告顯示，大氣CO2濃度將持續(xù)升高，預計到2050年，CO2濃度將上升到550μL/L[1]。所以，研究高CO2濃度下冬小麥田間N2O排放量以及排放規(guī)律，對于今后冬小麥生產(chǎn)中采用相應的耕作措施控制N2O的排放，以及對溫室氣體減排都會起到一定的貢獻作用。

一般的硝化抑制劑是通過釋放毒性化合物，直接影響硝化菌群落及硝化活性來抑制土壤硝化作用[7]，而2-氯-6-三氯甲基吡啶是一種代謝滅活劑，其活性位點是吡啶環(huán)上的氮原子，通過對氨氧化細菌的競爭性抑制而對硝化作用進行抑制[8]。目前施用硝化抑制劑被認為是最有效的減排N2O技術之一，對減輕大量施肥造成的環(huán)境污染和浪費資源有重要的意義。本文利用FACE系統(tǒng)，研究①)CO2濃度升高是否會促進冬小麥田間N2O的排放，②) CO2濃度升高對麥田土壤N2O排放通量季節(jié)變化的影響，③) 硝化抑制劑2-氯-6-三氯甲基吡啶是否對冬小麥田間N2O排放起到抑制作用，為我國氣候變化條件下農(nóng)田N2O減排提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗地基本概況

本試驗在中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所昌平實驗基地進行，該試驗基地位于北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)與馬池口鎮(zhèn)交界處，地理坐標為40°10′10″—40°10′40″N，116°13′40″—116°14′04″E，基地海拔31.3m，屬暖溫帶、半濕潤大陸性季風氣候，土壤為壤質(zhì)褐潮土，有機質(zhì)含量14.10g/kg，全氮0.82g/kg，速效磷20.0mg/kg，速效鉀79.8mg/kg，土壤容重為1.30g/cm3，pH 8.33，田間最大持水量為24.9%。

1.2試驗設計

本試驗采用開放式CO2濃度升高(FACE)系統(tǒng)，系統(tǒng)構成和控制同郝興宇等的方法[9]。FACE圈的直徑為4m，正八邊形。圈中心設有CO2傳感器和風速風向傳感器，由主控計算機根據(jù)圈內(nèi)CO2濃度控制氣體的釋放，F(xiàn)ACE圈內(nèi)CO2目標濃度為550μL/L。采取裂區(qū)試驗設計，CO2濃度為主處理，硝化抑制劑為副處理，每處理3次重復。FACE圈和對照圈的CO2濃度分別為(550±60)μL/L和(400±40)μL/L；硝化抑制劑采用2-氯-6-三氯甲基吡啶(24% N-serve;施用量10m/kg)和無硝化抑制劑處理。

施氮量為188kg/hm2(其中底肥含N 118 kg/hm2，追肥含N 70 kg/hm2)、磷肥和鉀肥僅作底肥，使用量分別為165 kg/hm2(P2O5)和90kg/hm2(K2O)。底肥于播種前一天(2013- 10-05)施用，追肥于小麥拔節(jié)期(2014-04- 18)施用。冬小麥拔節(jié)期追肥次日，首次施用硝化抑制劑，間隔30d后再次施用硝化抑制劑。供試冬小麥品種為中麥175。

1.3測定內(nèi)容及方法

試驗采用靜態(tài)箱法[10]進行溫室氣體的采集，靜態(tài)箱成圓柱形，高0.15m，直徑0.16m。將取氣箱底座安置在選取好的試驗區(qū)域內(nèi)，取氣時用水進行液封，以保證取氣箱的密封性。

氣樣采集時間及方法如下，首次施用硝化抑制劑的第2天開始連續(xù)進行7d氣樣采集，然后每隔1周取氣1次直到第2次施吡啶，重復與第1次相同的操作直到小麥成熟收獲后停止取氣。取氣時間在10:00—12:00之間進行，扣箱抽取后0、20和40min氣樣，取樣量30mL。同時記錄箱內(nèi)溫度。氣樣返回實驗室采用氣相色譜儀(Agilent 7890B GC)測定分析氣樣中N2O的濃度。

N2O的排放通量計算公式[11]：

F=K×(Δc/Δt)×V/A×273/(273+T)

式中,F為氣體排放通量，即單位時間單位面積土壤表面的N2O排放通量(μgN m-2h-1)；K為計算N2O排放通量的單位換算系數(shù)(1.25 μgN/μL)；Δc/Δt為單位時間靜態(tài)箱內(nèi)的N2O氣體濃度變化率(mL m-3h-1))；V為取樣箱的體積(m3)，A為取樣箱的底面積(m2)；T為測定時箱體內(nèi)的平均溫度(℃)。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，一般線性模型LSD檢驗法對各處理進行差異顯著性檢驗；Excel進行圖表繪制。

2　結果與分析

2.1CO2濃度升高對麥田N2O排放通量的影響

CO2濃度升高對麥田N2O排放起到了明顯的促進作用。小麥拔節(jié)至收獲、施肥灌溉后7d和再次施硝化抑制劑后7d，F(xiàn)ACE圈的N2O排放通量比對照圈平均高出67.6%、58.1%和78.7%，均達到顯著水平(P<0.05)(表1)。

表1　CO2濃度升高對麥田N2O排放通量的影響

*代表P<0.05，CO2濃度處理之間有顯著差異

2.2CO2濃度升高與硝化抑制劑對麥田土壤N2O排放量的影響

本試驗結果表明，2-氯-6-三氯甲基吡啶的施用和其與CO2濃度升高的交互作用對麥田N2O排放都沒有顯著的影響，在小麥拔節(jié)至收獲、施肥灌漿后7d和第2次施硝化抑制劑后7d均沒有達到顯著性水平(表2)。

表2　CO2濃度升高與硝化抑制劑對N2O排放通量影響

*代表P<0.05；NS代表沒有顯著性差異

2.3CO2濃度升高對麥田土壤N2O排放通量季節(jié)變化的影響

N2O的排放通量從拔節(jié)到成熟的變化范圍是16.4—409.1μgN m-2h-1，排放峰出現(xiàn)在追肥灌溉后，隨著冬小麥生育進程的推進N2O的排放量逐漸減少。追肥灌溉后7d土壤N2O排放通量平均達到293.9μgN m-2h-1，是第2次施2-氯-6-三氯甲基吡啶后7d平均77.8μgN m-2h-1N2O排放通量的3倍左右。

從拔節(jié)到成熟，F(xiàn)ACE圈內(nèi)的N2O排放通量比對照圈內(nèi)的N2O排放通量平均增高67.6%(P<0.05)(圖1)，說明CO2濃度升高顯著促進土壤N2O的排放。硝化抑制劑2-氯-6-三氯甲基吡啶對N2O的排放沒有顯著的影響。CO2濃度與2-氯-6-三氯甲基吡啶交互作用對麥田土壤N2O排放通量的影響，沒有達到顯著性水平。

圖1　冬小麥拔節(jié)后各處理土壤N2O排放量的季節(jié)變化Fig.1　 The emission of N2O with and without Nitrapyrin application since the elongation stage of winter wheat eCO2為FACE圈CO2濃度處理:elevated CO2 concentration(550μL/L);aCO2為對照圈大氣CO2濃度處理ambient CO2 concentration(400μL/L)；施硝化抑制劑(+吡啶)與不施硝化抑制劑(-吡啶)+Nitrapyrin;-Nitrapyrin

3　結論與討論

(1)CO2濃度升高促進冬小麥田間N2O排放(增幅為67.6%)，該結論與許多研究成果一致，Ineson等利用瑞士FACE試驗系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，高CO2濃度下C3作物多年生黑麥草地的N2O排放量升高了27%[12]。Lam等研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO2濃度升高顯著促進了冬小麥田間N2O的排放，增幅達到60%[13- 15]。同時也有研究表明，大氣CO2濃度升高對高粱田間N2O的排放量沒有明顯影響，因為高粱為C4作物對大氣CO2濃度變化的響應沒有C3作物的響應強烈[16]，由此可見，在C4作物田間土壤中，反硝化細菌可利用的碳輸入在高CO2濃度條件下沒有顯著增加。Kettunen等研究發(fā)現(xiàn)，土壤N2O的排放量隨著作物生長而降低，原因是作物生長對土壤中N素的吸收量增加，有可能減少土壤中無機氮的含量進而降低土壤的硝化和反硝化能力[17]。不同試驗結果的產(chǎn)生，可能與各試驗中高CO2濃度處理的時間長度有關，長時間或短時間排放高濃度CO2對作物田間N2O排放量的影響不同。此外，土壤原位測定表明，大氣CO2濃度升高降低了土壤0—20cm剖面中N2O的產(chǎn)生，從而減少了土壤N2O的排放[18]。

(2)N2O排放通量季節(jié)變化結果顯示，追肥灌溉后N2O排放量較大，隨著冬小麥生育進程的推進N2O的排放量逐漸減少，這是由于施肥后土壤外源N素含量急劇增加，土壤中硝化細菌可利用N素含量升高，養(yǎng)分充足提高了微生物活性促進田間N2O的排放；Kettunen等研究發(fā)現(xiàn)，土壤高N2O排放與土壤中可利用氮的含量成正相關[17]。Hall和Matson研究也發(fā)現(xiàn)，土壤N2O排放對外源氮輸入非常敏感，隨著外源氮的增加，N2O排放量增加的速度快于線性增加[23]。此外，作物生長初期對土壤中N的競爭力不強，土壤中的大部分N被硝化細菌利用加速了硝化和反硝化作用的發(fā)生，而作物生長發(fā)育越旺盛對土壤中N的競爭吸收能力就越強，使土壤中硝化細菌可利用原料減少，N2O的產(chǎn)生和排放速率降低[24]，所以在作物生長初期田間N2O排放量較高。灌溉后土壤平均濕度為15.9%，比第二次施硝化抑制劑期的土壤平均濕度高出6.9%。N2O排放通量與土壤水分含量成正比[25]，從而灌溉期N2O的排放通量高。

未來大氣CO2濃度升高導致冬小麥田間N2O的排放量增大。因此，控制田間N2O的排放對于降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫室氣體排放量至關重要，必須通過進一步系統(tǒng)的研究來降低冬小麥生產(chǎn)乃至整個農(nóng)業(yè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的N2O等溫室氣體，為全球環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中硝化抑制劑的施用，對于田間N2O排放的影響作用受多種外界因素的影響表現(xiàn)復雜，硝化抑制劑的施用方法和配套技術值得深入研究。

致謝：中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室對試驗平臺提供技術支持,居輝、郭李萍、郝興宇、高霽老師對研究工作給予幫助，姜厚竹、李靖濤、王晨光、曹剛、佘星星幫助試驗操作，特此致謝。

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Effects of elevated CO2and nitrification inhibitors on N2O emissions from a winter wheat cropping system

LI Yuting1,2, LAM Shu Kee3, HAN Xue1,*, FENG Yongxiang1,2, LIN Erda1, LI Yingchun1, CHEN Xi4

1InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,KeyLaboratoryofAgro-environmentandClimateChangeofAgricultureMinistry,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081 2CollegeofAgronomy,HeilongjiangBayiAgriculturalUniversity,Daqing163000,China3CropandSoilSciencesSection,FacultyofVeterinaryandAgriculturalSciences,TheUniversityofMelbourne,Victoria3010,Australia4Pinggumeteorologicalbureau,Beijing101200,China

free-air carbon dioxide enrichment (FACE); winter wheat; nitrapyrin; N2O emission

國家科技支撐計劃資助項目(2013BAD11B03)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(973計劃)(2012CB955904)；The University of Melbourne Early Career Research Grant Scheme 2014；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資助項目

2014- 12- 29; 網(wǎng)絡出版日期:2015- 11- 16

Corresponding author.E-mail: hanx@ami.ac.cn

10.5846/stxb201412292597

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Li Y T, Lam Shu Kee, Han X, Feng Y X, Lin E D, Li Y C, Chen X.Effects of elevated CO2and nitrification inhibitors on N2O emissions from a winter wheat cropping system.Acta Ecologica Sinica,2016,36(15):4762- 4768.