不同灌溉方式旱田土壤N2O 排放和氮素淋溶特征

于亞澤,焦 燕*,楊文柱,宋春妮,于俊霞,劉立家,張 婧,劉宇斌 (1.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

我國(guó)是化肥施用大國(guó),每年施用的化肥達(dá)到6000 萬(wàn)t,但大量研究表明,我國(guó)農(nóng)田化肥氮素的利用率只有35%[1-3],其余部分通過(guò)進(jìn)入大氣環(huán)境或水環(huán)境從而污染環(huán)境.其中,旱田土壤N2O 排放和氮素淋溶是兩種重要的損失途徑,其中土壤N2O 排放占全球總量的60%[4],施入的氮肥大約1%～20%經(jīng)土壤淋溶進(jìn)入地下水[5].因此,如何減少N2O 排放及氮素的淋溶成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn).

近年來(lái),內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯種植面積逐漸增加,播種面積成為全區(qū)僅次于玉米的主要作物. 農(nóng)民在種植馬鈴薯過(guò)程中施入大量氮肥從而引起N2O 排放,灌溉方式也是影響N2O 排放和氮素淋溶的重要條件,不同的灌溉方式會(huì)影響土壤理化性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu),造成土壤通透性、土壤中微生物活性等發(fā)生改變,從而對(duì)影響N2O 排放的硝化、反硝化過(guò)程及氮素淋溶量產(chǎn)生影響[6-7].有研究表明,滴灌與傳統(tǒng)溝灌相比,N2O 累積排放量可以降低30%～40%[8-9],但有學(xué)者研究得出,與溝灌相比,由于灌溉頻率高有利于形成從而加劇了N2O 的排放[10].且N2O 排放量隨施氮量的增加而增加[11-12].氮素淋溶是氮肥損失的另一重要途徑,王肖娟等[13],樊兆博等[14]研究得出傳統(tǒng)溝灌與滴灌相比氮素?fù)p失明顯增加,這是由于高灌水量增加了氮素向深層土壤運(yùn)移的潛力,使地下水環(huán)境受到污染[15].滴灌與傳統(tǒng)溝灌相比,可以使土壤中水分、養(yǎng)分均勻分布,達(dá)到農(nóng)田局部集中施肥和灌水的效果,肥料的利用率大幅提高,降低了因過(guò)量施肥而造成的環(huán)境污染問(wèn)題[16].

目前,國(guó)內(nèi)外研究多集中于施肥量、灌溉方式單因素對(duì)N2O 排放和氮素淋溶的影響,且多集中于水田[17-20],對(duì)于內(nèi)蒙古干旱半干旱地區(qū)旱田土壤N2O排放及氮素淋失的影響研究較少,本研究通過(guò)水肥兩因素多水平的交互作用對(duì)內(nèi)蒙古旱田土壤N2O排放及氮素淋溶的研究,探究不同季節(jié)N2O 排放特征,不同季節(jié)、不同土壤深度氮素淋溶量和分布特征,有助于了解旱田土壤的氮循環(huán)機(jī)制,為全球緩解溫室效應(yīng)和減少地下水污染提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)田位于內(nèi)蒙古呼和浩特市郊區(qū)馬鈴薯試驗(yàn)基地(40°45′34″N,111°41′56″E),該地區(qū)平均海拔1045.4m,屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候.多年平均氣溫6.7℃,多年平均降水量 335.2～534.6mm,全年降水主要集中在夏季(7～8 月),占全年降水量的70%以上.年蒸發(fā)量2000mm 左右,太陽(yáng)輻射強(qiáng),晝夜溫差大,年均日照時(shí)間多于2629.8h,無(wú)霜期134d.灌溉水源為地下水,水質(zhì)符合灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).土壤類型為栗鈣土,其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in the experimental area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試作物馬鈴薯品種為“克新一號(hào)”脫毒原種馬鈴薯,試驗(yàn)于2018 年和2019 年5～9 月進(jìn)行.試驗(yàn)設(shè)6 個(gè)處理,分別為DCK(滴灌無(wú)肥)、DD(滴灌+N 500kg/hm2)、DG(滴灌+N 1000kg/hm2)、FCK(溝灌無(wú) 肥)、FD(溝灌+N 500kg/hm2)、FG(溝 灌+N 1000kg/hm2),尿素作氮肥,每個(gè)處理重復(fù)3 次,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)小區(qū)種植8 壟馬鈴薯,壟間距為90cm,壟高30cm,壟長(zhǎng)11.2m.播種前施馬鈴薯專用復(fù)合肥(N-P-K:12:19:16) 347kg/hm2作為基肥,滴灌方式6 月開(kāi)始分次追施尿素,溝灌方式于7 月份追肥,肥料單次施入.

表2 2018 年和2019 年馬鈴薯生長(zhǎng)季灌水管理表Table 2 Water management practices during the growth periods of 2018～2019

整個(gè)生長(zhǎng)季滴灌、溝灌的灌溉總量分別設(shè)置為956 和6167m3/hm2,為防止各處理小區(qū)間躥水、躥肥,各小區(qū)間設(shè)置3 條無(wú)施肥、灌溉措施的壟進(jìn)行隔離.滴灌處理下滴灌帶平鋪于滴灌小區(qū)內(nèi),出水孔位置位于馬鈴薯植株附近10cm 處,采用水肥一體化的灌溉方式,于馬鈴薯播種后灌溉一次,灌水量控制為4.9m3/hm2,追肥期具體灌溉時(shí)間見(jiàn)表2,并于收獲前10d 停止灌溉.溝灌處理下,灌水方式為壟中大水漫灌,以水到壟頂為準(zhǔn),于馬鈴薯播種后及7 月中旬各大水灌溉一次,施肥方式為撒施.2018年和2019年整個(gè)馬鈴薯生長(zhǎng)季單次灌水量如表2 所示.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 N2O 采集和分析 N2O 的采集采用靜態(tài)密閉箱法,采樣箱由頂箱和底座組成,頂箱長(zhǎng)寬高分別為50cm,用塑料泡沫包裹箱體外,便于混合氣體,在頂箱內(nèi)部安裝小風(fēng)扇使箱內(nèi)氣體均勻,整個(gè)箱體粘滿密封條以保證箱體的密封性,頂箱側(cè)面裝有溫度傳感器、氣體樣品接頭以及風(fēng)扇接頭,底座由作物播種后埋入地下.頂箱與底座配合使用,于作物種植前安放于壟上,并保持位置不變.為保證小區(qū)內(nèi)土壤N2O 排放量盡可能均勻,各小區(qū)采樣箱均放置在小區(qū)中央位置,罩住一顆馬鈴薯苗,并保證每個(gè)小區(qū)在灌水時(shí)水壓保持一致.采樣前,往底座內(nèi)注入充足的水以保證頂箱和底座之間的密封性,采樣時(shí),將頂箱放置于底座上,然后分別在 0,5,10,15,20min 用100mL 帶有三通頭的注射器抽取箱內(nèi)氣體80mL 帶回實(shí)驗(yàn)室用于N2O 濃度的分析.于馬鈴薯種植一周后進(jìn)行采樣,每周采集一次,采集時(shí)間一般為8:00～11:00.注射器中的樣品用Agilent 6890 氣相色譜儀進(jìn)行N2O 濃度的測(cè)定.

土壤N2O 排放通量計(jì)算公式為[21]:

式中:F 為N2O 排放通量,μg/(m2?h);H 為采樣箱高度,cm; M 為溫室氣體的摩爾質(zhì)量,g/mol; dc/dt 為采樣箱內(nèi)N2O 氣體含量隨時(shí)間變化的斜率;T 為采樣箱箱內(nèi)溫度,℃; P為采樣時(shí)大氣壓,kPa; P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,kPa,P/P0≈1;V0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O 的摩爾體積,單位為L(zhǎng).

土壤N2O 累積排放量計(jì)算公式為[21]:

式中:C 為N2O 累積排放量,kg/hm2;n 為采樣次數(shù);Fi、Fi+1分別為第i 次和第i+1 次采樣時(shí)N2O 排放通量,μg/(m2?h); ti+1-ti為2 次采樣時(shí)間間隔,d.

1.3.2 土壤溶液的采集和測(cè)定 在各小區(qū)內(nèi)將負(fù)壓式土壤溶液提取裝置提前 1 個(gè)月分別在40cm、80cm 深度埋設(shè),埋設(shè)前,用直徑為15cm 的土鉆鉆取土壤后采集 0～20cm 表層土壤測(cè)定-N 含量、NH4+-N 含量測(cè)定.土壤pH 值取40、80cm 的埋設(shè)孔,將提取裝置的陶土頭放入孔內(nèi),通過(guò)灌漿使陶土頭與土壤緊密接觸.播種后,取樣前,將土壤溶液提取裝置抽取真空,馬鈴薯溉后進(jìn)行采集,在灌溉、降雨后連續(xù)采集土壤溶液,采集后迅速酸化帶回實(shí)驗(yàn)室于當(dāng)天進(jìn)行分析測(cè)定,并在取樣當(dāng)天記錄滲漏水量及降雨量. 2018 年為氮素淋溶實(shí)驗(yàn)開(kāi)始第1a,只在DG、FG 埋設(shè)土壤溶液提取裝置, 2019 年DCK、DD、DG、FCK、FD 和FG 均埋設(shè)土壤溶液提取裝置. 2018 和2019 年采樣分別于8 月8 日和8 月16 日提取不出土壤溶液結(jié)束.

水樣中硝酸鹽氮含量由雙波長(zhǎng)紫外比色法[22]測(cè)定,銨態(tài)氮含量由納氏試劑法[23]進(jìn)行測(cè)定.

土壤溶液氮素累積淋溶量計(jì)算公式為[24]:

式中:NL為氮素累積淋溶量,kg/hm2;Ci為第i 次采樣時(shí)-N或NH4+-N濃度,mg/L;V為土壤溶液體積,L;3.14×10-2為監(jiān)測(cè)區(qū)域面積,m2.

1.3.3 土壤樣品的采集和測(cè)定 2a 馬鈴薯田土壤樣品于馬鈴薯生長(zhǎng)季每月采集一次(5～10 月),每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)平行,按5 點(diǎn)采樣法在每個(gè)小區(qū)采集耕層0～20cm 土壤樣品,避光風(fēng)干后磨碎過(guò)2mm 篩進(jìn)行pH 值、SOC、容重、含水量、采用便攜式pH 測(cè)定儀器[25]進(jìn)行測(cè)定.土壤中SOC 采用重鉻酸鉀-油浴加熱法[26]進(jìn)行測(cè)定,土壤容重采用環(huán)刀法[27]進(jìn)行測(cè)定,土壤含水量采用烘干法[28]進(jìn)行測(cè)定,土壤-N 含量采用紫外分光光度法[29]測(cè)定,NH4+-N含量采用氯化鉀浸提-靛酚藍(lán)比色法[30]測(cè)定.土壤孔隙度由土壤容重和土壤比重求得:

式中:Pt(%)為土壤孔隙度,%,rs為土壤容重,g/cm3;ds為土壤比重,g/cm3.

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,SPSS 25.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn),作圖運(yùn)用Origin 2018 軟件.

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨與氣溫

2018 年和2019 年5～9 月的平均降水量變化范圍分別為4.14～44.90mm 和3.89～33.12mm,2018、2019 年降水均主要集中在7、8 月份(圖1).2a 內(nèi)日平均氣溫變化范圍分別為13～23℃和13～21℃,氣溫高峰值多出現(xiàn)在7 月份.

圖1 2018 和2019 年日平均氣溫和降水量變化Fig.1 Changes of daily average temperature and precipitation in 2018 and 2019

2.2 旱田土壤N2O 排放通量季節(jié)變化特征

由圖2 所示,2 種灌溉方式和不同施肥量處理下N2O 排放通量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致,在馬鈴薯整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi),N2O 排放高峰多集中在7、8 月.圖2a 表明,2018 年滴灌的N2O 排放通量2 次排放高峰出現(xiàn)在7月18日和8月8日,DD及DG峰值分別為450.2,1266.0 和381, 1104μg/(m2?h).圖2b 表明,溝灌的排放高峰出現(xiàn)時(shí)間與滴灌相同,7 月18 日和8 月8 日FD、FG峰值分別為5191.7,7528.7和1272, 3697μg/(m2?h).DG、FG 峰值分別為DD、FD 峰值3 倍左右.由圖2c、2d 可知,2019 年滴灌、溝灌排放峰值出現(xiàn)時(shí)間與2018 年相似,兩次排放峰值出現(xiàn)在7 月26 日和8月9 日,7 月26 日DD、DG、FD 和FG 峰值分別為281, 961.8, 921.35, 1778.25μg/(m2?h);8 月9 日峰值分別為485.9, 1098.4, 460.2, 1197.35μg/(m2?h).DG、FG峰值分別為DD、FD 峰值2～3 倍.滴灌灌溉方式下排放峰值明顯低于溝灌,且N2O 排放通量隨施氮量增加而增加.

圖2 2018 和2019 年滴灌和溝灌方式下N2O 排放通量變化Fig.2 Changes of N2O emission flux under drip or furrow irrigation in 2018 and 2019

2.3 滴灌和溝灌方式下旱田土壤N2O 累積排放量、排放強(qiáng)度及排放系數(shù)

表3 為不同灌溉方式和施氮水平對(duì)旱田土壤N2O 排放影響雙因素方差分析結(jié)果.結(jié)果表明,不同灌溉方式、不同施氮水平對(duì)旱田土壤N2O 排放影響具有極顯著差異(P＜0.01),而灌溉方式和施氮水平的交互作用對(duì) N2O 排放影響無(wú)顯著差異(P＞0.05).

表3 不同灌溉方式和施氮水平對(duì)旱田土壤N2O排放影響雙因素方差分析Table 3 ANOVA for N2O emissions from arid soils under different irrigation methods and N addition levels

滴灌和溝灌下2018、2019 年N2O 累積排放量如圖3(a)所示.2018 年和2019 年滴灌和溝灌方式不同施氮量下N2O 累積排放量具有顯著差異,N2O 累積排放量都隨施氮量的增加而增加,2018 和2019 年DCK、DD、DG N2O 累積排放量分別為1.30, 4.54,11.16kg/hm2和 1.52, 3.79, 9.69kg/hm2,均表現(xiàn)為DG＞DD＞DCK,FCK、FD、FG 分別為 2, 23.79,45.73kg/hm2和2.08, 6.23, 13.93kg/hm2,均表現(xiàn)為FG＞FD＞FCK;溝灌處理下N2O累積排放量顯著高于滴灌.2018 和2019 年DCK、DD、DG 分別與FCK、FD、FG 相比降低了35%、80.9%、75.6%和26.7%、66.4%、21.5%.2018 年不同灌溉方式下N2O 累積排放量顯著高于2019 年.

圖3 不同年度滴灌和溝灌方式下土壤N2O 情況Fig.3 Cumulative N2O emissions and emission intensity from upland soils under drip or furrow irrigation in different years

圖3(b)為N2O 排放強(qiáng)度,2018 年DCK、DD、DG、FCK、FD、FG 排放強(qiáng)度分別為0.05, 0.08, 0.19,0.09, 0.61, 1.17kg N/t,2019 年分別為0.06, 0.07, 0.17,0.10, 0.18, 0.39kg N/t,同一灌溉方式不同施肥處理之間N2O 排放強(qiáng)度存在顯著差異(P＜0.05). DCK、DD、DG 與FCK、FD、FG 相比N2O 排放強(qiáng)度分別減少了44.4%、86.9%、83.8%和40%、61.1%、56.4% .兩種灌溉方式下,2018年和2019年各個(gè)處理N2O 排放強(qiáng)度年際差異與累積排放量變化趨勢(shì)一致,均為滴灌方式下N2O 排放強(qiáng)度小于溝灌,隨施氮量增加N2O 排放強(qiáng)度增加,2018 年N2O 排放強(qiáng)度高于2019 年.

從N2O 排放系數(shù)來(lái)看,不同施氮量、不同灌溉方式之間存在顯著差異(P＜0.05),2018、2019 年DD、DG 排放系數(shù)分別為0.65%、0.99%和0.45%、0.82%,均低于IPCC 默認(rèn)值1%,FD、FG 排放系數(shù)分別為4.36%、4.37%和0.83%、1.19%,除2019 年FD 處理外均高于IPCC 默認(rèn)值1%,2019 年各處理N2O 排放系數(shù)明顯低于2018 年,滴灌與溝灌相比有效降低了N2O 排放系數(shù).

2.4 滴灌和溝灌方式旱田土壤氮素淋溶量變化

圖4 2018 和2019 年不同灌溉方式下不同深度土壤溶液中NO3--N 濃度Fig.4 NO3--N concentration in soil solutions of different soil profiles under different irrigation methods in 2018～2019

圖4c、d 表明,除FD40外,DCK、DD、FCK 和FD不同深度土壤溶液NO3--N濃度均表現(xiàn)為隨時(shí)間的變化而降低且滴灌處理下低于溝灌處理:DCK ＜FCK, DD＜ FD,40cm 和80cm 土壤溶液濃度變化范圍分別為0.07～1.82, 0.06～5.53, 0.05～4.81, 3.56～5.8和0.02～1.76, 0.01～3.92, 0～4.29, 0.32～4.55mg/L.

圖5 2018 和2019 年不同灌溉方式下不同深度土壤溶液中NH4+-N 濃度Fig.5 NH4+-N concentration in soil solutions of different soil profiles under different irrigation methods in 2018～2019

圖5 表明,滴灌和溝灌下不同深度土壤溶液NH4+-N 濃度變化趨勢(shì)一致,均隨時(shí)間的變化逐漸降低.由圖5(a)、(b)可知,2018 和2019 年整個(gè)采樣期DG 40cm 和80cm 土壤溶液濃度變化范圍分別 為 0.10～1.26,0.06～1.1 和 0.05～0.70, 0.03～0.45mg/L, FG 分別為 0.11～3.53, 0.06～1.56 和0.22～11.22, 0.03～6.85mg/L.兩年內(nèi)DG、FG 40cm深度銨態(tài)氮濃度均大于80cm 深度處濃度,滴灌方式較溝灌均降低了銨態(tài)氮濃度.圖5c、d 表明,在整個(gè)采樣期,DCK、DD 不同深度NH4+-N 濃度始終維持在較低水平,在40 和80cm 土壤溶液濃度變化范圍分別為0.03～0.45, 0.02～0.38 和0.02～0.62, 0.04～0.58mg/L;而FCK、FD 較DCK、DD而言NH4+-N 較高,在40 和80cm 土壤溶液濃度變化范圍分別為 0.33～0.90, 0.05～0.39,和 0.51～3.20, 0.19～3.05mg/L.

2.5 不同灌溉方式下旱田土壤氮素累積淋溶量

如表4 所示,不同灌溉方式、不同施氮水平及灌溉方式和施氮水平的交互作用對(duì)旱田土壤氮素淋溶量影響均具有極顯著差異(P＜0.01).由圖6 可以看出,2018 和2019 年滴灌和溝灌方式下土壤溶液氮素累積淋溶量具有明顯差異(P＜0.01),且不同土壤深度氮素淋溶量也具有顯著差異(P＜0.01),兩種灌溉方式下-N 氮素淋溶量占主導(dǎo)作用NH4+-N 始終處于較低水平.由圖6a 可以看出,2018 年DG40、DG80、FG40、FG80累積淋溶量分別為33.34, 5.14, 52.88,13.93kg/hm2,其中,以NO3--N 形式淋溶占總累計(jì)淋溶量分別為89.86%、81.52%、87.52%、95.05%,DG 與FG 相比,以NO3--N 形式在40cm 和80cm 深度土壤溶液淋溶量分別降低了35.26%和68.35%,以NH4+-N形式分別降低了48.79%和27.37%;由圖6b 可以看出,2019 年滴灌同樣有效降低了氮素淋溶量,DG40、DG80、FG40、FG80累積淋溶量分別為9.05, 3.43, 53.29,28.4kg/hm2,以NO3--N 形式淋溶占總累積淋溶量分別為90.94%、92.71%、68.17%、84.82%,在40cm 和80cm 深度NO3--N 和NH4+-N 形式分別降低了77.35%、95.17%和86.80%、94.20%.2019 年與2018年相比氮素淋溶量有所降低.圖6(c)、(d)表明,DCK、FCK 無(wú)機(jī)氮淋溶量無(wú)顯著差異(P＜0.05),而DD 與FD具有顯著差異(P＜0.01),2019 年DCK40、DCK80、FCK40、FCK80、DD40、DD80、FD40、FD80累積淋溶量分別為4.33, 1.73, 5.31, 2.57, 4.62, 1.26, 10.47,2.57kg/hm2,以NO3--N 形式淋溶占總累積淋溶量范圍為74.32%～89.02%,DD 與FD 相比,以NO3--N 形式在40 和80cm 深度土壤溶液淋溶量分別降低了57.64%和 54.93%,以 NH4+-N 形式分別降低了46.34%和32.8%.兩種灌溉方式下,累積淋溶量隨施氮量的增加而增加,滴灌無(wú)機(jī)氮累積淋溶量明顯低于溝灌,且40cm 深度土壤溶液累積淋溶量低于80cm.

表4 不同灌溉方式和施氮水平對(duì)旱田土壤氮素淋溶量影響雙因素方差分析結(jié)果Table 4 ANOVA for nitrogen leaching from arid soils under different irrigation methods and N addition levels

圖6 2018 和2019 年滴灌和溝灌方式下不同深度無(wú)機(jī)氮累積淋溶量Fig.6 Cumulative leaching amount of inorganic nitrogen from different soil profiles under drip or furrow irrigation in two years

2.6 滴灌和溝灌方式下N2O 排放影響因素

本研究選取了可能影響N2O 排放的9 個(gè)環(huán)境因子(pH 值、SOC、孔隙度、容重、含水量、降水頻率、灌水頻率、NO3--N 和NH4+-N)對(duì)其進(jìn)行主成分分析,如圖7 所示,根據(jù)特征值大于1 的原則選取了影響旱田土壤N2O 排放的有兩類主要因子,累積貢獻(xiàn)比達(dá)到87.32%,其中主成分1 貢獻(xiàn)比為59.66%,主成分2 貢獻(xiàn)比為27.66%.由圖7 可知,主成分1 與NO3--N、含水量、降水頻率和孔隙度具有正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為0.689、0.284、0.596 和0.296,與pH值、SOC、容重、灌水頻率和NH4+-N 呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.429、-0.239、-0.351、-0.446 和-0.245;主成分2 與NH4+-N、SOC、降水頻率、灌水頻率和含水量呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.269、0.622、0.183、0.258 和0.518;與pH 值、容重、NO3--N和孔隙度呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.092、-0.461、-0.122 和-0.189.其中,NO3--N 和降水頻率在主成分1 上的投影長(zhǎng)于其他環(huán)境因子,說(shuō)明NO3--N 含量和降水頻率是影響N2O 排放的主要因素,其他環(huán)境因子投影長(zhǎng)度比較短,說(shuō)明其對(duì)土壤N2O 排放貢獻(xiàn)低于NO3--N 含量和降水頻率.

圖7 環(huán)境因子對(duì)N2O 排放影響的主成分分析Fig.7 Principal component analysis of environmental factors influencing of nitrous oxide emission

2.7 滴灌和溝灌方式下氮素淋溶量影響因素

本研究選取了土壤pH 值、SOC、容重、含水量、孔隙度、NO3--N、NH4+-N、灌水頻率和降水頻率9 個(gè)可能影響氮素淋溶量的因子作主成分分析,結(jié)果如圖8 所示.影響旱田土壤氮素淋溶量的有兩類主要因子,累積貢獻(xiàn)比達(dá)到81.40%,其中主因子1貢獻(xiàn)比為53.20%,主因子2 貢獻(xiàn)比為28.20%.主成分1 與孔隙度、NO3--N、NH4+-N、及降水頻率呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.152、0.598、0.146 和0.697,與pH 值、SOC、容重、含水量和灌水頻率呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.421、-0.235、-0.289、-0.411和-0.729;主成分2 與pH 值、SOC、孔隙度、NH4+-N呈正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為0.127、0.591、0.579 和0.086,與容重、含水量、NO3--N、降水頻率和灌水頻率呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.529、-0.198、-0.402、-0.177 和-0.188.降水頻率和灌水頻率在主成分1 上的投影長(zhǎng)于其他環(huán)境因子,說(shuō)明其為影響氮素淋溶量的主要因素,其他因子投影長(zhǎng)度比較短,說(shuō)明其對(duì)旱田土壤氮素淋溶量貢獻(xiàn)低于降水頻率和灌水頻率.

圖8 環(huán)境因子對(duì)氮素淋溶量影響的主成分分析Fig.8 Principal component analysis of environmental factors influencing of nitrogen leaching amounts

3 討論

3.1 灌溉方式對(duì)N2O 排放的影響

N2O 排放被土壤發(fā)生的硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)所影響,而土壤的硝化、反硝化會(huì)由于不同的灌溉方式引起土壤理化性質(zhì)的變化而改變[31].目前,關(guān)于滴灌和溝灌方式N2O 排放研究結(jié)論不一致.有研究表明,由于溝灌與滴灌相比,土壤孔隙含水率更高,會(huì)產(chǎn)生抑制反硝化反應(yīng)的環(huán)境,使其排放的N2O 較滴灌相比減少[32];也有研究表明,滴灌方式下N2O 排放有效減少是由于硝化反應(yīng)起主導(dǎo)作用[33],而反硝化反應(yīng)主要發(fā)生在溝灌方式下,從而促進(jìn)了N2O 排放.本研究表明,在施氮量相同條件下,滴灌有效降低了N2O 排放量,且在整個(gè)馬鈴薯生長(zhǎng)季排放高峰主要集中在7、8 月,研究結(jié)果與Liu[34]等研究結(jié)果一致,這可能是由于滴灌方式下土壤含水量低于溝灌(圖9),反硝化反應(yīng)被抑制,從而減少了N2O 的排放,而排放高峰主要出現(xiàn)在7、8 月可能是由于內(nèi)蒙古地區(qū)屬于半干旱地區(qū),全年降水主要集中在7、8 月,降水后,土壤表面濕潤(rùn),土壤含水量顯著增加,微生物活性加強(qiáng),加速了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化,而NH4+作為硝化反應(yīng)的反應(yīng)底物,NO3-作為反硝化反應(yīng)的反應(yīng)底物[35],且內(nèi)蒙古地區(qū)全年高溫天氣集中于7、8 月,高溫高濕的土壤環(huán)境促進(jìn)了反硝化反應(yīng)進(jìn)行從而增加了N2O 排放量.

圖9 2018 年和2019 年土壤體積含水量變化Fig.9 Changes of soil volume water content in 2018～2019

Khalil 等[36],郝慶菊等[37]和黃樹(shù)輝等[38]研究表明,我國(guó)南方水稻田釋放N2O 量很少, N2O 平均排放通量范圍為0～116.5μg/(m2?h),遠(yuǎn)低于本研究旱田土壤N2O平均排放通量,水稻田釋放N2O 較少是因厭氧條件下N2O 最終變成N2后才排入大氣,而旱田土壤N2O 排放量大是因?yàn)槭芄喔确绞健囟?、降雨等條件的影響,土壤微生物活性增強(qiáng)加速反硝化反應(yīng)進(jìn)行.

2a 內(nèi)滴灌方式下不同施氮處理N2O 排放系數(shù)為0.45%～0.99%,均小于IPCC 推薦的農(nóng)田N2O 排放系數(shù)1%,溝灌方式下除2019 年低肥處理均大于IPCC 推薦的農(nóng)田N2O 排放系數(shù)1%.不同的學(xué)者關(guān)于N2O 排放系數(shù)有不同的研究結(jié)果,謝立勇[40]研究得出N2O 排放系數(shù)為0.23%～0.57%,也有一些學(xué)者的研究結(jié)果高于本文結(jié)果,Ding[41]研究得出N2O 排放系數(shù)為8.6%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本實(shí)驗(yàn)結(jié)果.由上可知,本試驗(yàn)排放系數(shù)處于中等水平,高施氮量、降雨量以及高溫天氣綜合作用, N2O 排放總量增多導(dǎo)致N2O 排放系數(shù)大于IPCC 推薦的農(nóng)田N2O 排放系數(shù)1%,

滴灌方式下排放系數(shù)小可能是因?yàn)樗室惑w化的灌溉模式使馬鈴薯對(duì)氮素更高效的吸收.還有報(bào)道指出,同樣施肥處理下質(zhì)地偏砂的土壤N2O 排放量或排放系數(shù)較高[42],本文研究區(qū)域土壤為砂壤土,這也可能為N2O 排放系數(shù)大的一個(gè)原因.

本文通過(guò)主成分分析得出影響N2O 排放的主導(dǎo)環(huán)境因子為土壤NO3--N 含量和降水頻率,土壤降水頻率和N2O 排放呈顯著正相關(guān),這與前人的研究一致.Bateman 等[43]的研究表明,降水后土壤硝化反硝化作用會(huì)由于土壤通氣性改變和礦質(zhì)氮底物增加而導(dǎo)致N2O 排放量大幅度增加;同樣,Bateman 等[43]和Davidson 等[44]和Zhang 等[45]的研究指出,在降水頻率較低時(shí),N2O排放量很少,隨著降水頻率的增加,N2O排放呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì).這一現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是由于隨降水頻率增加土壤含水量增大,導(dǎo)致土壤中O2含量急劇下降增強(qiáng)了反硝化作用,從而使N2O 排放量明顯增加.姜珊珊等[46]的研究表明,在施肥處理的土壤上N2O 排放與硝態(tài)氮濃度有明顯的相關(guān)性,姚志生等[47]的研究也表明,硝態(tài)氮濃度與N2O 排放具有較明顯的相關(guān)性,本文中,土壤NO3--N 含量也與N2O 排放呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,這與前人的研究結(jié)果一致.

3.2 不同灌溉方式下降水對(duì)氮素淋溶影響

氮素淋溶是農(nóng)田用于作物生長(zhǎng)施入的氮肥的一個(gè)重要損失途徑,灌溉、降雨、施肥是影響氮素淋溶的重要因素[48].本文結(jié)果為在整個(gè)采樣周期土壤溶液硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),且隨施氮量的增加濃度逐漸升高,以NO3--N 形式淋溶為主,這是因?yàn)檫^(guò)高的施氮量,使硝酸根離子過(guò)多的殘留在土壤而導(dǎo)致硝酸鹽的大量淋失,這與王百群[49]研究結(jié)果一致.本研究表明,灌溉方式相同的條件下,氮素淋溶量隨土壤深度的增加而減少,這與孫震[50]的研究結(jié)果一致,這可能是由于氮素隨土壤溶液向下運(yùn)移的過(guò)程中土壤膠體具有吸附作用,將無(wú)機(jī)氮吸附在土壤中從而使深層土壤溶液氮素淋溶量降低.灌溉方式的不同也會(huì)引起氮素淋溶量的差異.Yu 等[51]的研究發(fā)現(xiàn),節(jié)水灌溉(滴灌)較傳統(tǒng)灌溉(溝灌)相比可有效減少氮素淋溶量,這可能是由于滴灌方式下灌水強(qiáng)度小使水分向下運(yùn)移的能力減弱,本文試驗(yàn)結(jié)果對(duì)此進(jìn)行了印證,得出結(jié)論也是滴灌方式下氮素淋溶量顯著低于溝灌.本文與水田[52]相比氮素淋溶量較低,這可能是因?yàn)榈咎锊捎醚退喔饶Ｊ?灌水量大導(dǎo)致收集到的淋溶液體積大幅度增加且氮肥隨灌溉水向下運(yùn)移的量增加.降雨是影響氮素淋溶的一個(gè)重要因素,2019 年氮素淋溶量低于2018 年,這是因?yàn)?018 年內(nèi)蒙古地區(qū)頻繁降水,而2019 年降水頻率、降水量明顯低于2018 年.降雨后,土壤中氮素大部分以無(wú)機(jī)氮(主要為硝酸鹽氮、銨態(tài)氮)形式淋溶[53],且硝酸鹽氮占主導(dǎo)作用,氮素淋溶后土壤溶液中硝酸鹽氮濃度明顯高于銨態(tài)氮濃度,本文得出了一致的結(jié)論,這是因?yàn)橥寥滥z體具有吸附作用,銨態(tài)氮容易被土壤膠體吸收而硝酸鹽氮在降雨后容易隨土壤溶液運(yùn)移不易被吸收.

4 結(jié)論

4.1 不同灌溉方式、不同施氮量對(duì)N2O 排放和氮素淋溶量具有極顯著影響,滴灌與溝灌相比可有效降低N2O 排放;同一灌溉方式下,N2O 排放量隨施氮量的增加而增加;土壤NO3--N 含量、降水頻率是影響N2O 排放的主要環(huán)境因素.

4.2 以無(wú)機(jī)氮形式淋溶的氮素以NO3--N形式為主,滴灌與溝灌相比可明顯降低旱田土壤氮素淋溶量,隨土壤深度的增加淋溶量減少,2019 年氮素淋溶量低于2018 年;降水頻率和灌水頻率是影響氮素淋溶量的主要環(huán)境因素.

4.3 節(jié)水灌溉(滴灌)與傳統(tǒng)灌溉(溝灌)相比,有效減少N2O 排放和氮素淋溶量,提高肥料利用率的同時(shí)減少了對(duì)環(huán)境的污染.