氮肥管理对夏玉米土壤CH4和N2O排放的影响
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24]
种重要温室气体. 与 CO2 相比, 虽然 CH4 与 N2O 在大 气中的浓度相对较低 , 但是它们具有更大的全球增 温潜势(Global Warming Potential, GWP)( 例如在 100 年时间尺度内, CH4 和 N2O 的 GWP 分别是相同质量 CO2 的 25 倍和 298 倍 ). 此外 CH4 还在许多大气成 分的化学转化中扮演重要角色[2], 而 N2O 是造成臭氧 层损耗的因素之一 . 农业生产活动对大气中 CH4 与 N2O 的含量有重要的影响 , 每年由于农业生产活动 而排放到大气中的 CH4 与 N2O 分别占人类活动排放 CH4 与 N2O 总量的 50%与 60%[4]. 农业生产中化学肥料的施用会抑制土壤对大气 CH4 的氧化吸收[5~7], 而且施肥量以及氮肥种类 (例如 硝态氮肥、氨态氮肥以及尿素 ) 都对土壤氧化吸收
2.2 实验设计
试验从 2008 年 6 月 21 日开始, 到同年 10 月 8 日结束, 总共进行了 109 天. 实验小区采用随机区组 设计, 设置了 4 个处理, 每个处理设置了 3 个重复, 小区面积为 3 m × 4 m = 12 m2. 4 个处理分别为: 处理 一和处理二代表华北平原地区农民在夏玉米生产过 程中的两种氮肥管理模式, 即氮肥施用量分别为 300 kg N/ha (N300) 和 250 kg N/ha (N250), 所施氮肥种类 为尿素 . 两个处理的氮肥分基肥和十叶期追肥两次 施用. 基肥于 6 月 24 日施用, 十叶期追肥于 8 月 9 日施用. N300 处理的基肥和追肥的施用量分别为 100 和 200 kg N/ha, N250 处理的分别为 100 和 150 kg N/ha. 处理三为改进的肥料管理模式 (Optimized), 在 整个夏玉米生长季期间, 该处理总共施用氮肥 185 kg N/ha, 所施用的氮肥种类为尿素 , 分三次施用 , 其中 6 月 24 日基肥施用量为 45 kg N/ha, 7 月 24 日三叶期 追肥量为 80 kg N/ha, 8 月 9 日十叶期追肥量为 60 kg N/ha. Optimized 处理的氮肥施用量是依据夏玉米对 氮肥的需求量和玉米根层土壤速效氮的供给能力来 综 合 确 定 . 处 理 四 为 缓 释 氮 肥 处 理 (SRU; Slow Release Urea), 所用的缓释肥是含氮量为 44%, 氮素 释放期为 2 个月的聚乙烯包膜尿素 , 施肥量为 300 kg N/ha. 缓释肥全部用作基肥一次性施入土壤 , 然后再 与地表 30 cm 深度土层混合. 在夏玉米播前 , 各处理分别施用了过磷酸钙和 硫酸钾作基肥, 地表撒施后与 30 cm 深度土层混合, 其中磷肥施用量为 45 kg P2O5/ha, 钾肥施用量为 45 kg K2O/ha. 另外, Optimized 处理在三叶期追肥时根 据作物需求施用了硫酸钾 , 施肥量为 45 kg K2O/ha, 地表撒施. 整个夏玉米生长季, 处理 N300、 N250 以及 SRU 总共浇水 2 次, 分别为刚播种之后浇水 70 mm 以及十 叶期追肥之后浇水 30 mm. Optimized 处理除了与其 他三个处理在同一时间浇了相同量的水之外 , 还在 三叶期追肥之后浇了 10 mm 水.
[3] [1]
. 由于 CH4 和 N2O 排放通量的时空变异很大,
因此针对不同区域农田 CH4 和 N2O 排放特征提出针 对性的减排措施以及评价选定减排措施的减排效果
胡小康等: 氮肥管理对夏玉米土壤 CH4 和 N2O 排放的影响
显得尤为重要. 华北平原是中国的重要粮食产区 , 夏玉米是该 地区最主要的粮食作物之一 , 其玉米产量约占全国 的 33%[25]. 为了获得作物高产 , 该地区的农民在夏玉 米种植过程中投入了大量的化学氮肥 , 调查结果显 示氮肥投入量在 220~270 kg N/ha 之间, 平均为 249 kg N/ha[26]. 氮肥投入量已经严重超过了夏玉米对氮 肥的实际需求量, 不仅造成了土壤中 NO3–的累积 [17] 及地下水 NO3含量过高[27, 28], 而且还很可能导致土 壤 N2O 的大量排放以及在一定程度上降低土壤氧化 吸收 CH4 的能力 . 尽管已有部分研究对该地区夏玉 米生产过程中土壤 N2O 排放进行过报道 [29~33], 但是 这些研究中夏玉米的氮肥施用量最多达到 210 kg N/ha, 大部分研究的氮肥施用量为 150 kg N/ha, 而对 于夏玉米过量施用氮肥所造成的 N2O 排放还鲜有报 道 . 到目前为止唯有 Zhang 等 [34]在华北平原的河北 栾城(+37° 53′ N, +114° 40′ E)对夏玉米氮肥施用量为 300 kg N/ha 时土壤 N2O 排放进行过报道, 发现在该 氮肥施用量的条件下, 土壤 N2O 的排放会显著增加. 有关华北平原夏玉米-土壤之间 CH4 交换通量的报道 更是鲜有研究 . 齐玉春等 [35] 在华北平原的山东禹城 (+36° 57′ N, +116° 36' E)的研究表明 , 氮肥的施用会显 著抑制夏玉米土壤对大气 CH4 的吸收. 因此本文选取华北平原中部地区夏玉米生产过 程为研究对象 , 对不同氮肥管理措施下土壤 - 大气之 间 CH4 和 N2O 交换通量进行研究 , 比较不同处理的 CH4 和 N2O 排放通量变化特征及与环境因子之间的 相互关系, 进而评价与传统的氮肥管理措施相比 , 改 进的施肥技术(通过 N-P-K 平衡施肥和根据夏玉米氮 肥需求量与根层土壤中速效氮的供应能力来确定氮 肥的施用量)是否可以减少 CH4 与 N2O 所造成的温室 效应及其减排潜力 ; 而华北平原夏玉米生产过程中 施用缓释肥对土壤 CH4 和 N2O 排放的影响如何还未 见报道, 因此本文还初步研究了缓释肥的施用对 CH4 和 N2O 排放的影响.
2
材料和方法
2.1 实验地点描述
实验地点位于中国河北省邯郸市东北部的曲周 县境内的中国农业大学曲周实验站(+36° 52′ N, +115° 10′ E; 海拔: 37 m), 年平均气温 13.1 ℃, 年平
118
中国科学: 化学
2011 年 第 41 卷 第 1 期
2.3 CH4 和 N2O 排放通量的测定
均降雨量为 556.2 mm. 土壤类型为潮土 , 0~10 cm 和 10~20 cm 深度土层的容重分别为 1.32 和 1.37 g/cm3. 0~20 cm 土层的 pH 为 8.24, 全氮含量为 0.09%, 速效 磷含量为 51.2 mg/kg; 速效钾含量为 156.0 mg/kg; 有 机质含量为 14.7 g/kg. 试验区的前茬作物是冬小麦 .
CH4 和 N2O 使用静态箱法测定, 采样箱的规格 为 50 × 50 × 50 cm, 固定在土壤中的基座插入土壤 15 cm 深处. 气体排放通量的测定频率为施用氮肥后 的 15 天内每天测定一次, 其余时间每隔 3 天测定一 次. 气体样品的采集于每天上午 8:30 至 11:30 之间 进行. 采集气体时将采样箱盖 45 min, 期间用 50 mL 注射器在盖箱后的 0、15 、30 以及 45 min 时分别 抽取一次箱内气体, 每个箱子共抽取 4 次, 每次抽取 50 mL. 气体样品在注射器中直接保存并于当天分 析完毕 . 气体样品用安装了 ECD (Electron Capture Detector)和 FID (Flame Ionization Detector) 检测器的 GC (SHIMADZU GC-14B, Japan) 测定 . 测定样品时 ECD 的温度为 300 ℃, 柱温为 60 ℃. 用高纯氮作载 气, 高纯氢和压缩空气作 FID 的燃气, 并以 10% 的 CO2 作补偿气以避免气体样品中 CO2 浓度变化对 N2O 测定的影响[36]. 其中 ECD 的载气流速为 30 mL/min, 使用两根长度分别为 1 m 和 3 m, 内径为 2 mm, 80/100 目的 Porapak 为填充物的色谱柱来完 成 N2O 的分离和反吹. 反吹气的流速为 25 mL/min, 清洗气 的流速为 25 mL/min. FID 的载气流速为 70 mL/min, 色谱柱的内径及填充物的材料与 ECD 的相同, 长度 为 3 m. 试验区盖箱期间的气体排放通量采用直线回归 法进行计算 [37]. 夏玉米生长季的累积气体交换通量 采用线性插值法进行计算.
(N250)、改进的施肥模式(Optimized)以及施用缓释肥 (SRU), 研究华北平原夏玉米生长季土壤与大 气之间 CH4 和 N2O 的交换通量及相应措施的减排潜力. 结果表明, 在 2008 年整个夏玉米生长季, 土 壤都是大气 CH4 的净吸收库和 N2O 的排放源. 夏玉米生长季土壤氧化吸收的 CH4 总量从大到小依 次为 Optimized > N250 > SRU > N300, 对应的吸收总量依次为 624.16、590.07、487.89 以及 316.02 g CH4-C/ha, 各处理间氧化吸收的 CH4 总量无显著差异. 与 N300 和 N250 这两个处理相比, 依据夏 玉米对氮肥的需肥规律以及玉米根层土壤速效氮的供给能力而确定氮肥施用量 , 同时再平衡施用 磷肥和钾肥的改进施肥模式能够显著降低夏玉米生长季 N2O 的排放. 施用聚乙烯包膜的尿素也能 够显著降低夏玉米季 N2O 的排放. 夏玉米生长季土壤排放的 N2O 总量从大到小依次为 N300 > N250 > Optimized > SRU, 对应的排放总量依次为 3462.18、 2340.07、 1680.00 以及 911.91 g N2O-N/ha, 相应的 N2O 排放系数分别为 1.15%、0.94%、0.91%以及 0.30%.
关键词 CH4 N2O 尿 N2O 是大气中除水汽外仅次于 CO2 的两
CH4 的抑制程度存在差别. 目前究竟哪种类型的肥料 对土壤氧化 CH4 的抑制作用更大还存在争论 . 化肥 施用对土壤 N2O 的排放有显著影响 . 随着氮肥施用 量的加大 , 土壤 N2O 的排放也随之直线增加 [8, 9] 或 呈曲线正相关[10~12]. 一些研究指出 , 通过合理施用氮 肥来提高作物对氮肥的利用效率可以有效降低土壤 N2O 的排放[4, 13, 14], 例如减少氮肥的过量施用[15~17]、选 择恰当的施肥时间[18]、 N-P-K 的平衡施肥[19, 20]、 依据 作物的实际需氮量和土壤的供氮能力来确定氮肥的 施用量[21]等. 有研究显示, 施用缓释肥料或者控释肥 料可以减少土壤 N2O 的排放[22]. 但也有研究表明, 与 传统肥料相比 , 缓释肥料或控释肥料的施用不仅不 能够减少土壤 N2O 的排放 , 甚至还可能增加其排 放[23,
中国科学: 化学 SCIENTIA SINICA Chimica 论 文
2011 年
第 41 卷
第 1 期: 117 ~ 128
SCIENCE CHINA PRESS
氮肥管理对夏玉米土壤 CH4 和 N2O 排放的影响
胡小康, 黄彬香, 苏芳*, 巨晓棠, 江荣风, 张福锁
中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193 *通讯作者, E-mail: sufang@ 收稿日期: 2010-01-14; 接受日期: 2010-07-05; 网络版发布日期: 2010-09-14 doi: 10.1360/032010-29
摘要
通过设置四个不同的氮肥管理措施 , 即氮肥施用量 300 kg N/ha (N300)和 250 kg N/ha
种重要温室气体. 与 CO2 相比, 虽然 CH4 与 N2O 在大 气中的浓度相对较低 , 但是它们具有更大的全球增 温潜势(Global Warming Potential, GWP)( 例如在 100 年时间尺度内, CH4 和 N2O 的 GWP 分别是相同质量 CO2 的 25 倍和 298 倍 ). 此外 CH4 还在许多大气成 分的化学转化中扮演重要角色[2], 而 N2O 是造成臭氧 层损耗的因素之一 . 农业生产活动对大气中 CH4 与 N2O 的含量有重要的影响 , 每年由于农业生产活动 而排放到大气中的 CH4 与 N2O 分别占人类活动排放 CH4 与 N2O 总量的 50%与 60%[4]. 农业生产中化学肥料的施用会抑制土壤对大气 CH4 的氧化吸收[5~7], 而且施肥量以及氮肥种类 (例如 硝态氮肥、氨态氮肥以及尿素 ) 都对土壤氧化吸收
2.2 实验设计
试验从 2008 年 6 月 21 日开始, 到同年 10 月 8 日结束, 总共进行了 109 天. 实验小区采用随机区组 设计, 设置了 4 个处理, 每个处理设置了 3 个重复, 小区面积为 3 m × 4 m = 12 m2. 4 个处理分别为: 处理 一和处理二代表华北平原地区农民在夏玉米生产过 程中的两种氮肥管理模式, 即氮肥施用量分别为 300 kg N/ha (N300) 和 250 kg N/ha (N250), 所施氮肥种类 为尿素 . 两个处理的氮肥分基肥和十叶期追肥两次 施用. 基肥于 6 月 24 日施用, 十叶期追肥于 8 月 9 日施用. N300 处理的基肥和追肥的施用量分别为 100 和 200 kg N/ha, N250 处理的分别为 100 和 150 kg N/ha. 处理三为改进的肥料管理模式 (Optimized), 在 整个夏玉米生长季期间, 该处理总共施用氮肥 185 kg N/ha, 所施用的氮肥种类为尿素 , 分三次施用 , 其中 6 月 24 日基肥施用量为 45 kg N/ha, 7 月 24 日三叶期 追肥量为 80 kg N/ha, 8 月 9 日十叶期追肥量为 60 kg N/ha. Optimized 处理的氮肥施用量是依据夏玉米对 氮肥的需求量和玉米根层土壤速效氮的供给能力来 综 合 确 定 . 处 理 四 为 缓 释 氮 肥 处 理 (SRU; Slow Release Urea), 所用的缓释肥是含氮量为 44%, 氮素 释放期为 2 个月的聚乙烯包膜尿素 , 施肥量为 300 kg N/ha. 缓释肥全部用作基肥一次性施入土壤 , 然后再 与地表 30 cm 深度土层混合. 在夏玉米播前 , 各处理分别施用了过磷酸钙和 硫酸钾作基肥, 地表撒施后与 30 cm 深度土层混合, 其中磷肥施用量为 45 kg P2O5/ha, 钾肥施用量为 45 kg K2O/ha. 另外, Optimized 处理在三叶期追肥时根 据作物需求施用了硫酸钾 , 施肥量为 45 kg K2O/ha, 地表撒施. 整个夏玉米生长季, 处理 N300、 N250 以及 SRU 总共浇水 2 次, 分别为刚播种之后浇水 70 mm 以及十 叶期追肥之后浇水 30 mm. Optimized 处理除了与其 他三个处理在同一时间浇了相同量的水之外 , 还在 三叶期追肥之后浇了 10 mm 水.
[3] [1]
. 由于 CH4 和 N2O 排放通量的时空变异很大,
因此针对不同区域农田 CH4 和 N2O 排放特征提出针 对性的减排措施以及评价选定减排措施的减排效果
胡小康等: 氮肥管理对夏玉米土壤 CH4 和 N2O 排放的影响
显得尤为重要. 华北平原是中国的重要粮食产区 , 夏玉米是该 地区最主要的粮食作物之一 , 其玉米产量约占全国 的 33%[25]. 为了获得作物高产 , 该地区的农民在夏玉 米种植过程中投入了大量的化学氮肥 , 调查结果显 示氮肥投入量在 220~270 kg N/ha 之间, 平均为 249 kg N/ha[26]. 氮肥投入量已经严重超过了夏玉米对氮 肥的实际需求量, 不仅造成了土壤中 NO3–的累积 [17] 及地下水 NO3含量过高[27, 28], 而且还很可能导致土 壤 N2O 的大量排放以及在一定程度上降低土壤氧化 吸收 CH4 的能力 . 尽管已有部分研究对该地区夏玉 米生产过程中土壤 N2O 排放进行过报道 [29~33], 但是 这些研究中夏玉米的氮肥施用量最多达到 210 kg N/ha, 大部分研究的氮肥施用量为 150 kg N/ha, 而对 于夏玉米过量施用氮肥所造成的 N2O 排放还鲜有报 道 . 到目前为止唯有 Zhang 等 [34]在华北平原的河北 栾城(+37° 53′ N, +114° 40′ E)对夏玉米氮肥施用量为 300 kg N/ha 时土壤 N2O 排放进行过报道, 发现在该 氮肥施用量的条件下, 土壤 N2O 的排放会显著增加. 有关华北平原夏玉米-土壤之间 CH4 交换通量的报道 更是鲜有研究 . 齐玉春等 [35] 在华北平原的山东禹城 (+36° 57′ N, +116° 36' E)的研究表明 , 氮肥的施用会显 著抑制夏玉米土壤对大气 CH4 的吸收. 因此本文选取华北平原中部地区夏玉米生产过 程为研究对象 , 对不同氮肥管理措施下土壤 - 大气之 间 CH4 和 N2O 交换通量进行研究 , 比较不同处理的 CH4 和 N2O 排放通量变化特征及与环境因子之间的 相互关系, 进而评价与传统的氮肥管理措施相比 , 改 进的施肥技术(通过 N-P-K 平衡施肥和根据夏玉米氮 肥需求量与根层土壤中速效氮的供应能力来确定氮 肥的施用量)是否可以减少 CH4 与 N2O 所造成的温室 效应及其减排潜力 ; 而华北平原夏玉米生产过程中 施用缓释肥对土壤 CH4 和 N2O 排放的影响如何还未 见报道, 因此本文还初步研究了缓释肥的施用对 CH4 和 N2O 排放的影响.
2
材料和方法
2.1 实验地点描述
实验地点位于中国河北省邯郸市东北部的曲周 县境内的中国农业大学曲周实验站(+36° 52′ N, +115° 10′ E; 海拔: 37 m), 年平均气温 13.1 ℃, 年平
118
中国科学: 化学
2011 年 第 41 卷 第 1 期
2.3 CH4 和 N2O 排放通量的测定
均降雨量为 556.2 mm. 土壤类型为潮土 , 0~10 cm 和 10~20 cm 深度土层的容重分别为 1.32 和 1.37 g/cm3. 0~20 cm 土层的 pH 为 8.24, 全氮含量为 0.09%, 速效 磷含量为 51.2 mg/kg; 速效钾含量为 156.0 mg/kg; 有 机质含量为 14.7 g/kg. 试验区的前茬作物是冬小麦 .
CH4 和 N2O 使用静态箱法测定, 采样箱的规格 为 50 × 50 × 50 cm, 固定在土壤中的基座插入土壤 15 cm 深处. 气体排放通量的测定频率为施用氮肥后 的 15 天内每天测定一次, 其余时间每隔 3 天测定一 次. 气体样品的采集于每天上午 8:30 至 11:30 之间 进行. 采集气体时将采样箱盖 45 min, 期间用 50 mL 注射器在盖箱后的 0、15 、30 以及 45 min 时分别 抽取一次箱内气体, 每个箱子共抽取 4 次, 每次抽取 50 mL. 气体样品在注射器中直接保存并于当天分 析完毕 . 气体样品用安装了 ECD (Electron Capture Detector)和 FID (Flame Ionization Detector) 检测器的 GC (SHIMADZU GC-14B, Japan) 测定 . 测定样品时 ECD 的温度为 300 ℃, 柱温为 60 ℃. 用高纯氮作载 气, 高纯氢和压缩空气作 FID 的燃气, 并以 10% 的 CO2 作补偿气以避免气体样品中 CO2 浓度变化对 N2O 测定的影响[36]. 其中 ECD 的载气流速为 30 mL/min, 使用两根长度分别为 1 m 和 3 m, 内径为 2 mm, 80/100 目的 Porapak 为填充物的色谱柱来完 成 N2O 的分离和反吹. 反吹气的流速为 25 mL/min, 清洗气 的流速为 25 mL/min. FID 的载气流速为 70 mL/min, 色谱柱的内径及填充物的材料与 ECD 的相同, 长度 为 3 m. 试验区盖箱期间的气体排放通量采用直线回归 法进行计算 [37]. 夏玉米生长季的累积气体交换通量 采用线性插值法进行计算.
(N250)、改进的施肥模式(Optimized)以及施用缓释肥 (SRU), 研究华北平原夏玉米生长季土壤与大 气之间 CH4 和 N2O 的交换通量及相应措施的减排潜力. 结果表明, 在 2008 年整个夏玉米生长季, 土 壤都是大气 CH4 的净吸收库和 N2O 的排放源. 夏玉米生长季土壤氧化吸收的 CH4 总量从大到小依 次为 Optimized > N250 > SRU > N300, 对应的吸收总量依次为 624.16、590.07、487.89 以及 316.02 g CH4-C/ha, 各处理间氧化吸收的 CH4 总量无显著差异. 与 N300 和 N250 这两个处理相比, 依据夏 玉米对氮肥的需肥规律以及玉米根层土壤速效氮的供给能力而确定氮肥施用量 , 同时再平衡施用 磷肥和钾肥的改进施肥模式能够显著降低夏玉米生长季 N2O 的排放. 施用聚乙烯包膜的尿素也能 够显著降低夏玉米季 N2O 的排放. 夏玉米生长季土壤排放的 N2O 总量从大到小依次为 N300 > N250 > Optimized > SRU, 对应的排放总量依次为 3462.18、 2340.07、 1680.00 以及 911.91 g N2O-N/ha, 相应的 N2O 排放系数分别为 1.15%、0.94%、0.91%以及 0.30%.
关键词 CH4 N2O 尿 N2O 是大气中除水汽外仅次于 CO2 的两
CH4 的抑制程度存在差别. 目前究竟哪种类型的肥料 对土壤氧化 CH4 的抑制作用更大还存在争论 . 化肥 施用对土壤 N2O 的排放有显著影响 . 随着氮肥施用 量的加大 , 土壤 N2O 的排放也随之直线增加 [8, 9] 或 呈曲线正相关[10~12]. 一些研究指出 , 通过合理施用氮 肥来提高作物对氮肥的利用效率可以有效降低土壤 N2O 的排放[4, 13, 14], 例如减少氮肥的过量施用[15~17]、选 择恰当的施肥时间[18]、 N-P-K 的平衡施肥[19, 20]、 依据 作物的实际需氮量和土壤的供氮能力来确定氮肥的 施用量[21]等. 有研究显示, 施用缓释肥料或者控释肥 料可以减少土壤 N2O 的排放[22]. 但也有研究表明, 与 传统肥料相比 , 缓释肥料或控释肥料的施用不仅不 能够减少土壤 N2O 的排放 , 甚至还可能增加其排 放[23,
中国科学: 化学 SCIENTIA SINICA Chimica 论 文
2011 年
第 41 卷
第 1 期: 117 ~ 128
SCIENCE CHINA PRESS
氮肥管理对夏玉米土壤 CH4 和 N2O 排放的影响
胡小康, 黄彬香, 苏芳*, 巨晓棠, 江荣风, 张福锁
中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193 *通讯作者, E-mail: sufang@ 收稿日期: 2010-01-14; 接受日期: 2010-07-05; 网络版发布日期: 2010-09-14 doi: 10.1360/032010-29
摘要
通过设置四个不同的氮肥管理措施 , 即氮肥施用量 300 kg N/ha (N300)和 250 kg N/ha