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作者简介:

蒋雨洲(1986-),男,陕西人,助理研究员,博士,主要从事养分管理研究。E-mail:417313576@qq.com。

通讯作者:

刘青丽,E-mail:liuqingli@caas.cn。

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目录contents

    摘要

    为探明烤烟-玉米轮作和烤烟连作在黄壤烟田 N2O 排放变化特征,并探明不同环境因子对其排放通量的影响。2016 年于贵州省烟草科学研究院龙岗长期养分定位试验站,采用静态箱—气相色谱法测定了 N2O 含量,试验共设 3 个处理,不施任何肥料 + 轮作(CK);常规施肥 + 轮作(CR);常规施肥 + 连作(CC)。试验结果表明, 烤烟生长季,各施肥处理的黄壤烟田 N2O 排放均有 2 次高峰,峰值主要出现在烤烟施基肥后 3 ~ 5 d 和追肥后 1 ~ 7 d,其中施基肥后 N2O 排放累积量占整个生长季 N2O 排放累积量的比例较高,范围为 16.26% ~ 18.30%。各个处理 N2O 平均排放通量的顺序是 CC>CR>CK,其平均排放通量分别为 0.044、0.022 和 0.013 mg·m-2·h-1;相同施肥量条件下,烤烟连作较轮作 N2O 排放总量提高了 2 倍,烤烟生物量降低了 30.01%。相关分析表明,施肥 + 轮作的烟田 N2O 排放通量与土壤硝态氮含量有关(P<0.05)。黄壤烟田轮作后显著降低了土壤 N2O 排放量,合理轮作是降低黄壤烟田温室气体 N2O 排放的重要途径。

    Abstract

    This experiment was carried out to study the effects of crop rotation and continuous cropping to N2O emission characteristics in yellow soil tobacco fields.N2O emission flux was determined using a static chamber-gas chromatograph technique on a long-term test station in Longgang Town Tobacco Science Institute of Guizhou Province.The experiment was set up with three treatments,including no fertilizer + crop rotation for comparison(CK);inorganic fertilizer + crop rotation (CR);inorganic fertilizer + continuous cropping(CC).The results showed that tobacco growth season of N2O emission peaks was appeared at 3 ~ 5 d after basal fertilizer,and 1 ~ 7 d after top fertilizer,respectively.After basal fertilizer the total cumulative N2O emissions accounted for high percentage(16.26% ~ 18.30%)of the whole growing season.The order of the average N2O emission flux among treatments was CC>CR>CK in the tobacco growing season,which was 0.044 and 0.022 and 0.013 mg·m-2·h-1,respectively.Under the condition of same fertilization,compared with rotation,the N2O emission of continuous cropping increased 2 times,and tobacco biomass decreased by 30.01%.Correlation analysis showed that N2O emission flux of inorganic fertilizer + crop rotation was mainly associated with soil nitrate nitrogen content in Yellowsoil tobacco fields(P<0.05).N2O emission was relatively high at tobacco continuous cropping in yellow soil tobacco fields. Rotation was the main cause significantly decreased of N2O emission in tobacco growth,reasonable crop rotation was the best way to reduce N2O emissions in yellow soil tobacco fields.

    关键词

    烟田N2O 排放连作轮作

  • N2O是导致温室效应的重要温室气体之一,随着全球气温变暖,温室气体排放问题成为人们备受关注的焦点。在整个N2O排放的来源途径中,农田土壤的N2O排放总量约占70%[1-2],其中以旱地农田N2O排放作为重要的排放源 [3-4]。因此,关注旱地农田温室气体减排对全球气候变化及农业可持续发展均有着深远意义。农田N2O排放是由土壤中的硝化与反硝化过程引起,而氮素用量及形态、环境因素(温度、降雨等)、土壤条件(土壤水分含量等)及农田耕作栽培管理措施等均会对N2O排放产生一定的影响[5-8]。有相关研究表明,连作和轮作对烟田的土壤理化性质影响不同, 优良的连作和轮作不仅可以改善烟田土壤通透性和含氧量,还能够有利于烤烟根系的生长发育,促进对土壤中氮素的吸收利用,从而降低烟田的N2O排放[9-11]

  • 黄壤是我国主要植烟土壤之一。近年为改善植烟土壤环境条件,采用一系列不同的耕作栽培制度。目前,关于连作和轮作栽培制度对玉米农田N2O排放的研究已有相关报道,卢维盛等[12] 通过广州地区轮作和连作对晚稻田N2O排放的研究指出, 与轮作相比, 连作栽培制度能够降低N2O排放;高琳[13]通过轮作和连作对旱地农田N2O排放的研究表明,连作比轮作栽培制度能够增加旱地农田N2O排放。还有相关研究指出旱地农田N2O排放与环境因素有关[13-14]。关于连作和轮作对烤烟土壤N2O排放的影响尚少报道,而针对黄壤地区烤烟土壤N2O排放的影响尚未见报道。因此,本文以西南黄壤地区烤烟农田为研究对象,设置了连作和轮作种植模式,监测烟田N2O排放特征以及环境因素对其影响,为了解西南黄壤地区农田生态系统土壤N2O释放状况提供数据参数。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验区概况

  • 试验于2016 年4~10 月于贵州省烟草科学研究院龙岗长期养分定位试验站进行,地理位置E107 °06′40.8 ″,N26 °52′24.8 ″, 海拔1130 m, 无霜期240~265 d,年平均气温13.5~14.6℃,年日照时数948.2~1084.8 h, 平均降水量1129.9~1205.9 mm。试验设在玉米-烤烟长期轮作定位点,定位点试验始于2008 年,供试烤烟品种为K326,土壤类型为黄壤,0~20 cm土壤肥力状况为全氮1.63 g·kg-1, 全磷0.66 g·kg-1, 有机质40.0 g·kg-1, 碱解氮121.8 mg·kg-1, 有效磷12.4 mg·kg-1, 速效钾137.3 mg·kg-1,pH值7.3。

  • 1.2 试验设计与管理

  • 试验共设3 个处理,烤烟-玉米轮作不施任何肥料(CK);烤烟-玉米轮作 + 常规化肥(CR); 烤烟连作 + 常规化肥(CC),具体施肥量见表1。 试验基肥施用的化肥为复混肥(N 10%,P2O5 10%, K2O 25%)、过磷酸钙(P2O5 14%)和硫酸钾(K2O 51%),有机肥为腐熟牛粪7500 kg·hm-2(N 1.4%, P2O5 0.4%,K2O 2.1%)。 磷肥和有机肥作基肥一次性施入;追肥施用硝酸铵(N 35%)和硫酸钾(K2O 51%)。

  • 烟田起垄后,在垄上挖直径为20 cm穴,将基肥施入穴内与土壤混匀,然后覆膜,覆膜后在垄上对应施肥点打一直径10 cm穴,移栽烟苗;追肥将肥料穴施于距烟株5 cm的位置后覆土。其它管理制度按照当地烤烟田间管理制度进行。烤烟于4 月27 日施基肥,4 月29 日移栽,烤烟株距60 cm,行距100 cm,栽培密度为16667 株·hm-2,每个小区8 垄,每垄30 株,每个小区共计240 株。6 月1 日追肥,6 月14 日揭膜,7 月8 日烤烟第一次采收, 9 月14 日烤烟采收结束,共计采收7 次。

  • 表12016 年不同处理的施肥量(kg·hm-2)

  • 注:施基肥时将磷肥一次施用,追肥按常规方法和时间进行施用。

  • 1.3 样品采集

  • 1.3.1 气体样品

  • 田间气体采集在2016 年4~8 月,每个小区设3 个固定气体样品采集点,放置温室气体人工采样静态箱,各处理摆放条件一致。静态箱体积为60 cm×50 cm×30 cm=0.9 m3 。箱内顶部安装微型电风扇、温度探头和采气管,静态箱外侧露出的采气管末端与三通阀连接,三通阀分别连接气体收集袋和注射器(50 mL)。每个小区内分别固定3 个底座, 底座插入土壤20 cm深度,取样时将箱体放置于底座上,并保证箱体内外空气不发生交换。在0~45 min内每间隔15 min采集一次气体。取样一般在8:00~11:00 时间段进行,移栽后每15 d采集气体样品,施肥后加测,于施肥后1、2、3、5、7、11 d进行取样,如遇到强降雨天气则推迟取样时间, 每次采取3 个平行样。每次采集气体样品时均记录当日的土壤表层温度和气温,取样后及时完成样品测定。

  • 1.3.2 土壤样品

  • 取2 棵植株中间的土壤(0~20 cm土层)作混合样,放置于冰盒中,然后于低温保存,测定时土壤样品过5 mm筛网,用0.01 mol/L CaCl2 溶液浸提后,测定硝态氮和铵态氮。

  • 土壤气象数据由OnsetHOBO型温湿度数据记录仪自动记录。

  • 1.4 样品的测定

  • 本研究采用静态箱-气象色谱法测定N2O,气体浓度采用气相色谱(HP 7890A)测定,色谱柱为Porpak Q填充柱。

  • 土壤NO3--N含量采用连续流动分析仪(Flastar 5000 Analyzer)测定[15]

  • 烤烟植株在成熟期从底部叶片落黄时采收,采收的叶片清洗干净后放入烘箱,先用105℃杀青30 min,再用75℃烘干。烘干后称重。

  • 1.5 计算方法和数据分析

  • N2O排放通量的计算公式为[16]:

  • 式中F为N2O排放通量(mg·m-2·h-1);A为采样土壤的面积(m2);V为密闭静态箱的体积(m3);m1、m2 分别为测定箱关闭的箱内某温室气体起始和最后测定质量(g);t1、 、C2 分别为测定箱关闭的箱内某温室气体起始和最后测定的体积百分比浓度;T1、T2 分别为测定起始和测定结束的箱内温度(℃);M0 表示气体的摩尔质量。根据气体样品浓度与时间的关系曲线计算气体的排放通量,N2O累积排放量是平均排放通量乘以相应的观测时间天数[17]

  • N2O排放系数=(施氮处理N2O排放量-不施氮处理N2O排放量)/施氮量 ×100

  • 试验数据经Excel 2010 整理后作图, 并用SPSS 11.5 软件对数据进行分析,显著性检验均采用Duncan分析方法。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 烟田土壤N2O排放通量动态

  • 在烤烟整个生育期,各处理烟田N2O排放通量的变化趋势较为相似(图1)。在烤烟生长季,各处理出现2 次明显的N2O排放高峰: 第1 次N2O排放高峰出现于烟田基肥后3~5 d(4 月29 日~5 月2 日),CK、CR和CC处理的N2O排放高峰分别为0.036、0.073 和0.114 mg·m-2·h-1; 第2次N2O排放高峰出现于追肥后1~7 d(6 月2 日~6月8 日),CK、CR和CC处理的N2O排放高峰分别为0.033、0.084 和0.059 mg·m-2·h-1

  • 烤烟整个生育期,轮作N2O排放峰值较小,排放通量比较平稳,与不施肥处理差异不显著;连作烟田N2O排放通量显著高于轮作烟田。各处理N2O平均排放通量的顺序是CC>CR>CK,其平均排放通量分别为0.044、0.022 和0.013 mg·m-2·h-1。 从烤烟轮作和连作土壤N2O排放总量看,连作显著高于CK和轮作,分别较CK和轮作提高3 和2 倍。 说明烟田轮作有利于降低N2O排放。

  • 烤烟整个生育期,烟田N2O排放最高峰值出现于基肥期间,并且CK、CR和CC处理的基肥时期N2O排放总量占烤烟生长季N2O排放总量的比重较高,分别为16.78%、16.26%和18.30%。说明,烟田土壤N2O排放主要在施基肥后时期,其中,烤烟轮作降低了N2O排放。

  • 图1 烤烟生长季土壤N2O排放通量

  • 2.2 N2O排放量与生物量的关系

  • 如表2 所示,在烟田整个生长季CK处理N2O排放总量较低;CR处理N2O排放总量与CK差异不显著(P>0.05),但CC处理N2O排放总量明显高于CR和CK处理,N2O排放量排放系数为1.15, 较CR处理单位生物量N2O排放总量提高2.5 倍, N2O排放系数提高3.5 倍。连作烟田土壤N2O排放系数明显高于轮作,表明烤烟采用轮作栽培降低了土壤N2O排放。

  • 表2 各处理N2O总排放量和生物量的关系

  • 注:统计学显著性假设为 P<0.05。

  • 2.3 N2O排放与环境因素的关系

  • 如表3 所示,CK、CR处理土壤硝态氮含量与烟田N2O排放呈正相关关系,CC处理与之呈负相关,其中,轮作烟田N2O排放通量与土壤硝态氮含量呈显著正相关关系(P<0.05),其它处理N2O排放通量与土壤硝态氮含量相关性未达到差异显著水平,表明烤烟采用轮作栽培制度后,土壤N2O排放与土壤硝态氮含量显著相关。

  • 空气温度和土壤温度与烟田N2O排放呈负相关(表3),均未达显著性水平,表明烤烟于生长季节空气温度与土壤温度虽然不是影响N2O排放主要因素,但是,空气和土壤温度过高不利于烟田N2O的排放。

  • 土壤水分含量与烟田N2O排放相关分析(表3) 表明,各处理土壤含水量与烟田N2O排放呈正相关关系,但未达到显著水平,表明烤烟生长季烟田土壤水分含量与N2O排放关系不大。

  • 表3 烤烟整个生长季土壤N2O排放通量与环境因素的相关性

  • 注:统计学显著性假设 * 为 P<0.05。

  • 3 讨论

  • 本试验结果表明,连作与轮作对黄壤烟田N2O排放有较大的影响,连作种植制度显著影响了烟田N2O排放;施肥处理中,连作处理烟田土壤N2O排放总量高于轮作处理,呈显著差异(P<0.05),相比不施肥 + 轮作处理,常规施肥 + 轮作处理和常规施肥 + 连作处理分别提高了N2O排放总量3.6 和2.1 倍。由于农田施氮肥和连作与轮作都会影响农田土壤N2O排放,其中连作能够导致农田连作障碍,降低了烟田土壤N2O排放[18],而氮肥的投入增加了农田土壤中的氮源,增加了烟田土壤N2O排放[19]。本试验结果表明,各处理在基肥后3~5 d出现N2O排放通量高峰,追肥后1~7 d出现N2O排放通量高峰,N2O排放通量最高峰于施肥后7 d内出现,这与前人的一些研究结果较为相似[20-21]。烤烟整个生长季N2O排放累积量以烤烟施肥期间最高,是因为氮素的投入增加了农田土壤的氮源,使施肥后提高了烟田N2O排放,随着氮源的消耗,N2O排放通量也逐渐降低[22]。各处理从施肥后11 d的N2O排放累积量来看,基肥期间N2O排放累积量高于追肥期间N2O排放累积量;基肥期间的N2O排放累积量所占比例最高,范围为16.26%~18.30%,并且烤烟生长季的土壤N2O排放通量最高峰出现于基肥11 d内,范围为0.036~0.114 mg·m-2·h-1,由于作物在基肥期间处于苗期,属于营养生长阶段,作物对氮素吸收较弱,土壤中氮素主要以气体形式释放,少部分用于作物吸收,而作物在追肥期间处于生殖生长阶段,作物对氮素吸收较强,土壤中氮素主要用于作物吸收,少部分以气体形式释放,使基肥期间烟田N2O排放高于追肥期间[23]。烤烟土壤N2O排放高峰过后,甚至出现负值,这和前人研究结果较为一致[24]

  • 烤烟生长季烟田N2O排放总量顺序是CC>CR>CK,其中CC处理的烤烟生长季N2O排放总量是CR处理的2.05 倍,进一步表明农田N2O排放受到种植制度和施肥的影响[4-6,22],由于农田土壤N2O排放是土壤中硝化和反硝化过程引起的[25], 连作与轮作对作物生长发育有着不同的影响,间接地对土壤有机质的积累和分解以及肥料氮—土壤氮—作物吸氮之间的关系产生不同的影响,导致土壤中硝化和反硝化过程受到影响[26-27]。此外,各施肥处理中,轮作处理与连作处理相比明显增加了烤烟生物量(P<0.05),提高了42.88%,连作导致连作障碍,抑制了烤烟生长发育,降低了烤烟生物量累积[18]。有相关报道,中国旱田N2O排放系数介于0.22%~1.53%[28],本研究中,烤烟农田土壤N2O排放系数轮作种植制度为0.33%,连作种植制度为1.15%,均在中国旱田N2O排放系数范围内,而且低于国际农田推荐值1.25%[29]。说明连作种植制度能够降低烤烟生物量累积,提高烟田土壤N2O排放,但是从N2O排放系数来看,烤烟作物农田对温室效应气体N2O排放的影响是否小于其他作物农田的影响,还需进一步相关研究验证。

  • 烤烟生长季烟田土壤N2O排放通量与相应的土壤硝态氮含量做相关性分析发现,CK和CR处理土壤N2O排放与土壤硝态氮含量呈正相关,与前人研究结果较为一致[30],进一步证明了农田土壤N2O排放受硝态氮含量的影响,硝态氮含量高,则N2O排放通量高[30-31],但是不同之处在于仅施肥轮作处理与硝态氮含量呈显著关系(P<0.05),其他处理均无显著性相关,由于长期不同的种植制度虽然能够改变土壤环境,使硝态氮的生成和供应水平受到影响,导致农田土壤N2O排放受到影响[32-33], 同时还受环境因素的影响[34-36]。而本试验研究结果发现,土壤N2O排放与温度(空气温度和土壤温度)呈负相关,与土壤水分呈正相关,但是均无显著性关系,与前人研究结果略有不同 [37-38]。由于土壤硝化细菌能够影响土壤N2O排放,微生物的活性受到温度、土壤水分的影响,温度过高反而影响了微生物活性,在一定范围内随着温度降低,能够使微生物活性增加,从而促进农田N2O排放[37];土壤含水量在一定范围内,使土壤造成干湿交替的环境,此时土壤含水量高,能够给作物根系提供充足的氧,使土壤的硝化作用大于反硝化作用,有利于促进农田土壤N2O排放[38]。说明,黄壤烟田在长期施肥及连作和轮作条件下,主要受土壤硝态氮含量影响,而温度(空气温度和土壤温度)和土壤水分对N2O排放的影响不大,具体对黄壤烟田N2O排放多大程度受环境因素的影响还需进一步综合探究。

  • 4 结论

  • 黄壤区烤烟采用烤烟-玉米轮作和烤烟连作栽培方式,其N2O排放主要出现在施肥期(基肥后和追肥后时期),施肥的轮作烟田N2O排放与不施肥的轮作烟田较为相近,而烤烟轮作能够降低烟田N2O排放通量。

  • 黄壤区烤烟轮作有利于降低烟田N2O排放总量和N2O排放系数。

  • 本试验条件下,烟田N2O排放通量与土壤硝态氮含量有关。

  • 参考文献

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