胡正华,杨燕萍,李涵茂,陈书涛,李岑子,申双和(.南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏 南京 0044；.南京信息工程大学应用气象学院,江苏 南京 0044)

UV-B增强与秸秆施用对土壤-大豆系统呼吸速率和N2O排放的影响

胡正华1*,杨燕萍1,李涵茂1,陈书涛1,李岑子1,申双和2(1.南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学应用气象学院,江苏 南京 210044)

采用人工模拟UV-B增强方式,通过大田试验,研究了UV-B增强与秸秆施用对土壤-大豆系统呼吸速率和N2O排放通量的影响.结果表明:在三叶-分枝期、开花-结荚期、鼓粒成熟期和全生长期,UV-B增强,系统平均呼吸速率分别降低了59.88%,65.47%,67.35%和64.44%,N2O平均排放通量分别降低了37.94%,24.61%,48.42%和34.16%;秸秆施用促进了系统呼吸速率,4个时期平均呼吸速率分别增加了59.88%,61.50%,99.16%和64.44%;降低了全生长期的N2O平均排放通量,但没有达到显著差异水平(P=0.236).UV-B增强和秸秆施用复合处理显著增大土壤-大豆系统的呼吸速率,降低全生长期的N2O平均排放通量,但没有达到显著差异水平(P=0.229).

UV-B辐射；秸秆施用；呼吸速率；N2O排放；土壤-大豆系统

Abstract：To investigate the combined influence of enhanced UV-B radiation and straw addition on respiration rate and N2O emission from soybean ecosystem, field experiments were carried out during soybean growing season. Enhanced UV-B radiation significantly declined mean respiration rate (MRR) and mean N2O flux (MNF). During the trefoil-branching stage, flowering-podding stage, filling-ripening stage and whole growth stage, MRR were declined by 59.88%,65.47%,67.35% and 64.44%, respectively, MNF were decreased by 37.94%,24.61%,48.42% and 34.16%, respectively. Straw addition (S) had a positive effect on respiration rate, which increased by 59.88%,61.50%,99.16% and 64.44% in above 4 stages. Though S treatment declined MNF of whole growth stage, there was no significant difference between S and the control (C) (P=0.236). Combined treatment of straw addition and enhanced UV-B radiation (SU) significantly accelerated the reapiration rate, declined MNF of whole growth stage, but there was no significant difference in MNF between SU and C (P=0.229).

Key words：UV-B radiation；straw addition；respiration rate；N2O emission；soil-soybean system

全球变暖源于温室气体的大量排放.农田生态系统是温室气体的重要排放源,其CO2排放量占全球人为排放量的10%～12%,而N2O排放所占比例则高达60%[1].由于大量氟氯烷烃(CFCs)的排放导致平流层臭氧浓度减少,使到达地表的紫外线B(UV-B)辐射增强[2].UV-B增强不仅降低作物光合与蒸腾速率[3]、影响作物生理生化过程[4]、减少作物产量[5],并可改变土壤微生物的组成与活性[6-7].秸秆施用作为一种低投入、可持续的秸秆资源利用方式,正为我国农业部门积极推广.秸秆施用不仅能显著增加土壤有机质的含量

[8],还可提高土壤酶活性和土壤微生物量[9].而作物生长和土壤微生物等是影响农田温室气体产生和排放的重要因素,因此UV-B增强与秸秆施用可能影响到农田温室气体的排放量.

以往的研究仅对UV-B增强[10-11],或秸秆施用条件下[12-14]农田温室气体的排放进行了一些观测试验,而两者复合处理对农田温室气体排放的影响规律鲜有报道.本研究在大田条件下,进行UV-B增强和秸秆施用处理,测定土壤-大豆系统的呼吸速率和N2O排放通量,探讨UV-B增强与秸秆施用对呼吸速率和N2O排放通量的复合影响.

1 材料与方法

1.1试验材料与田间管理

田间试验于2008年大豆生长季在南京信息工程大学生态与农业气象试验站进行.供试土壤为潴育型水稻土(灰马肝土属),耕层土壤质地为壤质黏土,黏粒含量为26.1%,土壤pH(H2O)值为6.2,有机碳、全氮的含量分别为19.4,1.45 g/kg.供试大豆品种为八月白(购于江苏省农业科学院),主要生长期和施肥管理见表1.

表1 大豆主要生长期和施肥管理Table 1 Developmental stages of soybean and fertilize management

1.2试验设计

UV-B处理设自然光和比自然光增强20%2个水平;秸秆施用处理设不施用秸秆和施用秸秆2种类型,秸秆是前茬的小麦秸秆,秸秆施用量为225g/m2(干重).共有4种处理:对照(C,自然光和不施用秸秆)、UV-B增强(U)、秸秆施用(S)、秸秆施用+UV-B增强(SU),每种处理均有3个试验小区,每小区面积为(3×4)m2,计12个小区.为防止物质交换,小区之间设有间隔.

播种前将秸秆铡成2～3cm段,均匀撒于地表,全部翻埋.将UV-B灯管(40 W,峰值313nm,上海华德电光源厂)悬挂于作物上方,用于模拟UV-B辐射增强.所有小区均悬挂UV-B灯管,但C和S小区的灯管包裹Mylar膜(厚度125μm,美国杜邦公司),以滤掉320nm以下的光谱,使各小区的遮阴、UV-A和有效光合辐射(PAR)等环境条件相同.为防止Mylar膜光分解导致UV-B过滤不均,每周更换一次Mylar膜.用UV-B监测装置(探头SKU430,光谱范围280～315nm,数据采集器Skye-Datahog,英国Skye公司)自动记录UV-B强度.UV-B增强处理从大豆出苗开始,直至收获,处理时间为每天8:00～16:00,阴雨天停止照射.

1.3气样采集与分析

气体样品的采集与分析采用静态箱-气相色谱法[15].每周采集气样1～2次.采样箱高度为1m,由PVC材料制成,箱体包裹海绵和铝箔.采样底座为无底盆钵,高10cm,盆钵上口有1.5cm深的凹槽,用以在采样时注水与采样箱密封.将采样箱罩于底座上,连接好采气设备和温度计,向凹槽中加水密封.分别于关箱后0,10,20min,用带有三通阀的针筒采集气样,每次抽样50mL.同时,记录箱内气温、土壤温度和土壤水分等.气样用经改装的Agilent-6890N气相色谱仪同步检测CO2和N2O的混合比.通过对每组3个样品的目标气体混合比与相应的采样间隔时间进行线性回归,求得目标气体的排放速率.再根据大气压、气温、普适气体常数、采样箱的有效高度、目标气体分子量等,求得单位面积的排放量[15].土壤-大豆系统的呼吸速率通过测定CO2的排放量来确定.

1.4统计分析

试验数据用Excel 2003进行计算与分析,用统计软件SPSS13.0进行显著性检验和相关性分析.

2 结果与讨论

2.1各处理对土壤-大豆系统呼吸速率的影响

由图1可见,各处理土壤-大豆系统呼吸速率的变化形式基本相同,总体呈现先增加后下降的特征(9月12日为阴雨天,呼吸速率较低),UV-B增强、秸秆施用及2者的复合处理都没有改变呼吸速率的变化规律.

在4种处理中,U处理的呼吸速率最低,UVB增强显著降低了土壤-大豆系统的呼吸速率,表现出较强的抑制作用.秸秆施用处理(S处理、SU处理)的呼吸速率显著高于没有秸秆施用处理(C处理、U处理),秸秆施用及其与UV-B增强的复合处理显著增加了呼吸速率表明2者共同作用时,UV-B增强的抑制作用并没有表现出来.

图1 UV-B增强与秸秆施用对土壤-大豆系统呼吸速率的影响Fig.1 Effect of enhanced UV-B radiation and straw addition on respiration rate of soil-soybean system

由表2可见,无秸秆施用时,U处理显著降低了平均呼吸速率,与C处理相比,三叶-分枝期、开花-结荚期、鼓粒成熟期和全生育期的降幅分别达到了59.88%(P=0.001)、65.47%(P=0.001)、67.35%(P=0.005)和64.44%(P=0.001).S处理显著增加了平均呼吸速率,与C处理相比,三叶-分枝期、开花-结荚期、鼓粒成熟期和全生长期的增幅分别达到了59.88%、61.50%、99.16%, 64.44%. SU处理也显著提高了呼吸速率,三叶-分枝期、开花-结荚期、鼓粒成熟期和全生长期的呼吸速率分别是C处理的1.46倍,2.06倍,2.24倍,1.89倍.

表2 UV-B增强与秸秆施用对不同生长期土壤-大豆系统平均呼吸速率的影响[g/(m2·h)]Table 2 Effect of enhanced UV-B radiation and straw addition on average respiration rate of soil-soybean system in different developmental stages[g/(m2·h)]

与S处理相比,在开花-结荚期,SU处理的平均呼吸速率显著高于S处理;在其他生育期,SU处理的呼吸速率也高于S处理,但没有达到显著水平.施用秸秆后呼吸速率高于不施用秸秆,其原因可能是:一方面,秸秆施用给土壤微生物增添了大量能源物质,微生物数量和酶活性也相应增加[9],促使土壤微生物呼吸增强;另一方面,秸秆施用加速了微生物对有机物质的分解和矿物质的转化[16],土壤肥力升高,作物生长旺盛,植株呼吸增强.UV-B增强在无秸秆施用时抑制呼吸作用,在有秸秆施用时促进呼吸作用,其原因可能是UV-B增强加速了秸秆分解,提高了秸秆碳转化率.

2.2各处理对土壤-大豆系统N2O排放的影响

由图2可见,各处理N2O排放通量的变化形式基本相同,UV-B增强、秸秆施用及其复合处理都没有改变N2O排放通量的变化规律.在植株生长初期,N2O排放通量较低且变化不大;在开花-结荚期,大豆由营养生长转入生殖生长,养分吸收形成一个小高峰,尤其N素吸收达到峰值,从而促进大豆植株的N2O排放[17].8月15日,N2O排放通量达到了一个高峰,主要原因可能是进入雨季后,土壤湿度增加,造成N2O排放通量增加.

图2 UV-B增强与秸秆施用对土壤-大豆系统N2O排放通量的影响Fig.2 Effect of enhanced UV-B radiation and straw addition on N2O emission flux from soil-soybean system

由表3可见,U处理的平均N2O排放通量最低,与C处理相比,三叶-分枝期、开花-结荚期、鼓粒成熟期和全生长期的N2O排放通量分别降低了37.94%(P=0.001)、24.61%(P=0.038)、48.42% (P=0.007)和34.16%(P=0.001),UV-B增强显著抑制了N2O的排放. S处理与SU处理显著增加了开花-结荚期N2O平均排放通量,增幅分别为19.37%和20.56%;显著降低(P＜0.05)了三叶-分枝期的N2O平均排放通量,降幅分别为26.42%和22.31%;也降低了鼓粒成熟期的N2O平均排放通量,但未达到显著水平.

表3 UV-B增强与秸秆施用对不同生长期土壤-大豆系统平均N2O排放通量的影响[μg/(m2·h)]Table 3 Effect of enhanced UV-B radiation and straw addition on average N2O fluxes from soil-soybean system in different developmental stages[μg/(m2·h)]

不施用秸秆时,UV-B增强显著降低土壤-大豆系统的平均N2O排放通量,其可能原因:UV-B抑制植物生长,有机物质积累受阻,生物量降低[18],N2O的产生和排放量随之降低;UV-B辐射影响作物生理代谢过程导致根系吸收有效氮降低,土壤有效氮增加,高强度UV-B处理能增加根际土壤亚硝酸细菌和硝化反硝化细菌数量[6],可能使土壤硝化反硝化过程更完全,有效氮更多地转化为N2,而不是中间产物N2O,从而使土壤N2O的产生和排放量降低.从N2O排放通量平均值来看,秸秆施用降低了部分生长期的N2O排放通量.其原因可能是秸杆施用后,提高了土壤的C/N,引起微生物对N源的争夺利用,土壤有效氮的利用较为充分,从而减少硝化反硝化过程中间产物N2O的产生[19].

2.3各处理对大豆生物量的影响

由表4可见,无秸秆施用时,UV-B增强显著(P＜0.01)降低了生物量,与C处理相比,地上、地下和总生物量分别降低了68.29%,73.91%, 73.61%.秸秆施用显著增加了生物量,S处理的地上、地下和总生物量分别增加了87.80%, 60.49%, 61.98%.SU处理也增加了生物量,地上、地下和总生物量分别增加了69.69%,82.37%,81.72%. SU处理与S处理的生物量没有显著差异,说明在秸秆施用条件下,UV-B增强对生物量的负效应不明显.将全生长期平均呼吸速率与生物量进行相关性分析,y=33.096x+123.28(R2=0.996),显著正相关.UV-B增强主要通过降低植株生物量,从而减少呼吸速率;而秸秆施用增加了植株生物量,系统的呼吸速率增加.

施用秸秆可以有效缓解甚至消除UV-B对大豆生长的伤害.表现在施用秸秆条件下,UV-B增强对大豆生物量没有抑制作用;但在不施用秸秆条件下,UV-B增强显著降低了大豆的总生物量.这意味着有可能通过秸秆还田缓解UV-B增强对农田作物(至少是大豆)生长的伤害.

表4 UV-B增强与秸秆施用对大豆收获生物量的影响(g/盆)Table 4 Effect of enhanced UV-B radiation and straw addition on dry matter yield of soybean(g/pot)

3 结论

3.1UV-B增强、秸秆施用及2者的复合处理都没有改变土壤-大豆系统呼吸速率和N2O排放通量的季节性变化规律.

3.2UV-B增强处理显著降低了土壤-大豆系统的呼吸速率、N2O排放通量和大豆生物量.施用秸秆条件下,UV-B增强处理对呼吸速率、N2O排放通量和大豆生物量都没有抑制效应.

3.3秸秆施用及其与UV-B增强的复合处理都显著促进了土壤-大豆系统的呼吸速率和大豆生物量,使全生长期的N2O平均排放通量略有降低.

[1] IPCC. Climate change 2007: the physical science basis. Contribution of working group I to the fourth assessment. Report of the intergovernmental pannel on climate change [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.

[2] Rozema J, Boelen P, Blokker P. Depletion of stratospheric ozone over the Antarctic and Arctic: Responses of plants of polar terrestrial ecosystems to enhanced UV-B, an overview [J]. Environmental Pollution, 2005,137:428-442.

[3] Yang S H, Wang L J, Li S H, et al. The effects of UV-B radiation on photosynthesis in relation to Photosystem II photochemistry, thermal dissipation and antioxidant defenses in winter wheat (Triticum aestivum L.) seedlings at different growth temperatures [J]. Functional plant biology, 2007,34(10):907-917.

[4] Pandey J, Kanambari. C Effects of enhanced UV-B radiation on physiological and biochemical characteristics of wheat [J]. Research on Crops, 2007,8(2):401-405.

[5] Yao Y N, Xuan Z Y, Li Y, et al. Effects of ultraviolet-B radiation on crop growth, development, yield and leaf pigment concentration of tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum) under field conditions [J]. European Journal of Agronomy, 2006,25: 215-222.

[6] 李 元,杨济龙,王勋陵.紫外辐射增加对春小麦根际土壤微生物种群数量的影响 [J]. 中国环境科学, 1999,19(2):157-160.

[7] Johnson D, Campbell C D, Lee J A, et al. Nitrogen storage (communication arising): UV-B radiation and soil microbial communities [J]. Nature, 2003,423:137-138.

[8] Lennart M, Jan P. Impacts of rotations and crop residue treatments on soil organic matter content in two Swedish long-term experiments [J]. Archives of Agronomy and Soil Science, 2006,52(5):485-494.

[9] Li J, Zhao B Q, Li X Y, et al. Effects of long-term combined application of organic and mineral fertilizers on microbial biomass, soil enzyme activities and soil fertility [J]. Agricultural Sciences in China, 2008,7(3):336-343.

[10] 蒋静艳,牛传坡,胡正华,等.地表UV-B辐射增强对土壤-冬小麦系统N2O排放的影响机理研究 [J]. 环境科学, 2006,27(9): 1712-1716.

[11] 胡正华,蒋静艳,牛传坡,等.UV-B增强对土壤-大豆系统CO2排放的影响 [J]. 中国环境科学, 2009,29(4):425-430.

[12] Zou J W, Huang Y, Jiang J Y, et al. A 3-year field measurement of methane and nitrous oxide emissions from rice paddies in China: Effects of water regime, crop residue, and fertilizer application [J]. Global Biogeochemical Cycles, 2005,19(2):1-9.

[13] Naser H M, Nagata O, Tamura S, et al. Methane emissions from five paddy fields with different amounts of rice straw application in central Hokkaido, Japan [J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2007,53(1):95-101.

[14] 董海波,郑循华,黄 耀,等.大气CO2浓度升高和秸秆还田对稻麦轮作农田N2O排放的影响 [J]. 气候与环境研究, 2009, 14(1):1-8.

[15] Wang Y S, Wang Y H. Quick measurement of CH4, CO2and N2O emissions from a short-time ecosystem [J]. Advance of Atmospheric Science, 2003,20(5):842-844.

[16] 孙 星,刘 勤,王德建,等.长期秸秆还田对土壤肥力质量的影响 [J]. 土壤, 2007,39(5):782-786.

[17] 李 楠,陈冠雄.植物释放N2O速率及施肥的影响 [J]. 应用生态学报, 1993,4(3):295-298.

[18] Kakani V G, Reddy K R, Zhao D, et al. Field crop responses to ultraviolet-B radiation: a review [J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2003,120:191-218.

[19] 蒋静艳,黄 耀,宗良纲.水分管理与秸杆施用对稻田CH4和N2O排放的影响 [J]. 中国环境科学, 2003,23(5):552-556.

Combined effect of enhanced UV-B radiation and straw addition on respiration rate and N2O emission from soil-soybean system

HU Zheng-hua1*, YANG Yan-ping1, LI Han-mao1, CHEN Shu-tao1, LI Cen-zi1, SHEN Shuang-he2(1.College of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2010,30(4)：539～543

X511

A

1000-6923(2010)04-0539-05

胡正华(1973-),男,河南信阳人,副教授,博士,主要从事陆地生态系统温室气体排放与全球变化研究.发表论文30余篇.

2009-08-31

国家自然科学基金资助项目(40605029);中国博士后科学

(20070420195)

* 责任作者, 副教授, zhhu@nuist.edu.cn