朱志军，杨莉莉，冯 涛，同延安

(西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

氧化亚氮( N2O) 因能够吸收地球长波辐射而导致温室效应。大气层中N2O的增加量主要来自土壤的排放，而大量氮肥的施用是造成农田土壤N2O排放的主要原因[1-2]。农田土壤N2O排放受施肥、土壤水分、温度、质地、pH值、无机氮含量和比例等因素影响[3]，IPCC报告指出：农业土壤N2O排放估算存在很大的不确定性[4]。同时中国幅员辽阔，各地区农田生态系统间的气候、土壤、耕作制度等因素差异巨大，农田土壤N2O排放具有巨大的时空变异性[5]。为了减小这种估算上的不确定性，研究不同典型农田类型区域N2O排放十分有必要。渭北旱塬属于干旱半干旱地区，是中国苹果优势主产区，30多个主产区县苹果园种植面积已占该区域总耕地面积的50%～70%，试验地(洛川县)苹果种植面积占该县总耕地面积的78%[6]，但目前该地区苹果园整年的N2O排放研究少见报道。为了准确估算该地区农业土壤N2O排放量，开展整年或多年的研究是非常必要的[7]，研究渭北旱塬苹果园不同施肥制度下N2O排放特征可以为该地区N2O排放区域估算提供数据支撑。

庞军柱等[7]在黄土高原多年监测发现苹果园N2O年际排放变化较大，排放系数在0.035%～0.082%之间。该研究施纯氮量为311.5 kg·hm-2，但近年来农户为增加苹果产量盲目增施氮肥，至2015、2016年渭北旱塬苹果主产区县纯氮投入量超过1 000 kg·hm-2[9-10]。苹果树体年需氮量在172.3 kg·hm-2左右[9-10]，剩余的氮素除了在土壤中迁移累积[12-13]，也会显著增加N2O排放[1]。采用合理的施肥管理模式是减少N2O排放的重要措施。苹果园推荐施肥模式为有机无机配施，在有机肥投入40～60 t·hm-2的基础上，建议施用化肥纯氮240～360 kg·hm-2[14]。研究表明，有机物在分解过程中会消耗土壤O2从而抑制硝化作用[15]，减少N2O排放。也有研究认为，有机物分解耗氧形成的局部厌氧环境有利于反硝化作用，从而促进N2O排放[16]。在渭北旱塬自然生态条件下，施用有机肥是否促进N2O排放需要进一步研究。2015年国家农业部要求大力推进化肥减量提效，到2020年主要农作物化肥使用量实现零增长[16]，这就要求苹果园在施肥管理中优化施肥量与施肥模式。因此，通过设置不同施肥处理，探明渭北旱塬生态条件下N2O排放规律，以及减施化学氮肥与有机无机配施相对于农户高化学氮肥投入下N2O的减排潜力，对准确估算渭北旱塬农田土壤N2O区域排放量具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在延安市洛川县西北农林科技大学苹果试验站进行。试验站位于黄土高原地区，平均海拔1 072 m；年平均气温9.1℃，平均年降水量616 mm，雨热同期，无霜期达到167 d。试验前0～40 cm土层基础养分为：有机质8.5 g·kg-1，硝态氮(NO3--N)16.4 mg·kg-1，铵态氮(NH4+-N)1.3 mg·kg-1，速效磷(P)16.7 mg·kg-1，速效钾(K)136.3 mg·kg-1，pH值为8.1，耕层土壤(0～20 cm)容重为1.47 g·cm-3，田间持水量为27.2%(0～20 cm)。供试果树栽于2012年，品种为晚熟矮化延长红，正处于盛果期，植株密度为1 250棵·hm-2(株行距为2 m×4 m)。施肥方式为双沟条施，即在距树干约70 cm左右的两侧，分别开一条宽和深皆为20 cm左右的条状沟，施肥后覆土。每年施两次肥，在成熟期(10月份)施基肥和膨大期(第2年7月份)进行追肥。供试氮、磷、钾分别为尿素(N 46%)、重过磷酸钙(P2O544%)、硫酸钾(K2O 51%)；生物有机肥(有机质≥46%，全N 6%)。

1.2 试验设计

施肥处理设置不施氮肥(CK)、常规高氮(HF)、优化减氮(RF)、有机无机肥配施(OR)4个处理，每处理设3次重复，每个重复包含6棵果树，随机区组排列。常规高氮处理为苹果优生区大部分农户平均施肥量，设纯N用量为800 kg·hm-2；优化减氮处理为专家推荐施肥量，设纯N用量为400 kg·hm-2；有机无机肥配施处理为苹果园推荐施肥模式，纯N用量与优化减氮处理相同，但其中的氮来源于生物有机肥和尿素，生物有机肥供氮和尿素供氮各占50%。磷、钾肥分别为300、400 kg·hm-2，生物有机肥和磷肥全部基施，氮肥基追比为6∶4，钾肥基追比为3∶7。

1.3 气体采集及测定方法

采用静态箱-气相色谱法监测苹果园N2O排放通量。静态箱由箱体和底座两部分组成：箱体由5 mm厚铁板制成，规格为50 cm×50 cm×50 cm，外部粘有隔热层，内部装有小风扇( 12 V，0.5 A) 、温度传感器和采样管[8]。底座为50 cm×50 cm×20 cm且上部带有方形凹槽的铁质框架。静态箱布置在施肥带上，底座埋入土壤20 cm。采样时，将凹槽内注满水，将静态箱罩上，形成一个密闭性气体空间，取样前启动箱内风扇混样20 s，然后从箱体侧端的取样口用注射器取样置于200 ml铝箔气袋中，每次取样60 ml。样品采集时间为采样当天上午9∶00—11∶00之间，以秒表计时且间隔15 min采集一次，在盖箱后0、15、30、45 min时共采集4次气体样品[18-19]。同时采用今明公司生产的手持式JM624数字温度计(温度范围-50℃～199℃，测量准确度为±0.2%，读数分辨率为0.1℃)记录箱内的初始温度和终止温度。气体样品带回实验室并在1周内完成测定。N2O 样品采用美国Agilent7890A型气相色谱仪分析，采用Porapak Q 填充柱，柱箱温度为50℃，检测器ECD工作温度为350℃，高纯度N2载气；北京兆格气体科技有限公司标准气体。

2017年10月11日施基肥，苹果成熟期土壤温度较低(图1)，气体连续采集10 d。2018年1月24日之后，出现降雪，箱内气温降至0℃以下，停止采样，直到2018年3月5日恢复正常。2018年4月12日降雨量为32.8 mm、5月21日降雨量为20.8 mm、6月8日降雨量为26.3 mm、6月25日降雨量为32.5 mm。2018年7月3日进行追肥，由于苹果膨大期土壤温度较高，样品连续采集20 d，2018年7月4日降雨量为25.4 mm、7月9日降雨量为24.6 mm、7月16日降雨量为25.6 mm、8月14日降雨量为35.6 mm(图2)。样品采集遇降雨量≥15 mm时，连续采集3 d或5 d，其余时间约每2周采集一次。

N2O排放通量计算公式[20]:

式中，F为氧化亚氮排放通量(mg·m-2·h-1)；ρ为箱内气体密度(g·cm-3)；V为静态箱实际体积(cm3)；A为静态箱底面积(m2)；ΔC/ΔT为单位时间静态箱内的氧化亚氮气体浓度变化率(μL·μL-1·h-1)，θ为测定时箱体内平均温度(℃)。

N2O 的年排放量将不同时段的N2O排放量(将可决系数R2<0.85的数据舍弃)加起来，每两个相邻采样日期之间的N2O排放量Xn用以下公式计算[8]：

式中，fn表示特定时间段的最后一天的 N2O 排放量( μg·m-2·d-1) ，fn+1表示特定时间段的初始一天的N2O 排放量( μg·m-2·d-1) ，Dn是特定时间段的最后一天，Dn-1是特定时间段的初始一天。整个苹果园土壤N2O年排放量通过对施肥区与不施肥区年排放量进行面积加权获得，用静态箱覆盖的区域代表施肥带N2O排放[8]，占比为1/4，另外3/4用CK处理代替估算N2O排放通量。

N2O排放系数=(施氮处理N2O累积量-不施氮处理N2O累积量)×0.636/施氮量×100

其中，不施氮处理N2O累积量为CK的N2O累积量，0.636为N2O中N元素所占比重。

1.4 土壤水分、温度和气象数据

气体样品采集的同时，测定表层土壤水分和5、10 cm土层地温(图1)。其中表层(0～20 cm)土壤体积含水量采用EM50数据采集器(北京力高泰科技有限公司，每1 h读数1次)监测，配置北京时阳电子科技有限公司数据采集探头(0～50%VWC，±1～2%VWC)，使用样品采集时间段(9∶00—11∶00)数据；土壤容重采用环刀法，每3个月测定一次。地温采用曲管地温计(温度范围-20℃～50℃)测定，气体第一次采集时，记录初始地温，气体采集结束后，记录终止地温，二者平均值代表气体采集期间土壤地温；气象数据(降雨、气温)从距离试验地约300 m的气象站获得。

图1 土壤温度(5、10 cm平均温度)和土壤孔隙充水率(0～20 cm)的变化Fig.1 Variations of soil temperature (5， 10 cm soil average temperature) and water-filled pore space (0～20 cm)

1.5 数据处理

所有数据采用SPSS 17.0 软件进行显著性分析，采用Excel 2016软件对数据进行处理并制图。

2 结果与分析

2.1 苹果园不同施肥处理N2O日排放速率季节变化

图3表明，苹果生育期N2O日排放通量主要发生在膨大期。2017年10月苹果成熟期施基肥后第9天达到排放峰值，CK、常规高氮、优化减氮和有机无机配施处理N2O排放峰值分别为12.24、30.91、25.75、50.26 μg·m-2·h-1，各施肥处理N2O排放差异不明显。在休眠期、萌芽期、花期和幼果期各处理N2O日排放速率在1.17～50 μg·m-2·h-1之间。2018年7月3日进行膨大期追肥，在施肥后第10、12天达到N2O排放峰值，CK、常规高氮、优化减氮和有机无机配施处理N2O排放峰值分别为54.13、444.34、289.21、222.28 μg·m-2·h-1。其中，常规高氮N2O排放峰值分别是CK、优化减氮、有机无机配施N2O排放峰值的8.21倍、1.54倍和2倍。优化减氮和有机无机配施处理N2O排放速率在8月初与CK之间差异较小，常规高氮处理到9月初与其他处理之间差异较小。各处理在花期、幼果期和膨大期前期对降雨的响应较弱，而在膨大期追肥时比较明显，可能与花期、幼果期和膨大期前期土壤表层(0～20 cm)硝化和反硝化底物浓度不足有关。

图2 洛川苹果试验站降雨量和日平均气温Fig.2 Average daily air temperature and precipitation in Luochuan Agri-ecological Station

图3 不同施肥处理N2O排放通量年动态变化Fig.3 Annual dynamic changes of N2O emission flux under different fertilization treatments

2.2 苹果园不同施肥处理N2O排放通量与排放系数

从2017年10月12日—2018年10月11日各处理N2O累积排放总量在1.14～4.46 kg·hm-2之间(表1)，常规高氮与优化减氮、有机无机配施处理之间N2O累积排放总量差异极显著。优化减氮和有机无机配施处理与常规高氮处理相比，累积排放总量分别降低了43.3%和42.6%，但优化减氮和有机无机配施处理之间N2O累积排放总量差异不显著。常规高氮、优化减氮和有机无机配施N2O年排放系数分别为0.27%、0.22%和0.22%，各处理间差异不显著。CK、常规高氮、优化减氮和有机无机配施处理N2O年均排放速率分别为20.44、103.60、61.11 μg·m-2·h-1和57.01 μg·m-2·h-1(表2)。CK与常规高氮、优化减氮和有机无机配施处理N2O年均排放速率差异都极显著，常规高氮与优化减氮、有机无机配施处理差异极显著，而优化减氮和有机无机配施之间差异不显著(表2)。

表1 苹果园不同施肥处理N2O排放总量与排放系数

注：不同小写字母表示处理间在P<0.05水平上差异显著，不同大写字母表示处理间在P<0.01水平上差异显著，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments atP<0.05 level. Different capital letters indicate significant difference among treatments at the level ofP<0.01, the same below.

表2 苹果园不同施肥处理N2O年平均排放速率

2.3 苹果园不同施肥处理N2O排放通量与环境因子间相关性分析

土壤温度和湿度能够影响硝化微生物的活动，是N2O生成的基础[21]。将不同施肥处理N2O季节排放通量作为一个整体，采用典型相关分析探讨果园N2O排放通量与环境因子之间的相关性，其特征值和典型相关系数结果见表3。结果表明，第一对典型变量V1和W1之间存在显著相关性(P<0.001)，贡献率为44.6%；其他3对典型变量之间相关性不显著，贡献率不足2%。第1对标准化典型变量表示如下：

V1=0.161x1-0.045x2-0.974x3-0.159x4

W1=-0.944y1-2.509y2+0.525y3+2.044y4

其中，x1为5 cm土壤温度，x2为土壤孔隙充水率(WFPS)，x3为10 cm土壤温度，x4为气温，y1为CK，y2为常规高氮，y3为优化减氮，y4为有机无机配施。可见，典型变量V1(环境因子)主要取决于10 cm土壤温度，其系数绝对值最大。典型变量W1(N2O排放通量)中常规高氮和有机无机配施处理N2O排放通量占了较大比重，说明不同施肥处理会影响N2O排放通量对温度的响应。从苹果整个生育期N2O排放通量看，N2O累积排放量的57.7%～79.2%发生在土壤表层(0～10 cm)温度为15℃～25℃时。

表3 苹果园不同施肥处理整体N2O排放通量与环境因子间的典型相关分析

3 讨 论

3.1 土壤含水量和温度对苹果园不同施肥处理N2O排放的影响

O2浓度可以控制土壤N2O产生量与产生途径，但研究中很少直接测量O2浓度，而土壤含水量通常被认为是O2有效性的可观测替代指标[22]。研究表明反硝化作用最佳土壤孔隙充水率在70%～90%之间，而认为在土壤孔隙充水率较低时，N2O的产生主要来源于硝化作用中氨氧化和硝化细菌反硝化过程[23]。土壤微生物硝化作用适宜温度为15℃～35℃，其中最适温度为25℃～35℃，土壤表层(0～10 cm)温度与N2O日排放速率之间极显著正相关[24]。氨氧化形成的中间产物(NH2OH)能在生物和非生物条件下产生N2O。马兰等[25]研究表明，在偏碱性的果园中NH2OH产生N2O的主要途径为非生物过程，NO2--N产生N2O的主要途径为生物过程。2017年苹果成熟期土壤温度(0～10 cm)在6.5℃～10℃之间，施用氮肥为硝化微生物提供了大量氮源。但土壤(0～10 cm)低温抑制了硝化微生物将氨氮氧化成NH2OH以及硝化细菌反硝化过程，从而抑制了硝化过程中N2O的产生。苹果树(3～10 a)径向1 m主要根群集中在20～60 cm深的土层中[26]，根系耗氧形成的局部厌氧多存在于土壤下层，并且产生的N2O不易扩散。同时土壤表层(0～20 cm)较好的通气性会抑制土壤反硝化作用的进行。所以苹果成熟期不同施肥处理没有明显促进N2O排放。2018年膨大期土壤温度(0～10 cm)在19℃～25℃之间，有利于氨氧化和硝化细菌反硝化过程，在适宜的温度条件下提供充足的氮源是导致膨大期N2O大量排放的主要原因，而在本研究的试验条件下，反硝化作用产生的N2O对土壤N2O排放的贡献量无法确定。

苹果整个生育期间土壤孔隙充水率(0～20 cm)都<50%(图1)，并且成熟期基肥量高于膨大期追肥量。典型相关分析表明，第一对典型变量中环境因素主要由土壤温度(0～10 cm)决定。因此，土壤温度(0～10 cm)是导致2017年成熟期和2018年膨大期施肥后N2O排放差异的主要原因。氨氧化作用是硝化过程的限速步骤[27]，休眠期、萌芽期、花期和幼果期由于没有外源氮肥投入，所以底物浓度不足也是限制硝化细菌反硝化和微生物反硝化作用的重要因素。

3.2 降雨对苹果园不同施肥处理N2O排放的影响

研究表明，降雨和灌溉能够促进N2O排放，土壤由干变湿的过程产生的N2O随土壤含水量的增大而增大，而土壤孔隙充水率为70%时土壤由湿变干的过程产生的N2O量最高[28]。膨大期(6—8月)N2O排放总量占全年N2O排放总量的46.8%～69.1%，同期降雨量占全年降雨量的45.3%。庞军柱等[8]在研究黄土高原苹果园土壤N2O排放时，也有类似结论：整个夏季N2O的排放量占到了全年总排放量的47.9%，并且N2O排放因降雨量差异年际排放变化较大。土壤水分状况不仅影响N2O产生途径和产生量，也影响N2O从土壤孔隙向大气的扩散[29]，所以膨大期降雨(≥20 mm)后(7月9日和16日、8月14日)的第二天都出现N2O排放低谷，并且降雨能够提高由温度条件决定的N2O排放强度[30]。在花期(4月12日)、幼果期(5月21日)和膨大期前期(6月8日、6月25日)出现不同强度降雨(≥15 mm)，但降雨并没有明显促进N2O排放，主要原因可能是受土壤温度(0～10 cm)和底物浓度共同限制硝化细菌反硝化和反硝化过程。研究表明，当土壤中存在限制N2O产生和排放的因子时，土壤含水量对N2O排放的影响则不会明显表现出来[31-32]。

3.3 有机肥对苹果园N2O排放的影响

土壤有机质通过改变土壤有机碳的有效性，影响硝化和反硝化作用的底物浓度，而影响土壤N2O的排放，2017年苹果成熟期，生物有机肥的施入为土壤带入了大量易分解有效性碳，同时也带入了大量的微生物。有机无机配施可以降低土壤 C/N，而土壤低 C/N会增加氨氧化细菌(AOB)的代谢活性[34]，从而促进硝化作用的发生[35]，所以有机无机配施处理N2O日排放速率在成熟期比其他处理高。与优化减氮处理相比，有机无机配施处理没有明显促进成熟期N2O的排放，可能主要原因是土壤(0～10 cm土层)温度低抑制了硝化微生物活性，限制了有机物对N2O排放的促进效果。但也有研究认为有机物分解消耗土壤O2能够抑制硝化作用，同时有利于反硝化的发生[35]，而反硝化微生物适宜的温度为5℃～75℃[36]。从成熟期土壤表层(0～20 cm)土壤孔隙充水率来看(图1)，土壤表层有利的通气条件并没有达到微生物反硝化所需的厌氧环境，所以有机物分解耗氧对反硝化作用的促进效果十分有限。

4 结 论

1)苹果膨大期是渭北旱塬苹果园N2O排放的主要时期。各施肥处理N2O年累积排放总量在1.14～4.46 kg·hm-2之间，与常规施肥处理相比，优化减氮和有机无机配施处理N2O排放总量分别降低了43.3%、42.6%。常规高氮、优化减氮与有机无机配施处理年排放系数分别为0.27%、0.22%、0.22%。

2)温度是限制苹果成熟期和膨大期土壤N2O排放的决定因子；施肥后，随着时间的推移，底物浓度不足将逐渐成为限制N2O排放的重要因子。