玉米大豆间作对农田土壤N2O 排放的影响

2020-09-28陈津赛王广帅张莹莹

灌溉排水学报 2020年9期

陈津赛，王广帅，张莹莹，高阳*，刘坤

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所/农业农村部作物需水与调控重点实验室，河南新乡453002； 2.中国农业科学院研究生院，北京100081；3.上海海洋大学经济管理学院，上海 201306）

0 引言

【研究意义】温室气体是导致全球气候变暖的最重要因素，N2O、CH4和CO2是其中3 种主要的温室气体[1]。N2O 不仅有强烈的增温效应，而且增温潜势巨大[2]。农业是主要的温室气体排放源[3]，在我国农业N2O 排放源中，土壤源占农业N2O 年排放量的72%左右[4]。土壤中过多的氮素存留是造成农田N2O 排放增加的主要原因[5]。因此，提高氮素利用率是降低农田土壤温室气体排放的有效途径。【研究进展】禾豆间作可以有效地提高间作群体的氮素利用率[6-8]，增加作物的氮素吸收量[8-9]；从而降低土壤中的微生物可利用的氮素，进而降低间作农田土壤的N2O 排放[10]。已有研究表明，玉米大豆间作群体的产量高于单作种植，具有很明显的产量优势[11]。目前的间作研究大多集中于不同间作种植模式的种间互补与竞争关系[12]、种间的铁氮互惠作用[13]及如何提高系统产量和土地当量比[14-15]等方面。这些研究都是围绕着如何实现作物高产高效，而对间作农田土壤“温室气体排放”这个重要的农田生态环境问题关注不足。虽然间作农田温室气体排放规律已经有了一些研究结果，但由于间作模式不同且采样方法也不尽相同，使得研究结果并不一致。例如胡发龙等[5]在研究玉米/豌豆间作种植模式下的土壤呼吸时，取样点选择在间作小区内不同作物条带的中心。Huang 等[16]对于间作模式下的取样方法是分别在2 种作物的条带间取样，这样的取样方法减弱了间作作物间的相互作用。沈亚文等[17]采用水封法采集温室气体样品，若采用水封法在间作群体取样时，静态箱的底座会影响两作物根际间的互惠作用及作物根系生长[13]。本研究将采用土封法固定静态箱并在两作物条带之间取样，土封法固定静态箱无需将底座插入土壤中，因而对作物根系间的交互作用影响较小。

【切入点】诸多研究表明，土壤水分和含氮量显著影响土壤N2O 的产生和排放。当土壤含水率低于田间持水率（壤土）的80%时，土壤N2O 排放通量与土壤含水率成正相关关系，当土壤孔隙含水率低于30%时，N2O 的排放会明显受到抑制[4,18]。土壤中NH4+-N 和NO3--N 是硝化和反硝化的直接底物，其质量分数的大小直接影响土壤N2O 的产生与排放[19]。间作豆科作物可产生直接或间接的氮素转移供给禾本科作物，而禾本科作物可以减缓化学氮肥对豆科作物的“氮阻遏”[20]。玉米与大豆根系间的互作可以促进玉米对氮素的吸收，从而降低土壤中的含氮量。在禾/豆间作中不同处理生育期0～30 cm 平均土壤充气孔隙率受种植模式的显著影响，但研究结果却不全一致[5,21]。由此看来，关于间作种植对土壤水氮动态影响的认识尚不明晰，这也限制深入理解间作农田土壤的N2O 排放规律。【拟解决的关键问题】为此，本研究设置了4 个处理（玉米/大豆间作、大豆单作、氮素施用量为120 kg/hm2的玉米单作、氮素施用量为240 kg/hm2的玉米单作），对比分析间作种植模式对农田土壤N2O 排放的影响，将为玉米/大豆间作种植模式发展及农田温室气体减排提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2018 年6―9 月在中国农业科学院新乡综合试验基地（N35°14′、E113°76′，海拔74 m）进行。基地位于河南省新乡市新乡县七里营镇，地处黄淮海中部偏西的人民胜利渠引黄灌区内，属暖温带大陆性季风气候，日照时间2 399 h，年平均气温14 ℃，年平均降水量582 mm，2018 年6—9 月降水量为357.4 mm，生育期内最高气温39.6 ℃，最低气温8.8 ℃，平均温度为28.4 ℃。试验期间气温和降水量见图1。土壤类型为壤土（潮土），成土母质为黄河冲积后的沉淀物，地下水埋深大于5 m[22-23]。试验地耕层（0～20 cm）土壤参数见表1。播种前0～100 cm 土壤总氮为0.5 g/kg，0～120 cm 无机氮量为62.0 mg/kg。

图1 2018 年试验期气温和降水量 Fig. 1 Air temperature and rainfall during the trial period in 2018

表1 试验地0～20 cm 土壤参数 Table 1 Soil parameters of 0～20 cm at test site

1.2 试验设计

玉米品种为“登海605”、大豆品种为“冀豆17”。本研究参照当地常规玉米种植的施氮水平240 kg/hm2，设计了单作玉米施肥 240 kg/hm2处理（SM240）。考虑到大豆的固氮作用，基于课题组前期研究基础，设计了单作大豆（SS，施氮量120 kg/hm2）和玉米/大豆间作处理（IMS，施氮量120 kg/hm2）。为了对比分析相同施氮水平下单作玉米和间作群体的N2O 排放差异，同时设置了单作玉米施氮120 kg/hm2处理（SM120）。每个处理3 个重复，每个小区宽7 m，长10 m，面积70 m2，南北种植。单作玉米行距为60 cm，株距25 cm；单作大豆行距30 cm，株距20 cm，每穴2 粒；玉米/大豆间作群体的大豆行距30 cm，株距20 cm，玉米行距40 cm，株距20 cm；大豆与玉米条带间距35 cm。

2018 年玉米和大豆播种日期为6 月10 日，收获日期为9 月15 日。播前所有处理基肥的磷肥与钾肥用量一致，即K2SO4施用量105 kg/hm2，P2O5元素施用量120 kg/hm2，IMS、SM120、SS 处理的氮肥施用量相同，均为120 kg/hm2。SM240 基肥的氮素施用量为240 kg/hm2。氮肥分2 次施入，基追比为5∶5，即IMS、SS、SM120 处理第2 次施入氮素60 kg/hm2，SM240 施入氮素120 kg/hm2，追肥时间为7 月12 日。全生育期共灌水2 次，第1 次灌水日期为6 月11 日，灌溉方式为喷灌，灌水定额为45 mm，第2 次灌水日期为8 月29 日，灌水方式为地面灌，灌水定额为45 mm。

1.3 测试指标与方法

1）N2O 气体采样与测定分析

采用静态箱-气相色谱法对N2O 进行取样与测定分析，全生育期共取样11 次。静态箱的尺寸为：长×宽×高=100 cm×50 cm×10 cm，静态箱材质为亚克力板，厚度为5 mm。箱体上面开口，供植物生长及采集气体样品，采用土封法将静态箱密封、固定在每个采样点上（静态箱的放置如图2），图2 左侧是3 种静态箱的结构示意图，右侧为静态箱在3 种种植模式下的放置位置，图中阴影代表的是玉米，“+”代表的是大豆。在每个小区内布设3 个静态箱，数据采用3 次观测的平均值。土壤N2O 气体取样从6 月29 日（播种后的第19 天的苗期开始，每7 天取1 次，如遇到较大降雨，则在降雨后第3 天取样，目的是避开降雨后因为土壤充水孔隙度（WFPS）的升高而产生的N2O排放通量的峰值。取样在08:00—10:00 进行，在旋紧静态箱上所有盖子后的第0、10、20 min 分别取30 mL的气体样品[24]，用秒表记录时间。取样结束后旋开所有的盖子，使静态箱内气体可以与大气进行气体交换，确保作物的正常生长。

图2 静态箱的构造及放置 Fig. 2 Construction and placement of static box

采集到的气体样品带回实验室，采用气相色谱仪（岛津2010plus）进行测定。测定条件为：ECD 检测器温度为250 ℃，色谱柱温度为50 ℃，载气为高纯氩甲烷气，流速为40 mL/min。气体排放通量的计算式为：

式中：F 为气体的排放通量（mg/（m2·h））；M 为气体的分子质量（g）；V 为标准状态下1 mol 气体的体积（L）；h 为采样箱的净高度（m）；dc/dt 为单位时间内采样箱内气体的质量浓度变化率；273 为气态方程常数；T 为采样过程中采样箱内的平均温度（℃）。

2）土壤无机氮

土壤无机氮的取样：在每次温室气体取样的同时，取0～20 cm 的土壤样品，用于测定土壤的硝态氮与铵态氮量。对于单作种植模式，在作物的行间取0～20 cm 的土壤样品；对于玉米/大豆间作模式，在玉米和大豆条带相邻行间取0～20 cm 的土壤样品，每个取样点3 次重复。将取回的鲜土溶于物质的量浓度为2 mol/L 的KCL（优级纯）溶液中，土水比为1∶5，于振荡器上以200 r/min 恒温震荡30 min，然后过滤，将收集到的滤液使用AA3 流动分析仪测定土壤硝态氮与铵态氮量。土壤无机氮计算式为：

式中：SMN 为土壤无机氮（kg/hm2）；T 为土层深度，取值20 cm；BD 为土壤体积质量，取值1.51 g/cm3；N1、N2分别为0～20 cm 土层中硝态氮、铵态氮量（mg/kg）[5]。

3）土壤充水孔隙度

在土壤无机氮取样混匀后，取出一部分装入铝盒中，用烘干法测定表层0～20 cm 土壤质量含水率计算土壤充水孔隙度（Water-Filled Pore Space，WFPS）[25]，计算式为：

式中：VSWC 为土壤体积含水率（VSWC=土壤质量含水量×BD）；BD 为土壤体积质量取平均值1.51 g/cm3；PD 为土壤密度，取值2.65 g/cm3。

4）土壤温度

在进行气体取样的同时，用Testo 迷你探针型温度计分别在静态箱附近测定0 和10 cm 的土壤温度，计算2 个深度的平均值，代表0～10 cm 土壤的平均温度。

5）N2O 累计排放量与全球增温潜势

采用线性内插法估算整个生育期的N2O 累计排放量[25]，计算式为：

式中：TN 为作物全生育季节的N2O 累计排放总量（kg/hm2）；Fi+1为本次试验的N2O 平均排放通量（μg/（m2·h））；Fi为上次试验的N2O 平均排放通量（μg/（m2·h））；（Ti+1-Ti）为本次试验与上次试验间隔天数。

N2O 全球增温潜势计算式[26]为：

式中：TN 为N2O 累计排放总量（kg/hm2）；265 为N2O 全球增温潜势系数。

1.4 数据统计分析

采用Excel 对试验数据进行统计，使用SPSS-22.0软件中的单因素方差分析进行显著性检验，使用Origin 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 土壤水分与温度动态变化特征

图3 给出了不同处理土壤温度和充水孔隙度的变化趋势。对于土壤水分来说，相同点是各处理的土壤充水孔隙度（WFPS）都会在降雨或者灌溉后出现峰值，不同点是SM120 处理的土壤充水孔隙度总体较高。SM120 处理生育期内平均WFPS 显著高于IMS和SS 处理（P<0.05）（表2）。

对于土壤温度来说，相同点是各处理的土壤温度变化趋势相近，总体呈随生育期进行先升高而后降低的趋势，在生育期末，温度降到最低（图3（a））；差异之处在于SM120处理的生育期平均土壤温度最高，单作大豆（SS）处理平均温度显著低于SM120 处理的。在土壤水分方面，玉米/大豆间作较单作玉米显著降低了0～20 cm 的平均土壤WFPS，与单作大豆间的差异并不显著。在土壤温度方面，间作模式与单作种植模式间没有显著性差异。

图3 不同处理的土壤温度及充水孔隙度变化 Fig. 3 Changes of soil temperature and water-filled pore space (WFPS) in different treatments

表2 不同处理土壤充水孔隙度和温度平均值 Table 2 Average values of soil water-filled porosity and temperature in different treatments

2.2 不同种植模式对土壤无机氮量的影响

图4（a）给出了4 个处理下的平均土壤无机氮水平。由单因素方差分析可知，种植模式对整个作物季节的土壤无机氮量影响显著（P<0.05）。IMS 处理的生育期平均土壤无机氮量比SS 处理降低了24.0%，比SM120 处理降低了5.3%，比SM240 处理降低了29.3%，表明玉米/大豆间作模式显著降低了土壤无机氮量。图4（b）给出了生育期内4 个处理0～20 cm无机氮的动态变化。结合图3（b）可以看出，土壤无机氮量的峰值与土壤WFPS 的峰值同时出现，表明随着土壤WFPS 的增加，无机氮的生成速率也会提高[27]。由单因素方差分析可知，种植模式对整个生育期0～20 cm 土壤硝态氮量影响显著（P<0.05）。IMS处理的生育期平均土壤硝态氮量比SS 处理降低了32.5%，比SM240 处理降低了41.2%。图4（c）与图4（d）分别给出了试验期内各处理0～20 cm 土壤铵态氮与硝态氮量的动态变化。不同处理间0～20 cm土壤铵态氮量无显著差异，0～20 cm 土壤硝态氮量大于铵态氮量，说明在生育期内的土壤环境适合硝化反应的进行。

图4 生育期内不同处理土壤无机氮量的变化规律 Fig. 4 Variation of soil inorganic nitrogen content in different treatments during the trial period

2.3 不同处理对土壤N2O 排放通量及全球增温潜势值的影响

图5 给出了各处理土壤N2O 排放通量的动态变化。从图5 可以看出，各处理的N2O 峰值都是在降雨后出现的，这是由于降雨后土壤WFPS 增加，提高了土壤中硝化和反硝化细菌的活性，促进了硝态氮与铵态氮的生成速率，进而显著增加N2O 的生成速率[27-28]。土壤中硝态氮与铵态氮的质量浓度与N2O 的排放速率呈显著正相关关系[28]，因而在降雨后各处理的N2O 排放通量都出现了峰值。由图5 还可以看出，IMS 处理的土壤N2O 平均排放通量低于其他3 个处理。

图5 不同处理N2O 排放通量动态变化 Fig. 5 Dynamic of soil N2O emission flux in different treatments

IMS 处理的平均N2O 排放通量分别比SM120、SM240、SS 处理显著降低了31.98%、39.16%、47.80%（P<0.001），表明玉米/大豆间作种植可以显著降低土壤的N2O 排放通量。SM120、SM240 和SS 处理间N2O 平均排放通量的差异也达到极显著水平。

表3 给出了4 个处理的N2O 累计排放量和全球增温潜势。由表3 可知，IMS 处理显著降低了土壤的N2O 累计排放量及全球增温潜势值。由单因素方差分析可知，IMS 处理与其余3 个处理间的N2O 平均累计排放量和全球增温潜势的差异呈极显著水平（P<0.001），但SS、SM120 和SM240 处理间的差异并不显著。IMS 处理的平均累计排放量分别比SM120、SM240、SS 处理降低了36.70%、41.52%、49.03%。从式（3）和式（4）可以看出，N2O 排放通量的高低直接影响到全生育期的累计排放量以及全球增温潜势，所以不难理解玉米/大豆间作种植模式与其他3种单作模式相比可以极显著的降低N2O 的累计排放量及全球增温潜势。表4 给出了不同处理的土壤水分、无机氮与N2O 平均排放通量间的线性回归方程。不同处理间的土壤水分、无机氮量与N2O 平均排放通量的回归系数存在差异，但均呈线性正相关。

表3 N2O 累计排放量和全球增温潜势 Table 3 Cumulative N2O emissions and global warming potential in different treatments

表4 土壤水分、无机氮与N2O 平均排放通量的线性回归方程 Table 4 Linear regression equations between soil N2O average flux and soil water, and inorganic nitrogen

3 讨论

3.1 间作种植模式对农田土壤N2O 排放的影响

间作种植模式可以提高作物系统的产量、土地当量比以及资源利用效率[14]。陈素云等[29]对小麦/大蒜间作群体的研究结果表明，间作种植不仅提高了小麦的产量还降低了CH4的排放。黄坚雄等[25]在华北平原玉米/大豆间作群体温室气体排放的研究中，也得出了间作模式可以显著降低农田土壤N2O 排放的结论，这与本研究的结果相一致。但在黄坚雄等[25]的研究结果中，土壤N2O 累计排放量最高的是单作玉米处理，本研究结果却是单作大豆处理的累计N2O 排放量最高，结论不一致可能是由于2 个研究中单作大豆处理的种植密度与氮肥的施用量不同。本研究的大豆种植密度较高，氮肥施用量较低，所以造成了单作大豆的固氮与氮素利用能力的改变，从而造成了2 个研究中土壤N2O 排放的差异[30]。Dyer 等[31]也给出了玉米/大豆间作模式可以降低农田土壤温室气体排放的结论。但刘辉娟[32]在玉米/豌豆间作种植对温室气体排放的研究中得出了不同结论：玉米间作豌豆N2O平均排放通量大于单作玉米。对比分析后发现，此现象可能是由于种植品种、种植密度、氮素使用量以及间作种植中的禾本科和豆科作物的比例不同导致的。由此可见对于禾/豆间作种植模式，不同作物的种植组合对农田温室气体的排放影响的结论也不尽相同，因此，需要继续开展不同类型的禾/豆间作模式对土壤温室气体排放的影响，以便深入理解间作种植对农田土壤碳氮动态的影响。

3.2 农田土壤N2O 排放量的影响因素分析

农田土壤N2O 被普遍认为是在硝化与反硝化细菌主导的硝化与反硝化进程中产生的，所以能够影响土壤微生物活动的因素都可以直接或间接影响农田土壤N2O 的产生与排放，比如土壤充水孔隙度（WFPS），土壤pH 值、EC 值、温度、肥料的使用，耕作制度、作物种植类型等[10]。当土壤湿度为田间持水率的97%～100%或WFPS 为84%～86%时，N2O 的排放最强；低于此湿度范围时，N2O 排放量与土壤湿度呈正相关[4]。而本研究的土壤WFPS 均低于84%～86%，因此，间作种植降低土壤的WFPS，是N2O 排放通量降低的一个主要因素。生育期末0～20 cm 土壤无机氮量呈上升趋势，但N2O 排放速率却降低了，这可能是由于生育期末0～10 cm 土壤温度降低至20 ℃左右，温度的降低成为影响N2O 产生的主导因素，这在谢军飞等[33]的研究中得到了验证。在4 种不同的种植模式中，玉米/大豆种植模式0～20 cm 的土壤无机氮量最低；无机氮又是硝化-反硝化作用的直接底物，其量的高低决定着N2O 的产出和排放过程[34-35]。这可以得出如下推论：玉米/大豆间作通过降低土壤无机氮水平而显著降低土壤N2O 的产生和排放。

本研究重点关注了种植模式导致的农田土壤N2O排放差异，原因主要在于间作模式能改变作物-土壤系统的微环境。相对于单作，间作能明显影响作物根系土壤菌落组成、促进土壤酶活性、提高土壤养分利用率[36]。本研究也证明了间作模式对土壤的水热状况有显著影响。禾/豆间作种植模式对作物系统内的氮素营养协同利用是实现氮素高效利用的重要模式[5,13]，又由于玉米/大豆间作相比单作种植提高了氮素吸收量[6-8]，进而降低了土壤无机氮的存有量，形成了降低农田N2O 排放量的基础。