不同管理措施對棉田氨氣、溫室氣體排放及土壤有機(jī)碳固定的影響研究.pdf

1、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，化肥施用所產(chǎn)生的溫室氣體(CO2、 CH4、 N2O)和氨氣(NH3)等的排放問題現(xiàn)已成為世界各國研究的熱點(diǎn)問題之一。為減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫室氣體排放、提高化肥利用效率，各國科學(xué)家所推薦的諸如緩釋型肥料施用、肥料配施抑制劑等措施在小麥、玉米、水稻等作物生產(chǎn)中效果明顯，但關(guān)于此類措施對棉田土壤溫室氣體排放的作用、棉花產(chǎn)量的影響等方面的研究并不多見。棉花做為世界重要的經(jīng)濟(jì)作物種植面積達(dá)巨大，2016年統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示世界棉花種植面積已達(dá)

2、3120萬公頃，棉花生產(chǎn)中化肥施用所產(chǎn)生的環(huán)境問題不容忽視。另外農(nóng)業(yè)土壤作為全球重要的碳庫，其碳循環(huán)過程和碳平衡直接影響著全球CO2排放總量。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中作物輪作制度、氮肥施用及綠肥作物種植等措施都能夠直接影響土壤有機(jī)碳輸入，并且通過影響土壤最基本結(jié)構(gòu)—團(tuán)聚體的形成、團(tuán)聚體對有機(jī)碳的物理保護(hù)及有機(jī)碳的化學(xué)轉(zhuǎn)化從而影響土壤有機(jī)碳的固定及溫室氣體排放。由于棉花的巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值，通常為提高棉花生產(chǎn)利潤率而采取棉花連作的種植制度，因此導(dǎo)致有關(guān)美

3、國南部傳統(tǒng)棉花產(chǎn)區(qū)作物輪作、綠肥種植和氮肥施用條件對于棉花產(chǎn)量及棉田土壤碳循環(huán)影響的研究少之又少。本研究選擇了兩處位于美國國土南部亞熱帶氣候條件下傳統(tǒng)棉花生產(chǎn)區(qū)內(nèi)的棉花田地作為試驗(yàn)研究對象，研究緩釋尿素、尿素配施脲酶抑制劑NBPT及硝化抑制劑DCD等五種不同施肥措施對于棉花種植中溫室氣體及NH3排放、棉花產(chǎn)量以及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等的影響進(jìn)行了研究，并且研究了在長期試驗(yàn)體系中作物輪作、冬季綠肥覆蓋及氮肥施用等農(nóng)業(yè)管理措施對于棉田土壤有機(jī)

4、碳含量、土壤團(tuán)聚體、有機(jī)碳組分的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，揭示棉花種植過程中這些人為管理措施對土壤有機(jī)碳固定的作用機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上為未來棉花產(chǎn)業(yè)選擇適宜的、能夠減少溫室氣體排放的環(huán)境友好型肥料以及合理的、能夠提高土壤碳庫水平、增強(qiáng)土壤固碳效應(yīng)的農(nóng)業(yè)管理措施提供科學(xué)依據(jù)。
　　本研究于2013和2014年兩茬棉花種植季節(jié)，對五種不同施肥處理?xiàng)l件下:空白對照（Check無施肥）、尿素(Urea)、緩釋尿素(Coated Urea，ESN)、尿素

5、與脲酶抑制劑n-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)混施(Urea+NBPT)和尿素與硝化抑制劑雙氰胺(DCD)混施(Urea+DCD)，利用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對棉田土壤CO2、CH4、 N2O排放進(jìn)行監(jiān)測，并同時(shí)監(jiān)測NH3的排放并對棉花產(chǎn)量、全球增溫潛勢等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)使用磷脂脂肪酸(PLFA)法對棉田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測定。主要結(jié)果如下:
　　1.不同施肥處理對于NH3及溫室氣體排放的影響
　　2013和2014兩個(gè)棉花

6、生長季中各施肥處理中的NH3和N2O排放規(guī)律相似，各施肥處理中主要的NH3和N2O排放高峰均出現(xiàn)在現(xiàn)施肥后的4天左右，并于40天后基本回落至背景值水平。N2O排放所損失的N含量顯著多于NH3排放所損失的N量，尿素、緩釋尿素、尿素與NBPT混施、尿素與DCD混施處理的平均NH3排放因子與平均N2O的排放因子分別為:1.9％、1.0％、0.2％、0.8％和8.3％、3.4％、3.9％、1.0％。與普通尿素處理相比，脲酶抑制劑NBPT抑制NH

7、3-N排放的作用最為顯著，在兩個(gè)生長季中其抑制效率分別達(dá)52％和62％;硝化抑制劑DCD抑制N2O-N排放作用最為明顯，兩年平均抑制效率達(dá)到75％;緩釋尿素和脲酶抑制劑NBPT對于N2O-N排放的抑制作用同樣很顯著，試驗(yàn)期間平均抑制效率都達(dá)到了52％。不同施肥處理對于棉田土壤CO2-C排放總量并無顯著影響。關(guān)于棉田土壤CH4-C排放，除2014棉花生長季普通尿素處理相比空白處理顯著增加了3.4倍外，其他施肥處理的CH4-C排放均與空白處

8、理無明顯差異。
　　2.不同施肥處理對棉花產(chǎn)量、綜合增溫潛勢及溫室氣體排放強(qiáng)度的影響
　　2013年緩釋型尿素(ESN)處理顯著提高棉花產(chǎn)量，與普通尿素處理相比籽棉和皮棉產(chǎn)量分別增加了15.4％和10％。但在2014年多雨氣候條件下，相比普通尿素處理，緩釋尿素處理籽棉和皮棉產(chǎn)量分別下降了18％和14％。與普通尿素處理相比，脲酶抑制劑NBPT與硝化抑制劑DCD的施用在2013和2014年棉花生長季均未對棉花產(chǎn)量產(chǎn)生促進(jìn)作用，相

9、反兩年間這兩個(gè)處理的籽棉產(chǎn)量分別平均降低了8％和12％。對于2013年棉花生長季，與空白處理(Check)相比，普通尿素處理(Urea)、緩釋尿素處理(CoaedUrea)和施加脲酶抑制劑的處理(Urea+NBPT)中CH4和N2-的綜合增溫潛勢(GWP)分別增加了144倍、26.6倍和122倍，而施加硝化抑制劑的處理(Urea+DCD)與對照相比沒有顯著性的差異。但是對于2014年棉花生長季，處理Urea的綜合增溫潛勢相比空白處理顯著

10、增加了4.5倍，其他處理并無顯著性的差異(p＜0.05)。2013年溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)呈現(xiàn)出處理Urea＞Urea+NBPT＞Coated Urea＞Urea+DCD＞處理Check的趨勢，相比空白處理，處理Urea、Coated Urea、Urea+NBPT和Urea+DCD的溫室氣體排放強(qiáng)度分別增加了76倍、31倍、71倍和9倍。2014年生長季中各處理的溫室氣體排放強(qiáng)度間差異并不顯著。
　　3.不同施肥處理對土壤中

11、微生物種群的影響
　　除處理Urea+NBPT外，其他施肥處理均能夠促進(jìn)土壤中微生物的生長繁殖，相比空白對照處理，處理Urea、處理Coated Urea、處理Urea+DCD土壤微生物生物量分別增加了15.7％、14.9％和35.2％。與空白處理相比，處理Urea對于土壤中細(xì)菌種群數(shù)量的增加作用最為顯著，可達(dá)30.5％，而緩釋尿素、配施NBPT和配施DCD的處理中細(xì)菌種群數(shù)量分別只增加了16％、15.4％和17.9％。與對照處理

12、相比，除處理Urea+DCD之外其他處理中革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌比值(G+/G-)差異明顯。處理Urea和處理Urea+NBPT中革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌比值(G+/G-)均明顯小于對照處理，分別下降了17％和36.7％。各處理中只有處理Coated Urea的革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌比值(G+/G-)比對照處理(Check)顯著增加了50％。各處理中只有處理Urea+NBPT對于土壤中真菌種群數(shù)量的增加有顯著作用，相比對照處理

13、增加了89％(p＜0.05)。相比對照處理，處理Urea的細(xì)菌/真菌比值顯著增高，而處理Coated Urea和處理Urea+NBPT的細(xì)菌/真菌比均出現(xiàn)顯著降低，處理Urea+DCD中細(xì)菌/真菌比并未表現(xiàn)出顯著差異。處理Coated Urea、處理Urea+NBPT和處理Urea+DCD中表征脅迫效應(yīng)的環(huán)丙脂肪酸/前體物比值(cyc/precursor)均顯著低于對照處理和處理Urea，數(shù)值上分別比對照處理降低了35.3％、42.2％

14、和58.8％。各施肥處理對于土壤中放線菌種群數(shù)量的影響均不顯著。
　　在長期試驗(yàn)體系中，本文研究了五種農(nóng)業(yè)管理措施:棉花連作+無氮肥施入(C)、棉花連作+冬季覆蓋作物+無氮肥施入(C+WL)、棉花連作+硝酸銨肥料(C+N)、棉花-玉米輪作+冬季覆蓋作物+無氮肥施入(C-C+WL)和棉花-玉米輪作+冬季覆蓋+氮肥施用(C-C+WL+N)對棉田土壤有機(jī)碳團(tuán)聚體的物理保護(hù)、有機(jī)碳形態(tài)及有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的影響，結(jié)果表明:
　　1.

15、長期農(nóng)田管理措施對棉田原狀土中不同形態(tài)有機(jī)碳含量的影響
　　長期的作物輪作、冬季綠肥及氮肥施用措施對于棉田土壤有機(jī)碳(SOC)、土壤總氮(TN)和酸解性有機(jī)碳(HC)均有顯著促進(jìn)作用。相比處理C，處理C+WL、處理C-C+WL、處理C-C+WL+N和處理C+N的SOC含量分別增加了83％、164％、149％和87％(P＜0.01);這些處理的TN含量分別增加了120％、223％、199％和99％(P＜0.01);各處理的HC含量增

16、加更加顯著，增加量分別達(dá)到了153％、315％、300％和146％(p＜0.05)。而各處理中除了處理C+N的DOC含量與處理C相比顯著增加了37.2％外，其他處理的DOC含量均與處理C無顯著差異(p＜0.05)。
　　2.長期農(nóng)田管理措施對棉田土壤團(tuán)聚體分布及團(tuán)聚體中各形態(tài)碳含量的影響
　　各處理對250-2000μm粒徑的大團(tuán)聚體(M)組分的形成均有促進(jìn)作用。相比處理C，其他處理對于大團(tuán)聚體組分的增加分別達(dá)到了37.3％

17、、156％、86.8％和29％，而對于粒徑為53～250μm的微團(tuán)聚體(m)的形成影響均不顯著;在粒徑＜53μm的粉粘粒(S+C)級別，只有處理C+N的粉粘粒組分含量相比處理C有顯著的增加，達(dá)到68.2％。
　　與處理C相比，各處理在250-2000μm的大團(tuán)聚體粒徑級別下的土壤有機(jī)碳含量差異最為顯著。在250-2000μm粒徑級別中，處理C-C+WL的有機(jī)碳含量相比處理C增加最為明顯，達(dá)到311％，而處理C+WL、處理C-C+W

18、L+N和處理C+N的SOC含量均分別增加了175％、298％和153％。而該粒徑級別下除處理C-C+WL的土壤全氮(TN)含量與處理C有顯著差異外(增加了133.4％)，其他處理之間土壤全氮含量并無明顯差異。在53～250μm粒徑級別，只有處理C-C+WL和處理C-C+WL+N相比處理C的土壤有機(jī)碳含量增加了2.95倍和2.36倍(p＜0.05)。該粒徑級別下，除處理C-C+WL和處理C-C+WL+N的TN含量相比處理C顯著增加了2倍和

19、1.5倍外，其他處理的TN含量均與處理C無明顯差異(p＜0.05)。在粒徑＜53μm的粉粘粒級別下，各處理之間土壤有機(jī)碳含量差異并不顯著(p＜0.05)，對于土壤總氮含量，處理C-C+WL、處理C-C+WL+N和處理C的土壤總氮含量相比分別顯著增加了1.3倍和1.1倍，而處理C+WL和處理C+N的TN含量相比處理C并沒有顯著增加(p＜0.05)。各處理的DOC含量在不同粒徑大小級別下均未表現(xiàn)出顯著差異。在250-2000μm和53-25

20、0μm粒徑級別中，處理C+WL、C-C+WL和C-C+WL+N均顯著增加了土壤HC含量。而在＜53μm的粉粘粒級別中，相比處理C其他處理均顯著增加了土壤HC含量。
　　處理C有機(jī)碳含量分別在大團(tuán)聚體級別、微團(tuán)聚體級別和粉黏粒級別所占總有機(jī)碳含量的比例為15.6％、18.7％和65.4％。在250-2000μm粒徑級別，其他處理的有機(jī)碳含量比例相比處理C均顯著增加了87.8％、94％、84.6％和69.2％(p＜0.05)。在53-

21、250μm的微團(tuán)聚體m級別中，相比處理C中有機(jī)碳含量比例(18.7％)，處理C+WL、處理C-C+WL和處理C-C+WL+N的SOC含量比例分別顯著增加了43.3％、86.6％和54.5％。而在粒徑小于53μm的粉粘粒(S+C)級別，各處理中有機(jī)碳含量比例均顯著小于處理C，各處理SOC占比均下降了21.3％-47％?？梢娮魑镙喿髦贫?、綠肥植物種植和氮肥施用措施均能影響土壤有機(jī)碳在不同粒徑級別土壤團(tuán)聚體中的積累，這些措施主要增加了在大團(tuán)聚

22、體(M)和微團(tuán)聚體(m)中土壤有機(jī)碳的積累，而對于粉粘粒(S+C)中的有機(jī)碳積累并無促進(jìn)作用
　　3.長期農(nóng)田管理措施對棉田土壤有機(jī)碳化學(xué)分子結(jié)構(gòu)的影響
　　根據(jù)熱裂解氣相色譜質(zhì)譜分析(Py-GC/MS)得出結(jié)果，作物輪作、冬季綠肥覆蓋和氮肥等措施的施用直接改變了各裂解產(chǎn)物在原狀土壤中的分布。與處理C相比，氮肥施用向土壤中引入了以苯、甲苯、乙苯等6種芳香族化合物、以呋喃等為主的3種多糖類化合物、3種含氮化合物以及5種脂肪族化

23、合物，共14種不同化合物?？梢姷适┯弥饕黾恿朔枷阕搴桶ǘ替溨咀寤衔锖烷L鏈脂肪族化合物的輸入，這些脂肪族化合物均來自于施肥導(dǎo)致的植物生物量和土壤微生物量的增加。冬季綠肥作物覆蓋則相比處理C增加了多達(dá)22種化合物，分別來源于脂肪族化合物、芳香族化合物、含氮化合物、多糖類化合物、苯酚類化合物及木質(zhì)素類化合物。該處理中同時(shí)檢測出的吡啶和甲苯化合物能夠證實(shí)其來源于微生物源的輸入，即證明了豆科綠肥作物向土壤中引入了根瘤菌并促進(jìn)了土壤中其他

24、微生物生物量的增加，而長鏈脂肪族化合物的存在則證明了豆科植物通過固氮作用增加了植物生物量，進(jìn)而增加了土壤中植物殘?bào)w的輸入。各處理中，處理C-C+WL和C-C+WL+N所檢測出的化合物種類最多達(dá)37種，但處理C-C+WL+N中的N肥施用并未向土壤中引入新的化合物。試驗(yàn)中作物輪作制、冬季綠肥植物覆蓋和氮肥施用均能夠向土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)不同化合物，特別是高等植物源的有機(jī)物質(zhì)和微生物源的脂肪族化合物等均有助于促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累并提高棉田生態(tài)系統(tǒng)固

25、碳效率。
　　綜上所述，在美國南部棉花傳統(tǒng)產(chǎn)區(qū)中，緩釋尿素、脲酶抑制劑NBPT及硝化抑制劑DCD等不同施肥方式均可有效的減少棉花種植過程中的氨氣和溫室氣體排放，并能在一定程度上提高作物產(chǎn)量。而作物輪作制度、冬季綠肥種植和氮肥配施措施也被證實(shí)能夠有效改變土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成的，有助于增加棉田土壤碳固定。因此在棉花種植過程中，緩釋尿素、脲酶抑制劑NBPT及硝化抑制劑DCD的施用搭配長期的作物輪作制度與冬季綠肥種植等措