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施肥模式对菠萝产量及农田氧化亚氮排放的影响

符春敏 尹黎燕 邓燕 兰超杰 韩忠钰 金鑫 李长江 黄家权

符春敏, 尹黎燕, 邓燕, 兰超杰, 韩忠钰, 金鑫, 李长江, 黄家权. 施肥模式对菠萝产量及农田氧化亚氮排放的影响[J]. 热带生物学报, 2020, 11(3): 331-340. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.03.011
引用本文: 符春敏, 尹黎燕, 邓燕, 兰超杰, 韩忠钰, 金鑫, 李长江, 黄家权. 施肥模式对菠萝产量及农田氧化亚氮排放的影响[J]. 热带生物学报, 2020, 11(3): 331-340. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.03.011
FU Chunmin, YIN Liyan, DENG Yan, LAN Chaojie, HAN Zhongyu, JIN Xin, LI Changjiang, HUANG Jiaquan. Effects of Fertilizer Application on Pineapple Yield and Nitrous Oxide Emission from the Pineapple Field[J]. Journal of Tropical Biology, 2020, 11(3): 331-340. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.03.011
Citation: FU Chunmin, YIN Liyan, DENG Yan, LAN Chaojie, HAN Zhongyu, JIN Xin, LI Changjiang, HUANG Jiaquan. Effects of Fertilizer Application on Pineapple Yield and Nitrous Oxide Emission from the Pineapple Field[J]. Journal of Tropical Biology, 2020, 11(3): 331-340. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.03.011

施肥模式对菠萝产量及农田氧化亚氮排放的影响

doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.03.011
基金项目: 2019年海南省基础与应用基础研究计划(自然科学领域)高层次人才项目基金(2019RC108);国家自然科学基金项目(31860130);海南大学科研启动基金项目(KYQD(ZR)1850)
详细信息
    第一作者:

    符春敏(1996−),女,海南大学生命科学与药学学院2017年级硕士研究生. E-mail:2764901364@qq.com

    通信作者:

    李长江(1989−),男,博士,讲师. 研究方向:作物高产高效栽培与低碳农作. E-mail:lichangjiang99@163.com

    黄家权(1976−),男,博士,教授. 研究方向:作物遗传育种. E-mail:jqhuang@163.com

  • 中图分类号: S 668.3

Effects of Fertilizer Application on Pineapple Yield and Nitrous Oxide Emission from the Pineapple Field

  • 摘要: 为探究不同施肥模式下菠萝(Ananas comosus)种植地土壤氧化亚氮(N2O)的排放特征,筛选出既高产又减少N2O排放的施肥方法。本试验以热带地区菠萝农田为研究对象,设置不施肥(CK)、常规施肥(NPK)、减量单施化肥(INF)、无机肥+有机肥配施(INF+M)、无机肥+有机肥+缓控肥配施(INF+M+S)等5个处理,利用静态暗箱−气相色谱法对菠萝整个生育期土壤的N2O排放特征进行监测,并分析不同施肥模式下土壤温度、土壤含水量、硝态氮和铵态氮对N2O排放的影响及菠萝产量间的差异。结果表明:INF+M+S,INF+M和INF处理下的菠萝产量比NPK处理的分别增加16.77%、6.66%和6.53%,且INF+M+S显著高于NPK。整个菠萝生育期,N2O累积排放量和平均通量表现为NPK>INF>INF+M>INF+M+S>CK,且处理间差异显著;N2O排放强度依次为NPK>INF>INF+M>INF+M+S>CK,处理间也表现出显著差异;同时,INF+M+S处理的排放系数也显著低于其他施肥处理;相关性分析发现,土壤硝态氮和铵态氮含量与N2O排放通量呈极显著正相关。INF+M+S处理能够显著提高菠萝产量,降低菠萝整个生育期农田N2O的排放量与排放强度,可作为菠萝较优的施肥模式。
  • 图  2  不同处理下0~20 cm土层土壤含水量的动态变化

    Fig.  2  The dynamic change of soil water content in 0−20 cm soil layer under different treatments

    图  3  不同处理土壤温度的动态变化

    Fig.  3  The dynamic change of soil temperature under different treatments

    图  4  不同处理土壤硝态氮和铵态氮含量的动态变化

    箭头代表施肥时间

    Fig.  4  The dynamic change of soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen contents under different treatments

    Arrow represents the date of fertilization

    图  5  不同处理土壤N2O排放通量的动态变化

    箭头代表施肥时间

    Fig.  5  The dynamic change of N2O emission flux under different treatments Arrow represents the date of fertilization.

    图  6  不同处理土壤N2O累积排放量的动态变化

    不同小写字母表示同一处理不同时间段差异显著(P<0.05);不同大写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。

    Fig.  6  The dynamic change of accumulative soil N2O emissions under different treatments

    Different lowercase letters indicate significant difference among different time periods of the same treatment at 0.05 level, and different uppercase letters indicated significant difference between treatments at 0.05 level.

    表  1  试验地菠萝施肥方案

    Table  1  Fertilization scheme kg·hm−2

    处理
    Treatment
    菠萝生长期间施肥(基肥+追肥+追肥+追肥+追肥+追肥)情况
    Pineapple growth stage (basal fertilizer+top dressing+top dressing+top dressing+top dressing+top dressing)
    NP2O5K2OCaOMgO
    CK
    NPK 299+193+151+37+60+77 102+78+68+15+48+25 222+174+140+95+120+194 329 73
    INF 172+111+91+22+35+45 23+19+17+4+19+12 138+109+89+59+117+120 132 87
    INF+M 172(20%有机肥提供)+
    111+91+22+35+45
    23+19+17+4+19+12 138+109+89+59+117+120 132 87
    INF+M+S 172(20%有机肥、15%缓控释肥提供)+111+91+22+35+45 23+19+17+4+19+12 138+109+89+59+117+120 132 87
      注:“-”表示未施肥;括号内为有机肥(羊粪)和缓控释肥(包膜尿素)提供的养分量比例。
      Notes: “-” indicates no fertilization; the brackets indicate proportion of nutrients provided by organic fertilizer (goat manure) and controlled release fertilizer (coated urea).
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    表  2  不同处理作物产量、N2O排放强度和排放系数

    Table  2  Nitrous oxide emission factor and emission intensity and pineapple yield under different treatments

    处理
    Treatment
    产量/(t·hm−2
    Yield
    增产/%
    Increase rate
    平均通量/(μg·m−2·h−1
    Mean annual flux
    排放强度/(t·kg−1)
    Emission intensity
    排放系数/%
    Emission factor
    CK 42.12±6.60c - 7.76±0.18e 0.02±0d -
    NPK 77.16±6.36b 83.19 34.13±1.30a 0.04±0a 0.32b
    INF 82.20±8.29ab 95.16 26.97±1.25b 0.03±0b 0.40a
    INF+M 82.30±4.90ab 95.39 21.45±0.72c 0.03±0c 0.29b
    INF+M+S 90.10±3.10a 113.91 18.41±0.51d 0.02±0cd 0.22c
      注:同列不同小写字母表示不同施肥处理间差异显著(P<0.05)。
      Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference between fertilization treatments at 0.05 level.
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    表  3  N2O通量与各影响因子的Pearson相关系数

    Table  3  Pearson correlation coefficients between N2O flux and the impact factors

    处理 Treatment3 cm土温/℃
    3 cm soil temperature
    7 cm土温/℃
    7 cm soil temperature
    土壤含水量/%
    Soil water content
    铵态氮/
    Ammonium N
    硝态氮/(mg·kg−1
    Nitrate N
    CK 0.323ns 0.322ns 0.315ns 0.376ns 0.288ns
    NPK 0.462ns 0.582* 0.416ns 0.794** 0.806**
    INF 0.532* 0.565* 0.237ns 0.775** 0.701**
    INF+M 0.399ns 0.450ns 0.323ns 0.630** 0.591**
    INF+M+S 0.425ns 0.445ns 0.137ns 0.780** 0.501*
      注:ns 表示P>0.05,* 表示P <0.05,**表示 P <0.01,下同。
      Note: ns: P >0.05; *: P <0.05; **: P <0.01. Similarly hereinafter.
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    表  4  N2O通量与各影响因子的偏相关分析

    Table  4  Partial correlation analysis between N2O flux and the impact factors

    控制变量
    Control
    variable
    变量
    Variable
    3 cm土温/℃
    3 cm soil
    temperature
    7 cm土温/℃
    7 cm soil
    temperature
    土壤含水量/%
    Soil water
    content
    铵态氮/(mg·kg−1
    Ammonium N
    硝态氮/(mg·kg−1
    Nitrate N
    3 cm土温 N2O通量 0.293** 0.124ns 0.707** 0.640**
    7 cm土温 0.402** 0.226* 0.399**
    土壤含水量 0.016ns 0.202ns
    铵态氮 0.635**
    7 cm土温 N2O通量 −0.217ns 0.091ns 0.690** 0.620**
    3 cm土温 −0.391* −0.098ns −0.288**
    土壤含水量 −0.039ns 0.156ns
    铵态氮 0.609**
    土壤含水量 N2O通量 0.343** 0.384** 0.748** 0.686**
    3 cm土温 0.982** 0.523** 0.494**
    7 cm土温 0.552ns 0.543**
    铵态氮 0.736**
    铵态氮 N2O通量 −0.083ns −0.034ns 0.159ns 0.327**
    3 cm土温 0.971** 0.013ns 0.186ns
    7 cm土温 0.110ns 0.260*
    土壤含水量 0.246*
    硝态氮 N2O通量 0.007ns 0.019ns −0.007ns 0.488**
    3 cm土温 0.974** −0.078ns 0.279**
    7 cm土温 0.004ns 0.264*
    土壤含水量 −0.164ns
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-17
  • 修回日期:  2020-04-15
  • 网络出版日期:  2020-05-09
  • 刊出日期:  2020-09-24

施肥模式对菠萝产量及农田氧化亚氮排放的影响

doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.03.011
    基金项目:  2019年海南省基础与应用基础研究计划(自然科学领域)高层次人才项目基金(2019RC108);国家自然科学基金项目(31860130);海南大学科研启动基金项目(KYQD(ZR)1850)
    作者简介:

    符春敏(1996−),女,海南大学生命科学与药学学院2017年级硕士研究生. E-mail:2764901364@qq.com

    通讯作者: 李长江(1989−),男,博士,讲师. 研究方向:作物高产高效栽培与低碳农作. E-mail:lichangjiang99@163.com黄家权(1976−),男,博士,教授. 研究方向:作物遗传育种. E-mail:jqhuang@163.com
  • 中图分类号: S 668.3

摘要: 为探究不同施肥模式下菠萝(Ananas comosus)种植地土壤氧化亚氮(N2O)的排放特征,筛选出既高产又减少N2O排放的施肥方法。本试验以热带地区菠萝农田为研究对象,设置不施肥(CK)、常规施肥(NPK)、减量单施化肥(INF)、无机肥+有机肥配施(INF+M)、无机肥+有机肥+缓控肥配施(INF+M+S)等5个处理,利用静态暗箱−气相色谱法对菠萝整个生育期土壤的N2O排放特征进行监测,并分析不同施肥模式下土壤温度、土壤含水量、硝态氮和铵态氮对N2O排放的影响及菠萝产量间的差异。结果表明:INF+M+S,INF+M和INF处理下的菠萝产量比NPK处理的分别增加16.77%、6.66%和6.53%,且INF+M+S显著高于NPK。整个菠萝生育期,N2O累积排放量和平均通量表现为NPK>INF>INF+M>INF+M+S>CK,且处理间差异显著;N2O排放强度依次为NPK>INF>INF+M>INF+M+S>CK,处理间也表现出显著差异;同时,INF+M+S处理的排放系数也显著低于其他施肥处理;相关性分析发现,土壤硝态氮和铵态氮含量与N2O排放通量呈极显著正相关。INF+M+S处理能够显著提高菠萝产量,降低菠萝整个生育期农田N2O的排放量与排放强度,可作为菠萝较优的施肥模式。

English Abstract

符春敏, 尹黎燕, 邓燕, 兰超杰, 韩忠钰, 金鑫, 李长江, 黄家权. 施肥模式对菠萝产量及农田氧化亚氮排放的影响[J]. 热带生物学报, 2020, 11(3): 331-340. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.03.011
引用本文: 符春敏, 尹黎燕, 邓燕, 兰超杰, 韩忠钰, 金鑫, 李长江, 黄家权. 施肥模式对菠萝产量及农田氧化亚氮排放的影响[J]. 热带生物学报, 2020, 11(3): 331-340. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.03.011
FU Chunmin, YIN Liyan, DENG Yan, LAN Chaojie, HAN Zhongyu, JIN Xin, LI Changjiang, HUANG Jiaquan. Effects of Fertilizer Application on Pineapple Yield and Nitrous Oxide Emission from the Pineapple Field[J]. Journal of Tropical Biology, 2020, 11(3): 331-340. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.03.011
Citation: FU Chunmin, YIN Liyan, DENG Yan, LAN Chaojie, HAN Zhongyu, JIN Xin, LI Changjiang, HUANG Jiaquan. Effects of Fertilizer Application on Pineapple Yield and Nitrous Oxide Emission from the Pineapple Field[J]. Journal of Tropical Biology, 2020, 11(3): 331-340. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.03.011
  • 温室气体排放增加导致的全球变暖,已引起国际社会的广泛关注,而氧化亚氮(N2O)作为重要的温室气体之一,在1750—2011年间其含量增加了20%,且N2O在百年尺度的全球增温趋势是CO2的298倍[1]。研究发现,大气中60%的N2O来源于农业活动,并仍以每年0.3%的速度增加[2],而土壤本身的理化特性(土壤物理化学性质和微生物结构)、栽培管理因素(农业措施和作物类型)、肥料种类、施氮量和环境因子(土壤水分、温度、光照和pH)等多种因素的改变,都会导致农业N2O排放发生变化[3]。在众多影响因素中,N2O排放量主要受施肥量与施肥种类的影响,尤其是氮肥[4]。氮肥过量不仅导致氮素在土壤中大量的残留以及淋失[5],同时也会显著增加N2O的排放与其他气态氮的损失[6]。郭晨等[7]的研究发现,减氮21.4%能降低N2O的排放,而对作物产量没有显著影响;同样,在等氮量施肥条件下,施用有机肥较无机肥能减少土壤N2O的排放,对作物产量也没有明显影响[8];但也有研究发现,无机肥+有机肥配施处理与单施无机肥处理的N2O排放相比无显著性差异或高于无机肥处理[8]。目前,缓控释肥因其具有养分释放缓慢、周期长且利用效率高和减少氮素损失等优点而被逐渐应用于农田作物生产[9]。研究发现,缓控释肥较常规施肥能提高小麦(Triticum aestivum L.)、水稻(Oryza sativa)等作物的产量且能降低农田N2O的排放[10]。在配施缓控释肥方面,有研究表明,缓控释肥+无机肥配施也能降低N2O排放和增加产量[11];同时,田伟等[8]研究也表明,无机肥+有机肥+缓控释肥配施处理能够显著降低N2O的排放。可见,降低施肥量和有机肥、缓控释肥并与化肥配施对减少农田N2O排放及提高作物产量有重要意义。

    我国是世界菠萝(Ananas comosus)十大生产国之一,现种植面积约6万hm2,主要分布于我国华南地区[12]。为了追求高产,果农在菠萝种植过程中施肥过量、施肥时间不合理等问题突出,不仅造成了肥料利用率低下,而且土壤中养分淋失严重,温室气体排放增加[13],严重影响了我国菠萝产区的生态环境及人体健康。迄今,关于菠萝种植过程中施肥管理的研究,主要集中于常规化学肥料使用量及施用方式上[14],而基于菠萝生长发育规律进行科学优化施肥,且进行有机肥和缓控释肥替代的施肥模式研究较少;另外,关于菠萝农田施肥管理对N2O排放的影响尚未见有报道。因此,笔者以热带地区菠萝田为研究对象,在常规施肥量的基础上进行优化施肥,通过有机肥和缓控释肥进行替代,探讨不同施肥模式下农田N2O排放的差异,并结合菠萝产量,筛选较优的施肥模式,旨在为热带地区菠萝的科学施肥提供依据。

    • 本试验地位于海南省乐东县尖峰镇海南大学热带作物学院基地(东经108°46′22″,北纬18°39′6″),属于热带季风气候,年均气温24~25 ℃,年均降雨量1 279.10 mm,年蒸发量约为年降雨量的2.0~2.5倍。前茬作物为香蕉,试验地土壤为燥红土,pH6.05,耕层土壤(0~20 cm)含有机质0.53%、铵态氮0.34 mg·kg−1、硝态氮0.76 mg·kg−1、有效磷80.17 mg·kg−1、速效钾92.84 mg·kg−1、全氮0.37 g·kg−1、全磷0.37 g·kg−1。试验期间,气温与降雨量等资料采用海南省乐东尖峰岭万钟公司区域自动站(M1601)气象站的数据(图1)。

      图  1  菠萝生育期的日平均气温与日降雨量

      Figure 1.  Mean daily temperature and daily precipitation during the pineapple growing Seasons

    • 本试验共设5个处理:空白对照(不施肥,CK)、常规施肥(NPK)、减量单施化肥(INF,优化施肥处理)、有机无机配施(INF+M,优化施肥基础上,有机肥(羊粪)替代20%氮肥)、有机无机缓控配施[INF+M+S,优化施肥基础上,有机肥替代20%氮肥+缓控释肥(包膜尿素)替代15%氮肥]。具体施肥方案见表1(以纯养分计)。

      表 1  试验地菠萝施肥方案

      Table 1.  Fertilization scheme kg·hm−2

      处理
      Treatment
      菠萝生长期间施肥(基肥+追肥+追肥+追肥+追肥+追肥)情况
      Pineapple growth stage (basal fertilizer+top dressing+top dressing+top dressing+top dressing+top dressing)
      NP2O5K2OCaOMgO
      CK
      NPK 299+193+151+37+60+77 102+78+68+15+48+25 222+174+140+95+120+194 329 73
      INF 172+111+91+22+35+45 23+19+17+4+19+12 138+109+89+59+117+120 132 87
      INF+M 172(20%有机肥提供)+
      111+91+22+35+45
      23+19+17+4+19+12 138+109+89+59+117+120 132 87
      INF+M+S 172(20%有机肥、15%缓控释肥提供)+111+91+22+35+45 23+19+17+4+19+12 138+109+89+59+117+120 132 87
        注:“-”表示未施肥;括号内为有机肥(羊粪)和缓控释肥(包膜尿素)提供的养分量比例。
        Notes: “-” indicates no fertilization; the brackets indicate proportion of nutrients provided by organic fertilizer (goat manure) and controlled release fertilizer (coated urea).

      试验采用随机区组设计,每个处理3个重复,共15个小区,每个小区97.5 m2(15 m×6.5 m)。采用起垄方式种植菠萝,垄上覆膜,沟内不覆膜,其中,垄高20 cm,宽90 cm,沟宽50 cm;垄上菠萝行距50 cm,株距35 cm。菠萝供试品种为澳大利亚‘卡因’(地区常规种植品种)。定植前将基肥撒施后旋耕入土,菠萝生长周期较长,整个观测期共施肥6次,2018−01−22施基肥,2018−01−23选大苗进行定植,2019−03−10收获。其他田间管理措施与当地大田管理方式一致。

    • 气体样品的采集使用不锈钢静态箱法,采样箱横截面积为0.5 m×0.5 m,高0.8 m,箱外包1层海绵并覆盖铝箔,以减小采样期间由于太阳辐射造成的箱内温度变化。将带凹槽的底座水平嵌于垄上,底座内有1株菠萝,采样时把采样箱罩在底座上,连接好采气针筒和温度计,并加水密封,于关箱后0,15,30 min用带有三通阀的50 mL医用针筒采集气体,先抽推针筒4~5次,以混匀箱内气体,然后采集气样50 mL。

      因菠萝种植后有3个月左右的缓苗阶段,菠萝生长非常缓慢,对土壤养分和水分吸收很少,因此,在菠萝移栽后首先每月采气1次,从第4个月菠萝缓慢生长期开始平均采气频率为每7天1次,在施肥后增加采样频率,平均约每隔2天1次,采气时间为上午的9:00~11:00。为了更准确地估算N2O的排放总量,采集的气样带回实验室用气相色谱仪(岛津GC-2014)分析,N2O检测器为ECD,载气为氩甲烷,检测器温度为300 ℃。标准气体由中国计量科学研究院提供。

      田间气体采集的同时,用温度计同步测定箱内温度,用土壤温湿度计(顺科达,TR-6D)测定3 cm和7 cm土层温度。另外,每隔2周各小区采集1次土壤样品(0~20 cm)用于土壤含水量、铵态氮含量(NH4+-N)和硝态氮含量(NO3-N)的测定。土壤含水量采用烘干法测定,NH4+-N和NO3-N采用鲜土样品,用2 mol·L−1KCl浸提(液土比5∶1),并用连续流动分析仪(Alliance-Futura/Proxima,法国产)测定。

      N2O排放通量计算公式:

      $$F = \rho \frac{V}{A}\frac{{\Delta c}}{{\Delta t}}\frac{{273}}{{273 + T}},$$

      式中,F为N2O-N排放通量(μg·m−2·h−1),ρ为标准状态下N2O-N的密度,为1.25 g·L−1V为采气箱的体积(m3);A为采气箱所覆盖的土壤表面积(m2);$\Delta $c/$\Delta $t为N2O的排放速率;T为采集气体时采气箱内的平均温度(℃)。

      N2O排放强度:指形成单位经济产量N2O排放量,即N2O排放总量与作物产量的比值。N2O排放系数:指施肥处理N2O排放总量与对照不施肥N2O排放总量之差与肥料投入量的比值。N2O(菠萝)累计排放量Ec(kg·hm−2)计算公式:

      $$Ec = \sum\limits_{i = 1}^n {\bigg(\frac{{F_i + F_{i + 1}}}{2}} \bigg) \times (t_{i + 1} - t_i) \times 24,$$

      式中,n为生长期间观测次数;FiFi+1为第i次和第i+1次采气时,N2O的排放通量(μg·m−2·h−1);ti+1ti表示第i+1次和第i次采样的时间间隔(d)。

    • 采用Microsoft Excel 2016进行数据整理,利用SPSS 20.0软件进行不同处理间的差异显著性检验(ANOVA程序单因素方差分析,5%显著水平)及N2O排放通量和各影响因素间的相关性和偏相关关系采用Duncan多重比较方法进行分析;用OriginPro9.1软件绘图。

    • 图1可知,在菠萝生育期内降水分散且不均匀,7~8月降雨量较大且较频繁。从图2可知,土壤含水量总体随降水的变化而变化。生长期间各处理平均土壤含水量表现为CK>INF+M+S>INF+M>INF>NPK,除NPK处理显著低于CK,其余处理相比CK和NPK处理无显著性差异。由图3可知,整个菠萝生育期各处理3 cm和7 cm土层温度变化规律一致,整体呈现先上升后下降的趋势,3 cm和7 cm土壤温度均表现5月最高,12月最低。3 cm土壤温度和7 cm土壤温度总体表现分别为CK>INF>INF+M>NPK>INF+M+S和CK>INF+M>INF>INF+M+S>NPK,但各处理间温度均没有显著性差异。

      图  2  不同处理下0~20 cm土层土壤含水量的动态变化

      Figure 2.  The dynamic change of soil water content in 0−20 cm soil layer under different treatments

      图  3  不同处理土壤温度的动态变化

      Figure 3.  The dynamic change of soil temperature under different treatments

    • 图4可知,在整个生育期内,各处理硝态氮、铵态氮含量表现出相似的变化规律,均出现4次高峰,并且都发生在施肥后,其他时间保持较小范围内。所有处理的土壤硝态氮含量介于0.36~82.83 mg·kg−1之间,在菠萝生长的中期,NPK处理土壤硝态氮含量显著高于其他施肥处理,CK处理最低;而在菠萝生长后期,NPK处理则表现出低于其他施肥处理或没有显著性差异。从整个菠萝生育期的平均硝态氮含量来看,NPK、INF、INF+M和INF+M+S处理分别为33.5,24.73,17.68和29.16 mg·kg−1,且INF+M显著低于NPK。同样,所有处理的土壤铵态氮含量介于1.66~60.86 mg·kg−1之间,在菠萝生长的中期,NPK处理铵态氮含量也显著高于其他施肥处理;而在菠萝生长后期,NPK处理低于其他施肥处理或没有显著性差异。整个菠萝生育期铵态氮的平均含量依次为NPK>INF+M+S>INF>INF+M,且在菠萝生育中期铵态氮的平均含量表现为INF和INF+M显著低于NPK。

      图  4  不同处理土壤硝态氮和铵态氮含量的动态变化

      Figure 4.  The dynamic change of soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen contents under different treatments

    • 图5可知,在整个生育期内,各施肥处理菠萝田土壤N2O排放通量表现出相似的变化规律,出现6次N2O排放高峰,并且都发生在施肥后,其他时间保持较小的排放通量。在整个菠萝生育期间N2O的排放通量变化范围为1.2~85.6 μg·m−2·h−1,其中以NPK处理最高,达85.56 μg·m−2·h−1;其次为INF和INF+M处理,其与NPK处理无显著差异;INF+M+S处理低于其他施肥处理,且显著低于NPK处理。

      图  5  不同处理土壤N2O排放通量的动态变化

      Figure 5.  The dynamic change of N2O emission flux under different treatments Arrow represents the date of fertilization.

    • 图6所示,各处理N2O累积排放量高低顺序为:NPK>INF>INF+M>INF+M+S>CK,从大到小分别为3.37,2.68,2.15,1.84,0.78 kg·hm−2,且各处理间差异显著,其中NPK处理N2O累积排放量最高。INF+M+S、INF+M和INF处理相比NPK处理N2O累积排放量分别显著减少了45.40%,36.20%和20.47%。NPK、INF、INF+M、INF+M+S各处理5个时间段N2O累积排放量大小依次为:2018年1月至2018年3月>2018年4月至2018年6月>2018年7月至2018年9月>2018年10月至2018年12月>2019年1年至2019年3月。NPK和INF+M+S处理N2O累积排放量在不同月份段间具有一致的变化规律,其中,NPK和INF+M+S处理在2018年1月至2018年3月时间段的N2O累积排放量显著高于其他时间段,而NPK和INF+M+S处理在2018年7至2018年9月、2018年10月至2018年12月时间段的N2O累积排放量无显著差异,但NPK和INF+M+S处理在2018年7月至2018年9月和2018年10月至2018年12月时间段的N2O累积排放量均显著高于2019年1月至2019年3月时间段的N2O累积排放量。

      图  6  不同处理土壤N2O累积排放量的动态变化

      Figure 6.  The dynamic change of accumulative soil N2O emissions under different treatments

    • 从菠萝产量看(表2),INF+M+S、INF+M和INF较NPK分别增产16.77%,6.66%和6.53%,且INF+M+S处理与NPK间达到显著水平。在整个菠萝生育期间,各处理的N2O平均通量大小依次为NPK>INF>INF+M>INF+M+S>CK,且差异显著;其中,INF+M+S、INF+M和INF处理N2O平均通量与NPK相比分别显著减少了46.06%,37.15%和20.98%。同样,INF+M+S排放强度最小,显著小于NPK和INF处理,与INF+M和CK处理相比没有显著差异。IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change, 2006)把同时期内由于施用氮肥,引起的N2O−N排放量占总施氮量的百分比定义为N2O排放系数,并建议N2O−N排放系数为1%。排放系数是评价不同管理措施减排效果的参考指标。由表3可知,菠萝整个生育期内N2O排放系数次序为INF>NPK>INF+M>INF+M+S,且INF+M+S显著小于其他处理,这也表明在INF+M+S处理下N2O排放量最少,减排效果最佳。

      表 2  不同处理作物产量、N2O排放强度和排放系数

      Table 2.  Nitrous oxide emission factor and emission intensity and pineapple yield under different treatments

      处理
      Treatment
      产量/(t·hm−2
      Yield
      增产/%
      Increase rate
      平均通量/(μg·m−2·h−1
      Mean annual flux
      排放强度/(t·kg−1)
      Emission intensity
      排放系数/%
      Emission factor
      CK 42.12±6.60c - 7.76±0.18e 0.02±0d -
      NPK 77.16±6.36b 83.19 34.13±1.30a 0.04±0a 0.32b
      INF 82.20±8.29ab 95.16 26.97±1.25b 0.03±0b 0.40a
      INF+M 82.30±4.90ab 95.39 21.45±0.72c 0.03±0c 0.29b
      INF+M+S 90.10±3.10a 113.91 18.41±0.51d 0.02±0cd 0.22c
        注:同列不同小写字母表示不同施肥处理间差异显著(P<0.05)。
        Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference between fertilization treatments at 0.05 level.

      表 3  N2O通量与各影响因子的Pearson相关系数

      Table 3.  Pearson correlation coefficients between N2O flux and the impact factors

      处理 Treatment3 cm土温/℃
      3 cm soil temperature
      7 cm土温/℃
      7 cm soil temperature
      土壤含水量/%
      Soil water content
      铵态氮/
      Ammonium N
      硝态氮/(mg·kg−1
      Nitrate N
      CK 0.323ns 0.322ns 0.315ns 0.376ns 0.288ns
      NPK 0.462ns 0.582* 0.416ns 0.794** 0.806**
      INF 0.532* 0.565* 0.237ns 0.775** 0.701**
      INF+M 0.399ns 0.450ns 0.323ns 0.630** 0.591**
      INF+M+S 0.425ns 0.445ns 0.137ns 0.780** 0.501*
        注:ns 表示P>0.05,* 表示P <0.05,**表示 P <0.01,下同。
        Note: ns: P >0.05; *: P <0.05; **: P <0.01. Similarly hereinafter.
    • 表3可知,NPK、INF、INF+M和INF+M+S处理土壤N2O通量与土壤铵态氮和硝态氮均呈显著正相关(P<0.05)。仅INF处理N2O通量与3 cm和7 cm土壤温度均呈显著正相关(P<0.05)。各处理N2O通量与土壤含水量没有显著性差异。可见土壤铵态氮和硝态氮含量是影响菠萝田N2O排放的主要因素。

      众多环境因素影响农田N2O的排放,为了消除各影响因子间的相互作用,在不考虑施肥处理影响的前提下,对菠萝田土壤N2O通量与3,7 cm土壤温度、土壤含水量、铵态氮含量、硝态氮含量进行偏相关性分析。如表4所示,将3 cm土壤温度设为控制变量后,N2O通量与7 cm土壤温度呈显著正相关(R=0.293),而将7 cm土壤温度设为控制变量后,N2O通量与3 cm土壤温度无显著性差异。将土壤含水量设为控制变量后N2O通量与3 cm土壤温度和7 cm土壤温度均呈显著正相关,而将铵态氮和硝态氮分别设为控制变量后N2O通量与3 cm土壤温度7 cm土壤温度均无显著性差异。当3 cm土壤温度、7 cm土壤温度、铵态氮含量、硝态氮含量分别设为控制变量后,N2O通量与土壤含水量均无显著性差异。当3 cm土壤温度7 cm土壤温度和土壤含水量分别设为控制变量后,N2O通量与铵态氮含量和硝态氮含量均呈极显著正相关。偏相关分析结果显示,3,7 cm土壤温度也是影响土壤N2O排放的环境因素,而土壤含水量对其影响不大。排除土壤温度和土壤含水量的影响后,N2O排放通量与土壤铵态氮和硝态氮含量均呈极显著正相关,可见硝态氮和铵态氮作为N2O底物来源是影响N2O排放的主要因素。

      表 4  N2O通量与各影响因子的偏相关分析

      Table 4.  Partial correlation analysis between N2O flux and the impact factors

      控制变量
      Control
      variable
      变量
      Variable
      3 cm土温/℃
      3 cm soil
      temperature
      7 cm土温/℃
      7 cm soil
      temperature
      土壤含水量/%
      Soil water
      content
      铵态氮/(mg·kg−1
      Ammonium N
      硝态氮/(mg·kg−1
      Nitrate N
      3 cm土温 N2O通量 0.293** 0.124ns 0.707** 0.640**
      7 cm土温 0.402** 0.226* 0.399**
      土壤含水量 0.016ns 0.202ns
      铵态氮 0.635**
      7 cm土温 N2O通量 −0.217ns 0.091ns 0.690** 0.620**
      3 cm土温 −0.391* −0.098ns −0.288**
      土壤含水量 −0.039ns 0.156ns
      铵态氮 0.609**
      土壤含水量 N2O通量 0.343** 0.384** 0.748** 0.686**
      3 cm土温 0.982** 0.523** 0.494**
      7 cm土温 0.552ns 0.543**
      铵态氮 0.736**
      铵态氮 N2O通量 −0.083ns −0.034ns 0.159ns 0.327**
      3 cm土温 0.971** 0.013ns 0.186ns
      7 cm土温 0.110ns 0.260*
      土壤含水量 0.246*
      硝态氮 N2O通量 0.007ns 0.019ns −0.007ns 0.488**
      3 cm土温 0.974** −0.078ns 0.279**
      7 cm土温 0.004ns 0.264*
      土壤含水量 −0.164ns
    • 在农田生态系统中N2O的产生和排放过程极其复杂。本研究发现,与常规施肥相比,减少氮肥施用显著降低菠萝地N2O排放。DONG等[15]的研究也表明,氮肥减量施用不仅能提高氮肥利用效率,而且可以减少N2O的排放,且BORDOLOI等[16]也有相似的结果,这主要是因为少施氮肥就减少了土壤中硝化与反硝化作用的反应底物浓度,进而减少N2O的产生与排放[17]。不同类型肥料配施也可以影响农田N2O的排放。本研究结果表明,无机肥+有机肥(羊粪)配施(INF+M)处理与常规施肥处理相比显著降低N2O累积排放量和N2O排放强度,这与郝耀旭等[18]和杨丹等[19]的研究结果相同,他们也发现有机氮替代部分无机氮后,可以减少土壤N2O排放。这可能一方面因为无机氮肥减少使土壤中N素缺乏导致作物和土壤微生物对N素的竞争,进而N素利用比较充分,抑制了N2O排放[20],另一方面由于有机质分解过程中消耗土壤中的氧气,抑制了土壤N2O的产生[21]。而李平等[22]和王聪等[23]的研究发现,氮肥配施有机肥能提高土壤N2O的排放,主要是因为碳氮比“升高”,碳源“过剩”,N素的含量超过作物和土壤微生物的需求,多余的N可能通过硝化和反硝化形成N2O排放出去[20]。这也表明无机肥与有机肥配施对土壤N2O排放的影响需要进一步研究。

      缓释肥因其肥效长,能降低农田肥料的损失而被逐渐应用于农田生产[24]。本研究中发现,无机肥+有机肥+缓控肥配施(INF+M+S)处理与其他施肥处理相比显著降低N2O累积排放量和N2O排放强度,且相比无机肥+有机肥处理N2O排放降低了16.67%,这与田伟等[8]、ZHANG等[11]和方畅宇等[21]的研究结果一致,这主要由于缓控释肥通过减缓氮素释放,有利于植物长效吸收,减少氮素损失,进而减少农田土壤N2O的排放[25]。这也表明缓控释肥在改善农田环境方面有重要的意义。

    • 施肥通过改变土壤理化性质(土壤温度、土壤含水量、硝态氮和铵态氮含量)和生物因子[26],影响土壤微生物的活性,从而对硝化、反硝化作用以及N2O排放产生影响[27]。土壤温度影响微生物代谢活动强度,并通过影响硝化和反硝化作用的反应速率来影响N2O的排放,一般情况下,土壤N2O的产生随土壤温度升高而增加[28]。本研究中,只有INF处理与土壤温度呈显著正相关,其他处理土壤温度与N2O排放无显著相关性,这与徐文彬等[29]的研究结果一致。在本研究偏相关分析中,在控制土壤含水量的前提下N2O通量与3,7 cm土壤温度均呈显著正相关,这与前人的研究结果一致[30]。可能是由于土壤中存在的其他强烈影响N2O产生的因子(气候、降雨和施肥等)时,温度的影响则会被掩盖。土壤含水量通过影响土壤的通气状况,进一步影响土壤中氧气含量使得土壤硝化和反硝化过程发生变化,影响N2O的产生与排放。有研究发现,N2O的排放与土壤含水量呈正相关关系,但并不总是显著;在最大持水量以下,N2O产生以硝化作用为主[31];LIN等[26]研究也发现,在施肥量较多的稻田和果园中土壤含水量与N2O排放没有显著的相关关系。本研究也有相似的结果,土壤含水量较低,N2O的排放与土壤含水量也呈现出正相关关系,但并不显著,这可能是由于菠萝农田土壤为燥红土,保水能力较差,使得土壤含水量一直维持在相对较低的水平。土壤中铵态氮、硝态氮作为硝化和反硝化作用最直接的底物,是限制N2O产生的根本原因。本研究结果表明,N2O排放通量与硝态氮以及铵态氮含量呈显著正相关,这与陈哲等[32]研究结果一致。此外,偏相关分析中,在分别控制3 cm土壤温度、7 cm土壤温度和土壤含水量的前提下,N2O排放通量与硝态氮和铵态氮含量仍呈显著正相关。这可能由于铵态氮和硝态氮含量越高,N素被转化为N2O的量增加,进而造成土壤N2O排放量越多[33]。本研究中,INF、INF+M和INF+M+S处理的硝态氮与铵态氮含量较NPK处理显著降低,进而减少了N2O生成与排放。

    • 有机无机配施处理不仅提高作物产量,还能获得较高的生态环境效益[34]。在等氮施用条件下,有机肥替代部分化肥能够提高作物产量[35],张婧等[36]研究结果表明,缓控释肥施用也能提高作物产量;田伟等[8]发现,优化施肥配合羊粪有机肥和缓控释肥施用替代化肥能提高水稻产量。本研究也得到相似的结果,且无机肥+有机肥+缓控肥配施(INF+M+S)处理与常规施肥(NPK)相比显著提高了菠萝产量,这可能是由于缓控释肥分解较慢,肥效长,且不容易淋失,有利于菠萝根系吸收,可以提高肥料的利用效率[37],并且有机肥更能够改良土壤,使养分释放较慢。3种优化配方施肥模式相比,无机肥+有机肥+缓控肥配施(INF+M+S)处理增产减排效果最显著。一方面该处理降低了氮素的投入,且无机肥+有机肥+缓控肥配施(INF+M+S)处理改善了土壤理化性质,减少土壤中无效硝态氮与铵态氮损失,促进菠萝对氮素的吸收,提高了肥料利用效率,进而减少了N2O排放;另一方面,菠萝生长周期长,有机肥和缓控肥分解释放的氮素能够及时补充其后期生长所需,因此,无机肥+有机肥+缓控肥配施增产效果最显著。减量单施化肥(INF)、无机肥+有机肥配施(INF+M)和无机肥+有机肥+缓控肥配施(INF+M+S)处理均可以显著降低N2O排放量和提高菠萝产量。土壤硝态氮和铵态氮是影响N2O排放的重要因素,其与N2O排放通量呈现显著正相关。INF+M+S处理下菠萝产量最高,N2O排放最低,可以作为热带地区增产减排菠萝的施肥模式。

参考文献 (37)

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