-
氧化亚氮(N2O)是主要的温室气体之一,会破坏臭氧层。RAVISHANGDARA A R等的研究结果[1]表明,N2O是破坏臭氧层的最重要因子,并且被认为是21世纪最大的影响因子。在100年尺度下氧化亚氮(N2O)的全球变暖潜势比CO2的全球变暖潜势高298倍;N2O被认为是一种关键的温室气体[2]。研究结果表明,每年有1.3×107 t氮以N2O的形式释放到大气当中,其中直接从农田生态系统中释放的N2O大约占了50%[3]。中国蔬菜生产中施用了大量的氮肥(388~3656 kg·hm−2)[4],约占世界蔬菜总产量的51%。我国蔬菜种植产业迅速发展,种植面积由1980年的316万hm2(占农作物总播种面积的2.2%)发展到2019年的2086万hm2(占农作物总播种面积的12.5%)[5]。我国2019年的农田氮肥总用量(不包含复合肥)已达1930万 t[4],而菜地的氮肥施用量和复种指数远高于一般农田。通常,一季蔬菜的氮肥施用量高达300~700 kg·hm−2[6],远超过常规施肥量,造成氮肥利用率严重下降,引起N2O排放增加,甚至减产、土壤酸化等一系列负面影响[7-9]。氮肥合理优化施用,是实现集约化蔬菜生产可持续发展的重要措施。不同形态氮肥对N2O排放的影响不同,研究所得结果也并不完全一致。TIERLING等[10]研究结果表明,在沙壤土中施用铵态氮肥的N2O排放量显著高于施用硝态氮肥;PENG Q等[11]在半干旱温带草原上的研究结果发现,施用铵态氮肥产生的N2O高于硝态氮肥;还有研究结果表明,与硝态氮肥相比,铵态氮肥减少雷竹土中的N2O排放[12]。在菜地土壤中,施铵态氮的N2O排放通量与总量略低于施硝态氮处理的[13]。近年来,利用硝化抑制剂调控氮素循环的研究有很多。双氰胺(DCD)由于效果好、成本低、对环境的危害小等优点在农业中被 广泛应用,是目前研究施用最广泛的硝化抑制剂。它通过抑制硝化过程中的氨氧化微生物或者相关酶的活性,来有效延缓铵态氮(NH4+-N)转换成硝态氮(NO3−-N)的氧化过程,保持土壤长时间NH4+-N的高含量,有效缓解NO3−-N累积,进而减少土壤中N2O的排放。有研究表明,硝化抑制剂可显著降低菜田N2O气体排放[14]。前人研究[10-13]表明,在相同的施氮量下,硝态氮与铵态氮对土壤N2O排放量的研究结果存在分歧。在我国热带地区的菜地中,运用硝化抑制剂减少氮源气体排放,特别是不同形态氮肥对N2O排放影响的报道较少,因此,为了减少N2O排放对不同氮肥添加的反应的不确定性,有必要继续在不同的生态系统中进行实地试验,研究NH4+、NO3−的施用菜地后的N2O排放特征,更好地了解氮肥在特定条件下对N2O排放的影响。这将有助于制定适当的应对措施,以减少热带菜地系统中的N2O排放。本试验以热带地区种植辣椒为研究对象,整个生育期监测施用不同形态氮以及施用硝化抑制剂DCD对菜地N2O排放和辣椒产量的影响,以期为我国集约化菜地高产减排提供理论依据。
-
由图1可知,在整个辣椒生长季,各处理的N2O排放通量变化趋势基本一致,所有处理都在追肥后出现N2O排放通量最大峰值,然后快速下降,之后各处理N2O排放通量均保持在较低水平,菜地N2O排放通量变化范围为1.51~80.53 μg·m−2·h−1,NH4处理土壤 N2O 排放通量始终高于NO3处理,NH4处理 N2O 排放最大峰值达80.53 μg·m−2·h−1,NO3处理 N2O最大峰值同比NH4处理降低了21.2%。
在添加DCD后, NH4与 NO3 处理于1月22日出现 1个 N2O 排放峰,NH4++D处理排放峰值为 34.06 μg·m−2·h−1,较NH4处理排放峰值降低57.71%,NO3+D较NO3处理降低54.34%;NH4与NO3处理在配施 DCD 的前提下土壤 N2O 排放通量均显著降低。DCD的添加可有效降低NH4(铵态氮) 、NO3 (硝态氮) 2种施肥模式下土壤 N2O 排放通量。
-
由表1可知,与只添加氮肥的处理相比,NH4处理和NO3处理配施DCD均显著降低了N2O累计排放量(P<0.05),降幅分别为59 %和49 %,而NH4+D处理和NO3+D处理对N2O累计排放量的影响差异不显著。NH4处理和NO3处理施用DCD后则N2O累计排放量显著减少2.44、1.46 kg·hm−2(P<0.05)相当于减少了59.37%、48.99%的土壤N2O排放量。NH4处理和NO3处理的辣椒产量分别为18.06、11.41 t·hm−2,较NO3处理差异显著,提高了58.28%。由图2可知,施用DCD后,NH4+D处理和NO3+D处理产量差异均不显著。此外,NH4+D处理的N2O排放量显著低于NH4处理,NO3+D处理显著低于NO3处理(P<0.05)。单位产量N2O排放量为0.11~0.23 kg·t−1。与NH4和NO3处理相比,NH4+D和NO3+D处理单位产量N2O排放量均显著降低(P<0.05)。NH4与NO3处理之间无显著差异(P<0.05)。
表 1 不同处理的N2O排放指标
处理 N2O累积排放量
/(kg·hm−2)产量/(t·hm−2) 单位产量N2O排放量/( kg· t−1) DCD减排量/% NH4 4.11±0.20 a 18.06±2.03 a 0.23±0.03 a NH4+D 1.67±0.27 c 16.35±1.71 ab 0.11±0.03 b 59.37 NO3 2.98±0.17 b 11.41±1.00 c 0.26±0.02 a NO3+D 1.52±0.01 c 11.98±2.14 bc 0.13±0.01 b 48.99 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)。 -
从表2可知,在施氮时添加硝化抑制剂可以提高土壤微生物生物量碳、氮含量。与不添加DCD的处理相比,NH4 与NO3处理土壤微生物生物量碳含量分别提高了32.65%、27.98%,土壤微生物生物量氮含量分别提高了18.64%、15.52%;不同形态氮肥对土壤有机碳含量有显著影响,NO3、NO3+D处理的有机碳含量均显著高于NH4、NH4+D,增幅为16.39%、9.97%,硝化抑制剂DCD对NH4处理的土壤有机碳含量有显著影响,提高9.1%;配施DCD后土壤pH值有升高的趋势,NH4处理间差异显著,但NO3处理间的差异不显著;两种施肥模式下,添加DCD处理均增加了土壤NH4+-N含量以及全氮含量,NH4处理差异显著,分别增加34.5%、20.0%。由图3可知,N2O累积排放量与土壤微生物量碳、氮呈正相关,且微生物量碳达到极显著水平,与土壤pH值和土壤有机碳呈负相关,达到显著水平。
表 2 不同处理土壤理化性质
处理 微生物量碳 /(mg·kg−1) 微生物量氮 /(mg·kg−1) 有机碳 /(g·kg−1) 全氮 /(g·kg−1) pH 铵态氮 /(mg·kg−1) NH4 229.6±15.2 bc 11.91±0.80 ab 7.26±0.04 c 0.85±0.03 b 6.66±0.04 b 9.93±0.4 b NH4+D 313.9±17.6 a 14.13±0.93 a 7.92±0.08 b 1.02±0.03 a 6.88±0.06 a 13.36±0.67 a NO3 220.6±10.2 c 10.76±0.23 b 8.45±0.13 a 0.81±0.05 b 6.69±0.03 b 4.29±0.31 c NO3+D 282.3±20.1 ab 12.43±0.81 ab 8.71±0.24 a 0.9±0.08 ab 6.84±0.08 ab 5.27±0.11 c 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)。
Effects of nitrogen fertilizer combined with nitrification inhibitor on nitrous oxide emissions from tropical vegetable Fields
-
摘要: 以热带地区种植辣椒为研究对象,采用静态箱–气相色谱法,监测施用不同形态氮以及硝化抑制剂双氰胺(DCD)对菜地N2O排放和辣椒产量的影响。结果表明,菜地N2O排放通量变化范围为1.51~80.53 μg·m−2·h−1,铵态氮肥(NH4)处理土壤N2O排放通量显著高于硝态氮肥(NO3)处理,NH4处理N2O排放最大峰值达80.53 μg·m−2·h−1,NO3处理N2O最大峰值同比NH4处理降低了21.2%。与氮肥处理相比,配施DCD均显著降低了N2O累计排放量(P<0.05),分别降低为59%和49%,而铵态氮肥+双氰胺(NH4+D)处理和硝态氮肥+双氰胺(NO3+D)处理对N2O累计排放量差异不显著。NH4处理和NO3处理的辣椒产量分别为18.06和11.41 t·hm−2,与NO3处理差异显著,提高了58.28%。施用DCD后,NH4+D处理和NO3+D处理产量差异均不显著。施用铵态氮肥配施DCD,在保证产量的前提下,显著降低了菜地的N2O排放,缓解了土壤的酸化问题。Abstract: Chili peppers were applied with nitrogen fertilizer combined with nitrification inhibitors to analyze nitrous oxide (N2O) emissions from chili pepper fields in Hainan, the tropical area in China, by static box-gas chromatography method. The results showed that the variation of N2O emission flux from the chili pepper fields ranged from 1.51 to 80.53 μg·m−2·h−1. The soil N2O emission flux was higher in the NH4 treatment than in the NO3 treatment. The maximum peak value of N2O emission in the NH4 treatment was 80.53 μg·m−1 m−2·h−1, and the Compared with the single treatment with nitrogen fertilizer, both the NH4 and the NO3 combined with dicyandiamide (DCD) treatment significantly reduced the cumulative N2O emissions by 59% and 49%, respectively, and their effects on the cumulative N2O emissions were not significantly different. The chili pepper in the NH4 treatment and the NO3 treatment yielded 18.06 and 11.41 tons/ha, respectively, with the yield in the former treatment increasing by 58.28%, indicating a significant difference in yield between the two treatments. After applying with DCD, there was no significant difference of peper yield between the NH4+DCD and the NO3+DCD treatments. Together, these results indicated that the application of ammonium nitrogen fertilizer combined with DCD can significantly reduce N2O emissions from the vegetable fields while maintaining high peper yield.
-
Key words:
- nitrous oxide /
- nitrification inhibitor /
- vegetable field /
- nitrogen fertilizer form
-
表 1 不同处理的N2O排放指标
处理 N2O累积排放量
/(kg·hm−2)产量/(t·hm−2) 单位产量N2O排放量/( kg· t−1) DCD减排量/% NH4 4.11±0.20 a 18.06±2.03 a 0.23±0.03 a NH4+D 1.67±0.27 c 16.35±1.71 ab 0.11±0.03 b 59.37 NO3 2.98±0.17 b 11.41±1.00 c 0.26±0.02 a NO3+D 1.52±0.01 c 11.98±2.14 bc 0.13±0.01 b 48.99 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)。 表 2 不同处理土壤理化性质
处理 微生物量碳 /(mg·kg−1) 微生物量氮 /(mg·kg−1) 有机碳 /(g·kg−1) 全氮 /(g·kg−1) pH 铵态氮 /(mg·kg−1) NH4 229.6±15.2 bc 11.91±0.80 ab 7.26±0.04 c 0.85±0.03 b 6.66±0.04 b 9.93±0.4 b NH4+D 313.9±17.6 a 14.13±0.93 a 7.92±0.08 b 1.02±0.03 a 6.88±0.06 a 13.36±0.67 a NO3 220.6±10.2 c 10.76±0.23 b 8.45±0.13 a 0.81±0.05 b 6.69±0.03 b 4.29±0.31 c NO3+D 282.3±20.1 ab 12.43±0.81 ab 8.71±0.24 a 0.9±0.08 ab 6.84±0.08 ab 5.27±0.11 c 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)。 -
[1] RAVISHANGDARA A R, DANIEL J S, PORTMANN R W. Nitrous oxide(N2O): The dominant ozone-depleting substance emitted in the 21st Century [J]. Science, 2009, 326(5949): 123 − 125. doi: 10.1126/science.1176985 [2] IPCC. Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing[M]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, Cambridge University Press, 2007. [3] XU X, TIAN H, HUI D. Convergence in the relationship of CO2 and N2O exchanges between soil and atmosphere within terrestrial ecosystems [J]. Global Change Biology, 2008, 14(7): 1651 − 1660. doi: 10.1111/j.1365-2486.2008.01595.x [4] 武良, 张卫峰, 陈新平, 等. 中国农田氮肥投入和生产效率[J]. 中国土壤与肥料, 2016(4): 76 − 83. doi: 10.11838/sfsc.20160413 [5] 中华人民共和国统计局. 中国统计年鉴[M]. 北京: 中国统计出版社, 2020. [6] LI D J, WANG X M. Nitric oxide emission from a typical vegetable field in the Pearl River Delta, China [J]. Atmospheric Environment, 2007, 41(40): 9498 − 9505. doi: 10.1016/j.atmosenv.2007.08.042 [7] 曹兵, 徐秋明, 李亚星, 等. 不同控释肥品种对大白菜产量、氮素吸收和品质的影响[J]. 华北农学报, 2006, 21(3): 41 − 45. doi: 10.3321/j.issn:1000-7091.2006.03.011 [8] WANG J Y, XIONG Z Q, YANG X Y. Fertilizer-induced emission factors and background emissions of N2O from vegetable fields in China [J]. Atmospheric Environment, 2011, 45(38): 6923 − 6929. doi: 10.1016/j.atmosenv.2011.09.045 [9] LI B, BI Z C, XIONG Z Q. Dynamic responses of nitrous oxide emission and nitrogen use efficiency to nitrogen and biochar amendment in an intensified vegetable field in southeastern China [J]. Global Change Biology Bioenergy, 2017, 9(2): 400 − 413. doi: 10.1111/gcbb.12356 [10] TIERLING J, KUHLMANN H. Emissions of nitrous oxide (N2O) affected by pH-related nitrite accumulation during nitrification of N fertilizers [J]. Geoderma, 2018, 310(15): 12 − 21. [11] PENG Q, QI Y, DONG Y, et al. Soil nitrous oxide emissions from a typical semiarid temperate steppe in inner Mongolia: effects of mineral nitrogen fertilizer levels and forms [J]. Plant and Soil, 2011, 342(1-2): 345 − 357. doi: 10.1007/s11104-010-0699-1 [12] ZHOU R, EL-NAGGAR A, LI Y, et al. Converting rice husk to biochar reduces bamboo soil N2O emissions under different forms and rates of nitrogen additions [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2021, 28,(22): 28777 − 28788. doi: 10.1007/s11356-021-12744-w [13] 王荣辉, 艾绍英, 李盟军, 等. 氮肥形态对菜地土壤N2O排放与小白菜产量的影响[J]. 广东农业科学, 2015, 42(20): 4. doi: 10.3969/j.issn.1004-874X.2015.20.002 [14] 陈浩, 李博, 熊正琴. 减氮及硝化抑制剂对菜地氧化亚氮排放的影响[J]. 土壤学报, 2017, 54(4): 938 − 947. [15] 胡玉麟, 汤水荣, 陶凯, 等. 优化施肥模式对我国热带地区水稻-豇豆轮作系统N2O和CH4排放的影响[J]. 环境科学, 2019, 40(11): 5182 − 5190. [16] RASHTI M R, WANG W, MOODY P W, et al. Fertilizer-induced nitrous oxide emissions from vegetable production in the world and the regulating factors: A review [J]. Atmospheric Environment, 2015, 112(7): 225 − 233. [17] DIAO T T, XIE L Y, GUO L P, et al. Measurements of N2O emissions from different vegetable fields on the North China Plain [J]. Atmospheric Environment, 2013, 72(6): 70 − 76. [18] 王磊, 程淑兰, 方华军, 等. 外源性 NH4+ 和 NO3− 输入对亚热带人工林土壤N2O排放的影响[J]. 土壤学报, 2016, 53(3): 724 − 734. [19] LEBENDER U, SENBAYRAM M, LAMMEL J, et al. Effect of mineral nitrogen fertilizer forms on N2O emissions from arable soils in winter wheat production [J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2014, 177(5): 722 − 732. doi: 10.1002/jpln.201300292 [20] 谭立山. 农业土壤N2O产生途径及其影响因素研究进展[J]. 亚热带农业研究, 2017, 13(3): 196 − 204. [21] 姜宁宁, 李玉娥, 华珞, 等. 不同氮源及秸秆添加对菜地土壤N2O排放影响[J]. 土壤通报, 2012, 43(1): 5. [22] 姚凡云, 刘志铭, 曹玉军, 等. 不同类型氮肥对东北春玉米土壤N2O和CO2昼夜排放的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(17): 3680 − 3690. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.17.010 [23] 李宝石, 刘文科, 王奇, 等. 根区施用硝化抑制剂DMPP对不同栽培方式下黄瓜产量及根区温室气体排放的影响[J]. 中国农业科技导报, 2021, 23(9): 9. [24] 吴承杰, 任兰天, 郝冰, 等. 秸秆堆肥部分替代化肥配施硝化抑制剂对冬小麦温室气体排放的影响[J]. 浙江农业学报, 2020, 32(7): 8. [25] HUANG Y, LI Y, YAO H. Nitrate enhances N2O emission more than ammonium in a highly acidic soil [J]. Journal of Soils & Sediments Protection Risk Assessment & Rem, 2014, 14(1): 146 − 154. [26] ASING J, SAGGAR S, SINGH J, et al. Assessment of nitrogen losses from urea and an organic manure with and without nitrification inhibitor, dicyandiamide, applied to lettuce under glasshouse conditions [J]. Australian Journal of Soil Research, 2008, 46(6/7): 535 − 541. [27] JU X T, LU X, GAO Z L, et al. Processes and factors controlling N2O production in an intensively managed low carbon calcareous soil under sub-humid monsoon conditions [J]. Environmental Pollution, 2011, 159(4): 1007 − 1016. doi: 10.1016/j.envpol.2010.10.040 [28] ABALOS D, JEFFERY S, SANZ-COBENA A, et al. Meta-analysis of the effect of urease and nitrification inhibitors on crop productivity and nitrogen use efficiency [J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2014, 189(1): 136 − 144. [29] 陈晨, 王春隆, 周璐瑶, 等. 施用生物炭和硝化抑制剂对菜地N2O排放和蔬菜产量的影响[J]. 南京农业大学学报, 2017, 40(2): 287 − 294. doi: 10.7685/jnau.201605002 [30] 郭娇, 刘巧, 郭艳杰, 等. 氮肥与硝化抑制剂配施对冷棚芹菜氮素吸收及产量和品质的影响[J]. 河北农业大学学报, 2020, 43(5): 8. [31] MIN J, SUN H J, KRONZUCKER H J, et al. Comprehensive assessment of the effects of nitrification inhibitor application on reactive nitrogen loss in intensive vegetable production systems [J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2021, 307(28): 107227. [32] 刘生辉, 吴萌, 胡锋, 等. 添加硝化抑制剂DMPP对红壤水稻土硝化作用及微生物群落功能多样性的影响[J]. 土壤, 2015, 47(2): 349 − 355. [33] 谢义琴, 张建峰, 姜慧敏, 等. 不同施肥措施对稻田土壤温室气体排放的影响[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(3): 578 − 584. doi: 10.11654/jaes.2015.03.022 [34] 张文学. 生化抑制剂对稻田氮素转化的影响及机理[D]. 北京: 中国农业科学院, 2014. [35] 张昊青, 赵学强, 张玲玉, 等. 石灰和双氰胺对红壤酸化和硝化作用的影响及其机制[J]. 土壤学报, 2021, 58(1): 169 − 179. [36] 刘源, 钱薇, 徐仁扣. 双氰胺对施氮肥引起的红壤酸化的抑制作用[J]. 生态与农村环境学报, 2013(1): 5. [37] ŽUROVEC O, WALL D P, BRENNAN F P, et al. Increasing soil pH reduces fertilizer derived N2O emissions in intensively managed temperate grassland [J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2021, 311(1): 107319.