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为了阐明不同肥料长期施用对华北平原农田土壤N2O排放时空变化的影响及其关键控制因子和耕作措施(免耕和常规耕作)对土壤N2O和NO排放的影响,以河南省封丘县中国科学院封丘农业生态实验站有机无机肥料定量长期施用试验田和免耕试验田为基地,田间原位跟踪测定了土壤N2O或NO排放通量以及土壤有机碳和无机氮含量,同时监测了气温、降水、土壤温度和水分含量等参数。
所研究区域土壤为发育于黄河冲积物的潮土,种植制度为冬小麦和夏玉米轮作。有机无机肥长期定位试验始于1989年,文中涉及有机肥(OM)、有机肥氮和化肥氮各半(HOM)、化肥氮磷钾(NPK)、化肥氮钾(NK)和不施肥(CK)五个处理,所有施肥处理氮肥用量相等。免耕试验始于2006年,本文研究对象为免耕和常规耕作在施氮(NTF和CTF)和不施氮(NTO和CTO)条件下的四个处理,不同耕作措施下肥料用量和种类相同。
2004至2007年间,CK、HOM、OM和NPK处理N2O三年平均排放量分别0.30、1.61、2.13和2.76kgN2O-Nha-1。在每年施加300kgNha-1的情况下,OM、NPK和HOM处理土壤的N2O排放系数分别为0.61%、0.82%和0.44%。与单独施用无机肥或有机肥相比,有机无机肥氮对半混施显著降低了土壤N2O排放。小麦季HOM和NPK处理N2O累积排放量存在显著的年际变化,玉米季和全年N2O累积排放量虽然也存在较大的年际变化,但没有达到显著水平。玉米生长季N2O排放量占N2O年排放量的65%左右。不同年份间N2O排放的差异主要归因于基肥施用后土壤水分含量的差异,基肥施用后立即灌水或降水比翻耕前灌水更能诱导土壤排放N2O。因此玉米季翻耕前灌水以及一半有机肥与一半无机肥氮配施能更加有效地降低农田土壤N2O排放。
种植作物显著影响着土壤N2O排放。2007年玉米季OM、HOM、NK和NPK处理行间+行中土壤N2O排放量变化在0.84～1.22kgNha-1之间,显著高于行间测定值0.30～0.49kgNha-1。OM、HOM、NK和NPK处理行间+行中与行间土壤N2O排放量的比值分别为3.06、1.79、2.49和1.96,与无机肥处理相比,长期施用有机肥更易导致行间+行中与行间土壤N2O排放的差异。NPK和NK处理中,基肥施用后行间+行中与行间土壤N2O排放峰值之比(1.76和3.25)要小于追肥后的比值(2.11和3.54),与基肥相比,追肥更能引起无机肥处理土壤两个测定区域间N2O排放的差异。在华北平原种植高秆作物农田上,仅在行间测定土壤N2O排放不仅低估土壤N2O的排放,而且可能在一定程度上掩盖氮肥用量对N2O排放的影响。
2010年玉米生长季NT0、CT0、NTF和CTF处理土壤N2O累积排放量波动在0.35～0.76kgNha-1之间,这一范围大于小麦季的0.18～0.47kgNha-1,相反,2009/2010年度小麦季土壤NO累积排放量(0.31～2.79kgNha-1)高于玉米季(0.09～1.09kgNha-1),表明N2O和NO排放在两个生长季间存在着消长关系。小麦和玉米季土壤N2O和NO排放差异主要是由季节性的温度/降水变化诱导的硝化和反硝化强度改变引起。与CTF相比,NTF显著增加了玉米季施肥土壤N2O的排放(0.76vs.0.50kgNha-1),但在小麦季以及全年范围内不同耕作处理间N2O排放无显著差异,不同耕作措施对NO排放始终无显著影响。在施加氮肥条件下,不论是免耕土壤还是常规耕作土壤,N2O和NO都主要由硝化作用产生,免耕增强了土壤反硝化能力,但施用氮肥在一定程度上掩盖了季节变化和耕作措施变更对土壤反硝化作用的影响。