內蒙古河套灌區鹽堿土壤N2O排放特征

楊文柱,焦 燕,楊銘德,溫慧洋

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內蒙古河套灌區鹽堿土壤N2O排放特征

楊文柱1,2,焦 燕1,3*,楊銘德1,溫慧洋1

(1.內蒙古自治區環境化學重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010022；2.內蒙古師范大學節水農業工程研究中心,內蒙古 呼和浩特 010022；3.內蒙古師范大學化學與環境科學學院,內蒙古 呼和浩特 010022)

選擇內蒙古河套灌區強度鹽堿土壤S1[電導率(EC)2.60dS/m]和輕度鹽堿土壤S2[電導率(EC) 0.74dS/m]為研究對象,2014~2016年,利用靜態箱法3年野外原位觀測試驗,研究鹽堿土壤氧化亞氮(N2O)排放通量.結果表明:2種不同鹽堿程度土壤N2O排放每年均存在顯著差異,輕度鹽堿土壤N2O累積排放量低;隨EC升高,土壤鹽堿程度加重,土壤N2O累積排放量升高.2014~2016年作物生長季(4~11月)輕度鹽堿土壤N2O累積排放量分別為180.6,167.6, 118.2mg/m2;強度鹽堿土壤N2O累積排放量比輕度鹽堿土壤分別增加19%、26%和45%,修復鹽堿土壤成為減緩鹽堿土壤N2O累積排放的重要農藝措施.

鹽堿土壤；不同鹽堿程度；N2O排放

N2O是重要的溫室氣體,100年時間尺度輻射強迫的全球變暖可能性是CO2的298倍[1].土壤能夠產生和消耗溫室氣體,對陸地生態系統溫室氣體調控起主導作用.土壤和大氣界面的溫室氣體交換受諸多環境因子影響,如土壤溫度、土壤含水量和pH值等[2-4].

鹽堿土壤是地球上廣泛分布的一種土壤類型,約占陸地總面積的25%,我國約有鹽堿土壤0.99億hm2,在世界鹽堿土壤面積排名第三,主要分布在東北、華北、西北內陸地區以及長江以北沿海地帶[5].內蒙古河套灌區鹽漬化面積約4.3×105hm2[6].內蒙古河套灌區作為中國三大灌區之一,糧食生產以高外源投入和高度集約化為特征,在提供大量商品糧油的同時,由于過分依賴化肥過量施用和大水漫灌洗鹽、排鹽而造成生態環境惡化也日益嚴重.

土壤中過量鹽含量會影響土壤物理化學特性,微生物酶活性及其和土壤碳氮過程相關微生物活動.高濃度鹽造成滲透脅迫和特定離子毒性(營養失衡)影響微生物細胞活動[7].鹽堿化也會影響土壤N2O排放.國外對鹽堿土壤影響N2O排放研究發現,N2O是土壤硝化過程和反硝化過程的中間產物,土壤鹽含量影響硝化和反硝化過程.土壤氨化過程在低鹽含量下被刺激,高鹽含量下被抑制[8].高鹽度土壤抑制硝化和反硝化作用,N2O還原酶受土壤鹽度影響,含鹽土壤中N2O易累積,鹽含量高的土壤, N2O排放量大.隨著土壤鹽度的增加,硝化反應產生的N2O將增加[9].然而,目前國內外研究鹽含量對土壤微生物活動、土壤N2O溫室氣體的影響,多集中于外源鹽加入等室內培養試驗[8-12].外源鹽加入的室內培養土壤微生物沒有充足的時間適應高鹽環境,可能區別于野外天然高鹽土壤[13].而野外原位觀測鹽堿土壤N2O排放過程和通量的研究還較少,限制了鹽堿土壤農田N2O排放總量的科學估算,阻礙了建立鹽堿土壤溫室氣體減排的技術途徑.

本研究針對內蒙古河套灌區農業耕作區鹽堿土壤,通過野外原位觀測,研究N2O排放過程、特征和強度,為降低我國農田溫室氣體排放總量估算的不確定性提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究地區概況

研究區烏拉特前旗灌域位于內蒙古河套灌區最具代表性的鹽堿土壤耕作區,該地處于我國西北黃河上中游干旱、半干旱地區,屬于中溫帶大陸性季風氣候.歷年平均日照時數為3202h,年平均氣溫3.6~7.3℃,最高和最低極端溫度分別38.9和-36.5℃,無霜期每年120d左右,年平均降水量200~260mm,年平均蒸發量1900~2300mm[14].

表1 不同鹽堿程度土壤理化特性Table 1 Physical and chemical properties of different saline-alkaline soil

注:S1強度鹽堿土壤,S2輕度鹽堿土壤.同列不同小寫字母表示研究地間差異顯著(<0.05).

選擇2種鹽堿程度土壤的農田作為研究對象,S1為強度鹽堿土壤,電導率(EC) 2.60dS/m;S2為輕度鹽堿土壤,EC 0.74dS/m,S1,S2研究地之間距離大約500m,土壤類型和坡度相同,總占地面積約5hm2,每個小區占地面積100m×100m,每個小區設置3個重復.農田每年6月耕種,10月收割,每年種植作物前采用機械犁地,土壤特性見表1.施肥種類:基肥施入磷酸二銨,追肥施入尿素.肥料施用量,向日葵種植前基肥施入總氮量100kg/hm2,追肥施入總氮量200kg/hm2.

1.2 氣樣采集與測定

2014年4月~2016年11月,利用靜態暗箱法,進行野外農田原位采集氣體.箱子長寬高0.5m×0.5m× 0.5m.每次采集時間為07:00~10:00,用連接三通的100mL注射器從采樣箱采樣口抽氣約100ml,每個氣體采集時間間隔5min (0,5,10,15,20min),每個小區采集時間20min.7~9月每10d采集1次氣體,4月,5月,6月,10月和11月每月采集2次,每個重復設置3個固定采集樣品點.氣體應用Agilent 6820氣相色譜儀(Agilent 6820D,Agilent corporation)進行測定分析.通過對每個采集箱的5個氣體N2O混合比和相對應的采集間隔時間(0,5,10,15,20min)進行直線回歸,可得到土壤N2O排放速率.根據大氣壓力、氣溫、普適氣體常數、采樣箱的有效高度和N2O分子量,得到單位面積N2O排放通量[15].

1.3 土壤采集和測定

采集氣體同時利用內徑5cm、高100cm土鉆采集土壤.每個研究小區每個重復應用 “S”形取樣法,選擇10個取土點,采集的土壤均勻混合,裝入密封袋.放入4℃冰箱,供土壤有機碳、全氮、NH4+-N、NO3--N等指標測定.土壤溫度:溫度測定儀(T-350,德國STEPS);水分:TDR水分測定儀(TDR100,美國SPectrum);土壤有機碳(SOC):重鉻酸鉀容量法測定;土壤全氮(TN):濃硫酸消煮-半微量開氏法;土壤pH值:電位計法;EC:復合電極法;土壤密度(b):環刀法;土壤質地:比重計速測法.

1.4 氣體排放通量計算方法

=× (0)/(00) × (d/d) × 1000 (1)

式中:為N2O排放通量,μg/(m2×h);為靜態暗箱高度,cm;為溫室氣體的摩爾質量,g/mol;0為標準狀態下CH4的摩爾體積,L;0和0分別為標準狀態下的大氣壓強和溫度,單位分別為Pa和℃;和分別為采樣點的實際大氣壓強和溫度,單位分別為Pa和℃;d/d為采樣時N2O氣體濃度隨時間變化的斜率,其中的單位為mg/L;的單位為 h.

1.5 數據處理和制圖

采用sigmaplot 13,OriginPro 8和excel 2010軟件,單因素方差分析(AVNOA)利用SPSS 22.0 (SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)分析N2O排放差異顯著性.

2 結果分析

2.1 不同鹽堿程度土壤N2O排放季節性變化

2014~2016年3個作物生長季,2種鹽堿程度土壤N2O排放通量季節變化趨勢基本一致,整個生長季7和8月有明顯的N2O排放峰.N2O排放通量最大值196.5μg/(m2×h)出現在2014年7月(圖1).3個生長季S1強度鹽堿土壤N2O排放通量高于S2輕度鹽堿土壤N2O排放通量.

圖1 2014~2016年2種鹽堿程度土壤N2O排放通量Fig.1 Flux of N2O emissions of two saline-alkaline soils in 2014, 2015, and 2016S1:強度鹽堿土壤;S2:輕度鹽堿土壤

2.2 2種鹽堿程度土壤N2O排放通量和土壤水分、土壤溫度變化關系

2014~2016年,2種鹽漬化程度土壤N2O排放通量季節變化規律為7~8月出現排放高峰(圖2).2種鹽堿程度土壤(S1、S2)水分、溫度季節性變化趨勢與N2O排放季節性變化規律一致.2014~2016年7~8月,S1、S22種鹽堿土壤溫度高和水分含量多,N2O排放通量大,而在4~6月以及8~11月N2O排放通量均較小.

2.3 2種鹽堿程度土壤N2O累積排放量

圖3 2014~2016年作物生長季S1和S2 2種鹽堿程度土壤N2O累積排放量Fig.3 Cumulative N2O emissions from two saline-alkaline soils during the growing seasons in 2014, 2015, and 2016S1:強度鹽堿土壤;S2:輕度鹽堿土壤

S1和S22種鹽堿土壤N2O累積排放量在3個作物生長季均呈現顯著差異,2014年(=23.4,<0.01),2015年(=71.6,<0.01),2016年(=83.4,<0.01).年際間S1和S2土壤N2O累積排放量差異均顯著(S1,=46.3,<0.01)和(S2,=45.6,<0.01).強度鹽堿土壤S1的N2O累積排放量高于輕度鹽堿土壤S2的N2O累積排放量.2014~2016年,EC低的輕度鹽堿土壤S2的N2O累積排放量分別為180.6,167.6, 118.2mg/m2;EC高的強度鹽堿土壤N2O累積排放量與輕度鹽堿土壤相比分別增加19%,26%和45%.隨著鹽堿程度加重,N2O排放量顯著升高.2種不同鹽堿程度土壤年際N2O累積排放量表現為2014年最高,2016年最低(圖3).

3 討論

3.1 不同鹽堿程度對鹽堿土壤N2O排放的影響

2種不同鹽堿程度土壤N2O排放具有明顯季節特征.7~8月作物生長旺盛季存在N2O排放峰值(圖1).7~8月,降水量和降水頻率相對較高,土壤水分、溫度季節性變化特征表現為高峰.土壤水分含量變化趨勢與N2O排放季節性變化規律一致,土壤水分含量出現峰值時,N2O也伴隨出現峰值.N2O排放通常受微生物參與硝化和反硝化作用影響,這些過程都與溫度和水分相關[16-17].土壤含水量高不僅能夠刺激土壤微生物活性,而且能夠降低土壤中O2的流動,導致反硝化作用產生[8,12].氣候和土壤非生物因子:土壤溫度和水分可以影響N2O動態變化,具有明顯季節特征[10].因此,年際間,2種不同鹽堿程度土壤溫室氣體排放存在差異性,2014年降水次數和頻率高于2015和2016年,2014年N2O排放量均高于2015和2016年.

3.2 N2O累積排放量及其綜合溫室效應

河套灌區鹽堿土壤N2O排放通量均值36.59μg/(m2×h).內蒙古荒漠草原N2O排放季節(春夏秋)平均值6.3μg/(m2×h)[18].在青藏高原高山荒漠區, N2O排放春季為0.7~1.1μg/(m2×h),夏季在1.2~1.9μg/ (m2×h)之間[19].河套灌區鹽堿土壤夏季N2O排放較高,土壤鹽堿程度(EC)高的S1土壤比S2土壤N2O排放量高(圖3).本課題組鹽堿土壤培養試驗亦證明鹽分含量顯著影響不同鹽堿程度土壤N2O排放[20].鹽含量高的土壤,N2O排放量大.鹽堿程度調控土壤硝化和反硝化作用,N2O還原酶受土壤鹽度影響,在含鹽土壤N2O易累積[9].隨著土壤鹽度增加,硝化反應產生N2O將增加.

土壤鹽漬化影響鹽堿土壤N2O源排放.根據整個生長季(4月末~10月末)通量估算,內蒙古河套灌區鹽堿土壤面積4.3×105hm2[6],S1土壤N2O溫室氣體交換估算值(3年均值)約為1.58×103t, S2土壤N2O排放約為1.24×103t.其中該農業鹽堿土壤S1生長季N2O排放量約占全國年排放量(2.15×106t)[21]的0.73%,S2占0.57%.3年平均整個生長季EC高的S1土壤N2O排放量比S2高24%.這些比值與周曉兵等[22]2017年新疆古爾班通古特沙漠土壤生長季N2O排放占全國年排放量的0.52%接近.

N2O氣體排放對全球變暖起到重要作用.以100 年為時間尺度,單位質量的N2O氣體的增溫潛勢(GWP)為CO2的298倍.2014~2016年,EC高的S1鹽堿土壤N2O排放高于EC較低的S2土壤,且存在顯著差異(圖3).可見,土壤鹽堿化程度加重將促進N2O排放,N2O排放源溫室效應加劇.從綜合效應來看,合理控鹽是減少農業鹽堿土壤溫室效應的有效措施.加強河套灌區鹽堿土壤溫室氣體占比數據精確估算還需要鹽堿土壤更多點位數據加以驗證.

4 結論

4.1 內蒙古河套灌區鹽堿土壤鹽漬化程度影響土壤N2O源排放.2種不同鹽堿程度土壤N2O排放通量表現為:S2輕度鹽堿土壤(EC 0.74dS/m)

4.2 鹽堿土壤隨電導率EC增加,鹽堿程度加重, N2O排放升高.S2土壤N2O累積排放量均值為155.5mg/m2,S1土壤N2O累積排放量均值比S2土壤增加28.0%.

4.3 從N2O排放源的溫室效應來看,電導率低的鹽堿土壤能有效的抑制溫室氣體N2O的排放,顯著地降低N2O引起的綜合溫室效應.

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N2O emissions from saline-alkaline soil with different saline-alkaline levels in the Hetao Irrigation District of Inner Mongolia, China.

YANG Wen-zhu1,2, JIAO Yan1,3*, YANG Ming-de1, WEN Hui-yang1

(1.Water-saving Agricultural Engineering Research Center, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China；2.Inner Mongolia Key Laboratory of Environmental Chemistry, Hohhot 010022, China；3.College of Chemistry and Environmental Sciences, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China)., 2019,39(3)：948~953

It were chosen for high saline-alkaline soil, S1[electrical conductivity (EC) 2.60dS/m] and low saline-alkaline soil, S2[electrical conductivity (EC) 0.74dS/m] in Hetao Irrigation District of Inner Mongolia. The static box method was used in field in-situ observation test for 3year. A 3-yr study was conducted with sunflower crops in intensively managed saline-alkaline soils cropping systems in northeastern China to examine the effects of salt and alkali on N2O emissions. Results indicated that high saline-alkaline soil significantly increased N2O emissions with obvious differences as compared with low saline-alkaline soil. The accumulative emissions of N2O during the 3-year observation period were estimated at 180.6mg/m2, 167.6mg/m2and 118.2mg/m2for the low saline-alkaline soil. Compared with low saline-alkaline soil, the high saline-alkaline soil significantly increased the accumulative emissions of N2O by 19%, 26% and 45% from 2014 to 2016, respectively. Our findings suggest that mitigating N2O emissions on saline-alkaline soil can be achieved by remediating saline-alkaline soil.

saline-alkaline soils；different saline-alkaline levels；N2O emissions

X511,S151.9,S182

A

1000-6923(2019)03-0948-06

楊文柱(1977-),男,內蒙古赤峰人,助理研究員,博士,主要從事農田面源污染和土壤碳氮循環研究.發表論文20余篇.

2018-08-22

國家自然科學基金資助項目(41565009);2016內蒙古青年創新人才計劃

*責任作者, 教授, jiaoyan@imnu.edu.cn