摘要：有机无机配施在减少化学肥料的使用和增加土壤肥力方面起到了至关重要的作用，但针对目前的研究来看，有机肥代替化肥对苹果园温室气体排放的影响尚不清楚。基于 12 年的长期定位试验，采用静态暗箱-气象色谱法监测果园温室气体(CH4 和 N2O)排放的动态变化，为准确计算苹果园的温室效应提供理论依据。试验共设置 4 个处理：对照(CK)、有机肥(M)、化肥(NPK)、有机无机配施(MNPK)。结果表明，果园年生活周期内 CH4 的通量主要以吸收为主;N2O 排放的高峰均出现在施肥后。各处理温室气体累积排放量差异显著(P < 0.05)，其中单施有机肥处理的 CH4累积吸收量最高，为 9.95 kg·hm-2;而对于 N2O 累积排放量来说，有机无机配施处理显著高于单施化肥处理。相关性分析结果显示，土壤含水量、气温及其硝铵态氮均为影响温室气体排放的因素。与单施化肥处理相比，有机无机配施可显著增加苹果产量，提高氮肥农学利用效率，增加 CH4 吸收量 、N2O 排放量和 N2O 排放系数，降低综合温室气体排放强度。有机无机配施处理与单施化肥处理下单位产量 CH4 的累积吸收量分别为-0.04 和-0.06 kg·t -1，单位产量 N2O 累积排放通量为 0.05 和 0.07 kg·t -1，但处理间差异不显著。总体来说，有机无机肥配施在保证产量的前提下更有利于苹果园的可持续发展，是黄土高原苹果园施肥管理的最佳选择之一。
关键词：有机肥;甲烷;氧化亚氮;温室气体排放强度;旱地
前言气候变暖及其影响是国际社会共同关注和广泛研究的焦点性问题。近年来，全球气温不断上升，政府间气候变化委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次评估报告[1]指出2011年全球大气中二氧化碳当量浓度为430 μmol·mol-1，若不加大减排力度，未来人为温室气体浓度将会继续升高，预计到2030年，二氧化碳当量浓度将超过450 μmol·mol-1，到本世纪末将超过750 μmol·mol-1，使全球地表平均温度比工业化前(1750年)高3.7~4.8℃。甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是目前对全球气候变化影响较大的气体，其对温室效应的贡献率分别达到了14.3%和7.9%[2-3]。在100年尺度上CH4和N2O的增温潜势分别是CO2的25倍和298倍[4]。农业向大气中排放的CH4和N2O是温室气体排放的主要来源之一，世界粮食与农业组织(FAO)权威的《2016 年粮食及农业状况》报告指出，截止到2016年，世界上农业温室气体排放达到了全球排放总量的20%[5]。我国作为农业大国，农业活动产生的温室气体排放量在我国排放总量中所占比例为6.7%，其中N2O和CH4排放分别高达59.5% 和40.2%[6]，可以看出我国以农业为源头排放的非CO2类温室气体排放量较高。因此，农用土壤中CH4 和N2O的减排对减缓气候变暖具有重要意义。我国西北地区农业用地中旱地面积占比较大，是农业N2O排放的主要区域，其N2O排放特征及影响因素更不容忽视。
在我国西北旱地农业生产中，多数地区全年无灌溉条件，年内降雨不均;由于耕作、土地利用方式和施肥不当所引起的土壤有机质含量偏低[7]，使得土壤生产力严重下降，为了提高土壤肥力和日益增长的人口对食物的需求，以肥促产现象严重[8];随着氮肥用量的增加氮氧化物的排放问题日益突出，此外，过量施氮会对旱地土壤氧化CH4 的能力产生负面影响，导致土壤对CH4的吸收量短暂降低[9]，这与可持续农业的发展理念背道而驰。有机肥因能够提高土壤固碳能力，增加土壤有机碳含量[10]，同时改善土壤理化性质、并增加作物产量而被广泛应用[11];但有研究指出，施用有机肥会增加土壤碳固的同时增加N2O的排放量[12]。 CH4排放的有关研究主要集中在稻田，在旱地中的相关研究还鲜见报道，这就表示研究旱地有机肥的施用对温室气体的减排显得尤为重要。
渭北旱塬是西北地区乃至中国的苹果主产区之一，苹果园种植面积逐年扩增[13]，在种植生产的过程中引发了一系列环境问题，这与缺乏合理的施肥管理有直接的关系。由于不同年龄阶段果树的需肥规律和需肥量差异较大，并且成龄果树施氮量高达1 100 kg·hm-2[14]，这无疑增加了氮肥的损失几率;因此，与粮食作物相比，苹果园土壤CH4和N2O的单位面积排放量较高，排放系数较大。有机无机肥配施技术作为农业可持续发展的首选，其产生的环境效益尚存分歧，有研究认为在施氮量相等的前提下，有机无机配施会显著增加N2O的排放[15];而个别研究指出，有机无机肥配施和单施化肥处理的N2O排放没有显著差异[16]。此外，在等氮量施肥条件下，当有机肥代替化肥比例大于50%可以有效降低N2O的排放强度[17]，这说明有机肥代替化学肥料施用，既能对农业废弃物进行综合利用，减少化肥用量，还能让有机废弃物变“废”为“宝”，最终全面推进农业绿色发展和可持续发展。同时，研究表明有机肥配施化肥会加速CH4的排放速率[18]，因此，有机无机肥配施对温室气体排放的影响还存在争议。目前在西北地区大部分关于温室效应的研究以旱地农田为主，国内外有关苹果园土壤温室气体排放的研究鲜见报道，对苹果园土壤CH4和N2O排放的原位观测研究更少，这限制了我们对果园土壤CH4和N2O排放特征及其影响因子的认识。为了果园的可持续发展，维持果园生态系统的平衡，研究苹果园温室气体的排放情况成为当前迫切的需要。
本研究以位于陕西省渭南市白水县的西北农林科技大学苹果试验示范站的 12 年长期定位试验果园土壤为研究对象，主要通过对渭北旱地苹果园 4 种施肥处理下年生活周期内土壤温室气体的变化特征及其影响因子进行监测，以期更全面地说明单施有机肥、有机肥代替化肥及其单施化肥三种施肥模式下的温室气体排放规律，以便在旱地苹果园合理施肥和有效减排方面有所突破，为旱地果园科学施肥提供理论依据，也将进一步为农业温室气体排放量的估算提供更充分的证据。
1 材料与方法
1.1 试验地点概况
试验地位于陕西省白水县西北农林科技大学苹果试验站，该地区平均海拔为 850 m，属于暖温带大陆性季风气候，夏季降雨较为集中，其他季节降雨量稀少，尤其在春季表现为干旱多风，年内降雨主要集中在 7、8、9 三个月，年均气温为 11.4 ℃，年均降水量 550 mm，无霜期为 207 d。供试品种名为“长富 2 号”，树龄为 15 年，株高 3 m 左右，种植密度为 2 m × 4 m。试验地土壤类型为黄墡土，土壤质地为中壤;基础地力水平下有机质含量为 13.0 g·kg-1，全氮 1.0 g·kg-1 ,硝态氮 22.7 mg·kg-1，有效磷 15.9 mg·kg-1，速效钾 151.3 mg·kg-1，pH 为 8.3，试验期间大气温度和降雨量如图 1 所示。
1.2 试验设计
本试验于 2008 年设立，共设置了四个处理：对照不施肥(CK)、单施有机肥(M)、单施化肥(NPK)、有机无机配施(MNPK)，每个处理设置 4 个重复，每个小区面积约为40 m2。有机肥秋季一次性施入，氮肥分 3 次施入(秋季 65%、坐果期 15%、膨果期 20%)，钾肥分 3 次施入(秋季 40%、坐果期 20%、膨果期 40%)，磷肥分 3 次施入(秋季 70%、坐果期 20%、膨果期 10%)。施用肥料种类为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 16%)和硫酸钾(K2O 50%)，有机肥为羊粪(有机碳 35.02 g·kg-1、全氮 6.01 g·kg-1、有效磷 P2O5 39 mg·kg-1、速效钾 K2O 41 mg·kg-1)，施肥方式基肥为开沟施入，沟深为 40 cm;追肥为穴状施肥，近 3 年施肥情况见表 1，其中单施化肥处理和有机无机配施处理为等氮量投入处理(有机肥中带入的氮替代了部分化学氮肥)，单施有机肥(M)处理的氮投入量为 68 kg·hm-2，而有机无机配施(MNPK)处理中有机肥提供的氮含量为 34 kg·hm-2。
1.3 温室气体的采集与测定
采用静态暗箱-气象色谱法[11]对气体进行监测，静态暗箱由密闭顶箱(41.5 cm × 21.5 cm × 15 cm)和底座(40 cm × 20 cm × 20 cm)两部分组成，材质为不锈钢。气体样品的采集频率为 2 周一次，采样时间设定在上午 8:00—11:30，分别在扣好箱子 0、10、20、40 min 后用注射器抽取 60 mL 气样于真空气袋中，并记录箱子内的温度(温度计读数)，带回实验室分析。
1.4 土壤样品的采集与分析
采集气体样品的同时，采集底座周围 0~20 cm 土层土壤，带回实验室测定基础指标，基础指标按照土壤农化分析中的方法测定[19]。土壤样品的含水量利用烘干法测定;硝铵态氮采用 1 mol·L -1 的 KCl 溶液浸提，利用全自动流动分析仪(型号为 AA3)测定;土壤有机质采用重铬酸钾容量-外加热法测定;土壤有效磷采用 0.5 mol·L -1 NaHCO3 浸提-钼锑抗比色法;土壤速效钾采用 1 mol·L -1NH4OAc 浸提-火焰光度法。
2 结果与分析
2.1 不同处理下 CH4 和 N2O 排放的动态变化
N2O 排放的高峰在施肥、降雨后出现(图 2a)，各处理 N2O 排放通量在施肥后大幅提升，且不同处理间差异显著。CK、M、NPK 和 MNPK 处理的 N2O 年均排放速率分别为：0.017、 0.022、0.048 mg·m-2 ·h-1 和 0.064 mg·m-2 ·h-1。由图 2a 可知，基肥施入后，各处理 N2O 的排放通量出现峰值，其中排放量最高的处理为 NPK，与 MNPK 相比排放速率提高了 85.9%，且显著高于 M 和 CK 处理。进入休眠期后各处理 N2O 排放速率基本一致并且保持在较低水平，随着春季回暖并伴随一定量的追肥，在 4 月 19 日出现第一次排放峰值，其中 MNPK 处理的排放量最高，值为 0.081 mg·m-2 ·h-1，显著高于其他处理(P < 0.05);5 月 24 日 MNPK 处理的 N2O 排放通量出现全年排放的最高峰值，远高于其他处理。9 月份各处理 N2O 排放速率处于较低水平，在第二年施入基肥后 MNPK 和 NPK 处理排放量迅速增加，排放量分别为 0.011、0.178 mg·m-2 ·h-1，与 CK 和 M 相比排放通量提升幅度较大。由此可以看出，施肥是 N2O 排放量的主要影响因素。
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在整个生育周期内 CH4的排放通量均为负值(图 2b)，各处理排放通量变化范围在 0.004 ~ 0.453 mg·m-2 ·h-1，这说明 CH4 在旱地以吸收为主。总体而言，各处理的 CH4 排放速率基本一致，春夏季吸收量较高，冬季吸收速率较低，其中 CK、 M 、NPK 和 MNPK 的平均吸收速率分别为 0.036、0.128、0. 045 mg·m-2 ·h-1 和 0.051 mg·m-2 ·h-1。5 月 10 号各处理达到最高排放的峰值，吸收速率最高的是 M 处理，最低的为 NPK 处理。从各处理的 CH4 吸收通量来看，甲烷在旱地苹果园中是一个较弱的汇，因此研究渭北旱地果园温室气体排放时可以不考虑甲烷的源和汇。
2.2 不同处理下土壤硝态氮(NO3 - -N)和铵态氮(NH4 + -N)的变化
土壤 NH4 + -N 含量和 NO3 - -N 含量在年生活周期内变化幅度较大，尤其在施肥之后，NPK 和 MNPK 处理的土壤中 NH4 + -N 含量和 NO3 - -N 含量出现不同程度的峰值，而 CK 和 M 处理土壤中 NH4 + -N 含量和 NO3 - -N 含量基本保持不变。土壤 NH4 + -N 含量在第一次施入基肥和第一次追肥后有所升高，其中 NPK 处理的土壤 NH4 + -N 含量最高(图 3a)，在 5 月 10 日出现最高的峰值，而在 5 月 24 日土壤 NH4 + -N 含量没有出现峰值;从图 3b 中可以看出，施肥以后，MNPK 处理与 NPK 处理下土壤 NO3 - -N 含量显著增加，年生育周期内 MNPK 处理与 NPK 处理土壤 NO3 - -N 含量的变化范围分别为：4.83 ~ 590.65 mg·kg-1 和 12.98 ~ 652.48 mg·kg-1，在 5 月 24 日土壤 NO3 - -N 含量出现峰值，并且第二次基肥施入以后，硝态氮的含量再一次出现峰值，其中 MNPK 和 NPK 处理土壤硝态氮含量显著高于 CK 和 M 处理。说明施用化学氮肥对土壤 NH4 + -N 和 NO3 - -N 含量影响较大。
2.3 N2O 和 CH4 累积排放量、综合温室效应和温室气体排放强度
在一个年生活周期内 N2O 累积排放量的范围在 1.58 ~ 4.78 kg·hm-2， MNPK、NPK 和 M 处理的 N2O 累积排放量与 CK 处理相比分别增加了 26.1%、137.8%和 202.5%，各处理之间均达到差异性显著水平(P < 0.05)。CH4 累积吸收量最高的为 M 处理，并且 M 处理的 CH4 累积吸收量均显著高于其他处理(P < 0.05)。CK、M、NPK 和 MNPK 处理的温室气体排放总 CO2 当量分别为 398.51、321.56、1 038.49 和 1 311.69 kg·hm-2，不同处理间呈显著差异。MNPK 处理的温室气体排放强度相比 CK 和 NPK 处理分别降低了 20.5%和 22.8%，但 CK 和 NPK 处理之间差异性不显著。
2.4 产量、氮素偏生产力、N2O 排放系数和单位产量温室气体的排放系数
年生活周期内苹果园各处理的产量差异显著(表 3)。其中 MNPK 处理的产量效益最高，与 NPK 处理和 M 处理相比产量分别提高了 63.5%、45.7%，而 NPK 处理与 M 处理之间差异不显著，但产量减少了 10.9%。与单施化肥处理相比，MNPK 处理的氮肥农学效率较 NPK 处理增加了 114.3%，N2O 排放系数增加了 51.5%;MNPK 处理和 NPK 处理下单位产量 N2O累积排放量分别为0.05、0.07 kg·t −1，而单位产量CH4累积吸收量分别为：-0.04和-0.06 kg·t −1，但两处理间差异不显著。
2.5 温室气体排放与各影响因子之间的相关性分析
表 4 的相关性分析表明，CH4 排放量与土壤土壤含水量、NO3-N 和 NH4 + -N、气温均呈显著负相关关系(P<0.05);N2O排放量与土壤NO3-N和温度呈显著正相关，而与土壤NH4 + -N 含量和含水量无相关性。由此可见，土壤水分、气温和土壤 NO3-N、土壤 NH4 + -N 是影响温室气体排放的主要因素。
3 讨论
3.1 不同处理对 CH4 排放量的影响
土壤 CH4 的平衡受产甲烷菌的产生和甲烷氧化菌的消耗所控制，在旱地土壤中，甲烷氧化菌的活性较强，CH4 的排放量均为负值，这说明 CH4 主要以吸收为主[11]。本研究的结果表明，旱地果园施用有机肥增加了土壤 CH4的吸收量(图 2b)，其中单施有机肥处理甲烷累积吸收量显著高于其他处理，而 MNPK 处理相比 M 处理而言 CH4 累积吸收量减少一半。长期施用有机肥可以改善土壤结构，增加土壤孔隙度，提高土壤透气性[24]，使土壤中的氧气含量增加。而甲烷氧化菌是以甲烷作为唯一碳源和能源，将甲烷氧化为二氧化碳和水的好氧型细菌，有机肥的施用会提高甲烷氧化菌的数量[25]，在好氧条件下，CH4 容易被甲烷氧化菌氧化而减少土壤中 CH4 的排放量。这说明苹果园年生育周期内施用有机肥一方面可以降低化学肥料的用量，同时有效减缓旱地果园 CH4 的排放量，另一方面可以解决有机废弃物所产生的的环境污染，提高有机肥的资源利用率;并且施用粪肥类有机肥的生产成本低，与化肥相比可以减轻农民的经济负担。另外，CH4 吸收通量与土壤 NH4 + -N 的含量呈显著负相关(表 4)。孙海妮等[11]的研究结果表明土壤铵态氮含量与 CH4 的氧化量相互排斥，当土壤 NH4 + -N 含量降低时，其 CH4 的吸收量反而增加了。这一方面是因为施肥以后土壤中高浓度的 NH4 + -N 与 CH4 氧化菌存在竞争关系，限制了 CH4 氧化菌的生长和活性，导致 CH4 氧化吸收量降低，从而增加了 CH4 的排放通量，降低其吸收量[26]，另一方面，有机肥作为外加碳源投入土壤中后，为土壤微生物的活动提供了碳源，进一步提高了土壤微生物的活性，促进了土壤中的氨氧化过程，降低了土壤铵态氮的含量，从而增加了 CH4 的吸收量[11]。土壤CH4 吸收量与土壤含水量呈线性负相关的关系(表 4)。含水量的增加使土壤空气中的氧气含量和气体扩散系数随着含水量的增多而降低，使土壤形成厌氧状态，不利于土壤甲烷氧化菌的生长，从而使 CH4 吸收量降低[11]。这说明含水量和施用有机肥对土壤甲烷排放通量产生了一定的影响。本研究显示施用有机肥会显著降低 CH4 累积排放通量，其中单施有机肥处理的减排效果最好。但从研究结果来看，甲烷在旱地苹果园中的排放量较低，基本可以忽略不计。
3.2 不同处理对 N2O 排放量的影响
农业土壤中N2O的产生主要是在一些微生物的参与下通过硝化和反硝化两种途径完成;土壤中氧化亚氮的产生主要受底物碳、氮含量的影响，底物碳充足时，氧化亚氮的排放主要受氮供应水平的制约;底物氮充足时，氧化亚氮的排放主要受碳供应水平的制约[27]。有机无机肥配施是目前比较理想的施肥制度，不但可以使化学肥料减施，还可以推动畜禽粪污、沼渣沼液和农作物秸秆等有机废弃物综合利用，从而让农村生态环境得到有效治理。一般我们认为该施肥制度可以增产的同时减少环境的负面影响。而在本研究中，施肥可显著增加年生育周期内N2O累积排放量(表2)，其中MNPK处理的N2O排放通量显著高于NPK处理。董玉红等[28]的研究表明，在等氮量的情况下，有机无机配施处理的N2O排放通量高于单施化肥处理，这与本研究的结果一致。这可能是因为单施化肥处理为土壤微生物提供了足够多的底物氮，氧化亚氮的排放受碳供应水平的制约[29]，也可能是配施有机肥为参与氮循环的相关微生物提供了充足的碳源，增加了土壤微生物的活性，从而促进了土壤N2O的排放[30]。另有研究表明，化肥合理配施有机肥可以有效降低N2O排放量[31]。其主要原因是施入有机肥后，粪肥有机肥矿化速率较缓慢，而土壤微生物在参与养分矿质化的过程中需要固定土壤的氮素，从而降低了土壤微生物可直接利用的无机氮含量[30]。目前关于有机无机配施对土壤N2O的排放起促进作用还是抑制作用还尚无定论，有机无机配施对N2O排放的影响的研究还有待于进一步加强。此外，在本研究中N2O排放通量与硝态氮含量和温度呈正相关，而与土壤含水量无显著相关性。这可能是旱地果园降雨稀少，土壤水分大部分被果树根系吸收利用，参与硝化和反硝化过程的水分较少，而施肥和气温对N2O的排放所产生的影响掩盖了含水量在氧化亚氮产生过程中的作用。这说明除施肥以外，温度也是影响N2O排放通量的因子之一。 ——论文作者：马艳婷 1,2，赵志远 1,2，冯天宇 1,2，Sompouviset Thongsouk 1,2，孔 旭 1,2，翟丙年1,2,3*，赵政阳 3
