关中长期定位施肥农田N2O和NO排放特征及N2O排放动态的模型模拟研究

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氧化亚氮(N2O)是温室气体和破坏平流层臭氧的首要反应物,自工业革命以来大气中N2O浓度已增长20%;一氧化氮(NO)是大气污染物,参与酸雨、光化学烟雾和对流层臭氧形成过程。由于大量施用氮(N)肥,农田成为N2O和NO的重要人为排放源。土壤中N2O和NO主要由微生物硝化和反硝化作用生成。有机物料还田可提高土壤肥力和粮食产量,并通过调节碳(C)、N底物供给和微生物活性进而影响N2O和NO的排放。已有的研究显示,在田间管理、天气状况、监测方法等关键要素的共同作用下,有机物料还田对N2O、NO排放的影响往往存在较大差异。关中平原位于黄土高原南部边缘,该地区广泛使用有机物料以减缓土壤退化,有必要定量研究有机物料还田对N2O和NO排放的影响。本研究主要目的是量化长期定位牛粪和秸秆还田夏玉米-冬小麦体系N2O和NO排放,并检验NOE模型模拟N2O排放的能力。本文依托27a“国家黄土肥力和肥料效益监测基地”,田间处理包括:不施肥对照(CK)、全化肥(NPK)、化肥+牛粪(NPKM)以及化肥+秸秆(NPKS)。2017年6月~2018年6月,人工静态暗箱原位观测N2O和NO通量,非线性半经验模型NOE通过输入土壤温度、湿度以及C和N底物浓度等参数逐日模拟硝化、反硝化过程N2O通量,主要结果如下:(1)各施肥处理N2O和NO通量变化范围大,分别为-0.5~265.4和-1.2~70.8g·(hm2·d)-1,峰值排放集中在灌溉和施肥后,N2O和NO排放通量最高值分别出现在NPKS和NPKM玉米季。CK处理N2O和NO通量较低,最高值分别为11.6和7.6 g·(hm2·d)-1。(2)与NPK相比,长期施用牛粪对N2O排放无显著影响,但显著提高NO排放;长期秸秆还田对N2O和NO排放均有显著促进作用。各处理N2O累计排放量依次为:0.21、2.32、2.15和4.59 kg·hm-2;NO累计排放量依次为0.23、0.80、1.46和1.34 kg·hm-2。各施肥处理N2O排放系数依次为0.60%、0.55%和1.11%,NO排放系数依次为0.16%、0.35%和0.28%。(3)相关性分析表明各处理NO通量、N2O+NO通量之和均与土壤温度显著正相关。边界线分析表明,N2O和NO通量与土壤温度、湿度显著相关,N2O和NO排放对应最佳温度分别为20.0℃和26.3℃。土壤温度超过20℃时,NPK、NPKM和NPKS处理NO/N2O通量比均与WFPS呈显著负相关关系,表明土壤温度和湿度共同调节NO/N2O通量比,影响硝化、反硝化过程的相对重要性。(4)NOE模型在很大程度上反映了各处理N2O排放季节变化,决定系数在0.14~0.54之间(P<0.01);年累计排放量模拟结果较观测值偏低-14.4%~66.7%,提出了模型改进意见。
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