有机肥对农田土壤二氧化碳和甲烷通量的影响

有机肥对农田土壤二氧化碳和甲烷通量的影响3董玉红1,2　欧阳竹133(1中国科学院地理科学与资源研究所禹城综合实验站,北京100101;2中国科学院研究生院,北京100093)【摘要】　研究了不同有机肥施用(鸡粪、猪粪、牛粪)对夏玉米田土壤CO 2和CH 4通量的影响.结果表明,不同处理的CO 2通量具有相同的季节变化趋势,受土壤温度和湿度的共同影响,土壤CO 2通量和大气温度、地表温度、地下温度呈显著正相关,当温度不是限制因子的时候,CO 2通量和土壤水分含量呈显著正相关(P <0105).玉米整个生长季大部分时间土壤为CH 4的吸收汇,源汇的变化受环境因子的影响,但是相关分析并不显著.不同处理的土壤CO 2季节平均排放通量为015124～018518g ・m -2・h -1,和CK2相比,玉米种植促进了CO 2的排放,施用有机肥也增加了CO 2的排放,所有有机肥处理的平均排放通量和CK2差异显著,但只有S2和P2和CK1的差异显著.不同处理农田土壤CH 4的季节平均通量为-010068～-010484mg ・m -2・h -1,有机肥施用抑制了土壤对CH 4的吸收,施肥量高抑制作用强,但是统计分析差异并不显著.关键词　有机肥　CO 2　CH 4　温室气体　土壤文章编号　1001-9332(2005)07-1303-05　中图分类号　S147.2;X511　文献标识码　AE ffects of organic manures on CO 2and CH 4fluxes of farmland.DON G Yuhong 1,2,OU Y AN G Zhu 1(1Y ucheng Com prehensive Ex perimental S tation ,Institute of Geographical Sciences and N atural Resources Research ,Chi 2nese Academy of Sciences ,Beijing 100101,China ;2Graduate School of Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100093,China ).2Chin.J.A ppl.Ecol .,2005,16(7):1303～1307.This paper studied the effects of chicken manure ,swine waste and cattle manure on the CO 2and CH 4fluxes of a farmland planted with summer maize.The results showed that the CO 2flux had the same trend under different organic manure application ,which was influenced by soil temperature and soil water content.The flux was signif 2icantly related with air temperature ,soil surface temperature and soil temperature (P <0105).When soil temper 2ature was not a limiting factor ,soil water content was significantly related with soil CO 2flux.At most maize growth stages ,soil was a sink of CH 4.The variation of CH 4source 2sink was influenced by environmental factors ,but the correlation was not significant.The mean seasonal flux of CO 2was from 0.5124to 0.8518g ・m -2・h -1,and that of CH 4was from -0.0068to -0.0484mg ・m -2・h pared with CK2,maize planting and organic manure application enhanced CO 2emission.The application of organic manures inhibited the CH 4uptake by soil ,and higher application rate had a higher inhibitory effect.K ey w ords Organic manure ,CO 2,CH 4,Greenhouse gas ,S oil.3国家重大基础研究(973)前期专项研究资助项目(2003CCB001).33通讯联系人.2004-03-10收稿,2004-07-05接受.1　引 言农业生产对温室气体的排放有贡献,农田土壤可作为CO 2、CH 4和N 2O 的源或汇,农业管理措施特别是施肥对温室气体排放的影响很大,各种肥料中有机肥对农田土壤碳转化的影响最大,来自不同动物有机肥料成分不同,肥料成分的不同影响了其后施用到农田后的温室气体的排放[22].目前有机肥施用对旱地土壤CO 2排放的研究大多是通过实验室培养模拟试验来揭示碳的转化,对于有机肥施用到农田后土壤CO 2排放的研究较少[2,19].有机肥施用对稻田土壤CH 4排放的影响研究较多[24],通气状况良好的土壤是CH 4的最大吸收汇,施肥对CH 4氧化表现为抑制作用[16],研究土壤CH 4吸收汇影响因素和采取一些措施促进土壤对CH 4的吸收,也是目前减缓气候变暖的一项措施[13,20].有机肥施用对农田土壤CO 2和CH 4通量的综合影响研究较少,很少考虑有机肥组分对温室气体排放的影响,目前温室气体减排已经引起人们的广泛关注,减少有机肥施用后的温室气体排放的前提是理解其排放过程以及与环境因子的关系.本研究选用农业生产上常用的3种有机肥,并结合考虑有机肥种类、有机肥养分含量及外部环境因子,探讨它们对农田土壤CO 2和CH 4通量的影响.应用生态学报　2005年7月　第16卷　第7期 CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J ul.2005,16(7)∶1303～13072　材料与方法211　试验地点试验点位于中国科学院禹城试验站内,地处116°37′E, 36°36′N,海拔20m,主要耕作制度为冬小麦2夏玉米轮作.该地区属于暖温带半湿润季风气候区,多年平均气温1312℃,降雨量为538mm.地貌类型为黄河冲积平原,土壤母质是黄河冲积物,以潮土和盐化潮土为主,表土质地为轻2中壤土.该站所在地区的自然条件和农业生产水平在黄淮海平原具有代表性.播种前测定试验地表层土壤基本理化性状,p H值为8146,有机质为1147%,全氮为0109%,全P(P2O5)为012%,全K(K2O)为2126%,NO3-2N为20145mg・kg-1, NH4+2N为1134mg・kg-1.212　试验设计田间试验设8个处理,每个处理3个重复,每个小区面积6m×7m,处理随机排列,小区间隔0165m,周围设置保护行.处理分别为:CK1-不施肥种玉米的对照,CK2-不施肥不种玉米的裸地,S1,S2-猪粪,C1,C2-牛粪,P1,P2-鸡粪;1,2分别代表15、30t・hm-2两个施肥水平.施用的有机肥已堆腐一个多月,施肥前取样后冰冻保存,鲜样分析NO3-2N、NH4+2N和p H,NO3-2N、NH4+2N含量的测定是用2mol・L-1KCl浸提后测定,风干样用消煮法测定有机肥全N、P、K含量,3种有机肥的养分含量如表1所示.玉米前茬作物为小麦,收获后于2003年6月16日均匀撒施有机肥后旋耕,于6月17日播种,整个生长季没有灌水,于10月5日收获.表1　施用有机肥的化学性状T able1Chemical properties of organic m anure applied to the soil有机肥1)N(%)P(P2O5%)K(K2O%)p H NO32N(mg・kg-1)NH42N(mg・kg-1)猪粪2)0176014201718155169149962142牛粪3)016801660130812520212880129鸡粪4)019201930189815567113712941441)Organic manures;2)Swine waste;3)Cattle manure;4)Chicken manure.213　样品采集、分析与通量计算气体通量用静态箱法测定,采样箱用不锈钢制成,长、宽、高为50cm×50cm×50cm,播种前将不锈钢底座安置在小区中央的玉米行间,插入土壤10cm深处,整个生长季不再移动,框内不含玉米和杂草,观测时将采样箱放在底座外缘四周的凹槽中,并用水密封,盖箱后0、10、20、30min用100ml塑料注射器抽取箱内气体,用于CO2和CH4浓度的分析.采集来的气样用改进的Agilent4890气相色谱仪同时分析CO2和CH4,对于测定的方法和条件已有详述[25],该仪器检测的灵敏度和稳定性均很高,能够满足农田生态系统几种温室气体同步测定的要求.气体通量的计算是通过气体浓度随时间的变化来计算单位面积的气体排放通量.计算公式:F=M/V0×P/P0×T0/T×H×dC t/d t式中,F为土壤气体通量(CO2为g・m-2・h-1,CH4为mg・m-2・h-1),M为气体的摩尔质量(g・mol-1),V0为标准状态下(温度273K,气压1013hPa)气体的摩尔体积(22141×10-3m3),T0和P0分别为标准状态下的空气绝对温度和气压,P为采样点的气压,T为采样时的绝对温度,dC t/d t为观测时间箱内气体浓度随时间变化的直线斜率,正值表示排放,负值表示吸收,h为采样箱的高度.每次取气的同时测定大气温度、土壤表面温度、地下5cm土温、土壤含水量.3　结果与讨论311　有机肥施用后土壤CO2和CH4通量的时间变化动态土壤CO2排放是土壤中生物学和生物化学过程综合作用的结果,是植物根系、土壤微生物、土壤动物等呼吸排放的共同产物,土壤理化因子和气象因子共同影响着它们的生命进程和土壤气体的扩散[6,12].图1显示出不同种类有机肥施用后CO2排放通量的时间动态,土壤CO2通量在各处理中显示相同的时间变化趋势,都有排放峰的出现,其间的波动受土壤温度和土壤水分含量的影响.由于受植物根系呼吸的影响,CO2通量与作物生长有关,不施肥种植玉米的处理C K1的CO2排放通量要高于不种玉米的C K2,且玉米生长季节盛期的各处理CO2通量值高于生长季末期.CO2通量在各处理中的范围为0.24～1153g・m-2・h-1.研究表明,西藏高原农牧地不同植被覆盖下的土壤CO2排放通量为117～1015kg・hm-2・h-1[14],我国施肥麦田土壤CO2通量为120～400mg・m-2・h-1[18].黄淮海平原地区夏玉米农田土壤呼吸动态的研究表明,土壤呼吸季节变化大体呈现温度变化的趋势,施用有机肥增加了土壤呼吸,本研究中的土壤排放速率与之结果相似[21]. 土壤中CH4产生和氧化是微生物活动的结果,在厌氧条件下,甲烷菌分解土壤中的有机质,产生CH4,在好气土壤中,CH4又被氧化菌氧化,CH4在土壤中的排放或氧化受各种因子的影响,主要有土壤理化特性、气温和季节变化[11,23].由图2可以看出,本研究中,不同种类有机肥处理后,玉米土壤CH4的通量变化比较复杂,在施肥初期土壤为CH4的排放源,此后整个玉米生长季中除个别时间外,大多时间CH4通量均为负值,土壤为大气CH4的吸收“汇”,不同处理CH4通量范围为-011247～011356 mg・m-2・h-1.4031应　用　生　态　学　报 16卷图1　有机肥施用后CO 2排放通量的时间变化动态(误差线代表的是标准偏差)Fig.1Temporal trends of CO 2flux after organic manure application (Vertical bars are STDEV for means ).图2　有机肥施用后CH 4通量的时间变化动态Fig.2Temporal trends of CH 4flux after organic manure application.312　有机肥施用对夏玉米田土壤CO 2和CH 4平均排放通量的影响CO 2平均排放通量如表2所示,种植玉米的处理CO 2排放通量高于裸地不种植玉米的土壤,有机肥的施用促进了土壤CO 2的排放,即对照排放小于施用有机肥的处理,同一种类有机肥中,高施肥量处50317期 董玉红等:有机肥对农田土壤二氧化碳和甲烷通量的影响 表2　不同处理CO2和CH4的平均排放通量T able2Average CO2and CH4flux under different treatments处理Treatmont CO2CH4CK1016240b-010292CK2015124c-010484S1017124ab-010152S2018108a-010096C1016991ab-010280C2017564ab-010149P1017160ab-010138P2018518a-010068F41090147P0*******理的CO2排放通量高于低施肥量,不同种类有机肥的作用效应在两个施肥水平下都是鸡粪>猪粪>牛粪.统计分析表明,所有处理的平均CO2通量和C K2差异显著,S2和P2和C K1差异显著,其它处理之间差异不显著.玉米种植促进了土壤CO2的排放,一部分是由于根系呼吸的作用,有研究表明,根系呼吸在玉米季可占到总呼吸量的17%～18%[3].有机肥对土壤CO2排放的影响显著,这主要是应为有机肥的施入改善了土壤理化性质,增加了土壤有机质的积累,促进了土壤微生物的活性以及根系的生长和活力,从而增加了CO2的排放量[7].如表2所示,有机肥施用后农田土壤CH4的吸收要低于C K1和C K2,说明有机肥施用后总的表现为抑制CH4的氧化.有研究表明,在东北典型旱地,玉米、大豆田土壤作为大气CH4源或汇的作用并不明显[8],本实验中,土壤可作为CH4的弱汇而起作用并受不同施肥种类和施肥量的影响.齐玉春[16]研究得出华北平原典型农业区土壤的CH4通量的平均值在夏玉米季节的施肥处理和未施肥处理中分为-010798和-01110mg・m-2・h-1,与之相比,本研究中土壤对CH4的吸收较低,主要是由于肥料施用对土壤CH4的吸收具有抑制作用,大量有机肥的施用,前期导致土壤CH4的排放,玉米生长期大量降雨造成土壤水分含量增加,CH4吸收降低,某一时期土壤厌氧环境还使得土壤成为CH4的排放源. Thuries等[19]通过培养实验评价有机投入后的矿化作用,表明有机质降解速率和其C、N、纤维素及木质素含量等有关.有机肥中,作物秸杆的投入对土壤CO2排放的影响研究较多,秸秆投入强烈影响了CO2的时间动态,在每年CO2通量和残茬C投入之间有密切的相关关系[10].强学彩等[17]研究了C/ N比为20/1时候不同有机投入量下土壤CO2排放和微生物量[17].本研究中,不同种类有机肥等重量施用时,其所含的C、N比在相同施肥量下并不相同,施用后对土壤CO2的通量影响是由于由于投入的C、N含量的不同造成的.肥料施用抑制了土壤对CH4的氧化,对于化肥投入后对CH4氧化的影响研究较多[23].也有研究表明,有机投入对土壤CH4氧化的影响取决于其C/N比,有的表现抑制作用,有的没有抑制作用[9].有机肥施用后,不同有机肥种类的抑制作用大小不同,鸡粪对CH4的抑制作用最强,是由于其中的高N含量所造成的.313　环境因子对CH4和CO2通量的影响土壤碳的排放受环境因子的影响,其中土壤温度和湿度对CO2排放的影响在实验室模拟和田间试验中都有研究,其相关分析也有不同的结论.由表3可见,CO2排放速率和地表、大气、地下5cm土壤温度有很强的线性相关性(0155<r<0183).CO2和温度的这种相关性在许多田间试验中也有描述[5,14,15].土壤CO2排放和土壤水分的相关关系的研究也有不同的结果,有些研究相关,有些研究没有相关性[1].表3中CO2排放速率和土壤水分呈显著正相关关系,这里的土壤水分指的是8月24日前的测定值,8月24日以后由于温度降低,CO2排放通量随之降低,使得与水分的相关不明显.降雨是通过影响土壤水分而影响土壤CO2的排放通量,测定日前1周内的降雨和CO2呈正相关关系,但在0105水平上并不显著. 土壤对CH4的氧化受土壤温度、土壤水分含量的影响,降雨量也通过影响土壤水分含量而起作用[4,16].本研究中,CH4的氧化随着温度的增加而升高,随着土壤水分的增加而降低,但是相关分析并不显著,由于受各种环境因子的共同影响,机制更为复杂,单纯的相关分析不呈线性相关.表3　CO2排放速率和土壤大气环境因子的相关性分析T able3R elationship bet w een CO2flux and environmental factorsCO2CK1CK2S1S2C1C2P1P2土壤温度Soil temperature0155330158730162030172633015783016623301686330172233地表温度Surface temperature01653016933017433018033017033017733017933018333大气温度Atmospheric temperature0166330163301743017233017233017633017233017333土壤水分Soil moisture0192633018973301848301570018183018633017733017693降雨Precipitation014201310143013201430143013801303P<0105;33P<0101.6031应　用　生　态　学　报 16卷4　结 论 有机肥施用后,夏玉米田土壤CO2和CH4的季节变化趋势和肥料施用、土壤温度、土壤湿度等有关,有机肥的种类和数量的不同影响了其施用后的CO2和CH4的平均通量,施用有机肥增加了土壤CO2的排放,所有有机肥处理的平均排放通量和C K2差异显著,但只有S2、P2处理和C K1的差异显著.有机肥施用后抑制了土壤对CH4的氧化,不同有机肥种类以及施肥量的大小不同,抑制作用不同,但是统计分析并不显著.相关分析表明,土壤CO2通量和大气温度、土壤温度、地表温度以及土壤水分呈显著正相关关系,虽然大气温度、土壤温度、土壤水分等环境因子影响了土壤CH4的通量,但是相关分析并不显著.以上结果表明,有机肥施用影响着温室气体的通量变化,肥料种类不同,作用不同,受其C、N含量的影响,今后需要进一步研究田间条件下有机肥施用后土壤碳通量的变化.参考文献1　Chen Q2S(陈全胜),Li L2H(李凌浩),Han X2G(韩兴国),et al.2003.Effects of water content on soil respiration and the mecha2 nisms.Acta Ecol Si n(生态学报),23(5):972～978(in Chinese)2　Chen T2B(陈同斌),Struwe S,K joller A.1996.Effects of agricul2 tural wastes 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