不同种类氮肥对土壤释放N_2O的影响 很重要.pdf

不同种类氮肥对土壤释放N2O的影响 3 侯爱新 陈冠雄 中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳110015 O Van Cleemput 比利时根特大学农业与应用生物科学院 Ghent B29000 摘要 用培养试验模拟研究了在正常水分 22 干旱 12 和高含水量 32 条件 下 普通碳酸氢铵 普碳 尿素及新型肥料长效碳酸氢铵 长碳 对土壤释放N2O的影响 同时考察了土壤NO 3的形成时间和形成量 结果表明 农田中施加的无机氮肥是大气中 N2O的重要来源 而长碳与普碳和尿素相比 不但可以明显延后N2O释放高峰期出现时 间 而且大多数情况下可以显著减少其释放量 P 0 01 在5个月的监测期内 与普碳和 尿素相比其减少N2O释放的比例分别为80 23和88 41 12 含水量 40 00和 27 59 22 含水量 无减少作用和45 88 32 含水量 本研究结果提示长碳具有作 为农田生态系统N2O减排措施的巨大潜力 同时暗示在农业中用长碳代替目前普遍应用 的普碳 可以减少地下水中NO 3引起的污染 关键词 普通碳酸氢铵 尿素 长效碳酸氢铵 N2O释放速率 Effect of different nitrogen fertilizers on N2O emission from soil Hou Aixin Chen Guanx2 iong Laboratory of Ecological Process of Trace Substance in Terrestrial Ecosystem Institute of A pplied Ecology Academia Sinica Shenyang110015 and O Van Cleemput Faculty of Biological Agricultural and A pplied Sciences University ofGhent B29000Ghent Bel2 gium 2Chin J A ppl Ecol 1998 9 2 176 180 Incubation experiments were made to study the effects of ammonium bicarbonate AB urea and modified ammonium bicarbonate MAB on N2O emission from soil and NO 3formation in soil under low 12 normal 22 and high 32 soil moisture conditions The results showed that the inorganic nitrogen fertilizers applied in fields were the important source of at2 mospheric N2O In most situations MAB not only greatly delayed the occurrence of N2O emis2 sion peak but also reduced the amount of N2O emission significantly P 0 01 compared with AB and urea In comparison with AB and urea the amounts of N2O emission were re2 duced by 80 23 and 88 41 low moisture 12 40 00 and 27 59 normal moisture 22 and little reduction and 45 88 high moisture 32 respectively during a period of 52month incubation when MAB was applied It is indicated that MAB was a promising N fertilizer from the aspect of reducing N2O emission from agroecosystem The results also im2 plied that applying MAB instead of AB which is used widely in China at present might reduce the NO 3pollution of the underground water Key words Ammonium bicarbonate AB Urea Modified ammonium bicarbonate MAB N2O emission rate 3 比利时外交贸易发展合作部 美国农业部资助项 目 1997 09 10收稿 1997 12 25接受 1 引 言 N2O是大气的一种重要成分 虽然在 大气中以痕量存在 但与其它温室气体 如 CO2 CH4 相比 具有较强的增温潜势及在 大气中较长的滞留时间 6 此外 N2O还 参与大气中许多光化学反应 破坏大气O3 层 3 1992年IPCC 5 工作报告指出 由于 人类活动的加强 大气中N2O浓度正在急 应 用 生 态 学 报 1998年4月 第9卷 第2期 CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY Apr 1998 9 2 176 180 剧上升 其中农业活动的贡献占人为总排 放量的70 左右 6 由农田系统中无机和 有机氮肥的施用及生物固氮作用产生的 N2O量约占人为年排放总量的60 8 此 外 一些最新的研究结果表明 目前文献中 对化学氮肥的N2O2N损失比率的估计可 能偏低 4 可见农耕土壤中氮肥的应用在 大气N2O排放源中可能会占有更重要的 位置 农业中氮肥的应用也能增加NO 3 向地下水的渗漏 7 饮用水中NO 3 引起 的污染正成为全球许多地区面临的严重问 题 9 由于氮肥引起N循环中N2O排放和 NO 3泄漏的大量增加 因此 如何通过改 进氮肥管理 减少环境污染 提高氮肥利用 率 成为当前环境领域研究的重要课题 农 田释放的N2O是中国地区N2O重要的排 放源 所以研究适合我国普遍应用的农田 N2O减排措施尤其具有实际意义 碳酸氢铵和尿素一直是我国农业生产 中广泛应用的主要化学氮肥 而长效碳酸 氢铵是最近发明并开始商业化生产的新型 肥料 研究表明 长碳能显著减少氨挥发 延长肥效 具有明显的增产效应 2 本研 究模拟干旱 正常水分和高含水量状况 选 取上述3种肥料为供试对象 研究它们在 不同水分条件下对土壤释放N2O的影响 同时考察土壤NO 3 的形成时间和形成 量 旨在为减少N2O和NO 3的环境污染 并提高化学氮肥的利用率提供科学依据 2 材料与方法 2 1 土壤样品 无机氮肥和有机碳源 供试土壤采自中国科学院沈阳生态实验站 41 32 N 122 23 E 为草甸棕壤 有机质含量 16 2g kg 1 全N 0 8g kg 1 速效P 3 92 g g 1 速效K 88 9 g g 1 pH 水浸 6 7 风干2 周后磨碎 过1mm筛备用 供试普碳 尿素为工业级 长碳 在普碳中添 加一定剂量的DCD共结晶而成 由奉城化肥厂提 供 实验中所用麦秸的C N含量分别为46 7 和0 48 2 2 培养实验 称40g风干土 置入300ml培养瓶中 加 0 5 麦秸作C源 以干土重计 将二者充分混 匀后 用蒸馏水调节水分含量分别至12 22 和32 分别模拟干旱 正常水分和高含水量状 况 于28 2 C下预培养1周 均衡土壤 然后 均匀混入500mg kg 1量的等N量氮肥 氮肥处 理设置如下 1 对照 不加氮肥 2 普碳 3 尿 素 4 长碳 继续在28 2 C下培养 整个培养期 内保持水分含量不变 每种处理设有8个重复 其中3瓶用于N2O释放速率的测定 其余用作 NO 32N NH 42N含量分析 2 3 N2O释放速率的测定 分别在加入氮肥培养后的第1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 35 44 53 62 71 80 89 98 107 126和150d取样 测定土壤中微生物释放 N2O的速率 每次取样前24h 用空气充分排除培 养瓶内残留的N2O 并用胶塞封口 培养24h后 用注射器从培养瓶上部空间取1ml气体样品 之 后 移掉胶塞 重新置于空气下培养 直至下一次 测定 样品中的N2O用配有电子捕获检测器 ECD 的岛津GC214A气相色谱仪测定 两根长 为2m和1m的不锈钢填充柱串联 柱内填充料为 Porapak Q 计算机程序控制十通阀将样品中的水 分在进入检测器前反吹掉 载气为高纯N2 流速 60ml min 1 检测器温度 柱温和进样口温度分 别为300 60和100 C 标准N2O气体由国家标准 物质研究中心提供 并用澳大利亚CSIRO大气研 究所赠送的标准气校核 N2O释放速率 f 用每天每克干土释放N2O 量表示 ngN 2O g 1干土 d 1 计算公式如下 f m M t V c M t 式中 是气体密度 m和 c分别是 t时间 内培养瓶内气体质量和混合比浓度变化 V是培 养瓶内上部有效空间的体积 M是土壤干重 2 4 NO 32N NH 42N含量测定 7712期 侯爱新等 不同种类氮肥对土壤释放N2O的影响 在施入氮肥培养过程中定期取样 用MgO2 Devarda氏合金法测定土壤中NO 32N NH 42N含 量 3 结果与讨论 3 1 正常水分条件下不同种类N肥对土 壤释放N2O的影响 在正常水分 22 状况下 图1 整 个培养期间 对照组只能检测到极微量的 N2O生成 最大释放速率不超过6ngN2O g 1干土 d 1 普碳和尿素处理较之对照 在培养初期即开始大量释放N2O 随着培 养时间的推移 释放量逐渐减少 但很快出 现第二个较小的高峰 之后 又逐渐减少 至两个月后 几乎接近对照组 长碳处理则 直至培养1个月左右才出现少量N2O释 放 在3个月处 较之对照有明显的N2O 释放高峰 但其释放量明显低于普碳和尿 素处理高峰期 4个月后 接近其它处理 在5个月培养期内 普碳 长碳和尿素处理 以N2O形式损失掉的N分别占所施氮肥 的1 05 0 63和0 87 长碳处理与普碳 和尿素处理相比 N2O释放量分别减少 40 00和27 59 微生物硝化和反硝化作用是土壤产生 图1 正常水分条件下氮肥对土壤释放N2O的影响 Fig 1 Effect of applying N fertilizers on soil N2O emission normal moisture 对照 CK 普碳 AB 长碳 MAB 尿素 Urea 下同The same below N2O的两种主要生物过程 在有氧条件 下 土壤N2O的生成主要来源于硝化作用 的第一阶段 普碳施入土壤 在pH大于5 的情况下 NH 4极易被土壤微生物硝化作 用氧化 尿素在土壤中则于培养初期迅速 水解 1 释出的氨多被土壤吸附 夺取土 壤溶液中的质子 H 而形成NH 4 后者 又进一步产生硝化作用 因此 在培养初 期 普碳和尿素处理随着硝化作用的进行 快速出现N2O释放高峰 随着土壤中 NH 4量的减少 其释放速率降低 但由于 硝化作用产生的NO 3 在土壤中积累 加 速了土壤中某些微团体内厌氧环境下反硝 化反应的进行 导致反硝化作用过程中 N2O的生成 很快出现第二个较小的释放 高峰 长碳是一种新型长效氮肥 其中添加 了一定剂量的DCD DCD是有效的硝化抑 制剂 对硝化杆菌属 Nitrobacter 亚硝化 毛杆菌属 Nitrosomonas 亚硝化螺菌属 Nitrospira 和亚硝化叶菌属 Nitrosolo bus 都有较强的抑制作用 从图2和3可 以看出 普碳和尿素处理在培养约2周后 其NH 42N含量迅速降至较低水平 同时1 周后即可检测到大量NO 32N 而长碳处理 则直至1个月左右 其NH 42N含量仍维 持在较高水平 相应地 其NO 32N形成高 图2 正常水分情况下土壤NH 42N含量变化 Fig 2 Dynamics of NH 42N in soil normal moisture 871应 用 生 态 学 报 9卷 图3 正常水分情况下土壤NO 32N含量变化 Fig 3 Dynamics of NO 32N in soil normal moisture 峰期也大大延后 因此 长碳处理通过其中 的DCD减缓了土壤中NH 42N转化为 NO 32N的进程 从硝化作用和反硝化作用 两方面阻碍N2O的生成 从而不仅延后 N2O释放高峰时间 而且减少其释放量 3 2 高含水量条件下不同种类氮肥对土 壤释放N2O的影响 如图4所示 在高含水量 32 状况 下 土壤释放N2O的趋势与正常水分情况 下的相似 但各种处理的释放量远远大于 正常水分情况下的释放量 普碳 长碳和尿 素处理在整个培养期以N2O形式损失掉 的N量可分别达到所施氮肥的5 35 7 94 和14 67 这可能由两个原因造成 一方 面高含水量降低了土壤中O2的传递 利 于反硝化作用的进行 另一方面水分含量 增加能够促进土壤中有机碳分解代谢 为 图4 高含水量条件下氮肥对土壤释放N2O的影响 Fig 4 Effect of applying N fertilizers on soil N2O emission high moisture 反硝化细菌提供更多易于利用的底物和能 量 土壤含水量约为32 时 长碳处理可 比尿素处理减少45 88 的N2O释放量 但略高于普碳处理 然而 长碳处理的 N2O高峰期出现时间远远迟于其它处理 因此 考虑到田间条件下植物吸收作用等 因素 仍可肯定其减少N2O排放的实际效 果 3 3 干旱情况下不同种类氮肥对土壤释 放N2O的影响 干旱 12 情况下 图 5 与正常水分 情况相比 普碳和尿素处理在整个培养期 内N2O释放量明显增高 P 0 05 这可 能是因为土壤经过1mm筛预处理后 在 12 水分条件下土质结构较密实 不如 22 水分条件下土壤易形成较松散的颗粒 结构 因而土壤中氧分压较低 硝化作用过 程中更易发生第一阶段的反应形成N2O 长碳处理释放的N2O2N量占所施N量的 0 35 分别比普碳和尿素减少80 23和 88 41 这提示长碳减少N2O释放的效 果随土壤含水量的增加而降低 图5 干旱情况下氮肥对土壤释放N2O的影响 Fig 5 Effect of applying N fertilizers on soil N2O emission low moisture 3 4 对土壤中NO 3积累的影响 图3 6和7表明 在正常水分 高含水 量和干旱情况下 长碳处理较之普碳和尿 素处理对土壤中NO 3的生成均有明显的 抑制作用 不仅延缓其形成高峰期时间 而 9712期 侯爱新等 不同种类氮肥对土壤释放N2O的影响 且能够减少其生成量 其中在干旱情况下 具有最佳抑制效果 这与前述长碳减少 N2O释放的效果随土壤含水量增加而减 少的结论相吻合 图6 高含水量情况下土壤NO 32N含量变化 Fig 6 Dynamics of NO 32N in soil high moisture 图7 干旱情况下土壤NO 32N含量变化 Fig 7 Dynamics of NO 32N in soil low moisture 4 结 论 4 1 在各种水分条件下 普碳和尿素都能 在整个培养期间较之对照 不施肥 显著促 进土壤释放N2O的速率 长碳则直至1个 月左右才对N2O释放具有较明显的促进 作用 因此 农田中施加的无机氮肥是大气 中N2O的重要来源 而长碳是一种有前途 的新型氮肥 与其它无机氮肥相比 可以有 效抑制N2O的生成 这一结果为通过改进 肥料配方减少N2O排放 提高氮肥利用率 提供了依据和基础 4 2 水分状况对土壤释放N2O的速率具 有重要影响 高含水量土壤具有高N2O释 放量 长碳减少N2O释放的效果随土壤含 水量增加而减少 此结果对合理施肥和农 田生态系统N2O排放量估算具有参考价 值 4 3 在农业中用长碳代替目前普遍应用 的普碳 可以减少地下水中NO 3 引起的 污染 参考文献 1 陈利军等 1995 尿酶抑制剂和硝化抑制剂的协同 作用对尿素氮转化和N2O排放的影响 应用生态 学报 6 4 368 372 2 张志明 李继云 冯元琦等 1996 长效碳酸氢铵理 化特性及增产机理的研究 中国科学 B 辑 26 5 452 459 3 Cicerone R J 1989 Analysis of sources and sinks of atmospheric nitrous oxide N2O J Geophys Res 94 18265 18271 4 Frank C T et al 1996 Soil emissions of nitric ox2 ide and nitrous oxide from injected anhydrous ammo2 nium and urea J Environ Qual 25 1378 1384 5Intergovernmental Panel on Climate Change 1992 Climate change 1992 J T Houghtonet al ed The Supplementary Report to the IPCC Scientific As2 sessment IntergovernmentalPanelonClimate C