丁洪，張玉樹，王躍思，顏明娟，秦勝金，胡曉霞

（1.福建省農業(yè)科學院土壤肥料研究所，福建福州，350013；2.中國科學院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室LAPC）

辣椒地土壤氮素反硝化損失與N2O排放研究

丁洪1，2，張玉樹1，王躍思2，顏明娟1，秦勝金1，胡曉霞1

（1.福建省農業(yè)科學院土壤肥料研究所，福建福州，350013；2.中國科學院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室LAPC）

在種植辣椒的菜地土壤原位條件下，應用原狀土柱培養(yǎng)-乙炔抑制法測定辣椒地土壤氮素反硝化損失與N2O排放量。試驗結果表明，辣椒地土壤具有較高的硝化與反硝化活性，而且隨著施氮量的增加，氮素反硝化損失量顯著提高。辣椒生長季節(jié)不施肥、常規(guī)施氮和高氮施肥條件下辣椒地土壤反硝化損失和N2O排放量分別為3.62 kg/hm2、6.68 kg/hm2、16.13 kg/hm2和1.09 kg/hm2、7.06 kg/hm2、25.06 kg/hm2，其中常規(guī)施氮處理的土壤反硝化損失和N2O排放量分別占施肥量的1.36%和2.65%，高氮施肥處理分別占施氮量2.78%和5.33%。辣椒地土壤氮肥經反硝化途徑損失的比例不高，但產生較高的N2O排放對大氣環(huán)境造成較大影響。

辣椒地；氮肥；反硝化；氧化亞氮

硝化反硝化作用是土壤氮素循環(huán)的兩個重要環(huán)節(jié)，在其生物化學過程中產生的N2O和N2，不但會引起氮素損失，降低氮肥利用率，還會增加大氣中的溫室氣體濃度，給環(huán)境帶來為害[1～2]。然而通過硝化反硝化作用損失的氮素和N2O排放量到底有多少,目前報道不一。有學者認為氮肥通過硝化反硝化損失率高達16%～41%[3]，有人認為氮肥損失中有30%緣于反硝化作用，在多種蔬菜上的測定結果表明，所施氮肥的14%～52%通過反硝化損失[4]。然而也有人認為，在溫暖地區(qū)和大多數熱帶農業(yè)系統(tǒng)中，反硝化作用不可能是氮肥損失的重要途徑[5～6]。有人在小麥和小麥—玉米輪作系統(tǒng)中的研究結果表明，氮肥反硝化損失率很低，也認為反硝化不是氮肥損失的主要機制[7]。

目前國內在蔬菜地原位條件下進行的土壤反硝化損失和N2O排放研究較少，已有的研究結果差異也比較大。梁東麗等人在陜西大白菜地上測定的N2O排放量為0.69～1.40 kg/hm2，占施氮量的0.14%～0.66%[8]，而曹兵等人在南京番茄地上測定的N2O排放量為21.36～25.36 kg/hm2，占施氮量的2.62%～4.72%[9]。丁洪等在茄子地（多年種植蔬菜）上測定的N2O排放量為33.8 kg/hm2，占施氮量的8.6%[10]。造成這些差異的原因可能與不同氣候、土壤條件和不同作物系統(tǒng)等因子有關[11～12]。因此本試驗開展了辣椒-土壤系統(tǒng)反硝化損失和N2O排放量研究，旨在為土壤氮素損失和N2O排放量估算提供參考。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

①試驗土壤基本理化性狀 試驗于2007年在福建省農科院試驗地進行，耕層土壤基本理化性質：全氮含量為1.75 g/kg，速效氮為158.422 mg/kg，速效磷為74.26 mg/kg，速效鉀為93.28 mg/kg，容重為1.32 g/cm3，pH值為5.51。

②供試作物 辣椒品種為湘椒16號，于4月27日移栽，6月7日開始采摘，8月14日采摘完畢，總生育期109 d，種植密度為4.4萬株/hm2。

1.2 試驗處理

試驗設3個處理，分別為CK（不施肥）、常規(guī)施氮和高氮施肥，氮肥施用量分別為0，225，450 kg/hm2（用N0、N225 N450表示），磷、鉀施肥量均為P2O5120 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。磷肥全部作基肥于移栽前施入，氮肥和鉀肥的50%作基肥于移栽前撒施后耙入土中，50%作為追肥分別于5月17日和6月21日施用（每次追肥各占追肥量的50%），撒施后松土并澆水。

1.3 田間N2O氣體采集與分析測試方法

試驗采用原狀土柱培養(yǎng)-乙炔抑制法[13]，采用PVC材料制作成12.5 cm×15 cm的圓形培養(yǎng)桶，底部密封，桶側面和桶蓋各有一抽氣或充氣孔，用橡皮塞塞住，桶與蓋之間墊上一密封圈，用螺絲固定使桶與蓋密封。每個桶中放入8個用內徑3.2 cm的不銹鋼土鉆取出15 cm長的原狀土柱，每個小區(qū)取2桶土樣，一桶不充乙炔氣體用于測定N2O排放量，另一桶充乙炔氣體用于測定反硝化損失量（乙炔濃度10%）。密封后埋在地里24 h，然后用注射器抽取20 mL氣體注入18 mL的真空玻璃瓶中，帶回室內進行分析。

土壤樣品采用常規(guī)農化分析方法測定[14]，氣體樣品分析應用美國惠普公司產的HP6890氣相色譜，色譜柱為填充80/100目porapak Q的填充柱，柱溫45℃，檢測器溫度380℃，EC檢測，定量六通閥進樣，進樣量1 mL，載氣為5%Ar-CH4，流速20 mL/min。

N2O氣體質量的計算方法如下：N2O（kg/hm2）=M×1.25×10-9×（V1-V2）/S×10 000/1 000，式中：M為N2O氣體濃度 （g/mL），V1、V2分別為培養(yǎng)桶和土壤的有效體積（mL），S為土柱面積（m2）。

2 結果與分析

2.1 辣椒地土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量隨時間的變化

從圖1、圖2可以看出，在辣椒生長季中不施肥處理的土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)含量均維持在較低水平，而施肥處理的土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量有明顯的變化幅度?；适┯煤?，在土壤脲酶作用下尿素水解成銨態(tài)氮，使土壤中的銨態(tài)氮含量逐漸升高，然后降低；而這時期土壤中硝態(tài)氮的含量較低。追肥后土壤中銨態(tài)氮含量又有所升高，這個時期的硝態(tài)氮含量也開始升高，而且硝態(tài)氮含量高于銨態(tài)氮。這是由于土壤硝化作用逐漸使銨態(tài)氮轉化成硝態(tài)氮。這一結果表明，辣椒地土壤具有較高的硝化活性。

圖1 辣椒地土壤銨態(tài)氮含量隨時間的變化趨勢

圖2 辣椒地土壤硝態(tài)氮含量隨時間的變化趨勢

圖3 辣椒地土壤反硝化活性隨時間的變化趨勢

圖4 辣椒地土壤N2O排放通量隨時間的變化趨勢

2.2 辣椒地土壤反硝化活性隨時間的變化

由圖3中可知，隨著施肥量的提高，辣椒地土壤反硝化損失量顯著增加。施基肥后反硝化活性出現一個峰值，而后逐漸降低；2次追肥后，又都出現峰值，而且隨著施肥量的增加，反硝化損失量的變幅增大。其中N0變幅為0.002～0.156 kg·hm-2·d-1，N225和N450的變幅為0.005～0.213 kg·hm-2·d-1和0.013～0.289 kg·hm-2·d-1。這說明辣椒地土壤也有較高的反硝化活性。

2.3 辣椒地土壤N2O排放量隨時間的變化

與反硝化活性變化規(guī)律一樣，辣椒地土壤N2O排放通量隨施肥量的增加而增大 （圖4）。對照、常規(guī)施氮和高氮施肥處理的土壤N2O排放通量最高峰值分別為0.032，0.219和0.639 kg·hm-2·d-1，而且每次峰值的出現均在施肥、松土和澆水等耕作管理措施之后。這說明辣椒地土壤翻耕和干濕交替調節(jié)了土壤的通氣性和水分條件從而增強了土壤的硝化反硝化活性，致使N2O排放量增加。這些因子都是調控土壤硝化反硝化活性與N2O排放量的主要因子，因此在耕作管理上應加強對這些因子的調控，達到降低氮素損失和減排的目的。

2.4 辣椒地土壤反硝化活性及N2O排放通量與土壤水分和含氮量的相關關系

土壤反硝化損失與N2O排放通量受諸多因子的影響，如土壤水分、質地、pH值、有機質含量、含氮量、溫度和微生物群體量與活性等[15]。但是不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同作物土壤系統(tǒng)中，土壤反硝化活性受各種因子的影響程度不一樣。從表1的相關性分析結果來看，辣椒地土壤反硝化活性與土壤含水量極顯著相關，與土壤銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量的相關性隨施肥量的增加而增強；當施氮量達到450 kg/hm2時，反硝化活性與土壤銨態(tài)氮含量達到顯著水平。N2O排放通量與土壤含水量也呈極顯著相關。不施肥條件下N2O排放通量與土壤銨態(tài)氮含量呈顯著負相關，施肥條件下與土壤銨態(tài)氮含量呈顯著或極顯著正相關；與土壤硝態(tài)氮含量的相關關系隨施肥量的增加而增強，當施氮量達到450 kg/hm2時，N2O排放通量與土壤硝態(tài)氮含量達到顯著水平，這表明N2O排放量隨施氮量增加而顯著提高。同時也可以看出，除減少氮肥施用量可以減少土壤反硝化損失和N2O排放量以外，調節(jié)土壤水分含量也是一項重要的調控措施。

2.5 辣椒地土壤氮素反硝化損失與N2O排放量

由表2可知，施肥顯著增加辣椒地土壤氮素反硝化和N2O排放量，而且隨施氮量的增加而增加。不施肥、常規(guī)施氮和高氮施肥條件下辣椒全生育期辣椒地土壤反硝化損失和 N2O排放量分別為3.62，6.68，16.13和1.09，7.06，25.06 kg/hm2；其中常規(guī)施氮處理的土壤反硝化損失和N2O排放量分別占施肥量的1.36%和2.65%，高氮施肥處理分別占施氮量2.78%和5.33%。

表1 土壤反硝化活性、N2O排放量與土壤水分和含氮量的相關性

表2 辣椒全生育期土壤反硝化損失及N2O排放量

3 結論

①辣椒地土壤有較強的硝化反硝化活性，辣椒全生育期不施肥、常規(guī)施氮和高氮施肥處理的反硝化損失量分別為1.09，6.68和16.13 kg/hm2。常規(guī)施氮和高氮施肥處理的反硝化損失量分別占施肥量的1.36%和2.78%。

②辣椒地精耕細作，人為干擾強烈，土壤疏松，通氣性好，因此菜地土壤具有較高的硝化反硝化活性，因而產生較高的N2O排放量。辣椒全生育期不施肥、常規(guī)施氮和高氮施肥處理的N2O排放量分別為3.62，7.06和25.06 kg/hm2。氮肥產生的N2O排放量分別占施氮量的2.65%和5.33%，對大氣環(huán)境可能產生較大影響。

③本研究結果表明，辣椒地土壤反硝化活性與N2O排放量受施氮量、土壤水分含量和翻耕、松土等耕作措施影響較大，與土壤水分含量成極顯著正相關關系。因此，在耕作管理中應該加強施肥與水分管理，調節(jié)土壤反硝化活性與N2O排放量。

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Denitrification Loss and N2O Emission from Nitrogen Fertilizer Applied to Capsicums Field

DING Hong1,2,ZHANG Yushu1,WANG Yuesi2,YAN Mingjuan1,QIN Shengjin1,HU Xiaoxia1
(1.Institute of Soil and Fertilizer,Fujian Academy of Agricultural Sciences,Fuzhou 350013; 2.LAPC,Institute of Atmospheric Physics,CAS)

The denitrification loss and N2O emission from a capsicums field which was applied with nitrogen fertilizer were investigated by soil core incubation-acetylene inhibition method.The results showed that,nitrification and denitrification activities in capsicums field was high and significantly increased with fertilizer amount.Denitrification loss and N2O emissions from capsicums field with no fertilizer,conventional N fertilizer amount and high N fertilizer amount were 3.62,6.68,16.13,1.09,7.06,25.06 kg/hm2,respectively,which accounted for 1.36%,2.65%and 2.78%,5.33%of applied nitrogen fertilizer.The proportion of fertilizer N loss from denntrification in capsicums field was not high,but the N2O emission amount from nitrification and denntrification was relative higher,which had significant impact on the atmosphere environment.

Capsicums field;Nitrogen fertilizer;Denitrification;Nitrous oxide

10.3865/j.issn.1001-3547.2010.08.029

福建省自然基金重點項目（2006J0009），福建省自然基金項目（2008J0120），福建省科技廳公益性項目（閩財指[2009]0584-4）和省財政專項-福建省農業(yè)科學院科技創(chuàng)新團隊建設基金（編號：STIF-Y01）

丁洪（1965-），男，博士，研究員，主要從事植物營養(yǎng)與施肥研究，E-mail:hongding@China.com

2010-03-05