胡正華,楊燕萍,李涵茂,陳書濤,李岑子,申雙和(.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 0044；.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇 南京 0044)

UV-B增強與秸稈施用對土壤-大豆系統(tǒng)呼吸速率和N2O排放的影響

胡正華1*,楊燕萍1,李涵茂1,陳書濤1,李岑子1,申雙和2(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇 南京 210044)

采用人工模擬UV-B增強方式,通過大田試驗,研究了UV-B增強與秸稈施用對土壤-大豆系統(tǒng)呼吸速率和N2O排放通量的影響.結(jié)果表明:在三葉-分枝期、開花-結(jié)莢期、鼓粒成熟期和全生長期,UV-B增強,系統(tǒng)平均呼吸速率分別降低了59.88%,65.47%,67.35%和64.44%,N2O平均排放通量分別降低了37.94%,24.61%,48.42%和34.16%;秸稈施用促進(jìn)了系統(tǒng)呼吸速率,4個時期平均呼吸速率分別增加了59.88%,61.50%,99.16%和64.44%;降低了全生長期的N2O平均排放通量,但沒有達(dá)到顯著差異水平(P=0.236).UV-B增強和秸稈施用復(fù)合處理顯著增大土壤-大豆系統(tǒng)的呼吸速率,降低全生長期的N2O平均排放通量,但沒有達(dá)到顯著差異水平(P=0.229).

UV-B輻射；秸稈施用；呼吸速率；N2O排放；土壤-大豆系統(tǒng)

Abstract：To investigate the combined influence of enhanced UV-B radiation and straw addition on respiration rate and N2O emission from soybean ecosystem, field experiments were carried out during soybean growing season. Enhanced UV-B radiation significantly declined mean respiration rate (MRR) and mean N2O flux (MNF). During the trefoil-branching stage, flowering-podding stage, filling-ripening stage and whole growth stage, MRR were declined by 59.88%,65.47%,67.35% and 64.44%, respectively, MNF were decreased by 37.94%,24.61%,48.42% and 34.16%, respectively. Straw addition (S) had a positive effect on respiration rate, which increased by 59.88%,61.50%,99.16% and 64.44% in above 4 stages. Though S treatment declined MNF of whole growth stage, there was no significant difference between S and the control (C) (P=0.236). Combined treatment of straw addition and enhanced UV-B radiation (SU) significantly accelerated the reapiration rate, declined MNF of whole growth stage, but there was no significant difference in MNF between SU and C (P=0.229).

Key words：UV-B radiation；straw addition；respiration rate；N2O emission；soil-soybean system

全球變暖源于溫室氣體的大量排放.農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體的重要排放源,其CO2排放量占全球人為排放量的10%～12%,而N2O排放所占比例則高達(dá)60%[1].由于大量氟氯烷烴(CFCs)的排放導(dǎo)致平流層臭氧濃度減少,使到達(dá)地表的紫外線B(UV-B)輻射增強[2].UV-B增強不僅降低作物光合與蒸騰速率[3]、影響作物生理生化過程[4]、減少作物產(chǎn)量[5],并可改變土壤微生物的組成與活性[6-7].秸稈施用作為一種低投入、可持續(xù)的秸稈資源利用方式,正為我國農(nóng)業(yè)部門積極推廣.秸稈施用不僅能顯著增加土壤有機質(zhì)的含量

[8],還可提高土壤酶活性和土壤微生物量[9].而作物生長和土壤微生物等是影響農(nóng)田溫室氣體產(chǎn)生和排放的重要因素,因此UV-B增強與秸稈施用可能影響到農(nóng)田溫室氣體的排放量.

以往的研究僅對UV-B增強[10-11],或秸稈施用條件下[12-14]農(nóng)田溫室氣體的排放進(jìn)行了一些觀測試驗,而兩者復(fù)合處理對農(nóng)田溫室氣體排放的影響規(guī)律鮮有報道.本研究在大田條件下,進(jìn)行UV-B增強和秸稈施用處理,測定土壤-大豆系統(tǒng)的呼吸速率和N2O排放通量,探討UV-B增強與秸稈施用對呼吸速率和N2O排放通量的復(fù)合影響.

1 材料與方法

1.1試驗材料與田間管理

田間試驗于2008年大豆生長季在南京信息工程大學(xué)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗站進(jìn)行.供試土壤為潴育型水稻土(灰馬肝土屬),耕層土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土,黏粒含量為26.1%,土壤pH(H2O)值為6.2,有機碳、全氮的含量分別為19.4,1.45 g/kg.供試大豆品種為八月白(購于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院),主要生長期和施肥管理見表1.

表1 大豆主要生長期和施肥管理Table 1 Developmental stages of soybean and fertilize management

1.2試驗設(shè)計

UV-B處理設(shè)自然光和比自然光增強20%2個水平;秸稈施用處理設(shè)不施用秸稈和施用秸稈2種類型,秸稈是前茬的小麥秸稈,秸稈施用量為225g/m2(干重).共有4種處理:對照(C,自然光和不施用秸稈)、UV-B增強(U)、秸稈施用(S)、秸稈施用+UV-B增強(SU),每種處理均有3個試驗小區(qū),每小區(qū)面積為(3×4)m2,計12個小區(qū).為防止物質(zhì)交換,小區(qū)之間設(shè)有間隔.

播種前將秸稈鍘成2～3cm段,均勻撒于地表,全部翻埋.將UV-B燈管(40 W,峰值313nm,上海華德電光源廠)懸掛于作物上方,用于模擬UV-B輻射增強.所有小區(qū)均懸掛UV-B燈管,但C和S小區(qū)的燈管包裹Mylar膜(厚度125μm,美國杜邦公司),以濾掉320nm以下的光譜,使各小區(qū)的遮陰、UV-A和有效光合輻射(PAR)等環(huán)境條件相同.為防止Mylar膜光分解導(dǎo)致UV-B過濾不均,每周更換一次Mylar膜.用UV-B監(jiān)測裝置(探頭SKU430,光譜范圍280～315nm,數(shù)據(jù)采集器Skye-Datahog,英國Skye公司)自動記錄UV-B強度.UV-B增強處理從大豆出苗開始,直至收獲,處理時間為每天8:00～16:00,陰雨天停止照射.

1.3氣樣采集與分析

氣體樣品的采集與分析采用靜態(tài)箱-氣相色譜法[15].每周采集氣樣1～2次.采樣箱高度為1m,由PVC材料制成,箱體包裹海綿和鋁箔.采樣底座為無底盆缽,高10cm,盆缽上口有1.5cm深的凹槽,用以在采樣時注水與采樣箱密封.將采樣箱罩于底座上,連接好采氣設(shè)備和溫度計,向凹槽中加水密封.分別于關(guān)箱后0,10,20min,用帶有三通閥的針筒采集氣樣,每次抽樣50mL.同時,記錄箱內(nèi)氣溫、土壤溫度和土壤水分等.氣樣用經(jīng)改裝的Agilent-6890N氣相色譜儀同步檢測CO2和N2O的混合比.通過對每組3個樣品的目標(biāo)氣體混合比與相應(yīng)的采樣間隔時間進(jìn)行線性回歸,求得目標(biāo)氣體的排放速率.再根據(jù)大氣壓、氣溫、普適氣體常數(shù)、采樣箱的有效高度、目標(biāo)氣體分子量等,求得單位面積的排放量[15].土壤-大豆系統(tǒng)的呼吸速率通過測定CO2的排放量來確定.

1.4統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2003進(jìn)行計算與分析,用統(tǒng)計軟件SPSS13.0進(jìn)行顯著性檢驗和相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1各處理對土壤-大豆系統(tǒng)呼吸速率的影響

由圖1可見,各處理土壤-大豆系統(tǒng)呼吸速率的變化形式基本相同,總體呈現(xiàn)先增加后下降的特征(9月12日為陰雨天,呼吸速率較低),UV-B增強、秸稈施用及2者的復(fù)合處理都沒有改變呼吸速率的變化規(guī)律.

在4種處理中,U處理的呼吸速率最低,UVB增強顯著降低了土壤-大豆系統(tǒng)的呼吸速率,表現(xiàn)出較強的抑制作用.秸稈施用處理(S處理、SU處理)的呼吸速率顯著高于沒有秸稈施用處理(C處理、U處理),秸稈施用及其與UV-B增強的復(fù)合處理顯著增加了呼吸速率表明2者共同作用時,UV-B增強的抑制作用并沒有表現(xiàn)出來.

圖1 UV-B增強與秸稈施用對土壤-大豆系統(tǒng)呼吸速率的影響Fig.1 Effect of enhanced UV-B radiation and straw addition on respiration rate of soil-soybean system

由表2可見,無秸稈施用時,U處理顯著降低了平均呼吸速率,與C處理相比,三葉-分枝期、開花-結(jié)莢期、鼓粒成熟期和全生育期的降幅分別達(dá)到了59.88%(P=0.001)、65.47%(P=0.001)、67.35%(P=0.005)和64.44%(P=0.001).S處理顯著增加了平均呼吸速率,與C處理相比,三葉-分枝期、開花-結(jié)莢期、鼓粒成熟期和全生長期的增幅分別達(dá)到了59.88%、61.50%、99.16%, 64.44%. SU處理也顯著提高了呼吸速率,三葉-分枝期、開花-結(jié)莢期、鼓粒成熟期和全生長期的呼吸速率分別是C處理的1.46倍,2.06倍,2.24倍,1.89倍.

表2 UV-B增強與秸稈施用對不同生長期土壤-大豆系統(tǒng)平均呼吸速率的影響[g/(m2·h)]Table 2 Effect of enhanced UV-B radiation and straw addition on average respiration rate of soil-soybean system in different developmental stages[g/(m2·h)]

與S處理相比,在開花-結(jié)莢期,SU處理的平均呼吸速率顯著高于S處理;在其他生育期,SU處理的呼吸速率也高于S處理,但沒有達(dá)到顯著水平.施用秸稈后呼吸速率高于不施用秸稈,其原因可能是:一方面,秸稈施用給土壤微生物增添了大量能源物質(zhì),微生物數(shù)量和酶活性也相應(yīng)增加[9],促使土壤微生物呼吸增強;另一方面,秸稈施用加速了微生物對有機物質(zhì)的分解和礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化[16],土壤肥力升高,作物生長旺盛,植株呼吸增強.UV-B增強在無秸稈施用時抑制呼吸作用,在有秸稈施用時促進(jìn)呼吸作用,其原因可能是UV-B增強加速了秸稈分解,提高了秸稈碳轉(zhuǎn)化率.

2.2各處理對土壤-大豆系統(tǒng)N2O排放的影響

由圖2可見,各處理N2O排放通量的變化形式基本相同,UV-B增強、秸稈施用及其復(fù)合處理都沒有改變N2O排放通量的變化規(guī)律.在植株生長初期,N2O排放通量較低且變化不大;在開花-結(jié)莢期,大豆由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)入生殖生長,養(yǎng)分吸收形成一個小高峰,尤其N素吸收達(dá)到峰值,從而促進(jìn)大豆植株的N2O排放[17].8月15日,N2O排放通量達(dá)到了一個高峰,主要原因可能是進(jìn)入雨季后,土壤濕度增加,造成N2O排放通量增加.

圖2 UV-B增強與秸稈施用對土壤-大豆系統(tǒng)N2O排放通量的影響Fig.2 Effect of enhanced UV-B radiation and straw addition on N2O emission flux from soil-soybean system

由表3可見,U處理的平均N2O排放通量最低,與C處理相比,三葉-分枝期、開花-結(jié)莢期、鼓粒成熟期和全生長期的N2O排放通量分別降低了37.94%(P=0.001)、24.61%(P=0.038)、48.42% (P=0.007)和34.16%(P=0.001),UV-B增強顯著抑制了N2O的排放. S處理與SU處理顯著增加了開花-結(jié)莢期N2O平均排放通量,增幅分別為19.37%和20.56%;顯著降低(P＜0.05)了三葉-分枝期的N2O平均排放通量,降幅分別為26.42%和22.31%;也降低了鼓粒成熟期的N2O平均排放通量,但未達(dá)到顯著水平.

表3 UV-B增強與秸稈施用對不同生長期土壤-大豆系統(tǒng)平均N2O排放通量的影響[μg/(m2·h)]Table 3 Effect of enhanced UV-B radiation and straw addition on average N2O fluxes from soil-soybean system in different developmental stages[μg/(m2·h)]

不施用秸稈時,UV-B增強顯著降低土壤-大豆系統(tǒng)的平均N2O排放通量,其可能原因:UV-B抑制植物生長,有機物質(zhì)積累受阻,生物量降低[18],N2O的產(chǎn)生和排放量隨之降低;UV-B輻射影響作物生理代謝過程導(dǎo)致根系吸收有效氮降低,土壤有效氮增加,高強度UV-B處理能增加根際土壤亞硝酸細(xì)菌和硝化反硝化細(xì)菌數(shù)量[6],可能使土壤硝化反硝化過程更完全,有效氮更多地轉(zhuǎn)化為N2,而不是中間產(chǎn)物N2O,從而使土壤N2O的產(chǎn)生和排放量降低.從N2O排放通量平均值來看,秸稈施用降低了部分生長期的N2O排放通量.其原因可能是秸桿施用后,提高了土壤的C/N,引起微生物對N源的爭奪利用,土壤有效氮的利用較為充分,從而減少硝化反硝化過程中間產(chǎn)物N2O的產(chǎn)生[19].

2.3各處理對大豆生物量的影響

由表4可見,無秸稈施用時,UV-B增強顯著(P＜0.01)降低了生物量,與C處理相比,地上、地下和總生物量分別降低了68.29%,73.91%, 73.61%.秸稈施用顯著增加了生物量,S處理的地上、地下和總生物量分別增加了87.80%, 60.49%, 61.98%.SU處理也增加了生物量,地上、地下和總生物量分別增加了69.69%,82.37%,81.72%. SU處理與S處理的生物量沒有顯著差異,說明在秸稈施用條件下,UV-B增強對生物量的負(fù)效應(yīng)不明顯.將全生長期平均呼吸速率與生物量進(jìn)行相關(guān)性分析,y=33.096x+123.28(R2=0.996),顯著正相關(guān).UV-B增強主要通過降低植株生物量,從而減少呼吸速率;而秸稈施用增加了植株生物量,系統(tǒng)的呼吸速率增加.

施用秸稈可以有效緩解甚至消除UV-B對大豆生長的傷害.表現(xiàn)在施用秸稈條件下,UV-B增強對大豆生物量沒有抑制作用;但在不施用秸稈條件下,UV-B增強顯著降低了大豆的總生物量.這意味著有可能通過秸稈還田緩解UV-B增強對農(nóng)田作物(至少是大豆)生長的傷害.

表4 UV-B增強與秸稈施用對大豆收獲生物量的影響(g/盆)Table 4 Effect of enhanced UV-B radiation and straw addition on dry matter yield of soybean(g/pot)

3 結(jié)論

3.1UV-B增強、秸稈施用及2者的復(fù)合處理都沒有改變土壤-大豆系統(tǒng)呼吸速率和N2O排放通量的季節(jié)性變化規(guī)律.

3.2UV-B增強處理顯著降低了土壤-大豆系統(tǒng)的呼吸速率、N2O排放通量和大豆生物量.施用秸稈條件下,UV-B增強處理對呼吸速率、N2O排放通量和大豆生物量都沒有抑制效應(yīng).

3.3秸稈施用及其與UV-B增強的復(fù)合處理都顯著促進(jìn)了土壤-大豆系統(tǒng)的呼吸速率和大豆生物量,使全生長期的N2O平均排放通量略有降低.

[1] IPCC. Climate change 2007: the physical science basis. Contribution of working group I to the fourth assessment. Report of the intergovernmental pannel on climate change [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.

[2] Rozema J, Boelen P, Blokker P. Depletion of stratospheric ozone over the Antarctic and Arctic: Responses of plants of polar terrestrial ecosystems to enhanced UV-B, an overview [J]. Environmental Pollution, 2005,137:428-442.

[3] Yang S H, Wang L J, Li S H, et al. The effects of UV-B radiation on photosynthesis in relation to Photosystem II photochemistry, thermal dissipation and antioxidant defenses in winter wheat (Triticum aestivum L.) seedlings at different growth temperatures [J]. Functional plant biology, 2007,34(10):907-917.

[4] Pandey J, Kanambari. C Effects of enhanced UV-B radiation on physiological and biochemical characteristics of wheat [J]. Research on Crops, 2007,8(2):401-405.

[5] Yao Y N, Xuan Z Y, Li Y, et al. Effects of ultraviolet-B radiation on crop growth, development, yield and leaf pigment concentration of tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum) under field conditions [J]. European Journal of Agronomy, 2006,25: 215-222.

[6] 李 元,楊濟龍,王勛陵.紫外輻射增加對春小麥根際土壤微生物種群數(shù)量的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 1999,19(2):157-160.

[7] Johnson D, Campbell C D, Lee J A, et al. Nitrogen storage (communication arising): UV-B radiation and soil microbial communities [J]. Nature, 2003,423:137-138.

[8] Lennart M, Jan P. Impacts of rotations and crop residue treatments on soil organic matter content in two Swedish long-term experiments [J]. Archives of Agronomy and Soil Science, 2006,52(5):485-494.

[9] Li J, Zhao B Q, Li X Y, et al. Effects of long-term combined application of organic and mineral fertilizers on microbial biomass, soil enzyme activities and soil fertility [J]. Agricultural Sciences in China, 2008,7(3):336-343.

[10] 蔣靜艷,牛傳坡,胡正華,等.地表UV-B輻射增強對土壤-冬小麥系統(tǒng)N2O排放的影響機理研究 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2006,27(9): 1712-1716.

[11] 胡正華,蔣靜艷,牛傳坡,等.UV-B增強對土壤-大豆系統(tǒng)CO2排放的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009,29(4):425-430.

[12] Zou J W, Huang Y, Jiang J Y, et al. A 3-year field measurement of methane and nitrous oxide emissions from rice paddies in China: Effects of water regime, crop residue, and fertilizer application [J]. Global Biogeochemical Cycles, 2005,19(2):1-9.

[13] Naser H M, Nagata O, Tamura S, et al. Methane emissions from five paddy fields with different amounts of rice straw application in central Hokkaido, Japan [J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2007,53(1):95-101.

[14] 董海波,鄭循華,黃 耀,等.大氣CO2濃度升高和秸稈還田對稻麥輪作農(nóng)田N2O排放的影響 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 2009, 14(1):1-8.

[15] Wang Y S, Wang Y H. Quick measurement of CH4, CO2and N2O emissions from a short-time ecosystem [J]. Advance of Atmospheric Science, 2003,20(5):842-844.

[16] 孫 星,劉 勤,王德建,等.長期秸稈還田對土壤肥力質(zhì)量的影響 [J]. 土壤, 2007,39(5):782-786.

[17] 李 楠,陳冠雄.植物釋放N2O速率及施肥的影響 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 1993,4(3):295-298.

[18] Kakani V G, Reddy K R, Zhao D, et al. Field crop responses to ultraviolet-B radiation: a review [J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2003,120:191-218.

[19] 蔣靜艷,黃 耀,宗良綱.水分管理與秸桿施用對稻田CH4和N2O排放的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2003,23(5):552-556.

Combined effect of enhanced UV-B radiation and straw addition on respiration rate and N2O emission from soil-soybean system

HU Zheng-hua1*, YANG Yan-ping1, LI Han-mao1, CHEN Shu-tao1, LI Cen-zi1, SHEN Shuang-he2(1.College of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2010,30(4)：539～543

X511

A

1000-6923(2010)04-0539-05

胡正華(1973-),男,河南信陽人,副教授,博士,主要從事陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放與全球變化研究.發(fā)表論文30余篇.

2009-08-31

國家自然科學(xué)基金資助項目(40605029);中國博士后科學(xué)

(20070420195)

* 責(zé)任作者, 副教授, zhhu@nuist.edu.cn