不同施氮水平下乙草胺对土壤温室气体排放的影响

陈静蕊

摘 要：在实验室培养条件下，研究土壤中不同尿素氮肥用量添加乙草胺对土壤温室气体CO2、N2O和CH4排放过程的影响。试验设7个处理，分别为氮用量0、75、150和300mgN·kg-1以及氮用量75、150、300mgN·kg-1+乙草胺（10mg有效成分）处理。结果表明，氮肥用量为0、75和150mgN·kg-1时，培养期间其N2O的排放总量无差异；用量为300mgN·kg-1时，显著增加土壤中N2O的排放量（p<0.05）。與不施氮处理相比，氮用量为75mgN·kg-1时，显著降低了土壤CO2的排放量；用量为150mgN·kg-1时，影响不显著；用量为300mgN·kg-1时，显著增加了CO2的排放量（p<0.05）。氮肥用量为75和150mgN·kg-1时，乙草胺对土壤N2O和CO2排放总量的影响不显著；氮肥用量为300mgN·kg-1时，乙草胺显著降低了土壤N2O和CO2排放总量（P<0.05），分别比不施乙草胺处理降低33.9%和11.6%。不同氮肥和乙草胺用量对CH4排放量均没有明显影响。可见，除草剂施用对高氮肥用量条件下土壤温室气体具有显著的减排效应。

关键词：乙草胺；氮肥用量；土壤；温室气体

中图分类号 S154.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）01-0010-04

Abstract：In order to assess the effects of acetochlor on greenhouse gas emission in soil with different urea nitrogen application rates，an incubation experiment was conducted under laboratory condition with 7 treatments including nitrogen （0，75，150 and 300 mgN·kg-1），nitrogen （75，150 and 300 mgN·kg-1） + acetochlor （10 mg·kg-1，active ingredient）.The results showed that nitrogen was no significant effect on N2O emission at 75 and 150 mgN·kg-1 nitrogen concentration treatments.When the nitrogen concentrate increased to 300 mgN·kg-1，the total amount of N2O emission increased significantly.Compared with the 0 mgN·kg-1 nitrogen concentrate treatment，the CO2 emission was significant negative effect when the nitrogen concentrate was 75 mgN·kg-1；no significant effect at 150 mgN·kg-1 and significantly increased at 300 mgN·kg-1 concentration treatments.The acetochlor had no effect on soil CO2 and N2O emission under 75 and 150 mgN·kg-1 nitrogen concentration treatments，but showed significant negative effect at 300 mgN·kg-1 nitrogen concentration treatments，compared with urea treatment it reduced the N2O and CO2 emission 33.9% and 11.6% respectively （P<0.05）.Both the nitrogen concentration and acetochlor showed no significant differences on CH4 emission.

Key words：Acetochlor；Nitrogen fertilizer rates；Soil；Greenhouse emission

除草剂作为世界上用量最大的农药品种，2008年其在我国的施用面积已高达7×107hm2，并以每年200万hm2的速度不断扩大[1]。除草剂的大量施用使其直接或间接地进入到农田生态系统中，对现有的生态环境造成了很大的影响。就目前的研究而言，绝大多数的除草剂施用后都对土壤微生物的种群数量和活性产生较大影响[2-3]。土壤中的温室气体的产生和排放主要是由微生物参与的碳氮转化过程，除草剂的长期施用势必会通过影响土壤微生物的活性与多样性进而影响CO2、N2O和CH4的产生及排放[4-5]，且不同的除草剂品种对温室气体排放的影响不同[6]。

近些年来随着农业生产的快速发展，我国化肥使用量持续迅速增加[7]。不少研究表明，在不同的施氮水平下，土壤的酶活性、碳氮转化相关微生物的活性和种群数量[8-9]等均存在较大差异，这有可能会导致这些相关微生物对除草剂施用的响应也产生一定差异。然而，针对不同施氮量条件下，除草剂施用对土壤温室气体排放的影响情况还几乎未见相关的研究报道。因此针对不同的氮肥施用浓度下开展除草剂对农田土壤温室气体排放的影响的相关研究十分必要，可以为除草剂和氮肥的施用效应和安全施用评价提供科学依据。因此，本研究选择了我国最广泛使用的除草剂品种乙草胺开展这方面研究，可为土壤温室气体排放的估算和农药的安全使用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料 选用当前农业上常用的除草剂乙草胺（杭州庆丰农化有限公司50%乙草胺乳油）为研究对象，氮肥为普通尿素（N46%）。供试土壤取自福州市郊菜田土，土壤类型为灰泥土，有机质质量分数为21.30g·kg-1、全氮质量为1.65g·kg-1、碱解氮质量为123.70mg·kg-1、土壤容重为1.22g·cm-3、pH5.6。

1.2 试验设计 试验设7个处理，0、75、150和300 mgN·kg-1四个氮水平（尿素态氮）处理，分别用N0、N1、N2和N3表示；以及75、150和300mgN·kg-1+乙草胺处理，分别用HN1、HN2和HN3来表示。乙草胺的用量为10 mg·kg-1（折纯）。

野外采回的新鲜土壤微风干，过2mm筛，称取折合150g烘干土的微风干土，装入体积300mL的广口瓶中。肥料和除草剂均先按比例混合溶于水后定量加入，使土壤水分含量达到体积含水量的60%。然后用封口膜封口，保持瓶内外自由通气，在28℃下恒温好气培养。

在取样前1d，揭开封口膜，用带有2根玻璃管的软木塞塞住瓶口，密封，2 根玻璃管分别接1段硅胶管，其中1根接上三通阀，然后密封2根通气管。检查密封情况，如有漏气及时密封。培养24h后抽取气样，取样时将20mL塑料针筒接上三通阀瓶，打开阀门，来回推拉混匀几次，抽取瓶中20mL气体注入18mL的真空玻璃瓶中供分析用。分别在培养的第1、2、4、8、12、16、20、26、32、38、44d取样。

1.3 实验测定方法 气体样品分析应用经中国科学院大气物理所改装过的美国Agilent公司生產的GC7890A测定，N2O气体样品分析色谱柱为填充80/100目porapak Q的填充柱，柱温55℃，检测器温度330℃，ECD检测，定量六通阀进样，进样量1mL，载气为N2，流速30mL·min-1。

CO2和CH4气体样品分析为色谱柱为填充80/100目porapak Q的填充柱，柱温55℃，检测器温度200℃，FID检测，定量六通阀进样，进样量1mL，载气为N2，流速30mL·min-1。

单位时间气体排放通量的计算方法：

F（μg·kg-1土·h-1）=C×M/22.4×V/1000×1000/W/T。

式中，F为温室气体N2O、CO2和CH4的排放量，C为气体浓度测定值（μg·ml-1），M为1mol的气体质量，22.4为大气标准状态下阿伏伽德罗常数，V为培养瓶内总的自由体积（mL），1 000为mL换算成L，W为培养土壤重量（kg），1 000为土重g化成kg，T为密闭培养的时间（h）。

排放总量的计算方法：

F（μg·kg-1土）=∑（F1+F2）/2×t×24。

式中，F1为前一次测定值，F2为后一次测定值，t为相隔天数，24为每天小时数。

1.4 数据统计分析 试验数据统计分析和图表制作采用SPSS 13.0和Excel 2003。

2 结果与分析

2.1 乙草胺对土壤N2O排放的影响 土壤中的硝化和反硝化过程都是温室气体N2O的重要产生途径，当土壤中的生态环境因子发生改变时，会影响到硝化反硝化过程，从而对土壤N2O的排放产生影响。从图1可以看出，当氮肥用量为0、75和150mgN·kg-1时，土壤中的N2O排放量一直处于很低的水平。此时，施用乙草胺对其N2O排放的影响不明显。当氮肥用量上升至300mgN·kg-1时，土壤中N2O的排放速率急剧增加。整个培养期内，N3处理分别在第16d和26d出现了两个N2O的排放高峰，分别为2.10和54.15μgN·kg-1土·h-1。施用乙草胺的HN3处理在整个培养期内同样出现了两个N2O的排放高峰，但和N3处理不同，施用乙草胺显著增加了16d时的N2O排放速率，高达24.92μgN·kg-1土·h-1。然而NH3处理的第二个N2O排放高峰则出现在32d，比N3处理推迟了6d，且排放速率也降低为20.15μgN·kg-1土·h-1。到了培养第38d，各个处理的N2O排放速率均迅速降低，和空白处理无差异。

2.2 乙草胺对土壤CO2排放的影响 从图2可以看出，在整个培养期内，不施氮肥的N0处理，其CO2的排放一直处在一个较为稳定的水平。而在培养的第1d和第2d，施肥处理的CO2排放速率一直高于空白对照，说明往土壤中施用尿素氮肥在施肥的前期一定程度上增加了土壤温室气体CO2的排放量。在培养的第1d，氮肥用量为75和150mgN·kg-1的处理，其CO2排放速率出现了排放的最高峰值，且表现出氮肥施用量越高，CO2排放速率越大的规律（P<0.05）。当氮肥用量上升至300mgN·kg-1时，其CO2排放的高峰期则出现在培养的第2d。N1处理的CO2排放量在培养的第2d起迅速降低，和空白处理无差异；而N2和N3处理的CO2排放高峰期则持续到了培养的第4d。施用乙草胺在培养的第1d明显降低了土壤CO2的排放速率（P<0.05），而到了第2d时，施用和不施用乙草胺的处理其CO2排放速率无明显差异。

2.3 乙草胺对土壤CH4排放的影响 本试验中培养的土壤一直处于在60%的土壤体积含水量的好氧条件下，缺乏CH4大量产生的嫌气条件。因此，在整个培养过程中7个处理间的CH4排放通量均无差异（见图3），而且乙草胺对不同施氮条件下的土壤CH4排放量也没有明显影响。

2.4 乙草胺对土壤温室气体排放总量的影响 从表1中可以看出，氮肥用量为75和150mgN·kg-1时，培养期间其N2O的排放总量与空白处理无差异；氮肥用量上升到300mgN·kg-1时，土壤中N2O的排放量急剧增加，高达8 640.24μg·kg-1。除草剂乙草胺在氮肥用量为75和150mgN·kg-1时，对土壤中N2O的排放量无明显影响；当氮肥用量上升到300mgN·kg-1时，乙草胺的施用则显著降低了土壤N2O的排放量，和N3处理相比HN3处理的N2O降幅达33.94%。从表1还可以看出，当氮肥用量为75 mgN·kg-1时，整个培养期间的CO2排放量为显著低于空白处理（P<0.05），当氮肥用量为150mgN·kg-1时，施肥处理的CO2排放量和空白处理无差异；当氮肥用量上升至300mgN·kg-1时，则显著增加了土壤CO2的排放量。和N2O排放相似，乙草胺在氮肥用量为75和150mgN·kg-1时，对土壤中CO2的排放量无明显影响；当氮肥用量上升到300mgN·kg-1时，乙草胺的施用明显抑制土壤CO2的排放（P<0.05），降幅达11.60%。在本实验条件下，各个处理间的CH4排放总量均无差异。

3 讨论

国内外关于除草剂对土壤碳氮循环过程的影响主要集中在土壤微生物群落和酶活性等方面[10-11]，关于除草剂施用对土壤温室排放的影响研究还比较少。Kinney等[12]的室内模拟培养实验结果表明除草剂氟磺隆明显抑制了N2O的产生，且高剂量时抑制效果更加明显。Das等[13]的研究发现喷施苄嘧磺隆和丙草胺都减少了稻田N2O的排放。陈林梅等[14]人的研究发现喷施乙草胺和混剂苯磺隆+精噁唑禾草灵后10d内能显著减少麦田N2O的排放，而单施苯磺隆和精噁唑禾草灵对麦田N2O的排放没有显著性影响。我们先前研究也表明除草剂不论在田间试验条件还是在室内培养条件下都能够显著减少土壤N2O的排放但除草剂品种间存在明显差异[4-6]。可见，从大多数的研究结果看，除草剂的施用都会对土壤N2O的排放产生一定的抑制效果。然而本试验的结果却发现，在不同的氮肥用量下，除草剂对N2O排放的影响却不相同，低氮肥用量时抑制效果不明显；高氮肥用量时则显著降低了土壤N2O的排放。

前人关于除草剂对土壤CO2排放影响的结果不尽相同，这其中既有除草剂本身效应的差异，也有环境条件不同（如土壤特性）引起的差异。有研究表明除草剂施用对土壤呼吸具有一定促进作用[15-16]，这可能是由于土壤中存在许多能分解这些除草剂的微生物类群，除草剂为土壤微生物提供了碳源，进而使微生物数量增加；但也有研究表明除草剂施用对CO2排放量没有明显影响[17-18]。而本研究却发现，在中低浓度的氮肥用量条件下，乙草胺对CO2的排放没有明显影响，然而在较高的氮肥投入下，乙草胺却能显著降低土壤的CO2排放量。

综合CO2和N2O的排放结果看，在不同的施氮条件下，乙草胺对土壤温室气体排放的影响会有所差异，高氮用量条件下影响效果更明显。因此在探讨除草剂施用对农田土壤温室气体排放的影响时，不仅要考虑到除草剂种类、用量以及土壤类型的不同，还应当考虑到肥料施用量的不同所造成的差异。

4 结论

（1）當氮用量为75和150mgN·kg-1时，在培养期间其N2O的排放总量与空白处理无差异；当用量上升到300mgN·kg-1时，土壤中N2O的排放量显著增加至8640.24μg·kg-1（P<0.05）。

（2）和不施氮相比，施氮75mgN·kg-1时，显著降低了土壤CO2的排放量；当氮用量为150mgN·kg-1时，CO2排放量和空白处理无差异；施氮300mgN·kg-1时，则显著增加了土壤CO2的排放量（P<0.05）。

（3）施氮75和150mgN·kg-1时，乙草胺对土壤N2O和CO2排放总量的影响不显著。施氮300mgN·kg-1时，乙草胺显著降低了土壤N2O和CO2排放总量（P<0.05），分别比单施尿素处理降低了33.94%和11.60%。

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（责编：张长青）