全 文 ：大气 CO2 浓度升高对稻田土壤氮素的影响
*
王小治1,2**摇 张海进1 摇 孙摇 伟1 摇 封摇 克1 摇 朱建国2
( 1 扬州大学环境科学与工程学院, 江苏扬州 225127; 2 土壤与农业可持续发展国家重点实验室, 南京 210008)
摘摇 要摇 利用中国稻 /麦轮作 FACE(Free鄄Air Carbon鄄Dioxide Enrichment)试验平台,研究大气
CO2 浓度升高 200 滋mol·mol-1(周围大气中 CO2 浓度约 370 滋mol·mol-1)对稻季各生育期不
同深度土壤溶液 NH4 + 鄄N和 NO3 - 鄄N浓度的影响.结果表明:高 CO2 浓度条件下耕层土壤溶液
NH4 + 鄄N浓度在水稻生育前期有所增加,但在生育后期明显下降;大气 CO2 浓度升高增加了稻
季 5、15、30、60 和 90 cm 处土壤溶液 NO3 - 鄄N 浓度,分别比对照平均提高了 46郾 5% 、36郾 8% 、
23郾 3% 、103郾 7%和 42郾 7% ,在 60 和 90 cm处差异分别达到统计上的极显著和显著水平.
关键词摇 CO2 浓度升高摇 稻季摇 稻田土壤摇 NH4 + 鄄N摇 NO3 - 鄄N
文章编号摇 1001-9332(2010)08-2161-05摇 中图分类号摇 S151. 9摇 文献标识码摇 A
Effects of elevated atmospheric CO2 on paddy soil nitrogen content during rice season.
WANG Xiao鄄zhi1,2,ZHANG Hai鄄jin1,SUN Wei1,FENG Ke1,ZHU Jian鄄guo2 ( 1College of Environ鄄
ment Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu, China; 2State
Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Nanjing 210008, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,
2010,21(8): 2161-2165.
Abstract: Taking the China rice / wheat FACE (Free鄄Air Carbon Dioxide Enrichment) as a plat鄄
form, this paper studied the effects of elevated CO2 on the NH4 + 鄄N and NO3 - 鄄N contents at different
depths of paddy soil in rice season. Under elevated CO2, the NH4 + 鄄N content in plough layer in鄄
creased at early growth stage but decreased at late growth stage, and the soil NO3 - 鄄N content at the
depths 5, 15, 30, 60, and 90 cm increased by 46郾 5% , 36郾 8% , 23郾 3% , 103郾 7% , and 42郾 7% ,
respectively, with a significant increase occurred at the depths 60 cm (P<0郾 01) and 90 cm (P<
0郾 05), compared with the control.
Key words: elevated atmospheric CO2; rice season; paddy soil; NH4 + 鄄N; NO3 - 鄄N.
*国家自然科学基金重大国际合作项目(40120140817)、江苏省“青
蓝工程冶(苏教 2007鄄2)项目和扬州大学科技基金项目(2008CXJ015,
2009CXJ016)资助.
**通讯作者. E鄄mail: xzwang@ yzu. edu. cn
2009鄄11鄄25 收稿,2010鄄06鄄08 接受.
摇 摇 因森林砍伐、化石燃料的燃烧等人为活动的影
响,大气中 CO2 浓度已由工业革命前的(280 依10)
滋mol·mol-1增长到目前的约 380 滋mol·mol-1 [1],
并继续以每年 1郾 8 滋mol·mol-1的速度递增[2],到 21
世纪末可能达到 700 滋mol·mol-1 [3] .国外学者对大
气 CO2 浓度升高对地上部植物生长和包括氮素循
环在内的土壤过程已进行了大量研究.结果表明,高
CO2 浓度可以促进植物光合作用[4] . CO2 浓度升高
将降低麦田土壤碳矿化量,增加溶解无机碳( dis鄄
solved inorganic carbon,DIC)淋溶量,而对溶解有机
碳(dissolved organic carbon,DOC)和总碳淋溶量无
显著影响[5];但对种植橡树土壤的研究表明,CO2 浓
度升高可降低土壤氮矿化量[6] . CO2 浓度升高对稻
田生态系统的影响,已引起我国学者的广泛关注,目
前的研究主要集中在对水稻形态[7]、根系活力[8]、根
系分泌物[9]、植株体内元素状况[10]、土壤微生物[11]
的影响等方面.国内有关大气 CO2 浓度升高对土壤过
程影响的研究较少,对土壤氮素的动态变化也缺乏研
究.氮肥施入土壤后,通过气态挥发、淋溶和径流途径
损失,不仅能造成肥料、能源的浪费,而且对环境产生
污染[12] .氮素经径流和淋溶进入水体,会加重水体富
营养化和造成地下水污染并危及人类健康[13] .在未
来气候模式下,研究大气 CO2 浓度升高对稻田土壤氮
素淋溶损失的影响具有重要意义.
本文利用开放式稻 /麦轮作 FACE 试验研究平
台(Free鄄Air Carbon鄄Dioxide Enrichment),通过测定
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 8 月摇 第 21 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2010,21(8): 2161-2165
不同深度土壤溶液 NH4 + 鄄N和 NO3 - 鄄N 浓度,研究为
气候变化条件下农业生产中的氮肥施用和生态环境
的改善提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究地区概况
本试验于 2007 年在稻 /麦轮作 FACE 试验研究
平台进行,该平台位于江苏省扬州市小纪镇马凌村
(32毅35忆 N,119毅42忆 E),自 2004 年稻季开始运行.关
于该试验平台技术系统的软件和硬件设施等的详细
阐述见文献[14]. 研究区年降雨量约 1000 mm,年
平均温度约 15 益,年均日照时间约 2132 h,年无霜
期>220 d.土壤类型为发育于下位砂浆土的水耕人
为土(水稻土),0 ~ 15 cm 耕层土壤的基本性状为:
pH(H2O) 7郾 2,有机碳 18郾 4 g·kg-1,全氮 1郾 45 g·
kg-1,全磷 0郾 63 g·kg-1,全钾 14郾 02 g·kg-1,速效磷
10郾 1 mg·kg-1,速效钾 70郾 5 mg·kg-1,容重 1郾 16 g
· cm-3,土壤质地为砂壤 ( 2 ~ 0郾 02 mm 砂粒
57郾 8% ,0郾 02 ~ 0郾 002 mm 粉粒 28郾 5% ,<0郾 002 mm
粘粒 13郾 7% ).
1郾 2摇 试验设计
试验设 2 个 CO2 浓度水平,FACE 圈的 CO2 浓
度比对照圈 (即大气 CO2 浓度,约 370 滋mol ·
mol-1)高 200 滋mol·mol-1,用 FACE表示;对照圈用
CK表示. 每处理 3 次重复. FACE 圈设计为正八角
形,直径为 14 m,通过 FACE 圈周围的管道向圈中
心喷射纯 CO2 气体,电脑控制圈内 CO2 浓度,使其
全生育期平均 CO2 浓度保持在比正常大气 CO2 浓
度高 200 滋mol·mol-1,控制误差为 10% . 除 FACE
圈 CO2 浓度升高外,FACE 圈和对照圈的环境条件
与自然状态完全一致.
供试水稻品种为武香粳 14 号,大田育秧,6 月
14 日人工移栽,行距 25 cm,株距 16郾 7 cm,24 穴·
m-2,每穴 1 苗.施氮量为 250 kg N·hm-2,分基肥(6
月 13 日)、分蘖肥(6 月 21 日)和穗肥(7 月 30 日)3
次施用,基肥和分蘖肥占总施氮量的 60% ,穗肥占
40% .施 P、K 量均为 70 kg hm-2,磷、钾肥全部做基
肥施用.
1郾 3摇 土壤溶液的采集与分析
在水稻移栽后将根际土壤溶液取样器(RHI鄄
ZON SMS鄄MOM,荷兰 Eijkelkamp Agrisearch Equip鄄
ment公司)分两层(离地表 5 和 15 cm)插入根部土
壤.在距地表 30、60 和 90 cm处埋设抽滤管,抽滤管
用直径为 3 cm的塑料离心管制作,在管壁上等距离
(1 cm)打直径约 2 mm 的小孔,用 300 目的尼龙布
缠裹 3 层后扎紧,离心管上部用橡皮塞封口,将硬质
塑料细管(直径 3 mm)一端穿过橡皮塞插入离心管
底部,另一端露出地表供抽取滤液.
分别在水稻生长的分蘖期(6 月 30 日)、拔节期
(7 月 22 日)、抽穗期(8 月 15 日)和乳熟期(9 月 10
日),原位采集 5 和 15 cm 处土壤溶液,用负压法抽
取 30、60 和 90 cm 处土壤溶液.在每一圈层的每一
取样层次中设 2 个取样点混合待测. 样品放在聚乙
烯瓶内于 4 益保存,1 周内测定.
采用紫外分光光度法测 NO3 - 鄄N 浓度;靛酚蓝
比色法测 NH4 + 鄄N浓度.
1郾 4摇 数据处理
利用 Excel 2007 软件对数据进行处理, SPSS
15郾 0 软件进行 F检验和 ANOVA等统计分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 CO2 浓度升高条件下耕层土壤溶液 NH4 + 鄄N
浓度
由图 1可知,FACE和对照处理 5 cm处土壤溶液
NH4 +鄄N浓度的变化趋势一致,均随生育期的进行,表
现为先降低、再升高、后又降低的趋势,且不同生育期
之间差异极显著(P<0郾 01)(表 1). FACE 田块 5 cm
处土壤溶液 NH4 +鄄N浓度在分蘖期比对照高 105郾 7%
(P>0郾 05),在孕穗期比对照低 43郾 8%(P<0郾 05).
图 1摇 大气 CO2 浓度升高对耕层土壤溶液铵态氮浓度的影响
Fig. 1摇 Effect of elevated atmospheric CO2 on NH4 + 鄄N concen鄄
tration in soil solution at different depths of plough layer.
玉:分蘖期 Tillering stage;域:拔节期 Elongation stage;芋:孕穗期 Boo鄄
ting stage;郁:抽穗期 Heading stage. * P<0郾 05;** P<0郾 01. 下同
The same below.
2612 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
表 1摇 不同深度土壤溶液 NH4 + 鄄N和 NO3 - 鄄N浓度的两因素方差分析 F值
Tab. 1摇 F鄄values of a two鄄way factorial ANOVA on NH4 + 鄄N and NO3 - 鄄N concentration in soil solution at different depths
项目
Item
因素
Factor
土层 Soil depth (cm)
5 15 30 60 90
NH4 + 鄄N C 0郾 840(0郾 376) 0郾 051(0郾 824)
G 11郾 297(0郾 001) 1郾 298(0郾 312)
C伊G 2郾 469(0郾 108) 0郾 948(0郾 442)
NO3 - 鄄N C 0郾 220(0郾 646) 0郾 209(0郾 654) 0郾 785(0郾 391) 16郾 006(0郾 001) 6郾 569(0郾 021)
G 0郾 788(0郾 519) 1郾 870(0郾 175) 3郾 356(0郾 050) 5郾 056(0郾 012) 10郾 870(0郾 000)
C伊G 0郾 253(0郾 858) 1郾 057(0郾 395) 1郾 560(0郾 243) 4郾 798(0郾 014) 2郾 894(0郾 068)
C:CO2;G:生育期 Growth. 括号内为 P值 Data in the parentheses were P values.
摇 摇 FACE 处理 15 cm 处土壤溶液 NH4 + 鄄N 浓度也
表现为先降低、再升高、后又降低的趋势,与 5 cm处
一致;但对照处理 15 cm 处土壤溶液 NH4 + 鄄N 浓度
的变化趋势有所不同,拔节期略高于分蘖期. 15 cm
处土壤溶液 NH4 + 鄄N浓度在不同生育期之间未表现
出显著差异(表 1). FACE 处理在分蘖期 NH4 + 鄄N 浓
度比对照高 125郾 4% (P>0郾 05),在孕穗期比对照低
48郾 5% (P<0郾 01).
虽然 CO2 浓度升高对 5 和 15 cm 处土壤溶液
NH4 + 鄄N浓度的影响不显著,但综合整个生育期来
看,在分蘖期有增加耕层土壤溶液 NH4 + 鄄N 浓度的
趋势,而后期有降低耕层土壤溶液 NH4 + 鄄N 浓度的
趋势,在孕穗期尤为显著.
2郾 2摇 CO2 浓度升高条件下耕层土壤溶液 NO3 - 鄄N浓
度
由图 2 可知,随着生育期的进行,FACE 和对照
处理 5 cm处土壤溶液 NO3 - 鄄N浓度基本呈现下降趋
图 2摇 大气 CO2 浓度升高对耕层土壤溶液中硝态氮浓度的
影响
Fig. 2摇 Effect of elevated atmospheric CO2 on NO3 - 鄄N concen鄄
tration in soil solution at different depths of plough layer.
势,但由于重复之间的变异较大,在不同生育期之间
差异不显著(表 1).在 4 次采样中,FACE 处理 5 cm
处土壤溶液 NO3 - 鄄N浓度均高于对照,在分蘖期、拔
节期、孕穗期和抽穗期分别比对照增加 39郾 1% 、
61郾 0% 、68郾 8% 和 18郾 9% ,整个生育期平均增加
46郾 5% .
15 cm处土壤溶液 NO3 - 鄄N 浓度随生育期的变
化趋势与 5 cm 不同,基本呈上升趋势(图 2),不同
生育期之间也未表现出显著性差异(表 1).在 4 次
采样中,FACE处理 15 cm处土壤溶液 NO3 - 鄄N 浓度
均高于对照,在分蘖期、拔节期、孕穗期和抽穗期分
别比对照增加 6郾 4% 、24郾 0% 、34郾 9%和 68郾 3% ,整
个生育期平均增加 36郾 8% .
2郾 3 摇 CO2 浓度升高条件下不同层次土壤溶液
NO3 - 鄄N浓度
对分蘖期的测定结果表明,30 ~ 90 cm 的土壤
溶液中 NH4 + 鄄N浓度很低(数据未列出),故未测定
后 3 次采样中该层土壤溶液 NH4 + 鄄N 浓度. 由图 3
可知,同一处理同一时期的土壤溶液 NO3 - 鄄N 浓度
随深度的增加呈现下降趋势;随着生育期的进行,不
同层次土壤溶液 NO3 - 鄄N 浓度大致表现出先升高后
降低的趋势,30、60 和 90 cm处土壤溶液 NO3 - 鄄N浓
度均以拔节期最高. 拔节期不同层次土壤溶液
NO3 - 鄄N浓度均高于分蘖期,对照处理 30、60 和 90
cm 土壤溶液 NO3 - 鄄N 浓度比分蘖期分别增加
41郾 7% 、17郾 9%和 124郾 8% ,而 FACE 处理 30、60 和
90 cm土壤溶液 NO3 - 鄄N 浓度比分蘖期分别增加
260郾 7% 、341郾 9%和 300郾 8% .可见,虽然 FACE和对
照处理土壤溶液 NO3 - 鄄N 浓度在拔节期均比分蘖期
有所增加,但 FACE处理增加幅度更大(P<0郾 01).
摇 摇 从图 3 还可以看出, FACE 处理土壤溶液
NO3 - 鄄N浓度除分蘖期和孕穗期 30 cm 处小于对照
处理外,其余各时期各层次均高于对照处理.分蘖期
FACE和对照处理在 60 和 90 cm处土壤溶液 NO3 - 鄄
36128 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王小治等: 大气 CO2 浓度升高对稻田土壤氮素的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 大气 CO2 浓度升高对不同层次土壤溶液硝态氮浓度
的影响
Fig. 3摇 Effect of elevated atmospheric CO2 on NO3 - 鄄N concen鄄
tration in soil solution at different depths.
N浓度比较接近,拔节期 FACE处理 30、60 和 90 cm
土壤溶液 NO3 - 鄄N浓度比对照分别高 98% 、311郾 1%
和 93郾 4% ,其中在 60 和 90 cm处 FACE和对照处理
的差异均达显著水平(P<0郾 05).与拔节期相比,孕
穗期和抽穗期 FACE 处理 60 和 90 cm 处土壤溶液
NO3 - 鄄N浓度增加程度明显低于对照. 4 个生育时期
FACE处理 30、60 和 90 cm 土壤溶液 NO3 - 鄄N 平均
浓度分别比对照高 23郾 3% 、103郾 7%和 42郾 7% ,其中
60 和 90 cm处分别达极显著和显著差异(表 1),表
明大气 CO2 浓度升高可能增加了稻季 NO3 - 鄄N 的淋
溶损失.
3摇 讨摇 摇 论
本试验结果表明,在水稻生育前期 CO2 浓度升
高增加了 5 和 15 cm处土壤溶液 NH4 + 鄄N浓度,这与
麦季结束后的研究结果一致[15],但在水稻生育后期
FACE处理降低了耕层土壤溶液 NH4 + 鄄N浓度,在孕
穗期达到显著水平. 显然,高 CO2 处理加速了耕层
土壤 NH4 + 鄄N 浓度的降低,这种降低可能与 CO2 浓
度升高条件下水稻吸收更多的氮[16],或与氨挥发及
硝化强度的强弱有关.
在森林和草地系统的研究中发现 CO2 浓度升
高可提高土壤 NO3 - 鄄N含量[17-18] .本研究结果表明,
大气 CO2 浓度升高明显提高了不同层次土壤溶液
NO3 - 鄄N浓度,在 60 和 90 cm 处达到极显著和显著
水平.究其原因,一方面,大气 CO2 浓度升高可能通
过影响土壤酶活性[19],直接影响氮的矿化[20],大气
CO2 浓度升高还会使进入土壤的可溶态碳增多[21],
提高土壤微生物的数量和活性[22],加速土壤有机物
的分解和氮矿化[21],同时大气 CO2 浓度升高还可增
加稻田温度[23],促进土壤呼吸[24],这将增强土壤矿
化作用和呼吸作用,加速土壤氮的释放[25],从而提
高土壤速效氮含量;另一方面,大气 CO2 浓度升高
会抑制水稻土的反硝化活性[26],进而增加土壤硝态
氮含量. 但值得注意的是,由于大气 CO2 浓度升高
显著增加了水稻各生育时期根数、根长、根体积和根
干物质量等指标[27],根系的变化可能导致土壤结构
更为松散,使渗漏强度增加,从而进一步加大了
NO3 - 鄄N的淋溶损失.
研究表明,大气 CO2 浓度升高将增加水稻总吸
氮量[17],增大稻季氮素径流损失[28],而本研究表
明,大气 CO2 浓度升高会增加稻季 NO3 - 鄄N 的淋溶
损失.因此可以推测,在未来大气 CO2 浓度升高条
件下,稻田土壤排入地表水和地下水的氮将增加,并
加速稻田生态系统土壤氮素的消耗和损失,进而影
响土壤供氮能力和土壤氮素的地球化学循环. 这也
提示我们在未来气候模式下,应合理施用氮肥,同时
注意加大对稻田氮素淋溶损失的控制.
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作者简介 摇 王小治,男,1975 年生,博士,副教授. 主要从事
农业资源与环境研究,发表论文 30 余篇. E鄄mail: xzwang@
yzu. edu. cn
责任编辑摇 张凤丽
56128 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王小治等: 大气 CO2 浓度升高对稻田土壤氮素的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇