耕作强度与土壤压实对田间条件下N?O排放的影响

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Influence of tillage intensity and soil compaction on N 2O emissions under field conditions

　　

摘要专业翻译 本研究旨在量化耕作强度（翻耕PL、减耕RT和免耕直播DS）对农田土壤物理性质及氧化亚氮（N?O）排放的影响，并评估机械轮辙压实对上述过程的调控作用。研究在丹麦两个试验点（Holstebro和Slagelse）开展为期两年的田间试验，结合土壤物理性质详查与静态箱法季节性N?O通量测定。结果表明，耕作对N?O排放的影响取决于环境因素，高土壤水分和受限的气体传输促进了N?O排放。轮辙压实使累积N?O排放量增加6至34倍，极端N?O排放峰值出现在特定点位环境因子组合条件下。研究强调，土壤压实对N?O排放的促进作用远大于耕作制度本身的差异，气体扩散系数（Dp/D0）较水分孔隙度（WFPS）更能解释N?O排放的动态变化。

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一、研究背景与科学问题

氧化亚氮（N?O）是重要的温室气体，其100年尺度全球增温潜势约为二氧化碳（CO?）的273倍，同时参与平流层臭氧消耗。农业土壤是全球N?O排放的主要来源，预计到2030年将占人为N?O排放量的59%。N?O主要经由土壤微生物的硝化和反硝化过程产生，受土壤水分、氧气（O?）有效性、温度、pH和矿质氮（N）浓度等因素调控。

耕作是改变土壤物理性质和生物地球化学条件的关键管理措施。传统翻耕（PL）增强土壤扰动、加速有机质矿化，可能提高N?O排放；而保护性耕作（减耕RT和免耕直播DS）限制扰动、保持土壤结构完整性，但已有研究对耕作强度影响N?O排放的结论不一致，甚至相互矛盾。土壤压实是另一个常被低估的调控因素，农业机械通行增加土壤容重、降低大孔隙度和气体扩散能力，限制O?供应，促进厌氧反硝化，增加N?O排放风险。然而，田间条件下同时量化耕作制度与轮辙压实对土壤物理性质及N?O排放影响的研究仍然缺乏。

本研究的主要目标是：在现实田间条件下量化耕作强度（PL、RT、DS）对土壤物理性质和N?O排放的影响；通过控制轮辙试验评估机械压实的作用，并检验不同耕作制度对压实响应的差异。研究假设：PL因土壤扰动较大而排放高于RT和DS；轮辙压实会降低土壤通气性、增加WFPS，从而在所有耕作处理中促进N?O排放。

二、研究设计与方法概述

研究在丹麦Holstebro（粗砂壤土）和Slagelse（粗砂质壤土）两个试验点开展，试验属于GRObund保护性农业田间试验，自2021年起持续实施三种耕作处理。采用随机完全区组设计，每处理设4个重复区组，小区面积100 m × 12 m。土壤物理性质测定采集100 cm3原状土柱，分别在4–8 cm和12–16 cm深度取样，在?30、?60、?100 hPa三个基质势下测定容重、总孔隙度、充水孔隙度（WFPS）、空气孔隙度（ε_a）、空气渗透率（k_a）和相对气体扩散系数（D_p/D₀）。N?O通量采用静态箱法测定，每周约1次采样，施肥后加密，两个周期共开展103次田间采样活动。轮辙压实试验在Holstebro第一周期进行，使用Fendt 942 Vario拖拉机（轴载约5.9 Mg，胎压250 kPa）在各耕作处理小区内设置轮辙，对比轮辙内外土壤性质与N?O排放差异。矿质氮（NH??和NO??）采用1 M KCl浸提、连续流动分析仪测定。通量计算采用HMR模型，统计分析使用线性混合效应模型。

三、主要研究结果

3.1 土壤物理性质（耕作处理与试验点）

在Holstebro点，DS处理在两个采样周期均表现出最高容重和最低总孔隙度，RT容重最低，PL居中。在4–8 cm深度差异最显著。第一周期?60 hPa条件下，PL的k_a和D_p/D₀显著高于DS，RT居中。PL的ε_a较高、WFPS较低。在Slagelse点，耕作效应因采样周期而异：第一周期RT容重高于PL和DS，第二周期则相反。总体而言，耕作对气体传输性质的影响在Holstebro点更为明显，DS表现出更高的气体传输阻力。

3.2 土壤物理性质（轮辙压实试验）

轮辙内土壤容重（1.41–1.43 g cm?3）显著高于轮辙外（1.23–1.38 g cm?3），总孔隙度相应降低。轮辙内k_a、ε_a和D_p/D₀一致低于轮辙外，WFPS则更高。在?60 hPa条件下，轮辙内ε_a为0.09–0.12 m3 m?3，轮辙外为0.15–0.18 m3 m?3；轮辙内WFPS为74–81%，轮辙外为66–69%。轮辙外D_p/D₀约为轮辙内的两倍。轮辙压实是影响孔隙特征和气体传输的主导因素，耕作处理的主效应不显著。

3.3 土壤矿质氮

矿质氮浓度在冬季普遍较低（<10 mg N kg?1），春季施肥后明显升高。Holstebro第一周期春季NH??在RT下达到38 mg N kg?1，NO??在PL下于4月达到35–45 mg N kg?1。Slagelse第二周期矿质氮浓度高于第一周期，NO??最高达60 mg N kg?1。未发现耕作处理对矿质氮浓度有一致的系统影响。

3.4 N?O排放（耕作处理与试验点）

N?O通量呈事件驱动型，与氮输入密切相关。Holstebro第一周期秋季（9–10月）施肥后出现显著排放峰。完整数据集中RT平均通量最高（>1000 μg N?O–N m?2 h?1），但空间异质性极大：Block 1的RT小区超过4500 μg N?O–N m?2 h?1，Block 3的DS和PL小区超过1700 μg N?O–N m?2 h?1。剔除极端值后，PL在秋季排放峰最高（约400 μg N?O–N m?2 h?1），RT和DS低于200 μg N?O–N m?2 h?1。累积排放量方面，Holstebro第一周期PL（2886 g N?O–N ha?1）显著高于DS（751 g N?O–N ha?1），RT（1148 g N?O–N ha?1）居中且与二者无显著差异。第二周期及Slagelse两个周期均未发现显著耕作效应。Slagelse第一周期因作物失败和重播导致额外土壤扰动，PL出现第二次秋季排放峰。

3.5 N?O排放（轮辙压实试验）

轮辙内N?O日通量峰值达500–680 μg N?O–N m?2 h?1，轮辙外未观察到此类峰值。累积排放量在轮辙内为1572–1865 g N?O–N ha?1，轮辙外仅为39–260 g N?O–N ha?1，轮辙压实使累积排放增加6–34倍。DS处理因轮辙外排放极低（39 g N?O–N ha?1）而表现出最高的相对增幅。轮辙效应高度显著（P<0.001），耕作处理间差异不显著。

四、讨论与结论

耕作对土壤物理性质的影响具有位点依赖性，在Holstebro点最为显著。DS形成更紧实的表层，PL和RT保持较疏松结构。但结构差异本身不能完全解释N?O排放差异，k_a和D_p/D₀比容重更能反映土壤气体传输功能。Holstebro第一周期PL排放最高，与高降雨、施肥后WFPS升高和中等D_p/D₀条件吻合，此时土壤处于好氧向厌氧过渡状态，硝化和反硝化可同时发生，促进N?O产生。

空间异质性分析表明，三个极端排放小区位于田间较低位置、邻近溪流，且黏粒和粉粒含量较相邻小区高约1.5倍，细质地土壤保水性更强，配合施肥和降雨时机，形成了高WFPS、低O?状态，成为N?O热点区。这些极端事件在第二周期未重现，体现了N?O排放的偶发性和随机性。

轮辙压实对N?O排放的影响远大于耕作制度差异。轮辙内D_p/D₀显著降低，限制了O?供应，促进厌氧反硝化。WFPS定义了N?O产生的潜力，而D_p/D₀更直接调控O?供应，因此对N?O排放动态具有更强的控制作用。

研究结论：耕作对N?O排放的影响取决于土壤物理性质与环境驱动因子的交互作用，而非耕作强度本身；轮辙压实通过降低气体扩散能力、增加WFPS，显著促进N?O排放，其效应远超耕作制度差异；D_p/D₀是预测N?O排放的关键物理指标。研究强调了控制田间机械通行、减少土壤压实对减缓农业N?O排放的重要意义。