不同施氮量对春玉米农田氧化亚氮排放的影响*

逯 涛，王立刚*，张凤华，张 婧

（1.石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆 石河子 832000；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所）

不同施氮量对春玉米农田氧化亚氮排放的影响*

逯 涛1，王立刚2*，张凤华1，张 婧2

（1.石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆 石河子 832000；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所）

试验采用静态箱-气相色谱法研究不同施氮量对华北旱地春玉米生长季农田土壤N2O排放的影响。设置了减氮（60%N+PK）、常规施肥（NPK）和不施肥（CK）3个处理。结果表明，春玉米整个生育期N2O排放通量变化规律在各处理间基本一致，N2O排放峰值均出现在施肥（或降雨）事件之后，排放通量的变化范围在4.21～253.28μg/（m2·h）。60%N+PK、NPK和CK处理在春玉米整个生育期N2O累计排放量分别为0.69 kgN/hm2、1.37 kgN/hm2、0.40 kgN/hm2，在等量P、K化肥氮素投入的基础上，减少氮素肥料的投入能够显著减少N2O排放。60%N+PK、NPK和CK处理玉米产量分别为11.91 t/hm2、12.61 t/hm2、3.53 t/hm2，NPK和60%N+PK处理玉米产量差异不显著。

减氮；春玉米农田；氧化亚氮；产量

随着世界人口的急剧增加，人类活动范围不断扩大，人类活动向大气中排放的温室气体比重越来越大，成为全球气候变化的重要原因之一。 而作为人类主要活动的农业生产在供给人们粮食的同时，也导致了较多温室气体排放，排放的氧化亚氮（N2O）占人类活动排放总量84%[1]。我国的氮肥使用量居世界第一，已有不少学者就氮素施入对土壤排放N2O作了深入的研究，发现N2O排放量随氮肥施用量的增加而增加[2-3]。影响农田N2O排放的因素很多，主要包括土壤因素（土壤质地、通气状况、pH值、土壤含水量和温度等）、农业措施（作物、氮肥品种、施肥量、施肥方式及灌溉方式）和气候因素（温度、降水、光照）等[4-5]。采用合理的农业管理措施（施肥量、施肥时间、施肥方式和添加脲酶抑制剂等）是减少氮肥N2O排放损失的重要手段[6]。本研究采用田间试验的方法，以华北旱地春玉米为研究对象，对减氮处理下，北方春玉米农田生长季N2O通量进行长期定点定位观测，研究不同施氮量对玉米N2O排放量的影响，为科学有效评估施用氮素肥料的经济和环境双重效应提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验设在农业部迁西燕山生态环境重点野外科学观测试验站 （东经118°6′～118°37′，北纬39°57′～40°27′）。位于河北省东北部，燕山南麓，迁西境内多山地、丘陵，地势西北向东南倾斜，平均海拔在900 m以下。属暖温带大陆性季风气候，季风特点显著，四季分明。年平均气温10.1℃,年平均降水量817 mm，年日照时数为2 709 h，无霜期180 d以上。试验地农业种植方式为典型种植模式 （春玉米一年一熟制）。本研究试验在土壤肥力与生态环境效应长期定位试验基础上进行（2008年开始），2014年5月对氧化亚氮排放进行监测。

1.2 试验设计

试验共设置减氮施肥（60%N+PK）、常规施肥（NPK）、不施肥（CK）3个处理，每个处理3次重复，随机区组排列，每小区面积48 m2，表1为各处理具体施肥方式及施肥量。试验地2015年5月进行旋耕（深度20 cm），5月15日播种，氮肥总用量的40%作底肥施入，种肥间隔施入，施肥深度20 cm左右；7月4日（玉米大喇叭口期）进行追肥，追施总N肥用量的60%，施肥方式为表施，全年无灌溉；2014年10月收获玉米，试验观测期为2014年5～10月。

表1 施肥种类和施肥量 kg/hm2

1.3 测定项目

N2O通量的测定采用静态箱-气相色谱法。本研究使用的不锈钢采样箱 （50 cm×50 cm×50 cm）外覆绝热材料，气温变化最剧烈时能够保证观测过程中箱内温度变化小于2℃。密闭箱分箱体和底座两部分，箱体地面开口，连接带凹槽底座，测量时将底座嵌入土中，然后将箱体置于底座凹槽内，凹槽内用水密封，使箱内空气不与外界空气交换。箱体内有混气风扇，箱体外连接有2根温度传感器和抽气管，一条测箱内气温，一条测土温，然后用注射器每隔一定时间间隔 （分别在罩箱后第0 min、8 min、16 min、24 min、32 min）抽取一定体积气体于气袋中（化工部大连光明化工研究所生产的铝膜气样袋）。准确记录取样时间和取样时箱内温度。同步观测5 cm深度土壤温度（JM624）和5 cm深度土壤含水量（ML2X型探头），将取得的气体样品用气相色谱（HP7890A）分析N2O浓度。

观测时间为白天08：00～11：00时。施肥后连续观测7 d，有灌溉、10 mm以上日降雨量和时，逐日观测1周，降雨量或灌溉量小于10 mm时，逐日观测3 d，其他情况下每周观测1次。气体通量计算公式为：

F=ρHdc/dt·273/（273+T）·P/P0（1）

（1）式中：F为目标气体排放通量（mg/m2·h）；ρ为标准大气状态下的气体密度（g/L）；H为采样箱气室高度 （cm）；dc/dt为采样箱内气体浓度的变化速率；p和T分别为采样时箱内气体的实际压力和温度；P0为标准大气压。气体通量（F）为负值时表示土壤从大气吸收该气体，为正值时表示土壤向大气排放该气体。

数据采用Microsoft Excel、SPSS 19.0统计分析软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 春玉米生育期土壤N2O排放特征

本研究自2014年5～10月对北方旱作春玉米农田N2O排放量进行了监测，结果表明，各处理N2O通量变化规律基本一致，排放峰主要集中在生长季，并发生在施肥和降水事件之后 （图1）。随着6月7日、8日2次较大的降水（29.2 mm、16.3 mm），以及底肥无机氮素的释放，迅速形成一个较大的N2O排放峰，持续15 d左右。7月4日进行追肥，隔天有降雨，在7月6日迅速形成了一个排放峰，该排放峰持续了15 d左右。

玉米生育期各处理氧化亚氮排放通量变化范围在4.21～253.28 μg/（m2·h），在玉米生育后期，伴随着降雨也会出现小而短促的排放峰。

图1 不同处理玉米生育期N2O排放特征

2.2 春玉米生育期N2O累积排放量、产量、直接排放系数和排放强度

表2 各处理土壤N2O累积排放量、产量、排放系数和强度

从表2可以看出，较对照处理，施用化肥和减氮施肥处理N2O排放量明显增加，分别增加了0.97 kgN/kg和0.29 kgN/kg。排放强度增大，各处理产量分别为3.53 t/hm2、12.61 t/hm2、11.91 t/hm2。增施氮素肥料虽然能够增加春玉米产量，但在玉米生长期均增加了农田N2O的排放。本研究各试验处理N2O排放系数介于0.27%～0.36%之间，低于IPCC推荐值1%[7]。因此，按照IPCC推荐系数来计算将明显高估北方旱地春玉米农田N2O的排放量。

3 结论与讨论

（1）试验各处理在春玉米整个生育期N2O排放规律基本一致。5月底到8月中旬，由于受降水和施肥等环境因素的驱动，各处理均出现明显的排放峰，对照、常规施肥、减氮施肥处理在玉米整个生育期的排放通量分别为20.84 μg/（m2·h）、75.60 μg/（m2·h）、40.32 μg/（m2·h），对照处理与其他各处理之间差异显著。本研究与一般研究有一些不同之处，首先在5月15日施入底肥后在1周内并没有出现明显的N2O排放峰（如图1所示）。这主要是受土壤含水量限制，由于播种后土壤含水量较低，使得施入土壤的尿素没能迅速溶解，土壤中硝化反硝化底物浓度升高缓慢，低水分含量也限制了硝化反应的速率[8]。此研究现象与翟振等[9]在有机无机肥料配施对春玉米农田N2O排放及净温室效应的影响研究相同。（2）北方旱地春玉米生育期内农田相应减少氮素肥料的投入能够减少N2O的排放量且不会造成大幅减产。在保障玉米产量的前提下减少农田氮素肥料的投入可以大量减少农田N2O的排放量，本实验中减氮施肥较常规施肥N2O的排放量减少了36.8%。

[1]Smith P，Martino D，Cai Z，et al.Greenhouse gas mitigation in agriculture[J].Philosophical Transactions of the Royal Society B：Biological Sciences，2008，363（1492）：789-813.

[2]徐华，邢光熹，蔡祖聪，等.土壤水分状况和氮肥施用及品种对稻田N2O排放的影响[J].应用生态学报，1999，10（2）：186-188.

[3]肖玉，谢高地，鲁春霞，等.施肥对稻田生态系统气体调节功能及其价值的影响[J].植物生态学报，2005，29（4）：577-583

[4]李鑫，巨晓棠，张丽娟，等.不同施肥方式对土壤氨挥发和氧化亚氮排放的影响[J].应用生态学报，2008，19（1）：99-104.

[5]翟胜，高宝玉，王巨媛，等.农田土壤温室气体产生机制及影响因素研究进展[J].生态环境，2008，17（6）：2488-2493.

[6]周胜，宋祥甫，颜晓元.水稻低碳生产研究进展[J].中国水稻科学，2013，27（2）：213-222.

[7]IPCC.Climate Change 2007：Impacts， Adaptation and Vulncrxbility[M].Cambridge，UK and Ncw York：Cambridge University Press，2007：750-752.

[8]刘运通，万运帆，林而达，等.施肥与灌溉对春玉米土壤N2O排放通量的影响 [J].农业环境科学学报，2008，27（3）：997-1002.

[9]翟振，王立刚，李虎，等.有机无机肥料配施对春玉米农田N2O排放及净温室效应的影响 [J].农业环境科学学报，2013，32（12）：2502-2510.

2015—03—11

国家自然科学基金（31270486）；公益性行业（农业）科研专项（201103039）。

*通讯作者：王立刚（1974-），男，研究员，主要研究全球变化与生物地球化学循环、农业生态系统碳氮循环定量评价、土壤肥力培育与面源污染防治、生态环境治理与恢复。E-mai：wangligang@caas.cn。