减氮和施生物炭对华北夏玉米-冬小麦田土壤CO2和N2O排放的影响*

范靖尉，白晋华, 任寰宇，韩　雪，刁田田，郭李萍**（. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点试验室，北京 0008；. 山西农业大学林学院，太谷 03080）



减氮和施生物炭对华北夏玉米-冬小麦田土壤CO2和N2O排放的影响*

范靖尉1，白晋华2, 任寰宇2，韩雪1，刁田田1，郭李萍1**
（1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点试验室，北京 100081；2. 山西农业大学林学院，太谷 030801）

摘要：2013年6月-2014年6月，在河南省新乡夏玉米-冬小麦试验田设置四种处理即农民常规施肥（F处理，250kg·hm-2）、减氮20%（LF处理，200kg·hm-2）、减氮20%+黑炭（LFC），以不施肥处理为对照（CK），采用静态箱-气相色谱法，对夏玉米-冬小麦生长季土壤CO2和N2O排放通量动态进行测定。结果表明：（1）夏玉米-冬小麦田的土壤CO2排放通量为21.8～1022.7mg·m-2·h-1，土壤CO2排放通量主要受土壤温度和水分的影响，在夏玉米季受土壤水分的影响更为显著，而在冬小麦季则为5cm土层处的温度对其影响更为突出。减施氮肥20%处理和减氮加生物黑炭共同作用使土壤CO2累积排放量显著降低，小麦生长季的减排作用尤为显著。（2）施肥和灌溉是影响土壤N2O排放的最主要因素，施肥期间N2O排放量分别占夏玉米季和冬小麦季累积排放量的73.9%～74.5%和40.5%～43.6%；施肥量主要影响排放峰的强度，灌溉主要影响排放峰出现时间的早晚且会影响不同措施的减排效果。在每季作物250kg·hm-2施氮水平下减施氮肥20%使夏玉米季和冬小麦季的N2O累积排放量分别降低15.7%～16.8%和18.1%～18.5%，是高产集约化农田减排N2O的有效措施。在适宜施氮水平（200kg·hm-2）下施用生物黑炭，短期内对土壤N2O排放无显著影响。（3）夏玉米-冬小麦田农民常规施肥水平的N2O排放系数为0.60%，减氮施肥的N2O排放系数为0.56%。在华北平原高产集约化农田适当减氮施肥不仅能降低农田土壤温室气体排放，且对作物产量无影响，是适宜的温室气体减排措施。

关键词：氮肥减量；生物黑炭；温室气体排放；N2O排放；冬小麦-夏玉米

范靖尉,白晋华,任寰宇,等.减氮和施生物炭对华北夏玉米-冬小麦田土壤CO2和N2O排放的影响[J].中国农业气象,2016,37(2):121-130*

气候变暖已被国际社会及科学界公认为形势严峻的全球性环境问题，IPCC第五次报告指出，人类活动对全球气候变暖的影响是毋庸置疑的，1880-2012年全球平均气温上升了0.85℃（0.65～1.06℃）[1]。而在中国，据统计，过去100a中全国平均气温上升了0.91℃[2]，高于全球平均升温幅度。人类活动向大气中排放了过多的CO2、CH4、N2O等温室气体，是导致气候变暖的主要原因；2011年全球大气中CO2的浓度为391mg·kg-1，CH4为1.183mg·kg-1，N2O为0.324mg·kg-1，分别超过了工业化前水平的40%、150%和20%[1]。

农田生态系统是受人类活动影响强烈的非CO2温室气体的主要排放源之一，据估计，2005年全球农业源温室气体排放量为5.1～6.1Gt二氧化碳当量，占人为温室气体排放总量的10%～12%[3]。中国2005年农业温室气体排放为8.20亿t二氧化碳当量，占全国人为温室气体排放总量的10.97%[4]。此外，IPCC第五次报告也指出，在2002-2011年，全球因人为土地利用变化产生的CO2年净排放量平均为每年0.9Gt （0.1～0.7Gt）碳[1]。尽管农田土壤CO2排放目前未被列入IPCC温室气体清单的人为排放源中，但其在未来被列入温室气体清单的呼声也越来越高，土壤CO2排放是植物根系自养呼吸和土壤微生物异养呼吸的综合结果，其中异养呼吸增加会使土壤有机碳库下降[5-6]。中国是农业大国，农业生产占国内生产总值中的12.5%，据粗略估计，在推行优化管理措施下，未来50a中国农业土壤固碳减排潜力为87～393TgC·a-1[7]，所以农田土壤CO2减排和N2O减排从固碳和减排两个不同方面对减缓气候变化均有积极意义。

实施合理的农田管理措施可以有效实现控制温室气体的排放量。中国氮肥消费量占全球氮肥总量的30%[8]，但其利用率仅30%～35%，而损失率则高达45%[9-10]。华北平原是重要的粮食产区，其耕地占全国耕地面积的27.9%，粮食总产占全国总产的30%[11]。为了维持和不断获得更高产量，农民过量施肥的现象非常普遍，部分高产区的氮肥投入甚至高达600kgN·hm-2·a-1，区域内单位耕地氮肥施肥量也很不均衡[12]。研究表明，配施有机肥、施用缓释肥、加入硝化抑制剂、施用黑炭及秸秆还田等均可在一定程度上减少温室气体排放[13-14]。目前，关于农田土壤N2O减排的措施主要集中在优化施肥、添加硝化抑制剂、推广控释肥等方面[15-16]。

冬小麦-夏玉米轮作是华北平原中南部主要的作物轮作方式[17]，山东和河南典型集约化高产区的调查数据表明，冬小麦-夏玉米轮作系统的年施氮量高达625和587kg·hm-2[18]，而华北平原冬小麦-夏玉米轮作田土壤N2O通量的变化主要由施肥引起[19]。因此，避免施用过量氮肥已成为提高氮肥利用率、减少因此造成的面源污染和N2O排放已受到高度关注。生物黑炭是有机物在高温热解不完全燃烧下产生的非纯净碳的混合物，含有60%以上的碳[20]，因其碳组分的高度芳香化而具有生物化学和热稳定性，其比表面及吸附能力均高于土壤黏粒矿物和土壤中含量较低的腐殖质胶体，在改善土壤性状及固碳减排方面有一定作用[21-22]。中国农业生产中秸秆产量每年约有8.4亿t，由于还田大量秸秆在一些地区及轮作前后茬口间隔较短的地区不能及时分解，加上技术推广及机械缺乏等因素，大量秸秆常常被农民视为是一种负担，而将其制作成生物黑炭则可将秸秆资源化利用，制成的生物黑炭可用于调节和改良土壤，生物黑炭在近年来受到研究人员的广泛关注，其在改良酸性土壤、调节土壤容重和土壤氮素转化方面均具有积极作用[23]。生物黑炭对作物产量的影响有增产、减产和无影响多方面的报道[24-25]。在生物黑炭对土壤CO2排放的影响方面，也有增加[26-27]、降低[28]及无影响[29]等报道。生物黑炭对农田N2O排放方面的报道则多为减少[30-32]和无影响[21,33]两个方面。

某一措施在不同的气候、土壤、轮作制度以及不同的水肥管理模式下，其减排效果不尽相同。冬小麦-夏玉米一年两作是华北平原典型的种植制度，氮肥用量普遍较高，且大多为速效性氮肥（如尿素），目前市场上的缓释肥产品质量参差不齐、价格偏高，推广难度较大[34-35]。因此，本文主要针对简单易行的优化氮肥用量和添加生物黑炭这两项措施，对华北平原典型高产集约化农田冬小麦-夏玉米农田土壤CO2和N2O排放以及作物产量的影响进行研究，以期为华北地区农田温室气体减排提供数据基础，并为农田温室气体的估算清单和制定减排措施提供技术支持。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验在河南省新乡县七里营乡中国农业科学院试验基地进行，该站点位于35°18′N，113°54′E，地势平坦，四季分明，属暖温带大陆性季风气候，年平均气温14℃，无霜期220d，全年日照时数约2400h，年平均降水量656.3mm，降水季节分布不均匀，主要集中在6-9月。

1.2供试土壤基本状况

试验区土壤为潮褐土，质地为壤土，多年来一直采用“冬小麦-夏玉米”一年两作种植模式。试验于2013年6月开始，夏玉米播种前0-20cm土壤有机质20.0g×kg-1，全氮0.94g×kg-1，全磷0.64g×kg-1，碱解氮0.03g×kg-1，速效磷39.8mg×kg-1，速效钾150.7mg×kg-1，pH8.4。

1.3试验设计

试验设4个处理，3次重复，每个小区面积为11m×10m，相邻小区间各留1m保护行并不施肥。氮、磷、钾肥分别用尿素(含氮量46%)，磷酸二铵（含P2O546%、含氮量18%）和氯化钾（含K2O 60%）。4个处理分别为

处理一：CK（无肥处理），不施肥，前季作物秸秆还田，常规耕作。

处理二：F（常规施肥），施N 250kg× hm-2、P2O5150kg·hm-2、K2O 90kg·hm-2，磷钾肥全部基施，氮肥基追比1:1，前季作物秸秆还田，旋耕。

处理三：LF（减氮20%），施N 量减少20%，为200kg·hm-2，基追比1:1。其它同处理二。

处理四：LFC（减氮20%+黑炭），冬小麦播前施入秸秆生物黑炭（河南生产）20t·hm-2后旋耕，其它同处理三。

各处理具体施肥方案见表1。

夏玉米于2013年6月14灌溉并播种，品种为“郑丹958”，7月9日追肥并浇水，9月26日收获夏玉米。冬小麦于2013年10月9日灌溉并播种，品种为“矮抗58”，2014年3月8日追肥并灌溉，翌年6 月8日收获。试验期间，土壤水分含量变化见图1a，土壤5cm处温度利用自制的热敏传感器测定，每个小区埋设一个传感器，共12个传感器，标定后的温度测定误差为±0.5℃，试验期间各处理土壤5cm处温度见图1b，其中，12月中旬-2月中旬由于土壤入冻，不适于用水分仪测定水分含量，因此此间土壤水分数据空缺。

表1　各处理施肥量(kg·hm-2)Table 1　Fertilization rate for each treatment(kg·ha-1)

图1　夏玉米-冬小麦生育期土壤水分含量（a）和各处理5cm深处土壤温度（b）变化Fig. 1　Dynamics of soil water content(a) and daily temperature at 5cm soil depth(b) during summer maize-winter wheat growth-period

1.4测定项目与方法

1.4.1土壤样品

采用土钻法于播种前每小区均匀取5钻0-20cm土样混合，风干后采用常规方法测定基本理化性状，包括有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、pH 等。

1.4.2气体样品

采用静态箱法取气，不透明取样箱分为箱体和底座两部分，箱体为直径25cm、高30cm的PVC圆筒，顶部有开关以供抽取气样用；底座插入土中10cm，取气时箱体扣在底座之上，底座槽中加水以保持箱体与底座之间密封。气体样品在一般生育期每周取一次，施肥、降雨或灌溉后加大取样频率，每1～2d取样一次，每次每个小区在扣箱前和扣箱后各取一个气样，故每次全部12个小区共取气样24个。气体取样时间在每日9：00-10：30，预备实验表明，本地区农田在30min内温室气体排放通量为线性关系，因此设定取气扣箱时间为30min。取气时用注射器从取样桶上部抽取混匀的桶内气体样品30mL注入12mL预抽为真空的血清管中。取样桶扣在作物行间取气样，扣箱时将取样箱底座内的植物凋落物等拨开，因此，所测得的CO2排放不包括地面凋落物的呼吸排放，所测得的N2O也为土壤中的N2O排放量。

1.4.3土壤环境因子

取气样的同时，测定土壤5cm处温度和水分含量以及取样箱内温度（箱内1/2高度处）。土壤温度用自制的热敏电阻测定（测定误差±0.5℃）。土壤水分含量用美国产TDR-100便携式土壤水分仪测定，测定的水分含量为体积含水量（%，v/v）。

1.4.4气样测定及计算方法

取样后一周内用Agilent7890B气相色谱仪测定CO2和N2O浓度。CO2用氢火焰检测器、N2O用具有反吹装置的电子捕获检测器（ECD）检测。测定条件为

CO2：柱温40℃，进样温度50℃，检测器温度375℃，载气为H2，流量30mL·min-1。

N2O：柱温40℃，载气为N2，流量为12.4mL·min-1，检测器温度350℃。

计算方法为

式中，F为气体排放通量即单位时间单位面积土壤表面的排放量（mg·m-2·h-1)，正值为排放，负值为吸收；m1、m2分别为扣箱前和扣箱后箱内某气体的质量，C1、C2分别为扣箱前和扣箱后的被测气体体积浓度（m L·L-1），M0表示某种气体的摩尔质量（g），CO2为44，N2O为44；A为取样箱底面积（m2），为0.196 m2；V为取样箱体积（m3），为0.059 m3，T1、T2分别为扣箱前和扣箱后的箱内温度（℃），t1、t2分别为扣箱前和扣箱后的时间（时：分），22.4为理想气体常数（L·mol-1)，273为绝对零度的摄氏温度（℃），1000为mg换算为mg的换算系数。

用每次取样时测定并通过式（1）计算得到的排放通量乘以前后两次取样的间隔天数，依次累加即为气体的阶段或生育期累积排放量。

2　结果与分析

2.1减氮和施加生物黑炭对土壤CO2排放的影响

2.1.1对CO2排放通量的影响

由图2可见，试验期间夏玉米-冬小麦田的土壤CO2排放通量在21.8～1022.7mg·m-2·h-1范围内，各处理CO2排放通量随时间变化的趋势基本一致，表现为明显的季节性排放特征，总体上看，玉米生育期排放通量平均值高于小麦生育期。具体而言，夏玉米苗期主要有两个排放峰，分别发生在拔节期和喇叭口期，排放峰值分别为1022.7mg·m-2·h-1和889.0mg·m-2·h-1，4个处理的排放峰通量数值依次为F>LF>LFC>CK，按两个排放峰平均值计算，F处理（常规施肥）的排放通量是CK的1.5倍，LF（减氮）和LFC（减氮施炭）处理分别比F处理低2.6%和8.8%，其中在喇叭口期灌溉后的瞬时减排比例较高。冬小麦生育期土壤CO2排放峰主要发生在播种灌溉后、返青灌溉后和之后的扬花抽穗期，只有扬花抽穗期的峰值（948.9mg·m-2·h-1）与玉米生育期峰值相当，之前的两次峰值分别为497.1mg·m-2·h-1和479.6mg·m-2·h-1，都是F处理排放通量最高，其次为LF、LFC和CK。3次峰值平均，F处理的排放通量是CK的1.2倍，LF 和LFC峰值通量分别比F处理低7.8%和3.3%，说明减氮对CO2瞬时排放峰值的降低有一定作用，但生物黑炭对CO2排放峰值未显示作用。

从CO2全年平均排放通量的变幅看，各处理间略有差别。各施肥处理在作物生育期的CO2平均排放通量比CK高14.3%～25.6%，其中夏玉米季高25.5%～36.6%，冬小麦季高6.9%～18.6%。在夏玉米季，LF和LFC处理的土壤CO2的平均排放通量比F处理分别低5.1%和8.1%；在小麦季，这两个处理的土壤CO2平均排放通量分别比F处理低6.6%和10.6%。可见，在冬小麦季减氮处理和减氮加黑炭处理对土壤CO2排放通量的影响略高于夏玉米季。

2.1.2对CO2累积排放量的影响

夏玉米不同生育期的土壤CO2累积排放量见表2。由表可见，不同处理在各生育阶段CO2累积排放量数值有一定差异，夏玉米生育期LF和LFC处理在各阶段的累积排放量分别比F处理低3.6%～6.6%和7.3%～10.0%，其中在吐丝-成熟期和拔节期这两个时期的差异略高，减氮+生物黑炭联合作用对玉米季土壤CO2排放有一定作用；但在苗期和喇叭-抽雄期，三个施肥处理间没有显著差异。就整个夏玉米生育期而言，减氮处理与减氮+黑炭处理对夏玉米生育期土壤CO2没有显著影响。

图2　不同施肥处理的土壤CO2排放通量动态变化Fig. 2　Fluctuation of soil CO2emissions fluxes emitted from different fertilization treatments during summer maize-winter wheat growth-period

表2　夏玉米不同生育期土壤CO2的累积排放量（kg·hm-2）Table 2　The cumulative CO2emissions during the summer maize growing period(kg·ha-1)

在冬小麦不同生育阶段LF和LFC处理的土壤CO2累积排放量分别比F处理低1.8%～8.7%和8.3%～12.7%，其中各施肥处理间累积排放量在越冬期和返青-拔节期的差异略小，其它生育期LF和LFC处理的CO2累积排放量与F处理相比较为显著。但就整个冬小麦生育期来讲，减氮对土壤CO2排放降低的作用较为显著。

从全生育期累积排放量看，夏玉米季和冬小麦季的土壤CO2累积排放量分别占全年CO2累积排放量的39.9%～45.1%和54.9%～60.1%。整个生育期LF和LFC处理分别比F处理低6.4%和10.0%，其中在夏玉米季LF和LFC分别比F处理低5.5%和8.9%，而在冬小麦季则分别降低7.7%和11.7%，各处理对土壤CO2排放的影响依然表现为冬小麦季略高。可见，减氮施肥在降低土壤CO2排放，尤其在降低冬小麦生育期土壤CO2排放量方面有一定作用，而减氮加生物黑炭联合作用对降低土壤CO2排放的作用更显著，但在适宜施氮水平下单独施用生物黑炭并未显示明显的降低土壤CO2排放的作用。

2.2减氮和施加生物黑炭对土壤N2O排放的影响

2.2.1对N2O排放通量的影响

由图3可以看出，土壤N2O排放通量在夏玉米季在2.7～384.1μg·m-2·h-1区间波动，冬小麦季的排放通量波动范围为1.0～220.9μg·m-2·h-1；各处理的平均排放通量大小依次为F>LF>LFC>CK，排放峰主要发生在基肥后、追肥后和随后的降雨事件后，排放峰的强度受施肥量及土壤水分的共同影响。

夏玉米基肥结合灌溉进行，基肥后土壤N2O的排放通量迅速升高，在第7天（6月22日）达到峰值（384.1μg·m-2·h-1），而无肥对照处理由于灌溉的缘故，也在播种灌溉后出现一个小的排放峰。各施肥处理基肥后的N2O排放峰强度是CK处理的5.2～5.7倍，LF和LFC处理的排放峰强度分别比F处理低7.2%和8.5%，达显著水平。夏玉米生育期的第2个排放峰发生在追肥后，在追肥并灌溉后的第2天（7 月10日）即出现N2O排放峰，各施肥处理的峰值比基肥后的峰值低40.5%～57.1%；其中，各施肥处理的N2O排放通量平均比CK高2.3～3.4倍，LF和LFC处理的通量峰值分别比F处理低33.1%和22.9%，表明减氮处理显示了显著的峰值减排效果，但生物黑炭未显示减排作用。之后直至玉米成熟期，土壤N2O的排放通量均基本维持在较低水平，期间随着土壤水分的变化又出现2个小的脉冲式排放峰，但峰值均在140.0μg·m-2·h-1以下。

表3　冬小麦不同生育期土壤CO2累积排放量（kg·hm-2）Table 3　The cumulative CO2emissions during the winter wheat growing period(kg·ha-1)

图3　夏玉米-冬小麦田土壤N2O排放通量动态Fig. 3　Fluctuation of soil N2O emissions fluxes of different fertilization treatments emitted from the summer maize-winter wheat field

冬小麦生育期的N2O排放峰也是发生在基肥灌溉后、返青追肥灌溉后和后期土壤水分略高的时期，其中返青期的排放峰最高，数值与夏玉米季追肥后的峰值接近。冬小麦基肥施用后第4天出现了N2O排放峰，各施肥处理的峰值在105.9～111.5μg·m-2·h-1，是CK处理的2.0～3.3倍；其中，LF和LFC处理的峰值分别比F处理低32.2%和39.6%，说明减氮施肥处理对峰值的消减效果较显著，生物黑炭处理在该时期也显示了一定的瞬时减排效果。随后由于10月17日降水的缘故，土壤体积含水量达到35%以上，土壤N2O排放通量又出现一个排放高峰，此次峰值比施基肥后的峰值高21.7%～48.4%，该峰段LF和LFC处理的峰值分别比F处理低25.4%和26.3%，减氮处理显示了其减排效果，但生物黑炭依然未显示瞬时减排效果。冬小麦翌年返青追肥后的N2O排放通量峰值为347.1μg·m-2·h-1，LF和LFC处理的峰值分别比F处理低9.1%和20.6%，减氮和减氮+生物黑炭处理在此期间均显示了显著的N2O瞬时减排效果。

2.2.2对N2O累积排放量的影响

夏玉米-冬小麦田的土壤N2O周年累积排放量（表4和表5）在1.71～4.71kg·hm-2，其中玉米季和小麦季的排放量分别占整个生育期N2O总排放量的41.7%～42.5%和57.5%～58.3%，排放主要发生在施肥后，各施肥处理在施肥期间的N2O排放量占全年总排放量的65.7%～67.8%。

在夏玉米季，各施肥处理的土壤N2O累积排放量是CK的2.4～2.9倍， LF和LFC处理的N2O累积排放量分别比F处理低15.7%和16.3%，表明减氮处理的减排效果显著，而生物黑炭未显示明显的减排效果。各处理苗期的N2O累积排放量分别占夏玉米生育期排放量的29.1%（CK）和46.0%～47.2%（施肥处理），施肥处理在该阶段的累积排放量较高。各施肥处理在追肥后的N2O累积排放量分别占玉米生育期累积排放量的23.7%～25.4%，无肥处理由于进行了灌溉，在此时期的排放量也占到该处理在玉米生育期总排放量的28.0%，进一步显示了灌溉对N2O排放的促进作用。各处理基肥和追肥期间的累积排放量分别占到夏玉米全生育期N2O累积排放量的59.6%（CK）、73.9%（F）、74.5%（LF）和74.5%（LFC），减氮均显示了显著的减排作用，但在适宜施氮水平下添加生物黑炭对N2O累积排放量未显示减排效果；而且减氮和减氮+生物黑炭对N2O减排的作用在追肥期高于基肥期，与当时的土壤水分含量不同有关。

表4　夏玉米季土壤N2O的累积排放量（kgN·hm-2）及排放系数（%）Table 4　Cumulative N2O emissions (kgN·ha-1) and emissions factors(%) during the summer maize growth period

表5　冬小麦季土壤N2O的累积排放量（kgN·hm-2）及排放系数（%）Table 5　Cumulative N2O emissions(kgN·ha-1) and emission factors(%) during the winter wheat growth period

冬小麦生育期的排放也主要发生在施肥后，基肥和追肥后的N2O排放量分别占小麦生育期累积排放量的46.0%～47.2%和22.0%～24.0%。不同生育期LF和LFC处理的累积排放量分别比F处理低10.4%～28.7%和2.9%～31.8%；其中两处理在基肥期比F处理的减排比例分别为28.7%和31.4%，追肥期的减排比例分别为19.5%和21.8%，基肥期的减排比例较高，这也与基肥和追肥期间的土壤水分状况相关。就小麦整个生育期而言，减氮和生物减氮+生物黑炭使N2O排放量分别减排18.5%和18.1%，减排作用主要体现在氮肥用量降低方面，而在适宜施氮水平下（低氮）单独施用生物黑炭在小麦生育期内的N2O减排作用不显著。

从全年的N2O排放减排情况来看，减氮20%和减氮+生物黑炭分别使N2O比常规施肥处理减排16.2%和16.7%，三种处理的N2O排放系数分别为0.60%（F）、0.56%（LF）和0.55%，均低于1%的IPCC温室气体清单方法学中推荐的缺省排放系数[36]。

3　结论与讨论

玉米季和冬小麦季的土壤CO2累积排放量分别占全年CO2累积排放量的39.9%～45.1%和54.9%～60.1%，主要是由于玉米季和冬小麦季的温度与土壤水分差异所引起的。试验中，小麦季和玉米季土壤5cm处平均气温分别为15.0℃和28.9℃，玉米季土壤温度显著高于小麦季; 小麦季和玉米季的土壤5cm处水分含量（v/v, %）分别为15.1%和29.9%，玉米季的土壤水分含量也普遍高于小麦季，由于玉米整个生育期土温普遍较高，所以温度在玉米季不是限制因子，说明土壤水分含量是玉米季土壤CO2排放通量的主要限制因子[37-38]。而小麦生育期的CO2排放则对温度更为敏感，同时土壤CO2通量的数值高低也反映了植物生长和土壤微生物的活性状况，温度和土壤水分共同决定了土壤CO2排放的季节特征，这也被众多研究所证实[39-40]。减氮施肥在降低土壤CO2排放、特别是在降低冬小麦生育期土壤CO2累积排放量方面显示了一定作用，而施用生物黑炭在本试验中对土壤CO2排放无显著影响。不过由于本试验是施用生物黑炭后第一年的观测数据，还需要后续进行多年观测以探讨生物黑炭对土壤CO2排放的长期影响。

玉米季基肥后苗期N2O累积排放量占玉米整个生育期总排放量的比例高于追肥后的累积排放量比例，可能由于基肥期玉米作物植株还较小、吸收氮素的能力较弱，不能及时吸收施入土壤中的氮素，因而累积排放量较高，这也是一些研究提出氮肥分次施用且应前轻后重的原因之一[41-42]。玉米季N2O排放峰出现比小麦季的晚，分析其原因主要是由于玉米季播种后未及时浇水的缘故，施肥后排放峰出现的时间也因灌溉日期的推迟而推迟，表明了肥水同步是N2O排放的主要因素。因此，施肥和灌溉是引起N2O排放的主控因素。在施氮量250kg·hm-2的水平下减氮20%能够降低土壤N2O年度累积排放量16.2%；而在200kg·hm-2的施氮水平下施用生物黑炭则未显示显著的N2O减排作用。Mc Swiney等研究也表明，每种土壤在种植某一作物期间均有一适宜的施氮量值，当施氮水平高于此临界值时，过量的氮肥不能被作物吸收，N2O的排放量会随施氮量的增加而急剧增加[41]。此外，试验还显示，在施肥后土壤水分较好的情况下（如夏玉米基肥后、冬小麦追肥后）土壤N2O排放量较高，减氮和施用生物黑炭对在较湿润土壤条件下的N2O减排作用会降低，因此在实际生产中，肥料管理还应与田间水分管理等其它措施配合施用，以达到更好的N2O减排效果。本试验的结果表明在华北平原高产集约化农田适当减氮施肥不仅能降低农田土壤温室气体排放，且对作物产量无影响（受篇幅限制未展示数据），是适宜的温室气体减排措施。

参考文献References

[1]IPCC.Climate change 2013:the phisical science basis[R]. Cambridge,USA:Cambridge University Press, 2013.

[2]国家发展和改革委员会.中国应对气候变化国家方案[R]. 2007.

National Development and Reform Commission.China's national climate change program[R].2007.(in Chinese)

[3]Smith P,MartinoJ D,Cai Z,et al.Climate change 2007: mitigation[M].Cambridge:Cambridge University Press,2007: 499-508.

[4]国家发展和改革委员会.中华人民共和国气候变化第二次国家信息通报[M].北京:中国经济出版社,2012.

National Development and Reform Commission.The People's Republic of China second national communication on climate change[M].Beijing:China Economic Publishing House,2012. (in English)

[5]韩广轩,周广胜,许振柱.玉米农田生态系统土壤呼吸作用季节动态与碳收支初步估算[J].中国生态农业学报,2009,17(5):874-879.

Han G X,Zhou G S,Xu Z Z.Seasonal dynamics of soil respiration and carbon budget of maize (Zea mays L.) farmland ecosystem[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2009,17(5):874-879.(in Chinese)

[6]于贵瑞,王秋凤,刘迎春,等.区域尺度陆地生态系统固碳速率和增汇潜力概念框架及其定量认证科学基础[J].地理科学进展,2011,30(1):103-113.

Yu G R,Wang Q F,Liu Y C,et al.Ceptual framework of carbon sequestration rate and potential incremen of carbon sink of regional terrestrial ecosystem and scientific basis for quantitative carbon authentification[J].Rogressin Geography, 2011,30(1):103-113.(in Chinese)

[7]王小彬,武雪萍,赵全胜,等.中国农业土地利用管理对土壤固碳减排潜力的影响[J].中国农业科学,2011,44(11):2284-2293.

Wang X B,Wu X P,Zhao Q S,et al.Effects of cropland-use management on potentials of soil carbon sequestration and carbon emission mitigation in China[J].Scientia Agricultura Sinica,2011,44(11):2284-2293.(in Chinese)

[8]汤勇华.中国农田化学氮肥的施用和生产中温室气体（N2O、CO2）减排潜力估算[D].南京:南京农业大学,2010.

Tang Y H.Anestimate of greenhouse gas (N2O,CO2) mitigation potential in N fertilizer application and production in Chinese croplands[D].Nanjing:Nanjing Agricultural University, 2010.

[9]Johnson J M F,Franzluebbers A J,Weyers S L,et al. Agricultural opportunities to mitigate greenhouse gas emissions[J].Environmental Pollution,2007,150(1):107-124.

[10]Snyder C S,Bruulsema T W,Jensen T L,et al.Review of greenhouse gas emissions from crop production systems and fertilizer management effects[J].Agriculture Ecosystems & Environment,2009,133(3):247-266.

[11]于静洁,任鸿遵.华北地区粮食生产与水供应情势分析[J].自然资源学报,2001,16(4):360-365.

Yu J J,Ren H Z.Crop yield and water supply in North China[J].Journal of Natural Resources,2001,16(4):360-365. (in Chinese)

[12]Zhang Y,Dore A J,MaL,et al.Agricultural ammonia emissions inventory and spatial distribution in the North China Plain[J].Environmental Pollution,2010,158(2):490-501.

[13]Asing J,Saggar S,Singh J,et al.Assessment of nitrogen losses from urea and an organic manure with and without nitrification in hibitor,dicyandiamide, applied to lettuce under glasshouse conditions[J].Australian Journal of Soil Research,2008,46:535-541.

[14]Oenema O,Wrage N,Velthof G L,et al.Trends in global nitrous oxide emissions from animal production systems[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems,2005,72: 51-65.

[15]杨黎.辽西地区春玉米农田N2O排放特征与固碳减排机制[D].北京:中国农业科学院,2013. Yang L.Mechenism of mitigation and characteristics of N2O emissions from topical spring maize fields in western Liaoning Province[D].Beijing:The Chinese Academy of Agricultural Sciences,2013.(in Chinese)

[16]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.

Zhai Z,Wang L G,Li H,et al.Nitrous oxide emissions and net greenhouse effect from spring-maize field as influenced by combined application of manure and inorganic fertilizer[J].Journal of Agro-environment Science,2013, 32(12):2502-2510.(in Chinese)

[17]国家统计局.中国统计年鉴[M].北京:中国统计出版社, 2011.

National Bureau of Statistics of the People’s Republic of China.China statistical yearbook[M].Beijing:China Statistics Press,2011.(in Chinese)

[18]高旺盛,黄进勇,吴大付,等.黄淮海平原典型集约农区地下水硝酸盐污染初探[J].生态农业研究,1999,7(4):41-43.

Gao W S,Huang J Y,Wu D F.Investigation on nitrate pollution in ground water at intensive agricultural region in Huanghe-huaihe-haihe Plain[J].Eco-agriculture Research, 1999,7(4): 41-43.(in Chinese)

[19]孙艳丽,陆佩玲,李俊,等.华北平原冬小麦/夏玉米轮作田土壤N2O通量特征及影响因素[J].中国农业气象,2008,29(1):1-5.

Sun Y L,Lu P L,Li J,et al.Characteristics of soil N2O flux in a winter wheat-summer maize rotation system in north China plain and analysis of in fluencing factors[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2008,29(1):1-5.(in Chinese)

[20]Demirbas A.Effects of temperature and particle size on biochar yield form pyrolysis of agricultural residues[J].Journal of Analyt ical and Applied Pyolysis,2004,72:243-248.

[21]Woolf D, Amonette E,Street-Perrott F A,et al.Sustainable biochar to mitigate global climate change[J].Nature Communications,2010,1(8):1-9.

[22]张阿凤,潘根兴,李恋卿.生物黑炭及其碳汇减排与改良土壤意义[J].农业环境科学学报,2009,28(12):2459-2463.

Zhang A F,Pan G X,Li L Q.Biochar and the effect on C stock enhancement, emission reduction of greenhouse gases and soil reclaimation[J].Journal of Agro-Environment Science, 2009,28(12):2459-2463.(in Chinese)

[23]Chan K Y,Zwieten V L,et al.Using poultry litter biochars as soil amendments[J].Australian Journal of Soil Research, 2008,46:437-444.

[24]Kishimoto S,Sugiura G.Charcoal as a soil conditioner[J].Int Achieve Future,1985,5:12-23.

[25]Steiner C,Teixeira W G,Lehmann J,et al.Long term effects of manure:charcoal and mineral fertilization on crop production and fertility on a highly weathered central amazonian upland soil[J].Plant Soil,2007,291:275-290.

[26]Zhang A F,Liu Y M,Pan G X,et al.Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain[J].Plant Soil,2011,351(1-2):263-275.

[27]高德才,张蕾,刘强,等.生物黑炭对旱地土壤 CO2,CH4,N2O排放及其环境效益的影响[J].生态学报,2015,35(11):3615-3624.

Gao D C,Zhang L, Liu Q,et al.Effects of biochar on CO2,CH4,N2O emission and its environmental benefits in dryland soil[J].Acat Ecologica Sinica,2015,35(11):3615-3624.(in Chinese)

[28]Okimori Y,Ogawa M,Takahashi F.Potential of CO2emission reductions by carbonizing biomass waste from industrial tree plantation in south Sumatra, Indonesia[J].Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change,2003,8:261-280.

[29]Karhu K,Mattilab T,Bergstrdma I,et al.Biochar addition to agricultural soil increased CH4uptake and water holding capacity:results from a short-term pilot field study[J]. Agriculture Ecosystems and Environment,2011,140: 309-313.

[30]Rondon M A,Molina D,Hurtado M,et al.Enhancing the productivity of crops and grasses while reducing greenhouse gas emission through biochar amendments to unfertile tropical soils[A].Philadelphia,USA:18th World Congress of Soil Science,2006.

[31]Spokas K A,Reicosky D C.Impacts of sixteen different biochars on soil greenhouse gas production[J].Annals of Environmental Science,2009,(3):179-193.

[32]Zhang A F,Cui L C,Pan G X,et al.Effect of biochar amendment on yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from Tai Lake plain,China[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment,2010,139:469-475.

[33]Marris E.Putting the carbon back:black is the new green[J]. Nature,2006,442:624-626.

[34]王亮,秦玉波,于阁杰,等.新型缓控释肥的研究现状及展望[J].吉林农业科学,2008,33(4):38-42.

Wang L,Qin Y B,Yu G J,et al.Current situation and prospect of studies of slow/controlled released fertilizer[J].Journal of Jilin Agricultural Sciences,2008,33(4):38- 42.(in Chinese)

[35]王玉英,胡春胜.施氮水平对太行山前平原冬小麦−夏玉米轮作体系土壤温室气体通量的影响[J].中国生态农业学报,2011,19(5):1122-1128.

Wang Y Y,Hu C S.Soil greenhouse gas emission in winter wheat/summer maize rotation ecosystem as affected by nitrogen fertilization in the Piedmont Plain of Mount Taihang,China[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2011, 19(5):1122-1128.(in Chinese)

[36]国家发展和改革委员会应对气候变化司.中国温室气体清单研究[M].北京:中国环境科学出版社,2014.

National Development and Reform Commission Secretary for Responding to Climate Change.The People’s Republic of China national greenhouse gas inventory[M].Beijing:China Environmental Science Press,2014.(in Chinese)

[37]Schulze E D,Luyssaert S,Ciais P.Importance of methane and nitrous oxide for Europe's terrestrial greenhouse-gas balance[J].Nature Geoscience,2009,(2):842-850.

[38]宋利娜,张玉铭,胡春胜,等.华北平原高产农区冬小麦农田土壤温室气体排放及其综合温室效应[J] .中国生态农业学报,2013,21(3):297-307.

Song L N,Zhang Y M,Hu C S,et al.Comprehensive analysis of emissions and global warming effects of greenhouse gases in winter-wheat fields in the high-yield agro-region of North China Plain[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2013, 21(3):297-307.(in Chinese)

[39]徐富贤,张林,熊洪,等.冬水田杂交中稻品种适应氮肥后移的筛选指标[J].植物营养与肥料学报,2014,20(6):1329-1337.

Xu F X,Zhang L,Xiong H,et al.The criterion for the rice hybrids suitable for shifting partial nitrogen fertilizer from basal-tillering to panicle initiation in water-logged paddy fields[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2014,20(6): 1329-1337.(in Chinese)

[40]王秀斌,梁国庆,周卫,等.优化施肥下华北冬小麦夏玉米轮作体系农田反硝化损失与N2O排放特征[J].植物营养与肥料学报,2009,15(1):48-54.

Wang X B,Lang G Q,Zhou W,et al.Effect of optimized nitrogen application on denitrification losses and N2O emissions from soil in winter wheat/summer corn rotation system in North China[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2009,15(1):48-54.(in Chinese)

[41]Mc Swiney C P,Robertson G P.Nonlinear response of N2O flux to incremental fertilizer addition in acontinuous maize (Zea mays L.) cropping system[J].Global Change Biology,2005,11(10):1712-1719.

Effects of Reducing Nitrogen and Biochar Application on CO2and N2O Emissions from Summer Maize-Winter Wheat Field in North China

FAN Jing-wei1，BAI Jin-hua2，REN Huan-yu2, HAN Xue1, DIAO Tian-tian1,GUO Li-ping1
(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agriculture Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;2.College of Forestry, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801)

Abstract：This experiment was conducted in Xinxiang, Henan province from June 2013 to June 2014. Four treatments were designed including farmers common practice (F, 250kg·ha-1),80% F (LF, 200kg·ha-1),80% F + biochar(LFC) and no fertilizer (CK) to measure the dynamic emissions of CO2and N2O from a summer maize-winter wheat field using static chamber and gas chromatography method. The results indicated that, (1)soil CO2emission was 21.8-1022.7mg·m-2·h-1for this agriculture system and was significantly influenced by soil temperature and moisture. Soil moisture was more important for the N2O emissions during the summer maize growth period while N2O emissions during winter wheat growth period was more significantly influenced by the soil temperature. The cumulative CO2emissions under LF and LFC treatments were significantly lower than F treatmentespecially during the winter wheat growing season. (2)Soil N2O emission was significantly influenced by fertilizer application and irrigation. N2O emissions during the fertilization period accounted for 73.9%-74.5% and 40.5%-43.6% of cumulative N2O emissions in summer maize and winter maize growing season, respectively. The peak of emission fluxes was primarily affected by fertilizer rate while irrigation determined the occurrence time when emissions would peak and could affect the mitigation effect of practices. Reduce the nitrogen application rate to 200kg·ha-1from 250kg·ha-1could decrease cumulative N2O emissions by 15.7%-16.8% and 18.1%-18.5% during summer maize and winter wheat growing seasons, respectively, therefore decreasing nitrogen application is an effective N2O mitigation practicefor high-yielding and intensive farmland. Biochar application did not show no significant influence on soil N2O mitigation of biochar application at suitable nitrogen level(200kg·ha-1) in the short term. (3)N2O emission factors of applied nitrogen were 0.60% and 0.56% for F and LF treatment, respectively, indicating that reducing the nitrogen application rate is an appropriate measure to mitigate greenhouse gas emissions without impact on crop yields in intensive farmlands in North China.

Key words：Nitrogen reduction；Biochar；Greenhouse gases；N2O emissions；Winter wheat-summer maize

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.02.001

收稿日期：2015-06-19**通讯作者。E-mail: GuoLP@ami.ac.cn

基金项目：国家科技支撑计划（2013BAD11B03）；国家自然科学基金（31272249；31071865）

作者简介：范靖尉（1990-），女，硕士生，主要从事温室气体源汇研究。E-mail: fanjwshn@163.com