长期定位施氮对套作大豆温室气体排放及产量的影响

付智丹 ，杜 青 ，陈 平 ，庞 婷 ，叶晓翠 ，杨文钰 ，雍太文 *

（1.四川农业大学农学院，成都 611130；2.四川省作物带状复合种植工程技术研究中心/农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室，成都 611130）

长期定位施氮对套作大豆温室气体排放及产量的影响

付智丹1，2，杜 青1，2，陈 平1，2，庞 婷1，2，叶晓翠1，杨文钰1，2，雍太文1，2*

（1.四川农业大学农学院，成都 611130；2.四川省作物带状复合种植工程技术研究中心/农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室，成都 611130）

【目的】通过长期定位施氮试验，研究不同施氮水平对套作大豆温室气体排放及产量的影响。【方法】采用二因素裂区设计，主因素为种植模式，大豆单作（SS）和玉米/大豆套作（IMS）；副因素为玉米、大豆施氮总量，设不施氮（NN：0）、减量施氮（RN：180 kg/hm2）和常量施氮（CN：240 kg/hm2）。【结果】种植模式对大豆农田温室气体排放有影响，大豆单作和玉米/大豆套作下的大豆CO2排放通量在V5和R5出现峰值，R5期的大豆单作较玉米大豆套作的CO2排放通量高13.45%；除V7和R8期外，大豆单套作的CH4为吸收状态，在大豆生育期呈降低后增加的规律，在R2期出现最低值；大豆单作N2O的排放通量高于玉米/大豆套作。不同施氮水平对大豆农田温室气体排放有显著影响，套作下V5-V10期的CO2排放通量为NN＞CN＞RN，R2和R5期为CN＞RN＞NN；套作下的CH4排放通量表现为CN＞RN＞NN，V10期后为NN＞CN＞RN；V3-V10期的N2O排放通量表现为CN＞RN＞NN。套作大豆产量比单作大豆高15.92%，有显著差异；不同施氮水平下，套作下大豆的产量则是以CN为最高，表现为CN＞RN＞NN，RN和CN分别比NN高24.97%和46.23%。套作玉米产量比单作玉米产量高3.98%，单作玉米的产量RN比NN和CN分别高128.51%和3.2%，套作下玉米产量CN比RN和NN分别高0.94%和61%。【结论】套作及减量施氮不仅能保证作物的产量，还能减少温室气体的排放，实现减排增产。

玉米/大豆套作；氮肥；温室气体；产量

全球气候变暖是现在世界共同面临亟须缓解的一个生态难题，温室气体的增加是引起全球气候变暖的主要原因，三大主要温室气体分别是CO2，CH4以及N2O[1]。全球农田面积占陆地表面总面积的10.2%，农田土壤温室气体排放分别占全球N2O、CH4和CO2总排放的60%、50%和10%[2-3]。大气中每年有5%～20%的CO2来自土壤，有15%～30%的CH4来自土壤，有80%～90%的N2O来自土壤，大部分的N2O都由农田土壤贡献，N2O的增温潜能为CO2的300倍，能在大气平流层中存在120年，并且会对臭氧层造成严重的破坏[4-6]。

玉米/大豆套作是一种具有高效资源利用率、低环境风险的生态农业体系，能高效利用土壤养分，改善土壤氮素循环过程[7-8]。在我国西南地区、黄淮海地区作物套作体系已经大面积推广。近年来由于农业氮肥过量施入，土壤中氮素残余[9]，氮肥的施入会使硝化反硝化的底物增加，造成温室气体的排放[10-11]，有研究表明禾本科和豆科作物间作相对于禾本科单作能降低N2O的排放[12-14]。种植模式对温室气体排放有显著影响，玉米大豆间作明显降低了土壤CO2和土壤N2O的排放，土壤温室气体排放结果表现为玉米单作高于大豆单作高于玉米大豆间作[15]。黄坚雄等[16]研究表明，4种不同种植模式的温室气体排放不同主要是由于氮肥投入，氮肥施用量对土壤N2O排放有重要影响[17]。尿素的N2O比来自（NH4）2SO4还原剂处理的N2O更大的损失[18]。前人主要集中于稻田及农田管理措施引起农田温室气体排放的研究，对于套作下不同施氮量对农田温室气体的影响研究较少。前人的研究中发现不同的土地利用方式和农田管理措施会影响作物生长来影响农田温室气体排放，施入的氮肥在保证作物生长的同时，土壤中残余的氮素会引起土壤环境和大气环境的变化，因此研究氮肥施入引起农田温室气体排放有重要意义。本研究以5年长期定位施氮试验大田为基础，以玉米/大豆套作体系下不同施氮水平的大豆农田为例，研究该系统下作物产量及温室气体排放特征，为该系统的增产减排研究提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验时间、地点及材料

试验于2016年4月至2016年11月在四川省现代粮食产业（仁寿）示范基地（30°07′N、104°18′E）进行。试验地土壤类型为紫色土，供试玉米品种为紧凑型品种“登海605”，由山东登海种业股份有限公司提供；大豆品种为耐荫型品种“南豆12”，由四川省南充市农业科学研究所提供。

1.2 试验设计

大田试验采用二因素裂区试验设计，主因素为种植模式，分别：大豆单作（SS），玉米单作（MM）、玉米/大豆套作（IMS）；副因素为：玉米、大豆施氮总量（玉米、大豆施氮比例为3∶1），分别为不施氮（NN：0 kg/hm2）、减量施氮（RN：180 kg/hm2，当地玉米施 N量75%）和常量施氮（CN：240 kg/hm2，根据当地玉米与大豆总施N量确定），共6个处理，每个处理连续种3带，带长6m、带宽2m，小区面积36m2，重复3次。

玉米、大豆种植模式如图1所示，玉米/大豆套作、大豆单作和玉米单作均采用宽窄行种植，宽行160 cm，窄行40 cm。套作玉米宽行160 cm，窄行40 cm，在玉米大喇叭口期将两行大豆播种于玉米宽行内，套作大豆行距40 cm，玉米与大豆间距60 cm，穴距均为17 cm，玉米穴留1株，密度5.85万株/hm2，大豆穴留2株，密度11.7万株/hm2；大豆、玉米单作与套作的种植密度相同，大豆单作穴距34 cm，穴留2株，玉米穴留1株，穴距34 cm。玉米、大豆单作与套作的种植密度相同。玉米氮肥分两次施用，即玉米底肥和大喇叭口期追肥，大豆氮肥一次性作底肥施用（见表1）。玉米、大豆单作按株间穴施方式施肥，玉米/大豆套作按玉米、大豆一体化施肥方式，即玉米底肥统一施氮72 kg/hm2，玉米大喇叭口期追肥与大豆氮磷钾肥混合施用，在玉米、大豆之间，距玉米25 cm处开沟施肥，各作物氮肥施用方式及施用量见表1。单/套作玉米、大豆的磷钾肥随底肥施用，玉米 P2O5105 kg/hm2、K2O 112.5 kg/hm2，大豆 P2O563 kg/hm2、K2O 52.5 kg/hm2。2016 年，玉米 4 月 1 日播种，7月29日收获；大豆6月15日播种，11月2日收获。

图1 不同种植模式示意图Figure1 Diagram of different planting patterns

表1 不同种植模式的氮肥施用量Table1 N fertilization application in different planting patterns kg·hm-2

1.3 气体样品的采集

在大豆种前一周将静态箱[19]底箱埋入每个小区所监测区域，压实有机玻璃底箱箱体周围土壤，保证其气密性，分别于大豆三节期（V3）、五节期（V5）、七节期（V7）、十节期（V10）、盛花期（R2）、鼓粒期（R5）和成熟期（R8）取样，取样时间在上午 8：00开始，将有机玻璃的顶箱完全罩住2穴大豆，底箱和顶箱间将水加入水槽密封，盖上盖子，涂抹凡士林，保证密闭性，顶箱安装内径0.5 mm、长1 m的塑料软管用于平衡箱体内外大气压，打开电风扇电源，盖箱后的 0、10、20、30 min，使用 150 mL 的医用注射器连接另一个取气口取样，取完关闭连接箱体的取气管，将气体打入两通阀的专业气体采样袋内，随即带回实验室进行测定。

1.4 测定方法—温室气体

采用日本岛津公司（SHIMADZU）GC2010-PLUS型气相色谱仪测定CO2、N2O、CH4气体浓度。测定CH4和CO2的检测器为FID，检测度300℃，柱温60℃，载气为99.99%的高纯氮气，流速30 mL/min；测定N2O的检测器为ECD，检测温度300℃，柱温60℃，载气为99.99%高纯氩/甲烷气（95%氩气＋5%甲烷），流速40 mL/min。用医用输液器抽取50 mL气样，手动不分流进样，总进样时间7 min。

1.5 气体计算方法

在单位时间和单位面积内，大豆土壤温室气体CO2、CH4和N2O的排放通量利用下式可求得[20]

式中，F为气体排放通量；ρ为三者在标准状态下的密度（CO2为 1.816 kg/m3、CH4为 0.714 kg/m3和 N2O 为1.964 kg/m3）；h为采样箱内气室高度；dC/dT采样箱体内气体的浓度变化率；t为采样时箱内的平均温度（单位：℃）；P为采样箱内大气压；P0为标准大气压。

1.6 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理和作图。用DPS 7.05进行方差分析（LSD法），显著性水平设定为P=0.05。

2 结果与分析

2.1 种植模式与施氮对大豆CO2排放的影响

2.1.1 不同种植模式下大豆CO2排放通量

由图2可知，种植模式影响农田温室气体的排放，玉米/大豆套作和大豆单作的CO2排放通量时期间呈现相似的规律，在V5和R5期的出现峰值。不施氮下，V10前CO2排放通量表现为IMS＞SS，V10期后为SS＞IMS；减量施氮和常量施氮的V3和V5期CO2排放通量为IMS＞SS，V7后的CO2排放通量表现为 SS＞IMS。

图2 不同种植模式在不施氮、减量施氮和常量施氮下的CO2排放通量Figure2 CO2emission fluxes in no N application，reduced N application and conventional N application under different plant patterns

2.1.2 不同施氮水平下大豆CO2排放通量

在两种不同的种植模式下（见图3），大豆CO2排放通量峰值出现在V5和R5期。大豆单作下，V5和V7期下的CO2排放通量表现为RN＞CN＞NN，V7期后的CO2排放通量表现为CN＞RN＞NN；套作下，V5、V7和 V10期的 CO2表现为 NN＞CN＞RN，R2和R5期的为CN＞RN＞NN。

图3 不同施氮水平在大豆单作和玉米/大豆套作下的CO2排放通量Figure3 CO2emission fluxes in soybean monoculture and maize/soybean relay strip intercropping under different N application

2.2 种植模式与施氮对大豆CH4排放的影响

2.2.1 不同种植模式下大豆CH4排放通量

不同的种植模式同样影响CH4的排放，玉米/大豆套作（IMS）和大豆单作（SS）的CH4排放通量呈现为吸收状态（见图4）。不同生育时期呈现出较一致的规律，为先降低后增加的趋势，在R2期出现最低值。其中，不施氮下，除V10和R2期为IMS＞SS外，其他时期均为 SS＞IMS；减量施氮下，V3、V5、V7 和 R8期CH4排放通量为 SS＞IMS，V10、R2 和 R5 期则为IMS＞SS；常量施氮下，V3、V5、V10 和 R5 期的 CH4排放通量为 IMS＞SS，V7、R2 和 R8 期为 SS＞IMS。

图4 不同种植模式在不施氮、减量施氮和常量施氮下的CH4排放通量Figure4 CH4emission fluxes in no N application，reduced N application and conventional N application under different plant patterns

2.2.2 不同施氮水平下大豆CH4排放通量

这3种不同的施氮水平下CH4表现为吸收汇（见图5）。在大豆单作和玉米/大豆套作下，3种不同施氮处理的CH4排放规律基本一致。大豆单作下（SS），CH4排放通量呈降低增高降低再增高的趋势，V5期的CH4排放通量为NN＞RN＞CN，R2期的CH4排放通量为 CN＞NN＞RN，R5期为 NN＞CN＞RN；玉米大豆套作下，V5和V7期的CH4排放通量为CN＞RN＞NN，V10期后则为 NN＞CN＞RN。

图5 不同施氮水平在大豆单作和玉米/大豆套作下的CH4排放通量Figure5 CH4emissionfluxesinsoybeanmonocultureandmaize/soybeanrelaystripintercroppingunderdifferentNapplication

2.3 种植方式与施氮对大豆N2O排放的影响

2.3.1 不同种植模式下大豆N2O排放通量

种植模式对N2O的排放有影响（见图6），N2O排放总体表现为常量施氮＞减量施氮＞不施氮，大豆单作（SS）的N2O排放通量高于玉米大豆套作下N2O排放通量。不施氮下，V3、V7、V10和R8期的N2O排放通量为 SS＞IMS，减量施氮下，V3、R2、R5 和 R8 期下的N2O排放通量表现为SS＞IMS；常量施氮下，V3、V5、R2、R5和R8期的N2O排放通量表现为SS＞IMS。

2.3.2 不同施氮水平下大豆N2O排放通量

几种不同施氮水平的N2O排放趋势较为一致（见图7）。大豆单作下（SS），常量施氮（CN）处理的N2O排放大于减量施氮（RN）和不施氮（NN），V5～R5期的N2O的排放都表现为NN＞RN，V3和R8期的则是RN＞NN。玉米大豆套作（IMS）中，N2O排放通量规律表现为有降低的趋势，以CN的排放通量为最高，V3～V10期的N2O排放通量表现为CN＞RN＞NN，R2期后RN较CN和NN的N2O排放通量为最低。

2.4 种植模式及施氮水平对玉米、大豆产量的影响

种植模式及施氮水平对玉米、大豆产量有影响（见表2、表3）。其中套作大豆产量比单作大豆高15.92%，有显著差异。套作下大豆的单荚粒数以RN最高，表现为RN＞CN＞NN，单作下则是CN最高，大豆单套作下的百粒重均以RN为最高。套作下大豆的产量则是以CN为最高，表现为CN＞RN＞NN，RN和CN分别比NN高24.97%和46.23%。

图6 不同种植模式在不施氮、减量施氮和常量施氮下的N2O排放通量Figure6 N2O emission fluxes in soybean monoculture and maize/soybean relay strip intercropping under different plant patterns

图7 不同施氮水平在大豆单作和玉米/大豆套作下的N2O排放通量Figure7 N2O emission fluxes in soybean monoculture and maize/soybean relay strip intercropping under different N application

表2 种植模式和施氮对大豆产量及构成因素的影响Table2 Effect of different N application rates and planting patterns on yield components of soybean

种植模式对玉米产量有影响，其中套作玉米产量比单作玉米产量高4%，无显著差异。单作下玉米的有效穗数、穗粒数、千粒重及产量均以RN为最高，表现为RN＞CN＞NN，套作下玉米产量以CN最高，但是CN与RN无显著差异，施氮处理下的单套作下的玉米产量较不施氮处理高，且有显著差异。单套作下穗粒数的NN和RN及CN有显著差异，RN和CN间没有显著差异，玉米单作下的NN处理和RN、CN间有显著差异，RN和CN间没有显著差异。单套作下玉米产量NN处理和RN、CN间有显著差异，RN和CN间没有显著差异，单作下RN比NN和CN分别高128.51%和3.2%，套作下CN比RN和NN分别高0.94%和61%。

表3 种植模式和施氮对玉米产量及构成因素的影响Table3 Effect of different N application rates and planting patterns on yield components of maize

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 种植模式对大豆温室气体排放的影响

玉米/大豆套作是一种传统的种植模式，玉米/大豆套作模式有利于提高土地当量比，节肥增效。本研究以玉米/大豆套作为例，探讨套作和施氮量对大豆温室气体排放的影响。研究结果表明种植模式对农田温室气体排放有影响，大豆单作和玉米/大豆套作下的大豆CO2排放通量在V5和R5出现峰值，R5期的大豆单作较玉米大豆套作的CO2排放通量高13.45%；大豆单套作的CH4为吸收状态，在大豆生育期呈降低后增加的规律，在R2期出现最低值；大豆单作N2O的排放通量高于玉米大豆套作。这与章莹等[21]研究较一致，不同种植模式下套作蔗田土壤均表现为CO2和N2O的排放源，CH4吸收汇。合理的种植模式能一定程度上减少土壤温室气体的排放在其他研究中也有表现，L.Dyer等[14]的研究表明玉米大豆间作下N2O和CO2排放低于玉米单作和大豆单作。但N2O排放差异不显著，两季土壤温室气体排放结果均表现为玉米单作＞大豆单作＞间作；V.A.Pappa等[13]通过豆科-禾本科间作研究结果表明，禾本科间作豆科可以显著降低农田N2O排放和氮素损失。

3.1.2 施氮量对大豆温室气体排放的影响

土壤温室气体排放受多种因素的影响，其中氮肥的施用量是影响土壤温室气体排放的重要因素。章莹等[21]的研究发现减量施氮处理甘蔗/大豆间作模式较甘蔗单作的农田土壤CO2和N2O排放总量显著降低，CH4累积排放总量较甘蔗单作升高；高志岭[22]等研究表明施入氮肥会使土壤对CH4的吸收会迅速降低，一周之后恢复，这是因为一周之后土壤铵态氮含量的降低，不存在CH4与铵态氮的竞争。氮肥是影响土壤N2O排放的主要因素，氮肥为土壤中硝化作用和反硝化作用提供了足够的底物，氮肥会影响N2O的排放[23]。研究结果表明，不同施氮水平对大豆农田温室气体排放有显著影响，套作下V5～V10期的CO2排放通量NN＞CN＞RN，R2和R5期为CN＞RN＞NN；套作下的CH4排放通量表现为CN＞RN＞NN，V10期后为 NN＞CN＞RN；V3～V10期的 N2O 排放通量表现为CN＞RN＞NN。唐艺玲等[24]研究发现减量施氮处理显著降低了土壤N2O的排放量，尿素是农田肥料中主要的氮肥来源，氮肥施入后会被脲酶分解铵态氮进行硝化作用[17]。铵态氮进行硝化作用以后，硝态氮又作为反硝化作用的底物，这两个反映会产生N2O[25]，研究施氮量对于减轻温室气体排放有重要意义。但对于套作下大豆温室气体排放的主要影响因子及土壤环境的变化规律还需进一步研究。

3.1.3 施氮量对玉米大豆套作产量的影响

氮肥的施用对作物根系生长，作物的生殖生长有重要意义。申晓慧[26]研究表明，大豆产量会随着施氮量的增加先升高后降低，在60 kg/hm2的产量最高。刘小明等[27]研究发现，减量施氮（180 kg/hm2）下的玉米/大豆套作系统的总产量最高，LER达到2.17。本研究表明套作大豆产量比单作大豆高，不同施氮水平下的套作大豆产量是以CN为最高，但RN与CN无显著差异。套作玉米产量比单作玉米产量高4%，施氮处理下的单套作下的玉米产量较不施氮处理高，且有显著差异。氮肥的适宜的减量施用不仅能保证作物的产量，还能减少化肥的施用，减少温室气体的排放，节约农业投入成本，并且玉米/大豆套作的总产量较大豆单作的更高。套作及减量施氮能在保证作物产量的情况下减轻温室气体的排放，是一种生态友好型农业模式，并为该模式的科学施肥提供一定的理论依据。

3.2 结论

种植模式及施氮水平对玉米大豆套作体系下农田温室气体排放及产量有影响，套作下CO2排放通量V5、V7和V10期为不施氮＞常量施氮＞减量施氮，R2和R5期的为常量施氮＞减量施氮＞不施氮，CH4表现为吸收汇，N2O排放通量为施氮大于不施氮。套作下玉米大豆的总产量较相应单作提高，减量施氮下的大豆产量为最高，氮肥的适度减量施用能在保证作物产量的前提下减少温室气体的排放。

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Effects of Long-Term Located Nitrogen Application on Greenhouse Gas Emissions and Grain Yield in a Relay Intercropped Soybean

FU Zhi-dan1，2，DU Qing1，2，CHEN Ping1，2，PANG Ting1，2，YE Xiao-cui1，YANG Wen-yu1，2，YONG Tai-wen1，2*
（1.College of Agronomy，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China；2.Sichuan Engineering Research Center for Strip Crop System/Key Laboratory of Crop Eco-physiology and Farming Systems in the Southwest，Ministry of Agriculture，Chengdu 611130，China)

【Objective】A long-term location experiment was conducted to study the effects of different nitrogen levels on soybean fields greenhouse gas emissions and grain yield.【Method】The experiment was designed with two factors，and the main factor including two planting patterns(SS：solo soybean；IMS：maize/soybean relay strip intercropping system)，and the sub-factor including three total N levels(NN：no N for maize and soybean；RN：reduced nitrogen 180 kg/hm2；CN：conventional nitrogen 240 kg/hm2).【Results】The planting pattern has an effect on the greenhouse gas emission of soybean farmland，the CO2emission flux of soybean peaked at V5 and R5 in SS and IMS，and that of soybean was 13.45%higher in SS compared with IMS.Soybean CH4emission flux was absorption state except V7 and R8.CH4emission decreased after the increase in the soybean growth period，and the lowest in the R2 period.The N2O emission flux of soybean in SS was higher than IMS.Different nitrogen application levels had significant effects on greenhouse gas emissions in soybean farmland.The CO2emission flux of soybean in IMS was NN＞CN＞RN from the V5 to V10 stage of soybean，while the CO2emission flux of soybean in IMS was CN＞RN＞NN at R2 and R5 stage of soybean.The CH4emission flux of soybean in IMS was CN＞RN＞NN，and the N2O emission flux of soybean wasCN＞RN＞NNfromV3toV10stageofsoybean.Theyieldofsoybeanwas15.92%higherinIMScompared with SS，and there was significant difference.The yield of soybean was peak at CN among all treatments，and thesoybeangrain yield of RN and CN was 24.97%and 46.23%higher than that of NN，respectively.The yield of maize was 3.98%higher in IMS compared with solo maize.The yield of solo maize was 128.51%and 3.2%greater in RN compared NN and CN，respectively.The CN was 61%and 0.94%higher than NN and RN in intercropped maize.【Conclusion】Relay intercropping with reduced N application can maintains crop grain yield，and reduce greenhouse gas emissions，promoted the crop yield of maize and soybean thereby achievedsavingfertilizer.

maize and soybean intercropping；nitrogen fertilizer；greenhouse gases emissions；yield

S565.1

A

1000-2650（2017）04-0491-08

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.04.005

2017-09-11

四川省科技支撑计划（2016NYZ0051）；国家重点研发计划（2016YFD0300202）。

付智丹，硕士研究生。*责任作者：雍太文，博士，教授，主要从事作物栽培与生理生态研究，E-mail：yongtaiwen@sicau.edu.cn。

（本文审稿：武 晶；责任编辑：刘诗航；英文编辑：刘诗航）