长期施用化肥氮对黄土高原麦田N2O排放的影响

李保艳，邱炜红，惠晓丽,曹寒冰，包 明，王朝辉，郑险峰

(西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

N2O是三大温室气体之一，其增温潜势分别是CH4和CO2的21倍和298倍，对温室气体引起的全球变暖的贡献约为6.2%，据IPCC第5次报告显示，大气中的N2O浓度比工业化前高出20%[1]。大气中N2O增加主要源于农业土壤，约占人为排放N2O的50%[2]。在农业土壤中，氮肥施用是产生N2O的重要驱动因素[3]，中华人民共和国气候变化第二次国家信息通报(2013)显示,我国因氮肥施用所排放的N2O占各排放源全年N2O总排放量的52.9%[4]。

小麦是我国主要的粮食作物之一，2015年全国小麦播种面积达2 414万hm2，产量达1.3亿t，对保障我国粮食安全具有重要意义。在生产中，为了获得更高产量，农民往往过度施用氮肥，特别是华北平原，氮肥用量平均为300 kg/hm2[5]，有的地区甚至高达360 kg/hm2[6]。过度施肥引起了诸多环境问题，如硝酸盐残留淋失导致地下水污染、土壤酸化和气态氮(NH3和N2O)的排放损失等[5]。研究表明，华北平原小麦季N2O排放量为0.30～2.58 kg/hm2[7-10]，导致排放差异较大的原因主要是管理措施不同，如施用有机肥[9,11]、不同种类的化肥[5,12]、硝化抑制剂和缓释肥[13-15]以及保护性耕作[16-17]等。

黄土高原旱地是我国西北重要的耕地资源，也是小麦种植面积较大的区域，但该区域超过60%的土壤氮素供应能力差，与小麦实际需求形成了尖锐矛盾，因此小麦生产中需要施用大量化学氮肥。有调研结果显示，陕西冬小麦的氮肥施用量平均为198 kg/hm2，大多数农户氮肥施用过量，比例高达60.7%[18]，较推荐值过量55 kg/hm2[19]。大量施用氮肥在提高作物产量的同时也导致温室气体N2O排放等环境问题，如Wei等[20]研究表明，黄土高原的渭北旱塬旱地小麦生长期内N2O排放量高达3.0 kg/hm2。但是，有关麦田N2O排放的研究主要集中于华北、华东地区，多基于灌溉和追肥的轮作系统，其N2O排放规律及与环境因子关系研究相对比较清楚。而在黄土高原旱地小麦生产中，氮肥主要以基施为主且无灌溉，与其他区域有较大差异。目前关于该地区麦田N2O排放的研究主要以肥料种类[12-13]、地膜覆盖[21-22]为主，有关长期不同氮肥用量下麦田N2O排放特征、施氮量与N2O总排放量的关系及麦田N2O排放潜势尚鲜有报道。因此，本研究基于2004年开始的长期不同用量氮肥定位试验，采用静态箱法分析了不同施氮水平下麦田N2O排放量及其与环境因子的关系，旨在探明长期施用氮肥后麦田N2O的排放规律，以期为黄土高原南部地区农田氮素管理和温室气体减排提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验设计

在施磷(P2O5)100 kg/hm2基础上，设置5个氮水平，氮肥(纯N)用量分别为0，80，160，240和320 kg/hm2(分别表示为N0、N80、N160、N240和N320)，采用随机区组试验设计，重复4次，小区面积4 m×10 m =40 m2。种植冬小麦，所用氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为重过磷酸钙(含P2O546%)，所有肥料均在冬小麦播种前撒施并与耕层土壤混匀。供试小麦品种为小偃22，播种量135 kg/hm2，行距15 cm，播种深度5 cm。小麦收获后夏休闲，全年无灌溉。本研究涉及2个冬小麦生长季，第1季小麦于2014-10-07施肥，2014-10-09播种，2015-06-07收获；第2季小麦于2015-10-03施肥，2014-10-07播种，2016-06-07收获。

1.3 样品采集与处理

1.3.1 气体样品 N2O排放通量测定采用静态箱/气相色谱法，箱体尺寸为25 cm×20 cm×20 cm。小麦施肥后1～30 d，每隔3 d采样1次； 31～60 d，每隔7 d采样1次；60 d以后，根据天气情况，每隔10～20 d采集1次。采样时间为08:00-11:00。采样时，在静态箱密闭0，15和30 min时采集气体样品，每次取样30 mL。采集的气体用气相色谱(美国安捷伦Agilent/7890A)测定N2O含量。

N2O排放通量(以纯N计)指单位时间内单位面积上农田土壤排放或吸收N2O的量。计算公式为：

F=ρ×h×(Δc/Δt)×(273/T)/1 000。

(1)

式中：F为N2O排放通量，μg/(m2·h)；ρ为标准状况下N2O的密度，取1.98 kg/m3；h为采样箱高度，m；Δc/Δt为N2O浓度随时间的变化率，h-1；T为绝对温度，即采样时箱内气体温度。N2O总排放量(以纯N计)是将观测值和未观测日内插法计算值逐日累加得到。

N2O排放系数(EF)指单位面积施用氮肥引起的排放量。计算公式为：

EF=[(∑N2ONF-∑N2ONC)/NR]×100%。

(2)

式中：N2ONF为麦季施肥处理N2O总排放量，kg/hm2；N2ONC为麦季对照处理(N0)N2O总排放量，kg/hm2；NR为麦季氮肥施用量，kg/hm2。

1.3.3 温度及降水量 在气体采集的同时，使用温度计记录采样前后地表温度，以平均值为当次采样温度，用于计算N2O排放通量。降水量及气温采用自动气象站(杨凌区气象局站点)测定数据。

1.3.4 土壤孔隙充水率(WFPS) 计算公式为：

WFPS=土壤含水率×体积质量/(1-体积质量/土壤密度)×100%。

(3)

式中：土壤含水率单位为%，体积质量单位为g/cm3，土壤密度为2.65 g/cm3。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft excel 2010计算，DPS 7.05统计分析，多重比较采用LSD (Least significant difference)。

2 结果与分析

2.1 冬小麦生长季气温、降水量和WFPS的变化

2014-2015，2015-2016年小麦生长季内平均气温、最高气温、最低气温分别为9.35，14.3，4.3和9.23，14.4，4.1 ℃(图1-A、1-B)，2个生长季无显著性差异。2个小麦生长季内的降水量分别为233，194 mm(图1-C、1-D)，差异较大，主要集中在施肥50 d内和150～240 d。2个小麦生长季内WFPS平均值分别是37%(23%～57%)和34%(16%～52%)，WFPS波动较大，在连续降雨之后分别高达57%和52%(图1-C、1-D)。

2.2 冬小麦土壤N2O排放动态变化

图2-A显示，在2014-2015年小麦生长季，各处理N2O排放通量的变化趋势基本一致。施氮肥后2 d均出现N2O排放通量最大值，N80、N160、N240和N320处理峰值分别是对照的2.4，3.2，4.9和6.2倍，且各处理间差异显著；之后N2O排放通量随施肥时间延长逐渐下降，施肥后50～90 d，各处理N2O排放通量较低，平均低于10 μg/(m2·h)；进入小麦返青期后(施肥后120 d)，随着温度的升高和降雨量的增加，各处理土壤N2O排放通量增加；施肥后106和174 d因降水(雪、雨)较大分别出现N2O排放峰值；小麦进入成熟期后(施肥后210 d)，各处理土壤N2O排放通量持续降低，平均低于3 μg/(m2·h)。

图2-B显示，在2015-2016年小麦生长季，各处理N2O排放通量的变化趋势基本一致。施肥后4 d均出现N2O排放通量最大值，N80、N160、N240和N320处理峰值分别是对照的2.5，3.2，4.9和6.4倍，且各处理间差异显著；之后随着时间延长，N2O排放通量逐渐下降，到施肥后50 d左右，各处理间无显著性差异且均低于10 μg/(m2·h)；在施肥后的103和184 d因降水(雪、雨)较大，各处理又各出现1次N2O排放峰值，其他时间N2O排放通量均较低。

此外，施肥后的100～200 d，因降水量(2014-2015年小麦季162 mm，2015-2016年小麦季26 mm)和日平均气温(2014-2015年小麦季7.63 ℃，2015-2016年小麦季6.72 ℃)差异较大，2个小麦季土壤N2O排放通量有显著差异，2014-2015年小麦生长季(平均为48.9 μg/(m2·h))显著高于2015-2016年(平均为14.4 μg/(m2·h))。

A、C.2014-2015;B、D.2015-2016图1 2014-2016年冬小麦生育期气温、降水量和WFPS的变化Fig.1 Variation of temperature,rainfall and WFPS during winter wheat growing season from 2014 to 2016

2.3 土壤和含量的动态变化

2.4 N2O排放通量与及气温的关系

2.5 N2O总排放量及排放系数

表1显示，在2014-2015年小麦生长季，N160、N240、N320处理的总排放量显著高于对照(N0)，而N80与N0差异不显著；2015-2016年小麦生长季，各处理间差异显著。此外，2014-2015年小麦生长季N160、N240、N320处理的N2O总排放量高于2015-2016年小麦生长季，主要原因是2014-2015年小麦生长季降水量高，从而促进了N2O的排放。2个小麦生长季N80、N160、N240、N320处理的平均N2O总排放量较对照(0.29 kg/hm2)分别增加1.6，2.8，4.3和6.1倍，排放系数为0.47%～0.59%，平均为0.55%。图5表明，2个小麦生长季各处理的N2O总排放量平均值与施氮量呈极显著正相关关系，表明增施氮肥能显著提高土壤N2O总排放量。

图3 2014-2015年小麦季不同施氮处理土壤和含量的变化Fig.3 Dynamic of and in different N fertilization treatments during 2014-2015 wheat growing season

图4 N2O排放通量与土壤和气温的关系Fig.4 Relationship between N2O flux and

处理TreatmentN2O总排放量/(kg·hm-2)N2Ototalemissions2014-20152015-2016排放系数/%Emissionfactor2014-20152015-2016N00.31d0.27e--N800.78cd0.74d0.590.58N1601.15c1.06c0.530.49N2401.67b1.41b0.560.47N3202.19a1.90a0.590.51

注：同列数据后标不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters indicate significantly difference in the same column atP<0.05 level.

图5 N2O总排放量与氮肥用量的关系Fig.5 Correlation between N2O total emissions and nitrogen fertilizer application rates

3 讨 论

3.1 黄土高原旱地麦田土壤N2O排放规律及排放潜势

本研究结果表明，黄土高原旱地麦田N2O排放主要集中在施氮肥后的50 d内，N2O排放高峰出现在施肥后7 d内；50 d之后，N2O排放通量相对较低，但也会出现第2次或第3次N2O排放高峰(主要出现在降水后)，但峰值显著低于第1次，排放规律与前人报道[13,20]基本一致。此外，2015-2016年N80、N160、N240和N320处理的N2O最大排放通量分别为92，117，176和230 μg/(m2·h)，其数值高于胡腾[13]在该区麦田测得的77.2 μg/(m2·h)(施N 220 kg/hm2)，但低于Wei等[20]报道的445 μg/(m2·h)(施N 120 kg/hm2)。造成不同麦田差异的主要原因可能有：一是小麦季降水量差异较大。本试验中，小麦生育期最大降水量为233 mm，而胡腾[13]和Wei等[20]报道的降水量为160 mm和509 mm。二是秸秆管理方式不同。本试验中，小麦秸秆全部还田，而在胡腾[13]研究中秸秆并未还田。前人研究表明，新加入的新鲜有机物质会提高土壤微生物的活性并促进土壤N2O的排放[23]。

本研究中，麦田N2O总排放量平均由对照处理的0.29 kg/hm2增加到N320处理的2.05 kg/hm2，其中对照处理的N2O总排放量低于胡腾[13]在同区域试验得到的N2O总排放量(0.39 kg/hm2)，而施氮处理的N2O总排放量均高于胡腾[13]研究的最大N2O总排放量(0.67 kg/hm2)。但与黄土高原其他区域相比，本研究麦田N2O总排放量相对较低，如庞军柱等[24]的研究表明，在施氮量为138 kg/hm2的条件下，麦田N2O总排放量高达1.45 kg/hm2。此外，本研究中各施肥处理旱地麦田N2O排放系数为0.47%～0.59%，平均为0.55%，低于庞军柱等[24]研究的黄土高原旱地排放系数(0.93%～1.07%)，但高于胡腾[13]在同区域的研究结果(0.09%)。

3.2 旱地麦田N2O排放的主要驱动因子

降水是影响黄土高原旱地麦田N2O排放的重要环境因子之一。本研究中，在2014-2015年小麦生长季，施肥后164～199 d，降水较多，占整个生育期的63.6%；施肥后180～184 d，由于发生连续降水，导致小麦生长后期土壤水分含量较高并出现N2O排放峰值。停雨后N2O排放通量很快降至降水前水平，说明降水能显著影响N2O排放，这与他人研究结果[8,13,29]一致。前人研究表明，当WFPS为30%～70%时，N2O主要由硝化反应产生[30-31]。本试验观测到的WFPS最大值为56%，由此进一步推断旱地冬小麦生育期N2O主要通过硝化作用途径产生。本研究中，气温也在一定程度上影响N2O排放， N2O排放通量与气温显著正相关，这与前人研究结果[24,31]一致。冬季低温会导致土壤发生冻融现象，而冻融能够刺激N2O排放[32-34]。本研究中，2014-2015年小麦生长季，由于施肥后99～101 d连续降雪，导致土壤冻融，因此施肥后103 d出现N2O排放通量峰值。

4 结 论

施用化学氮肥能显著提高黄土高原旱地麦田N2O的排放通量，排放高峰期主要出现在施肥后50 d内，之后处于排放低峰期。小麦进入春季后，因温度升高和降雨量增加会出现多次排放高峰，而在成熟期(施肥后210 d)N2O排放通量相对较低。2014-2016年小麦季N80、N160、N240和N320处理的平均N2O总排放量分别为0.76，1.10，1.54和2.10 kg/hm2，较对照处理(0.29 kg/hm2)分别增加1.6，2.8，4.3和6.1倍，排放系数为0.47%～0.59%，平均为0.55%。施用氮肥是该区域旱地麦田N2O排放的最主要驱动因子，降水和气温也在一定程度上影响N2O排放。因此，为减少黄土高原旱地麦田N2O排放，建议采用一些减排措施，如施肥时加入硝化抑制剂。

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