环渤海潮土区夏玉米施肥模型及净温室效应评价

刘全凤 刘贞贞 赖德强 孙一 陈新 李雅静 武婷 毛彩云

摘要：采用田间小区试验，建立了环渤海潮土区不同产田夏玉米氮、磷、钾肥的肥料效应模型，分析了玉米农田生态系统中，温室气体的直接和间接排放规律以及净温室气体排放平衡。结果表明，高、中、低产田经济最佳施肥量与最高产量施肥量相比，温室气体排放强度小，增温潜势大，且为温室气体的“汇”，可作为该地区夏玉米生产的科学施肥水平。

关键词：环渤海潮土区;夏玉米;温室气体;温室效应评价

中图分类号：S513

文献标识码：A

文章编号：0439-8114[ 2020） 20-0061-05

DOl：10.1408 8/j .cnki.issn043 9- 8114.2020.20.013

环渤海潮土区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，雨热同期，虽然热量丰富，但土壤有机质含量低，养分缺乏且不平衡，还有不同程度的盐渍化[1]，而夏玉米抗盐碱能力强，是主要的粮食、饲料、经济作物和重要的工业原材料之一，历来在滨海区农业生产中占有举足轻重的地位[2]。但是人们为了追求产量和经济效益，盲目增施化肥，过量施肥导致一系列的生态和环境问题，如作物养分利用率下降、地下水硝酸盐淋洗、温室气体（ Greenhouse gas，GHG）排放[3-5]等。

由温室气体排放引起的气候变暖和臭氧层破坏已成为全球面临的一个重要生态环境问题，农业是温室气体重要的排放源。据报道，农业CH4和N2O的排放量分别占全球总排放量的50%和60%[6-8]，其中，农田N2O排放来自土壤硝化与反硝化作用，而施用氮肥可为其提供氮源，且N2O的排放量随施肥量的增加呈直线或指数增长[9.10]。项虹艳等[11]研究表明施氮处理对紫色土壤夏玉米N20排放量的影响显著高于不施氮肥处理。Laura等[12]试验得出有机物代替化肥能减少N2O排放的结论。

探索农田温室气体减排调控措施对发展低碳农业、减缓全球变暖具有重要价值。在农业可持续发展的前提下，为平衡产量与温室气体减排，解决施肥过度所引发的一系列环境污染及资源浪费等问题，本试验通过建立环渤海潮土区不同产田夏玉米氮（N）、磷（P）、钾（K）肥的肥料效应模型，分析不同产田玉米最高产量施肥量和经济最佳施肥量的土壤温室气体的排放，计算温室气体间接排放增温潜势及温室气体排放强度，探究该玉米农田生态系统净温室气体平衡，进而对该地区玉米科学需肥规律、合理施用肥料和科学减排提供理论依据和实践基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

2018年于河北省沧州市黄骅市开展田间试验，该地区属暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，降雨主要集中在6-9月，一般占年降雨量的80%左右，土壤屬于中壤质潮土，其理化性质如表1所示。

1.2 试验设计

不同处理的养分投入量如表2所示。其中，N、P、K肥分别由尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）、硫酸钾（K2O50%）提供。磷、钾肥一次性全部底施翻入土内，氮肥基肥、追肥比为1：1，大喇叭口期进行追施。试验小区面积30m2，随机区组排列，重复3次。供试玉米品种为郑单958;行距60 cm，株距25 cm，试验田均按常规进行管理。

1.3 样品采集与数据处理

温室气体排放的边界设定为整个农田生产中的物质投入（包括肥料、农药等）、运输到农田作物（小麦、玉米）收获的全部过程，其中，也包括农用化学品的生产、运输、农田机械操作等使用的柴油、病虫害防治使用的农药等产生的温室气体。农田温室气体排放只考虑土壤中的N2O和CH4排放，而旱地土壤上CH4农田温室气体排放的贡献较小，故不予以考虑。

1.3.1 净生物量（Net primary productivity，NPP） 净生物量于作物收获后测定。NPP包括子粒、秸秆和根。本研究中，仅子粒部分移出农田，秸秆为全量还田，故视还田秸秆以CO2全部分解。每个小区单打单收，田间直接测定产量，取1 kg子粒样品，烘干后计算含水量，再通过含水量折算出实际产量。

1.3.2 温室气体N2O的土壤排放农田土壤N2O排放分直接排放和间接排放，玉米的直接排放系数和间接排放参数参考Cui等[13]统计得到的国内玉米试验中N2O、NH3和NO3-N淋洗数据与施氮量的相关数学模型。间接排放则按照IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）确定的每向空气挥发1 kg氨（NH3）和水体流失lkg硝态氮（NO3-）则分别有1.00%和0.75%转化为N2O2，分别计算NH3和NO31-N的N2O排放量损失[14]。玉米氮肥施用量与N2O的淋洗模型：y=0.48e0.05 8X;玉米氮肥施用量与NH，的淋洗模型：y=0.24x+1.3：玉米氮肥施用量与NO3-1-N的淋洗模型：y=4.46e0'009 4x。

1.3.3 温室气体增温潜势（Gobal warming potential，GWP） 为了便于计算，将N20、CH4的长期排放总量（ kg/hm2）的增温潜势换算为CO2当量，其中，温室气体CH4在100年尺度上是CO2的25倍，N2O在100年尺度上为CO2的298倍。GWP的计算公式为：

GWP= CO2+298x（ N2O）+25x（ CH4） （l）

式中，温室气体增温潜势单位为kg CO2eq/hm2。

1.3.4温室气体间接排放试验期间记录物资投入种类及用量，用于计算间接排放量，温室气体增温潜势（GWP）计算公式如下：

GWP INDIRECT=∑in×Cn （2）

式中，Ln和Cn分别为第n种物资的用量和CHG排放系数。各种物资的GHG排放系数参考刘巽浩等[15]改进后的系数，N、P2O5、K2O、柴油、农药、电力的温室气体排放系数分别为4.80、1.14、0.60、3.90、6.58、0.92 kg CO2eq/kg。

1.3.5 温室气体排放强度（Greenhouse gas intensity，GHGI）农田温室气体排放强度是CO2、N2O、CH4总增温潜势同作物产量的比值，是综合评价各处理的温室效应的指标。它反映了生产单位粮食产量所产生的净温室效应的大小，计算公式如下：

GHGI=GWP作物产量 （3）

式中，温室气体增温潜势单位为kg CO2eq /hm2，作物产量单位为kg/hm2。

1.3.6 温室气体排放平衡（Net greenhouse gas bal-ance，△GWP） 農田温室气体排放平衡的方法主要有基于土壤碳库和生物量的2类方法，本研究采用刘巽浩等[15]改进的公式进行计算，具体如下：

△GWP= GWPIVPP十GWP△SOC - GWPSOILEXPOTT -GWPINDIRECT （4）

式中，△GWP为空气中温室气体净增减量或全球增温潜势。当△GWP为负值时，表明农田生态系统最终是向大气排放CO2，为温室气体“源”，加剧温室效应;当△GWP为正值时，表明农田生态系统最终是吸收大气中的CO，，是温室气体“汇”，可以减缓温室效应。GWP NPP指净初级生产力（包括子粒和秸秆残茬根系）的增温潜势;GWP△SOC指土壤有机碳变化量的增温潜势（此项短期试验可忽略）。GWP SOILEXPOTT指土壤排放CO2、N2O和CH4总量的增温潜势。G WP INDIRECT指间接投入的增温潜势（包括机油、电、化肥、农药和厩肥等）。

1.3.6数据分析 采用Microsoft Excel 2007软件和SPSS 17.0数据处理系统进行数据统计。

2 结果与分析

2.1 不同养分管理措施对作物产量的影响

采用二次型函数式y=ax2+bx+c，模拟“玉米子粒产量”与“土壤养分残留量+肥料施人量”的关系，用A表示，综合考虑产量利润和肥料施用成本，模拟“毛收入一肥料价格”与“土壤养分残留量+肥料施入量”的关系，用B表示，不同产田不同肥料的回归方程如表3所示。高产田的氮肥经拟合，得方程A：y=-0.008 6x2+10.60lx+5 443.9，当施氮量x=-bl2a时，子粒产量y得到最大值，计算可知，最高产量为8 711 kg/hIT12，“土壤残留氮+施入氮”为616.34 kg/hm2，去除土壤残留氮127.54 kg/hm2，需要施氮量为488.80 kg/hm2;B：y=-0.012 8x2+11.901x+8 676，经济效益最佳时玉米产量为8 528 kg/hm2.“土壤残留氮+施入氮”为464.88 kg/hm2，需要施氮量为337.34 kg/hm2。按照同样方法，可以得出不同产田不同肥料的最高产量施肥量和经济最佳施肥量。

2.2 由氮肥投入引起的N，O气体排放量

在玉米试验中，如表4所示，由氮肥投入引起的N2O气体排放量中，各产田最高产量施肥量与经济最佳施肥量处理的温室气体增温潜势GWP差异明显，尤其是高产田，其差值达2 279.70 kg CO2eq/hm2，其中，最高产量施肥量与经济最佳施肥量处理直接N2O排放量相差4.77 kg/hm2，间接排放量相差2.88 kg/hm2，中、低产田最高产量施肥量与经济最佳施肥量处理总N2O排放量分别相差2.85 kg/hm2和0.53 kg/hm2。

2.3 温室气体间接排放当量

如图1所示，肥料投入中氮肥对温室气体增温潜势的贡献最大，高产田最高产量施氮量和经济最佳施氮量对温室气体增温潜势的贡献占比分别为85.2%和83.5%，中产田占比分别为83.6%和79.5%，低产田占比分别为80.1%和78.4%;而各产田各处理中磷、钾肥施用量对温室气体增温潜势的影响不大，磷肥对温室气体增温潜势的贡献占比为4.0%～8.5%，钾肥对温室气体增温潜势的贡献占比为5.3%～7.6%。该试验中各处理的农药和柴油投入相同，分别为4.6 kg/hm2和81.9 kg/hm2，由于该地区没有水浇条件，所以没有电力消耗。

2.4 温室气体排放强度

如表5所示，高、中、低产田最高产量施肥量处理的温室气体排放强度均大于经济最佳施肥量处理，其中，高产田最高产量施肥量处理的GHGI最大，为0.75，低产田经济最佳施肥量处理的GHGI最小，为0.25，通过计算温室气体排放强度，可以采取合理的措施来平衡作物产量与农田温室气体的排放。

2.5净温室气体平衡（△GWP）

如表6所示，根据不同处理温室气体固定与排放的清单，比较作物固碳和温室气体排放的净效应，最终的△GWP均为正值，说明不同产田玉米农田生态系统表现为温室气体“汇”，有利于减缓温室效应。同一产田最高产量施肥量与经济最佳施肥量处理碳固定差异明显，前者明显低于后者，不同产田最高产量施肥量处理的温室气体固定顺序表现为高产田<中产田<低产田，经济最佳施肥量处理的温室气体固定顺序正好相反，表现为高产田>中产田>低产田。由于试验年限较短，土壤碳忽略不计;秸秆量全部还田，但均视为以CO2形式逸出，抵消不计;在本研究中，对处理间的△GWP起决定作用的主要为子粒产量、土壤N2O排放以及各处理的不同投入，可以看出，不同产田经济上占优势的经济最佳施肥量处理减排潜力比最高产量施肥量处理更大，高、中、低不同产田分别相差2 829.20、1 236.52、302.11 kgCO2 eq/hm2。

3 小结与讨论

在本玉米农田生态系统研究中，不同产田不同处理的温室气体均为“汇”，从温室气体固定当量来看，高、中、低产田的经济最佳施肥量均比最高产量施肥量处理减排潜力大，高产田经济最佳施肥量处理的△GWP最大，为12 520.29 kg CO2eq/hm2。对处理间的△GWP起决定作用的主要为子粒产量、土壤N2O排放以及各处理的不同投入，系统的固碳单元主要为NPP，固碳量的大小取决于经济部分的生物量。通过计算温室气体排放强度，各产田最高产量施肥量处理的温室气体排放强度均大于经济最佳施肥量处理，说明经济最佳施肥量处理能够更好地平衡作物产量与农田温室气体的排放，追寻产量最大化的同时，控制或优化农业投入，提高肥料利用效率，尤其是氮肥，是降低温室气体排放强度的关键。

农田净温室效应表现为随着施氮量的增加而明显增加，该结论与Sainju[16]的研究结果相似。一方面，增加氮肥施用量的同时，增加了农事投入对净温室效应的输出;另一方面，施氮量的增加促进了土壤温室气体尤其是N2O的排放，从而增加了土壤温室气体对农田温室效应的贡献。土壤的温室气体排放主要在土壤N2O排放上有实质的差异，农事投入肥料中的氮肥对温室气体增温潜势的贡献最大。

农业生产的目标是经济与环境的双赢，即提升产量的同时兼顾农业可持续发展，合理施肥可以在增产的同时兼顾环境效益[1]。Chen等[18]指出合理的施肥措施可以用最小的环境代价获得更高的作物产量。Chen等[19]指出产量的增加可以抵消氮肥施人所增加的溫室气体。本研究结果显示，在盐渍化潮土区玉米农田生态系统中，高、中、低产田经济最佳施肥量处理与最高产量施肥量相比，温室气体排放强度小，氮肥施用引起的农田N2O排放量小，农事投入温室气体间接排放量也小，固碳能力强、减排潜力大。因此，各产田氮、磷、钾最佳施肥量可作为该区较为理想的施肥水平。

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作者简介：刘全凤（1978-），女，河北沧州人，副研究员，硕士，主要从事植物营养、施肥与环境的研究，（电话）18931709218（电子信箱）165624265@qq.com;通信作者，毛彩云（1976-），女，河北沧州人，助理研究员，主要从事玉米育种与栽培研究，（电话）18731786522。