肥料减量深施对土壤N2O排放和冬油菜产量的影响

陈　慧，高丽萍，廖庆喜，张青松，肖文立，魏国粱，廖宜涛

肥料减量深施对土壤N2O排放和冬油菜产量的影响

陈慧，高丽萍，廖庆喜，张青松，肖文立，魏国粱，廖宜涛※

（1.华中农业大学工学院，武汉 430070；2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

为揭示肥料深施条件下减量施肥对土壤N2O排放及作物产量的影响，提出有效的减氮减排及增产增效措施，该研究以冬油菜为对象，设置肥料深施条件下当地推荐缓释肥量（750 kg/hm2，N-P2O5-K2O:25-7-8）的100%（DF100）、80%（DF80）和60%（DF60）3个施肥水平，以地表撒施当地推荐缓释肥量（BF100）和不施肥（F0）为对照，共5个处理；采用静态箱-气相色谱法对N2O排放进行原位监测，分析不同施肥处理对土壤N2O排放、土壤充水孔隙率（Water-Filled Pore Space, WFPS）、土壤温度及冬油菜产量的影响。结果表明：较地表撒施相比，肥料深施土壤N2O排放量增加了13.3%，但不显著（>0.05）；冬油菜产量显著增加了20.1%，肥料偏生产力（Partial Factor Productivity，PFP）和农学利用率（Agronomic Efficiency，AE）分别显著提高了20.1%和31.9%（<0.05）。减量施肥显著减小了土壤N2O排放、冬油菜产量及肥料利用率（<0.05），DF100处理较DF80、DF60和F0处理土壤N2O排放量分别增加了22.7%、42.5%和153.7%；DF100处理冬油菜产量分别是DF80、DF60和F0处理的1.30、2.24和3.24倍；DF100处理较DF80和DF60处理PFP分别增加了3.8%和34.5%且AE分别增加了19.7%和201.3%。综合考虑产量和温室效应，在深施当地推荐缓释肥施用量的基础上能够适当减量施肥，但需高于600 kg/hm2。该研究为冬油菜区N2O减排及油菜机械化直播种植合理施肥提供参考。

土壤；肥料；N2O排放；深施肥；减量施肥；冬油菜

0 引 言

温室气体引起的全球气候变暖是重要的环境问题，氧化亚氮（N2O）是重要的温室气体之一，其在100年时间尺度上的全球增温潜势是二氧化碳（CO2）的265倍[1]，是平流层臭氧的最主要破坏者。农田土壤是N2O的重要排放源，2007－2016年，农田土壤N2O排放量（以N2O-N计）高达（3.3±1.1）×106t/a，占全球土壤N2O排放总量的33%[2]。施肥在农田土壤N2O排放中起着至关重要的作用，农田施肥引发的N2O排放占土壤总N2O排放增量的70%[3]，是全球土壤N2O排放量增加的主要人为因素。前人研究表明，随着施肥量增加，农田土壤N2O排放量在不断增加[4]。因此，合理施肥是减少人为因素导致N2O排放的关键[2]。

当前中国普遍存在施肥量过多的现象，2018年农作物化肥用量达到340.8 kg/hm2，远高于世界平均施用水平120 kg/hm2。肥料的盲目过量施用不仅会致使农产品质量下降，还会引起土壤酸化、水体污染及温室气体排放等环境问题[5]。减量施肥能够减小土壤N2O排放，被认为是一项有效的N2O减排措施；但减量施肥同时会带来作物一定程度的减产[6]，如何协调作物产量和生态环保间矛盾是作物种植环节中难以突破的瓶颈。肥料深施是指将肥料施到作物根系密集、活力最强的土层[7]；与地表撒施相比，肥料深施通过抑制NH3挥发和氮径流[8]，显著提高了N素利用效率并减少N素损失，最终增加作物产量[7,9]。可见，肥料深施能够较好地补偿减量施肥带来的减产效应。目前，肥料深施条件下减量施肥对水稻、小麦、玉米等作物产量影响开展了研究，但其对农田土壤N2O排放的研究仍不足；研究深施肥条件下减量施肥对农田土壤N2O排放及作物产量的影响将为农田增产减排措施的制定提供依据。

油菜是中国种植面积最大的油料作物，2018年全国油菜种植面积达655.1万hm2。同时，油菜也是中国长江流域主要的冬季作物，其种植面积占全国油菜种植面积的85%以上，种植模式以稻油轮作、水旱交替为主。研究发现，水旱轮作系统N2O排放主要集中在旱季作物生长期，油菜季N2O排放量占整个轮作期N2O排放总量的65%[10]。因此，研究稻油种植模式下冬油菜农田N2O排放能为准确估算中国油菜农田生态系统N2O排放提供地区观测数据。本文以油菜为试验材料，研究肥料深施条件下减量施肥对长江流域稻油轮作模式下冬油菜农田土壤N2O排放、水分和温度的影响，结合作物产量及肥料利用率，以期探索出有效的减氮减排及增产增效措施，为深入研究冬油菜区N2O减排及油菜机械化直播种植合理施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年10月至2020年5月在湖北省监利县水稻-油菜（轮作）全程机械化生产示范基地进行，试验地位于113°01′14″E，29°48′47″N，海拔29 m。该区域常年为水稻-油菜水旱轮作种植模式；地处长江中游，属于亚热带季风气候，年均日照时数约2 000 h，年均降雨量约1 226 mm，年均气温为16.3 ℃，无霜期平均为255 d。土壤类型为水稻土，试验前测得0～10 cm土层内土壤容重为1.13 g/cm3，pH值为6.91。气象数据采用与试验点最近的，位于监利县红城乡新港村（112°54′16″E，29°52′31″N）的国家气象观测站采集到的数据（http://data.cma.cn/）；冬油菜生长季内日均气温在1.8～28.0 ℃之间变化，累计降雨量达480 mm（图1）。

图1 冬油菜生长季降雨量和平均气温日变化

1.2 试验材料与设计

1.2.1 供试材料

供试作物为优质双低油菜，品种为华油杂62，由湖北国科高新技术有限公司生产。

供试肥料为油菜专用缓释配方肥—宜施壮，肥料总养分质量分数≥40.0%，其中N、P2O5、K2O和中微量元素（B、Ca、Mg、Zn、S）配比为25:7:8:5；由华中农业大学研制、湖北宜施壮农业科技有限公司生产。

供试机械采用由华中农业大学研制的2BFQ-6型油菜精量联合直播机和主动式防堵深施肥装置[11]，一次性完成开沟、种床旋耕、精量播种、同步深施肥、覆土等作业，施肥深度合格率达到93.3%。直播机主要工作参数为：排种器类型为正负气压组合式单粒精量排种器[12]、工作幅宽2 m、播种行数6行（即1厢6行作物）、行距28 cm、播种深度10～20 mm；厢沟呈梯形，沟上口宽、沟底宽和沟深平均分别为30、22和12 cm，用于田间排水。

1.2.2 试验设计

参照宜施壮和深施肥的节肥效应，本研究中机械同步深施肥条件下减量施肥以20%为梯度水平，按照当地推荐缓释肥量（750 kg/hm2）的100%、80%和60%设置3个施肥水平，分别记为DF100、DF80和DF60，施肥深度为10 cm；以地表撒施当地推荐缓释肥量（深施肥对照，BF100）和不施肥（空白对照，F0）为对照，共计5个处理；各处理氮、磷和钾养分含量见表1。每个处理3个重复，采用完全随机设计。一厢作为一个重复，每厢采样测试有效面积（去除播种机作业启停段作业区域）为60 m2（30 m×2 m）。油菜于2019年10月10日播种，播种量为4.5 kg/hm2；肥料在播种时一次性基施，不再追肥，采用侧位施肥方式（肥料位于种子侧下方），其他田间管理按当地农作习惯进行；于2020年5月3日收获，生育期共206 d。

表1 不同施肥处理下氮、磷和钾养分含量

注：DF100、DF80和DF60分别表示深施当地推荐缓释肥量（750 kg·hm-2，N-P2O5-K2O:25-7-8）的100%、80%和60%，BF100和F0分别表示地表撒施当地推荐缓释肥量和不施肥，下同。

Note: DF100, DF80, and DF60 meant 100%, 80%, and 60% of the local recommended slow-release fertilizer (750 kg·hm-2, N-P2O5-K2O:25-7-8) under deep fertilization, respectively. BF100 and F0 meant broadcast with the local recommended slow-release fertilizer and no fertilizer, respectively, the same as below.

1.3 测定项目与方法

N2O排放通量测定采用静态暗箱-气相色谱法。采样箱由底座、中段箱和顶箱构成。底座（50 cm×50 cm×15 cm）由不锈钢材料制成，嵌入土壤10 cm深；底座上面附有凹槽，采样时注水密封以隔绝箱外环境。中段箱（50 cm × 50 cm×70 cm）和顶箱（50 cm×50 cm×50 cm）均用6 mm厚的聚氯乙烯材料制成且均用海绵与锡箔纸包裹箱体外表面，防止取样期间因为阳光照射导致箱内温度发生剧烈变化。中段箱顶部有密封水槽，可根据作物生长高度适时增加；顶箱顶部安装有小风扇以保证箱内气体均匀，且安装有温度计以观测箱内温度。取样时间自2019年10月20日开始，苗期平均每8 d采集一次气体，花期至成熟期平均每17 d采集一次气体。本研究中，采样工作在当地时间早上9:00－11:00进行，具体时间为关箱后的0、10、20和30 min时刻利用带有三通阀的60 mL注射器进行4次气体采集，每次采集50 mL气体。气体样品采用预先抽好真空且配有硅橡胶塞式密封盖的玻璃瓶（容积10 mL）存储、运输，利用安捷伦气相色谱仪（AgilentTechnologies 7890A GC System，美国）进行室内N2O浓度测定。去除奇异点，使4个样品浓度测量值随时间的线性回归系数2≥0.90。N2O排放通量采用如下公式计算[13]：

式中为N2O气体排放通量，g/(m2·h)；是标准状态下气体密度，g/cm3；为箱体高度，m；为箱内温度，℃；为N2O气体体积分数，L/L；为时间间隔，h。

除去播种后第44、89和101天，每次气体采集时利用土钻在各厢面设定采样区的首、中、末端3点采集土样，将其混合作为该重复的土样，用烘干法测定0～10 cm深度层土壤质量含水率，然后转换成土壤充水孔隙率（Soil Water-Filled Pore Space，WFPS，%）：

式中为土壤质量含水率，%；为土壤容重，g/cm3。

每次气体采集同时，用地温计测定土壤10 cm深度处温度。

待油菜成熟后，各重复厢面上选择2个1.12 m×1.12 m方形区域进行收获、晒干和脱粒等工序后，测定油菜产量，取各重复产量的平均值作为该处理的产量。

1.4 数据分析

使用Excel 2010软件处理试验数据；PASW Statistics18.0软件进行方差分析和相关性分析，显著性水平为=0.05；采用OriginPro 8.5软件作图并求各处理N2O的累积排放量。土壤N2O的温度敏感系数（10），即温度增加10 ℃土壤N2O改变的熵，采用10=e10b进行计算，其中，为温度响应系数。

单产N2O累积排放量（Yield-scaled N2O emissions，N2O，g/kg）：

式中为全生育期土壤N2O累积排放量，kg/hm2；为油菜产量，kg/hm2。

N2O排放系数（N2O emission factor，，%）：

式中C和0分别为施肥和不施肥处理全生育期土壤N2O累积排放量，kg/hm2；F为施氮量，kg/hm2。

肥料利用率用肥料偏生产力（Partial Factor Productivity， PFP，kg/kg）和农学利用率（Agronomic Efficiency，AE，kg/kg）表征，计算方法如下：

式中Y和0分别为施肥和不施肥处理油菜产量，kg/hm2；为肥料纯养分（分别指氮、磷、钾）投入量，kg/hm2。

2 结果与分析

2.1 肥料减量深施对土壤N2O排放的影响

冬油菜整个生长季，不同施肥处理土壤N2O排放的季节变化有明显的时间变异性（图2）。从图2a可知，播种后37 d内，N2O排放通量呈大幅下降的趋势，由40.12～85.14g/(m2·h)逐渐降至3.78～10.52g/(m2·h)；37 d后，各处理土壤N2O排放通量均维持在较低水平，在0.76～17.92g/(m2·h)范围内波动（图2a）。处理间对比发现，在当地推荐缓释肥用量条件下，播种后20 d内，肥料深施处理（DF100）土壤N2O排放通量要小于肥料地表撒施处理（BF100），DF100处理N2O通量均值较BF100处理小14.6%；20 d后，DF100处理土壤N2O排放通量在大多数时间内要大于BF100处理，DF100处理N2O通量均值较BF100处理高44.6%。就冬油菜整个生育期N2O通量均值而言，DF100处理比BF100处理高10.8%。此外，在相同施肥深度条件下，减量施肥减小了土壤N2O排放通量，DF100处理N2O通量均值分别是DF80、DF60和F0处理的1.30、1.55和2.45倍。

图2 冬油菜生长季不同施肥处理N2O排放通量和N2O累积排放量的动态变化

各处理土壤N2O累积排放量随播种后天数增加呈逐渐增加的趋势（图2b），表现为土壤是N2O的排放源。肥料深施对冬油菜田土壤N2O累积排放量未产生显著影响（>0.05），而减量施肥显著减小了土壤N2O累积排放量（<0.01）。不同施肥处理全生育期土壤N2O累积排放量在0.26～0.65 kg/hm2范围变化，且37 d内各处理N2O排放量占全生育期N2O累积排放量的38.7%～48.4%（图2b）。全生育期土壤N2O累积排放量平均值以DF100处理最大，较BF100、DF80、DF60和F0处理分别增加了13.3%、22.7%、42.5%和153.7%（图2b，表2）。相同施肥量水平下，肥料深施显著增加了N2O排放系数（<0.05），DF100处理N2O排放系数是BF100处理的1.24倍；相同施肥深度条件下，减量施肥显著减小了N2O排放系数（<0.05），DF100处理N2O排放系数较DF80和DF60处理分别增加了15.2%和18.1%。

表2 不同施肥处理全生育期N2O累积排放量（C）、N2O排放系数（f）、冬油菜产量及单产N2O累积排放量（Y-SN2O）

注：不同小写字母代表处理间差异显著。ns代表方差分析不显著；*代表显著（<0.05）；**代表极显著（<0.01），下同。

Note:Different lowercase letters indicate significant differences among treatments. ns means not significant; * means significant (<0.05); ** means extremely significant (<0.01), The same as below.

2.2 N2O排放通量与土壤水分和温度的关系

冬油菜生长季，不同施肥处理WFPS和土壤温度的动态变化如图3所示。播种后90 d内，WFPS在冬油菜整个生长季相对较低，在39.3%～68.9%之间波动；而90 d后，由于降雨较多（图1），WFPS在冬油菜整个生长季相对较高，在81.7%～96.5%之间波动（图3a）。相关分析发现，在土壤N2O排放剧烈（播种后37 d内）及稳定阶段（播种37 d后），N2O排放通量均随WFPS增加而增加，两者间呈极显著线性相关关系（N2O排放剧烈阶段：N2O=1.976WFPS－74.337，=0.007；N2O排放稳定阶段：N2O=0.118WFPS－3.683，=0.006），决定系数分别达0.275和0.180，说明WFPS的变化在2个生长阶段能够分别解释N2O排放通量27.5%和18.0%的变化。本研究中，各处理N2O通量最大值出现在WFPS为54.5%～56.2%时。

不同施肥处理土壤10 cm深度处温度在冬油菜生长季内整体呈“V”字型（图3b），最低值出现在101 d，平均温度为7.1 ℃（6.6～7.4 ℃）；而在10 d和收获时（206 d）土壤温度相对较高，平均温度分别为26.6（24.7～27.7）和26.5 ℃（23.8～27.9 ℃）。相关分析发现，在土壤N2O排放剧烈阶段，N2O排放通量与土壤温度呈极显著线性正相关关系（N2O=4.085－50.424，=0.006；为土壤温度），决定系数为0.285，说明此阶段土壤温度的变化可以解释N2O排放通量28.5%的变化。在土壤N2O排放稳定阶段，N2O排放通量随土壤温度增加呈指数形式增加（N2O=1.950e0.057T），10为1.76；且土壤N2O排放通量与土壤温度的相关性达到极显著水平（=0.002），决定系数为0.173，说明土壤温度的变化可以解释N2O排放通量17.3%的变化。

图3 冬油菜生长季不同施肥处理土壤充水孔隙率和土壤温度的动态变化

2.3 肥料减量深施对冬油菜产量的影响及综合评价

肥料深施显著增加了冬油菜产量（<0.05，表2），DF100处理冬油菜产量比BF100处理高20.1%。此外，减量施肥显著减小了冬油菜产量（<0.01，表2），DF100处理冬油菜产量分别是DF80、DF60和F0处理的1.30、2.24和3.24倍。

肥料深施显著提高了肥料利用率（<0.05，表3），较BF100处理相比，DF100处理增加了20.1% PFP和31.9% AE；减量施肥显著减小了PFP和AE（<0.05），DF100处理较DF80和DF60处理PFP分别增加了3.8%和34.5%，AE分别增加了19.7%和201.3%（表3）。

从表2可以看出，肥料深施和施肥提高冬油菜产量的同时也导致N2O排放增加；但肥料深施减小了N2O，DF100处理N2O较BF100处理减小了5.0%。而随着施肥量增加，N2O呈先增加后减小的趋势（DF100

表3 不同施肥处理冬油菜氮、磷、钾肥利用率

注：PFP和AE分别表示肥料偏生产力和农学利用率。

Note: PFP and AE meant partial factor productivity and agronomic efficiency, respectively.

如何兼顾作物高产及温室气体减排是科研工作者密切关注的一个问题。由表2和表3可见，DF100处理N2O最低且肥料利用率最高，说明其增产减排潜能最好且肥料利用程度最高。因而，该试验地兼顾产量和累积N2O排放的基础上，采用深施缓释肥750 kg/hm2处理为较佳的管理模式。但当考虑N2O排放量占施肥量的比例（即N2O排放系数）时，可在深施缓释肥750 kg/hm2的基础上有所减小，但需高于600 kg/hm2。

3 讨 论

3.1 施肥对冬油菜田土壤N2O排放的影响

不同施肥处理土壤N2O排放通量在37 d内呈现骤降的趋势，之后气体排放维持在较低水平（图2a），这与不少研究学者的规律相似[14-15]。出现这种现象的原因可能是由于水旱轮作系统旱作季N2O排放通量的峰值一般出现在施肥后伴随降水时[16-17]。本研究中，试验只施基肥，油菜生育前期供N2O产生的基质丰富[13]，为土壤硝化和反硝化微生物提供足够的N源；加之降雨带来合适的水分条件（WFPS为54.5%～56.2%，图3a），利于硝化微生物活动；导致了10 d时N2O气体峰值的出现。10～37 d内，随着土壤温度的降低（图3b），加之作物对土壤养分的不断吸收导致土壤中供N2O产生的基质含量减小，引起N2O排放通量的不断降低。而37 d后，尤其是90 d后，较高的土壤水分含量（WFPS>80%，图3a）虽利于反硝化反应的进行，但供N2O产生的基质含量较少，导致N2O排放维持在较低的水平。油菜生长中后期，降雨对N2O排放通量的影响不大，可能是因为土壤长期处于相对厌氧状态，不利于气体排放，使N2O进一步还原为N2。

肥料深施对土壤水分、无机氮含量、微生物数量、酶活性、有机质分解等产生影响[7,9,18-21]，土壤生物和非生物因子的改变势必导致土壤N2O排放的变化。但是，肥料深施对油菜田土壤N2O排放的影响研究仍较少。本研究发现，肥料深施较肥料地表撒施增加13.3%土壤N2O排放（表2），这与油菜[22-23]和小麦-玉米-大豆生态系统[19]等旱地农田及部分稻田[24]的结果相似。张岳芳等[22]发现，氮肥条施和氮肥穴施（深约8 cm）较氮肥撒施分别增加37.2%和19.3%油菜田土壤N2O排放。Engel等[23]指出，肥料深施5 cm较肥料地表撒施平均增加89.6%油菜田土壤N2O排放。产生该现象的原因一方面在于肥料地表撒施较肥料深施会引起较高的NH3挥发和地表径流损失[25]，导致供N2O产生的土壤N含量（NH4+、NO2-和NO3-）减少[23,26]，进而产生较低的气体排放。另一方面，在肥料深施时土壤将可硝化肥料浓缩，增加N2O产生潜力[27]；加之氮肥深施处土壤水分含量大于表层土壤而O2浓度较低，利于反硝化反应的进行；同时，氮肥深施后肥料的相对集中使施肥处的土壤养分含量较高，水肥的耦合效应促进了N2O产生[23]。本文中，肥料深施土壤N2O排放虽高于肥料地表撒施，但在统计上未达显著水平（>0.05，表2）；这可能是由于深施肥对N2O的作用受到土壤性质、试验条件和肥料本身性质等因素的影响。

施肥量通过改变土壤中反应底物浓度及供N2O产生的基质含量来影响土壤N2O排放的变化。本研究中，减量施肥显著减小了冬油菜田土壤N2O排放（表2）；这与前人研究的规律相一致[23,28]。Engel等[23]指出，肥料地表撒施和深施条件下施氮量200 kg/hm2处理油菜田土壤N2O排放量分别是施氮量100 kg/hm2处理的1.70和2.97倍。杜娅丹等[28]的温室小区试验表明，施氮量250 kg/hm2处理芹菜地土壤N2O通量均值分别是施氮量200和150 kg/hm2处理的1.9和3.7倍。土壤NO3-含量、硝化细菌和反硝化细菌数量均与土壤N2O排放通量呈极显著正相关关系[28]；减量施肥减小了土壤NO3-含量、硝化细菌和反硝化细菌数量[28]，进而抑制了土壤N2O排放。

3.2 土壤N2O排放对土壤水分和温度的响应

土壤水分影响土壤的通气状况、氮素转化速率、微生物活性、酶活性、无机氮在土壤中的分布等，进而对土壤N2O的产生与排放产生影响。本研究中，在气体排放剧烈及稳定阶段，土壤N2O排放通量与WFPS均呈极显著线性正相关关系，N2O通量主峰值出现在WFPS为54.5%～56.2%时（图2a，图3a）；这与不少研究学者的结果相似[14,28]。当WFPS小于60%时，硝化细菌活性随WFPS增加而增加，导致土壤N2O排放呈增长的趋势。而当WFPS大于60%时，由于扩散速率受到严重限制，硝化作用的O2和CO2底物的可用性会下降，导致土壤N2O排放呈降低的趋势。

土壤温度影响土壤微生物活性及有机质分解速率，进而影响N2O产生。前人研究表明，15～35 ℃是硝化作用微生物活动的适宜温度范围，<5或>40 ℃都抑制硝化作用发生；反硝化微生物所要求的适宜温度为5～75 ℃[17]。本研究中，各处理土壤温度在6.6～27.9 ℃范围内变化，其与土壤N2O排放通量呈正相关关系，这与前人研究结果相一致[28]。土壤温度增加促进了土壤N2O排放，一方面可能是由于土壤温度增加促进了土壤呼吸[29]，由此造成的厌氧环境促进了土壤反硝化作用；另一方面是由于土壤温度增加提高了土壤的矿化速率，基质可利用性的提高增加了土壤N2O排放。

3.3 施肥对冬油菜产量的影响

肥料深施通过将肥料施到土壤特定层次，易于作物根系吸收利用，被证实具有较好的增产效应。本研究中，DF100处理比BF100处理冬油菜产量高20.1%（表2）；这与一些油菜作物的研究结果相似[7,22]。谷晓博等[7]通过盆栽试验发现，地下10 cm施肥较地表施肥冬油菜产量平均增加了46.8%，这与作物地上部干物质量、主根干质量、养分吸收、单株分枝数、单株角果数及千粒质量的增加密切相关。Su等[9]发现，较肥料地表条施相比，肥料深施10 cm促进了作物根系生长及对N、P和K的养分吸收，进而增加了冬油菜产量。肥料深施对作物的影响首先表现在改善了根系生长及生理性状[7,9]，进而促进了作物对土壤养分和水分的吸收与利用，最终提高了产量[21,30-32]。

在当前国家提倡化肥零（负）增长的大背景下，如何保持高产量水平的同时减少肥料的投入是当今面临的一个挑战。基于此，国内外学者就减量施肥对作物产量影响研究做了大量工作。杜娅丹等[28]指出，在充分灌水条件下，随着施氮量减小，温室番茄产量在不断降低。Devkota等[33]总结到，减量施氮减小了帕尔帕区和纳瓦帕拉希区小麦产量及纳瓦帕拉希区油菜产量。谷晓博等[34]发现，在0～240 kg/hm2施氮量范围内，2014－2015和2015－2016年试验中冬油菜产量随施氮量的减小而显著减小。这与本研究的规律相似，较推荐施肥量相比，减量施肥均不同程度的减小了冬油菜产量（表2）。减量施肥减小了作物生物量积累、根系生长、光合速率、植物养分吸收等[33-34]，进而对作物产量产生负效应。

本研究发现，肥料深施减小了5.0%N2O，被认为是一项获得高产低排的有效措施，在生产实践中被广泛采用[7,9,22]。但本研究只比较了肥料深施10 cm与肥料地表撒施的土壤N2O排放及冬油菜产量的差异，未涉及不同施肥深度的影响；不同施肥深度条件增产减排效应研究有待进一步验证。与前人研究结果相似[23,28,33]，减量施肥减小N2O排放的同时带来作物一定程度的减产，实际生产中在减量施肥时可以通过配合其他农田管理措施（如肥料深施）达到稳产减排的效应。另外，土壤N2O排放与降雨量、气温、土壤质地等气象及土壤要素有关，而本研究错过了冬油菜蕾薹期，且只比较了一季试验中各处理间N2O排放及冬油菜产量差异，肥料减量深施条件下N2O排放特征及冬油菜产量的季节及年际间差异有待在将来的试验中完善和验证。

4 结 论

1）较肥料地表撒施相比，肥料深施土壤N2O排放量增加了13.3%，但不显著（>0.05）；而冬油菜产量显著增加了20.1%，肥料偏生产力和农学利用率分别显著提高了20.1%和31.9%（<0.05）。

2）减量施肥显著减小了土壤N2O排放、冬油菜产量及肥料利用率（<0.05）。施缓释肥750 kg/hm2处理土壤N2O排放量较施缓释肥600、450和0 kg/hm2处理分别增加了22.7%、42.5%和153.7%；施缓释肥750 kg/hm2处理油菜产量分别是施缓释肥600、450和0 kg/hm2处理的1.30、2.24和3.24倍；施缓释肥750 kg/hm2处理较施缓释肥600和450 kg/hm2处理肥料偏生产力分别增加了3.8%和34.5%，农学利用率分别增加了19.7%和201.3%。

3）该试验地在深施当地推荐缓释肥施用量的基础上适当减量施肥，但需高于600 kg/hm2，可兼顾试验区冬油菜产量和肥料利用率，同时有效降低土壤N2O排放。

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Effects of reduced and deep fertilizer on soil N2O emission and yield of winter rapeseed

Chen Hui, Gao Liping, Liao Qingxi, Zhang Qingsong, Xiao Wenli, Wei Guoliang, Liao Yitao※

(1.430070,; 2.430070,)

Nitrous oxide (N2O) has made a strong contribution to the climate change, particularly on the global warming potential 265 times greater than that of CO2on a 100-year time horizon. Agricultural soil is an important source of N2O emission, accounting for approximately 33% of the global N2O. Furthermore, nitrogenous fertilizer plays a crucial role in N2O emission in agriculture, accounting for approximately 70% of the agricultural soil N2O emissions. Therefore, the reduced fertilizer can be used to alleviate the soil N2O emission, but it simultaneously can decrease the crop yield. A tradeoff between crop yield and ecological environment has become urgent in the planting link of crops. An application of deep fertilization has the potential to increase the crop yield and the use efficiency of fertilizer. However, there is still lacking the effect of reduced fertilizer on soil N2O emission under deep fertilization. In this study, a field experiment was conducted using the static chamber method and gas chromatography to determine the impacts of fertilizer treatments on soil N2O emission, soil Water-Filled Pore Space (WFPS), soil temperature, and yield of winter rapeseed, from October 2019 to May 2020. Five treatments included: 100% (DF100), 80% (DF80), and 60% (DF60) of the local recommended slow-release fertilizer (N-P2O5-K2O=187.5-52.5-60 kg/hm2) under deep fertilization, broadcast with the local recommended slow-release fertilizer (BF100), and no fertilizer (F0). The results showed that the soil N2O emission under DF100 was 13.3% greater than that of BF100, but the difference was not significant (>0.05). The DF100 treatment significantly increased the yield of winter rapeseed by 20.1%, Partial Factor Productivity (PFP) by 20.1%, and Agronomic Efficiency (AE) by 31.9% (<0.05). The DF100 treatment reduced the yield-scaled N2O emissions(N2O) by 5.0%, indicating that the increasing rate of rapeseed yield was greater than that of N2O emission under deep fertilization. In addition, the reduced fertilizer significantly decreased the soil N2O emission, winter rapeseed yield, and fertilizer use efficiency (<0.05). The soil N2O emission under DF100 increased by 22.7%, 42.5%, and 153.7%, compared with the DF80, DF60, and F0 treatment, respectively. The yield of winter rapeseed under the DF100 treatment was 1.30, 2.24, and 3.24 times greater than that of DF80, DF60, and F0, respectively. The PFP under DF100 treatment increased by 3.8% and 34.5% than that of DF80 and DF60, respectively. Meanwhile, the AE under DF100 treatment increased by 19.7% and 201.3% than that of DF80 and DF60, respectively. A trend of an initial increase then decrease in the value ofN2Owas observed with the increase of fertilizer amount. The maximumN2Owas 0.293 g/kg under the DF60 treatment, increasing by 23.1%, 48.8%, and 57.4% than that under the F0, DF80, and DF100 treatment, respectively. To balance environmental and economic conditions, the application amount of slow-release fertilizer can be reduced appropriately, according to the local recommendation, but it should be greater than 600 kg/hm2. The optimal combination on the amount of slow-release fertilizer and deep fertilization can be used to increase the yield of winter rapeseed and use efficiency of fertilizer, as well as reduce soil N2O emission. This finding can provide a sound reference for the reduction of N2O emission in winter rapeseed fields, and rational fertilization in mechanized direct-seeded rapeseed.

soils; fertilizers; N2O emission; deep fertilization; reduced fertilizer; winter rapeseed

陈慧，高丽萍，廖庆喜，等. 肥料减量深施对土壤N2O排放和冬油菜产量的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(21)：80-87. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.010 http://www.tcsae.org

Chen Hui, Gao Liping, Liao Qingxi, et al. Effects of reduced and deep fertilizer on soil N2O emission and yield of winter rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 80-87. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.010 http://www.tcsae.org

2020-07-30

2020-10-13

国家重点研发计划项目（2018YFD0200901）；中国博士后科学基金资助项目（2020M672371）；湖北省自然科学基金（2019CFB153）；湖北省博士后科技活动项目

陈慧，博士，博士后，主要从事机械作业下农田高效栽培管理模式构建与农田生态效应研究。Email：chenhui2019@mail.hzau.edu.cn

廖宜涛，博士，副教授，主要从事油菜机械化生产研究。Email：liaoetao@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.010

S275

A

1002-6819(2020)-21-0080-08