玉米生长条件下潮土N2O排放来源定量解析

刘耀斌，徐 聪，汪吉东，王 磊，韩 笑，纪 程，张永春②

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/ 农业农村部江苏耕地保育科学观测站，江苏 南京 210014；2.南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京 210095；3.江苏大学农业装备工程学院，江苏 镇江 212013；4.生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042)

氧化亚氮(N2O)是除CO2和CH4外的第3大温室气体，其百年尺度上单位质量增温潜势是CO2的约300倍[1]，对气候变化进程影响显著。IPCC报告显示，农业生产是重要的N2O排放源，其排放占全球总N2O排放的60%[2]。随着1978年以来高量氮肥的施用，我国农田N2O排放量占全国N2O总排放量的比例达90%[3]。调控农田土壤N2O排放对于缓解气候变暖、促进农业可持续发展具有重要意义[4]。

农田土壤N2O排放来源包括土壤本底氮素和施用的外源氮肥[5]。目前研究主要关注氮肥所产生的N2O直接排放，且常规估算方法一般假设土壤本底排放不受氮肥施用的影响[6]。但近年来一些15N 示踪研究发现，外源氮施用除导致大量N2O直接排放外，还会显著增加21%～50%的土壤本底 N2O 排放[7]。在农田生态系统中，作物生长也是氮循环的关键影响因素，可与土壤氮素协同调控土壤本底氮素周转及N2O排放[8-9]。由于长期实行集约化施氮措施，我国农田土壤本底氮储量显著提升[10]，土壤本底N2O排放风险也随之增大。分析施氮背景下作物生长对土壤本底N2O排放的影响有利于进一步明确N2O排放产生的植物调节机制和优化减排手段。然而，针对我国典型农田土壤，关于外源施氮和作物生长对本底N2O排放交互影响的研究还较少。

潮土是黄淮海平原小麦、玉米粮食主产区的主要土壤类型之一。我国潮土区粮食年产量约占全国总产量的22%～25%，在保障我国粮食安全方面发挥着重要作用[11]。但由于长期实行集约化施氮措施，潮土区N2O排放量(以N计)可达4.43 kg·hm-2·a-1[12]，约占全国N2O总排放量的40%[13]。探明潮土区N2O排放机制对我国农业源温室气体减排具有重要意义。该研究以黄淮海砂质潮土为研究对象，采用盆栽试验方法，运用15N示踪技术定量解析来自外源氮肥和土壤本底的N2O排放，探究施氮和玉米生长及土壤-作物交互作用对N2O排放来源的影响，以期为进一步揭示N2O排放机制、制定针对性减排措施提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

采用盆栽试验方法，共设置2个因素：因素1为种植玉米，包括未种植玉米(P0)和种植玉米(P1)；因素2为氮肥施用，包括未施氮肥(以N计)(N0，0 mg·kg-1)和施氮肥(N1，100 mg·kg-1)2个水平。试验采用完全实施方案，共4个处理，每个处理设3次重复。

试验于2019年7月—2019年9月在江苏省农业科学院温室进行。供试土壤取自江苏省滨海县界牌镇三坝村(32°03′ N、118°88′ E)，采集土层为0～20 cm。该地为小麦-玉米轮作，土壤类型为脱盐潮土。供试土壤基本理化性质：pH为8.26〔V(水)∶m(土)=5∶1〕，有机质含量为11.8 g·kg-1，全氮含量为0.801 g·kg-1，碱解氮含量为36.1 mg·kg-1，有效磷含量为5.43 mg·kg-1，速效钾含量为95.0 mg·kg-1。土壤采集后进行风干，过5 mm孔径筛。

供试盆钵为圆柱体，体积为14.72 dm3(内径为25 cm，高为30 cm)，每个盆钵装入风干土14.5 kg，钵内土壤容重为1.13 g·cm-3。盆钵外缘装有高3.5 cm，长和宽均为33 cm的水槽，用于气体采样时进行密封。将磷钾肥底肥按施用量67 mg·kg-1(以P2O5计，相当于田间150 kg·hm-2)和100 mg·kg-1(以K2O计，相当于田间225 kg·hm-2)与供试土壤混匀后装入盆内。盆口中间安装一支PVC管(内径为4 cm，长为11 cm)，管体插入土壤约3 cm。玉米于2019年7月30日播种，播种时将种子播于PVC管中，使玉米苗从管中长出，8月1日出苗。供试品种玉米为燕禾金2000。为保证在监测前所有处理土壤本底氮水平一致，种植和未种植玉米处理在施氮前均每盆播种1株。在出苗30 d时，小心清除未种植玉米处理的植株，将15N标记的15NH415NO3(15N丰度为10.0%，上海化工研究院有限公司)溶于去离子水中后均匀施入施氮处理盆中，施用量(以N计)为100 mg·kg-1(相当于田间225 kg·hm-2)。未施氮肥处理灌溉采用等量去离子水。

1.2 测定指标及方法

1.2.1N2O和CO2监测

采用静态暗箱-气相色谱仪法对N2O和CO2排放进行监测[14]。采样箱由PVC材料制成，为下方敞开的立方体(长×宽×高为27 cm×27 cm×7 cm)，箱顶中间预留直径45 mm圆孔，使其恰好套进PVC管。箱顶还设有带阀门的气嘴，用于抽取箱内气体。

气体于氮肥施用前(设为第0天)采集1次，施氮后前7 d每天采集1次，随后于第9、12和16天各采集1次，每次采样均在上午9:00—11:00进行。采集气体时将盆钵水槽间注入水，箱体倒扣入盆钵水槽间进行闭合，并使用硅胶粘合剂密封采样箱与PVC管之间的缝隙。在箱体密封后0、20和60 min时分别抽取100 mL气体样品，将气体样品注入无菌采样袋中保存待测。采集气体样品后清除粘合剂，将采样箱向上提起交错置于水槽上，进行通风。气体样品在24 h内采用气相色谱仪(Agilent 7820)测定N2O、CO2浓度，采用稳定同位素比质谱仪(Isoprime 100)测定N2O中15N丰度。

1.2.2植株样品采集与测定

在玉米播种后第46天(即最后1次气体采集后)，将玉米整株破坏性取出。将植株分地上部和地下部进行烘干、称重、粉碎。采用H2SO4-H2O2消煮-半微量凯氏定氮法测定植株各部位全氮含量[15]265-267，采用稳定同位素比质谱仪(Isoprime 100)测定植株样品15N丰度。

1.2.3土壤样品采集与测定

采集植株后，将盆中土壤取出，按四分法将样品分为2个部分：一部分鲜土过2 mm孔径筛后用于测定土壤无机氮含量[15]49-56；另一部分鲜土风干，过0.5 mm孔径筛待测。新鲜土壤用2 mol·L-1KCl溶液浸提后，采用双波长分光光度法测定土壤NO3--N含量，采用靛酚蓝比色法测定NH4+-N含量。风干土壤采用半微量凯氏定氮法测定全氮(TN)含量[15]42-49，采用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机碳(TOC)含量[15]30-34，采用稳定同位素比质谱仪(Isoprime 100)测定15N丰度。

1.3 数据处理和统计方法

N2O和CO2通量计算公式为

F=ρ×(P/1 013)×(V/A)×(Δc/Δt)×(273/273+T)。

(1)

式(1)中，F为N2O、CO2排放通量，mg·m-2·h-1；ρ为标准大气压下N2O、CO2密度，mg·m-3；P为采样时大气压强，hPa；1 013为标准大气压强，hPa；V为采样箱有效体积，m3；A为观测土壤面积，m2；Δc/Δt为采样箱内气体随时间变化的回归曲线斜率；T为采样时箱内平均温度，℃。采用线性内插法计算气体累积排放量[16]。

采集的N2O可认为是土壤排放和空气中N2O混合气体，采用式(2)～(3)计算土壤排放N2O的15N 丰度(%)[7]：

δ15N，mix=(δ15N，air×cair+δ15N，em×cem)/cmix，

(2)

cmix=cair+cem。

(3)

式(2)～(3)中，δ15N，mix为所采集混合气体中N2O的15N丰度，%；cmix为所采集混合气体中N2O含量，μL·L-1；δ15N，air为自然空气中N2O的15N丰度，试验期间为0.369 9%；cair为空气中N2O含量，试验期间为0.335 8 μL·L-1；δ15N，em为土壤排放气体中N2O的15N丰度，%；cem为土壤排放气体中N2O含量，μL·L-1。

N2O排放、植株或土壤中氮素来源分为土壤本底和外源氮肥2个部分。采用式(4)计算各氮库中氮素来自于氮肥的比例(FNDF，%)[7,17-20]：

FNDF=S/N×100%。

(4)

式(4)中，S为排放的N2O及植株或土壤样品15N原子百分超(样品15N丰度与15N自然丰度之差)，%；N为所施用15NH415NO3的15N原子百分超，%。

氮肥N2O排放通量、植株氮肥吸收量和土壤中氮肥残留量分别采用N2O排放通量(mg·m-2·h-1)、植株吸收氮累积量(mg·盆-1)、盆中土壤氮总含量(mg·盆-1)乘以相应FNDF计算得到。氮肥损失量(g·盆-1)采用氮肥施用量减去氮肥吸收量计算得到。

采用Microsoft Excel 2019整理数据，采用Origin 2019 Pro绘图，采用SPSS Statistics 25进行双因素方差分析(the two-way ANOVA)和显著性检验(Tukey)。数据采用平均值±标准误表示。

2 结果与分析

2.1 外源氮施用及玉米生长对N2O和CO2排放量的影响

如图1所示，施氮后N2O排放显著升高，在施氮后12 d内，N1P0和N1P1处理N2O排放均显著高于N0P0和N0P1处理(P<0.05)。N1P0和N1P1处理N2O排放通量(以N计，下同)分别在施氮后第5天和第7天达到最高值(分别为0.246和0.112 mg·m-2·h-1)，随后排放量逐渐降低，在施氮后第16天，施氮(N1P0和N1P1)处理N2O排放通量与相应未施氮(N0P0和N0P1)处理之间差异不显著(P>0.05)。如图1所示，玉米生长显著降低N2O排放通量(P<0.05)。监测期间N1P0和N1P1处理N2O累积排放量(以N计，下同)分别为52.0和22.9 mg·m-2，分别为N0P0和N0P1处理的11倍和24倍。玉米生长也极显著降低N2O累积排放量(P<0.01)，种植玉米处理N2O累积排放量比相应未种植玉米处理降低55.0%～79.4%。

如图2所示，N0P0和N0P1处理在试验期间CO2排放通量(以C计，下同)变异较小，分别为25.8～47.7和17.8～41.6 mg·m-2·h-1。种植和未种植玉米条件下，施氮均能促进CO2排放：与未施氮处理相比，施氮处理CO2排放通量增加23.4%～42.7%。N1P0处理CO2累积排放量(以C计，下同)最高，为20.0 g·m-2，且未施氮(N0P0和N0P1)处理CO2累积排放量显著低于施氮(N1P0和N1P1)处理(P<0.05)。

2.2 外源氮施用及玉米生长对N2O来源的影响

如图3所示，通过15N示踪土壤本底和氮肥产生的N2O排放比例，结果表明监测期间土壤N2O排放主要来自外源氮肥，N1P0和N1P1处理排放的N2O中来源于肥料的比例分别在施氮后第6和第7天达到峰值(91.5%和90.9%)，随后开始下降。在施氮后6 d内，N1P1处理来自肥料的N2O排放比例均低于N1P0处理。来自氮肥的N2O排放比例随时间变化规律可用二次曲线进行拟合(P<0.01，图3)，根据拟合函数计算可知，分别在施氮后第15和第18天，N1P0和N1P1处理氮肥N2O排放可降低至50.0%以下。

如图4所示，15N标记结果显示土壤N2O排放主要来自肥料。N1P0和N1P1处理肥料N2O排放通量分别在第5和第7天达到峰值(0.219和0.101 mg·m-2·h-1)，随后排放量逐渐降低。相较于未种植玉米(N1P0)处理，种植玉米(N1P1)处理氮肥N2O累积排放量显著降低54.8%(38.9和17.6 mg·m-2，P<0.05)。

如图5所示，对不同来源N2O累积排放量分析结果表明，与相应未施氮(N0P0和N0P1)处理相比，施氮(N1P0和N1P1)处理土壤本底N2O排放量分别显著增加162%(6.98 mg·m-2)和460%(4.16 mg·m-2，P<0.05)。分析种植与未种植玉米处理之间差异发现，N1P1处理土壤本底N2O 排放量显著小于N1P0处理(P<0.05)，而与相应未施氮(N0P0和N0P1)处理相比，施氮后N1P1处理土壤本底N2O排放增加量占总排放量的比例(18.1%)明显高于N1P0处理(13.7%)。

2.3 施氮条件下氮肥去向分析

施氮处理氮肥去向见表1。试验结束时，N1P0和N1P1处理土壤中残留氮肥(以N计)分别为1.240和0.903 g·盆-1，残留率分别为85.2%和62.1%，两者差异显著(P<0.05)。N1P1处理植株氮肥吸收量(以N计)为0.128 mg·盆-1，吸收率为8.82%。N1P0和N1P1处理氮肥损失量(以N计)分别为0.215和0.424 mg·盆-1，损失率分别为14.8%和29.1%。

表1 施氮处理氮肥去向

以N计。P0和P1分别为未种植和种植玉米处理，N1为施氮肥处理。同一行数据后英文小写字母不同表示同一处理不同指标间差异显著，同一列数据后英文大写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。“—”表示无数据。

2.4 外源氮施用和玉米生长对土壤氮含量的影响

各处理土壤碳氮含量见表2。如表2所示，施用氮肥显著提高土壤NO3--N含量(109%～112%，P<0.05)。N1P0处理NO3--N含量最高，为161 mg·kg-1。N1P1处理NO3--N含量显著小于N1P0处理(P<0.05)，而N1P1处理NH4+-N含量显著大于N1P0处理(P<0.05)。就土壤全氮而言，施氮能显著增加土壤全氮含量(P<0.05)，相较未种植玉米处理，种植玉米处理土壤全氮含量有所下降，但是差异不显著。各处理土壤有机碳含量差异不显著。施氮处理土壤C/N显著小于未施氮处理，N1P0处理显著小于N1P1处理(P<0.05)。

表2 不同处理土壤碳氮含量

P0和P1分别为未种植和种植玉米处理，N0和N1分别为未施氮肥和施氮肥处理。同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理某指标间差异显著(P<0.05)。

3 讨论

3.1 外源氮施用对土壤本底N2O排放的影响

明确外源氮和土壤本底氮对总N2O排放的贡献是解释N2O排放机制、评估氮肥排放系数的关键[21]。目前常规估算方法中一般认为施氮对土壤本底N2O排放无显著影响[6,22]。然而笔者通过15N示踪研究发现，施氮可显著增加土壤本底N2O排放量(162%～460%，P<0.05，图5)。前人15N示踪研究也得到类似结果。SCHLEUSNER等[5]在长期施肥土壤中施用15N肥料，培养试验结果表明在氮肥施用7 d内，土壤本底N2O排放量比未施氮肥处理显著增加2倍以上。DALY等[23]采用长期种植大麦的土壤进行培养试验发现，添加尿素处理土壤本底N2O排放是未施氮处理的3倍，且施氮处理土壤本底N2O排放增加量可占总排放量的50%以上。土壤原位15N示踪试验[7]也表明，外源氮施用后土壤本底N2O排放量是未施氮条件的2～10倍。因此，在氮肥施用条件下，土壤本底氮素也是N2O排放的重要来源。

对于施氮后土壤本底N2O排放增加的机制，目前主要有2种解释。一方面，有学者认为外源氮对土壤氮素周转产生了激发效应，使土壤初级矿化速率加快，从而导致土壤本底N2O排放量增加[24]；另一方面，有学者认为在土壤中施用15N肥料后，由于微生物固定或氮素损失过程中消耗的15N比例增加，而土壤持续矿化产生14N，标记与非标记氮库之间发生的置换作用引起本底14N2O排放在表观上增加，而并未发生初级氮矿化量的改变[25]。施氮后土壤氮素周转的变化因土壤类型以及土壤本底碳、氮含量而异[26]，而土壤CO2排放可以作为反映土壤有机质周转的关键指标[27]。沈善敏[28]采用英国Rothamsted研究所长期定位试验土壤，对施氮和未施氮处理土壤初级矿化速率进行测定发现，施氮并未导致土壤初级矿化速率增加，且土壤CO2排放亦无显著变化。而笔者研究中，就种植玉米和未种植玉米处理而言，施氮后7 d内土壤CO2排放均显著增加(P<0.05，图2)，且CO2排放通量与施氮后土壤本底N2O排放增加通量呈极显著相关(P<0.01，图6)。因此可以认为，在笔者试验条件下，施氮对土壤有机氮素周转的激发效应是导致土壤本底N2O排放量增加的重要机制。

就累积排放量而言，来自土壤本底氮和肥料氮的N2O排放量分别占总排放量的22.3%～22.8%和77.2%～77.7%(图5)，N2O总排放主要来自肥料氮。但前人采用氮本底含量较高土壤〔w(TN)=1.00 g·kg-1〕的研究发现，来自土壤本底氮和肥料氮的N2O排放量可分别占总排放量的约50%[7]。随着以高量氮肥施用为主要措施的集约化农业的推行，我国农田土壤氮储量也逐步增加。因此，在制定农业面源减排措施时，除控制肥料源的N2O直接排放外，还应降低土壤本底氮库的排放风险。

3.2 作物生长对N2O排放及其来源的影响

作物生长是土壤氮素水平和N2O排放的重要影响因素[29]。双因素方差分析表明，玉米生长及其与外源氮施用的交互作用均对N2O排放有显著影响(P<0.01，表3)。与未种植玉米相比，种植玉米处理N2O排放量降低55.0%～79.4%(图1)。杨兰芳等[14]通过90 d盆栽试验发现，种植玉米处理N2O排放量比未种植玉米处理显著降低87%～92%；JAMALI等[30]开展的田间原位监测结果也显示，未种植玉米处理N2O排放量是种植玉米处理的2.4～6.2倍，笔者试验结果与之一致。在试验结束时，玉米各部位共累积氮素0.128 g·盆-1(表1)，且种植玉米处理土壤无机氮含量均小于未种植玉米处理(表2)，这表明玉米对土壤可利用氮的吸收是N2O排放量降低的主要原因[31]。

N2O排放来源分析结果显示，N1P1处理土壤本底N2O排放量显著小于N1P0处理(P<0.05，图5)。但就不同来源N2O排放比例而言，施氮12 d内N1P1处理土壤本底N2O排放比例高于N1P0处理(图3)，且施氮后N1P1处理土壤本底N2O排放增加量占总排放量的比例也显著高于N1P0处理(P<0.05，图5)，这说明作物生长提高了N2O排放中来自土壤本底的无机氮素比例[32]。双因素方差分析结果也表明，施氮肥与玉米生长的交互作用对N2O排放来源影响显著(P<0.01，表3)。这可能是由于作物在生长时通过根系分泌物为土壤微生物提供碳源和能量[33]，促进了土壤氮素周转，从而矿化出更多无机氮素[24]。

表3 施氮和玉米生长的双因素方差分析

作物生长除影响N2O产生来源外，还可能通过氧气消耗影响N2O产生途径[34]。N1P1处理CO2排放量显著高于N1P0处理(图2)，且N1P1处理土壤NO3--N与NH4+-N含量的比值显著小于N1P0处理(P<0.05，表2)，这表明在笔者试验条件下作物根系呼吸作用产生的厌氧环境更有利于反硝化过程的进行[32,35]。笔者研究中供试土壤呈碱性，且盆栽试验条件下氮肥淋溶损失可忽略，因此氮肥损失量可能主要以NH3形式挥发。N1P1处理氮肥损失量显著高于N1P0处理(表1)，这可能是由于N1P1处理土壤氧气状况更利于反硝化过程[36]，在一定程度上抑制了硝化作用[37]，使更多的15NH4+以NH3形式挥发损失。

4 结论

施氮后土壤本底N2O排放量显著增加(P<0.05)，且土壤本底N2O排放增加量约占总排放的13.7%～18.1%。施氮对土壤有机氮素周转的激发效应是导致土壤本底N2O排放量增加的重要机制。施氮与作物生长的交互作用显著影响N2O排放量及其来源(P<0.01)。与未种植玉米相比，种植玉米显著降低了土壤N2O排放总量，但土壤本底N2O排放比例显著增加。该研究结果表明，外源氮肥与作物生长能协同促进土壤氮素周转及土壤本底N2O排放，因此在集约化种植的潮土区，除控制肥料源N2O排放外，还应重视土壤本底N2O排放风险。