氮肥基追比对轻壤和砂壤质麦田温室气体排放及小麦产量的影响

甄怡铭，李 皓，王艳群，付 鑫，李旭光，张子旋，甄文超，彭正萍

(1.河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071001；2.华北作物改良与调控重点实验室，河北 保定 071001；3.河北省耕地质量监测保护中心，河北 石家庄 050000）

二氧化碳（CO2）、氧化亚氮（N2O）和甲烷（CH4）是大气中的主要温室气体［1］。温室气体排放的持续增强是全球气候变暖现象愈演愈烈的主要原因［2］。农业温室气体排放量占全球人为活动产生温室气体排放总量的10%～12%［3］。氮肥施用是我国农田土壤氮素的主要来源［4］。施用氮肥通过影响土壤硝化和反硝化作用强度促进N2O 产生与排放［5］。农田土壤N2O 排放与施肥比例呈线性相关关系［6］。Xia 等［7］发现，减少氮肥基肥施用比例，调整氮肥基追比，能够提高氮肥利用率，显著降低N2O 等活性氮损失。氮肥增加可增大土壤根系呼吸降低土壤C/N，影响微生物活动，增加土壤CO2排放速率［8］。施氮量增加促进甲烷氧化菌生长和活性，降低土壤吸收甲烷能力［9］。安海波［10］报道，30%底肥+70%春季追肥显著降低麦田CO2累积排放量，30%底肥+70%秋季追肥相对来说更适合CH4减排。土壤质地是影响有机质矿化和温室气体生成与排放的重要因素。质地影响土壤透气性和保水性，引起土壤有机碳氧化/还原、硝化/反硝化作用的强弱，导致温室气体产生与释放速率不同［11］。土壤质地也是影响土壤肥力的重要因素，潮土质地越黏对养分吸收和固定能力较强，更好的保证植株生长［12］。

鉴于不同土壤质地的特性差异，目前有关氮肥基追比对麦田温室气体排放的研究报道尚少。本文在轻壤和砂壤质地土壤上设置不同氮肥基追比处理，探究麦田温室气体的排放规律、全球增温潜势、小麦产量和氮素利用的变化，以期为针对土壤质地确定合理氮肥基追比例、减排农业温室气体、提高氮素利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验设在河北省邢台市宁晋县贾家口镇白木村，供试土壤为砂壤质（37°37′01″N，115°07′02″E）和轻壤质（37°37′04″N，115°07′27″E）潮土。属温带大陆性季风气候，年均气温12.8 ℃，年均降水量449.1 mm。供试小麦为济麦22。播种前供试土壤0 ～20 cm 基本理化性质见表1，0 ～100 cm 土层颗粒组成见表2。

表1 供试土壤基本理化性状Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

表2 供试土壤0 ～100 cm 土层颗粒组成Table 2 Composition of soil particles in 0 ～100 cm soil layer of the tested soil

1.2 试验设计

本试验在砂壤质（S）和轻壤质（L）两类土壤上分别设置5 个N 处理，不施氮肥（N0）、氮肥基追比3∶7（N3:7）、氮肥基追比4∶6（N4:6）、氮肥基追比5∶5（N5:5）和氮肥基追比6∶4（N6:4）。每个质地土壤上的各氮肥处理重复3 次，小区采用完全随机区组排列。不同氮肥基追比的总纯氮用量均为240 kg/hm2［13］。各处理的详细施肥情况见表3。基肥于播前撒施地表后旋耕播种，追肥于3 月28日撒施结合灌溉。氮、磷、钾肥分别由尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O516%）、磷酸二铵（含N 15%，P2O542%）和氯化钾（含K2O 60%）提供。磷、钾肥均在播前一次性施入，施用磷肥（P2O5）135 kg/hm2，钾 肥（K2O）105 kg/hm2。10 月11 日采用15 cm 等行距播种小麦，播量225 kg/hm2，小区面积48 m2。灌水方式采用微喷灌，根据当地农民习惯，小麦全生育期灌2 水，在播种后进行第一次灌水750 m3/hm2，在拔节期进行第二次灌水750 m3/hm2，总灌水量为1 500 m3/hm2，其他管理措施同农户常规管理，来年6 月5 日收获。

表3 不同试验处理的氮肥施用方式Table 3 Fertilizer application methods in different experimental treatments kg/hm2

1.3 测定指标与方法

1.3.1 气体样品采集 气体采集采用密闭式静态箱法。采样箱由PVC 制成，由桶体和底座两部分组成，其中桶体高35 cm，直径25 cm，顶部取样口用胶塞密封，内置温度传感器；底座埋入土壤，上部有水槽，注水后可保证底座与箱体密封［14］。采样从10 月12日开始，第二年2 月5 日到3 月7 日期间因土壤温度较低，排放较少，暂停取样；3 月8 日恢复采样直至6 月2 日。一般每7 d 采集1 次，降水、灌溉、施肥后增加采气频率，连续采集3 ～5 d。上午 9:00—11:00 采样，用注射器分别在 0、15、30 min 抽取各小区采样箱内气体，每次取样30 mL，并将采集到的气体注入真空瓶。采气结束后带回实验室，采用气相色谱仪（Agilent7890A）测定N2O、CO2和CH4的浓度。

1.3.2 温室气体排放量计算方法 温室气体排放通量计算公式如下［15］：

温室气体累积排放量计算公式如下［16］：

式中：M 为温室气体累积通量，kg/hm2；Fi和Fi+1分别为第i次和第i+1 次取样气体通量［mg/(m2·h)］；ti和ti+1分别为第i次和第i+1 次取样日期。

1.3.3 全球增温潜势（GWP）的计算 单位质量温室气体在100 年尺度上的累积辐射强度为全球增温潜势（GWP）［17］，计算公式如下［18］：

GWP ＝fCO2+fCH4×28+fN2O×265

式中：f为土壤温室气体总排放量，kg/hm2。

1.3.4 小麦产量及氮肥效率 成熟期，每处理采3组，每组割取2 m 长的6 行小麦，用脱粒机将其全部脱粒，测定籽粒重及其含水量，按面积折算为含水量12.5%的小麦籽粒产量。

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区产量-无氮区产量）/施氮量

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮作物籽粒产量/施氮量

1.4 数据处理

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 软件对数据进行统计分析。采用单因素（one-way ANOVA）和Duncan 法进行方差分析和多重比较（α=0.05）。利用Origin 2018 软件进行绘图。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 氮肥基追比对轻壤和砂壤质土壤温室气体排放特征的影响

2.1.1 氮肥基追比对轻壤和砂壤质土壤N2O 排放特征的影响 图1表明，2种土壤质地下各处理（N0～N6∶4）的N2O 平均排放通量范围为15.05 ～31.27 μg/(m2·h)（砂壤质）和17.41 ～45.37 μg/(m2·h)（轻壤质），均为正值，各处理N2O 排放通量呈明显的季节性变化。两种质地下施肥和降水后N2O 排放均出现峰值，说明施肥和降水增加土壤N2O 排放。从整体来看砂壤质地土壤的N2O 排放通量低于轻壤质土壤。

图1 轻壤和砂壤质土壤N2O 排放通量的动态变化Fig.1 Dynamics of N2O emission fluxes in light and sandy loam soils

10 月份播种后由于施肥和灌水的原因，两种质地土壤的N2O 排放通量均增加且出现第一次排放峰，砂壤质和轻壤质N2O 排放最高峰值分别为106.79 和254.40 μg/(m2·h)，两 种 质 地N2O 排 放通量均以氮肥基追比6∶4 显著高于其他施肥处理13.07% ～78.58%（砂壤质）、15.74% ～72.73%（轻壤质）。从11 月中下旬开始，小麦进入越冬期，各处理的N2O 排放通量变化相对缓慢。进入拔节期后，各处理的N2O 排放通量逐步上升，随追肥和灌水，两种质地土壤的N2O 排放通量均出现第2 次排放峰，最高峰均为N3∶7处理，砂壤质和轻壤质峰值分别为80.24 和171.00 μg/(m2·h)。12 月9 日和5月8 日降水后N2O 排放通量均出现峰值，小麦生长后期N2O 排放通量呈下降趋势直至成熟。2.1.2 氮肥基追比对轻壤和砂壤质土壤CO2排放特征的影响 图2 表明，两种土壤质地下麦田CO2排放通量均呈季节性波动，且变化趋势基本一致。两种质地下施用氮肥（N3∶7～N6∶4）的CO2平均排放通量均较不施氮肥（N0）增加70.64%～75.56%（砂壤质）和76.16%～81.88%（轻壤质），受降雨、地温和施肥影响明显。两种质地土壤的CO2排放高峰均出现在3 月下旬。施用基肥后至追肥前，两种土壤质地CO2排放通量均为氮肥基追比6∶4（N6∶4）最高；追肥后至收获前土壤的CO2排放通量有N3∶7＞N4∶6＞N5∶5＞N6∶4＞N0，且轻壤质土壤的CO2排放通量略高于砂壤土。

图2 轻壤和砂壤质土壤CO2 排放通量的动态变化Fig.2 Dynamics of CO2 emission fluxes in light and sandy loam soils

两种质地下，小麦生长周期内N0处理的CO2排放通量均最小。10 月11 日施肥播种，施肥4 d后两种质地均出现第1 次峰值，砂壤和轻壤质地土壤的CO2排放通量最高峰值分别为372.44 和456.39 mg/(m2·h)，而后下降；3 月开始，由于土壤温度逐渐升高，加之追肥和降水影响，CO2排放通量较冬季迅速升高；3 月28 日追肥后2 d，出现第2 次CO2排放峰，轻壤质土壤的CO2排放通量是砂壤质的1.11 ～1.68 倍。12 月9 日和5 月8 日两次降水后CO2排放增加，2 d 后恢复正常。小麦生长后期CO2排放通量逐渐降低并呈稳定趋势直至收获。

2.1.3 氮肥基追比对轻壤和砂壤质土壤CH4排放特征的影响 图3 表明，两种土壤质地下麦田CH4排放通量以吸收为主，说明麦田土壤是大气CH4的“汇”。全生育时期CH4排放通量范围分别为-44.66 ～11.60 μg/(m2·h)（砂壤质）和-48.00 ～6.67 μg/(m2·h)（ 轻 壤 质）， 且 季节变化不明显。两种质地下N0处理的CH4平均排放通量均为最低，分别较N3∶7～N6∶4处理降低11.45%～22.44%（砂壤质）和8.17%～21.48%（轻壤质）。

图3 轻壤和砂壤质土壤CH4 排放通量的动态变化Fig.3 Dynamics of CH4 emission fluxes in light and sandy loam soils

10 月初，随着施肥灌溉，两种质地土壤均出现第1 次排放峰，砂壤和轻壤质地土壤的CH4排放通量最高峰值分别为-1.67 和0.54 μg/(m2·h)，而后下降；3 月开始，由于土壤温度逐渐升高，土壤含水量较低，促进了土壤对CH4的吸收；3 月28 日追肥后，出现第二次CH4排放峰，砂壤和轻壤质地土壤的CH4排放通量最高峰值分别为11.60 和6.66 μg/(m2·h)。12 月9 日和5 月8 日降水导致土壤湿度增加，土壤呈现厌氧环境，出现排放峰值，随后直至小麦成熟CH4排放均以吸收为主。

2.2 氮肥基追比对轻壤和砂壤质土壤温室气体累积排放量及全球增温潜势的影响

表4 表明，砂壤质各处理温室气体累积排放量均显著低于轻壤质。2 种土壤质地施氮处理（N3∶7～N6∶4）N2O、CO2和CH4累 积 排 放 量 显著高于不施氮肥（N0）处理。砂壤质，施氮处理中N2O、CO2和CH4累积排放量随氮肥施用比例增加而升高，且均以N3∶7最低，分别较其他施氮处 理 降 低0.83% ～11.76%、4.15% ～5.06% 和4.85%～9.09%。轻壤质，施氮处理中氮肥基追比4∶6 的N2O 和CO2累积排放量最低，较其他施氮处理分别下降2.05%～12.27%和1.32%～3.93%。

表4 轻壤和砂壤质土壤温室气体累积排放量及全球增温潜势Table 4 Greenhouse gas cumulative emissions and GWP of wheat fields in light and sandy loam soils kg/hm2

2 种质地下，各施氮肥处理的GWP 均较不施氮肥显著增高，且GWP 值主要来自CO2排放，CO2对温室气体贡献约占GWP 的96.74%～98.17%。与砂壤质相比， 轻壤质各处理的GWP 增加20.84% ～27.66%。砂 壤 质，GWP 为N6∶4＞N5∶5＞N4∶6＞N3∶7＞N0，N3∶7与其他施氮处理差异显著，较N4∶6、N5∶5和N6∶4分别降低4.06%、4.56%和5.33%。轻壤质，施氮处理中N4∶6的GWP 最低，较其他施氮处理降低1.34%～4.21%。

续表： kg/hm2

2.3 氮肥基追比对轻壤和砂壤质土壤小麦产量及氮效率的影响

由表5 可知，轻壤质下各处理的小麦产量高于砂壤质8.24%～14.01%。轻壤质下N4∶6处理小麦产量最高，较其他处理增加2.21%～48.78%，砂壤质N3∶7处理小麦产量较其他处理提升8.01%～44.00%。两种土壤质地不同处理的氮肥效率差异较为明显。砂壤质的N3∶7氮肥农学效率最高，较其他处理增加2.65%～55.04%。轻壤质的氮肥农学效率表现为N4∶6＞N5∶5＞N3∶7＞N6∶4＞N0，其中N4∶6是其他处理的1.07 ～1.81 倍。氮肥偏生产力，轻壤质高于砂壤质，轻壤质N4∶6高于其他施氮处理2.19%～17.22%；而砂壤质N3∶7最高，分别为N4∶6、N5∶5、N6∶4处理的1.01、1.08 和1.12 倍。

表5 轻壤和砂壤质土壤上的小麦产量及氮效率Table 5 Yield and N efficiency of wheat in light and sandy loam soils

3 讨论与结论

土壤质地作为土壤重要的物理性状之一，不仅影响作物产量和氮肥效率，同时也影响农田土壤温室气体排放［19］。本研究表明，轻壤质下的产量和氮肥效率均显著高于砂壤质土壤，小麦产量提高8.24%～14.01%，这是因为基础生产力较高的土壤，其养分供应能力也较强，施肥增产效应较小，肥料利用效率较低［12］。徐华等［20］研究表明，壤质土壤种植小麦和棉花时排放的N2O 高于砂质和粘质土壤。本研究中，两种土壤质地下各处理麦田N2O 变化规律基本一致，轻壤质土壤N2O 排放显著高于砂壤质土壤。CO2变化规律与N2O 基本一致，这是因为壤质土壤是介于砂质土壤与粘质土壤中间的一种质地，在土壤性质同时拥有两者的优点，毛管和非毛管空隙之间形成了一个十分合理的比例，从而表现出较高的N2O 和CO2排放量［21］。焦燕等［22］研究表明，水稻田质地越粘CH4排放越少，这主要是由于砂质土壤氧化还原电位易于变化，土壤硝化和反硝化作用容易发生。本研究表明，轻壤质地下土壤N2O、CO2排放量高于砂壤质，土壤CH4吸收量低于砂壤质，各处理全球增温潜势（GWP）显著高于砂壤质20.84%～27.66%。

氮素是影响小麦生长发育的重要营养元素之一，也是造成农田温室气体排放的主要因素［23］。李欣欣等［24］研究发现，全生育期植株的氮素吸收量、无机氮残留量和土壤氮素表观损失量均随施氮量增加而增加。本研究表明，两种土壤质地下，与不施氮肥比，施用氮肥显著提高了小麦产量和氮肥效率，砂壤质增产28.36%～44.00%，轻壤质增产26.91%～48.78%。砂壤质上的小麦产量和氮素利用率以氮肥基追比3∶7（N3∶7）最优，产量较其他处理增加8.01%～44.00%，这是因为砂壤质地保水保肥性较差，适当减少基肥和增加追肥可提高其保肥性能，促进小麦生长，实现产量和氮肥利用率最优化。轻壤质上的小麦则以氮肥基追比4∶6（N4∶6）最好，说明在轻壤质土壤上拔节期适量追肥既为作物生长提供充足养分也减少了氮素过量造成的浪费，最终实现小麦的高产和氮肥高效利用。

氮肥对农田N2O 排放有促进作用，而合理调整氮肥基追比例可降低土壤N2O 排放［25］。本研究两种质地土壤的N2O 排放通量均出现2 次排放峰，且均在施肥后，这是因为氮肥施用可以为土壤硝化和反硝化微生物提供作用底物，促进土壤排放N2O［26］。本研究表明，两种质地下，N2O 累积排放量分别为N4∶6（轻壤质）和N3∶7（砂壤质）最低，而氮肥效率与其相反，这主要是由于小麦生长期间土壤氮被植物利用后，参与硝化和反硝化作用的氮源减少，从而减少了土壤N2O 的生成与排放［27］。施氮量的增加为植物和微生物提供了养分，促进了小麦根系生长和微生物活动，从而加快土壤呼吸速率［7］，本研究中，两种质地下施用氮肥处理的CO2排放通量均明显高于不施氮肥，且施用氮肥后CO2均出现排放峰，CO2排放通量随施氮量的增加而增加。CH4累积排放量均为负值，且施用氮肥处理低于不施氮肥，说明麦田土壤是大气CH4的一个弱的吸收汇，这与谢立勇等［28］的研究结果一致。分批追肥可以使作物养分需求时间与施肥时间保持一致，提高作物对氮素的吸收利用［29］。本研究中，两种质地下产量和氮效率高的处理其全球增温潜势和N2O 排放总量较低，即全球增温潜势和N2O 排放总量轻壤质地下以基追比4∶6 最低，其他施氮处理较N4∶6分别增加1.36% ～4.39% 和2.10% ～13.99%；砂壤质地则以基追比3∶7 最低，较其他施氮处理分别减少4.06% ～5.33% 和0.83% ～11.76%，说明选择合适的氮肥基追比例既能提高氮肥利用效率又减少温室气体排放。

综上所述，麦田土壤是N2O 和CO2的排放源，CH4的吸收汇。不同氮肥施用方式对轻壤质和砂壤质温室气体排放和产量的影响不完全相同，在轻壤质地土壤上氮肥基追比4∶6 的施用方式能够提高氮肥利用效率、保证小麦产量，同时减少温室气体排放通量和全球增温潜势；而砂壤质土壤则以氮肥基追比3∶7 的施用方式综合表现较优。轻壤质土壤的小麦高产潜力大于砂壤质，但轻壤质土壤的CO2和N2O 排放通量和全球增温潜势高于砂壤质，生产中建议根据土壤质地的不同进行氮肥分类管理。