减氮配施不同调节剂对土壤温室气体强度与冬小麦产量的影响

张浩东，贾俊香，马智勇

（山西农业大学 资源环境学院/国家级实验教学示范中心，山西 太谷 030801）

相比过去100 a，我国平均气温上升了0.91 ℃，全球变暖问题已成为社会各界关注的焦点[1]。N2O、CO2和CH4是影响大气温度升高导致气候变暖的重要温室气体[2]。农业活动产生的温室气体排放量在产生温室气体排放的全球人为活动中占据着很大的比例[3]，因此，减少农田N2O、CO2和CH4气体排放对缓解我国温室效应有着积极的作用。

小麦是我国第二大粮食作物，而春小麦播种面积仅占小麦总面积的10%～14%，剩余均为冬小麦，因此，在冬小麦温室气体排放上不容忽视[4]。据测算，因施用化肥产生的土壤N2O 排放量占土壤N2O 总排放量的27%～85%[5]；因此，硝化抑制剂在农业试验中的广泛应用成为人们在农业生产中减少因施用化肥导致的N2O 排放并提高氮肥利用率的重要方式之一。双氰胺（DCD）作为最为人所熟知的硝化抑制剂，施入土壤后是通过抑制亚硝化细菌活性，影响土壤中的硝化过程，使土壤氮素更多以NH4+-N 的形式存在，使得反硝化过程中底物浓度降低，从而降低硝化—反硝化过程产生的N2O排放，减少氮素损耗，提高氮肥利用率，达到增产的效果[6]，成都平原水稻—油菜轮作系统施入DCD 可以减少49.3%～79.4%的氮氧化物排放[7]。在农业生产中，减少氮肥施用一般会导致减产或无显著变化，但控制在一定范围内减少氮肥施用量甚至会增产[8-9]。合理配施有机肥，以有机肥部分替代化肥，可以提高土壤中有机质含量，改善土壤质地[10]。有研究表明，施用有机肥能增加N2O 的排放，与单施化肥氮相比，平均排放通量增值高达32.7%[11]。生物炭施入土壤后具有调节土壤pH、改良酸性土壤、降低土壤容重、增强土壤保温性能等优点[12]。张爱平等[13]通过大田试验指出，9 t/hm2生物炭配施无机氮肥（300 kg/hm2）较单施无机氮肥可使水稻增产44.89%，并且水稻产量因子和氮肥利用率均有显著增加。然而，ASAI 等[14]通过田间试验发现，无机氮肥（50 kg/hm2）配施生物炭（4 t/hm2），水稻产量不增反减。有相关研究表明，农田中施入生物炭对土壤温室气体排放方面通常表现为减少或无影响[15-16]。

本试验探究减量施用化肥并与双氰胺、生物炭、有机肥等不同土壤调理剂配施，研究太谷地区冬小麦温室气体（N2O、CO2和CH4）排放机制、排放特征及作物产量等情况，为寻求最佳的化肥投入减少冬小麦温室气体排放的同时达到增产的效果提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于山西农业大学资源环境学院实验站（112°57′E，37°42′N）进行。该地土壤类型为石灰性褐土，供试地在试验前连续多年种植玉米后种植2 a蔬菜。试验所用硝化抑制剂为分析纯双氰胺；有机肥的氮含量为2.5%；生物炭为河南三利新能源公司生产的玉米秸秆生物炭（pH 值为10.6，有机碳含量48.5%，全氮含量11.2 g/kg，全磷含量2.2 g/kg，全钾含量10.5 g/kg）。双氰胺、有机肥和生物炭与化肥一同作为基肥施入土壤。供试土壤基本理化性状如表1所示。

表1 土壤0～20 cm土层基本理化性状Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil 0-20 cm surface layer

1.2 试验设计

试验开始于2019年9月29日，种植作物为冬小麦，试验设置6个处理，各处理3个重复，每个处理小区面积为2 m2（2 m×1 m）（表2）。6个处理分别为：对照（CK）、施化肥处理（N）、氮素减施20%加硝化抑制剂双氰胺处理（ND）、有机肥处理（OF）、氮素减施20%加有机肥处理（NOF）、氮素减施20%加生物炭处理（NB）。所有施肥处理均作为基肥一次施入。

表2 冬小麦种植试验方案Tab.2 Experimental scheme of winter wheat planting

1.3 试验方法

试验于2019年9月29日开始，选用静态暗箱-气相色谱法，前7 d每天进行一次样品采集，之后每隔7 d采集一次，采集样品时用20 mL注射针筒，在采集当天9：00—11：00进行样品采集，采气箱尺寸长、宽、高分别为0.3、0.3、0.5 m，将采气箱密闭时立刻计时，此时为0 min，之后每隔10 min 采集一次，分别记为10、20、30 min。采集完成后的样品使用气相色谱仪（Agilent7890B）进行测定。

冬小麦收获后马上测量各地块收获的冬小麦千粒质量、株高，计算产量、公顷穗数和地上部干质量。在收获期合理选取部分冬小麦籽粒、轴、秆和壳4 个部分样品，带回实验室烘干后测定4 个部分全氮、全磷和全钾含量。植株全氮测定采用硫酸-过氧化氢消煮，碱化蒸馏定氮法；植株全磷测定采用硫酸-过氧化氢消煮，钼锑抗比色法；植株全钾测定采用硫酸-过氧化氢消煮，火焰光度计法。

其中，F为N2O、CH4气体排放通量（µg（/m·2h））和CO2气体排放通量（mg（/m2·h））；ρ 为标准状况下的气体密度，N2O 为1.25 g/L，CO2为0.54 g/L，CH4为0.77 g/L；V为采样箱体积（m3）；A为采样箱底表面积（m2）；ΔC/Δt表示单位气体排放速率（mL（/L·h））；T为采样箱内温度（℃）。

以采样时间间隔为权重加权平均求冬小麦N2O、CH4和CO2累积排放量。

式中，fN2O为N2O 土壤净排放量（kg/hm2）；fCH4为CH4土壤净排放量（kg/hm2）；44/28、16/12 分别为将净排放量换算为N2O、CH4排放量的系数；CH4和N2O的全球增温潜势分别为CO2的25、310倍。

式中，Y为作物产量（t/hm2）。

1.4 数据处理

运用软件Excel 2010 进行数据统计和作图，IMB SPSS 19.0进行统计性分析，用LSD最小显著差异法进行多重比较（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 氮素减施和不同调节剂配施对冬小麦N2O排放的影响

从图1、2 可以看出，冬小麦N2O 排放通量的波动在-5.98～403.75µg/（m2·h），CK、ND、NB 处理整体变化趋势相近，整体趋势较为平缓，N2O 排放通量表现为先升高后降低整体呈现上下波动，排放峰均出现于第2 天的监测中；N、OF、NOF 处理变化趋势相近，整体呈现先增高后降低逐步趋于无排放，N、OF、NOF 处理排放峰分别出现在第5、4、3 天当中，CK、N、ND、OF、NOF、NB 处理的平均排放通量分 别 为 11.007、93.404、34.960、48.183、67.300、8.931µg/（m2·h），N 处理下的N2O 累积排放量显著高于其他处理（P＜0.05），ND、OF、NOF、NB 处理的累积排放量相比N 处理分别降低62.57%、48.41%、27.95%、90.44%，其中，NB 处理的累积排放量仅为CK 的81.14%，表明化肥减施与调节剂配施对冬小麦N2O的减排具有显著作用。

2.2 氮素减施和不同调节剂配施对冬小麦CO2排放的影响

由图3、4 可知，冬小麦CO2排放通量的波动在25.96～234.51 mg/（m2·h），所有处理的CO2排放通量呈现出相似的变化规律，冬小麦各处理CO2排放通量高峰主要集中在9月30日、10月2日、10月26日和11月16日，整体呈上下波动，其中，9月30日CK和NB处理的CO2排放通量达到峰值，N处理与NOF处理的最大CO2排放通量出现在10月2日的观测中，此时N处理和NOF 处理的CO2排放通量分别达到了234.51、200.27 mg（/m·2h），此时N处理的CO2排放通量也是所有处理中的最大值。减氮20%的ND与OF处理的最大CO2排放通量出现在观测后期，分别出现在10月26日与11月16日；NB处理的CO2累积排放量与CK间无显著性差异，且仅为对照的99.41%。N、ND、OF、NOF处理均较CK处理显著提升了CO2累积排放量（P＜0.05），分别是CK处理的1.68、2.18、1.89、1.51倍。

2.3 氮素减施和不同调节剂配施对冬小麦CH4排放的影响

由图5、6可知，冬小麦CH4排放通量在-214.58～111.37µg/（m2·h），试验全部处理的CH4排放通量均在0上下波动，其中，CK、ND、OF与NB处理的CH4排放通量最大值均出现在第1次的测量当中，N和NOF处理的CH4排放峰出现在10月4日，试验的最大CH4排放出现在NOF处理中，达到111.3749µg/（m2·h）。在试验的6 个处理中，仅NOF 处理的CH4累积排放量为正值，总体表现为排放，CK的累积排放量与N和NB 处理间无显著差异，表明施用氮肥和生物炭氮肥配施对于冬小麦CH4排放无显著影响。

2.4 氮素减施和不同调节剂配施对冬小麦产量构成及GWP与GHGI的影响

冬小麦收获后，不同处理对冬小麦产量构成及GWP 的方差分析如表3 所示，N、ND、OF 处理的千粒质量显著高于CK、NOF 和NB 处理（P＜0.05）；ND、OF处理下的小麦产量比CK分别增产111%和156%（P＜0.05）；株高方面，施肥5 个处理与CK 相比均有显著性提高，NB处理的株高达到了CK株高的1.23 倍；N、ND、OF、NOF、NB 处理的穗数均显著高于CK，其中，ND处理的穗数为CK的2.3倍；冬小麦地上部干物质质量施肥处理均显著高于CK。ND与OF处理冬小麦产量较高，分析原因，虽然OF处理的穗数少，但千粒质量最高；反之ND处理虽然千粒质量较低，但在所有处理中穗数最多，综上分析，产量受穗数和千粒质量共同影响。NB 处理的GWP 值与 CK 间无显著差异，N、ND、OF 和 NOF 处理的 GWP 值均显著高于 CK 与 NB 处理，其中，N 处理的GWP值最高，ND、OF处理的GWP值较N处理分别显著降低64.04%与48.48%，NOF 处理的GWP值较N处理降低23.47%，但二者间差异不显著。N和NOF 处理的GHGI 值显著高于CK 与其他3 个处理，分别达到了 CK 的 15.23、10.17 倍，CK、ND、OF和NB处理之间GHGI值无显著差异，其中，NB处理的GHGI值仅为CK的9.6%。

表3 不同处理下冬小麦产量及其构成因素，GWP和GHGI值的变化Tab.3 Yield，yield composition，GWP and GHGI values of winter wheat under different treatments

2.5 氮素减施和不同调节剂配施对冬小麦全量营养元素的影响

冬小麦收获后测得土壤全量N、P、K 如表4 所示，冬小麦籽粒、轴、秆、壳的全P 或全钾含量处理间差异均不显著，NOF处理冬小麦籽粒全N含量最高，冬小麦籽粒全N 含量从高到低依次为NOF＞N＞NB＞ND＞OF＞CK，处理间冬小麦籽粒全N 含量两两差异显著（P＜0.05），冬小麦籽粒全N 含量OF处理较CK显著增加了101%；冬小麦籽粒全P含量ND 处理显著高于对照，较对照显著提升了35%的冬小麦籽粒全P 含量。冬小麦轴、秆、壳的全N含量在所有处理间均呈现出显著性差异，其中，轴全N 含量为NOF＞N＞ND＞NB＞CK＞OF；NOF 处理冬小麦轴的全K含量在所有处理中表现为最高，显著高于 ND、OF 与 NB 处理，与 CK 和 N 处理间无显著性差异。冬小麦秆的全N含量为N＞ND＞NB＞NOF＞CK＞OF；OF、NB 处理的冬小麦秆的全K含量显著低于CK，CK与N、ND和OF处理之间无显著性差异，NOF的冬小麦全K含量最高，较CK增加了17%。冬小麦壳的全N 含量为N＞NOF＞NB＞ND＞CK＞OF。可以发现，OF 处理的冬小麦轴、秆、壳部分的全N 含量均显著低于CK，相比于CK有机肥OF处理却显著提高了冬小麦籽粒的全N含量，表明OF处理对肥力的应用更加高效。

表4 不同处理间冬小麦全量营养元素含量变化Tab.4 Total nutrient element contents of winter wheat under different treatments g/kg

3 讨论

3.1 不同处理间冬小麦土壤温室气体排放特征

本研究结果表明，N2O累积排放通量顺序为N＞NOF＞OF＞ND＞CK＞NB，与 N、NOF、OF 处理相比，ND、CK、NB处理未见明显排放峰。在该试验结果中，N、NOF、OF处理N2O排放通量在初期有明显的升高达到峰值，其原因可能是相比ND、CK、NB处理前者具有更高的底物浓度，氮肥的减施减少了反硝化过程中的底物供应，从而降低了N2O排放[17-18]。ND处理中减氮与硝化抑制剂配施均能令土壤硝化和反硝化过程产生的N2O减少[19]。易琼等[20]研究表明，氮肥配施双氰胺处理较单施化肥氮处理能够有效降低土壤硝态氮含量，还发现有机肥替代化肥会因为提高地温增加N2O 的敏感性从而提高N2O 的排放[21]，这与本试验结果相反。与N相比，NB处理N2O累积排放量明显降低，因为生物炭具有很强的吸附力，土壤中的无机氮被吸附，通过减少土壤中硝化与反硝化过程中的底物供应，从而降低N2O的排放[22-24]。

本试验中，不同施肥处理方式间的土壤CO2排放顺序为ND＞OF＞N＞NOF＞NB＞CK；化肥减施20%配施双氰胺（DCD）处理冬小麦CO2累积排放量显著高于其他5个处理。这与李雪松等[25]的研究结果“氮肥配施DCD处理的土壤CO2释放量分别比同水平单施氮肥处理降低了11.0%～13.9%”相反。太谷本身属石灰性褐土，DCD 的应用会延缓NH4+-

N 的硝化，植物吸收产生交换性H+从而降低土壤pH[26]，土壤pH 降低后土壤中碳酸钙碳酸氢钙分解导致的CO2排放升高。目前关于麦田施用DCD 对CO2的研究还较少，DCD 对土壤CO2的排放还需要进一步研究。有机肥的施用能够提高土壤中有机碳含量、增强土壤微生物活性，促进土壤有机质中无机养分的释放，从而增加土壤CO2累积排放量。NB处理的CO2累积排放量与对照无显著差异，这与范靖尉等[22]施用生物炭对华北平原上小麦-玉米土壤的CO2排放研究结果相一致。

冬小麦土壤CH4排放呈现“源”、“汇”交替现象，土壤通气状况是CH4发挥源、汇作用的主要原因[27]。本试验中，CH4的排放通量呈现出NOF＞OF＞ND＞N＞CK＞NB，且仅有NOF 处理CH4累积排放量表现出排放，旱地一般有较为良好的通气条件，方便土壤中的甲烷氧化菌消耗和吸收地表大气中的CH4

[28]。同时氮肥施入可以增加底物、促进甲烷氧化菌的活性，从而降低CH4排放[29]。NOF 处理中CH4表现出排放，原因可能是配施有机肥降低了土壤酸度，此外有机肥中含有大量的C 元素，一方面可以为甲烷菌生成CH4提供足够的基质，另一方面有机肥的分解消耗了氧气。苗茜等[30]研究表明，相比常规单施化肥，有机肥部分替代化肥均能在不同程度增加稻田CH4排放。NB 处理中，连续6 a 施入5 t/hm2生物炭，共30 t/hm2，李露等[31]在稻麦轮作中配施20、40 t/hm2生物炭时发现，高浓度生物炭可以显著降低CH4排放，而低浓度则无显著影响。

3.2 不同处理对冬小麦产量及综合温室效应的影响

冬小麦总体产量上，与CK相比，ND与OF处理显著增加。这可能是由于ND 与OF 处理的肥料利用率更高，DCD可以抑制氮肥由铵态氮转换为硝态氮的途径，减少硝态氮的累积，而有机肥相比氮肥分解慢肥效更长，并含有多种为植株所需要的营养元素。NOF处理也增加了冬小麦产量，这与王兴龙等[32]、刘振洋等[33]的研究结果相一致。侯红乾等[34]研究发现，高量有机肥与无机肥配施更有利于水稻增产。而李燕等[35]研究发现，有机肥替代化肥氮比例大于20%时出现减产趋势，这与本试验结果相一致。本试验研究发现，ND与OF处理显著提高了冬小麦的株高、穗数和千粒质量，并较N 处理增产47%～78%。OF处理下冬小麦产量较ND处理提升21%；OF 处理的GWP 值较ND 处理降低了23.47%，NB 处理的GWP 值在所有处理中温室气体增温潜势最小,仅为 CK 的 13.53%；N 和 NOF 处理的 GHGI值显著高于CK、ND、OF和NB处理。

3.3 不同处理间冬小麦全量营养元素变化特征

与CK 相比，所有施肥处理均令冬小麦籽粒全N含量显著增加，化肥减施20%与等氮含量80%有机肥配施（NOF）较单施化肥（N）显著提升了籽粒和轴的全N含量，表明有机肥配施氮肥对冬小麦籽粒氮素的吸收有显著的增强效果。冬小麦籽粒全P含量除ND 处理较CK 显著低21%外，其他处理与CK 间均无显著性差异。太谷为碱性土壤，磷在土壤中被固定，从而减少了作物对磷素的吸收能力，降低形成单位籽粒产量所需的磷素，增加了小麦吸收单位磷素形成籽粒产量的能力[36]。减量施氮肥处理ND 和NB 相比，NB 处理冬小麦籽粒全氮含量比ND 处理高17.4%，冬小麦籽粒全量磷钾间无显著差异，说明生物炭可能相比DCD 对冬小麦籽粒全氮量利用率更高，如今研究DCD 与生物炭配施氮肥对冬小麦籽粒全量N、P、K 含量的相关研究相对较少，具体对冬小麦籽粒全量营养元素的研究还需进一步发现。

4 结论

本研究结果表明，氮素减施和不同调节剂配施均能抑制旱地麦田N2O 排放，N 处理下的N2O 累积排放量最高，是对照的8.49倍，与N处理相比，ND、OF、NOF 和 NB 处理分别显著降低了 62.57%、48.41%、27.95%和90.44%的N2O 累积排放量。相比N 处理，ND 处理的CO2累积排放量显著增加29.52%；而CK 和NB 处理较N处理的CO2累积排放量则分别显著降低了40.65%和41.00%，ND、OF 和NOF 处理间CO2累积排放量无显著性差异。旱地麦田作为CH4的“汇”，所有处理中仅有氮素减施20%加有机肥（NOF）处理的CH4累积排放表现为排放，其他处理彼此间差异不显著，均表现为吸收。

氮素减施20%配施DCD 与有机肥处理增产效果显著，其冬小麦产量分别较CK 显著增产78%、156%。氮素减施20%配施生物炭可抑制晋中旱地冬小麦 N2O 和 CO2排放从而抑制 GWP，CK 与 NB 处理间GWP 值无显著性差异，且均显著小于N、ND、OF 与 NOF 处理，与 N 处理相比，ND、OF 与 NOF 处理的GWP 值分别显著减少64.04%、48.48% 和23.47%；NOF 处 理 较 N 处 理 GHGI 值 降 低 了33.21%，但二者间差异不显著，CK、ND、OF与NB处理的GHGI 值均显著小于N 与NOF 处理，其中，NB处理的GHGI值仅为CK的9.64%。

氮素减施20%与等氮含量80%有机肥配施可以增强冬小麦籽粒对氮元素的吸收，与N 处理相比，NOF 处理冬小麦籽粒全氮含量显著增加14%；ND 处理冬小麦籽粒的全磷含量较CK 显著降低25.7%，CK、N、OF、NOF 和NB 处理间冬小麦籽粒全磷含量并无显著性变化，但NOF处理仍较N处理增加6.25%的籽粒全磷含量。

综上，氮素减施20%配施生物炭处理对晋中旱地冬小麦土壤温室气体（N2O、CO2和CH4）减排的作用最突出，其 GWP 和 GHGI 分别仅为 CK 的 13.53%和9.64%，且相比CK 增产4.01%；有机肥处理产量最高，氮素减施20%配施有机肥冬小麦籽粒全量营养含量最高。总体而言，在相同氮素投入下，有机肥代替化肥是一种增强作物产量、提高植物氮素利用率并降低旱地冬小麦温室气体排放的有效措施。