不同施氮量对夏玉米农田生态系统净碳效应的影响

卢 闯，胡海棠，淮贺举，田宇杰，石建安，李存军

（1清远市智慧农业研究院，广东 清远 511500；2北京市农林科学院信息技术研究中心，北京 100097）

0 引言

IPCC第六次评估报告指出，到21世纪中期地表温度将持续上升，若不采取措施全球升温将在本世纪内超过1.5℃甚至2℃，给环境带来巨大风险[1]，积极应对气候变化已成为共识，国际社会提出多项举措以减缓气候变暖，中国也在2020年9月提出并向国际社会承诺了2030碳达峰、2060碳中和的目标。农田生态系统是温室气体的重要贡献者之一，据统计中国种植业N2O和CH4年排放量分别为0.71、0.33亿t碳当量[2]，同时农田系统也是巨大的碳汇。提高农业的固碳减排能力在中国实现碳达峰、碳中和目标的过程中具有非常重要的意义。

农田碳的增减极易受田间管理措施的影响，其中外源氮肥施用是提高作物产量的重要农业措施，同时，也与温室气体排放有着密切联系，通过合理调控氮肥提高农业的低碳生产能力十分必要。国内外学者从碳平衡、增温潜势、排放强度等多个方面开展了相关研究[3-5]，关于施氮对氧化亚氮排放影响的报道较多，结果均表明了施氮量和氧化亚氮排放量的正相关关系[4-6]，施氮对甲烷和二氧化碳排放的影响不一而论，在不同作物、土壤质地、气候条件下可能促进、抑制或没有影响[7-9]；近年来，肥料和农药的生产与运输、机械油耗、灌溉耗能等农事活动引起的直接或间接排放逐渐受到重视，段智源等[10]研究表明氮肥施用是春玉米生产过程中碳足迹的最主要贡献因素，俞祥群等[11]研究表明氮肥的增加提高了春玉米的温室气体排放和碳足迹，刘建粲等[12]研究表明施氮量的增加会显著提高温室效应。关于施氮对农田系统的影响评估多为半环式研究，而农田生态系统的碳流包括碳固定与碳排放两个并存的方面，施氮在影响温室气体排放的同时也往往促进了作物生长，增加了生物固碳量，对于能够影响作物生长发育的农业措施，若不与作物固碳相联系，其结果将产生偏差，从而不能反映农田碳的真实增减状况与农业生产的碳效率[13]，因此，在评估时需将N2O、CH4、生物固碳等各项碳流统一转换为碳当量，施氮对固碳与减排之间“此消彼长”的关系影响的研究目前少见报道。基于此，试验选取华北地区典型夏玉米农田，利用全环式碳流法定量化评估了不同施氮水平对农田系统净碳效应的影响，以期为农业低碳可持续发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于北京小汤山国家精准农业示范基地（40.10°N，116.26°E，海拔39 m），该地属北温带季风性气候区，全年平均日照时数2506.5 h，年均气温13.3℃，年均降雨量563.8 mm，年蒸发量1357.3 mm，≥0℃有效积温4598.5℃·d，夏玉米生长季日均气温和降雨量如图1所示。试验区0～20 cm土壤质地为粉黏壤土，土壤容重1.52 g/cm3，土壤pH 7.88，土壤有机质20.1 g/kg，全氮1.24 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为76.1、13.58、116.8 mg/kg。

图1 2020年生长季降水量及气温分布

1.2 试验设计

试验于2020年6月至2020年10月进行，设置不施肥(N0)、施氮120 kg/hm2(N1)、施氮160 kg/hm2(N2)、施氮200 kg/hm2(N3)共4个处理，采用大区试验，每个处理占地0.1 hm2，大区之间设置田埂和5 m保护行。

夏玉米品种选用‘京科NK815’，前茬冬小麦收割后，一次性施入含N量46%的尿素，于2020-06-21免耕贴茬播种，种植行距60 cm，株距23.5 cm，生育期内无灌溉，10月6日收获，其他管理措施与当地农户一致。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 温室气体采集与样品测定 采用静态箱-气相色谱法测定温室气体CO2、N2O、CH4土壤排放通量，每个大区测定4次重复。不锈钢采样箱长、宽、高分别为50、40、50 cm，外覆绝热材料以防止取样期间箱体内温度的剧烈变化。箱内顶部固定一个电池供电的12 V风扇用于混合箱中气体。每个采样箱均配有不锈钢底座，底座深入土壤20 cm。夏玉米吐丝期前采样间隔为7天左右，吐丝后采样间隔10天左右，生育期内共采样12次。

采样时间一般为上午9:00—11:00[14]。采样开始前打开风扇，将采样箱放置在底座上，每间隔10 min用50 mL针筒从箱内抽取气体样品并贮存于12 mL真空玻璃瓶中，共采集4次，准确记录每次采样时间。用气相色谱（Agi-lent7890A，美国）分析3种气体浓度，温室气体排放速率根据式(1)计算。

式中：f为目标气体排放速率，mg/(m2·h)；ρ为标准大气压状态下的气体密度，g/L；H为采样箱高度，cm；dc/dt为采样箱内气体浓度的变化速率；T为采样时大气温度，K；P和P0分别为实际气压与标准气压，Pa。

使用内插法根据采样间隔计算排放总量，式(2)。

式中：F为目标气体生育期内排放总量，kg/hm2，n为采样次数，(tn+1-tn)为2次测定的间隔天数，d。

1.3.2 生物量测定 分别于玉米生长的苗期、拔节期、开花期、灌浆期、收获期在每个测点附近采集连续5株植物样品，在干燥箱中105℃杀青30 min后75℃干燥至质量恒定，天平称重后折算为不同处理地上部生物量。由于根系生物量难以完全测算，统一取0.15作为根系占地上部生物量的系数进行估算[15]。

1.3.3 生产资料碳排放 试验期间同步记录播种、施肥、施药、机械燃油等各项农事活动的生产资料投入种类和数量，用于计算温室气体间接排放，根据相关文献以及国家统计局报告数据对温室气体排放因子做出参考[13,16-17]（表1），据此将其折算为CO2排放当量。

表1 生产资料CO2当量排放系数

1.4 净碳效应计算

农田生态系统碳流特点是固碳和耗碳共存，利用公式(3)计算生态系统净碳效应：

式中：CNET为农田生态系统净碳效应，kgC/hm2，正值表示系统为碳汇，负值则为碳源；

CNPP为净初级生产力固碳量，据估算作物光合过程需要吸收0.45 g碳才能合成1 g有机质[18]，据此可根据收获时的地上地下生物量按含碳量45%计算固碳量；CRm为土壤微生物异养呼吸，可估算为土壤总呼吸即CO2排放的58%[19]；Cindirect为农事活动间接排放的碳当量，根据前述表1进行计算；C△SOC为土壤有机碳变化，本研究为短期试验，暂不作考虑；Cexport为土壤温室气体排放量，主要是氧化亚氮和甲烷，根据IPCC报告，1 kg N2O的温室效应是1 kg CO2的298倍，而1 kg CH4的温室效应是同等质量CO2的25倍，目前，碳中和战略聚焦CO2减排，N2O和CH4在气候中和过程中同样不容忽视，可根据公式(4)计算。

农田生态系统的碳可持续性指数是评估农业生产可持续性的重要指标，本研究中作物生产可持续性指数的计算方法如下[20]。

当SI为0时系统达到碳平衡状态，SI值越高表示系统固碳量越大，作物生产过程产生的温室气体排放对环境造成的影响越低，可持续性越强。

1.5 数据分析

数据在Office Excel 2013中进行基本处理并作图，并用SPSS 18.0软件做方差分析和相关性分析，显著性检验采用LSD(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对温室气体排放的影响

夏玉米生育期内各处理土壤CO2排放速率与季节气温变化基本相同（图2），呈现先升高后降低趋势，N0、N1、N2、N3处理平均速率分别为111.85、127.25、138.04、143.78 mg C/(m2·h)，总体来看排放速率随施氮量的增高而增高。分阶段来看，在作物生长苗期，各处理差异相对较小，随着气温的升高和生育期的推移，处理间差异也逐渐增大，在8月1日出现峰值，N0、N1、N2、N3土壤呼吸速率分别达到177.65、212.63、224.10、228.86 mg C/(m2·h)，在作物生长后期各处理间的差异逐渐减小。

图2 2020年不同施氮水平下土壤温室气体排放速率变化

N2O排放速率并未表现出明显的季节性变化趋势，受施肥、降水事件影响较大，N0、N1、N2、N3各处理玉米季平均排放速率分别为17.39、32.11、36.41、48.01 μg N/(m2·h)，整体表现为随施氮量的增大而增大。施肥处理在施肥后2天出现生育期内最大的排放峰值，N1、N2、N3处理排放速率分别达到74.45、98.94、123.42 μg N/(m2·h)，不施肥对照处理在播种后 2 天和11天排放速率分别为16.79、15.30 μg N/(m2·h)，未出现较大变化。玉米生育期内的降水频率较高，N2O排放速率呈现波动起伏状态，表现为降水后出现排放峰值，后逐渐回复至稳定状态，其中在2020-7-26出现较高的峰值，此时N0、N1、N2、N3各处理N2O排放速率分别为37.94、65.02、62.79、74.57 μg N/(m2·h)。

土壤CH4生育期内的平均排放速率分别为-11.53、-9.15、-8.50、-5.13 μg C/(m2·h)，负值表明土壤从大气中吸收CH4，吸收汇的强度随施氮量的升高而降低。从时间变化来看CH4排放速率同样受降水影响呈现波动趋势，其中在7-11出现较高的CH4排放，各处理峰值分别为11.00、16.36、14.65、20.93 μg C/(m2·h)，可能是降水后产生激发效应，以及气温升高为产甲烷菌营造了良好的条件，促进了甲烷排放。

2.2 不同施氮量对玉米生长的影响

各时期玉米生物量如图3所示，在作物生长苗期，各处理即表现出明显的生物量差异，N0、N1、N2、N3各处理玉米生物量分别为109.13、171.47、243.36、268.71 kg/hm2，随着生育期的推移生物量积累均表现为随施氮量的提高而提高，至成熟期各处理生物量积累分别为4367.92、6945.95、9656.77、10363.65 kg/hm2，经换算，在整个生育期内N0、N1、N2、N3单株玉米物质量积累的平均速率分别为1.03、1.63、2.27、2.43 g/d，施用氮肥量越大物质积累速率越高。

图3 2020年不同施氮处理玉米各时期干物质量

2.3 不同施氮量对净碳效益的影响

如表2所示，施氮对农田净碳效益影响显著，各处理均表现为碳汇，碳汇强度随施氮量的增加而增加，但增加幅度降低，N2较N1提高96.41%，而N3碳汇仅较N2增加159.34 kgC/hm2，增幅7.84%，逐渐表现出边缘效应。从固碳端来看，随施氮量的增加作物净初级生产力固碳量也逐渐增加，N1、N2、N3分别较对照提高59.02%、121.08%、137.27%，此外土壤表现为弱的甲烷汇，吸收碳当量2.12～4.38 kgC/hm2；在耗碳方面，土壤异养呼吸贡献了较高的碳排放，N0、N1、N2、N3各处理土壤异养呼吸分别占总排放量的94.37%、87.08%、84.84%、81.75%，其次为氮肥生产运输间接消耗的碳当量以及施氮引起的氧化亚氮直接排放的碳当量之和，各处理两项占比分别为3.10%、10.87%、13.29%、16.50%。

表2 不同施氮处理净碳效应 kgC/hm2

如图4所示，可持续性指数分别为0.15、0.50、0.88、0.89，不施肥时玉米生产的可持续性较低，在N2、N3施肥水平下可持续性指数接近，无显著差异。

图4 不同施氮处理碳可持续性指数

3 讨论与结论

本研究结果表明在不同施氮量下夏玉米农田生态系统均为净碳汇，从不同碳流来看，施氮促进了土壤N2O、CO2排放，抑制了CH4的吸收，表现为土壤的碳源，和其他以土壤为基础的估算结果相同[5,11]，主要原因是是施氮量的增加提高了土壤矿质氮的含量，从而为土壤的硝化细菌和反硝化细菌提供了足够的底物，进而促进了N2O排放[21]；氮素能够通过多种方式影响土壤CO2排放，对于土壤异养呼吸，梁国鹏[22]研究表明施氮通过增强β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性，提高土壤易提取球囊霉素进而提高土壤异养呼吸速率的影响机制；在旱作农田施氮对甲烷源汇特征均有报道，本试验条件下农田土壤表现为甲烷汇，强度随施氮量的增加而降低，可能是施用无机氮肥抑制了甲烷氧化菌的活性，降低对土壤和空气中甲烷的氧化吸收[23]。

农事投入生产资料产生的间接排放也是农田系统碳流中不可低估的重要组成部分，其中尤以氮肥的碳排放量最大。中国氮肥生产效率低下，主要以消耗化石能源向大气释放CO2为代价完成生产和运输，此外，由于中国对粮食产量和品质的需求，粮食生产在很大程度上依赖于高氮肥施用，由此造成肥料投入的间接排放甚至会大于直接排放产生N2O的碳当量[24]，本研究中各处理氮肥和氧化亚氮碳当量总和分别为53.13、227.56、307.85、408.14 kg/hm2，远大于除草、燃油等其他农事操作的碳排放量，通过合理调控施氮量将能够有效减少温室气体排放。值得注意的是，本研究间接排放量是根据相关研究资料的碳排放因子估算，由于国内农业生产多样复杂其适用范围目前尚有一定的不确定性，未来对农业各要素监测能力的加强将有助于提高碳排放评估精度及优化决策的可靠性。

农业生产的目标是提升作物生产力并实现可持续发展，在调整优化农业措施时需要同时兼顾作物生长和环境效应并对其进行直观的评价。对于以土壤为基础或半环式的评估结果，往往容易忽略作物生长的固碳量与固碳价值，需要整合固碳端进行综合评估。ZHANG等[20]利用全环式方法计算了碳的可持续性指数，并据此评估了农场规模对玉米生产、经济、环境效益的影响，为作物规模化生产提供了指导，王钰乔等[25]对中国小麦生产的净碳吸收量及可持续性指数等进行核算，为小麦生产温室气体减排提供了依据。本研究全环式碳流的固碳端主要来自作物，随施氮量的增加固碳量也逐渐增加，但增幅逐渐减小，根据报酬递减率，过量施氮的增产效果会逐渐降低甚至可能抑制作物生长[26]，本研究表明作物固碳量的增幅随施氮量的增加而逐渐减小，碳可持续指数也呈现出边缘效应，施氮量为150、200 kg/hm2水平时碳可持续性指数接近，分别为0.88、0.89。对于最佳施氮量选择，在水稻田的一项研究表明施氮量175.5～211.5 kg/hm2时具有较高的经济和环境效益[27]，在麦田的研究则表210 kg/hm2施氮量下产量稳定且温室气体排放强度最低[28]，本研究未对更高的施氮量展开研究，但可以预见，在更高施氮量下肥料间接排放和土壤碳排放会进一步提高，200 kg/hm2施氮量下能够以相对较低的碳耗率换取较高的固碳率，表现出较高的净碳效益。

在短期试验条件下，夏玉米生长季的净碳效应随施氮量的增加而增加并逐渐表现出边缘效应；就减少碳源而言，N3处理碳排放较N4处理低6.42%，从低碳生产角度综合考虑，N4可持续性指数提高，夏玉米生物量较N3高7.32%，N4处理即200 kg/hm2可推荐为夏玉米低碳可持续生产的最大适宜施氮量，过高的施氮量并不可取。