不同施氮量對春玉米農(nóng)田氧化亞氮排放的影響*

逯 濤，王立剛*，張鳳華，張 婧

（1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境系，新疆 石河子 832000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所）

不同施氮量對春玉米農(nóng)田氧化亞氮排放的影響*

逯 濤1，王立剛2*，張鳳華1，張 婧2

（1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境系，新疆 石河子 832000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所）

試驗采用靜態(tài)箱-氣相色譜法研究不同施氮量對華北旱地春玉米生長季農(nóng)田土壤N2O排放的影響。設(shè)置了減氮（60%N+PK）、常規(guī)施肥（NPK）和不施肥（CK）3個處理。結(jié)果表明，春玉米整個生育期N2O排放通量變化規(guī)律在各處理間基本一致，N2O排放峰值均出現(xiàn)在施肥（或降雨）事件之后，排放通量的變化范圍在4.21～253.28μg/（m2·h）。60%N+PK、NPK和CK處理在春玉米整個生育期N2O累計排放量分別為0.69 kgN/hm2、1.37 kgN/hm2、0.40 kgN/hm2，在等量P、K化肥氮素投入的基礎(chǔ)上，減少氮素肥料的投入能夠顯著減少N2O排放。60%N+PK、NPK和CK處理玉米產(chǎn)量分別為11.91 t/hm2、12.61 t/hm2、3.53 t/hm2，NPK和60%N+PK處理玉米產(chǎn)量差異不顯著。

減氮；春玉米農(nóng)田；氧化亞氮；產(chǎn)量

隨著世界人口的急劇增加，人類活動范圍不斷擴大，人類活動向大氣中排放的溫室氣體比重越來越大，成為全球氣候變化的重要原因之一。 而作為人類主要活動的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在供給人們糧食的同時，也導(dǎo)致了較多溫室氣體排放，排放的氧化亞氮（N2O）占人類活動排放總量84%[1]。我國的氮肥使用量居世界第一，已有不少學(xué)者就氮素施入對土壤排放N2O作了深入的研究，發(fā)現(xiàn)N2O排放量隨氮肥施用量的增加而增加[2-3]。影響農(nóng)田N2O排放的因素很多，主要包括土壤因素（土壤質(zhì)地、通氣狀況、pH值、土壤含水量和溫度等）、農(nóng)業(yè)措施（作物、氮肥品種、施肥量、施肥方式及灌溉方式）和氣候因素（溫度、降水、光照）等[4-5]。采用合理的農(nóng)業(yè)管理措施（施肥量、施肥時間、施肥方式和添加脲酶抑制劑等）是減少氮肥N2O排放損失的重要手段[6]。本研究采用田間試驗的方法，以華北旱地春玉米為研究對象，對減氮處理下，北方春玉米農(nóng)田生長季N2O通量進(jìn)行長期定點定位觀測，研究不同施氮量對玉米N2O排放量的影響，為科學(xué)有效評估施用氮素肥料的經(jīng)濟和環(huán)境雙重效應(yīng)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗設(shè)在農(nóng)業(yè)部遷西燕山生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站 （東經(jīng)118°6′～118°37′，北緯39°57′～40°27′）。位于河北省東北部，燕山南麓，遷西境內(nèi)多山地、丘陵，地勢西北向東南傾斜，平均海拔在900 m以下。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，季風(fēng)特點顯著，四季分明。年平均氣溫10.1℃,年平均降水量817 mm，年日照時數(shù)為2 709 h，無霜期180 d以上。試驗地農(nóng)業(yè)種植方式為典型種植模式 （春玉米一年一熟制）。本研究試驗在土壤肥力與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)長期定位試驗基礎(chǔ)上進(jìn)行（2008年開始），2014年5月對氧化亞氮排放進(jìn)行監(jiān)測。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置減氮施肥（60%N+PK）、常規(guī)施肥（NPK）、不施肥（CK）3個處理，每個處理3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，每小區(qū)面積48 m2，表1為各處理具體施肥方式及施肥量。試驗地2015年5月進(jìn)行旋耕（深度20 cm），5月15日播種，氮肥總用量的40%作底肥施入，種肥間隔施入，施肥深度20 cm左右；7月4日（玉米大喇叭口期）進(jìn)行追肥，追施總N肥用量的60%，施肥方式為表施，全年無灌溉；2014年10月收獲玉米，試驗觀測期為2014年5～10月。

表1 施肥種類和施肥量 kg/hm2

1.3 測定項目

N2O通量的測定采用靜態(tài)箱-氣相色譜法。本研究使用的不銹鋼采樣箱 （50 cm×50 cm×50 cm）外覆絕熱材料，氣溫變化最劇烈時能夠保證觀測過程中箱內(nèi)溫度變化小于2℃。密閉箱分箱體和底座兩部分，箱體地面開口，連接帶凹槽底座，測量時將底座嵌入土中，然后將箱體置于底座凹槽內(nèi)，凹槽內(nèi)用水密封，使箱內(nèi)空氣不與外界空氣交換。箱體內(nèi)有混氣風(fēng)扇，箱體外連接有2根溫度傳感器和抽氣管，一條測箱內(nèi)氣溫，一條測土溫，然后用注射器每隔一定時間間隔 （分別在罩箱后第0 min、8 min、16 min、24 min、32 min）抽取一定體積氣體于氣袋中（化工部大連光明化工研究所生產(chǎn)的鋁膜氣樣袋）。準(zhǔn)確記錄取樣時間和取樣時箱內(nèi)溫度。同步觀測5 cm深度土壤溫度（JM624）和5 cm深度土壤含水量（ML2X型探頭），將取得的氣體樣品用氣相色譜（HP7890A）分析N2O濃度。

觀測時間為白天08：00～11：00時。施肥后連續(xù)觀測7 d，有灌溉、10 mm以上日降雨量和時，逐日觀測1周，降雨量或灌溉量小于10 mm時，逐日觀測3 d，其他情況下每周觀測1次。氣體通量計算公式為：

F=ρHdc/dt·273/（273+T）·P/P0（1）

（1）式中：F為目標(biāo)氣體排放通量（mg/m2·h）；ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下的氣體密度（g/L）；H為采樣箱氣室高度 （cm）；dc/dt為采樣箱內(nèi)氣體濃度的變化速率；p和T分別為采樣時箱內(nèi)氣體的實際壓力和溫度；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。氣體通量（F）為負(fù)值時表示土壤從大氣吸收該氣體，為正值時表示土壤向大氣排放該氣體。

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel、SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 春玉米生育期土壤N2O排放特征

本研究自2014年5～10月對北方旱作春玉米農(nóng)田N2O排放量進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果表明，各處理N2O通量變化規(guī)律基本一致，排放峰主要集中在生長季，并發(fā)生在施肥和降水事件之后 （圖1）。隨著6月7日、8日2次較大的降水（29.2 mm、16.3 mm），以及底肥無機氮素的釋放，迅速形成一個較大的N2O排放峰，持續(xù)15 d左右。7月4日進(jìn)行追肥，隔天有降雨，在7月6日迅速形成了一個排放峰，該排放峰持續(xù)了15 d左右。

玉米生育期各處理氧化亞氮排放通量變化范圍在4.21～253.28 μg/（m2·h），在玉米生育后期，伴隨著降雨也會出現(xiàn)小而短促的排放峰。

圖1 不同處理玉米生育期N2O排放特征

2.2 春玉米生育期N2O累積排放量、產(chǎn)量、直接排放系數(shù)和排放強度

表2 各處理土壤N2O累積排放量、產(chǎn)量、排放系數(shù)和強度

從表2可以看出，較對照處理，施用化肥和減氮施肥處理N2O排放量明顯增加，分別增加了0.97 kgN/kg和0.29 kgN/kg。排放強度增大，各處理產(chǎn)量分別為3.53 t/hm2、12.61 t/hm2、11.91 t/hm2。增施氮素肥料雖然能夠增加春玉米產(chǎn)量，但在玉米生長期均增加了農(nóng)田N2O的排放。本研究各試驗處理N2O排放系數(shù)介于0.27%～0.36%之間，低于IPCC推薦值1%[7]。因此，按照IPCC推薦系數(shù)來計算將明顯高估北方旱地春玉米農(nóng)田N2O的排放量。

3 結(jié)論與討論

（1）試驗各處理在春玉米整個生育期N2O排放規(guī)律基本一致。5月底到8月中旬，由于受降水和施肥等環(huán)境因素的驅(qū)動，各處理均出現(xiàn)明顯的排放峰，對照、常規(guī)施肥、減氮施肥處理在玉米整個生育期的排放通量分別為20.84 μg/（m2·h）、75.60 μg/（m2·h）、40.32 μg/（m2·h），對照處理與其他各處理之間差異顯著。本研究與一般研究有一些不同之處，首先在5月15日施入底肥后在1周內(nèi)并沒有出現(xiàn)明顯的N2O排放峰（如圖1所示）。這主要是受土壤含水量限制，由于播種后土壤含水量較低，使得施入土壤的尿素沒能迅速溶解，土壤中硝化反硝化底物濃度升高緩慢，低水分含量也限制了硝化反應(yīng)的速率[8]。此研究現(xiàn)象與翟振等[9]在有機無機肥料配施對春玉米農(nóng)田N2O排放及凈溫室效應(yīng)的影響研究相同。（2）北方旱地春玉米生育期內(nèi)農(nóng)田相應(yīng)減少氮素肥料的投入能夠減少N2O的排放量且不會造成大幅減產(chǎn)。在保障玉米產(chǎn)量的前提下減少農(nóng)田氮素肥料的投入可以大量減少農(nóng)田N2O的排放量，本實驗中減氮施肥較常規(guī)施肥N2O的排放量減少了36.8%。

[1]Smith P，Martino D，Cai Z，et al.Greenhouse gas mitigation in agriculture[J].Philosophical Transactions of the Royal Society B：Biological Sciences，2008，363（1492）：789-813.

[2]徐華，邢光熹，蔡祖聰，等.土壤水分狀況和氮肥施用及品種對稻田N2O排放的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，1999，10（2）：186-188.

[3]肖玉，謝高地，魯春霞，等.施肥對稻田生態(tài)系統(tǒng)氣體調(diào)節(jié)功能及其價值的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報，2005，29（4）：577-583

[4]李鑫，巨曉棠，張麗娟，等.不同施肥方式對土壤氨揮發(fā)和氧化亞氮排放的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2008，19（1）：99-104.

[5]翟勝，高寶玉，王巨媛，等.農(nóng)田土壤溫室氣體產(chǎn)生機制及影響因素研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17（6）：2488-2493.

[6]周勝，宋祥甫，顏曉元.水稻低碳生產(chǎn)研究進(jìn)展[J].中國水稻科學(xué)，2013，27（2）：213-222.

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[8]劉運通，萬運帆，林而達(dá)，等.施肥與灌溉對春玉米土壤N2O排放通量的影響 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2008，27（3）：997-1002.

[9]翟振，王立剛，李虎，等.有機無機肥料配施對春玉米農(nóng)田N2O排放及凈溫室效應(yīng)的影響 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2013，32（12）：2502-2510.

2015—03—11

國家自然科學(xué)基金（31270486）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201103039）。

*通訊作者：王立剛（1974-），男，研究員，主要研究全球變化與生物地球化學(xué)循環(huán)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)定量評價、土壤肥力培育與面源污染防治、生態(tài)環(huán)境治理與恢復(fù)。E-mai：wangligang@caas.cn。