減氮和施生物炭對華北夏玉米-冬小麥田土壤CO2和N2O排放的影響*

范靖尉，白晉華, 任寰宇，韓　雪，刁田田，郭李萍**（. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點試驗室，北京 0008；. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，太谷 03080）

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減氮和施生物炭對華北夏玉米-冬小麥田土壤CO2和N2O排放的影響*

范靖尉1，白晉華2, 任寰宇2，韓雪1，刁田田1，郭李萍1**
（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點試驗室，北京 100081；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，太谷 030801）

摘要：2013年6月-2014年6月，在河南省新鄉(xiāng)夏玉米-冬小麥試驗田設(shè)置四種處理即農(nóng)民常規(guī)施肥（F處理，250kg·hm-2）、減氮20%（LF處理，200kg·hm-2）、減氮20%+黑炭（LFC），以不施肥處理為對照（CK），采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，對夏玉米-冬小麥生長季土壤CO2和N2O排放通量動態(tài)進行測定。結(jié)果表明：（1）夏玉米-冬小麥田的土壤CO2排放通量為21.8～1022.7mg·m-2·h-1，土壤CO2排放通量主要受土壤溫度和水分的影響，在夏玉米季受土壤水分的影響更為顯著，而在冬小麥季則為5cm土層處的溫度對其影響更為突出。減施氮肥20%處理和減氮加生物黑炭共同作用使土壤CO2累積排放量顯著降低，小麥生長季的減排作用尤為顯著。（2）施肥和灌溉是影響土壤N2O排放的最主要因素，施肥期間N2O排放量分別占夏玉米季和冬小麥季累積排放量的73.9%～74.5%和40.5%～43.6%；施肥量主要影響排放峰的強度，灌溉主要影響排放峰出現(xiàn)時間的早晚且會影響不同措施的減排效果。在每季作物250kg·hm-2施氮水平下減施氮肥20%使夏玉米季和冬小麥季的N2O累積排放量分別降低15.7%～16.8%和18.1%～18.5%，是高產(chǎn)集約化農(nóng)田減排N2O的有效措施。在適宜施氮水平（200kg·hm-2）下施用生物黑炭，短期內(nèi)對土壤N2O排放無顯著影響。（3）夏玉米-冬小麥田農(nóng)民常規(guī)施肥水平的N2O排放系數(shù)為0.60%，減氮施肥的N2O排放系數(shù)為0.56%。在華北平原高產(chǎn)集約化農(nóng)田適當(dāng)減氮施肥不僅能降低農(nóng)田土壤溫室氣體排放，且對作物產(chǎn)量無影響，是適宜的溫室氣體減排措施。

關(guān)鍵詞：氮肥減量；生物黑炭；溫室氣體排放；N2O排放；冬小麥-夏玉米

范靖尉,白晉華,任寰宇,等.減氮和施生物炭對華北夏玉米-冬小麥田土壤CO2和N2O排放的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(2):121-130*

氣候變暖已被國際社會及科學(xué)界公認(rèn)為形勢嚴(yán)峻的全球性環(huán)境問題，IPCC第五次報告指出，人類活動對全球氣候變暖的影響是毋庸置疑的，1880-2012年全球平均氣溫上升了0.85℃（0.65～1.06℃）[1]。而在中國，據(jù)統(tǒng)計，過去100a中全國平均氣溫上升了0.91℃[2]，高于全球平均升溫幅度。人類活動向大氣中排放了過多的CO2、CH4、N2O等溫室氣體，是導(dǎo)致氣候變暖的主要原因；2011年全球大氣中CO2的濃度為391mg·kg-1，CH4為1.183mg·kg-1，N2O為0.324mg·kg-1，分別超過了工業(yè)化前水平的40%、150%和20%[1]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是受人類活動影響強烈的非CO2溫室氣體的主要排放源之一，據(jù)估計，2005年全球農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放量為5.1～6.1Gt二氧化碳當(dāng)量，占人為溫室氣體排放總量的10%～12%[3]。中國2005年農(nóng)業(yè)溫室氣體排放為8.20億t二氧化碳當(dāng)量，占全國人為溫室氣體排放總量的10.97%[4]。此外，IPCC第五次報告也指出，在2002-2011年，全球因人為土地利用變化產(chǎn)生的CO2年凈排放量平均為每年0.9Gt （0.1～0.7Gt）碳[1]。盡管農(nóng)田土壤CO2排放目前未被列入IPCC溫室氣體清單的人為排放源中，但其在未來被列入溫室氣體清單的呼聲也越來越高，土壤CO2排放是植物根系自養(yǎng)呼吸和土壤微生物異養(yǎng)呼吸的綜合結(jié)果，其中異養(yǎng)呼吸增加會使土壤有機碳庫下降[5-6]。中國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占國內(nèi)生產(chǎn)總值中的12.5%，據(jù)粗略估計，在推行優(yōu)化管理措施下，未來50a中國農(nóng)業(yè)土壤固碳減排潛力為87～393TgC·a-1[7]，所以農(nóng)田土壤CO2減排和N2O減排從固碳和減排兩個不同方面對減緩氣候變化均有積極意義。

實施合理的農(nóng)田管理措施可以有效實現(xiàn)控制溫室氣體的排放量。中國氮肥消費量占全球氮肥總量的30%[8]，但其利用率僅30%～35%，而損失率則高達45%[9-10]。華北平原是重要的糧食產(chǎn)區(qū)，其耕地占全國耕地面積的27.9%，糧食總產(chǎn)占全國總產(chǎn)的30%[11]。為了維持和不斷獲得更高產(chǎn)量，農(nóng)民過量施肥的現(xiàn)象非常普遍，部分高產(chǎn)區(qū)的氮肥投入甚至高達600kgN·hm-2·a-1，區(qū)域內(nèi)單位耕地氮肥施肥量也很不均衡[12]。研究表明，配施有機肥、施用緩釋肥、加入硝化抑制劑、施用黑炭及秸稈還田等均可在一定程度上減少溫室氣體排放[13-14]。目前，關(guān)于農(nóng)田土壤N2O減排的措施主要集中在優(yōu)化施肥、添加硝化抑制劑、推廣控釋肥等方面[15-16]。

冬小麥-夏玉米輪作是華北平原中南部主要的作物輪作方式[17]，山東和河南典型集約化高產(chǎn)區(qū)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)的年施氮量高達625和587kg·hm-2[18]，而華北平原冬小麥-夏玉米輪作田土壤N2O通量的變化主要由施肥引起[19]。因此，避免施用過量氮肥已成為提高氮肥利用率、減少因此造成的面源污染和N2O排放已受到高度關(guān)注。生物黑炭是有機物在高溫?zé)峤獠煌耆紵庐a(chǎn)生的非純凈碳的混合物，含有60%以上的碳[20]，因其碳組分的高度芳香化而具有生物化學(xué)和熱穩(wěn)定性，其比表面及吸附能力均高于土壤黏粒礦物和土壤中含量較低的腐殖質(zhì)膠體，在改善土壤性狀及固碳減排方面有一定作用[21-22]。中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈產(chǎn)量每年約有8.4億t，由于還田大量秸稈在一些地區(qū)及輪作前后茬口間隔較短的地區(qū)不能及時分解，加上技術(shù)推廣及機械缺乏等因素，大量秸稈常常被農(nóng)民視為是一種負(fù)擔(dān)，而將其制作成生物黑炭則可將秸稈資源化利用，制成的生物黑炭可用于調(diào)節(jié)和改良土壤，生物黑炭在近年來受到研究人員的廣泛關(guān)注，其在改良酸性土壤、調(diào)節(jié)土壤容重和土壤氮素轉(zhuǎn)化方面均具有積極作用[23]。生物黑炭對作物產(chǎn)量的影響有增產(chǎn)、減產(chǎn)和無影響多方面的報道[24-25]。在生物黑炭對土壤CO2排放的影響方面，也有增加[26-27]、降低[28]及無影響[29]等報道。生物黑炭對農(nóng)田N2O排放方面的報道則多為減少[30-32]和無影響[21,33]兩個方面。

某一措施在不同的氣候、土壤、輪作制度以及不同的水肥管理模式下，其減排效果不盡相同。冬小麥-夏玉米一年兩作是華北平原典型的種植制度，氮肥用量普遍較高，且大多為速效性氮肥（如尿素），目前市場上的緩釋肥產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、價格偏高，推廣難度較大[34-35]。因此，本文主要針對簡單易行的優(yōu)化氮肥用量和添加生物黑炭這兩項措施，對華北平原典型高產(chǎn)集約化農(nóng)田冬小麥-夏玉米農(nóng)田土壤CO2和N2O排放以及作物產(chǎn)量的影響進行研究，以期為華北地區(qū)農(nóng)田溫室氣體減排提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并為農(nóng)田溫室氣體的估算清單和制定減排措施提供技術(shù)支持。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗在河南省新鄉(xiāng)縣七里營鄉(xiāng)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地進行，該站點位于35°18′N，113°54′E，地勢平坦，四季分明，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14℃，無霜期220d，全年日照時數(shù)約2400h，年平均降水量656.3mm，降水季節(jié)分布不均勻，主要集中在6-9月。

1.2供試土壤基本狀況

試驗區(qū)土壤為潮褐土，質(zhì)地為壤土，多年來一直采用“冬小麥-夏玉米”一年兩作種植模式。試驗于2013年6月開始，夏玉米播種前0-20cm土壤有機質(zhì)20.0g×kg-1，全氮0.94g×kg-1，全磷0.64g×kg-1，堿解氮0.03g×kg-1，速效磷39.8mg×kg-1，速效鉀150.7mg×kg-1，pH8.4。

1.3試驗設(shè)計

試驗設(shè)4個處理，3次重復(fù)，每個小區(qū)面積為11m×10m，相鄰小區(qū)間各留1m保護行并不施肥。氮、磷、鉀肥分別用尿素(含氮量46%)，磷酸二銨（含P2O546%、含氮量18%）和氯化鉀（含K2O 60%）。4個處理分別為

處理一：CK（無肥處理），不施肥，前季作物秸稈還田，常規(guī)耕作。

處理二：F（常規(guī)施肥），施N 250kg× hm-2、P2O5150kg·hm-2、K2O 90kg·hm-2，磷鉀肥全部基施，氮肥基追比1:1，前季作物秸稈還田，旋耕。

處理三：LF（減氮20%），施N 量減少20%，為200kg·hm-2，基追比1:1。其它同處理二。

處理四：LFC（減氮20%+黑炭），冬小麥播前施入秸稈生物黑炭（河南生產(chǎn)）20t·hm-2后旋耕，其它同處理三。

各處理具體施肥方案見表1。

夏玉米于2013年6月14灌溉并播種，品種為“鄭丹958”，7月9日追肥并澆水，9月26日收獲夏玉米。冬小麥于2013年10月9日灌溉并播種，品種為“矮抗58”，2014年3月8日追肥并灌溉，翌年6 月8日收獲。試驗期間，土壤水分含量變化見圖1a，土壤5cm處溫度利用自制的熱敏傳感器測定，每個小區(qū)埋設(shè)一個傳感器，共12個傳感器，標(biāo)定后的溫度測定誤差為±0.5℃，試驗期間各處理土壤5cm處溫度見圖1b，其中，12月中旬-2月中旬由于土壤入凍，不適于用水分儀測定水分含量，因此此間土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)空缺。

表1　各處理施肥量(kg·hm-2)Table 1　Fertilization rate for each treatment(kg·ha-1)

圖1　夏玉米-冬小麥生育期土壤水分含量（a）和各處理5cm深處土壤溫度（b）變化Fig. 1　Dynamics of soil water content(a) and daily temperature at 5cm soil depth(b) during summer maize-winter wheat growth-period

1.4測定項目與方法

1.4.1土壤樣品

采用土鉆法于播種前每小區(qū)均勻取5鉆0-20cm土樣混合，風(fēng)干后采用常規(guī)方法測定基本理化性狀，包括有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH 等。

1.4.2氣體樣品

采用靜態(tài)箱法取氣，不透明取樣箱分為箱體和底座兩部分，箱體為直徑25cm、高30cm的PVC圓筒，頂部有開關(guān)以供抽取氣樣用；底座插入土中10cm，取氣時箱體扣在底座之上，底座槽中加水以保持箱體與底座之間密封。氣體樣品在一般生育期每周取一次，施肥、降雨或灌溉后加大取樣頻率，每1～2d取樣一次，每次每個小區(qū)在扣箱前和扣箱后各取一個氣樣，故每次全部12個小區(qū)共取氣樣24個。氣體取樣時間在每日9：00-10：30，預(yù)備實驗表明，本地區(qū)農(nóng)田在30min內(nèi)溫室氣體排放通量為線性關(guān)系，因此設(shè)定取氣扣箱時間為30min。取氣時用注射器從取樣桶上部抽取混勻的桶內(nèi)氣體樣品30mL注入12mL預(yù)抽為真空的血清管中。取樣桶扣在作物行間取氣樣，扣箱時將取樣箱底座內(nèi)的植物凋落物等撥開，因此，所測得的CO2排放不包括地面凋落物的呼吸排放，所測得的N2O也為土壤中的N2O排放量。

1.4.3土壤環(huán)境因子

取氣樣的同時，測定土壤5cm處溫度和水分含量以及取樣箱內(nèi)溫度（箱內(nèi)1/2高度處）。土壤溫度用自制的熱敏電阻測定（測定誤差±0.5℃）。土壤水分含量用美國產(chǎn)TDR-100便攜式土壤水分儀測定，測定的水分含量為體積含水量（%，v/v）。

1.4.4氣樣測定及計算方法

取樣后一周內(nèi)用Agilent7890B氣相色譜儀測定CO2和N2O濃度。CO2用氫火焰檢測器、N2O用具有反吹裝置的電子捕獲檢測器（ECD）檢測。測定條件為

CO2：柱溫40℃，進樣溫度50℃，檢測器溫度375℃，載氣為H2，流量30mL·min-1。

N2O：柱溫40℃，載氣為N2，流量為12.4mL·min-1，檢測器溫度350℃。

計算方法為

式中，F(xiàn)為氣體排放通量即單位時間單位面積土壤表面的排放量（mg·m-2·h-1)，正值為排放，負(fù)值為吸收；m1、m2分別為扣箱前和扣箱后箱內(nèi)某氣體的質(zhì)量，C1、C2分別為扣箱前和扣箱后的被測氣體體積濃度（m L·L-1），M0表示某種氣體的摩爾質(zhì)量（g），CO2為44，N2O為44；A為取樣箱底面積（m2），為0.196 m2；V為取樣箱體積（m3），為0.059 m3，T1、T2分別為扣箱前和扣箱后的箱內(nèi)溫度（℃），t1、t2分別為扣箱前和扣箱后的時間（時：分），22.4為理想氣體常數(shù)（L·mol-1)，273為絕對零度的攝氏溫度（℃），1000為mg換算為mg的換算系數(shù)。

用每次取樣時測定并通過式（1）計算得到的排放通量乘以前后兩次取樣的間隔天數(shù)，依次累加即為氣體的階段或生育期累積排放量。

2　結(jié)果與分析

2.1減氮和施加生物黑炭對土壤CO2排放的影響

2.1.1對CO2排放通量的影響

由圖2可見，試驗期間夏玉米-冬小麥田的土壤CO2排放通量在21.8～1022.7mg·m-2·h-1范圍內(nèi)，各處理CO2排放通量隨時間變化的趨勢基本一致，表現(xiàn)為明顯的季節(jié)性排放特征，總體上看，玉米生育期排放通量平均值高于小麥生育期。具體而言，夏玉米苗期主要有兩個排放峰，分別發(fā)生在拔節(jié)期和喇叭口期，排放峰值分別為1022.7mg·m-2·h-1和889.0mg·m-2·h-1，4個處理的排放峰通量數(shù)值依次為F>LF>LFC>CK，按兩個排放峰平均值計算，F(xiàn)處理（常規(guī)施肥）的排放通量是CK的1.5倍，LF（減氮）和LFC（減氮施炭）處理分別比F處理低2.6%和8.8%，其中在喇叭口期灌溉后的瞬時減排比例較高。冬小麥生育期土壤CO2排放峰主要發(fā)生在播種灌溉后、返青灌溉后和之后的揚花抽穗期，只有揚花抽穗期的峰值（948.9mg·m-2·h-1）與玉米生育期峰值相當(dāng)，之前的兩次峰值分別為497.1mg·m-2·h-1和479.6mg·m-2·h-1，都是F處理排放通量最高，其次為LF、LFC和CK。3次峰值平均，F(xiàn)處理的排放通量是CK的1.2倍，LF 和LFC峰值通量分別比F處理低7.8%和3.3%，說明減氮對CO2瞬時排放峰值的降低有一定作用，但生物黑炭對CO2排放峰值未顯示作用。

從CO2全年平均排放通量的變幅看，各處理間略有差別。各施肥處理在作物生育期的CO2平均排放通量比CK高14.3%～25.6%，其中夏玉米季高25.5%～36.6%，冬小麥季高6.9%～18.6%。在夏玉米季，LF和LFC處理的土壤CO2的平均排放通量比F處理分別低5.1%和8.1%；在小麥季，這兩個處理的土壤CO2平均排放通量分別比F處理低6.6%和10.6%。可見，在冬小麥季減氮處理和減氮加黑炭處理對土壤CO2排放通量的影響略高于夏玉米季。

2.1.2對CO2累積排放量的影響

夏玉米不同生育期的土壤CO2累積排放量見表2。由表可見，不同處理在各生育階段CO2累積排放量數(shù)值有一定差異，夏玉米生育期LF和LFC處理在各階段的累積排放量分別比F處理低3.6%～6.6%和7.3%～10.0%，其中在吐絲-成熟期和拔節(jié)期這兩個時期的差異略高，減氮+生物黑炭聯(lián)合作用對玉米季土壤CO2排放有一定作用；但在苗期和喇叭-抽雄期，三個施肥處理間沒有顯著差異。就整個夏玉米生育期而言，減氮處理與減氮+黑炭處理對夏玉米生育期土壤CO2沒有顯著影響。

圖2　不同施肥處理的土壤CO2排放通量動態(tài)變化Fig. 2　Fluctuation of soil CO2emissions fluxes emitted from different fertilization treatments during summer maize-winter wheat growth-period

表2　夏玉米不同生育期土壤CO2的累積排放量（kg·hm-2）Table 2　The cumulative CO2emissions during the summer maize growing period(kg·ha-1)

在冬小麥不同生育階段LF和LFC處理的土壤CO2累積排放量分別比F處理低1.8%～8.7%和8.3%～12.7%，其中各施肥處理間累積排放量在越冬期和返青-拔節(jié)期的差異略小，其它生育期LF和LFC處理的CO2累積排放量與F處理相比較為顯著。但就整個冬小麥生育期來講，減氮對土壤CO2排放降低的作用較為顯著。

從全生育期累積排放量看，夏玉米季和冬小麥季的土壤CO2累積排放量分別占全年CO2累積排放量的39.9%～45.1%和54.9%～60.1%。整個生育期LF和LFC處理分別比F處理低6.4%和10.0%，其中在夏玉米季LF和LFC分別比F處理低5.5%和8.9%，而在冬小麥季則分別降低7.7%和11.7%，各處理對土壤CO2排放的影響依然表現(xiàn)為冬小麥季略高。可見，減氮施肥在降低土壤CO2排放，尤其在降低冬小麥生育期土壤CO2排放量方面有一定作用，而減氮加生物黑炭聯(lián)合作用對降低土壤CO2排放的作用更顯著，但在適宜施氮水平下單獨施用生物黑炭并未顯示明顯的降低土壤CO2排放的作用。

2.2減氮和施加生物黑炭對土壤N2O排放的影響

2.2.1對N2O排放通量的影響

由圖3可以看出，土壤N2O排放通量在夏玉米季在2.7～384.1μg·m-2·h-1區(qū)間波動，冬小麥季的排放通量波動范圍為1.0～220.9μg·m-2·h-1；各處理的平均排放通量大小依次為F>LF>LFC>CK，排放峰主要發(fā)生在基肥后、追肥后和隨后的降雨事件后，排放峰的強度受施肥量及土壤水分的共同影響。

夏玉米基肥結(jié)合灌溉進行，基肥后土壤N2O的排放通量迅速升高，在第7天（6月22日）達到峰值（384.1μg·m-2·h-1），而無肥對照處理由于灌溉的緣故，也在播種灌溉后出現(xiàn)一個小的排放峰。各施肥處理基肥后的N2O排放峰強度是CK處理的5.2～5.7倍，LF和LFC處理的排放峰強度分別比F處理低7.2%和8.5%，達顯著水平。夏玉米生育期的第2個排放峰發(fā)生在追肥后，在追肥并灌溉后的第2天（7 月10日）即出現(xiàn)N2O排放峰，各施肥處理的峰值比基肥后的峰值低40.5%～57.1%；其中，各施肥處理的N2O排放通量平均比CK高2.3～3.4倍，LF和LFC處理的通量峰值分別比F處理低33.1%和22.9%，表明減氮處理顯示了顯著的峰值減排效果，但生物黑炭未顯示減排作用。之后直至玉米成熟期，土壤N2O的排放通量均基本維持在較低水平，期間隨著土壤水分的變化又出現(xiàn)2個小的脈沖式排放峰，但峰值均在140.0μg·m-2·h-1以下。

表3　冬小麥不同生育期土壤CO2累積排放量（kg·hm-2）Table 3　The cumulative CO2emissions during the winter wheat growing period(kg·ha-1)

圖3　夏玉米-冬小麥田土壤N2O排放通量動態(tài)Fig. 3　Fluctuation of soil N2O emissions fluxes of different fertilization treatments emitted from the summer maize-winter wheat field

冬小麥生育期的N2O排放峰也是發(fā)生在基肥灌溉后、返青追肥灌溉后和后期土壤水分略高的時期，其中返青期的排放峰最高，數(shù)值與夏玉米季追肥后的峰值接近。冬小麥基肥施用后第4天出現(xiàn)了N2O排放峰，各施肥處理的峰值在105.9～111.5μg·m-2·h-1，是CK處理的2.0～3.3倍；其中，LF和LFC處理的峰值分別比F處理低32.2%和39.6%，說明減氮施肥處理對峰值的消減效果較顯著，生物黑炭處理在該時期也顯示了一定的瞬時減排效果。隨后由于10月17日降水的緣故，土壤體積含水量達到35%以上，土壤N2O排放通量又出現(xiàn)一個排放高峰，此次峰值比施基肥后的峰值高21.7%～48.4%，該峰段LF和LFC處理的峰值分別比F處理低25.4%和26.3%，減氮處理顯示了其減排效果，但生物黑炭依然未顯示瞬時減排效果。冬小麥翌年返青追肥后的N2O排放通量峰值為347.1μg·m-2·h-1，LF和LFC處理的峰值分別比F處理低9.1%和20.6%，減氮和減氮+生物黑炭處理在此期間均顯示了顯著的N2O瞬時減排效果。

2.2.2對N2O累積排放量的影響

夏玉米-冬小麥田的土壤N2O周年累積排放量（表4和表5）在1.71～4.71kg·hm-2，其中玉米季和小麥季的排放量分別占整個生育期N2O總排放量的41.7%～42.5%和57.5%～58.3%，排放主要發(fā)生在施肥后，各施肥處理在施肥期間的N2O排放量占全年總排放量的65.7%～67.8%。

在夏玉米季，各施肥處理的土壤N2O累積排放量是CK的2.4～2.9倍， LF和LFC處理的N2O累積排放量分別比F處理低15.7%和16.3%，表明減氮處理的減排效果顯著，而生物黑炭未顯示明顯的減排效果。各處理苗期的N2O累積排放量分別占夏玉米生育期排放量的29.1%（CK）和46.0%～47.2%（施肥處理），施肥處理在該階段的累積排放量較高。各施肥處理在追肥后的N2O累積排放量分別占玉米生育期累積排放量的23.7%～25.4%，無肥處理由于進行了灌溉，在此時期的排放量也占到該處理在玉米生育期總排放量的28.0%，進一步顯示了灌溉對N2O排放的促進作用。各處理基肥和追肥期間的累積排放量分別占到夏玉米全生育期N2O累積排放量的59.6%（CK）、73.9%（F）、74.5%（LF）和74.5%（LFC），減氮均顯示了顯著的減排作用，但在適宜施氮水平下添加生物黑炭對N2O累積排放量未顯示減排效果；而且減氮和減氮+生物黑炭對N2O減排的作用在追肥期高于基肥期，與當(dāng)時的土壤水分含量不同有關(guān)。

表4　夏玉米季土壤N2O的累積排放量（kgN·hm-2）及排放系數(shù)（%）Table 4　Cumulative N2O emissions (kgN·ha-1) and emissions factors(%) during the summer maize growth period

表5　冬小麥季土壤N2O的累積排放量（kgN·hm-2）及排放系數(shù)（%）Table 5　Cumulative N2O emissions(kgN·ha-1) and emission factors(%) during the winter wheat growth period

冬小麥生育期的排放也主要發(fā)生在施肥后，基肥和追肥后的N2O排放量分別占小麥生育期累積排放量的46.0%～47.2%和22.0%～24.0%。不同生育期LF和LFC處理的累積排放量分別比F處理低10.4%～28.7%和2.9%～31.8%；其中兩處理在基肥期比F處理的減排比例分別為28.7%和31.4%，追肥期的減排比例分別為19.5%和21.8%，基肥期的減排比例較高，這也與基肥和追肥期間的土壤水分狀況相關(guān)。就小麥整個生育期而言，減氮和生物減氮+生物黑炭使N2O排放量分別減排18.5%和18.1%，減排作用主要體現(xiàn)在氮肥用量降低方面，而在適宜施氮水平下（低氮）單獨施用生物黑炭在小麥生育期內(nèi)的N2O減排作用不顯著。

從全年的N2O排放減排情況來看，減氮20%和減氮+生物黑炭分別使N2O比常規(guī)施肥處理減排16.2%和16.7%，三種處理的N2O排放系數(shù)分別為0.60%（F）、0.56%（LF）和0.55%，均低于1%的IPCC溫室氣體清單方法學(xué)中推薦的缺省排放系數(shù)[36]。

3　結(jié)論與討論

玉米季和冬小麥季的土壤CO2累積排放量分別占全年CO2累積排放量的39.9%～45.1%和54.9%～60.1%，主要是由于玉米季和冬小麥季的溫度與土壤水分差異所引起的。試驗中，小麥季和玉米季土壤5cm處平均氣溫分別為15.0℃和28.9℃，玉米季土壤溫度顯著高于小麥季; 小麥季和玉米季的土壤5cm處水分含量（v/v, %）分別為15.1%和29.9%，玉米季的土壤水分含量也普遍高于小麥季，由于玉米整個生育期土溫普遍較高，所以溫度在玉米季不是限制因子，說明土壤水分含量是玉米季土壤CO2排放通量的主要限制因子[37-38]。而小麥生育期的CO2排放則對溫度更為敏感，同時土壤CO2通量的數(shù)值高低也反映了植物生長和土壤微生物的活性狀況，溫度和土壤水分共同決定了土壤CO2排放的季節(jié)特征，這也被眾多研究所證實[39-40]。減氮施肥在降低土壤CO2排放、特別是在降低冬小麥生育期土壤CO2累積排放量方面顯示了一定作用，而施用生物黑炭在本試驗中對土壤CO2排放無顯著影響。不過由于本試驗是施用生物黑炭后第一年的觀測數(shù)據(jù)，還需要后續(xù)進行多年觀測以探討生物黑炭對土壤CO2排放的長期影響。

玉米季基肥后苗期N2O累積排放量占玉米整個生育期總排放量的比例高于追肥后的累積排放量比例，可能由于基肥期玉米作物植株還較小、吸收氮素的能力較弱，不能及時吸收施入土壤中的氮素，因而累積排放量較高，這也是一些研究提出氮肥分次施用且應(yīng)前輕后重的原因之一[41-42]。玉米季N2O排放峰出現(xiàn)比小麥季的晚，分析其原因主要是由于玉米季播種后未及時澆水的緣故，施肥后排放峰出現(xiàn)的時間也因灌溉日期的推遲而推遲，表明了肥水同步是N2O排放的主要因素。因此，施肥和灌溉是引起N2O排放的主控因素。在施氮量250kg·hm-2的水平下減氮20%能夠降低土壤N2O年度累積排放量16.2%；而在200kg·hm-2的施氮水平下施用生物黑炭則未顯示顯著的N2O減排作用。Mc Swiney等研究也表明，每種土壤在種植某一作物期間均有一適宜的施氮量值，當(dāng)施氮水平高于此臨界值時，過量的氮肥不能被作物吸收，N2O的排放量會隨施氮量的增加而急劇增加[41]。此外，試驗還顯示，在施肥后土壤水分較好的情況下（如夏玉米基肥后、冬小麥追肥后）土壤N2O排放量較高，減氮和施用生物黑炭對在較濕潤土壤條件下的N2O減排作用會降低，因此在實際生產(chǎn)中，肥料管理還應(yīng)與田間水分管理等其它措施配合施用，以達到更好的N2O減排效果。本試驗的結(jié)果表明在華北平原高產(chǎn)集約化農(nóng)田適當(dāng)減氮施肥不僅能降低農(nóng)田土壤溫室氣體排放，且對作物產(chǎn)量無影響（受篇幅限制未展示數(shù)據(jù)），是適宜的溫室氣體減排措施。

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Effects of Reducing Nitrogen and Biochar Application on CO2and N2O Emissions from Summer Maize-Winter Wheat Field in North China

FAN Jing-wei1，BAI Jin-hua2，REN Huan-yu2, HAN Xue1, DIAO Tian-tian1,GUO Li-ping1
(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agriculture Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;2.College of Forestry, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801)

Abstract：This experiment was conducted in Xinxiang, Henan province from June 2013 to June 2014. Four treatments were designed including farmers common practice (F, 250kg·ha-1),80% F (LF, 200kg·ha-1),80% F + biochar(LFC) and no fertilizer (CK) to measure the dynamic emissions of CO2and N2O from a summer maize-winter wheat field using static chamber and gas chromatography method. The results indicated that, (1)soil CO2emission was 21.8-1022.7mg·m-2·h-1for this agriculture system and was significantly influenced by soil temperature and moisture. Soil moisture was more important for the N2O emissions during the summer maize growth period while N2O emissions during winter wheat growth period was more significantly influenced by the soil temperature. The cumulative CO2emissions under LF and LFC treatments were significantly lower than F treatmentespecially during the winter wheat growing season. (2)Soil N2O emission was significantly influenced by fertilizer application and irrigation. N2O emissions during the fertilization period accounted for 73.9%-74.5% and 40.5%-43.6% of cumulative N2O emissions in summer maize and winter maize growing season, respectively. The peak of emission fluxes was primarily affected by fertilizer rate while irrigation determined the occurrence time when emissions would peak and could affect the mitigation effect of practices. Reduce the nitrogen application rate to 200kg·ha-1from 250kg·ha-1could decrease cumulative N2O emissions by 15.7%-16.8% and 18.1%-18.5% during summer maize and winter wheat growing seasons, respectively, therefore decreasing nitrogen application is an effective N2O mitigation practicefor high-yielding and intensive farmland. Biochar application did not show no significant influence on soil N2O mitigation of biochar application at suitable nitrogen level(200kg·ha-1) in the short term. (3)N2O emission factors of applied nitrogen were 0.60% and 0.56% for F and LF treatment, respectively, indicating that reducing the nitrogen application rate is an appropriate measure to mitigate greenhouse gas emissions without impact on crop yields in intensive farmlands in North China.

Key words：Nitrogen reduction；Biochar；Greenhouse gases；N2O emissions；Winter wheat-summer maize

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.02.001

收稿日期：2015-06-19**通訊作者。E-mail: GuoLP@ami.ac.cn

基金項目：國家科技支撐計劃（2013BAD11B03）；國家自然科學(xué)基金（31272249；31071865）

作者簡介：范靖尉（1990-），女，碩士生，主要從事溫室氣體源匯研究。E-mail: fanjwshn@163.com