東北糧食產區農田氧化亞氮減排技術與措施

祝延立 趙新穎 關法春 王 鑫

（吉林省農業科學院農村能源與生態研究所 吉林長春 130033）

東北糧食產區是我國重要的商品糧生產基地，種植業發展程度較高，隨著糧食生產及畜禽養殖的快速發展，產生了大量的農業溫室氣體（CH4和N2O）。其中，氧化亞氮（N2O）是主要的農業溫室氣體，如果不對N2O 排放加以控制， 將對大氣溫度變化產生持續影響并且難以恢復。 特別是近年來，由于超量施用高氮化肥引起的氧化亞氮排放呈上升趨勢， 農業要達到溫室氣體減排目標，減少農田N2O 排放是重點。本文作者從農田N2O 排放的影響因素入手， 歸納總結農田N2O 減排技術及效果， 提出適合東北地區的農田N2O 減排措施， 為減少或控制農業溫室氣體排放提供參考。

1 農田氧化亞氮排放的主要影響因素

現階段， 影響我國農田氧化亞氮排放的因素主要包括土壤自然環境因素和控制農田氧化亞氮排放的管理措施因素2 個方面。 其中土壤自然環境影響因素包括土壤溫度、土壤含水量、土壤相對pH、土壤通氣狀況、土壤物理和化學物質、土壤微生物等；控制農田氧化亞氮排放管理措施因素包括肥料種類、施肥數量、施肥方式、灌溉方式、耕作栽培方式、農作物類型等。

2 農田氧化亞氮減排技術及效果

根據農田氧化亞氮排放影響因素， 從改善土壤自然環境條件、 改進農田管理措施等方面篩選適合東北糧食產區的農田氧化亞氮減排技術， 主要有以下幾種。

2.1 測土配方施肥技術

測土配方施肥技術包括正確測算作物生長期施肥數量、正確選定合理的專用肥料品種、正確選擇合理的作物施肥時期和合理選用高效的土壤施肥方法。首先,測算作物生長期土壤肥料需求量，當土壤施氮量大大超過作物正常生長的需肥量時， 農田氧化亞氮的排放量往往呈指數式增長。 其次，因地制宜、科學地選擇正確的肥料品種。 根據不同農作物，合理選擇使用肥料品種能夠減少農田氧化亞氮排放。 再次，選擇適宜的施肥時期，施肥最佳時期應與當地不同作物生長期的缺肥時期同步。 最后，采取科學、適宜的土壤施肥方法， 適宜的施肥方法可以減少土壤中氮的揮發損失，提高農作物氮肥的利用率。 與傳統粗放的肥水管理與施肥方式相比， 測土配方施肥新技術，能夠大幅度地減少農田化肥的施用量，提高土壤氮肥利用率， 避免農田過量施肥而造成土壤氮磷的流失，減少農田氧化亞氮排放。

2.2 水肥一體化技術

水肥一體化技術是管道機械式灌溉與農作物高效施肥灌溉的有機結合，是將肥料溶解于灌溉水中，科學適量、 方便快捷地將農作物所需水分和養分直接輸送、灌溉到作物根部，滿足作物對水肥的需求，實現水肥高效利用的農業節水技術。 該農業新技術是按照水肥一體、少量多次，分季節、分階段地加以擬合的節水灌溉。 是根據不同季節、不同作物、不同生長階段，確定水肥比例、適宜的灌水量及水肥灌溉次數、時間、施肥量等灌溉計劃及施肥方式，滿足糧食作物不同生長階段對水分和養分的需求， 提高肥料的養分利用效率。 與目前普遍采用的傳統灌水和人工施肥相比， 水肥滴灌一體化技術可以節約用水100 m3/畝以上， 水分和肥料循環高效利用節約肥料10%以上，肥料利用效率提高約20%，減少農田氧化亞氮排放量10%以上。

2.3 玉米秸稈低溫發酵還田技術

東北地區是我國重要的糧食主產區， 每年秸稈產量在2 億t 以上。 目前，秸稈還田是秸稈資源化利用的重要途徑之一。 玉米秸稈低溫發酵腐熟還田技術模式是在低溫環境下， 利用低溫微生物菌及發酵工藝，加速秸稈的腐解和礦化，秸稈腐熟還田，能夠培肥地力、增加土壤有機碳庫，減少秸稈直接還田產生甲烷等溫室氣體的排放，起到固碳減排的作用，解決了北方地區氣溫低，秸稈直接還田不易腐爛，影響春季播種質量及導致病蟲害嚴重等問題， 有效地減少了化肥使用量，降低農田氧化亞氮排放量，同時緩解秸稈禁燒的壓力， 降低了大氣污染物排放。 據統計， 還田1 000 t 腐熟玉米秸稈可以替代尿素200 t以上。 秸稈腐熟還田能夠改善土壤團粒結構，調節土壤微生物生態平衡，提高作物產量和品質。

2.4 玉米秸稈全覆蓋免耕栽培技術

秸稈全覆蓋免耕栽培技術體系是以玉米秸稈全覆蓋和免耕生產為核心，實現玉米秸稈全田覆蓋、免耕播種、施肥、除草、病蟲害檢疫防治、機械化收獲、運輸、貯藏等全程機械化。 主要包括2 種模式，一是秸稈全覆蓋60～70 cm 的均勻壟免耕模式，此種模式是在秋季將秸稈粉碎覆蓋地表，春季在不破土、不旋耕的情況下， 直接利用免耕播種機播種施肥的種植技術。 二是秸稈全覆蓋40～80 cm、40～100 cm 寬窄行免耕模式， 此種模式是在均勻壟模式的基礎上調整了壟距，更有利于秋季玉米收割機的田間作業，同時春季更方便利用秸稈歸行機對秸稈進行歸行處理，可以將其有效地清理出玉米播種帶， 有利于免耕播種機進行田間作業。 與常規耕作相比，全覆蓋免耕技術能夠極大地節省人工勞動時間和機械強度， 具有明顯的節本增效的綜合優勢。 通過多年秸稈全覆蓋免耕栽培，土壤有機質明顯增加，玉米抗倒、抗旱能力大幅度增強，可以減少化肥使用量20%左右，減少農田氧化亞氮排放10%～20%。

2.5 玉米緩釋肥一次性底施技術

東北地區玉米生長期為5 月上中旬至10 月上中旬。 玉米常規施肥多選用復合肥作底肥，中后期選用尿素、 硝酸銨等肥料作追施， 追肥以地表撒施為主，肥料中的營養成分容易隨降雨流失。 與普通肥料不同， 緩釋肥養分釋放特征與玉米生長期需肥特點一致，肥料一次性施入，養分逐步釋放，能夠持續保障玉米整個生育期的養分供應。 農田試驗表明，與傳統施肥相比，該項技術實現了玉米播種、施肥作業二合一，在保證玉米穩產的情況下，可以減少肥料施用20%～38.7%，農田總氮徑流流失率降低85%，從而減少農田氧化亞氮排放。

2.6 玉米—大豆（花生）間作技術

東北糧食產區種植作物以玉米為主， 由于常年單一種植玉米，高氮玉米專用肥的過量施用，導致土壤氮素逐年積累，通過淋溶、徑流大量流失，增加農田氧化亞氮氣體排放；玉米—大豆（花生）間作技術可以合理壓縮玉米株行距，發揮其邊際效應，第2 年2 種類型植物條帶之間調換種植， 實現玉米—大豆（花生）間作、輪作技術有機融合。 具有固氮固碳，減少農田碳氮排放，減少化肥、農藥施用；緩解糧油爭地、種地與養地不協調的矛盾；與玉米單作相比，玉米—大豆（花生）間作種植，能夠降低土壤N2O 平均排放量30.95%～40.48%、 排放總量降低34.61%～38.02%。

2.7 “米—菇”間作栽培技術

“米—菇”間作栽培技術是以秸稈為主要原料栽培食用菌，秸稈過菌還田增加了土壤有機質，活土肥田，實現了化肥減量化，減少農田氧化亞氮排放量。秸稈大規模基質化還田利用， 實現用地、 養地相結合，保護了黑土地。 該技術是食用菌種植與廢棄秸稈再利用有機結合的一種有效技術模式。 蘑菇采收后，產生的秸稈廢料可作為肥料直接還田， 改良表層土壤，增加土壤肥力。 由于套種的蘑菇適種季節長，有利于農民適時調整蘑菇品種和種植時間， 爭取在各類商品食用菌短缺或蔬菜淡季上市銷售， 很容易被全國廣大蔬菜消費市場和農業種植戶接受， 給農戶帶來較高的經濟效益。 試驗表明，連續種植3～5 年的試驗田，化肥可減量40%～50%。 利用秸稈進行“米—菇”間作栽培，是一項減肥降氮的生態農業技術，值得推廣應用。

3 東北糧食產區農田氧化亞氮減排措施

通過對農田氧化亞氮減排增效技術的使用效果進行研究分析，從科學施肥、秸稈腐熟還田、施用硝化抑制劑、 優化種植結構等方面提出農田氧化亞氮減排措施。

3.1 科學施肥，減少化肥的施用量

采用測土配方施肥、 水肥一體化技術、 分層深施、有機肥和糞肥替代化肥等技術措施，合理施用肥料，減少化肥施用量，提高化肥利用率。 依據東北地區農田氧化亞氮排放的關鍵調控規律及主要影響制約因素， 結合當地農田的施肥模式和氧化亞氮排放特征，優先考慮選用農田綠色生態施肥替代技術，通過施用緩釋氮肥或生物有機肥、 糞肥等替代常規化肥等措施，實現農業化肥減量化合理施用，降低區域農田氧化亞氮排放量。 在農田氮肥綜合施用量和耕地氧化亞氮直接排放量較高的地區， 可依據作物根系不同生長階段需氮肥特性， 優化施肥時間與作業方式。 通過科學的施肥方法， 提高農田氮肥利用效率，減少氮素在土壤中的直接累積，進而大幅度降低農田氧化亞氮的排放。 而在已廣泛種植蔬菜或蔬菜水分調控規范化程度較高的農村地區， 可通過調控合適的土壤水分含量及采取水肥一體化等農業綜合管理措施，改變土壤容重、孔隙度等物理性狀，抑制土壤硝化與反硝化菌素的微生物活性， 減少農田氧化亞氮的排放。

3.2 推行秸稈還田免耕種植模式，固碳保墑

實施耕地保護性耕作措施是全面降低農田氧化亞氮排放的有效途徑，與其他常規耕作技術相比，保護性耕作有助于大幅度改善土壤結構、 增加耕地土壤碳儲量、提高土壤肥力，進而減少農田氧化亞氮排放總量。 應根據東北糧食產區玉米種植特點，推行玉米秸稈全覆蓋免耕栽培種植管理模式、 玉米秸稈全覆蓋條帶化旋耕栽培種植新模式、 玉米秸稈全覆蓋壟作栽培種植新模式及玉米秸稈覆蓋高留茬壟測栽培的種植管理模式，建立以“規范種植、秸稈還田、減量施肥、綜合防治”為關鍵核心技術的東北地區統一的農業保護性耕作技術模式，即“梨樹模式”。 實現玉米種植、 秸稈全地面覆蓋、 免耕播種、 施肥、 除草、 病蟲害集中防治及機械化收獲、 加工等全程綜合機械化。

3.3 調整種植結構，推行高產栽培技術

東北地區種植作物以玉米、水稻為主，玉米播種面積占70%以上。 玉米是需肥量較大的作物，特別是生長期需要大量的氮肥， 造成農田氧化亞氮排放量居高不下。 而其他作物特別是經濟作物需肥量較小（與玉米相比）。 因此，①采取有力措施，鼓勵農民種植油料作物（大豆、花生）、經濟作物及雜糧雜豆等需肥比例較少的作物，降低化肥氮的使用量。 ②推行玉米—大豆間作、玉米—蘑菇間作等高產栽培模式，推進種植業結構調整，提高農業肥料利用率，減少農田氧化亞氮氣體的排放。

3.4 推廣秸稈間接還田技術模式，提高土壤有機質

推行秸稈堆漚還田、過腹還田等技術模式，改良土壤，提高土壤有機質含量，減少化肥的施用量，降低農田氧化亞氮排放。 東北地區作物一年一季栽培，作物收獲后氣溫明顯下降， 秸稈直接還田當季不能完全腐解，產生有害氣體侵害作物，造成糧食減產等現象時有發生。 秸稈腐熟還田、過腹還田等間接還田技術，在微生物的作用下，加速秸稈發酵分解，腐熟的秸稈間接還田，能夠有效改善土壤結構，增加土壤中有機碳的含量，起到固碳減排的作用。

3.5 施用硝化抑制劑、 生物炭， 抑制土壤氧化亞氮排放

施用硝化抑制劑、 生物炭等能夠有效抑制農田氧化亞氮氣體的產生。 其中，土壤中直接施用硝化抑制劑， 可以有效地控制或直接抑制土壤介質中NH4+向NO3-N 的進一步轉化， 從而抑制土壤微生物硝化反應和反硝化作用產生的氧化亞氮氣體的排放。 撒施生物炭灰劑可以有效提高整個農田土壤固碳量，通過改變土壤的物理、化學屬性及土壤生物學性質，直接影響農田氧化亞氮溫室氣體的排放。 另外，生物炭通常具有偏堿特性，可有效改良酸性土壤，提高土壤耕層pH， 抑制嗜堿性土壤中氧化亞氮的大量產生，降低農田氧化亞氮氣體的排放。

3.6 采用緩釋肥和長效肥料，減少氧化亞氮排放

農田施用緩釋肥和長效肥料， 可有效提高農田氮肥利用率， 減少化肥揮發損失， 降低農田氧化亞氮氣體排放。 碳酸氫銨和尿素是各地區農田普遍施用的氮素肥料， 由于肥效期比較短， 造成揮發損失量過大， 肥料利用率偏低。 與普通的速效尿素肥料和碳酸氫銨肥料相比， 施用長效尿素肥與碳酸氫銨肥能顯著減少農田氧化亞氮排放。 與常規氮肥相比，農田施用長效碳酸氫銨肥能減少氧化亞氮排放74%左右， 施用長效緩釋尿素肥能減少氧化亞氮排放62%左右。