不同施肥方式對玉米產(chǎn)量和溫室氣體排放的影響

郭耀東，鄔 剛，武小平，溫日宇

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，山西忻州034000；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究所，江蘇南京210095）

調(diào)控施肥[1-2]的多地點和多作物試驗表明，其具有提高產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和降低硝酸鹽積累和環(huán)境污染的良好作用[3]。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)溫室氣體排放倍受科學(xué)界和農(nóng)業(yè)部門的關(guān)注。

根據(jù)潘根興等[4-6]的研究，我國農(nóng)作物生產(chǎn)的溫室氣體排放顯著高于發(fā)達國家，且65%以上的溫室氣體排放來自氮肥的施用。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展還應(yīng)考慮溫室氣體減排，特別是要降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤、肥料的溫室氣體排放。因此，需要研究良好施肥是否具有顯著的溫室氣體減排效應(yīng)。

本試驗以中國北方雨養(yǎng)旱地春玉米農(nóng)田土壤為研究對象，采用靜態(tài)暗箱- 氣相色譜法試驗觀測不同施肥配比下農(nóng)田土壤呼吸、N2O 和CH4的排放情況，研究常規(guī)施肥與調(diào)控施肥對雨養(yǎng)旱地玉米生產(chǎn)和溫室氣體排放的影響，旨在闡明調(diào)控施肥的減排效應(yīng)和低碳生產(chǎn)的特點，為調(diào)控施肥作為一項低碳施肥技術(shù)全面推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)土壤概況

試驗區(qū)位于山西省忻州市豆羅鎮(zhèn)高鋪村，種植制度為一年一季玉米。該地處東南季風(fēng)的背風(fēng)坡，降雨少，干旱嚴(yán)重，年平均氣溫為8.0～10.5 ℃，無霜期為145～165 d，年平均降水量為400～490 mm。土壤類型為石灰性褐土。土壤基本性質(zhì)列于表1。

表1 試驗地土壤基本性質(zhì)

1.2 試驗方案

試驗于2011 年5—10 月進行。試驗的單因素區(qū)組設(shè)計與處理方案列于表2。施肥方式設(shè)不施肥（F0）、常規(guī)施肥（F1）和調(diào)控施肥（F2）3 個處理，其中，常規(guī)施肥方案來自當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的常規(guī)習(xí)慣施肥量，調(diào)控施肥方案來自山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟研究所用調(diào)控施肥技術(shù)計算的施肥量。每個處理3 次重復(fù)，共9 個小區(qū)，小區(qū)面積為4 m×7 m。于2011 年5 月8 日布置小區(qū)，5 月11 日播種，6 月28 日追肥，9 月25 日收獲。常規(guī)施肥于玉米拔節(jié)期（6 月28 日）追施尿素225 kg/hm2。溫室氣體監(jiān)測的底座內(nèi)追肥量按1 穴玉米計算的施用量（3.4 g）。

表2 田間試驗設(shè)計與處理

1.3 試驗樣品采集與測定方法

1.3.1 土壤溫室氣體樣品的采集與測定 野外觀測與氣體樣品采集于2011 年5 月11 日至9 月25 日進行，基肥施用后在每一小區(qū)的中央選取地表相對平坦的區(qū)域安放底座，底座內(nèi)無植株，并且距離底座邊框20 cm 的范圍內(nèi)不種植玉米。采樣時將采樣箱（35 cm×35 cm×20 cm）扣在底座上并用水密封，在扣箱后0，10，20，30 min 時用60 mL 注射器從采集箱中部的采氣孔插入（來回抽動3 次，以便完全混勻氣體），抽取氣體30 mL 轉(zhuǎn)存于真空瓶中（采樣時間在上午9：00—11：00 進行）。采樣當(dāng)天為晴朗或多云天氣，每周采集一次。土壤CH4，N2O 和CO2排放通量采用靜態(tài)暗箱- 氣相色譜法測定。

所采集的氣體樣品采用Agilent 公司GC-7890A 氣相色譜儀同時測定CO2，CH4和N2O 的濃度，其中，CO2，CH4用FID 檢測器測定，N2O 用ECD 檢測器測定。

1.3.2 產(chǎn)量及其結(jié)構(gòu)因素的測定 成熟期取8 m2樣品，稱量，測定玉米產(chǎn)量。晾曬干后從中取5 穗測定穗行數(shù)、行粒數(shù)，脫粒，再稱質(zhì)量，測定玉米含水量、千粒質(zhì)量，折算成含水量為14%的產(chǎn)量。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理、計算與統(tǒng)計方法 （1）土壤溫室氣體排放通量（F）：某一微量氣體的排放通量指單位面積上單位時間內(nèi)該氣體的排放量，排放通量為正值表示向大氣排放，負值則表示吸收。假定采樣箱橫截面積為A，有效高度為H（旱地為地表至箱頂?shù)母叩祝瑒t箱內(nèi)空氣體積V＝AH。溫室氣體排放通量F 為：

若以CH4為例，式中，ρ 為CH4氣體的密度（g/L），M 為CH4的摩爾質(zhì)量（16 g/mol），R 為普適氣體常數(shù)（8.314 J/（mol·K），T 為采樣時箱內(nèi)平均氣溫（℃），P 為采樣點大氣壓力，通常視為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即P 為1.013×105Pa（由于大氣壓隨海拔高度而變，因此對于高海拔區(qū)需將實際氣壓代入（1）式）。把常數(shù)代入（1）式中，經(jīng)整理可得到CH4的排放通量F 的計算式為：

（2）式中，F(xiàn) 表示CH4排放通量（mg/（m2·h））。常數(shù)60 為時間換算。H 為采樣箱的有效高度（m），T 為采樣時箱內(nèi)平均氣溫（℃），dC/dt 為CH4排放速率（μL/（L·h））。

對于氣體CO2和N2O，只需將相應(yīng)氣體的摩爾質(zhì)量替換為CH4的摩爾質(zhì)量即可。各處理每次排放通量用各重復(fù)平均值表示，作物季節(jié)平均排放通量則以每次采樣時間間隔為權(quán)重進行加權(quán)平均求得，生長季節(jié)累積排放量以每次排放通量的加權(quán)和表示。

（2）全球增溫潛勢（GWP）和溫室效應(yīng)強度（GHGI）：GWP 是將各種溫室氣體的增溫潛勢換算為CO2當(dāng)量。

式中，GGWP為CH4和N2O 綜合增溫潛勢，單位為kg CO2-equivalents/hm2；E-CH4和E-N2O 分別為CH4和N2O 季節(jié)排放量，單位為kg/hm2。以CO2為參照，CH4和N2O 的相對GWP 值在100 a時間尺度上分別為25 和198。

式中，GGHGI為該處理溫室氣體排放強度，單位為kg CO2-equivalents/t；Y 為單位面積平均產(chǎn)量，單位為t/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)計算及圖表制作采用Excel，處理間用JMP 7.0 進行單因素方差分析及多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室氣體季節(jié)排放通量變化特征

觀測期內(nèi)N2O 排放通量動態(tài)變化顯示，玉米生長季有明顯的N2O 排放，施氮肥的各處理均有明顯的排放峰，不施氮肥的各處理N2O 排放峰不明顯。在常規(guī)施肥和調(diào)控施肥方式下，各處理均有明顯排放峰，但排放峰的個數(shù)也有差別，即常規(guī)施肥比調(diào)控施肥多1 個排放峰。常規(guī)施肥N2O 季節(jié)平均排放通量為0.062 mg/（m2·h）；調(diào)控施肥處理N2O 季節(jié)平均排放通量為0.018 mg/（m2·h），約為常規(guī)施肥的1/3。從不同N2O 排放在整個玉米不同生育期內(nèi)的分配來看，土壤N2O 排放主要集中在施基肥后1 個月內(nèi)。經(jīng)統(tǒng)計，常規(guī)施肥和調(diào)控施肥在施基肥后1 個月內(nèi)N2O 排放總量占季節(jié)排放總量的比例分別可達到79.3%和76.5%。

此外，在7 月31 日和9 月8 日，各處理均出現(xiàn)了2 個比較弱的排放峰，則可能與7 月29 日的大雨和9 月4 日的中雨有關(guān)[7]。

在整個生長季節(jié)內(nèi)，各處理的土壤CH4排放都表現(xiàn)出吸收的特征。在無肥條件下，土壤CH4平均吸收通量為-0.026 mg/（m2·h）；常規(guī)施肥條件下，土壤CH4平均吸收通量為-0.019 mg/（m2·h）；調(diào)控施肥條件下，土壤CH4平均吸收通量為-0.025 mg/（m2·h）。常規(guī)和調(diào)控施肥的CH4平均排放通量沒有顯著差異。

玉米地觀測季CO2表現(xiàn)為凈排放。無氮肥時，土壤CO2排放通量為209.46 mg/（m2·h）；常規(guī)施肥時，土壤CO2排放通量為208.20 mg/（m2·h）；調(diào)控施肥時，土壤CO2排放通量為218.44mg/（m2·h），二者沒有顯著差異。

從季節(jié)排放動態(tài)來看，在春玉米整個生育期中，各處理的CO2排放動態(tài)變化基本趨勢一致。在6 月16 日之前，CO2排放通量隨生長天數(shù)的增加逐漸降低，而6 月23 日后又隨著植物的生長迅速上升，此后到玉米收獲期，各處理的CO2排放通量均處于較高水平，排放高峰交替出現(xiàn)。觀測前期土壤翻耕使得土壤通氣性變好，有助于CO2的產(chǎn)生和排放[8]，因此，前期土壤呼吸較高，隨后CO2逐漸降低。到6 月中下旬，氣溫升高，降雨增多，土壤濕度的變化使排放高峰交替出現(xiàn)[9]（圖1）。

2.2 溫室氣體季節(jié)排放總量

由表3 可知，在無氮肥條件下，F(xiàn)0，F(xiàn)1，F(xiàn)2 的CH4，CO2排放總量無顯著差異。調(diào)控施肥與常規(guī)施肥相比，N2O 排放量顯著降低了70.3%（P＜0.05），表明優(yōu)化施肥明顯降低了N2O 的排放。

表3 不同處理溫室氣體季節(jié)排放總量kg/hm2

2.3 CH4 和N2O 綜合影響評價

評價綜合溫室效應(yīng)以CH4和N2O 這2 種氣體為主，計算方法詳見公式（3）。不同施肥條件下評價結(jié)果如表4 所示。

表4 不同處理CH4 和N2O 綜合溫室效應(yīng)

由表4 可知，100 a 尺度下雨養(yǎng)旱地玉米生長期間所排放的CH4和N2O 溫室氣體強度每公頃達到0.6 t CO2當(dāng)量，而調(diào)控施肥下產(chǎn)量提高4%，溫室氣體強度降低70%，因此，增產(chǎn)的同時還實現(xiàn)了大幅度減排的良好高產(chǎn)低碳效果。由表4 可以得出，與常規(guī)施肥相比，調(diào)控施肥的玉米生產(chǎn)碳強度顯著降低了73.91%，而產(chǎn)量則顯著增加。

3 討論

3.1 雨養(yǎng)旱地CH4 對施肥的響應(yīng)

本試驗結(jié)果表明，與施肥處理相比，無肥處理的CH4吸收總量有增加趨勢，也就是說施N量增加可能抑制了土壤對甲烷的吸收。這與Bodelier 等研究得出的施肥改變了CH4氧化菌的活性，從而降低了土壤對甲烷的吸收能力的結(jié)論一致。Hutsch 等[10]研究得出，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，當(dāng)無機N 施用量由48 kg/hm2增加至144 kg/hm2時，土壤的CH4氧化速率明顯降低。美國北部溫帶森林增施氮肥后，甲烷氧化能力降低了30%～60%[11]。有研究表明，無機N 肥對CH4氧化的抑制作用主要是因為：（1）土壤中CH4含量低，不能激活CH4單氧酶的活性；（2）NH4+抑制CH4氧化；（3）NH4+-N 肥料抑制了CH4氧化菌的活性；（4）施肥破壞了CH4菌要求的穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)[12]。

3.2 雨養(yǎng)旱地CO2 對肥料施用的響應(yīng)

CO2是一種重要的溫室氣體，其在旱地土壤的排放量遠高于甲烷和氧化亞氮等溫室氣體。土壤呼吸釋放的CO2的速率影響土壤碳庫的收支平衡。在同樣的氣候條件下，土壤碳庫水平是決定土壤呼吸速率的重要因素。本試驗得出，不同施肥方式對土壤的CO2釋放無顯著影響。

3.3 雨養(yǎng)旱地N2O 對不同施肥方式的響應(yīng)

本試驗表明，與無N 肥相比，施用N 肥均可顯著促進旱地土壤N2O 排放，這與前人研究結(jié)果一致，即充足的土壤N 素能為土壤硝化和反硝化微生物提供足夠的N 源[13]，硝化作用和反硝化作用是土壤N2O 產(chǎn)生的主要途徑[14]。本試驗中，不同施肥方式下N2O 排放有明顯的差異，與常規(guī)施肥相比，調(diào)控施肥的N2O 排放總量降低70.3%。分析其結(jié)果可能有2 個方面原因，一是常規(guī)施肥與調(diào)控施肥相比，氮肥的用量較高，進而增加了其硝化過程中微生物的有效氮源，從而促進其N2O 的排放；二是調(diào)控施肥與常規(guī)施肥相比，磷肥的用量較高，可能會增加其土壤磷酸酶的活性[15]，由于磷酸酶活性越強，速效態(tài)磷水平越高，則土壤中的有效態(tài)氮能很好地被生物利用，N2O 排放少，因此，可以初步推測是N，P 的交互作用提高了N 的利用效率，從而減少了N2O的排放，但關(guān)于N，P 的交互作用對N2O 排放影響的機理研究較少，還有待進一步研究。

4 結(jié)論

本研究表明，整個觀察期雨養(yǎng)旱地春玉米農(nóng)田土壤N2O 和CO2表現(xiàn)為凈排放，而CH4呈現(xiàn)凈吸收的特征。N2O 的排放主要集中在施基肥后1 個月，占整個季節(jié)排放總量的70%以上。研究結(jié)果還表明，N 肥的施用抑制了CH4的吸收。

常規(guī)施肥與調(diào)控施肥方式下的N2O 排放有明顯的差異，與常規(guī)施肥相比，調(diào)控施肥的N2O排放總量降低70.3%，但是對CH4和CO2排放量的影響均不顯著。

常規(guī)施肥的GWP 和GHGI 均顯著高于調(diào)控施肥，因此，證明調(diào)控施肥是一種高產(chǎn)、低碳的施肥方式和技術(shù)，值得在我國農(nóng)業(yè)中廣泛推廣。

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