控釋氮肥對紫色土坡耕地N2O排放量的影響

林超文，劉海濤，朱 波，羅付香，朱永群，張建華

(四川省農業(yè)科學院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

控釋氮肥對紫色土坡耕地N2O排放量的影響

林超文，劉海濤，朱 波，羅付香，朱永群，張建華

(四川省農業(yè)科學院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

為探明不同控釋氮肥比例對紫色土坡耕地氧化亞氮(N2O)排放量的影響，本試驗以不施肥為對照(CK)，研究了尿素(100 %UR)、緩控釋氮肥(CR)、緩控釋氮肥+尿素(25 %CR，尿素75 %)各處理對玉米產量、玉米生育期的徑流和氮素損失量的影響，利用靜態(tài)箱-氣相色譜法研究了施肥后N2O排放量的差異。結果表明，對照處理玉米產量最低，徑流損失量最大，壤中流氮素損失量和N2O排放量要遠低于施肥處理，說明施肥是造成氮素流失和氧化亞氮排放的主要原因。緩控釋氮肥處理生育期的壤中流氮素損失量在4個處理中最大，為31.7 kg·hm-2，但N2O排放量為0.35 kg·hm-2，比尿素處理降低了37 %。控釋氮肥+尿素處理壤中流氮素損失在施肥處理中最低，為20.9 kg·hm-2，N2O排放量比尿素處理低15 %。控釋氮肥的氮素在生育期內緩慢釋放，低的土壤無機氮使得控釋氮肥能夠降低坡耕地N2O排放，但控釋氮肥會導致壤中流氮素損失量增大。因此，控釋氮肥和尿素配合使用在降低N2O排放的同時，還能減少壤中流氮素損失。

控釋肥；N2O；紫色土

N2O是僅次于CO2和CH4的重要溫室氣體，其增溫潛勢在100年尺度內是CO2的296倍，CH4的 13倍[1]。N2O在大氣中存留時間長(平均壽命150年)，除產生溫室效應外，還會破壞臭氧層，導致地球表面紫外線輻射增強，威脅人類健康[2]。大氣N2O濃度的增加主要來源于農業(yè)[3]，其貢獻率占到人類活動產生的N2O總量的2/3以上[4]。據(jù)計算，從1980年到2007年中國農田N2O 排放年均增長7.6 %，2007年N2O-N排放量達到288.4 Gg(1 Gg =1000 t)[5]。影響N2O排放的因素很多，不同氮磷肥種類[6]，氮肥用量[7]，有機無機配合施用[8]，各種消化抑制劑等添加劑[9]都會顯著影響土壤的N2O排放。

緩控釋肥可根據(jù)作物的生長需要提供養(yǎng)分，減少肥料浪費。有研究表明，由于控釋肥養(yǎng)分的緩釋性，作物生長前期養(yǎng)分釋放較少，難以滿足作物前期生長對養(yǎng)分的需求，所以為了減少環(huán)境污染并保證糧食產量，基肥采用尿素與控釋肥配合施用是較為有效的方法[10-12]。大量的研究表明緩控釋肥能夠降低稻田[13-15]，小麥地[16]，蔬菜地[17]，草地土壤[18]的N2O排放。尿素，有機肥與緩控釋肥混施的方式在生產上往往能達到產量提升和N2O減排的效果[17，19]。目前，關于緩控釋氮肥施用在紫色土旱地對N2O排放的研究很少。因此本研究以控釋肥料與肥料尿素不同比例為處理，研究不同控釋肥料比例下紫色土玉米的產量差異和N2O的排放情況，研究結果將為提高紫色土區(qū)域糧食產量，降低N2O排放量以及肥料投入效益之間的平衡提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗布設在長江上游沱江水系花椒溝小支流的響水灘上段。屬于四川省資陽市雁江區(qū)松濤鎮(zhèn)的響水村、花椒村。地處東經104°34′12″～104°35′19″、北緯30°05′12″～30°06′44″，海拔395 m。多年(1957-1985年)年均降雨量為965.8 mm，主要(70 %)分布在6-9月間，最多年1290.7 mm，最少年725.2 mm，其中2014年玉米生育期內日降雨分布，如圖1所示，該年沒有特大雨強降雨出現(xiàn)，最大的降雨出現(xiàn)在6月2日，日降雨量為56.8 mm，其余日降雨量均低于50 mm。生育后期7，8月的降雨量要高于生育早期4和5月。年均溫16.8 ℃，極端最低溫-3.6 ℃，極端最高溫36.5 ℃。供試土壤為遂寧組母質發(fā)育的紫色土紅沙土，土壤質地輕，土壤有機質、全氮、有效磷含量偏低，土壤肥力不高。在試驗實施時的土壤養(yǎng)分含量，如表1所示。

圖1 2014年玉米生育期日降雨量分布Fig.1 Day precipitation distribution during maize growing season in 2014

1.2 試驗設計和田間管理

采取單因素隨機區(qū)組試驗設計，設置對照(CK)，尿素(100 %UR)，緩效氮肥(CR)，緩效氮肥+尿素處理(25 %CR，尿素75 %)，各處理重復3次，共12個小區(qū)。2014年4月2日播種，8月6日收獲。徑流小區(qū)坡度為10°(四川大面積坡耕地坡度)，坡向東西，小區(qū)面積8 m2(坡長4 m，寬2 m)。小區(qū)四周用磚砌成，下墊面用混泥土，土層厚度60 cm(紫色土大面積土層厚度)，土壤下墊一層10 cm厚的石英砂，保持與土面相同坡度收集地下徑流。小區(qū)坡面下部用集流裝置收集地表徑流。距小區(qū)兩邊0.65 m 處各種一行玉米，共兩行，玉米株距0.25 m，每行16株，共32株。試驗玉米優(yōu)化施肥量分別是N：20 kg/667m2，P2O5：10 kg/667m2，K2O：5 kg/667m2，肥料選用尿素/緩效氮肥/緩效氮肥+尿素、過磷酸鈣(P12 %)和氯化鉀(60 %)。磷肥和鉀肥采用基施的方式兌水窩施，氮肥采用苗肥∶攻苞肥=1∶1的比例兌水窩施。苗肥施用時間為4月19日，攻苞肥施用時間為6月3日。

1.3 測定項目與方法

地表徑流養(yǎng)分流失量：每次產流降雨后記錄各小區(qū)地表徑流量，取各小區(qū)徑流液樣品測定N含量。泥沙流失量：每次降雨取1個混合樣，采用過濾烘干法測定含沙量，并計算產沙量。由于泥沙養(yǎng)分含量比較穩(wěn)定，因此，全年每個小區(qū)只取一個混合樣測定泥沙養(yǎng)分含量。壤中流養(yǎng)分流失量：每次產流降雨后記錄各小區(qū)壤中流流量，取各小區(qū)壤中流樣品測定N、含量。

表1 土壤化學性質

表2 不同控釋肥比例下農田玉米產量，生育期徑流和氮素流失

注：不同字母表示農田間存在顯著性差異，通過LSD (P<0.05)檢驗。下同。

Note:Values with different letters represent significant difference according to the LSD test at 0.05 level. The same as below.

N2O排放通量：采用靜態(tài)箱-氣相色譜法[20-21]測定土壤N2O排放通量。將透明有機玻璃制成的氣體采樣箱(內徑15 cm，高100 cm)罩在安放于田間的底座上，形成一個密閉的氣體空間。分別在罩箱瞬間、15 和30 min 用50 mL注射器從箱中采氣，通過三通閥轉移到氣體袋中，帶回實驗室分析。每次采樣固定在上午的9:00-11:00，每隔3～4 d采1次樣。氣體樣中N2O濃度由氣象色譜Agilent 7890A分析測定。溫室氣體排放速率計算方程為：

F=dc/dt·h·ρ·273/(273+t)

式中：F為N2O排放速率μg·m-2·h-1；dc/dt為采樣過程中箱內氣體濃度隨時間的變化率，μl·m-3·h-1；h為箱體高度；ρ為標準狀態(tài)下N2O的密度1.964 kg·m-3；t為采樣時箱內溫度， ℃。本次試驗N2O測定在苗肥使用后進行，測定周期從4月24日開始，5月10日結束，共15 d。

土壤溫度：每次取氣體樣時用TDR測定0～5 cm土壤溫度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究采用單因素方差分析進行統(tǒng)計分析，用LSD法來進行兩兩統(tǒng)計對比，具體采用SPSS軟件完成。

2 結果與分析

2.1 產量，徑流和氮素流失

不同控釋肥比例處理的基本產量，生育期徑流和氮素損失如表2所示。沒有施肥的空白處理玉米生長最差，產量最低，僅為3979 kg·hm-2，遠低于施肥處理。尿素處理，25 %緩控肥和100 %緩控肥處理之間產量并沒有顯著差異。地表徑流量空白處理最大，這與該處理玉米長勢較弱，覆蓋度較低有關。地表徑流量要低于壤中流，這與該年沒有雨強大的集中降雨有關。施用緩控釋肥料對應的處理地表徑流損失的總氮量偏低，其中100 %緩控釋肥處理最低，損失量為0.6 kg·hm-2。壤中流的氮素損失量要遠遠大于地表徑流的總氮損失量，其中空白處理最低，損失氮量為5.6 kg·hm-2，這是由于沒有施肥條件下土壤中無機氮含量偏低造成的。100 %緩控釋肥處理壤中流氮損失量最大，為31.7 kg·hm-2。緩控釋肥氮素緩慢釋放，因此在整個生育期能夠保持較高土壤氮量，尿素處理在施肥后土壤無機氮迅速升高，隨著作物吸收又逐漸降低至較低水平，而本年度降雨集中在7，8月，尿素處理土壤含氮量較低，因此緩控釋肥處理壤中流氮素流失量大。

2.2 N2O排放

4月19日施肥后，N2O排放速率變化如圖2所示，N2O排放速率隨著時間推移迅速增加，在5月10日排放量達到最大，排放量最大的尿素處理高達247.7 μg·m-2h-1。剛施肥后時期各處理之間N2O排放速率差異不大，但隨著時間推移，空白處理的N2O排放速率要遠遠低于施肥處理，在4月27日和4月30日測定排放速率，100 %緩控釋肥處理N2O排放速率最高，在5月10日，尿素處理的N2O排放速率要顯著高于其它處理。綜合施肥后15 d的N2O排放總量如圖3所示，空白處理排放總量最低，僅為0.08 kg·hm-2。100 %尿素處理N2O排放量為0.53 kg·hm-2，在4個處理中最大。相比尿素，緩控釋肥的使用能夠降低N2O排放量。100 %緩控釋肥處理排放總量為0.35 kg·hm-2，在施肥處理中最低，相比尿素處理降低了37 %。25 %控釋肥比例處理N2O排放量為0.45 kg·hm-2，雖然該處理控釋肥比例較低，但N2O排放量相比尿素處理有較大程度的降低，降低了15 %。

圖2 不同控釋肥料比例處理施肥后N2O排放速率變化Fig.2 N2O emission rate under different control released fertilizer properties treatments

圖3 不同控釋肥料比例處理施肥后15 d N2O排放量對比Fig.3 Total N2O emission in 15 days after fertilizer application under different control released fertilizer properties treatments

3 討論與結論

影響農田N2O排放因子很多，土壤含水量，土壤溫度，土壤無機氮含量等[22-25]，本研究中造成N2O排放差異主要是土壤無機氮含量差異造成的，因此，施肥是增加N2O排放的重要原因之一。控釋氮肥釋放無機氮是一個緩慢而長期的過程，使用控釋氮肥后，農田土壤無機氮處于一個相對較低的水平。而對于施用尿素處理，尿素進入土壤后迅速水解，在施肥后的一段時間內，土壤無機氮含量保持較高水平[15]。本研究對N2O排放測定在該時期，因此尿素處理的N2O排放量要明顯高于控釋肥處理。

從本文研究結果中明確，相比尿素，緩控釋肥料能夠顯著降低農田的N2O排放，其中100 %控釋肥料較尿素處理N2O排放量降低了37 %。這與張怡等在紫色土水稻土上的研究結果，施用控釋肥料處理降低N2O排放量降低了43.6 %非常接近[13]。尿素和控釋氮肥配合使用的方式相比完全控釋氮肥處理，N2O排放量降低效果稍差，這與紀洋等(2011)在水稻田上的研究結果一致[16]，但是混施的方式通過降低控釋肥投入了降低了生產成本。在本研究中100 %控釋肥處理，由于氮素釋放緩慢，施肥后一段時間內可能會出現(xiàn)玉米氮素供應不足，而生育后期緩控肥氮素大量釋放時，遇到降雨相對集中的雨季，會造成大量的壤中流氮素損失，緩控釋肥處理壤中流氮素損失量較尿素處理高了23 %，緩控釋肥與尿素混施既能保證前期氮素供應，確保后期土壤中不會存在過多可溶態(tài)氮，因此該處理的壤中流的氮素損失量最低。可見運用控釋肥和尿素搭配使用的形式能夠保證產量，降低N2O排放，同時還能降低氮素的流失，是紫色土坡耕地兼顧產量、面源污染控制和減少溫室氣體排放的高效施肥方式。

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(責任編輯 陳 虹)

Effects of Applying Controlled Release Nitrogen on Nitrous Oxide Emission in Slope Purple Soil

LIN Chao-wen, LIU Hai-tao, ZHU Bo, LUO Fu-xiang, ZHU Yong-qun, ZHANG Jian-hua

(Soil and Fertilizer Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Sichuan Chengdu 610066, China)

In order to identify the effect of different control released fertilizer properties on nitrous oxide(N2O)emissions, the effects of four treatments [ control (CK), 100 % urea, controlled release fertilizer (CR) and 25 % controlled release fertilizer+75 % urea (25 % CR)]on maize yield, runoff, nitrogen loss through the runoff rate were measured, and the N2O emissions were studied by a close-chamber method and gas chromatography techniques. The results showed that:the maize yield with CK was the lowest, runoff the highest, and there was less nitrogen loss through subsurface flow and less N2O emission compared with the fertilizer treatments, which indicated that applying fertilizer was main reason for nitrogen loss through subsurface and N2O emissions. CR had the highest nitrogen loss through subsurface flow in the four treatments with the values of 31.7 kg·hm-2, and N2O emission of CR was 0.35 kg·hm-2, which was 37 % less than 100 % UR. 25 %CR had the lowest subsurface flow nitrogen loss in the four treatments with the values of 20.9 kg·hm-2, and the N2O emission in 25 %CR was 15 % less than 100 %UR. The fertilizer nitrogen in plant growth period was slowly released after control released fertilizer applied. The lower mineral nitrogen content in CR treatment can lead to less N2O emission, and more nitrogen loss through subsurface flow. For these reasons, the urea and control released fertilizer with appreciate properties were recommended to use in agriculture for decreasing both N2O emission and subsurface flow nitrogen loss.

Controlled released fertilizer; N2O; Purple soil

1001-4829(2016)10-2427-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.10.032

2015-04-15

四川省財政創(chuàng)新能力提升工程(2013XXXK-013，2016GYSH-023);國家科技支撐計劃(2012BAD05B03-8)

林超文(1968-)，男，四川資中人，研究員，主要從事農業(yè)生態(tài)及水土保持方面研究工作，Tel：+86 28 84504296，F(xiàn)ax：+86 28 84796435，E-mail：lcw-11@163.com。

S158

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