硝化和脲酶抑制劑對華北冬小麥-夏玉米輪作固碳減排效果評價

趙自超，韓 笑，石岳峰，吳文良，孟凡喬

（中國農業大學資源與環境學院，北京市生物多樣性與有機農業重點試驗室，北京，100193）

硝化和脲酶抑制劑對華北冬小麥-夏玉米輪作固碳減排效果評價

趙自超，韓 笑，石岳峰，吳文良，孟凡喬※

（中國農業大學資源與環境學院，北京市生物多樣性與有機農業重點試驗室，北京，100193）

全面、準確分析重要農業管理措施對于農業固碳減排的影響特征，對于中國農業可持續發展具有重要意義。該文以華北平原冬小麥-夏玉米生產為對象，研究硝化/脲酶抑制劑對土壤溫室氣體（CO2、N2O和CH4）排放、土壤有機碳和作物產量的影響；在此基礎上利用土壤碳庫排放法（soil based approach,SBA）、生物量排放法（crop based approach,CBA）和土壤&生物量排放法（soil&crop based approach,S&CBA）3種方法對農田凈溫室氣體效應（net greenhouse gas warming potential，NGWP）進行評價。研究發現，相比只施尿素（U）處理，尿素+硝化抑制劑（NI）、尿素+脲酶抑制劑（UI）和尿素+硝化抑制劑+脲酶抑制劑（NIUI）均能增加糧食產量和降低凈溫室氣體排放。用S&CBA方法計算得到的農田溫室氣體凈排放的潛力最大（15 704～17 860 kg/hm2），CBA法次之（4 195～7 107 kg/hm2），SBA法最低（-7 304～-6 599 kg/hm2）。由于3種方法的固碳單元不一樣，評估結果差異較大、一致性差。S&CBA方法更適于評價強調糧食生產條件下的農田凈溫室氣體效應。增加作物籽粒和秸稈產量，降低化肥使用和減少灌溉量是提高當前華北平原農田溫室氣體系統凈排放潛力的主要措施。

土壤；有機碳；作物；華北平原；硝化抑制劑；脲酶抑制劑；溫室氣體；評價方法

趙自超，韓 笑，石岳峰，吳文良，孟凡喬.硝化和脲酶抑制劑對華北冬小麥-夏玉米輪作固碳減排效果評價[J].農業工程學報，2016，32（6）：254-262.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.035 http://www.tcsae.org

Zhao Zichao,Han Xiao,Shi Yuefeng,Wu Wenliang,Meng Fanqiao.Effect of nitrification and urease inhibitor on carbon sequestration and greenhouse gas emissions in winter wheat and summer maize rotation system in North China[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE）,2016,32(6):254－262.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.035 http://www.tcsae.org

0 引言

溫室氣體（CO2、N2O和CH4）排放是導致全球氣候變暖的主要原因。聯合國環境規劃署《2013年碳排放評估報告》指出，目前全球溫室氣體排放量已經超過2020年的目標，其中農業領域產生的直接排放占全球總溫室氣體排放的11%，如考慮間接排放量，這一數字可能更大[1]，農業領域固碳減排是氣候變化應對措施中的重要內容。

華北平原是以冬小麥-夏玉米為主的高產糧區，集約化管理和高水肥投入成為該地區糧食高產的主要保障措施，從上世紀80年代氮肥使用量一直在快速增加[2]。氮是一種高活性元素，過多的氮肥容易造成損失，主要以氮素淋溶和氣態損失為主[3]。研究表明，在華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系中，每年氮肥以N2O的形式損失達到了0.48%～0.96%[4]，雖然絕對數量不大，但對全球溫室氣體增加有重要影響。CO2和CH4作為重要的溫室氣體，前者雖然就農業生態系統而言不是凈溫室氣體，但會影響光合作用并在不同時空范圍內對溫室效應產生影響；CH4則是凈溫室氣體，直接影響氣候變化。因此，降低這3類溫室氣體的排放，對于全球范圍內緩和氣候變化效應具有重要意義。在氮肥中添加硝化抑制劑或脲酶抑制劑是眾多農田管理措施中能夠降低N2O排放并且增加作物產量的重要措施[5-8]，而有關其對CO2和CH4的影響卻鮮有報道。硝化抑制劑通過減緩硝化作用從而降低N2O排放[9]，而脲酶抑制劑能夠降低脲酶活性減緩尿素的水解，從而間接減少N2O的排放[10]。研究表明[11-12]，硝化抑制劑（3，4-dimethylpyrazole phosphate，DMPP）在降低N2O排放的同時也可以降低土壤CO2排放。當前溫室氣體研究中，大多只考慮了土壤的直接排放，忽視了農業生產過程中化肥、農藥和柴油等物資投入引起的間接溫室氣體排放，因而對于農田管理措施的減排效果評價，會得出不準確甚至是錯誤的結果。

由于考慮的系統邊界不同，農田系統的凈溫室效應評價主要有基于土壤學角度的土壤碳庫排放法（soil based approach，SBA）、基于生態學的生物量排放法（crop based approach，CBA）和從土壤學和生態學共同考慮的土壤&生物量排放法（soil&crop-based approach,S&CBA）3種方法[13-16]。SBA是由土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）的儲量變化量減去土壤N2O、CH4排放和來自農業投入的間接排放所得，CBA則是由凈生物生產力減去土壤N2O、CH4排放和來自農業投入的間接排放所得。Huang等[13]發現，這2種方法對同一玉米-大豆間作系統（2年田間試驗）溫室氣體排放進行綜合評價的結果不一樣，其中CBA計算玉米-大豆間作系統的溫室氣體為匯，其凈排放為107 kg/hm2CO2當量（CO2-eq），而用SBA計算的則為源（-2 638 kg/hm2）。S&CBA是將土壤有機碳（SOC）的儲量變化量加上凈初級生產力（NPP）減去土壤CO2、N2O、CH4排放和來自農業投入的間接排放。黃堅雄等[14]用此方法計算的玉米單作和寬窄行玉米-大豆間作系統都是溫室氣體的匯（6 784～9 916 kg/hm2），而計算的大豆單作系統則是溫室氣體的源（-2 799 kg/hm2）。

基于以上分析，本研究以華北集約農區冬小麥-夏玉米生產為對象，分析硝化和脲酶抑制劑對土壤溫室氣體（CO2、N2O和CH4）排放和作物產量的影響，在此基礎上采用不同的評價方法計算冬小麥-夏玉米生產系統的凈溫室氣體效應，比較不同方法的一致性和適用性，為農田生態系統固碳減排措施制定和管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究于2012年10月-2013年10月在中國農業大學桓臺試驗站進行。該地區氣候屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，4季分明，光照充裕。年日照時數2 833 h，無霜期在198 d。年平均氣溫12.5℃，年平均日較差12.0℃。多年平均降水558 mm，降水相對集中在6～9月份，約占全年降水的75%。試驗土壤是潮褐土，0～20 cm土層基礎理化性狀：土壤容質量為1.38 g/cm3，pH值為7.82，全氮含量為1.06 g/kg，速效磷含量9.7 mg/kg，速效鉀含量191.0 mg/kg，土壤有機質含量為25.7 g/kg，土壤粘粒（＜0.002 mm）質量含量14.0%，粉粒（0.002～0.02 mm）含量12.5%，砂粒（0.02～2 mm）含量73.5%。研究期間的氣溫與降雨如圖1所示，平均氣溫為12.2℃，降雨量774 mm。

圖1 研究期間氣溫和降雨量Fig.1 Air temperature and precipitation during study period

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，共設4個處理，分別為只施用尿素（U）、尿素中添加硝化抑制劑（DMPP，3,4-dimethylpyrazole phosphate，二甲基吡唑磷酸鹽，購于連云港裕倉國際貿易有限公司，NI）、尿素中添加脲酶抑制劑（NBPT，N-(n-butyl)thiophosphoric triamide，正丁基硫代磷酰3胺，購于連云港裕倉國際貿易有限公司，UI）和尿素中添加硝化抑制劑+脲酶抑制劑（NIUI），每個處理4個重復，每個小區8 m×7.5 m。施氮量為每季300 kg/hm2，氮肥為尿素，DMPP為6 kg/hm2，NBPT為1.2 kg/hm2，基肥和追肥各占一半。小麥品種為魯原502，玉米品種為鄭單958，小麥和玉米秸稈全量還田。每個處理耕作方式均為免耕，磷、鉀肥數量在每個處理保持一致，小麥季施P2O5120 kg/hm2，玉米季施K2O kg/hm2。小麥季灌溉4次，玉米季2次，每次75 mm。根據當地農民習慣進行蟲草防治。

1.3 測定指標

1.3.1 土壤溫室氣體排放

土壤呼吸（CO2）用閉路式土壤碳通量測量系統（Li-8100A）測定。測定前24 h在每個小區內安置測定基座外徑為21.3 cm，內徑20.3 cm的PVC管，上端切口高出地面2～3 cm，并與地面保持水平，去除基座內的生物，基座安置后不再移動，以避免由于安置基座對土壤擾動而造成的短期呼吸速率波動[17]。N2O和CH4用靜態箱-色譜法測定，每個重復從采樣箱罩箱后開始采集第1個氣體樣品，以后每間隔8 min采樣一次，共采集5個氣體樣品，采集完的氣體24 h內用氣相色譜（Agilent 7820）測定[18]。CO2、N2O和CH4排放通量的監測頻率在作物生長季為每周2次觀測，在作物非生長季降低監測頻率。在施肥、灌溉等農事活動和降雨后，根據排放峰的大小，連續監測7～10 d。采用內插法計算整個生育時期的排放總量。

1.3.2 土壤溫度和水分

溫室氣體取樣時分別測定土壤溫度和水分，土壤溫度測定采用地溫計測定，測定深度為5 cm；土壤水分測定深度為0～10 cm，用土壤孔隙含水量（water filled pore space，WFPS，%）來表示，WFPS=土壤質量含水量×土壤容質量/（1-土壤容質量/2.65）×100%。

1.3.3 凈初級生產力

作物收獲后測定凈初級生產力（netprimaryproductivity，NPP）。NPP包括籽粒、秸稈、根和根系分泌物[19]。在每個小區分別取7.5 m2的小麥和玉米用于測定籽粒和秸稈產量。根和根系分泌物采用參數法計算，具體參見Dubey[20]和Gregory[21]等的研究。

1.3.4 農田凈溫室效應評價

農田溫室氣體凈溫室效應（net greenhouse gas warmingpotential，NGWP）主要有以下3種方法：

1)土壤碳庫排放法（soil-based approach,SBA）

式中NGWP溫室氣體凈溫室效應，以CO2當量（CO2-eq）來表示，kg/hm2；GWP△SOC是試驗前后SOC變化造成的增溫潛勢，以CO2當量（CO2-eq）來計算，kg/hm2，由于本試驗年限只有1年，GWP△SOC可忽略不計；GWPsoilGHGs是土壤排放N2O和CH4總增溫潛勢，以CO2當量（CO2-eq）來計算，kg/hm2；GWPindirect是指各物資投入的增溫潛勢以CO2當量（CO2-eq）來計算，kg/hm2；各物資投入GHG排放系數[15]和物資投入量見表1。當NGWP＞0時，農田生態系統表現為溫室氣體的匯，反之為源。

表1 不同物資投入量及溫室氣體排放系數Table 1 Coefficients of greenhouse gas emission and agricultural inputs

2）生物量排放法（crop-based approach,CBA）

式中NGWP溫室氣體凈溫室效應，以CO2當量（CO2-eq）來表示，kg/hm2；GWPNBP[13]指凈生物群系生產力的增溫潛勢，以CO2當量（CO2-eq）來計算，kg/hm2；GWPNPP指凈初級生產力的增溫潛勢，以CO2當量（CO2-eq）來計算，kg/hm2，本研究因為沒有外源有機物的添加，所以為0；GWPoutput是經濟產量和秸稈輸出的增溫潛勢，以CO2當量（CO2-eq）來計算，kg/hm2；GWPsoilGHGs是土壤異養呼吸、土壤排放的N2O和CH4總增溫潛勢，以CO2當量（CO2-eq）來計算，kg/hm2；GWPindirect是指各物資投入的增溫潛勢，以CO2當量（CO2-eq）來計算，kg/hm2；相關參數見表1。當NGWP＞0時，農田生態系統表現為溫室氣體的匯，反之為源。

3）土壤&生物量排放法（soil&crop-based approach, S&CBA）

式中NGWP溫室氣體凈溫室效應，以CO2當量（CO2-eq）來表示，kg/hm2；GWPNPP指凈初級生產力的增溫潛勢，以CO2當量（CO2-eq）來計算，kg/hm2；GWP△SOC是試驗前后有機碳變化造成的增溫潛勢，以CO2當量（CO2-eq）來計算，kg/hm2，本試驗設為0；GWPGHGs是土壤CO2（秸稈還田部分全部以CO2形式排放到大氣中[14]）、N2O和CH4排放總量的增溫潛勢，以CO2當量（CO2-eq）來計算，kg/hm2；GWPindirect是指各物資投入的增溫潛勢，以CO2當量（CO2-eq）來計算，kg/hm2；相關參數見表1。當NGWP＞0時，農田生態系統表現為溫室氣體的匯，反之為源。

1.4 數據分析

用Excel表格進行數據整理和畫圖，用SPSS軟件進行溫室氣體排放通量與環境因子的相關分析，以及不同處理間溫室氣體排放總量的差異顯著性檢驗。

2 結果分析

2.1 硝化抑制劑與脲酶抑制劑對土壤溫度與水分的影響

試驗期間各個處理的土壤溫度變化一致（圖2a），變化范圍為0～29.3℃，U、NI、UI和NIUI處理的平均值分別為15.8、16.1、16.3和16.1℃。各處理0～10 cm土壤孔隙含水量（WFPS）變化趨勢一致（圖2b），灌溉和降雨是土壤WFPS升高的主要因素，變化范圍為22.6%～75.3%，U、NI、UI和NIUI處理的平均值分別為55.0%、54.8%、54.1%和54.8%。

2.2 硝化抑制劑與脲酶抑制劑對溫室氣體排放的影響

從圖3a可以看出，各個處理土壤CO2通量變化趨勢一致，季節性變化比較明顯，呈現冬季低、夏季高的趨勢。施肥后能迅速提高土壤呼吸速率。研究期間U、NI、UI和NIUI 4個處理的土壤呼吸速率平均值分別為383.9、385.4、420.2和392.0 mg/（m2.h）。從周年土壤CO2排放總量來看，UI處理相比其他3個處理可以顯著增加土壤CO2排放量，而其他3個處理之間差異不顯著（表2），說明尿素中添加脲酶抑制劑可以顯著增加土壤CO2排放量，而尿素中硝化抑制劑并沒有對土壤CO2排放量產生影響。

從圖3b可以看出，4個處理的N2O通量變化趨勢一致。研究期間兩個作物季共有3個排放峰（小麥季1個，玉米季2個），均發生在施肥后，小麥季追肥后由于溫度較低并沒有發現明顯的排放峰。每個排放峰期間，U處理N2O通量最高，相比U處理，NI、UI和NIUI處理可以顯著降低排放峰值。研究期間4個處理的N2O通量平均值分別為109.1、47.9、82.7和58.8 μg/(m2.h)。相比U處理，NI、UI和NIUI處理分別降低了56.1%、24.3%和46.1%。從年度N2O排放總量來看（表2），相比U處理，NI、UI和NIUI處理具有顯著降低的效果，分別降低48.3%、25.1%和38.2%，綜合分析尿素只添加硝化抑制劑對土壤N2O排放抑制效果最好。

從圖3c可以看出，土壤CH4通量基本上為負值，即土壤表現為對CH4的匯。各個處理變化趨勢基本一致，變化范圍是-111.5～36.5 μg/(m2.h)。灌溉和降雨可以增加CH4排放量，土壤WFPS較高時，CH4通量基本上為正值。從表2可以看出，各處理土壤均為CH4匯，相比U處理，NI、UI和NIUI處理會顯著降低CH4的吸收量，分別降低了29.7%、18.8%和13.9%。

2.3 溫室氣體排放與環境因子的關系

通過相關分析（表3）可知，土壤CO2和N2O排放通量與土壤溫度呈極顯著正相關（P＜0.01），土壤CH4排放通量與土壤溫度呈極顯著負相關（P＜0.01）。土壤CO2排放通量與土壤水分之間呈現出極顯著負相關關系（P＜0.01），而土壤N2O和CH4排放通量與土壤水分呈極顯著正相關關系（P＜0.01）。

圖2 試驗不同處理土壤溫度和水分含量動態變化Fig.2 Dynamics of soil temperature and soil WFPS in different treatments

圖3 不同處理土壤溫室氣體排放動態變化Fig.3 Temporal variation of soil GHG emissions in different treatments

表2 不同處理冬小麥-夏玉米周年溫室氣體排放總量Table 2 Cumulative soil GHG emissions in different treatments

表3 溫室氣體排放與環境因子的相關關系Table 3 Correlation between soil GHG emissions and environment factors

2.4 硝化抑制劑與脲酶抑制劑對作物產量的影響

硝化抑制劑和脲酶抑制劑可以增加產量（表4），在小麥季，U、NI、UI和NIUI處理的產量分別為6.25、6.38、6.16和6.44 t/hm2，在玉米季，U、NI、UI和NIUI處理的產量分別為8.50、8.96、8.88和9.30 t/hm2，相比U處理，NI、UI和NIUI處理的周年（冬小麥+夏玉米）產量分別增產4.0%（0.59 t/hm2）、2.0%（0.29 t/hm2）和6.7%（0.99 t/hm2）。

表4 不同處理作物產量Table 4 Crops yields in different treatments/(t.hm-2)

2.5 農田凈溫室效應（NGWP）評價

利用3種方法計算獲得各處理的NGWP（表5）。SBA由于固碳載體是土壤有機碳的變化（△SOC），短期試驗△SOC可忽略不計，農田溫室氣體全部為排放，故用SBA計算的NGWP是負值，表明農田土壤是溫室氣體的源。SBA法計算的NGWP主要構成是間接溫室氣體排放，占到試驗處理NGWP的80%～89%。由于各個處理間接投入相同，間接溫室氣體排放量也相同，每個處理的NGWP差別主要取決于N2O排放。相比U處理，NI、UI和NIUI處理的NGWP分別降低9.7%、5.0%和7.7%。CBA的固碳載體是農田生物產量（NPP），該值遠高于溫室氣體的直接和間接排放，最后計算獲得的NGWP表明農田生態系統為溫室氣體的匯，主要來源于扣除有機質分解以后剩余的秸稈和根系碳的數量，這部分碳數量越大，碳匯效應越大。4個處理的固碳潛力大小順序是NIUI＞NI＞U＞UI。相比U處理，UI處理的固碳潛力降低了5%。S&CBA綜合考慮NPP和△SOC，主要取決于移出土壤的生物量部分即籽粒產量，移除的籽粒產量越多，固碳潛力越大。從表5可以看出，4個處理的固碳潛力大小順序是NIUI＞NI＞UI＞U。相比U處理，UI、NI和NIUI處理固碳潛力分別增加了5.5%、10.4%和13.7%。

綜合以上評價方法，不同的研究方法在同一研究對象所得出的結果差別很大。不管用哪個方法，NI和NIUI的減排潛力均大于其它2個處理。

表5 不同處理的凈溫室氣體效應Table 5 Net greenhouse gas warming potential(NGWP)in different treatments/(kg.hm-2)

3 討論

3.1 硝化/脲酶抑制劑對溫室氣體排放的影響

硝化/脲酶抑制劑作為氮肥增效劑，主要作用是減少氮肥損失，提高氮肥利用率。目前，硝化/脲酶抑制劑對溫室氣體影響的研究主要集中在土壤N2O排放，而對土壤CO2和CH4排放的研究較少。本研究以冬小麥-夏玉米為研究對象，探討硝化/脲酶抑制劑對土壤N2O、CO2和CH43種溫室氣體排放的影響。初步研究結果表明，硝化/脲酶抑制劑單獨使用和共同使用均可以顯著降低土壤N2O排放和CH4吸收，硝化抑制劑（DMPP）沒有對土壤CO2排放產生任何影響，而脲酶抑制劑（NBPT）卻顯著增加了土壤CO2排放。

尿素中加入硝化抑制劑（DMPP)后，可以顯著降低N2O排放量，年度排放相對于U處理降低了48%，這與Weiske等[11]研究的年度排放降低49%和Benckiser等[9]研究的年度排放降低51%的研究結果基本一致。本研究尿素中加入脲酶抑制劑（NBPT）后，也可以顯著降低N2O排放量，年度排放量相對于尿素處理降低了25%，降低比例要高于Dawar等[23]研究的7%～12%。Ding等[5]和Zaman等[3]研究表明，在尿素中同時添加硝化抑制劑（dicyandiamide，DCD，雙氰胺）和脲酶抑制劑（NBPT），能夠表現出比單獨添加硝化抑制劑（DCD）或脲酶抑制劑（NBPT）更好的N2O減排效果。但是在本研究中NIUI處理（DMPP+NBPT）聯合添加入尿素后，沒有起到比NI處理更好的N2O減排效果，這與Pereira等[24]研究一致，他們研究發現，DMPP和NBPT聯合使用后的土壤NH+4濃度比單獨使用DMPP的高，因而硝化作用時間長，這可能是造成上述結果的原因。

Menéndez[25]等和Huérfano[26]等的研究表明，在尿素中添加硝化抑制劑（DMPP）并沒有對土壤CO2排放產生任何影響，這與本研究結果一致，但與Weiske等[11]發現DMPP可以降低土壤CO2排放的結果不同，這可能與他們的土壤是酸性粘質土有關。本研究還發現，尿素中添加硝化抑制劑（DMPP）可以顯著降低土壤CH4吸收，這與Huérfano的結果一致，是因為在堿性土壤中DMPP增加了NH+4，抑制了CH4氧化，從而降低了土壤對CH4的吸收[26]。但與Weisk等的結果不同，他們認為DMPP可以增加CH4的氧化，從而增加土壤對CH4的吸收[11]，這可能與他們的土壤偏酸性有關。因而我們可以認為，在堿性土壤中，DMPP有降低CH4吸收的效果。在本研究中，尿素中添加脲酶抑制劑（NBPT）顯著增加土壤CO2排放和降低CH4吸收，原因可能是脲酶抑制劑可以增加細菌和放線菌的活性[25]，進而加速土壤CO2和CH4排放。其它研究發現，脲酶抑制劑（NBPT）的主要作用是降低N2O、氨揮發和增加作物氮素吸收[3，5，8]，但其負面效應（增加土壤CO2排放和降低CH4吸收）鮮有報道。

3.2 溫室氣體排放與環境因子間的關系

CO2是大氣中重要的溫室氣體，土壤CO2排放受很多因素影響，土壤溫度是影響土壤CO2排放的重要因子。研究表明在0～35℃范圍內，土壤溫度升高可加速土壤有機質的分解和微生物活性，從而增加土壤CO2排放[28-29]，這可能是本研究中土壤CO2排放與土壤溫度呈顯著正相關關系的原因。土壤水分是影響土壤CO2排放的另一重要因子，研究表明土壤呼吸速率隨土壤含水量的升高而降低[30]，與本研究一致。

土壤水分溫度和無機氮含量的影響土壤溫度能夠直接或間接地影響N2O的產生和排放。本研究分析發現，土壤N2O的排放與土壤溫度和土壤水分均呈顯著正相關關系，說明在高溫高濕條件下可以促進N2O排放，這與其他研究結果類似[31-32]。

一般認為，旱地農田土壤水分狀況是影響土壤對CH4氧化的主要因子[33]。有研究表明，土壤WFPS含量與CH4的氧化吸收呈負相關關系[34]，與本研究一致。土壤溫度對CH4吸收影響很大，這是由于多數甲烷氧化菌屬中溫型微生物[35]，因而在本研究期間的溫度范圍內，CH4的吸收與土壤溫度呈正相關關系，換言之，就是土壤CH4排放與溫度呈負相關關系。

3.3 農田生態系統凈溫室效應評估方法

SBA評估的固碳潛力取決于△SOC，由于本研究研究時長只有一年，△SOC忽略不計，因此NGWP為負值，整個系統是溫室氣體排放的源。4個處理的NGWP相差不是很大，但相對于單獨使用尿素處理都體現出了減排潛力，主要為土壤直接排放的差異，NI、UI和NIUI處理年度溫室氣體排放分別減少705、365和563 kg/hm2。在4個處理中的溫室氣體排放組成中，土壤直接排放只占了11%～20%，而間接排放卻占了80%～89%。在間接排放中氮肥和灌溉造成的排放分別高達49%和39%，分別達到了2 880和2 300 kg/hm2，因而氮肥和灌溉是整個系統的2大溫室氣體排放源，降低氮肥施用量和減少灌溉量可以大大降低整個系統的溫室氣體排放。很多研究表明硝化/脲酶抑制劑可以提高氮肥利用率、降低氮肥施用量[36-39]，因而脲酶/硝化抑制劑的減排潛力值得進一步研究和探索。

CBA評估方法的固碳潛力主要取決于凈生物群系生產力（net biome production，NBP），固碳單元主要是秸稈還田的生物量。在本研究中，雖然間接排放和土壤直接排放量非常大，但是由于秸稈還田的量足夠大，抵消了土壤直接排放和間接排放，4個處理最后計算的NGWP為正值，表明整個系統是溫室氣體的匯。相比U處理，NI、UI和NIUI處理年度溫室氣體吸收排放分別增加2 285、-221和2 691 kg/hm2，雖然UI處理相比U處理也增加了秸稈生物量，但是UI處理的土壤異養呼吸排放CO2增加的更多，進而導致了UI處理固碳能力是4個處理中最小的。高秸稈生物量和低N2O排放是NI和NIUI處理的NGWP高于其它2個處理的最主要原因。

S&CBA的固碳潛力主要取決于NPP和△SOC，但是與CBA不同的是，將NPP移出農田部分的收獲物（本研究中主要指作物籽粒）作為固碳單元，而還田部分全部視以土壤CO2形式分解[14]，故整個系統移出農田的部分越高，固碳潛力越大。本研究中4個處理由于移出的部分產生物量巨大（表4，5），NGWP最后計算為正值，U、NI、UI和NIUI 4個處理的NGWP分別高達15 704、17 345、16 572和17 860 kg/hm2。高籽粒產量和低N2O排放是NI和NIUI處理的NGWP高于其它2個處理的原因。3種不同方法計算的NGWP不同，對于本研究的生產系統，SBA方法的結論是溫室氣體源，而CBA和S&CBA得到的結果為匯。CBA和S&CBA由于固碳單元不同，每個處理造成計算的NGWP相差很大。不管用哪個方法來計算NGWP，NI和NIUI處理的NGWP均高于其它兩個處理，由于硝化抑制劑和脲酶抑制劑能在保證生物量的同時減少氮肥施用量，其減排或固碳潛力會更大。

在本研究中，用3種方法計算的結果差異很大，引起這樣差異的主要原因是這3種方法的固碳載體不同。土壤有機碳的變化（△SOC）、NBP和NPP(移出土壤的光合固定碳部分)分別是SBA、CBA和S&CBA的固碳載體，但是NBP、NPP和△SOC是不同范疇的固碳單元。作物通過光合作用生長，能在短時間內以生物量的形式將CO2固定下來，即使CBA方法將異養呼吸考慮進來，結果也能獲得較大的固碳潛力，在糧食生產中由于移出的籽粒生物量巨大，S&CBA的計算結果會獲得更大的固碳潛力。而土壤有機碳增加則相對緩慢，甚至有可能降低。Robertson和Grace[40]用SBA方法計算了進行了20年的耕作試驗的NGWP，結果表明翻耕并焚燒秸稈處理、翻耕秸稈還田和免耕秸稈還田處理的NGWP均小于0，說明該系統是GHG的源。Lehuger[41]等用CBA方法計算的玉米-小麥-大麥-芥菜輪作的NGWP小于0，說明該系統是GHG的源，而油菜-小麥-大麥輪作的NGWP則大于0，說明該系統是GHG的匯，造成不同結果的原因主要是秸稈還田。劉巽浩等[16]用S&CBA方法評估了伊寧、滕州2個地點1952-2010年小麥-玉米農田的凈溫室效應，結果表明整個系統在該時段內一直是溫室氣體的匯，主要原因是農田施用化肥促進了作物光合作用與固碳效率，增加了凈初級生產率（NPP），從而使固碳超過耗碳，因而表現為對空氣中溫室氣體的正平衡。3個方法比較，SBA沒有考慮作物的固碳作用，屬于半環式計算方法，僅限于評價單純管理措施對溫室氣體凈排放的影響；CBA和S&CBA綜合考慮了作物和土壤的作用，為全環式計算方法，可以評價農田生態系統整體的溫室氣體凈排放，其中S&CBA評價綜合考慮了溫室氣體以及農田的作物產量，對于需要維護國家糧食安全的發展中國家如中國來說，更加適合[15-16]。

4 結論

試驗表明，硝化/脲酶抑制劑均可以顯著降低土壤N2O排放和CH4吸收。與單獨尿素處理，尿素中添加硝化/脲酶抑制劑N2O排放降低了25.1%～48.3%，CH4吸收量降低了13.9%～29.7%。脲酶抑制劑增加了土壤CO2排放，與其它3個處理相比增加了7%～9%。相關分析表明，土壤溫度和水分是影響3種溫室氣體排放的重要因素。

硝化和脲酶抑制劑（單獨或聯合使用）均有增加作物產量的趨勢。與單獨尿素處理，硝化抑制劑、尿酶抑制劑和二者聯合使用產量分別增產4.0%（0.59 t/hm2）、2.0%（0.29 t/hm2）和6.7%（0.99 t/hm2）。

將3種方法用于評價同一系統，不同方法計算的結果差異較大。用S&CBA法計算得到的農田溫室氣體系統凈排放的潛力最大（15 704～17 860 kg/hm2），CBA法次之（4195～7107kg/hm2），SBA法最低（-7304～-6599kg/hm2）。不管用哪個方法來計算NGWP，尿素添加硝化抑制劑和尿素聯合使用硝化和脲酶抑制劑均表現出明顯的減排或固碳潛力。考慮到3種方法的特點，該研究認為S&CBA更適于強調糧食生產情景下的農田溫室氣體凈排放。

[1]UNEP.The global launch of the emissions gap report[R],United Nations Environment Programme,Nairobi,2013.

[2]Gong W,Yan X,Wang J,et al.Long-term manure and fertilizer effects on soil organic matter fractions and microbes under a wheat-maize cropping system in northern China[J].Geoderma, 2009,149(3):318-324.

[3]Zaman M,Saggar S,Blennerhassett J D.Effect of urease and nitrification inhibitors on N transformation,gaseous emissions of ammonia and nitrous oxide,pasture yield and N uptake in grazed pasture system[J].Soil Biology and Biochemistry,2009, 41(6):1270-1280.

[4]Yan G,Zheng X,Cui F,et al.Two-year simultaneous records of N2O and NO fluxes from a farmed cropland in the northern China plain with a reduced nitrogen addition rate by one-third[J]. Agriculture,ecosystems&environment,2013,178:39-50.

[5]Ding W X,Yu H Y,Cai Z C.Impact of urease and nitrification inhibitors on nitrous oxide emissions from fluvo-aquic soil in the North China Plain[J].Biology and Fertility of Soils,2010,47(1): 91-99.

[6]Khalil M I,Gutser R,Schmidhalter U.Effects of urease and nitrification inhibitors added to urea on nitrous oxide emissions from a loess soil[J].Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2009,172(5):651-660.

[7]Liu C,Wang K,Zheng X.Effects of nitrification inhibitors(DCD and DMPP)on nitrous oxide emission,crop yield and nitrogen uptakeinawheat-maizecroppingsystem[J].Biogeosciences,2013, 10(4):2427-2437.

[8]Zaman M,Zaman S,Nguyen M L.The effect of urease and nitrification inhibitors on ammonia and nitrous oxide emissions from simulated urine patches in pastoral system:a two-year study[J].Sci Total Environ,2013,465:97-106.

[9]Benckiser G,Christ E,Herbert T,et al.The nitrification inhibitor 3,4-dimethylpyrazole-phosphat(DMPP)-quantification and effects on soil metabolism[J].Plant and Soil,2013,371(1-2):257-266.

[10]Singh J,Kunhikrishnan A,Bolan N S,et al.Impact of urease inhibitoron ammonia and nitrousoxide emissionsfrom temperate pasture soil cores receiving urea fertilizer and cattle urine[J].Science of the total Environment,2013,465:56-63.

[11]Weiske A,Benckiser G,Herbert T,et al Influence of the nitrification inhibitor 3,4-dimethylpyrazole phosphate(DMPP)in comparison to dicyandiamide(DCD)on nitrous oxide emissions, carbon dioxide fluxes and methane oxidation during 3 years of repeated application in field experiments[J].Biology and Fertility of Soils,2011,34(2):109-117.

[12]Zhang M,Fan C H,Li Q L,et al.A 2-yr field assessment of the effects of chemical and biological nitrification inhibitors on nitrous oxide emissions and nitrogen use efficiency in an intensively managed vegetable cropping system[J].Agriculture, Ecosystems&Environment,2015,201:43-50.

[13]Huang J,Chen Y,Sui P,et al.Estimation of net greenhouse gas balance using crop-and soil-based approaches:Two case studies [J].Science of the Total Environment,2013,456:299-306.

[14]黃堅雄，隋鵬，高旺盛，等.華北平原玉米‖大豆間作農田溫室氣體排放及系統凈溫室效應評價[J].中國農業大學學報, 2015,4:66-74. Sui Peng,Gao Wansheng,et al.Effect of maize-soybean intercropping on greenhouse gas emission and the assessment in North China Plain[J].Journal of China Agricultural University, 2015,4:66-74.(in Chinese with English abstract)

[15]劉巽浩，徐文修，李增嘉，等.農田生態系統碳足跡法:誤區,改進與應用—兼析中國集約農作碳效率[J].中國農業資源與區劃,2013,34(6):1-11. Liu Xunhao,Xu Wenxiu,Li Zengjia,et al.The missteps, improvement and application of carbon footprint methodology in farmland ecosystems with the case study of analyzing the carbon efficient of China’s intensive farming[J].Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning,2013,34(6):1-11.(in Chinese with English abstract)

[16]劉巽浩，徐文修，李增嘉，等.農田生態系統碳足跡法:誤區,改進與應用—兼析中國集約農作碳效率(續)[J].中國農業資源與區劃,2014,35(1):1-7. Liu Xunhao,Xu Wenxiu,Li Zengjia,et al.The missteps, improvement and application of carbon footprint methodology in farmland ecosystems with the case study of analyzing the carbon efficient of China’s intensive farming[J].Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning,2014,35(1):1-7.(in Chinese with English abstract)

[17]Gao B,Ju X,Su F,et al.Comparison of soil respiration in typicalconventional and new alternative cereal cropping systems on the North China Plain[J].Plos One,2013,8(11):1-11.

[18]Shi Y,Wu W,Meng F,et al.Integrated management practices significantly affect N2O emissions and wheat-maize production at field scale in the North China Plain[J].Nutrient cycling in agroecosystems,2013,95(2):203-218.

[19]Jia J X,Ma Y C,Xiong Z Q.Net ecosystem carbon budget,net global warming potential and greenhouse gas intensity in intensivevegetableecosystemsinChina[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2012,150:27-37.

[20]Dubey A,Lal R.Carbon footprint and sustainability of agricultural production systems in Punjab,India,and Ohio,USA [J].Journal of Crop Improvement,2009,23:332-350.

[21]Gregory P J.Roots,rhizosphere and soil:the route to a better understanding of soil science?[J].European Journal of Soil Science,2006,57(1):2-12.

[22]韓曉梅.華北平原冬小麥-夏玉米土壤呼吸構成的初步研究[D].泰安：山東農業大學,2013. Han Xiaomei.Consist of Soil Respiration of Winter Wheat and Summer Corn in the Farmlands at the North China Plain[D]. Tai’an:Shang Dong Agricultural University,2013.(in Chinese with English abstract)

[23]Dawar K,Zaman M,Rowarth J S,et al.Urease inhibitor reduces N losses and improves plant-bioavailability of urea applied in fine particle and granular forms under field conditions[J]. Agriculture,Ecosystems&Environment,2011,144(1):41-50.

[24]Pereira J,Barneze A S,Misselbrook,T H,et al.Effects of a urease inhibitor and aluminium chloride alone or combined with a nitrification inhibitor on gaseous N emissions following soil application of cattle urine[J].Biosystems Engineering,2013,115 (4):396-407.

[25]Menéndez S,Barrena I,Setien I,et al.Efficiency of nitrification inhibitor DMPP to reduce nitrous oxide emissions under different temperature and moisture conditions[J].Soil Biology and Biochemistry,2012,53:82-89.

[26]Huérfano X,Fuertes-Mendizábal T,Du?abeitia M K,et al. Splitting the application of 3,4-dimethylpyrazole phosphate (DMPP):Influence on greenhouse gases emissions and wheat yield and quality under humid Mediterranean conditions[J]. European Journal of Agronomy,2015,64:47-57.

[27]趙略，孫慶元，于英梅，等.脲酶抑制劑nBPT對土壤脲酶活性和脲酶產生菌的影響[J].大連輕工業學院學報,2007,1: 24-27. Zhao Lue,Sun Qingyuan,Yu Yingmei,et al.Effect of urease inhibitor nBPT on soil urease activity and urease producing microorganisms[J].Journal of Dalian Institute of Light Industry, 2007,1:24-27.(in Chinese with English abstract)

[28]Susan E T,Oliver A C,Chadwick R A.Rapid exchange between soilcarbon and atmospheric carbon dioxide driven by temperature change[J].Science,272:393-396.

[29]Raich J W,Potter C S.Global patterns of carbon dioxide emissions from soils[J].Global Biogeochemical Cycles,1995,9: 23-36.

[30]Gough C M,Seiler J R.The influence of environmental,soil carbon,root,and stand characteristics on soil CO2efflux in loblolly pine(Pinus taeda L.)plantations located on the South Carolina Coastal Plain[J].Forest Ecology and Management,2004, 191(1):353-363.

[31]Akiyama H,McTaggart I P,Ball B C,et al.N2O,NO,and NH3emissions from soil after the application of organic fertilizers, urea,and water[J].Water Air Soil Pollution,2004,156:113-129.

[32]Laville P,Lehuger S,Loubet B,et al.Effect of management, climate and soil conditions on N2O and NO emissions from an arable crop rotation using high temporal resolution measurements [J].Agricultural and Forest Meteorology,2011,151(2):228-240.

[33]Beare M H,Gregorich E G,St-Georges P.Compaction effects on CO2and N2O production during drying and rewetting of soil[J]. Soil Biology and Biochemistry,2009,41(3):611-621.

[34]Klemedtsson ? K,Klemedtsson L.Methane uptake in Swedish forest soil in relation to liming and extra N-deposition[J].Biology and fertility of soils,1997,25(3):296-301.

[35]Dalal R C,Allen D E,Livesley S J,et al.Magnitude and biophysical regulators of methane emission and consumption in the Australian agricultural,forest,and submerged landscapes:a review[J].Plant and Soil,2008,309(1-2):43-76.

[36]Steinkamp R,Butterbach-Bahl K,Papen H.Methane oxidation by soils of an N limited and N fertilized spruce forest in the Black Forest,Germany[J].Soil Biology and Biochemistry,2001, 33(2):145-153.

[37]Linquist B A,Liu L,van Kessel C,et al.Enhanced efficiency nitrogen fertilizers for rice systems:Meta-analysis of yield and nitrogen uptake[J].Field Crops Research,2013,154:246-254.

[38]Qiao C,Liu L,Hu S,et al.How inhibiting nitrification affects nitrogen cycle and reduces environmental impacts of anthropogenic nitrogen input[J].Global change biology,2015,21 (3):1249-1257.

[39]San Francisco S,Urrutia O,Martin V,et al.Efficiency of urease and nitrification inhibitors in reducing ammonia volatilization from diverse nitrogen fertilizers applied to different soil types and wheat straw mulching[J].Journal of the Science of Food and Agriculture,2011,91(9):1569-1575.

[40]Robertson G P,Grace P R.Greenhouse gas fluxes in tropical and temperate agriculture:the need for a full-cost accounting of globalwarmingpotentials[M]//TropicalAgricultureinTransition—OpportunitiesforMitigating Greenhouse GasEmissions?. Springer Netherlands,2004:51-63.

[41]Lehuger S,Gabrielle B,Laville P,et al.Predicting and mitigating the net greenhouse gas emissions of crop rotations in Western Europe[J].Agricultural and forest meteorology,2011,151(12): 1654-1671.

Effect of nitrification and urease inhibitor on carbon sequestration and greenhouse gas emissions in winter wheat and summer maize rotation system in North China

Zhao Zichao,Han Xiao,Shi Yuefeng,Wu Wenliang,Meng Fanqiao※
(Beijing Key Laboratory of Biodiversity and Organic Farming,College of Resources and Environmental Sciences,China Agricultural University, Beijing,100193,China)

It is of great importance that Comprehensive and accurate analyzing the quantitative impacts of major agricultural management practices on carbon sequestration and greenhouse gas(GHG)emission within agricultural system for the sustainable agricultural development in China.A field experiment was designed to study the effects of nitrification and urease inhibitor on GHG emission,soil organic carbon change and crops yield of winter wheat-summer maize system at the North China Field Experimental Station for Intensive Agricultural Ecosystems Research(located in the Xilujia village of the Xincheng town,Huantai county,Shangdong province;36°58N,117°59E;altitude:9 m above the average sea level). Four treatments were arranged,including urea(U),urea plus nitrification inhibitor(DMPP,NI),urea plus urease inhibitor (NBPT,UI)and urea plus nitrification inhibitor and urease inhibitor(DMPP and NBPT,NIUI).We monitored the emission of CO2,N2O and CH4,soil organic carbon change and crop yields of wheat and maize during the period of October 2012 to October 2013.Three methods,i.e.,soil-based approach(SBA),crop-based approach(CBA)and soil&crop-based approach (S&CBA),were employed to assess the net greenhouse gas warming potential(NGWP)of different nitrification and urease inhibitors in the intensified agricultural system.The monitoring data revealed that there were two N2O emission peaks for wheat and one for maize,all after the farming activities of fertilization or irrigation during winter wheat-summer maize production.Cumulative N2O emissions of NI,UI and NIUI were 48.3%,25.1%and 38.2%lower than that of U treatment,and all treatments were the sink of CH4.Irrigation and fertilization also increased the emission of CH4.Compared with U treatment,NI,UI and NIUI significantly decreased the uptake of CH4by soil,and the decrease was 29.7%,18.8%and 13.9%,respectively.All treatments had a seasonal induced change of soil CO2emission,i.e.,lower in winter and higher in summer season.Similar to CH4,irrigation and fertilization also enhanced the soil respiration.During the research period, average soil respiration rates were 383.9,385.4,420.2 and 392.0 mg/(m2.h)for the U,NI,UI and NIUI treatment, respectively.UI treatment emitted significantly higher quantity of CO2than other three treatments(U,NI and NIUI)and the differences between these three treatments were not significant.Soil GHGs emissions were significantly correlated with the soil water content and temperature(P<0.01).The crop yields of NI,UI and NIUI treatments were 4.0%(0.59 t/hm2),2.0% (0.29 t/hm2)and 6.7%(0.99 t/hm2)higher than that of U treatment,respectively.The NGWP quantified by S&CBA was the highest(15 704-17 860 kg/hm2),followed by CBA(4 195-7 107 kg/hm2)and SBA approach(-7 304-(-6 599)kg/hm2). Different NGWP results of the three assessment methods were because of the different carbon sequestration carriers. S&CBA and CBA calculated NGWP on the basis of the removed and returned crop biomass(grain for S&CBA and straw for CBA)and estimated considerably higher GHG mitigation potential than that the change of soil organic carbon stock defined by SBA.The NGWP of NI and NIUI were higher than that of U and UI treatments whatever the method was chosen. Chemical fertilizers application and irrigation were the two main sources of indirect greenhouse gas emission in current study.These results reveal that urea plus DMPP and urea plus DMPP and NBPT could be the promising farming measures to reduce GHG emission and improve the crop yield in North China.S&CBA method is more appropriate for the farmland system with the goal of high yield grain production.Increasing the production of crop grain and straw,reducing chemical fertilizers application and saved irrigation are the main farming measures to decrease the NGWP of farmland system in North China.

soils;organic;crops;North China;nitrification inhibitor;urease inhibitor;greenhouse gas;assessment method

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.035

Q149

A

1002-6819（2016）-06-0254-09

2015-09-22

2016-01-25

公益性行業（農業）科研專項（201103039)；國家科技支撐項目（2012BAD14B01）

趙自超（1987-），男，山東莘縣人，博士生，主要研究方向為農田溫室氣體減排。北京 中國農業大學資源與環境學院，100193。

Email:2008zzc@163.com

※通信作者：孟凡喬（1969-），男，山東臨沭人，副教授，博士，主要研究方向為農田碳氮循環。北京 中國農業大學資源與環境學院，100193。Email:mengfq@cau.edu.cn