不同氮肥管理措施對華北地區夏玉米田增產減排的效果分析

徐 鈺，劉兆輝，張建軍，石 璟，王 梅，楊 巖，江麗華*

(1.山東省農業科學院農業資源與環境研究所，農業部黃淮海平原農業環境重點實驗室，山東省植物營養與肥料重點實驗室，山東 濟南 250100；2.濟南市農業局，山東 濟南 250099)

氧化亞氮(N2O)是僅次于二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的第三大痕量溫室氣體，對溫室效應的貢獻率約為5%，2011年大氣中N2O濃度已達到324 nmol/mol，比工業化前升高了20%，且仍以年均0.2%～0.3%的速度增長[1-2]。在已知的N2O排放源中，農業生產是全球N2O的重要人為排放源，其中農田N2O排放量占人為排放源總量的84%，占全球N2O排放量的39%～52%[2-3]。許多研究報告表明，化學氮肥的施用對農田土壤N2O的排放有明顯促進作用，是農業土壤中N2O的最大來源[4]，2005年中國因氮肥施用產生的N2O排放量占農田排放總量的50%以上[5]。可見，減少因氮肥施用而產生的N2O對于全球N2O的減排具有重要作用。施用化學氮肥引起的農田N2O排放分為直接排放和間接排放兩大類[6-7]，目前的研究多集中在通過降低施氮量達到減少N2O直接排放[8-9]，而通過選擇合適的氮肥類型、施肥時間和施肥方式等提高氮肥利用率的手段實現氮肥施用后N2O的間接減排方面研究較少，尤其是后者[10-12]。

華北平原是中國的重要糧食產區，夏玉米是該區最主要的糧食作物之一，2015年玉米產量約占全國的30%[13]，對于國家的糧食安全起著非常重要的作用。該區的玉米施肥多在播種期或出苗后采用溝施覆土，受限于后期玉米植株高大和炎熱的天氣，追肥采用條帶撒施或均勻撒施，肥料利用率較低，導致大量的N2O排放[14]。由于城鎮化和老齡化，農村勞動力在數量和質量上雙重短缺，玉米生產中亟需操作方便和程序簡化的氮肥管理技術來保證糧食安全，并實現N2O減排。研究表明，玉米上采用氮肥條施、施用緩控釋肥或分層施肥可以提高肥料利用率，在同等養分投入的情況下，能保證玉米產量，后兩者還可以實現一次性施肥，省工省力[15-18]。但三者對玉米農田N2O排放影響的研究較少[10,19]，尤其是后者還未見報道。因此，本文通過田間原位觀測，研究氮肥條施、分層施肥和施用緩控釋肥3種氮肥管理措施下玉米土壤的N2O排放規律，并從玉米產量、減排成本和經濟效益綜合分析，明確三者的減排效果，以便為華北平原夏玉米保產減排且效益最優措施的篩選和推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在章丘市棗園鎮慶元村進行，試驗點地勢平坦，處于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，多年平均氣溫12.8℃，多年平均降水量600.8 mm，年平均日照時數2 647.6 h，無霜期192 d。土壤為褐土，質地為輕壤土，0～20 cm表土有機質為16.5 g/kg，有效磷7.9 mg/kg，速效鉀116.0 mg/kg，硝態氮1.4 mg/kg，銨態氮2.4 mg/kg，pH值8.2。

1.2 試驗設計

前茬作物為冬小麥，收獲后秸稈全還田，試驗設4個處理，分別為(1)農民習慣施肥(FP)：出苗后，全部磷、鉀肥和40%氮肥在苗一側溝施(6～8 cm)，60%氮肥在大喇叭口—抽雄期撒施，氮肥為尿素；(2)氮肥條施(ND)：出苗后，全部磷、鉀肥和40%氮肥在苗一側溝施(6～8 cm)，60%氮肥在大喇叭口—抽雄期條施(6～8 cm)，氮肥為尿素；(3)緩控釋氮肥(CRF)：出苗后，氮、磷、鉀肥在苗一側一次性條施(6～8 cm)，氮肥為緩控釋氮肥；(4)分層條施(LD)：玉米出苗后，在苗一側，開溝分兩層將肥料一次性施入，其中上層為距離地面6～8 cm處，施30%氮肥及全部磷、鉀肥；下層為距離地面20 cm處，施70%氮肥，氮肥為尿素。

各處理施肥量相等，N、P2O5、K2O分別為240、90和120 kg/hm2，磷肥為重過磷酸鈣(P2O544%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)，尿素(N 46%)，緩控釋氮肥(N 44%)。試驗采取3次重復，小區面積為51 m2，試驗地四周設置2 m寬保護行。行距0.85 m，株距20 cm，玉米品種為先玉335，于2013年6月24日播種，第1次苗肥于7月1日施入，第2次大喇叭口—抽雄期追肥于7月29日施入。試驗期間進行2次灌溉，分別于7月2日和8月25日，每次灌溉量為750 m3/hm2，灌溉方式為漫灌，9月30日收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 N2O采集與測定

N2O的排放通量采用靜態暗箱-氣相色譜法進行測定。采樣箱箱體由不銹鋼材料制成，外覆絕熱材料(泡沫聚苯乙烯)，底部邊緣粘有密封膠條。頂箱(50 cm×50 cm×50 cm)箱體采氣管線一端通過箱體側面取氣接頭深入箱內10 cm左右，另一端用三通閥密封，采樣時與采樣注射器相連。為保證植株的正常生長和取樣的順利進行，當作物生長超過50 cm后，采樣時增加1～2個中段箱(50 cm×50 cm×50 cm)。底座(50 cm×50 cm×20 cm)由不銹鋼材料制成，播種后將其埋入地下。為了避免采樣操作過程中局部踩實土壤而導致氣體橫向流動受到干擾，同時也避免采樣操作過程對箱內及其周圍植物的機械性破壞，在采樣點周圍搭設了木橋。

采樣一般在9:00～11:00進行，平常取樣為3～7 d一次，施肥后連續取樣一周，灌溉或降雨后連續取樣2 d。采樣時，將箱體置于底座上，用夾子將箱體和底座加在一起，確保不漏氣。密封后立即用100 mL塑料注射器抽取氣體，每隔8 min取樣1次，取樣5次，并準確記錄采樣時的具體時間和箱內溫度。

采集的N2O氣樣用改進的Agilent 7890A氣相色譜儀測定：(1)N2O排放通量采用線性回歸法進行計算[20]，公式為：F=(M/V0)×H×(dc/dt)×[273/(273+T)]×(P/P0)×k。式中，F為目標氣體的排放通量[N2O mg/(m2·h)]；M為氣體的摩爾質量(g/mol),V0為標準狀態下(溫度273 K，氣壓1 013 hPa)氣體的摩爾體積(22.41×10-3m3)；H為采樣箱氣室高度(cm)；dc/dt為采樣箱內氣體濃度的變化速率；P和T分別為采樣時箱內氣體的實際壓力(Pa)和溫度(℃)；P0為標準大氣壓(Pa)；k為量綱轉換系數。F為負值時表示土壤從大氣吸收該氣體，為正值時表示土壤向大氣排放該氣體；(2)氣體交換總量利用內插法計算相鄰兩次監測之間未監測日期的排放通量，然后將每天的交換通量累加即可。

1.3.2 產量測定

各區選擇長勢均勻的13.6 m2樣方玉米，把玉米穗全部取下稱重，然后從中隨機選取15穗稱重，風干后脫粒稱重，計算產量(風干籽粒含水量約14%)。

1.3.3 成本計算方法

玉米成本主要包括：①耕播過程涉及的機械租賃費和種子費用成本；②灌溉過程涉及的電費和人工費；③施肥過程涉及的化肥費用成本和人工費用；④病蟲草害防治過程涉及的農藥費用成本和人工費用；⑤收獲過程涉及的機械租賃費和人工費用。本研究中的成本各項數據均為試驗中的實際值，詳見表1。其中尿素1 900元/t，緩控釋氮肥2 400元/t，重過磷酸鈣2 200元/t，氯化鉀3 400元/t，耕播和收獲機械租賃費分別為750和900元/hm2。施肥用工成本方面：肥料條施用工每次900元/hm2；撒施勞動量與開溝施肥相比減半，用工為每次450元/hm2；分層施肥增加了勞動量，施肥用工成本比開溝增加1倍，為每次1 800元/hm2。

表1 不同氮肥管理措施下玉米生產成本 (元/hm2)

1.4 數據處理

所得數據使用Excel 2007進行處理和作圖，采用SAS 8.1進行處理間顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥管理措施下土壤N2O排放特征

由圖1可見，4個氮管理措施下的N2O排放通量在大多觀測時間中均較小，且波動不大，一般低于N 50 μg/(m2·h)；施肥并灌溉后，會觀測到“脈沖式”的N2O排放，峰值持續時間一般為3～5 d；此外，苗肥施用后第8 d的一次強降水，也觀測到了較強的N2O排放，其排放通量介于N 115.3～132.6 μg/(m2·h)，持續時間僅1 d。由于各處理施用的氮肥類型和施用方式不同，N2O的排放特征略有差別。FP和ND處理為兩次施肥，分別觀測到兩次N2O排放峰。第一次發生在苗肥后，兩者施肥量及施肥方式相同，觀測到的N2O排放峰值均約為N 400 μg/(m2·h)；第二次發生在追肥后，FP處理下氮肥撒施引起的N2O排放峰值高達N 825.4 μg/(m2·h)，而氮肥條施的ND處理下N2O排放峰值為N 325.5 μg/(m2·h)，前者是后者的1.5倍。可見，與氮肥撒施相比，條施可以顯著降低N2O排放峰值。CRF為緩控釋肥，在玉米苗期一次性施用，近1個月內的N2O排放通量保持在N 110 μg/(m2·h)左右，觀測期內未出現明顯的N2O排放峰。尿素苗期分兩層一次性施用的LD處理中，生長期僅觀測到1次較強的N2O排放，其峰值與同期的FP和ND處理相近，但其在1個月內保持較高的排放通量，僅次于CRF處理，N2O排放通量在N 95 μg/(m2·h)上下浮動。

圖1 不同農業管理措施下土壤N2O排放特征注：↓表示施肥。

2.2 不同氮肥管理措施下玉米田N2O排放量

由圖2可見,FP處理下玉米農田的N2O-N累積排放量為1.59 kg/hm2，顯著高于其他氮肥管理措施。CRF和LD處理下的N2O-N累積排放量分別為1.30和1.29 kg/hm2，兩者間無顯著性差異，但均顯著低于ND處理。ND、CRF和LD處理下的N2O-N累積排放量分別比FP降低12.6%、18.2%和18.9%，均達到了一定的減排效果，尤以后兩者的效果最佳。

圖2 不同農業管理措施下農田N2O排放總量注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同氮肥管理措施下玉米產量及收益

從表2可以看出，與FP相比，ND、CRF和LD處理下的玉米產量均有不同程度增加，增產率分別為2.3%、3.6%和6.3%，僅有LD增產顯著。玉米的凈收益取決于玉米產值與生產成本。各處理產值由玉米產量決定，大小順序為LD>CRF>ND>FP。從生產成本來看，各處理成本差異主要由化肥成本和施肥用工的差異造成(表1)，緩控釋氮肥價格高于普通氮肥，CRF處理的化肥成本比其他處理每公頃增加317.7元，但因其一次性施用，施肥用工成本較其他處理平均減少近1倍，因此生產總成本較其他處理節省132.3～582.3元/hm2；盡管LD處理實現了一次性施肥，但由于施肥用工成本增加1倍，其生產總成本等同于ND處理；而FP處理追肥使用撒施，施肥用工成本減少，使其生產總成本較ND減少450元/hm2，各處理玉米生產成本順序為ND=LD>FP>CRF。由此計算出，ND和FP處理下玉米凈收益相近，在4種氮肥管理措施中凈收益最低；CRF處理玉米的凈收益最高，其次為LD處理，但兩者每公頃僅相差80.5元，未達顯著性差異。與FP相比，僅CRF處理玉米凈收益增加效果顯著，約增收7.5%。

表2 不同氮肥管理措施下玉米產量及收益

注：同列數值間不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

2.4 不同氮肥管理措施下玉米田的排放強度

不同氮肥管理措施下的單位產量N排放強度和單位凈收益N排放強度見表3。可以看出，FP處理下的單位產量N排放強度和單位凈收益N排放強度均最高，分別為189.2 g/t和1.5 kg/萬元，其他3種氮肥管理措施均能顯著降低兩種N排放強度，減排順序為LD>CRF>ND，減排率分別為23.5%和26.7%、21.2%和26.7%、14.5%和13.3%。

表3 不同氮肥管理措施下玉米單位產量和單位凈收益的N排放強度

2.5 不同氮肥管理措施下的減排成本分析

二氧化碳當量(CO2-eq)用作比較不同溫室氣體排放的量度單位，是評價溫室氣體排放的常用表示方法，非CO2溫室氣體的二氧化碳當量為該氣體的噸數乘以其全球變暖潛能值(GWP)。IPCC第5次評估報告[2]中指出，在100年時間內，N2O導致大氣增溫的潛力是相同質量的CO2的298倍，即N2O的GWP為298。經計算，本試驗條件下每減排1 kg CO2-eq，CRF處理可減少0.97元成本，ND和LD處理則分別增加4.83和3.23元成本(表4)。

表4 不同氮肥管理措施下的減排成本

3 討論

3.1 不同氮肥管理措施對土壤N2O排放的影響

本研究結果表明，夏玉米生長季農田土壤N2O的排放峰值主要出現在施肥+灌溉(降雨)事件后，這與前人研究結果一致[11,21]。施肥為土壤微生物提供充足的底物，促進硝化和反硝化過程中N2O的生成與排放；而灌溉則為反硝化微生物營造了厭氧環境，提高了反硝化過程中N2O的生成與排放[22-23]，因而會促進N2O的排放。氮肥管理方式不同，引起的土壤N2O排放也不盡相同。FP和ND處理為兩次施肥，均出現兩次N2O排放峰。苗肥時，兩者施肥量與施肥方式一致，引起的土壤N2O排放峰值也相同；追肥時，等氮量施用情況下，FP處理的N2O排放峰較ND處理增加2.5倍。一方面，氮肥深施降低了表層土壤的氮肥濃度；另一方面，灌溉后深層土壤含水量增加，反硝化作用增強，而過高的土壤含水量阻止了土壤N2O向大氣中的擴散而被進一步還原為N2[24]。統計表明，FP和ND處理的兩次排放峰值持續時間約占整季的11%，但N排放量卻占總排放量的40%左右，施氮后形成N2O排放高峰的差異導致FP處理下玉米生長期的N2O排放總量顯著高于ND處理，后者較前者減排12.8%。可見，與氮肥撒施相比，氮肥深施覆土可以顯著降低N2O排放峰值，進而起到N2O減排的作用。

胡小康等[25]的研究表明，玉米十葉期的施肥量是基肥時的1.3～2倍，但其N2O的最大排放速率分別只有基肥時最大排放速率的19.4%～35.0%。本研究的結果與之相似，ND處理下追肥的施氮量是苗肥的1.5倍，但觀測到的土壤N2O排放峰值為基肥的80%，生長后期植株生物量大對氮素需求量多，土壤中用于硝化作用的底物濃度較低，致使N2O的排放減少。因此，農田N2O的減排上要重視基肥的施用，苗期作物生物量小，對氮素吸收利用較低，可以通過減少基肥施用量來減少N2O的排放[21]。

CRF處理在施肥后1個月內保持較高的N2O排放，但未發現明顯的N2O排放峰，本研究所用緩控釋肥為熱固水性樹脂包膜尿素，能夠根據玉米生長需肥曲線緩慢釋放氮素[20]，從源頭上控制硝化和反硝化的底物濃度，并增強作物對氮素的吸收，顯著降低了N2O排放。有研究認為緩控釋肥可以降低N2O排放[26-27]，有的則相反[28-29]，這與氣候、土壤特性和緩控釋肥的養分釋放機制有關[30-31]。本研究中緩控釋肥的施用可以顯著減少N2O排放，CRF處理下玉米季N2O排放量較FP和ND分別降低12.8%和6.6%。

張婧等[20]研究認為,一次性分層施肥引起的N2O排放峰值高于肥料分次施用處理，而本研究結果與之相反，LD處理下的排放峰值與同期的ND處理相當，這可能與不同層次的氮肥施用量及環境條件有關，一方面，本研究中的氮肥主要施用在20 cm土層，占總肥量的70%；另一方面，施肥后的灌溉加之降水，土壤含水量較高，深層產生的N2O容易被進一步還原成N2，致使N2O的排放量減少[24]。與CRF處理相似，LD處理在施肥后1個月內也保持較高的N2O排放，可能與這期間有10余次降水，土壤含水量仍保持較高水平，深層N2O的擴散傳輸過程會受到影響有關[32-33]，具體原因還有待于進一步研究。LD對夏玉米土壤N2O也有一定的減排作用，與CRF相當，較FP和ND分別減排18.7%和7.1%，達顯著性差異。

3.2 不同氮肥管理措施對土壤N2O減排效果分析

與傳統施肥相比，本研究中氮肥條施、施用緩控釋氮肥和氮肥一次性分層施用一定程度減少了N素損失，提高了肥料利用率[16,20]，因此玉米增產2.3%～6.3%，單位產量N2O排放也降低20%以上，尤以一次性施肥的CRF和LD效果最好。效益方面，氮肥條施增加了追肥勞動力，其生產成本的增加高于玉米增產的收入，其凈收益略低于FP。實現一次性施肥的緩控釋肥，盡管肥料成本較高，但可以與省工成本相抵，凈收益較FP增加7.5%。與FP相比，一次性分層施肥開溝的深度增加，施肥用工成本增加，但因其增產效果顯著，玉米凈收益也有一定增加。CRF和LD在玉米產量和效益上都表現出了較強的優勢，但由于一次性分層施肥操作時對施肥開溝要求較高，相比而言施用緩控釋肥更容易被農民接受并使用。經濟評估顯示，氮肥條施和一次性分層施肥有較好的減排效果，但其勞動力成本較高，每減排1 kg CO2-eq，需要增加3.2～4.8元；而施用緩控釋肥，農田減排1 kg CO2-eq的同時可以節省約1元成本。當然，研究中為便于操作均采用人工施肥，其用工成本的增加是減排成本增加的根源。如果生產中應用條施施肥機械(單次費用750元/hm2)和玉米分層施肥機械(單次費用900元/hm2)代替人工施肥，LD處理的成本較FP節省300元/hm2，則每減排1 kg CO2-eq，LD處理可減少2.19元成本。由于ND追肥時植株生長較高，田間無法進入機械，仍需人工操作，所以其減排成本并未改變。因此，若生產中沒有配套的玉米施肥機械，CRF可被選為夏玉米保產減排且效益最優的氮肥管理措施；反之，LD和CRF兩種氮肥管理措施均可，前者效果最佳。本研究為華北平原夏玉米農田N2O減排技術的篩選提供了建議，但由于試驗僅一季，其持續保產增收效果如何還需多年試驗進行驗證。

4 結論

4.1 氮肥管理措施下，玉米季農田土壤N2O排放主要集中在施肥+灌溉事件后。與農民習慣相比，氮肥條施、施用緩控釋肥和一次性分層施肥會降低N2O排放峰值，玉米生長季N2O總排放量減少12.6%～18.9%。

4.2 與農民習慣相比，氮肥條施增產2.3%，但由于施肥成本增加，其凈效益略有減少；盡管緩控釋肥料成本增加，但一次性施用，降低了勞動力投入成本，產量和凈收益分別增加3.6%和7.5%；氮肥一次性分層施用對施肥開溝的深度要求高，施肥用工成本增加，但因其增產效果顯著，玉米凈收益約增加6%。氮肥條施、施用緩控釋肥和一次性分層施肥下的單位產量N排放強度和單位凈收益N排放強度均有所降低。

4.3 本試驗條件下每減排1 kg CO2-eq，施用緩控釋肥可減少0.97元成本，而氮肥條施和一次性分層施用則分別增加成本4.83和3.23元。如果生產中使用施肥機械，一次性分層施肥的減排成本可節省2元。綜合來看，在無配套的玉米施肥機械時，施用緩控釋肥可被選為夏玉米保產減排且效益最優的氮肥管理措施；反之，也可選用一次性分層施肥。

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