減氮配施氮轉化調控劑對麥田CO2和CH4排放的影響

王艷群，彭正萍*，馬 陽，吳 敏，王 洋，宋學利，王會賢

（1.河北農業大學資源與環境科學學院/河北省農田生態環境重點實驗室，河北 保定 071000；2.肅寧縣農業局，河北 肅寧062350；3.容城縣農業局，河北 容城 071700）

CO2對全球溫室效應貢獻達63%，CH4增溫潛勢是CO2的23倍[1]。土壤-大氣界面上CO2的交換受多種生物作用影響，并由此決定農業土壤既是CO2的源又是匯。因此，凡是影響這些生物過程的因素都會對溫室氣體收支造成干擾。CH4排放源主要有濕地、反芻動物、廢棄物、天然氣及煤礦開采泄漏等，而旱地土壤相對于濕地來說是CH4的吸收庫。各種農田管理措施如施肥、耕作方式、灌溉等均影響溫室氣體排放[2]。農業生產中氮肥施用影響作物生長、土壤有機質和微生物數量及活性等，最終影響土壤呼吸[3]。從全球生態系統看，施用氮肥增加97%的CH4排放量、縮減38%的CH4吸收量[4]。Chu等[5]研究表明，施用氮肥直接促進土壤中CO2排放。

華北平原是我國冬小麥主要產區。為確保糧食安全，滿足人口增長對糧食的需求，往往靠增加氮肥提高小麥產量。陳新平等[6]報道，華北小麥高產區平均純N用量為500～600 kg·hm-2，遠超出作物需求。河北省高產區小麥平均施純N為301.5 kg·hm-2[7]，而限量灌溉條件下合理施純N用量為240 kg·hm-2[8]。過量氮肥投入不但沒有提高作物產量，反而減低肥料利用率。華北地區冬小麥-夏玉米體系小麥氮肥利用率僅為10%～20%[9]。土壤中過量氮肥通過氨揮發和反硝化作用等影響大氣中CO2、CH4和N2O等溫室氣體。

為提高氮肥的利用效率，降低氮肥施用對大氣中CO2、CH4溫室氣體排放的影響，眾多學者采用了如合理的施氮量和基追比、恰當的作物施肥時期、養分平衡施用[10]、用包膜材料制成緩控釋氮肥[11]、配施硝化抑制劑[12]和生物質炭等[13]，但多局限于單項措施的研究，而根據目標產量、土壤養分供應能力和作物養分需求規律，推薦合理施用氮肥并與多種氮轉化調控劑融合，既減少土壤溫室氣體排放、氮素表觀損失，又穩定或者提高作物產量，促進農業增產增收，目前報道尚少。因此，本文采用田間試驗法，以冬小麥為對象，研究在農民習慣施氮肥基礎上減少氮肥用量并配施不同類型氮轉換劑下麥田溫室氣體CO2和CH4排放規律和增溫潛勢特征等，以期為實現土壤可持續發展、減排農業生產溫室氣體及保證國家糧食安全提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗設在河北省保定市河北農業大學科技園區（38°48′N，115°24′E），溫帶濕潤季風氣候區，四季分明，年降水550 mm，年平均氣溫12℃，年日照2660 h，無霜期210 d。試驗期間地表以下5 cm處土壤溫度和濕度見圖1。供試土壤為潮褐土，中壤質。試驗地0～20 cm土層基礎土壤性狀為容重1.4 g·cm-3，pH 8.3，有機質 13.5 g·kg-1，全氮 0.87 g·kg-1，有效磷 9.6 mg·kg-1，速效鉀69.1 mg·kg-1。

1.2 試驗處理及方法

從2013年6月夏玉米季開始，在同一地塊同一小區進行夏玉米-冬小麥輪作。玉米和小麥季均在同一小區設相同7個處理，玉米收獲后安排冬小麥試驗。小麥試驗方案為：處理1-對照不施氮肥（CK）；處理2-農民習慣施氮肥（FN），處理3-根據供試土壤氮素供應和作物需氮設置的減氮量（RN），處理2和3所施氮肥種類均為尿素；處理4、5和7分別是在處理2減氮量基礎上配施雙氰胺（DCD）、吡啶（CP）和納米碳（NC），計作RN+DCD、RN+CP、RN+NC；處理6為與處理3等氮量的包膜控釋氮肥（RN+CR）。處理2純N用量285 kg·hm-2，處理3～7純N用量為225 kg·hm-2，所有處理P2O5和K2O用量分別為120 kg·hm-2和150 kg·hm-2。每個處理重復3次，隨機區組排列，小區面積51 m2。

供試肥料：尿素（含N 46%）、氯化鉀（含K2O 57%）、過磷酸鈣（含P2O516%）、玉米控釋肥（含N 38%）、小麥控釋肥（含N 43%）、雙氰胺（DCD，含N 66.5%）、2-氯-6-三氯甲基吡啶（CP）、納米碳（NC）。DCD用量為純N用量的5.0%，計算該處理氮肥總量時將DCD含氮量計入；NC為總肥料用量的0.3%；CP用量按照每1 kg尿素噴涂吡啶1.1 g，吡啶氮含量忽略不計。各處理的磷、鉀肥及控釋肥做基肥一次性施用。氮肥處理總氮量的50%作基肥，50%在返青期隨灌水追施，DCD及NC基追比均為5∶5。

田間管理：小麥前茬為玉米，玉米收獲后，秸稈粉碎還田，施肥后旋耕2遍，旋耕后播種冬小麥。小麥于2013年10月9日施肥播種，次日澆蒙頭水。2014年3月26日灌溉并追施尿素，6月12日收獲小麥。各處理除肥料用量、品種不同外，其田間管理方式完全一致，均按當地高產水平方式進行。

1.3 溫室氣體排放監測

小麥生長過程中采用密閉式靜態箱監測各處理CO2和CH4排放[14]。采樣箱由PVC材料制成，箱體有筒體和底座兩部分組成，桶體直徑25 cm，高35 cm，頂部取樣口用膠塞密封，內置溫度傳感器；底座埋入土壤，上部有水槽，注水后可保證底座與箱體密封。上午 9：00—10：00采樣，用注射器分別在 0、10、20 min抽取各小區采樣箱內氣體，每次取樣30 mL，并將采集到的氣體注入真空瓶。同時，用置于箱體內的溫度探頭測定箱內溫度；用TK3-BASIC水分測定儀測定土壤5 cm處的濕度；用干濕球溫度表測定距地面1.5 m處的氣溫。收集到的氣體樣品采用高效氣相色譜儀（美國Agilent7890）測定。氣體采集從10月9日開始，12月8日到來年3月10日期間，土壤溫度較低，排放較少，暫停取樣；3月11日恢復采樣直至6月12日收獲。一般每7 d采1次，如遇降水、灌溉、施肥連續采3 d。氣體排放通量計算公式：

式中：F為溫室氣體排放通量，mg·m-2·h-1；ρ為箱體內氣體濃度，g·L-1；H是箱體高度，m；T0=273 K；c1和c2是采樣時箱內氣體濃度，mL·m-3；T1和 T2是采樣時箱體內的平均溫度，K；Δt為兩次采樣的時間差。

1.4 溫室氣體排放總量與增溫潛勢計算

溫室氣體排放總量采用內插法[15]計算未觀測日排放通量，然后將測定值和計算值逐日累加得到。

增溫潛勢（GWP）是以CO2為基準，在一定時間積分范圍內，對某一給定物質的相對輻射影響值。本文以冬小麥CO2和CH4增溫潛勢定量評估兩種氣體對大氣溫室效應的相對影響，以100為時間積分范圍對觀測期內冬小麥土壤兩種溫室氣體的GWP進行計算[16]：

CO2GWP（kg C·hm-2）=CO2累積排放量（kg C·hm-2）

CH4GWP（kg C·hm-2）=CH4累積排放量（kg C·hm-2）×16/12×12/44×25

總GWP（kg C·hm-2）=CO2GWP+CH4GWP

凈GWP（kg C·hm-2）=總GWP-作物固定的C量作物固定的C量（kg C·hm-2）=0.45×Yw/Hi[17]

式中：0.45為作物光合作用過程吸收0.45 g碳可以合成1 g有機質，Yw為經濟產量，Hi為經濟系數（也叫收獲指數），即糧食產量與作物地上部分生物量的比值（其中小麥經濟系數采用全國平均值0.46）[18]。

1.5 數據處理

用Microsoft Excel 2003進行數據處理和圖表繪制，用ANOVA進行統計分析并用SPSS 17.0軟件進行各處理間差異顯著性檢驗，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 CO2排放通量動態變化特征

圖1小麥季土壤溫度和濕度動態變化Figure 1 Soil temperature and moisture in the wheat season

圖2 表明，CO2排放通量在夏季較高，春、秋季次之，冬季最低。10月9日施肥播種，第二日灌溉后CO2排放明顯升高，播種6 d（10月15日）后CO2排放通量出現第一個峰值，而后呈下降趨勢；進入11月后，CO2排放通量迅速下降，于12月7日降到最低；12月8日到來年3月10日暫停取樣。圖2表明，各處理CO2排放通量在施肥和灌水后明顯升高，排放峰值約在施肥灌溉后6 d出現；結合圖1和圖2可知，12月8日前，各處理CO2排放通量變幅在40.9～629.9 mg·m-2·h-1，且總體隨著土壤溫度下將呈下降趨勢。

圖2 小麥季CO2排放通量季節變化Figure 2 Seasonal variation of CO2emission flux in the wheat

來年3月11日恢復取樣，CO2排放通量隨土壤溫度回升呈升高趨勢；3月26日追肥灌溉后，3月30日出現第2個CO2排放峰；4月份后，地表溫度一直在22℃以上，小麥生長迅速，4月15日出現第3個CO2排放峰，而后CO2排放量維持在較高水平；進入5月份后，土壤溫度迅速升高，降雨量增加，5月10日、11日兩次中雨導致5月13日出現第4個CO2排放峰，之后CO2排放通量緩慢下降并趨于穩定直至收獲。結合圖1和圖2可知，小麥季CO2排放通量變化規律與土壤溫度和濕度趨勢基本一致。

在小麥生育期內4個CO2排放峰值，各施氮處理CO2平均排放通量較CK增加46.0%；與FN相比，減氮處理CO2平均排放通量平均降低19.2%；等氮條件下，氮素轉化調控劑處理CO2平均排放通量平均降低15.2%。說明小麥季CO2排放通量動態變化除受土壤溫度和濕度影響外，還受施肥時期、施肥量和肥料類型的影響。

2.2 CO2平均排放通量

圖3表明，施氮肥處理除RN+NC外，CO2排放通量均顯著高于CK，說明施用氮肥明顯增加土壤CO2排放通量。與FN相比，各減氮的CO2排放通量降低8.3%～32.6%，其中RN+NC的平均排放通量最低，其次為RN+CP和RN+DCD。等氮量條件下，與RN相比，RN+CP和RN+NC的CO2排放通量顯著下降13.4%和26.5%，RN+DCD和RN+CR則分別下降9.0%和5.9%。說明氮肥用量相同時，氮肥配施氮素轉化調控劑明顯降低小麥季CO2排放，其中NC處理效果較好，其次是CP處理。

圖3小麥季CO2平均排放通量Figure 3 Average CO2emission flux in the wheat season

2.3 CH4排放通量動態變化特征

圖4 表明，土壤CH4通量以吸收為主，僅出現幾次較小的排放高峰，總體表現為吸收，即麥田為CH4匯。各處理CH4平均吸收速率為 8.9～23.0 –g·m-2·h-1，整個生育期未出現明顯的季節變化。僅小麥苗期和越冬初期出現兩個較小的排放峰，其他生育時期均以吸收為主。10月9日施肥和灌溉后的第3 d出現CH4排放峰，此時期施氮肥處理CH4排放通量較CK增加4.1%～725.4%，各減氮處理較FN處理CH4排放通量降低了29.2%～87.4%，而氮肥調控劑處理較RN處理CH4排放通量降低21.0%～52.2%，可能是肥料施用、土壤濕度和溫度等綜合因素促進CH4排放。一般認為，土壤吸收CH4的最佳濕度為15%～20%，土壤CH4氧化菌活性最強，土壤濕度在28%～35%減弱CH4的氧化，間接促進CH4排放。12月7日平均溫度4.3℃，11月26日灌凍水使土壤濕度迅速增加，水分和溫度導致12月7日出現排放峰。

圖4 小麥季CH4排放通量季節變化Figure 4 Seasonal variation of CH4emission flux in the wheat season

12月8日到來年3月10日暫停取樣，3月11日恢復取樣。追肥、灌溉和降水雖然導致CH4通量出現小幅波動，但總體仍以CH4吸收為主。這主要是由小麥返青后土壤溫度的迅速回升以及平均土壤濕度接近土壤吸收CH4的最佳濕度（平均濕度為20.9%）等環境條件造成的，因此導致小麥返青后到成熟均以吸收CH4為主。

2.4 CH4平均吸收通量

由圖5可知，麥田土壤是CH4的凈吸收庫。與CK相比，施氮肥的CH4平均吸收通量降低14.3%～62.8%，除RN+CR外，其余施氮處理與CK差異均達顯著水平。與FN比，減氮處理CH4平均吸收通量增加43.0%～130.8%，除RN外的其他減氮處理與FN比差異顯著，各處理表現為：RN+CR＞RN+CP＞RN+DCD＞RN+NC＞RN。氮素轉化調控劑處理CH4平均吸收通量較RN增加19.7%～61.3%，且RN+CR與RN差異顯著。說明增施氮肥顯著抑制土壤對CH4吸收，促進排放；減少氮肥用量，CH4吸收增加；氮素轉化調控劑CR、DCD、CP和NC均明顯促進土壤吸收CH4。

2.5 CO2和CH4排放/吸收總量與增溫潛勢

由表1可知，與FN相比，減氮處理土壤CO2排放總量顯著降低7.8%～31.6%，減氮處理CH4吸收總量增加49.4%～138.5%。與RN相比，氮轉化調控劑處理CO2排放總量明顯下降6.6%～25.8%；RN+NC土壤排放CO2最少，其次為RN＋CP和RN+DCD；氮素調控劑處理CH4吸收總量增加20.2%～59.7%，且RN+CP、RN+CR與RN間差異顯著。說明氮素調控劑減少土壤CO2排放，促進CH4吸收。

土壤CO2和CH4的總GWP隨氮肥用量增加呈增加趨勢。與CK相比，施氮肥增加總GWP 10.4%～61.4%；減氮處理總GWP較FN降低7.9%～31.6%；等氮量條件下，與RN比，氮素調控劑處理的總GWP降低6.6%～25.8%，其中，RN+NC降低幅度最大，RN+CP次之。與FN比，減氮處理固C量增加2.0%～5.6%。與RN比，氮素調控劑處理固C量增加0.9%～3.6%。減少氮肥施用可以明顯降低凈GWP（表2）。減氮處理凈GWP較FN降低14.5%～55.5%。與RN比，氮素調控劑的凈GWP降低12.6%～47.9%。說明減氮肥明顯降低溫室氣體凈GWP排放，而氮素調控劑DCD、CP、NC和緩控釋肥降低小麥季凈GWP排放效果明顯，主要是氮素調控劑處理增加作物固定C量和降低總GWP所致。

表1 小麥季CO2、CH4的排放總量和增溫潛勢Table 1 Emission of CO2，CH4and warming potential in the wheat season

圖5 小麥季CH4平均吸收通量Figure 5 Average CH4absorption flux in the wheat season

3 討論

CO2排放通量呈明顯的季節變化規律，在夏季較高，春季和秋季較低，冬季最低，麥田土壤是CO2排放源，而對于CH4以吸收為主，季節變化規律不明顯，麥田土壤是CH4的匯（圖2、圖4），這與閆翠萍等[19]研究報道基本一致。麥田土壤CO2和CH4的這種排放規律與小麥播種時伴隨的施肥與灌溉、生育關鍵期追肥以及土壤溫度變化等有關[20]。本文小麥季土壤溫度變幅為4.3～33.2℃，平均21.9℃（圖1）。據韓廣軒等[21]報道，CO2排放通量與氣溫和地溫之間有極顯著指數相關關系，主要是因為溫度影響植物和根系呼吸及微生物活性。因此，CO2排放通量呈現出明顯的季節變化規律。雖然土壤CH4產生潛力隨溫度升高也呈顯著指數增長趨勢[22]，但由于土壤對CH4的氧化最適溫度為5～15℃和25～35℃[23]，而本季小麥土壤平均溫度比較接近CH4的最適氧化溫度，因此導致土壤CH4以吸收為主。小麥季土壤濕度變幅為10.4%～36.5%，平均22.3%，遠低于田間持水量（圖1）。土壤濕度是通過影響土壤通透性來間接影響CO2排放，CO2排放通量與土水勢呈指數相關[24]，在田間持水量范圍內土壤含水量與草地土壤CO2排放量間呈顯著正相關關系[25]。并且，土壤水分低于田間持水量條件下，CH4氧化菌占優勢，表現為CH4吸收[26]。因此，麥田土壤CO2排放在灌水和降水后呈明顯增加趨勢，而CH4則以吸收為主，排放峰值較少。小麥季4個CO2排放峰值，各施氮處理CO2平均排放通量較CK增加46.0%（圖2）；而整個生育期施氮肥處理CO2平均排放通量較CK提高9.3%～62.1%、排放總量增加10.3%～61.3%（圖3、表1）。施肥后出現的CH4排放峰值，各施氮處理CH4排放通量較CK增加4.1%～725.4%（圖4）；而整個生育期施氮肥處理CH4吸收通量較CK降低14.3%～62.8%，吸收總量減少13.2%～63.6%（圖5、表1）。這是因為氮肥施用直接促進土壤中CO2排放，抑制土壤對CH4的吸收而間接促其排放，三者間存在正相關[5]，并且施用氮肥可降低土壤pH值，提高土壤碳累積釋放量，促進CO2排放[27]。說明小麥季CO2和CH4排放除受土壤溫度和濕度影響外，還受肥料施用的影響。

減少氮肥用量可降低CO2排放，氮肥配施氮轉化調控劑明顯減少CO2排放。減氮肥處理CO2平均排放通量和排放總量較FN分別降低8.3%～32.6%和7.8%～31.6%（圖3、表1）；等氮肥用量條件下，氮轉化調控劑處理較RN處理的CO2排放通量和排放總量分別降低5.9%～26.5%和6.6%～25.8%（圖3、表1）。據孟延等[28]報道在石灰性土壤上，CO2釋放量隨氮肥用量增加顯著增加，一方面是因為施氮促進有機質礦化，另一方面則是氮肥的硝化作用降低土壤pH值，促進碳酸鹽分解。等氮量條件下，氮肥配施硝化抑制劑明顯降低土壤CO2排放，因為DCD等硝化抑制劑延緩NH+4-N的硝化，降低土壤pH[27]；而RN+NC處理CO2排放通量較低可能是因為有機物質影響了土壤微生物量、活度和土壤呼吸強度，進而導致了排放通量降低[29]。

小麥季減氮肥處理CH4平均吸收通量和吸收總量較FN分別增加43.0%～130.8%和49.4%～138.5%（圖5、表1）；等氮肥用量條件下，氮轉化調控劑處理CH4吸收量均明顯增加（圖5、表1）。減少氮肥施用，土壤CH4吸收呈增加趨勢。一方面，NH+4抑制土壤中CH4的氧化，減少氮肥增加土壤中CH4的氧化，減少排放；另一方面，CH4氧化細菌活性在土壤滲透壓較低時較強，減少氮肥導致滲透壓下降，增加CH4氧化細菌活性，增加CH4的氧化數量，減少其排放量[4]。

在所有溫室氣體中，CO2對溫室效應的貢獻達60%，N2O和CH4二者的貢獻之和約為20%[30]。本研究中，與FN比，小麥季減氮處理兩種氣體總GWP和凈GWP平均降低18.1%和32.9%，主要因為農田生態系統溫室氣體的GWP隨氮肥用量增加而增加[31]，且CO2GWP對小麥/玉米輪作系統總GWP貢獻較大，CH4GWP貢獻較小[29]。與RN比，小麥季氮轉化調控劑處理總GWP和凈GWP平均降低14.0%和26.9%（表1）。主要是因為CP和DCD等減少CO2排放導致，而RN+NC較低可能是因為有機物質影響土壤微生物量、活度和土壤呼吸強度，進而導致排放通量降低[29]。

4 結論

（1）麥田土壤是CO2排放源，CH4弱吸收匯。CO2排放通量具有明顯季節變化規律，夏季較高，春、秋季次之，冬季最低。土壤溫度、濕度、施肥等顯著影響CO2排放和CH4吸收。

（2）在農民習慣施氮肥基礎上減少氮肥用量可降低CO2排放、促進CH4吸收、降低溫室氣體增溫潛勢。

（3）氮肥用量相同條件下，氮肥配施氮轉化調控劑可以明顯降低CO2排放通量、排放總量，增加CH4平均吸收通量和吸收總量，降低兩種溫室氣體總GWP和凈GWP。