環渤海潮土區夏玉米施肥模型及凈溫室效應評價

劉全鳳 劉貞貞 賴德強 孫一 陳新 李雅靜 武婷 毛彩云

摘要：采用田間小區試驗，建立了環渤海潮土區不同產田夏玉米氮、磷、鉀肥的肥料效應模型，分析了玉米農田生態系統中，溫室氣體的直接和間接排放規律以及凈溫室氣體排放平衡。結果表明，高、中、低產田經濟最佳施肥量與最高產量施肥量相比，溫室氣體排放強度小，增溫潛勢大，且為溫室氣體的“匯”，可作為該地區夏玉米生產的科學施肥水平。

關鍵詞：環渤海潮土區;夏玉米;溫室氣體;溫室效應評價

中圖分類號：S513

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114[ 2020） 20-0061-05

DOl：10.1408 8/j .cnki.issn043 9- 8114.2020.20.013

環渤海潮土區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，雨熱同期，雖然熱量豐富，但土壤有機質含量低，養分缺乏且不平衡，還有不同程度的鹽漬化[1]，而夏玉米抗鹽堿能力強，是主要的糧食、飼料、經濟作物和重要的工業原材料之一，歷來在濱海區農業生產中占有舉足輕重的地位[2]。但是人們為了追求產量和經濟效益，盲目增施化肥，過量施肥導致一系列的生態和環境問題，如作物養分利用率下降、地下水硝酸鹽淋洗、溫室氣體（ Greenhouse gas，GHG）排放[3-5]等。

由溫室氣體排放引起的氣候變暖和臭氧層破壞已成為全球面臨的一個重要生態環境問題，農業是溫室氣體重要的排放源。據報道，農業CH4和N2O的排放量分別占全球總排放量的50%和60%[6-8]，其中，農田N2O排放來自土壤硝化與反硝化作用，而施用氮肥可為其提供氮源，且N2O的排放量隨施肥量的增加呈直線或指數增長[9.10]。項虹艷等[11]研究表明施氮處理對紫色土壤夏玉米N20排放量的影響顯著高于不施氮肥處理。Laura等[12]試驗得出有機物代替化肥能減少N2O排放的結論。

探索農田溫室氣體減排調控措施對發展低碳農業、減緩全球變暖具有重要價值。在農業可持續發展的前提下，為平衡產量與溫室氣體減排，解決施肥過度所引發的一系列環境污染及資源浪費等問題，本試驗通過建立環渤海潮土區不同產田夏玉米氮（N）、磷（P）、鉀（K）肥的肥料效應模型，分析不同產田玉米最高產量施肥量和經濟最佳施肥量的土壤溫室氣體的排放，計算溫室氣體間接排放增溫潛勢及溫室氣體排放強度，探究該玉米農田生態系統凈溫室氣體平衡，進而對該地區玉米科學需肥規律、合理施用肥料和科學減排提供理論依據和實踐基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

2018年于河北省滄州市黃驊市開展田間試驗，該地區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，降雨主要集中在6-9月，一般占年降雨量的80%左右，土壤屬于中壤質潮土，其理化性質如表1所示。

1.2 試驗設計

不同處理的養分投入量如表2所示。其中，N、P、K肥分別由尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）、硫酸鉀（K2O50%）提供。磷、鉀肥一次性全部底施翻入土內，氮肥基肥、追肥比為1：1，大喇叭口期進行追施。試驗小區面積30m2，隨機區組排列，重復3次。供試玉米品種為鄭單958;行距60 cm，株距25 cm，試驗田均按常規進行管理。

1.3 樣品采集與數據處理

溫室氣體排放的邊界設定為整個農田生產中的物質投入（包括肥料、農藥等）、運輸到農田作物（小麥、玉米）收獲的全部過程，其中，也包括農用化學品的生產、運輸、農田機械操作等使用的柴油、病蟲害防治使用的農藥等產生的溫室氣體。農田溫室氣體排放只考慮土壤中的N2O和CH4排放，而旱地土壤上CH4農田溫室氣體排放的貢獻較小，故不予以考慮。

1.3.1 凈生物量（Net primary productivity，NPP） 凈生物量于作物收獲后測定。NPP包括子粒、秸稈和根。本研究中，僅子粒部分移出農田，秸稈為全量還田，故視還田秸稈以CO2全部分解。每個小區單打單收，田間直接測定產量，取1 kg子粒樣品，烘干后計算含水量，再通過含水量折算出實際產量。

1.3.2 溫室氣體N2O的土壤排放農田土壤N2O排放分直接排放和間接排放，玉米的直接排放系數和間接排放參數參考Cui等[13]統計得到的國內玉米試驗中N2O、NH3和NO3-N淋洗數據與施氮量的相關數學模型。間接排放則按照IPCC（聯合國政府間氣候變化專門委員會）確定的每向空氣揮發1 kg氨（NH3）和水體流失lkg硝態氮（NO3-）則分別有1.00%和0.75%轉化為N2O2，分別計算NH3和NO31-N的N2O排放量損失[14]。玉米氮肥施用量與N2O的淋洗模型：y=0.48e0.05 8X;玉米氮肥施用量與NH，的淋洗模型：y=0.24x+1.3：玉米氮肥施用量與NO3-1-N的淋洗模型：y=4.46e0'009 4x。

1.3.3 溫室氣體增溫潛勢（Gobal warming potential，GWP） 為了便于計算，將N20、CH4的長期排放總量（ kg/hm2）的增溫潛勢換算為CO2當量，其中，溫室氣體CH4在100年尺度上是CO2的25倍，N2O在100年尺度上為CO2的298倍。GWP的計算公式為：

GWP= CO2+298x（ N2O）+25x（ CH4） （l）

式中，溫室氣體增溫潛勢單位為kg CO2eq/hm2。

1.3.4溫室氣體間接排放試驗期間記錄物資投入種類及用量，用于計算間接排放量，溫室氣體增溫潛勢（GWP）計算公式如下：

GWP INDIRECT=∑in×Cn （2）

式中，Ln和Cn分別為第n種物資的用量和CHG排放系數。各種物資的GHG排放系數參考劉巽浩等[15]改進后的系數，N、P2O5、K2O、柴油、農藥、電力的溫室氣體排放系數分別為4.80、1.14、0.60、3.90、6.58、0.92 kg CO2eq/kg。

1.3.5 溫室氣體排放強度（Greenhouse gas intensity，GHGI）農田溫室氣體排放強度是CO2、N2O、CH4總增溫潛勢同作物產量的比值，是綜合評價各處理的溫室效應的指標。它反映了生產單位糧食產量所產生的凈溫室效應的大小，計算公式如下：

GHGI=GWP作物產量 （3）

式中，溫室氣體增溫潛勢單位為kg CO2eq /hm2，作物產量單位為kg/hm2。

1.3.6 溫室氣體排放平衡（Net greenhouse gas bal-ance，△GWP） 農田溫室氣體排放平衡的方法主要有基于土壤碳庫和生物量的2類方法，本研究采用劉巽浩等[15]改進的公式進行計算，具體如下：

△GWP= GWPIVPP十GWP△SOC - GWPSOILEXPOTT -GWPINDIRECT （4）

式中，△GWP為空氣中溫室氣體凈增減量或全球增溫潛勢。當△GWP為負值時，表明農田生態系統最終是向大氣排放CO2，為溫室氣體“源”，加劇溫室效應;當△GWP為正值時，表明農田生態系統最終是吸收大氣中的CO，，是溫室氣體“匯”，可以減緩溫室效應。GWP NPP指凈初級生產力（包括子粒和秸稈殘茬根系）的增溫潛勢;GWP△SOC指土壤有機碳變化量的增溫潛勢（此項短期試驗可忽略）。GWP SOILEXPOTT指土壤排放CO2、N2O和CH4總量的增溫潛勢。G WP INDIRECT指間接投入的增溫潛勢（包括機油、電、化肥、農藥和廄肥等）。

1.3.6數據分析 采用Microsoft Excel 2007軟件和SPSS 17.0數據處理系統進行數據統計。

2 結果與分析

2.1 不同養分管理措施對作物產量的影響

采用二次型函數式y=ax2+bx+c，模擬“玉米子粒產量”與“土壤養分殘留量+肥料施人量”的關系，用A表示，綜合考慮產量利潤和肥料施用成本，模擬“毛收入一肥料價格”與“土壤養分殘留量+肥料施入量”的關系，用B表示，不同產田不同肥料的回歸方程如表3所示。高產田的氮肥經擬合，得方程A：y=-0.008 6x2+10.60lx+5 443.9，當施氮量x=-bl2a時，子粒產量y得到最大值，計算可知，最高產量為8 711 kg/hIT12，“土壤殘留氮+施入氮”為616.34 kg/hm2，去除土壤殘留氮127.54 kg/hm2，需要施氮量為488.80 kg/hm2;B：y=-0.012 8x2+11.901x+8 676，經濟效益最佳時玉米產量為8 528 kg/hm2.“土壤殘留氮+施入氮”為464.88 kg/hm2，需要施氮量為337.34 kg/hm2。按照同樣方法，可以得出不同產田不同肥料的最高產量施肥量和經濟最佳施肥量。

2.2 由氮肥投入引起的N，O氣體排放量

在玉米試驗中，如表4所示，由氮肥投入引起的N2O氣體排放量中，各產田最高產量施肥量與經濟最佳施肥量處理的溫室氣體增溫潛勢GWP差異明顯，尤其是高產田，其差值達2 279.70 kg CO2eq/hm2，其中，最高產量施肥量與經濟最佳施肥量處理直接N2O排放量相差4.77 kg/hm2，間接排放量相差2.88 kg/hm2，中、低產田最高產量施肥量與經濟最佳施肥量處理總N2O排放量分別相差2.85 kg/hm2和0.53 kg/hm2。

2.3 溫室氣體間接排放當量

如圖1所示，肥料投入中氮肥對溫室氣體增溫潛勢的貢獻最大，高產田最高產量施氮量和經濟最佳施氮量對溫室氣體增溫潛勢的貢獻占比分別為85.2%和83.5%，中產田占比分別為83.6%和79.5%，低產田占比分別為80.1%和78.4%;而各產田各處理中磷、鉀肥施用量對溫室氣體增溫潛勢的影響不大，磷肥對溫室氣體增溫潛勢的貢獻占比為4.0%～8.5%，鉀肥對溫室氣體增溫潛勢的貢獻占比為5.3%～7.6%。該試驗中各處理的農藥和柴油投入相同，分別為4.6 kg/hm2和81.9 kg/hm2，由于該地區沒有水澆條件，所以沒有電力消耗。

2.4 溫室氣體排放強度

如表5所示，高、中、低產田最高產量施肥量處理的溫室氣體排放強度均大于經濟最佳施肥量處理，其中，高產田最高產量施肥量處理的GHGI最大，為0.75，低產田經濟最佳施肥量處理的GHGI最小，為0.25，通過計算溫室氣體排放強度，可以采取合理的措施來平衡作物產量與農田溫室氣體的排放。

2.5凈溫室氣體平衡（△GWP）

如表6所示，根據不同處理溫室氣體固定與排放的清單，比較作物固碳和溫室氣體排放的凈效應，最終的△GWP均為正值，說明不同產田玉米農田生態系統表現為溫室氣體“匯”，有利于減緩溫室效應。同一產田最高產量施肥量與經濟最佳施肥量處理碳固定差異明顯，前者明顯低于后者，不同產田最高產量施肥量處理的溫室氣體固定順序表現為高產田<中產田<低產田，經濟最佳施肥量處理的溫室氣體固定順序正好相反，表現為高產田>中產田>低產田。由于試驗年限較短，土壤碳忽略不計;秸稈量全部還田，但均視為以CO2形式逸出，抵消不計;在本研究中，對處理間的△GWP起決定作用的主要為子粒產量、土壤N2O排放以及各處理的不同投入，可以看出，不同產田經濟上占優勢的經濟最佳施肥量處理減排潛力比最高產量施肥量處理更大，高、中、低不同產田分別相差2 829.20、1 236.52、302.11 kgCO2 eq/hm2。

3 小結與討論

在本玉米農田生態系統研究中，不同產田不同處理的溫室氣體均為“匯”，從溫室氣體固定當量來看，高、中、低產田的經濟最佳施肥量均比最高產量施肥量處理減排潛力大，高產田經濟最佳施肥量處理的△GWP最大，為12 520.29 kg CO2eq/hm2。對處理間的△GWP起決定作用的主要為子粒產量、土壤N2O排放以及各處理的不同投入，系統的固碳單元主要為NPP，固碳量的大小取決于經濟部分的生物量。通過計算溫室氣體排放強度，各產田最高產量施肥量處理的溫室氣體排放強度均大于經濟最佳施肥量處理，說明經濟最佳施肥量處理能夠更好地平衡作物產量與農田溫室氣體的排放，追尋產量最大化的同時，控制或優化農業投入，提高肥料利用效率，尤其是氮肥，是降低溫室氣體排放強度的關鍵。

農田凈溫室效應表現為隨著施氮量的增加而明顯增加，該結論與Sainju[16]的研究結果相似。一方面，增加氮肥施用量的同時，增加了農事投入對凈溫室效應的輸出;另一方面，施氮量的增加促進了土壤溫室氣體尤其是N2O的排放，從而增加了土壤溫室氣體對農田溫室效應的貢獻。土壤的溫室氣體排放主要在土壤N2O排放上有實質的差異，農事投入肥料中的氮肥對溫室氣體增溫潛勢的貢獻最大。

農業生產的目標是經濟與環境的雙贏，即提升產量的同時兼顧農業可持續發展，合理施肥可以在增產的同時兼顧環境效益[1]。Chen等[18]指出合理的施肥措施可以用最小的環境代價獲得更高的作物產量。Chen等[19]指出產量的增加可以抵消氮肥施人所增加的溫室氣體。本研究結果顯示，在鹽漬化潮土區玉米農田生態系統中，高、中、低產田經濟最佳施肥量處理與最高產量施肥量相比，溫室氣體排放強度小，氮肥施用引起的農田N2O排放量小，農事投入溫室氣體間接排放量也小，固碳能力強、減排潛力大。因此，各產田氮、磷、鉀最佳施肥量可作為該區較為理想的施肥水平。

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作者簡介：劉全鳳（1978-），女，河北滄州人，副研究員，碩士，主要從事植物營養、施肥與環境的研究，（電話）18931709218（電子信箱）165624265@qq.com;通信作者，毛彩云（1976-），女，河北滄州人，助理研究員，主要從事玉米育種與栽培研究，（電話）18731786522。