氮肥對黃壤溫室氣體排放和玉米產量的影響*

陳語， 翟泰雅， 王芳芳， 石美， 高小葉

貴州民族大學 生態與環境工程學院， 貴陽 550025

在農業生產中， 人們大量使用氮肥以提高作物產量． 近年來， 中國農業生產中的化肥投入量增長十分迅速， 高強度的化肥施用給生態和環境帶來了顯著的負面影響． 農田中的氮、 磷隨地表徑流進入受納水體， 或隨地下水滲入土壤， 引起農業面源性富營養化， 土壤污染、 面源污染嚴重[1]． 氮肥對增產有顯著作用， 但也會影響CH4，CO2和N2O等農田溫室氣體排放． CH4，CO2和N2O是導致全球變暖的3種主要溫室氣體， 而旱地農田土壤是CO2和N2O的主要排放源， 其溫室效應不容忽視[2]． 玉米作為我國最大的糧食作物， 在緩解飼料短缺、 保障糧食安全方面發揮著重要作用[3]． 因此， 探究不同施氮量對溫室氣體排放特征和作物產量的影響， 確定合理的施氮量， 對提高作物產量、 減少農業溫室氣體排放具有重要的實際應用價值．

種植模式[4]、 施肥方式[5]等會影響作物產量， 而氮肥是影響鮮食玉米產量和品質的重要因素之一[6]． 大量田間實驗表明， 增加氮肥施用量可提高作物產量[4， 7]， 但大量施用化肥會產生過多的溫室氣體[8]． Qiu等[9]研究指出在旱地生態系統中， 施氮顯著增加了土壤 N2O 和 CO2排放； Shcherbak等[10]發現隨著施氮量的增加， N2O 排放量會呈指數型增加． 也有研究發現， 在稻麥系統中， 當施氮量從270 kg/hm2降低到190 kg/hm2時， N2O累積排放量將減少26.0%～34.4%． 高氮肥施加量可增強植物光合作用， 刺激根系微生物， 土壤呼吸增強， 導致較高CO2排放量[11]． 適宜施氮量可促進青貯玉米干物質積累和水分高效利用， 保證玉米根際養分的有效供給， 營造良好的根際土壤環境， 提高氮素利用效率， 提高玉米籽粒產量[7]， 表明合理施氮對溫室氣體排放及玉米產量有極其重要意義． 以往的研究重點多在于玉米地N2O 和 CO2氣體的排放[8， 9， 12]， 盡管旱地系統不是CH4排放的重要來源， 但是探究氮肥用量對玉米地CH4通量的定量作用， 對于明確氮肥對玉米生態系統綜合溫室效應的影響具有一定的指導意義．

黃壤是西南地區主要土壤類型之一， 主要分布于貴州、 四川、 云南等省． 貴州黃壤面積超過700萬hm2， 約占全國黃土總面積的30%， 其中旱耕地約460萬hm2， 占全國旱耕地面積的46%左右[13]． 貴州屬喀斯特山區， 降雨分布不均， 且土壤質地較粘， 酸性強， 土壤交換性堿質量分數低． 雖然黃土表層有機質質量分數較高， 但土壤氮素轉化淋溶現象尤為突出， 導致黃土氮庫明顯不足[13]． 氮肥增產的同時增加了溫室氣體排放， 因此如何提高黃壤土氮肥有效性， 實現玉米增產穩產、 溫室氣體減排是亟待解決的重要問題． 本研究在貴州黃壤地開展大田試驗， 分析不同氮肥施用量對玉米產量以及貴州黃壤土溫室氣體排放的影響， 旨在為旱地黃壤土合理施肥， 玉米增產穩產， 溫室氣體減排提供理論依據．

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于貴州省貴陽市花溪區麥坪鄉(東經106°27′-106°52′， 北緯26°11′-26°34′)， 海拔1 100 m， 屬亞熱帶濕潤季風氣候． 年平均氣溫16.0 ℃， 其中冬季平均氣溫7.0 ℃， 夏季平均氣溫23.7 ℃， 全年無霜期246 d， 年降水量1 178.3mm， 降水分布不均， 4-8月降水量占全年的70%． 該地處于云貴高原東斜坡和苗嶺山脈中段， 全區地貌以山地和丘陵為主， 為典型的喀斯特地質地區， 土壤類型為黃壤． 土壤pH值為5.62， 有機質質量分數為39.18 g/kg， 堿解氮為178.10 mg/kg， 速效磷為8.96 mg/kg， 速效鉀為183.67 mg/kg．

1.2 試驗設計

試驗設置固定氮肥梯度試驗樣地， 根據當地施肥量設置了4個氮肥施肥梯度， 分別為不施肥(CK： 對照)、 減量50%氮肥(CF50)、 減量30%氮肥(CF70)、 傳統施肥(CF100)， 試驗小區面積為18 m2， 每個處理3個重復， 完全隨機排列． 當地傳統化肥施用量為N 273 kg/hm2和P2O5264 kg/hm2． 試驗所用肥料為尿素(含N 46%)和磷酸一銨(含N 11%， P2O544%)． 磷酸一銨用作基肥， 在玉米播種前一天施入， 其中包含總施氮量的25%； 尿素分兩次追加施入， 其中第一次追肥施氮30%， 第二次追肥施氮45%． 本次試驗供試玉米品種為安單3號， 于2019年4月9日播種， 行距、 株距均為60 cm， 2019年5月12日(拔節初期)第一次追肥， 2019年7月3日(抽雄吐絲期)第二次追肥， 2019年9月14日收獲， 其他田間管理措施與當地常規田間生產一致．

1.3 樣品采集及處理

植物樣采集： 在玉米收獲期， 每小區隨機取10株玉米， 65 ℃烘至恒質量， 測定其籽粒產量以及秸稈生物量．

土壤樣采集： 供試土樣于玉米收獲時采集． 各小區按5點采樣法， 采樣深度0～20 cm， 充分混合后， 挑取植物殘根和碎石， 風干、 磨碎過篩． 土壤pH值采用2.5∶1水土比提取， 用pH計測定； 土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定； 土壤總氮采用硫酸消化水楊酸鈉法測定； 土壤總磷硫酸消解—鉬銻抗法， 具體方法參考鮑士丹[14]編制的《土壤農化分析》．

1.4 溫室氣體測量

采用靜態箱—氣相色譜法在玉米生長季測定CO2，CH4和N2O等溫室氣體含量． 暗箱尺寸為內徑20 cm、 高度5 cm的圓柱(包含3 cm高柱體和2 cm高蓋子)； 安放在玉米植株之間， 箱內無植株． 采樣時間為上午08： 00至上午11： 00， 采集氣體樣品時， 將地溫計插入5 cm深的土壤中， 記錄抽氣前后的地溫(圖1)． 氣樣采集時間為6-9月， 前期間隔7 d采一次， 后期間隔15 d采一次氣體， 施肥后間隔一天采集一次， 遇大雨延遲采集． 采樣時間間隔為30 min， 分別在0，30 min使用注射器抽取30 mL箱內混合均勻氣體收集在真空氣袋中． 48 h內采用氣相色譜儀(島津GC-2014， 日本)測定樣品CO2，CH4和N2O含量．

圖1 不同施氮處理下地溫及體積含水量變化

溫室氣體排放通量的計算公式為[15]：

100 a尺度上溫室氣體(CO2，CH4和 N2O)累計排放量的增溫潛勢(GWP， kg/hm2)計算公式[17]：

GWP=ECO2+25×ECH4+298×EN2O

式中：ECO2為CO2累積排放量；ECH4為CH4累積排放量；EN2O為N2O累積排放量．

在農田中， 玉米的凈初級生產力(NPPkg/hm2)估算公式如下[16]：

NPP=NPP地上+NPP根+NPP凋落物+NPP根沉積

在收獲時收集， 洗凈， 在 65 ℃下烘干、 稱質量； 根系與地上部比值為1/0.09[18]， 凋落物為地上部的5%， 玉米(地上+根)/根際沉積物比值為0.89/0.11[19]．

利用全球增溫潛勢與作物產量的關系計算溫室氣體排放強度(GHGIkg/kg)[17]：

GHGI=GWP/Y

式中：Y代表玉米籽粒產量， 單位為kg/hm2．

1.5 數據分析

使用Excel 2016， SPSS 21和SigmaPlot 14進行數據排序、 統計分析和數據制表． 通過重復測量單因素方差分析(ANOVA)對CO2，CH4以及N2O平均排放通量進行顯著性檢驗， 通過LSD對CO2，CH4以及N2O累積排放量、GWP、 產量、GHGI、 土壤理化性質進行顯著性檢驗， 當p<0.05 時， 差異有統計學意義．

2 結果

2.1 不同施氮梯度對溫室氣體通量的影響

整個觀測期間， 各處理CO2排放通量趨勢基本一致， 變化介于1.42～220.24 mg/(m2·h)(圖2a)． 6 月拔節期CO2排放通量較低． 7月抽雄吐絲期追肥1周后達到峰值， 隨后逐漸下降并趨于穩定． CO2平均排放通量增幅隨氮肥施用量增加呈先增后減的趨勢； 其中CF50，CF70和CF100分別比CK增加60.79%，78.56%，39.04%， 且CF70，CF50處理與CK之間差異有統計學意義(p<0.05)(表1)．

不同施肥梯度CH4排放通量無明顯規律， 呈現正負波動， 拔節期和抽雄吐絲期波動幅度較大， 追肥2～3周后達到峰值(圖2b)； 通量最大值出現在CF50處理下， 為67.94 μg/(m2·h)， 最小值出現在CK處理下， 為-65.44 μg/(m2·h)． 不同處理CH4平均排放通量為 -15.15～0.68 μg/(m2·h)， 從大到小依次為： CF50，CF100，CF70，CK， 其中CF50，CF100與CK差異有統計學意義(p<0.05)(表1)． N2O排放通量各處理間趨勢一致， 呈多峰變化趨勢， 第二次追肥后出現第一個排放高峰； 在追肥后2～3周出現第二個排放峰值， 在收獲期N2O排放通量略有上升(圖2c)． 不同施肥處理的N2O平均排放通量為6.67～28.24 μg/(m2·h)， 從大到小依次為： CF100，CF70，CF50，CK， 表明N2O排放隨氮肥施用量的增加而增加， 但各處理間差異無統計學意義(p>0.05)(表1)．

圖2 溫室氣體排放通量動態變化(平均值±標準誤)

表1 不同施氮處理玉米生長季農田土壤溫室氣體平均排放通量(平均值±標準誤)

2.2 不同施氮處理對溫室氣體累計排放量和全球增溫潛勢的影響

CO2累積排放量隨氮肥施用量的增加先增加后減少， 其中CK最低， 為1 691.28 kg/hm2； CF70最高， 達2 427.16 kg/hm2， 比CK處理增加了43.67%(p<0.05)(表2)． 各處理N2O表現為排放源， 累積排放量隨化肥施用量的增加逐漸增加， CF50，CF70，CF100處理分別比CK增加了33.95%，158.4%，201.32%， 但各處理間差異無統計學意義(p>0.05)． CH4累積通量方面， CK與CF70為負值， 表現為弱匯， 而CF50與CF100排放量顯示為排放源．

全球增溫潛勢隨著氮肥施用量的降低而下降， 與對照CK相比， CF50，CF70和CF100處理的GWP分別提高了36.78%，52.14%和50.22%， 且差異有統計學意義(p<0.05)， 但CF50，CF70和CF100處理間差異無統計學意義(p>0.05)． 各處理GWP主要來自CO2貢獻， 占GWP的86.41%～94.05%， 其次為N2O(表2)．

表2 不同施氮處理玉米生長季農田土壤溫室氣體累積排放通量和全球增溫潛勢(平均值±標準誤)

2.3 不同施氮處理對玉米生物量及溫室氣體排放強度的影響

施氮處理的地上部生物量顯著高于CK， 最高達15 684.46 kg/hm2， 與CK相比， CF50，CF70和CF100處理分別提高了112.11%，142.98%和153.36%， 并且差異有統計學意義(p<0.05)， CF70和CF100間差異無統計學意義(p>0.05)(表3)． 隨著施氮量的增加， 玉米籽粒產量顯著增加， 且與CK差異有統計學意義(p<0.05)， 但CF70與CF100處理之間玉米籽粒產量差異無統計學意義(p>0.05)(圖3a)． CF50，CF70和CF施氮梯度處理玉米籽粒產量較CK分別提高了185.06%，228.99%和231.60%．

表3 不同施氮處理玉米生長季凈初級生產力(平均值±標準誤)

玉米生長季溫室氣體排放強度(GHGI)結果如圖3b所示， 隨著施氮量的增加，GHGI呈現出與GWP不同的趨勢； 其中最高的處理是CK， 為0.97 kg/kg， 最低的是CF100處理， 為0.37 kg/kg， 從大到小依次為： CK，CF50，CF70，CF100， 且差異有統計學意義(p<0.05)， 但CF70處理與CF100處理間差異無統計學意義(p>0.05)．

圖3 玉米籽粒產量及溫室氣體排放強度(平均值±標準誤)

2.4 不同施氮處理玉米地土壤理化性質的影響

施氮處理可影響玉米地土壤理化性質(表4)． 由表4可知， 施氮處理可降低土壤pH值， 且隨著施氮量的增加而降低， 差異有統計學意義(p<0.05)． 土壤有機質是作物有機營養和礦質營養的重要來源， 是形成良好土壤結構的重要因素， 直接反映土壤的肥力． 不同施氮處理土壤有機碳提高了4.46%～9.50%， 且差異有統計學意義(p<0.05)． 在施氮處理中最高的是CF70處理， 達28.01 g/kg， 最低的是CF100處理， 為26.72 g/kg． 全氮隨著施氮量的增加呈上升趨勢， 最高的CF100處理達1.93 g/kg， 最低的為CF50處理， 為1.80 g/kg， 與CK相比， 增加了28.62%(p>0.05)． 全磷整體趨勢與土壤有機碳類似， 與CK相比， 施氮處理增加了全磷質量分數， 但差異無統計學意義(p>0.05)． 土壤C/N值維持在14.00～17.10， 施用氮肥可降低土壤C/N值， 但差異無統計學意義(p>0.05)．

表4 不同施氮處理土壤基本理化性質(平均值±標準誤)

3 討論

3.1 施氮處理對溫室氣體的影響

農田土壤CO2排放主要取決于根系微生物的呼吸作用和土壤中有機質的礦化作用[20]， 其變化與溫度、 土壤含水量、 土壤養分等因素密切相關． 已有研究指出， 溫度升高加速土壤有機質的分解[21]． 在本研究觀測期間， 7月份溫度較高(圖1a)， 且在追肥后， 土壤CO2排放量達到最高； 8月份CO2排放通量較低， 其可能的原因是土壤水分限制了微生物活性， 導致CO2排放通量減少． 例如葉德練等[22]指出β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性與水分呈顯著正相關關系， 當土壤含水量較低時， 碳相關的酶活性降低， 在土壤含水率較低的情況下， 過氧化氫酶和多酚氧化酶活性降低[23]， 最終導致CO2排放通量降低[24]． 施氮量與土壤CO2排放通量的研究國內外已有報道， Jin等[25]在華東地區研究發現， 土壤CO2隨著施氮量的增加而增加； 李睿達等[26-27]在廣西研究也發現， 隨著施氮量的增加， 土壤中有效氮質量分數增加促進了有機質的分解礦化， 從而產生大量的CO2； Kandel等[28]在美國研究發現， 農作物土壤CO2通量對施氮量響應較強， 呈正相關關系． 在本研究中隨著施氮量的增加CO2排放通量增加， 不同施氮量較CK增加了39.04%～78.56%， 其原因可能是氮肥施用量的增加導致土壤C/N減小， 使微生物更容易被分解利用， 從而刺激土壤呼吸， 增加 CO2排放通量[16]． 另外， 施氮可增強植物光合作用[29]， 同時刺激根和微生物， 增強土壤呼吸[12]， 導致CO2排放通量增強． 施氮通過促進土壤有機質的礦化， 降低土壤pH值， 增加土壤碳積累和釋放速率， 促進CO2排放[30]． 在本研究中3個施氮處理的累積排放量差異無統計學意義， 其可能原因是供試土壤中的氮營養充足， 氮不再是限制微生物活動的主要因素[31]， 這與李燕青等[8]研究結果一致， CO2累積排放通量隨著施氮量增加呈上升趨勢， 但各施氮梯度差異無統計學意義．

CH4在玉米追肥后2～3周出現排放峰值， 這與前人研究相似[32]． 其可能的原因是氮肥的添加為土壤微生物提供了大量的能源， 使其產甲烷菌數量增加， 從而導致CH4排放量增加． CH4受溫度、 濕度、 pH值和氧化還原電位等影響， 因此表現出較大的空間差異性[26]． 本研究CH4排放呈正負波動， 排放通量較小， 可能是CH4的產生主要是在厭氧條件下， 而旱地土壤較為干燥， 通氣條件較好， 更多的氧氣進入土壤將CH4氧化[33]， 從而排放量減少． 在本研究中施氮處理并未對CH4累積排放量產生顯著影響， 這與謝立勇等[34]研究結果一致， 氮肥對土壤 CH4產生的影響受土壤肥力的影響， 當土壤有機碳和全氮質量分數較高時， 施氮對CH4排放量的影響不顯著．

3.2 施氮處理對玉米產量的影響

土壤氮素營養是影響玉米生長發育和籽粒產量的主要因素． 添加氮肥可刺激植物生長， 從而提高農田生態系統的總初級生產力[43]． 施用氮肥可以為土壤提供豐富的養分， 同時能夠激活土壤中潛在的養分， 改善土壤理化性質， 提高作物產量[44]． Shen等[45]研究發現， 施氮肥可顯著提高土壤硝態氮質量分數， 改善玉米生長發育過程中土壤有效氮的供給， 促進根系生物量增加， 擴大根系養分吸收面積， 為地上生長提供養分， 從而提高玉米產量． 馬曉霞等[46]研究發現與不施肥相比， 施肥后土壤速效氮增加， 微生物活性和功能(脲酶和過氧化氫酶)提升， 促進玉米根部養分吸收， 提高籽粒產量．

在本研究中玉米地上部生物量和籽粒產量隨著施氮量的增加而增加， 但CF70與CF100處理的產量相近， 差異無統計學意義． 表明本研究區域施氮量超過CF70時， 其增產效果不顯著， 可能的原因是過量的施肥會使土壤肥力下降， 從而減少作物產量[47]． 張學林等[7]研究發現適量施加氮肥可降低土壤pH值， 酸化土壤， 促進土壤養分的活化和供給； 但過量施氮會導致土壤酸化嚴重， 土壤解毒功能顯著降低， 不利于提高作物糧食產量． 已有研究表明， 當施氮量為60～180 kg/hm2時， 施氮改善了根系生長和玉米植株的生理特性， 促使土壤微環境發生改變， 能更好地讓植物進行光合作用， 發達的根系可顯著提高植物水分利用效率， 最終提高作物產量[48]． 呂鵬等[49]研究也發現， 隨著施氮量的增加， 玉米產量先增加后降低， 當施氮量為240～360 kg/hm2時， 植株氮素總積累量和氮肥利用率均達到最大， 實現玉米高產． 羅上軻等[50]在貴州研究發現， 隨著施氮量的增加， 春玉米產量、 地上干物質和氮素積累量均先增加后減少， 施氮量為240 kg/hm2時春玉米產量達最高， 干物質營養累積量最大． 因此， 適宜的施氮量可促進作物產量增加， 使干物質營養累積， 水分利用效率等達到最高， 過量施氮則會造成土壤酸化嚴重， 不利于作物增產．

3.3 施氮處理對全球增溫潛勢及溫室氣體排放強度的影響

GWP由CO2，CH4和 N2O共同決定， 而旱作土壤中CH4貢獻較低， 有時還表現為弱匯． 在本研究中， CO2排放通量約占總GWP的90%， 因此， CO2排放通量的大小直接影響了GWP值． 在本研究中， 氮肥使用促進了N2O的排放， 與對照CK相比， 施氮處理下N2O排放量提高了33.95%～201.32%， 說明施加氮肥為硝化細菌提供底物， 進而促進了N2O排放， 并且高氮施用量會顯著增加氮肥的氣態損失， 降低作物氮肥利用率[51]． 此外， 環境因子對GWP的影響也不容易忽視， N2O與土壤溫濕度呈顯著正相關關系[41]， pH值是影響N2O排放的重要環境因子， 在堿性地區， 降低pH值能起到固氮減排的效果[52]． 在本研究中， 各施氮處理間GWP有上升趨勢， 但差異無統計學意義， 這與牛東等[53]研究結果一致， 不同施氮量可使GWP增加， 但處理間差異無統計學意義， 主要原因是CO2排放通量是GWP的主要部分， 本試驗供試土壤養分充足， 氮施加對其排放差異無統計學意義， 在水分、 溫度以及施肥方式的共同作用下， CO2累積排放差異無統計學意義， 最終導致各施氮處理間GWP差異無統計學意義．

溫室氣體排放強度反映了溫室氣體累積排放量與作物產量的關系， 是現階段低碳農業的評價指標． 本研究中GHGI值為0.38～0.97 kg/kg， 與前人結果相似[9]， CK處理GHGI最高， 說明不施氮肥， 土壤肥力較低， 導致產量低下[45]， 而隨著施氮量的增加， 玉米籽粒產量隨著增加， 與GWP共同決定了GHGI大小． 施氮處理的溫室氣體排放強度較弱， 低于CK， 這是玉米產量和溫室氣體累積排放量的共同作用的結果， 說明合理的氮肥施用量可以緩解玉米生產對全球變暖的影響． 郝小雨等[54]在傳統施肥的基礎上減量20%氮肥， N2O排放通量顯著降低， 且玉米產量無顯著變化， 但溫室氣體排放強度降低了29.1%． Ma等[55]研究也發現， 在傳統施肥的基礎上減少10%或25%，GWP分別下降了20%和14%， 可有效降低GHGI值． 表明在合適的施氮量下， 可以實現玉米不減產， 并顯著降低GHGI， 實現溫室氣體減排效果[56]． 可見， 高氮肥施加會增加溫室氣體排放， 但對作物增產并無促進作用， 不利于實現溫室減排． 在本研究中， 減量30%化肥(CF70)可不減少玉米產量， 并減少溫室氣體排放量， 是該區玉米旱地合理的施肥量．

4 結論

施加氮肥可促進玉米生長季CO2和N2O排放通量提升并提高玉米生物量及籽粒產量， 但較當地傳統施肥(CF100)， 化肥減量30%(CF70)玉米不減產， 而化肥減量50%顯著降低玉米產量． 結合溫室氣體排放強度， 在當地傳統施肥基礎上， 氮肥減量30%可實現玉米不減產， 且對溫室氣體排放強度無顯著影響， 可實現化肥減量增效， 符合農業的可持續發展目標．