不同施肥策略對陰山北麓旱作燕麥人工草地N2O排放的影響

摘要：本研究以內蒙古武川縣燕麥（Avena sativa）人工草地為研究對象，采用靜態箱法，通過無氮施肥為對照（CK），設置常規施氮（NN），控釋施氮（CN）2個施肥處理，研究旱作燕麥人工草地N2O排放規律，探討N2O排放對不同施肥種類的響應。結果表明：與無氮施肥相比，常規施氮的地上生物量顯著提高37.8%，控釋施氮的地上生物量顯著提高64.5%（Plt;0.05）；與常規施肥相比控釋肥氮素利用率顯著提升了71.0%（Plt;0.05）；不同施肥處理下，燕麥人工草地生長季的N2O排放通量均表現為先增加后降低的趨勢，并在苗期和拔節期出現峰值；與無氮施肥相比，常規施氮的N2O排放量（0.85 kg·hm-2）顯著提高44.1%，控釋施氮的單位產量N2O排放量（0.86×10-4 g·g-1）顯著降低37.2%（Plt;0.05）。本研究發現相較于常規施肥，控釋氮肥提高了燕麥產量且降低了N2O的排放。

關鍵詞：施肥種類；燕麥；地上生物量；N2O排放；陰山北麓

中圖分類號：S812文獻標識碼：A文章編號：1007-0435（2023）03-0827-07

Effects of Different Fertilization Types on N2O Emissions from Dry Avena sativa L.

Artificial Farmland in the Northern Slope of Yinshan Mountain

XING Jia-qing1， LIU Gang1， SUN Yu1， ZENG Yuan-tao1， ZHENG Jia-hua1， LI Shao-yu1，

WU Yun-ga1， WANG Yun-bo1， ZHANG Bin1， SHI Shi-bin2， WANG Zhan-hai3， ZHAO Meng-li1*

（1. College of Grassland and Resources and Environment， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010010， China；

2. Institute of Water Resources Sciences， Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot， Inner Mongolia 010052， China;

3.Hulunbuir City Agricultural Technology Extension Center， Hulunbuir， Inner Mongolia 021008， China）

Abstract：The present study was conducted in oat （Avena sativa） artificial grassland in Wuchuan County，Inner Mongolia by setting up two fertilization treatments of the conventional nitrogen application （NN） and controlled-release nitrogen application （CN），along with no nitrogen fertilizer application as the control-check （CK）. The static box approach was used to study the N2O emission patterns of dry oat artificial farmland and explore the response of N2O emission to different fertilization strategies. The results showed that the aboveground biomass was significantly increased by 37.8% with the conventional N application and 64.5% with the controlled-release N application compared to no N application （Plt;0.05）;the nitrogen utilization rate of the controlled-release fertilization was significantly increased by 71.0% compared to that of the conventional fertilization （Plt;0.05）. The N2O emission fluxes of oat artificial farmland showed a first increasing and then decreasing trend during the growing season under both nitrogen fertilization treatments，with a peak at the seedling and nodulation stages. Compared to the no nitrogen application，N2O emission of the conventional nitrogen application （0.85 kg·hm-2） was significantly increased by 44.1%，and N2O emissions per unit yield in the controlled release fertilization （0.86×10-4 g·g-1） was significantly reduced by 37.2% （Plt;0.05）. This study demonstrated that controlled-release N fertilization increased oat yield and reduced N2O emissions compared to conventional fertilizer application.

Key words：Fertilization strategies;Avena sativa L.;Above-ground biomass;N2O emission;Northern slope of Yinshan mountain

近年來溫室氣體濃度不斷上升，嚴重影響人類的生存和發展。溫室氣體中CO2濃度最高，但N2O的增溫潛力是CO2的190～270倍［1］。N2O的主要排放源為土壤，其排放量約為全球N2O總排放量的60%［2］。氮素（N）作為植物主要的營養元素之一，可有效調控植物的干物質積累和光合作用，同時對產量有著制約作用［3］。隨著化肥的大量使用，尤其是氮肥使用，加劇土壤退化和土壤N2O的排放［4］。施用氮肥是提高作物產量的基本刺激因素。氮肥的施用在一定程度上可促進作物產量，提高經濟效益，但是，在作物生產系統中，過量施用氮肥會導致低氮利用率和高溫室氣體（N2O）排放［5］。李曉立等［6］通過對玉米田農作物及N2O排放特征的研究發現，與不施加氮肥農田相比，施加氮肥農田N2O累計排放量增加了40%左右，且不同施肥策略影響了作物的氮肥利用率及作物的產量。控釋氮肥，能夠延遲植物的氮吸收，有利于促進作物生長，減少氮損失，提高產量和氮使用效率［7］。研究表明，與常規施肥相比，控釋施肥的N2O排放總量下降［8］。也有學者表示在長期不同肥料配合影響下的土壤也會在一定程度上影響土壤N2O排放［9］。提高氮素利用率（NUE）和減少氮的施用量也可以在作物生長過程中降低由于氮肥所產生的溫室氣體的排放［10-13］。目前，控釋肥對農田土壤溫室氣體排放的研究較多，但主要集中在稻田［14］和玉米田［15］上。

燕麥（Avena sativa）是禾本科燕麥屬的一年生草本植物，作為一種優良的糧飼兼用型作物，可以填補我國飼草料需求量的巨大缺口［16］。內蒙古作為我國燕麥的主要產區，燕麥種植面積占全國的35％［17］。有學者研究了單肥對燕麥人工草地溫室氣體排放的影響［18］。然而，研究混合肥和控釋肥對燕麥人工草地溫室氣體排放的影響較為少見。因此，研究不同施肥種類對N2O排放的影響極其重要。在未來氣候變化情景下，需要通過定量評估不同施肥種類對農作物的產量和N2O排放的影響，來保障農業的可持續發展。

本研究以內蒙古陰山北麓的武川縣燕麥人工草地為研究對象，研究不同混合肥的施肥種類對燕麥人工草地生物量及N2O排放量的影響，旨在明確不同施肥種類對旱作燕麥人工草地土壤N2O排放特征的影響。

1材料與方法

1.1實驗地概況

實驗樣地為內蒙古自治區呼和浩特市武川縣大興昌村附近燕麥人工草地（114°42′E，41°09′N，海拔高度1 534 m），實驗地燕麥種植為連年進行，2019年底，武川縣燕麥種植面積達到29.5萬畝、產量2.74萬噸（武川縣農牧和科技局）。研究區屬于溫帶大陸性氣候，日照充足，晝夜溫差及冬夏溫差較大，年平均氣溫3.0℃，最冷月為一月，平均氣溫—14.8℃，最熱月為七月，平均氣溫18.8℃。土壤類型主要為栗鈣土。無霜期124 d左右，年平均降水量為354.1 mm。

1.2試驗設計

在呼和浩特市武川縣大興昌村附近燕麥人工草地內設置CK無氮施肥（過磷酸鈣，硫酸鉀，無氮肥）；NN常規施氮（過磷酸鈣，硫酸鉀，尿素）；CN控釋施氮（過磷酸鈣，硫酸鉀，控釋肥）3種施肥種類，施肥量為尿素（130 kg·ha-1）、過磷酸鈣（900 kg·ha-1）、硫酸鉀（96 kg·ha-1）和控釋肥（375 kg·ha-1），其中控釋肥為復合肥（氮含量16%，P2O5含量 19%，K2O含量10%），尿素氮含量為46%。所有肥料以底肥方式于播種當天在播種前以條施法翻地后施用，深度約5 cm。實驗采取單因素處理（施肥種類），無其他干擾因素，采用隨機區組設計，5次重復，共15個小區，小區面積4 m×4 m，小區間間隔2 m。燕麥品種為蒙飼一號，播種方式為條播，行距30 cm，播深4～7 cm，播量為210 kg·ha-1，播種日期為2020年6月4日。苗期灌溉方式為噴灌，灌水時間為2020年6月5日—2020年6月20日，灌水量為4 002 m3·hm-2，待出全苗后，停止灌溉。燕麥整個生育期內，采用人工除草，不施用殺蟲劑和除草劑。

1.3樣品采集和指標測定

1.3.1氣體樣品采集氣體采集采用靜態箱法。底座于2020年6月1日小區施肥播種后埋入各試驗小區，底座頂端與小區土壤表面齊平，底座內播種密度與底座外保持一致。每個小區分別在0，10，20，30 min各采集一次樣品，每個小區每次采集四個樣品，采樣結束后將靜態箱移走，使箱體對植株和土壤環境的影響最小化。樣品帶回實驗室迅速測定。施肥5天內每2天采集一次樣，其余時間7天采樣一次，采樣時間為上午8：30—11：30，采樣持續時長為2020年6月5日—2020年11月22日。采樣時避開陰雨天，采集氣體的同時用數字溫度計記錄當天氣溫、箱溫以及10 cm深度土壤溫度。采集的氣體帶回實驗室，用PICARRO G2308 分析儀進行分析。

1.3.2地上生物量測定地上植物樣品采集采用剪割法，在燕麥抽穗期（8月15日左右）進行刈割，每小區設置2個0.5 m×0.5 m樣方，將樣方內燕麥齊地面刈割后裝入信封中，室內置于65℃烘箱中烘干48 h至恒重，稱重。

1.4數據處理及分析

1.4.1氣體通量、排放量及氮利用率計算公式氣體通量公式［19］如下：

F=ρ·h·dc/dt·273/（273+T）

其中：F為N2O 排放通量（μg·m-2·h-1）；ρ為N2O為標況下的密度為（1.9647 kg·m-3）；h為取氣時的罩箱高度（m）；dc / dt為氣體濃度變化率；T為取氣過程中罩箱內平均氣溫（℃）；

溫室氣體排放量公式［20］：

CE=∑ni=1Fi+1－Fi2×（ti+1－ti）×n

其中：CE表示N2O排放量；F為N2O排放通量；i表示第i次氣體采樣；ti+1-ti表示2個相鄰測定的間隔天數；n為通量觀測次數。

單位產量N2O排放量公式如下：

單位產量N2O排放量=N2O排放量/單位面積產量

氮肥利用效率計算公式：

NUE（kg·kg-1）=

施氮區地上生物量-非施氮區地上生物量氮施用量

1.4.2數據分析處理用Excel 2010對實驗所得數據進行初步整理，隨后根據通量公式進行通量計算。采用SPSS 22.0（IBM公司）對不同施肥種類下的燕麥生物量和土壤N2O排放量進行單因素方差分析（ANOVA），采用Duncan多重比較進行檢驗，顯著性水平為Plt;0.05。采用Origin 2021（OriginLab）繪制圖表。

2結果與分析

2.1不同施肥種類下燕麥人工草地土壤溫度的變化

3種不同施肥種類下燕麥人工草地土壤溫度變化趨勢基本一致，并表現出明顯的季節性，其土壤溫度峰值均出現在燕麥拔節期。不同處理間變化規律較明顯：在整個測定期間，土壤溫度總體大小為CK處理最高，常規施氮次之，控釋施氮最低，且同一處理間無明顯差異，到燕麥生長后期至收割后，不同處理間的土壤溫度較為接近（圖1）。

2.2不同施肥種類燕麥地上生物量

合理的施肥種類可以提高燕麥人工草地地上生物量。CK處理的地上生物量為4.26 t·hm-2，常規施氮處理的地上生物量為5.87 t·hm-2，控釋施氮處理的地上生物量為7.01 t·hm-2。同CK相比，NN的地上生物量提高37.8%（Plt;0.05），CN的地上生物量提高64.5%（Plt;0.05）。燕麥地上生物量表現為CNgt;NNgt;CK處理，其中CN處理、NN處理均與CK處理差異顯著（Plt;0.05），且CN處理顯著高于NN處理（Plt;0.05）（圖2）。

2.3不同施肥種類氮素利用率

研究采用獨立樣本T檢驗判斷不同施肥種類是否對氮素利用率產生的影響，結果顯示NN處理與CN處理的氮肥利用率在0.01顯著性水平下呈現差異，由上述公式計算得出NN處理的氮肥利用效率為26.81 kg·kg-1，CN處理的氮素利用效率為45.84 kg·kg-1，相較NN處理CN處理的氮素利用率提高了19.03 kg·kg-1，進一步使用方差分析發現CN處理顯著高于NN處理（Plt;0.05）（圖3）。

2.4不同施肥種類燕麥人工草地N2O排放通量

土壤溫度可顯著影響N2O排放量（表1）N2O排放通量表示每小時每平方米N2O排放量。燕麥人工草地的N2O排放通量在不同施肥處理下，均表現為先增加后降低的趨勢，均在2020年6月14日—2020年7月1日出現峰值（圖4）。

2.5不同施肥種類燕麥人工草地N2O排放量

合理的施肥種類可以降低燕麥人工草地N2O排放量（圖5）。CK處理的N2O排放量為0.59 kg·hm-2，NN處理的N2O排放量0.85 kg·hm-2，CN處理的N2O排放量為0.60 kg·hm-2。同CK相比，NN的排放量顯著提高44.1%（Plt;0.05），CK與CN無顯著性差異，試驗區燕麥人工草地N2O排放量表現為NNgt;CNgt;CK處理。

2.6不同施肥種類燕麥人工草地單位產量N2O排放量

合理的施肥種類可以降低燕麥人工草地單位產量N2O排放量（圖6）。CK處理的單位產量N2O排放量為1.37×10-4 g·g-1，NN處理的單位產量N2O排放量為1.44×10-4 g·g-1，CN處理的單位產量N2O排放量為0.86×10-4 g·g-1。同CK相比，CN的單位產量N2O排放量顯著降低37.2%（Plt;0.05），燕麥人工草地單位產量N2O排放量表現為NNgt;CKgt;CN處理，CK與NN無顯著性差異。

3討論

3.1不同施肥種類對燕麥人工草地生物量及氮素利用效率的影響

施肥是合理向土壤投入農作物所需養分的方式之一，通過制定和實行合理的施肥策略可以提高農作物產量和品質。施肥量的多少和施肥方式的不同均會影響作物的地上生物量。目前，控釋肥已成為提高作物產量和提高氮肥利用效率的重要措施之一。與CK相比，NN處理即常規施氮會使燕麥增加無機氮這一營養元素，從而導致燕麥生物量有所上升；CN處理即施用控釋氮可以促進燕麥對營養元素的吸收［21］，并且可以通過影響葉片的光合性能來降低葉片的衰老速度［22］，從而提高燕麥人工草地地上生物量，謝春生等［23］的研究也表明控釋氮對作物產量具有調控作用。NN處理與CN處理的燕麥人工草地地上生物量與對照組常規施肥燕麥人工草地地上生物量相比均差異顯著，說明不同施肥處理對燕麥人工草地地上生物量有顯著影響。同時，燕麥的生長發育也會受到其他因素影響，比如土壤基礎地力、刈割高度以及降水狀況等都會影響其地上生物量，且影響是波動性的［24］。

農業生產大多以增加施氮量來提高作物產量，對于作物，過度的氮施用量在減緩增產效應的同時，也會降低氮素的利用率［25］。本實驗研究發現控釋氮肥可以在增加燕麥人工草地地上生物量的同時顯著提高氮素利用率，這與Zhu等［26］的控釋肥實驗的研究結果相似，控釋氮肥提高產量和氮素利用率的主要原因可能與其氮的釋放特性有關，控釋肥在幾個月內釋放N，可以滿足作物整個生育期對于N的需求［27］。這一研究明確了控釋肥在內蒙古呼和浩特市武川縣以及相似地區在燕麥人工草地上的應用效果，可為燕麥種植的合理施肥提供依據。

3.2不同施肥種類對燕麥人工草地N2O排放的影響

本研究期間燕麥人工草地N2O排放通量表現為正值，是排放源。常規施氮通過增加無機氮，導致燕麥N2O排放通量上升；施用控釋氮在緩慢釋放氮元素的同時會促進燕麥對氮元素吸收，與常規施氮相比會降低燕麥N2O排放通量，燕麥人工草地的N2O排放通量在不同施肥處理下均表現為先增加后降低的趨勢，并在2020年6月14日苗期和2020年7月1日拔節期出現峰值，在土壤-大氣間的N2O排放通量研究中，排放通量受諸多因素影響，張東［28］通過研究土壤濕度對N2O排放的影響發現，土壤濕度越大，N2O的排放通量越大，在2020年6月5日—2020年7月14日期間正值頻繁降雨期，期間降水量的增加，也會促進土壤硝化反應和反硝化反應［29］，因此會導致N2O排放通量的上升。本研究表明在氮肥施于土壤后N2O呈現迅速釋放狀態，然后其通量下降到了與無氮處理相近的水平，這與Cheng［30］等的研究結果相似。杜睿等［31］通過調查研究發現，增溫也能夠促進草原N2O的排放，根據本實驗所記錄的采樣日期土壤溫度顯示（圖1），溫度較高時N2O排放增速較快，且土壤溫度與N2O排放量呈極顯著相關關系由此可見土壤溫度影響N2O的排放通量。

不同施肥種類會影響燕麥人工草地N2O的排放量。NN處理即常規施肥下的燕麥人工草地N2O排放量明顯高于CK處理，本研究結果顯示NN處理是三個處理中N2O排放量最多的施肥種類，說明單一的尿素氮肥會明顯增加土壤N2O的排放量，這可能是由于肥料投入為微生物提供了大量氮源，同時氮素的含量超過作物和土壤微生物的需求，多余的氮也可能通過硝化和反硝化［32］形成N2O排放出去，進而導致了大量的N2O排放。造成CN處理N2O排放量明顯低于NN處理的原因可能是由于控釋氮肥的氮素在生育期內緩慢釋放，低的土壤無機氮使得控釋氮肥能夠降低N2O排放量［21，33］。同時由于控釋氮肥中較低的氮濃度減小了硝化作用和反硝化作用的底物濃度［34］，從而導致土壤N2O排放減少。本研究燕麥人工草地單位產量N2O排放量的高低代表排放量和產量的比值，用以補充說明CN處理的優勢。與CK相比，CN處理即控釋肥下的燕麥人工草地單位產量N2O排放量明顯低于CK處理，而NN處理與CK無明顯差異，這一研究進一步明確了控釋肥在內蒙古呼和浩特市武川縣以及與此相似的地區在燕麥人工草地單位產量N2O的排放量上的應用效果。

4結論

本研究通過田間試驗發現，與無氮施肥相比，常規施氮與控釋施氮均可顯著提高燕麥人工草地地上生物量（Plt;0.05），且控釋施氮顯著高于常規施氮（Plt;0.05），與常規施肥相比控釋肥顯著提升了氮素利用率（Plt;0.05）。氮肥施用種類顯著影響N2O的排放，在不同施肥處理下，燕麥人工草地生長季的N2O排放通量均表現為先增后降的趨勢，并在苗期和拔節期出現峰值，與無氮施肥相比，常規施氮會顯著提高N2O排放量（Plt;0.05），控釋施氮會顯著降低單位產量N2O排放量（Plt;0.05）。因此，控釋肥可以提高田間產量、提高氮肥利用效率，減少N2O排放。

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（責任編輯彭露茜）