不同施肥方式对玉米产量和温室气体排放的影响

郭耀东，邬 刚，武小平，温日宇

（1.山西省农业科学院玉米研究所，山西忻州034000；2.南京农业大学生态环境研究所，江苏南京210095）

调控施肥[1-2]的多地点和多作物试验表明，其具有提高产量、改善农产品品质和降低硝酸盐积累和环境污染的良好作用[3]。当前，农业温室气体排放倍受科学界和农业部门的关注。

根据潘根兴等[4-6]的研究，我国农作物生产的温室气体排放显著高于发达国家，且65%以上的温室气体排放来自氮肥的施用。我国农业生产的可持续发展还应考虑温室气体减排，特别是要降低农业生产中土壤、肥料的温室气体排放。因此，需要研究良好施肥是否具有显著的温室气体减排效应。

本试验以中国北方雨养旱地春玉米农田土壤为研究对象，采用静态暗箱- 气相色谱法试验观测不同施肥配比下农田土壤呼吸、N2O 和CH4的排放情况，研究常规施肥与调控施肥对雨养旱地玉米生产和温室气体排放的影响，旨在阐明调控施肥的减排效应和低碳生产的特点，为调控施肥作为一项低碳施肥技术全面推广提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验区土壤概况

试验区位于山西省忻州市豆罗镇高铺村，种植制度为一年一季玉米。该地处东南季风的背风坡，降雨少，干旱严重，年平均气温为8.0～10.5 ℃，无霜期为145～165 d，年平均降水量为400～490 mm。土壤类型为石灰性褐土。土壤基本性质列于表1。

表1 试验地土壤基本性质

1.2 试验方案

试验于2011 年5—10 月进行。试验的单因素区组设计与处理方案列于表2。施肥方式设不施肥（F0）、常规施肥（F1）和调控施肥（F2）3 个处理，其中，常规施肥方案来自当地农民的常规习惯施肥量，调控施肥方案来自山西省农业科学院农业资源与经济研究所用调控施肥技术计算的施肥量。每个处理3 次重复，共9 个小区，小区面积为4 m×7 m。于2011 年5 月8 日布置小区，5 月11 日播种，6 月28 日追肥，9 月25 日收获。常规施肥于玉米拔节期（6 月28 日）追施尿素225 kg/hm2。温室气体监测的底座内追肥量按1 穴玉米计算的施用量（3.4 g）。

表2 田间试验设计与处理

1.3 试验样品采集与测定方法

1.3.1 土壤温室气体样品的采集与测定 野外观测与气体样品采集于2011 年5 月11 日至9 月25 日进行，基肥施用后在每一小区的中央选取地表相对平坦的区域安放底座，底座内无植株，并且距离底座边框20 cm 的范围内不种植玉米。采样时将采样箱（35 cm×35 cm×20 cm）扣在底座上并用水密封，在扣箱后0，10，20，30 min 时用60 mL 注射器从采集箱中部的采气孔插入（来回抽动3 次，以便完全混匀气体），抽取气体30 mL 转存于真空瓶中（采样时间在上午9：00—11：00 进行）。采样当天为晴朗或多云天气，每周采集一次。土壤CH4，N2O 和CO2排放通量采用静态暗箱- 气相色谱法测定。

所采集的气体样品采用Agilent 公司GC-7890A 气相色谱仪同时测定CO2，CH4和N2O 的浓度，其中，CO2，CH4用FID 检测器测定，N2O 用ECD 检测器测定。

1.3.2 产量及其结构因素的测定 成熟期取8 m2样品，称量，测定玉米产量。晾晒干后从中取5 穗测定穗行数、行粒数，脱粒，再称质量，测定玉米含水量、千粒质量，折算成含水量为14%的产量。

1.3.3 数据处理、计算与统计方法 （1）土壤温室气体排放通量（F）：某一微量气体的排放通量指单位面积上单位时间内该气体的排放量，排放通量为正值表示向大气排放，负值则表示吸收。假定采样箱横截面积为A，有效高度为H（旱地为地表至箱顶的高底），则箱内空气体积V＝AH。温室气体排放通量F 为：

若以CH4为例，式中，ρ 为CH4气体的密度（g/L），M 为CH4的摩尔质量（16 g/mol），R 为普适气体常数（8.314 J/（mol·K），T 为采样时箱内平均气温（℃），P 为采样点大气压力，通常视为标准大气压，即P 为1.013×105Pa（由于大气压随海拔高度而变，因此对于高海拔区需将实际气压代入（1）式）。把常数代入（1）式中，经整理可得到CH4的排放通量F 的计算式为：

（2）式中，F 表示CH4排放通量（mg/（m2·h））。常数60 为时间换算。H 为采样箱的有效高度（m），T 为采样时箱内平均气温（℃），dC/dt 为CH4排放速率（μL/（L·h））。

对于气体CO2和N2O，只需将相应气体的摩尔质量替换为CH4的摩尔质量即可。各处理每次排放通量用各重复平均值表示，作物季节平均排放通量则以每次采样时间间隔为权重进行加权平均求得，生长季节累积排放量以每次排放通量的加权和表示。

（2）全球增温潜势（GWP）和温室效应强度（GHGI）：GWP 是将各种温室气体的增温潜势换算为CO2当量。

式中，GGWP为CH4和N2O 综合增温潜势，单位为kg CO2-equivalents/hm2；E-CH4和E-N2O 分别为CH4和N2O 季节排放量，单位为kg/hm2。以CO2为参照，CH4和N2O 的相对GWP 值在100 a时间尺度上分别为25 和198。

式中，GGHGI为该处理温室气体排放强度，单位为kg CO2-equivalents/t；Y 为单位面积平均产量，单位为t/hm2。

1.4 数据分析

数据计算及图表制作采用Excel，处理间用JMP 7.0 进行单因素方差分析及多重比较。

2 结果与分析

2.1 温室气体季节排放通量变化特征

观测期内N2O 排放通量动态变化显示，玉米生长季有明显的N2O 排放，施氮肥的各处理均有明显的排放峰，不施氮肥的各处理N2O 排放峰不明显。在常规施肥和调控施肥方式下，各处理均有明显排放峰，但排放峰的个数也有差别，即常规施肥比调控施肥多1 个排放峰。常规施肥N2O 季节平均排放通量为0.062 mg/（m2·h）；调控施肥处理N2O 季节平均排放通量为0.018 mg/（m2·h），约为常规施肥的1/3。从不同N2O 排放在整个玉米不同生育期内的分配来看，土壤N2O 排放主要集中在施基肥后1 个月内。经统计，常规施肥和调控施肥在施基肥后1 个月内N2O 排放总量占季节排放总量的比例分别可达到79.3%和76.5%。

此外，在7 月31 日和9 月8 日，各处理均出现了2 个比较弱的排放峰，则可能与7 月29 日的大雨和9 月4 日的中雨有关[7]。

在整个生长季节内，各处理的土壤CH4排放都表现出吸收的特征。在无肥条件下，土壤CH4平均吸收通量为-0.026 mg/（m2·h）；常规施肥条件下，土壤CH4平均吸收通量为-0.019 mg/（m2·h）；调控施肥条件下，土壤CH4平均吸收通量为-0.025 mg/（m2·h）。常规和调控施肥的CH4平均排放通量没有显著差异。

玉米地观测季CO2表现为净排放。无氮肥时，土壤CO2排放通量为209.46 mg/（m2·h）；常规施肥时，土壤CO2排放通量为208.20 mg/（m2·h）；调控施肥时，土壤CO2排放通量为218.44mg/（m2·h），二者没有显著差异。

从季节排放动态来看，在春玉米整个生育期中，各处理的CO2排放动态变化基本趋势一致。在6 月16 日之前，CO2排放通量随生长天数的增加逐渐降低，而6 月23 日后又随着植物的生长迅速上升，此后到玉米收获期，各处理的CO2排放通量均处于较高水平，排放高峰交替出现。观测前期土壤翻耕使得土壤通气性变好，有助于CO2的产生和排放[8]，因此，前期土壤呼吸较高，随后CO2逐渐降低。到6 月中下旬，气温升高，降雨增多，土壤湿度的变化使排放高峰交替出现[9]（图1）。

2.2 温室气体季节排放总量

由表3 可知，在无氮肥条件下，F0，F1，F2 的CH4，CO2排放总量无显著差异。调控施肥与常规施肥相比，N2O 排放量显著降低了70.3%（P＜0.05），表明优化施肥明显降低了N2O 的排放。

表3 不同处理温室气体季节排放总量kg/hm2

2.3 CH4 和N2O 综合影响评价

评价综合温室效应以CH4和N2O 这2 种气体为主，计算方法详见公式（3）。不同施肥条件下评价结果如表4 所示。

表4 不同处理CH4 和N2O 综合温室效应

由表4 可知，100 a 尺度下雨养旱地玉米生长期间所排放的CH4和N2O 温室气体强度每公顷达到0.6 t CO2当量，而调控施肥下产量提高4%，温室气体强度降低70%，因此，增产的同时还实现了大幅度减排的良好高产低碳效果。由表4 可以得出，与常规施肥相比，调控施肥的玉米生产碳强度显著降低了73.91%，而产量则显著增加。

3 讨论

3.1 雨养旱地CH4 对施肥的响应

本试验结果表明，与施肥处理相比，无肥处理的CH4吸收总量有增加趋势，也就是说施N量增加可能抑制了土壤对甲烷的吸收。这与Bodelier 等研究得出的施肥改变了CH4氧化菌的活性，从而降低了土壤对甲烷的吸收能力的结论一致。Hutsch 等[10]研究得出，在农田生态系统中，当无机N 施用量由48 kg/hm2增加至144 kg/hm2时，土壤的CH4氧化速率明显降低。美国北部温带森林增施氮肥后，甲烷氧化能力降低了30%～60%[11]。有研究表明，无机N 肥对CH4氧化的抑制作用主要是因为：（1）土壤中CH4含量低，不能激活CH4单氧酶的活性；（2）NH4+抑制CH4氧化；（3）NH4+-N 肥料抑制了CH4氧化菌的活性；（4）施肥破坏了CH4菌要求的稳定土壤结构[12]。

3.2 雨养旱地CO2 对肥料施用的响应

CO2是一种重要的温室气体，其在旱地土壤的排放量远高于甲烷和氧化亚氮等温室气体。土壤呼吸释放的CO2的速率影响土壤碳库的收支平衡。在同样的气候条件下，土壤碳库水平是决定土壤呼吸速率的重要因素。本试验得出，不同施肥方式对土壤的CO2释放无显著影响。

3.3 雨养旱地N2O 对不同施肥方式的响应

本试验表明，与无N 肥相比，施用N 肥均可显著促进旱地土壤N2O 排放，这与前人研究结果一致，即充足的土壤N 素能为土壤硝化和反硝化微生物提供足够的N 源[13]，硝化作用和反硝化作用是土壤N2O 产生的主要途径[14]。本试验中，不同施肥方式下N2O 排放有明显的差异，与常规施肥相比，调控施肥的N2O 排放总量降低70.3%。分析其结果可能有2 个方面原因，一是常规施肥与调控施肥相比，氮肥的用量较高，进而增加了其硝化过程中微生物的有效氮源，从而促进其N2O 的排放；二是调控施肥与常规施肥相比，磷肥的用量较高，可能会增加其土壤磷酸酶的活性[15]，由于磷酸酶活性越强，速效态磷水平越高，则土壤中的有效态氮能很好地被生物利用，N2O 排放少，因此，可以初步推测是N，P 的交互作用提高了N 的利用效率，从而减少了N2O的排放，但关于N，P 的交互作用对N2O 排放影响的机理研究较少，还有待进一步研究。

4 结论

本研究表明，整个观察期雨养旱地春玉米农田土壤N2O 和CO2表现为净排放，而CH4呈现净吸收的特征。N2O 的排放主要集中在施基肥后1 个月，占整个季节排放总量的70%以上。研究结果还表明，N 肥的施用抑制了CH4的吸收。

常规施肥与调控施肥方式下的N2O 排放有明显的差异，与常规施肥相比，调控施肥的N2O排放总量降低70.3%，但是对CH4和CO2排放量的影响均不显著。

常规施肥的GWP 和GHGI 均显著高于调控施肥，因此，证明调控施肥是一种高产、低碳的施肥方式和技术，值得在我国农业中广泛推广。

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