免耕条件下控释肥对麦季氧化亚氮排放的影响

张岳芳， 郑建初， 周 炜， 胡宇容， 王 鑫， 盛 婧， 陈留根

(江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏省农业科学院循环农业研究中心，江苏 南京 210014)

二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是与全球气候变化关系密切的温室效应气体［1］，其中N2O的单位质量全球增温潜势(GWP)最高，100 a尺度上是CO2的298倍［2］。大气中N2O的体积分数已由工业革命前的2.70×10-7提高到目前的3.24×10-7［2］，并以每年0.2% ～0.3% 的速率增长［3］。农田是大气N2O的重要来源，施用化肥(尤其是氮肥)是农田N2O排放量增加的原因之一，全球每年因施用化学氮肥产生的N2O约1.5×106t，占人类活动向大气输入N2O量的44%和每年向大气输入N2O总量的13%［4］。有学者指出，化学氮肥施用量的逐年增加已成为中国农田N2O排放量逐年上升的主要因素［5-7］，因此，如何减少因氮肥施用而产生的N2O排放对于缓解全球气候变暖显得极为迫切。

控释肥是目前国内外肥料研究的热点，前人关于控释肥对作物产量及其肥料利用率的影响已有大量研究［8-11］，关于控释肥影响农田N2O气体排放方面，大多数研究者认为，控释肥的施用减少了农田氮肥施用后N2O的直接排放，以及因氮肥的渗漏和径流损失而间接引起的N2O排放［12-14］，也有研究显示施用控释肥增加了N2O排放［15］或者没有显著影响［16-17］。免耕是保护性耕作最主要的技术之一，省工节本优势明显［18-19］，在南方稻麦两熟农田，免耕主要应用于冬小麦生长季［20-21］，但迄今为止免耕条件下控释肥对稻麦两熟农田麦季N2O排放的影响未见报道。为此，本研究选取长江下游典型稻麦两熟高产农田为对象，对免耕条件下不同肥料处理的麦季N2O排放动态进行监测，以期为合理施肥和发展农田免耕技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

田间试验于2012年11月至2013年6月在江苏省常熟市苏州现代农业示范区(31°33'N，120°37'E)进行，该区主要为水稻-冬小麦两熟制。试验区气候属于亚热带湿润性季风气候，年平均气温15.5℃，年降水量为1 042 mm，日照2 130 h，太阳辐射4.94×105J/cm2，无霜期242 d。试验期间的降水量和日均温见图1。试验区稻田土壤类型属乌栅土，试验前耕层(0～20 cm)土壤容重1.2 g/cm3，有机质含量32.4 g/kg，全氮含量1.7 g/kg，速效磷含量9.8 g/kg，速效钾含量96.6 mg/kg，pH值6.3(水土比2.5∶1.0)。

采用单因素随机区组设计，每处理4个重复，小区面积为20 m2，肥料品种试验设6个处理:碳酸氢铵处理(碳酸氢铵由张家港市华昌化工股份有限公司生产，氮含量17.0%，)、尿素处理(尿素由四川美丰化工股份有限公司生产，氮含量46.4%，)、复合肥处理(复合肥由中国农资集团有限公司生产，氮、五氧化二磷、氧化钾含量均为16.0%)、Osomcote控释肥处理(Osomcote控释肥由美国Scotts公司生产，5～6个月型树脂包膜复合肥，氮、五氧化二磷、氧化钾含量分别为14.0%、13.0%和13.0%)、Nutricote控释肥处理(Nutricote控释肥由日本Chisso-Asahi株式会社生产，180 d型树脂包膜复合肥，氮、五氧化二磷、氧化钾含量均为13%)和无氮对照，各处理氮、五氧化二磷、氧化钾施用量均为210 kg/hm2，五氧化二磷和氧化钾不足部分施入等量的过磷酸钙和氯化钾。

麦季供试品种为扬麦14号，2012年11月11日稻田免耕套种小麦(2012年11月14日机收水稻)，播种量150 kg/hm2，碳酸氢铵、尿素、复合肥于2012年11月15日撒施基肥(占总肥量60%)，次年的3月3日撒施拔节肥(占总肥量40%);Osomcote控释肥和Nutricote控释肥作为基肥于2012年11月15日一次性施入土壤。小麦生长期无灌溉，其他田间管理措施参照当地一般高产田，于2013年6月4日收获小麦。

1.2 样品采集与分析

N2O气样采集与分析采用静态暗箱-气相色谱法。聚氯乙烯采样箱(购自中国科学院南京土壤研究所)外部包有薄海绵和铝箔胶带，防止太阳照射导致箱内温度变化过大。冬小麦生长季每周采气1次(春节期间除外)，施肥之后3周每周采气2次，采样时间在8∶00～10∶00。采气样前打开采样箱内顶部2个小风扇以充分混匀箱内气体，采集气样时，将采样箱垂直安放在底座5 cm深的凹槽内并加水密封，每隔10 min采一次样，共4次。

图1 试验期间的降水量和日均温Fig.1 Daily precipitation and average daily temperature during w inter wheat-grow ing season

每周取耕层0～20 cm的土样，充分混匀后用2 mol/L KCl浸提新鲜土样的有效氮和，土水比为1∶5)，用Skalar连续流动分析仪测定。小麦收获期，每小区取长势均匀的1 m2样方2个，收获脱粒后烘干计产(冬小麦籽粒产量以15%水分计)。

气样中的N2O体积分数采用带有63Ni电子捕获检测器的Agilent7890A气相色谱测定，分离柱为Porapak Q填充柱(80/100目)，柱温60℃，检测温度为300℃，载气为95%氩气+5%甲烷，流速40 ml/min。气体排放通量采用下式计算:

式中F为气体排放通量［mg/(m2·h)］，ρ为标准状态下气体的密度(kg/m3)，h是采样箱的净高度(m)，dc/dt为单位时间内采样箱内气体的浓度变化率，273为气态方程常数，T为采样过程中采样箱内的平均温度(℃)。

N2O排放系数(以N2O-N形式排放的氮素占施入氮肥的百分率)按下式计算:

N2O排放系数=(Tn-T0)/44×28/施氮量×100%［23］

式中:Tn为施氮处理N2O排放总量，T0为不施氮处理N2O排放总量。

1.3 试验数据处理

采用Microsoft Excel 2007对数据进行处理和绘图，N2O排放通量用每次观测4个重复的平均值及标准偏差来表示，季节平均排放通量是将4个重复的观测值按时间间隔加权平均后再平均。试验数据采用SPSS11.5统计软件进行方差分析和和多重比较(Duncan’s法)。

2 结果与分析

2.1 控释肥对麦季土壤有效氮季节变化的影响

从图2可以看出，在整个小麦生长期间各肥料处理的土壤铵态氮和硝态氮含量呈现明显的动态变化，不施氮肥的对照处理麦季土壤铵态氮和硝态氮含量始终维持较低水平。除对照外，其他处理的铵态氮含量均在2013年1月23日达到最大值(10.6～39.2 mg/kg)，施用Osomcote控释肥处理在2013年4月14日又出现土壤铵态氮含量增加的小高峰。在小麦播种后1个月内普通肥料(碳酸氢铵、尿素和复合肥)处理的土壤硝态氮含量迅速增加，显著高于施用控释肥(Osomcote和Nutricote控释肥)处理，此后至施用拔节肥土壤硝态氮含量有明显下降趋势，当施用拔节肥后其含量在迅速上升后再次下降，而施用Osomcote和Nutricote控释肥处理在返青时土壤硝态氮含量保持在较高水平，Osomcote控释肥处理在2013年4月14日后的1个月时间里土壤硝态氮含量明显高于其他处理。

2.2 控释肥对麦季氧化亚氮排放通量季节变化的影响

在小麦生长期间，不同处理下农田氧化亚氮排放通量的变化趋势较为相似(图3)。各处理均在2012年11月23日出现氧化亚氮排放最大高峰，碳酸氢铵、尿素、复合肥、Osomcote控释肥和Nutricote控释肥处理及对照的氧化亚氮排放峰值分别 为 487.6μg/(m2·h)、529.3 μg/(m2·h)、613.8μg/(m2·h)、408.6 μg/(m2·h)、321.4μg/(m2·h)和 257.9 μg/(m2·h)，施氮肥处理明显提高了氧化亚氮排放峰值，控释肥(Osomcote和Nutricote控释肥)处理的氧化亚氮排放峰值显著低于普通肥料(碳酸氢铵、尿素和复合肥)处理。各处理的排放高峰在持续3～7 d后，其氧化亚氮排放通量逐渐下降并维持较低水平直到小麦收获，即使施用普通肥料(碳酸氢铵、尿素和复合肥)于次年的3月3日撒施拔节肥后，也未观测到明显的氧化亚氮排放高峰。

图2 麦季土壤铵态氮和硝态氮含量的动态变化Fig.2 The variation of soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen contents during w inter wheat-grow ing season

图3 麦季氧化亚氮排放通量的季节变化Fig.3 The variation of nitrous oxide fluxes during winter wheat-growing season

2.3 控释肥对麦季不同生育阶段氧化亚氮累积排放量影响

为进一步分析比较不同处理氧化亚氮排放的差异，明确控释肥对小麦生长季氧化亚氮排放的影响，将小麦全生育期分为播种至越冬始期、越冬始期至返青期、返青至抽穗期、抽穗至成熟期4个阶段。图4显示，不同肥料处理下小麦不同生育阶段氧化亚氮累积排放量均以播种至越冬始期为最大，此阶段氧化亚氮累积排放量占全生育期总排放量的50%～73%，说明氧化亚氮排放量主要集中在小麦生育前期。不同肥料处理对小麦不同生育阶段氧化亚氮累积排放量有极显著影响，在氧化亚氮累积排放量最大的播种至越冬始期，以复合肥处理的氧化亚氮累积排放量(1.68 kg/hm2)为最高，与尿素处理(1.48 kg/hm2)无显著差异，但均高于其他处理，尿素与碳酸氢铵(1.29 kg/hm2)处理差异不大，但显著高于 Osomcote控释肥处理(1.23 kg/hm2)、Nutricote控释肥处理(0.74 kg/hm2)和对照(0.48 kg/hm2)，碳酸氢铵和Osomcote控释肥处理显著高于Nutricote控释肥处理和对照，Nutricote控释肥处理显著高于对照，说明氮肥施用显著增加了播种至越冬始期的氧化亚氮累积排放量，施用控释肥特别是Nutricote控释肥能减少此阶段氧化亚氮排放量。在越冬始期至返青期，以碳酸氢铵处理的氧化亚氮累积排放量(0.44 kg/hm2)为最高，与复合肥处理无显著差异，但显著高于其他处理，复合肥处理显著高于尿素处理、对照和Osomcote控释肥处理，Nutricote控释肥和尿素处理均显著高于对照和Osomcote控释肥处理。在返青至抽穗期，尿素处理的氧化亚氮累积排放量(0.32 kg/hm2)显著高于其他处理，复合肥处理显著高于碳酸氢铵和Osomcote控释肥处理，对照和Nutricote控释肥处理显著高于Osomcote控释肥处理。抽穗至成熟期阶段的氧化亚氮累积排放量以尿素处理(0.43 kg/hm2)为最高，显著高于其他处理，Osomcote控释肥处理显著高于碳酸氢铵、复合肥和Nutricote控释肥处理和对照。

图4 小麦不同生育阶段氧化亚氮的累积排放量Fig.4 Accumulative em issions of nitrous oxide at different growing periods during winter wheat-growing season

2.4 控释肥对麦季氧化亚氮总排放量的影响

从小麦整个生育期氧化亚氮的总排放量来看，不同肥料处理对麦季氧化亚氮总排放量有极显著影响(表1)，表现为尿素处理 ＞复合肥处理＞碳酸氢铵处理＞Osomcote控释肥处理＞Nutricote控释肥处理 ＞对照，分别为2.55 kg/hm2、2.39 kg/hm2、1.99 kg/hm2、1.70 kg/hm2、1.37 kg/hm2和 0.97 kg/hm2，尿素和复合肥处理间无显著差异，但均显著高于其他处理，碳酸氢铵、Osomcote控释肥、Nutricote控释肥与对照间的差异均达显著水平，控释肥(Osom cote控释肥、Nutricote控释肥)处理麦季氧化亚氮总排放量平均比普通含氮肥料(尿素、复合肥、碳酸氢铵)处理低34.00%，其中，Osomcote控释肥处理较尿素、复合肥、碳酸氢铵处理分别减排氧化亚氮33.00%、29.00%和15.00%，Nutricote控释肥处理较尿素、复合肥、碳酸氢铵处理分别减排46.00%、43.00%和31.00%。种植小麦过程中施用氮肥增加氧化亚氮总排放量是显而易见的，施氮处理麦季氧化亚氮总排放量是对照的1.4～2.6倍，肥料氮通过氧化亚氮直接排放的损失率为0.12%～0.48%，控释肥(Osomcote控释肥、Nutricote控释肥)处理的排放系数显著低于普通肥料(碳酸氢铵、尿素、复合肥)处理。表明，施氮显著增加麦季氧化亚氮总排放量，控释肥较普通含氮肥料减排氧化亚氮的效果相当明显。

表1 各处理氧化亚氮季节总排放量及排放系数Table 1 Total emissions and emission coefficients of nitrous oxide during winter wheat-growing season in each treatment

2.5 控释肥对小麦产量及单位产量氧化亚氮排放量的影响

从表1可以看出，含氮肥料施用后小麦籽粒产量显著提高，产量表现为尿素处理＞复合肥处理＞碳酸氢铵处理＞Osomcote控释肥处理＞Nutricote控释肥处理 ＞对照，分别为6.23 t/hm2、6.13 t/hm2、5.84 t/hm2、5.02 t/hm2、4.79 t/hm2和3.21 t/hm2。控释肥(Osomcote控释肥、Nutricote控释肥)处理的小麦产量显著低于普通含氮肥料(尿素、复合肥、碳酸氢铵)处理，平均减产19%，其中，Osomcote控释肥处理较尿素、复合肥和碳酸氢铵处理分别减产19%、18%和14%，Nutricote控释肥处理较尿素、复合肥和碳酸氢铵处理分别减产23%、22%和18%。单位产量氧化亚氮排放量以尿素、复合肥处理较高，显著高于其他处理，碳酸氢铵、Osomcote控释肥处理的单位产量氧化亚氮排放量显著高于Nutricote控释肥处理。说明施用控释肥的小麦产量低于施用普通含氮肥料，综合产量因素，施用Nutricote控释肥有利于氧化亚氮减排。

3 讨论

众多报道证实，氮肥施用对农田土壤氧化亚氮排放具有明显的促进作用［3，6-7］。本试验施氮条件下免耕小麦生长期间氧化亚氮总排放量明显高于对照不施氮肥处理，这也证明含氮肥料的施用使农田氧化亚氮总排放量显著增加。本研究中，控释肥料的施用能大大减少麦季氧化亚氮总排放量，这与黄国宏等［12］、Iain 等［13］、纪洋等［14］的 研究结 论一致，与 Yan 等［15］、李方 敏等［16］、丁洪等［17］的结果不同，这可能与试验条件和种植作物的不同有关。从本研究结果来看，不同肥料处理下小麦播种至越冬始期的氧化亚氮累积排放量占全生育期总排放量的50%～73%，控释肥正是通过大幅减少这一阶段的氧化亚氮累积排放量从而实现了麦季氧化亚氮总排放量的减排，其原因可能是施用控释肥处理的土壤硝态氮含量在小麦播种后1个月内显著低于普通肥料。

控释肥一般作为基肥一次性施用，其养分释放速率很难与作物的需肥规律完全一致，而普通肥料的分次施用则是根据作物需肥规律来满足其对养分的需求，因此本试验免耕条件下施用控释肥的(Osomcote控释肥和Nutricote控释肥)小麦产量较施用普通含氮肥料(碳酸氢铵、尿素、复合肥)显著减少，这与前人［8-10，14］的研究结论不完全一致。由于本研究中免耕小麦生长期间施用追肥并未出现明显氧化亚氮排放高峰，而控释肥能减少小麦前期的氧化亚氮累积排放量，因此，能否在控释肥作基肥施用的基础上再追施普通含氮肥料，以此来协调氧化亚氮减排和作物减产的矛盾。有关控释肥和普通肥料配合施用尚待进一步研究。

致谢: 本研究野外试验采样过程中得到薛森、杨云、蒋晨楠、张俊、王准等同学的帮助，在此表示感谢!

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