控释氮肥对紫色土坡耕地N2O排放量的影响

林超文，刘海涛，朱 波，罗付香，朱永群，张建华

(四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

控释氮肥对紫色土坡耕地N2O排放量的影响

林超文，刘海涛，朱 波，罗付香，朱永群，张建华

(四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

为探明不同控释氮肥比例对紫色土坡耕地氧化亚氮(N2O)排放量的影响，本试验以不施肥为对照(CK)，研究了尿素(100 %UR)、缓控释氮肥(CR)、缓控释氮肥+尿素(25 %CR，尿素75 %)各处理对玉米产量、玉米生育期的径流和氮素损失量的影响，利用静态箱-气相色谱法研究了施肥后N2O排放量的差异。结果表明，对照处理玉米产量最低，径流损失量最大，壤中流氮素损失量和N2O排放量要远低于施肥处理，说明施肥是造成氮素流失和氧化亚氮排放的主要原因。缓控释氮肥处理生育期的壤中流氮素损失量在4个处理中最大，为31.7 kg·hm-2，但N2O排放量为0.35 kg·hm-2，比尿素处理降低了37 %。控释氮肥+尿素处理壤中流氮素损失在施肥处理中最低，为20.9 kg·hm-2，N2O排放量比尿素处理低15 %。控释氮肥的氮素在生育期内缓慢释放，低的土壤无机氮使得控释氮肥能够降低坡耕地N2O排放，但控释氮肥会导致壤中流氮素损失量增大。因此，控释氮肥和尿素配合使用在降低N2O排放的同时，还能减少壤中流氮素损失。

控释肥；N2O；紫色土

N2O是仅次于CO2和CH4的重要温室气体，其增温潜势在100年尺度内是CO2的296倍，CH4的 13倍[1]。N2O在大气中存留时间长(平均寿命150年)，除产生温室效应外，还会破坏臭氧层，导致地球表面紫外线辐射增强，威胁人类健康[2]。大气N2O浓度的增加主要来源于农业[3]，其贡献率占到人类活动产生的N2O总量的2/3以上[4]。据计算，从1980年到2007年中国农田N2O 排放年均增长7.6 %，2007年N2O-N排放量达到288.4 Gg(1 Gg =1000 t)[5]。影响N2O排放的因素很多，不同氮磷肥种类[6]，氮肥用量[7]，有机无机配合施用[8]，各种消化抑制剂等添加剂[9]都会显著影响土壤的N2O排放。

缓控释肥可根据作物的生长需要提供养分，减少肥料浪费。有研究表明，由于控释肥养分的缓释性，作物生长前期养分释放较少，难以满足作物前期生长对养分的需求，所以为了减少环境污染并保证粮食产量，基肥采用尿素与控释肥配合施用是较为有效的方法[10-12]。大量的研究表明缓控释肥能够降低稻田[13-15]，小麦地[16]，蔬菜地[17]，草地土壤[18]的N2O排放。尿素，有机肥与缓控释肥混施的方式在生产上往往能达到产量提升和N2O减排的效果[17，19]。目前，关于缓控释氮肥施用在紫色土旱地对N2O排放的研究很少。因此本研究以控释肥料与肥料尿素不同比例为处理，研究不同控释肥料比例下紫色土玉米的产量差异和N2O的排放情况，研究结果将为提高紫色土区域粮食产量，降低N2O排放量以及肥料投入效益之间的平衡提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验布设在长江上游沱江水系花椒沟小支流的响水滩上段。属于四川省资阳市雁江区松涛镇的响水村、花椒村。地处东经104°34′12″～104°35′19″、北纬30°05′12″～30°06′44″，海拔395 m。多年(1957-1985年)年均降雨量为965.8 mm，主要(70 %)分布在6-9月间，最多年1290.7 mm，最少年725.2 mm，其中2014年玉米生育期内日降雨分布，如图1所示，该年没有特大雨强降雨出现，最大的降雨出现在6月2日，日降雨量为56.8 mm，其余日降雨量均低于50 mm。生育后期7，8月的降雨量要高于生育早期4和5月。年均温16.8 ℃，极端最低温-3.6 ℃，极端最高温36.5 ℃。供试土壤为遂宁组母质发育的紫色土红沙土，土壤质地轻，土壤有机质、全氮、有效磷含量偏低，土壤肥力不高。在试验实施时的土壤养分含量，如表1所示。

图1 2014年玉米生育期日降雨量分布Fig.1 Day precipitation distribution during maize growing season in 2014

1.2 试验设计和田间管理

采取单因素随机区组试验设计，设置对照(CK)，尿素(100 %UR)，缓效氮肥(CR)，缓效氮肥+尿素处理(25 %CR，尿素75 %)，各处理重复3次，共12个小区。2014年4月2日播种，8月6日收获。径流小区坡度为10°(四川大面积坡耕地坡度)，坡向东西，小区面积8 m2(坡长4 m，宽2 m)。小区四周用砖砌成，下垫面用混泥土，土层厚度60 cm(紫色土大面积土层厚度)，土壤下垫一层10 cm厚的石英砂，保持与土面相同坡度收集地下径流。小区坡面下部用集流装置收集地表径流。距小区两边0.65 m 处各种一行玉米，共两行，玉米株距0.25 m，每行16株，共32株。试验玉米优化施肥量分别是N：20 kg/667m2，P2O5：10 kg/667m2，K2O：5 kg/667m2，肥料选用尿素/缓效氮肥/缓效氮肥+尿素、过磷酸钙(P12 %)和氯化钾(60 %)。磷肥和钾肥采用基施的方式兑水窝施，氮肥采用苗肥∶攻苞肥=1∶1的比例兑水窝施。苗肥施用时间为4月19日，攻苞肥施用时间为6月3日。

1.3 测定项目与方法

地表径流养分流失量：每次产流降雨后记录各小区地表径流量，取各小区径流液样品测定N含量。泥沙流失量：每次降雨取1个混合样，采用过滤烘干法测定含沙量，并计算产沙量。由于泥沙养分含量比较稳定，因此，全年每个小区只取一个混合样测定泥沙养分含量。壤中流养分流失量：每次产流降雨后记录各小区壤中流流量，取各小区壤中流样品测定N、含量。

表1 土壤化学性质

表2 不同控释肥比例下农田玉米产量，生育期径流和氮素流失

注：不同字母表示农田间存在显著性差异，通过LSD (P<0.05)检验。下同。

Note:Values with different letters represent significant difference according to the LSD test at 0.05 level. The same as below.

N2O排放通量：采用静态箱-气相色谱法[20-21]测定土壤N2O排放通量。将透明有机玻璃制成的气体采样箱(内径15 cm，高100 cm)罩在安放于田间的底座上，形成一个密闭的气体空间。分别在罩箱瞬间、15 和30 min 用50 mL注射器从箱中采气，通过三通阀转移到气体袋中，带回实验室分析。每次采样固定在上午的9:00-11:00，每隔3～4 d采1次样。气体样中N2O浓度由气象色谱Agilent 7890A分析测定。温室气体排放速率计算方程为：

F=dc/dt·h·ρ·273/(273+t)

式中：F为N2O排放速率μg·m-2·h-1；dc/dt为采样过程中箱内气体浓度随时间的变化率，μl·m-3·h-1；h为箱体高度；ρ为标准状态下N2O的密度1.964 kg·m-3；t为采样时箱内温度， ℃。本次试验N2O测定在苗肥使用后进行，测定周期从4月24日开始，5月10日结束，共15 d。

土壤温度：每次取气体样时用TDR测定0～5 cm土壤温度。

1.4 数据处理

本研究采用单因素方差分析进行统计分析，用LSD法来进行两两统计对比，具体采用SPSS软件完成。

2 结果与分析

2.1 产量，径流和氮素流失

不同控释肥比例处理的基本产量，生育期径流和氮素损失如表2所示。没有施肥的空白处理玉米生长最差，产量最低，仅为3979 kg·hm-2，远低于施肥处理。尿素处理，25 %缓控肥和100 %缓控肥处理之间产量并没有显著差异。地表径流量空白处理最大，这与该处理玉米长势较弱，覆盖度较低有关。地表径流量要低于壤中流，这与该年没有雨强大的集中降雨有关。施用缓控释肥料对应的处理地表径流损失的总氮量偏低，其中100 %缓控释肥处理最低，损失量为0.6 kg·hm-2。壤中流的氮素损失量要远远大于地表径流的总氮损失量，其中空白处理最低，损失氮量为5.6 kg·hm-2，这是由于没有施肥条件下土壤中无机氮含量偏低造成的。100 %缓控释肥处理壤中流氮损失量最大，为31.7 kg·hm-2。缓控释肥氮素缓慢释放，因此在整个生育期能够保持较高土壤氮量，尿素处理在施肥后土壤无机氮迅速升高，随着作物吸收又逐渐降低至较低水平，而本年度降雨集中在7，8月，尿素处理土壤含氮量较低，因此缓控释肥处理壤中流氮素流失量大。

2.2 N2O排放

4月19日施肥后，N2O排放速率变化如图2所示，N2O排放速率随着时间推移迅速增加，在5月10日排放量达到最大，排放量最大的尿素处理高达247.7 μg·m-2h-1。刚施肥后时期各处理之间N2O排放速率差异不大，但随着时间推移，空白处理的N2O排放速率要远远低于施肥处理，在4月27日和4月30日测定排放速率，100 %缓控释肥处理N2O排放速率最高，在5月10日，尿素处理的N2O排放速率要显著高于其它处理。综合施肥后15 d的N2O排放总量如图3所示，空白处理排放总量最低，仅为0.08 kg·hm-2。100 %尿素处理N2O排放量为0.53 kg·hm-2，在4个处理中最大。相比尿素，缓控释肥的使用能够降低N2O排放量。100 %缓控释肥处理排放总量为0.35 kg·hm-2，在施肥处理中最低，相比尿素处理降低了37 %。25 %控释肥比例处理N2O排放量为0.45 kg·hm-2，虽然该处理控释肥比例较低，但N2O排放量相比尿素处理有较大程度的降低，降低了15 %。

图2 不同控释肥料比例处理施肥后N2O排放速率变化Fig.2 N2O emission rate under different control released fertilizer properties treatments

图3 不同控释肥料比例处理施肥后15 d N2O排放量对比Fig.3 Total N2O emission in 15 days after fertilizer application under different control released fertilizer properties treatments

3 讨论与结论

影响农田N2O排放因子很多，土壤含水量，土壤温度，土壤无机氮含量等[22-25]，本研究中造成N2O排放差异主要是土壤无机氮含量差异造成的，因此，施肥是增加N2O排放的重要原因之一。控释氮肥释放无机氮是一个缓慢而长期的过程，使用控释氮肥后，农田土壤无机氮处于一个相对较低的水平。而对于施用尿素处理，尿素进入土壤后迅速水解，在施肥后的一段时间内，土壤无机氮含量保持较高水平[15]。本研究对N2O排放测定在该时期，因此尿素处理的N2O排放量要明显高于控释肥处理。

从本文研究结果中明确，相比尿素，缓控释肥料能够显著降低农田的N2O排放，其中100 %控释肥料较尿素处理N2O排放量降低了37 %。这与张怡等在紫色土水稻土上的研究结果，施用控释肥料处理降低N2O排放量降低了43.6 %非常接近[13]。尿素和控释氮肥配合使用的方式相比完全控释氮肥处理，N2O排放量降低效果稍差，这与纪洋等(2011)在水稻田上的研究结果一致[16]，但是混施的方式通过降低控释肥投入了降低了生产成本。在本研究中100 %控释肥处理，由于氮素释放缓慢，施肥后一段时间内可能会出现玉米氮素供应不足，而生育后期缓控肥氮素大量释放时，遇到降雨相对集中的雨季，会造成大量的壤中流氮素损失，缓控释肥处理壤中流氮素损失量较尿素处理高了23 %，缓控释肥与尿素混施既能保证前期氮素供应，确保后期土壤中不会存在过多可溶态氮，因此该处理的壤中流的氮素损失量最低。可见运用控释肥和尿素搭配使用的形式能够保证产量，降低N2O排放，同时还能降低氮素的流失，是紫色土坡耕地兼顾产量、面源污染控制和减少温室气体排放的高效施肥方式。

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(责任编辑 陈 虹)

Effects of Applying Controlled Release Nitrogen on Nitrous Oxide Emission in Slope Purple Soil

LIN Chao-wen, LIU Hai-tao, ZHU Bo, LUO Fu-xiang, ZHU Yong-qun, ZHANG Jian-hua

(Soil and Fertilizer Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Sichuan Chengdu 610066, China)

In order to identify the effect of different control released fertilizer properties on nitrous oxide(N2O)emissions, the effects of four treatments [ control (CK), 100 % urea, controlled release fertilizer (CR) and 25 % controlled release fertilizer+75 % urea (25 % CR)]on maize yield, runoff, nitrogen loss through the runoff rate were measured, and the N2O emissions were studied by a close-chamber method and gas chromatography techniques. The results showed that:the maize yield with CK was the lowest, runoff the highest, and there was less nitrogen loss through subsurface flow and less N2O emission compared with the fertilizer treatments, which indicated that applying fertilizer was main reason for nitrogen loss through subsurface and N2O emissions. CR had the highest nitrogen loss through subsurface flow in the four treatments with the values of 31.7 kg·hm-2, and N2O emission of CR was 0.35 kg·hm-2, which was 37 % less than 100 % UR. 25 %CR had the lowest subsurface flow nitrogen loss in the four treatments with the values of 20.9 kg·hm-2, and the N2O emission in 25 %CR was 15 % less than 100 %UR. The fertilizer nitrogen in plant growth period was slowly released after control released fertilizer applied. The lower mineral nitrogen content in CR treatment can lead to less N2O emission, and more nitrogen loss through subsurface flow. For these reasons, the urea and control released fertilizer with appreciate properties were recommended to use in agriculture for decreasing both N2O emission and subsurface flow nitrogen loss.

Controlled released fertilizer; N2O; Purple soil

1001-4829(2016)10-2427-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.10.032

2015-04-15

四川省财政创新能力提升工程(2013XXXK-013，2016GYSH-023);国家科技支撑计划(2012BAD05B03-8)

林超文(1968-)，男，四川资中人，研究员，主要从事农业生态及水土保持方面研究工作，Tel：+86 28 84504296，Fax：+86 28 84796435，E-mail：lcw-11@163.com。

S158

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