不同施氮措施对冬小麦农田土壤温室气体通量的影响

2019-02-26朱龙飞张志勇于旭昊马新明闫广轩孔玉华

生态环境学报 2019年1期

朱龙飞，徐越，张志勇，于旭昊，马新明，闫广轩，孔玉华*

1. 河南农业大学林学院，河南郑州 450002；2. 河南农业大学农学院，河南郑州 450002；3. 黄淮水环境污染与防治教育部重点实验室/河南师范大学环境学院，河南新乡 453007

全球气候变暖已成为当今世界瞩目的环境问题，对自然、经济和人类生活产生重大的影响。人类活动造成的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等温室气体的增加对全球气候变暖影响最大（李虎等，2012）。农田是大气中温室气体重要的排放源，其温室气体排放量占全球人为活动产生总量的10%－12%（IPCC，2014），而中国农业源温室气体排放占全国所有来源排放比例超过 15%，其中N2O和CH4排放分别高达90%和60%（王玉英等，2018）。因此，减少农田生态系统温室气体的排放，对于减少温室气体排放总量、缓解全球气候变暖具有重要的意义。

农田土壤温室气体主要受外源肥料输入、灌溉方式及耕作措施等因素的影响（闫翠萍等，2016；宋利娜等，2013）。合理施肥和灌溉（吉艳芝等，2014）、土壤免耕及秸秆还田是农田土壤固碳减排的主要措施（李虎等，2012）。缓/控释肥与氮肥中添加增效剂是当前调控氮肥的主要措施。缓/控释肥是能延缓或控制养分释放速率的新型肥料，养分释放过程与作物生长需求基本一致，具有节约成本、提高氮肥利用效率等优点（吴欢欢等，2009；Eve et al.，2014）；而氮肥增效剂则通过改变土壤的生化环境，影响土壤酶活性及土壤微生物活动，达到降低氮素损失的目的（丁和平等，2009；何威明等，2011）。纪洋等（2012）通过研究不同施氮量对N2O排放的影响，发现整个小麦生长季N2O排放量均随施氮量的增加呈指数增加，但控释肥处理能减缓N2O排放，且其减排量随施氮量增加而增加。周丽平等（2018）研究发现，氮肥缓释化处理能够降低氮的损失，改善玉米的氮素利用状况并显著提高产量。邓兰生等（2007）研究表明，脲酶抑制剂氢醌（HQ）对提高氮肥利用率无明显作用，而硝化抑制剂双氰胺（DCD）能显著提高尿素氮的利用率。赵自超等（2016）研究发现，氮肥中添加硝化/脲酶抑制剂能减少N2O排放和CH4的吸收。然而，如何通过调控氮肥施用措施来减缓温室气体排放及作物稳产增产，仍需进一步研究。

华北平原作为中国粮食的主产区之一，面临着人口增长、耕地面积减少及未来粮食产量需求进一步提高的矛盾。而更大量的水、肥投入来保障粮食产量，也必带来温室气体排放的迅速增加。因此，探求既能减少温室气体排放又能维持作物高产的施氮措施已经成为学界的研究热点与难点。以往有关施氮措施的研究中，往往侧重于施氮水平（纪洋等，2012；Qin et al.，2012）及施肥方式（赵自超等，2016；徐钰等，2018）对土壤温室气体通量的影响，缺少对不同的施氮措施进行对比分析的研究。本研究以华北平原典型冬小麦农田为研究对象，探究普通尿素添加硝化抑制剂、脲酶抑制剂及缓释肥替代尿素等施氮措施对农田温室气体通量动态变化及小麦产量的影响，以期筛选出减排效果优良的施氮措施，为该区农田生态系统的可持续发展提供科学依据。

图1 冬小麦生长季的降水和气温Fig.1 Precipitation and temperature in winter wheat growing season

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验样地位于河南省平顶山市叶县龙泉乡合集村试验基地（113°42'E，34°43'N），属暖温带大陆性气候，多年平均气温为 14.9 ℃，年均降水量为745.8 mm，全年降水主要集中在7月、8月、9月，雨热同期，年无霜期219 d左右。研究期间降水和气温如图1所示，降水量为305.5 mm，平均气温为10.04 ℃。供试土壤（0－20 cm）为下蜀黄土发育而来的黄褐土，土壤质地为壤质粘土。试验开始前0－20 cm土层土壤基本理化性质为：土壤容重 1.27 g·cm-3，土壤 pH5.64（土水比为 1∶2.5），有机质 9.92 g·kg-1，全氮 1.06 g·kg-1，速效磷 5.63 mg·kg-1，速效钾 94.35 mg·kg-1。主要种植制度为冬小麦-夏玉米轮作，一年两熟。

1.2 试验设计

试验共设5个处理：普通尿素（U）、尿素+硝化抑制剂双氰胺（U+DCD）、尿素+脲酶抑制剂氢醌（U+HQ）、尿素+脲酶抑制剂双氰胺+硝化抑制剂氢醌（U+HQ+DCD）和高分子聚合物包膜尿素（PCU）。各处理设3个重复，小区面积为60 m2（6 m×10 m），各小区之间留有50 cm的距离。氮磷钾肥分别选用：尿素（含N 46%）、钙镁磷肥（含P2O512%）、氯化钾（含K2O 60%），其用量分别为纯氮225 kg·hm-2，磷 75 kg·hm-2，钾 150 kg·hm-2。HQ和DCD的用量分别为尿素用量的0.5%和5%。PCU的用量为纯氮225 kg·hm-2。耕作方式为减排效果最优化的上茬秸秆（玉米秸秆，碳氮比为70.5）粉碎还田旋耕（闫翠萍等，2016）。供试小麦品种为“周麦27”，于2015年10月13日进行播种（播量180 kg·hm-2，宽窄行行距 10－25 cm），播种前施用基肥，包括 60%氮肥及对应比例的抑制剂与全部磷肥、钾肥。2016年3月29日追施剩下的40%氮肥及对应比例的抑制剂并灌水。于5月30日收获小麦，小麦收割前进行测产，每个小区取3个一米双行统计穗数，每个一米双行取 10穗测定平均穗粒数，脱粒后用天平称量每个一米双行的千粒质量。田间管理措施与当地农民的常规管理保持一致。

1.3 样品采集

在冬小麦栽培管理关键时期进行气体样品采集，采集时间分别为冬小麦施肥播种后（2015年10月21日）、完全出苗后（2015年10月28日）、幼苗期（五叶一芯，2015年12月2日）、越冬期（2016年1月10日）、返青期（2016年2月26日）、拔节期（2016年3月27日）、追肥后（2016年4月2日）、开花期（2016年4月28日）和成熟期（2016年5月29日）等9个时期。气体样品的收集采用全自动静态暗箱法（成功等，2017），同时用静态暗箱自带的温度探头测量 10 cm处土壤温度。采样时间控制在上午09:00－11:30，每个处理3次重复，每隔6 min采集1次约70 mL气样并注射到真空密闭气袋内，共计5次，依次标号，带回实验室分析。

土壤样品采集：在旋耕前及小麦生长关键时期采集土样，每个小区按照“S”形随机选取 5个样点，用土钻取0－20 cm土层作，1个混合样，室内过2 mm土壤筛，后于4 ℃冷藏备用。小麦成熟后，进行产量测定。

1.4 指标测定与方法

气体样品用气相色谱分析仪器（Agilent 6820，Agilent，USA）进行测定分析。通过对每组5个样品的目标气体混合比与相对应的采样时间间隔 0、6、12、18、24 min进行直线拟合，仅当回归系数R2＞0.80时，才视为有效数据，求得目标气体的排放速率。N2O、CO2、CH4通量的计算公式为：

式中，F表示 N2O、CO2、CH4的通量值，单位分别为 μg·m-2·h-1、mg·m-2·h-1、μg·m-2·h-1，负值时表示土壤吸收该气体，正值表示土壤排放该气体；ρ为标准状态下气体密度（mg·m-3）；V为静态箱体积（m3），A 为静态箱横截面积（m2）；Δc/Δt为 Δt时间内静态箱内气体浓度变化速率（m3·m-3·h-1）；θ为采样时箱内温度（℃）。温室气体的累积通量根据气体通量由内插加权法求得（闫翠萍等，2016）。

土壤直接排放温室气体全球增温潜势（PGW）计算公式：

式中， PGW为冬小麦整个生长过程土壤直接排放的温室气体增温潜势（kg·hm-2）；fCO2为该过程土壤 CO2累积排放量（kg·hm-2），fCH4为该过程土壤 CH4累积排放量（kg·hm-2），fN2O该过程土壤 N2O累积排放量（kg·hm-2）。

土壤含水率采用烘干法测定；土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定，以24 h后1 g土壤中葡萄糖的质量（mg）表示（关松荫，1986）；土壤脲酶活性的测定采用靛酚比色法，以24 h后1 g土壤中NH3-N的质量（mg）表示（裴丙等，2018）；土壤硝态氮（）和铵态氮（）含量均用 1 mol·L-1KCl溶液浸提 5 g 新鲜土壤（土∶液=1∶5）后，后用流动分析仪（Futura，Alliance，France）测定。

式中，Y为小麦产量（kg·hm-2）；NP为穗数（104·hm-2）；NGPS为穗粒数；W为千粒质量（g）。

1.5 数据处理

在SPSS 20.0（IBM，纽约，美国）软件中，采用多因素方差分析法（MNOVA）分析栽培关键期、施氮措施及其交互作用对农田温室气体通量的影响，及施氮措施对3种温室气体累积排放量、全球增温潜势和小麦产量等的影响，显著性水平设为0.05。对温室气体与各土壤因子进行相关性分析（Pearson法）。通过HSD0.05值表示每次采样不同处理间均值变化达到显著水平。所有数据导入 Excel软件中进行汇总计算并绘制图表。

2 结果与分析

2.1 冬小麦农田N2O通量的动态变化特征

不同处理下 N2O排放通量均随小麦生长呈动态变化，播种后至越冬期逐渐降低、返青期后波动上升、拔节期达到峰值而后逐渐降低（图2）。播种后N2O排放通量显著高于其他几个时期（P＜0.05），变化范围为 110.05－160.19 μg·m-2·h-1；越冬期达到最低，变化范围为 12.13－32.5 μg·m-2·h-1。随着气温回升，N2O排放通量在返青期有所升高，在追肥后迅速升高，并出现排放峰值呈U＞U+HQ＞U+HQ+DCD＞U+DCD＞PCU的规律，较越冬期升高了2－6倍。随后，N2O排放通量逐渐降低，直到小麦成熟时，降至较低水平。

图2 冬小麦栽培关键期N2O通量的动态变化Fig.2 Dynamic changes of N2O flux during main cultivation stages of winter wheat

不同施氮措施显著影响了土壤 N2O排放通量（表1，P＜0.01）。相较于U处理（平均N2O排放通量为 74.31 μg·m-2·h-1），在冬小麦的整个生长周期U+DCD处理下N2O的排放通量均较低（平均N2O排放通量为 44.14 μg·m-2·h-1），降幅达 40.60%；除完全出苗后和开花期，U+HQ+DCD处理亦不同程度降低了N2O排放；U+HQ处理N2O排放通量在播种后至越冬期及追肥后等 5个时期均低于 U处理，而在其他4个时期则相反；除返青期，PCU处理下N2O的排放通量均低于U，其平均值为58.29 μg·m-2·h-1，降幅为 21.56%。

表1 冬小麦栽培关键期及不同施氮措施下3种温室气体通量的方差分析Table1 Variance analysis of 3 kinds of greenhouse gas fluxes (GHGs) in main cultivation stages of winter wheat and under different N application measures

2.2 冬小麦农田CO2通量的动态变化特征

冬小麦农田CO2排放通量均随小麦生长呈先降低再升高而后降低的趋势（图3）。播种后，5种施氮措施 CO2排放通量变化范围为 41.2－54.94 mg·m-2·h-1；随着气温下降，CO2排放通量缓慢降低，在越冬期降至最低，最小排放量仅为 1.50 mg·m-2·h-1，相对于播种后，不同处理间 CO2排放通量降幅为79.80%－96.36%。而后，CO2排放通量呈逐渐升高的趋势，并在开花期达峰值，不同处理间变化范围为 66.99－187.98 mg·m-2·h-1。

图3 冬小麦栽培关键期CO2通量的动态变化Fig.3 Dynamic changes of CO2 flux during main cultivation stages of winter wheat

图4 冬小麦栽培关键期CH4通量的动态变化Fig.4 Dynamic changes of CH4 flux during main cultivation stages of winter wheat

不同施氮措施显著影响了农田 CO2排放通量（表 1，P＜0.01）。除越冬期，U+HQ+DCD 和 PCU处理 CO2排放通量均低于 U处理，其均值分别为31.13、33.58、54.06 mg·m-2·h-1。播种后至返青期之前，U+HQ和U+DCD处理CO2排放通量均略高于对照U，而在追肥后均略低于U。开花期CO2排放通量呈U＞U+HQ＞U+HQ+DCD＞U+DCD＞PCU的规律，其值依次为187.98、118.36、87.29、78.83、66.99 mg·m-2·h-1，与追肥后不同施氮措施下 N2O 排放通量的变化规律相似。

2.3 冬小麦农田土壤CH4通量的动态变化特征

在小麦的整个生长过程中，农田土壤CH4排放通量均为负值，表现为从大气中吸收CH4，其绝对值呈先降低后缓慢升高再降低的吸收趋势（图4）。播种后，不同施氮措施下麦田土壤对CH4的吸收通量较大，其范围为 94.06－180.42 μg·m-2·h-1。除 PCU处理，完全出苗后CH4吸收通量迅速降低，最小值为 7.5 μg·m-2·h-1，不同处理间降幅为 8.61%－93.59%。在越冬期，CH4吸收通量基本稳定，返青期缓慢增加，拔节期出现第二个峰值，相对于越冬期，CH4吸收通量升幅为17.96%－352.14%。拔节期追肥灌水后，CH4吸收通量均呈下降趋势，直至成熟期，CH4通量变化平缓，趋于稳定。

不同施氮措施对CH4通量有显著的影响（表1，P＜0.01），在小麦整个生长过程中 U+DCD 和U+HQ+DCD处理CH4吸收通量均低于U处理；播种后U+HQ处理吸收量较大，而后在小麦多个生长阶段其吸收量均低于 U；PCU处理在播种后 CH4吸收通量最大，随后逐渐降低至幼苗期仍高于其他处理，但在小麦整个生长过程中CH4累积吸收量低于U。

2.4 不同施氮措施对温室气体累积通量及增温潜势的影响

相对于U处理，其他4种施氮措施均显著降低了冬小麦 N2O累积排放量，减排效果呈 U+DCD＞PCU＞U+HQ＞U+HQ+DCD 的规律（表 2），分别降低了 44.44%，20.99%，9.88%、3.09%。相对于 U处理，U+DCD、U+HQ+DCD和PCU均显著降低了CO2累积排放量（表2），其中U+HQ+DCD调控措施下CO2累积排放量最低（1453.52 kg·hm-2），降幅达42.29%，而U+HQ处理减排效果未达显著差异（P＞0.05）。冬小麦整个生长过程，U处理CH4累积吸收量最高（3.36 kg·hm-2），其他4种施氮措施均显著低于U处理（P＜0.05），U+HQ+DCD措施下CH4累积吸收量最小，仅为1.70 kg·hm-2。相较于U处理，其他4种施氮措施均显著降低了全球增温潜势（P＜0.05），减排效果呈PCU＞U+HQ+DCD＞U+DCD＞U+HQ，其中PCU的降幅最大，为38.29%。

5种施氮措施对小麦产量也有一定的影响，呈U+DCD＞U+HQ＞U＞PCU＞U+HQ+DCD 的变化规律。其中，U+DCD处理小麦产量显著高于U处理，是U处理的1.21倍。U+HQ+DCD联合抑制处理却显著降低了小麦产量。

表2 不同施氮措施下温室气体累积通量及其他指标Table2 Cumulative greenhouse gas fluxes and other indicators under different N application measures kg·hm-2

表3 3种温室气体通量与土壤性质之间的Pearson相关系数Table3 Pearson correlation coefficients between 3 kinds of greenhouse gas fluxes (GHGs) and soil properties

2.5 冬小麦栽培关键期温室气体通量与土壤性质的相关分析

通过冬小麦栽培关键期温室气体通量与土壤理化指标相关分析可知（表3），除PCU外，其他4种施氮措施N2O排放通量均与土壤NH4+-N含量呈显著正相关关系（P＜0.05）。在 U、U+DCD 和U+HQ+DCD措施下N2O排放通量均与含量、脲酶活性呈极显著正相关关系(P＜0.01）。5种施氮措施下CO2通量均与土壤含量及土壤温度呈显著或极显著正相关关系，另外，PCU处理下CO2通量与土壤中含量及蔗糖酶活性呈显著性正相关关系（P＜0.05）。本研究中，麦田作为CH4的汇，在U+HQ和U+DCD措施下其吸收通量与含量呈极显著负相关关系（P＜0.01），在U+HQ+DCD和PCU措施下，CH4吸收通量与土壤蔗糖酶活性呈极显著负相关关系（P＜0.01）。5种施氮措施下CH4吸收通量均与土壤含水率呈显著负相关关系（P＜0.05)。

3 讨论

农田N2O排放主要受气候、土壤类型、肥料类型以及农业措施等因素影响（王良等，2016）。本研究中，在冬小麦的整个生长季，N2O排放通量出现两次峰值，分别出现在播种后和追肥后（图2），其共同原因是由于氮肥的施用增加了底物浓度，促进硝化作用和反硝化作用的进行，导致土壤N2O的大量排放（敖玉琴等，2016）。小麦播种后至越冬期N2O排放呈逐渐降低、返青期后呈波动上升的趋势（图2），这主要是由于土壤温度变化所引起的，温度变化直接影响了土壤中硝化细菌与反硝化细菌等微生物的活性，进而影响了N2O的排放（徐文彬等，2002）。拔节期与开花期农田N2O排放出现减少的趋势（图2），这主要是由于这两个时期小麦的生长吸收利用了大量的氮素，抑制了土壤中硝化作用的进行，降低了N2O的排放（李艳勤等，2018）。硝化抑制剂通过抑制亚硝化单胞菌的活性来抑制硝化过程的第一阶段，从而使铵态氮向硝态氮的转化速率下降，减少氮素淋溶损失、提高氮素利用率、提高作物产量并降低温室气体 CH4和 N2O排放（O′Connor et al.，2012）。大多研究表明，尿素中添加DCD可以显著减少N2O排放量（Weiske et al.，2001；Thapa et al.，2017），本研究亦发现5种措施中以尿素中添加DCD处理对N2O减排效果最佳，减幅达44.44%。同等施氮量的PCU处理其N2O减排效果次之，减排效率为20.99%，这主要是包膜氮肥阻隔了尿素颗粒与外界水分的接触，延缓了尿素水解的过程及铵态氮的释放速率（胡小康等，2011）。尿素中加入脲酶抑制剂 HQ也显著降低了N2O排放量，累积排放量较对照降低了9.88%，与Dawar et al.（2011）研究的结果（7%－12%）相近，这主要是由于HQ的添加能有效地抑制脲酶活性，延缓尿素水解（隽英华等，2015）。然而，本研究联合抑制DCD和HQ的施用并未显著降低N2O排放（P＞0.05），这与Ding et al.（2011）和Zaman et al.（2009）研究结果不同，可能是由于不同试验区土壤条件或抑制剂种类有关，不同抑制剂的耦合作用对N2O排放的影响仍有待进一步论证。

土壤CO2排放主要是由微生物活动和根系呼吸作用产生，受土壤养分状况、农作物残茬、环境温度、农田管理措施等因素影响（宋利娜等，2013）。有研究表明，土壤中释放的CO2有85%－90%来自土壤微生物的活动，仅15%来自根系呼吸(郝庆菊，2004)。本研究中农田CO2排放有显著的动态变化特征（表1），并与土壤温度呈极显著正相关关系（表3），这与诸多研究结果相一致（赵自超等，2016；Shen et al.，2018）。在整个小麦生长过程中，CO2通量出现两次排放高峰（播种后与开花期），但是其原因不尽相同。播种后CO2通量较高主要是受有机质激发效应的影响，播种前旋耕操作将秋季作物的残留秸秆打碎翻入到土壤中，这为微生物提供大量碳源，加速土壤有机碳矿化（刘四义等，2015）；开花期主要是适宜的温度有利于微生物代谢活动和呼吸作用，另外该时期小麦根系活力强，根系呼吸作用强烈（苗果园等，1989）。植物对不同形态氮素的选择性吸收，通过影响植物的光合速率，继而影响植物根系的自养呼吸速率（Vargas et al.，2011）。本研究中，开花期至成熟期，CO2的排放又呈降低的趋势，这与小麦根系成熟或死亡导致生命活动减弱有关，可能是该阶段土壤温度较高抑制了微生物的活性。硝化抑制剂DCD能抑制土壤中硝化细菌的活动，与HQ混施效果更佳，显著降低了土壤CO2排放（表2），这与Weiske et al.（2001）发现硝化抑制剂DCD可以降低土壤CO2排放的结果相一致。施用包膜尿素PCU可以显著降低CO2排放（P＜0.05），这是因为包膜尿素养分释放缓慢且多被作物利用，土壤中微生物活动受限，CO2排放减少。

CH4的源/汇作用的发挥往往受土壤通气状况的影响（宋利娜等，2013）。本研究中，在冬小麦的整个生长过程中，CH4吸收通量出现两次峰值，第一次是施肥播种后，这主要是旋耕后土壤孔隙多通气良好，有利于空气中CH4向土壤中扩散；另外土壤孔隙中充足的氧气，及耕作提供的大量养分使甲烷氧化菌活性增强并占据主导地位，氧化土壤中的CH4气体，进而发挥CH4汇的作用（闫翠萍等，2016）。第二次是在拔节期，一方面因为地表土壤经冬季多次冻融后，变得蓬松多孔有利于发挥CH4汇的作用；另一方面在这个时期土壤含量因被作物吸收利用而下降，与CH4竞争甲烷氧化酶的活性位点的减少，导致土壤氧化吸收CH4的能力增强（李香兰等，2009）。播种后至完全出苗CH4吸收通量快速降低，是由于该期间曾有一次降水过程（如图1），一方面雨水占据了土壤的孔隙，不利于CH4扩散作用，另一方面土壤含水量的增加有利于甲烷产生菌的活动，进而有利于CH4的排放，从而减弱了CH4的吸收；但是由于降水量不足以形成淹水条件，因此CH4仍未出现正排放的状况。在越冬期、开花期及成熟期，因无农事生产活动，土壤孔隙变化不大，故土壤CH4通量比较稳定。U处理农田 CH4累积吸收量最大，其他 4种施氮措施CH4累积吸收量均显著低于U处理（表2，P＜0.05）。大量研究表明，脲酶抑制剂与硝化抑制剂及包膜尿素PCU的施用均能降低CH4的吸收（赵自超等，2016；O′Connor et al.，2012；李香兰等，2009），主要是由于这些施肥措施均一定程度上增加了土壤的含量，和CH4分子大小相近、分子结构相似，竞争CH4氧化菌酶系统相同的位点，降低了CH4氧化酶的活性，从而抑制CH4氧化的作用，促进CH4的排放，从而导致土壤吸收CH4的能力下降（Guo et al.，2011）。

本试验中5个处理总施氮量相同，与U相比，U+DCD处理小麦产量最高，而U+HQ+DCD最低，这可能与氮素存在形式及作物吸收利用养分能力有关（朱兆良等，2010），即造成小麦减产的原因是该施氮措施下释放养分的过程及数量与小麦生长发育阶段所需养分不匹配。华北平原氮肥利用率低，且土壤中的大量氮肥以形式存在。尿素添加 DCD能在一定程度上抑制硝化过程，减少氮素的损失，其累积N2O排放量最低也能说明这点（表2），且该措施下N2O排放通量与脲酶活性呈极显著正相关关系（表3），返青期后小麦所需养分较多，而脲酶活性较强时有助于尿素水解从而有利于小麦吸收利用，因此U+DCD处理能有效提高氮肥利用率，增加产量。U+HQ+DCD措施能降低土壤脲酶活性，有效延缓尿素水解并抑制其水解产物的氧化，使其以交换态在土壤中得到更多和更长时间的保存（曹银珠等，2015），但U+HQ+DCD处理的N2O累积通量与U相比无显著差异（表2），这可能是由于两种抑制剂耦合作用在抑制硝化作用的同时为土壤反硝化作用提供了较多的底物，增强了N2O排放从而导致氮素的损失，不能满足小麦生长所需，进而造成产量减少。