水肥对稻麦轮作农田N2O排放影响及减排的研究进展

孙星 金海涛 徐林文

摘要 水分管理与施肥管理是季节性干旱区农业生产中重要的组成部分。肥料除了有改良土壤、培肥地力的效果，更重要的是与土壤水分相互协作，达到“以水调肥”和“以肥调水”的耦合效应。此外，农田温室气体的排放关系到土壤微生物环境和全球温室气候的变化。在阐述N2O产生机制的基础上，从水分管理、施肥管理和水氮互作管理方面综述其对N2O排放的影响，并根据温室效应等因素提出合理的减排技术措施，以期科学评估温室气体变化，为我国实行低碳农业和降低温室效应提供理论依据。

关键词 氧化亚氮;稻麦轮作系统;农田土壤;减排技术

中图分类号 S181;S157.4  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）05-0028-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.05.008

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract Water management and fertilization management are important components of agricultural production in seasonal arid areas.In addition to the effect of improving soil and enhancing soil fertility，fertilizer is more important to cooperate with soil moisture to achieve the coupling effect of “regulating fertilizer with water” and “regulating water with fertilizer”.In addition，greenhouse gas emissions from farmland are related to soil microbial environment and global greenhouse climate change.On the basis of expounding the formation mechanism of N2O，the influence of  water management，fertilization and water，nitrogen interactions on N2O emissions were summarized，and the reasonable emission reduction technologies were proposed according to factors such as the greenhouse effect， in order to scientifically assess greenhouse gas changes and provide theoretical basis for China to implement lowcarbon agriculture and reduce greenhouse effect.

Key words N2O;Ricewheat rotation system;Farmland soil;Emission reduction technology

自工業化以来，人类活动排放了大量的甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和氧化亚氮（N2O）等温室气体。其中N2O是臭氧层遭到破坏的重要原因之一，对大气造成污染从而导致温室效应不断积累，严重威胁到人类的生存。截至2011年，大气中N2O的浓度已升至0.58 mg/m3，比工业革命前增加了20% [1]，这势必会加剧全球温室效应的进程。根据我国气候变化第二次国家信息通报，农业源释放的温室气体排放量为8.20 t CO2当量，占排放总量的10.97%，其中农业活动N2O排放量占我国N2O排放总量的73.79%[2]。已有研究表明，土壤会向大气中排放80%～90%的N2O [3]。而农田作为陆地生态系统的主要组成部分，其温室气体排放动态对全球气候变化具有重要影响。作为农业大国，我国对N2O气体减排和发展低碳农业刻不容缓。

稻麦轮作是我国重要的农作物种植体系，目前水稻—冬小麦的种植面积已达530多万hm2[4]。稻田的氮素与水分管理是季节性干旱区农业生产中重要的组成部分，氮素影响仅次于水[5]。通过合理水分和氮肥的投入，可以实现 “以肥调水”和“以水促肥”的双重目的[6]。实践证明，在农业生产中，采用节水灌溉技术能获得与传统水作水稻差不多的产量，同时能够节水60%～100%[7]。水氮互作管理的水分利用较常规灌溉方法有明显的增产效果，灌溉用水量减少了17.49%，同时提高了土壤氮素利用效率，促进了水稻根系生长[8]。合理施肥不仅能提高土壤的水分利用率，而且还能与土壤水分互作，达到明显的协同互作效果。针对稻麦轮作农田，从水分管理和施肥管理出发，揭示影响N2O排放因素，对实现农业绿色增产增效和缓解温室效应具有重要意义。

1 氧化亚氮（N2O）产生机制

全球N2O排放源主要来自农田的土壤，贡献率高达70%。近年研究表明，大气中的N2O总量有90%来自于土壤[9]。土壤N2O的产生是一个复杂的生化过程，包括硝化作用、自养反硝化作用、异养反硝化作用、硝酸盐同化作用、硝酸盐异化还原作用以及化学反硝化作用等[10]。其中耕作土壤中N2O主要来源于微生物的硝化作用和反硝化作用，而纯化学过程的贡献很有限[11]。

硝化作用是由自养型细菌把氨或铵盐氧化为硝酸的过程。硝化过程主要分为铵根（NH4+）氧化亚硝酸根（NO2-）和NO2-氧化硝酸根（NO3-）这两个阶段[12]。在此过程中，中间过渡产物羟胺（NH2OH）或NO2-会发生化学分解或不完全氧化释放出N2O。NH4+和NO2-的浓度是影响硝化作用的重要因素，通过加入一定浓度的NH4+可增加硝化微生物的数量从而提高硝化作用能力。与此同时，在土壤的多种微生物驱动下，反硝化作用（NO3-→NO2-→NO→N2O→N2）也在不断进行。反硝化作用是在厌氧或缺氧的条件下，微生物将硝酸盐及亚硝酸盐还原成氮气（N2）的过程，最终产物以N2的形式返回到大气中。在此过程中，一部分N2O会作为中间产物直接释放到大气中，产生温室效应[13]。硝酸盐异化作用还原产生NH4+以及硝化微生物的反硝化作用等也会产生N2O。此外，灌水、降雨以及土壤本身的pH、硝酸盐浓度和有机质含量等都会影响土壤的水分状况和通气状况，从而产生N2O这个中间产物。因此，反硝化作用产生N2O的量远大于硝化作用产生的。

2 水肥对N2O排放的影响研究

2.1 水分管理

水分管理是制约N2O排放的一个重要因素[14]。徐华等[15]认为水分通过改变土壤中氧气（O2）、湿度与温度等，对自养型细菌的活动影响较大，从而影响农田N2O的排放。当土壤含水量为田间持水量的50%～60%时，硝化细菌活动最为旺盛，硝化作用进行最快。在水旱轮作生态系统中，土壤湿度在77%～86%变化时，N2O的排放量达到峰值[16]。因此，控制灌溉会减少N2O的排放。王孟雪等[17]研究了灌溉方式对东北寒地稻作的影响，认为稻田田面的水层深度是影响 N2O 排放的重要因子。可能是水稻生长期降雨过多，使田间含水量过高，影响N2O的排放，其中原因还需要进一步研究证明。实验室研究结果表明，节水灌溉能显著降低CH4排放量38%，而N2O排放量增加34%，但全球变暖潜力（GWP）和温室气体强度（GHGI）分别显著下降22%和24%，同时提高水分利用效率40%。而彭世彰等[18]研究发现，控制灌溉能够降低N2O排放的GWP。其中控制灌溉下CH4和N2O的GWP较淹水灌溉减少了59.1%，这与邹建文等[19]的研究结果是一致的，稻田CH4和N2O的排放有着显著的消长关系。成臣等[20]研究表明，与持续淹水处理相比，间歇灌溉处理全球增温潜势显著降低38.2%～53.4%，温室气体排放强度显著降低38.8%～54.6%，同时提高水稻产量。Hou等[21]通过田间试验发现，在传统灌溉（TI）和控制灌溉（CI）条件下，稻麦轮作系统CH4和N2O排放之间存在显著的消长关系。水稻季节的CI对冬小麦季节CH4和N2O排放量有明显的后续影响。在整个年度周期内，CI显著降低，累积CH4排放量为13.27 kg/hm2，比TI降低了80.6%，但N2O排放沒有显著差异。CI轮作系统CH4和N2O在100年尺度上综合GWP为2 720.35 kg/hm2，较TI处理降低41.1%。此外，水稻和小麦的产量在CI和TI之间差异不显著。因此，在保证作物产量的同时，CI可以显著减轻水稻—冬小麦轮作系统中CH4和N2O造成的年综合温室效应。可见，灌溉模式是影响农田CH4和N2O排放的重要因素。

2.2 施肥管理

氮肥的施用在提高作物产量和改善农产品质量中发挥着重要作用。施肥的方式、种类和数量会影响土壤性质如微生物群落、土壤碳氮比以及有机质含量从而影响N2O的排放。研究表明，施用氮肥对农田土壤N2O的排放有促进作用[22]。

Fan等[23]研究了不同施氮水平对土壤相关微生物丰度和N2O排放通量的影响，结果发现尿素显著增加了N2O排放，在一定时间内改变了土壤中功能性微生物的组成，施氮肥明显减少了产甲烷菌amoA和mcrA的基因丰度。这可能是与土壤氧化还原电位（Eh）有关，有利于氨（NH3）转化成N2O，促进了N2O的排放，具体原因还需要进一步证实。目前，已有许多研究表明，N2O 排放与施肥种类和数量密切相关[24]。李琳等[25]对长期不同施肥类型的稻田N2O排放速率进行研究，发现施用氮肥增加了N2O 的排放，且氮肥处理N2O通量对温室效应影响较大，一般认为，与施肥类型及投入数量的多少密切相关，结果还有待于进一步研究。王旭燕等[26]也得到了同样的结果，在对旱作农田土壤的长期施氮定位试验中，结果表明施氮水平显著影响N2O气体的排放，且随着氮肥用量的增加，冬小麦土壤N2O 排放有增加的趋势。因此，设计合理的施氮控制水平对稻麦农田N2O减排有着重要的意义。李平等[27]研究表明氮肥配施猪粪较单施化肥能增加稻田N2O的排放量。这可能是由于配施有机肥为土壤微生物的硝化与反硝化作用提供更多的反应基质，提高了N2O的排放。但是Liu等[28]研究发现用有机肥替代化肥可以显著降低N2O的排放，随着施用牛粪提高土壤肥力，小麦和玉米产量也有所增加。有机肥完全替代化肥降低了温室气体的排放，可以将农业生态系统从碳源[2.7 t/（hm2·a）]转变为碳汇[-8.8 t/（hm2·a）]。因此，有机肥和化学肥料联合施用在改善土壤质量、作物产量以及减少温室气体排放方面有着良好的效果，为改善全球变化背景下的农业生态系统提供了理论依据。

2.3 水氮互作管理

水肥是影响稻麦轮作系统 N2O排放的重要调控因子，两者通过影响土壤湿度、土壤矿质氮含量以及微生物等，从而影响N2O 在土壤中扩散与还原速率。研究表明施氮会影响土壤硝化与反硝化过程，促进土壤 N2O的生成量。此外，水分状况在微生物活动中以及植物对氮肥的吸收利用中起到重要的作用，因此水氮互作共同制约着土壤N2O的排放。

傅志强等[29]在水氮互作模式对双季稻CH4和N2O排放的研究中，发现追施氮肥促进N2O的排放程度与灌溉方式密切相关。在相同的施氮水平下，间歇灌溉有利于减少CH4排放，但是促进了N2O的排放，最终有利于气体增温潜势的降低，减少温室效应。在相同的灌溉条件下，N2O的排放在一定范围内随施氮量增加而增加。因此，间歇灌溉配施中氮有利于水稻种植。王孟雪[30]研究发现，灌溉方式和氮肥投入对水稻生长季节 N2O 排放平均通量和季节累积排放量具有一定的影响，同时两者具有交互作用。在同一灌溉方式下，水分利用率随着氮肥投入量的增大而升高，但当氮肥施肥量到一定水平后，水分利用率不再提高。灌溉模式对水稻氮肥利用率没有规律性的变化。另外，在相同灌溉的条件下，氮肥用量的增加促进土壤硝态氮含量的提高，影响土壤反硝化速率，对稻田N2O排放影响较大;淹灌模式下，随着施肥量的增加，氮肥利用率逐渐降低，同时也增加了N2O的温室效应。因此，要有效地降低N2O的温室效应，不仅需要关注N2O 的排放机制，而且需要注重水肥这2个关键因子的协同效应。

3  N2O的减排措施

3.1 优化水分管理

水分管理措施不仅能给作物带来高产，而且能够有效减缓全球温室效应。研究发现实行控制灌溉、间歇灌溉和浅显灌溉等节水灌溉技术能够减少温室气体的排放[31]，且有利于节水保肥、容易实现自动化控制，在我国东北和西部地区有着广泛的推行。彭世彰等[32]在控制灌溉条件下，发现稻田CH4排放量比淹水灌溉减少73.2%～85.0%，水稻产量无明显差异。虽然N2O的排放量增加了10.6%，但是控制灌溉下对全球温室效应的贡献却减少了59.1%。袁伟玲等[33]也得到了同样的结果，N2O的排放量在间歇节水灌溉下比长期淹水灌溉高，但是能够显著降低N2O的温室效应。其原因可能是在长期淹水灌溉条件下，虽然足够的水分能增加反硝化作用的速率，但是影响了N2O的扩散与还原速率，从而减少了N2O的排放量。

3.2 合理的施肥方式

施肥能够增加作物的产量、提高并保持土壤肥力水平，同时能够改善土壤水热状况、增加生理活性物质、促进微生物活动，从而影响N2O的排放。选择科学合理的施肥方式能够有效缓解温室效应和推动农业可持续性发展。与单施化肥相比，有机无机肥配施能明显减少N2O 的排放[34]。郭腾飞等[35]研究表明，在稻麦轮作体系下，氮肥配施有机肥的温室气体排放强度与单施氮肥处理相比，降低明显并且增产效果最佳。同时，配施有机肥能够有效改善微生物栖息环境，提高稻田土壤微生物磷脂脂肪酸的含量以及增加细菌和真菌的比例进而促进N2O的减排。杨丹等[36]研究发现，适当调整氮磷钾肥的比例也能减少N2O的排放，其中化肥减量配施鲜猪粪、猪粪堆肥处理的N2O排放量分别降低了7.09%、4.89%。

3.3 合理的農作制度

选择合理的农作制度能降低土壤温室气体的排放量。农作制度是在土壤通气状况、保水保肥状况以及土壤温度等方面影响土壤微生物的活性[37]，从而会对硝化和反硝化过程和N2O的排放产生重要作用。江波等[38]认为免耕、少耕及秸秆覆盖技术可以有效减少农田土壤N2O的生成量。也有学者发现免耕能促进土壤N2O的排放[39]。甚至有结果表明耕作方式对N2O排放无显著影响[40]。赵力莹等[41]在耕作措施对冬小麦农田温室气体排放的研究中，发现灌溉施肥后深松处理下农田N2O 的排放通量最高，翻耕处理和保持旋耕下N2O排放量较低，与Badagliacca等[42]的研究结果是相同的。这可能是由于深松后增大了土壤孔隙度，影响了土壤微生物活性和土壤温度，有利于硝化与反硝化作用进而影响N2O的生成速率，使土壤排放N2O量显著增加。采用保护性耕作措施不仅能够改善土壤的可耕性，锁住土壤水分，提高水分利用率，而且增加土壤有机质，有助于N2O的减排。张岳芳等[43]研究发现水旱轮作方式对稻季N2O的排放有着显著影响。在水稻烤田期间N2O排放增加，可能是含水条件影响耕层土壤微生物的生长环境，从而对下茬水稻生长季的 N2O排放产生影响。

4 展望

稻麦轮作农田作为一个重要的温室气体排放源，对全球变暖有很大的影响，为了农业可持续发展，需要对 N2O气体进行减排。目前国内外研究人员对稻田温室气体的排放及减排进行了广泛研究，但是对水氮互作与温室气体产生的研究为数不多。另外，农业源温室排放的研究大多集中在南方双季稻稻区，对于季节性干旱区的稻麦农田研究还相对较少。下一步在研究水肥等多因素对稻麦轮作系统温室气体排放的影响上，加强对土壤微生物因素的研究，将土壤理化特性、土壤生物特性以及温室气体排放有机联系起来，并提出相应的减排措施。这将为发展低碳农业、减缓全球气候变暖提供新的思路。

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