秸秆堆肥部分替代化肥配施硝化抑制剂对冬小麦温室气体排放的影响

吴承杰，任兰天，，，*，郝 冰，邵庆勤，王 泓，陈 峰，代高峰，梅世远，张从军

(1.安徽科技学院 农学院，安徽 凤阳 233100； 2.安徽莱姆佳生物科技股份有限公司 农业农村部生物有机肥创制重点实验室，安徽 蚌埠 233400； 3.蚌埠绿都秸秆生物科技股份有限公司，安徽 蚌埠 233000)

安徽省是全国重要的粮食生产基地，小麦年均播种面积达240万hm2[1]。安徽省化肥使用量较我国生态乡镇建设规定的化肥使用量高出33.86%[2-3]。化肥的过量使用，导致其产量边际效应逐渐降低，不但难以提升作物产量，还会增加温室气体排放，造成环境污染[4]。在绿色发展理念的指引下，近年来，节肥减排成为研究热点，且主要集中在优化施肥、使用缓控释肥、加入硝化抑制剂、在施氮肥的同时掺入有机肥、秸秆还田，以及精准农业等领域[5-6]。农作物秸秆高温堆肥是目前替代化肥的有效方法之一[7-9]，可减少23.6%的CH4排放[10]，但同时秸秆直接还田会导致N2O气体排放增加[11-12]。研究表明，N2O的增温潜势是CO2的298倍。据测算，目前化肥施用导致的土壤N2O排放量占到土壤N2O总排放量的25%～82%。为此，有学者尝试利用硝化抑制剂来降低秸秆还田过程中的N2O排放[13-14]。双氰胺(DCD)作为一种化学硝化抑制剂，可以减少49.3%～79.4%的氮氧化物排放[15]，在美国与欧洲诸国有广泛应用，但在我国的应用仍然处于初步研究阶段。在本研究检索范围内，国内关于堆肥还田部分替代化肥与DCD联用的研究鲜见报道。本研究用秸秆堆肥替代10%～20%的化肥，并与不同用量的DCD结合使用，通过裂区设计试验，寻找适宜冬小麦生产的环境友好、兼顾品质的绿色生态农业模式，以期为江淮地区小麦温室气体减排和秸秆堆肥还田利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2018年10月—2019年6月在安徽科技学院种植园(117°33′39″E，32°52′49″N)进行。试验地年平均气温15 ℃，年均降水量1 200 mm，年无霜期230 d。试验地前茬为花生，土壤为黄褐土，0～20 cm土层养分含量如下：有机质20.8 g·kg-1，碱解氮110.9 mg·kg-1，有效磷25.8 mg·kg-1，速效钾115.2 mg·kg-1。供试冬小麦品种为洛麦23。取样暗箱规格为50 cm×50 cm×50 cm，后期用50 cm×50 cm×50 cm 上下通透的中继箱。

1.2 试验方法

冬小麦季试验按照2因素裂区设计，以秸秆堆肥部分替代化肥为主处理(T)，以DCD用量为裂区(D)，共设10个处理：无肥对照(CK0)，化肥投入量为0；常规施肥对照(CKN)，N、P2O5、K2O的用量分别为225、75、225 kg·hm-2；T1D1，NPK化肥均减量20%，使用秸秆堆肥15 t·hm-2，DCD用量20 kg·hm-2；T1D2，NPK化肥均减量20%，使用秸秆堆肥15 t·hm-2，DCD用量40 kg·hm-2；T1D3，NPK化肥均减量20%，使用秸秆堆肥15 t·hm-2，DCD用量60 kg·hm-2；T1D4，NPK化肥均减量20%，使用秸秆堆肥15 t·hm-2，DCD用量80 kg·hm-2；T2D1，NPK化肥均减量10%，使用秸秆堆肥7.5 t·hm-2，DCD用量20 kg·hm-2；T2D2，NPK化肥均减量10%，使用秸秆堆肥7.5 t·hm-2，DCD用量40 kg·hm-2；T2D3，NPK化肥均减量10%，使用秸秆堆肥7.5 t·hm-2，DCD用量60 kg·hm-2；T2D4，NPK化肥均减量10%，使用秸秆堆肥7.5 t·hm-2，DCD用量80 kg·hm-2。每个处理重复3次，每小区面积16 m2(4 m×4 m)。

2018年10月27日采用15 cm等行距播种。各小区除了施肥处理不同外，其余田间管理措施均采用当地高产麦田统一管理方式。小麦于2019年6月1日收获。

所用堆肥系水稻秸秆和牛粪以2∶1的质量比堆制好氧发酵而成，堆肥成品氮素含量(以N计)为1.03%，磷含量(以P2O5计)为0.87%，钾含量(以K2O计)为1.35%，有机质含量为47.8%，pH值为6.67。播种前基施所有的堆肥和60%的氮肥，以及对应的硝化抑制剂和全部的磷肥、钾肥，2019年3月27日追施剩余的40%氮肥。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 温室气体采集、测定与排放计算

气体采集采用静态暗箱取样法，按季节温度采集气体，11—12月每周采集一次气体，1—3月每2周采集一次气体，4—6月每周采集一次气体。取样时每隔10 min收集气体一次，共收集3次。采集气体的同时，记录静态暗箱内和地表的温度。各小区气体收集结束后，将取气针筒带到实验室，使用气相色谱仪Agilent 789A(美国，Agilent)测定其中的3种温室气体(CO2、NH4、N2O)排放通量，运用内插法计算未观测日排放通量[16]，之后将每天的测定值与计算值求和，得出CO2、N2O、CH4各自的排放量。温室气体排放通量的计算公式如下：

(1)

式(1)中：F为温室气体排放通量，mg·m-2·h-1；dc/dt为采样时气体体积分数随时间变化的回归曲线斜率；M为气体的摩尔质量，g·mol-1；V0为标准状态下的气体摩尔体积，22.41 L·mol-1；P、P0分别为采样点的气压(Pa)和标准状态下的空气气压(101 325 Pa)；T、T0分别为采样时的绝对温度(K)和标准状态下的绝对温度(273.15 K)；H为采样箱高度，m。

1.3.2 土壤排放气体增温潜势

以土壤排放的3种温室气体的联合作用，即增温潜势(global warming potential，GWP)来定量评估麦田排放的CO2、CH4和N2O对大气温室效应的相对影响。具体地，以CO2累积排放量中的C量表征CO2的GWP(kg·hm-2)；根据IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)评估报告，以100 a的尺度计，1 kg CH4和1 kg N2O的增温效应分别是1 kg CO2的25倍、298倍[5]，按照不同物质的相对分子质量、不同物质增温效应的关系，以及C、N原子的相对原子质量，折算CH4和N2O的GWP。将三者累加，得到总的GWP。

1.3.3 籽粒产量与品质

在成熟期，每个小区取一行小麦(4 m)，记录其有效穗数。随机选取其中20穗，数出穗粒数后，计算平均穗粒数。将每个小区的麦穗全部晒干、脱粒称量，计算千粒重和总质量，采用波通瑞华科学仪器(北京)有限公司生产的DA7200型近红外谷物品质成分分析仪测定籽粒品质。

1.4 数据处理与统计分析

用WPS Office 2007进行数据处理、图表绘制，采用SPSS 20.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 对温室气体排放的影响

2.1.1 土壤N2O排放特征

土壤中氮的硝化和反硝化作用均可以产生N2O，DCD的添加抑制了硝化作用，减少了反硝化的反应物，从而抑制了反硝化作用，所以中间产物N2O的排放也得到了抑制。由图1可以看出，冬小麦温室气体排放主要集中在秋季和春季，各处理之间，氮肥越多的，N2O排放量越大，秸秆堆肥部分替代化肥且添加DCD的，N2O排放通量显著(P<0.05)低于CKN。对比主处理不同，而裂区设计一致的各组试验(如T1D1和T2D1)可以发现，化肥用量的减少降低了N2O的排放，降幅在9.2%～11.2%，与氮素的投入量降幅相似。秸秆堆肥部分替代化肥与DCD添加的交互作用明显，随着氮肥用量的减少、DCD用量的适量增加，N2O减排幅度更加明显，且以DCD用量60 kg·hm-2效果最佳，DCD用量80 kg·hm-2与40 kg·hm-2的效果相当。T1D3的N2O减排效果最明显，较CKN的N2O排放减少65.18%，较T2D3减少28.50%。土壤N2O的排放通量在播种—分蘖期所占比重较大，各处理的N2O排放通量在分蘖期达到高峰，不同处理在分蘖期的N2O排放通量从高到低依次为CKN>T2D1>T2D2>T1D1>T2D4>T1D2>T2D3>T1D4>T1D3>CK0。11月下旬，小麦进入越冬期，各处理的排放通量呈缓慢变化趋势，直至3月26日进入返青期，各处理的N2O排放通量明显上升。CKN在返青期出现第2个排放峰，其他处理则在返青期后2 d出现第2个排放峰，临近成熟期不同处理的N2O排放量变化相对平缓。

2.1.2 土壤CO2排放特征

由图2可以看出，CKN处理在整个试验期内的CO2排放通量均最高，秸秆堆肥部分替代化肥且配施DCD的处理能减少土壤的CO2排放，且各处理的变化趋势相对一致。在小麦分蘖期，CO2排放通量出现峰值；随后小麦进入越冬期，CO2排放通量较低；3月进入返青期后，随着气温升高、小麦生长速度加快，CO2排放通量也随之升高；返青期后CO2排放通量逐渐降低。各处理中，CK0的排放通量始终最低，说明肥料的使用增加了土壤的CO2排放。

图中各标记日期的温度范围如下：2018-11-02，8～19 ℃；2018-11-26，2～12 ℃；2018-11-30，1～11 ℃；2018-12-05，0～12 ℃；2018-12-17，9～15 ℃；2019-02-08，-1～8 ℃；2019-03-06，3～12 ℃；2019-03-13，4～13 ℃；2019-03-20，5～15 ℃；2019-03-27，6～16 ℃；2019-03-29，6～17 ℃；2019-04-10，9～20 ℃；2019-04-24，12～23 ℃；2019-05-07，14～25 ℃；2019-05-15，15～26 ℃。下同。Temperature range was as follows: 2018-11-02，8～19 ℃; 2018-11-26，2～12 ℃; 2018-11-30，1～11 ℃; 2018-12-05，0～12 ℃; 2018-12-17，9～15 ℃; 2019-02-08，-1～8 ℃; 2019-03-06，3～12 ℃; 2019-03-13，4～13 ℃; 2019-03-20，5～15 ℃; 2019-03-27，6～16 ℃; 2019-03-29，6～17 ℃; 2019-04-10，9～20 ℃; 2019-04-24，12～23 ℃; 2019-05-07，14～25 ℃; 2019-05-15，15～26 ℃. The same as below.图1 各处理对小麦土壤N2O排放通量的影响Fig.1 N2O emission flux in wheat soil under different treatments

图2 各处理对小麦土壤CO2排放通量的影响Fig.2 CO2 emission flux in wheat soil under different treatments

2.1.3 土壤CH4排放特征

如图3所示，小麦生长阶段土壤CH4排放通量多为负值，说明以吸收为主，播种后到来年2月末，各处理的CH4吸收和排放通量基本维持在较低水平。从返青期开始，各处理对CH4的吸收出现第一个峰值，随着返青期结束进入4月中旬后，CH4吸收速率趋于平稳。各处理下，土壤CH4的排放规律并不明显，说明各处理对CH4排放并无明显影响。

图3 各处理对小麦土壤CH4排放通量的影响Fig.3 CH4 emission flux in wheat soil under different treatments

2.2 对温室气体总排放量的影响

各处理的温室气体排放量如表1所示，以气体排放量正值表示排放，负值表示吸收。可以看出，T1D3的温室气体总排放量最低，显著(P<0.05)低于其他处理；除T1D3外，CK0的温室气体总排放量显著(P<0.05)低于其他处理。各处理下，温室气体的总排放量均主要来自于CO2，其次是N2O，CH4贡献最小。与CKN相比，T1D1～T2D4的温室气体总排放量下降11.95%～31.76%，在T1和T2两种主处理下，均以D3裂区的温室气体总排放量降低最多。综合来看，在本试验条件下，秸秆堆肥部分替代化肥且配施DCD能显著降低温室气体排放，且以15 t·hm-2秸秆堆肥替代20%化肥、DCD用量60 kg·hm-2的减排效果最佳。

表1 各处理下麦田温室气体排放量

2.3 对麦田综合增温潜势的影响

由表2可以看出，T1D4的增温潜势是最低的，而CKN的增温潜势则是最高的，说明使用秸秆堆肥部分替代化肥配施硝化抑制剂对总的增温趋势是有降低效果的。而且，随着DCD用量的增加(0～60 kg·hm-2)，N2O的增温趋势逐渐减小，但当DCD用量增加到80 kg·hm-2时增温潜势出现了小幅度反弹，说明施用过多的DCD并不能进一步起到降低增温趋势的效果。

表2 各处理下麦田综合增温潜势

2.4 对小麦产量和品质的影响

2.4.1 小麦产量及其构成因素

小麦收获后实际称重测产(表3)，结果显示，CK0处理的小麦产量、单位面积(1 hm2)穗数、穗粒数、千粒重均最低，且均显著(P<0.05)低于其他处理。除CK0外，各处理的小麦产量及其构成因素并无显著差异，说明用秸秆堆肥部分替代化肥配施DCD对小麦产量形成并无显著不利影响。

表3 各处理的小麦产量及其构成因素

2.4.2 小麦品质

各处理下，小麦的蛋白质、面筋、支链淀粉含量，以及容重、沉降值均以CK0最低，且显著(P<0.05)低于其他处理。与CKN相比，秸秆堆肥部分替代化肥配施DCD处理的小麦面筋含量、支链淀粉含量和容重均显著(P<0.05)增加，增幅分别为7.98%～14.02%、7.99%～14.00%、8.00%～14.00%，且均以T1D3处理的增幅最大(表4)。

表4 各处理对小麦品质的影响

3 讨论

农田N2O排放受气候、土壤、肥料类型，及农业措施等多种因素的影响。本试验中，CKN处理的N2O排放通量最大，CK0处理的N2O排放通量最小，T1处理的温室气体排放通量普遍低于T2处理，说明外源肥料输入是土壤温室气体排放的主要来源。近年来，国家提倡用有机肥替代化肥，秸秆还田作为有机肥料的来源之一被大力推广。易琼等[17]指出，有机肥替代化肥会因为提高地温增加N2O的敏感性从而提高N2O的排放。因此，在秸秆还田的同时，可施用调控剂，如硝化抑制剂、脲酶抑制剂、生物炭等控制土壤N2O的排放。其中，硝化抑制剂可以通过抑制亚硝化单胞菌的活性来抑制消化过程从而减少N2O的排放[18-22]。本研究表明，秸秆堆肥部分替代化肥配合施硝化抑制剂DCD能显著降低N2O和CO2的排放峰值和排放通量，而且N2O的排放通量先随着DCD用量的增加而显著减少，但是当DCD用量从60 kg·hm-2进一步增加到80 kg·hm-2时，土壤N2O排放通量并没有进一步下降。这可能是因为，抑制亚硝化单胞菌活性只能阻止一部分N2O的释放，如果想要更大限度地减排，应该更加深入地研究土壤N2O排放的微生物学机制，从而进一步抑制N2O排放。朱龙飞等[23]研究发现，添加氮肥用量5%的DCD和0.5%的脲酶抑制剂较传统施肥N2O排放通量减少40.60%，产量增加21%。本试验并未取得如此显著的效果，可能是因为堆肥施用效果相对缓慢，若是长期定位试验，可能会取得更好的效果。

本研究中，秸秆堆肥替代20%化肥的CO2排放通量显著高于秸秆堆肥替代10%化肥的CO2排放通量，说明化肥仍然是CO2的主要排放来源。施用硝化抑制剂也同时减少了CO2的排放通量，但现有的研究报告中并未见硝化抑制剂添加对CO2排放的影响机制，可以在下一步研究中适当关注。本试验并未发现硝化抑制剂对CH4排放的明确影响规律，推测对其影响不大。

总体来看，在本试验条件下，用秸秆堆肥部分替代化肥配施DCD，可在减少温室气体排放的同时，稳定小麦产量，提高小麦品质。本试验所使用的秸秆堆肥，以秸秆与畜禽粪便为原材料，以2∶1的质量比混合，在田间地头就可以进行有氧堆制，简单易行，能够减少秸秆和有机肥的运输费用，比商品有机肥的成本大幅降低，可以在生产中替代化肥使用，具有推广应用潜力。