长期施用有机肥对瘠薄玉米农田土壤N2O排放的影响

关键词： 瘠薄农田； 有机肥； 土壤N2O 排放； 作物产量

瘠薄型农田作为我国中低产田重要的组成部分，约占中低产田总面积的27%[1]，对保障国家粮食安全至关重要。然而，瘠薄型农田存在“土层薄（耕层厚度小于15 cm）[2]、土壤有机质含量低（lt;1.5%）[3]”等现象，长期不合理的耕作措施[4]，进一步加剧了土壤肥力的下降，从而严重影响了作物产量。为了提高作物产量，农民往往施用过量氮肥，这不仅导致了土壤中氮素大量累积，还加剧了土壤N2O 排放[5]。因此，在现代农业绿色发展中，保障瘠薄型农田土壤肥力、减少土壤N2O 排放并提高作物产量显得尤为重要[6−7]。目前，针对瘠薄型农田长期施用有机肥的研究表明，与单施化肥相比，适量投入有机肥能够提高土壤质量、改善土壤理化性质并降低土壤N2O排放[8]。有研究表明，在等氮水平下，施用化肥处理的土壤N2O 排放通量与累积排放量明显高于有机肥处理[9]，且土壤N2O 排放量会随着化肥用量的增加而增加[10]。但相较于单施化肥，施用有机肥会促进土壤N2O 排放[11]，有机肥配施部分化肥处理同样也会显著增加土壤N2O 的排放[12]。曾泽彬等[13]研究表明，相较于单施化肥，短期单施有机肥土壤N2O 排放显著高于有机肥配施化肥处理，然而，孙赫阳等[14]研究表明， 与单施化肥处理相比， 4 0% 有机肥配施6 0% 化肥处理的土壤N 2O 排放无明显差异，但20% 有机肥配施80% 化肥有效降低土壤N2O 排放43.7%，从而减少温室效应。侯苗苗等[15]研究表明，75% 有机肥配施25% 化肥以及100% 有机肥处理均显著降低土壤N2O 排放，而配施比例低于75% 的处理土壤N2O 排放却有所增加。Meng 等[16]研究也表明，有机无机肥配施会显著增加N2O 排放量。由此可见，农业管理措施中的施肥措施对于瘠薄型农田土壤N2O 排放的影响尤为显著[17]。此外，土壤N2O 排放还受到包括气候条件（如气温、降雨等）[18]、土壤理化性质（如土壤有机碳、全氮等）[19−20]等多种因素的影响。

目前，我国将有机肥配施技术作为化肥减量增效的农业绿色低碳政策目标之一[21]，有机肥配施化肥被认为是一种能够提高土壤肥力且可以缓解生态环境恶化的可持续性措施，在改善农田生态环境和促进农业绿色低碳可持续发展中起到了关键作用[22]，尤其适用于有机质含量较低的瘠薄型农田。研究表明，有机肥可以显著提高土壤有机质含量和微生物活性[23−24]。然而，短期与长期有机肥配施化肥对温室气体排放的影响结果存在显著差异，因此长期有机无机肥配施对于农田N2O 排放以及玉米产量的影响仍需进一步研究。在国内，虽然有机肥应用广泛，但大多集中在高产田区，针对瘠薄型农田的长期施用效果研究较为有限，且有机肥配施化肥对于瘠薄型农田土壤N2O 排放的影响研究结果并不一致。因此，如何在保障作物产量的同时，利用科学的施肥技术有效减少土壤N2O 排放，缓解瘠薄型农田在农业生产过程中产生的环境负荷，是瘠薄型农田实现农业绿色发展的关键措施。本研究以瘠薄型农田为研究对象，通过研究单施化肥、有机肥与化肥配施对瘠薄型农田N2O 排放和作物产量的影响，分析不同有机肥施用措施下，农田N2O 排放特征及其影响因素，以期为瘠薄型农田土壤N2O 减排稳产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间长期定位试验开始于2008 年，试验区位于河北省迁西燕山生态环境重点野外科学观测试验站（118°6′49″E， 39°57′15″N），该站位于暖温带半湿润气候区，为四季分明的大陆性季风气候，年平均气温11.7℃，年平均降水量为716.3 mm。本研究为2023年5—10 月的田间试验。

试验区土壤类型为潮土，典型玉米一年一熟种植模式。根据我国现行《全国中低产田类型划分与改良技术规范》，将有机质含量介于5～15 g/kg 划分为瘠薄型农田[ 3 ]。2008 年试验开始前0—20 cm 耕层土壤基本理化性质为：有机质11.90 g/kg、全氮0.9 g/kg、硝态氮（NO3− -N） 15.11 mg/kg、铵态氮（NH4＋-N） 0.78 mg/kg、有效磷0.17 mg/kg、速效钾62.71 mg/kg、pH 7.07、土壤容重1.41 g/cm3。

1.2 试验设计

本研究共设置4 个处理，每种处理3 次重复，共包括12 个试验小区，每个小区面积为48 m2 （6.0 m×8.0 m），完全随机排列。试验处理包括：1） 对照处理（no fertilizer control，CK），即不施任何肥料；2） 农民常规施肥处理（merely chemical fertilizer，NPK），即根据迁西当地农民习惯施肥，基肥施氮量为72 kg/hm2，追肥施氮量为108 kg/hm2；3） 增施有机肥处理（extra organic fertilizer，MNPK），即在N PK 处理的基础上增施有机肥， 播种时以1 8 0kg/hm2 施氮量施入鸡粪肥（碳含量21.74%；氮含量2.93%），追肥时以108 kg/hm2 施氮量施入化学氮肥，每年基肥施氮量共计252 kg/hm2，追肥施氮量为108 kg/hm2；4） 50% 有机肥替代化肥处理（50%chemical fertilizer+50% organic fertilizer，RMN），即与MNPK 处理相比，RMN 处理尿素与鸡粪肥的N 投入减少了50%，基肥施氮量为126 kg/hm2，追肥施氮量为54 kg/hm2 （表1）。研究区玉米于5 月12 日播种施肥（基肥以有机肥为主），6 月25 日玉米拔节期追肥（追肥施用无机肥），10 月上旬收获。温室气体试验观测期为2023 年5 月至10 月。试验地全年无人工灌溉。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 玉米产量测定 于2023 年10 月玉米成熟期选取各处理小区具有代表性的10 m 双行，测定行距和玉米穗数。同时每个小区选取5 个具有代表性的玉米穗，测定每穗粒数，每个处理3 个重复。自然风干后人工脱粒（含水率14%），籽粒105°C 烘0.5 h转65°C 烘干24 h，测量籽粒百粒重。通过籽粒百粒重结合每穗粒数和植株密度计算作物产量，实际产量折算成t/hm2。

1.3.2 土壤N2O 排放测定 采用静态箱—气相色谱法测定N2O 排放通量。扣上罩子密封后计时，第0、6、12 和18 min 时采集30 mL 箱内气体并打入真空瓶内，同时记录第6、12、18 min 时箱内的空气温度（温度计型号为JM-624）。使用温度计测定并记录采样箱临近土壤0—15 cm 地温，使用土壤水分监测仪 （JS-TS） 采集并记录0—10 cm 土层土壤体积含水率。每次取样时间为上午8：30—9：00，并假设该时间段的数据能够代表1 天的N2O 平均排放通量。播种后连续采集3 天温室气体，之后每2～3 天采集1 次，1 个月后每7 天采集1 次样品，降雨后适当提高取样频率，没有采样测量日期的N2O 排放通量利用插值法[25]进行计算。

根据不同采样时间的N2O 浓度，采用线性回归法计算N2O 排放通量。只有当测量的N2O 浓度和采样时间之间的相关性具有统计学显著性（Plt;0.05） 时，初始变化率才被认为是有效通量。N2O 排放通量[N2O μg/（m2·min）] 和累积排放计算（N2O-N kg/hm2）公式如下：

本研究中温室气体排放强度GHGI （CO2-eq kg/t）是作物单位产量排放的净温室气体CO2 当量，计算公式如下：

1.3.3 土壤样品测定 每次取气时，同时采用五点法采集小区0—20 cm 土层的土壤样品，用于土壤无机氮（NO3−-N、NH4＋-N） 的测定，并在作物收获后采集土壤样品用于测定土壤有机碳和全氮。NO3−-N 和NH4＋-N 采用1 mol/L KC1 溶液浸提后，使用SKALAR连续流动分析仪测定；土壤有机碳测定采用重铬酸钾容量—外加热法（180℃）；土壤全氮测定采用浓H2SO4 消煮—半微量凯氏定氮法。

1.4 数据处理

利用IBM SPSS Statistics 21.0 和Excel 2016 软件进行数据统计分析，利用Origin 2021 软件制图。采用LSD （least significant difference，最小显著差异法） 法对各处理的数据进行方差分析和显著性检验，试验显著性分析均在0.05 水平。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米产量的影响

与CK 处理相比，所有施肥处理均显著提高了玉米的穗粒数、百粒重和产量，增幅分别为46%～59%、33%～46% 和72%～103% （Plt;0.05，表2）。其中，与NPK 处理相比，MNPK 和RMN 处理玉米产量分别显著提高18.23% 和13.54% （Plt;0.05），各处理产量表现为：MNPK （9.08 t/hm2）gt;RMN （8.72 t/hm2）gt;NPK （7.68 t/hm2）。这表明，在稳定产量方面，长期施用有机肥显著优于当地农民的常规施肥处理（Plt;0.05）。

2.2 不同处理下土壤N2O 排放特征

在整个监测周期内，不同施肥处理下土壤N2O排放通量整体呈现出“脉冲式”排放规律（图1-A）。各处理土壤N2O 排放通量及峰值大小基本呈现：MNPKgt;NPKgt;RMNgt;CK，各施肥处理（MNPK、NPK 以及RMN） 土壤N2O 排放通量相较于不施肥处理CK 均显著提高（Plt;0.05）。各处理土壤N2O 排放在玉米全生育期出现3 次比较明显的排放峰值，分别是施肥播种后1 周左右、第一次强降雨事件后一天以及追肥后10 天左右，各处理均为追肥后10 天左右达到最大排放峰值，其中MNPK 处理的最大排放峰值达到N2O （4.71±0.68） μg/（m2·min），显著高于NPK 处理[N2O （3.29±0.62） μg/（m2·min）] 43.00%，而RMN 处理的最大排放峰值仅为N2O （1.71±0.15） μg/（m2·min），较NPK 处理降低48%。

各处理土壤N2O 累积排放量（图1-B） 显示，各施肥处理（MNPK、NPK、RMN） 较CK 均显著增加土壤N2O 累积排放，范围从N2O-N 0.38～1.07 kg/hm2（Plt;0.05）。相较于NPK 处理，MNPK 处理土壤N2O 累积排放量增加64.65% （Plt;0.05），而RMN 处理并未显著影响土壤N2O 累积排放量（降低26.22%）。由此可见，50% 有机肥替代化肥不会显著增加土壤N2O累积排放量。

2.3 土壤N2O 排放量与土壤理化性状关系

土壤SOC、全氮（TN） 含量以及土壤水热状况是影响土壤N2O 排放的主要驱动因素[26−27]。如图2 所示，土壤N2O 排放通量与NH4＋-N、TN 以及体积含水率（VWC） 之间呈现极显著正相关关系（Plt;0.01），相关系数分别为0.76、0.79 和0.72。同时，土壤N2O 排放通量与SOC、地温（GT） 呈现显著正相关关系（Plt;0.05），相关系数分别为0.59 和0.58。

2.4 净温室效应和温室气体排放强度

NPK 处理下的玉米农田平均温室气体净排放量为CO2 -eq 361 kg/（hm2 ·a） （表3）。综合考虑土壤CO2 吸收和土壤N2O 排放，农民常规施肥处理表现为净温室气体的“源”，施用有机肥处理（MNPK、RMN） 均可将常规施肥处理NPK 下玉米农田由净温室效应“源”转化为“汇”， 施用有机肥处理（MNPK、RMN） 净温室效应较农民常规施肥处理（NPK） 分别显著降低668%、737% （Plt;0.05）。综合考虑产量，相较于NPK 处理，MNPK 和RMN 处理分别显著降低了净温室气体排放强度（GHGI） 的572% 和655%。综上，使用50% 有机肥替代化肥较农民常规施肥处理可以有效降低因玉米种植所产生的净温室效应，在保证产量的同时减少了土壤温室气体排放。

3 讨论

3.1 长期施用有机肥对玉米产量的影响

有机肥含丰富的腐殖质，使用有机肥配施化肥可以显著增加玉米产量[28−30]，本研究结果与此一致，施肥处理（NPK、MNPK 和RMN） 均能显著提高玉米穗粒数、百粒重和产量（表2）。有机肥中含有大量的微量元素，施用有机肥在补充微量元素的同时可以保证作物生长所需营养[31]。本研究结果表明，施用有机肥处理（MNPK 和RMN） 玉米产量均显著高于农民常规施肥处理（NPK）。对比连续15 年不施肥或者当地农民常规施肥处理，长期施用有机肥能够有效提高作物产量的稳定性和可持续性[32]，其中以50% 有机肥替代化肥最优。

随着施用有机肥年限的增加，0—20 cm 耕层土壤有机碳含量以及速效养分等土壤肥力因子得到明显改善[33]，进而促进玉米稳产增产。从多年的试验结果来看，增施有机肥处理相较于50% 有机肥替代化肥处理玉米产量有增加趋势，但目前差异不显著。主要原因可能是有机肥的投入量相对较低，仍需要更长时间观测有机肥施用对玉米产量的影响。

3.2 长期施用有机肥对土壤N2O 排放的影响

施肥影响土壤N2O 排放，施氮量与土壤N2O 排放呈线性增长关系[34]，当施氮量超过作物需求时，土壤N2O 排放明显增加[35]，玉米全生育期内土壤N2O排放通量均在施肥后一周左右达到排放峰值[36]。本研究结果表明，土壤N2O 排放与全氮含量呈现极显著正相关关系，与农民常规施肥（NPK）相比，长期增施有机肥（MNPK） 会增加土壤N2O 累积排放，这是由于大量的鸡粪投入增加了土壤外源碳含量，有机肥分解速率变快，从而使得氮素的供应能力变强，加快了硝化−反硝化作用，进而促进土壤N2O 的排放[37−38]。然而，50% 有机肥替代化肥（RMN） 会降低土壤N2O 累积排放量，速效养分相较于NPK 处理减少，释放速度缓慢，降低了土壤中速效氮含量，使得微生物可以直接利用的无机氮量减少[39−40]，从而减少了土壤N2O 排放。

此外，土壤的水热情况对N2O 排放也有重要影响[41−42]。本研究结果表明，不同施肥处理下N2O 排放通量与土壤体积含水率呈现极显著正相关关系，与土壤温度呈现显著正相关关系（图2）。当土壤温度介于15℃～25℃，影响微生物活性，既能促进硝化又能促进反硝化过程[43−44]，在一定范围内土壤N2O 的排放速率随温度的升高而升高，更有利于土壤N2O 排放[45]。本研究中，土壤温度的变化范围（20.33℃～24℃） 在最适宜土壤N2O 排放的温度范围，可促进土壤N2O 的排放。玉米全生育期土壤含水率的变化范围（20.51%～26.7%） 有利于N2O 的排放，土壤含水率能够影响土壤微生物活性和土壤呼吸作用，尿素通过水解后产生的NH4＋-N 增多，向土壤NO3−-N 转化，为土壤N2O 排放提供基质[46]，进而促进土壤N2O排放。

对于净温室效应而言，本研究表明，常规施肥处理（NPK） 下平均温室气体净排放量为CO2-eq 361kg/（hm2·a），在考虑土壤CO2 吸收和土壤N2O 排放的情况下，NPK 处理为净温室效应的“源”，施用有机肥处理（MNPK、RMN） 下平均温室气体净排放量相较于NPK 分别减少温室气体净排放量668% 和737%，MNPK 和RMN 处理均可将农民常规施肥下的玉米农田由净温室效应“源”转化为“汇”。综合考虑作物产量（表2） 和土壤N2O 排放（图1），RMN 处理较NPK处理可以有效降低因玉米种植所产生的净温室效应，在保证产量的同时减少了对环境的负面影响。

4 结论

与农民常规施肥处理相比，50% 有机肥替代化肥处理可降低26% N2O 排放。农民常规施肥处理表现为净温室气体的“源”[CO2-eq 361 kg/（hm2·a）]，50% 有机肥替代化肥处理可将净温室效应由“源”转化为“汇”，具有较好的温室气体减排效应。同时，50% 有机肥替代化肥处理较农民常规施肥处理玉米产量显著增加了13%。因此，50% 有机肥替代化肥是提升瘠薄型农田土壤肥力、减少温室气体排放以及保证作物稳产的最佳施肥措施。