不同農(nóng)作措施對(duì)棕壤玉米田N2O排放及碳足跡的影響*2

趙 迅，郭李萍，謝立勇**，孫 雪，趙洪亮，許 婧，潘仕梅

（1. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽(yáng) 110161；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，煙臺(tái)264670）

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不同農(nóng)作措施對(duì)棕壤玉米田N2O排放及碳足跡的影響*2

趙 迅1，郭李萍2，謝立勇1**，孫 雪1，趙洪亮1，許 婧1，潘仕梅3

（1. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽(yáng) 110161；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，煙臺(tái)264670）

摘要：于2014年5-9月在遼河平原棕壤地區(qū)春玉米地設(shè)置不施氮肥（對(duì)照，CK）、常規(guī)施肥（F）、吡啶尿素包衣（FP）、常規(guī)施肥加生物黑炭（FC）以及常規(guī)施肥加秸稈半量還田（FS）5個(gè)試驗(yàn)處理，每處理3次重復(fù)，在玉米整個(gè)生育期觀測(cè)N2O的排放情況，對(duì)比分析5種農(nóng)作措施對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放及玉米生產(chǎn)過(guò)程中碳足跡的影響效果。結(jié)果表明：（1）施肥對(duì)N2O排放有明顯影響，其排放通量主要受施肥時(shí)間和施肥量的影響，施肥后排放通量較高，其中基肥和追肥階段排放的N2O分別占全生育期N2O累積排放量的24.3%～27.3%和32.0%～38.2%；（2）各施肥處理中N2O的排放量均高于CK處理，但與F處理（常規(guī)施肥）相比較，F(xiàn)P、FC和FS處理N2O累積排放量分別降低了30.2%、22.7%和9.4%，其中FP的減排效果最好；（3）各施肥處理碳足跡均顯著大于CK。除CK外，F(xiàn)P和FC處理的碳足跡較低，分別較F處理降低了19.5%和14.8%；FP處理的碳強(qiáng)度最低、碳效率最高，與其它農(nóng)作措施相比，是高產(chǎn)低排效果最優(yōu)的措施；（4）施用氮肥的直接N2O排放占玉米生產(chǎn)全周期中碳排放的最大份額，其占比為74.9%～89.0%，其次是化肥生產(chǎn)過(guò)程的碳排放，其占比為13.4%～17.8%。因此，適當(dāng)減少氮肥用量，提高氮肥利用率是降低玉米生產(chǎn)過(guò)程碳足跡的關(guān)鍵，本研究中，吡啶尿素包衣處理（FP）是棕壤區(qū)春玉米生產(chǎn)過(guò)程碳足跡管理的最優(yōu)措施。

關(guān)鍵詞：硝化抑制劑；生物黑炭；棕壤；玉米；N2O排放；碳足跡

趙迅,郭李萍,謝立勇,等. 不同農(nóng)作措施對(duì)棕壤玉米田N2O排放及碳足跡的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(3):270-280

N2O是大氣中三大溫室氣體之一，農(nóng)田土壤施用氮肥引起的N2O排放是大氣N2O的重要排放源[1-2]。在中國(guó)，由于氮肥施用造成的N2O排放占N2O排放總量的50%[3]。農(nóng)田N2O排放受諸多因素的影響，包括農(nóng)作管理（如施肥、灌溉、耕作）、環(huán)境因子（如土壤溫度、水分）和土壤本身的性質(zhì)（如土壤質(zhì)地、pH、土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分）等[4-9]，其中，農(nóng)作管理措施的差異是導(dǎo)致農(nóng)田土壤溫室氣體排放產(chǎn)生顯著差異的主要原因。

土壤N2O主要是在土壤銨態(tài)氮進(jìn)行硝化作用和硝態(tài)氮進(jìn)行反硝化作用過(guò)程中產(chǎn)生的[10]。研究表明，過(guò)量施用氮肥是農(nóng)田土壤N2O排放的主要來(lái)源；農(nóng)田N2O排放主要受施肥量、氮肥類(lèi)型、施肥方式的影響[11-12]。硝化抑制劑（如雙氰胺、3,4-二甲基吡唑磷酸鹽、三氯甲基吡啶）能夠抑制土壤中硝化作用的進(jìn)行，具有一定的減排作用[13-15]。此外，一些農(nóng)作措施（如秸稈還田）由于向土壤中添加了外源碳，促進(jìn)了微生物在對(duì)其利用的過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行氮的暫時(shí)固定，在改變土壤碳氮比、改進(jìn)土壤中氮素的循環(huán)轉(zhuǎn)化方面起積極作用，也顯示一定程度的N2O減排作用[16]。生物黑炭是有機(jī)物在高溫?zé)峤獠煌耆紵闆r下產(chǎn)生的非純凈碳的混合物，含60%以上的碳，有研究報(bào)道，生物黑炭由于在改善土壤性狀方面具有一定作用而受到關(guān)注[17-18]，但有關(guān)生物黑炭對(duì)農(nóng)田N2O排放影響的報(bào)道則有減少排放[19-20]和無(wú)影響[21-22]兩個(gè)方面。

在農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中，除田間施用氮肥直接排放N2O外，其它生產(chǎn)資料（化肥、農(nóng)藥）在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中的耗能、耗電以及播種、耕作、灌溉、收割等過(guò)程的耗電以及農(nóng)機(jī)的燃油使用也會(huì)排放相應(yīng)的溫室氣體（如CO2、CH4和N2O），為了全面反映農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中各種生產(chǎn)資料和市場(chǎng)活動(dòng)對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)，農(nóng)田碳足跡分析成為一種系統(tǒng)衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)的新方法，并逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的新熱點(diǎn)。國(guó)外學(xué)者Audsley等[23]研究了歐洲主要農(nóng)作物的碳足跡；國(guó)內(nèi)學(xué)者王占彪等[24]利用農(nóng)業(yè)碳足跡理論及生命周期法，分析了華北平原地區(qū)的作物生產(chǎn)碳足跡動(dòng)態(tài)，指出氮肥投入和灌溉電能消耗貢獻(xiàn)的碳足跡比例較高；史磊剛等[25]對(duì)華北平原冬小麥-夏玉米兩熟模式的碳足跡進(jìn)行了研究，獲得了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳排放清單。目前的碳足跡研究對(duì)生產(chǎn)資料方面的考慮較全面，但在氮肥施用對(duì)N2O排放數(shù)值方面多間接引用文獻(xiàn)報(bào)道的排放系數(shù)或其它參數(shù)，較少有結(jié)合田間實(shí)際測(cè)定而進(jìn)行分析的報(bào)道。

遼河平原是中國(guó)北方春玉米主產(chǎn)區(qū)，本研究在田間實(shí)際監(jiān)測(cè)不同農(nóng)作措施對(duì)棕壤地區(qū)春玉米生育期間N2O排放及施肥后土壤無(wú)機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)的影響，以探索不同農(nóng)作措施對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響特征與機(jī)理，并基于實(shí)際測(cè)定的N2O排放數(shù)據(jù)分析玉米生育期各生產(chǎn)資料及生產(chǎn)過(guò)程各活動(dòng)的碳排放足跡，解析玉米生產(chǎn)過(guò)程的碳足跡組成，以期為全鏈條分析春玉米生產(chǎn)過(guò)程的碳足跡及低碳生產(chǎn)農(nóng)作管理措施提供數(shù)據(jù)支持，促進(jìn)東北地區(qū)高效低碳農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在遼寧省沈陽(yáng)市東郊沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行，該試驗(yàn)點(diǎn)位于遼河平原中部（41°82′N(xiāo)，123°56′E），地勢(shì)平坦，平均海拔30-50m，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.8～8.0℃，年平均日照時(shí)數(shù)3272.5h，無(wú)霜期145～163d，年平均降水量為600～800mm，主要集中在7-9月。

試驗(yàn)田土壤為棕壤。試驗(yàn)地于2013年勻地一年，2014年正式開(kāi)始田間試驗(yàn)，并于春玉米播種前取基礎(chǔ)土樣測(cè)定土壤基礎(chǔ)理化性狀，其中土壤有機(jī)質(zhì)18.3g·kg-1，堿解氮90.6mg·kg-1，土壤速效磷151.0mg·kg-1，速效鉀123.6mg·kg-1，pH 6.9。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。每個(gè)小區(qū)3.6m（寬）×20m（長(zhǎng)）= 72m2，相鄰小區(qū)之間種植2行保護(hù)行。各處理分別為：

（1）常規(guī)施肥處理（簡(jiǎn)稱(chēng)F）：氮磷鉀肥用量分別為150、90、90kg·hm-2（以N、p2O5、K2O計(jì)），所用氮肥為尿素，磷肥為重過(guò)磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。磷鉀肥作為底肥在春玉米播種前一次施入，氮肥追基比1:1。前季玉米秸稈不還田，常規(guī)耕作，即前茬秋季收獲后秸稈移走旋耕，春季直接播種。

（2）吡啶包衣處理（FP）：氮磷鉀肥料用量均與常規(guī)處理相同，氮肥為吡啶尿素包衣（浙江產(chǎn)）。秸稈不還田，常規(guī)耕作。

（3）添加生物黑炭處理（FC）：春播施底肥前施用生物黑炭2.25t·hm-2。其它肥料及耕作方式與常規(guī)施肥處理相同，秸稈不還田。

（4）秸稈還田處理（FS）：前季玉米秸稈1/2還田，即將測(cè)產(chǎn)計(jì)算得的50%秸稈量通過(guò)聯(lián)合收割機(jī)收獲粉碎后拋灑田中。其它施肥及耕作管理同常規(guī)施肥處理。由于玉米屬高稈作物，秸稈產(chǎn)量大，遼河地區(qū)冬季氣溫在零度以下，春季氣溫也較低，全量秸稈還田后腐解較慢，對(duì)翌年播種有一定影響，因此，本試驗(yàn)設(shè)置半量秸稈還田，以探索秸稈利用及增加土壤固碳的可能措施。

（5）不施氮肥處理（CK）：不施氮肥，其它與常規(guī)施肥處理相同。

供試作物為春玉米，品種為‘東單90’，種植密度42000株·hm-2，于2014年5月5日施基肥并播種，9 月26日收獲，生育期145d。追肥在6月23日玉米喇叭口期進(jìn)行，追肥方式為溝施。玉米生育期間未進(jìn)行灌溉。

1.3 取樣和測(cè)定方法

氣體采用靜態(tài)箱法取樣，取樣箱為PVC材料制作的不透明長(zhǎng)方體箱，長(zhǎng)60cm，寬25cm，高30cm，箱體及頂部有三通閥用于取氣；取樣箱底座插入土壤中10cm，箱體扣于底座的凹槽上，并在凹槽中用水密封。觀測(cè)期間箱內(nèi)不含作物和雜草，取樣箱扣在2株玉米間的畦上且兩邊各覆蓋半個(gè)行距，可以均勻代表整行玉米田間的土面狀況。5個(gè)處理、3次重復(fù)共15個(gè)小區(qū)共放置15個(gè)取樣箱進(jìn)行取樣。于每個(gè)采樣日的9：00-11：00（該時(shí)段的氣體排放通量基本能表征全天的平均值）分別在扣箱后0、10、20min打開(kāi)取樣箱頂部的開(kāi)關(guān)閥，并用注射器抽取30mL氣體于預(yù)抽為真空的12mL血清瓶中；每次取15個(gè)小區(qū)共45個(gè)氣樣，氣樣于1周內(nèi)用Agilent 7890B氣相色譜儀測(cè)定N2O濃度。玉米常規(guī)生育期的取氣周期為每7d一次，施肥后改為2～3d一次。每次取氣樣的同時(shí)，用熱敏電阻（誤差+0.5℃）測(cè)定土壤5cm處溫度和箱內(nèi)溫度。用便攜式土壤水分測(cè)定儀測(cè)定土壤水分體積含量（v/v, %）。施肥后用標(biāo)準(zhǔn)土鉆取0-20cm混合土樣（每個(gè)小區(qū)5鉆），測(cè)定新鮮土樣的水分含量、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法、硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法、水分含量采用烘干法測(cè)量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.4 N2O排放通量計(jì)算方法

式中，F(xiàn)為N2O排放通量（mg·m-2·h-1）；ρ為箱內(nèi)氣體密度（g·cm-3）；H為取樣箱高度；Δc/Δt為取樣箱內(nèi)N2O濃度隨時(shí)間的變化率（10-9cm3·cm-3·min-1）；θ為扣箱測(cè)定期間取樣箱內(nèi)的平均溫度（℃）。

玉米生育期內(nèi)N2O累積排放量通過(guò)每次測(cè)得的氣體排放通量乘以相鄰兩次取樣之間的間隔天數(shù)并逐次累加[26]。

排放系數(shù)EF（Emission Factor）是指在某一時(shí)段段內(nèi)施肥土壤中排放的N2O的量減去無(wú)肥處理N2O排放量，占所施肥料中純氮的百分比，CK處理由于沒(méi)有施加氮肥所以不考慮排放系數(shù)。

1.5 碳足跡計(jì)算方法

碳足跡是指某種生產(chǎn)活動(dòng)在生命周期內(nèi)的碳排放總量，包括直接和間接碳排放總量，用碳當(dāng)量（Ce）表示[27]。N2O排放量按照100a基礎(chǔ)上其全球增溫潛勢(shì)為CO2的298倍計(jì)算[1]，然后統(tǒng)一換算為碳當(dāng)量（乘以系數(shù)12/44）。IPCC方法學(xué)中玉米生產(chǎn)過(guò)程中的直接碳足跡包括：（1）在耕地、播種和收獲等過(guò)程中，使用農(nóng)業(yè)機(jī)械所消耗的柴油產(chǎn)生碳排放；（2）玉米種植和氮肥施用導(dǎo)致的N2O直接排放；（3）農(nóng)田灌溉消耗電能產(chǎn)生的碳排放。間接碳足跡是指玉米在生產(chǎn)過(guò)程中所需化肥、農(nóng)藥和種子等生產(chǎn)資料在生產(chǎn)及運(yùn)輸過(guò)程中的碳排放。春玉米管理依照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)進(jìn)行，生育期內(nèi)不灌溉，所以在碳足跡的計(jì)算過(guò)程中不考慮農(nóng)田灌溉消耗電能產(chǎn)生的碳排放。

碳足跡的計(jì)算采用生命周期法[28]，計(jì)算式為

式中，Cf為農(nóng)作物生命周期中各生產(chǎn)資料及生產(chǎn)過(guò)程的碳足跡(kg·hm-2)，n表示作物整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中消耗了n種物質(zhì)（能源或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料）或發(fā)生了n種過(guò)程，Cfi表示第i種物質(zhì)的碳足跡，mi為第i種物質(zhì)的消耗量，βi為第i種物質(zhì)的碳排放參數(shù)。

由于農(nóng)作物碳足跡研究的發(fā)展尚處起步階段，國(guó)內(nèi)相關(guān)參數(shù)還不夠全面。因此，關(guān)于玉米生產(chǎn)過(guò)程中主要生產(chǎn)資料的碳排放參數(shù)已有報(bào)道，故盡量選取接近國(guó)內(nèi)東北地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀的參數(shù)。涉及的主要生產(chǎn)資料或活動(dòng)的碳排放參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 玉米生產(chǎn)過(guò)程中不同農(nóng)田物質(zhì)的碳排放參數(shù)Table 1 Carbon emission factors of different materials during maize growth season

1.6 碳強(qiáng)度與碳效率

農(nóng)作物的碳強(qiáng)度是指農(nóng)作物碳足跡與作物單位面積產(chǎn)量的比值（kg·kg-1），即生產(chǎn)單位面積作物產(chǎn)量所造成的碳排放量；碳效率是指農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量與農(nóng)作物碳足跡的比值（kg·kg-1），即消耗單位碳排放量而生產(chǎn)的作物的產(chǎn)量，兩者均為評(píng)價(jià)農(nóng)作物碳足跡強(qiáng)度的數(shù)量指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同農(nóng)作措施對(duì)土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的影響

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是土壤中無(wú)機(jī)氮的主要存在形式，尿素中的酰胺態(tài)氮施入土壤后很快在脲酶的作用下轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，之后銨態(tài)氮通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。試驗(yàn)在基肥（5月5日）和追肥（6月23日）施用后各取3次土樣，分別在基肥后第12、17、23天和追肥后第5、9、14天進(jìn)行，以監(jiān)測(cè)不同處理施肥后土壤中無(wú)機(jī)氮的動(dòng)態(tài)變化。由圖1可見(jiàn)，各施肥處理土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在施肥后的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本一致，但不同處理的土壤無(wú)機(jī)氮含量數(shù)值高低及變化快慢不同。總體來(lái)看，CK處理中土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量一直保持在最低水平，顯然是由于未施肥的緣故。各施肥處理在基肥后的土壤銨態(tài)氮含量在27.0～75.0mg·kg-1，追肥后在5.2～32.3mg·kg-1，基肥階段銨態(tài)氮含量較高，可能是由于植株對(duì)其吸收較少的緣故。此外，施肥后土壤中銨態(tài)氮基本呈降低趨勢(shì)，基肥后第3次取樣（5月23日）土壤銨態(tài)氮有升高表現(xiàn)，可能是由于受當(dāng)時(shí)一次降雨的影響，促進(jìn)了土壤有機(jī)氮礦化的緣故，而硝態(tài)氮?jiǎng)t在基肥后第3次取樣（5月23日）后呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明在銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的過(guò)程中，降水導(dǎo)致土壤水分含量增加，硝態(tài)氮隨著土壤水移動(dòng)被淋洗到下部土層，使上層土壤硝態(tài)氮含量減少。不同處理的無(wú)機(jī)氮變化中，銨態(tài)氮含量大小表現(xiàn)為FP＞FC≥FS＞F，硝態(tài)氮為F≥FS ≈ FC＞FP，說(shuō)明吡啶抑制硝化作用的能力在施肥后一段時(shí)間內(nèi)效果顯著。就平均值而言，吡啶處理的土壤硝態(tài)氮低于常規(guī)施肥處理37.1%，生物黑炭處理和秸稈處理分別比常規(guī)施肥處理低20.3%和10.6%，追肥后抑制效果略差，可能與當(dāng)時(shí)秸稈腐解增加而殘留率降低有關(guān)；類(lèi)似地，不同處理施肥后土壤硝態(tài)氮含量則表現(xiàn)為吡啶處理最低，常規(guī)施肥處理最高，生物炭和秸稈還田處理居中，尤以基肥施用后較明顯，可見(jiàn)試驗(yàn)中的硝化抑制劑吡啶在抑制銨態(tài)氮的硝化作用方面效果顯著。

圖1 基肥和追肥后土壤中銨態(tài)氮（a）和硝態(tài)氮（b）的動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 Variation of ammonium(a) and nitrate(b)content in maize field after base fertilization and additional fertilization

2.2 不同農(nóng)作措施對(duì)土壤N2O排放的影響

2.2.1 排放通量動(dòng)態(tài)變化

由圖2可知，不同農(nóng)作措施下土壤N2O排放通量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本一致，主要與施肥和降水有關(guān)，其中CK處理中小排放峰是由于降水使土壤水分含量升高引起的排放（圖3a），但不施氮肥處理整個(gè)生育期N2O排放通量均處于較低水平（＜76.4μg·m-2·h-1）。總體來(lái)講，在4月末-5月初排放通量較低，期間各處理的排放通量均在50μg·m-2·h-1以下，這主要是由于4月份土壤溫度及水分含量均較低，圖3顯示期間溫度低于15℃、土壤水分含量低于15%。5月初開(kāi)始，由于土壤溫度逐漸升高（＞20℃），加之耕作整地、施肥以及降水的影響，N2O排放通量迅速升高，施基肥后的N2O排放峰通量值為257.8μg·m-2·h-1。基肥排放峰后，土壤N2O排放通量逐漸降低，直至6月23日追肥后，N2O的排放通量又達(dá)到高峰，為396.6μg·m-2·h-1，6月土溫較高（25℃以上），這時(shí)的排放峰值也高，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（15d）；在7月20日左右又出現(xiàn)一個(gè)較弱的峰，這主要是受降水的影響，降水導(dǎo)致土壤含水量增加，適宜的土壤含水量促進(jìn)了硝化和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，從而使N2O的排放增加[33]。追肥排放峰后，土壤N2O排放通量逐漸降低，直至9月中旬玉米收獲時(shí)降至50.0μg·m-2·h-1左右。試驗(yàn)中因施基肥后土壤溫度較低，排放峰持續(xù)了10d左右；追肥后溫度較高，排放峰持續(xù)15d左右。

圖2 玉米生育期不同處理土壤N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化Fig. 2 Variation of soil N2O emission flux during maize growth season under different fertilization treatments

圖3 玉米生育期不同處理土壤含水率（a）和溫度（b）的動(dòng)態(tài)變化Fig. 3 Variation of soil moisture (a) and temperature (b) during maize growth season under different treatments

2.2.2 不同處理土壤N2O的累積排放量及排放系數(shù)

玉米生育期內(nèi)各時(shí)期的土壤N2O累積排放量占全生育期累積排放量的百分比也可以反映各時(shí)期N2O排放的特點(diǎn)（表2）。由表2可見(jiàn)，不同處理在基肥（5月5日）和追肥（6月23日）階段N2O的累積排放量占全生育期總排放量的比例均較高，分別為25.7%和35.1%，兩次施肥后的總累積排放量占全生育期累積排放量的60.8%，是主要的排放時(shí)期，也說(shuō)明了施肥對(duì)N2O排放的直接貢獻(xiàn)。另外，在玉米大喇叭口期土壤溫度較高，高溫下可能增加土壤有機(jī)氮的礦化，使土壤可利用的銨態(tài)氮也相應(yīng)增加，也會(huì)促進(jìn)N2O排放。表2還顯示，各施肥處理的N2O累積排放量均高于無(wú)肥對(duì)照CK，為CK的1.3～1.8倍。各施肥處理中，農(nóng)民常規(guī)施肥F處理的累積排放量最高，F(xiàn)P、FC和FS的累積排放量分別比F降低了30.1%、22.9%和9.6%，均顯示了一定的減排效果，其中吡啶尿素包衣的減排效果最好，不同措施的N2O減排效果表現(xiàn)為FP＞FC＞FS。

表2 玉米各生育期土壤N2O排放量占全生育期N2O排放總量的比例Table 2 Proportion of N2O emissions at each stage to total N2O emission during whole growth season

IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南中把農(nóng)耕地分為旱地土壤和稻田土壤兩種，并設(shè)定兩種類(lèi)型土壤的N2O缺省排放系數(shù)（扣除有機(jī)肥氮的排放）分別為1%和0.3%[34]。玉米生育期不同措施處理土壤N2O的排放系數(shù)見(jiàn)表3，由表可見(jiàn)，不同處理玉米生育期N2O的排放系數(shù)為0.5%～1.6%，吡啶尿素包衣FP和生物黑炭FC處理的N2O排放系數(shù)均低于IPCC規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)（1%），其中吡啶尿素包衣處理的N2O排放系數(shù)最低，說(shuō)明FP處理能有效減少N2O的排放。

表3 玉米生育期不同處理土壤N2O排放量及排放系數(shù)Table 3 Comparison of average N2O emission flux and emission factor during maize growth season under different treatments

2.3 不同農(nóng)作措施對(duì)玉米生產(chǎn)過(guò)程碳足跡的影響

按照生命周期法，玉米生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)資料投入包括化肥（氮肥、磷肥和鉀肥）、農(nóng)藥（除草劑和殺蟲(chóng)劑）、機(jī)械（柴油使用）和種子4個(gè)部分，按照各種投入物的碳排放參數(shù)（表1）以及氮肥施用后在田間測(cè)定N2O的累積排放量（表2），得到不同農(nóng)作措施下玉米生產(chǎn)過(guò)程中的碳足跡清單見(jiàn)表4。由表可見(jiàn)，不同農(nóng)作措施的碳足跡大?。╧g·hm-2·a-1）依次為F（1943.2）＞FS（1793.9）＞FC（1582.9）＞FP（1469.1）＞CK（980.5），可見(jiàn)，與常規(guī)施肥F處理相比，吡啶尿素包衣處理、生物黑炭處理和常規(guī)施肥結(jié)合秸稈還田處理的碳足跡總量均有下降，分別減少24.4%、18.5%和7.7%。表4還顯示，各處理的N2O排放碳足跡占玉米全生育期碳足跡總量的比例均最大，其中無(wú)肥對(duì)照為89.0%，常規(guī)施肥81.0%，吡啶尿素包衣74.9%，生物黑炭76.8%，秸稈還田79.3%；各處理施用氮肥造成的碳足跡占玉米全生育期碳足跡總量的比例分別為常規(guī)施肥13.4%，吡啶尿素包衣17.8%，生物黑炭16.5%，秸稈還田處理14.5%；其它項(xiàng)目碳足跡大小為柴油使用＞磷肥生產(chǎn)＞種子生產(chǎn)＞鉀肥生產(chǎn)＞除草劑使用＞殺蟲(chóng)劑使用?？傊?，各處理不同項(xiàng)目碳足跡占總碳足跡比例的順序?yàn)镹2O排放＞化肥生產(chǎn)＞柴油使用＞農(nóng)藥使用＞種子生產(chǎn)，由于田間N2O排放也是由化肥施用過(guò)程中產(chǎn)生的，因此，化肥尤其是氮肥的施用是造成碳足跡的最重要因素。

表4 不同處理下玉米生產(chǎn)的碳足跡清單Table 4 List of carbon footprint of maize production under different treatments

不同農(nóng)作措施下玉米產(chǎn)量、碳強(qiáng)度及碳效率見(jiàn)表5。由表可見(jiàn)，與無(wú)氮對(duì)照CK相比，各農(nóng)作措施均顯著提高了玉米產(chǎn)量，生物黑炭處理增產(chǎn)比例最高，比常規(guī)處理F高13.9%，其次是吡啶尿素包衣處理，比F處理高12.3%，秸稈還田比F處理高5.2%。

除無(wú)氮肥對(duì)照CK處理外，常規(guī)施肥F和秸稈還田FS的碳強(qiáng)度較高，大小相近，約為0.2kg·kg-1，其中，F(xiàn)處理的碳效率最低（5.1kg·kg-1），說(shuō)明單位碳排放情況下玉米產(chǎn)出量最少，碳排放最多；吡啶尿素包衣（FP）和生物黑炭（FC）處理的碳強(qiáng)度約為0.1kg·kg-1，F(xiàn)P處理的碳效率最高（7.6kg·kg-1），說(shuō)明其減排效果較明顯，單位碳排放情況下的玉米產(chǎn)出量最多，與其它農(nóng)作措施相比，是一種碳利用效率較高的處理方式；其次是FC處理，然后是FS處理。

表5 不同處理下玉米產(chǎn)量、碳強(qiáng)度及碳效率Table 5 Yield of maize, carbon intensity and carbon efficiency under different treatments

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是土壤中無(wú)機(jī)氮的主要存在形式，均是作物可吸收的速效性氮素，目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)民普遍使用的氮肥為尿素，屬速效性酰胺態(tài)氮形式，施入土壤中很快在脲酶的作用下轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮。北方旱地土壤透氣性較好，銨態(tài)氮會(huì)迅速通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，期間產(chǎn)生氮素?fù)p失并以N2O形式排放到大氣中[35-36]，不同類(lèi)型氮肥在土壤中硝化作用的速度和強(qiáng)度不同[37-39]。

氮肥的施加是影響農(nóng)田土壤N2O排放的主要因素，不同處理的N2O排放峰都發(fā)生在施肥后（包括基肥和追肥后），這與其它研究成果類(lèi)似[6,9]。本試驗(yàn)中不同處理的N2O排放數(shù)值大小基本與施肥后土壤中無(wú)機(jī)氮的含量及轉(zhuǎn)化過(guò)程相對(duì)應(yīng)，土壤中硝態(tài)氮含量較高的處理（如常規(guī)施肥處理），相應(yīng)地其N(xiāo)2O排放量也高，是由于施入的酰胺態(tài)氮經(jīng)過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，在此過(guò)程中排放N2O。在玉米生產(chǎn)的直接碳排放中，吡啶尿素包衣在抑制銨態(tài)氮的硝化作用進(jìn)而減少N2O排放方面作用較好，與常規(guī)施肥處理相比較，吡啶尿素包衣處理的土壤N2O排放量減少了約30.2%，土壤N2O排放強(qiáng)度和綜合溫室效應(yīng)最低，這一結(jié)果與郝小雨等[40]對(duì)黑土玉米田N2O排放的研究成果相符。不過(guò)，有報(bào)道指出[41]，一些硝化抑制劑會(huì)略增加氨揮發(fā)，這就要求在生產(chǎn)中進(jìn)行管理措施的改進(jìn)，如硝化抑制劑配合脲酶抑制劑使用[42-43]，以同時(shí)降低氨揮發(fā)和N2O排放。生物黑炭和秸稈還田的主要作用是增加土壤有機(jī)碳[44-45]，但試驗(yàn)顯示，這兩種措施也有一定的N2O減排作用，可能是生物炭改進(jìn)了土壤的某些特性，如土壤容重[18,44]或土壤吸附特性[46-47]，因此對(duì)N2O減排有一定作用。秸稈還田可能在還田初期提高了土壤碳氮比[48]，因而在基肥施入后對(duì)N2O減排有一定作用。

綜合考慮棕壤區(qū)雨養(yǎng)春玉米生產(chǎn)過(guò)程的碳足跡可以發(fā)現(xiàn)，施用氮肥的直接N2O排放和化肥生產(chǎn)過(guò)程的碳排放足跡占玉米生產(chǎn)過(guò)程碳排放足跡的80%以上，是玉米生產(chǎn)過(guò)程所占份額最大的碳足跡排放，這與目前的一些估算結(jié)果相類(lèi)似[49]?？赡苁怯捎趪?guó)內(nèi)化肥生產(chǎn)耗能較高[50]的緣故，因此，要減小作物生產(chǎn)生命周期中的碳足跡，降低能源和工業(yè)部門(mén)的碳排放依然很重要；此外，提高氮肥利用效率，采用增效氮肥以減少氮肥用量也是減排的一個(gè)主要途徑。

3.2 結(jié)論

（1）吡啶尿素包衣能減少春玉米地N2O直接排放30.1%，生物黑炭和秸稈還田在N2O減排方面也有一定作用，分別可以減排N2O排放22.9%和9.6%。這些措施達(dá)到減排N2O效果主要是因?yàn)橐种屏送寥乐袖@態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，使土壤中氮素能較長(zhǎng)時(shí)間保持為銨態(tài)氮形式而減少硝化過(guò)程中的N2O排放。

（2）春玉米生產(chǎn)過(guò)程中全生命周期的碳足跡中，施用氮肥的直接N2O排放占比最高（70%～80%），其次是氮肥生產(chǎn)過(guò)程的碳排放，占10%～20%。

（3）不同管理措施中，吡啶尿素包衣的N2O直接排放最低，碳足跡也相應(yīng)最低，而碳效率最高，可以作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中N2O減排或碳減排的推薦管理措施。

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Impacts of Different Farming Managements on N2O Emission and Carbon Footprint for Maize from Brown Soil

ZHAO Xun1, GUO Li-ping2, XIE Li-yong1, SUN Xue1, ZHAO Hong-liang1, XU Jing1, PAN Shi-mei3
（1. College of Agronomy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China；2. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081; 3. Institute of Yantai, China Agricultural University, Yantai 264670）

Abstract：In order to study the impacts of different farming measures on N2O emission for maize production and the carbon footprint during whole maize growth season, the field experiment was conducted in middle and lower reaches of Liaohe Plain in 2014. Five farming measures, including the non-nitrogenous fertilizer control (CK), the regular fertilization by farmers (F), the pyridine coated urea (FP), regular fertilization and biochar (FC), and regular fertilization and straw semi-farm return (FS) were taken in the experiment. The results showed that, (1) N2O emission in the soil was mainly affected by the fertilization time and fertilization amount, the N2O emission was keeping high after fertilization application. The N2O emission after base fertilizing and additional fertilizations accounted for 24.3%-27.3% and 32.0%-38.2% of the accumulated emission amount of N2O during whole growth season, respectively; (2) As the FP processing can inhibit the rapid transition of ammonium nitrogen in the soil to nitrate nitrogen, the accumulated N2O emission amount in the maize growth period through FP, FC and FS wasreduced by 30.2%, 22.7% and 9.4% compared to regular fertilization (F). The emission effect of FP was optimum choice; (3) The carbon footprint of FP and FC processing was low, which was decreased by 19.5% and 14.8% respectively compared to F; The carbon intensity of FP processing was also the lowest, and its carbon efficiency was the highest. Compared to other farming measures, it belonged to a low-carbon fertilization one with high production and low emission; (4) The direct N2O emission with the application of nitrogen accounted for the largest share of carbon emission in the whole maize production process (accounting for 74.9%-89.0%), followed by the carbon emission in the fertilizer production process (accounting for 13.4%-17.8%). Therefore, the reduction of nitrogen application and the improvement of nitrogen utilization was the key to reduce the carbon footprint in the maize production process. The carbon emission reduction management measure specific to the spring maize production in the brown soil area in this research was the pyridine coated urea.

Key words：Nitrification inhibitor; Biochar; Brown soil; Maize; N2O emission; Carbon footprint

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.03.002

* 收稿日期：2015-12-18**通訊作者。E-mail：xly0910@163.com

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2013BAD11B03）

作者簡(jiǎn)介：趙迅（1991-），女，碩士生，主要從事農(nóng)業(yè)溫室氣體源匯與氣候變化研究。E-mail：zxx_0129@163.com