氮肥減施對(duì)黃淮海地區(qū)麥田溫室氣體排放的影響

李新華，朱振林，董紅云，楊麗萍，張錫金，郭洪海

(1.山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東 濟(jì)南 250100)

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氮肥減施對(duì)黃淮海地區(qū)麥田溫室氣體排放的影響

李新華1，朱振林1，董紅云1，楊麗萍1，張錫金1，郭洪海2

(1.山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東 濟(jì)南 250100)

為探討玉米秸稈還田條件下，氮肥減量施用對(duì)黃淮海區(qū)域小麥田溫室氣體排放的影響，通過(guò)田間試驗(yàn)，以農(nóng)民傳統(tǒng)施氮量作為對(duì)照(CK)，研究了不同氮肥減量施用條件下(比農(nóng)民傳統(tǒng)施氮量減少10% (N1)、20%(N2)、30%(N3)和40%(N4))，麥田溫室氣體排放量和排放強(qiáng)度的變化。結(jié)果表明，不同氮肥減量施用條件下，溫室氣體(CO2、N2O 和CH4)排放通量均具有明顯的季節(jié)變化。氮肥減量施用顯著降低了CO2和N2O的排放量，但對(duì)CH4排放量影響不顯著。不同氮肥減量施用條件下，CO2和N2O的排放量大小分別為CK>N1>N2>N4>N3和CK>N1>N2>N3>N4，且不同處理間差異顯著(p<0.05)。與CK相比，N1、N2、N3和N4處理的CO2排放量分別降低了4.9%、18.7%、36.5%和31.2%；N2O的排放量分別降低了21.9%、32.5%、 40.4%和53.5%，并且氮肥使用量與N2O排放量間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.939，p<0.05)。不同氮肥減量施用條件下，CH4吸收量的大小為N2>CK>N4>N3>N1，但不同處理間差異不顯著(p>0.05)。氮肥減量施用顯著影響麥田溫室氣體排放強(qiáng)度(Greenhouse Gas Intensity,GHGI)，表現(xiàn)為CK>N1>N2>N4>N3，且CK與不同處理間差異顯著(p<0.05)。與CK相比，N1、N2、N3和N4處理的GHGI分別降低了7.7%、11.5%、34.6%和19.2%。 氮肥施用量比農(nóng)民傳統(tǒng)施氮量減少10%～30%，小麥產(chǎn)量間無(wú)顯著差異(p>0.05)。從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮出發(fā)，推薦氮肥最佳用量為210 kg·N·hm-2(比農(nóng)民傳統(tǒng)施氮量減少30%)。在該施肥量條件下，小麥產(chǎn)量穩(wěn)定，且溫室氣體排放強(qiáng)度最低。該研究結(jié)果可為黃淮海區(qū)域建立合理的施肥制度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。圖3，表3，參36。

氮肥；減量施用；麥田；溫室氣體；排放

全球氣候變暖已成為各國(guó)共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，農(nóng)田作為溫室氣體重要的排放源[1]，對(duì)氣候變暖具有較大影響[2]。研究表明，我國(guó)由農(nóng)作物產(chǎn)生的溫室氣體排放量顯著高于發(fā)達(dá)國(guó)家，且65%以上的溫室氣體排放來(lái)自氮肥的施用[3-5]。研究表明，僅2010年中國(guó)氮肥生產(chǎn)和施用所造成的溫室氣體凈排放量達(dá)4.52億t二氧化碳[6]。氮素既是植物生長(zhǎng)必須的營(yíng)養(yǎng)元素之一，也是影響作物產(chǎn)量的主要因素。但在實(shí)際生產(chǎn)中施用化肥量存在極其嚴(yán)重的不平衡和不合理的現(xiàn)象，農(nóng)民為了追求高產(chǎn)，普遍過(guò)量施用氮肥[7-8]。研究表明，過(guò)量施用氮肥不僅不能進(jìn)一步提高作物產(chǎn)量，反而影響農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、降低氮肥利用率，還會(huì)引起土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化及溫室氣體排放等一系列環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重威脅糧食生產(chǎn)安全[9-12]。秸稈還田是當(dāng)今秸稈資源利用的主要渠道[13]，秸稈還田后可以補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，減少化肥施用量[14]。但是到目前為止，秸稈還田后施肥制度尚沒(méi)有改變[7]，對(duì)于高氮肥施入的農(nóng)田來(lái)說(shuō)，由于碳和氮的互作在一定程度上會(huì)影響秸稈還田的效用[15]。目前許多學(xué)者關(guān)于施肥措施(包括肥料類型、施用量及施用方式等)對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響已進(jìn)行了廣泛的研究，但主要集中在南方的水稻田[16-20]。對(duì)于旱田的研究還相對(duì)較少，且不同研究結(jié)果間存在較大差異[21]?？梢?jiàn)有必要開(kāi)展秸稈還田后氮肥施加量對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響規(guī)律研究，以便建立優(yōu)化的施肥制度，推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和溫室氣體的減排。鑒于此，在黃淮海小麥-玉米一年兩熟制區(qū)域選擇典型研究區(qū)，研究氮肥減量施用對(duì)麥田溫室氣體排放的影響，旨在通過(guò)調(diào)節(jié)氮肥施用量達(dá)到改善秸稈還田效果、提高土壤質(zhì)量和減少溫室氣體排放的目的，并為建立區(qū)域優(yōu)化的施肥制度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院資源與環(huán)境研究所循環(huán)農(nóng)業(yè)研究基地—山東省德州市平原縣張華鎮(zhèn)梨園村，該區(qū)屬東亞暖溫帶亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，雨熱同期，四季分明。年氣溫 12.1℃～13.1℃，極端最高氣溫 40.9℃，極端最低氣溫-22.8℃。年降水量 579.2 mm～633.3 mm。試驗(yàn)田土壤類型為壤土，是典型的黃河沖積平原，種植制度為小麥-玉米一年兩熟制，耕層土壤厚約20 cm。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量17.80 g·kg-1、有機(jī)碳含量10.56 g·kg-1、全氮含量1.04 g·kg-1、速效磷含量15.6 mg·kg-1、全鉀含量20.5 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年10月-2014年6月進(jìn)行。上季玉米收獲后，全部機(jī)械粉碎還田。供試作物為小麥，品種為濟(jì)麥22。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理，(1)以當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)施氮量作為對(duì)照(CK)；(2)在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)施氮量的基礎(chǔ)上減量10%(N1)；(3)在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)施氮量的基礎(chǔ)上減量20%(N3)；(4)在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)施氮量的基礎(chǔ)上減量30%(N3)；(5)在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)施氮量的基礎(chǔ)上減量40%(N4)，其中各處理氮肥中的純N 80 kg·hm-2在拔節(jié)期統(tǒng)一追施(3月10日施加)，其余作為基肥施加，各處理磷肥、鉀肥使用量相同，其中所用氮肥為尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀，肥料用量具體見(jiàn)表1。每個(gè)小區(qū)面積為7 m*10 m=70 m2，每個(gè)處理3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，隨機(jī)排列。每個(gè)小區(qū)間設(shè)1 m的保護(hù)間距。小麥種植期間灌溉、除草及噴藥等統(tǒng)一管理。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理(kg·hm-2)

1.3 樣品采集與分析

溫室氣體的采集采用靜態(tài)箱-氣相色譜法。采樣箱由2.5 mm厚的有機(jī)玻璃制成，箱體四周及頂部用白色泡沫包裹以確保采樣時(shí)箱內(nèi)溫度變化不大。采樣箱采用標(biāo)準(zhǔn)式組合設(shè)計(jì)，由箱體和底座2部分組成，箱體規(guī)格為50 cm×50 cm×100 cm，底座為50 cm×50 cm×20 cm。底座上端有寬2 cm、深3 cm的密封水槽，采樣時(shí)將箱體罩在底座上，各部分之間均以水密封，以防止箱體和底座的接觸處漏氣。采樣箱內(nèi)裝有攪氣小風(fēng)扇、溫度傳感器、采氣三通閥及氣壓平衡管，箱子側(cè)面安裝電源插頭和氣體樣品接口。

在每個(gè)處理小區(qū)內(nèi)，隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)。分別于小麥種植后(2013年10月11日)安裝氣體采樣箱底座，穩(wěn)定一段時(shí)間后開(kāi)始采集氣體樣品。分別于2013年12月3日、12月19日、2014年1月3日、1月22日、2月20日、3月12日、3月15日、3月20日、3月26日、4月15日、4月29日、5月15日和5月29日進(jìn)行了氣體樣品采集，采樣時(shí)間均在上午8:00-10:00之間，每次罩箱時(shí)間為30 min。從采樣箱密封放置到底座上，開(kāi)始采集第一個(gè)氣體樣品，之后每間隔10 min采樣1次，共采集4個(gè)氣體樣品。采集的氣體樣品置于1 L的鋁塑復(fù)合氣袋中(化工部大連光明化工研究所生產(chǎn))。采集氣體樣品時(shí)同步測(cè)定氣溫、箱內(nèi)溫度。

樣品采集后36 h內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)室用Agilent 7890A氣相色譜儀進(jìn)行分析。其基本原理是通過(guò)自編微機(jī)程序發(fā)出指令控制電路、氣路系統(tǒng)和信號(hào)接收，電磁閥通過(guò)開(kāi)關(guān)量改變管線中氣流流量和方向以達(dá)到對(duì)色譜自動(dòng)進(jìn)樣、分析和清洗的目的。

溫室氣體排放通量采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：F—?dú)怏w通量(mg·m-2·h-1)；dc/dt—采樣時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的回歸曲線斜率；M—?dú)怏w的摩爾質(zhì)量(g·mol-1)；P—采樣點(diǎn)氣壓(Pa)；T—采樣時(shí)的絕對(duì)溫度(K)；V0、P0、T0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體摩爾體積(22.41 L·mol-1)、空氣氣壓(1013.25 hPa)和絕對(duì)溫度(273.15 K)；H—地面以上采樣箱高度(m)。

溫室氣體累計(jì)排放量采用數(shù)學(xué)積分法計(jì)算[20]；溫室氣體排放強(qiáng)度的具體計(jì)算見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，Origin7.5進(jìn)行繪圖，SPSS 13.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥減施對(duì)溫室氣體通量及累計(jì)排放量的影響

2.1.1 氮肥減施對(duì)CO2通量和累計(jì)排放量的影響。不同氮肥施用量下，小麥田CO2排放通量呈波動(dòng)性變化，且排放模式具有相似性，但排放量不同，見(jiàn)圖1。12月至2月，不同處理間CO2的通量均較低，且變化不大，可能與該段時(shí)間屬于小麥越冬期，在此期間，氣溫不斷降低，植物生長(zhǎng)緩慢有關(guān)。3月至5月，是小麥的旺盛生長(zhǎng)期和成熟期，氣溫開(kāi)始逐漸升高，再加上追施氮肥(3月10號(hào)統(tǒng)一追施了氮肥)，CO2排放通量均增加。CK、N1、N2、N3和N4處理下，CO2排放通量范圍為依次為4.33 mg·m-2·h-1～132.4 mg·m-2·h-1、3.55 mg·m-2·h-1～132.0 mg·m-2·h-1、7.37 mg·m-2·h-1～100.1 mg·m-2·h-1、2.86 mg·m-2·h-1～107.4 mg·m-2·h-1和2.70 mg·m-2·h-1～89.4 mg·m-2·h-1，均值依次為60.9 mg·m-2·h-1、51.7 mg·m-2·h-1、46.4 mg·m-2·h-1、45.6 mg·m-2·h-1和45.5 mg·m-2·h-1，均在5月中旬達(dá)到排放最大值。

根據(jù)CO2通量數(shù)據(jù)，估算出氮肥減施處理下CO2的累計(jì)排放量，見(jiàn)表2。 5種氮肥處理?xiàng)l件下CO2排放量的大小為CK>N1>N2>N4>N3，且不同處理間差異顯著(p<0.05)。與CK相比，氮肥減施后，CO2的排放量均減少，但減少程度不同，N1、N2、N3和N4處理，CO2排放量分別降低了4.9%、18.7%、36.5%和31.2%。

圖1 不同氮肥處理下CO2排放通量Fig.1 CO2 emission fluxes with the different N fertilizer treatments

處理Treatments CH4CO2N2OCK-224±-01629651±938114±011N1-167±03027654±863089±020N2-234±01523450±906077±014N3-169±02218597±912068±016N4-220±01419424±695053±017

2.1.2 氮肥減施對(duì)N2O通量和累計(jì)排放量的影響。不同氮肥施用量下，小麥田N2O排放通量呈單峰型變化，且排放強(qiáng)度不同，見(jiàn)圖2。12月至2月份，不同秸稈還田處理?xiàng)l件下，N2O排放通量呈降低趨勢(shì)，且排放通量均較小且變化不大。2月到3月排放通量顯著增加，3月15號(hào)取得排放通量最大值，N2O的高排放量可能與施肥活動(dòng)有關(guān)(在3月10號(hào)每個(gè)處理均追施了氮肥)。郭耀東等[22]的研究也表明，施加氮肥后，N2O出現(xiàn)排放峰值。3月～ 5月，N2O通量均降低。CK、N1、N2、N3和N4處理?xiàng)l件下，N2O排放通量范圍為依次為4.30 ug·m-2·h-1～86.9 ug·m-2·h-1、3.43 ug·m-2·h-1～77.0 ug·m-2·h-1、4.08 ug·m-2·h-1～45.7 ug·m-2·h-1、4.92 ug·m-2·h-1～56.0 ug·m-2·h-1和、2.45 ug·m-2·h-1～44.2 ug·m-2·h-1，均值依次為28.0 ug·m-2·h-1、21.2 ug·m-2·h-1、15.7 ug·m-2·h-1、17.1 ug·m-2·h-1和11.4 ug·m-2·h-1。

不同氮肥施用量下，N2O的累計(jì)排放量的大小為CK>N1>N2>N3>N4，且不同處理間均差異顯著(p<0.05)，見(jiàn)表2。與CK相比，氮肥減量施加后，均降低了N2O的排放量。與CK相比，N1、N2、N3和N4處理，N2O排放量分別降低21.9%、32.5%、40.4%和53.5%。

圖2 不同氮肥用量下N2O排放通量Fig.2 N2O emission fluxes with the different N fertilizer treatments

2.1.3 氮肥減施對(duì)CH4通量和累計(jì)排放量的影響。不同氮肥施用量下，小麥田CH4通量均表現(xiàn)為吸收，均呈波動(dòng)性變化，見(jiàn)圖3。CK、N1、N2、N3和N4處理?xiàng)l件下，CH4排放通量范圍為依次為-0.099 mg·m-2·h-1～-0.016 mg·m-2·h-1、-0.048 mg·m-2·h-1～ -0.022 mg·m-2·h-1、-0.088 mg·m-2·h-1～-0.020 mg·m-2·h-1、-0.081 mg·m-2·h-1～-0.015 mg·m-2·h-1和-0.14 mg·m-2·h-1～-0.021 mg·m-2·h-1，平均通量依次為-0.044 mg·m-2·h-1、-0.032 mg·m-2·h-1、-0.046 mg·m-2·h-1、-0.040 mg·m-2·h-1和-0.042 mg·m-2·h-1。

不同氮肥施用量下，CH4累計(jì)吸收量的大小為N2>CK>N4>N3>N1，但不同處理間差異不顯著(p>0.05)，見(jiàn)表2。與CK相比，施氮量比農(nóng)民傳統(tǒng)施氮量減少20%時(shí)(N2)，能促進(jìn)CH4的吸收；其余處理，則使甲烷吸收能力降低，說(shuō)明氮肥減施對(duì)CH4的影響與減施量有關(guān)。

圖3 不同氮肥處理下CH4通量Fig.3 CH4 emission fluxes with the different N fertilizer treatments

2.2 氮肥減施對(duì)溫室氣體綜合效應(yīng)的影響

全球增溫潛勢(shì)(Global Warming Potential,GWP)是用于定量衡量不同溫室氣體對(duì)全球變暖的相對(duì)影響，是各種溫室氣體相對(duì)增溫效應(yīng)的簡(jiǎn)單度量[23]。100a時(shí)間尺度上，單位質(zhì)量N2O的全球增溫潛勢(shì)為CO2的298倍，單位質(zhì)量CH4的全球增溫潛勢(shì)為CO2的25倍[24]。但GWP僅是一個(gè)反映環(huán)境效應(yīng)的指標(biāo)，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅要考慮環(huán)境影響，還要考慮經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，為了兼顧溫室效應(yīng)同作物產(chǎn)量之間的關(guān)系，Timothy 等[25]給出了衡量單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出溫室氣體排放量的指標(biāo)，即溫室氣體排放強(qiáng)度(Greenhouse Gas Intensity GHGI)，表示收獲單位產(chǎn)量的糧食所產(chǎn)生的溫室氣體效應(yīng)，這一指標(biāo)能較好地反映環(huán)境效應(yīng)與生產(chǎn)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一性，適合于綜合評(píng)價(jià)各種農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的綜合影響[2,22]。

在100 a尺度上，氮肥減量施用處理下，GHGI的大小表現(xiàn)為CK>N1>N2>N4>N3，方差分析表明CK與N1、N2、N3和N4處理間均差異顯著(p<0.05)，但N1和N2間沒(méi)有顯著差異(p>0.05)，見(jiàn)表3。與CK相比，N1、N2、N3和N4處理下，GHGI分別降低了7.7%、11.5%、34.6%和19.2%。而在氮肥減施處理下，小麥產(chǎn)量大小為N1>CK>N3>N2>N4，方差分析表明，CK、 N1、N2、N3處理間差異不顯著(p>0.05)，但與N4處理間差異顯著(p<0.05)。也就是說(shuō)當(dāng)?shù)实氖┘恿勘犬?dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)施氮量降低40%時(shí)(180 kg·N·hm-2)，小麥產(chǎn)量會(huì)顯著降低。當(dāng)?shù)时绒r(nóng)民傳統(tǒng)施肥減量10%～30%(270 kg·N·hm-2～210 kg·N·hm-2)時(shí)，小麥產(chǎn)量和CK均沒(méi)有顯著差異。因此，從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮出發(fā)，當(dāng)?shù)首罴延昧勘葌鹘y(tǒng)農(nóng)民用量減量30%時(shí)(氮肥施加量為210 kg·N·hm-2)，溫室氣體排放強(qiáng)度最低，即每1 kg小麥產(chǎn)量的GHGI為0.17 kg CO2當(dāng)量。

表3 不同氮肥處理下溫室氣體排放強(qiáng)度(CO2 -當(dāng)量 kg·(kg 產(chǎn)量)-1)

注：表中同列不同小寫字母分別表示差異顯著(p<0.05)。

Note：Different letters mean significant differences at 5% level in the same group.

3 討 論

3.1 氮肥減施對(duì)溫室氣體排放量的影響

從麥田生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的季節(jié)變化及排放量來(lái)看，本研究在不同氮肥減施條件下，CO2通量的季節(jié)變化具有相似性，12月至次年2月排放通量較低，3月至5月，CO2排放通量均增加，這可能與氣溫和植物的生長(zhǎng)活動(dòng)有關(guān)，但氮肥減施降低了CO2的排放量，且不同處理間差異顯著(p<0.05)，這與李曉密等[21]研究結(jié)果相一致，即氮素的施加對(duì)CO2的排放具有促進(jìn)作用。CO2的排放主要與作物生長(zhǎng)及土壤微生物活性有關(guān)[4]，施用氮肥主要通過(guò)兩個(gè)方面來(lái)影響土壤CO2的排放，一是氮肥直接為植物和微生物提供生長(zhǎng)所需的N素；二是氮肥施加影響土壤的pH，進(jìn)而影響微生物活性[26]。而氮肥減施會(huì)使根系周圍微生物活性降低，導(dǎo)致土壤CO2通量下降[27]。

不同氮肥處理下，N2O排放通量的季節(jié)變化規(guī)律也具有相似性，均呈單峰型變化，即在施加氮肥后出現(xiàn)N2O的排放峰值，這可能與施加氮肥后，為N2O 的釋放提供了足夠的氮源有關(guān)[21]。從麥田系統(tǒng)N2O總排放量可以看出，不同施肥措施下N2O排放量之間差異顯著(p<0.05)。即氮肥減施均能顯著減少N2O的排放，這與楊樹(shù)運(yùn)等[28]的研究結(jié)果相一致。也有研究表明，氮肥用量與N2O 排放量之間存在線性關(guān)系[29]，本研究也得到了類似的結(jié)論。在本研究中氮肥用量和N2O排放量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.939,p<0.05)。這是因?yàn)镹2O的排放主要來(lái)自土壤的硝化和反硝化過(guò)程，該過(guò)程主要受外源C、N素供應(yīng)水平的制約[30]，氮肥的減量施用一方面減少了外源氮素的供應(yīng)，可能使硝化過(guò)程中微生物所需的有效氮源不足，從而減少N2O的排放[31]；另一方面，本研究所用的試驗(yàn)地均為秸稈全量還田地塊，秸稈還田相當(dāng)于增加了外源有機(jī)物，外源有機(jī)物分解過(guò)程中需要固定土壤速效氮，促進(jìn)反硝化過(guò)程，從而減少N2O的排放[32]。

從整個(gè)小麥生長(zhǎng)季節(jié)來(lái)看，不同氮肥減施條件下，CH4通量的季節(jié)變化呈波動(dòng)性變化，均表現(xiàn)為吸收，這與田慎重等的研究相一致[33]。這是因?yàn)樵诤档赝寥乐校淄檠趸贾鲗?dǎo)作用，旱地土壤會(huì)消耗和吸收地面大氣的CH4，是一個(gè)弱的CH4匯[34]。本研究表明氮肥減施對(duì)CH4排放量的影響不顯著(p>0.05)，這與裴淑瑋等[35]研究結(jié)果一致。施加氮肥對(duì)CH4的影響是非常復(fù)雜的，存在不同的作用機(jī)制，一方面氮肥的增加促進(jìn)作物生長(zhǎng)，為產(chǎn)生甲烷菌提供更多的碳源，從而促進(jìn)甲烷排放；另一方面氮肥的增加促進(jìn)甲烷氧化菌的生長(zhǎng)和活性，導(dǎo)致甲烷凈排放量減少[21]，這也可能是不同施氮肥施對(duì)CH4交換通量影響不明顯的原因。

3.2 氮肥減施對(duì)溫室氣體排放強(qiáng)度的影響

溫室氣體排放強(qiáng)度將溫室效應(yīng)與作物產(chǎn)量相結(jié)合，是一個(gè)溫室效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)平衡系統(tǒng)的環(huán)境效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益，幫助決策者制定相關(guān)政策。本研究表明氮肥減施對(duì)溫室氣體排放強(qiáng)度影響顯著，不同氮肥減施措施與農(nóng)民習(xí)慣施肥相比，除氮肥減量40%以外，其它處理間小麥產(chǎn)量差異均不顯著，說(shuō)明氮肥減施一定量，仍能滿足小麥生產(chǎn)的需求?？梢?jiàn)綜合GHGI 的差異來(lái)源主要是由溫室氣體總排放當(dāng)量的差異決定的，秦曉波等[36]關(guān)于施肥措施對(duì)稻田溫室氣體排放強(qiáng)度影響的研究也得到了類似的結(jié)論，由此可見(jiàn)氮肥施加過(guò)量在中國(guó)廣泛存在，通過(guò)優(yōu)化氮肥施加量減緩溫室氣體排放是可行的。在本研究中，由于氮肥減少40%顯著影響了小麥產(chǎn)量，在穩(wěn)定糧食產(chǎn)量的政策下，不推薦該施肥模式。而在農(nóng)民傳統(tǒng)氮肥施加習(xí)慣下，綜合GHGI最大，即麥田的溫室效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)較差，因此該施肥量也不宜推薦。當(dāng)?shù)适┘恿勘绒r(nóng)民傳統(tǒng)施肥減量30%時(shí)，對(duì)小麥產(chǎn)量無(wú)顯著影響，并且綜合GHGI最小，即麥田的溫室效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)較好。綜合考慮經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，推薦該氮肥的施加量為適宜的氮肥施用量，即為210 kg·N·hm-2。氮肥減施會(huì)對(duì)整個(gè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，比如作物生長(zhǎng)、土壤肥力、溫室氣體排放和微生物量等[3,10,11,14,21]。本研究?jī)H探討了氮肥減施對(duì)溫室氣體排放、小麥產(chǎn)量的影響，為了確定氮肥減量施加的最合理施用量，在今后的研究中還需深入探討氮肥減量施用對(duì)作物碳積累、土壤有機(jī)碳及碳組分含量的影響，依此建立更優(yōu)化的氮肥用量，為黃淮海區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)不同氮肥減施處理下，黃淮海區(qū)域麥田溫室氣體(CO2、N2O 和CH4)排放通量具有明顯的季節(jié)變化，且不同處理間變化趨勢(shì)具有一致性。但氮肥減量施加顯著改變溫室氣體的排放量，表現(xiàn)為CO2和N2O的排放量降低，但對(duì)CH4排放量影響不顯著。并且氮肥使用量與N2O排放量間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(r2=0.965,p<0.05)，這表明通過(guò)優(yōu)化氮肥施加量減緩溫室氣體排放是可行的。

(2)和農(nóng)民傳統(tǒng)施肥相比，氮肥減量施加顯著降低黃淮海區(qū)域麥田溫室氣體的排放強(qiáng)度，且在氮肥減量10%～30%處理下，小麥產(chǎn)量均無(wú)明顯差異。從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮出發(fā)，推薦氮肥最佳用量為210 kg·N·hm-2(比農(nóng)民傳統(tǒng)施氮量減少30%)。在該氮肥施加量下，小麥產(chǎn)量穩(wěn)定，且溫室氣體排放強(qiáng)度最低，即每生產(chǎn)1 kg小麥的溫室氣體排放強(qiáng)度為0.17 kg CO2當(dāng)量。該研究結(jié)果可為黃淮海區(qū)域麥田建立優(yōu)化的施肥制度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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Effects of Reduced N Fertilizer Application on Greenhouse Gas Emissions from Wheat Fields in Huang-huai-hai Area

LI Xinhua1,ZHU Zhenlin1,DONG Hongyun1,YANG Liping1,ZHANG Xijin1,GUO Honghai2

(1.ShandongInstituteofAgriculturalSustainableDevelopment,Jinan250100,China; 2.InstituteofAgriculturalResourceandEnvironment,ShandongAcademyofAgriculturalSciences,Jinan250100,China)

In order to investigate the effects of reduced nitrogen application on greenhouse emission from the wheat fields in Huang-huai-hai area, using static chamber-gas chromatograph technique, we explored the changes of greenhouse gases emissions and intensity from the wheat fields with the different N treatments:CK, a routine amount for farmers, 300 kg·N·hm-2; N1,270 kg·N·hm-2; N2, 240 kg·N·hm-2;N3, 210 kg·N·hm-2and N4,180 kg·N·hm-2. The results showed that the greenhouse gas fluxes had obvious seasonal changes with the different reduced rates of N fertilizer application. The effects of reduced N fertilizer application on the emissions of CO2and N2O were significant while that of CH4was not significant. The cumulative emissions of CO2and N2O were in the order of CK>N1>N2>N4>N3and CK>N1>N2>N3>N4, respectively, with the significant difference among different treatments (p<0.05); and that of CH4was in the order of N2>CK>N4>N3>N1without significant difference among different treatments (p>0.05).Compared with CK, the cumulative emissions of CO2with the treatments of N1,N2,N3and N4 was decreased by 4.9%,18.7%,36.5% and 31.2%,respectively; and the cumulative emissions of N2O with the treatments of N1,N2,N3and N4 was decreased by 21.9%,32.5%,40.4% and 53.5%, respectively. There was a significant positive correlation between the amount of N fertilizer application and N2O emissions(r=0.939,p<0.05).The effects of reduced N fertilizer application on the greenhouse gas intensity (GHGI) were also significant, and the GHGI was in the order of CK>N1>N2>N4>N3with significant difference among treatments (p<0.05).Compared with CK, the GHGI with the treatments of N1,N2, N3and N4 was decreased by 7.7%,11.5%,34.6% and 19.2%, respectively. Wheat yield had no statistical significant difference with reduced N fertilizer rates. Therefore, the optimal rate of N fertilizer was 210 kg·N·hm-2economically and environmentally, with stable wheat yield and the lowest GHGI. The study would provide the basic data for the establishment of reasonable fertilization system in Huang-huai-hai area.

N fertilizer; reduced N application; wheat field; greenhouse gas; emission

10.11689/j.issn.2095-2961.2016.04.002

2095-2961(2016)04-0215-08

2016-04-05;

2016-05-17.

“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD14B07-1).

李新華(1979-)，女，山東曹縣人，博士，副研究員，主要從事環(huán)境生態(tài)研究.

郭洪海(1962-)，男，山東單縣人，研究員，主要從事循環(huán)農(nóng)業(yè)研究.

S158.5

A