不同氮肥管理措施對華北地區(qū)夏玉米田增產(chǎn)減排的效果分析

徐 鈺，劉兆輝，張建軍，石 璟，王 梅，楊 巖，江麗華*

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，山東省植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，山東 濟南 250100；2.濟南市農(nóng)業(yè)局，山東 濟南 250099)

氧化亞氮(N2O)是僅次于二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的第三大痕量溫室氣體，對溫室效應(yīng)的貢獻率約為5%，2011年大氣中N2O濃度已達到324 nmol/mol，比工業(yè)化前升高了20%，且仍以年均0.2%～0.3%的速度增長[1-2]。在已知的N2O排放源中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是全球N2O的重要人為排放源，其中農(nóng)田N2O排放量占人為排放源總量的84%，占全球N2O排放量的39%～52%[2-3]。許多研究報告表明，化學(xué)氮肥的施用對農(nóng)田土壤N2O的排放有明顯促進作用，是農(nóng)業(yè)土壤中N2O的最大來源[4]，2005年中國因氮肥施用產(chǎn)生的N2O排放量占農(nóng)田排放總量的50%以上[5]?？梢姡瑴p少因氮肥施用而產(chǎn)生的N2O對于全球N2O的減排具有重要作用。施用化學(xué)氮肥引起的農(nóng)田N2O排放分為直接排放和間接排放兩大類[6-7]，目前的研究多集中在通過降低施氮量達到減少N2O直接排放[8-9]，而通過選擇合適的氮肥類型、施肥時間和施肥方式等提高氮肥利用率的手段實現(xiàn)氮肥施用后N2O的間接減排方面研究較少，尤其是后者[10-12]。

華北平原是中國的重要糧食產(chǎn)區(qū)，夏玉米是該區(qū)最主要的糧食作物之一，2015年玉米產(chǎn)量約占全國的30%[13]，對于國家的糧食安全起著非常重要的作用。該區(qū)的玉米施肥多在播種期或出苗后采用溝施覆土，受限于后期玉米植株高大和炎熱的天氣，追肥采用條帶撒施或均勻撒施，肥料利用率較低，導(dǎo)致大量的N2O排放[14]。由于城鎮(zhèn)化和老齡化，農(nóng)村勞動力在數(shù)量和質(zhì)量上雙重短缺，玉米生產(chǎn)中亟需操作方便和程序簡化的氮肥管理技術(shù)來保證糧食安全，并實現(xiàn)N2O減排。研究表明，玉米上采用氮肥條施、施用緩控釋肥或分層施肥可以提高肥料利用率，在同等養(yǎng)分投入的情況下，能保證玉米產(chǎn)量，后兩者還可以實現(xiàn)一次性施肥，省工省力[15-18]。但三者對玉米農(nóng)田N2O排放影響的研究較少[10,19]，尤其是后者還未見報道。因此，本文通過田間原位觀測，研究氮肥條施、分層施肥和施用緩控釋肥3種氮肥管理措施下玉米土壤的N2O排放規(guī)律，并從玉米產(chǎn)量、減排成本和經(jīng)濟效益綜合分析，明確三者的減排效果，以便為華北平原夏玉米保產(chǎn)減排且效益最優(yōu)措施的篩選和推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在章丘市棗園鎮(zhèn)慶元村進行，試驗點地勢平坦，處于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫12.8℃，多年平均降水量600.8 mm，年平均日照時數(shù)2 647.6 h，無霜期192 d。土壤為褐土，質(zhì)地為輕壤土，0～20 cm表土有機質(zhì)為16.5 g/kg，有效磷7.9 mg/kg，速效鉀116.0 mg/kg，硝態(tài)氮1.4 mg/kg，銨態(tài)氮2.4 mg/kg，pH值8.2。

1.2 試驗設(shè)計

前茬作物為冬小麥，收獲后秸稈全還田，試驗設(shè)4個處理，分別為(1)農(nóng)民習(xí)慣施肥(FP)：出苗后，全部磷、鉀肥和40%氮肥在苗一側(cè)溝施(6～8 cm)，60%氮肥在大喇叭口—抽雄期撒施，氮肥為尿素；(2)氮肥條施(ND)：出苗后，全部磷、鉀肥和40%氮肥在苗一側(cè)溝施(6～8 cm)，60%氮肥在大喇叭口—抽雄期條施(6～8 cm)，氮肥為尿素；(3)緩控釋氮肥(CRF)：出苗后，氮、磷、鉀肥在苗一側(cè)一次性條施(6～8 cm)，氮肥為緩控釋氮肥；(4)分層條施(LD)：玉米出苗后，在苗一側(cè)，開溝分兩層將肥料一次性施入，其中上層為距離地面6～8 cm處，施30%氮肥及全部磷、鉀肥；下層為距離地面20 cm處，施70%氮肥，氮肥為尿素。

各處理施肥量相等，N、P2O5、K2O分別為240、90和120 kg/hm2，磷肥為重過磷酸鈣(P2O544%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)，尿素(N 46%)，緩控釋氮肥(N 44%)。試驗采取3次重復(fù)，小區(qū)面積為51 m2，試驗地四周設(shè)置2 m寬保護行。行距0.85 m，株距20 cm，玉米品種為先玉335，于2013年6月24日播種，第1次苗肥于7月1日施入，第2次大喇叭口—抽雄期追肥于7月29日施入。試驗期間進行2次灌溉，分別于7月2日和8月25日，每次灌溉量為750 m3/hm2，灌溉方式為漫灌，9月30日收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 N2O采集與測定

N2O的排放通量采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法進行測定。采樣箱箱體由不銹鋼材料制成，外覆絕熱材料(泡沫聚苯乙烯)，底部邊緣粘有密封膠條。頂箱(50 cm×50 cm×50 cm)箱體采氣管線一端通過箱體側(cè)面取氣接頭深入箱內(nèi)10 cm左右，另一端用三通閥密封，采樣時與采樣注射器相連。為保證植株的正常生長和取樣的順利進行，當(dāng)作物生長超過50 cm后，采樣時增加1～2個中段箱(50 cm×50 cm×50 cm)。底座(50 cm×50 cm×20 cm)由不銹鋼材料制成，播種后將其埋入地下。為了避免采樣操作過程中局部踩實土壤而導(dǎo)致氣體橫向流動受到干擾，同時也避免采樣操作過程對箱內(nèi)及其周圍植物的機械性破壞，在采樣點周圍搭設(shè)了木橋。

采樣一般在9:00～11:00進行，平常取樣為3～7 d一次，施肥后連續(xù)取樣一周，灌溉或降雨后連續(xù)取樣2 d。采樣時，將箱體置于底座上，用夾子將箱體和底座加在一起，確保不漏氣。密封后立即用100 mL塑料注射器抽取氣體，每隔8 min取樣1次，取樣5次，并準(zhǔn)確記錄采樣時的具體時間和箱內(nèi)溫度。

采集的N2O氣樣用改進的Agilent 7890A氣相色譜儀測定：(1)N2O排放通量采用線性回歸法進行計算[20]，公式為：F=(M/V0)×H×(dc/dt)×[273/(273+T)]×(P/P0)×k。式中，F(xiàn)為目標(biāo)氣體的排放通量[N2O mg/(m2·h)]；M為氣體的摩爾質(zhì)量(g/mol),V0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(溫度273 K，氣壓1 013 hPa)氣體的摩爾體積(22.41×10-3m3)；H為采樣箱氣室高度(cm)；dc/dt為采樣箱內(nèi)氣體濃度的變化速率；P和T分別為采樣時箱內(nèi)氣體的實際壓力(Pa)和溫度(℃)；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(Pa)；k為量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)。F為負值時表示土壤從大氣吸收該氣體，為正值時表示土壤向大氣排放該氣體；(2)氣體交換總量利用內(nèi)插法計算相鄰兩次監(jiān)測之間未監(jiān)測日期的排放通量，然后將每天的交換通量累加即可。

1.3.2 產(chǎn)量測定

各區(qū)選擇長勢均勻的13.6 m2樣方玉米，把玉米穗全部取下稱重，然后從中隨機選取15穗稱重，風(fēng)干后脫粒稱重，計算產(chǎn)量(風(fēng)干籽粒含水量約14%)。

1.3.3 成本計算方法

玉米成本主要包括：①耕播過程涉及的機械租賃費和種子費用成本；②灌溉過程涉及的電費和人工費；③施肥過程涉及的化肥費用成本和人工費用；④病蟲草害防治過程涉及的農(nóng)藥費用成本和人工費用；⑤收獲過程涉及的機械租賃費和人工費用。本研究中的成本各項數(shù)據(jù)均為試驗中的實際值，詳見表1。其中尿素1 900元/t，緩控釋氮肥2 400元/t，重過磷酸鈣2 200元/t，氯化鉀3 400元/t，耕播和收獲機械租賃費分別為750和900元/hm2。施肥用工成本方面：肥料條施用工每次900元/hm2；撒施勞動量與開溝施肥相比減半，用工為每次450元/hm2；分層施肥增加了勞動量，施肥用工成本比開溝增加1倍，為每次1 800元/hm2。

表1 不同氮肥管理措施下玉米生產(chǎn)成本 (元/hm2)

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)使用Excel 2007進行處理和作圖，采用SAS 8.1進行處理間顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥管理措施下土壤N2O排放特征

由圖1可見，4個氮管理措施下的N2O排放通量在大多觀測時間中均較小，且波動不大，一般低于N 50 μg/(m2·h)；施肥并灌溉后，會觀測到“脈沖式”的N2O排放，峰值持續(xù)時間一般為3～5 d；此外，苗肥施用后第8 d的一次強降水，也觀測到了較強的N2O排放，其排放通量介于N 115.3～132.6 μg/(m2·h)，持續(xù)時間僅1 d。由于各處理施用的氮肥類型和施用方式不同，N2O的排放特征略有差別。FP和ND處理為兩次施肥，分別觀測到兩次N2O排放峰。第一次發(fā)生在苗肥后，兩者施肥量及施肥方式相同，觀測到的N2O排放峰值均約為N 400 μg/(m2·h)；第二次發(fā)生在追肥后，F(xiàn)P處理下氮肥撒施引起的N2O排放峰值高達N 825.4 μg/(m2·h)，而氮肥條施的ND處理下N2O排放峰值為N 325.5 μg/(m2·h)，前者是后者的1.5倍?？梢?，與氮肥撒施相比，條施可以顯著降低N2O排放峰值。CRF為緩控釋肥，在玉米苗期一次性施用，近1個月內(nèi)的N2O排放通量保持在N 110 μg/(m2·h)左右，觀測期內(nèi)未出現(xiàn)明顯的N2O排放峰。尿素苗期分兩層一次性施用的LD處理中，生長期僅觀測到1次較強的N2O排放，其峰值與同期的FP和ND處理相近，但其在1個月內(nèi)保持較高的排放通量，僅次于CRF處理，N2O排放通量在N 95 μg/(m2·h)上下浮動。

圖1 不同農(nóng)業(yè)管理措施下土壤N2O排放特征注：↓表示施肥。

2.2 不同氮肥管理措施下玉米田N2O排放量

由圖2可見,FP處理下玉米農(nóng)田的N2O-N累積排放量為1.59 kg/hm2，顯著高于其他氮肥管理措施。CRF和LD處理下的N2O-N累積排放量分別為1.30和1.29 kg/hm2，兩者間無顯著性差異，但均顯著低于ND處理。ND、CRF和LD處理下的N2O-N累積排放量分別比FP降低12.6%、18.2%和18.9%，均達到了一定的減排效果，尤以后兩者的效果最佳。

圖2 不同農(nóng)業(yè)管理措施下農(nóng)田N2O排放總量注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同氮肥管理措施下玉米產(chǎn)量及收益

從表2可以看出，與FP相比，ND、CRF和LD處理下的玉米產(chǎn)量均有不同程度增加，增產(chǎn)率分別為2.3%、3.6%和6.3%，僅有LD增產(chǎn)顯著。玉米的凈收益取決于玉米產(chǎn)值與生產(chǎn)成本。各處理產(chǎn)值由玉米產(chǎn)量決定，大小順序為LD>CRF>ND>FP。從生產(chǎn)成本來看，各處理成本差異主要由化肥成本和施肥用工的差異造成(表1)，緩控釋氮肥價格高于普通氮肥，CRF處理的化肥成本比其他處理每公頃增加317.7元，但因其一次性施用，施肥用工成本較其他處理平均減少近1倍，因此生產(chǎn)總成本較其他處理節(jié)省132.3～582.3元/hm2；盡管LD處理實現(xiàn)了一次性施肥，但由于施肥用工成本增加1倍，其生產(chǎn)總成本等同于ND處理；而FP處理追肥使用撒施，施肥用工成本減少，使其生產(chǎn)總成本較ND減少450元/hm2，各處理玉米生產(chǎn)成本順序為ND=LD>FP>CRF。由此計算出，ND和FP處理下玉米凈收益相近，在4種氮肥管理措施中凈收益最低；CRF處理玉米的凈收益最高，其次為LD處理，但兩者每公頃僅相差80.5元，未達顯著性差異。與FP相比，僅CRF處理玉米凈收益增加效果顯著，約增收7.5%。

表2 不同氮肥管理措施下玉米產(chǎn)量及收益

注：同列數(shù)值間不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

2.4 不同氮肥管理措施下玉米田的排放強度

不同氮肥管理措施下的單位產(chǎn)量N排放強度和單位凈收益N排放強度見表3?？梢钥闯觯現(xiàn)P處理下的單位產(chǎn)量N排放強度和單位凈收益N排放強度均最高，分別為189.2 g/t和1.5 kg/萬元，其他3種氮肥管理措施均能顯著降低兩種N排放強度，減排順序為LD>CRF>ND，減排率分別為23.5%和26.7%、21.2%和26.7%、14.5%和13.3%。

表3 不同氮肥管理措施下玉米單位產(chǎn)量和單位凈收益的N排放強度

2.5 不同氮肥管理措施下的減排成本分析

二氧化碳當(dāng)量(CO2-eq)用作比較不同溫室氣體排放的量度單位，是評價溫室氣體排放的常用表示方法，非CO2溫室氣體的二氧化碳當(dāng)量為該氣體的噸數(shù)乘以其全球變暖潛能值(GWP)。IPCC第5次評估報告[2]中指出，在100年時間內(nèi)，N2O導(dǎo)致大氣增溫的潛力是相同質(zhì)量的CO2的298倍，即N2O的GWP為298。經(jīng)計算，本試驗條件下每減排1 kg CO2-eq，CRF處理可減少0.97元成本，ND和LD處理則分別增加4.83和3.23元成本(表4)。

表4 不同氮肥管理措施下的減排成本

3 討論

3.1 不同氮肥管理措施對土壤N2O排放的影響

本研究結(jié)果表明，夏玉米生長季農(nóng)田土壤N2O的排放峰值主要出現(xiàn)在施肥+灌溉(降雨)事件后，這與前人研究結(jié)果一致[11,21]。施肥為土壤微生物提供充足的底物，促進硝化和反硝化過程中N2O的生成與排放；而灌溉則為反硝化微生物營造了厭氧環(huán)境，提高了反硝化過程中N2O的生成與排放[22-23]，因而會促進N2O的排放。氮肥管理方式不同，引起的土壤N2O排放也不盡相同。FP和ND處理為兩次施肥，均出現(xiàn)兩次N2O排放峰。苗肥時，兩者施肥量與施肥方式一致，引起的土壤N2O排放峰值也相同；追肥時，等氮量施用情況下，F(xiàn)P處理的N2O排放峰較ND處理增加2.5倍。一方面，氮肥深施降低了表層土壤的氮肥濃度；另一方面，灌溉后深層土壤含水量增加，反硝化作用增強，而過高的土壤含水量阻止了土壤N2O向大氣中的擴散而被進一步還原為N2[24]。統(tǒng)計表明，F(xiàn)P和ND處理的兩次排放峰值持續(xù)時間約占整季的11%，但N排放量卻占總排放量的40%左右，施氮后形成N2O排放高峰的差異導(dǎo)致FP處理下玉米生長期的N2O排放總量顯著高于ND處理，后者較前者減排12.8%。可見，與氮肥撒施相比，氮肥深施覆土可以顯著降低N2O排放峰值，進而起到N2O減排的作用。

胡小康等[25]的研究表明，玉米十葉期的施肥量是基肥時的1.3～2倍，但其N2O的最大排放速率分別只有基肥時最大排放速率的19.4%～35.0%。本研究的結(jié)果與之相似，ND處理下追肥的施氮量是苗肥的1.5倍，但觀測到的土壤N2O排放峰值為基肥的80%，生長后期植株生物量大對氮素需求量多，土壤中用于硝化作用的底物濃度較低，致使N2O的排放減少。因此，農(nóng)田N2O的減排上要重視基肥的施用，苗期作物生物量小，對氮素吸收利用較低，可以通過減少基肥施用量來減少N2O的排放[21]。

CRF處理在施肥后1個月內(nèi)保持較高的N2O排放，但未發(fā)現(xiàn)明顯的N2O排放峰，本研究所用緩控釋肥為熱固水性樹脂包膜尿素，能夠根據(jù)玉米生長需肥曲線緩慢釋放氮素[20]，從源頭上控制硝化和反硝化的底物濃度，并增強作物對氮素的吸收，顯著降低了N2O排放。有研究認(rèn)為緩控釋肥可以降低N2O排放[26-27]，有的則相反[28-29]，這與氣候、土壤特性和緩控釋肥的養(yǎng)分釋放機制有關(guān)[30-31]。本研究中緩控釋肥的施用可以顯著減少N2O排放，CRF處理下玉米季N2O排放量較FP和ND分別降低12.8%和6.6%。

張婧等[20]研究認(rèn)為,一次性分層施肥引起的N2O排放峰值高于肥料分次施用處理，而本研究結(jié)果與之相反，LD處理下的排放峰值與同期的ND處理相當(dāng)，這可能與不同層次的氮肥施用量及環(huán)境條件有關(guān)，一方面，本研究中的氮肥主要施用在20 cm土層，占總肥量的70%；另一方面，施肥后的灌溉加之降水，土壤含水量較高，深層產(chǎn)生的N2O容易被進一步還原成N2，致使N2O的排放量減少[24]。與CRF處理相似，LD處理在施肥后1個月內(nèi)也保持較高的N2O排放，可能與這期間有10余次降水，土壤含水量仍保持較高水平，深層N2O的擴散傳輸過程會受到影響有關(guān)[32-33]，具體原因還有待于進一步研究。LD對夏玉米土壤N2O也有一定的減排作用，與CRF相當(dāng)，較FP和ND分別減排18.7%和7.1%，達顯著性差異。

3.2 不同氮肥管理措施對土壤N2O減排效果分析

與傳統(tǒng)施肥相比，本研究中氮肥條施、施用緩控釋氮肥和氮肥一次性分層施用一定程度減少了N素損失，提高了肥料利用率[16,20]，因此玉米增產(chǎn)2.3%～6.3%，單位產(chǎn)量N2O排放也降低20%以上，尤以一次性施肥的CRF和LD效果最好。效益方面，氮肥條施增加了追肥勞動力，其生產(chǎn)成本的增加高于玉米增產(chǎn)的收入，其凈收益略低于FP。實現(xiàn)一次性施肥的緩控釋肥，盡管肥料成本較高，但可以與省工成本相抵，凈收益較FP增加7.5%。與FP相比，一次性分層施肥開溝的深度增加，施肥用工成本增加，但因其增產(chǎn)效果顯著，玉米凈收益也有一定增加。CRF和LD在玉米產(chǎn)量和效益上都表現(xiàn)出了較強的優(yōu)勢，但由于一次性分層施肥操作時對施肥開溝要求較高，相比而言施用緩控釋肥更容易被農(nóng)民接受并使用。經(jīng)濟評估顯示，氮肥條施和一次性分層施肥有較好的減排效果，但其勞動力成本較高，每減排1 kg CO2-eq，需要增加3.2～4.8元；而施用緩控釋肥，農(nóng)田減排1 kg CO2-eq的同時可以節(jié)省約1元成本。當(dāng)然，研究中為便于操作均采用人工施肥，其用工成本的增加是減排成本增加的根源。如果生產(chǎn)中應(yīng)用條施施肥機械(單次費用750元/hm2)和玉米分層施肥機械(單次費用900元/hm2)代替人工施肥，LD處理的成本較FP節(jié)省300元/hm2，則每減排1 kg CO2-eq，LD處理可減少2.19元成本。由于ND追肥時植株生長較高，田間無法進入機械，仍需人工操作，所以其減排成本并未改變。因此，若生產(chǎn)中沒有配套的玉米施肥機械，CRF可被選為夏玉米保產(chǎn)減排且效益最優(yōu)的氮肥管理措施；反之，LD和CRF兩種氮肥管理措施均可，前者效果最佳。本研究為華北平原夏玉米農(nóng)田N2O減排技術(shù)的篩選提供了建議，但由于試驗僅一季，其持續(xù)保產(chǎn)增收效果如何還需多年試驗進行驗證。

4 結(jié)論

4.1 氮肥管理措施下，玉米季農(nóng)田土壤N2O排放主要集中在施肥+灌溉事件后。與農(nóng)民習(xí)慣相比，氮肥條施、施用緩控釋肥和一次性分層施肥會降低N2O排放峰值，玉米生長季N2O總排放量減少12.6%～18.9%。

4.2 與農(nóng)民習(xí)慣相比，氮肥條施增產(chǎn)2.3%，但由于施肥成本增加，其凈效益略有減少；盡管緩控釋肥料成本增加，但一次性施用，降低了勞動力投入成本，產(chǎn)量和凈收益分別增加3.6%和7.5%；氮肥一次性分層施用對施肥開溝的深度要求高，施肥用工成本增加，但因其增產(chǎn)效果顯著，玉米凈收益約增加6%。氮肥條施、施用緩控釋肥和一次性分層施肥下的單位產(chǎn)量N排放強度和單位凈收益N排放強度均有所降低。

4.3 本試驗條件下每減排1 kg CO2-eq，施用緩控釋肥可減少0.97元成本，而氮肥條施和一次性分層施用則分別增加成本4.83和3.23元。如果生產(chǎn)中使用施肥機械，一次性分層施肥的減排成本可節(jié)省2元。綜合來看，在無配套的玉米施肥機械時，施用緩控釋肥可被選為夏玉米保產(chǎn)減排且效益最優(yōu)的氮肥管理措施；反之，也可選用一次性分層施肥。

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