氮肥基追比對輕壤和砂壤質(zhì)麥田溫室氣體排放及小麥產(chǎn)量的影響

甄怡銘，李 皓，王艷群，付 鑫，李旭光，張子旋，甄文超，彭正萍

(1.河北農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 保定 071001；2.華北作物改良與調(diào)控重點實驗室，河北 保定 071001；3.河北省耕地質(zhì)量監(jiān)測保護中心，河北 石家莊 050000）

二氧化碳（CO2）、氧化亞氮（N2O）和甲烷（CH4）是大氣中的主要溫室氣體［1］。溫室氣體排放的持續(xù)增強是全球氣候變暖現(xiàn)象愈演愈烈的主要原因［2］。農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量占全球人為活動產(chǎn)生溫室氣體排放總量的10%～12%［3］。氮肥施用是我國農(nóng)田土壤氮素的主要來源［4］。施用氮肥通過影響土壤硝化和反硝化作用強度促進N2O 產(chǎn)生與排放［5］。農(nóng)田土壤N2O 排放與施肥比例呈線性相關關系［6］。Xia 等［7］發(fā)現(xiàn)，減少氮肥基肥施用比例，調(diào)整氮肥基追比，能夠提高氮肥利用率，顯著降低N2O 等活性氮損失。氮肥增加可增大土壤根系呼吸降低土壤C/N，影響微生物活動，增加土壤CO2排放速率［8］。施氮量增加促進甲烷氧化菌生長和活性，降低土壤吸收甲烷能力［9］。安海波［10］報道，30%底肥+70%春季追肥顯著降低麥田CO2累積排放量，30%底肥+70%秋季追肥相對來說更適合CH4減排。土壤質(zhì)地是影響有機質(zhì)礦化和溫室氣體生成與排放的重要因素。質(zhì)地影響土壤透氣性和保水性，引起土壤有機碳氧化/還原、硝化/反硝化作用的強弱，導致溫室氣體產(chǎn)生與釋放速率不同［11］。土壤質(zhì)地也是影響土壤肥力的重要因素，潮土質(zhì)地越黏對養(yǎng)分吸收和固定能力較強，更好的保證植株生長［12］。

鑒于不同土壤質(zhì)地的特性差異，目前有關氮肥基追比對麥田溫室氣體排放的研究報道尚少。本文在輕壤和砂壤質(zhì)地土壤上設置不同氮肥基追比處理，探究麥田溫室氣體的排放規(guī)律、全球增溫潛勢、小麥產(chǎn)量和氮素利用的變化，以期為針對土壤質(zhì)地確定合理氮肥基追比例、減排農(nóng)業(yè)溫室氣體、提高氮素利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗設在河北省邢臺市寧晉縣賈家口鎮(zhèn)白木村，供試土壤為砂壤質(zhì)（37°37′01″N，115°07′02″E）和輕壤質(zhì)（37°37′04″N，115°07′27″E）潮土。屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫12.8 ℃，年均降水量449.1 mm。供試小麥為濟麥22。播種前供試土壤0 ～20 cm 基本理化性質(zhì)見表1，0 ～100 cm 土層顆粒組成見表2。

表1 供試土壤基本理化性狀Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

表2 供試土壤0 ～100 cm 土層顆粒組成Table 2 Composition of soil particles in 0 ～100 cm soil layer of the tested soil

1.2 試驗設計

本試驗在砂壤質(zhì)（S）和輕壤質(zhì)（L）兩類土壤上分別設置5 個N 處理，不施氮肥（N0）、氮肥基追比3∶7（N3:7）、氮肥基追比4∶6（N4:6）、氮肥基追比5∶5（N5:5）和氮肥基追比6∶4（N6:4）。每個質(zhì)地土壤上的各氮肥處理重復3 次，小區(qū)采用完全隨機區(qū)組排列。不同氮肥基追比的總純氮用量均為240 kg/hm2［13］。各處理的詳細施肥情況見表3?；视诓デ叭鍪┑乇砗笮シN，追肥于3 月28日撒施結(jié)合灌溉。氮、磷、鉀肥分別由尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O516%）、磷酸二銨（含N 15%，P2O542%）和氯化鉀（含K2O 60%）提供。磷、鉀肥均在播前一次性施入，施用磷肥（P2O5）135 kg/hm2，鉀 肥（K2O）105 kg/hm2。10 月11 日采用15 cm 等行距播種小麥，播量225 kg/hm2，小區(qū)面積48 m2。灌水方式采用微噴灌，根據(jù)當?shù)剞r(nóng)民習慣，小麥全生育期灌2 水，在播種后進行第一次灌水750 m3/hm2，在拔節(jié)期進行第二次灌水750 m3/hm2，總灌水量為1 500 m3/hm2，其他管理措施同農(nóng)戶常規(guī)管理，來年6 月5 日收獲。

表3 不同試驗處理的氮肥施用方式Table 3 Fertilizer application methods in different experimental treatments kg/hm2

1.3 測定指標與方法

1.3.1 氣體樣品采集 氣體采集采用密閉式靜態(tài)箱法。采樣箱由PVC 制成，由桶體和底座兩部分組成，其中桶體高35 cm，直徑25 cm，頂部取樣口用膠塞密封，內(nèi)置溫度傳感器；底座埋入土壤，上部有水槽，注水后可保證底座與箱體密封［14］。采樣從10 月12日開始，第二年2 月5 日到3 月7 日期間因土壤溫度較低，排放較少，暫停取樣；3 月8 日恢復采樣直至6 月2 日。一般每7 d 采集1 次，降水、灌溉、施肥后增加采氣頻率，連續(xù)采集3 ～5 d。上午 9:00—11:00 采樣，用注射器分別在 0、15、30 min 抽取各小區(qū)采樣箱內(nèi)氣體，每次取樣30 mL，并將采集到的氣體注入真空瓶。采氣結(jié)束后帶回實驗室，采用氣相色譜儀（Agilent7890A）測定N2O、CO2和CH4的濃度。

1.3.2 溫室氣體排放量計算方法 溫室氣體排放通量計算公式如下［15］：

溫室氣體累積排放量計算公式如下［16］：

式中：M 為溫室氣體累積通量，kg/hm2；Fi和Fi+1分別為第i次和第i+1 次取樣氣體通量［mg/(m2·h)］；ti和ti+1分別為第i次和第i+1 次取樣日期。

1.3.3 全球增溫潛勢（GWP）的計算 單位質(zhì)量溫室氣體在100 年尺度上的累積輻射強度為全球增溫潛勢（GWP）［17］，計算公式如下［18］：

GWP ＝fCO2+fCH4×28+fN2O×265

式中：f為土壤溫室氣體總排放量，kg/hm2。

1.3.4 小麥產(chǎn)量及氮肥效率 成熟期，每處理采3組，每組割取2 m 長的6 行小麥，用脫粒機將其全部脫粒，測定籽粒重及其含水量，按面積折算為含水量12.5%的小麥籽粒產(chǎn)量。

氮肥農(nóng)學效率（kg/kg）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量）/施氮量

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=施氮作物籽粒產(chǎn)量/施氮量

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用單因素（one-way ANOVA）和Duncan 法進行方差分析和多重比較（α=0.05）。利用Origin 2018 軟件進行繪圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥基追比對輕壤和砂壤質(zhì)土壤溫室氣體排放特征的影響

2.1.1 氮肥基追比對輕壤和砂壤質(zhì)土壤N2O 排放特征的影響 圖1表明，2種土壤質(zhì)地下各處理（N0～N6∶4）的N2O 平均排放通量范圍為15.05 ～31.27 μg/(m2·h)（砂壤質(zhì)）和17.41 ～45.37 μg/(m2·h)（輕壤質(zhì)），均為正值，各處理N2O 排放通量呈明顯的季節(jié)性變化。兩種質(zhì)地下施肥和降水后N2O 排放均出現(xiàn)峰值，說明施肥和降水增加土壤N2O 排放。從整體來看砂壤質(zhì)地土壤的N2O 排放通量低于輕壤質(zhì)土壤。

圖1 輕壤和砂壤質(zhì)土壤N2O 排放通量的動態(tài)變化Fig.1 Dynamics of N2O emission fluxes in light and sandy loam soils

10 月份播種后由于施肥和灌水的原因，兩種質(zhì)地土壤的N2O 排放通量均增加且出現(xiàn)第一次排放峰，砂壤質(zhì)和輕壤質(zhì)N2O 排放最高峰值分別為106.79 和254.40 μg/(m2·h)，兩 種 質(zhì) 地N2O 排 放通量均以氮肥基追比6∶4 顯著高于其他施肥處理13.07% ～78.58%（砂壤質(zhì)）、15.74% ～72.73%（輕壤質(zhì)）。從11 月中下旬開始，小麥進入越冬期，各處理的N2O 排放通量變化相對緩慢。進入拔節(jié)期后，各處理的N2O 排放通量逐步上升，隨追肥和灌水，兩種質(zhì)地土壤的N2O 排放通量均出現(xiàn)第2 次排放峰，最高峰均為N3∶7處理，砂壤質(zhì)和輕壤質(zhì)峰值分別為80.24 和171.00 μg/(m2·h)。12 月9 日和5月8 日降水后N2O 排放通量均出現(xiàn)峰值，小麥生長后期N2O 排放通量呈下降趨勢直至成熟。2.1.2 氮肥基追比對輕壤和砂壤質(zhì)土壤CO2排放特征的影響 圖2 表明，兩種土壤質(zhì)地下麥田CO2排放通量均呈季節(jié)性波動，且變化趨勢基本一致。兩種質(zhì)地下施用氮肥（N3∶7～N6∶4）的CO2平均排放通量均較不施氮肥（N0）增加70.64%～75.56%（砂壤質(zhì)）和76.16%～81.88%（輕壤質(zhì)），受降雨、地溫和施肥影響明顯。兩種質(zhì)地土壤的CO2排放高峰均出現(xiàn)在3 月下旬。施用基肥后至追肥前，兩種土壤質(zhì)地CO2排放通量均為氮肥基追比6∶4（N6∶4）最高；追肥后至收獲前土壤的CO2排放通量有N3∶7＞N4∶6＞N5∶5＞N6∶4＞N0，且輕壤質(zhì)土壤的CO2排放通量略高于砂壤土。

圖2 輕壤和砂壤質(zhì)土壤CO2 排放通量的動態(tài)變化Fig.2 Dynamics of CO2 emission fluxes in light and sandy loam soils

兩種質(zhì)地下，小麥生長周期內(nèi)N0處理的CO2排放通量均最小。10 月11 日施肥播種，施肥4 d后兩種質(zhì)地均出現(xiàn)第1 次峰值，砂壤和輕壤質(zhì)地土壤的CO2排放通量最高峰值分別為372.44 和456.39 mg/(m2·h)，而后下降；3 月開始，由于土壤溫度逐漸升高，加之追肥和降水影響，CO2排放通量較冬季迅速升高；3 月28 日追肥后2 d，出現(xiàn)第2 次CO2排放峰，輕壤質(zhì)土壤的CO2排放通量是砂壤質(zhì)的1.11 ～1.68 倍。12 月9 日和5 月8 日兩次降水后CO2排放增加，2 d 后恢復正常。小麥生長后期CO2排放通量逐漸降低并呈穩(wěn)定趨勢直至收獲。

2.1.3 氮肥基追比對輕壤和砂壤質(zhì)土壤CH4排放特征的影響 圖3 表明，兩種土壤質(zhì)地下麥田CH4排放通量以吸收為主，說明麥田土壤是大氣CH4的“匯”。全生育時期CH4排放通量范圍分別為-44.66 ～11.60 μg/(m2·h)（砂壤質(zhì)）和-48.00 ～6.67 μg/(m2·h)（ 輕 壤 質(zhì)）， 且 季節(jié)變化不明顯。兩種質(zhì)地下N0處理的CH4平均排放通量均為最低，分別較N3∶7～N6∶4處理降低11.45%～22.44%（砂壤質(zhì)）和8.17%～21.48%（輕壤質(zhì)）。

圖3 輕壤和砂壤質(zhì)土壤CH4 排放通量的動態(tài)變化Fig.3 Dynamics of CH4 emission fluxes in light and sandy loam soils

10 月初，隨著施肥灌溉，兩種質(zhì)地土壤均出現(xiàn)第1 次排放峰，砂壤和輕壤質(zhì)地土壤的CH4排放通量最高峰值分別為-1.67 和0.54 μg/(m2·h)，而后下降；3 月開始，由于土壤溫度逐漸升高，土壤含水量較低，促進了土壤對CH4的吸收；3 月28 日追肥后，出現(xiàn)第二次CH4排放峰，砂壤和輕壤質(zhì)地土壤的CH4排放通量最高峰值分別為11.60 和6.66 μg/(m2·h)。12 月9 日和5 月8 日降水導致土壤濕度增加，土壤呈現(xiàn)厭氧環(huán)境，出現(xiàn)排放峰值，隨后直至小麥成熟CH4排放均以吸收為主。

2.2 氮肥基追比對輕壤和砂壤質(zhì)土壤溫室氣體累積排放量及全球增溫潛勢的影響

表4 表明，砂壤質(zhì)各處理溫室氣體累積排放量均顯著低于輕壤質(zhì)。2 種土壤質(zhì)地施氮處理（N3∶7～N6∶4）N2O、CO2和CH4累 積 排 放 量 顯著高于不施氮肥（N0）處理。砂壤質(zhì)，施氮處理中N2O、CO2和CH4累積排放量隨氮肥施用比例增加而升高，且均以N3∶7最低，分別較其他施氮處 理 降 低0.83% ～11.76%、4.15% ～5.06% 和4.85%～9.09%。輕壤質(zhì)，施氮處理中氮肥基追比4∶6 的N2O 和CO2累積排放量最低，較其他施氮處理分別下降2.05%～12.27%和1.32%～3.93%。

表4 輕壤和砂壤質(zhì)土壤溫室氣體累積排放量及全球增溫潛勢Table 4 Greenhouse gas cumulative emissions and GWP of wheat fields in light and sandy loam soils kg/hm2

2 種質(zhì)地下，各施氮肥處理的GWP 均較不施氮肥顯著增高，且GWP 值主要來自CO2排放，CO2對溫室氣體貢獻約占GWP 的96.74%～98.17%。與砂壤質(zhì)相比， 輕壤質(zhì)各處理的GWP 增加20.84% ～27.66%。砂 壤 質(zhì)，GWP 為N6∶4＞N5∶5＞N4∶6＞N3∶7＞N0，N3∶7與其他施氮處理差異顯著，較N4∶6、N5∶5和N6∶4分別降低4.06%、4.56%和5.33%。輕壤質(zhì)，施氮處理中N4∶6的GWP 最低，較其他施氮處理降低1.34%～4.21%。

續(xù)表： kg/hm2

2.3 氮肥基追比對輕壤和砂壤質(zhì)土壤小麥產(chǎn)量及氮效率的影響

由表5 可知，輕壤質(zhì)下各處理的小麥產(chǎn)量高于砂壤質(zhì)8.24%～14.01%。輕壤質(zhì)下N4∶6處理小麥產(chǎn)量最高，較其他處理增加2.21%～48.78%，砂壤質(zhì)N3∶7處理小麥產(chǎn)量較其他處理提升8.01%～44.00%。兩種土壤質(zhì)地不同處理的氮肥效率差異較為明顯。砂壤質(zhì)的N3∶7氮肥農(nóng)學效率最高，較其他處理增加2.65%～55.04%。輕壤質(zhì)的氮肥農(nóng)學效率表現(xiàn)為N4∶6＞N5∶5＞N3∶7＞N6∶4＞N0，其中N4∶6是其他處理的1.07 ～1.81 倍。氮肥偏生產(chǎn)力，輕壤質(zhì)高于砂壤質(zhì)，輕壤質(zhì)N4∶6高于其他施氮處理2.19%～17.22%；而砂壤質(zhì)N3∶7最高，分別為N4∶6、N5∶5、N6∶4處理的1.01、1.08 和1.12 倍。

表5 輕壤和砂壤質(zhì)土壤上的小麥產(chǎn)量及氮效率Table 5 Yield and N efficiency of wheat in light and sandy loam soils

3 討論與結(jié)論

土壤質(zhì)地作為土壤重要的物理性狀之一，不僅影響作物產(chǎn)量和氮肥效率，同時也影響農(nóng)田土壤溫室氣體排放［19］。本研究表明，輕壤質(zhì)下的產(chǎn)量和氮肥效率均顯著高于砂壤質(zhì)土壤，小麥產(chǎn)量提高8.24%～14.01%，這是因為基礎生產(chǎn)力較高的土壤，其養(yǎng)分供應能力也較強，施肥增產(chǎn)效應較小，肥料利用效率較低［12］。徐華等［20］研究表明，壤質(zhì)土壤種植小麥和棉花時排放的N2O 高于砂質(zhì)和粘質(zhì)土壤。本研究中，兩種土壤質(zhì)地下各處理麥田N2O 變化規(guī)律基本一致，輕壤質(zhì)土壤N2O 排放顯著高于砂壤質(zhì)土壤。CO2變化規(guī)律與N2O 基本一致，這是因為壤質(zhì)土壤是介于砂質(zhì)土壤與粘質(zhì)土壤中間的一種質(zhì)地，在土壤性質(zhì)同時擁有兩者的優(yōu)點，毛管和非毛管空隙之間形成了一個十分合理的比例，從而表現(xiàn)出較高的N2O 和CO2排放量［21］。焦燕等［22］研究表明，水稻田質(zhì)地越粘CH4排放越少，這主要是由于砂質(zhì)土壤氧化還原電位易于變化，土壤硝化和反硝化作用容易發(fā)生。本研究表明，輕壤質(zhì)地下土壤N2O、CO2排放量高于砂壤質(zhì)，土壤CH4吸收量低于砂壤質(zhì)，各處理全球增溫潛勢（GWP）顯著高于砂壤質(zhì)20.84%～27.66%。

氮素是影響小麥生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素之一，也是造成農(nóng)田溫室氣體排放的主要因素［23］。李欣欣等［24］研究發(fā)現(xiàn)，全生育期植株的氮素吸收量、無機氮殘留量和土壤氮素表觀損失量均隨施氮量增加而增加。本研究表明，兩種土壤質(zhì)地下，與不施氮肥比，施用氮肥顯著提高了小麥產(chǎn)量和氮肥效率，砂壤質(zhì)增產(chǎn)28.36%～44.00%，輕壤質(zhì)增產(chǎn)26.91%～48.78%。砂壤質(zhì)上的小麥產(chǎn)量和氮素利用率以氮肥基追比3∶7（N3∶7）最優(yōu)，產(chǎn)量較其他處理增加8.01%～44.00%，這是因為砂壤質(zhì)地保水保肥性較差，適當減少基肥和增加追肥可提高其保肥性能，促進小麥生長，實現(xiàn)產(chǎn)量和氮肥利用率最優(yōu)化。輕壤質(zhì)上的小麥則以氮肥基追比4∶6（N4∶6）最好，說明在輕壤質(zhì)土壤上拔節(jié)期適量追肥既為作物生長提供充足養(yǎng)分也減少了氮素過量造成的浪費，最終實現(xiàn)小麥的高產(chǎn)和氮肥高效利用。

氮肥對農(nóng)田N2O 排放有促進作用，而合理調(diào)整氮肥基追比例可降低土壤N2O 排放［25］。本研究兩種質(zhì)地土壤的N2O 排放通量均出現(xiàn)2 次排放峰，且均在施肥后，這是因為氮肥施用可以為土壤硝化和反硝化微生物提供作用底物，促進土壤排放N2O［26］。本研究表明，兩種質(zhì)地下，N2O 累積排放量分別為N4∶6（輕壤質(zhì)）和N3∶7（砂壤質(zhì)）最低，而氮肥效率與其相反，這主要是由于小麥生長期間土壤氮被植物利用后，參與硝化和反硝化作用的氮源減少，從而減少了土壤N2O 的生成與排放［27］。施氮量的增加為植物和微生物提供了養(yǎng)分，促進了小麥根系生長和微生物活動，從而加快土壤呼吸速率［7］，本研究中，兩種質(zhì)地下施用氮肥處理的CO2排放通量均明顯高于不施氮肥，且施用氮肥后CO2均出現(xiàn)排放峰，CO2排放通量隨施氮量的增加而增加。CH4累積排放量均為負值，且施用氮肥處理低于不施氮肥，說明麥田土壤是大氣CH4的一個弱的吸收匯，這與謝立勇等［28］的研究結(jié)果一致。分批追肥可以使作物養(yǎng)分需求時間與施肥時間保持一致，提高作物對氮素的吸收利用［29］。本研究中，兩種質(zhì)地下產(chǎn)量和氮效率高的處理其全球增溫潛勢和N2O 排放總量較低，即全球增溫潛勢和N2O 排放總量輕壤質(zhì)地下以基追比4∶6 最低，其他施氮處理較N4∶6分別增加1.36% ～4.39% 和2.10% ～13.99%；砂壤質(zhì)地則以基追比3∶7 最低，較其他施氮處理分別減少4.06% ～5.33% 和0.83% ～11.76%，說明選擇合適的氮肥基追比例既能提高氮肥利用效率又減少溫室氣體排放。

綜上所述，麥田土壤是N2O 和CO2的排放源，CH4的吸收匯。不同氮肥施用方式對輕壤質(zhì)和砂壤質(zhì)溫室氣體排放和產(chǎn)量的影響不完全相同，在輕壤質(zhì)地土壤上氮肥基追比4∶6 的施用方式能夠提高氮肥利用效率、保證小麥產(chǎn)量，同時減少溫室氣體排放通量和全球增溫潛勢；而砂壤質(zhì)土壤則以氮肥基追比3∶7 的施用方式綜合表現(xiàn)較優(yōu)。輕壤質(zhì)土壤的小麥高產(chǎn)潛力大于砂壤質(zhì)，但輕壤質(zhì)土壤的CO2和N2O 排放通量和全球增溫潛勢高于砂壤質(zhì)，生產(chǎn)中建議根據(jù)土壤質(zhì)地的不同進行氮肥分類管理。