減氮配施不同調(diào)節(jié)劑對土壤溫室氣體強度與冬小麥產(chǎn)量的影響

張浩東，賈俊香，馬智勇

（山西農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院/國家級實驗教學示范中心，山西 太谷 030801）

相比過去100 a，我國平均氣溫上升了0.91 ℃，全球變暖問題已成為社會各界關(guān)注的焦點[1]。N2O、CO2和CH4是影響大氣溫度升高導致氣候變暖的重要溫室氣體[2]。農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的溫室氣體排放量在產(chǎn)生溫室氣體排放的全球人為活動中占據(jù)著很大的比例[3]，因此，減少農(nóng)田N2O、CO2和CH4氣體排放對緩解我國溫室效應有著積極的作用。

小麥是我國第二大糧食作物，而春小麥播種面積僅占小麥總面積的10%～14%，剩余均為冬小麥，因此，在冬小麥溫室氣體排放上不容忽視[4]。據(jù)測算，因施用化肥產(chǎn)生的土壤N2O 排放量占土壤N2O 總排放量的27%～85%[5]；因此，硝化抑制劑在農(nóng)業(yè)試驗中的廣泛應用成為人們在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中減少因施用化肥導致的N2O 排放并提高氮肥利用率的重要方式之一。雙氰胺（DCD）作為最為人所熟知的硝化抑制劑，施入土壤后是通過抑制亞硝化細菌活性，影響土壤中的硝化過程，使土壤氮素更多以NH4+-N 的形式存在，使得反硝化過程中底物濃度降低，從而降低硝化—反硝化過程產(chǎn)生的N2O排放，減少氮素損耗，提高氮肥利用率，達到增產(chǎn)的效果[6]，成都平原水稻—油菜輪作系統(tǒng)施入DCD 可以減少49.3%～79.4%的氮氧化物排放[7]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，減少氮肥施用一般會導致減產(chǎn)或無顯著變化，但控制在一定范圍內(nèi)減少氮肥施用量甚至會增產(chǎn)[8-9]。合理配施有機肥，以有機肥部分替代化肥，可以提高土壤中有機質(zhì)含量，改善土壤質(zhì)地[10]。有研究表明，施用有機肥能增加N2O 的排放，與單施化肥氮相比，平均排放通量增值高達32.7%[11]。生物炭施入土壤后具有調(diào)節(jié)土壤pH、改良酸性土壤、降低土壤容重、增強土壤保溫性能等優(yōu)點[12]。張愛平等[13]通過大田試驗指出，9 t/hm2生物炭配施無機氮肥（300 kg/hm2）較單施無機氮肥可使水稻增產(chǎn)44.89%，并且水稻產(chǎn)量因子和氮肥利用率均有顯著增加。然而，ASAI 等[14]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，無機氮肥（50 kg/hm2）配施生物炭（4 t/hm2），水稻產(chǎn)量不增反減。有相關(guān)研究表明，農(nóng)田中施入生物炭對土壤溫室氣體排放方面通常表現(xiàn)為減少或無影響[15-16]。

本試驗探究減量施用化肥并與雙氰胺、生物炭、有機肥等不同土壤調(diào)理劑配施，研究太谷地區(qū)冬小麥溫室氣體（N2O、CO2和CH4）排放機制、排放特征及作物產(chǎn)量等情況，為尋求最佳的化肥投入減少冬小麥溫室氣體排放的同時達到增產(chǎn)的效果提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院實驗站（112°57′E，37°42′N）進行。該地土壤類型為石灰性褐土，供試地在試驗前連續(xù)多年種植玉米后種植2 a蔬菜。試驗所用硝化抑制劑為分析純雙氰胺；有機肥的氮含量為2.5%；生物炭為河南三利新能源公司生產(chǎn)的玉米秸稈生物炭（pH 值為10.6，有機碳含量48.5%，全氮含量11.2 g/kg，全磷含量2.2 g/kg，全鉀含量10.5 g/kg）。雙氰胺、有機肥和生物炭與化肥一同作為基肥施入土壤。供試土壤基本理化性狀如表1所示。

表1 土壤0～20 cm土層基本理化性狀Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil 0-20 cm surface layer

1.2 試驗設計

試驗開始于2019年9月29日，種植作物為冬小麥，試驗設置6個處理，各處理3個重復，每個處理小區(qū)面積為2 m2（2 m×1 m）（表2）。6個處理分別為：對照（CK）、施化肥處理（N）、氮素減施20%加硝化抑制劑雙氰胺處理（ND）、有機肥處理（OF）、氮素減施20%加有機肥處理（NOF）、氮素減施20%加生物炭處理（NB）。所有施肥處理均作為基肥一次施入。

表2 冬小麥種植試驗方案Tab.2 Experimental scheme of winter wheat planting

1.3 試驗方法

試驗于2019年9月29日開始，選用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法，前7 d每天進行一次樣品采集，之后每隔7 d采集一次，采集樣品時用20 mL注射針筒，在采集當天9：00—11：00進行樣品采集，采氣箱尺寸長、寬、高分別為0.3、0.3、0.5 m，將采氣箱密閉時立刻計時，此時為0 min，之后每隔10 min 采集一次，分別記為10、20、30 min。采集完成后的樣品使用氣相色譜儀（Agilent7890B）進行測定。

冬小麥收獲后馬上測量各地塊收獲的冬小麥千粒質(zhì)量、株高，計算產(chǎn)量、公頃穗數(shù)和地上部干質(zhì)量。在收獲期合理選取部分冬小麥籽粒、軸、稈和殼4 個部分樣品，帶回實驗室烘干后測定4 個部分全氮、全磷和全鉀含量。植株全氮測定采用硫酸-過氧化氫消煮，堿化蒸餾定氮法；植株全磷測定采用硫酸-過氧化氫消煮，鉬銻抗比色法；植株全鉀測定采用硫酸-過氧化氫消煮，火焰光度計法。

其中，F(xiàn)為N2O、CH4氣體排放通量（μg（/m·2h））和CO2氣體排放通量（mg（/m2·h））；ρ 為標準狀況下的氣體密度，N2O 為1.25 g/L，CO2為0.54 g/L，CH4為0.77 g/L；V為采樣箱體積（m3）；A為采樣箱底表面積（m2）；ΔC/Δt表示單位氣體排放速率（mL（/L·h））；T為采樣箱內(nèi)溫度（℃）。

以采樣時間間隔為權(quán)重加權(quán)平均求冬小麥N2O、CH4和CO2累積排放量。

式中，fN2O為N2O 土壤凈排放量（kg/hm2）；fCH4為CH4土壤凈排放量（kg/hm2）；44/28、16/12 分別為將凈排放量換算為N2O、CH4排放量的系數(shù)；CH4和N2O的全球增溫潛勢分別為CO2的25、310倍。

式中，Y為作物產(chǎn)量（t/hm2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用軟件Excel 2010 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和作圖，IMB SPSS 19.0進行統(tǒng)計性分析，用LSD最小顯著差異法進行多重比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素減施和不同調(diào)節(jié)劑配施對冬小麥N2O排放的影響

從圖1、2 可以看出，冬小麥N2O 排放通量的波動在-5.98～403.75μg/（m2·h），CK、ND、NB 處理整體變化趨勢相近，整體趨勢較為平緩，N2O 排放通量表現(xiàn)為先升高后降低整體呈現(xiàn)上下波動，排放峰均出現(xiàn)于第2 天的監(jiān)測中；N、OF、NOF 處理變化趨勢相近，整體呈現(xiàn)先增高后降低逐步趨于無排放，N、OF、NOF 處理排放峰分別出現(xiàn)在第5、4、3 天當中，CK、N、ND、OF、NOF、NB 處理的平均排放通量分 別 為 11.007、93.404、34.960、48.183、67.300、8.931μg/（m2·h），N 處理下的N2O 累積排放量顯著高于其他處理（P＜0.05），ND、OF、NOF、NB 處理的累積排放量相比N 處理分別降低62.57%、48.41%、27.95%、90.44%，其中，NB 處理的累積排放量僅為CK 的81.14%，表明化肥減施與調(diào)節(jié)劑配施對冬小麥N2O的減排具有顯著作用。

2.2 氮素減施和不同調(diào)節(jié)劑配施對冬小麥CO2排放的影響

由圖3、4 可知，冬小麥CO2排放通量的波動在25.96～234.51 mg/（m2·h），所有處理的CO2排放通量呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，冬小麥各處理CO2排放通量高峰主要集中在9月30日、10月2日、10月26日和11月16日，整體呈上下波動，其中，9月30日CK和NB處理的CO2排放通量達到峰值，N處理與NOF處理的最大CO2排放通量出現(xiàn)在10月2日的觀測中，此時N處理和NOF 處理的CO2排放通量分別達到了234.51、200.27 mg（/m·2h），此時N處理的CO2排放通量也是所有處理中的最大值。減氮20%的ND與OF處理的最大CO2排放通量出現(xiàn)在觀測后期，分別出現(xiàn)在10月26日與11月16日；NB處理的CO2累積排放量與CK間無顯著性差異，且僅為對照的99.41%。N、ND、OF、NOF處理均較CK處理顯著提升了CO2累積排放量（P＜0.05），分別是CK處理的1.68、2.18、1.89、1.51倍。

2.3 氮素減施和不同調(diào)節(jié)劑配施對冬小麥CH4排放的影響

由圖5、6可知，冬小麥CH4排放通量在-214.58～111.37μg/（m2·h），試驗全部處理的CH4排放通量均在0上下波動，其中，CK、ND、OF與NB處理的CH4排放通量最大值均出現(xiàn)在第1次的測量當中，N和NOF處理的CH4排放峰出現(xiàn)在10月4日，試驗的最大CH4排放出現(xiàn)在NOF處理中，達到111.3749μg/（m2·h）。在試驗的6 個處理中，僅NOF 處理的CH4累積排放量為正值，總體表現(xiàn)為排放，CK的累積排放量與N和NB 處理間無顯著差異，表明施用氮肥和生物炭氮肥配施對于冬小麥CH4排放無顯著影響。

2.4 氮素減施和不同調(diào)節(jié)劑配施對冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成及GWP與GHGI的影響

冬小麥收獲后，不同處理對冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成及GWP 的方差分析如表3 所示，N、ND、OF 處理的千粒質(zhì)量顯著高于CK、NOF 和NB 處理（P＜0.05）；ND、OF處理下的小麥產(chǎn)量比CK分別增產(chǎn)111%和156%（P＜0.05）；株高方面，施肥5 個處理與CK 相比均有顯著性提高，NB處理的株高達到了CK株高的1.23 倍；N、ND、OF、NOF、NB 處理的穗數(shù)均顯著高于CK，其中，ND處理的穗數(shù)為CK的2.3倍；冬小麥地上部干物質(zhì)質(zhì)量施肥處理均顯著高于CK。ND與OF處理冬小麥產(chǎn)量較高，分析原因，雖然OF處理的穗數(shù)少，但千粒質(zhì)量最高；反之ND處理雖然千粒質(zhì)量較低，但在所有處理中穗數(shù)最多，綜上分析，產(chǎn)量受穗數(shù)和千粒質(zhì)量共同影響。NB 處理的GWP 值與 CK 間無顯著差異，N、ND、OF 和 NOF 處理的 GWP 值均顯著高于 CK 與 NB 處理，其中，N 處理的GWP值最高，ND、OF處理的GWP值較N處理分別顯著降低64.04%與48.48%，NOF 處理的GWP值較N處理降低23.47%，但二者間差異不顯著。N和NOF 處理的GHGI 值顯著高于CK 與其他3 個處理，分別達到了 CK 的 15.23、10.17 倍，CK、ND、OF和NB處理之間GHGI值無顯著差異，其中，NB處理的GHGI值僅為CK的9.6%。

表3 不同處理下冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素，GWP和GHGI值的變化Tab.3 Yield，yield composition，GWP and GHGI values of winter wheat under different treatments

2.5 氮素減施和不同調(diào)節(jié)劑配施對冬小麥全量營養(yǎng)元素的影響

冬小麥收獲后測得土壤全量N、P、K 如表4 所示，冬小麥籽粒、軸、稈、殼的全P 或全鉀含量處理間差異均不顯著，NOF處理冬小麥籽粒全N含量最高，冬小麥籽粒全N 含量從高到低依次為NOF＞N＞NB＞ND＞OF＞CK，處理間冬小麥籽粒全N 含量兩兩差異顯著（P＜0.05），冬小麥籽粒全N 含量OF處理較CK顯著增加了101%；冬小麥籽粒全P含量ND 處理顯著高于對照，較對照顯著提升了35%的冬小麥籽粒全P 含量。冬小麥軸、稈、殼的全N含量在所有處理間均呈現(xiàn)出顯著性差異，其中，軸全N 含量為NOF＞N＞ND＞NB＞CK＞OF；NOF 處理冬小麥軸的全K含量在所有處理中表現(xiàn)為最高，顯著高于 ND、OF 與 NB 處理，與 CK 和 N 處理間無顯著性差異。冬小麥稈的全N含量為N＞ND＞NB＞NOF＞CK＞OF；OF、NB 處理的冬小麥稈的全K含量顯著低于CK，CK與N、ND和OF處理之間無顯著性差異，NOF的冬小麥全K含量最高，較CK增加了17%。冬小麥殼的全N 含量為N＞NOF＞NB＞ND＞CK＞OF?？梢园l(fā)現(xiàn)，OF 處理的冬小麥軸、稈、殼部分的全N 含量均顯著低于CK，相比于CK有機肥OF處理卻顯著提高了冬小麥籽粒的全N含量，表明OF處理對肥力的應用更加高效。

表4 不同處理間冬小麥全量營養(yǎng)元素含量變化Tab.4 Total nutrient element contents of winter wheat under different treatments g/kg

3 討論

3.1 不同處理間冬小麥土壤溫室氣體排放特征

本研究結(jié)果表明，N2O累積排放通量順序為N＞NOF＞OF＞ND＞CK＞NB，與 N、NOF、OF 處理相比，ND、CK、NB處理未見明顯排放峰。在該試驗結(jié)果中，N、NOF、OF處理N2O排放通量在初期有明顯的升高達到峰值，其原因可能是相比ND、CK、NB處理前者具有更高的底物濃度，氮肥的減施減少了反硝化過程中的底物供應，從而降低了N2O排放[17-18]。ND處理中減氮與硝化抑制劑配施均能令土壤硝化和反硝化過程產(chǎn)生的N2O減少[19]。易瓊等[20]研究表明，氮肥配施雙氰胺處理較單施化肥氮處理能夠有效降低土壤硝態(tài)氮含量，還發(fā)現(xiàn)有機肥替代化肥會因為提高地溫增加N2O 的敏感性從而提高N2O 的排放[21]，這與本試驗結(jié)果相反。與N相比，NB處理N2O累積排放量明顯降低，因為生物炭具有很強的吸附力，土壤中的無機氮被吸附，通過減少土壤中硝化與反硝化過程中的底物供應，從而降低N2O的排放[22-24]。

本試驗中，不同施肥處理方式間的土壤CO2排放順序為ND＞OF＞N＞NOF＞NB＞CK；化肥減施20%配施雙氰胺（DCD）處理冬小麥CO2累積排放量顯著高于其他5個處理。這與李雪松等[25]的研究結(jié)果“氮肥配施DCD處理的土壤CO2釋放量分別比同水平單施氮肥處理降低了11.0%～13.9%”相反。太谷本身屬石灰性褐土，DCD 的應用會延緩NH4+-

N 的硝化，植物吸收產(chǎn)生交換性H+從而降低土壤pH[26]，土壤pH 降低后土壤中碳酸鈣碳酸氫鈣分解導致的CO2排放升高。目前關(guān)于麥田施用DCD 對CO2的研究還較少，DCD 對土壤CO2的排放還需要進一步研究。有機肥的施用能夠提高土壤中有機碳含量、增強土壤微生物活性，促進土壤有機質(zhì)中無機養(yǎng)分的釋放，從而增加土壤CO2累積排放量。NB處理的CO2累積排放量與對照無顯著差異，這與范靖尉等[22]施用生物炭對華北平原上小麥-玉米土壤的CO2排放研究結(jié)果相一致。

冬小麥土壤CH4排放呈現(xiàn)“源”、“匯”交替現(xiàn)象，土壤通氣狀況是CH4發(fā)揮源、匯作用的主要原因[27]。本試驗中，CH4的排放通量呈現(xiàn)出NOF＞OF＞ND＞N＞CK＞NB，且僅有NOF 處理CH4累積排放量表現(xiàn)出排放，旱地一般有較為良好的通氣條件，方便土壤中的甲烷氧化菌消耗和吸收地表大氣中的CH4

[28]。同時氮肥施入可以增加底物、促進甲烷氧化菌的活性，從而降低CH4排放[29]。NOF 處理中CH4表現(xiàn)出排放，原因可能是配施有機肥降低了土壤酸度，此外有機肥中含有大量的C 元素，一方面可以為甲烷菌生成CH4提供足夠的基質(zhì)，另一方面有機肥的分解消耗了氧氣。苗茜等[30]研究表明，相比常規(guī)單施化肥，有機肥部分替代化肥均能在不同程度增加稻田CH4排放。NB 處理中，連續(xù)6 a 施入5 t/hm2生物炭，共30 t/hm2，李露等[31]在稻麥輪作中配施20、40 t/hm2生物炭時發(fā)現(xiàn)，高濃度生物炭可以顯著降低CH4排放，而低濃度則無顯著影響。

3.2 不同處理對冬小麥產(chǎn)量及綜合溫室效應的影響

冬小麥總體產(chǎn)量上，與CK相比，ND與OF處理顯著增加。這可能是由于ND 與OF 處理的肥料利用率更高，DCD可以抑制氮肥由銨態(tài)氮轉(zhuǎn)換為硝態(tài)氮的途徑，減少硝態(tài)氮的累積，而有機肥相比氮肥分解慢肥效更長，并含有多種為植株所需要的營養(yǎng)元素。NOF處理也增加了冬小麥產(chǎn)量，這與王興龍等[32]、劉振洋等[33]的研究結(jié)果相一致。侯紅乾等[34]研究發(fā)現(xiàn)，高量有機肥與無機肥配施更有利于水稻增產(chǎn)。而李燕等[35]研究發(fā)現(xiàn)，有機肥替代化肥氮比例大于20%時出現(xiàn)減產(chǎn)趨勢，這與本試驗結(jié)果相一致。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，ND與OF處理顯著提高了冬小麥的株高、穗數(shù)和千粒質(zhì)量，并較N 處理增產(chǎn)47%～78%。OF處理下冬小麥產(chǎn)量較ND處理提升21%；OF 處理的GWP 值較ND 處理降低了23.47%，NB 處理的GWP 值在所有處理中溫室氣體增溫潛勢最小,僅為 CK 的 13.53%；N 和 NOF 處理的 GHGI值顯著高于CK、ND、OF和NB處理。

3.3 不同處理間冬小麥全量營養(yǎng)元素變化特征

與CK 相比，所有施肥處理均令冬小麥籽粒全N含量顯著增加，化肥減施20%與等氮含量80%有機肥配施（NOF）較單施化肥（N）顯著提升了籽粒和軸的全N含量，表明有機肥配施氮肥對冬小麥籽粒氮素的吸收有顯著的增強效果。冬小麥籽粒全P含量除ND 處理較CK 顯著低21%外，其他處理與CK 間均無顯著性差異。太谷為堿性土壤，磷在土壤中被固定，從而減少了作物對磷素的吸收能力，降低形成單位籽粒產(chǎn)量所需的磷素，增加了小麥吸收單位磷素形成籽粒產(chǎn)量的能力[36]。減量施氮肥處理ND 和NB 相比，NB 處理冬小麥籽粒全氮含量比ND 處理高17.4%，冬小麥籽粒全量磷鉀間無顯著差異，說明生物炭可能相比DCD 對冬小麥籽粒全氮量利用率更高，如今研究DCD 與生物炭配施氮肥對冬小麥籽粒全量N、P、K 含量的相關(guān)研究相對較少，具體對冬小麥籽粒全量營養(yǎng)元素的研究還需進一步發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，氮素減施和不同調(diào)節(jié)劑配施均能抑制旱地麥田N2O 排放，N 處理下的N2O 累積排放量最高，是對照的8.49倍，與N處理相比，ND、OF、NOF 和 NB 處理分別顯著降低了 62.57%、48.41%、27.95%和90.44%的N2O 累積排放量。相比N 處理，ND 處理的CO2累積排放量顯著增加29.52%；而CK 和NB 處理較N處理的CO2累積排放量則分別顯著降低了40.65%和41.00%，ND、OF 和NOF 處理間CO2累積排放量無顯著性差異。旱地麥田作為CH4的“匯”，所有處理中僅有氮素減施20%加有機肥（NOF）處理的CH4累積排放表現(xiàn)為排放，其他處理彼此間差異不顯著，均表現(xiàn)為吸收。

氮素減施20%配施DCD 與有機肥處理增產(chǎn)效果顯著，其冬小麥產(chǎn)量分別較CK 顯著增產(chǎn)78%、156%。氮素減施20%配施生物炭可抑制晉中旱地冬小麥 N2O 和 CO2排放從而抑制 GWP，CK 與 NB 處理間GWP 值無顯著性差異，且均顯著小于N、ND、OF 與 NOF 處理，與 N 處理相比，ND、OF 與 NOF 處理的GWP 值分別顯著減少64.04%、48.48% 和23.47%；NOF 處 理 較 N 處 理 GHGI 值 降 低 了33.21%，但二者間差異不顯著，CK、ND、OF與NB處理的GHGI 值均顯著小于N 與NOF 處理，其中，NB處理的GHGI值僅為CK的9.64%。

氮素減施20%與等氮含量80%有機肥配施可以增強冬小麥籽粒對氮元素的吸收，與N 處理相比，NOF 處理冬小麥籽粒全氮含量顯著增加14%；ND 處理冬小麥籽粒的全磷含量較CK 顯著降低25.7%，CK、N、OF、NOF 和NB 處理間冬小麥籽粒全磷含量并無顯著性變化，但NOF處理仍較N處理增加6.25%的籽粒全磷含量。

綜上，氮素減施20%配施生物炭處理對晉中旱地冬小麥土壤溫室氣體（N2O、CO2和CH4）減排的作用最突出，其 GWP 和 GHGI 分別僅為 CK 的 13.53%和9.64%，且相比CK 增產(chǎn)4.01%；有機肥處理產(chǎn)量最高，氮素減施20%配施有機肥冬小麥籽粒全量營養(yǎng)含量最高?？傮w而言，在相同氮素投入下，有機肥代替化肥是一種增強作物產(chǎn)量、提高植物氮素利用率并降低旱地冬小麥溫室氣體排放的有效措施。